CN102245897B - 包括冷却回路的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机包括塔(2)，该塔具有由塔壁(11)包围的内部(13)，该塔壁形成空气冷却回路中的换热表面，其中，塔内部(13)形成用于引导热空气沿流动路径流动的槽道，其中，一个或多个空气流动偏导器(26)布置在流动路径中，用于将流动导向塔壁(11)。流动偏导器(26)例如可以是有源流动偏导器，例如风扇或吹风机，或者是无源流动偏导器，例如一个或多个静态流动偏导器板或者叶片，从而形成静态混合物元件。

Description

包括冷却回路的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种包括冷却回路的风力涡轮机，该冷却回路特别是用于排出由风力涡轮机中的电气设备产生的热量。
背景技术
能量转换导致能量以热量的形式损失。在风力涡轮机的主驱动线路中(该主驱动线路通常安装在吊舱中)，损失在齿轮中、在轴承处和在发电机中或在其它控制单元处(例如在液压系统或类似的控制和调节俯仰和偏斜的单元中)产生。对于无齿轮直接驱动风力涡轮机，主要损失在吊舱中的发电机区域处产生。对于电力供给，损失在电力变压器处和在可能存在的其它电力电子装置例如整流器中产生。
在风力涡轮机中的发电机通常通过空气流来冷却，该空气流流过在发电机转子和定子之间的气隙和流过包含线圈(大部分热量在该线圈处产生)的部分。侵蚀敏感性要求在气隙附近的材料将只暴露在干燥和清洁的空气中。因此，通常使用封闭的空气冷却回路。封闭的冷却回路的优点是不需要外部空气进入发电机区域，这对于近海风力涡轮机特别有利，在近海风力涡轮机处，外部空气潮湿，并有很高的盐粒含量。辅助的空气至空气系统可以用于将热量传递给外部空气。也可选择，来自涡轮机内部的空气可以通过气隙来循环。对于包括钢塔的涡轮机，塔壁可以用于从空气循环系统消散热量。在封闭或局部封闭的冷却循环中，冷却空气在风力涡轮机内从它的吊舱循环至塔，或者循环至风力涡轮机的基部，且在冷却过程中由冷却剂(例如空气)储存的能量通过风力涡轮机的塔壁来消散。风力涡轮机的塔暴露于风中，从而提高风力涡轮机塔作为冷却元件或换热器的效果。为了有效使用整个塔长度，空气应当被强制具有竖直流动，从顶部向下或者从底部向上。
WO01/06121公开了一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有封闭冷却回路，且塔作为冷却元件集成在冷却回路中。槽道沿塔壁的内侧紧密地引导热空气。类似的，在DE10016913A中，使用螺旋槽道来沿风力涡轮机塔壁的内表面引导热空气。这样，可以获得封闭的冷却回路，从而使得循环的热空气由塔壁来冷却。
在WO01/06121和DE10016913A中使用的槽道使得风力涡轮机塔的结构复杂。而且，槽道的通道形成对于空气循环量的瓶颈，这不能高效地使得发电机区域有效冷却。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力涡轮机，其中，在冷却回路中的循环冷却介质能够通过风力涡轮机塔壁更有效地冷却。
本发明的目的通过一种风力涡轮机来实现，该风力涡轮机包括：塔壁，该塔壁形成空气冷却回路中的换热表面，其中，塔的内部形成用于引导热空气的槽道，其中该塔包括一个或多个空气流偏导器，用于引导流向塔壁。这样，塔的内部因此用作槽道，不需要专门的槽道来用于使得热空气与塔壁换热表面紧密接触。当热空气通过塔壁时，流动偏导器在空气流中引起湍流，从而使得所有空气都与塔壁紧密接触，这样，塔内的所有空气都均匀冷却。尽管主流动为竖直，但是流动偏导器使得流动方向增加了朝向塔壁的水平(例如径向)分量。这有效防止只有塔壁附近的空气冷却。在塔壁和相邻热空气之间的温度梯度增加，从而导致增加的热消散。在本文中，“塔内部”是由塔壁确定的、容纳塔中存在的设备的空间。
使用具有高热导率的材料例如钢将提高由塔壁进行的热消散。
风力涡轮机例如可以包括一个或多个返回槽道，用于引导热空气从发电机区域至在发电机区域下面的塔部分。在冷却后，空气再返回至发电机区域。
流动偏导器可以是有源的流动偏导器，例如风扇或吹风机，或者是无源的流动偏导器，例如一个或多个静态流动偏导器板或叶片，从而形成静态混合器元件。
在特定实施例中，一个或多个返回槽道终止于吹风机，该吹风机用于沿具有水平分量的方向(例如沿径向和/或切向方向)来吹动空气。
风力涡轮机的塔包括水平底板，其中在各底板和塔壁之间具有间隙。该间隙例如能够为1-5cm，例如大约3cm。这样，空气流能够通过该底板。底板有助于迫使空气沿塔壁流动。底板例如可以由多个支承件或托架来支承。
风力涡轮机的发电机大致位于吊舱内，吊舱能够通过偏转系统而旋转。因为引导热空气从吊舱通向塔的返回槽道需要与进行偏转的吊舱一起旋转，因此槽道可以用于从吊舱导向塔中的底板，在该底板处，槽道与过渡鼓筒的可旋转盖连接，该过渡鼓筒的直径对应于第一返回槽道部分的外部纤维至风力涡轮机塔的中心轴线的距离，其中，过渡鼓筒具有底部，该底部具有导向另一空气流动路径的开口。当吊舱偏转时，槽道可以与吊舱一起旋转，而并不中断空气流。
也可选择，第二槽道可以布置成与塔壁同轴，从塔的下部部分导向过渡鼓筒，并通过可旋转盖，该可旋转盖可环绕第二槽道旋转。这样的槽道可以用作引导冷却的空气从塔的下部部分沿路线向上返回发电机区域的返回槽道。
根据本发明的风力涡轮机可以是具有齿轮传动装置的风力涡轮机，或者它可以是无齿轮直接驱动风力涡轮机。本发明的风力涡轮机的冷却系统特别适用于近海风力涡轮机，因为封闭的冷却回路能够保护电气设备(例如发电机)防止海洋环境的含盐和潮湿空气的损害。也可选择，发电机区域可以被增压。
也可选择，热空气也可以流过叶片的内部，这可以有助于防止在叶片上结冰。
附图说明
下面将参考附图进一步解释本发明。附图中：
图1示出了根据本发明的风力涡轮机的剖视图。
具体实施方式
图1示出了近海风力涡轮机1，该风力涡轮机1包括：风力涡轮机塔2，该塔2具有在塔2顶部的吊舱3或吊篮；以及转子4，该转子4包括轮毂5和三个转子叶片6，在剖视图中只可见一个叶片6。吊舱3包括发电机区域7，该发电机区域7包围永磁体发电机8，该永磁体发电机8包括由定子10环绕的发电机转子9。发电机转子9与风力驱动转子4连接，而没有齿轮传动。产生的电力通过电缆线而排出至电网。为了使得转子4朝向风旋转，吊舱3可以通过偏转传动装置12而由偏转驱动器偏转至合适方向。为了保护吊舱3中的设备免受潮湿和盐的近海环境，吊舱3是空气密封的和增压的。
周围环境的风的动能通过转子4而由发电机8转换成电力。这样的能量转换产生热量。为了冷却发电机区域7，封闭的空气冷却回路提供于风力涡轮机1中。来自发电机区域的热空气通过外部管线14排出吊舱外。空气流由图中的箭头表示。管线14重新进入吊舱3，并横穿吊舱底板15，以便进入塔2的上部部分16。管线14与中心布置在塔的上部部分16的底板19上的鼓筒18的可旋转盖17连接。鼓筒18和它的旋转盖17的直径至少是当吊舱偏转时管线14的外部纤维进行的旋转的直径。鼓筒18的底部开口于在底板19下面的塔内部。这样，管线14在吊舱3的偏转过程中保持与底板19下面的塔部分20的内部13进行开口连接。塔内部13形成槽道，从而确定了用于热空气沿钢塔壁11从管线14向下到塔2的底部部分22的流动路径。第二管线21从塔2的底部部分22经过盖17而通向塔部分16。盖17可环绕管线21旋转。
塔部分20由多个底板23分开。底板23搁置在多个支承件24上。在塔2的壁和底板23之间保留有大约3cm的间隙25，这样，空气流能够通过底板23。在各底板23上，一个或多个吹风机26沿切向方向吹动热空气。这在空气流中产生湍流和旋涡。因此，更大部分的热空气将与塔2的壁接触，并因此有效冷却。净空气流是向下的。当空气到达塔2的底部部分22时，空气被冷却，并吸入第二管线21中。管线21将冷却的空气导向塔的上部部分16，在该上部部分中，空气通过吊舱底板15流入发电机区域7中，并冷却发电机8。风扇能够用于引导空气流向最热的部分，例如流向在发电机转子9和定子10之间的气隙。为了迫使热空气向下流动和迫使冷空气向上流动，可以在例如塔2的底部底板部分22处在管线21的进口处使用空气泵，例如一个或多个风扇和/或压缩机等。
在可选实施例中，来自管线14的热空气能够通过管线21而强制向下流动至底部部分22，空气能够在该底部部分22处经由塔壁而向上流动。在这种情况下，底板19和塔壁之间也应该留有间隙。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机，包括：吊舱(3)，其容纳有发电机；和塔(2)，该塔有由塔壁(11)包围的内部(13)，该塔壁(11)形成循环空气冷却回路中的换热表面，其中，塔内部(13)形成用于引导热空气从吊舱开始沿流动通路回到吊舱的槽道，其中，一个或多个空气流动偏转器(26)布置在流动通路中，以便在不需要使用专门槽道的情况下，当热空气通过塔壁时，空气流动偏转器在空气流中引起湍流，以用于将流动水平地导向塔壁(11)，从而使得空气流中的所有空气都与塔壁紧密接触，以使在塔壁和相邻的热空气之间的温度梯度增加。 
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中：风力涡轮机包括一个或多个返回槽道(14)，用于引导热空气从发电机区域(7)至在该发电机区域下面的塔部分(20)。 
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中：该一个或多个空气流动偏转器(26)中的至少一个包括吹风机，用于朝着塔壁(11)吹动空气。 
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中：该一个或多个吹风机(26)中的至少一个沿切向方向引导空气。 
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中：该一个或多个吹风机(26)中的至少一个沿径向方向引导空气。 
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中：该一个或多个偏转器中的至少一个是静态流动偏转器板。 
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中：该风力涡轮机的塔包括水平底板(23)，在各底板和塔壁(11)之间有间隙(25)。 
8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中：风力涡轮机的发电机(8)位于吊舱(3)中。 
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中：吊舱(3)能够通过偏转系统而旋转，槽道(14)从吊舱导向塔中的底板(19)，在该底板处，该槽道与过渡鼓筒(18)的可旋转盖(17)连接，该过渡鼓 筒的直径等于第一返回槽道(14)的外部纤维至风力涡轮机塔的中心轴线的距离，其中，过渡鼓筒(18)具有底部，该底部有导向另一空气流动通路(13)的开口。 
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中：第二槽道(21)从塔的底部部分导向过渡鼓筒，并通过可旋转盖(17)，该可旋转盖可环绕第二槽道(21)旋转。 
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