兆瓦级径向通风电机内流变特性数值模拟

丁树业，赵 杨，陈卫杰，苗立杰



兆瓦级径向通风电机内流变特性数值模拟

丁树业1，赵 杨1，陈卫杰1，苗立杰2

(1. 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨150080；2. 哈尔滨电气集团公司，哈尔滨150040)

随着风力发电机单机容量的增加，发电机的通风结构和冷却方式也变得越来越复杂，对电机内通风系统计算的精度要求也越来越高。本文根据流体力学基本理论，以一台5MW双馈风力发电机为例，结合发电机通风性能以及结构特点，在基本假设的基础上，建立了1/4发电机整体域内三维流体场物理模型。通过给出相应的边界条件，采用有限体积元法对发电机内部的流体场进行了数值计算。最后对发电机内部流体场的流动特性及分布规律进行了详细分析，得出了一些有益的结论，为发电机结构优化以及更大容量风力发电机的通风设计提供了理论依据。

大功率双馈风力发电机；径向通风；有限体积法

0 前言

随着对风力资源开发的深入发展，风力发电机单机容量不断提高[1]，同时对发电机的冷却系统也提出了越来越高的要求，这就需要对电机内的通风系统进行准确的计算，进而合理分配电机内冷却介质，使电机的发热部件得到良好的冷却。同时良好的通风系统也有助于降低噪声，减小风摩损耗，提高系统效率。

电机通风冷却系统的通风计算，理论上可以通过N-S方程及流体连续性方程求解，但实际上由于系统内冷却空气的过流情况十分复杂，边界条件不易确定，所以传统计算一般采用近似计算法、等值风路法及通风网络法[2]。重庆大学韩力等[3]提出了含有风压源复杂结构风路的闭环迭代解法计算风路，获得了较好的计算结果。哈尔滨电机厂蔡兵、李广德[4]等采用分布集中参数构成通风网络，用函数风阻法建立多回路非线性方程组，对发电机的通风系统进行综合的分析计算，得到通风系统的总风量及风压。

近几十年来，随着计算机技术发展，一些学者在流体力学理论、有限体积[5,6]及有限元方法[7]的基础上，对大型发电机内的流场进行了研究，如路义萍[8]等用计算流体力学对发电机转子风道结构与流量分布的关系进行了研究；李伟力[9]等用有限体积法对大型同步发电机定子多元流体场分布进行了深入研究。

但是，综合近年来的研究成果可以看出，流场计算常将电机的整体结构分成几部分分别计算，难以获得工程分析所需的整体、精确的计算结果，而对大型风力发电机内部整体流体场的研究成果相对较少，所以对大型风力发电机内的整体流体场进行分析研究具有一定的现实意义和工程实际价值。

本文在吸收以往大型电机通风计算经验的基础上，以一台5MW双馈风力发电机为例，建立了发电机半个轴向长度、半个周向内通风计算的物理模型，利用有限体积法对流体场进行了数值计算。对发电机内的冷却气体风速以及其沿轴径向的分布特性进行了研究，得出了一些在风力发电机设计中可以参考的研究结果。可为同类型更大容量的风力发电机的设计以及发电机可靠运行提供理论参考。

1 模型的建立

1.1 数学模型

在实际工程中，由于发电机内气体流速远远小于声速，空气密度的变化是很小的，可以将气体看作不可压缩流体。由于发电机内冷却流体的雷诺数很大，因此发电机内气体属于紊流。在标准大气压下，发电机内流体的流动满足质量、动量守恒，相应的三维控制方程[10]如下:

质量守恒方程为：

式中：、、—分别为、和方向的速度分量。

动量守恒方程：

1.2 发电机的冷却系统

本文以一台5MW双馈风力发电机为例，冷却系统结构原理如图1所示。

图1 发电机整体通风结构示意图

该发电机的通风系统采用双路径向通风结构，密闭式通风冷却方式。通风系统依靠转子自身旋转作用驱动冷却气体在电机内部循环流动，达到通风冷却的目的。

冷却空气从电机上部冷却器的出口进入到电机的端部，经转子支架进入转子本体部分，沿转子径向风道冷却转子线圈本体部分，从转子槽楔的出风口出来，进入电机的气隙，会同从气隙进入的少量冷却气体，共同进入定子各通风沟内，冷却定子铁心后，从定子铁心背部出来，经冷却器冷却，带出电机的损耗热，重新回到电机的端部，完成一密闭循环冷却系统。

1.3 基本假设及物理模型的建立

1.3.1 基本假设

根据电机通风的特点，以及电机的结构特征，做出如下假设:

（1）电机内流体的雷诺数很大(Re＞2300)，故采用湍流模型对电机内的流场进行求解；

（2）电机内流体场中，流体流速远小于声速，即马赫数(Ma数)很小，故把流体作为不可压缩流体处理；

（3）忽略通风道内流体的浮力和重力；

（4）由于电机的对称性，计算可简化为只计算半个轴向长度、半个周向电机有效部分的风路；

（5）由于只研究发电机内流体流速的稳定状态，即定常流动，因而控制方程不含有时间项。

1.3.2 物理模型的确定

根据5MW双馈风力发电机的结构特点及基本假设，本文取发电机1/2圆周以及1/2轴向长度的冷却气体作为流体场求解的物理模型，所建模型包括发电机的内部空气、定、转子通风槽钢。流体场的求解域模型如图2所示，其中Z方向为电机轴向，发电机的半个轴向段区域包含了12个径向通风沟，转子风沟出口与定子风沟入口相互对齐，定义靠近轴中心处的风沟为1号风沟，沿Z轴正方向依次定义，靠近端部处的风沟编为12号。

图2 三维流体场的求解域

1.3.3 边界条件

边界条件正确与否决定了数值计算的准确性。本文结合电机的结构特点，根据图2发电机流体场数值计算求解域，给出以下边界条件：

（1）入口为压力入口边界，数值为一个标准大气压；

（2）出口为压力出口边界，数值为一个标准大气压；

（3）轴中心径向截面设为周期边界条件，转轴对称面设为对称边界条件，其余的边界面为无滑移边界。

2 流变特性计算结果研究

2.1 整域内流体场流量计算结果分析

表1为发电机内各部分的风量的计算结果。

表1 发电机通风计算主要结果

从计算结果可以看出，冷却气体主要通过转子支架进入电机内部，进入转子支架中的风量占到总风量的99.64%，而进入气隙中的空气极少，仅占总风量的0.56%。这是由于电机在设计中，气隙入口的过流面积极小，使气隙入口处的风阻很大。大量冷却气体经转子进入定子，有利于转子的冷却。而本台电机为转子带线圈的隐极电机，对转子的冷却要求较高，可见这样的电机设计有利于此类电机的冷却。

本台电机需冷却器带走的损耗为134.6k，流体场计算所需冷却介质总流量为4.0788m3/s，发电机的计算总风量为4.941m3/s，可见通风系统基本能够满足电机的通风冷却要求。

2.2 径向流场特性分析

在流体场的计算中，忽略了定转子铁心以及定转子线棒等固体发热的影响，对于流体场的分析主要考虑在发电机转子旋转产生的风扇作用和发电机内流体流速以及流体压力的分布情况。假定电机逆时针方向旋转为电机的正转方向。图3为风沟1的中心截面压力分布云图。

图3 径向通风沟中心截面的压力分布

从图3中可以看出，在径向流域内流体压力变化很大，在转子区域内，压力沿轴向不断增大，达到转子出口处压力达到最大。在定子区域内，压力沿径向逐渐减小，最低压力发生在转子支架附近转子槽钢径向通风沟内。从以上规律可以看出，通风槽钢在旋转过程中起到了离心式风扇的作用，冷却空气从进风口被吸入，转动的通风槽钢起到了扇叶的作用，在转动过程中槽钢对气体施加动力作用，提高气体的压力和速度，被加速的气体在流动中把动能转换为静压能，然后随着流体的增压，使静态能又转换为速度能。驱动冷却气体在电机内的流动。

图4给出了通风沟1中心截面速度分布云图。

图4 径向通风沟中心截面的速度分布

从图4中可以看出，转子侧流体速度沿径向逐渐增大，主要是由于转子旋转产生的离心力作用使风沿径向不断获得机械能，从而使风速不断升高，在转子通风槽钢径向外圆以及气隙内的风速最高。定子通风槽钢内的风速较低，定子铁心与机壳间的风速也较低在定转子通风槽钢两侧流体流速存在一定的差别，槽钢迎风面的流体速度大于背风面的流体速度，其中定子侧的差别更加明显。在定转子区域内，由于通风支架的存在，流场流速在周向上的分布规律基本相同。

2.3 轴向流场特性分析

图5为过定子槽、转子齿中心线的轴向速度分布图。

图5 轴向截面的速度分布图

从图中可以看出：右侧端部转子线棒外圆附近的流体流速为最大值，可见端部转子线棒的旋转同样起到离心风扇的作用。下部转子支架内，入口处流体流速较大，沿轴向风速逐渐减小。

图6为各风沟转子入口和定子入口压力对比曲线。从图6中可以看出，转子风沟内的静压力沿轴向逐渐上升，这是因为转子支架内摩擦阻力很小，可以认为气体在转子支架内的总压是不变的，由于支架入口处空气的速度较大，即动压较大，根据伯努利方程可知，转子支架入口处的静压较小。沿Z轴的负方向，空气的流速逐渐减小，即动压逐渐减小，所以静压沿轴向逐渐上升。从图中还可以看出定子风沟入口处的压力沿轴向变化相对平缓。

由图7可以看出：随通风沟编号的增加，转子和定子中的冷却气体流量逐渐增加，这是由于在转子支架内，静压沿轴向逐渐增大。转子风沟流量最大值为0.0959 m3/s，定子风沟流量最大值为0.0950 m3/s。同时从图中还可以看出，定转子各风沟入口处的流量相差很小。这是由于转子的旋转以及气隙的过流面积较小，使气隙中的轴向风阻很大，各风沟中的气体沿气隙轴向的流动较少，从转子风沟出口流出的气体基本直接进入到相对的定子风沟中。

图6 定转子通风沟内压力沿轴向分布特性曲线

图7为定转子风沟入口流量对比曲线。

图7 定转子通风沟内流量沿轴向分布特性曲线

3 相关影响因素对流体内流变特性的影响

因转子通风槽钢的形状尺寸的影响，电机逆时针旋转和顺时针旋转，转子通风槽钢的扇风作用是不同的，因此本文对电机正转和反转两种工作状态下的流体特性进行了计算。

图8为不同工作状态下电机转子各风沟入口流量对比曲线。从图8中可以看出，电机在两种工作状态下，靠近端部风沟内的流量基本相同，但随着向轴中心位置的靠近，风沟内流量的差距逐渐变大。可以看到，电机反转时转子的携风能力更强。这是因为转子通风槽钢的弯曲设计，使电机在正反转时，转子具有不同的压头压力。为使电机达到更好的冷却效果，可尝试改变槽钢的弯曲方向来提高电机正转时的携风能力。

图8 正反转时风沟内流量特性对比曲线

4 结论

本文通过对5MW大型双馈风力发电机流体场的数值计算和特性分析，主要可以得到如下结论：

（1）转子通风槽钢在运行过程中产生的风量为4.941m3/s，能够满足电机冷却的要求；

（2）流体流速在径向上变化十分剧烈，其中位于转子区域内的流速较高；在轴向上流速变化相对平缓，端部流速大于轴中心处流速；

（3）进入转子支架中的风量占总风量的99.64%，进入定转子气隙中的风量占总风量的0.56%；

（4）电机反转时机内的冷却效果更好，因此可以考虑改变转子槽钢的弯曲方向。

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Numerical simulationof rheological propertiesof megawatt generatorwith Radial ventilation structure

DINDING Shuye1, ZHANG Yang1, CHEN Weijie1, MIAO Lijie2

(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China; 2.Harbin Electric Corporation, Harbin 150040, China )

Ventilation structure and cooling method of wind generator get complex and complex with the increasing of its capacity, while the accuracy requirements of ventilation system calculated are also increasing. The paper is based on hydromechanics theory, a 5MW large doubly-fed wind generator was take as an example, physical model that describe three dimensional fluid field of the 1/4 generator was established on the basis of basic assumptions considering ventilation characteristic and structure feature of generator. The fluid field inside generator was calculated numerically using finite volume method by giving corresponding boundary conditions. Finally, fluid flow characteristic and distribution performance of generator were analyzed in detail, and some useful conclusions were achieved, by which a theory gist for structure optimization of the generator and ventilation design of the larger capacity wind generator is provided.

large doubly-fed wind generators; radial ventilation; finite volume method

TM301.4+1

A

1000-3983(2014)04-0018-05

2013-05-22

国家自然科学基金（51277045）；黑龙江省自然科学基金（QC2012C109）；黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12531112）。

丁树业(1978-)，2008年毕业于哈尔滨理工大学电机与电器专业，获博士学位；现为哈尔滨工业大学和哈尔滨电气集团联合培养博士后；主要研究方向为电机综合物理场数值计算及特种电机理论研究，副教授。

审稿人：李广德