CN102713273B - 具有冷却系统的直接驱动式风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种具有冷却系统（15）的直接驱动式风力涡轮机，其具有包括转子（12）和定子（13）的发电机（11），以及包括内圈（6）和外圈（7）的轴承（5），所述内圈和外圈分别可转动地连接所述转子（12）和所述定子（13）。所述冷却系统（15）包括与所述轴承（5）的内圈（6）热连通的至少一个热沉（16）和与所述热沉（16）热连通的热耗散器（21）。

Description

具有冷却系统的直接驱动式风力涡轮机

技术领域

本发明一般性地涉及风力涡轮机。具体地，本发明针对的是风力涡轮机轴承的冷却。

背景技术

风力涡轮机的轴承具有约-0.1至0.2mm的余隙。为了控制发电机的寿命和气隙，有利的是控制该余隙。问题在于轴承内圈升温并膨胀，导致轴承的寿命减少。升温的原因是，与外圈的质量/结构相比，轴承的内圈和轴结构具有小的质量/刚度。这意味着内圈的平均温度高于外圈和外圈周围结构的平均温度。

通常不对风力涡轮机的轴承进行冷却。然而，一般性地已知，可用整体式油润滑系统冷却轴承，在该整体式油润滑系统中，油被冷却并且在轴承组件中被泵送到各处。油的更换受到限制，并且不足以使直接驱动式风力涡轮机的巨大的主轴承冷却下来。此外，进行整体冷却的油润滑系统复杂，在风力涡轮机中总是存在应被避免的漏油风险。

对于脂润滑轴承而言，没有已知的冷却系统。

发明内容

因此，本发明的一个目的是要提供一种改进的对轴承的冷却。

此目的分别由权利要求1、10和14的特征解决。从属权利要求给出了本发明进一步的细节和优点。

本发明的一个方面针对一种具有冷却系统的直接驱动式风力涡轮机。该风力涡轮机具有包括转子和定子的发电机，包括内圈和外圈的轴承，内圈和外圈分别可转动地连接所述转子和所述定子。所述冷却系统包括与所述轴承的内圈热连通的至少一个热沉和与所述热沉热连通的热耗散器。冷却内圈使得在风力涡轮机操作期间可以控制并减小或消除轴承内圈和外圈之间的温度差异。因此避免了不受控制和不期望的内圈热膨胀。增加了轴承的可靠性和寿命。

为了控制和维持发电机的寿命和气隙，现在可以控制轴承余隙（-0.1至0.2mm）。

该冷却系统也可以用于脂和油润滑轴承。

直接驱动式风力涡轮机的热沉可包括用于冷却诸如水的冷却介质的冷却储器。这样，可以使用已经安装在机舱中的水冷却系统来提供对轴承的内圈的充分冷却。此方案可以容易地安装在不对轴承进行冷却的现有风力涡轮机中。

热沉可以布置在内圈的内周表面处。该内周表面由于良好的尺寸和表面特性而为热沉提供良好的接触区域。

热沉可以与内圈一体形成。至少部分热沉可以位于内圈内，这可以提高从内圈到热沉的热传递。热沉可包括一体形成的部分和布置在内圈表面的部分两者。

冷却系统可以是用于标准轴承的易安装附加件方案，或者可以是以下述方式形成的内圈或外圈的整体式部分，即使得，例如冷却通道或腔室一体形成在轴承的内圈和/或外圈中。

热沉可以经由导管与热耗散器连接。热沉，优选是冷却储器，可以与已经安置在机舱中用于冷却发电机等的风力涡轮机水冷却系统连接。水冷却系统的热耗散器也用于冷却轴承。导管可以配备有阀门，以控制流入和流出冷却储器的冷却介质的流量，从而控制轴承的冷却。

另一方面，例如，可使用热沉如冷却翅片或珀耳帖元件来局部冷却内圈。

也可以为外圈设置热沉。在外圈处具有热沉也提高了轴承的冷却能力。

可以在轴承和热沉之间布置热界面材料。为了提供低热阻，可以在内圈的表面和热沉的表面之间应用铝片、温度传导浆料或其它合适的热界面材料。

冷却系统可包括至少一个温度测量装置和用于控制轴承的温度的控制装置。温度测量装置可以安置在内圈处，均匀分布在多个测量点，以使得可以对内圈和轴承进行准确且可靠的测温。通过控制位于热沉和热耗散器之间导管中的阀门，控制装置可以用于控制内圈的冷却。

发电机可以是外转子/内定子发电机。轴承的内圈可以与风力涡轮机的静止部件连接，并且轴承的外圈可以与风力涡轮机的转子轭连接。

冷却系统可包括多个冷却储器，所述冷却储器具有与所述轴承内圈的内半径基本相同的外半径。冷却储器的长度可以仅覆盖部分周界，因此布置多个冷却储器来冷却内圈，这使得更容易在现有设备上安置冷却系统。

另一方面，本发明针对一种包括内圈和外圈的轴承组件，其中，在内圈和/或外圈处布置至少一个冷却储器，并且其中，所述冷却储器包括用于更换冷却介质的至少一个开口。在轴承处直接设置冷却储器使得可以进行快速且彻底的温度调整。由此提高轴承的可靠性和寿命。

可以沿内圈的内周均匀地分布多个冷却储器。此布置有助于安置到现有风力涡轮机中。此外，可以根据局部温度变化进行调整。

冷却储器可以沿内圈的内周表面延伸，并且可以平行地布置两个冷却储器。此布置使得可以进行更加精密的温度修正。例如可以消除热点。

为了测量圈或轴承的温度，可以在内圈和/或外圈布置至少一个温度测量装置。测量值可以提供给控制装置，从而使得可以进行良好的轴承温度调节。

另一方面，本发明针对一种控制轴承温度的方法。测量轴承的温度，然后控制流过附接到轴承内圈的至少一个冷却储器的诸如水的冷却介质的流量。利用此方法可以控制轴承的温度，由此提高轴承的可靠性和寿命。

至少一个冷却储器可以附接到轴承内圈，并且可以测量轴承内圈的至少一点处的温度。在许多设计中，内圈是轴承的最热部分并且优选直接测量和冷却此部分。

附图说明

包括了附图以提供对实施例的进一步理解。由于通过参照以下详细说明，其它实施例和许多预期的优点将变得更好理解，因此更容易领会这些其它实施例和许多企图的优点。附图中的元件不一定是互相成比例的。相同的附图标记标示相应的类似部件。

图1示出了根据本发明的包括有轴承和冷却系统的风力涡轮机的中心部分的示意图。

图2示出了根据本发明的轴承和冷却系统的前视图。

图3示出了根据本发明的轴承和冷却系统的透视图。

具体实施方式

下面将参照附图进行详细描述，附图形成了本文的一部分，其中出于例示的目的示出了实施本发明的具体实施例。在这点上，所用方向性术语诸如“顶”或“底”等是针对所描述的附图的方位而言的。由于实施例的部件可以放置在许多不同方位，因此方向性术语用于例示目的而决不是限制目的。应该理解，可以利用其它实施例，并且在不脱离本发明范围的情况下可以进行结构上或逻辑上的改变。因此，以下详细说明不应被理解为限制性的，本发明的范围由所附权利要求限定。

风力涡轮机1具有固定到地面并且承载风力涡轮机1的整个结构的塔2。塔连接器3附接在塔2的顶部处。塔连接器3承载风力涡轮机1的主轴4。通常被称作主轴承的轴承5被固定到与塔连接器3相对的主轴4的一端。轴承5具有固定到主轴4的内圈6和外圈7。外圈7与转子轭8连接。转子轭8与承载风力涡轮机1的叶片的叶片轮毂9连接。为了清楚起见未示出叶片。机舱10围绕主轴4并且附接在主轴4处。

风力涡轮机1是直接驱动式风力涡轮机，即，发电机11分别与主轴4和转子轭8直接耦连。不利用传动装置。发电机11包括附接到转子轭8的外转子12和经由承托结构14固定到主轴4的内转子13。

附接有外圈7的转子轭8接触环境空气。因此，通过环境空气实现外圈7的冷却。然而，内圈6位于风力涡轮机1的结构内部，从而环境空气不能实现冷却。这导致内圈6和外圈7各自之间的温度不同。

与外圈7和转子结构相比，轴承5的内圈6和主轴4具有较小的质量。因此，内圈6倾向于比外圈7升温快。

此外，为例防止从转子12到定子13组件的电气通路，内圈6通常与主轴4电绝缘，但是电绝缘降低了内圈6和主轴4之间的热导率，导致更进一步加热内圈6。

风力涡轮机1配备有从轴承5（尤其是从内圈6）带走热量的冷却系统15。冷却系统15具有附接到内圈6的内周表面的一个或多个热沉或冷却储器16。这里，多个冷却储器16附接到内圈6。将结合附图2和3讨论冷却储器16的布置的细节。

每个冷却储器16与导管17连接，以便使冷却介质像水那样循环通过冷却储器16。冷却介质将热量从内圈6输送走。示意性地示出导管17。导管17的实际路线可以与所示路线不同，例如为了避开障碍物或尖的弯曲。此外，优选可以是用于冷却介质的闭合回环。为了易于理解，图1示出每个冷却储器16一个导管17。

阀门18控制通过导管17的冷却介质的流量。阀门18可以位于交叉点19前方，从而使得单个阀门18控制通过所有导管17的冷却介质的流量。用语前方在上下文中指的是沿冷却介质流向冷却储器16的方向。或者，可以在每个导管中采用一个阀门来单独控制每个冷却储器16。此外，可以结合两者。于是，每个阀门可控制一组冷却储器16。

冷却系统15的中控装置20位于阀门18的更前面。中控装置20包括例如用于冷却介质的泵和控制单元。热耗散器或散热体21与中控装置20连接。热耗散器21布置在机舱10外，以使用环境空气使冷却介质冷却下来。热耗散器21可以布置在机舱10的顶上，以便优化热传递。阀门18经由导管17的另一部分与中控装置20连接。中控装置20经由导管17的又一部分与热耗散器21连接。

冷却介质从热耗散器21循环通过中控装置20，然后再通过控制冷却介质流量的阀门18。在交叉点19处，导管17分支并且冷却介质流到冷却储器16。冷却介质在流过冷却储器16时从内圈6吸收热量。冷却介质流回热耗散器21，在该处冷却下来。为清楚起见，未示出用于将冷却介质输送回热耗散器21的一个导管或多个导管。

部分冷却系统15，如中控装置20和热耗散器21，可以用于冷却其它装置，如发电机11。如果冷却系统15被改装到风力涡轮机中，则已存在的部件，如中控装置20和热耗散器21，也可以用于冷却轴承5。

为了控制轴承5的冷却，可以采用一个或多个温度测量装置或温度传感器。温度传感器可以布置在内圈6处，用于温度测量。测量结果被转发到中控装置20，该中控装置20基于温度测量控制阀门18。在较小的控制回环中，温度传感器直接控制阀门18。若干温度传感器的结合连同若干阀门18和冷却储器16使得可以进行更精密的温度控制。在此情形中，内圈6可以被划分为若干控制区。将一个或多个冷却储器16、导管或部分导管17以及阀门18分配给每个区。

此实施例采用利用诸如水的冷却介质的冷却储器16和导管17。还可以利用某种程度上局部的热沉和热耗散器。用语局部包含布置得靠近或直接布置在轴承5或内圈6处的热沉和热耗散器。此构思的实施例是例如具有散热翅片或珀耳帖元件的热沉。通过空气对流系统来支持热传递，其中所述空气对流系统使环境空气沿本地热沉和热耗散器流动。

图2示出了具有内圈6和外圈7的轴承5。每个圈6、7具有用于将轴承5分别安装在主轴4和转子轭8处的凸缘。

沿内圈6的内周表面6a布置三个冷却储器16。冷却储器16的弯曲形状适于装配在内周表面6a上。为了增加冷却储器16和内圈6之间的热接触，可以采用如铝片或导热浆料的热界面材料。冷却储器16可以沿圆周均匀地分布或者可以例如由于空间限制而如所示地不均匀地分隔开。还可以将一个或多个热沉或冷却储器附接在内圈6的正面。必须注意，热沉保持避开安装装置，例如将内圈6与主轴4连接的螺栓。

每个冷却储器16具有中空的内部空间。如水或气体的冷却介质可以通过该空间循环。为了冷却介质的进入和排出，冷却储器16配备有至少一个开口（未示出）。可以使用两个开口，其中所述开口可以布置在冷却储器16的两端，从而使得冷却介质流过整个冷却储器16。这确保从内圈6经由冷却储器16到冷却介质的良好热传递。

每个冷却储器16可以将它自己的导管与热耗散器21或交叉点连接。这是并联设置。或者，可以是串联设置，其中，一个冷却储器16的出口与下一个冷却储器16的入口连接。也可以采用覆盖整个内表面6a或其大部分的一个大冷却储器。

热沉或冷却储器16可以结合到内圈6的结构中。可以采用内部钻孔或通道来使冷却介质流过内圈6。然后将用于循环冷却介质的一个或多个开口直接布置在内圈6处。一体形成的热沉和外部热沉的结合也是可能的。例如，可以在内圈6的表面中一体形成凹槽，该表面与一个或多个外部热沉连通以形成冷却储器。

图3示出具有内圈6和外圈7的轴承5。热沉或冷却储器16布置内圈6的内周表面6a处。这里，六个冷却储器16附接到内圈6。沿内圈6的圆周布置三对两两平行的冷却储器16。此布置允许内圈6和冷却储器16中的冷却介质之间的良好热传递。图2的详细讨论也应用于图3所示的轴承4。

根据控制轴承5的温度的方法，测量轴承5处的温度。可以直接测量内圈6处的温度，因为大多数情形中此处将是轴承5的最热部分。可以采用通常已知的温度测量装置。

基于测量，可以控制流过一个或多个冷却储器16的冷却介质的流量。例如，如果测量温度达到上阈值，则可以增加冷却介质的流量或者减低冷却介质的温度。这导致较高的热量排出。例如，如果测量温度达到下阈值，则可以减少冷却介质的流量或者可以增加冷却介质的温度。这导致较低的热量排出。此方案使轴承5或内圈6的温度保持在限定的目标范围内。该目标范围可以被改造为适用于利用例如默认设置的风力涡轮机模型。还可以例如根据风速或环境温度实时改造该目标范围。可以使用一定温度的目标点来替换目标范围。

可通过一个或多个阀门18来控制冷却介质的流量，该阀门18位于触到冷却储器16的导管17中。可通过温度测量装置直接控制阀门18或通过冷却系统15的中控装置20控制阀门18。

Claims (14)

1.一种具有冷却系统（15）的直接驱动式风力涡轮机，该直接驱动式风力涡轮机具有包括转子（12）和定子（13）的发电机（11），具有包括内圈（6）和外圈（7）的轴承（5），所述内圈（6）和外圈（7）分别可转动地连接所述转子（12）和所述定子（13），

其特征在于，

所述冷却系统（15）包括：

至少一个热沉（16），其与所述轴承（5）的内圈（6）热连通；和

热耗散器（21），其与所述热沉（16）热连通，其中，所述热沉（16）包括用于冷却介质的冷却储器。

2.根据权利要求1所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述热沉（16）被布置在所述内圈（6）的内周表面（6a）处。

3.根据权利要求1至2之一所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述热沉（16）与所述内圈（6）一体形成。

4.根据权利要求1至2之一所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述热沉（16）经由导管（17）与所述热耗散器（21）连接。

5.根据权利要求1至2之一所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，为所述轴承（5）的所述外圈（7）设置热沉（16）。

6.根据权利要求1至2之一所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，在所述轴承（5）和所述热沉（16）之间布置热界面材料。

7.根据权利要求1至2之一所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述冷却系统（15）包括至少一个温度测量装置和用于控制所述轴承（5）的温度的控制装置。

8.根据权利要求1至2之一所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述转子（12）是外转子，所述定子（13）是内定子，且其中，所述轴承（5）的内圈（6）与所述风力涡轮机（1）的静止部件（4）连接，并且所述轴承（5）的外圈（7）与所述风力涡轮机（1）的转子轭（8）连接。

9.一种轴承组件，包括内圈（6）和外圈（7），其中，在所述内圈（6）和/或所述外圈（7）处布置有至少一个冷却储器 ，其中，所述冷却储器 包括用于交换冷却介质的至少一个开口，并且其中，所述至少一个冷却储器 与所述轴承组件的内圈（6）热连通。

10.根据权利要求9所述的轴承组件，其中，多个冷却储器 沿所述内圈（6）的内周均匀分布。

11.根据权利要求9或10所述的轴承组件，其中，所述冷却储器 沿所述内圈（6）的内周表面（6a）延伸，且其中，两个冷却储器 被平行地布置。

12.根据权利要求9或10所述的轴承组件，其中，至少一个温度测量装置被布置在所述内圈（6）和/或所述外圈（7）处。

13.一种控制权利要求1至12中任一项所述轴承（5）的温度的方法，包括步骤：

测量所述轴承（5）的温度；以及

控制流过至少一个冷却储器 的冷却介质的流量，所述至少一个冷却储器 附接到所述轴承（5）的一个圈（6、7）。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个冷却储器 附接到所述轴承（5）的内圈（6），且其中，在所述轴承（5）的内圈（6）的至少一点处测量温度。