CN108050023B - 用于风力发电机组的轴系的冷却系统及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于风力发电机组的轴系的冷却系统及风力发电机组，所述冷却系统包括：环形散热组件，固定地安装在转动轴的内表面上；冷却介质传输组件，与环形散热组件固定地结合；流体滑环组件，固定在定轴上；冷凝器，固定在风力发电机组的除了轴系之外的部分，冷却介质传输组件通过流体滑环组件连接到所述冷凝器以形成消散由轴系传递到所述环形散热组件的热的制冷循环回路。根据本发明的冷却系统是在风力发电机组设计完成后而添加的，不影响风力发电机组内其他部件的运行，并且实施简单、安装可靠；另外，通过在动态部分和静态部分之间设置流体滑环，可实现动态部分和静态部分之间的流体连通，实现冷却系统的循环。

Description

用于风力发电机组的轴系的冷却系统及风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种用于风力发电机组的轴系的冷却系统。

背景技术

风力发电机组大多采用永磁直驱风力发电机，如图1(风力发电机组的结构示意图)和图2(图1的A部分的截面图)所示，具有永磁直驱风力发电机的风力发电机组主要包括：叶片1、轮毂2、发电机子系统3、机舱4和塔架5。发电机子系统3主要包括：永磁直驱风力发电机6、定轴7、转动轴9、主轴承。主轴承包括轴承内圈10、轴承滚子8和轴承外圈11，轴承内圈10连接到转动轴9，轴承外圈11连接到定轴7，由于叶片1、轮毂2与转动轴9连接在一起，因此，在外部风载的作用下，通过主轴承的轴承滚子8，可实现转动轴9与定轴7之间的相对运动。因此主轴承是风力发电机的核心部件之一，其寿命关系到整台风力发电机组的寿命，其一旦失效，更换非常困难，并且费用昂贵。

为确保主轴承的工作，需要对主轴承进行润滑，目前主轴承的润滑方式主要有两种：润滑脂润滑和润滑油润滑。对于滚动轴承而言，通常采取脂润滑脂润滑，这是因为与润滑油润滑相比，润滑脂润滑装置更加简单且润滑脂不易泄漏，便于轴承的维护和保养等。

然而，风力发电机组可能安装于沿海、戈壁和草原地区，各地气候条件差异很大，如果主轴承内的产生的热不能有效地散发，外加风力发电机组所处的恶劣环境(如高温环境)，主轴承内部可能持续在高温下工作，润滑脂的寿命会随着温度升高而迅速降低，由此导致润滑脂的润滑作用失效。

由于轴承滚子8、轴承内圈10和轴承外圈11受到外界风载作用并承受风力发电机组自身的重量，因此在轴承内圈10和轴承外圈11相对旋转时，会产生较大的摩擦力矩，进而导致轴承内部产生较大的热量。若不能实时地将产生的热散发出去，会导致轴承具有较高的温度，而较高的温度会导致润滑油的粘度下降，进而影响轴承的轴承内圈10、轴承滚子8和轴承外圈11两两之间的润滑油膜建立，由此可能产生干摩擦，导致传动系统内部的零部件的温度急剧上升，主轴承的工作游隙会因热膨胀而超出合理的工作范围，甚至可能发生“抱轴”现象。由此可知，长时间的高温运行会导致严重的恶性循环，并严重影响轴承的寿命，导致轴承失效，无法满足风力发电机组整机运行寿命20～25年要求。

实际上，不仅是风力发电机的主轴承，其他轴系的轴承也存在这个问题。而且，轴承众多的失效形式归根结底都是因“热”而产生的，而且，随着风力发电机发电功率的逐步增大，散热问题不仅影响润滑脂的寿命，也对风力发电机组的其他部件造成威胁(如，内部部件可能因高温而熔化)，因此受到越来越多的关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于风力发电机组的轴系的冷却系统，以有效地散发轴承的热。

根据本发明的一方面，提供一种用于风力发电机组的轴系的冷却系统，所述轴系包括定轴、转动轴以及设置在所述定轴和转动轴之间的轴承，所述轴承包括轴承外圈、轴承滚子和轴承内圈，所述轴承外圈连接到定轴，所述轴承内圈连接到转动轴，其中，所述冷却系统可包括：环形散热组件，固定地安装在所述转动轴的内表面上；冷却介质传输组件，与所述环形散热组件固定地结合；流体滑环组件，固定在所述定轴上；冷凝器，固定在所述风力发电机组的除了所述轴系之外的部分，其中，所述冷却介质传输组件通过所述流体滑环组件连接到所述冷凝器以形成消散由轴系传递到所述环形散热组件的热的制冷循环回路，通过环形散热组件增大传热面积并将热传递到所述冷却介质传输组件中的冷却介质，将轴系的热有效地传递到外部。

所述环形散热组件可包括沿着所述转动轴的圆周方向按照预定间隔设置的多个散热基板，所述冷却介质传输组件沿着所述转动轴的圆周方向附着在所述多个散热基板上，以便于所述环形散热组件和所述冷却介质传输组件的安装。

所述环形散热组件可包括沿着所述转动轴的圆周方向按照预定间隔设置的多个散热基板。所述冷却介质传输组件可包括：入口管，设置在所述环形散热组件的与流体滑环组件相邻的侧部；出口管，设置在所述侧部，以与所述入口管相邻；热管单元，包括分别设置在所述多个散热基板中的每个散热基板中的热管，所述热管中的每个热管包括入口和出口，每个入口连接到所述入口管，每个出口连接到所述出口管。

每个所述热管可弯曲地嵌在散热基板中，以进一步增大散热面积，带走更多的热。

每个所述散热基板可通过粘接剂固定到所述转动轴的内表面上，以实现所述散热基板的固定安装。

所述流体滑环组件可包括一个流体滑环，所述冷却介质传输组件通过送液管和集气管穿过所述流体滑环与所述冷凝器连接。通过设置一个流体滑环，减小了整个冷却系统所占据的空间，简化了系统的结构。

所述流体滑环组件可包括第一流体滑环和第二流体滑环，所述冷却介质传输组件通过送液管和集气管与所述冷凝器连接，其中，所述送液管穿过所述第一流体滑环，且所述集气管穿过所述第二流体滑环。通过设置两个流体滑环，简化了流体滑环的内部结构，节约了制造成本。

所述流体滑环组件中的每个流体滑环可包括固定壳体和旋转腔体，所述固定壳体固定地安装在所述定轴上并与所述冷凝器中的冷却介质连通，所述旋转腔体连接到所述冷却介质传输组件并随所述却介质传导组件一起旋转，所述固定壳体和所述旋转腔体彼此可旋转地连通，从而实现流体滑环的可旋转连通。

所述冷却系统还可包括泵送来自所述冷凝器中的冷却介质的动力泵，以使冷却介质在冷却系统中顺利地循环流动。

所述冷凝器可安装在所述风力发电机组的机舱上，从而既不影响机舱的内部部件的布置，还能避免对风力发电机的内部部件造成额外的升温。

所述冷却系统还可包括控制器，所述控制器用于控制所述冷却系统的启动和冷却介质的流量，当所述轴承外圈的温度达到第一阈值温度且环境温度小于等于第一环境温度时，所述控制器控制所述冷却系统不启动，冷却介质的流量为0；当所述轴承外圈的温度达到所述第一阈值温度且所述环境温度大于所述第一环境温度小于所述第二环境温度时，所述控制器控制所述冷却系统开始启动，且控制冷却介质的流量为Q1；当所述轴承外圈的温度达到第二阈值温度时，所述环境温度大于所述第二环境温度时，所述控制器控制所述冷却系统持续运行，且控制冷却介质的流量为Q2，其中，Q2＞Q1。通过该控制方法，能够确保冷却系统正常、高效、节能地运行。

所述第一阈值温度可为50℃，所述第二阈值温度可为55℃，所述第一环境温度可为30℃，所述第二环境温度可为35℃。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组可包括如上所述的冷却系统。

如上所述，本发明的冷却系统包括静态部分和动态部分，动态部分主要由随转动轴转动的散热器组成，静态部分主要由冷凝器构成，通过在动态部分和静态部分之间设置流体滑环，可实现动态部分和静态部分之间的流体连通，从而实现冷却系统的循环。

利用本发明的冷却系统，无论风力发电机组的外界环境温度如何，均可以将主轴承的温度控制在目标温度范围，从而可以保证主轴承的运行的正常游隙，保证主轴承的使用寿命。

另外，本发明的冷却系统是在风力发电机组设计完成后而添加的，不影响风力发电机组内其他部件的运行，并且实施简单、安装可靠。

附图说明

图1是风力发电机组的结构示意图；

图2是图1的A部分的截面图；

图3是包括根据本发明的实施例的用于风力发电机的冷却系统的风力发电机组的局部剖切分解结构示意图；

图4是根据本发明的实施例的冷却系统的局部结构示意图；

图5是根据本发明的实施例的散热基板的结构示意图；

图6和图7是根据本发明的冷却系统分别设置一个流体滑环和两个流体滑环的原理拓扑图；

图8是主轴承温度控制原理曲线图。

附图标号说明：

1-叶片；2-轮毂；3-发电机子系统；4-机舱；5-塔架；6-永磁直驱风力发电机；7-定轴；8-轴承滚子；9-转动轴；10-轴承内圈；11-轴承外圈；12-冷凝器；13-动力泵；14-送液管；15-集气管；16-流体滑环组件；16a-固定壳体；16b-旋转腔体；18-冷却介质传输组件；20-环形散热组件；25-固定支架；30-侧部；160-流体滑环；161-第一流体滑环；162-第二流体滑环；170-散热基板；180-热管；181-入口管；182-出口管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做具体描述。在下文中，将以风力发电机组的主轴承作为冷却对象进行描述，但应注意的是，本发明不限于此，根据示例性实施例的冷却系统还可应用于风力发电机组的其他轴系。

图3是包括根据本发明的实施例的用于风力发电机的冷却系统的风力发电机组的局部剖切分解结构示意图；图4是根据本发明的实施例的冷却系统的局部结构示意图；图5是根据本发明的实施例的散热基板的结构示意图。

如图3和图4所示，根据本发明的实施例的冷却系统包括：环形散热组件20，固定地安装在转动轴9的内表面上；冷却介质传输组件18，与环形散热组件20固定地结合；流体滑环组件16，固定在定轴7上；冷凝器12，固定在风力发电机组的除了轴系之外的部分上，冷却介质传输组件18可通过流体滑环组件16连接到冷凝器12以形成消散来自环形散热组件20的热的制冷循环回路。

其中，设置流体滑环组件16的原因在于：由于环形散热组件20固定在转动轴9的内表面上并且冷却介质传输组件18固定地结合到环形散热组件20，因此环形散热组件20和冷却介质传输组件18随转动轴9一起旋转，而冷凝器12固定不动，为了实现运动的冷却介质传输组件18与静止的冷凝器12之间的流体连通，在二者的传输管路上设置流体滑环组件16。另外，流体滑环组件16中的流体滑环可包括固定壳体16a和旋转腔体16b，固定壳体16a可通过固定支架25安装在定轴7上，旋转腔体16b可连接到冷却介质传输组件18的两端，并以在随冷却介质传输组件18一起旋转的同时实现冷却介质传输组件18与冷凝器12中的冷却介质的连通。

环形散热组件20可由具有高导热性的材料形成，通过在与轴承内圈10结合的转动轴9的内表面安装环形散热组件20，增大了传热面积，进而增加换热。

冷却介质传输组件18可以是具有其中能够流通冷却介质的通道的任何部件，当从主轴承产生的热传递到环形散热组件20中后，在冷却介质传输组件18中流动的冷却介质可将传递到环形散热组件20的热量带走，冷却介质传输组件18可以是例如热管，但冷却介质传输组件18不限于此。接下来将对冷却介质传输组件18的结构进行详细的介绍。

环形散热组件20可包括沿着转动轴9的圆周方向按照预定间隔设置的多个散热基板170，以便于进行安装。这样，冷却介质传输组件18可沿着转动轴9的圆周方向附着在多个散热基板170中的每个散热基板170的外表面上，并且冷却介质传输组件18的入口端和出口端可分别连接到流体滑环组件16的旋转腔体16b。

但冷却介质传输组件18的结构不限于此，冷却介质传输组件18也可嵌入在环形散热组件20中。

具体地，冷却介质传输组件18可包括：入口管181，设置在环形散热组件20的与流体滑环组件16相邻的侧部30；出口管182，设置在侧部30，以与入口管181相邻；热管单元，包括分别设置在多个散热基板170中的每个散热基板170中的多个热管180。多个热管180中的每个热管180包括入口和出口，多个热管180的所有入口连接到入口管181，多个热管180的所有出口连接到出口管182。

在这种情况下，如图5所示，每个热管180可弯曲地(例如，呈之字形)嵌入在每个散热基板170中。

另外，如图2和图3所示，每个散热基板170可为具有预定厚度的弯曲的板形状，从而多个散热基板170沿圆周方向贴合地安装在转动轴9的内侧表面上。

另外，由于转动轴9为大部件，鉴于强度、疲劳等性能的考虑，不允许在转动轴9的内表面进行打孔来安装散热基板170，因此可采用高导热性、高粘结强度的粘接剂进行固定。但散热基板170的安装方式不限于此，必要时，还可采用辅助安装装置(未示出)来安装环形散热组件20。

此外，冷却介质传输组件18与冷凝器12中的冷却介质通过送液管14和集气管15彼此连接形成冷却循环系统，并通过将流体滑环组件16设置在送液管14和集气管15的管路上，实现上面所提及的动态的冷却介质传输组件18与静态的冷凝器12之间的连接，进而形成稳定的冷却循环系统。

流体滑环组件可仅包括一个流体滑环，也可包括两个流体滑环。图6和图7分别示出了具有一个流体滑环和具有两个流体滑环的系统原理拓扑图。

如图6所示，流体滑环组件16可包括一个流体滑环160。这样，冷却介质传输组件18可通过使送液管14和集气管15同时穿过这一个流体滑环160与冷凝器12连接。当仅使用一个流体滑环160时，减小了整个冷却系统所占据的空间，简化了系统的结构。但由于流过送液管14的液体和流过集气管15的气体同时流过一个流体滑环160，需要在这一个流体滑环160内设计两股彼此不产生干涉同时又能分别可旋转地连通的流道，增加了流体滑环160内部的复杂性，因此，流体滑环组件16也可包括两个流体滑环。

如图7所示，流体滑环组件16可包括第一流体滑环161和第二流体滑环162。这样，冷却介质传输组件18可通过分别通过穿过第一流体滑环161的送液管14和穿过第二流体滑环162的集气管15与冷凝器12连接。这样，可仅通过使用两个结构简单的流体滑环实现冷却循环系统，节约了流体滑环使用的成本。

但应注意的是，无论流体滑环组件16包括一个流体滑环还是两个流体滑环，每个流体滑环均应被安装为其旋转轴线与转动轴9的旋转轴线重合，以确保流体滑环160或者流体滑环161和162和转动轴9能够在转动轴9旋转时正常工作。

冷凝器12可安装到机舱4的外表面上，例如，机舱4的顶部，以用于将风力发电机组产生的热散发到外部，从而既不影响机舱4内部部件的布置，还能避免对风力发电机的内部部件造成额外的升温。

另外，为使冷却介质在冷却系统中顺利地循环流动，可在送液管14上设置动力泵13，动力泵13将在冷凝器12中冷凝后的液态冷却介质泵送至冷却介质传输组件18中。如图1所示，动力泵13可设置在机舱4上并与可冷凝器12相邻。

以下将描述使用根据本发明的冷却系统对主轴承进行冷却的过程。

由于轴承滚子8与轴承内圈10和轴承外圈11发生摩擦产热，产生的热沿主轴承的径向传递到转动轴9，安装在转动轴9的内侧表面上的散热基板170将热量传递给冷却介质传输组件18中流动的冷却介质，冷却介质吸热发生相变，即，由液态变为气态，然后依次流经出口管182、集气管15、流体滑环组件16、集气管15、冷凝器12。高温气态的冷却介质在冷凝器12中冷却并变为液态，冷却后的液态冷却介质在动力泵13的作用下依次流经送液管14、流体滑环组件16、送液管14、冷却介质传输组件18，从而再次重复上述过程。经过上述制冷循环，主轴承内产生的热被散发到外部，从而实现主轴承的冷却。

为确保冷却系统正常、高效、节能地运行，冷却系统还设置有控制器(未示出)，控制器可控制冷却系统的运行。下面所介绍的控制冷却系统的方法就是通过控制器实现的。由于风力发电机组的发电状态依赖于外部风的大小，机组并非出于实时运行中，因此主轴承的温度并非实时都出于高温状态。因此，冷却系统没必要实时处于工作状态。

图8示出了主轴承温度控制原理的曲线图。参照图8，横坐标为风力发电机组的主轴承的温度，纵坐标为环境温度，实曲线为轴承的原始温度曲线，虚线为冷却系统作用后轴承的目标温度曲线。

风力发电机组未运行时，冷却系统不启动。当风力发电机组进入运行状态，主轴承的温度逐渐升高，当主轴承的温度T达到第一阈值温度T1(例如，50℃)且环境温度t小于或者等于第一环境温度t1(例如，30℃)时，冷却系统不启动，冷却介质的循环流量为0；当主轴承的温度T达到第一阈值温度T1(50℃)且环境温度t大于第一环境温度t1(30℃)且小于第二环境温度t2(例如，35℃)时，冷却系统开始启动，且冷却介质的循环流量为Q1；当主轴承的温度达到第二阈值温度T2(例如，55℃)，环境温度t大于第二环境温度t2(35℃)时，冷却系统持续运行，且冷却介质循环流量为Q2(Q2＞Q1)。主轴承的温度可通过安装在轴承外圈侧的温度传感器感测。

在此应注意的是，环境温度与主轴承的温度相关，通常情况下，环境温度低，主轴承的温度也低，随着环境温度的升高，主轴承的温度也升高，因此，上述温度的设定是根据这种情况设置的，然而，如果出现特殊情况，当主轴承温度达到第二阈值温度T2(55℃)的情况下，环境温度低于t1(30℃)的情况下，应该以循环流量为Q3对主轴承进行冷却，因此，也就是说，虽然上面描述了同时基于环境温度和主轴承温度对冷却系统进行控制，但起决定性作用的应该是主轴承的温度。

如上所述，本发明的冷却系统包括静态部分和动态部分，动态部分主要由随转动轴转动的环形散热组件和冷却介质传输组件构成，静态部分主要由冷凝器构成，通过在动态部分和静态部分之间设置流体滑环，可实现动态部分和静态部分之间的流体连通，从而实现冷却系统的循环。

利用本发明的冷却系统，无论风力发电机组的外界环境温度如何，均可以将主轴承的温度控制在目标温度范围，从而可以保证主轴承的运行的正常游隙，保证主轴承的使用寿命。

另外，本发明的冷却系统是在风力发电机组设计完成后而添加的，不影响风力发电机组内其他部件的运行，并且实施简单、安装可靠。

虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对本发明的实施例做出各种修改和变型。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变型仍将落入权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种用于风力发电机组的轴系的冷却系统，所述轴系包括定轴(7)、转动轴(9)以及设置在所述定轴(7)和转动轴(9)之间的轴承，所述轴承包括轴承外圈(11)、轴承滚子(8)和轴承内圈(10)，所述轴承外圈(11)连接到定轴(7)，所述轴承内圈(10)连接到转动轴(9)，其特征在于，所述冷却系统包括：

环形散热组件(20)，固定地安装在所述转动轴(9)的内表面上，并包括沿着所述转动轴(9)的圆周方向按照预定间隔设置的多个散热基板(170)；

冷却介质传输组件(18)，与所述环形散热组件(20)固定地结合；

流体滑环组件(16)，固定在所述定轴(7)上；

冷凝器(12)，固定在所述风力发电机组的机舱(4)的外表面上，

其中，所述冷却介质传输组件(18)通过所述流体滑环组件(16)连接到所述冷凝器(12)以形成消散由轴系传递到所述环形散热组件(20)的热的制冷循环回路，

其中，所述冷却介质传输组件(18)包括：入口管(181)，设置在所述环形散热组件(20)的与流体滑环组件(16)相邻的侧部(30)；出口管(182)，设置在所述侧部(30)，以与所述入口管(181)相邻；热管单元，包括分别设置在所述多个散热基板(170)中的相应多个热管(180)，其中，所述多个热管(180)中的每个热管(180)包括入口和出口，每个入口连接到所述入口管(181)，每个出口连接到所述出口管(182)。

2.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述环形散热组件(20)包括沿着所述转动轴(9)的圆周方向按照预定间隔设置的多个散热基板(170)，所述冷却介质传输组件(18)沿着所述转动轴(9)的圆周方向附着在所述多个散热基板(170)上。

3.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，每个所述热管(180)弯曲地嵌在散热基板(170)中。

4.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，每个所述散热基板(170)通过粘接剂固定到所述转动轴(9)的内表面上。

5.如权利要求1至4中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述流体滑环组件(16)包括一个流体滑环(160)，所述冷却介质传输组件(18)通过送液管(14)和集气管(15)穿过所述流体滑环(160)与所述冷凝器(12)连接。

6.如权利要求1至4中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述流体滑环组件(16)包括第一流体滑环(161)和第二流体滑环(162)，所述冷却介质传输组件(18)通过送液管(14)和集气管(15)与所述冷凝器(12)连接，其中，所述送液管(14)穿过所述第一流体滑环(161)，且所述集气管(15)穿过所述第二流体滑环(162)。

7.如权利要求1至4中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述流体滑环组件(16)中的每个流体滑环(160、161、162)包括固定壳体(16a)和旋转腔体(16b)，所述固定壳体(16a)固定地安装在所述定轴(7)上并与所述冷凝器(12)中的冷却介质连通，所述旋转腔体(16b)连接到所述冷却介质传输组件(18)并随所述冷却介质传输组件(18)一起旋转，所述固定壳体(16a)和所述旋转腔体(16b)彼此可旋转地连通。

8.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括泵送来自所述冷凝器(12)中的冷却介质的动力泵(13)。

9.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括控制器，所述控制器用于：控制所述冷却系统的启动和冷却介质的流量，

当所述轴承外圈(11)的温度(T)达到第一阈值温度(T1)且环境温度(t)小于或等于第一环境温度(t1)时，所述控制器控制所述冷却系统不启动，冷却介质的流量为0；

当所述轴承外圈(11)的温度(T)达到所述第一阈值温度(T1)且所述环境温度(t)大于所述第一环境温度(t1)且小于第二环境温度(t2)时，所述控制器控制所述冷却系统开始启动，且控制冷却介质的流量为Q1；

当所述轴承外圈(11)的温度达到第二阈值温度(T2)，并且所述环境温度(t)大于所述第二环境温度(t2)时，所述控制器控制所述冷却系统持续运行，且控制冷却介质的流量为Q2，其中，Q2＞Q1。

10.如权利要求9所述的冷却系统，其特征在于，所述第一阈值温度(T1)为50℃，所述第二阈值温度(T2)为55℃，所述第一环境温度(t1)为30℃，所述第二环境温度(t2)为35℃。

11.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求1-10中任一项所述的冷却系统。

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