武晓娜 王朝
西安中车永电捷力有限公司 陕西西安710000
中车永济电机有限公司 山西永济 044502
摘要：近年来，我国的各行各业建设迅速，现代化建设的发展也有了提高。风力发电技术不断取得突破，单体装机容量朝5MW乃至8MW发展，但1.5～2.5MW的风力发电机组仍是市场的主流产品。对于2.5MW风力发电机的冷却，通常采用空空冷却器或液冷冷却器。液冷冷却器优点是换热性能优、设备体积小等，但需增设水路循环系统和舱外散热器，使得系统结构复杂，维护相对困难，成本投入提高;而空空冷却器因其结构简单、使用寿命长、维护成本低等优点，备受青睐，但其发展受阻于换热性能差、体积庞大及综合性价比低等问题。因此，如何有效提升风力发电机空空冷却器的综合换热性能，成为风力发电机行业的关注焦点。
关键词：风力发电机；空空冷却器；设计与优化
引言
双馈风力发电机作为一种发电机设备，广泛应用于风力发电机领域。对其各个部件及整体结构进行模态仿真分析，避免运行时出现振动，已是发电机设计的一个重要环节。文章以某型发电机在联调试验过程中，冷却器后端顶置风机振幅较大，导致冷却器后端电机螺栓断裂等问题进行分析。通过建立冷却器与发电机一体化模型，采用整机模态分析等手段，根据模态分析结果对冷却器结构进行局部优化设计，达到解决冷却器局部振动异常的目的。
1重要性
齿轮箱作为双馈型风力发电机组传动链系统的重要组成部件，其运行情况将直接影响风力发电机组整机运行效果。齿轮箱冷却润滑系统作为齿轮箱的配套系统，主要实现齿轮箱的散热和润滑，是保证齿轮箱正常运行的重要部件。根据风电场统计分析：在风力发电机组5年质保期内，目前发现的引发齿轮箱冷却系统故障的主要是供油装置电机和温控阀，其中电机正常使用寿命约为2年，根据电机安装位置的不同使用寿命略有不同；温控阀通过感温原件热胀冷缩的原理，根据油温实时调节阀门开启大小，实现齿轮油流向不同管路。
2性能分析
3.1光滑管与螺纹管换热性能对比
为了便于分析螺纹管冷却器与光滑管冷却器的传热特性，将光滑管管内流动传热的计算结果与螺纹管计算结果对比，文中以螺距p=20mm，e=2mm的矩形螺纹管为例，分析对比螺纹管和光滑管内部流场温度分布及管壁平均努塞尔数Nu和阻力系数f随换热管内冷空气进口雷诺数Ｒe的分布情况，随着流体的流动，近壁面处的流体不断被壁面加热，热量逐渐由外向中间传递，其中螺纹管内流体温度上升较快，温度梯度较明显，热量更容易向中间区域传递，这是由于螺纹管凹凸的壁面使得边界层流动状态急剧变化，从而有效降低边界层热阻，提高了对流换热系数。螺纹管和光滑管的努塞尔数Nu都随雷诺数Ｒe的增大而增大，螺纹管的Nu一直位于光滑管的上方。在低雷诺数下，光滑管和螺纹管的Nu相差不大，随着Ｒe的提升，螺纹管的Nu与光滑管Nu的差值逐渐变大。低雷诺数下，螺纹管的换热性能相比光滑管虽有提升，但提升效果一般，随着雷诺数的变大，螺纹管的换热性能要明显优于光滑管;另外，螺纹管和光滑管的阻力系数f都随Ｒe的增大而减小，且在Ｒe=2003时，螺纹管的阻力系数是光滑管的4倍。从传热强化机理角度分析，螺纹管的强化换热以牺牲流体静压为代价，通过内、外壁形成的凹槽增加流体的阻力损失，使得流体在换热管壁面的扰动增强，减弱了边界层效应。
3.2螺距对螺纹管性能的影响分析
为了探究螺纹管的螺距p对螺纹管流动换热特性的影响规律，选取螺距p为15，20，25，30mm展开模拟分析。螺纹管螺距p越小，螺纹管内流体中心区域温度上升越快，流体进出口温差变大，说明了增大e有强化换热作用，这是由于螺距很小时，流体经过上一段螺旋槽产生的扰动作用还未减弱，新的螺旋槽在前面的基础上对流体有进一步加强的效果，从而换热效果不断增强。在相同的雷诺数工况下，螺纹管管内努塞尔数Nu和阻力系数f都随着螺距p的增大而减小，也就是说减小螺距p，能够使螺纹管的换热性能提升，管内流体阻力增大。这是因为螺纹管螺距p越小，流体流过螺旋结构路程越长，管内强化传热区域增大，流体离心湍流作用增强，产生破坏边界层能力越剧烈，从而传热速率变快，同时流体管程增加，流体压降也不断增大，所以为了提升换热能力减小p的同时，还需要考虑流动阻力的增加。另外，在高Ｒe区域，Nu随p的减小而增大的幅度大于低Ｒe区域，Ｒe=500时，Nu增长幅度约为15%，Ｒe=3005时，Nu增长幅度约为25%，在高Ｒe区域，f随p的减小而增大的幅度小于低Ｒe区域，Ｒe=500时，f增长幅度约为142%，Ｒe=3005时，f增长幅度约为90%，说明在高Ｒe工况下，Nu增长幅度呈上升趋势，f增长幅度呈下降趋势，故换热管进口流体的速度越大，减小p所带来的收益越大。
3.3散热器板片阻力测试试验
不同厂家散热器由于制造工艺不同，板片内部阻力存在一定差距，以某风场2MW风力发电机组齿轮箱冷却润滑系统散热板为例，测试散热板片内部阻力。由于齿轮油温度较低时，黏度较大，因此当齿轮箱油池温度低于5℃时，齿轮箱加热器将启动，直到齿轮油温度不小于10℃，加热器停止加热。供油装置电机采用双速电机，当5℃≤油池温度≤30℃时，启动油泵电机低速档；当油池温度＞30℃时，启动油泵电机高速档。将散热器底部通道封堵，使齿轮油全部经过散热器板片，在散热板进出口分别设置温度传感器、压力传感器，在进口还设置有流量计，用于测量系统流量。随着散热器进口温度从0℃上升到26℃，散热器进出口齿轮油压力逐渐降低，进出口压差从9bar下降到3bar，进口油液温度较低时下降速度较平缓，随着油液温度的升高，下降趋势逐渐增大；散热器进油油温0℃时，进口压力约为13.5bar，已知该款散热器正常工作压力不大于25bar，因此从该处还可以看出，在散热器在低温运行时，不会因为齿轮油压力高对散热器造成损坏。经过散热器的流量随着进口油液温度的上升而逐渐增大，最终达到额定值(70±2)L/min。当散热器油液温度16℃时，经过散热器的流量约为70L/min，进口压力约为9.3bar。散热器油液温度小于16℃时，由于散热器阻力较大，供油装置出口压力大于溢流阀压力（10bar），溢流阀开启，部分齿轮油不经过散热板，直接流回分配器，随着油液温度升高，溢流阀关闭。
结语
(1)对于2.5MW风力发电机空空冷却器采用螺纹换热管可以有效提高冷却性能，且在高雷诺数下，冷却器的传热性能提升幅度更为显著。(2)螺纹管空空冷却器的换热性能受槽深e、螺距p及螺纹形状的影响，增加槽深e和减小螺距p都可以有效提升传热性能。另外，矩形螺纹管对传热性能的提升作用最优，半圆形螺纹管次之。(3)采用冷却器综合性能评价准则数Nu/f1/3进行评价时，螺距与槽深的比值p/e宜取在10～20之间，且优先考虑半圆形螺纹，其次矩形螺纹。
参考文献
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