案例-风电齿轮箱机舱散热

本案例分享采用的软件仍为Fluent，基本的操作以及技巧可以翻看教程。案例分享的目的，主要是让大家拓宽视野，看到应用场景，并且看到别人是怎么应用软件解决问题的。

风电机组在工作过程中，齿轮箱机舱会出现局部温度过高的现象，基于Fluent 软件工具对机舱内无重力热管和有重力热管的温度场流场进行模拟分析，比对内部的流动规律及温度区域分布。验证热管技术在风电机舱散热领域应用的可行性，通过对1.5 MW风电机组舱内温度场与流体场分布状况进行模拟计算，并找到舱内气流不合理的主要影响因素，在气流流动不通畅的区域增加热管结构，改善该区域的散热效果，从而消除或减少机舱局部温度过高的现象。

1 基本理论

理论基础是数值传热学和计算流体力学。本分享主要对案例进行，需要理论研究的自行查找对应理论方程。基本上买本书就都有了。

2 风机齿轮箱机舱的数值模拟

2.1模型介绍

图1 为SolidWorks 建模的原始风电机组，其中包含电机、控制器、齿轮箱、基座以及重力热管散热器的进出口。

图1 风电机组机舱结构

2.2风机齿轮箱模型及网格划分

使用ICEM 对机舱结构进行模型简化处理，如图2 所示。对此架构展开非架构化网格划分。格网的类别是四面体，齿轮箱与电动机表层边缘层网格设定成三层，第1 层格网高度1mm，第2 层3mm ，第三层5mm，如图3。

图2 数值计算模型

图3 机舱网格划分

2.3计算边界条件设置

基于Fluent 软件工具对机舱内的温度场流场进行模拟，采取标准k－ε 湍流模型，运用标准面函数展开侧壁表面仿真。热能的传输形式重点以热对流为主，所以假设气流为平稳、黏性、不可压缩流体。进口面设定成速率进口边缘条件，速度分别设置为6和10m/s，入口温度是291K，出口设定成压力出口边缘条件，相对压力是0。电机外壳设定成对流热转换边缘条件，对流换热指数是0.3 W/( m^2·K) ，环境温度是291K。电机外壳、齿轮箱外壳和控制箱外壳为恒温边界条件，温度分别为303、338和294K。进风口位于侧面中心位置，机舱端面对称分布两个出风口，进风口同侧分布两个出风口，如图4所示。

图4 机舱重力热管散热器进风口和出风口位置

2.4计算结果及优化分析

图5 为机舱各截面的具体 位置分布，图6 为各截面的温度分布情况。可以看出: 整体结构无明显异常的高温区域，气流设计较为合理，但是在减速器与基座的连接部位存在一定的高温区域，最高温度约为315K。产生高温的原因在于此处空间较为狭小，气流无法以较高的流速进行对流换热。

图5 各截面位置分布

图6 原始模型不同截面温度场分布情况

对原始机舱的热流耦合分析结果进行解读，可以看到在减速机的外侧存在大量308-315K 温度分布区间，明显高于机舱内其他区域，因此通过增设热管结构对齿轮箱进行补充散热。热管的布置原则是: 1) 根据齿轮箱与机舱壁面有效空间合理设计重力热管位置; 2) 保证热管结构不与机舱内部其他设备发生干涉现象。根据现有齿轮箱附近可利用的空间情况，分别在齿轮箱两侧各均匀布置3 只热管，增加热管对机舱齿轮箱附近的扰流和散热强度，具体优化结构如图7 所示。

图7 优化模型结构

图8 为机舱优化后同图5 所示各截面的温度分布情况。可以看出: 机舱整体温度得到了大幅度的降低，齿轮箱周围温度降低至303K 以下，表明热管技术对机舱内的局部高温现象起到了较好的改善作用。

图8 优化模型不同截面温度场分布情况

图9为机舱内部测点的布置示意图，A侧和B侧各布置8 个测点。图10和图11分别为不同位置测点的温度和速度的变化情况，可以看出: 机舱优化前，无论是A侧还是B侧空间，位于齿轮箱附近的5、6、7 三个测点的温度相对较高，机舱两端的温度相对较低。测得最大温差约282K，这主要是优化前该区域的空气流速较小，热量无法有效地被气流带走导致的。机舱优化后，齿轮箱A侧测点5、6、7的温度相对较高，而位于B 侧测点5、6 和7 的温度相对较低，测得最大温差约279K，可以看出热管对结构散热起到了良好的优化效果。齿轮箱附近增设热管后，附近区域空气流速明显增大，表明重力热管结构对齿轮箱附近气流扰流起了强化作用。由此可见: 增设重力热管后，机舱内部散热优化效果明显，热管起到了强化扰流和强化散热作用。

图9 机舱内部测点布置图

图10 优化前后机舱测点的温度

3.总结

1) 机舱优化前，齿轮箱附近温度高，机舱两端温度低，说明气流流速相对较低，散热效果不明显，从而出现局部温度过高的现象;

2) 在齿轮箱两侧各均匀布置3 只重力热管提高局部高温区散热能力，有效强化了齿轮箱的散热，验证优化措施的可行性。