CN102767479B - 具有热控制系统的直接驱动型风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种具有热控制系统（15）的直接驱动型风力涡轮机，其具有：发电机（11），所述发电机具有转子（12）和定子（13）；以及轴承（5），所述轴承具有可旋转地连接所述转子（12）和所述定子（13）的内圈（6）和外圈（7）。所述热控制系统（15）包括冷却系统（16）和加热系统（17）。所述冷却系统（16）包括与所述轴承（5）的内圈（6）热连通的至少一个散热片（18）；和与所述散热片（18）热连通的热耗散器（24）。所述加热系统（17）包括与所述轴承（5）的外圈（7）热连通的至少一个加热元件（25）。

Description

具有热控制系统的直接驱动型风力涡轮机

技术领域

本发明涉及风力涡轮机轴承的热控制。具体地，本发明涉及具有热控制系统的直接驱动型风力涡轮机、轴承组件以及用于控制轴承温度的方法。

背景技术

风力涡轮机的轴承有大约-0.1至0.2毫米的间隙。为了控制发电机的寿命和气隙，有利的是要控制该间隙。问题在于，轴承的内圈受热膨胀，导致轴承的寿命降低。受热的原因是与外圈的质量/结构相比，与轴结构在一起的轴承内圈有小的质量/刚度。

对于外转子/内定子的发电机，由于叶片轮毂和连接到外圈的转子轭的质量大，因而热度差甚至会更高。此外，轮毂和轭结构是由环境空气冷却的。

这意味着内圈的平均温度比外圈和外圈周围结构的平均温度高。

风力涡轮机的轴承通常是不被冷却的。然而，一般认为冷却轴承是要通过集成的油润滑系统进行，在油润滑系统中，油被冷却并泵送到轴承组件周围。为了冷却直接驱动型风力涡轮机的大的主轴承，油的交换是有限的，不充分的。而且，用于集成冷却的油润滑系统是复杂的，总是存在风力涡轮机中油泄漏的风险，应该被避免。

对于油脂润滑的轴承，还没有任何冷却系统是已知的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是要提供改进的轴承冷却。

此目的分别是通过下述技术方案来实现。一种具有热控制系统的直接驱动型风力涡轮机，其具有：发电机，所述发电机具有转子和定子；以及轴承，所述轴承具有连接所述转子的外圈和连接所述定子的内圈，其中：所述热控制系统包括冷却系统和加热系统，其中所述冷却系统包括与所述轴承的内圈热连通的至少一个散热片；和与所述散热片热连通的热耗散器，并且其中所述加热系统包括与所述轴承的外圈热连通的至少一个加热元件；其中所述加热元件被设置在所述外圈、转子轭和/或叶片轮毂。一种轴承组件，包括内圈和外圈，其中至少一个冷却储器被设置在所述内圈和/或所述外圈，其中所述冷却储器包括至少一个用于交换冷却介质的端口，并且其中至少一个加热元件被设置在所述外圈和/或所述内圈。一种用于控制上述轴承组件的温度的方法，包括步骤：测量所述轴承组件的温度，控制冷却介质通过附连到所述轴承组件的内圈和/或外圈的至少一个冷却储器的流动，和控制加热元件与所述轴承组件的内圈和/或外圈的热连通。本发明的一些更加具体的实施方式则提供了本发明进一步的细节和优点。

一方面，本发明涉及一种具有热控制系统的直接驱动型风力涡轮机。所述风力涡轮机具有：发电机，其具有转子和定子；以及轴承，其具有可旋转地连接所述转子和所述定子的内圈和外圈。所述热控制系统包括冷却系统和加热系统。所述冷却系统包括与所述轴承的内圈热连通的至少一个散热片；和与所述散热片热连通的热耗散器。所述加热系统包括与所述轴承的外圈热连通的至少一个加热元件。

也可以向外圈提供冷却系统和/或向内圈提供加热系统。这扩大了控制轴承温度的可能性。

冷却内圈、加热外圈允许在风力涡轮机的操作中控制、降低或消除轴承的内圈和外圈之间的温差。因此避免了内圈的不受控制和不必要的热膨胀，以及避免了外圈的不受控制和不必要的热压缩。提高了轴承的可靠性和寿命。

进一步地，现在可以控制轴承间隙（-0.1至0.2毫米），以便控制并保持发电机的寿命和气隙。

该冷却系统可同样好地用于油脂和油润滑轴承。

直接驱动型风力涡轮机的散热片可包括用于冷却介质（如水）的冷却储器。这样，已经安装在机舱中的水冷却系统可用来提供轴承内圈的充分冷却。此方案可被容易地安装在现有的不包含轴承冷却的风力涡轮机中。

散热片可设置在内圈的内圆周表面。因为良好的尺寸和表面特征，所以内圆周表面提供散热片的良好接触区域。

散热片可与内圈整体地制成。散热片的至少一部分可位于内圈内部，这可提高从内圈到散热片的热传递。散热片可包括整体地制成的部件和设置在内圈表面的部件。

冷却系统可容易安装，另外加入标准轴承方案，或者可以是内圈或外圈的集成部件，以此方式，例如冷却通道或腔室集成在轴承的内圈和/或外圈中。

散热片可通过管道与热耗散器连接在一起。散热片优选是冷却储器，可连接到风力涡轮机的水冷却系统，水冷却系统已经安装在机舱中以冷却发电机等。水冷却系统的热耗散器同样可用于冷却轴承。管道可配备阀门以控制冷却介质流动到冷却储器和从冷却储器流出，以控制轴承的冷却。

另一方面，可使用局部冷却内圈的散热片，例如像冷却肋片或珀耳帖元件。

加热元件可包括电加热装置和/或热流体加热装置。可以使用一个或多个加热装置，像例如电导线加热元件或例如源于液压流体系统，像液压浆距系统的管子、软管和/或通道中的热流体。也可以使用具有水加热器的水加热系统，像带有可控入口/出口阀门的电锅炉。

加热元件可被设置在外圈、转子轭和/或叶片轮毂。加热元件需要与外圈热连通。相应地，它可附连到与外圈热连通的部件，像转子轭或叶片轮毂。加热元件可被设置在所提到的结构之一处的单一位置，或者在一个或多个结构件的多种不同位置。

加热元件还可与外圈整体地制成。

热界面材料可设置在轴承和散热片和/或加热元件之间。为了提供低热阻，铝片、导热膏或其它适合的热界面材料可施加到圈的表面和散热片或加热元件的表面之间。

热控制系统可包括与冷却系统和/或加热系统通信的控制装置，以控制轴承的温度。控制装置可用来通过例如控制位于散热片和热耗散器之间的管道中的阀门来控制内圈的冷却和/或控制外圈的加热。

热控制系统可包括至少一个温度测量装置。温度测量装置可被安装在内圈和/或外圈，甚至在多个测量点以允许准确、可靠观察内圈和轴承的温度。

发电机可以是外转子/内定子发电机。轴承的内圈可连接到风力涡轮机的静止部件，轴承的外圈可连接到风力涡轮机的转子轭。

冷却系统可包括外径基本与转承内圈的内径相同的多个冷却储器。这些储器的长度可只覆盖一部分周长，使超过一个储器被设置以冷却内圈，这使得冷却系统安装在现有的安装中更加容易。

另一方面，本发明涉及一种轴承组件，包括内圈和外圈，其中至少一个冷却储器被设置在所述内圈和/或所述外圈，其中所述冷却储器包括至少一个用于交换冷却介质的端口。至少一个加热元件被设置在所述外圈和/或所述内圈。直接在轴承上提供冷却储器和加热元件允许快速彻底的温度调节。因此提高轴承的可靠性和寿命。

多个冷却储器可沿内圈的内圆周均匀分布。这种布置便于安装到现有的风力涡轮机中。而且，它可调节局部温度变化。

冷却储器可沿内圈的内圆周表面延伸，两个冷却储器可并行设置。此布置使更加精细的温度校正成为可能。可消除例如热点。

至少一个温度测量装置可设置在内圈和/或外圈，以便测量圈或轴承的温度。测量值可提供给控制装置，以允许对轴承进行更好的温度调节。

又一方面，本发明涉及一种用于控制轴承温度的方法。测量所述轴承的温度，控制像水的冷却介质通过附连到所述轴承的圈的至少一个冷却储器的流动。还控制加热元件与所述轴承的圈的热连通。使用此方法允许控制轴承的温度，因此提高轴承的可靠性和寿命。

至少一个冷却储器可附连到轴承内圈，可在轴承内圈的至少一个点测量温度。在各种设计中，内圈是轴承的最热部件，有利的是测量并直接冷却该部件。

轴承内圈和外圈之间的间隙可被控制在例如-0.1至0.2毫米的范围内，以便控制并维持发电机的寿命和气隙。

轴承的内圈和外圈之间的间隙可设置成小于或等于0。例如，在轴承或带轴承布置结构的风力涡轮机的运输中，轴承的外圈和/或内圈的温度可以外圈和内圈之间的间隙是0.0毫米或甚至小于0.0毫米，具体是-0.1毫米或更小，优选在-0.15和-0.6毫米之间的方式被控制。以此方式，轴承在运输中被锁定，防止可能损坏轴承的振动。

附图说明

包括附图是为了提供对实施例的进一步理解。通过参照下文的详细描述，由于可更好地理解其它实施例和潜在优点中的许多，因而它们可被容易地认识到。附图的元件不一定是彼此成比例的。相同的附图标记指示对应的相似部件。

图1示出了根据本发明的、包括轴承和热控制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、具有冷却系统的轴承的前视图。

图3示出了根据本发明的、具有冷却系统的轴承的透视图。

图4示出了根据本发明的、包括加热系统的风力涡轮机的中心部分的示意图。

具体实施方式

在下文的详细描述中，将参照形成其一部分的附图进行介绍，附图中出于图解说明的目的示出了可实践本发明的具体实施例。在这方面，方向性术语，例如“顶部”或“底部”等参照被描述的（一幅或几幅）附图的方向使用。因为实施例的组件可被定位在多个不同方向，所以方向性术语是用于图示的目的，决不是限制性的。应理解，可使用其它实施例，在不偏离本发明的范围下可进行结构或逻辑变化。因此，下文的详细描述不是在限制意义上进行的，本发明的范围由所附权利要求来限定。

风力涡轮机1具有塔架2，塔架2固定到地面，且承载着风力涡轮机1的全部结构。塔架连接器3附连在塔架2的顶部。塔架连接器3承载风力涡轮机1的主轴4。通常称作主轴承的轴承5固定到与塔架连接器3相对的主轴4的一端。轴承5具有内圈6和外圈7，内圈6固定到主轴4。外圈7连接到转子轭8。转子轭8与叶片轮毂9连接在一起，叶片轮毂9承载风力涡轮机1的叶片。为清楚起见，没有示出叶片。机舱10包围主轴4，并被附连于主轴4。

风力涡轮机1是直接驱动型风力涡轮机，即发电机11被分别地直接耦连到主轴4和转子轭8。不使用变速器。发电机11包括附连到转子轭8的外转子12和通过保持结构14固定到主轴4的内定子13。

外圈7附连到转子轭8，转子轭8与环境空气接触。因此，外圈7的冷却通过环境空气进行。不过，内圈6位于风力涡轮机1的结构内部，使得不通过环境空气达到冷却。这导致相应在内圈6和外圈7之间有温差。

与外圈7、转子轭8和叶片轮毂9相比，轴承5的内圈6与主轴4一起具有较小质量。因此，内圈6比外圈7更快变热。

而且，内圈6通常与主轴4电绝缘，以便防止从转子12到定子组件13的电路径，但电绝缘降低了内圈6和主轴4之间的热传导性，引起内圈6的更进一步的加热。

风力涡轮机1配备带冷却系统16和加热系统17的热控制系统15。

冷却系统16将热从轴承5带出，具体是从内圈6带出。冷却系统16具有一个或多个散热片或冷却储器18，它们附连到内圈6的内圆周表面。因此，多个冷却储器18附连到内圈6。将结合图2和图3讨论冷却储器18的布置细节。

每个冷却储器18与管道19连接，以便使像水的冷却介质循环通过冷却储器18。冷却介质传送来自内圈6的热。管道19是示意性示出的。管道19的实际路线可能与显示的路线不同，例如以避免障碍物或急转弯。同样，用于冷却介质的闭环可能是优选的。为了易于理解，图1对每个冷却储器18示出了一个管道19。

阀门20控制冷却介质通过管道19的流动。阀门20可位于交叉点21之前，使单个阀门20控制冷却介质通过所有管道19的流动。表述“之前”在此背景下表示冷却介质朝冷却储器18的流动方向。可替代地，每个管道可使用一个阀门，以分别控制每个冷却储器18。而且，两者的结合是可行的。那么每个阀门可控制一组冷却储器18。

而且，冷却系统16的中心装置22位于阀门21前面。中心装置22包括例如用于冷却介质的泵和控制单元23。热耗散器或辐射器24连接到中心装置22。热耗散器24被设置在机舱10的外部，以使用环境空气来冷却冷却介质。热耗散器24可设置在机舱10的顶部以获得最佳热传递。阀门20通过管道19的另一部分与中心装置22连接。中心装置22通过管道19的再一部分与热耗散器24连接。

冷却介质从热耗散器24循环通过中心装置22，并进一步通过阀门20，阀门20控制冷却介质的流动。在交叉点21处，管道19分支，冷却介质流到冷却储器18。在流过冷却储器18的同时，冷却介质吸收来自内圈6的热。冷却介质流回到热耗散器24，在此它被冷却。为清楚起见，没有示出用于将冷却介质传送回热耗散器24的一个或多个管道。

冷却系统16的一部分，像中心装置22和热耗散器24可用来冷却像发电机11的其它装置。如果冷却系统16被改装到风力涡轮机中，那么已有部件（像中心装置22和热耗散器24）同样可用于轴承5的冷却。

加热系统17包括一个或多个加热元件25，它们与轴承5的外圈7有热连通。加热元件25在此直接附连到外圈7。还可以将一个或多个或所有的加热元件25附连到转子轭8和/或叶片轮毂9。后面将结合图4描述加热系统17的细节。

可以使用一个或多个温度测量装置或温度传感器26。温度传感器26可设置在内圈6，以进行温度测量。测量结果可转送到中心装置22或控制阀门20的控制单元23。控制可基于温度测量进行。在一个较小的控制循环中，温度传感器26直接控制阀门20。多个温度传感器26结合多个阀门20和冷却储器18的组合允许更精细的温度控制。在这种情况下，内圈6和/或外圈7可分成多个控制区。为每个区分配一个或多个冷却储器18、管道或管道19的一部分和阀门20和/或一个或多个加热元件25。

为清楚起见，没有示出温度传感器26和中心装置22、控制单元23和/或阀门20之间的连接。

此实施例使用像水的冷却介质，采用冷却储器18和管道19。这样，还可以使用局部散热片和热耗散器。表述“局部”包括靠近或直接设置在轴承5或内圈6的散热片或热耗散器。用于此概念的实施例例如是肋片或珀耳帖元件的散热片。热传递可通过空气对流系统支持，空气对流系统使空气沿局部散热片和驱散器流动。

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

沿内圈6的内圆周表面6a设置三个冷却储器18。冷却储器18的弯曲形状适于适配到内圆周表面6a上。为了提高冷却储器16和内圈6之间的热接触，可以使用像铝片或导热膏的热界面材料。冷却储器16可沿圆周均匀分布，或者可如示出的均匀间隔开以解决例如空间的限制。还可以将一个或多个散热片或冷却储器附连在内圈6的表面侧。必须注意散热片远离安装装置，例如将内圈6连接到主轴4的螺栓。

每个冷却储器18具有中空内部空间，像水或气体的冷却介质可通过该空间循环。为了冷却介质的进入和离开，冷却储器18配备至少一个端口（未示出）。可使用两个端口，其中这些端口可设置在冷却储器18的两端，使冷却介质通过整个冷却储器18流动。这确保从内圈6通过冷却储器16到冷却介质有良好热传递。

每个冷却储器18可与其自己的管道一起连接到热耗散器24或交叉点。这是并行设置。可替代地，串联设置是可行的，其中一个冷却储器18的出口端连接到后面的冷却储器18的进口端。也可以使用覆盖整个内表面6a或其大部分的一个大的冷却储器。

散热片或冷却储器18可集成到内圈6的结构中。内钻孔或通道可用来使冷却介质通过内圈6流动。然后，用于冷却介质循环的一个或多个端口直接设置在内圈6。整体地制成的散热片和外部散热片的结合也是可行的。例如，储器可整体地制成在内圈6的表面中，储器与一个或多个外部散热片连通以形成冷却储器。

图3示出了具有内圈6和外圈7的轴承5。散热片或冷却储器18设置在内圈6的内圆周表面6a。这里，六个冷却储器18附连到内圈6。三对并行的两个冷却储器18沿内圈6的圆周设置。此布置允许在内圈6和冷却储器16内部的冷却介质之间有良好热传递。对图2的详细讨论同样适用于图3示出的轴承4。

图4更详细地示出了图1的热控制系统15。特别是示出和描述了加热系统17。

加热控制单元27与中心装置22或控制单元23通信。加热控制单元27连接到电源单元28，电源单元28进一步连接到一个或多个电加热元件25，加热元件25在轴承5的外圈7附连到轮毂9。加热控制单元27还可以是中心装置22或控制单元23的一部分。

加热元件25可分成多个区段。环形形状的加热元件25可直接附连到轮毂9和外圈7之间的外圈7。电源单元28用来自风力涡轮机、电池和/或外部电源单元的电力供电。电源单元28由加热控制单元27控制。

内圈6和/或外圈7的温度测量装置26还可连接到控制单元25。为清楚起见，未示出配线。

根据用于控制轴承5温度的方法，测量轴承5处的温度。可直接测量内圈6的温度，因为大多数情况下这是轴承5最热的部分。可以使用通常已知的用于测量温度的装置，例如温度传感器26。

在该测量的基础上，控制冷却介质通过一个或多个冷却储器18的流动。例如，如果所测温度达到上阈值，则可增加冷却介质的流动，或可降低冷却介质的温度。这导致更高的热排出。例如，如果所测温度达到较低阈值，则可降低冷却介质的流动，或可升高冷却介质的温度。这导致更低的热排出。这一方案将轴承5或内圈6的温度保持在限定的目标区带中。目标区带可适合于例如使用默认设置的风力涡轮机的模型。目标区带还可适于例如实时地取决于风速或环境温度。特定的目标温度点可代替目标区带使用。

可通过一个或多个阀门20控制冷却介质的流动，阀门位于到达冷却储器18的管道19中。阀门20可由温度测量装置26直接控制，或通过中心装置22或热控制系统15的控制单元23来控制。

而且，控制与轴承5的外圈7热连通的一个或多个加热元件25的温度。此控制是通过中心装置22/控制单元23和/或热控制单元27实现的，它们操作电源单元28，例如水加热器、阀门、电源等等。电源28直接操纵一个或多个加热元件25。

冷却内圈6和加热外圈7的组合允许很好地控制轴承间隙或气隙。

控制单元23可同时地或在单一操作中激活冷却系统16和加热系统17。此决策例如可取决于环境温度、轴承5的整体温度、内圈和外圈等之间的温差。

在运输转承5或风力涡轮机1的情况下，转承5的内圈6和外圈7之间的间隙可设置成小于或等于0。特别地，可按如下方式控制冷却/加热系统，即在运输中使轴承被严重地预张紧，以避免轴承的伪布氏硬度试验（false brinelling），因此使小幅度的振荡运动减至最小。伪布氏硬度试验是出现了类似于布氏钢球压痕的凹陷点，这些凹陷点是由于在滚动元件和滚道之间接触点处的振动和晃动引起的磨损造成的。如果轴承不被预张紧得可避免内圈和外圈之间的振动，那么在运输中就可能出现轴承的伪布氏硬度试验。运输中，冷却介质可通过加热器循环，因此冷却系统起到了加热系统的作用，以确保轴承被严重预张，而轴承的内圈和外圈之间的间隙小于0.0毫米，具体为-0.1毫米或更小，优选在-0.15毫米和-0.6毫米之间。

Claims (14)

1.一种具有热控制系统的直接驱动型风力涡轮机，其具有：发电机（11），所述发电机具有转子（12）和定子（13）；以及轴承（5），所述轴承具有连接所述转子（12）的外圈（7）和连接所述定子（13）的内圈（6），其特征在于：

所述热控制系统（15）包括冷却系统（16）和加热系统（17），其中所述冷却系统（16）包括与所述轴承（5）的内圈（6）热连通的至少一个散热片（18）；和与所述散热片（18）热连通的热耗散器（24），并且其中所述加热系统（17）包括与所述轴承（5）的外圈（7）热连通的至少一个加热元件（25）；

其中所述加热元件（25）被设置在所述转子轭（8）和叶片轮毂（9）中的至少一个上。

2.根据权利要求1所述的直接驱动型风力涡轮机，其中所述散热片（18）包括用于冷却介质的冷却储器。

3.根据权利要求1或2所述的直接驱动型风力涡轮机，其中所述散热片（18）被设置在所述内圈（6）的内圆周表面（6a）。

4.根据权利要求1所述的直接驱动型风力涡轮机，其中所述散热片（18）与所述内圈（6）整体地制成。

5.根据权利要求1所述的直接驱动型风力涡轮机，其中所述加热元件（25）包括电加热装置和/或热流体加热装置。

6.根据权利要求1所述的直接驱动型风力涡轮机，其中所述加热元件（25）与所述外圈（7）整体地制成。

7.根据权利要求1所述的直接驱动型风力涡轮机，其中所述热控制系统（15）包括控制装置（22，27），所述控制装置与所述冷却系统（16）和/或所述加热系统（17）通信，以控制所述轴承（5）的温度。

8.根据权利要求1所述的直接驱动型风力涡轮机，其中所述热控制系统（15）包括至少一个温度测量装置（26）。

9.一种用在根据权利要求1所述的直接驱动型风力涡轮机中的轴承组件，包括内圈（6）和外圈（7），其中至少一个冷却储器被设置在所述内圈（6）和/或所述外圈（7），其中所述冷却储器包括至少一个用于交换冷却介质的端口，并且其中至少一个加热元件（25）被设置在所述外圈（7）和/或所述内圈（6）。

10.根据权利要求9所述的轴承组件，其中所述冷却储器沿所述内圈（6）的内圆周表面（6a）延伸，并且其中两个冷却储器并行设置。

11.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（26）被设置在所述内圈（6）和/或所述外圈（7）。

12.一种用于控制如权利要求9所述的轴承组件的温度的方法，包括步骤：

测量所述轴承组件的温度，

控制冷却介质通过附连到所述轴承组件的内圈（6）和/或外圈（7）的至少一个冷却储器的流动，和

控制加热元件（25）与所述轴承组件的内圈（6）和/或外圈（7）的热连通。

13.根据权利要求12所述的方法，其中控制所述轴承组件的内圈（6）和外圈（7）之间的间隙。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述轴承组件的内圈（6）和所述外圈（7）之间的间隙设置为等于0。