CN110725933A - 一种风电齿轮箱高效散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电齿轮箱高效散热系统，包括储液器、过滤器、温度传感器、压力传感器、调节阀、两相循环泵、中间换热器、齿轮油泵、冷凝器、管路和加排阀，储液器下端的出液口通过管路与两相循环泵连通，储液器与两相循环泵之间的管路上设有压力传感器，两相循环泵通过管路与中间换热器的相连通，中间换热器下方的冷进液口与两相循环泵连通，冷出液口与冷凝器相连通，冷凝器的出口与过滤器的入口相连通，冷凝器与过滤器之间的管路上设有加排阀，过滤器的出口通过管路与两相循环泵连通，两相循环泵与储液器的盘管之间设有旁路，中间换热器上方的热进液口与热出液口通过管路与齿轮油泵相连接。

Description

一种风电齿轮箱高效散热系统

技术领域

本发明属于风电热控技术领域，特别涉及一种风电齿轮箱高效散热系统。

背景技术

风力发电的风机齿轮箱采用润滑油润滑方式，机组运行过程中齿轮箱齿轮高速旋转会产生很高的热量，导致润滑油温度升高，如果热量不能有效的排散，齿轮箱油温升高，一方面影响风机发电能力，如当油温高于75℃时，风机一般会自动限制出力，从而保护风机。当齿轮箱油温高于80℃时，风机会自动报齿轮箱油温高而故障停机。此外齿轮箱油温的高低对齿轮油的各项化学性能指标影响也较大。因此，齿轮箱油温的高低也是衡量齿轮箱是否正常运行的一个重要条件。目前风机通过油水交换系统或者通过风冷换热器使润滑油温度降低。上述两种方式均存在瓶颈。

风冷换热器是目前广泛采用的齿轮箱散热方式，但是由于其换热能力有限导致在外界环境比较恶劣时油温容易超温，而且由于机舱空间限制，无法通过大量增加换热面积的方式来强化换热。利用油水交换系统将齿轮箱润滑油的热量传递给液冷回路，再通过液冷回路将热量传递给机舱外的风冷换热器，一般用乙二醇水溶液作为循环工质。这种方式传热能力优于风冷冷凝器，但这种方式也有其不足之处。一方面乙二醇水溶液冰点较高，当环境温度低于-30℃时，粘度增大，温度继续降低时可能发生冻结，因此其不能在有极端低温的场合使用，此外乙二醇水溶液与常见的回路材料铝、铜的相容性不好，容易发生腐蚀，腐蚀产物易阻塞回路，导致系统流量不断下降，换热能力也不断下降，这也是某些风机在使用一段时间后易发生齿轮箱超温的一个原因，腐蚀严重时甚至可能发生泄漏，对风机的维护要求高。除了上述两个原因外，随着风机功率不断增大，齿轮箱的功率也不断增大，采用上述散热方式的液冷系统流量不断增大，管路也不断变粗，使得整个液冷系统在机舱狭小的空间内布局困难。

发明内容

本发明的目的是针对风力发电系统风机齿轮箱散热的技术难点，提供一种风电齿轮箱高效散热系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种风电齿轮箱高效散热系统，包括储液器、过滤器、温度传感器、压力传感器、调节阀、两相循环泵、中间换热器、齿轮油泵、冷凝器、管路和加排阀，所述储液器下端的出液口通过管路与两相循环泵连通，所述储液器与两相循环泵之间的管路上设有压力传感器，所述两相循环泵通过管路与中间换热器的相连通，所述中间换热器下方的冷进液口与两相循环泵连通，中间换热器的冷出液口与冷凝器相连通，所述冷凝器的出口与过滤器的入口相连通，所述冷凝器与过滤器之间的管路上设有加排阀，所述过滤器的出口通过管路与两相循环泵连通，所述两相循环泵与储液器的盘管之间设有旁路，所述中间换热器上方的热进液口与热出液口通过管路与齿轮油泵相连接，齿轮油经过热进液口进入中间换热器，换热后，由热出液口流出。

所述储液器内安装热管，所述热管的下端伸出储液器与加热器连接，所述储液器内的中部径向设置盘管，所述盘管的外表面布置有翅片；

所述中间换热器包括芯体、面板和封头，所述芯体由多层散热板从上到下依次排布形成换热流道，所述散热板通过模具打褶挤压形成微槽道和翅片，所述芯体的上、下表面分别通过钎焊连接面板，所述芯体的四个侧面中面积较大的两侧面沿长度方向的两端分别通过钎焊连接一个封头，其中位于芯体一端的两个封头上分别设有两个进出液口，一个封头的上方设有热进液口，其下方设有热出液口，与其相对的封头的上方设有冷出液口，其下方设有冷进液口，冷进液口与热出液口相对，热进液口与冷出液口相对。

优选地，旁路的进液管路上设有调节阀。

优选地，所述储液器上还设有温度传感器。

优选地，所述散热板的材质为铝合金。

优选地，所述散热板的外表面喷涂金属颗粒。

优选地，所述芯体的表面通过烧结形成一种多孔层。

优选地，所述芯体的连接封头的两侧面下部分别钎焊三个安装耳片。

优选地，所述冷凝器采用铝制板翅式换热器，其风道为波纹式风道。

本发明的有益效果在于：

(1)换热能力强，在齿轮箱润滑油和传热工质换热的中间换热器内部发生相变换热，剧烈的两相换热过程减少了中间换热器两侧换热温差，从而降低了润滑油的温度，此外由于中间换热器采用表面处理的方式，进一步强化了沸腾换热，使得换热更充分。

(2)适应性强，本方法所采用的两相换热系统适应于各种外部环境，特别是在极低温度下不会发生冻结。

(3)温度控制准确，响应速度快，由于通过冷凝器出口的冷液体与热管上的加热器结合进行储液器温度控制，温度控制准确，相应速度快。

(4)安全性高，不导电的氟基工质，发生泄漏情况工质迅速挥发，不会对电子设备产生损害。

(5)两相循环泵与储液器的盘管之间设有旁路，旁路的进液管路上设有调节阀，当需要对储液器内工质进行降温时，打开调节阀，过冷工质进入储液器，可以对储液器内的工质进行冷却，结合加热器和储液器内部的盘管可以对储液器进行迅速的温度控制。

(6)中间换热器的散热板的外表面喷涂金属颗粒，强化两相换热，为了强化中间换热器内的沸腾换热，芯体的表面通过烧结形成一种多孔层，它能够对沸腾换热进行显著的强化，其中有大量的气化核心和较高的气泡脱离频率，同时其结构特点使得多孔层中可以建立起稳定的气液两相流。芯体的连接封头的两侧面下部分别钎焊三个安装耳片，以方便中间换热器的安装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为泵驱两相流体回路流程；

图2为储液器的结构示意图；

图3为中间换热器的结构示意图；

图4为中间换热器表面放大图；

图5为散热板的结构示意图。

附图标记说明：

1-储液器、2-过滤器、3-温度传感器、4-压力传感器、5-调节阀、6-两相循环泵、7-中间换热器、芯体71、面板72、封头73、731-热进液口、732-热出液口、733-冷进液口、734-冷出液口、安装耳片74、8-齿轮油泵、9-冷凝器、10-管路、11-加排阀、热管12、加热器13、盘管14。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1-5所示，本发明提供了一种风电齿轮箱高效散热系统，包括储液器1、过滤器2、温度传感器3、压力传感器4、调节阀5、两相循环泵6、中间换热器7、齿轮油泵8、冷凝器9、管路10和加排阀11，所述储液器1下端的出液口通过管路10与两相循环泵6连通，所述储液器1与两相循环泵6之间的管路10上设有压力传感器4，所述两相循环泵6通过管路10与中间换热器7的相连通，所述中间换热器7下方的冷进液口733与两相循环泵6连通，中间换热器7的冷出液口734与冷凝器9相连通，所述冷凝器9的出口与过滤器2的入口相连通，所述冷凝器9与过滤器2之间的管路10上设有加排阀11，所述过滤器2的出口通过管路10与两相循环泵6连通，所述两相循环泵6与储液器1的盘管14之间设有旁路，优选地，旁路的进液管路10上设有调节阀5。所述中间换热器上方的热进液口731与热出液口732通过管路10与齿轮油泵8相连接，齿轮油经过热进液口731进入中间换热器7，换热后，由热出液口732流出。

所述储液器1内安装热管12，所述热管12的下端伸出储液器1与加热器13连接，加热器13通过热管12将热量传递给储液器中1内的工质，实现对储液器1中工质的加热。所述储液器1的中部径向设置盘管14，所述盘管14的外表面布置有翅片(图中未画出)，翅片起到强化换热的作用，所述储液器1上还设有温度传感器3，所述盘管14内部流动有从冷凝器9出来的过冷工质，当需要对储液器1内工质进行降温时，打开调节阀5，过冷工质进入储液器1，可以对储液器1内的工质进行冷却，这样结合加热器13和储液器内部的盘管14可以对储液器1进行迅速的温度控制。

所述中间换热器7包括芯体71、面板72、封头73和安装耳片74，所述芯体71由多层散热板从上到下依次排布形成换热流道，所述散热板的材质为铝合金，所述散热板通过模具打褶挤压形成微槽道72和翅片71，所述散热板的外表面喷涂金属颗粒，强化两相换热，所述芯体71的上、下表面分别通过钎焊连接面板72，,所述芯体71的四个侧面中面积较大的两侧面沿长度方向的两端分别通过钎焊连接一个封头73，其中位于芯体71一端的两个封头73上分别设有两个进出液口，一个封头73的上方设有热进液口731，其下方设有热出液口732，与其相对的封头73的上方设有冷出液口734，其下方设有冷进液口733，优选地，为了强化中间换热器7内的沸腾换热，芯体71的表面通过烧结形成一种多孔层，它能够对沸腾换热进行显著的强化，其表面如图4所示，其中有大量的气化核心和较高的气泡脱离频率，同时其结构特点使得多孔层中可以建立起稳定的气液两相流。所述芯体71的连接封头的两侧面下部分别钎焊三个安装耳片74，以方便中间换热器7的安装。所述中间换热器7的其它结构与现有技术相同。

本系统中，

采用金属激光增材制造工艺制备微通道的中间换热器7，考虑到轻型化和高性能的平衡，选择铝合金作为材料。

冷凝器9采用铝制板翅式换热器(气-液换热)，并采用波纹式风道增大换热面积。

储液器1用于主通道中液体工质量的补偿，包括壳体和智能控制单元，其壳体一般由不锈钢材料制成，智能控制单元可以根据主通道的压力和温度响应确定是否补偿工质。工质的选型要根据使用场景和位置选择，本系统采用特有的冷媒作为循环工质。另外，两相循环泵6的选型要根据管道直径和系统压损的仿真结果来确定，并且要留有冗余和备份。

工作原理：

将整个本系统中的设备按照流程图通过管路10连接，通过加排阀11抽真空后加注一定量的工质。整个风电齿轮箱高效散热系统的核心是中间换热器7与控制系统温度的储液器1，储液器1中工质处于两相平衡状态，其温度和压力对应，当储液器1温度变化时其压力发生变化，从而改变蒸发温度和冷凝温度及冷凝器9的冷凝段长度，实现对整个回路的温度控制。

本系统中其它设备的作用：

冷凝器9：从中间换热器7出来的工质在冷凝器9中冷凝，将热量从泵驱两相流体回路向外部环境散热；

调节阀5：调节管路中工质流量；

管路10：用于形成流体能够在其中流动的回路；

两相循环泵6：两相循环泵6泵布置在回路中，以使流体在回路中循环；

过滤器2：对回路中的多余物进行过滤；

压力传感器4：对系统压力进行测量，防止系统超压产生安全故障，如压力过高系统停止工作；

温度传感器3：对储液器1温度进行测量，为储液器温度控制提供温度反馈；

加排阀11：对回路进行抽真空以及工质加注、泄出。

工作期间定期检查储液器1内部液位，当液位不足时对回路的工质进行补充。

本发明的优点是：

(1)换热能力强，在齿轮箱润滑油和传热工质换热的中间换热器7内部发生相变换热，剧烈的两相换热过程减少了中间换热器7两侧换热温差，从而降低了润滑油的温度，此外由于中间换热器7采用表面喷涂金属颗粒处理的方式，进一步强化了沸腾换热，使得换热更充分。

(2)适应性强，本方法所采用的两相换热系统适应于各种外部环境，特别是在极低温度下不会发生冻结。

(3)温度控制准确，响应速度快，由于通过冷凝器出口的冷液体与热管上的加热器结合进行储液器温度控制，温度控制准确，相应速度快。

(4)安全性高，不导电的氟基工质，发生泄漏情况工质迅速挥发，不会对电子设备产生损害。

(5)基于流动沸腾换热的风电齿轮箱高效散热系统在这方面相对单相换热均有显著优势，风电齿轮箱高效散热系统是利用工质在循环流动过程中的蒸发吸热和冷凝放热过程，进行热量收集、输运的热控系统。工质在循环泵的驱动下流动进入中间换热器，在进入中间换热器后工质吸收热量由单相变成汽液两相状态，两相流体经过冷凝器释放热量后由汽液两相变为液态，再进入循环泵，如此往复。

由于风电齿轮箱高效散热系统利用相变即蒸发-凝结过程传递热量，因此具有以下几个方面的优势。

a、换热的热流密度高。泵驱两相流体回路在中间换热器7处工质发生流动沸腾，换热系数可超过10W/cm²℃，比单相流动换热的换热系数高一个数量级。

b、热量传输能力强。相变过程利用液体的汽化潜热，液体的汽化潜热比单相液体的比热容高两个数量级。因此，所需的循环工质流量很小，泵功率和管道尺寸减小，整个系统重量和消耗功率将大幅度降低，此外整个传输过程温差较小，可以解决大功耗、长距离传输问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种风电齿轮箱高效散热系统，其特征在于，包括储液器、过滤器、温度传感器、压力传感器、调节阀、两相循环泵、中间换热器、齿轮油泵和冷凝器，所述储液器下端的出液口通过管路与两相循环泵连通，所述储液器与两相循环泵之间的管路上设有压力传感器，所述两相循环泵通过管路与中间换热器的相连通，所述中间换热器下方的冷进液口与两相循环泵连通，中间换热器的冷出液口与冷凝器相连通，所述冷凝器的出口与过滤器的入口相连通，所述冷凝器与过滤器之间的管路上设有加排阀，所述过滤器的出口通过管路与两相循环泵连通，所述两相循环泵与储液器的盘管之间设有旁路，所述中间换热器上方的热进液口与热出液口通过管路与齿轮油泵相连接，齿轮油经过热进液口进入中间换热器，换热后，由热出液口流出；

所述储液器内安装热管，所述热管的下端伸出储液器与加热器连接，所述储液器内的中部径向设置盘管，所述盘管的外表面布置有翅片；

所述中间换热器包括芯体、面板和封头，所述芯体由多层散热板从上到下依次排布形成换热流道，所述散热板通过模具打褶挤压形成微槽道和翅片，所述芯体的上、下表面分别通过钎焊连接面板，所述芯体的四个侧面中面积较大的两侧面沿长度方向的两端分别通过钎焊连接一个封头，其中位于芯体一端的两个封头上分别设有两个进出液口，一个封头的上方设有热进液口，其下方设有热出液口，与其相对的封头的上方设有冷出液口，其下方设有冷进液口。

2.如权利要求1所述的一种风电齿轮箱高效散热系统，其特征在于，旁路的进液管路上设有调节阀。

3.如权利要求1所述的一种风电齿轮箱高效散热系统，其特征在于，所述储液器上还设有温度传感器。

4.如权利要求1所述的一种风电齿轮箱高效散热系统，其特征在于，所述散热板的材质为铝合金。

5.如权利要求1所述的一种风电齿轮箱高效散热系统，其特征在于，所述散热板的外表面喷涂金属颗粒。

6.如权利要求1所述的一种风电齿轮箱高效散热系统，其特征在于，所述芯体的表面通过烧结形成一种多孔层。

7.如权利要求1所述的一种风电齿轮箱高效散热系统，其特征在于，所述芯体的连接封头的两侧面下部分别钎焊三个安装耳片。

8.如权利要求1所述的一种风电齿轮箱高效散热系统，其特征在于，所述冷凝器采用铝制板翅式换热器，其风道为波纹式风道。

Images