CN108661865B

CN108661865B - 包括冷却回路的用于风力涡轮机的机舱

Info

Publication number: CN108661865B
Application number: CN201810258614.8A
Authority: CN
Inventors: G.艾罗尔迪
Original assignee: Siemens Wind Power AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2020-08-11
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: US20180274522A1; CN108661865A; EP3382199A1; US10495068B2; EP3382199B1

Abstract

用于风力涡轮机的机舱包括发电机，其具有定子和转子以及在定子和转子之间具有空气间隙。定子包括环状支撑板。机舱内的冷却回路至少包括第一入口部分以用于将流体冷却介质引导到在定子和转子之间的间隙。冷却回路的第一入口部分至少包括在环状支撑板上的用于使冷却介质的至少一部分朝向空气间隙流动的入口孔和用于使得流体冷却介质在入口部分中流动的入口风扇。定子包括被附接到环状支撑板的周向外部结构，且冷却回路至少包括用于引导来自定子和转子之间的空气间隙的被加热流体介质的第二出口部分。第二出口部分至少包括在周向外部结构上的用于使被加热流体介质流出空气间隙的出口孔和用于使被加热介质在冷却回路的出口部分中流动的出口风扇。

Description

包括冷却回路的用于风力涡轮机的机舱

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机且因此包括由风力涡轮机的叶片驱动的发电机的机舱。机舱还包括用于将冷却介质引导到发电机的冷却回路。

背景技术

在上述技术领域中，发电机且具体地定子和转子必须被冷却，以便优化其效率并且实现产生的电功率的最高可能值。本领域中已知各种空气冷却系统，用于冷却在用于风力涡轮机的机舱内的发电机。

一种可能性是从外侧吸入冷却空气并且将其直接引导朝向发电机。这种解决方案的主要不便是外侧空气中的湿气和盐含量，这会导致发电机中的侵蚀，因此限制其寿命。为了避免这样的不便，可以形成使用已经存在于风力涡轮机内侧的空气的冷却回路。然而，这种解决方案的效率可低于通过使用来自外侧环境的空气可获得的效率。根据上述现有技术的冷却设置被示于US 2017/074251 A1和EP 2 182 629 A1中。

因此可能仍需要提供一种新的机舱，其包括用于在机舱内侧（具体地发电机内侧）的部件的效率和耐用性方面改善发电机的冷却的冷却回路。

发明内容

通过根据独立权利要求的主题来满足这种需要。本发明的有利实施例被从属权利要求描述。

根据本发明，提供一种用于风力涡轮机的机舱，其包括：发电机，其具有定子和转子以及在定子和转子之间具有空气间隙，定子包括环状支撑板；冷却回路，其至少包括用于将流体冷却介质引导到在定子和转子之间的间隙的第一入口部分，其中冷却回路的第一入口部分至少包括在环状支撑板上的用于使冷却介质的至少一部分朝向空气间隙流动的入口孔和用于使得流体冷却介质在入口部分中流动的入口风扇。定子包括被附接到环状支撑板的周向外部结构，并且冷却回路至少包括用于引导来自定子和转子之间的间隙的被加热流体介质的第二出口部分，第二出口部分至少包括在周向外部结构上的用于使被加热流体介质流出空气间隙的出口孔和用于使得被加热介质在冷却回路的出口部分中流动的出口风扇。

在本发明的机舱中设置的冷却回路包括第一入口部分，其可以被用于将流体冷却介质（具体是环境空气）从机舱的外侧通过被设置在定子内的孔引导到在定子和转子之间的空气间隙。在本发明的可能实施例中，第一入口部分可以设置有一个或更多个过滤器，以用于从流体冷却介质移除雾和冰。这允许将参考已知现有技术描述的两种空气冷却系统的优点结合。

有利地，一个或更多个附加的孔可以被设置在定子内以用于朝向机舱的外侧引导在定子和转子之间的空气内被加热的流体介质。这有助于为发电机和冷却回路二者提供紧凑的解决方案。

根据本发明的实施例，定子的周向外部结构具有叉形，该叉形带有从环状支撑板的周向边界离开的两个倾斜部分，出口孔被设置在所述倾斜部分中的一个上。

有利地，定子的周向外部结构可以被用于容纳定子节段和允许在定子和转子之间的空气中被加热的流体介质的流动这两种功能。

根据另外的实施例，冷却回路包括旁路，其连接冷却回路的第一入口部分和冷却回路的第二出口部分（120）。具体地，旁路可以在出口风扇和出口开口之间被连接到第二出口部分。

一个或更多个阀可以被用在第一入口部分和/或第二出口部分和/或旁路中，以用于控制在冷却回路中的冷却介质的流动，具体地用于控制在旁路中流动的被加热冷却介质的量。

有利地，在定子和转子之间的空气中被加热的流体介质可以被用于与进入机舱的新鲜冷却介质混合。这可以有助于减小进入机舱的冷却介质的湿度百分百，目的是为了促进冷却介质中盐晶体的形成，以便在它们到达发电机之前更容易地阻止它们。相对湿度的减小允许在潮湿空气中溶解的盐结晶。盐将仅在一定的相对湿度值（大约60%）之下开始结晶。因此，进入过滤器的空气湿度应该被保持在这个限度之下。一旦盐结晶，则能够使用具有低空气压降的标准的廉价过滤器来代替允许从具有较高湿度的空气移除盐的更昂贵的过滤器。

根据另外的实施例，冷却回路的第一入口部分包括在过滤器上游的混合腔室和在过滤器下游的入口风扇。有利地，在过滤器之前引入混合腔室以便增加空气在特定温度的停留时间及其混合。这促进了盐结晶。这种布局的另外的优点在于在入口风扇的过滤器下游的位置，因此其不会暴露于盐。这允许延长入口风扇的寿命并且使用适应较低侵蚀级别的环境的较便宜的风扇。

根据另外的实施例，沿冷却回路的第一入口部分或第二出口部分设置至少一个消音器。如果有必要遵守噪声规定的话，消音器允许噪声减少。

从之后描述的实施例的示例可以显而易见到本发明的以上限定的方面和另外的方面，并且参考实施例的示例解释了各方面。此后，将参考实施例的示例更加详细地描述本发明，不过本发明不限于这些示例。

附图说明

图1示出了包括根据本发明的机舱的风力涡轮机的上部的示意性截面。

图2示出了根据本发明的机舱的定子结构元件。

图3示出了包括图2的定子元件的定子组件。

图4示出了包括根据本发明的替代性实施例的机舱的风力涡轮机的上部的示意性截面。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应该注意，在不同附图中，类似或相同的元件或特征设置有相同附图标记或设置有与对应附图标记仅第一位不同的附图标记。为了避免不必要的重复，已经关于先前描述的实施例被说明的元件或特征在说明书的之后位置不再被说明。

图1示出了具有根据本发明的机舱10的风力涡轮机1。风力涡轮机1包括塔2，其被安装在未被描绘的基础上。机舱10被设置在塔2的顶部上。在塔2和机舱10的主体8之间设置偏航角度（yaw angle）调整装置，其能够绕未被描绘的竖直轴线旋转机舱10，其中该竖直轴线基本与塔2的纵向延伸部对齐。通过以适当方式控制偏航角度调整装置，能够确保在风力涡轮机1的正常操作期间，机舱10总是与当前风向适当地对齐。

在机舱10的主体8的前端上设置具有三个叶片（在附图中未被呈现）的轮毂9。

轮毂9被刚性地联接到可旋转轴6。被示意性描绘的轴承组件7被设置在机舱10内，以便支撑可旋转轴6和与其联接的轮毂9相对于机舱10的主体8的旋转。

机舱10包括发电机11，其在轮毂9和机舱10的主体8之间位于机舱10的前端处。根据电气工程的基本原理，发电机11包括定子组件20和转子组件30。

转子组件30被刚性地联接到可旋转轴6并且与其一起牢固地围绕轴承组件7旋转。定子组件20替代地被刚性地固定到机舱10的主体8。围绕定子组件20的周向边界，在定子组件20和转子组件30之间设置空气间隙31。在操作中，在空气间隙31中的温度升高。这样的温度必须被控制在一个限度之内，以保证将发电机的效率保持在可接受的值之内。

为了实现这样的范围，在机舱10的主体8内侧设置冷却回路100以用于将流体冷却介质引导到空气间隙31并且在其已经在空气间隙31中被加热之后将同样的流体冷却介质引导离开空气间隙31。以此方式，流体冷却介质从空气间隙31提取热。根据本发明的典型实施例，流体冷却介质是围绕机舱10的环境空气。

冷却回路100包括用于将流体冷却介质引导到空气间隙31的第一入口部分110。

入口部分110从机舱10的主体8的外壁134中的入口开口130延伸到空气间隙31。根据图1的实施例，入口开口130被设置在机舱10的主体8的后端上、与轮毂9相对。在入口开口130上，设置除雾器133，以便减少或消除在通过入口开口130进入机舱10的主体8的流体冷却介质中的雾含量。

在除雾器133下游，设置入口风扇140以用于使得流体冷却介质在冷却回路100的入口部分110内流动。在入口风扇140下游，设置过滤器150以用于阻挡流体冷却介质内含有的固体颗粒，例如灰尘和/或灰尘。

在过滤器150下游，流体冷却介质根据基本平行于可旋转轴6的轴向流（在图1中由主要箭头F代表）前进。该流在下游分开成两个子流，一个直接流到空气间隙31（在图1中由箭头F1代表）并且另一个（在图1中由箭头F2代表）通过被设置在定子组件20的内部环状支撑板21上的多个入口孔115流动到空气间隙31。

在空气间隙31中被加热之后，流体冷却介质径向地、即根据与可旋转轴6基本正交的方向（在图1和图3中由箭头F3代表）进入定子组件20。

冷却回路100包括第二出口部分120以用于引导被加热流体介质离开空气间隙31。第二出口部分120包括多个出口孔125，所述多个出口孔125被设置在被附接到定子组件20的环状支撑板21的周向外部结构22上。出口孔125让被加热流体介质流动离开空气间隙31，以便从发电机11提取热。

在出口孔125下游，冷却回路100的出口部分120包括导管160，该导管160将出口孔125连接到被设置在机舱10的主体8的外壁134上的出口开口131。根据图1的实施例，出口开口131被设置在机舱10的主体8的后端上、与轮毂9相对。通过出口开口131，被加热流体介质在围绕机舱10的周围环境中被释放。

在出口孔125和出口开口131之间，设置出口风扇141以用于使得被加热介质在冷却回路100的出口部分120内流动。

冷却回路100进一步包括旁路165，其连接冷却回路100的第一入口部分110和第二出口部分120。旁路165在入口开口130和入口风扇140之间被连接到第一入口部分110。旁路165在出口风扇141和出口开口131之间被连接到第二出口部分120。进入机舱10的新鲜冷却介质与来自空气间隙31的被加热冷却介质的混合提供了对在第一入口部分110中的流体冷却介质的预加热和相对湿度值的降低。较低的相对湿度值可以有助于在进入机舱的湿润空气中形成冰晶。这样的冰晶之后被更容易地阻挡在过滤器150中，以致阻止它们到达发电机11。

三个阀181、182、183被分别地设置在第一入口部分110、旁路165和第二出口部分120中，以用于控制冷却介质在冷却回路100中的流动。

第一阀181被设置在冷却回路100的第一入口部分110中，在旁路165上游，以用于控制冷却介质在第一入口部分110中的流动，并且具体地用于在发电机11闲置的情况下关闭冷却回路100的入口部分110。

第二阀182被设置在旁路165中，以用于控制被加热冷却介质在旁路165中的流动。以此方式，能够控制对进入第一入口部分110的冷却介质的预加热。

第三阀182被设置在冷却回路100的第二出口部分120中，在旁路165下游，以用于控制冷却介质在第二出口部分120中的流动，并且具体地用于在发电机11闲置的情况下关闭冷却回路100的出口部分120。

图2和图3更具体地示出了定子组件20。

定子组件20是关于旋转轴线6以同心方式被定位的环状结构。定子组件20包括围绕未被描绘的轴承组件的内部环状支撑板21，其提供在旋转轴线6和定子组件20之间的旋转支撑。

多个入口孔115被设置在定子20的内部环状支撑板21上、围绕环状定子20的轴线规则分布，即围绕旋转轴线6规则分布。

周向外部结构22被附接到且围绕内部环状支撑板21。周向外部结构22具有叉形，该叉形带有从环状支撑板21的周向边界27离开的两个倾斜部分24、26。定子20的周向外部结构22被用于容纳定子节段28，每个定子节段28均具有多个电线圈或绕组29。定子组件20的整个周边、相应地整个径向外边缘被这些定子节段28覆盖。

这两个倾斜部分24、26可以被区分成朝着轮毂9定向的前倾斜部分24和在相反方向上朝着机舱10的主体8的后端定向的后倾斜部分26。

多个出口孔125被设置在定子20的后倾斜部分26上、围绕环状定子20的轴线规则分布，即围绕旋转轴线6规则分布。

图4示出了具有根据本发明的机舱10的另一实施例的风力涡轮机1。相比于图1的第一实施例，图4的实施例本身的区别在于：

-第一入口部分110包括在过滤器150上游且在旁路165下游的混合腔室145，

-入口风扇140被设置在过滤器150下游，

-第一消音器146被设置在入口风扇140和过滤器150之间，

-第一入口部分110包括在出口风扇141下游且在旁路145上游的第二消音器147。

混合腔室145增加了空气在某一温度的停留时间及其混合，以便有助于盐结晶。因此位于过滤器150下游的过滤器风扇140不暴露于盐。

如果有必要遵守噪声规定的话，消音器146、147允许噪声减少。

应该注意到，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。同样，与不同实施例相关描述的元件可以相结合。还应该注意到，权利要求中的附图标记不解释为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种用于风力涡轮机（1）的机舱（10），包括：

发电机（11），其具有定子（20）和转子（30）以及在所述定子（20）和所述转子（30）之间具有空气间隙（31），所述定子（20）包括环状支撑板（21），

冷却回路（100），其至少包括第一入口部分（110）以用于将流体冷却介质引导到在所述定子（20）和所述转子（30）之间的所述空气间隙（31），

其中，所述冷却回路（100）的所述第一入口部分（110）至少包括在所述环状支撑板（21）上的用于使所述冷却介质的至少一部分朝向所述空气间隙（31）流动的入口孔（115）和用于使得所述流体冷却介质在所述第一入口部分（110）中流动的入口风扇（140），其中，所述定子（20）包括被附接到所述环状支撑板（21）的周向外部结构（22），并且所述冷却回路（100）至少包括用于引导来自所述定子（20）和所述转子（30）之间的所述空气间隙（31）的被加热流体介质的第二出口部分（120），所述第二出口部分（120）至少包括在所述周向外部结构（22）上的用于使所述被加热流体介质流出所述空气间隙（31）的出口孔（125）和用于使得所述被加热介质在所述冷却回路（100）的所述第二出口部分（120）中流动的出口风扇（141），

其中，所述冷却回路（100）的所述第一入口部分（110）包括在所述入口孔（115）上游的过滤器（150），并且所述冷却回路（100）的所述第一入口部分（110）包括在所述过滤器（150）上游的混合腔室（145）和在所述过滤器（150）下游的入口风扇（140）。

2.根据权利要求1所述的机舱（10），其中，所述周向外部结构（22）具有叉形，所述叉形带有从所述环状支撑板（21）的周向边界离开的两个倾斜部分（24、26），所述出口孔（125）被设置在所述倾斜部分中的一个（26）上。

3.根据权利要求1所述的机舱（10），其中，所述冷却回路（100）的第一入口部分（110）包括在所述入口风扇（140）上游的在所述机舱（10）的外壁（134）中的入口开口（130）。

4.根据权利要求3所述的机舱（10），其中，所述冷却回路（100）的所述第二出口部分（120）包括在所述机舱（10）的外壁中的出口开口（131）和将所述周向外部结构（22）上的所述出口孔（125）连接到所述出口开口（131）的导管（160）。

5.根据权利要求4所述的机舱（10），其中，所述冷却回路（100）包括旁路（165），所述旁路（165）连接所述冷却回路（100）的所述第一入口部分（110）和所述冷却回路（100）的所述第二出口部分（120）。

6.根据权利要求5所述的机舱（10），其中，所述旁路（165）在所述入口开口（130）和所述入口风扇（140）之间和/或在所述入口开口（130）和所述混合腔室（145）之间被连接到所述第一入口部分（110）。

7.根据权利要求5或6所述的机舱（10），其中，所述旁路（165）在所述出口风扇（141）和所述出口开口（131）之间被连接到所述第二出口部分（120）。

8.根据权利要求6所述的机舱（10），其中，至少一个阀（181、182、183）被设置在第一入口部分（110）和/或第二出口部分（120）和/或旁路（165）中，以用于控制所述冷却介质在所述冷却回路（100）中的流动。

9.根据权利要求1-6中的任意一项所述的机舱（10），其中，多个入口孔（115）被设置在所述定子（20）上、围绕所述定子（20）的轴线分布。

10.根据权利要求1-6中的任意一项所述的机舱（10），其中，多个出口孔（125）被设置在所述定子（20）上、围绕所述定子（20）的轴线分布。

11.根据权利要求1-6中的任意一项所述的机舱（10），其中，所述定子（20）与所述转子（30）同轴。

12.根据权利要求1-6中的任意一项所述的机舱（10），其中，所述冷却回路（100）的所述第一入口部分（110）和/或所述第二出口部分（120）包括至少一个消音器（146、147）。