360 kW海洋潮流发电机冷却系统的研究

丁大鹏,崔同军,吴冬雪

(哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150040)

360 kW海洋潮流发电机冷却系统的研究

丁大鹏,崔同军,吴冬雪

(哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150040)

为了解决潮流发电机组的通风冷却系统和关键部件的温升问题,笔者以360 kW海洋潮流发电机组为例,阐述了该类型机组通风冷却系统的结构特点,通过FLOWMASTER仿真软件建立了机组的风路模型和温度场模型,系统地分析了该类型机组通风系统的风量分布情况以及关键部件的温升情况。仿真分析结果表明,通过增加通风冷却系统的通风面积和散热面积的方式,提升了冷却系统的冷却能力,降低了机组的定子线圈的温升,达到了优化机组通风冷却系统的效果。

潮流发电机;空气冷却;通风系统;温升;FLOWMASTER

海洋潮流发电机组是一种将海洋中的潮流能转化为电能的发电装置,机组利用海洋潮流的冲击力,推动水轮机螺旋桨旋转,带动发电机旋转实现发电[1]。该发电机组一般采用内置结构,将这个发电装备放置在一个密封的机舱中,机舱固定在海底或悬浮在海水中,整个机舱的外表面采用特殊材质的隔层来防止海水的腐蚀以及海生物的侵蚀。整个发电装置在封闭的机舱内运行会产生大量的热量,这部分热量会影响机组的运行性能,甚至造成烧毁发电机组的严重后果,在实际试验过程中因机舱温度过高而烧毁发电机的情况时常发生[2-6],因此,为机组配置合理的冷却系统至关重要。本文以360 kW海洋潮流发电机组为例,阐述了一种以空气作为冷却介质、通过鼓风机强迫空气沿发电机轴向流动的密闭自循环冷却系统,并通过分析整个冷却系统的风量分布及关键部件的温升,验证了这种冷却系统在实践中的可行性,并在此基础上提出了相应的改进方案,优化了这种冷却系统。

1 冷却系统的构造和冷却原理

360 kW潮流发电机位于密闭机舱内,由于转速较低,依靠发电机自身旋转产生的离心力无法满足空气轴向流动所需要的风压,发电机损耗主要集中在定子线圈与定子铁心齿上。为了让机舱内的空气流动起来,可以在发电机的一端装备1台轴流鼓风机,作为整个通风冷却系统的压力来源。冷风由轴流鼓风机加压后进入发电机端盖内,分为两路流经发电机:一路沿定子和转子之间的气隙轴向流动;另一路通过定子背部与机座之间的间隙流过,最终由发电机另一端流出,从而将发电机产生的损耗热带走。被发电机加热后的热风流入机舱内壁风道中,通过与机舱壁的对流换热和热传导将所携带的热量传递给机舱壁,最终由机舱壁将热量传递给海水,被冷却的空气重新回到轴流鼓风机,被压后重新吹入发电机内,从而完成一次封闭自循环。

2 冷却系统主要尺寸及技术参数

通过计算发电机通风冷却系统的阻力特性,结合各厂家提供的轴流鼓风机特性曲线,确定安装的轴流鼓风机工作点压力约为1000 Pa,工作风量约为5.683 m3/s。发电机端部盖板开设过风的通风孔,总过风面积应不小于0.5 m2。定子铁心与机壁之间留有50 mm过风间隙,保证此处的过风面积约为0.21 m2。转子磁极采用永磁体表贴形式,每两磁极间采用不导磁材料压紧,与磁极同一高度,极间没有过风间隙。定子与转子之间的气隙宽度为5 mm,此处的过风面积约为0.015 m2。沿机舱壁内表面构建冷却热风的风道,风道内环板直径为3.34 m,外环板为机舱壁,风道直线长为9 m,风道约占机舱的4/5圆周。过风面积约为0.86 m2。

在发电机通风冷却系统分析过程中,主要应用到的机组技术参数如表1所示。

3 冷却系统仿真计算

目前国内对发电机组通风冷却系统的模拟仿真主要采用二维风路仿真和三维风场仿真两种方法,其中风路仿真具有计算速度快,能够仿真整个通风系统的突出优点,被各大发电机制造厂家及科研机构广泛采用[7-8]。本文用到的二维风路仿真软件是FLOWMASTER流体计算软件,该软件是中国引进三峡技术时期从瑞士原ABB公司引进的商业软件,它基于大量的试验数据及经典公式,能够很好地仿真发电机风路中的转子支架、磁轭风沟、气隙、磁极极间的压力及阻力特性。

由欧拉准则可知,风路网络中支路流量Q(K)与支路两端的压差ΔPK具有如下关系:

(1)

式中:C为支路固有的阻力特性;S(K)为支路压源。

由式(1)可看出,通风系统的风路网络中各支路流量与压差是非线性关系的,为了将其线性化,利用泰勒公式将式(1)展开,略去高次项可得式(2),从而实现了风路网络中的支路流量与压差的线性关系。

(2)

根据物质守恒定律和流体伯努利方程,在通风系统风路中,流入和流出同一个流道的风量是相等的,同时在风路中任意闭合的回路中,空气流动的压力变化总和为零。因此根据式(2)建立风路中各节点的质量流量线性函数,形成各节点的多个支路元件的线性方程矩阵,应用FLOWMASTER 软件确定计算网络,其中包括鼓风机、气隙、轴向风道等压力元件及风阻元件。计算结果如图1所示。

图1 发电机冷却系统风量分布/(单位:m3/s)

由图1可以看出,发电机总风量约为5.683 m3/s;其中气隙风量为0.35 m3/s,定子背部风量为5.334 m3/s,机舱壁风道风量为5.683 m3/s。由各部分的风量和机组的结构尺寸计算出相应风速值,作为冷却系统温度计算网络的初始参数。

在机舱腹内发热源主要包括发电机、变速器、鼓风机损耗及机械摩擦损耗。机舱内产生的总损耗绝大部分都由循环风带到机舱壁风道内,经过机舱壁与海水热交换散失掉。根据热交换理论及风路仿真计算得出的各部分风量和风速分布情况,计算了海水、空气、涂漆、绝缘及铜铁等材质的换热系数,其主要物理参数选择如表2所示。

在计算海水与机舱外表面之间的换热系数时,假设机舱周向展开为一个大平壁,将海水雷诺数(Re)求解中特征尺寸L取值为大平壁长度,即机舱壁风道直线长9 m。通过FLOWMASTER软件建立冷却系统温度计算网络,赋值计算,温度分布如图2所示。

表1 机组主要性能参数

表2 温升计算主要物理参数

图2 发电机冷却系统温度分布/(单位:℃)

Fig.2 Distribution of temperature in generator cooling system

由图2可以看出,整个冷却系统中的最高温度为110.8 ℃,分布在发电机的定子线圈处。该温度满足GB 755-2008标准中对发电机定子线圈温度的设计要求,从而验证了这种通风冷却系统能够满足潮流发电机组的冷却要求。但定子线圈的温度已接近E级绝缘的上限温度,会加速定子线圈的老化,影响使用寿命。这也说明了该机组的冷却系统存在一定的缺陷,需要优化改进。

经验表明,在机舱内热量不变的情况下,只有通过提高冷却系统的冷却能力来降低定子线圈的温度,本文提出了在定子铁心轭部沿圆周均匀开20个φ20 mm的轴向通风孔,增加冷却系统的通风面积和散热面积的改进方案。开通风孔后,冷却系统的通风面积增加了0.009 m2,散热面积增加为0.883 m2。重新对该机组的冷却系统进行仿真计算,求得发电机冷却系统的总风量为5.83 m3/s,定子线圈平均温度为101.3 ℃,有效地降低了9.5 ℃,达到了优化通风冷却系统的目的。

4 结 论

1) 潮流发电机对整个机舱的冷却系统散热要求很高,通过仿真分析,验证了全空冷轴向强迫通风的密闭自循环的通风冷却系统的可行性。

2) 鉴于360 kW潮流发电机组的定子线圈温度偏高的实际情况,在定子轭部开轴向通风孔的优化方案能有效地降低定子线圈温度。

3) 对于在海水中对密闭性要求很高的发电机组,采用全空冷自循环的通风冷却系统具有结构简单、不需要外加辅助设备的优点,消除了向机舱内引入冷却水而产生的腐蚀和短路风险,对整个机舱的密闭性不会产生负面影响。

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(责任编辑 侯世春)

Research on cooling system of 360 kW ocean power flow generator

DING Dapeng, CUI Tongjun, WU Dongxue

(Harbin Electric Corporation, Harbin 150040, China)

In order to solve temperature rise of the air-cooling system and the key components of power flow generator units, the author expounds, taking the 360 kW ocean power flow generator unit as the example, the structural characteristics of the ventilation and cooling system of units of the same type, establishes ventilation circuit and temperature field model through simulation software FLOWASTER, analyzes systematically the air volume distribution of ventilation system and the temperature rise of key components. The result of analysis and simulation shows that the cooling capability of cooling system is enhanced by adding ventilated and radiating area of ventilation and cooling system, with the reduction of temperature of unit stator coil, which optimizes the effect of the system.

power flow generator; air cooling; ventilation system; temperature rise; FLOWASTER

2015-01-27。

丁大鹏(1980—),男, 助理工程师，主要从事电机通风冷却工作。

P731.2

A

2095-6843(2015)04-0357-03