CN101749195B - 用于风力涡轮机构件的改进的冷却系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机构件的改进的冷却系统及方法。具体而言，提供了一种用于风力涡轮机的冷却系统及方法。该冷却系统用于冷却风力涡轮机中的至少一个构件(230)，并且包括具有至少一个初级过滤器(215)和至少一个次级过滤器(215)的过滤系统(210)。开关在初级过滤器与次级过滤器之间进行选择。冷却回路(240)包括至少一个导管和冷却介质。过滤系统可从初级过滤器切换至次级过滤器。

Description

用于风力涡轮机构件的改进的冷却系统及方法
技术领域
本发明主要涉及一种用于风力涡轮机的冷却系统及方法，并且更具体地涉及一种用于风力涡轮机构件的冷却系统及方法。
背景技术
风力涡轮机包括若干机械构件和电气构件，它们在工作期间产生热能损失。例如，这些构件或单元包括齿轮箱(如果提供的话)和发电机。两者通常均布置在由塔架可旋转地支承的机舱中。这些构件还包括功率转换器和变压器，该两者通常都定位在塔架内并且用来将通过发电机从转子的机械能转换而来的电能供送给电网。此外，这些构件包括用于控制风能涡轮机工作的控制器。该控制器通常布置在塔架内。由于现代的风能涡轮机的性能在不断提高，故对上述构件进行有效冷却的难度就日益加大。
通常，风能涡轮机的待冷却的单元和构件布置在由风扇所产生的冷却空气流内。然而，具体地对于待冷却的且布置在风能涡轮机塔架中的单元而言，很难供送足够的空气进入塔架来充分冷却这些构件。此外，冷却系统可能出现故障，且修理所需的时间会造成涡轮机的停机时间以及使涡轮机的所有者受到收入损失。
发明内容
在本发明的一方面，提供了一种用于风力涡轮机的冷却系统。该冷却系统用于冷却风力涡轮机中的至少一个构件，并且包括具有至少一个初级过滤器和至少一个次级过滤器的过滤系统。开关在初级过滤器与次级过滤器之间进行选择。冷却回路包括至少一个导管以及冷却介质。过滤系统可从初级过滤器切换至次级过滤器。
在本发明的另一个方面，提供了一种用于冷却风力涡轮机中的至少一个构件的方法。该方法包括提供具有至少一个初级过滤器和至少一个次级过滤器的过滤系统。该过滤系统包括用以在初级过滤器与次级过滤器之间进行选择的开关。该方法还包括提供具有至少一个导管以及冷却介质的冷却回路。该方法包括从初级过滤器切换至次级过滤器。
附图说明
图1为示出了闭合冷却回路的风能涡轮机的简图；以及
图2为根据本发明一个实施例的冷却回路的更为详细的视图。零件清单10风力涡轮机12塔架14机舱16转子18轮毂20叶片22变频器或功率转换器24变压器26控制器27发电机28冷却系统30泵32歧管34热交换器36管路38管路40管路42歧管44风扇200过滤系统210过滤器215过滤元件220泵230待冷却的构件240管道250压力传感器255控制器260关闭阀
具体实施方式
本发明涉及一种用于风力涡轮机的冷却系统，其构成为开放环路、部分闭合环路，或完全闭合环路。冷却介质(气体或液体)经由冷却系统，从待冷却的至少一个单元流至至少一个热交换器或用于使冷却介质冷却下来的冷却元件。根据本发明的一个实施例，至少一个热交换器可定位在风能涡轮机的外侧，并且具体是在风能涡轮机的塔架和/或机舱外侧，以便其可通过环境空气和风进行冷却。
在一个实施例中，冷却构件用于具有冷却介质的闭环冷却回路中，该冷却介质提供为冷却液，例如水。待冷却的单元或构件由冷却液冷却，该冷却液流过该单元或构件或其零件，并且经由定位在塔架和/或机舱外侧上的至少一个热交换器向单元或构件的下游流动。此后，冷却液流回待冷却的单元或构件。泵或类似元件也布置在冷却回路中。
在示例性实施例中，环境空气和风用于冷却该冷却液。将至少一个热交换器布置在塔架外侧显著地改善了在热交换器内的冷却过程的有效性。由于热交换器附接在塔架和/或机舱的外侧上且与其间隔开，故环境空气完整地围绕热交换器流动来有效地使其冷却。在备选实施例中，迫使由风扇所产生的空气流经过和/或沿着至少一个热交换器。在此实施例中，热交换器和风扇装置例如定位在通向塔架门的楼梯下方。此外，风扇布置在塔架或机舱的外侧，在该处通常定位有至少一个热交换器。通常，热交换器包括多个管路，这些管路布置成彼此平行，且以并联或串联方式相连。当串联连接时，所有管路的末端均连接到两个接收管路上，其中的一个提供成用于流入热交换器中的已加热的冷却液，而另一个则用于流出热交换器的经冷却的冷却液。
在备选实施例中，为了进一步改善对冷却介质的冷却效率，沿塔架外周和/或机舱外侧布置了多个热交换器。多个热交换器或串联或并联地相互连接。在这两种情况下，可能有利的是，例如在相互并联连接时通过关闭一个或多个热交换器来促使冷却介质流过选定的一个热交换器，出于此目的，在歧管等中提供了开/关阀。作为备选，在串联连接时，绕过了热交换器中的一者或多者。有选择地使用热交换器使得例如有可能停用经受环境热量的那些热交换器，该环境热量例如由太阳辐射造成。因此，根据太阳位置、太阳辐射强度、空气温度和/或风速，可将不同的热交换器切换成开启或关闭，以便使用位于太阳阴影或部分阴影处的那些热交换器。例如，如果环境空气温度较低和/或各热交换器经受由环境风所产生的空气流，则启用经受太阳辐射的热交换器仍然有必要。
图1示出了风力涡轮机10，其包括管状塔架12和在塔架12顶部可旋转地受到支承的机舱14。转子16由机舱14可旋转地支承，并且包括轮毂18和至少一个转子叶片20。在该实施例中，转子16包括三个转子叶片20。然而，转子叶片的数目以及风能涡轮机是具有垂直旋转的转子类型还是水平旋转的转子类型并不重要，并且本发明适用于这两者。
在塔架12内，可布置变频器或功率转换器22、变压器24以及控制器26，它们用于转换由机舱14的发电机27所产生的电能，以及用于将电能供送到电网中。变频器22、变压器24、控制器26、发电机27以及机舱14的齿轮箱(未示出)以发热的形式产生能量损失。因此，风能涡轮机10的这些构件必须得到冷却。为此目的，风能涡轮机10包括冷却系统，该冷却系统在附图中示为用于冷却定位在塔架12中的至少一个构件(变频器22、变压器24和控制器26)。
塔架12包括冷却系统28，该冷却系统28构造为完全闭合的冷却回路，其具有下文中所述的多种管道和元件。冷却回路闭合与否对于本发明而言并非为关键的。本发明还可包括开放的冷却回路。
冷却系统28包括泵30，用于经由如所述的管路和歧管系统来泵送冷却介质，例如水。冷却介质可包括但不限于水、防冻剂、水-防冻剂混合物，以及任何其它适合的冷却介质。泵30供送冷却介质，使其穿过待冷却的单元和构件(例如，变频器22、变压器24和/或控制器26，以及发电机27和/或齿轮箱)，用于直接或间接地通过例如内部热交换器来冷却这些单元或构件。在待冷却的单元和构件的下游，提供了歧管32到冷却系统28中，用于将由于冷却待冷却的单元和构件而受到加热的冷却介质分配给布置在塔架12外侧并附接到其外侧上以及沿塔架12的周边壁分布的多个热交换器34。在该实施例中，各热交换器34均包括连接上接收管路38和下接收管路40的多个管路36。这些接收管路中的一者与歧管32流体连通，而另一接收管路与另一歧管42流体连通，该歧管42又连接到泵30上，以便形成如图1和图2中所示的冷却系统28的闭合冷却回路。应当注意，图1和图2中所示的冷却系统的流体连接是示意性的。垂直定向的线路不必反映独立管道的定向。该管道还可包括冷却翼片(未示出)。
歧管32和42中的至少一者设有用于有选择地将相应歧管连接到热交换器34上的阀。这些阀使得对于冷却目的有选择地使用热交换器34中的特定热交换器成为可能。而这样的有利之处又在于，可从冷却回路上切断例如由于太阳辐射而得到加热的热交换器34，因为该热交换器不能足够有效地使冷却水冷却，或在更坏的情形中可造成对冷却水的进一步加热。
在该实施例中，本发明参照特定类型的热交换器34以及围绕塔架12大致处于一个共同水平上的热交换器34的特定布置进行了描述。应当注意，对于本发明而言，热交换器器的类型和热交换器是串联还是并联地相互连接的方面以及位于一个或多个不同高度水平上的热交换器的数量和布置并不重要。本发明利用用于冷却介质(液体或气体)的热交换器或冷却元件，其布置在风能涡轮机的外侧，例如在机舱14和/或塔架12的外侧。然而，一些或所有热交换器34可定位在塔架12和/或机舱14内。对于位于较冷的气候环境中的风力涡轮机而言，所期望的是将热交换器中的至少一些定位在塔架和/或机舱内。至少一个风扇44可与热交换器34中的至少一者相关联，用于将除了来自于风的空气流之外的空气主动地供送给热交换器34。
图2示出了用于风力涡轮机10中各种构件的改进的冷却系统200的简化示意图。过滤器210结合了多个过滤元件215用于改善工作和冗余性。
冷却系统200包括过滤器210、泵220、待冷却的至少一个构件230，以及管道或管路240。待冷却的构件可包括变频器、变压器、控制器、发电机、齿轮箱、或风力涡轮机10中可能需要冷却的任何其它构件。尽管出于清楚的目的而在图2中未示出，但一个或多个热交换器也可连接到冷却系统200上。
过滤器210包括两个或多个过滤元件215。在图2所示的实施例中，示出了两个过滤元件215，但应当理解，也可使用两个或多个过滤元件。过滤元件215过滤出流过冷却系统200的冷却介质中的各种污物。结果，过滤元件可变得堵塞而需要更换和/或清洁。在现有的公知冷却系统中，提供了单个过滤元件，并且当过滤元件变得堵塞时，则部分管道240受到高压。在一些情形中，由于该压力的增大，故管道240可能会破裂。因此，由于冷却系统200的故障，涡轮机10将需要停机来进行修理。
本发明提供了改进的过滤器210，其具有多个过滤元件215。第一过滤器215(例如，图2中左侧的过滤器)可指定为初级过滤器并可切换至冷却介质流中。第二过滤器215(图2中右侧的过滤器)可指定为次级过滤器或备用过滤器。在过滤器210的输入端与输出端之间的压差可由压力传感器250进行感测，并且可由控制器255进行估算。在本发明的一些实施例中，控制器255可为如图1中所示的控制器26。
如果压差超过预定阈值，则可检测到堵塞的过滤器。过滤器210可断开堵塞的过滤元件，并接入次级过滤器或备用过滤器。以此方式，冷却介质流就不会中断，并且冷却系统200可继续工作。控制器255可将信号发送给监测位置(其可远离涡轮机10)，以指示需要更换过滤器。维修人员可确定该次修理时间和更换或修理堵塞的过滤元件。重新更换的过滤元件可指定为次级过滤元件。
根据本发明的附加方面，可使用具有两个输入端的单个压差开关。第一输入端将连接到过滤器210的输入侧上，而第二输入端将连接到过滤器210的输出侧上。差压开关可具有通信能力，以与控制器255或其它本地或远程监测装置进行通信。
如果压差值接近预定阈值，则可将信号发送给本地或远程监测装置，以及过滤元件210。此外，信号还可由过滤器210使用，以自动地切换至次级过滤元件。
关闭阀260也可定位在过滤器210的输入侧和输出侧处。如果关闭阀260分别定位在压力传感器250的上游和下游，则整个过滤器组件210和传感器250就可容易地进行修理和更换。
已经描述了具有两个过滤元件的过滤器，但任何适合数量的过滤元件均可用于本发明的改进的冷却系统中。例如，可采用具有两个或多个初级过滤元件和两个或多个次级元件的过滤器。本发明还构思出具有多个次级过滤器的系统。例如，根据需要可使用和接入两个或多个次级过滤器。第一次级过滤器可首先使用，如果第一次级过滤器变得堵塞，则然后使用第二次级过滤器。此外，传感器250与控制器255之间的通信可为有线的或无线的。
因此，尽管本发明已参照其特定示范性实施例进行了描述和说明，但并非意图将本发明限于该示范性实施例。本领域的技术人员将认识到，可在不脱离附属权利要求所限定的本发明真实范围的情况下作出变型和修改。因此认为，落入所附权利要求及其等同方案范围内的所有这些变型和修改也包括在本发明内。

Claims (22)

1.一种用于风力涡轮机的冷却系统，所述冷却系统用于冷却所述风力涡轮机中的至少一个构件，所述冷却系统包括：
过滤系统，其包括至少一个初级过滤器和至少一个次级过滤器，所述过滤系统包括用以在所述至少一个初级过滤器与所述至少一个次级过滤器之间进行选择的开关；
冷却回路，其包括至少一个导管以及冷却介质；
压力传感系统，其用于感测在所述过滤系统的输入端与所述过滤系统的输出端之间的压差，其中，当所述压差超过预定阈值时，能够将信号发送给所述过滤系统，从而指示所述至少一个初级过滤器正经受减小的流动；以及
其中，所述过滤系统从所述至少一个初级过滤器切换至所述至少一个次级过滤器，所述开关具有引送所述冷却介质穿过所述初级过滤器而非所述次级过滤器的第一构造，以及所述开关具有引送所述过滤介质穿过所述次级过滤器而非所述初级过滤器的第二构造。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，至少两个压力传感器定位在所述冷却回路中。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括：
定位在所述过滤系统的所述输入端附近的第一压力传感器；以及
定位在所述过滤系统的所述输出端附近的第二压力传感器。
4.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述压力传感系统包括压差开关，所述压差开关包括：
连接在所述过滤系统的输入端附近的第一输入端；以及
连接在所述过滤系统的输出端附近的第二输入端。
5.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述信号直接从所述压力传感系统发送至所述过滤系统。
6.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述信号直接从所述压力传感系统发送至风力涡轮机的控制器。
7.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述至少一个构件选自由如下构件所组成的组：
功率转换器、变频器、变压器、控制器、发电机，以及齿轮箱。
8.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述至少一个构件包括转换器。
9.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括：
定位在所述冷却回路中且位于所述过滤系统的输入端附近的第一关闭阀；以及
定位在所述冷却回路中且位于所述过滤系统的输出端附近的第二关闭阀；
其中，所述第一关闭阀和所述第二关闭阀能够构造成用以使所述过滤系统与所述冷却回路隔离开。
10.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括：
定位在所述冷却回路中且位于第一压力传感器和所述过滤系统上游的第一关闭阀；以及
定位在所述冷却回路中且位于第二压力传感器和所述过滤系统下游的第二关闭阀；
其中，所述第一关闭阀和所述第二关闭阀能够构造成用以使所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述过滤系统与所述冷却回路隔离开。
11.一种用于冷却风力涡轮机中的至少一个构件的方法，所述方法包括：
提供过滤系统，所述过滤系统包括至少一个初级过滤器和至少一个次级过滤器，所述过滤系统包括用以在所述至少一个初级过滤器与所述至少一个次级过滤器之间进行选择的开关；
提供冷却回路，所述冷却回路包括至少一个导管以及冷却介质；
提供压力传感系统，所述压力传感系统用于感测在所述过滤系统的输入端与所述过滤系统的输出端之间的压差；
当所述压差超过预定阈值时传输信号至所述过滤系统，从而指示所述至少一个初级过滤器正经受减小的流动，以及
从所述至少一个初级过滤器切换至所述至少一个次级过滤器。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，至少两个压力传感器定位在所述冷却回路中。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将第一压力传感器定位在所述过滤系统的所述输入端附近，以及将第二压力传感器定位在所述过滤系统的所述输出端附近。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述压力传感系统包括压差开关，所述压差开关包括：
连接在所述过滤系统的输入端附近的第一输入端；以及
连接在所述过滤系统的输出端附近的第二输入端。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述信号直接从所述压力传感系统发送至所述过滤系统。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述信号直接从所述压力传感系统发送至风力涡轮机的控制器。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个构件选自由如下构件所组成的组：
功率转换器、变频器、变压器、控制器、发电机，以及齿轮箱。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个构件包括转换器。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
提供第一关闭阀，所述第一关闭阀定位在所述冷却回路中且位于所述过滤系统的输入端附近；以及
提供第二关闭阀，所述第二关闭阀定位在所述冷却回路中且位于所述过滤系统的输出端附近；
其中，所述第一关闭阀和所述第二关闭阀能够构造成用以使所述过滤系统与所述冷却回路隔离开。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
提供第一关闭阀，所述第一关闭阀定位在所述冷却回路中且位于第一压力传感器和所述过滤系统上游；以及
提供第二关闭阀，所述第二关闭阀定位在所述冷却回路中且位于第二压力传感器和所述过滤系统下游；
其中，所述第一关闭阀和所述第二关闭阀能够构造成用以使所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述过滤系统与所述冷却回路隔离开。
21.一种具有冷却系统的风力涡轮机，所述冷却系统用于冷却所述风力涡轮机中的至少一个构件，所述风力涡轮机包括：
塔架；
机舱；
待冷却的至少一个构件，其容纳在所述塔架和所述机舱中的至少一个内；
过滤系统，其包括初级过滤器和次级过滤器，所述过滤系统包括用以在所述初级过滤器与所述次级过滤器之间进行选择的开关；
冷却回路，其包括至少一个导管以及冷却介质；
其中，所述过滤系统从所述初级过滤器切换至所述次级过滤器，所述开关具有引送所述冷却介质穿过所述初级过滤器而非所述次级过滤器的第一构造，以及所述开关具有引送所述过滤介质穿过所述次级过滤器而非所述第一过滤器的第二构造。
22.根据权利要求21所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括：
压力传感系统，其用于感测在所述过滤系统的输入端与所述过滤系统的输出端之间的压差；
定位在所述过滤系统的所述输入端附近的第一压力传感器；
定位在所述过滤系统的所述输出端附近的第二压力传感器；以及
其中，当所述压差超过预定阈值时，能够将信号发送给所述过滤系统，从而指示所述初级过滤器正经受减小的流动。
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