船用发电机转子冷却风道内部流场的数值模拟

姚寿广, 刘 飞, 熊正强

(江苏科技大学 能源与动力工程学院, 江苏 镇江 212003)

发电机转子是影响整个发电机寿命的关键部件,随着空冷发电机向单机大容量方向发展,为了保证电机运行的安全可靠,电机转子的通风散热研究成为越来越重要的课题．转子为高速旋转的部件,目前尚无直接测量温度的有效办法[1],采用数值模拟分析技术对转子发热结构温度场进行分析已成为主要手段[2]．由于转子温度场的分析以转子风道中的流场分析为基础,为保证转子温度场分析结果符合实际,必须合理分析风道中气体运动流场进行[3],文献[4-9]采用有限元法与有限体积法对电机内的流场及相关方面进行研究,可以看出针对船用发电机,特别是船用发电机转子方面的研究目前相对较少．文中针对某型船用发电机转子冷却风道内部的流场进行数值模拟,为船用发电机转子通风散热的研究提供依据．

1 物理模型

由于所研究的船用电机转子采用径 — 轴向混合式冷却风道通风散热,选取了转子的径向、轴向冷却风道作为计算区域,采用三维建模软件Pro/E3.0按照图纸的实际尺寸进行几何建模,转子结构的基本尺寸：转子外径和内经分别为527和180 mm,转子轴向长度为530 mm，径向风道宽度为10 mm，转轴直径为180 mm，连接筋直径为5 mm．由于船用电机转子冷却风道的结构复杂,考虑网格划分以及进行数值模拟的实际情况,在不影响计算精度的情况下进行合理的简化．简化后的几何模型如图1．图中入口风道从左至右分别为一号至八号径向风道．图2为船用电机转子结构简图,从图中可以看出冷却空气从定、转子之间的气隙层进入径向风道,然后通过轴向风道排出带走热量,冷却空气的流向如图2中箭头所示.

图1 转子几何模型Fig.1 Rotor geometric model

图2 转子结构简图Fig.2 Rotor structure diagram

2 转子风道内流场的数学模型

转子冷却风道内部流体介质为空气,流体流动的速度远远小于声速即马赫数很小,故把流体看成不可压缩流体;经计算转子冷却风道入口雷诺数大于2 300,转子冷却风道内空气流动为紊流流动,所以采用湍流模型对转子冷却风道内部流场进行求解．考虑到RNGk-ε模型对于几何形状曲度变化剧烈的情况有很好的效果[10]．文中采用RNGk-ε模型[11],模型方程如下:

湍流动能方程k为

(1)

扩散方程ε为

(2)

3 网格划分及边界条件的确定

3.1 网格划分

图3 几何模型截面Fig.3 Geometric model section

图4 计算区域网格剖分Fig.4 Grid subdivision in the calculation area

3.2 边界条件的确定

1) 入口边界:文中给定速度入口．按照参考文献[12]中的理论计算公式,根据已知条件(电机冷却风扇的结构参数和转速)计算出口风扇带走冷却气流的工作流为Q=1.714 m3/s,并由已知的入口结构尺寸算得入口面积为0.132 4 m2,由气流质量守恒定律推算出在Y方向上垂直于入口的平均速度为-13 m/s,同时转子旋转会对入口速度产生影响,由转子的转速得到在X方向上的速度为21 m/s．

2) 出口边界:文中给定压力出口,由于出口在风扇工作区域以内,因此给定工作点压力,出口相对压力为900 Pa．

3) 固壁边界:采用无滑移边界条件,即假定固壁上流体质点的速度和固壁的速度(750 rpm)相等．

4 计算结果及分析

采用改进的SIMPLE算法SIMPLIEC作为求解器．利用FLUENT对整个模型进行流场的数值计算,采用TECPLOT360和EXCEL对计算结果进行数据的后处理．

4.1 压力场的计算结果及分析

图5为计算区域冷却风道流场的整体压力分布云图,左边为封闭端,右边为出口端;图6为对图5所示冷却风道中8个径向风道中间截面上的压力分布图,图7为图6中二号径向风道的放大压力分布图,图8为对图5所示冷却风道中轴向上中间截面偏移5 mm的截面压力分布图．

图5 整体压力分布云图Fig.5 Whole pressure distribution nephogram

图6 轴向切面压力分布云图Fig.6 Axial section pressure distribution nephogram

由图6和图7可以看到在计算区域入口处的中间位置存在着连接筋和绕组,压力明显高于其它区域,最大压力出现在一号和二号径向风道入口处中间区域．这是由于一号和二号径向风道远离出口,出口端风扇的抽吸作用对这里的影响有限,所以最大压力出现在这里．

图7 二号径向风道压力分布云图Fig.7 Pressure profile of radial air duct #2

图8 径向截面压力分布云图Fig.8 Radial section pressure distribution nephogram

由图6和图8可以看到靠近出口的流场中,当流体从径向风道进入轴向风道时会产生突然的压降,这主要是由于出口端风扇的抽吸作用,当流体刚从径向风道进入轴向风道时,由于抽吸作用流体的速度和方向发生突变,从而形成了压力的突降．综合观察图6～8可以看到流场内部整体压力的分布是沿轴向从左至右、径向从上到下是逐渐降低的．

4.2 速度场的计算结果及分析

图9为与图7相同位置的速度矢量图,图10为与图8相同位置的速度矢量图,图11为图10中二号径向风道附近区域的放大速度矢量图．由图9可以看出转子的旋转对入口附近的流场有很大的影响,在经过连接筋之后的流场中流体的流动主要以径向流动和轴向流动为主;同时在绕流连接筋以及绕组时,在背风侧存在着回流,在绕组下方的区域存在流体的混合现象,这将影响对流换热的效果．由图10中可以看到流体从径向风道进入轴向风道后的流动情况．当流体从径向风道内进入轴向风道时，开始由于流场区域的突然扩大使得流体产生扩散流动,但是由于风扇的抽吸作用,一部分流体的流动方向会慢慢发生改变转而流向出口方向．从图11中的局部放大速度矢量图可以看到靠近转子壁面的区域有回流产生,这一区域的散热将不太好．

图9 二号径向风道截面速度矢量Fig.9 Section velocity vector diagram of radial air

图10 冷却风道轴向截面速度矢量Fig.10 Cooling air duct axial section velocity vector duct #2 diagram

图11 轴向风道局部放大速度矢量Fig.11 Axial air duct local amplification velocity vector diagram

图12～15为轴向风道内不同位置的速度变化图,图中X轴为轴向风道径向的长度,单位为mm;Y轴为速度的大小,单位为m/s;系列1表示轴向的速度变化,系列2表示径向的速度变化,系列3表示轴向的速度变化．从图12～15中可以看到,轴向风道内轴向速度沿着轴向不断增大;径向速度的变化率从封闭端到出口端是依次变大的,这说明了图6和图8中出现压力突降的原因;在整个轴向风道内轴向速度很小,发生的改变也很小,这说明了图9速度矢量图及分析的正确性．

图12 距封闭端55 mm处轴向风道内速度变化Fig.12 Axial air duct inside velocity profile 55 mm away from the closed end

图13 距封闭端175 mm处轴向风道内速度变化Fig.13 Axial air duct inside velocity profile 175 mm away from the closed end

图14 距封闭端295 mm处轴向风道内速度变化Fig.14 Axial air duct inside velocity profile 295 mm away from the closed end

图15 出口处速度变化Fig.15 Velocity profile at the exit

5 结论

1) 采用的三维分析计算模型能够更好的模拟由于转子旋转对流道内流体流动的影响,计算出的流体场也更加贴近实际；

2) 以往以电机转子的一个径向风道作为研究对象,忽略了流体在轴向风道内混合时流体的流动情况,文中则以轴向上所有径向风道作为研究对象,并通过计算得到各个通风沟流体流速和压力分布趋势,有助于工程技术人员对船用电机转子冷却风道内流场的直观理解,能给电机设计人员优化通风结构和新产品的开发提供有价值的参考依据．

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