风力发电机组机舱内部气流组织优化方法研究

马铁强，孙德滨，苏阳阳

·实验研究·

风力发电机组机舱内部气流组织优化方法研究

马铁强1，孙德滨1，苏阳阳2

(1．沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870; 2．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870)

针对兆瓦级风力发电机组机舱内部结构散热性能问题，在“下送尾排”式典型机舱散热布局的基础上，提出了“下送侧排”式、“侧送尾排”式和“侧送侧排”式等三种不同的散热气流组织形式。利用CFD软件对四种不同的机舱散热气流组织形式进行了温度场数值模拟，并对模拟结果进行对比。在此过程中，提出了一种基于热源扰动的气流组织均匀性评价新方法，解决了无参照状态下机舱散热气流组织的孤本评价难题。模拟结果表明:“下送侧排”式是四种不同的散热气流组织形式中最好的散热布局结构。

风电机组;气流组织;CFD;数值模拟;热源扰动

0 前言

风力发电机组作为一种在高空无人值守持续运行的超大型复杂机械装备，机械和电气部件在复杂工况下会以摩擦、碰撞、电磁损耗等形式持续生热。尽管关键部件配有专用散热通道，但散热功率不匹配或散热结构不合理，会使热量不能及时散发，聚集在机舱内造成不确定性温升。机舱温升将引起传动链润滑水平下降、机舱爆燃风险加大、管线加速老化等严重问题。据内蒙古某风电场的2014年统计资料，部件超温导致的机组停机次数约占非正常停机总数的43%。机组散热问题仍未有效解决，严重制约机组的可利用率和成本回收。

文献［1－5］模拟了风力发电机温度场分布;文献［6］分析了风电齿轮箱稳态温度场;文献［7］分析了风力发电机组主轴承的滚动体接触摩擦生热及接触区热量分布;文献［8］模拟了极端温度下风力发电机组机舱热性能，成果用于机舱冷却系统功率匹配。这些研究为风电机组部件冷却方案设计和风力发电机组的运行控制提供了优化参考依据。

由此可见，风电机组的机舱散热在一定程度上影响着整个机组的稳定运行，机舱的散热问题一直是行业内不可忽略的问题之一，机舱内环境温度过高会对舱内关键部件产生不利的影响［9－10］。因此机舱散热布局结构的优化尤为重要，但是从风力发电机组工作环境的角度考虑，送、排风口的尺寸、位置等因素会使得机舱内部重要部件受到外界环境因素(如凝露、沙尘、盐雾)的影响，因此要尽量保证机舱的密封度。

传统的气流组织设计主要借助理论计算、模型实验来完成，但是这些方法存在很大的局限［11］，本文主要运用CFD软件，对“下送尾排”式、“下送侧排”式、“侧送尾排”式和“侧送侧排”式等四种不同的气流组织形式，进行数值模拟并提出一种基于热源扰动评价风力发电机组机舱内部温度分布均匀性的新方法，解决了无参照状态下机舱散热气流组织的孤本评价难题。不仅为机舱内部气流组织形式的优化设计提供了理论参考，同时也为其它风电机组机型的设计提供了借鉴依据，具有一定的实际工程价值。

1 气流组织形式

气流组织即空气分布状况，是指室内空气的速度分布、温度分布和污染物浓度分布状况［12］，良好的气流组织形式有助于由送风口进入的空气到达工作区域后在舱内形成比较均匀的温度、湿度和气流速度，有助于机舱散热。影响气流组织的因素很多，如送、排风口的位置、尺寸大小及风电机组的复杂工况和季节变化等。本文主要对送、排风口这一因素进行数值模拟并对模拟结果进行比较。在传统机舱散热布局“下送尾排”式的基础上，保持送、排风口的尺寸不变，改变其位置，模型如图1所示。

图1机舱散热布局的物理模型Fig.1Physical model of the nacelle heat dissipation structure

图1 中，靠近机舱前端的两个长方形口为送风口，机舱尾部的两个长方形口为排风口，靠近机舱前端内部的大长方体为齿轮箱，齿轮箱上部体积小的长方体为齿轮箱散热通道，靠近机舱尾部的下方的长方体为发电机，发电机上方为发电机散热通道，机舱内部尾端前方是控制柜。舱内各个部件的几何尺寸均按照实物尺寸建模。

2 控制方程、湍流模型及边界条件

2.1 舱内流体与传热的控制方程

机舱内安装了强制通风系统，由专门的送风口和排风口形成了机舱与外部气体环境的交换系统。舱内气体假定为不可压缩气体，在恒功率强制通风系统作用下做定常流动，遵守质量、动量和能量守恒定律。

本文用整体求解方法，求解舱内气体流动和温度场分布问题。设舱内气体瞬时流速为u，气体压力为P，气体比热容为cp，气体传热系数为k，气体瞬时温度为T，则舱内气流的统一控制方程描述如下:

(1)机舱内气体不可压缩，则满足以下流体连续性方程:

(2)机舱内气体在各个速度分量方向上，满足以下动量守恒方程:

(3)不考虑机舱内气体的黏性耗散，则满足能量守恒方程

2.2 舱内气体的湍流模型

机舱内气体在强制通风系统作用以较大流速做定常流动，由于自然环境下的空气黏性系数可忽略不计，因此其雷诺数较大。舱内气体受机舱的复杂布局结构影响，气流组织形态呈现复杂紊流。

为了描述舱内气体紊流状态，采用Launder和Spalding提出的k－ε湍流模型。k－ε湍流模型是简单而标准的湍流模型，可有效解决高雷诺数的流体湍流问题。k－ε湍流模型方程为

式中，Gk为气体层流速度梯度产生的湍流动能; Gb为由浮力产生的湍流动能;YM为由于在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动，由于舱内气体不可压缩，故忽略不计;Sk、Sε为用户定义的源项，通常也忽略不计;σk、σε分别为k方程和ε方程的湍流普朗特数，由舱内气体的比热容Cp、黏度系数μ和导热率k根据普朗特数计算公

2.3 机舱流场和温度场分析的边界条件

舱内气体为定常流动，流场分布由强制通风系统功率决定。温度场由气体与热源之间的自然对流、辐射、热传导三个换热过程和流场分布决定，那么不同热源表面温度会导致机舱温度场有所差异。

根据IEC标准规定的部件工作温度范围及风电场夏季常规监测数据，设定机舱流场和温度场分析的边界条件。由于舱内散热气流组织形态与送风口、排风口的风速、流量有关，而与热源温度数据无关，因此选定表1所示机组稳定运行时部件外壳的温度数据作为分析依据。式(8)获得。舱内气体的普朗特数σk、σε别取数值1和1.3。

表1 机舱温度场分析参数Tab.1Parameters of the nacelle temperature field

此外，夏季常规运行的环境监测温度统计平均值约为20℃;送风口的气体速度v≈5 m/s;按照GB/T19073标准规定齿轮箱的工作环境温度为－40～50℃。

3 模拟结果

从图2所示温度场分布上可以明显的看到四种不同的气流组织形式中，“侧排”式的两种气流组织形式温度场分布趋势基本相同，“尾排”式的两种气流组织形式温度场分布趋势基本相同，均呈现出“前凉后热”的分布特点。“尾排”式在机舱尾端发电机周围形成高温区，不利于散热，“侧排”式的气流组织形式相对于“尾排”式的气流组织形式好一些，有利于机舱散热。

图2 不同气流组织形式截面温度场分布Fig.2Temperature field distribution of different air distribution

4 机舱内部气流组织散热性能评价方法

相关数据。设热源扰动影响不均匀系数为kΔt，kΔt按式(9)计算。

4.1 基于热源扰动的温度场分布均匀性评价新方法

为分析风力发电机组机舱温度场分布均匀性问题，若按照文献［13］提供的温度场分布均匀性评价指标，则无法准确判定温度场分布是否均匀。本文提出一种基于热源扰动的温度场分布均匀性评价新方法。在环境温度不变条件下，为所有热源施加温度扰动量Δt，通过截取垂直于X轴的若干截面，以截面中心为对称点，上下左右对称取三维点，本次取点共计323个点。取点模型如图3所示，由左向右为X轴正方向，由下向上为Z轴正方向，坐标系原点位于机舱左侧面与底面交线的中点处。度变化标准差σΔt和温度变化平均值Δt，并记录

从风力发电机组工作环境的角度考虑，机舱内部温度场受复杂工况及季节变化等因素的影响，进而影响不均匀系数kΔt。为了验证不均匀系数kΔt是否趋于稳定状态，在CFD计算的边界条件中加入温度扰动并重新计算流场，根据式(9)计算各自热源扰动影响不均匀系数kΔt。将相邻两次热源扰动产生的热源扰动影响不均匀系数kΔt，i和kΔt，i+1代入关系式(10)，得到温度场不均匀性评价稳定指标λ，若λ→0，则说明温度场分布的不均匀特性趋于稳定状态。

基于热源扰动的温度场分布均匀性评价方法解决了无参照状态下机舱散热气流组织的孤本评价难题，为风力发电机组机舱内部温度场分布均匀性的研究提供了理论基础和借鉴经验。根据以上结论，优先选出机舱内部温度场分布不均匀特性稳定状态良好的，后选择机舱内部温度不均匀性系数相对小的。

本文对四种不同的气流组织形式的拟六面体机舱内的热源施加了两次扰动并重新计算流场，由式(10)计算分别得到的不均匀性评价稳定指标λ和温度不均匀系数σx见表2。

图3 取点物理模型Fig.3Physical model of taking point

计算此时的机舱内温度场内各取样点处的温

表2 不同气流组织形式的相关参数Tab.2Parameters of different air distribution

由表2看到:各种气流组织形式的温度不均匀系数σx都基本集中在10左右，相差不大，从优先考虑温度场不均匀性评价稳定指标λ的角度考虑，“下送侧排”式的温度场不均匀性评价稳定指标λ最小，即“下送侧排”式是四种不同的气流组织形式中散热性能最好的气流组织形式。

4.2 机舱内部的温度效率

设Tε为排风口温度，T0为送风口温度，Tz为机舱内的平均温度，则机舱内部的温度效率Et可由公式(11)计算。

根据本文实验样本整理得到机舱温度数据，见表3。由式(11)计算得到四种不同气流组织形式拟六面体机舱的温度效率Et。该温度效率偏低，说明机舱散热能力较低［11］，机舱散热气流组织形态不良，不利于机舱散热。

表3 不同气流组织形式的机舱温度数据(热力学温度)Tab.3Temperature data of nacelle with different air flows distribution(thermodynamic temperature)

由式(11)分别得到:Et1=0.76977，Et2= 0.81081，Et3=0.76798，Et4=0.81975。

由Et4＞Et2＞Et1＞Et3可以得到:“侧排”式较“尾排”式气流组织形式温度效率更高;“下送侧排”式与“侧送侧排”式温度效率基本相等，大于其他两种气流组织形式;说明“下送侧排”式和“侧送侧排”式两种不同气流组织形式的机舱散热能力较高，机舱散热组织形态良好，更有利于机舱散热。价值。

(3)为进一步优化“下送侧排”式机舱散热气流组织形式提供了理论参考及借鉴经验。

5结论

针对风力发电机组机舱内部散热通风问题，利用CFD软件对四种不同气流组织形式的机舱布局结构进行了数值模拟，采用了一种基于热源扰动的新式方法评价机舱内部散热优良。经数值模拟分析结论如下:

(1)由机舱内部温度场分布不均匀性稳定评价指标λ，温度不均匀性系数σx和温度效率Et等参数指标，得到“下送侧排”式是最好的散热气流组织形式，其散热效果最佳。

(2)采用CFD软件对四种不同气流组织形式的散热性能进行数值模拟研究，得到“侧排”式的气流组织形式比“尾排”式的气流组织形式散热好一些，不仅为机舱外形结构设计及其通风散热性能设计提供了参考，同时也为其它机型的设计提供了可借鉴的依据，具有一定的实际工程

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专利介绍

一种一机两流板坯连铸机及其生产方法(CN103182488A)

本发明提供了一种一机两流板坯连铸机及其生产方法，减少投资，降低生产成本，节约资源。

该一种一机两流板坯连铸机，包括钢包、长水口、中间包、浸入式水口、结晶器、振动装置、引锭链、扇形段、设置在扇形段的出口处的出坯系统，长水口连通钢包与中间包，浸入式水口自中间包的底部接入结晶器，振动装置设置在结晶器外，扇形段设置在结晶器的出口下方，引锭链设置在扇形段辊缝内且引锭链的上端插入结晶器内，特殊之处在于，结晶器设置有第一腔体和第二腔体;浸入式水口包括第一浸入式水口和第二浸入式水口，分别接入第一腔体和第二腔体内;引锭链包括设置在其上端的第一引锭头、第二引锭头，分别插入第一腔体和第二腔体内。上述结晶器由外弧装配、内弧装配、左侧装配、右侧装配、左侧中间插板、右侧中间插板组成，外弧装配、内弧装配、左侧装配和左侧中间插板围成第一腔室;外弧装配、内弧装配、右侧装配和右侧中间插板围成第二腔室。上述引锭链还包括第一过渡链节、第二过渡链节和链身，第一过渡链节、第二过渡链节分别串接在所述第一引锭头、第二引锭头与链身之间。上述引锭链还包括第一过渡链节、第二过渡链节和链身，第一过渡链节、第二过渡链节分别串接在所述第一引锭头、第二引锭头与链身之间。上述引锭链是柔性链式弓I锭链。使用一机两流板坯连铸机的生产方法，包括以下步骤:

1)、钢水从钢包经长水口进入中间包后，分别经第一浸入式水口和第二浸入式水口进入结晶器的内插第一引锭头的第一腔体内和内插第二引锭头的第二腔体内，进入第一腔体内的钢水与第一引锭头连接，进入第二腔体内的钢水与第二引锭头连接，此时，钢水在结晶器内冷却形成两流铸坯;

2)、当结晶器内的钢水距离结晶器的顶部100 mm时，振动装置启动，同时，启动扇形段的驱动装置，驱动引锭链带动上述的两流铸坯向下运动，直至该两流铸坯被拉出扇形段，并进入出坯系统，在此过程中两流铸坯逐渐冷却，形成两流板坯;

3)、待两流板坯到达切割机处并达到指定长度时，切割机同时切割两流板坯，被切割下来的两流板坯为定尺板坯，该定尺板坯与引锭链脱离并被出坯系统运出;尚未被切割的两流板坯的剩余部分随着扇形段继续向下运动，待达到指定的尺寸后，切割机再次对该两流板坯的剩余部分进行切割获取定尺板坯，如此往复。

Research on optimization method of air distribution inside the nacelle of wind turbine

MA Tie-qiang1，SUN De-bin1，SU Yang-yang2
(1．School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China;2．School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

To study the heat dissipation performance inside the nacelle structure of the megawatt grade wind turbine，three different air distribution s of bottom to side，side to tail and side to side are proposed on the basis of typical structure of bottom to tail．The CFD software is used to analyze the temperature field of the four different air distributions inside the nacelle，and the results of the numerical simulation are compared．In the course of studying，a new method of evaluating the air distributions uniformity based on the heat source perturbation is proposed，and the problem of evaluating the air distributions uniformity without reference has been solved．The results show that the bottom to top method whose temperature field is proven to be the best in all forms．

wind turbine;air distribution;CFD;numerical simulation;heat source perturbation

TM385

A

1001－196X(2017)01－0029－06

2016－05－24;

2016－07－27

国家自然科学基金重点项目(51537007);国家自然科学基金项目(51207095);辽宁省科技创新重大专项(201303005)。

马铁强(1977－)，男，博士，讲师，主要从事适应复杂环境的风力发电机组多学科耦合设计、分析和仿真理论研究和软件研发。

孙德滨(1990－)，男，沈阳工业大学在校硕士生，研究方向:机械制造及其自动化。