风电机舱温度场-流场仿真及优化研究

华电河南新能源发电有限公司 李 强 索连帅 刘征远 朱文会 华电电力科学研究院有限公司 杨 帅 张银龙

1 前言

风电是一种具有巨大潜在发展和相对成熟的可再生能源。对减少温室气体和应对气候变化的新形势下，风能受到了世界各国的高度重视。随着风电装机容量的高速扩大，它给企业带来了非常其明显的经济效益和社会效益，但同时也面临着一系列的设备问题，如齿轮箱、发电机、控制柜产生的热量大量积聚，至使机舱内温度不断上升的问题已经出现了多年，相关人员还没有找到经济有效的处理办法，因此寻找可靠有效的散热方法的非常必要的。

沈阳工业大学闫闯[1]等人针对目前风电机组单机容量提升所带来的机舱温升问题，以目前市场上广泛应用的机舱类型作为研究对象，寻求通过对机舱内的气流组织进行优化，实现降低机舱内的平均温度，优化温度场分布，削弱多热源间的影响，增强机舱的散热性能的目的，对通过改变风电机舱结构达到最佳散热效果具有参考意义。

陈子新[2]等人通过对风电组机舱内的主要热源分析，提出了一种基于自动控制的智能控温系统。分析了散热桨叶在不同功率下，机舱内气流对散热性能的影响。对优化机舱内流场具有参考意义。

应华冬[3]等人以存在散热问题的机组作为研究对象，从科学的重新规划气流组织，降低系统吸风阻力等方面入手，对机组的散热系统进行改造。同时用计算机辅助软件对改造结果进行评估，验证了良好的改造结果，为机舱散热性能优化提供了依据。

马铁强[4]等人在以散热布局结构优化中发现“下送尾排”式机舱散热布局结构的基础上，提出了“下送侧排”式、“侧送尾排”式和“侧送侧排”式3种机舱散热布局结构；然后通过改变送风口与排风口的位置，运用CFD软件对4种机舱散热布局结构进行温度场数值模拟。

由于强对流风冷在目前风电机舱散热系统中运用十分广泛，所以国内文献中的大部分学者都是通过有限元分析建立流速场和温度场[5]，在比较温度效率值找出最佳散热方案的，以上文献均有提到通过改变进/排风口数量、尺寸，选取不同表面等方法优化气流质量改善温度场分布不均引起的“热短路”问题。由于以上文献已做过大量数据分析和比对。结合以上文献基于“下进侧排”方式，发现在齿轮箱上方隔板可以有效的解决机舱尾部“热短路”的问题，并再文献原有散热性能上得到大幅提升。

N Kang[6]根据某3MW风力发电机组的机房结构、环境运行要求以及各部件的散热情况，对其机房的热平衡进行了研究。对机舱热负荷进行了分析，建立了基于有限体积法的物理模型。

Ningqiang Shi[7]设计了一种散热系统。确定了换热器与散热器的组合结构，以及内外循环隔离换热的散热方式，提出了以西门子PLC为核心的控制方法和运行方式，采用计算流体力学方法设计了散热系统的空冷换热器和液冷散热器。

本文主要通过有限元仿真模拟的方法，对风电机舱内的不同结构布局来改变机舱内的气流组织情况，得到不同情况下的机舱温度场云图，通过对温度云图的分析优化机舱散热、降低舱内平均温度、削弱由于机舱呈轴线布局结构带来的局部热量积聚问题。该方法可以通过改变机舱结构及布局影响流速场的变化，在通过散热系数可以直观地分析出气流对于散热差异，大大的降低了实验成本和分析难度。

2 散热问题评价方法与有限元方法理论基础

2.1 风电机舱传热方式

2.1.1 热传导

物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子以及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导，热传导的规律总结为傅里叶定律：

式中：q—热流密度，W/m2；λ—导热系数，W/（m·K）；“-”表示热量流向温度降低的方向。

导热系数λ是用来表征物体材料导热能力优劣的物性参数。不同材料的导热系数一般不同，同种材料在不同温度条件下其导热系数也会随温度变化而变化。一般情况下金属材料的导热系数最大，液体次之，气体最小。当材料导热系数随温度变化不大时，可以将导热系数做常数处理。

2.1.2 热对流

热对流是由于流体的宏观运动而使各部分流体产生了相对位移，导致冷热流体相互掺混产生热量传递的过程。对流传热可分为两大类：流体冷热部分密度不同而引起的自然对流；泵、风机和其他压力差造成的强制对流。对流传热用牛顿冷却公式表示为：

式中，q—热流密度，W/m2；h—表面传热系数，W/（m2K）；ΔT—壁面和流体的温度，℃。

2.1.3 热辐射

物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。热辐射特点是可以在真空中传递，采用斯忒藩-玻尔兹曼定律来计算表面辐射传热的情形。

式中：Φ—热流量，W；ε1—物体的发射率，其值总是小于1，与物体的类别和状态有关；σ—斯忒藩-玻尔兹曼常数，其值为5.67×10-8W/（m2K4）；A1—辐射面1的面积，m2；T1—为辐射面1的绝对温度，K；T2—为辐射面2的绝对温度，K。

2.2 机舱散热性能评价方法

2.2.1 基于温度效率的机舱散热性能评价方法

基于温度效率的机舱散热性能评价方法[8]，已知空气温度变化负荷分为两部分：显热指无相变的温度变化；潜热指相变热。

温度效率指显热交换效率，也称显热回收效率。风电机舱的温度效率越高其散热能力越强。

式中：Te—排风口温度值；T0—进风口温度值；Tz—机舱内的平均温度值。

2.2.2 基于温度值标准差的机舱散热性能评价方法

温度标准差指所有的温度结果与平均温度值的分散程度[9]，若温度标准差越大说明机舱内温度场分布不均匀，反之则说明机舱内大部分温度与平均温度值相近，其温度场分布情况也越好。

式中：σ—标准差；μ—温度的算数平均值；N—选取对比温度节点数；x—选取节点温度。

2.3 仿真过程中有关单元的有限元方法

2.3.1 有限元微分方程

在机舱传热模拟的过程中，使用的有限元计算微分方程如下[10]：

q—单位体积的热生成；hf—对流换热系数；TB—计算流体温度；δT—温度的虚变量；S2—热通量的面积；S3—对流面积

2.3.2 气流组织控制方程

机舱内气体的流速一般约为3m/s，风电机舱内气流组织的统一控制方程如下。

（1）机舱内气体为不可压缩流体，满足流体连续性方程：

（2）机舱内气体在各个速度分量方向上，满足动量守恒方程：

（3）不考虑机舱内气体的黏性耗散，满足能量守恒方程：

式中：u—舱内气体瞬时流速；p—气体压力；cp—气体比热容，λ—气体传热系数；T—气体温度。

（4）舱内气体湍流模型

已知雷诺数是判断气体为层流还是湍流的无量纲数，其数值为惯性力与粘性力的比值。由于风电机舱内部件众多，自然环境中空气的粘性力很小，在风电机舱内进行强制对流的情况下机舱内部呈现为湍流状态，所以在风电机舱内空气流动的仿真分析中采用k-epsilon湍流模型：

式中：Gk—气体层流速度梯度所产生的湍流动能；Gb—浮力产生的湍流动能；YM—可压缩气体流动由湍流导致的波动，此处研究气体为不可压缩流体故此处忽略不记；Sk、Sε—用户定义的源项，通常也忽略不计；∂k、∂ε—为方程k和方程ε的湍流普朗特数。

2.4 网格划分的误差

在稳态问题研究中，对网格的划分会影响到计算结果。已知在实际情况中，稳态的实际温度要高于网格上结点温度，当网格划分越密集其计算结果与真实温度越接近，但计算量也随之增大，且当网格增加到一定值后对计算结果并无明显影响，故不需要对网格进行过细的划分，增加额外的计算量。仿真模拟存在误差，故网格的划分需要根据实际情况改变。

2.5 风电机组传热模型

利用软件建立风电机舱流固耦合传热模型，主要分为以下几个步骤：机舱模型的建立、材料的选择、固体和流体传热边界条件设置、湍流条件设置、网格划分、物理场选择、求解计算设置。

为合理简化求解，根据机舱环境温度、绝对压力、送/入风口设定边界条件。若边界条件不合理会直接影响分析结果。

3 风电机组高温原因分析

由于齿轮箱的阻隔作用，齿轮箱后面的流场呈现较明显的分割效果，使得气流流通效果差。综合来看风电机舱舱内空气流动性较差，机舱内平均流速约为1m/s，由于流体流动总是沿着阻力最小的方向进行，导致冷却空气没有与齿轮箱和发电机等发热部件充分接触后就排出机舱，造成了热短路的问题。

4 改进措施及效果

4.1 增设挡流板

当机舱内的空气进入机舱后，大部分气流通过机舱顶部的流道流出机舱，使得齿轮箱、发电机和控制柜区域气流流量较小造成气流的短路。合理的机舱内部空气流动路径应使得冷却空气多流经热源表面，针对机舱上部气流组织短路问题在其上部设置导流挡板，改变机舱内空气流动路径，优化机舱散热。

在加入导流挡板后冷却空气从机舱底部进入带动周围空气流动，在机舱顶部由于导流挡板的作用，冷却空气从齿轮箱后部向下流动，然后经过发电机与控制柜区域，最后在机舱尾部舱口流出。

由图1可以得出加入导流板后机舱壳体的温度为20.37℃，机舱内气体的平均温度为20.83℃、齿轮箱的温度为64.31℃、发电机的温度为67.34℃，加入导流挡板之前各个部分温度均有显著的下降，由机舱内空气流道的改变，使得冷却气流尽可能的流经热源流动阻力加大，此时机舱内空气的平均流速约为1.19m/s。

图1 加入导流板后机舱内空气与机舱壳体温度场

5 结语

5.1 结论分析

由模拟仿真可知，在机舱底部加送风口、对齿轮箱底部加装导热片和在机舱顶部设置导流挡板的方法，使齿轮箱及发电机的热量明显降低，提高风电机舱散热的能力。需要注意的是增加的送风口风速不能大于机舱内主气流的风速，避免两股气流在机舱内相互冲突无法表现出对机舱内散热能力的提升。

5.2 建议

本文通过增加隔板改变了气流路径，使冷却空气成功流经控制柜和发电机，解决了由齿轮箱阻挡冷空气无法到达机舱尾造成热短路的问题，但无严谨的数学模型对进/排风口的大小，位置及送风量进行计算，如：进风口的位置不仅决定了冷却空气进入机舱后的流通路径，也决定了冷却空气的气流组织状态。如果进风口位置不合理，则会引起高强度的湍流，导致高温气体在机舱内滞留，难以排除机舱外。所以在对机舱气流组织布局设计时，应进行严谨的数据计算；进风口的进风量与尺寸相关，当进入机舱的冷却空气流量一定时，进风口尺寸的增大将引起进风速度的减小，进风口尺寸的减小将引起进风口风速的增大。所以应当通过严谨的数学模型及分析选出最合理的方案。