2MW风力发电机组机舱外流场分析

戚中浩 赵 萍 李 杰 袁 斌

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳， 618000）

0 引言

随着单机容量的增大，风力机各种零部件的设计难度不断提高，由公司设计的2MW级风力机在实际运行过程中出现机舱温度过高，风速测量仪测风误差较大，温度传感器频繁出现故障警报。对于上述问题，业内人士做了相应的分析和探讨，如文献［1］对风力机机舱在高温和低温两种情况下进行了数值分析，研究了机舱外的风速、风温对机舱内部温度的影响。文献［2］对空气流过风力机机舱内发电机的热分析。文献［3］对风轮和机舱间相互影响做了气动分析。本文采用CFD方法探讨了机舱空气进、出口位置对风速测量仪、温度传感器正常工作的影响。

1 机舱的物理模型和数值方法

1.1 几何模型

机舱外形长宽高的最大值为13.9m×3.8m×4.4m，机舱顶部布置两个气口：0.88m×0.36m(用于机舱排气)和0.62m×0.36m （用于发电机冷却排气），尾部两个相同大小的水平进气口，尺寸1.11m×0.48m，坐标原点位于轮毂中心 （见图1）。在数值模拟时对真实模型进行了适当的简化，当进行外流场分析时，忽略了叶片和塔架以及机舱内部部件。

图1 机舱模型

1.2 数值方法

假定风轮没有旋转，不考虑叶片产生的尾流影响，只考虑机舱排气的影响，空气视为不可压缩流体，物性参数为定值，忽略粘性耗散。

采用商业软件NUMECA的网格生成器分析对象生成全六面体非结构化网格。外流场分析：计算域尺度是60m×60m×60m，机舱位于计算域的正中心，网格单元体约89万个，第一层网格单元高度是20mm。

使用NUMECA软件包自带求解器，求解时间相关时均雷诺方程，二阶精度中心差分法离散，虚拟时间步推进采用四阶Runge-Kutta方法。数值模拟湍流模型Spalart-Allmaras一方程模型，多重网格加速收敛。

1.3 边界条件

采用不可压理想气体作为流体介质，环境温度是30℃，压力是标准大气压，密度是1.225kg/m3；机舱进风口 （数值模拟时出口）：每个进风口空气流量均是18000m3/h，风温是30℃；机舱出风口 （数值模拟时进口）：机舱内部空气排气口风温是45℃；发电机冷却管出风口风温是40℃；机舱壁面为绝热固壁面；其它壁面设为远场，给定压力101325Pa和速度15m/s。

2 结果分析

2.1 参考截面速度、温度分布

图2 测量位置图

图2是机舱罩顶部6个测量点，位于z=0.56m和z=-0.56m的两个面上，距机舱顶部空气出口的距离为2m、4m、6m。

图3、图4是图2所示6个测量位置的温度随着高度变化曲线，从图中可以知道机舱内排出的热空气沿机舱罩顶部形成一个最大厚度0.8m的热边界层，最高温度达到46℃左右，同时热边界层内的温度随着距离增加逐渐减小，而在边界层外，空气温度随着高度增加先降低后趋向于稳定，当高度达到距坐标轴3.5m（据机舱罩壳顶部1.4m）以后各个测量点的温度基本上为同一温度30℃（环境温度），同时比较图3和图4，还可以知道由于机舱罩上两个排气口空气的流速和携带的热量不同，在出口下游热边界层内温度分布方式也不同，温差在3℃左右。因此风力机外部温度传感器（安装风速测量仪在同一高度，距机舱罩顶部2.3m）不会受机舱内排出的热空气影响。

图3 1、2、3测量点温度分布曲线

图4 4、5、6测量点温度分布曲线

图5、图6是测量点x方向的速度分布，在CFD模拟过程中发现y方向和x方向的速度非常小，可以忽略不计[4]，所以主要从x方向的速度变化来描述机舱罩周围的空气流动。从图中可以知道空气流速沿高度方向呈S型分布，在速度边界层内，空气流速先增加后逐渐减小，而在速度边界层外，空气流速逐渐减小最终趋向于稳定流动（15m/s，即无穷远处来流流速），边界层的最大厚度1.8m。另外，综合速度和温度分布曲线，我们可以知道，流速高形成的热边界内温度低，反之则高，这个规律完全符合传热学定律[5]。从相关设计图纸查得该机组风速仪距机舱罩顶部的安装高度是2.3m，从图5、图6上可以看到测量点3和6位置处的空气流速，高度为4m后，温度稳定在30℃，风速趋向于14.5m/s，虽然与来流风速（15m/s）存在一定的误差，但是经过相应的修正，机舱罩排出的热空气不会影响到风速仪正常工作，但是对风速仪测风的修正需要进一步详细地确认。

图5 1、2、3测量点速度分布曲线

2.2 压力分布

图7是两个不同视角下机舱表面压力分布云图。从图中可以知道风轮前端和叶根前缘出现流动滞止、静压偏高，静压大约为103500Pa，同时可以看到在机舱尾部进风口附近出现低压区，静压大约在96000Pa，因此机舱进风口设置在该处是合适的。

图7 表面压力分布云图

2.3 温度分布

图8 机舱罩顶部温度云图

图8是机舱罩顶部温度云图。图中显示从机舱内部和发电机排气管排出的热空气在机舱罩顶部形成一个温度相对较高的热边界层，热边界层最高大约80cm，最高温度接近46℃，且随着高度的增加温度值逐渐地减小，这种规律与图2测量点温度曲线变化一致。同时这个热边界层的高度（80cm）远小于温度传感器的安装高度 （2.3m），即从机舱罩顶部空气出口排出的热空气不会影响到温度传感器的工作。

3 结论

通过CFD方法对环境温度在30℃情况下机舱罩空气的出口位置对风速测量仪和温度传感器的影响进行了数值分析，得到如下结论：

（1）在给定外流场边界条件下，机舱罩空气出口排出的空气对机舱顶部速度边界层的影响高度在1.8m （距测量点机舱顶部距离），而风速测量仪安装高度在2.3m （距机舱顶部距离），所以出口风速不会影响到风速测量仪的正常工作。

（2）在相同的边界条件下，机舱罩顶部受机舱内排出的热空气影响的高度在80cm左右，而这个高度远低于风速仪到机舱罩的距离 （2.3m），因此不会影响温度传感设备的正常工作。

（3）通过数值分析，为实际工程应用提供参考依据，但是还需结合机舱内温度场分布机理进行深入研究，为实际应用提供更多帮助。

[1]Smaïli,A.,Masson,C.,Taleb,S.R.,Boucetta,Y.,Nacelle Thermal Analysis of Wind Turbines Operating in Nordic Climate，A Collection of The 2004 ASME Wind Energy Symposium Technical Papers,Reno,pp.300-308,January 2004

[2]Smaïli,A.,Masson,C.,Lamarche,L.,Thermal Analysis of The Air Flow around Electrical Generator Located in Wind Turbine Nacelle Canadian Aeronautics and Space Institute's 50th Annual General Meeting&Conference,April 2003,Montréal

[3]Smaïli,A.,Masson,C.,Aerodynamic Analysis of Rotornacelle Interactions for Wind Turbines，Proceedings of the 10th Annual Conference of The CFDSC,pp.546-552,Windsor,June 2002

[4]戚中浩,赵萍,钟贤和,等.风力机机舱内对流换热数值模拟.现代电力,2010年双月刊,第27卷,218-221

[5]贾力,方肇洪,钱兴华.高等传热学.高等教育出版社