风力发电机组风轮散热系统耦合验证、设计方法与流程

本发明涉及风力发电机领域，特别是涉及一种风力发电机组风轮散热系统耦合验证、设计方法。

背景技术：

风电机组主要由塔筒、机舱和风轮组成。目前，为防止海上盐雾、沙尘、雨水的侵蚀，风轮一般采用密封结构，其主要包含轮毂、叶片、导流罩及内部零部件等。风轮内的发热部件主要集中于轮毂内，包括变桨轴控制柜、超级电容柜、变桨电机、主轴、电缆等。当机组运行时，风轮内各发热部件表面散发的热量将排到轮毂内，尤其在夏季高温环境下，外界太阳辐射传递到风轮内部的热量也会增多，从而造成轮毂内环境温度过高，影响风轮内零部件正常运行，可能导致超温而触发机组停机，降低机组发电量。

现有专利《风力发电机组的温度调节系统》(公布号cn103184984a)公开了一种对轮毂进行降温的散射系统，该系统通过通风机将轮毂内的热空气排放到叶片中的管道中，管道中的热空气将热量从叶片传递到外界后形成冷空气再注入到轮毂内，如此循环，对轮毂进行降温。

虽然现有技术可以对轮毂进行降温，但是目前对风轮散热系统的设计选型并没有统一的标准算法，散热系统散热参数的确定往往根据经验作近似预估，或者参考样机实际运行效果。因此，为了避免风轮内超温故障的发生，风轮散热系选型会留有较大余量，增加机组成本。同时也存在预估不准造成风轮散热系统散热能力不能满足风轮内热负荷需求。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本发明提供一种风力发电机组风轮散热系统耦合验证、设计方法，针对基于叶片散热的风力发电机组风轮散热系统，可以根据风力发电机组自身的设备参数和所处环境的状况，验证所设计的风轮散热系统散热参数是否合适，还可以根据风力发电机组自身的设备参数和所处环境的状况确定满足风力发电机组散热需求的散热系统的散热参数，以设计散热系统。

技术方案如下：

第一方面，提供了一种风力发电机组风轮散热系统耦合验证方法，包括：

采集风力发电机组的设备参数、环境参数，以及风轮散热系统的散热参数；

设定风力发电机组的温度参数；

基于环境参数、设备参数、散热参数和温度参数，通过迭代算法确定风力发电机组的叶片、风轮、导流罩之间达到热平衡状态时的轮毂内部温度t′0；

通过对比轮毂内部温度t′0与设备参数中轮毂内部温度阈值验证风轮散热系统。

结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，所述确定风力发电机组处于热平衡状态时对应的的轮毂内部温度t′0，包括：

通过温度参数、环境参数、散热参数和设备参数分别计算:轮毂传递到叶片内的热负荷qt；叶片传递到外界的热量q′t；轮毂传递到导流罩与轮毂之间的空间中的热负荷q3；轮毂传递到导流罩外壁面的热量q′3；导流罩传递到外界的热量q4；

判定热量q′3与热负荷q3之间、热负荷q3与热量q4之间、热量q′t与热负荷qt之间是否均满足热平衡条件；

若不是，则调整相应的温度参数，并重新计算热负荷qt、热量q′t、热负荷q3、热量q′3、热量q4进行判定；

如此迭代，直至全部满足热平衡条件，此时对应的轮毂内部温度t0为轮毂内部温度t′0。

结合第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第二种可实现方式中，所述计算轮毂传递到叶片内的热负荷qt包括：

通过环境参数、设备参数、叶片外壁温度tb2，计算叶片的对流换热负荷q2、对外热辐射qf3，以及太阳热辐射qf2；

根据对流换热负荷q2、对外热辐射qf3和太阳热辐射qf2，采用以下公式计算热负荷qt：

qt+qf2＝q2+qf3。

结合第一方面的第一或第二种可实现方式，在第一方面的第三种可实现方式中，计算所述叶片传递到外界的热量q′t包括：

根据环境参数、设备参数和温度参数计算叶片内部空气与叶片外壁面之间的传热系数k；

通过热负荷qt、轮毂内部温度t0和散热参数计算叶片内环境温度t1；

根据叶片外壁温度tb2和叶片内环境温度t1，采用以下公式计算热量q′t；

q′t＝ka2(t1-tb2)；

其中，a2为叶片与外界的接触面积。

结合第一方面的第一或第二种可实现方式，在第一方面的第四种可实现方式中，基于设备参数中的风力发电机满负荷工作状态下轮毂内产生的热负荷q01和热负荷qt，通过热平衡方程计算所述热负荷q3。

结合第一方面的第一或第二种可实现方式，在第一方面的第五种可实现方式中，计算所述热量q′3包括：

根据环境参数、设备参数和温度参数计算轮毂内壁面换热系数h3、轮毂外壁面换热系数h4、导流罩内壁面换热系数h5；

通过轮毂内壁面换热系数h3、轮毂外壁面换热系数h4、导流罩内壁面换热系数h5，计算热量从轮毂内传递到导流罩外壁的总热阻k1；

根据总热阻k1、轮毂内部温度t0、导流罩外壁温度tb1，采用以下公式计算所述热量q′3；

q′3＝k1·a5·(t0-tb1)；

其中，a5为轮毂与导流罩的表面积平均值。

结合第一方面的第一或第二种可实现方式，在第一方面的第六种可实现方式中，计算所述热量q4包括：

通过环境参数和设备参数计算导流罩外表面换热系数h2和导流罩吸收的太阳辐射热量qf0；

采用以下公式计算空气从导流罩带走的热量q1、导流罩对外热辐射qf1；

q1＝h2×a×(tb1-t1)；

qf1＝ε·a(eb1-e′b2)

其中，a为导流罩表面换热面积，t1为外界环境温度，

通过公式q4＝(q1+qf1)-qf0计算所述热量q4。

结合第一方面的第一或第二种可实现方式，在第一方面的第七种可实现方式中，

若热量q′3与热负荷q3之间不满足热平衡条件，调整轮毂内部温度t0；

若热负荷q3与热量q4之间不满足热平衡条件，调整导流罩外壁温度tb1；

若热量q′t与热负荷qt之间不满足热平衡条件，调整叶片外壁温度tb2。

结合第一方面、第一方面的第一或第三种可实现方式，在第一方面的第八种可实现方式中，当外界环境温度最高、太阳辐射强度最强时采集所述环境参数。

第二方面，提供了一种风力发电机组风轮散热系统耦合设计方法，包括：

设定风轮散热系统的散热参数；

采用上述验证方法，验证散热参数是否合适；

若不合适，则调整散热参数，并重新进行验证；

如此迭代，直至散热参数合适，并根据对应的轮毂内部温度t′0和叶片外壁温度t′b2确定风轮散热系统的散热参数。

结合第二方面，在第二方面的第一种可实现方式中，根据轮毂内部温度t′0和叶片外壁温度t′b2确定风轮散热系统的散热参数，包括：

根据环境参数、设备参数和叶片外壁温度t′b2计算满足热平衡条件下轮毂传递到叶片内的热负荷

通过热负荷和轮毂内部温度t′0计算满足热平衡条件下叶片内环境温度t′1；

根据热负荷轮毂内部温度t′0和叶片内环境温度t1，采用以下公式计算设计风量q′；

其中，ρ为环境参数中的空气密度，cp为定压比热容。

有益效果：采用本发明的风力发电机组风轮散热系统热平衡耦合验证、设计方法，验证方法通过三重迭代准确估算处于外界最高环境温度、太阳照射充足、满负荷运行等所有耦合极端工况下，风力发电机组的叶片、轮毂内部的空气温度，以此准确验证散热系统的散热能力能否满足风力发电机组的要求。

设计方法可以通过验证方法确定轮毂内所需设计的环境温度，以此确定满足需求风轮散热系统的散热能力，并确定配置散热系统所需要的参数，再根据该参数对所需配置的设备进行选型，避免因经验预估偏差，造成选型偏小导致超温或选型过大导致成本较高的问题。

附图说明

图1为本发明验证方法的流程图；

图2为本发明的热平衡状态时轮毂内部温度的计算流程图；

图3为本发明计算轮毂传递到叶片内的热负荷的流程图；

图4为本发明计算叶片传递到外界的热量的流程图；

图5为本发明计算轮毂传递到导流罩外壁面的热量的流程图；

图6为本发明计算导流罩传递到外界的热量的流程图；

图7为本发明设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的风力发电机组风轮散热系统耦合验证方法的流程图，该验证方法包括：

采集风力发电机组自身的设备参数、所处环境的环境参数和风轮散热系统的散热参数，为了验证风轮散热系统是否具有足够的冷却能力，对风力发电机组进行更好的保护，可以在外界环境温度最高、太阳辐射强度最强时采集所述环境参数。

设定风力发电机组的温度参数，因为在风力发电机组运行时，轮毂内热源散发的热量，除去散发到叶片内的部分，其余部分会依次通过轮毂、导流罩散发到外界环境。因此，设定的温度参数包括轮毂内部温度t0、导流罩外壁温度tb1和叶片外壁温度tb2。

基于所述环境参数、设备参数、散热参数和温度参数，通过迭代算法确定风轮散热系统达到热平衡状态时对应的轮毂内部温度t′0；

通过对比轮毂内部温度t′0和设备参数中轮毂内部温度阈值验证风轮散热系统。

具体而言，首先，可以从风力发电机组的设计方案中采集风力发电机组的设备参数和风轮散热系统的散热参数，并可以通过现有检测手段检测风力发电机组所处位置的环境参数。

然后，设定初始的温度参数，结合环境参数、设备参数和散热参数，在本实施例中，散热参数为风量参数q。通过迭代算法，确定当风轮散热系统达到热平衡状态时的轮毂内部温度t′0。

最后，通过对比轮毂内部温度t′0和设备参数中的轮毂内部温度阈值验证风轮散热系统。

如果轮毂内部温度t′0与轮毂内部温度阈值之间的差值超过预设的标准值，则表明通过散热参数对应的风轮散热系统进行冷却，当整个系统达到热平衡状态时，轮毂内部的温度过高或过低，相应风轮散热系统的散热能力太弱或太强，不适合该风力发电机。反之，则相应散热系统的散热能力适合风力发电机组。

本实施例针对轮毂、叶片、导流罩三个对象间的复杂热交换，通过三重迭代耦合热平衡算法，确定风轮散热系统进行散热时，轮毂、叶片、导流罩达到热平衡状态时轮毂内部温度，在验证风轮散热系统时更加全面，验证结果更符合实际情况。

在本实施例中，优选的，如图2所示，所述确定风力发电机组处于热平衡状态时对应的的轮毂内部温度t′0，包括：

步骤1、通过温度参数、环境参数、散热参数和设备参数分别计算:轮毂传递到叶片内的热负荷qt；叶片传递到外界的热量q′t；轮毂传递到导流罩与轮毂之间的空间中的热负荷q3；轮毂传递到导流罩外壁面的热量q′3；导流罩传递到外界的热量q4。

(1)在本实施例中，如图3所示，采用以下方法计算热负荷qt：

s1-1、通过环境参数、设备参数、叶片外壁温度tb2，计算叶片的对流换热负荷q2、对外热辐射qf3，以及太阳热辐射qf2，其中；

其中，

c0为黑体辐射系数，太阳热流密度g、叶片太阳照射系数y，这些参数均属于环境参数，ε1为叶片的发射率，可以根据叶片材料选取。

l1为叶片通风管路段长度、a2为叶片通风管路段的表面换热面积，a3为叶片表面积，ε1为叶片发射率，α为叶片的吸收比，这些参数属于设备参数。

nu1为怒塞尔系数，叶片外部空气流动复杂，可对叶片外壁作简化处理，因为叶片面积、长度都较大，在计算叶片外表面换热系数h1时，可以把叶片简化为外略大平板模型计算：

首先，取外界环境温度t1和设定叶片外壁温度tb2的平均温度为定性温度，根据定性温度通过查表得到的导热系数λ1、运动粘度v1和普朗特系数；

然后，根据公式计算叶片外表面的雷诺数re，u1为叶片旋转时表面周向风速与轴向风速的矢量合速度；

然后，根据雷诺数re、普朗特系数计算得到叶片外壁的怒塞尔系数nu1；

最后，根据计算得到叶片外表面换热系数h1。

s1-2、根据对流换热负荷q2、对外热辐射qf3和太阳热辐射qf2，采用以下公式计算热负荷qt：

qt+qf2＝q2+qf3。

(2)在本实施例中，如图4所示，采用以下方法计算叶片传递到外界的热量q′t：

s2-1、根据环境参数和设备参数计算叶片内部空气与叶片外壁面之间的传热系数k；

λ2为叶片材料导热系数，δ为叶片厚度，h2为叶片内表面对流换热系数，属于设备参数。

nu2为叶片内部空气与叶片外壁面之间的怒塞尔系数，可以根据设备参数中的叶片垂直于长度方向截面的平均面积a4、叶片通风管路段长度l1，散热参数中的风量参数q计算得到。

s2-2、通过热负荷qt、轮毂内部温度t0和散热参数计算叶片内部环境温度t1；

在步骤s1-2中已计算出热负荷qt，根据热平衡公式qt＝qρcp(t0-t1)可以计算出叶片内环境温度t1。其中，ρ为空气密度、cp为定压比热容，属于环境参数。

s2-3、根据叶片外壁温度tb2和叶片内部环境温度t1，采用以下公式计算热量q′t；

q′t＝ka2(t1-tb2)。

(3)在本实施例中，基于设备参数中的风力发电机组满负荷工作状态下轮毂内产生的热负荷q01和热负荷qt，通过热平衡方程计算所述热负荷q3。现有的风力发电机组都设置有3个叶片，因此，热平衡方程式为：

q01+3qt+q3＝0；

通过该热平衡方程式就可以计算出达到风力发电机组达到热平衡状态时的热负荷q3。

(4)在本实施例中，如图5所示，采用以下方法计算轮毂传递到导流罩外壁面的热量q′3：

s3-1、根据环境参数、设备参数和温度参数计算轮毂内壁面换热系数h3、轮毂外壁面换热系数h4、导流罩内壁面换热系数h5；

轮毂、导流罩表面空气流动复杂，可对其表面进行简化处理，由于轮毂、导流罩表面积大，沿空气流动方向长度较长，可把其表面换热简化为外掠大平板模型进行计算，具体包括：

首先，根据设备参数中的风轮额定转速n、轮毂内表面平均直径、轮毂外表面平均直径、导流罩平均内径，分别计算轮毂内部、轮毂外表面、导流罩内表面的空气流速；

然后，采用与计算上述的雷诺数的相同原理，取导流罩外壁温度tb1和轮毂内部温度t0的平均值为定性温度，通过查表选取空气导热系数λ3、运动粘度和普朗特系数，根据轮毂内部、轮毂外表面、导流罩内表面的空气流速、运动粘度等，分别计算轮毂内壁、计算轮毂外表面、导流罩内表面的雷诺数；

然后，根据相应的雷诺数分别计算轮毂内部、轮毂外表面、导流罩内表面的怒塞尔系数；

最后，根据相应的怒塞尔系数计算轮毂内壁面换热系数h3、轮毂外壁面换热系数h4、导流罩内壁面换热系数h5。

s3-2、通过轮毂内壁面换热系数h3、轮毂外壁面换热系数h4、导流罩内壁面换热系数h5，计算热量从轮毂内传递到导流罩外壁的总热阻k1；

λ4为轮毂导热系数，λ5为导流罩导热系数，δ1为轮毂平均厚度，δ2为导流罩厚度，均属于设备参数。

s3-3、根据总热阻k1、轮毂内部温度t0、导流罩外壁温度tb1，采用以下公式计算所述热量q′3；

q′3＝k1·a5·(t0-tb1)；

其中，a5为轮毂与导流罩的表面积平均值。

(5)在本实施例中，如图6所示，采用以下方法计算导流罩传递到外界的热量q4：

s4-1、通过环境参数、设备参数和温度参数计算导流罩外表面换热系数h2和导流罩吸收的太阳辐射热量qf0；

其中，qf0＝α′×y×g×a1，α′为导流罩的吸收比，属于设备参数，a1太阳照射到导流罩表面的等效面积，属于环境参数。

导流罩外表面换热系数h2的计算原理与导流罩内壁面换热系数h5相同。

首先，取外界环境温度t1和导流罩外壁温度tb1的平均温度作为定性温度，根据定性温度通过查表确定空气导热系数、运动粘度、普朗特系数。

然后，根据环境参数中的风轮前端来流额定风速和设备参数中的导流罩长度计算雷诺数；

然后，根据雷诺数、普朗特系数计算怒塞尔系数；

最后，根据怒塞尔系数、空气导热系数、导流罩长度计算出导流罩外表面换热系数h2。

s4-2、采用以下公式计算空气从导流罩带走的热量q1、导流罩对外热辐射qf1；

q1＝h2×a×(tb1-t1)；

qf1＝ε·a(eb1-e′b2)

其中，a为导流罩表面换热面积，ε发射率，根据导流罩的材料选取。

s4-3、通过公式q4＝(q1+qf1)-qf0计算所述热量q4。

步骤2、判定热量q′3与热负荷q3之间、热负荷q3与热量q4之间、热量q′t与热负荷qt之间是否均满足热平衡条件；

在本实施例中，热平衡条件是：

δq2＝q′3-q3δq2≤ω

δq1＝q3-q4δq1≤ω

δq＝qt-q′tδq≤ω

其中，ω为预设的热平衡阈值。

如果计算出的热量q′3、热负荷q3、热负荷q3、热量q4、热量q′t、热负荷qt不能满足上述的热平衡条件，则可以根据迭代结果按照以下方法调整相应的温度参数，并重新计算热负荷qt、热量q′t、热负荷q3、热量q′3、热量q4进行判定：

若热量q′3与热负荷q3之间不满足热平衡条件，则根据本次迭代所设定的轮毂内部温度t0，通过二分法调整下一次迭代的轮毂内部温度；

若热负荷q3与热量q4之间不满足热平衡条件，根据本次迭代所设定的导流罩外壁温度tb1，通过二分法调整下一次迭代的导流罩外壁温度；

若热量q′t与热负荷qt之间不满足热平衡条件，根据本次迭代所设定的叶片外壁温度tb2，通过二分法调整下一次迭代的导流罩外壁温度。

步骤3、如此迭代，直至全部满足热平衡条件，此时对应的轮毂内部温度t0为轮毂内部温度t′0。

如图7所示的风力发电机组风轮散热系统耦合设计方法的流程图，该设计方法包括：

设定风轮散热系统的散热参数，在本实施例中，散热参数为风量参数q；

采用上述验证方法，验证风量参数q是否合适；

若不合适，则调整风量参数q，并重新进行验证；

如此迭代，直至风量参数q合适，并根据对应的轮毂内部温度t′0和叶片外壁温度t′b2确定风轮散热系统的设计风量q′。

在本实施例中，采用以下方法确定设计风量q′：

根据环境参数、设备参数和叶片外壁温度t′b2计算满足热平衡条件下轮毂传递到叶片内的热负荷热负荷的计算原理与上述的热负荷qt相同，此处不在赘述。

通过热负荷和轮毂内部温度t′0计算满足热平衡条件下叶片内环境温度t′1，叶片内环境温度t′1的计算原理与上述的叶片内环境温度t1相同，此处不再赘述。

根据热负荷轮毂内部温度t′0和叶片内部环境温度t1，采用以下公式计算设计风量q′；

其中，ρ为环境参数中的空气密度，cp为定压比热容。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。