考虑多热源影响的风电机舱散热布局优化研究

发布时间：2020-08-26 04:15

【摘要】：随着现代社会对风力发电需求的不断增大以及风电技术的快速发展,风力发电机组的单机容量不断增大,经济效益显著提高。但与此同时机组的发热量也不断增加,积聚的热载荷将导致机舱内环境温度升高,如果机舱内温升得不到有效的控制,过高的机舱温度不仅增加了风电机组的故障率,同时也严重威胁着风电机组的运行安全。风电机舱的散热问题已经成为制约机组单机容量提升的一大瓶颈,引起了越来越多工程技术人员的重视。风电机舱的冷却方式众多,其中应用最为广泛的就是强制对流冷却系统,本文寻求通过对机舱散热布局形式及散热系统结构参数进行优化,达到增强机舱散热能力的目的。首先运用计算机仿真技术对典型机舱内流场进行了仿真分析,明确了冷却空气经进风口进入机舱后的流动路径,获得了气流组织速度分布等参数数据,为机舱内温度场的分析奠定了基础。其次通过仿真计算风电机舱内主要热源的发热量,获得了机组额定功率运行状态下的机舱温度场分析热力学边界条件,在此基础上对采用“下送尾排”式散热布局的机舱温度场进行了仿真分析。通过对风电机舱温度场的分析,明确了本文所研究的机舱存在着温度场分布严重不均,局部热载荷积聚严重,冷却系统散热效率低等问题。针对这一系列的问题,本文对主要热源间的影响进行了研究,明确了热源间通过影响彼此的表面环境温度,从而造成热源散热性能下降,进一步加重了热载荷的积聚,导致热源发生异常温升。此外还对齿轮箱及发电机在机舱环境温度变化时的温度场进行了仿真分析,量化了机舱环境温升所引起的热源温升。最后从机舱散热布局形式、进/排风口位置、进风口尺寸及进风口风速等方面对机舱的气流组织进行了优化,从诸多方面提高了机舱的散热性能。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM614
【图文】：

发展风力发电等清洁能源技术来替代传统的火力发电，目前风力发电已经成为能源领域重要的组成部分之一，得到了世界范围内的青睐。作为一种永不枯竭的清洁能源，风力发电已经成为我国应对自然环境恶化及解决能源危机的重要战略手段。我国辽阔的疆域和多样化的气候条件造就了我国丰富的风能资源，我国风能资源主要集中在东南沿海地区、青藏高原地区及三北地区[1]。随着我国风电技术领域的快速发展，加之市场需求的推动和国家发展政策的导向，我国风力发电机组的设计制造技术全面升级，在能源领域的国际化进程中得到了进一步成功。我国的能源结构得到不断的优化和升级，其中风力发电的巨大贡献也得到了广泛的认可。依据我国可再生能源发展规划，我国将大力提高清洁可再生能源的利用，并不断减少非石化能源的占比率。规划中指出新能源占比率将在 2020 年达到能源使用比例的 15%，在 2030 年进一步发展为占比 20%，争取早日将我国建设成为清洁低碳的可持续能源发展强国[2]。为了达到这一目标。我国近年来不断加大对风力发电领域的支持力度，目前我国已经成为全球范围内发展最为迅速的风电技术研发和制造生产基地。

图 1.2 2017 年和 2018 年中国新增风电装机容量占比情况tion of installed capacity of newly added wind power in China in 2对风电需求的不断增大，风力发电机组的发电功率与断增大。由于风电机组常常建立在气候条件恶劣的偏自然环境的影响，风电机组通过机舱罩与外界环境隔热量的增大将会导致机舱内产生温升，机舱内温度过高下降，齿轮间润滑油膜变薄，加剧了传动部件的摩擦期处于高温运行状态，就会导致齿轮箱发生磨损、胶内温度过高还会导致其他电气元件的失效，影响机组内温升过高将会导致发电机散热性能下降，引发绕组生局部短路，严重时将会烧毁发电机甚至于危害发电

图 1.2 2017 年和 2018 年中国新增风电装机容量占比情况Fig. 1.2 Proportion of installed capacity of newly added wind power in China in 2017 and 2018随着现代社会对风电需求的不断增大，风力发电机组的发电功率与日俱增，同时机组的发热量也不断增大。由于风电机组常常建立在气候条件恶劣的偏远地区，为了保证机组不受外界自然环境的影响，风电机组通过机舱罩与外界环境隔绝，处于半封闭状态[3]。机组发热量的增大将会导致机舱内产生温升，机舱内温度过高将会导致齿轮箱内的润滑油粘度下降，齿轮间润滑油膜变薄，加剧了传动部件的摩擦磨损。一旦温升加剧或齿轮箱长期处于高温运行状态，就会导致齿轮箱发生磨损、胶合等其他失效形式[4]。此外机舱内温度过高还会导致其他电气元件的失效，影响机组的平稳运行，其中最为严重的是舱内温升过高将会导致发电机散热性能下降，引发绕组绝缘层失效，进而导致发电机发生局部短路，严重时将会烧毁发电机甚至于危害发电机组的安全。

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