文 | 王丁会，李锦辉，夏静

风力发电机组空-水-空冷却系统影响因素分析

文 | 王丁会，李锦辉，夏静

冷却系统作为风力发电的重要组成部分，其优劣直接关乎风力发电机组能否长期安全、高效地运行，同时影响着风电机组单机容量的增加。

风力发电机冷却形式通常包括直接空冷、空－空冷却、空－水冷却、空－水－空冷却及蒸发冷却等形式。对于海上机组，考虑防腐、绝缘等要求，不适宜采用直接空冷；随着机组单机容量的不断增加，空－空冷却结构占用机舱空间过大，使用逐渐受限；空－水冷却水路在大容量机组上布置结构复杂、困难，存在定子散热易出现温度分布不均等问题，因而大容量海上机组不宜采用该冷却形式；空－水－空冷却形式可实现紧凑式布局，减小机舱占用空间，同时减小机舱为冷却系统设置的开孔，确保机舱的相对密封性。本文以空－水－空冷却系统为研究对象，建立两级冷却系统计算程序，分析各个影响因素参数对系统散热量及系统阻力的影响情况。

风电机组空－水－空冷却系统原理

空－水－空冷却系统由两级空－水板翅散热器构成，系统原理如图1所示，一级空－水散热器布置于发电机支架结构上 （本文以布置于支架形式为例，实际工程应用中根据机舱和发电机整体布局进行设计），发电机内部循环空气为初级冷却介质，与发电机定子及转子完成热交换后在循环风扇作用下与热端空－水散热器中的冷却液进行热交换，冷却液为次级冷却介质，完成热交换后，初级冷却介质再次回到发电机内，次级冷却介质在泵组作用下，进入机舱外（或机舱尾部）的冷端空－水散热器中，与作为最终冷却介质的环境空气进行热交换，之后在泵组作用下次级冷却介质再次进入机舱内热端空－水散热器中，由此初级冷却介质在发电机内形成闭路冷却循环，次级冷却介质在管路系统中形成闭路冷却循环，最终冷却介质与机舱外（机舱尾部)的空－水散热器内形成开路冷却循环，因该系统采用两级循环，所以换热效果受到环境温度、发电机回风温度、散热器入口流速、冷却液流量等因素影响。

图1 风电机组空-水-空冷却系统图

数学模型推导

板翅换热器关键在于计算散热量及系统阻力，其直接关系到系统能否满足散热要求及泵、循环风扇的选型，其中传热因子和阻力因子直接影响着换热效果及系统阻力的大小，下文给出了相关因子及参数的计算式：

一、散热量计算式

对于散热量的计算，采用经典的牛顿冷却公式为基本计算式：

式中：Q－热流量，W；α－换热系数，W/（m2·K）；F0－传热面积（包括一次、二次传热面积），m2；tl－流体温度，℃；tw－壁面温度，℃；

二、流动阻力计算式

板－翅式散热器流通通道阻力主要由进散热器的阻力、散热器芯体的中心阻力、出散热器的阻力等组成，其中中心阻力是流动阻力的主要组成部分，通过该值进行系数修正，其计算式如下：

式中：ΔP－流动阻力，Pa；f－摩擦因子；L－流道长度，m；De－当量直径，m；gf－单位面积质量流量，kg/（m2·s）；ρm－密度，kg/m3；

三、关键因子及计算式

对于传热因子j及摩擦因子f都为雷诺数Re的函数，有国内学者给出了平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片等翅片的传热因子j、摩擦因子f随雷诺数Re变化的曲线，并根据图中曲线啮合了相关函数，国外学者给出传热因子j、摩擦因子f相关计算关联式，如下式所示：

其中可推导得到（5）和（6）式：

式中：l－翅片长度，m；s－翅片间距，m；H－翅片高度，m；t－翅片厚度，m；Nu－努塞尔数；Re－雷诺数；St－斯坦顿数；Cp－定压比热，kJ/（kg·K）；De－当量直径，m。

程序计算逻辑流程说明

空－水－空冷却系统采用两级冷却，其中环境空气参与热交换的板－翅换热器称为冷端散热单元，发电机内热空气参与热交换的板－翅式散热器称为热端散热单元。通过编制程序实现冷端散热单元与热端散热单元协同作用下系统散热量与系统阻力的计算，其逻辑如图2所示，其具体计算思路如下所述：

首先，环境温度Twkr及发电机回风温度Tnkr为初始值，根据板－翅式散热器既定的结构及尺寸，得到散热器当量直径De、有效散热面积A及通道截面积S等，并假设系统散热量为Q（冷端散热单元为Qw及热端散热单元为Qn），根据假设散热量及假定散热器出口温度Tkc,进行迭代可得到假设散热量所对应理论的散热器出口温度Tkc；

其次，冷端散热单元及热端散热单元分别根据初始条件及假设条件计算得到理论散热量Qw及Qn，理论上二者最终计算值相等，且外端散热单元冷却液入口温度值Twyr与热端散热单元冷却液出口温度值Tnyc相等，以此三项为迭代对象进行计算，直至满足残差要求停止计算；

最后，根据计算收敛结果，计算最终系统阻力ΔP，并输出系统实际散热量。

需要说明的是，所假设的散热量Q及输入的空气流速V在初始计算时，如设置值偏差过大，会使得对数平均温差出现不满足传热理论的情况，因而需要判断其合理性以确定是否需要重新赋值。

板-翅式散热器物理尺寸及基准参数

鉴于风电机组往往处于风沙及颗粒物较多的恶劣环境中，为防止柳絮、颗粒物等造成翅片堵塞，引起散热效果恶化等情况，设置板－翅式散热器为平板式结构。为便于分析各因素对散热量及系统阻力造成的影响，本文选用散热器的翅片物理结构尺寸参数如表1所示，通过改变其他影响因素来计算系统散热量及系统阻力的变化情况。

在进行各因素对比过程中需设置基准参数，通过改变其他影响因素来分析其变化对散热量的影响，其基准参数如表2所示，其中所述冷却液为含50%体积容量的乙二醇溶液，程序编制其物理属性随特征温度呈函数关系，不同影响因素参数的取值如表3所示，在分析各影响参数变化时，基准参数不变。

图2 计算逻辑流程图

表1 翅片物理尺寸

表2 基准参数

表3 变工况参数值

根据等效热路建立简化传热过程热阻分析图，如图3所示，在传热过程热阻分析图中，空－水－空冷却系统中不考虑散热器导热热阻（因翅片薄，且铝具有良好的导热性能，其热阻数量级相对于两侧流体对流换热热阻数量级小），其主要热阻由冷端散热单元环境空气与散热器翅片的对流换热热阻R1、冷端散热单元换热翅片与冷却液的对流换热热阻R2、热端散热单元发电机回风与散热器翅片的对流换热热阻R3、热端散热单元换热翅片与冷却液的对流换热热阻R4构成，其中h为所对应的对流换热系数，由此易知散热量Q＝（Tnkr－Twkr）/（R1＋R2＋R3＋R4）。

影响因素分析

一、环境温度及发电机回风温度影响分析

由图4可知系统散热量与环境温度大致表现为线性关系，随环境温度升高系统散热量下降，可见环境温度对系统散热量影响较为明显。结合图3进行分析，在发电机回风温度Tnkr不变情况下，随环境温度Twkr的不断提高，热阻两侧温差（Tnkr－Twkr）减小，因而散热量出现线性下降趋势，同时由图4知，冷端散热单元入口流速未变，但空气侧阻力随环境温度升高略有下降趋势，其主要原因为随着环境温度升高，空气密度下降及粘度升高，但密度下降趋势明显于粘度升高趋势，导致空气侧阻力出现降低趋势；同理如图5所示，系统散热量随着发电机回风温度升高而近似线性增加，根据上述分析，不难得知，在环境温度不变情况下，随着发电机回风温度升高，热阻两侧温差增加，因而出现系统散热量随回风温度升高出现线性增加情况，同样，随着回风温度的升高，热端散热单元空气侧阻力也出现略微下降趋势，其原因与上述相同。需要注意的是，考虑到绕组温度限制要求及冷却风扇工作温度，应严格控制回风温度过高。

二、冷端散热单元空气侧入口流速影响分析

由图6知，随着冷端散热单元环境空气入口流速的增加，系统散热量起初受到较大影响，而随着流速的进一步增加，系统散热量增加幅度不断减小，其主要原因为随着入口流速的增加，空气侧与翅片间对流换热系数h1不断提高，导致该侧热阻R1下降，当流速增加到一定程度，R1对于热路的影响处于非关键控制因素，因而进一步提高入口流速，散热量并未线性提高，但从图6中可知，随着环境入口流速的增加，冷端散热单元空气侧阻力呈快速增加趋势，其主要原因为空气侧翅片结构及尺寸未改变，其阻力系数可近似不变，由式（2）知阻力增加与入口流速成平方关系，因而冷端散热单元空气侧阻力随着入口流速的增加出现快速增加趋势，其对冷却风扇选型及冷却系统能耗影响较大。

图3 传热过程热阻分析图

图4 环境温度与系统散热量及冷端散热器空气侧阻力关系图

图5 回风温度与系统散热量及热端散热器空气侧阻力关系图

三、热端散热单元发电机回风流速影响分析

由图7知，随着热端散热单元回风，散热器入口流速增加，其出现与图6相似的变化规律，表明随热端散热单元回风流速增加，热端散热单元风侧对流换热系数h4不断提高，其热阻R4下降，达到一定值后，成为热路非关键控制因素，对系统散热量影响不断减小，而该侧阻力变化规律与图6中所述一致。设计过程中，循环风量的增加可有效增加系统散热量，但散热量与流量增加非线性关系，在考虑风量增加引起散热量增加同时，还应考虑风侧阻力的快速增加，相应的风量对应过高的压头会超出合适结构风扇的性能范围之外。

图7 热端散热单元空气侧入口流速与散热量及空气侧阻力关系图

图8 冷却液流量变化对系统散热量及系统阻力影响图

四、冷却液流量影响因素分析

由图8知，随着冷却液流量的增加，起初系统散热量显著变化，随着冷却液流量增加到一定程度，系统散热量几乎不再变化。同样结合热阻分析图，相对空气与翅片间的对流换热系数，冷却液与翅片间的对流换热系数通常是前者的10－100倍，冷却液流量较低时，对流换热系数h3及h4相对不高，因而R2、R3仍然在整个热阻中占有一定比例，而随着流速增加，冷却液侧对流换热系数增加要显著高于空气侧，因而热阻R2、R3快速降低，显著低于R1及R4，因而其对散热量影响出现图8中所示趋势情况；由图8知，冷却液在冷端散热单元内及热端散热单元内的阻力急剧增加，其主要原因类似于空气侧阻力随流量的变化，散热器翅片结构未变，近似阻力系数恒定，阻力与流量成平方关系，因而出现图中变化趋势，其直接影响着泵组的优化选型。

结论

空－水－空冷却系统更加适用于大容量机组的散热，而通过分析其影响因素，可优化散热系统的选型，避免系统选型匹配不合理，造成风扇及泵组的选型过大或过小，造成系统能耗过高或不能满足系统散热要求，通过上述分析可得知：

（1）环境温度对空－水－空冷却系统散热量影响十分明显，应根据环境温度对风电场所处地域进行等级划分，所设计冷却系统满足当地最高温度工况并保留一定富余量即可，无需选取过高的环境温度作为输入参数进行冷却系统设计，可优化散热器结构选型及布局；

（2）随冷端散热单元及热端散热单元空气流速的增加，系统散热量逐渐趋缓，而空气侧阻力出现快速攀升，考虑到冷却系统循环风扇选型冷却系统整体功耗及系统噪音，曲线上散热量趋缓拐点处应作为冷却风扇选型参考依据；

（3）与风量影响趋势相似，随着冷却系统冷却液流量的增加，散热量在某一点处不再随着流量的增加而进一步提高，泵组作为冷却系统重要的动力组件，该拐点为确定系统流量的重要依据，进而可根据流量得出系统阻力，进一步可结合流量及系统阻力进行泵组的选型。

（作者单位：北京金风科创风电设备有限公司）