大功率风力发电机转子温度场数值仿真

葛云中，丁树业，祝 琳，管绍军

（1．中国人民解放军96215部队，广西 柳州 545616；2．哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，哈尔滨 150080；3．中国人民解放军第二炮兵司令部，北京 100085）

大功率风力发电机转子温度场数值仿真

葛云中1，丁树业2，祝 琳3，管绍军2

（1．中国人民解放军96215部队，广西 柳州 545616；2．哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，哈尔滨 150080；3．中国人民解放军第二炮兵司令部，北京 100085）

本文以一台1.5MW双馈风力发电机为例，研究发电机转子内流体流动与传热问题。根据发电机通风结构与传热的特点，建立转子1/8区域的三维求解模型，并采用CFD技术对求解域进行耦合求解，得出发电机转子内流体流动特点和温升分布规律。

风力发电机; 温度场; 流体场; CFD技术; 数值仿真

引言

电机最高温升直接影响电机运行的可靠性，目前对电机转子的动态温度测量有相当的难度，即便实施，代价也较高，所以对电机转子通风及温升的研究始终是一个焦点[1-2]。

近年来许多专家学者对发电机的不同冷却介质、转子流场、定子温度场进行了卓有成效的研究[2-4]，都为电机内物理场的计算奠定了一定的基础。目前对大功率风力发电机，特别是兆瓦级风力发电机转子温度场的研究较少，本文的研究具有一定的价值。

本文以一台1.5MW双馈风力发电机为例，采用基于有限体积法的CFD软件Fluent分析发电机转子内流体场和温度场。通过对转子流体场与温度场的耦合求解，得出电机转子流体流动特性和温升分布规律，并对转子股线和转子铁心的温升分布进行详细的分析，对风力发电机的运行和大容量风力发电机的优化设计具有指导意义。

1 数学模型

电机冷却系统内流体流动与传热满足质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动处于紊流状态，还要遵守附加的湍流运动方程，其守恒定律可以采用相应的控制方程进行描述[5-6]。

1.1 控制方程

根据流体力学理论，采用标准ε-k方程模型对流体进行描述。当流体为不可压缩且处于稳定流动状态时，采用通用控制方程[7]为：

式中：φ、V为通用变量；ρ为流体密度；Γ为扩展系数；S为源项。

1.2 三维热传导方程

针对各向异性材料，由传热学基本原理可以写出求解域内稳态温度场基本方程及其边界条件：

式中：T为固体待求温度，oC；λx、λy、λz为求解域内各种材料沿x、y以及z方向的导热系数，W/(m·K )；qV为求解域内各体热源密度之和，W /m3；α为散热表面的散热系数， W /(m2·K )； Tf为散热面周围流体的温度，Co； Sj、 Ss分别为绝热面和散热面。

1.3 能量守恒方程

能量守恒定律是含热交换过程的流动系统须满足的基本定律，流体能量守恒方程如下：

式中：U为流体的速度矢量；u、v、w分别为流体的速度分量；h为流体的比焓；T为流体温度；λ为流体的导热系数；p为流体压力；Sh为流体的内热源；Φ为由于粘性作用机械能转化为热能的部分，称为耗散函数。

2 求解域模型

2.1 发电机冷却结构简介

由于风力发电机运行及安装方式的特殊性，其冷却结构采用内风路、外水路相结合的冷却结构，冷却结构如图1所示。

图1 电机冷却系统

2.2 基本假设

根据电机结构、冷却系统和传热的特点，作如下假设[2-4]：

（1）电机内流场中，流体流速远小于声速，即马赫数很小，故把流体作为不可压缩流体处理。

（2）由于电机内流体的雷诺数很大（Re＞2300），属于紊流，因此采用紊流模型对电机内流场进行求解。

（3）由于电机结构周向对称，认为转子槽中心面和齿中心面是绝热的。

（4）不考虑风扇实际存在，端部绕组用直线段取代。

2.3 计算区域及网格剖分

由于发电机转子区域的流动与换热问题在圆周方向具有对称性，为了减小计算规模，取整个转子的1/8部分作为分析对象，建立了三维实体模型，求解域物理模型如图2所示。求解域剖分图如图3所示。

图2 求解域模型

图3 求解域剖分图

图4为转子绕组截面图，槽内转子绕组分上下两层，分别有7根股线叠压，由槽口至槽底分别为上层1-7号股线和下层1-7号股线。

2.4 边界条件

给定流体场及温度场耦合求解的边界条件为：

（1）环境温度为27℃（300K），入口给定为速度入口边界，根据给定的流量数值，可求得入口速度值。

（2）出口给定为压力，压力大小为1个标准大气压。

（3）发电机气隙外圆及转子铁心内圆为散热面，给定散热系数和周围的空气温度：散热系数参考一般空冷电机设计经验给出[8]，求解域两侧径向截面，设为周期性边界，其余与固体接触的面均视为无滑移边界。

（4）电机在运行过程中有热量交换，因此在转子铁心和转子绕组上需附加能量源项。

图4 转子绕组截面图

3 转子内流体场分析

图5为转子内速度分布图。

图5 流体速度分布图

通过对图5流体速度分布以及计算数值结果分析，可以知道：

空气入口截面较大，入流速度较低，冷空气绕过非风扇端的端部绕组进入转子通风孔和气隙中；在电机中空气沿轴向流过转子通风孔和气隙，由于气隙入口狭长表面积较小，空气流动入口风阻大，能量损失严重，空气在气隙中最大速度为 21.22m/s，风量占空气总流量的10.43%；空气在流入转子通风孔时空气的流动阻力系数相对较小，空气入口面积大，风阻较小，空气在转子通风孔的最大速度为 48.30m/s，风量占空气总流量的89.57%；当空气到达风扇端区域，空间变大，空气的速度降低，风速沿轴向截面的位置不同而不同；带着能量的空气由端部的离心式风扇带到电机机壳中。

4 转子温度场分析

转子线圈及转子铁心所产生的热量及定子热量的一部分主要靠内风路的循环空气带到机壳内，通过对流换热传递给机壳，再与机壳中的循环水对流换热最终将热量带到电机外部。由于转子部分的热量要经过两次对流换热才能传到了电机外部，因此，相对来说转子部分的冷却条件要恶劣得多，因而在该电机的研制中转子部分的传热是一个较为突出的问题。

根据上述基本假设和给定边界条件，采用流动与传热问题的数值分析CFD技术及Fluent软件对模型进行求解，计算得到转子温升分布规律。

4.1 转子铁心温升分布

图6为转子铁心温升分布图。

图6 转子铁心温升分布

从图中可以得出转子铁心的温升分布规律：转子齿部温升高，轭部温升较低；风扇端温升高于非风扇端温升。

转子温升最大值在齿部，最高温升为 62K。转子齿部温升较高，有必要对转子齿部温升进行分析，图7为转子齿部不同高度温升分布。

图7中分别为齿顶处、距齿顶1/4处、距齿顶1/2处、距齿顶3/4处及齿根处沿轴向长度温升分布，从图中可以看出转子齿不同高度沿轴向长度变化一致，最高温升在同一轴向截面上；转子齿部沿轴向不同截面最高温升约在距齿顶1/4处；虽然齿顶距离转子通风孔最远，向转子通风孔传热最为困难，然而齿顶处温升却不是太高，最大值为58.3K，是由于齿顶处和槽楔紧密接触，槽楔虽然导热能力差，但是不产生热量，齿顶的一部分热量向槽楔传导，又由于气隙中流动的空气也能带走一部分热量；齿根处距离转子通风孔最近，散热条件好，能够及时将自身产生的热量和传导过来的热量传导给转子通风孔中的空气，在转子齿轴向截面中温升最低；从距齿顶1/4处至齿根处，温升逐渐降低。

图7 转子齿不同高度温升分布

4.2 转子绕组温升分布

转子绕组是转子温升的主要热源，为详细分析转子绕组温升的分布规律，分别给出转子上下层绕组温升分布如图8所示。图9、图10为转子上下层绕组内股线沿轴向长度温升分布。

图8 转子股线温升分布

图9 转子上层绕组沿轴向长度温升分布

图10 转子下层绕组沿轴向长度温升分布

最高温升在上层绕组的第5和第6号股线上，最大值为74.3K；上层绕组第1号股线在槽楔下面，散热条件好，产生的能量及时的向齿和槽楔传导，槽楔顶端和齿顶有空气在气隙中流动，能够带走一部分热量。下层绕组最高温升位置在第1和第2号线上，此处为下层线棒传热最差的区域；7号股线在槽底散热条件好，能及时的将产生热量传导出去。上下层绕组最高温升位置与转子铁心最高温升位置对应。

图11为转子温升最大位置处轴向截面温升分布，由图可以看出，转子槽内温升分布随槽中心线对称分布，最高温升位于股线中心线上，沿铜块周围绝缘层温升下降明显，槽底和槽楔顶端散热条件较好，温升略低。

图11 转子股线轴向最热面温升分布图

5 结论

温度场计算的结果与发电机的设计要求吻合，文中所采用的流固耦合方法求解温度场以及所确定的求解域切实可行；其结果为风力发电机的通风设计和运行提供参考依据；得出转子铁心和转子线棒温升分布规律；从计算结果上看，电机层间绝缘上下股线的温升较高，由层间绝缘至槽顶和槽底温升逐渐降低，说明层间绝缘处热量最不易被导出。

[1] 路义萍, 陈朋飞, 李俊亭, 等. 某新型空冷汽轮发电机转子通风方式的流场分析[J]．中国电机工程学报, 2010, 30(6): 63-68．

[2] 胡晓红, 袁益超, 刘聿拯, 等．汽轮发电机转子副槽通风冷却系统流动特性研究[J]．中国电机工程学报, 2008, 28(5): 91-96．

[3] 焦晓霞, 管春伟, 李伟力．汽轮发电机不同冷却介质对定子传热特性的影响[J]．电机与控制学报,2011, 15(2): 54-62．

[4] 李伟力, 丁树业, 靳慧勇. 基于耦合场的大型同步发电机定子温度场的数值计算[J]．中国电机工程学报, 2005, 25(13): 129-134．

[5] 陶文铨．数值传热学[M]．西安: 西安交通大学出版社, 2001．

[6] A．N．鲍里先科．电机中的空气动力学与热传递[M]．北京: 机械工业出版社, 1985．

[7] 周俊杰, 徐国权, 张华俊．FLUENT工程技术与实例分析[M]．北京: 中国水利水电出版社, 2010．

[8] 丁舜年．大型电机的发热与冷却[M]．北京: 科学出版社, 1992．

审稿人：安志华

Numerical Simulation of Rotor Temperature Field for Large Wind Power Generator

GE Yunzhong1, DING Shuye2, ZHU Lin3, GUAN Shaojun2
（1. 96215 troops of Chinese people's liberation army, Liuzhou 545616, China;2. Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China;3. Second Artillery Force headquarters of the PLA, Beijin 100085, China）

In this paper, take a 1.5MW doubly-fed wind power generator as an example, the fluid flow and heat transfer within the rotor of the power generator are studied. According to the generator ventilation structure and heat transfer characteristics, three-dimensional solution model of the rotor in 1/8 region is established, and the solving domain is coupled solving by CFD technology. Thus, the fluid flow and temperature distribution characteristics inside generator rotor are obtained.

wind power generator; temperature field; fluid field; CFD technology; numerical simulation

TM315

A

1000-3983(2012)01-0027-04

黑龙江省博士后基金(Lbh-z10232)

2011-10-09

葛云中（1986-），硕士研究生，主要研究方向为电机综合物理场和流体动力学数值计算与分析。