CN101042114A - 具有风力助冷系统的风力涡轮发电机及其冷却方法 - Google Patents

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Abstract

一种风力发电机(10)包括：一个舱(16)；一个由舱转动地承载的并包括至少一对风力涡轮叶片(14)的转毂(12)；一个产生电流的发电机，其包括承载在舱内的一个定子(22，26)和一个转子(24，28)。转子与毂相连并可旋转，随着风作用于叶片使得转子相对于定子转动从而产生电流。一个由舱(16)承载的冷却系统，其包括至少一个入口(46)，开向位于毂和叶片下游的舱表面，以及一个将气流从入口向着大致上游方向送往毂并冷却定子的输送管(44)。

Description

具有风力助冷系统的风力涡轮发电机及其冷却方法
本发明是在NREL批予的子合同ZAM-4-31235-05和美国能源部批予的主合同DE-AC36-99-GO10337下由政府支持作出的。政府拥有该发明的某些权利。
技术领域
本发明涉及风力涡轮发电机的风力助冷，尤其涉及一种冷却系统，利用流动引起的压力和吸力从周围环境中获取冷却空气并将该冷却空气输送到容易受到关乎热的退化影响的风力发电机部件。
背景技术
风力涡轮发电机通常设立在几百英尺高的塔架上。发电机包括一个毂，该毂装有两个或典型地装有三个驱动发动机的翼型叶片。在装有毂的舱里，翼型叶片和毂使转子旋转。直接通过驱动系统或者变速箱使转子产生的旋转，将导致磁极和线圈的相对转动，从而产生电流。采用直接驱动的发电机，转子和叶片以相同速度转动，因此需要较大的半径来获得发电所需的切向速度。采用变速箱则可以使转速增加到一个较高的值，例如1000RPM，但自身容易产生问题。
任何发电机都会产生热量，因此需要对发电机的各个部件进行冷却。必须对风力发电机进行有效冷却从而减少损耗，且可以知道空间的限制阻碍了精制冷却管、鼓风机、过滤器、换热器等类似冷却设备的使用。传统的发电机冷却设备过大，过于昂贵，且不易保养。基于风力涡轮发电机的性能，以及在距地面几百英尺的地方安装发电机并同时提供冷却的需要，必须为风力涡轮发电机提供一个改进的冷却系统，例如利用舱周围的风流来协助空气流射入舱内和热气流排出舱外从而达到冷却发电机的目的。
发明内容
本发明的一个典型的非局限性的实施例，提供了一种风力发电机，包括一个舱；一个由舱转动地承载的并包括至少一对风力涡轮叶片的转毂；一个产生电流的发电机，其包括一个定子和一个转子，转子与毂相连并可响应作用于叶片上的风力进行旋转，以使转子相对于定子转动产生电流；一个承载于舱内的冷却系统，其包括至少一个环境空气入口，开通位于毂和叶片下游的舱表面，以及用于使空气沿基本上上游的方向从入口流向毂并且冷却定子的管道。
另一个典型的非局限性的实施例，提供了一种冷却风力涡轮发电机定子方法，此发电机有一个舱，其装载定子和一个与装设风力涡轮叶片的毂相连的转子。该方法包括以下步骤：(a)通过沿着舱或毂表面的朝前入口吸入周围的冷却空气；(b)使冷却空气流过发电机定子以冷却定子；和(c)在毂和叶片的下游位置从定子排出冷却空气。
还有一个典型的非局限性的实施例，提供的所述入口是在位于毂和叶片的下游位置的舱内。
现在将结合如下附图对本发明进行详细阐述。
附图说明
图1是风力涡轮发电机风力助冷系统示意图；
图2是风力涡轮发电机冷却系统各组成部分的透视图；
图3是发电机定子及旋转部件的局部放大剖面图，图中示出了部分冷却回路；
图4是工作于此冷却系统中的双面发电机的纵向放大示意图；
图5是此风力涡轮发电机风力助冷系统各组成部分的局部透视图；
图6是另一个实施例中风力涡轮发电机风力助冷系统的示意图；
图7是另一个实施例中带有冷却空气进气结构的毂和舱的局部透视图；
图8是又一个实施例中毂内冷却空气进气装置的透视图；
图9是图8中所示毂的局部剖面图；和
图10是又一个实施例中毂内冷却空气入口的局部透视图。
具体实施方式
参照图1，这里示意性的阐述了一种风力涡轮发电机，通常指10，其包括装有两个或更多个翼型叶片14的转毂12，一个固定舱16和一个塔架18，塔架用于从结构上将风力涡轮发电机支承在离地面G几百英尺的高度。
如图3和图4所示，舱16装有由多个线圈或绕组22组成的定子部件，并在靠近毂12的转子前端环绕转子装有多个磁铁或磁极24。图中所示的实施例包括一个双边发电机，其具有作为定子部件的内定子线圈22和外定子线圈26，以及作为转子部件的外磁铁或外磁极24和内磁铁或内磁极28。因此，风力驱动的叶片14驱动毂12，依次使外磁极24和内磁极28相对于外定子线圈22和内定子线圈26产生旋转，继而产生电流。可以看到，内外定子线圈22和26分别绕成椭圆形的线圈并沿圆周相互间隔地排布从而形成发电机定子。定子线圈安装在固定于舱16内的支架30上。从图3和图4可以看出，内外线圈22和26的每个子线圈之间都存在间隙32，转子外端与外线圈26之间及转子内端40与内线圈22之间也存在轴间隙34，它为冷却流体，如空气，提供了流动通道。
根据图1-3，冷却系统包括多个供气通道44，图2中示出3个。供气通道44由管道组成，用来传送从入口46(图1)吸入的空气，入口沿着舱16表面开口。这样，三个入口46周向环绕着舱相互隔开，比如约120度的隔开，从而获取流过舱16的空气。由于舱16的形状以及沿着舱表面的空气动力学边界层流，入口吸入的部分边界层气流从入口的正向流入，并沿着输送管44传送至进气歧管50(图3)。歧管50包括一个与定子线圈直径相当的环面，并位于内外定子线圈22和26的后面。歧管50可以是连续的或被分隔成圆周长度相等的隔腔，为处于入口歧管50轴向前方的一个定子线圈联接段提供冷却空气。由于进口空气流动本身不足以将发电机维持在冷却环境下，因此在位于歧管50前面的输送管44内安装了鼓风机52(图2)来加速空气流动。供气管道44中还安装了多个过滤器54。
在发电机的轴向前侧上，设有多个周向间隔的出口55，每个出口包括一个排气管56和一个排气环，总称为排气罐58。一个圆环的大体呈C-形的沟渠60在排气罐58的出气侧覆盖排气罐58。沟渠60的基底自排气管56的排气口空隔开并覆盖在上面。沟渠60还具有一个与旋转部件的前面轴向间隔开的自由侧边缘，提供大致径向延伸的受热冷却空气的排放通道59。这样，被加热的冷却空气从排放管道56出去后，转过180度，朝向定子轴向流回，继而再转90度径向去到大气。从而，冷却空气的排放流是绕舱表面的大致环形。
如图6所示的实施例，公开了一个风力涡轮的后出口冷却系统。在这样的结构中，冷却空气沿着罩住定子线圈的环形腔70的前面通过进入口68，以基本上通过沿与前一实施例空气流动方向反转方向的空气流冷却定子线圈。利用因进气口68处的风力产生的压力差，来自围绕定子线圈22和26冷却流的受热空气构成后出口通路。在这个实施例中，可以利用一个或者更多的鼓风机，内置通风叠片以及一个嵌入式的外部风扇来协助冷空气流动。例如，鼓风机72可扩大从前端入口到尾部出口75的气流通道。
图7-10示出了前面所描述的各种冷却进气装置。图7中，利用叶片根部和舱内输送管吸入空气来冷却舱体和毂。更明确的，每个用于连接叶片和毂76的叶片根部74都有一个管78(图中只示出一个)，管有一个开口朝前(舱82的上游)的进气开口80。管78将吸入的空气送入毂管84，接着冷却空气进入如图6所示的环形集管或气室70。
额外的冷却空气通过同样开口朝前的舱斗86吸入。斗86的数量根据舱边缘的不同而变化，但最好对称设置。图7中对称设置了四个这样的斗(图中示出三个)。斗86通过舱壁上的冷却空气进气孔88将冷却空气送入，并与进入叶片根部管道的冷却空气汇集，继而流入集管或气室70。
图8和9描述了一个包括三个毂入口92(图中示出2个)的毂90，入口周向地位于叶片根部93之间。每个入口都有一个朝前的进气开口94，每个管道可以在进气开口处装有一个过滤器96和多个内置挡板98，从而形成一个蛇形的冷却空气流道。流道中90度的弯曲有助于在空气进入环形腔70之前除去其中的湿气。流过发电机之后，冷却空气将从尾部排气口102(图中用虚线标出了一个)排出舱体100。
图10描述了一个毂104，在该毂的中心部位设有单独的一个前向入口106。冷却空气通过位于叶片根部孔110之间的内置开口108进入舱体和环形腔70。
尽管已经通过目前认为最具实践价值的优选的实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明并不局限于这些实施例，而且恰恰相反，本发明意在覆盖落入其附属权利要求精神实质和保护范围的各种修改及等效方案。
部件清单
风力涡轮发电机    10      进气口        68
转毂              12      环形腔或集管  70
翼型叶片          14
                          鼓风机        72
固定舱            16
塔架              18      叶片根部      74
内定子线圈或绕组  22
                          尾部出口      75
外定子线圈        26
外转子磁铁或磁极  24      毂            76
内转子磁铁或磁极  28
                          管            78
支架              30
                          进气开口      80
间隙              32
轴向间隙          34      舱            82
转子              40
                          毂管          84
供气通道          44
入口              46      舱斗          86
进气歧管          50
                          进气孔        88
鼓风机            52
过滤器            54      毂入口        92
出口              55
                          叶片根部      93
排气管            56
                          进气开口      94
排气罐            58
排气通道          59      过滤器        96
C形管道           60
                          内置挡板      98
环形导流器        58
                          舱            100
                          排气口        102
                          毂            104
                          入口          106
                          内置开口      108
                          叶片根部      110

Claims (18)

1、一个风力发电机(10)包括：
一个舱(16)；
一个由所述舱转动地承载的并包括至少一对风力涡轮叶片(14)的转毂(12)；
一个产生电流的发电机，其包括由所述舱承载的一个定子(22，26)和一个转子(24，28)，所述转子与毂相连且可响应作用于所述叶片上的风力旋转，使得转子相对于定子转动从而产生电流；和
一个由舱(16)承载的冷却系统，其包括至少一个大气入口(46)，开通位于所述毂和叶片下游的所述舱表面，以及一个输送管(44)使空气从沿大致上游方向的所述入口流向毂并冷却定子。
2、如权利要求1所述的发电机，其中所述入口(46)通向歧管(50)用以在定子周围分布。
3、如权利要求1所述的发电机，其中所述舱(16)包括一个位于发电机定子前方的出口(55)。
4、如权利要求3所述的发电机，其中所述空气出口将从定子处接收来的受热空气分布到位于毂后方位置处的大气。
5、如权利要求1所述的发电机，其包括位于所述毂(12)后方和发电机定子前方的多个周向间隔的出口(55)，用来沿朝前上游的方向流动引导受热的冷却空气，和一个盖在出口上的一个环形室(60)，用来沿大致下游的方向使受热空气改流向，以绕所述舱流动。
6、如权利要求1所述的发电机，其中所述冷却系统包括多个入口(46)，其位于发电机定子和毂下游的舱表面附近，和一个或多个歧管和管道(50)，用于在入口与发电机定子之间的传送冷却空气。
7、如权利要求6所述的发电机，其中所述管道包括鼓风机(52)，用于促使空气流向所述发电机定子。
8、一种冷却风力涡轮发电机(10)定子的方法，该发电机具有一个承载定子(22，26)和一个转子(24，28)的舱(16)，转子与装有风力涡轮叶片(14)的毂(12)相连，该方法包括：
(a)通过沿着毂或舱的表面的朝前入口(46)吸入周围的冷却空气；
(b)使冷却空气流过发电机定子(22，26)以冷却所述定子；和
(c)在毂和叶片的下游位置排出来自定子的冷却空气。
9、如权利要求8所述的方法，其包括提供一个鼓风机(52)协助冷却空气沿大致上游的方向流动。
10、如权利要求8所述的方法，其中步骤(c)包括，使来自大致上游方向的冷却空气流逆向向大致下游的方向以排出冷却空气。
11、如权利要求8所述的方法，其中步骤(a)包括提供多个位于舱周围的入口，步骤(b)包括使来自入口的冷却空气通过多个管道流到进气歧管，并使来自歧管的冷却空气流过定子，以及步骤(c)包括使来自发电机部分的冷却空气流入一个用于沿大致下游方向流动的环面。
12、如权利要求8所述的方法，其中所述入口位于舱上处于毂和叶片下游的位置。
13、如权利要求8所述的方法，所述入口位于毂内。
14、如权利要求8所述的方法，其中步骤(b)中，冷却空气沿大致上游的方向流过发电机定子。
15、如权利要求8所述的方法，其中步骤(b)中，冷却空气沿大致下游的方向流过发电机定子。
16、如权利要求8所述的方法，其中步骤(c)中，冷却空气从定子和进气口的上游排出。
17、如权利要求8所述的方法，其中步骤(c)中，冷却空气从入口、毂、叶片和定子的下游排出。
18、一种风力发电机(10)包括：
一个舱(16)；
一个由所述舱转动地承载并包括至少一对风力涡轮叶片(14)的毂(12)；
一个产生电流的发电机包括由所述舱承载的一个定子(22，26)和一个转子(24，28)，所述转子与毂相连且可响应作用于所述叶片上的风力旋转以使转子相对于定子转动从而产生电流；和
一个冷却系统包括至少一个朝前的大气进气口(68)和一个管道(70)，管道用于使来自所述入口的冷却空气沿大致下游的方向流动离开所述毂并对所述定子进行冷却。
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