兆瓦级风力发电机导电杆组件温度场分析

潘跃林，陈纪军，尹曾锋

(海上风力发电技术与检测国家重点实验室，湖南 湘潭 411101)

兆瓦级风力发电机导电杆组件温度场分析

潘跃林，陈纪军，尹曾锋

(海上风力发电技术与检测国家重点实验室，湖南 湘潭 411101)

随着风力发电机的容量不断提高，发电机的功率损耗和温升较为严重，双馈风力发电机中导电杆组件的温度变化较高，直接关系着整机的寿命和安全运行。通过有限体积法，结合导电杆组件各部分传热，仿真分析了瞬态传热时导电杆组件的温度场，结果表明，铜杆圆柱凸台与环氧树脂绝缘层存在最大的温度变化，产生的热应力容易损害导电杆组件。

风力发电机 导电杆 瞬态传热 温度场

0 引言

随着大功率风力发电机容量的不断增大，电机的发热问题越来越引起设计者的关注。现阶段，大型发电机定子、转子温度场方面的研究还不是很多[1-5]，针对导电杆组件的温度场分析更不常见，大功率电机连续运行时导电杆出现损坏的情况时有发生，需要研究风力发电机导电杆组件的传热特性。

1 模型建立与计算

1.1 数学物理模型

流体微元的能量增加率等于进入该微元体的净热流量加上体力与面力对微元体做的功。可以得到以温度T为变量的能量守恒方程为[6]：

式中：ρ为流体密度；t为流动时间；vx、vy、vz分别为流速在x、y和z方向上的分量；CP为流体比热容；T流体为温度；x、y、z分别为三维直角坐标系的方向；λ为流体的导热系数；ST为流体粘性耗散项，也就是流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。

热传递在导电杆组件内为热传导，在其外表面为热对流，在铜导杆和环氧树脂层临界面为热传导，因组件整体温度较低，忽略热辐射后。依据能量守恒关系，可得出导热微分方程为[7]：

式中：qV表示均匀内热源的发热率。

瞬态传热计算中，对于物理模型的建立最好采用多零件组合分析，该物理模型为转轴、环氧树脂绝缘套和铜杆组成，如下图1所示。

图1 求解域物理模型

1.2 仿真边界条件

根据电机实际工作环境，电机内部空气温度t0=40 ℃，转轴外表面温度tw=50 ℃，电机内部空气流速v=2 m/s，转轴外径d=0.21 m，空气导热系数λ=0.0276 W/(m*k),空气运动粘度υ=16 ×10-6m2/s，空气普朗特数Pr=0.69，空气雷诺系数Rem，空气努赛尔系数Num，

根据传热学公式计算转轴表面传热系数h。

通过计算得知，该段转轴表面传热系数在传热计算中取值12.3 W/(m2·k)；环氧树脂外壳伸出转轴外部的表面传热系数经计算为23.2 W/(m2·k)。

瞬态传热计算的具体边界条件设计如下：

1）铜杆：生热率9.8E3 W/m³；导热率110 W/(M·K) ；比热390 J/（kG·K）；密度8500 kg/m3；节点温度60℃。

2）环氧树脂外壳：环氧树脂导热率0.188W/(M·K) ；比热1100～1400 J/（kG·K）；密度1100 kg/m3；节点温度55℃；表面对流传热系数23.2 W/(M2·K)；

3）钢转轴：导热率52 W/(M·K) 比热486 J/（kG·K）密度7800 kg/m3；表面对流传热系数12.3 W/(M2·K)；节点温度50℃。瞬态传热计算时间设定为10 h。

2 瞬态传热计算结果与分析

根据导电杆组件的网格模型和设定的仿真边界条件，我们可以得出整个组件在设定时间内任意时刻的瞬态温度场分布情况。现采集10 h内，每2 h导电杆组件模型中心位置瞬态温度场分布情况，如下图2～图7所示。

图2 0.1 h中心面温度场

图3 2 h中心面温度场

图4 4 h中心面温度场

从以上温度场中可以看出，导电杆组件中的铜杆温度一直在升高，由初始的温度60℃升高到166.425℃，并且铜杆温度上升的最大值远不止166.425℃。导电杆组件的塑料绝缘层采用环氧树脂材料，铜杆凸圆台与绝缘层连接处温度变化很大，温度范围为18.492℃～166.425℃。黄铜的热膨胀系数约为1.8×10-5/K，而环氧树脂的热膨胀系数约为6.7×10-5/K，两者相差近3.7倍，铜和环氧树脂的热膨胀系数相差较大，并且，在10 h内黄铜的温升为106.425 ℃，环氧树脂的温升约为37 ℃，铜和环氧树脂的热膨胀量不同，所以，铜杆凸圆台与绝缘层结合处产生的热应力会很容易破坏绝缘层。

图5 6 h中心面温度场

图6 8 h中心面温度场

图7 10 h中心面温度场

根据计算结果，利用与黄铜热膨胀系数相近的材料制作绝缘套，可以保证两种材料的接合面不会出现热应力损害。但是一般塑料的热膨胀系数都比金属大2～10倍，无法找到一种绝缘材料能直接与黄铜匹配。在黄铜杆与环氧树脂绝缘层间添加一层1 mm厚的热膨胀系数为3.5×10-6/K的电瓷材料绝缘层，电瓷材料的低热膨胀性可以中和环氧树脂的高热膨胀性，将新型导电杆组件安装到风场上的试验电机上运转两年未出现损坏。

3 结论

本文针对3 MW大功率双馈风力发电机导电杆组件的瞬态传热仿真研究，得出如下结论：

1）大功率双馈风力发电机导电杆组件内部的温度场分布较为均匀，各零件接触面存在较大温差，铜杆存在最高的温度；

2）导电杆组件内部存在较大的温差，尤其是铜杆凸圆台与绝缘层结合处温差约为148℃，此处产生的热应力很容易损坏绝缘层；

3）在黄铜和环氧树脂间增加一层电瓷材料绝缘套，可以有效解决导电杆组件的热应力损害问题。

[1] Krefa M P, Wasynczuk o. A finite element based state model of solid rotor synchronous machines[J]. IEEE Trans. On Energy Conversion, 1987,EC-2(10：21-30.

[2] Armor A F. Transient three-dimensional finiteelement analysis of heat flow in turbinegeneratorotors[J]. IEEE-PAS, 1980, PAS-99(3): 934-946.

[3] 李德基, 邓立平. 汽轮发电机间接冷却转子三维温度场计算[J]. 大电机技术.1986, (3): 23-30.

[4] 李伟力, 项欢. 汽轮发电机径切两向空冷系统转子温度场的计算[J]. 大电机技术, 1988, (2): 15-18.

[5] 李伟力, 周封.大型水轮发电机转子温度场的有限元计算及相关因素的分析[J]. 中国电机工程学报, 2002, （22）：85-90.

[6] 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.

[7] 姚仲鹏, 王瑞军. 传热学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2003.

Analysis on Temperature Field of Megawatts Double Feedback Wind Generator's Wire

Chen Jijun, Pan Yuelin,Yin Zengfeng
（Ocean Wind power Technology and Detection State Key Laboratory, Xiang Tan 411101, Hunan, China）

Since the capacity of wind generator increase gradually, the loss of power and the temperature rise of wind generator become serious, and the temperature of its wire module rises to affect generator's life and operation. With the method of finite volume and the result of different heat transfer, we simulate and analyze the temperature field of transient heat transfer. The result shows that the maximum temperature change appears at edge of wire module and epoxy resin which is easily damaged by heat stress.

wind generator; wire module; transient heat transfer; temperature field

TM315

A

1003-4862（2015）06-0078-03

2015-04-29

潘跃林（1977-），男，工程师。主要从事大功率风力发电机研究与开发。