CN102301134B - 在顶部具有冷却器的风力涡轮机机舱 - Google Patents

在顶部具有冷却器的风力涡轮机机舱 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机机舱，所述风力涡轮机机舱具有第一面，所述第一面具有沿着风向的纵向延伸部。所述风力涡轮机机舱包括：具有冷却区域并且从所述机舱的所述第一面延伸的冷却装置；以及具有至少一个内面并且至少具有朝向所述风向的前缘的罩盖。所述冷却装置被所述机舱的所述第一面和所述罩盖的所述内面围绕，并且被布置在距离所述罩盖的所述前缘至少440mm的前方距离处。

Description

在顶部具有冷却器的风力涡轮机机舱
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机机舱，该风力涡轮机机舱具有第一面，该第一面具有沿着风向的纵向延伸部，该风力涡轮机机舱包括具有冷却区域并且从机舱的第一面延伸的冷却装置，以及具有至少一个内面和至少具有朝向风向的一个前缘的罩盖，冷却装置被机舱的第一面和罩盖的内面围绕。
本发明还涉及一种风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机通过利用设置在风力涡轮机的机舱内的设备中的发电机将风力转换为电能。当发电机转换能量时，在设备周围的壁和空气被加热并且设备本身因而也被加热。
当设备被加热时，进行转换的效率显著下降。为了冷却设备，在设备周围的壁和空气通过设置在机舱顶部的散热装置被冷却，如WO2008/131766A2所示。凉的外部空气通过散热装置并且冷却散热装置内的流体，流体随后用于冷却设备周围的壁或空气。
然而，这种冷却结构没有显示为是足够的有效，以便为风力涡轮机机舱的设备周围的壁和空气提供最佳冷却。
发明内容
本发明的目的是完全或部分地克服现有技术的上述缺点和不足。更具体地，目的是提供一种改进的风力涡轮机机舱，它能够比现有技术方案更加有效地冷却机舱内的发电机和其它设备。
通过以下描述将变得明显的上述目的以及多个其它目的、优点和特征通过根据本发明的方案实现，其中，冷却装置被布置在距离罩盖的前缘至少440mm的前方距离处。
以距离罩盖的前缘至少440mm的前方距离布置冷却装置能够进行更有效的冷却，冷却装置的功率因而可以更充分地被利用。此外，在罩盖内围住冷却装置并且在例如距离所述罩盖的前缘至少440mm处将冷却装置布置在罩盖内产生流向冷却装置的气流，冷却装置的冷却区域的功率因而也可以更充分地被利用。
此外，如果冷却装置靠近罩盖的前缘设置，空气在进入罩盖之前会遇到流动阻力。而且，气流被引导远离冷却装置。因此，靠近罩盖的前缘设置冷却装置会降低通过冷却装置的质量流量。
如果冷却装置靠近罩盖的后缘设置，也会降低通过冷却装置的质量流量。这是由于来自罩盖后面的后侧的气流反向负压力。
在罩盖内围住冷却装置的另一优点因而是，罩盖可以给风力涡轮机机舱提供可识别的设计，其可用于确定风力涡轮机的制造商。
在一个实施例中，所述前方距离可以是至少600mm，优选至少800mm，更优选至少1000mm。
实验已经表明：当所述前方距离是至少600mm时冷却更均匀和有效，当所述前方距离是至少800mm时冷却仍然更均匀和有效，以及当所述前方距离是至少1000mm时冷却仍然更均匀和有效。
而且，所述前方距离可以是在600mm与1400mm之间，优选在1000mm与1100mm之间。
实验已经表明：与冷却装置的高度/宽度比无关，当冷却装置被布置在距离前缘在600mm与1400mm之间时可以获得最均匀和有效冷却。实验也已经表明：在1000mm与1100mm之间的前方距离将是优选的，而与冷却装置的高度/宽度比无关。
在一个实施例中，罩盖的前缘可以向着或远离冷却装置倾斜。此外，到罩盖的倾斜前缘的前方距离可以是前缘与冷却装置之间的最短距离。
罩盖也可以具有后缘，后缘被布置在距离冷却装置预定的后方距离处。罩盖的后缘也可以向着或远离冷却装置倾斜。
在一个实施例中，所述罩盖可以具有两个侧向内面和顶部内面，所述冷却装置可以被所述机舱的所述第一面以及所述罩盖的所述两个侧向内面和所述顶部内面围绕。
当所述罩盖具有大体方形的横截面时，可以在仍然保持所述罩盖与冷却区域之间距离的同时使用标准冷却装置。
而且，所述冷却装置可以大体垂直于所述机舱的所述第一面延伸。
当所述冷却装置大体垂直于所述机舱的所述第一面延伸时，风与所述冷却区域的纵向延伸部成大约90°的角度流向冷却装置，这导致最佳冷却，从而导致冷却区域的最佳运用。
此外，所述罩盖的所述内面可以沿着所述机舱的所述纵向延伸部并且大体垂直于所述冷却装置延伸。
所述罩盖因此能够以稳态流引导风通过冷却装置，而不会不必要地改变风速轮廓线。
所述冷却装置可以是自由流通冷却装置。在本文中，术语“自由流通冷却装置”应理解为这样的装置，即，没有诸如风扇等的动力驱动设施被用于引导风流到冷却装置。而且，通过使用自由流通冷却装置，机舱的冷却系统变得更加可靠。而且，由于避免使用风扇等，实现更低的能量消耗。由于较少设备被布置在机舱上，机舱上的负载被最小化，并且由于不使用风扇等可以减小噪音。
在一个实施例中，所述冷却装置可以被布置在距离所述风力涡轮机机舱的后端的后方距离处，所述后方距离可以是所述风力涡轮机机舱的总长度的至少15％。
所述罩盖可以至少在其内侧具有从前缘向着冷却装置逐渐减小的前部部分，以引导空气通过冷却区域。
而且，冷却装置可以适合于冷却一个或多个风力涡轮机组件，诸如发电机、变压器、传动箱、频率转换器等。
在一个实施例中，冷却装置可以包括适合于与风进行热交换的冷却介质。冷却介质可以是水、油、空气或其它适合介质。
此外，所述机舱的所述第一面相对于所述冷却装置在上风位置的一部分可以大体上没有突出部，使得在冷却装置之前的气流不被干扰。
在另一个实施例中，所述罩盖的内面可以大体上没有突出部。
此外，第一面可以是机舱的顶面或机舱的侧面。在一个实施例中，机舱可以至少包括第一面、第二面和第三面，第一面是顶面，第二和第三面是侧面。
而且，机舱还可以包括相互以一定距离布置的多个冷却装置。
而且，两个冷却装置之间的距离可以是在20mm与200mm之间，优选在50mm与150mm之间，更优选在80mm与120mm之间。
在一个实施例中，一个冷却装置可以连接到一个冷却回路，另一冷却装置可以连接到另一冷却回路。
在另一个实施例中，铰链连接可以被布置在至少两个冷却装置之间。
此外，所述铰链连接可以包括至少两个波纹金属管，所述波纹金属管被连接到所述冷却装置上并且在所述冷却装置之间延伸，所述波纹金属管优选地由不锈钢制成。
此外，冷却回路可以布置成使得它们冷却机舱中的不同组件，例如传动系统内的组件，诸如齿轮箱。
在另一个实施例中，所述冷却装置可以通过至少两个连接点被连接到所述罩盖和所述机舱的所述第一面，第一连接点是刚性连接，第二连接点是柔性连接。这样，由于温度差，冷却装置可以膨胀或收缩，而不会损坏它自身、罩盖或机舱。
而且，所述至少两个连接点可以由导电材料制成。这样，冷却装置通过其连接点可被用作闪电等的接地。
最后，本发明也涉及一种风力涡轮机，包括如上所述的风力涡轮机机舱。
附图说明
以下将参照附图对本发明以及其多个优点进行详细描述，附图的目的是用于显示一些非限定性实施例，其中：
图1显示了根据本发明的风力涡轮机机舱的一部分的侧视图；
图2显示了根据本发明的风力涡轮机机舱的另一实施例的一部分的侧视图；
图3显示了具有冷却装置的图2所示的风力涡轮机机舱；
图4显示了具有罩盖的风力涡轮机机舱的示意侧视图；
图5显示了风力涡轮机机舱和罩盖的横截面视图的一部分；
图6a显示了冷却装置的一个实施例距离罩盖的前缘处于不同位置时质量流量的测试结果图表；以及
图6b显示了当冷却装置相对于图6a所示的优选位置移动时质量流量减小的测试结果图表。
所有附图是高度地示意的并且不必是按比例的，它们仅显示为了解释本发明所必要的那些部分，其它部分被省略或仅被提及。
具体实施方式
风力涡轮机机舱1位于塔架(未示出)上并具有朝向轮轴的前部，多个转子叶片(未示出)，通常是三个转子叶片被固定到轮轴上。风力涡轮机机舱1容纳着发电机以及用于驱动风能向电能转换过程的其它设备--也称做传动系统。当发电时，传动系统产生大量热，导致转换过程的效率较低。
为了冷却机舱的设备和其它部件，在机舱1外侧布置有冷却装置3。沿着机舱的纵向延伸部流动的风流过冷却装置3的至少一个冷却区域4、并且使冷却装置3内的流体冷却。被冷却的流体与机舱1的部件或将要被冷却的设备进行热交换。
以下将主要结合逆风风力涡轮机对本发明进行描述，逆风风力涡轮机即机舱相对于风力涡轮机叶片设置在下风位置的风力涡轮机。但是，本发明也可以有利地实施为顺风风力涡轮机，顺风风力涡轮机即机舱相对于风力涡轮机叶片设置在上风位置的风力涡轮机。
图1显示了具有第一面2的风力涡轮机机舱1的局部示意图，冷却装置3被布置在第一面上。冷却装置3被从机舱1的第一面2延伸的罩盖5环绕和围绕。如图所示，冷却装置3与机舱1的第一面2大体垂直地突出。但是，在其它实施例中，冷却装置3可以从机舱1的第一面2成不同于90°的角度延伸以提供更优的冷却。
如从图1所看到的，罩盖5具有前缘9。前缘9朝向如箭头W所示的风向，并且在该实施例中大体垂直于第一面2。罩盖5也具有后缘15。
罩盖5并且因而是罩盖的内表面6沿着机舱1的纵向延伸部并且与冷却装置3大体垂直地延伸。但是，罩盖壁可以逐渐减小以引导风进入冷却装置3，或者可以从罩盖的后缘15向着前缘9逐渐减小。
根据该创新思想，冷却装置3被布置在距离罩盖5的前缘9至少440mm的前方距离df处。前方距离df从罩盖5的前缘9到冷却装置3的中间部分被测量，这将在以下结合图3进一步被描述。但是，尽管在图1中距离df被显示为从罩盖的前缘9到冷却装置3的中间部分，但是该距离也可以是从罩盖的前缘9到冷却装置3的前缘的距离df。
冷却装置被罩盖和机舱的顶面环绕。但是，罩盖在相对于风向的冷却装置的前方是敞开的。这样，沿着机舱的顶面自由流动的风也能够在罩盖5下方自由流动。而且，罩盖在冷却装置的后方是敞开的使得风可以流过冷却装置并且通过罩盖的后方开口流出。因此，在冷却装置的前方和后方没有阻碍风自由流动的罩盖。罩盖仅在冷却装置的顶部和侧面覆盖冷却装置。
图2也显示了具有第一面2的风力涡轮机机舱1的局部示意图，冷却装置3被布置在第一面上。罩前缘9朝向如箭头W所示的风向，但是在该实施例中它与第一面2不垂直，而是相对于第一面稍微倾斜。前缘9和后缘15以这种方式倾斜。应注意的是，罩盖5的前缘9向着冷却装置3倾斜。在另外的未示出实施例中，前缘9可以远离冷却装置3倾斜。
在该实施例中，距离罩盖5的倾斜前缘9的前方距离df是前缘9与冷却装置3之间的最短距离。
而且，在该实施例中，罩盖5从机舱1的侧面20向上延伸、在机舱1的第一面2上方横过并且以类似方式被固定到机舱1的另一侧面上。因此，罩盖5具有与机舱1的第一面2的纵向延伸部大体平行延伸的顶部部分。在另一未示出的实施例中，罩盖5的顶部部分可以是倾斜的，使得它从罩盖5的后缘15罩盖5的前缘9逐渐减小。
图3显示了具有冷却装置的图2所示的机舱1。在该图中，罩盖5由虚线表示。冷却装置3具有沿着机舱1的纵向延伸部的中间部分(由虚线21所示)。在该实施例中，前方距离df是从该中间部分测量的。
图4示意性地显示了整个风力涡轮机机舱1。风力涡轮机机舱1具有总长度lt，冷却装置3布置在距离机舱1的后端的后方距离dr处。距离dr是风力涡轮机机舱1的总长度lt的至少15％，优选至少30％，该距离是在没有轮轴的情况下测量的。
在其它未示出实施例中，冷却装置3和罩盖5被布置在机舱1的端部部分的正上方，使得罩盖5的后缘15延伸超过机舱的端部的最外部分。
图1-4的罩盖5被固定到风力涡轮机机舱1的侧面、并且在向上且平行于风力涡轮机机舱的侧面延伸之前垂直于风力涡轮机机舱的侧面延伸，导致在机舱的侧面与罩盖的内表面6之间形成空间(未示出)。
通过将罩盖5固定到风力涡轮机机舱的侧面上，沿着机舱的第一面2流动的风的风速轮廓线不改变。而且，罩盖5能够盖住没有适当美学外观的任何元件。
在一个实施例中，罩盖5可以设计成使得罩盖5的内表面6并且因而是前部部分(未示出)向着冷却装置逐渐减小。在该实施例中，罩盖5的外壁保持平直，意味着外壁的形状保持不变，风力涡轮机机舱1的罩盖5因而还是显示为光滑的、完整的表面。这样，风在罩盖内被引导流过冷却区域。
在另一个实施例中，罩盖5的前部部分(未示出)也向着冷却装置3逐渐减小。但是，在该实施例中，罩盖5的前部部分的壁向着冷却装置3逐渐减小，因此，罩盖5因此能够在罩盖内引导风流过冷却区域4。
由于罩盖5以及风力涡轮机机舱1的顶面2围绕冷却装置3，风在罩盖5内被引导。
在如上所述实施例中，罩盖5被固定到风力涡轮机机舱1的顶部部分上。但是，在另外实施例中，罩盖5可以被固定到风力涡轮机机舱1的侧面更下方的位置。它甚至可以靠近机舱1的底部固定，并且可以至少部分地围绕风力涡轮机机舱的底部。
风力涡轮机机舱1的后部部分15可以具有任何种类的形状。因而，它可以是圆的、向上或向下倾斜的、或是竖直的平直表面，使得该端面与风力涡轮机机舱1的纵向延伸部垂直。
为了示意的目的，机舱1的形状仅被勾画出来。实际上，机舱常常在形状方面是高度流线型的并且可以具有圆角而不是显现为方形盒状。而且，机舱的侧面可以是凹形的或凸形的。
此外，风力涡轮机机舱1的第一面2和底面可以向着轮轴或向着机舱的后部部分逐渐减小。
图5显示了风力涡轮机机舱1的罩盖5和顶部部分的部分横截面示图。冷却装置3被布置在风力涡轮机机舱1的顶部上，用于冷却风力涡轮机机舱的部件或其中的设备的流体在冷却区域4中的管道内流动。冷却装置3通过两个管连接11与机舱1连接，管道在其中延伸。
上述的冷却装置3可以是任何类型的冷却器、散热装置或热交换器，其中，诸如风的第一流体冷却诸如冷却剂、致冷剂或类似流体的第二流体。在优选实施例中，冷却装置3是自由流通冷却器，即，冷却区域4周围的风由其自由地通过并且以该种方式冷却在冷却装置的管道内流动的流体的散热装置。
机舱也可以包括并排布置以形成一个冷却表面的多个冷却装置。多个冷却装置可以作为串联或并联回路连接到冷却系统。一个冷却装置可以连接到冷却传动系统中一些元件的一个冷却回路，另一冷却装置可以连接到冷却传动系统中元件的其它部分的另一冷却回路。多个冷却装置可以通过阀连接，阀可以流体地断开两个冷却装置，使得它们形成两个单独冷却回路的一部分，因而它们可以冷却机舱中的不同元件或区段。
多个冷却装置也可以布置成具有形成它们之间空间的相互距离，使得风可以在该空间中在两个冷却装置之间流动。两个冷却装置之间的距离可以在20与200mm之间，优选地在50与150mm之间，并且更优选地在80与120mm之间。
此外，冷却装置可以通过至少两个连接点连接到罩盖和机舱的第一面，第一连接点是刚性连接，第二连接点是柔性连接。刚性连接可以是某些类型的金属支架，该金属支架被固定到罩盖上并且向着冷却装置向下延伸。冷却装置随后可以例如通过螺栓连接被安装在金属支架上。柔性连接可以是例如某些类型的波纹状金属片或片，其在一端连接到机舱上并且在另一端连接到冷却装置上，例如通过螺栓连接。波纹状金属片随后能够缓冲冷却装置的任何膨胀和收缩，使得冷却装置、罩盖或机舱不会被损坏。
有利地，连接点由诸如金属的导电材料制成，意味着它们也可以用于将高电流从闪电导向地面，从而是风力涡轮机闪电防护系统的一部分。
而且，罩盖5可以具有任何类型的形状。尽管罩盖5主要被显示为具有带圆角的部分方形横截面，罩盖可以具有多于三个的侧面，例如七个侧面。
实验已经表明：当所述前方距离df是至少600mm时冷却更均匀和有效，当所述前方距离df是至少800mm时冷却仍然更均匀和有效，以及当所述前方距离df是至少1000mm时冷却仍然更均匀和有效。
而且，实验已经表明：与冷却装置3的高度/宽度比无关，当冷却装置被布置在距离前缘在600mm与1400mm之间时可以获得最均匀和有效冷却。实验也已经表明：在1000mm与1100mm之间的前方距离将是优选的，而与冷却装置3的高度/宽度比无关。
考虑到通过冷却装置的质量流量，通过将冷却装置3设置在罩盖5中并且使用风洞类方法识别冷却装置在罩盖内的最优位置来进行实验。以14m/s的进入风速进行实验，并且在不同前方距离处测量质量流量。
图6a显示了冷却装置3距离罩盖5的前缘处于不同位置时质量流量的测试结果图表。在该测试中，冷却装置具有2400mm的高度和2237mm的宽度。从图6a可以推出，冷却装置3距离罩盖5的前缘的最佳位置在大约1050mm处。
图6b显示了当冷却装置3相对于图6a所示的优选位置移动时质量流量减小的测试结果图表。可以推出，如果冷却装置3设置在距离罩盖5的前缘在440mm与1600mm之间时，可以观察到不超过大约2％的质量流量减小。
采用具有分别为1400mmm、1600mm、和1800mm的高度以及分别为2237mm和2437mm的宽度的冷却装置3进行了几次另外的测试。所有测试表明，冷却装置3的最佳位置在距离罩盖5的前缘大约1050mm处，并且对于在440mm与1600mm之间的冷却装置位置大体没有质量流量减小被观察到。因此，实验已经表明：当冷却装置位于在距离罩盖5的前缘在1000mm与1100mm之间时可以获得最均匀和有效冷却。
风力涡轮机意味着能够将风力转换为电能的任何类似的设备，诸如风力发电机、风力单元(WPU)、或风能转换器(WEC)。
结果已经结合本发明优选实施例对本发明进行了描述，对本领域技术人员明显的是，在不脱离权利要求限定的本发明范围的情况下可以设想几种修改。

Claims (21)

1.一种风力涡轮机机舱，所述风力涡轮机机舱具有第一面，所述第一面具有沿着风向的纵向延伸部，所述风力涡轮机机舱包括：
具有冷却区域并且从所述机舱的所述第一面大体垂直延伸的冷却装置；以及
具有呈两个侧向内面和顶部内面形式的至少一个内面并且至少具有朝向所述风向的前缘的罩盖；
所述冷却装置被所述机舱的所述第一面以及所述罩盖的所述两个侧向内面和所述顶部内面围绕，所述罩盖的所述内面沿着所述机舱的所述纵向延伸部并且大体垂直于所述冷却装置延伸；
其中，所述冷却装置被布置在距离所述罩盖的所述前缘至少440mm的前方距离处；以及
所述冷却装置包括位于其中的流体，所述流体能够被冷却，被冷却的流体与所述机舱的部件或位于所述机舱内的将要被冷却的设备进行热交换。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述前方距离是至少600mm。
3.如权利要求1或2所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述前方距离是在600mm与1400mm之间。
4.如权利要求1或2所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述罩盖从所述机舱的侧面向上延伸、在所述机舱的所述第一面上方横过并且以类似方式被固定到所述机舱的另一侧面上。
5.如权利要求1或2所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述罩盖具有与所述机舱的所述第一面的纵向延伸部大体平行延伸的顶部部分。
6.如权利要求1或2所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述罩盖被固定到所述机舱上使得所述罩盖垂直于所述机舱的纵向延伸部延伸并且部分地沿着所述机舱在所述机舱与所述罩盖之间形成空间。
7.如权利要求1或2所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述冷却装置是自由流通冷却装置。
8.如权利要求1或2所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述冷却装置被布置在距离所述风力涡轮机机舱的后端的后方距离处，所述后方距离是所述风力涡轮机机舱的总长度的至少15%。
9.如权利要求1或2所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述罩盖具有从所述内面成角度地突出的凸缘，减小由所述第一面和所述内面限定的开口。
10.如权利要求1或2所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，还包括相互以一定距离布置的多个冷却装置，两个冷却装置之间的距离是在20mm与200mm之间。
11.如权利要求10所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，铰链连接被布置在至少两个冷却装置之间。
12.如权利要求11所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述铰链连接包括至少两个波纹金属管，所述波纹金属管被连接到所述冷却装置上并且在所述冷却装置之间延伸。
13.如权利要求1或2所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述冷却装置通过至少两个连接点被连接到所述罩盖和所述机舱的所述第一面，第一连接点是刚性连接，第二连接点是柔性连接。
14.如权利要求13所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述至少两个连接点由导电材料制成。
15.如权利要求1所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述前方距离是至少800mm。
16.如权利要求1所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述前方距离是至少1000mm。
17.如权利要求1或2所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述前方距离是在1000mm与1100mm之间。
18.如权利要求10所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，两个冷却装置之间的距离是在50mm与150mm之间。
19.如权利要求10所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，两个冷却装置之间的距离是在80mm与120mm之间。
20.如权利要求12所述的风力涡轮机机舱，其特征在于，所述波纹金属管由不锈钢制成。
21.一种风力涡轮机，包括如上述权利要求任一所述的风力涡轮机机舱。
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