发电机组变频器流场模拟及其散热优化.pdf

第36卷第4期2023年8月Vol.36 No.4Aug.2023四川轻化工大学学报（自然科学版）Journal of Sichuan University of Science&Engineering(Natural Science Edition)收稿日期：2022-07-24基金项目：国家自然科学基金项目(51876109);陕西省国际科技合作计划重点项目(2020KWZ-015);陕西省教育厅青年创新团队科研计划项目（22JP012）作者简介：谭礼斌(1991-),男,工程师,博士生,研究方向为热能工程及流体力学,(E-mail)文章编号：20967543（2023）04003409DOI:10.11863/j.suse.2023.04.05发电机组变频器流场模拟及其散热优化谭礼斌，袁越锦（陕西科技大学机电工程学院，西安 710021）摘 要：以某发电机组为研究对象，对变频器吹风冷却结构方案进行了对比分析，研究不同散热结构下变频器表面的风速分布。结果表明：风扇方案6、变频器中间挡板散热片下移5 mm、风扇向内增高2 mm、风扇入口半径4.5 mm的环形小孔和风扇出口长度增加15 mm时变频器表面风速分布较好，变频器表面最高温度为80，体平均温度为73，满足使用需求（90）；缸头、缸头盖、箱体盖及箱体温度分布合理。研究结果可为发电机组中变频器部件冷却结构设计及改良提供方法参考。关键词：变频器；风扇结构；散热片布置；表面风速；最高温度中图分类号：TM46文献标识码：A引 言发电机组中变频器的散热冷却至关重要。若变频器温度过高以至超出正常使用温度上限，则会报温度高故障且停止运行。另外，长时间高温环境中运行也会损坏变频器1。因此，散热冷却成为机组变频器关键问题之一。发电机组变频器冷却为强制风冷，主要采用风扇吹风或风扇吸风的方式将冷却风吹至变频器表面，通过散热片布局将冷却风分散，从而达到均匀冷却变频器的目的。目前，随着计算机仿真技术的发展，采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）分析方法对发电机组整机流场及部件冷却的分析及结构改进已得到学者们的广泛关注2-6。如于荣等2开展了变频器绝缘栅双极晶体管芯片（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模块散热方法的设计研究，通过调整风道及进风方式改善了模块表面温度。陈俊杰等3结合数值模拟与实验提出了 IGBT模块冷却改进方案，促使IGBT最高温度满足设计要求。韩阳阳4对发电站发电机组冷却系统进行了优化改造，将机组功率提升了 70 kW。李猛5采用 ANSYS软件对高压变频器水冷系统进行了数值模拟分析，验证了水冷系统设计的可靠性。可见，基于CFD技术的数值模拟方法可快速评估产品散热性能。基于CFD分析结果可对其散热结构进行针对性地优化，以提升产品性能7-10。某发电机组变频器冷却结构为风扇吹风强制风冷。为对该发电机组变频器冷却结构进行性能评估及结构改进，本文基于CFD方法搭建机组流场分析模型，重点关注变频器部件表面风速分布。依据流场分析结果针对性地对变频器冷却结构进行第36卷第4期谭礼斌，等：发电机组变频器流场模拟及其散热优化探究并寻求较优的冷却结构方案，从而保证变频器冷却良好，满足使用温度要求，同时预测机组各固体部件的表面温度。研究结果可为发电机组变频器冷却结构设计及整机温度场预测提供方法参考。1 发电机组CFD分析模型搭建1.1 物理模型某发电机组整机三维模型如图1(a)所示。其结构包括机架、发动机、消声器、油箱、导流罩、变频器及风扇罩等。图1(b)、图1(c)所示分别为发电机组外流场计算域与整机的体网格模型示意图。该网格模型是通过流体分析软件STAR-CCM+中的多面体网格技术和边界层网格技术划分而成。根据前期针对发电机组制定的网格策略进行网格参数的设定11，最终发电机组体网格和外流场虚拟计算域的网格总量为800 万。计算域入口(a)三维模型示意图(b)外流场计算域及边界(c)整机体网格图1 发电机组整机三维示意图与网格模型示意图1.2 数学模型采用k-两方程湍流模型开展该发电机组整机流场特性数值模拟。机组内气流流动假设为不可压缩的稳态流动。通过求解流体基本控制方程（连续性方程、动量方程、能量方程）和湍流模型方程即可获得机组流场模拟结果。相应的数学模型方程12-14包括：1）连续性方程ux+vy+wz=0（1）2）动量方程 dudt=Fx+px+2u+13(2ux2+2vxy+2wxz)dvdt=Fy+py+2v+13(2uxy+2vy2+2wyz)dwdt=Fz+pz+2w+13(2uxz+2vyz+2wz2)（2）3）能量方程cp(Tt+Tx+Ty+Tz)=(2Tx2+2Ty2+2Tz2)+d（3）4）k-湍流模型方程kt+uikxi=xj (+tPrk)kxj+Gk+Gb-YM+Skt+uixi=xj (+tPr)xj+C1k(Gk+C3Gb)-C22k+S（4）式(1)(4)中，x、y、z为对应的坐标分量，m；u、v、w分别为x、y、z方向上的速度分量，m/s；为流体密度，kg/m3；Fx、Fy、Fz分别为沿x、y、z方向的体积力，N；为流体黏度系数，Pas；p是流体微元体上的压力，Pa；为拉普拉斯算子；t为时间，s；xi和xj分别为i方向和j方向的坐标分量，m；ui为i方向速度分量，m/s；T为温度，K；为流体换热系数，W/(m2K)；d为能量耗散项，流速不高时一般可以忽略。Cp为流体定压比热容，J/(kgK)；t为涡流运动粘滞系数，Pas；k为352023年8月四川轻化工大学学报（自然科学版）湍动能，m2/s2；为湍动能耗散率，m2/s3；Gk为速度梯度产生的湍动能项；Gb为浮力产生的湍动能项；YM为膨胀耗散项；C1、C2、C3为经验常数；Prk、Pr分别为与湍动能k和耗散率对应的湍流普朗特数；Sk和S为用户定义源项。固体温度场采用流固耦合方法实现。流固耦合间热量传递采用傅里叶传导方程和流体的对流换热控制方程15描述为：KcondTn=qconv=hconv(Tf-Tw)（5）式中，Kcond为固体导热系数；T/n为法向温度梯度；qconv为单位面积热流量；hconv为局部对流换热系数；Tf为流体温度；Tw为壁面温度。1.3 边界条件风扇转速为 3600 r/min，采用旋转参考坐标（Moving Reference Frame，MRF）方法实现。计算域入口设置为速度入口，速度大小为0.1 m/s，环境温度为40；计算域出口设置为压力出口边界，压力为标准大气压。空滤器边界为质量流量出口，流量为 20 g/s；消声器边界为质量流量进口，流量为20 g/s。缸头、缸头盖、箱体、箱体盖、变频器等固体的材料为Al，变频器的热源材料为Si，电路板材料为PVC。固体热边界加载区域示意图如图2所示。缸头：进气道缸头：排气道缸头：燃烧室区域1缸头：燃烧室区域3缸头：燃烧室区域2(a)进、排气道(b)燃烧室区域1、3(c)燃烧室区域2缸套区域3：缸套下缸套区域1：缸套上缸套区域2：缸套中(d)缸套区域1、3(e)缸套区域2图2 固体热边界条件加载区域示意图热边界加载情况说明如下：1）缸 头 进 气 道 温 度 为 60 ，换 热 系 数 为100 W/（m2K）；排气道温度为 500，换热系数为500 W/（m2K）。2）缸头燃烧室划分为燃烧室区域1、燃烧室区域 2、燃烧室区域 3，热流边界分别为 112 500.0、72 560.0、25 430.0 W/m2。3）箱体缸套区域划分为缸套上、缸套中、缸套下，温 度 分 别 为 400、375、350 ；换 热 系 数 为400 W/（m2K）。4）缸头内部、缸头盖内部、箱体内部及箱体盖内部温度为100，换热系数为100 W/（m2K）；缸头外部、缸头盖外部、箱体外部及箱体盖外部温度为40，换热系数为50 W/（m2K）；消声器表面温度为300。变频器工作环境是发电机组内部，主要实现发电机组的变速运行。变频器的主要发热源为IGBT模块。IGBT产生的热量若不能及时通过外部冷却36第36卷第4期谭礼斌，等：发电机组变频器流场模拟及其散热优化风散去，会导致部件失效而无法正常工作。为简化模型，IGBT模块视为集中发热的热源体，发热量由供应商提供。变频器发热的热源布局如图3所示。图3中热源1、2、3的发热量均为6.7 W,热源6、7、8、9的发热量均为50.0 W，热源4、5、10、11的发热量均为34.0 W，用于变频器表面温度场的计算。变频器散热则主要通过吹向变频器表面的冷却风带走散热片表面热量，以达到降温目的。热源6热源2热源9热源8热源10热源11热源3热源1热源7热源4热源5图3 变频器热源位置2 变频器冷却结构方案2.1 不同风扇结构的风量对比表1列出了用于吹风冷却变频器的6种不同风扇结构方案。方案差异主要体现在叶片形状、叶片数量、叶片高度、风扇直径、蜗壳进出风布置5个方面。图4(a)所示为风扇蜗壳出风口的风量对比。其中，风扇方案6的风量为42.6 g/s，其风量最大，可作为变频器吹风冷却的风扇最优方案。该风扇方案结构尺寸如下：叶片数为24 片，高度为50 mm，直径为120 mm，轮毂直径为100 mm。图4(b)所示为变频器表面风速分布云图。依据变频器热源分布可知变频器的右上区域为热源分布较为集中的区域，此处需要重点冷却。而从图4（b）中变频器表面风速来看，该区域冷却风速较小，冷却风速较大的区域主要集中在右下区域。变频器表面的冷却风风速分布不佳，不利于高温区域的冷却。因此可从变频器散热片布置、风扇进风面积及风扇出风位置等方面进行结构改进，达到改善变频器表面风速分布的目的，从而改善变频器的冷却。表1 6种风扇方案方案号叶片风扇布置12345626.523.617.3228.616.3542.612345601020304050?Q/(g?s-1)?Q风速/(ms-1)20.016.012.08.04.00(a)风扇出口风量对比(b)变频器表面风速分布图4 风扇方案及其出口风量与变频器表面风速分布云图372023年8月四川轻化工大学学报（自然科学版）2.2 不同变频器方案对比图5所示为变频器结构示意图。本节在前述最优风扇方案基础上研究变频器中间挡板散热片位置对变频器表面风速的影响。图6所示为不同挡板方案变频器流道截面风速分布云图。由图6可见，变频器中间挡板散热片位置改动后，风速较大的区域主要集中在左下区域了，不利于中右和右下区域的冷却，但散热片位置改动后的风速分布略比原状态风速分布更合理。总体来看，散热片下移 5 mm的方案使得变频器表面风速分布更为均匀。变频器表面风速分布可通过提升进风能力来改善。中间挡板图5 变频器示意图风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40（a）原状态（b）下移3 mm（c）下移5 mm（d）挡板水平风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40（e）挡板水平+下移5 mm（f）挡板右上（g）挡板中间截断图6 不同挡板方案变频器流道截面风速分布云图2.3 风扇调整方案对比图7所示为风扇结构调整示意图。可以从进风形状或进风口面积、蜗壳出风口高度（风扇高度）、蜗壳风口宽度及出风口到变频器之间的距离4个方面对风扇进出风结构进行调整。本节在最优风扇方案和变频器散热片下移5 mm的基础上开展风扇进出风对变频器表面风速分布的影响。1、进风形状或面积2、蜗壳出风口高度（对应增加风扇高度）3、改动蜗壳出风口宽度4、改动蜗壳出风口与变频器间的距离zx图7 风扇结构调整示意图38第36卷第4期谭礼斌，等：发电机组变频器流场模拟及其散热优化图8所示为风扇向内增高2、4、6 mm后变频器流道截面风速分布云图。由图 8 可见，向内增高2 mm和4 mm的变频器流道截面风速差异不大，但向内增高6 mm后变频器截面风速变差，较多的风直接流失，未对变频器进行较好冷却。鉴于向内增高2 mm和4 mm的变频器截面风速差异较小，而向内增高6 mm的变频器截面风速变差，选取风扇向内增高2 mm的方案进行后续风扇进、出口尺寸调整的研究。风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40（a）风扇向内增高2 mm（b）风扇向内增高4 mm（c）风扇向内增高6 mm图8 风扇增高后变频器流道截面风速分布云图根据变频器吹风冷却结构在整机空间上的布置 及 产 品 工 艺，风 扇 入 口 半 径 最 大 可 调 整 至4.5 mm，风扇出口可增长25 mm。因此，本文研究了4 mm和4.5 mm两个风扇入口半径和风扇出口长度增加10 mm和15 mm的变频器流道截面速度分布。图9所示为在风扇向内增高2 mm的基础上调整风扇进、出口后变频器流道截面风速分布云图。从图9中可见，风扇环形小孔入口半径调整为4.5 mm后，截面风速分布较为均匀，不存在明显的速度死区。风扇出口长度增加15 mm后，变频器右上区域风速明显改善。进、出口尺寸选择风扇入口半径4.5 mm的环形小孔和风扇出口长度增加15 mm，可改善变频器高温区域的风速分布。风扇出口长度增加15 mm后，变频器流道截面速度已得到明显改善，鉴于空间及成本等因素，风扇出口长度增加20 mm及25 mm不作考虑。风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40（a）风扇入口半径4 mm（b）风扇入口半径4.5 mm风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40（c）风扇出口长度增加10 mm（d）风扇出口长度增加15 mm图9 调整风扇进、出口后变频器流道截面风速分布云图392023年8月四川轻化工大学学报（自然科学版）2.4 综合方案结合前文研究，风扇方案选择风扇方案6，变频器中间挡板散热片下移5 mm、风扇向内增高2 mm、风扇入口半径4.5 mm的环形小孔和风扇出口长度增加15 mm作为变频器最终吹风冷却结构方案。3 整机流场计算结果分析图10所示为最终吹风冷却结构方案下变频器流道截面风速分布云图。图10中可见，变频器右上区域风速最大，有利于高温区域冷却，其他区域吹风流速分布较为均匀，不存在明显的流动死区。风速/(ms-1)17.013.610.26.83.40图10 最终吹风冷却结构方案下变频器流道截面风速分布云图图11(a)所示为变频器冷却风扇出风速度分布云图，图中可见变频器风扇出风吹到变频器的位置刚刚正对变频器高热源中心处，再通过散热片间的间隙向四周扩散，能较好地对变频器进行冷却。图11(b)所示为发动机表面风速分布云图，图中可见发动机排气侧速度较大，有利于高温区域冷却。整体速度场分布较均匀，在缸头需要冷却的区域基本不存在流动死区。图11(c)所示为发动机表面温度云图，图中可见缸头体平均温度约为170，最高温度约为200，出现在排气道附近周边区域。缸头盖、箱体盖体平均温度约为120，箱体体平均温度约为140。图11(d)、图11(e)所示分别为变频器表面温度云图和内部热源温度分布云图，图中可见变频器表面最高温度约为80，体平均温度约为73，总体温度较低，满足使用需求（90）。变频器热源平均温度在7580 间。图11(f)所示为结构改进前后变频器表面最高温度对比，图中可见结构改进后的最高温度比初始状态的最高温度降低了15。由此可见，变频器吹风冷却结构优化后，变频器部件得到了良好的冷却。本研究获取的相关改进方案及温度场分析结果可为变频器散热及固体温度场评估提供理论参考。风速/(ms-1)60.048.036.024.012.00风速/(ms-1)30.024.018.012.06.00(a)变频器冷却风扇出风速度分布云图(b)发动机表面风速分布云图 温度/200.0170.0140.0110.080.050.0温度/82.078.675.271.868.465.0(c)发动机表面温度云图(d)变频器表面温度云图 40第36卷第4期谭礼斌，等：发电机组变频器流场模拟及其散热优化温度/85.081.077.073.069.065.09580初始状态优化状态020406080100120最高温度/T(e)变频器内部热源温度云图(f)变频器最高温度对比图11 发动机表面风速与温度以及变频器冷却风扇出风速度、表面温度、最高温度与内部热源温度云图4 结束语基于 CFD 方法，采用流体分析软件 STAR-CCM+对发电机组中变频器吹风冷却结构的6个风扇方案进行了对比分析，风扇方案6风量最大，但变频器表面风速分布较差。通过调整变频器散热片位置、风扇及其进出风尺寸，得到了变频器最佳吹风冷却结构：风扇方案选择风扇方案6，变频器中间挡板散热片下移5 mm、风扇向内增高2 mm、风扇入口半径为 4.5 mm 的环形小孔，风扇出口长度增加15 mm。冷却结构调整后变频器表面风速分布较好，变频器表面最高温度约为 80，体平均温度约为73，总体温度较低，满足使用需求（90）。变频器热源平均温度在7580 之间。缸头体平均温度约为170，最高温度约为200，出现在排气道附近周边区域。缸头盖、箱体盖体平均温度约为120，箱体体平均温度约为140。参考文献：1 谢毅,谢小红.风力发电机组全功率变频器的冷却系统设计J.电气制造,2013(12):30-33.2 于荣,张秀秀.变频器中的IGBT模块损耗计算及散热设计J.科学技术创新,2021(35):51-53.3 陈俊杰,周雷,秋雨豪.IGBT散热器风冷散热优化设计与评估J.工业技术创新,2020,7(6):45-49,66.4 韩阳阳.瓦斯发电站发电机组冷却系统优化改造J.机械管理开发,2021,36(3):158-160.5 李猛.基于热仿真的高压变频器单元冷却系统设计J.电工技术,2021(23):83-86.6 谭礼斌,袁越锦,黄灿.发电机组流场数值模拟及优化分析J.西华大学学报(自然科学版),2021,40(1):69-74.7 SILVA P,LEIROZ A,CRUZ M.Evaluation of the efficiency of a heat recovery steam generator via computational simulations of off-design operationJ.Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering,2020,42:569.8 马铁强,闫闯,林耀坤,等.双馈风力发电机温度场与环境温度相关性研究J.重型机械,2019(6):27-33.9 孙德滨.风力发电机组机舱温度场分析与热布局优化方法研究D.沈阳:沈阳工业大学,2017.10 谭礼斌,袁越锦,黄灿,等.基于CFD的某变频发电机组流场数值模拟J.青岛理工大学学报,2020,41(6):143-150.11 谭礼斌,黄灿,余千英,等.基于STARCCM+的通机整机流场特性分析J.装备制造技术,2018(4):1-7,17.12 张焕宇,郝志勇,郑旭.柴油机冷却系统散热性能优化设计J.浙江大学学报(工学版),2014,48(1):70-75.13 TAN L B,YUAN Y J,HUANG C,et al.CFD simulation and investigation on flow field characteristics and temperature predictions of an electric generator unitJ.Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering,2021,43:263.14 高宏亮,李建统,尚芳,等.小型风冷汽油机流固耦合传热模拟计算研究J.小型内燃机与车辆技术,2020,49(1):54-62.412023年8月四川轻化工大学学报（自然科学版）15 张辉平,胡在双.基于流固耦合传热的摩托车发动机冷却水套优化设计J.机械,2014,41(9):35-39.引用格式：中 文:谭礼斌,袁越锦.发电机组变频器流场模拟及其散热优化J.四川轻化工大学学报(自然科学版),2023,36(4):34-42.英 文:TAN L B,YUAN Y J.Numerical simulation on flow field analysis of generator unit inverter and its cooling optimizationJ.Journal of Sichuan University of Science&Engineering(Natural Science Edition),2023,36(4):34-42.Numerical Simulation on Flow Field Analysis of Generator Unit Inverter and Its Cooling OptimizationTAN Libin,YUAN Yuejin（College of Mechanical and Electrical Engineering,Shaanxi University of Science&Technology,Xi an 710021,China）Abstract:A generator unit is taken as the research object and the comparative analysis on blowing cooling structure design of inverter is conducted,and the surface wind velocity distribution of inverter under different cooling structure is studied.Results show that the surface wind velocity distribution of inverter is well distributed at the cooling structures of fan design 6,heat sink of intermediate baffle of inverter moves down 5 mm,fan increases 2 mm inwardly,annular small hole with a radius of 4.5 mm at the fan inlet and fan outlet length increases 15 mm.The maximum surface temperature of inverter is 80,the volume average temperature of inverter is 73,which meets the using temperature requirements(90).The temperature distribution of cylinder head,cylinder head cover,crankcase cover and crankcase are reasonable.Research results can provide theoretical guidance for cooling structure design and improvement of inverter components in generator unit.Key words:inverter;fan structure;heat sink arrangement;surface wind velocity;maximum temperature42