CN110635626B - 电气设备及其换热介质输运装置，及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电气设备及其换热介质输运装置，及风力发电机组，换热介质输运装置包括输运管路、抽吸设备及变截面输运管道；抽吸设备抽吸换热介质至输运管路；输运管路输送至变截面输运管道，变截面输运管道向铁心输送换热介质，对铁心进行换热冷却；且变截面输运管道的入口至出口端，变截面输运管道截面积渐增或渐缩或渐缩后再渐增形成缩放流道。通过引风风机、输运管路，将换热介质进行收集、蓄压，为铁心提供相对持续的换热介质，减少换热介质阻力消耗，提高换热效率。变截面输运管道渐缩，使得换热介质被降温，提高后续进入铁心的换热效果；截面积渐增，流出的换热介质具有较高压力，能够绕过阻碍物到达铁心；缩放流道可实现降温和加速。

Description

电气设备及其换热介质输运装置，及风力发电机组

技术领域

本发明涉及铁心部件技术领域，具体涉及一种电气设备及其换热介质输运装置，及风力发电机组。

背景技术

铁心是磁路的重要组成部分，在电机、变压器等电器部件上均有应用。以电机为例，定子铁心、转子铁心以及定子和转子之间的气隙组成电机的磁路。在感应电机中，定子铁心中的磁通为交变磁通，因而会产生铁心损耗，称铁损。铁损包括两部分：磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗是由于铁心在交变磁化时磁分子取向不断发生变化而引起的能量损耗。涡流损耗是由于铁心在交变磁化时产生涡流并由涡流产生的电阻损耗。

磁滞损耗和涡流损耗均是电机热源的一部分，另一部分热源由电机绕组流过电流时产生。从传热学角度而言，以上所述的热源构成电机工作时的热源。

请参考图1-2，图1为空气间壁式换热器对发电机内部实施冷却的整机布局示意图；图2为图1中间壁式换热器的结构分解原理图。

如图1所示，发电机500’的右侧连接叶轮600’，左侧设有机舱100’，机舱100’内设置间壁式换热器300’，具体设置在机舱100’的尾部。间壁式换热器300’的左侧设有内循环引风风机202’，内循环引风风机202’由内循环驱动电机201’驱动，还设有内循环气流引出输运管路400’，发电机500’产热后的热气流，经内循环引风风机202’作用，将沿内循环气流引出输运管路400’进入间壁式换热器300’的换热器芯体中。

间壁式换热器300’还设有外循环引风风机102’，外循环引风风机102’由外循环驱动电机101’驱动，外循环引风风机102’将自然环境空气流引入至间壁式换热器300’的换热芯体中(芯体薄板的两侧分别接触流动的内循环气流和外循环气流)，则换热后的外循环气流流出机舱100’，图1中示出连接外部的外循环风排出口103’。内循环气流冷却降温后被引出间壁式换热器300’，并经过通风机叶轮做功、增压、出口以360度扩散在机舱的尾部空间内。

图2中，在引入内循环气流时，间壁式换热器300’和内循环气流引出输运管路400’之间还设有内循环汇流腔体203’，上下均设有内循环气流汇流入口203a’。外循环引风风机102’与间壁式换热器300’之间设有外循环引风风机入口连接段104’，内循环引风风机202’与间壁式换热器300’之间设有内循环引风风机入口连接段204’。

图1中，发电机500’的壳体处设有冷却气流入口孔板500a’，可参考图3理解，图3为图1中冷却气流入口孔板500a’的示意图。

扩散在机舱100’内的内循环流体，借助机舱100’内部空间，经冷却气流入口孔板500a’的入口孔500b’节流后进入发电机500’内部，作为冷却气流再次使用。冷却气流入口孔板500a’属于节流件，非圆形孔板节流件造成的局部通流阻力更大。

请继续参考图4-6，图4为电机绕组及其铁磁部件组装后的示意图；图5为图3中绕组020置于开口槽010b内的局部示意图；图6为沿径向贯通的冷却通风沟040在电机铁心上形成的示意图；图7为发电机定子径向铁心内叠片间的冷却通风沟040和上述间壁式换热器300’配合的冷却气流流动输运路径示意图。

电机铁心包括多个由铁磁材料制造的叠片010，叠片010沿轴向叠置，最终形成铁心，并与铁心支架030紧固。各叠片010沿其周向设有多个沿径向延伸的齿部010a，各个齿部010a之间形成开口槽010b，叠片010沿着特定方向，如轴向叠加后，多个开口槽010b沿轴向叠加则形成轴向延伸的绕组槽010b’，绕组020可容纳于绕组槽010b’中。

大、中型水轮发电机大都采用径向通风系统。具体是在定子铁心段设计有一定数量的冷却通风沟040。形成冷却通风沟040的通风槽片由扇形冲片(多个扇形冲片围合可形成环形的上述的叠片010)、通风槽钢(图中未示出)、衬口环(图中未示出)形成。

扇形冲片材料一般为0.35～0.5mm厚的酸洗钢板。酸洗钢板表面要求平整、光滑、不得有氧化皮或其他污迹。扇形冲片需要与通风槽钢点焊，扇形冲片径向内端设有鸽尾槽，衬口环位于扇形冲片的鸽尾槽处。

如图6所示，叠片010叠置后，焊接有通风槽钢的位置，由于叠片010 被通风槽钢撑开，会出现沿定子铁心径向延伸的通槽，即通风槽钢的位置形成径向的可用于冷却的冷却通风沟040。上述提到扩散在机舱100’尾部的降温冷却后的气流，经冷却气流入口孔板后，进入发电机500’内部，如图7 所示，进入内部的冷却气流可经该径向贯通的冷却通风沟040进入铁心内部，将所产热量带走，并流向汇流通道070，继而进入热风引出汇流器050，在内循环引风风机202’的作用下，沿内循环气流引出输运管路400’进入间壁式换热器300’的换热器芯体中翅片构成的片间缝隙并沿着缝隙流动，重新进行接受换热器芯体内换热翅片另一侧的外循环冷却气流的冷却换热过程，并经汇流器060，依靠引风风机202’吸入引风风机叶轮并接受叶轮做功、升压、沿着叶轮径向，排出至机舱100’的尾部空间，然后再扩散，由于内循环引风风机202’的作用，给联结机舱的发电机的冷却气流入口孔板500a’的机舱100’侧造就了负压，内循环引风风机202’出口是正压，在正压与负压之间形成的压力差驱动作用下，机舱100’内大空间气流再与机舱100’内壁对流换热(随季节不同会出现向机舱100’内壁放热或被机舱100’内壁加热的不同情形)、同时与机舱100’内机器设备换热、与机舱100’内电气设备换热，最后经冷却气流入口孔板500a’重新进入发电机500’内，重复上述过程。即机舱100’内部形成内循环气流的闭式送风通道，如图7中的外围的箭头所示，形成环形的闭式送风通道。

然而，上述方案在冷却铁心时，效果依然不够理想。

发明内容

本发明提供一种铁心的换热介质输运装置，用于输运换热介质流向所述铁心进行换热冷却，所述换热介质输运装置包括输运管路、抽吸设备以及变截面输运管道；

所述抽吸设备抽吸换热介质至所述输运管路；

所述输运管路输送所述换热介质至所述变截面输运管道，所述变截面输运管道向所述铁心输送换热介质，对所述铁心进行换热冷却；且，所述变截面输运管道的入口端至所述出口端，所述变截面输运管道的通流截面积渐增或渐缩或渐缩后再渐增形成缩放流道。

通过抽吸设备、输运管路，将换热介质进行收集、蓄压，为铁心提供相对持续的换热介质，减少换热介质阻力消耗，提高换热效率。变截面输运管道渐缩，使得换热介质被降温，提高后续进入铁心的换热效果；截面积渐增，流出的换热介质具有较高压力，能够绕过阻碍物到达铁心；缩放流道可实现降温和加速。

可选地，所述输运管路的出口端同时连通多个平行布置的所述变截面输运管道。

可选地，所述输运管路的出口端为通流截面积渐增的扩压输运段。

可选地，所述输运管路的扩压输运段与所述变截面输运管道的入口端之间具有等截面设置的整流输运管段。

可选地，多个所述变截面输运管道呈直线排列，或呈弧形排列。

可选地，所述变截面输运管道的外周设有干燥器。

可选地，所述干燥器为环绕于所述变截面输运管道外周的电磁感应涡流加热器。

可选地，所述换热介质输运装置包括一个以上的所述输运管路，各所述输运管路向对应的所述变截面输运管道输送换热介质，以向所述铁心的不同位置输送换热介质。

可选地，所述换热介质为气流或液体介质，所述抽吸设备对应为引风风机或油泵或压气机。

可选地，所述变截面输运管道的入口端、出口端高度大致相等。

可选地，还包括涡流分离器，所述涡流分离器包括喷管和涡流分离管，所述涡流分离管包括涡流室和分别位于所述涡流室两端的冷端管段和热端管段；所述喷管连通于所述涡流室，压缩气流经所述喷管形成螺旋气流且沿所述涡流室的切向流入；

所述冷端管段截面积小于所述涡流室截面积，所述热端管段截面积等于或大于所述涡流室截面积；

所述热端管段内设有具有阀口的阀门，所述阀门具有锥面，所述螺旋气流进入所述涡流分离管后，所述螺旋气流的外部气流向所述阀口流动并逐渐升温为热气流后沿所述阀口流出；所述螺旋气流的中部气流经所述阀门的锥面后反向回流而降温为冷气流，并从所述冷端管段流出，冷气流作为换热介质输送至所述输运管路。

可选地，所述涡流室的一端设有通孔，所述冷端管段的管体连通于所述通孔；所述涡流室与所述热端管段一体等径设置。

可选地，所述阀门包括锥状的节流件，所述节流件的锥端朝向所述冷端管段，所述节流件位于所述热端管段的中部，所述节流件与所述热端管段的内壁之间形成的环形间隙为所述阀口；且，所述冷端管段的轴线与所述节流件的轴线重合。

可选地，所述换热介质输运装置包括压气机，所述压气机向所述涡流分离器提供压缩气流。

本发明还提供一种电气设备，所述电气设备包括铁心，其特征在于，所述电气设备还包括如上任一项所述的铁心的换热介质输运装置。

可选地，所述电气设备为变压器或电机，所述换热介质为气流或液体介质，所述抽吸设备抽吸气流或液体介质进入所述变压器的铁心进行换热冷却。

可选地，所述铁心具有径向贯通所述铁心的冷却通道，所述换热介质能够流入并流出所述冷却通道；所述冷却通道的入口设有输入流体部件，出口设有输出流体部件；沿所述换热介质的流动方向，所述输入流体部件的通流截面积渐缩，所述输出流体部件的通流截面积渐增。

可选地，所述输入流体部件位于所述冷却通道的径向外侧，所述输出流体部件位于所述冷却通道的径向内侧；或，所述输入流体部件位于所述冷却通道的径向内侧，所述输出流体部件位于所述冷却通道的径向外侧。

可选地，所述输出流体部件和所述输入流体部件，二者的截面呈矩形或圆形。

本发明还提供一种风力发电机组，包括铁心，还包括如上任一项所述的铁心的换热介质输运装置；

所述风力发电机组还包括发电机和机舱，所述抽吸设备、所述输运管路位于所述机舱内，所述变截面输运管道位于所述发电机内。

可选地，所述机舱内还设有间壁式换热器，从所述铁心换热流出的内循环气流经所述间壁式换热器冷却，冷却后的所述内循环气流由所述抽吸设备抽吸入所述输运管路内，所述换热介质为所述内循环气流；

或，所述抽吸设备直接抽吸来自于所述机舱外环境的空气流，进入所述输运管路，所述空气流为所述换热介质，且所述抽吸设备的抽吸口处设有空气过滤器。

可选地，所述间壁式换热器的冷却气流的出口朝向所述铁心。

电气设备和风力发电机组包括铁心的换热介质输运装置，与铁心的换热介质输运装置具有相同的技术效果。

附图说明

图1为空气间壁式换热器对发电机内部实施冷却的整机布局示意图；

图2为图1中的间壁式换热器的结构分解原理图；

图3为图1中冷却气流入口孔板的示意图；

图4为电机绕组及其铁磁部件组装后的示意图；

图5为图4中绕组置于开口槽内的局部示意图；

图6为沿径向贯通的冷却通风沟在电机铁心上形成的示意图；

图7为发电机定子径向铁心内叠片间的冷却通风沟和上述间壁式换热器配合的冷却气流流动输运路径示意图；

图8为本发明所提供的发电机及其换热介质输运装置第一实施例的结构示意图；

图9为图8中引风风机抽吸气流至输运管路的局部示意图；

图10为图8中变截面输运管道的示意图；

图11为多个变截面输运管道平行叠加布置的示意图；

图12为图8中输运管路的扩压输运段、整流输运管段、变截面输运管道的连通示意图；

图13为多个变截面输运管道弧形布置的示意图；

图14为本发明所提供的发电机及其换热介质输运装置第二具体实施例的结构示意图；

图15为变截面输运管道沿输送方向，输运截面渐增的结构示意图；

图16为本发明所提供的发电机及其换热介质输运装置第三具体实施例的结构示意图；

图17为图16中的涡流分离器的原理图；

图18为图17中的喷管的截面图；

图19为图17中的涡流分离器内的内部流场图；

图20为自由涡流和强制涡流的对比示意图；

图21为图17中的涡流分离器内部工作过程的热力学温-熵(T-S)图；

图22为铁磁部件的冷却通道设有输入流体部件和输出流体部件的示意图；

图23为图22中输出流体部件的放大示意图；

图24为图22中输入流体部件的放大示意图；

图25为输出流体部件的第一实施例示意图；

图26为输入流体部件的第一实施例示意图；

图27为输出流体部件的第二实施例示意图；

图28为输入流体部件的第二实施例示意图。

图1-7中，附图标记说明如下：

100’机舱、101’外循环驱动电机、102’外循环引风风机、103’外循环风排出口、104’外循环引风风机入口连接段、201’内循环驱动电机、202’内循环引风风机、203’内循环汇流腔体、204’内循环引风风机入口连接段；

300’间壁式换热器；400’内循环气流引出输运管路；500’发电机、 500a’冷却气流入口孔板、500b’入口孔；

600’叶轮；

010叠片、010a齿部、010b开口槽、010b’绕组槽；

030铁心支架、040冷却通风沟、050热风引出汇流器、060汇流器、 070汇流通道；

图8-22中，附图标记说明如下：

100机舱、200发电机、201磁轭、202磁极、203绕组、204铁心、205 输出流体部件、206输入流体部件、207汇流通道、300间壁式换热器、400 输运管路、401扩压输运段、500引风风机、501叶轮、501a动压力转化流道、600驱动电机、700变截面输运管道、701入口端、702出口端、800 整流输运管段、900叶片；

50第一汇流器、20第二汇流器、30空气过滤器、40干燥器；

60空气过滤器、70压气机；

10涡流分离器、101涡流分离管、101a涡流室、101a1端板、101b热端管段、101c冷端管段、101d冷端、101e热端、102喷管、103节流件。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图8，图8为本发明所提供的发电机200及其换热介质输运装置第一实施例的结构示意图；图9为图8中引风风机500抽吸气流至输运管路400的局部示意图，图右侧示出左侧引风风机500的叶轮501，输运管路400是将引风风机500出口能量进行转化的输运结构。

该实施例中，以风力发电设备为例，风力发电设备包括发电机200和机舱100，发电机200内设有铁心204(示于图22)，图8中，发电机200 后方设有机舱100，前方设有叶片900及其轮毂、导流罩等，换热介质输运装置的一部分位于机舱100内。换热介质流向铁心204进行换热冷却，换热介质同时可以起到干燥铁心204及其绕组的作用，在本实施例中，换热介质选为空气，具体为在机舱100和发电机200之间循环流动的内循环气流。

换热介质输运装置包括输运管路400和抽吸设备，二者位于机舱100 内，抽吸设备具体是引风风机500，引风风机500将作为换热介质的内循环气流抽吸入输运管路400。如图9所示，引风风机500具体包括叶轮501 和驱动叶轮501转动的驱动电机600，叶轮501的叶片之间形成动压力转化流道501a，将作为换热介质的内循环气流抽吸压入输运管路400内。

输运管路400再输送内循环气流至铁心204，进行换热冷却，较低温度的内循环气流也可以用于干燥铁心204及其绕组(文后内循环气流可进一步干燥后输出)。如图8所示，输运管路400的输出端沿输送方向通流截面积渐增，定义为扩压输运段401，换热介质为气流时，则扩压输运段401 的内腔可称为集气腔，扩压输运段401的通流截面积渐增设置有利于汇流、蓄压，使得内循环气流在扩压输运段401处聚集升压后，向下游进行输送，而且设置如下所述的整流输运管段800时，可减小多个整流输运管段800 入口前的压力差距。

请结合图8，并查阅图10-12，图10为图8中变截面输运管道700的示意图；图11为多个变截面输运管道700平行叠加布置的示意图；图12 为图8中输运管路400的扩压输运段401、整流输运管段800、变截面输运管道700的连通示意图。

如图12所示，内循环气流在扩压输运段401的集气腔增压后，可进入整流输运管段800，整流输运管段800呈等径截面设置，使得在扩压输运段401增压后的内循环气流的一部分能量能够在整流输运管段800内(由无序能转化为有序能，有利于蓄压后流体介质输运的持续进行，经整流输运管段800整流后再进入变截面管道700，截面渐缩时，变截面管道700在输运加速同时可降温输运。这里，整流输运管段800与变截面输运管道 700可以分体，也可以一体设置。

如图10所示，变截面管道700的入口端701连通输运管路400的扩压输运段401，具体则是通过整流输运管段800连通扩压输运段401，变截面管道700的出口端702则向所述铁心204输送内循环冷却用气流，或干燥用气流。并且，如图10、11所示，变截面管道700的入口端701至出口端 702，通流截面积渐缩。

下面对本方案设置变截面管道700的原理进行说明：

1、变截面输运管道700流体输运遵守的连续性方程

如图10、11所示，下面公式中，变截面输运管道700的入口端701 截面参数的角标为1，出口端702截面参数的角标为2，对应的换热介质的质量流量分别为q_m1、q_m2，流速为c_f1和c_f2，比体积(或比容)为υ₁和υ₂，通流截面积为A，在入口端701、出口端702的变截面输运管道700的截面面积分别为A₁和A₂。入口端701的截面和出口端702的截面之间没有再引进或再排出气体，根据质量守恒原理有：

对上式两边同时微分，并整理得到：

公式(1)称之为变截面输运管道700流体输运遵守的连续性方程式，上述的变截面输运管道700的管内腔即形成变截面输运管道700。借助公式(1)可描述变截面输运管道700内流体的流速、比体积、和流道通流截面积之间的关系，表明变截面输运管道700内的通流截面积的增加率与变截面输运管道700内输运的流体的流速的增加率的代数和等于变截面输运管道700内流体的比体积的增加率。可见，对于气体，变截面输运管道700 的通流截面积的变化规律不仅取决于流速的变化，还与气体的比体积变化有关。

2、变截面输运管道700的稳定流动能量方程式

在变截面输运管道700内作稳定流动时的气体，服从稳定流动能量方程式的约束，即：

其中：

q-代表输运过程的吸热量，单位：kj/kg；

h-代表输运过程气体的焓，单位：kj/kg；

g-代表重力加速度；

z-代表变截面输运管道700入口端或出口端(相对于水平参考基准点) 的竖直高度；

w_i-代表气体流过变截面输运管道700在其内部所做的功(可以为零，即不做功)。

公式(2)表达变截面输运管道700内气体流动时的能量变化遵守的基本关系式。

气体在绝热流动过程中，因受到某种物体(例如，电机内部入口、出口、过程通道的固体部件表面)的阻碍使得气体流速降为零的过程称为绝热滞止过程。在本案这里，热气流正对着电机铁心表面及槽楔表面、还有穿越绕组端部时的表面撞击瞬间，到达表面时的瞬间即为气流的滞止状态。据能量方程式(2)，当气流绝热滞止时速度为零，故滞止时气体的焓h₀为：

式中h₀称为总焓或滞止焓，它等于任一截面上气流的焓和其动能的总和。气流滞止时的温度和压力分别称为滞止温度和滞止压力，用T₀和p₀表示。绝热滞止对气流所起的作用与绝热压缩无异，对于空气，

式4中，T和c_f分别是任一截面上气流的热力学温度和流速。据绝热过程方程式，空气流的滞止压力为

式中p和T分别是任一截面上气流的压力和温度。

根据公式(1)

这里，内循环气流从变截面输运管道700的入口端701进入、从出口端702流出，则截面积变化率

为负值，比体积的变化率

为正值，带入到公式(1)中，则

必然为正值，也就是说经变截面输运流道后，内循环气流的流速必然增加。

根据公式(2)，

气体流经变截面输运管道700内部并未做功，即：w_i＝0，变截面输运加速同时降温输运的管道700在安装时，可呈水平或大致水平状态，或者出口端702和入口端701高度差较小，比如(z₂-z₁)＝0.2～0.6(m)，其在表达式中，数值大小所占的权重相比其它项可以忽略不计，另外，整个过程无吸热和放热时，q＝0。如此，可得出：

如上所述

为正值，即

为正值，则(h₂-h₁)-为负值，即气体的焓减小，如焓的定义“焓指单位质量的物质所含的全部热能”或处于流动的流体携带的总能量中除宏观机械能意外的能量，可知，内循环气流在从变截面输运管道700的入口端701至出口端702流出后获得高速气流，气流所含的热能减少，属于气流的降温过程，从变截面输运管道700输送出的内循环气流得到进一步的降温，从而能够向铁心204输送更低温度的冷却用的气流，提高换热效果。

综上，本实施例方案可产生如下技术效果：

一、通过引风风机500、输运管路400，将换热介质进行收集、蓄压，从而向铁心204输送换热介质，为铁心204提供相对持续的换热介质或干燥介质，可减少换热介质在传输过程的阻力消耗(动力源头的功率消耗)，提高换热效率，为铁心204快速降温。尤其是，当换热介质为内循环介质(比如上述的内循环气流)时，可充分利用内循环介质的能量，节省能效。

发明人研究发现，背景技术方案在机舱100’内设置间壁式换热器300’，借助外循环自然环境空气流冷却内循环气流。但内循环气流在间壁式换热器300’内冷却后，经引风风机叶轮流道获得的能量(气流携带的压力能和动能)直接排放在机舱100’内，相当于360度扩散在机舱100’的尾部空间，而机舱100’内的局部阻力系数接近1，通流面积相比引风风机的出口面积几乎等于无限大突扩，本质属于向无限大空间实施淹没射流，淹没射流的结果就是搅动机舱尾部空间的原有气流，搅动后射流气流动能衰减、混合气流使得射流气流无序化，是低品位能量的标志，这是典型的高品质机械能无为地向低品质热能自动转化的现象，也是能量的自然浪费，也就是引风风机赋予气流的能量在出口后没有再做用于传输或输运的推动力的工作，即：出口后的扩散等于引风风机的无用功表现。因此，此种方式将换热冷却后的内循环气流几乎99％以上的动能扩散在空间中，流动动能损失殆尽。

而如上所述，本实施例方案通过引风风机500和输运管路400将内循环气流进行收集、蓄压，可大幅度降低动能损失。

而且，背景技术中内循环气流充满在机舱100’空间，此时，与机舱100’内壁接触的内循环气流会接受机舱100’内壁的加热(白天时段或自然环境较高温度时段)，被间壁式换热器降温冷却后的内循环气流的换热效果在没有进入发电机内部流道之前其冷却能力就已经降低。相较而言，本方案中引风风机500将换热介质由换热器芯体抽吸引出并升压输运到输运管路400 中，则可以借助换热介质输运装置的这一环节(输运管路400形成动压力转化腔)，即将引风风机500的源头能量进行动能转化结构的部件，将引风风机500出口气流动能的一部分转化为压力能，既降低了出口局部损失又获得了利于输运管路400输运气流的足够压头(专业术语，克服输运过程消耗的能量相当于电源的电动势)。为了减少输运过程沿程损失或避免受到外界高温环境的影响，输运管路400内部表面尽可能光滑、降低摩擦热的同时作成绝热管路，以保持进入发电机200内部后的冷却效果。

二、由于变截面输运管道700的设置，换热介质由变截面输运管道700 最终输送至铁心204时，如上所述，渐缩的变截面输运管道700使得换热介质可以进一步被降温而无需制冷装置，从而提高后续进入发电机200内部对铁心204的冷却换热效果。

而如背景技术方案，内循环气流需要绕流机舱100’的底座穹形空间(蒙古包式的铸件结构，开口朝向发电机500’)，最后经过电机冷却气流入口孔板，如图3所示，在气流进入发电机500’定子支架内空间之前，冷却气流入口孔板的矩形开口使得内循环气流进入的局部阻力损失非常大，消耗了气流的动能。相较而言，本实施例方案不再采用冷却入口孔板，而是利用变截面输运管道700的输运装置进入铁心204，变截面输运管道700是整个介质输运装置的一个重要多功能环节，可大幅降低介质输运能耗，且还达到介质自动降温的效果。

请继续参考图11，本实施例中换热介质输运装置包括多个平行布置的变截面输运管道700，多个变截面输运管道700的入口端701同时连通所述输运管路400的扩压输运段401。如图11所示，多个变截面输运管道 700排成一直线列，多个入口端701位于一侧，形成入口端701平面，多个出口端702位于另一侧。如此设置，多个变截面输运管道700可以在更大范围内均匀地向铁心204输出换热介质，可完全替代背景技术中所述的冷却气流入口孔板，产生更优的技术效果。

图11中，多个所述变截面输运管道700呈直线排列，显然不限于此。如图13所示，图13为多个变截面输运管道700弧形布置的示意图。

此时，多个变截面输运管道700依然排成一列，但是并非直线列，而是呈弧形列，多个入口端701位于一侧，但并不位于同一平面，而是相互错离，多个入口端701形成近似弧面，多个出口端702也大致位于同一弧面。即，多个变截面输运管道700的排布方式不受限制，可以按照铁心204 所在设备的结构进行适应性设计。

请继续参考图8，扩压输运段401与变截面输运管道700的连通路径并非直通，变截面输运管道700的入口端701与扩压输运段401的出口具有一定的角度，即扩压输运段401流出的换热介质可以拐弯一定角度后再流向变截面输运管道700。这样，有利于扩压输运段401的蓄压，避免换热介质流速过快地进入变截面输运管道700内，与整流输运管段800入口固体部件发生撞击而损失气流的动能。

请继续参考图12，可以在变截面输运管道700的外周设有干燥器40。干燥器40能够加热以干燥变截面输运管道700内的换热介质(此时，公式 (2)中的q＞0)，具体是内循环气流(或者其他换热介质)，以使变截面输运管道700能够输出干燥的气流至铁心204，干燥后的换热介质进入铁心204后，有利于保持发电机200内部流道、绝缘材料，在雨、雪天气后恢复干燥的环境和状态，保护绝缘构件的绝缘性能。当然，可以在铁心204 不工作或者处于小功率工作状态下，且由于阴雨天气或者其他潮湿因素而导致铁心204可能处于潮湿环境时，启动干燥器40，此时，铁心204不产热或者产热量很低，不具有冷却需求，而此时的变截面输运管道700恰好作为干燥气流的流通管道，主要起加热干燥气流介质的作用。

干燥器40具体可以是图12所示的环绕于所述变截面输运管道700外周的电磁感应涡流加热器，电磁感应涡流加热器结构简单，易于缠绕在变截面输运管道700的外周，选用其他类型的干燥器也是可以的。

上述实施例中，换热介质输运装置可以包括一条以上的输运管路 400，图8中示出两条输运管路400。设置两条或者更多的输运管路400，可以将机舱100内的内循环气流进行收集、蓄压，并从不同的位置输送至铁心204位置处，提高换热均匀度和换热效率。图8中，即向发电机200 的上部、下部分别进行供冷却用的内循环气流的输送，驱动电机600同时驱动两个叶轮501转动，两个叶轮501对应于两条输运管路400。可以理解，可以设置更多数量的输运管路400。

以上实施例中，在具体描述时，换热介质为内循环气流。如图8所示，机舱100内设有间壁式换热器300，从铁心204换热流出的内循环气流经间壁式换热器300换热冷却，冷却后的内循环气流由引风风机500抽吸、引出后压入所述输运管路400内。该种发电机200结构，由于设置间壁式换热器300，内循环气流和外循环气流不接触，可以避免外界的气流将水分等杂质携带入机舱100、发电机200内，保持发电机200相对外部自然环境稳定、隔离风霜雨雪、沙尘的工作环境。

另外，背景技术中提到的设置间壁式换热器300’时，其出口位于且朝向机舱100’的尾部。而本方案实施例，间壁式换热器300的出口朝向铁心 204，如图8所示，这样输运管路400和引风风机500设于间壁式换热器 300的出口位置，可以减少内循环气流的行程，减少沿程损失。

可以理解，换热介质也不限于是内循环气流，如图14所示，图14为本发明所提供的发电机200及其换热介质输运装置第二具体实施例的结构示意图。

在该实施例中，引风风机500直接抽吸来自于机舱100外环境的空气，进入输运管路400，此时，可以在引风风机500抽吸口处设置空气过滤器 30，以过滤空气中的杂质、水分等，而换热介质输运装置的其他结构与第一实施例相同。可以理解，该实施例中设置换热介质输运装置的技术效果与图8所示第一实施例相同，只是其利用外环境的气流作为换热介质对发电机200的铁心204进行冷却，成本相对较低，但对于内环境的保护力度或效果次于图8所示的实施例。

请继续参考图15，图15为变截面输运管道700沿输送方向，截面渐增的结构示意图。上述实施例中，以变截面输运管道700沿输送方向渐缩为例进行说明，该实施例中，变截面输运管道700也可以是沿气流的输送方向，即自入口端701至出口端702，通流截面积渐增。

由公式(1)可知，此时的

为正值，

为负值，

必然为负值，也就是说经变截面输运管道700的变截面输运管道700后，内循环气流的流速必然减小。

再从力学的观点来看，要使气体流速改变必须有压力差。气流经过变截面输运管道700时，只要进出口之间有足够的压力差。从热力学第一定律解析式可知：

dh＝-υdp (4)

再结合上述公式(3)，

也可以转化为微分方程：

公式(4)、(5)中，c即流速，h为焓，v为比体积。

将公式(4)代入公式(5)，得：

cdc＝-υdp (6)

从公式(6)可看出，气流速度增加(dc＞0)，必导致气体的压力下降(dp＜0)；气流速度下降(dc＜0)，必导致气体的压力升高(dp＞0)。则，当变截面输运管道700设置为通流截面积渐增时，气流的流速会降低，但气流的压力会升高。该种设置更适应于发电机200壳体内部结构较为复杂的情形，例如变截面输运管道700的出口端702难以正对铁心204，可能被其他构件遮挡的情况下，可将变截面输运管道700设置为通流截面积渐增的方式，从而使得从变截面输运管道700流出的换热介质具有较高的压力，借助它能够提供克服以上入口流道各个环节局部阻力的推动力，绕过阻碍物而到达铁心204的位置，且仍然还有较高的流速，进行换热冷却，该较高的流速可支持换热速率。

关于气流在变截面输运管道700中流动时，还会遵循其他的规律，比如流速和声速的关系。声速是微弱扰动在连续介质中所产生的压力波传播的速度。在气体介质(比如空气)中，压力波的传播过程可近似看作定熵过程，拉普拉斯声速方程为：

因此，声速不是一个固定不变的常数。在流动过程中，对应流道的各个截面上气体的状态在不断地变化着，所以各个截面上声速也不断地变化。为了区分不同状态下气体的声速，引入“当地声速”的概念。所谓“当地声速”就是指所考虑的流道某一截面上的声速。通常把气体的流速与当地声速的比值称为马赫数，用符号Ma表示：

马赫数是研究气体流动特性的一个很重要的数值。当Ma＜1，即气流速度小于当地声速时，称为亚声速；当Ma＝1时，气流速度等于当地声速；当Ma＞1时，气流速度大于当地声速，气流为超声速。

根据公式(7)、(8)及理想气体的定熵过程方程式pυ^k＝常数，整理可得：

其中，f-流道通流的横截面积；M-马赫数；c-流道通流的横截面法向的平均流速)，公式(9)指出了变截面输运管道700内的通流截面积变化与气流速度变化的关系。

1、当进入变截面输运管道700内的气流速度是Ma＜1的亚声速气流时，当需要借助变截面输运管道700使气流获得升压的同时减速时，即：dc ＜0，公式(9)等号右边为正值，必须使df＞0才能满足方程的要求。这表明沿着气流流动方向变截面输运管道700的通流截面积应逐渐扩大。

2、当进入变截面输运管道700内的气流速度是Ma＜1的亚声速气流时，当需要借助变截面输运管道700使气流获得降低温度的同时获得加速时(为了直接获得强化换热速率立即提高的换热情况时)，即：dc﹥0，公式(9)等号右边为负值，必须使df﹤0才能满足方程的要求。这表明沿着气流流动方向变截面输运管道700的通流截面积应逐渐缩小。在缩小到使气流速度达到当地声速时，为了或超声速气流需要再渐扩流道，即：采用缩放流道。

3、当进入变截面输运管道700内的气流速度是Ma＞1的超声速气流时，当需要借助变截面输运管道700使气流获得升压的同时减速时，即：dc ＜0，公式(9)等号右边为负值，必须使df＜0才能满足方程的要求。这表明沿着气流流动方向变截面输运管道700的通流截面积应逐渐减小。

4、如气流速度在变截面输运管道700中由Ma＞1的超声速气流一直降到Ma＜1的亚声速气流，则变截面输运管道700的通流截面积应df＜0 经过最窄截面处而变化到df＞0(即：采用缩放流道)。

请继续参考图16，图16为本发明所提供的发电机及其换热介质输运装置第三具体实施例的结构示意图。

上述实施例中描述的换热介质输运装置，其利用输运管路400将经间壁式换热器300换热冷却后的冷却气流进行蓄压输送。在此基础上，本实施例还进一步提供冷却气流的产生装置，并将产生的冷却气流也输送至输运管路400中，该冷却气流的产生装置即图16中所示的涡流分离器10。下面先介绍涡流分离器10的工作原理。

请继续参考图16，并结合图17-18理解，图17为图16中涡流分离器的原理图；图18为图16中喷管102的截面图。

图17中，涡流分离器10包括喷管102和涡流分离管101，喷管102 连通于涡流分离管101的侧壁，涡流分离管101的内腔与喷管102正对的部分形成涡流室101a，涡流室101a的一端(图17中的左端)为冷端管段 101c，另一端(图17中的右端)为热端管段101b，冷端管段101c的出口为输出冷气流的冷端101d，热端管段101b的出口为输出热气流的热端 101e，涡流室101a的一端端板101a1设有通孔，这里定义为冷端孔板，冷端管段101c与该通孔连通，如图17所示，冷端管段101c是截面积小于涡流室101a的相对较细的细管段。而涡流室101a和热端管段101b是等径管段，二者可一体或分体设置，一体设置更为简单。

涡流分离器10的喷管102是将压缩气体的压力能转化为高速气流携带动能的能量转化部件，喷管102可包括进口段、主体段、出口段，出口段设有喷嘴，以喷出气流。气流经喷管102后可形成螺旋气流，如图18所示，喷管102内部设有旋流板，即喷管102的出口段为蜗壳，气流进入喷管102 后可形成螺旋气流输出，喷管102要求切向连通涡流室101a，即喷嘴喷出的螺旋气流沿涡流分离管101的切向旋入涡流分离管101内。蜗壳可将气流均匀地分配到喷管102出口段的喷嘴处，且尽可能地减少能量损失，并保证蜗壳内圆上的气流流动是轴对称流动。

由于冷端管段101c截面积较小，则对于进入涡流室101a内的螺旋气流而言，冷端101d孔板处的阻力较大，切向旋入涡流分离管101内的气流向反向的热端管段101b流动。这里，热端管段101b的截面积可以等于或大于涡流室101a的截面积，以保证螺旋气流会向热端管段101b的方向流动。

在热端管段101b内还设有具有锥面的阀门，具体如图17所示的锥状的节流件103，节流件103的锥端的朝向与螺旋气流流动方向相反，图17 中螺旋气流从喷管102进入涡流分离管101后，自左向右螺线流动，流动至节流件103时，螺旋气流的外部气流可从阀门流出，即沿节流件103和涡流分离管101之间的环形间隙流出并升温为热气流，如图17所示，热气流从热端管段101b的热端101e流出。

而螺旋气流的中部气流会碰到节流件103，在与节流件103的锥面碰撞、引导后，会反向回旋流动，形成回流气流，在流动过程中，会逐渐降温，冷却气流的温度可大幅度降低，温度可降低至-50～10摄氏度。这里所述的外部气流和中部气流是相对于螺旋气流的中心线而言，靠近中心线附近的螺旋气流为中部气流，远离中心线靠近螺旋气流径向最外侧的气流，为外部气流。为保证螺旋气流向热端管段101b流动以及回流的行程，以形成热气流和冷气流，节流件103可设于热端管段101b的末端。

以上要求螺旋气流经阀门后可以形成反向流动的螺旋气流，所以设置锥状的节流件103，从回旋的螺旋气流的形成而言，阀门只要具有一定范围内的锥面即可，比如，是圆台状(即没有锥尖，而是锥形的一段)，或者是沿轴向剖开的半锥等。但可以理解，为了较好地形成雍塞效应，并能够较好地引导成回流的螺旋气流，优选的方案是将阀门设置呈图17所示的完整的锥形。另外，锥形的节流件103的轴线与冷端管段101c的轴线重合，这样在回流的螺旋气流旋向冷端管段101c，有利于气流的旋进，可减少能量损失。

可见，该涡流分离器10，可产生将同一股气流进行温度分离的分离效应，获得冷、热两股气流，且是两种温度高低十分悬殊的气流。该涡流分离器10是基于龙卷风的现象研发而成。

龙卷风是自然界中在特定大气条件下产生的强旋风现象，海洋中在特定条件下也会产生自水面向海底垂直传播的大洋旋涡。典型龙卷风的气流结构显示龙卷风中心是一个漏斗型或喇叭形的尖锥体。这个锥体是龙卷风的旋聚区，该锥体的旋向与外围充满尘土的上升的热气流的旋向相同，但中心锥体内气流的轴向流动方向与外围上升气流相反，呈现下降气流。在自然环境中实际跟踪测量一个龙卷风中心锥体冷气流的下降流速可达到 17米/秒。当中心锥体的锥尖一旦触及发散时(相当于聚射)，龙卷风就会迅速强化，而且锥尖随之消失，变为截锥体。当外围热气流边旋转边上升，到达上层冷云层底面或同温层时，会立即呈现喇叭口型水平旋射发散并改变旋转方向反向旋转抛出。空气绕龙卷的轴快速旋转，受龙卷中心气压极度减小的吸引，在近地面几十米厚的薄层空气内，气流从四面八方被吸入涡旋的底部，并随即变为绕轴心高速向上旋转的涡流，所以龙卷中的风总是气旋性，其中心的气压比周围气压低百分之十，一般可低至400hPa，最低可达200hPa。龙卷风具有很大的吸吮作用，可把海水或湖水吸离海面或湖面，形成水柱，然后同云相接，俗称“龙取水”。

龙卷风的能量来源：一是龙卷风外围气流的热能，另一是涡心低压区的真空能。龙卷风外围气流的高温气体与龙卷风相互作用，使得热能转化为旋转动能，机理通过Crocco定理解释。Crocco定理是基于能量守恒的热力学第一定律在流体旋涡场中得出的。该定理定量表达了旋涡场中热力学焓的梯度、熵的梯度与涡流旋转强度的关系。大气中的温差及上下对流是龙卷风旋涡形成的前提条件，而使龙卷风旋涡得以增强的能量则来自周围的热能。龙卷风外围的上升热气流与旋涡中心的下降冷气流形成的热力学焓的梯度成为大气热能转化为漩涡流动动能的关键因素。在龙卷风依靠热能达到一定强度之后，进一步的强化则需要依靠涡心低压区的真空能。龙卷风中心的下锥体与外围气流同旋向。该锥体内的气流边旋转下降同时向中心聚集。当其向心加速度超过一定的临界值之后，径向聚集过程并在科氏力的作用下通过粘性扩散对径向外围气流产生加速旋转的作用。

即龙卷风存在总温分离现象，本实施例章提供的涡流分离器10就是比拟龙卷风，而设置喷管102将进入的压缩气流形成螺旋气流，可看作为小尺度的龙卷风的螺旋状流动，这样可以在涡流分离管101内模拟出龙卷风的总温分离，继而形成所需的热气流和冷气流。

以上是从自然界追寻本方案的机理，下面继续对涡流分离器10温度分离效应的原理进行说明。

请参考图19-20，图19为图17中涡流分离器10内的内部流场图；图 20为自由涡流和强制涡流的对比示意图。

根据能量守恒法则，从涡流分离管101中流出的冷却气流、热气流的能量总和应等于进入涡流分离器10的喷管102内的压缩气体的能量(前提是涡流分离器10绝热良好)。因此，在涡流分离器10中必然存在能量再分配的过程，使一部分能量从冷却气流转移到热气流中。

首先，向喷管102提供压缩气体，后称为高压气体，可设置压气机70，由压气机70提供压缩气体，为避免提供的冷却气流影响发电机200的内部环境，还可以设置空气过滤器60。

压缩气体的气流在涡流分离器10的喷管102中膨胀加速，在进入涡流分离管101的涡流室101a时速度可以接近音速，如果采用缩放型的喷管 102，则速度会超过音速。由于气流在喷管102中迅速膨胀通过，可近似认为是一绝热过程，气流在喷管102出口喷嘴处的流速非常大，其相应的热力学温度将大大低于喷管102入口处的温度，即经过一次降温。

当气流切向进入涡流分离管101的涡流室101a后，会沿涡流室101a 的内壁继续作螺线运动，形成高速的旋转气流，气流刚出喷管102时，存在V＝const或ω·r＝const，其中，V是气流切向速度，ω为角速度，r为喷管102的半径，此类旋转又称为自由涡流，如图20所示，图20示出自由涡流和强制涡流的切向速度、角速度的区别。此时气流在涡流室中的运动轨迹可以看作是沿着阿基米德螺线运动。下面分析冷却气流和热气流的形成过程。

热气流的形成：由于刚出喷管102的气流的流动是自由涡流，角速度沿着半径方向存在梯度，引起了气流径向层间的摩擦，使螺旋气流的外部气流的角速度逐渐升高，而螺旋气流的中部气流的角速度逐渐降低，但因流动很快，历经路程短，螺旋气流还没有达到完全的强制涡流，而是向其中心部分发展，螺旋气流的外部气流会在热端管段101b中沿着螺线运动，既具有旋转运动，又具有轴向运动，运动过程中外部气流与热端管段101b 的内壁摩擦，外部气流的速度越来越低，温度逐渐升高，最终从节流件103 和热端管段101b之间的环形空隙流出。通过调节节流件103和热端管段 101b之间的间隙，可以调节冷、热气流的比例。

冷气流的形成：气流刚出喷管102属于自由涡流，在离心力的作用下，同时受到冷端管段101c的冷端101d孔板的阻隔，会贴近热端管段101b 的内壁向节流件103处流动。在流动过程中，由于轴向速度的逐步耗散，此旋流运动至轴向某个位置时其轴向速度已经接近于零，可以定义为滞止点。此时，由于中部气流在滞止点处的聚集，压力不断上升，滞止点处的压力会高于冷端管段101c的出口处的冷端101d压力，便会在热端管段 101b的中心区域产生反向的轴向运动，即从滞止点处开始出现回流气流，逐渐降温形成冷气流，即二次降温。在滞止点处，外部气流的总温比中部气流的总温高。此逆向流动在向冷端管段101c运动过程中，不断有外层的部分螺旋气流转向汇入，因而逐步壮大，在达到冷端101d孔板时其逆向流量达到最大。

如图19所示，在涡流分离管101的同一流道截面上，外部气流的最外层气流静压最大，而中部气流位于中心轴线上的最中心气流静压最小，在接近喷管102的喷嘴处的截面上，该截面的最大静压和最小静压的比值为最大，比值可达到1.5-2，静温则在涡流分离管101的壁面处最高，而在中心轴线上最低。

在任一流道截面上，任一点气流的切向速度都占主导地位。在喷管102 的喷嘴附近，气流的径向速度和轴向速度都达到最大值，且沿着各自的方向逐渐减弱。

如前所述，气流离开喷嘴后沿着切向进入涡流分离管101内，分为两个区域，外部气流沿涡流分离管101内壁切向旋转趋于热端管段101b的热端101e出口，即外层区域的外部气流形成自由涡流。中部气流自设置节流件103的位置回流，受周围自由涡流的驱动，然后经过摩擦，气流如同刚体一样转动的内层区域(中部气流)会转变成或接近强制涡流。

外部和中部两个区域的分界，即外部气流和回流的中部气流视冷流率的大小而定，从图19可看出冷、热气流的边界。在整个涡流分离管101 的长度上，边界的界面一般位于距离中心轴线0.65-0.75R的范围内，即中部气流在径向上的流动范围，R为涡流分离管101的半径。从喷管102的喷嘴到节流件103之间的外部气流的轴向流动在半径0.65-1R之间的范围进行，即外部气流在径向上的流动范围。在内部区域，中部气流朝着相反的方向流动，流动正好从节流件103处开始。

中部气流的中心气流温度在节流件103处最高，反向流动逐渐降温，而到达冷端101d孔板处时最低。最大温差即出现在中心轴线方向，最高温度在节流件103对应的中心轴线处，最低温度在冷端101d孔板对应的中线轴线处。对于内层的中部气流而言，即冷气流，其静温在中心轴线处最低，在与外层气流的分界的界面处达到最高。

在涡流分离管101的流道的任一截面上，总温在接近涡流分离管101 的内壁面处最高，在中心轴线上最低。在喷嘴处的流道截面，涡流分离管 101的壁温和中心轴线温度之差达到最大值。

对于涡流分离器10的总温分离效应，可参考图21，图21为图17中涡流分离器10内部工作过程的热力学温-熵(T-S)分析图。从图21可看出，涡流分离器10的确将进入喷管102的压缩气流进行了温度分离。

图21中，点4为气体压缩前的状态，即进入压气机70前的状态。点 4-5为气流的等熵压缩过程。点5-1为压缩气体的等压冷却过程。点1表示压缩气体进入涡流分离器10的喷管102前的状态，在理想条件下绝热膨胀到p₂压力，随之温度降低到T_s，即点2a状态。点2为涡流管流出的冷气流状态，其温度为T_c。点3为分离出的热气流状态，其温度为T_h。点1-2 和点1-3为冷、热气流的分离过程。3-3′为热气流经过节流件103的节流过程，节流前后比焓值不变。

由于整个工作过程中，气流在喷管102中不可能作等熵膨胀。涡流室 101a内外层气体之间的动能交换存在一定的损失，且涡流室101a内存在的向中心热传递过程，使气流在点1-2过程偏离绝热膨胀过程，造成涡流分离管101分离出来的冷气流温度T_c总高于绝热膨胀条件下的冷气流温度 T_s。

再请看上述实施例中涡流分离器10的冷却效应和加热效应。

涡流分离管101在工作过程中使温度T₁的气体分离为温度为T_c的冷气流和温度为T_h的热气流。因此，ΔT_c＝T₁-T_c称作涡流分离管101的冷却效应，ΔT_h＝T_h-T₁被称作涡流管的加热效应。将ΔT_s＝T₁-T_s定义为等熵膨胀效应，以标志涡流分离管101的理论冷却效应。因此，涡流分离管101 制冷的有效性用冷却效率η_c表示，即：

其中，p₁-涡流分离器10进口气流压力；p₂-气流在喷管102中膨胀进入涡流室101a后的压力；k-气体(如空气)的绝热指数。

另外，涡流分离器10在工作过程，存在流量及热量的平衡，如下：

若以q_m1、q_mc、q_mh分别表示进入涡流分离管101的高速气流、冷端 101d的冷气流和热端101e的热气流的流量，则q_m1＝q_mc+q_mh。

若以h₁、h_c和h_h(KJ/Kg)分别表示它们的比焓，忽略气体流出时的动能，则q_m1h₁＝q_mch_c+q_mhh_h。

冷气流量比

气体焓值与温度对应关系h＝C_pT；

得到：T₁＝μ_cT_c+(1-μ_c)T_hT；

还可以得到涡流分离管101的制冷量，如下：

涡流分离管101制冷量Q₀(kW)为：

Q₀＝q_mcc_p(T₁-T_c)＝μ_cq_m1c_pΔT_c；

则每一千克冷气流的制冷量为

若对于每一千克高压气体而言，其单位制冷量q₀可表示为：

再请看涡流分离管101的制热量Q_h(kW)：

Q_h＝q_mhc_p(T_h-T₁)＝(1-μ_c)q_m1c_pΔT_h；

每一千克热气流的制热量为

若对于每一千克高压气体而言，其单位制热量可表示为：

上述的涡流分离管101的冷却效应ΔT_c＝T₁-T_c和单位制冷量 q₀，与以下因素有关，即冷气流分量μ_c、喷管102的进口工作压力p₁、气流中的水汽含量。

冷气流分量μ_c，当冷气流分量值变化时，ΔT_c和q_o均有相应变化，而且在μ_c＝0～1的范围内有最大值存在。当μ_c＝0.3～0.35时，ΔT_c有最大值；而当μ_c＝0.6～0.7时，q_o达到最大值。同时，加热效应也随着μ_c变化而改变，当μ_c增大时ΔT_h不断增大，且无极限存在。

喷管102的进口工作压力p₁，当p₁增大时，ΔT_c和q_o均增大。但增大时ΔT_c的最大值向μ_c减小的方向移动，q_o的最大值则向μ_c增大的方向移动。

气体潮湿时，冷气流中水汽要凝结放热，故制冷温度上升，冷却效率降低；热气流温升减少，加热效应降低。

以上详细介绍了涡流分离器10的原理，可分离出热气流和冷气流，冷气流可作为上述的冷却气流，并将其输送到输运管路400中，如图16所示，涡流分离器10的冷气流可经连接管10a进入输运管路400。涡流分离器10 的冷气流可以作为经间壁式换热器300流出的冷却气流的补充、替换。涡流分离器10以及空气过滤器60、压气机70可以设于机舱100内。

请继续参考图22-28，图22为铁磁部件的冷却通道设有输入流体部件 206和输出流体部件205的示意图；图23为图22中输出流体部件205的放大示意图；图24为图22中输入流体部件206的放大示意图；图25为输出流体部件205的第一实施例示意图；图26为输入流体部件206的第一实施例示意图；图27为输出流体部件205的第二实施例示意图；图28为输入流体部件206的第二实施例示意图。

如图22所示，发电机200包括磁轭201、磁极202，位于磁极202内侧的为铁心204，铁心204上设有绕组203。铁心204具有径向贯通所述铁心204的冷却通道，冷却通道可以是背景技术中所述的冷却通风沟，即当铁心204由叠片叠置形成时，可以设置槽钢撑开分离相邻的上下叠片，形成冷却通道。也可以改造部分叠片，使部分叠片具有径向通槽，部分叠片叠置后，径向通道叠加形成冷却通道，对多个叠片的径向通槽作不等宽设计，则叠加形成的冷却通道的截面可以是圆形、椭圆形等。

以上实施例所述的换热介质经所述变截面输运管道700输送后，能够流入并流出所述冷却通道，从而与铁心204完成换热。

具体如图23、24所示，冷却通道的入口设有输入流体部件206，出口设有输出流体部件205，且输入流体部件206的截面沿输入方向渐缩，输出流体部件205的截面沿输出方向渐扩。

结合以上的公式分析可知，当换热介质进入输入流体部件206时，由于通流截面积的渐缩设置，可以继续获得降温的效果同时降低入口环节消耗的输运阻力，即进入冷却通道内的换热介质进一步冷却，从而提升换热速率；另外，进入铁心204的冷却通道的换热介质的流速会增加，可进一步提高与铁心204表面对流传热的换热速率，以使换热介质可以更为顺畅地进入铁心204的冷却通道内进行换热。输出流体部件205的通流截面积沿输出方向渐扩，则同样根据以上的公式分析，换热介质的流速降低，但压力会提升，流速降低后，可避免换热介质从输出流体部件205流出后以较高速度撞击到其他构件而损失动能；这里，借助它将气流压力自动获得提升并使得换热介质易于从铁心204的冷却通道中流出，继而容易被收集，也是防止换热介质从输出流体部件205流出后散落在铁心204之外而损失能量，即：既避免了气流动能损失又获得了推动气流流动的压力能，这个压力能是借助输出流体部件205将被浪费的动能转化而来。

上述所述的输出流体部件205和输入流体部件206，既是换热介质输运装置的一部分，又是无旋转部件的输运装置的一部分，输运的特征在于降低了介质输运的阻力。

请继续参考图22，换热介质从冷却通道的输出流体部件205输出后，可进入汇流通道207，由汇流通道207进入第一汇流器50，然后进入机舱 100内的间壁式换热器300，换热后流入第二汇流20器，在引风风机500 作用下输送至输运管路400，重复上述步骤。

图22中，输入流体部件206位于铁心204的冷却通道的径向外侧，输出流体部件205位于铁心204的冷却通道的径向内侧。显然，输入流体部件206也可以位于铁心204的冷却通道的径向内侧，输出流体部件205位于所述铁心204的径向外侧。即用于冷却的换热介质在冷却通道内，可从外向内地流动，也可以从内向外地流动。

如图25-28所示，输入流体部件206和输出流体部件205，截面可以呈矩形或圆形，也可以是其他形状。当截面呈圆形时，阻力较小，为更为优化的方案。输入流体部件206、输出流体部件205可以是独立的分体部件，安装于铁心204的冷却通道的入口、出口位置，比如可以通过焊接、压装(低温冷却后装入冷却通道入口或出口，常温膨胀与冷却通道过盈配合)。铁心204也可以一体形成输出流体部件205和输入流体部件206，铁心204一般由叠片叠置形成，故可以依靠叠片叠置形成输出流体部件205 和输入流体部件206，具体而言，多层叠片形成尺寸不同的开口，叠置后成型为上述形状的输出流体部件205和输入流体部件206。

以上实施例以风力发电机200为例说明铁心204的换热介质输运装置的工作过程，可以理解，凡是设有铁心204的电气设备，都可以采用该换热介质输运装置，例如变压器、电机。变压器和电机具有铁心204，其上一般绕置有线圈，也具有冷却降温的需求。同样设置换热介质输运装置，利用引风风机500、输运管路400以及变截面输运管道700向变压器的铁心204输送冷却的换热介质，进行换热冷却，原理与上述实施例相同。

另外，上述实施例中的换热介质以空气为例(内循环气流或是外界的空气流)，采用的抽吸设备为引风风机500(也可以是压气机等)，实际上，其他换热介质也同样可以，例如液体介质，更具体可以是机油。比如，与变压器为例，对于以油冷方式进行散热的变压器，这里的换热介质可以是机油，抽吸设备具体可以是油泵，以抽吸从变压器的铁心204换热后流出的机油，冷却后重新泵送进入输运管路400，继而输入铁心204。铁心204 的冷却通道同样可设置上述的输入流体部件206、输出流体部件205。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.铁心（204）的换热介质输运装置，用于输运换热介质流向所述铁心（204）进行换热冷却，其特征在于，所述换热介质输运装置包括输运管路（400）、抽吸设备以及变截面输运管道（700）；

所述抽吸设备抽吸换热介质至所述输运管路（400）；

所述输运管路（400）输送所述换热介质至所述变截面输运管道（700），所述变截面输运管道（700）向所述铁心（204）输送换热介质，对所述铁心（204）进行换热冷却；且，所述变截面输运管道（700）的入口端（701）至出口端（702），所述变截面输运管道（700）的通流截面积渐增或渐缩或渐缩后再渐增形成缩放流道；

所述输运管路（400）的出口端同时连通多个平行布置的所述变截面输运管道（700）；所述输运管路（400）的出口端为通流截面积渐增的扩压输运段（401），所述变截面输运管道（700）的入口端（701）与所述扩压输运段（401）的出口具有一定的角度，所述扩压输运段（401）流出的换热介质拐弯一定角度后再流向所述变截面输运管道（700）;

所述输运管路（400）的扩压输运段（401）与所述变截面输运管道（700）的入口端（701）之间具有等截面设置的整流输运管段（800）;多个所述变截面输运管道（700）呈弧形排列;所述变截面输运管道（700）的外周设有干燥器（40）;所述干燥器（40）为环绕于所述变截面输运管道（700）外周的电磁感应涡流加热器;

所述换热介质输运装置包括一个以上的所述输运管路（400），各所述输运管路（400）向对应的所述变截面输运管道（700）输送换热介质，以向所述铁心（204）的不同位置输送换热介质。

2.如权利要求1所述的铁心（204）的换热介质输运装置，其特征在于，所述换热介质为气流或液体介质，所述抽吸设备对应为引风风机（500）或油泵或压气机。

3.如权利要求1-2任一项所述的铁心（204）的换热介质输运装置，其特征在于，所述变截面输运管道（700）的入口端（701）、出口端（702）高度大致相等。

4.如权利要求1-2任一项所述的铁心（204）的换热介质输运装置，其特征在于，还包括涡流分离器（10），所述涡流分离器（10）包括喷管（102）和涡流分离管（101），所述涡流分离管（101）包括涡流室（101a）和分别位于所述涡流室（101a）两端的冷端管段（101c）和热端管段（101b）；所述喷管（102）连通于所述涡流室（101a），压缩气流经所述喷管（102）形成螺旋气流且沿所述涡流室（101a）的切向流入；

所述冷端管段（101c）截面积小于所述涡流室（101a）截面积，所述热端管段（101b）截面积等于或大于所述涡流室（101a）截面积；

所述热端管段（101b）内设有具有阀口的阀门，所述阀门具有锥面，所述螺旋气流进入所述涡流分离管（101）后，所述螺旋气流的外部气流向所述阀口流动并逐渐升温为热气流后沿所述阀口流出；所述螺旋气流的中部气流经所述阀门的锥面后反向回流而降温为冷气流，并从所述冷端管段（101c）流出，冷气流作为换热介质输送至所述输运管路（400）。

5.如权利要求4所述的铁心（204）的换热介质输运装置，其特征在于，所述涡流室（101a）的一端设有通孔，所述冷端管段（101c）的管体连通于所述通孔；所述涡流室（101a）与所述热端管段（101b）一体等径设置。

6.如权利要求5所述的铁心（204）的换热介质输运装置，其特征在于，所述阀门包括锥状的节流件（103），所述节流件（103）的锥端朝向所述冷端管段（101c），所述节流件（103）位于所述热端管段（101b）的中部，所述节流件（103）与所述热端管段（101b）的内壁之间形成的环形间隙为所述阀口；且，所述冷端管段（101c）的轴线与所述节流件（103）的轴线重合。

7.如权利要求4所述的铁心（204）的换热介质输运装置，其特征在于，所述换热介质输运装置包括压气机（70），所述压气机（70）向所述涡流分离器（10）提供压缩气流。

8.电气设备，所述电气设备包括铁心（204），其特征在于，所述电气设备还包括如权利要求1-7任一项所述的铁心（204）的换热介质输运装置。

9.如权利要求8所述的电气设备，其特征在于，所述电气设备为变压器或电机，所述换热介质为气流或液体介质，所述抽吸设备抽吸气流或液体介质进入所述变压器的铁心进行换热冷却。

10.如权利要求8所述的电气设备，其特征在于，所述铁心（204）具有径向贯通所述铁心（204）的冷却通道，所述换热介质能够流入并流出所述冷却通道；所述冷却通道的入口设有输入流体部件（206），出口设有输出流体部件（205）；沿所述换热介质的流动方向，所述输入流体部件（206）的通流截面积渐缩，所述输出流体部件（205）的通流截面积渐增。

11.如权利要求10所述的电气设备，其特征在于，所述输入流体部件（206）位于所述冷却通道的径向外侧，所述输出流体部件（205）位于所述冷却通道的径向内侧；或，所述输入流体部件（206）位于所述冷却通道的径向内侧，所述输出流体部件（205）位于所述冷却通道的径向外侧。

12.如权利要求10所述的电气设备，其特征在于，所述输出流体部件（205）和所述输入流体部件（206），二者的截面呈矩形或圆形。

13.风力发电机组，包括铁心（204），其特征在于，还包括如权利要求1-7任一项所述的铁心（204）的换热介质输运装置；

所述风力发电机组还包括发电机（200）和机舱（100），所述抽吸设备、所述输运管路（400）位于所述机舱（100）内，所述变截面输运管道（700）位于所述发电机（200）内。

14.如权利要求13所述的风力发电机组，其特征在于，所述机舱（100）内还设有间壁式换热器（300），从所述铁心（204）换热流出的内循环气流经所述间壁式换热器（300）冷却，冷却后的所述内循环气流由所述抽吸设备抽吸入所述输运管路（400）内，所述换热介质为所述内循环气流；或，

所述抽吸设备直接抽吸来自于所述机舱（100）外环境的空气流，进入所述输运管路（400），所述空气流为所述换热介质，且所述抽吸设备的抽吸口处设有空气过滤器（30）。

15.如权利要求14所述的风力发电机组，其特征在于，所述间壁式换热器（300）的冷却气流的出口朝向所述铁心（204）。

Images