CN107687397B - 具有经改进冷却的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有经改进冷却的风力涡轮机。描述一种风力涡轮机，其包括：(a)由塔架(120)支撑的机舱(110)；(b)发电机(130,131,132)；(c)可旋转前部组件(140)，其布置在所述发电机(130,131,132)的背对所述机舱(110)的一侧上；以及(d)冷却系统，其用于通过将冷却空气(144)从所述可旋转前部组件(140)进给到所述发电机(130,131,132)来冷却所述发电机(130,131,132)。此外，描述一种冷却风力涡轮机的发电机的方法。

Description

具有经改进冷却的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及风力涡轮机领域，尤其涉及包括用于在操作期间冷却风力涡轮机发电机的冷却系统的风力涡轮机。
背景技术
已知通过将冷却空气从机舱（nacelle）进给到发电机中来冷却风力涡轮机发电机，在发电机处，冷却空气循环以冷却发电机的线圈或绕组。
EP2615299B1公开了一种风力涡轮机的冷却系统，其经由轴向延伸穿过发电机定子室的空气管道将冷却空气从发电机定子的非驱动端轴向输送到驱动端侧。不幸的是，由于发电机定子室中的经加热空气使所述空气管道中的空气变暖，因此到达定子的驱动端侧端部绕组处的冷却空气比非驱动端侧端部绕组处的冷却空气更暖和。
为防止发电机中的腐蚀，冷却空气足够干燥是至关重要的。如EP2806542A中所公开的，为降低冷却空气的湿度，经加热的返回空气的一部分可以与来自机舱的冷却空气混合。
因此，可能需要风力涡轮机发电机的经改进冷却。
发明内容
该需要可以由根据独立权利要求的主题实现。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。
根据本发明的第一方面，提供一种风力涡轮机，其包括：(a)由塔架支撑的机舱；(b)发电机；(c)布置在发电机的背对机舱的一侧上的可旋转前部组件；以及(d)用于通过将冷却空气从可旋转前部组件进给到发电机来冷却发电机的冷却系统。
本发明的该方面基于如下构思：将冷却空气从可旋转前部组件进给到发电机的驱动端中（即，发电机的离机舱最远的部分）。因此，可以获得发电机（尤其发电机的驱动端部分）的有效冷却。
机舱由塔架支撑，塔架在其下端处紧固到地面或海底。机舱构成风力涡轮机的后部部分，而可旋转前部组件构成前部部分（相对于风向）。在发电机的一侧（非驱动端）面向或定位在机舱内、而发电机的相对侧（驱动端）面向可旋转前部组件的意义上来说，发电机实质上布置在机舱与可旋转前部组件之间。在直接驱动式（无齿轮）风力涡轮机的情况下，发电机通常定位在机舱与可旋转前部组件之间并且并不延伸到机舱中。在齿轮式风力涡轮机的情况下，发电机可以至少部分地延伸到机舱中。可旋转前部组件包括相互作用以将风能转换成旋转（机械）能（其继而由发电机转换成电能）的多个部件。
根据本发明的一实施例，可旋转前部组件包括前部组件进气口，并且冷却空气包括通过前部组件进气口吸入的空气。
换句话说，冷却系统从可旋转前部组件进给到发电机的冷却空气包括通过前部组件进气口吸入的环境空气。
根据本发明的另一实施例，可旋转前部组件包括毂、安装在毂上的至少一个转子叶片以及覆盖毂的旋转毂盖（spinner）。
当进入的风撞击（多个）转子叶片时，该至少一个转子叶片致使毂围绕轴线旋转（并且从而驱动发电机）。旋转毂盖是覆盖毂以便防止其受到环境影响的外壳或护罩。
根据本发明的另一实施例，前部组件进气口至少部分与旋转毂盖中的至少一个转子叶片延伸穿过其的开口重合。
换句话说，环境空气可以通过旋转毂盖中的允许叶片从毂延伸的开口进入可旋转前部组件。
根据本发明的另一实施例，前部组件进气口包括环绕至少一个转子叶片的环形开口。
环形开口的宽度（即，环形开口的外径与内径之间的差）足够大以吸入大量空气，并且同时足够小以确保较大物体和大量水（雨）无法进入可旋转前部组件。所有进气口开口的总和（即，叶片周围的环形开口和定子与毂之间的可选的环形开口）可以优选地具有在0.4m2与1m2之间（尤其大约0.6m2）的总面积。
进入可旋转前部组件的任何水都优选地被引导通过转子叶片并由于离心力而通过叶片尖端处的开口射出。
根据本发明的另一实施例，前部组件进气口包括布置在旋转毂盖的外表面上的空气引导件。
换句话说，环境空气可以通过布置在旋转毂盖的外表面上的空气引导件（例如管道）被引导到可旋转前部组件中。
空气引导件的开口足够大以吸入大量空气，并且同时足够小以确保较大物体和大量水（雨）无法进入可旋转前部组件。空气引导件的开口可以优选地具有在0.1m2与0.3m2之间（尤其大约0.2m2）的总横截面积。
根据本发明的另一实施例，前部组件进气口包括进气过滤器和/或进气风扇。
进气过滤器可以例如是水分过滤器、灰尘过滤器、盐过滤器或此类过滤器的组合。
根据本发明的另一实施例，塔架包括定位在塔架的基座部分处的塔架进气口和用于将电力从发电机传输到基座部分的电力电缆，其中所述冷却系统包括用于将空气从塔架进气口引导到可旋转前部组件以使该空气由电力电缆加热的构件，由此冷却空气包括通过所述塔架进气口吸入的空气。通常，电缆的电损耗通常在300瓦特与500瓦/米之间的范围内。
电力电缆（尤其将电力从发电机向下传输通过塔架到变压器和定位在塔架的基座部分处的其它电气设备的电力电缆）将在通过所述塔架进气口吸入的环境空气由引导构件向上引导通过塔架时加热该空气。空气的该加热主要由电缆的电损耗产生并导致空气的相对湿度的减小。因此，一旦塔架空气到达可旋转前部组件，其便将比环绕风力涡轮机的空气更干燥（在其相对湿度更小的意义上来说）。
因此，通过所述塔架进气口吸入并由引导构件向上引导的空气将相对干燥，并且因此非常适于通过自身冷却发电机或与来自其它源的可能较潮湿的冷却空气混合。
此外，塔架空气可以有利地与可旋转前部组件中源自一个或多个不同进气口（诸如对应于上述前部组件进气口的进气口）的空气混合。在该情况下，干燥的塔架空气将减小由混合产生的冷却空气的相对湿度。因此，塔架空气可以有利地用于调节冷却空气的相对湿度，从而减小在定子绕组131中造成腐蚀的危险。
根据本发明的另一实施例，冷却系统还包括布置在塔架内的塔架风扇。
塔架风扇可以导致较大量的环境空气通过塔架进气口吸入。
在一些实施例中，多于一个的塔架风扇可以布置在塔架内的各种位置处，例如在塔架进气口附近、靠近于塔架的上端等。
根据本发明的另一实施例，可旋转前部组件包括面向发电机的一个或多个开口，这些开口适于将冷却空气进给到发电机。
这些开口可以尤其形成在毂与发电机之间的转子前部板中。
根据本发明的另一实施例，过滤器布置在一个或多个开口中的每一者附近，即，使得通过相应开口的冷却空气在进入发电机之前被过滤。
根据本发明的另一实施例，布置在一个或多个开口中的每一者中的过滤器选自包括水分过滤器、灰尘过滤器和盐过滤器的群组。
根据本发明的另一实施例，冷却系统还包括布置在一个或多个开口中的至少一者附近的一个或多个前部风扇。
更具体来说，前部风扇可以布置在每一开口附近，即，在开口的发电机侧上、在开口的毂侧上或在开口自身内。优选地，每一开口配备有至少一个风扇，以使来自可旋转前部组件的冷却空气被抽吸通过开口并抽吸到发电机中。
根据本发明的另一实施例，冷却系统还包括布置在发电机的背对可旋转前部组件的一侧处的后部风扇（主风扇），并且该后部风扇适于从可旋转前部组件通过发电机并朝向机舱抽吸冷却空气。
该后部风扇可以优选地在靠近于发电机的位置处布置在机舱内以从可旋转前部组件抽吸冷却空气通过发电机并抽吸到在机舱内延伸的排气管道中。
根据本发明的另一实施例，冷却系统还适于将额外的冷却空气从机舱进给到发电机。
在该实施例中，冷却空气被从两侧（即，从面向机舱的侧面并从面向可旋转前部组件的侧面）抽吸到发电机中。因此，可以获得发电机的均匀冷却。
根据本发明的第二方面，提供一种冷却风力涡轮机的发电机的方法，所述风力涡轮机包括由塔架支撑的机舱、发电机以及布置在发电机的背对机舱的一侧上的可旋转前部组件。该方法包括(a)将冷却空气从可旋转前部组件进给到发电机。
本发明的该方面基于与上文论述的第一方面相同的构思。
根据本发明的另一实施例，冷却空气包括通过前部组件进气口吸入的空气和/或通过塔架进气口吸入的空气。
换句话说，冷却空气可以包括通过前部组件进气口吸入的空气、包括通过塔架进气口吸入的空气、或包括通过前部组件进气口吸入的空气与通过塔架进气口吸入的空气的混合物。
根据本发明的另一实施例，冷却空气包括通过前部组件进气口吸入的空气与通过定位在塔架的基座部分处的塔架进气口吸入的塔架空气的混合物，其中所述塔架空气被向上引导通过塔架并由在塔架内延伸的电力电缆加热，以使塔架空气的相对湿度低于通过前部组件进气口吸入的空气的相对湿度。
应注意，已经参考不同主题描述了本发明的实施例。尤其，已经参考方法类权利要求描述了一些实施例，而已经参考装置类权利要求描述了其它实施例。然而，所属领域的技术人员将从上文和以下描述得知，除非另有说明，否则除属于一种类型的主题的特征的任何组合以外，与不同主题有关的特征的任何组合（尤其方法类权利要求的特征与装置类权利要求的特征的组合）也是本文献的公开内容的一部分。
本发明的上文限定的方面和其它方面从将在下文中描述的实施例的实例显而易见并参考实施例的实例来解释。将在下文中参考实施例的实例更详细地描述本发明。然而，应明确注意，本发明并不限于所描述的示例性实施例。
附图说明
图1示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机。
图2示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机。
图3示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机。
图4示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机的可旋转前部组件的第一局部视图。
图5示出图4中所示的可旋转前部组件的另一局部视图。
图6示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机的转子前部板。
图7示出图4和图5中所示的可旋转前部组件的另一局部视图。
图8示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机的塔架。
图9示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机的可旋转前部组件的概况。
图10示出图9中所示的可旋转前部组件的一部分的详细视图。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。应注意，在不同图中，类似或相同元件设置有相同参考编号或设置有仅在第一数字内不同的参考编号。
图1示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机。风力涡轮机包括安装在塔架120的顶部上的机舱110、包括具有被布置成围绕安装在定子132（图5中示出）上的发电机绕组131旋转的磁体的转子130的发电机、以及布置在发电机130, 131, 132的与机舱110相对（即，背对）的侧面上的可旋转前部组件140。可旋转前部组件140包括至少一个转子叶片140a，优选地三个转子叶片140a。应注意，图1中所示的风力涡轮机是直接驱动式风力涡轮机。然而，本发明同样适用于其它类型的风力涡轮机，诸如齿轮驱动式风力涡轮机。
该风力涡轮机还包括用于通过将冷却空气144从可旋转前部组件140进给到发电机130, 131, 132中来冷却发电机130, 131, 132（尤其发电机绕组131, 132）的冷却系统。冷却空气144通过前部组件进气口141获得，或作为从塔架120引导通过塔架空气引导构件152（诸如管）的塔架空气122。该冷却空气还可以是通过前部组件进气口141吸入的空气与塔架空气122的混合物。在后一情况下，塔架空气122可以尤其用于减小冷却空气144的湿度，如下文结合图8更详细地描述的。
进气过滤器142（诸如水分过滤器、灰尘过滤器、盐过滤器或者其组合）布置在进气口141中以过滤被吸入到前部组件140中的环境空气。可选地，进气风扇143也可以布置在进气口141附近。
冷却空气144通过连接可旋转前部组件140和发电机130, 131, 132的合适开口被引导到发电机130, 131, 132中。如下文将结合图6进一步更详细地论述的，这些开口可以尤其形成在转子前部板中。布置在发电机130, 131, 132与机舱110之间的界面附近的后部风扇151抽吸冷却空气144通过发电机130, 131, 132。在发电机130, 131, 132内（尤其在发电机绕组131附近）循环之后，冷却空气144离开发电机130, 131, 132并在其作为排出空气115离开机舱110之前通过机舱110中的排气引导件114。
在实施例的可选修改中，冷却空气113还可以从机舱110供应到发电机130, 131,132中。为此，环境空气借助来自风扇112的支持通过过滤器111被吸入到机舱中并被引导到发电机130, 131, 132中，如图1中所示的。机舱冷却空气113的湿度可以通过排出空气旁路116减小，排出空气旁路116将排出空气115的一部分分流到机舱中，在机舱处，其与通过过滤器111吸入的空气混合。
应明确注意，虽然图1仅示出一个前部组件进气口141，但是前部组件140可以包括任何数量的进气口141，尤其两个、三个、四个或甚至更多个进气口141。
图2示出根据本发明的另一实施例的风力涡轮机。更具体来说，图2中所示实施例仅与图1中所示并在上文详细论述的实施例不同之处在于，进气过滤器141由布置在可旋转前部组件140与发电机130, 131, 132之间的开口或连接件附近的过滤器145代替。因此，在该实施例中，空气的过滤发生在冷却空气144进入发电机130, 131, 132的位置处，而非环境空气进入可旋转前部组件140的位置处。在图2中所示实施例的修改中，可以使用如图1中所示的进气过滤器142和图2中所示的过滤器145两者。
关于图2中所示风力涡轮机的剩余结构，参考上文关于图1的对应描述。
图3示出根据本发明的另一实施例的风力涡轮机。更具体来说，图3中所示实施例是图2中所示并在上文论述的实施例的修改。除图2中所示元件以外，图3中的前部组件140示出为包括用于支撑风力涡轮机的（多个）转子叶片（未示出）的毂146。此处，过滤器145布置在毂的外表面与前部组件140的外壁或盖板（也称为旋转毂盖）之间并靠近于前部组件140的外壁或盖板（也称为旋转毂盖）。塔架空气122被引导通过毂146以与通过进气口141吸入的环境空气混合。
图4示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机的可旋转前部组件的第一局部视图。更具体来说，图4示出包括旋转毂盖（或盖板）147和毂146的可旋转前部组件140。旋转毂盖147包括用于使转子叶片（未示出）通过的开口148。毂146包括转子叶片将安装在其中的开口或安装部分149。过滤器145靠近于发电机130, 131, 132中的开口布置在旋转毂盖147与毂146之间。因此，环境空气可以通过叶片开口148吸入并通过过滤器145并且进入到发电机130中。
图5示出图4中所示的可旋转前部组件140的另一局部视图。尤其，图5示出布置在过滤器145的面向发电机130, 131, 132的侧面上的空气引导件153，其用于将经过滤的冷却空气引导到发电机130, 131, 132中以便冷却发电机绕组131。
关于图4和图5，应注意，旋转毂盖147和毂146可以被设计成接纳和固持多于一个转子叶片，尤其三个转子叶片。此外，多个过滤器145可以布置在发电机转子130的周边周围。
在图5中所示实施例的修改中，前部组件进气口可以形成在前部组件140与发电机130之间的间隙中，例如在空气引导件153上方。在该情况下，此外，管道或管将形成在该间隙与（多个）过滤器145的旋转毂盖147或旋转毂盖侧进气口之间，以便朝向前部组件140的前部（即，朝向图5中的过滤器145的左侧（即，进气口侧））输送吸入的空气，以使该空气可以通过过滤器145输送到空气引导件153中并进一步输送到发电机130中，如上文所论述的。
图6示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机的转子前部板160。前部转子板160被设计成在发电机130的围绕绕组131旋转以在其中生成电流的转子上布置在发电机130的驱动端（即，面向可旋转前部组件140）处。如图所示，前部转子板160包括靠近于前部转子板160的周边布置的三对孔或开口161a, 161b, 162a, 162b, 163a, 163b。每一开口161a,161b, 162a, 162b, 163a, 163b可以按图5中所示的方式与对应过滤器145和对应空气引导件153连接。
应注意，图6还示出形成在开口161a与开口161b之间的切口。该切口被成形为在风力涡轮机的组装期间与起重工具相互作用。由于在组装期间可能发生的大的力和应力，可能有利的是省略该对开口161a和161b（其在组装期间可能以其它方式变形），并替代地增加其它开口162a, 162b, 163a, 163b的大小。
图7示出图4和图5中所示可旋转前部组件的另一局部视图。尤其，图7的视图示出毂146包括三个叶片安装部分149，并且旋转毂盖147包括三个对应叶片开口148。虽然仅示出单个过滤器单元145（为清楚起见），但是可以实现并布置总共六个过滤器单元145，如上文结合图6所论述的。
图8示出根据本发明的一实施例（尤其根据上文或下文所述实施例中的任一者）的风力涡轮机的塔架120。如图所示，塔架120包括布置在塔架的上部部分处用于在塔架120内向上（朝向机舱）抽吸塔架空气122的塔架风扇121。塔架空气122在塔架入口124的区域中被吸入到塔架120中。进气口可以由下部风扇123支撑。进入塔架的空气由过滤器125过滤并通过电气设备126。在其朝向塔架的顶部处的风扇121的途中，空气被由电力电缆127发出的热加热。电力电缆127将由发电机生成的电力传输到电气设备126，诸如变压器、转换器等。因此，一旦塔架空气122到达塔架120的顶部，其便更暖和且相对干燥，即，其具有比周围空气更低的相对湿度。因此，塔架空气122将非常适于冷却和/或除湿如上所述从可旋转前部组件供应到发电机的冷却空气144。同时，供应到发电机的冷却空气144的温度将在一定程度上增加。到达发电机的冷却空气144的湿度和温度可以因此由塔架120的底部或顶部处的风扇121和/或风扇125所提供的塔架空气122的量控制。
图9示出根据本发明的替代实施例的风力涡轮机的可旋转前部组件140'的概况。该实施例的可旋转前部组件140'与结合先前实施例描述的可旋转前部组件140不同之处在于，环境空气不通过叶片开口148、而替代地通过布置在旋转毂盖147的外表面上的空气引导件154吸入。空气引导件154以一种方式形成为在旋转毂盖147的表面上延伸的矩形相对扁平导管，使得开口面向进入的风。因此，环境空气可以容易被抽吸到可旋转前部组件140'中并进给到发电机130中以冷却发电机绕组131。
图10示出图9中所示可旋转前部组件140'的一部分的详细视图。如图所示，环境空气通过空气引导件154吸入并由延伸穿过前部转子板160的空气引导件153引导通过过滤器145并进入到发电机130中。
应注意，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用并不排除多个。而且，可以组合结合不同实施例描述的元件。应进一步注意，权利要求书中的参考符号并不视为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机，其包括
由塔架(120)支撑的机舱(110)，
发电机(130, 131, 132)，
可旋转前部组件(140)，其布置在所述发电机(130, 131, 132)的背对所述机舱(110)的一侧上，以及
冷却系统，其用于通过将冷却空气(144)从所述可旋转前部组件(140)进给到所述发电机(130, 131, 132)来冷却所述发电机(130, 131, 132)，
其中，所述塔架(120)包括定位在所述塔架(120)的基座部分处的塔架进气口和用于将电力从所述发电机传输到所述基座部分的电力电缆(127)，并且其中所述冷却系统包括用于将空气(122)从所述塔架进气口引导到所述可旋转前部组件(140)以使所述空气由所述电力电缆(127)加热的构件，由此所述冷却空气(141)包括通过所述塔架进气口吸入的空气(122)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述可旋转前部组件(140)包括前部组件进气口(141)，并且其中所述冷却空气(144)包括通过所述前部组件进气口(141)吸入的空气。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述可旋转前部组件(140)包括毂(146)、安装在所述毂(146)上的至少一个转子叶片(140a)、以及覆盖所述毂(146)的旋转毂盖(147)。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中，所述前部组件进气口(141)至少部分与所述旋转毂盖(147)中的开口(148)重合，所述至少一个转子叶片(140a)延伸穿过所述开口(148)。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其中，所述前部组件进气口(141)包括环绕所述至少一个转子叶片(140a)的环形开口。
6.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中，所述前部组件进气口(141)包括布置在所述旋转毂盖(147)的外表面上的空气引导件(154)。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述前部组件进气口(141)包括进气过滤器(142)和/或进气风扇(143)。
8.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，来自所述塔架进气口的塔架空气减小所述冷却空气的相对湿度。
9.根据权利要求1或8所述的风力涡轮机，其中，所述冷却系统还包括布置在所述塔架(120)内的塔架风扇(121, 123)。
10.根据权利要求1至6中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述可旋转前部组件(140)包括面向所述发电机(130)的一个或多个开口(161a, 161b, 162a, 162b, 163a,163b)，所述开口(161a, 161b, 162a, 162b, 163a, 163b)适于将所述冷却空气(141)进给到所述发电机(130)。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中，过滤器(145)布置在所述一个或多个开口(161a, 161b, 162a, 162b, 163a, 163b)中的每一者附近。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其中，布置在所述一个或多个开口(161a,161b, 162a, 162b, 163a, 163b)中的每一者中的所述过滤器(145)选自包括水分过滤器、灰尘过滤器和盐过滤器的群组。
13.根据权利要求1至6中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述冷却系统还包括布置在所述发电机(130)的背对所述可旋转前部组件(140)的一侧处的后部风扇(151)，所述后部风扇(151)适于从所述可旋转前部组件(140)通过所述发电机(130)并朝向所述机舱(110)抽吸所述冷却空气(144)。
14.根据权利要求1至6中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述冷却系统还适于将额外的冷却空气(113)从所述机舱(110)进给到所述发电机(130)。
15.一种冷却风力涡轮机的发电机(130, 131, 132)的方法，所述风力涡轮机包括由塔架(120)支撑的机舱(110)、所述发电机(130, 131, 132)以及布置在所述发电机(130,131, 132)的背对所述机舱(110)的一侧上的可旋转前部组件(140)，所述方法包括：
将冷却空气(144)从所述可旋转前部组件(140)进给到所述发电机(130, 131, 132)，
其中，所述冷却空气(144)包括通过前部组件进气口(141)吸入的空气与通过定位在所述塔架(120)的基座部分处的塔架进气口吸入的塔架空气(122)的混合物，其中所述塔架空气被向上引导通过所述塔架(120)并由在所述塔架(120)内延伸的电力电缆加热，以使所述塔架空气(122)的相对湿度低于通过所述前部组件进气口(141)吸入的空气的相对湿度。
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