CN109869289B - 用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法、装置及塔筒 - Google Patents

用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法、装置及塔筒 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法、装置及塔筒，该方法步骤包括：S1.计算目标塔筒的传热量的初始值并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，转入执行步骤S2；S2.选取具有指定散热性能参数配置的轴流风机作为初始轴流风机；S3.计算在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的传热量，并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，调整散热性能参数配置，返回执行步骤S3，如果满足则输出所需的轴流风机配置；该装置包括塔筒传热量判断单元、选取单元以及判断调整单元。本发明能够结合高塔架塔筒传热特性实现塔筒通风冷却性能的最佳配置，且具有实现方法简单、配置效率高及效果好等优点。

Description

用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法、装置及塔筒
技术领域
本发明涉及风电机组高塔架技术领域，尤其涉及一种用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法、装置及塔筒。
背景技术
风电机组塔筒内变流器等电气部件运行时会产生大量的热量，需要通过通风冷却设计来实现有效散热。目前风电机组塔筒通常是直接依靠热空气的烟囱效应及塔筒臂来实现通风冷却，或使用高塔架塔筒中风冷变流器本身的通风散热结构，即通过合理布置柜体的元器件来增强变流器的通风冷却，但是上述方式的热交换能力有限，变流器运行时产生的高温气体无法及时得到冷却及转移，在环境温度过高时会造成塔筒内空间局部温度过高。
通过增加风电机组塔筒的高度可以更加有效利用风能，高塔架塔筒即是在传统的塔筒的基础上增加了30％以上，通常高塔架塔筒的塔高大于100米。针对于高塔架塔筒的通风散热性能，目前通常是直接沿用原始塔筒的通风散热结构，即直接使用传统普通高度塔架的通风散热模式配置的散热系统，高塔架塔筒由于塔筒增高，塔筒的传热面积增大，塔筒壁对外传热能力增强，因而高塔架在一定程度上可以提高通风散热性能，但是由于塔筒的增高，变流器散发的热空气上升的路径同时也会增长、阻力增大，若直接使用原始塔筒的通风散热结构，变流器排出热风会在塔筒第一层积聚导致温度升高，而基于高塔架结构不利于塔筒热量的及时排出，使得通风冷却性能差，在环境温度过高时极易造成塔筒内空间局部温度过高等问题。
为解决高塔架塔筒的上述技术问题，在塔筒内增设如散热风机等设备，可以提高通风冷却性能，但是散热风机的风量不同、散热量不同，在整个高架塔筒中所产生的通风冷却效果也不同，如若散热风机的布置位置、风量与塔筒进、出风风量不匹配，则会使得上层空气从电梯孔倒灌至下层，使得散热风机需要多做功，但通风冷却性能依然不佳。因此亟需提供一种能够结合高塔架塔筒传热特性实现塔筒通风冷却性能的最佳配置的通风冷却性能配置方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够结合高塔架塔筒传热特性实现塔筒通风冷却性能的最佳配置，实现方法简单、配置效率高及效果好的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法、装置，及通风冷却性能好的高塔架塔筒。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法，步骤包括：
S1.计算目标塔筒的传热量的初始值并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，转入执行步骤S2；
S2.选取具有指定散热性能参数配置的轴流风机作为初始轴流风机；
S3.计算在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的传热量，并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，调整散热性能参数配置并按照调整后配置选取目标轴流风机，返回执行步骤S3，如果满足则输出所需的轴流风机散热性能参数配置。
作为本发明方法的进一步改进，所述目标塔筒的传热量的具体计算步骤为：
a)计算目标塔筒内壁的传热系数Kin、不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout；
b)根据所述步骤a)计算得到的传热系数计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
c)取所述步骤b)中满足额定空气流速条件的最大传热量，并根据目标塔筒的高度计算得到最终的目标塔筒的传热量。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤a)中具体将塔筒内空气对流散热等效为管内受迫对流模型，以计算目标塔筒的塔筒内壁对流换热系数Kin；所述步骤a)中具体基于外掠圆管对流换热方式计算不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤b)中具体采用下式计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
Figure GDA0002629656050000021
其中，q1为单位长度塔筒壁面传热量，Tf1为塔筒内壁空气温度，Tf2为塔筒外壁空气温度；λ为塔筒材料碳钢的导热系数，Kin为塔筒内壁对流传热系数，Kout为塔筒外壁对流传热系数，D1为塔筒内径，D2为塔筒外径。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S3中当判断到如果满足时，还包括根据在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的温度状态和/或空气流动状态，确定得到轴流风机的最佳散热性能参数配置步骤S4。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S4的具体步骤为：
S41.建立第一层平台的指定位置上设置有轴流风机的目标塔筒模型；
S42.获取当前目标塔筒模型下的温度场、流场的状态，根据获取到的所述温度场、流场的状态判断是否满足预设性能需求，如果不满足，转入执行步骤S43，否则确定得到轴流风机的最佳散热性能参数配置输出；
S43.调整所述目标塔筒模型中轴流风机的散热性能参数配置，返回执行步骤S42。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S42的具体步骤为：
S421.配置当前目标塔筒模型中进风口的温度以及表面的对流传热系数，并将总太阳辐射得热按照体积热源的方式均匀分配到所述目标塔筒模型的塔筒壁面，得到当前配置下目标塔筒的温度场及流场；
S422.判断当前配置下所述温度场、流场的状态，如果判断到所述温度场无过温区域且所述流场中气流的流向趋势满足预设条件，则判定满足预设性能需求，否则判定为不满足预设性能需求。
一种用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置装置，包括：
塔筒传热量判断单元，用于计算目标塔筒的传热量的初始值并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，转入执行选取单元；
选取单元，用于选取具有指定散热性能参数配置的轴流风机作为初始轴流风机；
判断调整单元，用于计算在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的传热量，并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，调整散热性能参数配置并按照调整后配置选取目标轴流风机，返回执行步骤S3，如果满足则输出所需的轴流风机散热性能参数配置。
作为本发明装置的进一步改进，所述塔筒传热量判断单元、判断调整单元中包括用于计算目标塔筒的传热量的计算子单元，所述计算子单元具体包括：
传热系数计算模块，用于计算目标塔筒内壁的传热系数Kin、不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout；
单位传热量计算模块，用于根据所述传热系数计算模块计算得到的传热系数计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
传热量输出模块，用于取所述单位传热量计算模块中满足额定空气流速条件的最大传热量，并根据目标塔筒的高度计算得到最终的目标塔筒的传热量。
作为本发明装置的进一步改进，所述传热系数计算模块具体将塔筒内空气对流散热等效为管内受迫对流模型，以计算目标塔筒的塔筒内壁对流换热系数Kin；所述传热系数计算模块具体基于外掠圆管对流换热方式计算不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout。
作为本发明装置的进一步改进，所述单位传热量计算模块具体采用下式计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
Figure GDA0002629656050000031
其中，q1为单位长度塔筒壁面传热量，Tf1为塔筒内壁空气温度，Tf2为塔筒外壁空气温度；λ为塔筒材料碳钢的导热系数，Kin为塔筒内壁对流传热系数，Kout为塔筒外壁对流传热系数，D1为塔筒内径，D2为塔筒外径。
作为本发明装置的进一步改进，还包括与所述判断调整单元连接的最佳轴流风机性能配置确定单元，用于根据在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的温度状态和/或空气流动状态，确定得到轴流风机的最佳散热性能参数配置。
作为本发明装置的进一步改进，所述最佳轴流风机性能配置确定单元包括：
模型建立模块，用于建立第一层平台的指定位置上设置有轴流风机的目标塔筒模型；
判断模块，用于获取当前目标塔筒模型下的温度场、流场的状态，根据获取到的所述温度场、流场的状态判断是否满足预设性能需求，如果不满足，转入执行调整模块，否则确定得到轴流风机的散热性能参数配置输出；
调整模块，用于调整所述目标塔筒模型中轴流风机的散热性能参数配置，返回执行所述判断模块。
作为本发明装置的进一步改进，所述判断模块包括：
配置子模块，用于配置当前目标塔筒模型中进风口的温度以及表面的对流传热系数，并将总太阳辐射得热按照体积热源的方式均匀分配到所述目标塔筒模型的塔筒壁面，得到当前配置下目标塔筒的温度场及流场；
判断子模块，用于判断当前配置下所述温度场、流场的状态，如果判断到所述温度场无过温区域且所述流场中气流的流向趋势满足预设条件，则判定满足预设性能需求，否则判定为不满足预设性能需求。
一种高塔架塔筒，包括塔筒本体，所述塔筒本体上按照如上述通风冷却性能配置方法在第一层平台指定位置处配置有轴流风机，以使得所述塔筒本体能够实现最佳通风冷却性能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明通过采用高塔架塔筒的第一层平台上开通风孔设置轴流风机的方式，可以防止变流器排出热风在塔筒第一层积聚导致温度升高，同时通过对塔筒进行传热量分析、建立塔筒模型进行通风冷却性能分析，根据分析结果判断轴流风机配置是否满足传热量需求，最终得到满足传热量需求的最佳轴流风机配置，配置方法简单且效率高，能够结合高塔架塔筒的结构特性、传热性能分析调节高塔架塔筒的通风冷却配置，从而保证高塔架塔筒内风冷变流器能够有效通风散热，实现最佳的通风冷却性能。
2)本发明进一步根据在目标塔筒第一层平台上设置不同散热性能参数的轴流风机时的温度状态、空气流动状态，确定得到轴流风机的最佳散热性能参数配置，能够在满足传热量需求的基础上充分考虑实际的散热效果，最终得到具有最佳通风冷却性能的散热性能参数，实现适用于高塔架塔筒的最佳通风性能配置，最大程度的提高塔筒的通风性能。
2)本发明进一步通过建立第一层平台的指定位置上设置有轴流风机的目标塔筒模型，对塔筒模型进行塔筒内空气的流场及温度场分析，能够有效验证当前塔筒传热量配置的通风冷却性能，判断是否存在过温区域以及气流是否流畅，从而能够在满足传热量需求的基础上实现最佳的通风冷却配置，避免塔筒内出现局部温度过高、气流不畅等状态。
3)本发明基于塔筒内、外壁的传热性能计算塔筒在不同风机运行环境工况时的传热能力，能够结合塔筒臂的传热特性、运行环境工况准确计算得到塔筒的传热量，从而能够准确表征塔筒的通风冷却性能，进一步提高配置的精度。
附图说明
图1是本发明实施例1用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法的实现流程示意图。
图2是本发明实施例1塔筒内第一层平台通风冷却配置的模型构建原理示意图。
图3是本发明实施例1塔筒内第N(N>1)层平台通风孔配置的模型构建原理示意图。
图4本发明实施例2中得到的塔筒内各层中心截面温度分布图。
图5是本发明实施例2中得到的塔筒第一层气流分布图。
图6是本发明实施例2中得到的塔筒第一层速度矢量图。
图7是本发明实施例2中得到的塔筒第二层速度矢量图。
图8是本发明实施例2中得到的塔筒第三层速度矢量图。
图9是本发明实施例2中得到的塔筒第四层速度矢量图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法，步骤包括：
S1.计算目标塔筒的传热量的初始值并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，转入执行步骤S2；
S2.选取具有指定散热性能参数配置的轴流风机作为初始轴流风机；
S3.计算在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的传热量，并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，调整散热性能参数配置并按照调整后配置选取目标轴流风机，返回执行步骤S3，如果满足则输出所需的轴流风机散热性能参数配置。
本实施例具体在塔筒第一层平台配置轴流风机向上引风，以将风冷变流器散发的热气及时转移出第一层平台，在其余各层平台将电梯孔作为通风孔，借助热空气烟囱效应，将塔筒看作一个大的圆管换热器，无需另加其它通风设施，可以防止变流器排出热风在塔筒第一层积聚导致温度升高，同时通过对塔筒进行传热量分析，根据分析结果判断轴流风机配置是否满足传热量需求，最终得到满足传热量需求的最佳轴流风机配置，配置方法简单且效率高，能够结合高塔架塔筒的结构特性、传热性能分析调节高塔架塔筒的通风冷却配置，从而保证高塔架塔筒内风冷变流器能够有效通风散热，实现最佳的通风冷却性能。
本实施例散热性能参数具体为风量、风压参数，即首先步骤S2选取具有指定风量、风压的轴流风机作为初始轴流风机，步骤S3计算在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的传热量，并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，调整风量、风压并按照调整后的风量、风压选取目标轴流风机，,直至得到所需的轴流风机风量、风压的配置。当然在其他实施例中，还可以根据实际需求使用或增加其他的散热性能参数以进一步提高性能。
本实施例中，目标塔筒的传热量的具体计算步骤为：
a)计算目标塔筒内壁的传热系数Kin、不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout；
b)根据步骤a)计算得到的传热系数计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
c)取步骤b)中满足额定空气流速条件的最大传热量，并根据目标塔筒的高度计算得到最终的目标塔筒的传热量。
本实施例通过塔筒内、外壁的传热性能计算塔筒在不同风机运行环境工况时的传热能力，按照运行环境工况设立边界条件，能够结合塔筒臂的传热特性、运行环境工况准确计算得到塔筒的传热量。
本实施例具体根据塔筒中各部件参数计算塔筒外壁传热系数，步骤a)中具体将塔筒内空气对流散热等效为管内受迫对流模型，以计算目标塔筒的塔筒内壁对流换热系数Kin，基于外掠圆管对流换热方式计算不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout。塔筒的传热量的具体计算步骤为：
a1)塔筒壁传热能力计算参数设置；
根据塔筒结构及材料、变流器的通风散热系统配置及要求、设计环温等确定计算条件，具体包括如塔筒内径、塔筒材料、塔筒内环境温度、塔筒外环境温度、塔筒壁厚、塔筒高度、热损耗、柜内通风风量以及变流器出风口平均风速等；
a2)不同空气流速下塔筒外壁传热系数计算；
将塔筒内的空气对流散热方式看作管内受迫对流，利用Dittus-Boelter公式来计算其对流换热系数Kin，具体计算公式为：
Kin＝Nu×λ0/d1 (1)
其中，Nu为空气努塞尔数，λ0为空气导热系数，具体可取0.027W/m·K，d1为塔筒内径。
塔筒外表面的对流换热系数利用外掠圆管对流换热方式进行计算，计算公式为：
Nu＝C·Ren·Pr1/3 (2)
其中C、n为常数，具体可由实验数据获取，Re为塔筒外表面空气雷诺数，Pr为空气的普朗特数，反映了流体的动量传递和热量传递能量的相对大小，如果流体为水或空气，Pr具体取0.7～10。
塔筒外壁冷却空气的雷诺数Re为：
Figure GDA0002629656050000071
其中，v1为空气流速，d2为塔筒外径，v为运动粘滞系数。
塔筒外壁空气对流换热系数Kout为：
Figure GDA0002629656050000072
其中λ为塔筒材料的导热系数。
本实施例中，步骤b)中具体采用下式计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
Figure GDA0002629656050000073
其中，q1为单位长度塔筒壁面传热量，Tf1为塔筒内壁空气温度，Tf2为塔筒外壁空气温度；λ为塔筒材料碳钢的导热系数，Kin为塔筒内壁对流传热系数，Kout为塔筒外壁对流传热系数，D1为塔筒内径，D2为塔筒外径。
按照上述步骤即可计算得到不同空气流速时塔筒的单位长度塔筒臂面传热量，取其中满足额定空气流速条件的最大传热量计算整个塔筒的传热量，判断是否满足所需传热量需求，如是否小于变流器损耗，如果是，表明不满足所需传热量需求，在塔筒第一层平台上增加轴流风机往上引风，此时塔筒内比空气流速加大，采用上述步骤重新计算塔筒的传热量，最终计算的塔筒的传热量若仍然不满足塔筒的传热量需求，调整轴流风机的位置，直至塔筒的传热量满足传热量需求。
本实施例中，所述步骤S3中当判断到如果满足时，还包括根据在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的温度状态、空气流动状态，确定得到轴流风机的最佳散热性能参数配置步骤S4。即在经过上述传热性能分析后确定得到满足传热性能的轴流风机配置后，进一步判断该配置下塔筒的温度状态、空气流动状态是否满足预设性能需求，如果不满足对轴流风机的散热性能参数进行进一步微调，直至得到温度状态、空气流动状态满足预设性能需求的轴流风机配置，即为最佳散热性能参数配置。通过上述方法，结合上述传热性能分析，能够在满足传热量需求的基础上充分考虑实际的散热效果，实现适用于高塔架塔筒的最佳通风性能配置，最大程度的提高塔筒的通风性能。
本实施例中，步骤S4的具体步骤为：
S41.建立第一层平台的指定位置上设置有轴流风机的目标塔筒模型；
S42.获取当前目标塔筒模型下的温度场、流场的状态，根据获取到的温度场、流场的状态判断是否满足预设性能需求，如果不满足，转入执行步骤S43，否则确定得到轴流风机的最佳散热性能参数配置输出；
S43.调整目标塔筒模型中轴流风机的散热性能参数配置，返回执行步骤S42。
本实施例中，步骤S42的具体步骤为：
S421.配置当前目标塔筒模型中进风口的温度以及表面的对流传热系数，并将总太阳辐射得热按照体积热源的方式均匀分配到目标塔筒模型的塔筒壁面，得到当前配置下目标塔筒的温度场及流场；
S422.判断当前配置下所述温度场、流场的状态，如果判断到所述温度场无过温区域且所述流场中气流的流向趋势满足预设条件，则判定满足预设性能需求，否则判定为不满足预设性能需求。
本实施例通过建立第一层平台设置有轴流风机的塔筒模型，基于塔筒模型进行塔筒内空气的流场及温度场分析，能够有效验证当前塔筒传热量配置(风量、风压)的通风冷却性能，判断是否存在过温区域以及气流是否流畅，从而能够在满足传热量需求的基础上实现最佳的通风冷却配置，避免塔筒内出现局部温度过高、气流不畅等状态。
本实施例中，目标塔筒模型建立时具体将整个塔筒底面作为进风口，计算进风口经过变流器后温升后，得到进风口的温度以进行配置；目标塔筒模型中塔筒出口截面的尺寸按照与顶层电梯停靠平台中电梯孔洞的尺寸相同。
本实施例中，轴流风机的风量具体取为与目标塔筒内变流器排出风量一致，或取为与目标塔筒内变流器排出风量之间的差值在指定范围内。如果风机风量与塔筒进、出风风量不匹配(本实施例塔筒模型中具体风机风量大于进风风量)，会使得上层空气从电梯孔倒灌至下层，使得风机需要多做功，但通风冷却性能仍然不佳，本实施例通过使轴流风机风量与变流器排出风量基本一致，进一步根据上述步骤确定轴流风机的风量风压等散热性能参数，即可实现最佳通风冷却配置。塔筒内空气流动考虑由于温差引发的自然对流，本实施例空气密度变化具体按Boussinesq近似方法确定。
本实施例具体在塔筒第一层平台变流器正上方加装轴流风机，仿真模型如图2所示，塔筒第N层平台(N>1)通风孔为电梯孔洞通风，仿真模型如图3所示，通过仿真模型仿真得到塔筒的温度场及流场，其中为简化设计，将整个塔筒底面作为进风口，风量取与变流器冷却风量一致，根据变流器总散热量通过基本传热公式Q＝CM△t可算得进风经过变流器后温升，得到进口风温；为简化模型和网格，进一步塔筒出口截面取为与顶层电梯停靠平台的电梯孔洞相同尺寸。塔筒外表面与环境之间既有对流热交换，同时也接收太阳辐射热，上述仿真模型中将这两种热边界条件同时施加在塔筒外壁上，总太阳辐射得热以体积热源的方式均匀分配到整个塔筒壁面，由仿真结果得到塔筒的温度场及流场，判断温度场中是否有过温区域、流场中气流是否顺畅，判定当前通风冷却配置是否满足通风散热需求。
如图2、3所示，本实施例高塔架塔筒包括塔筒本体，塔筒本体上按照上述通风冷却性能配置方法在第一层平台指定位置处配置有轴流风机，第二、三、四、五层平台通风孔为电梯孔洞通风，使得塔筒本体能够实现最佳通风冷却性能。
本实施例用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置装置，包括：
塔筒传热量判断单元，用于计算目标塔筒的传热量的初始值并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，转入执行选取单元；
选取单元，用于选取具有指定散热性能参数配置的轴流风机作为初始轴流风机
判断调整单元，用于计算在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的传热量，并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，调整散热性能参数配置并按照调整后配置选取目标轴流风机，返回执行步骤S3，如果满足则输出所需的轴流风机散热性能参数配置。
本实施例中，塔筒传热量判断单元、判断调整单元中包括用于计算目标塔筒的传热量的计算子单元，计算子单元计算子单元具体包括：
传热系数计算模块，用于计算目标塔筒内壁的传热系数Kin、不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout；
单位传热量计算模块，用于根据传热系数计算模块计算得到的传热系数计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
传热量输出模块，用于取单位传热量计算模块中满足额定空气流速条件的最大传热量，并根据目标塔筒的高度计算得到最终的目标塔筒的传热量。
本实施例中，传热系数计算模块具体将塔筒内空气对流散热等效为管内受迫对流模型，以计算目标塔筒的塔筒内壁对流换热系数Kin；传热系数计算模块具体基于外掠圆管对流换热方式计算不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout。
本实施例中，单位传热量计算模块具体采用上述公式(5)计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量。
本实施例中，还包括与所述判断调整单元连接的最佳轴流风机性能配置确定单元，用于根据在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的温度状态和/或空气流动状态，确定得到轴流风机的最佳散热性能参数配置。
本实施例中，最佳轴流风机性能配置确定单元包括：
模型建立模块，用于建立第一层平台的指定位置上设置有轴流风机的目标塔筒模型；
判断模块，用于获取当前目标塔筒模型下的温度场、流场的状态，根据获取到的所述温度场、流场的状态判断是否满足预设性能需求，如果不满足，转入执行调整模块，否则确定得到轴流风机的散热性能参数配置输出；
调整模块，用于调整目标塔筒模型中轴流风机的散热性能参数配置，返回执行所述判断模块。
本实施例中，性能判定单元还包括用于建立目标塔筒模型的模型建立单元，模型建立单元建立目标塔筒模型时具体将整个塔筒底面作为进风口，计算进风口经过变流器后温升后，得到进风口的温度以进行配置；模型建立单元建立目标塔筒模型时具体塔筒出口截面的尺寸为与顶层电梯停靠平台中电梯孔洞的尺寸相同。
本实施例用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置装置与上述用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法具有相同的原理，在此不再进行赘述。
实施例2：
以下以对某2MW双馈高塔架风力发电机组进行通风冷却性能配置为例对本发明进行进一步说明。
步骤一：根据塔筒结构及材料、变流器的通风散热系统配置及要求、设计环温等确定计算条件，具体塔筒壁传热能力计算参数设置如表1所示。
表1：塔筒壁传热能力计算参数设置表。
Figure GDA0002629656050000101
Figure GDA0002629656050000111
步骤二：根据塔筒结构计算塔筒的传热系数。
按照表1的配置将塔筒内的空气对流散热方式看作管内受迫对流，利用Dittus-Boelter公式来计算其对流换热系数Kin为：
Nu＝0.023×〔(0.5×4)/(1.6×10-8)〕0.8×0.70.3＝228.8；
Kin＝Nu×λ0/d1＝343.2×0.027/4＝1.544W/m2K；
其中，Nu为空气努塞尔数，λ0为空气导热系数且为0.027W/m·K，d1为塔筒内径。
塔筒外表面的对流换热系数利用上述外掠圆管对流换热方式(2)进行计算；
当空气流速为1m/s时，塔筒外壁冷却空气的雷诺数Re1为：
Figure GDA0002629656050000112
因此由表1可知，C＝0.0266，n＝0.805，空气流速1m/s时塔筒外壁冷却空气对流换热系数Kout1为：
Figure GDA0002629656050000113
式中υ1为空气流速1m/s，d2为塔筒外径，v为运动粘滞系数，Nu1为空气流速1m/s时塔筒内空气努塞尔数，λ为塔筒材料碳钢Q345E的导热系数。
以此类推计算得到空气流速2-8m/s时塔筒外表面的换热系数，各空气流速时塔筒外壁传热系数如表2所示。
表2：不同冷却空气流速下塔筒外壁传热系数。
v(m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8
Re 2.55×10<sup>5</sup> 5.05×10<sup>5</sup> 7.55×10<sup>5</sup> 1.05×10<sup>6</sup> 1.25×10<sup>6</sup> 1.55×10<sup>6</sup> 1.75×10<sup>6</sup> 2.05×10<sup>6</sup>
Nu 524 916 1270 1600 1915 2218 2511 2796
<sub>Kout</sub>(W/m<sup>2</sup>K) 3.5 6.3 8.7 10.9 12.9 15.1 17.3 18.9
步骤三：计算塔筒的传热量。
1)计算不同风速下单位长度塔筒壁面的传热量；
将塔筒内壁冷却空气的对流传热系数Kin(2.3W/m2.K)、塔筒材料碳钢Q345E的导热系数λ(46W/m.K)、塔筒外壁冷却空气的对流传热系数Kout(1～8m/s风速)、塔筒内壁空气温度Tf1(45℃，见表1)、塔筒外壁空气温度Tf2(40℃，见表1)代入式(5)中计算，得到如表3所示的不同风速下单位长度塔筒壁面的传热量。
表3：不同风速下单位长度塔筒壁面的传热量。
v(m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8
q<sub>l</sub>(W/m) 58.8 77.5 85.9 90.9 95.4 96.9 99.1 100.4
2)计算整个塔筒的传热量；
取塔筒外壁空气流速8m/s来计算整个塔筒壁的传热量(低风速风场额定风速9m/s，以保留一定余量)，则根据塔筒长度计算得到整个塔筒的传热量：Q＝100.4×121＝12148W＝12.1KW，小于变流器损耗16KW，即不满足所需传热量需求。
步骤四：在塔筒第一层平台增加设置轴流风机往上引风，计算当前配置下塔筒的传热量。
改变计算条件，重新计算塔筒传热系数及传热量为：
Kin＝Nu×λ0/d1＝343.2×0.027/4＝2.316W/m2K；
此时单位塔筒壁传热系数如表4所示。
表4：增设轴流风机后单位塔筒壁传热系数。
v(m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8
q<sub>l</sub>(W/m) 88.8 107.5 115.9 120.9 125.4 126.9 129.1 130.4
取塔筒外壁空气流速8m/s来计算整个塔筒壁的传热量，则增设轴流风机后整个塔筒的传热量为：Q＝130.4×121＝15778W＝15.8KW，基本满足变流器损耗16KW所需的传热量需求。
步骤五：建立第一层平台的指定位置上设置有上述轴流风机的目标塔筒模型，对建立的目标塔筒模型进行塔筒温度场、流场仿真，以判断当前目标塔筒的通风冷却性能。
本实施例具体按照图2、图3所示在第一层平台变流器正上方加装轴流风机，直径500mm，名义风量9000m3/h，第二、三、四、五层平台通风孔为电梯孔洞通风进行建模仿真，模型全高121m，其中从0m平台至第一层平台取18.5m，忽略底部架空层；为简化计，将整个塔筒底面作为进风口，风量按变流器冷却风量4500m3/h，环境风温40℃，根据变流器总散热量20kW(在实际负荷基础上增加20％的设计余量)，通过基本传热公式Q＝CM△t算得进风经过变流器后温升为21.56℃，即进口风温设为61.56℃，且塔筒出口截面取为与顶层电梯停靠平台的电梯孔洞相同尺寸，在模型中将塔筒外表面与环境之间的对流热交换、太阳辐射热两种热边界条件同时施加在塔筒外壁上，其中表面对流传热系数取15.08W/(m2℃)，环境温度40℃，总太阳辐射得热150kW，以体积热源的方式均匀分配到整个塔筒壁面。
本实施例仿真结果见图4～图9所示，从图4可看出，塔筒的温度场中各层中心温度无过温区域，从图5～图9可看出，塔筒第一层至第四层的气流顺畅，满足通风散热需求，即通过在第一层平台上加装轴流风机排风，能够防止变流器排出热风在塔筒第一层积聚导致温度升高，且按本实施例上述模型设置，能够满足变流器散热需求，实现最佳的通风冷却性能配置。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (14)

1.一种用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法，其特征在于，步骤包括：
S1.计算目标塔筒的传热量的初始值并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，转入执行步骤S2；
S2.选取具有指定散热性能参数配置的轴流风机作为初始轴流风机；
S3.计算在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的传热量，并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，调整散热性能参数配置并按照调整后配置选取目标轴流风机，返回执行步骤S3，如果满足则输出所需的轴流风机散热性能参数配置；
所述目标塔筒的传热量的具体计算步骤为：
步骤a)计算目标塔筒内壁的传热系数Kin、不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout；
步骤b)根据所述步骤a)计算得到的传热系数计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
步骤c)取所述步骤b)中满足额定空气流速条件的最大传热量，并根据目标塔筒的高度计算得到最终的目标塔筒的传热量。
2.根据权利要求1所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法，其特征在于，所述步骤a)中具体将塔筒内空气对流散热等效为管内受迫对流模型，以计算目标塔筒的塔筒内壁对流换热系数Kin；所述步骤a)中具体基于外掠圆管对流换热方式计算不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout。
3.根据权利要求1所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法，其特征在于，所述步骤b)中具体采用下式计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
Figure FDA0002629656040000011
其中，q1为单位长度塔筒壁面传热量，Tf1为塔筒内壁空气温度，Tf2为塔筒外壁空气温度；λ为塔筒材料碳钢的导热系数，Kin为塔筒内壁对流传热系数，Kout为塔筒外壁对流传热系数，D1为塔筒内径，D2为塔筒外径。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法，其特征在于，所述步骤S3中当判断到如果满足时，还包括根据在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的温度状态和/或空气流动状态，确定得到轴流风机的最佳散热性能参数配置步骤S4。
5.根据权利要求4所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤为：
S41.建立第一层平台的指定位置上设置有轴流风机的目标塔筒模型；
S42.获取当前目标塔筒模型下的温度场、流场的状态，根据获取到的所述温度场、流场的状态判断是否满足预设性能需求，如果不满足，转入执行步骤S43，否则确定得到轴流风机的最佳散热性能参数配置输出；
S43.调整所述目标塔筒模型中轴流风机的散热性能参数配置，返回执行步骤S42。
6.根据权利要求5所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法，其特征在于，所述步骤S42的具体步骤为：
S421.配置当前目标塔筒模型中进风口的温度以及表面的对流传热系数，并将总太阳辐射得热按照体积热源的方式均匀分配到所述目标塔筒模型的塔筒壁面，得到当前配置下目标塔筒的温度场及流场；
S422.判断当前配置下所述温度场、流场的状态，如果判断到所述温度场无过温区域且所述流场中气流的流向趋势满足预设条件，则判定满足预设性能需求，否则判定为不满足预设性能需求。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置方法，其特征在于：所述散热性能参数具体包括风量和/或风压参数。
8.一种用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置装置，其特征在于，包括：
塔筒传热量判断单元，用于计算目标塔筒的传热量的初始值并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，转入执行选取单元；
选取单元，用于选取具有指定散热性能参数配置的轴流风机作为初始轴流风机；
判断调整单元，用于计算在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的传热量，并判断是否满足所需传热量需求，如果不满足，调整散热性能参数配置并按照调整后配置选取目标轴流风机，返回执行步骤S3，如果满足则输出所需的轴流风机散热性能参数配置；
所述塔筒传热量判断单元、判断调整单元中包括用于计算目标塔筒的传热量的计算子单元，所述计算子单元具体包括：
传热系数计算模块，用于计算目标塔筒内壁的传热系数Kin、不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout；
单位传热量计算模块，用于根据所述传热系数计算模块计算得到的传热系数计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
传热量输出模块，用于取所述单位传热量计算模块中满足额定空气流速条件的最大传热量，并根据目标塔筒的高度计算得到最终的目标塔筒的传热量。
9.根据权利要求8所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置装置，其特征在于，所述传热系数计算模块具体将塔筒内空气对流散热等效为管内受迫对流模型，以计算目标塔筒的塔筒内壁对流换热系数Kin；所述传热系数计算模块具体基于外掠圆管对流换热方式计算不同空气流速时目标塔外壁的传热系数Kout。
10.根据权利要求9所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置装置，其特征在于，所述单位传热量计算模块具体采用下式计算不同空气流速时目标塔筒的单位长度塔筒壁面传热量；
Figure FDA0002629656040000031
其中，q1为单位长度塔筒壁面传热量，Tf1为塔筒内壁空气温度，Tf2为塔筒外壁空气温度；λ为塔筒材料碳钢的导热系数，Kin为塔筒内壁对流传热系数，Kout为塔筒外壁对流传热系数，D1为塔筒内径，D2为塔筒外径。
11.根据权利要求8～10中任意一项所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置装置，其特征在于，还包括与所述判断调整单元连接的最佳轴流风机性能配置确定单元，用于根据在目标塔筒第一层平台上设置当前配置轴流风机时目标塔筒的温度状态和/或空气流动状态，确定得到轴流风机的最佳散热性能参数配置。
12.根据权利要求11所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置装置，其特征在于，所述最佳轴流风机性能配置确定单元包括：
模型建立模块，用于建立第一层平台的指定位置上设置有轴流风机的目标塔筒模型；
判断模块，用于获取当前目标塔筒模型下的温度场、流场的状态，根据获取到的所述温度场、流场的状态判断是否满足预设性能需求，如果不满足，转入执行调整模块，否则确定得到轴流风机的散热性能参数配置输出；
调整模块，用于调整所述目标塔筒模型中轴流风机的散热性能参数配置，返回执行所述判断模块。
13.根据权利要求12所述的用于高塔架塔筒的通风冷却性能配置装置，其特征在于，所述判断模块包括：
配置子模块，用于配置当前目标塔筒模型中进风口的温度以及表面的对流传热系数，并将总太阳辐射得热按照体积热源的方式均匀分配到所述目标塔筒模型的塔筒壁面，得到当前配置下目标塔筒的温度场及流场；
判断子模块，用于判断当前配置下所述温度场、流场的状态，如果判断到所述温度场无过温区域且所述流场中气流的流向趋势满足预设条件，则判定满足预设性能需求，否则判定为不满足预设性能需求。
14.一种高塔架塔筒，包括塔筒本体，其特征在于，所述塔筒本体上按照如权利要求1～7中任意一项所述的通风冷却性能配置方法在第一层平台指定位置处配置有轴流风机，以使得所述塔筒本体能够实现最佳通风冷却性能。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007002773A (ja) * 2005-06-24 2007-01-11 Fuji Heavy Ind Ltd 水平軸風車
CN202160373U (zh) * 2011-07-22 2012-03-07 广西银河风力发电有限公司 通过塔壁散热的风机冷却系统
CN102307459B (zh) * 2011-09-09 2014-05-21 广东明阳风电产业集团有限公司 一种散热装置
CN105484947A (zh) * 2015-12-21 2016-04-13 江苏金风科技有限公司 风力发电机组用冷却装置、风力发电机组及运行控制方法
CN107145705B (zh) * 2017-03-29 2020-08-21 中国海洋石油总公司 一种获取循环温度场的方法及装置
CN107387335B (zh) * 2017-09-11 2018-10-23 北京金风科创风电设备有限公司 风力发电设备、塔筒及抑制塔筒塔影效应的方法

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