專利名稱：具有熱交換器的風力渦輪發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風力渦輪發(fā)電機，其包括熱交換器和第一和第二冷卻線路，用于 冷卻風力渦輪發(fā)電機中的發(fā)熱源，例如齒輪箱或發(fā)電機的。本發(fā)明還涉及用于一般目的的 熱交換器和利用這樣的熱交換器冷卻發(fā)熱源的方法。
背景技術(shù)：
通常，風力渦輪發(fā)電機(WTG)具有一或多個轉(zhuǎn)子葉片，其可繞安裝在吊艙中的水 平軸線旋轉(zhuǎn)。吊艙可繞豎直軸線樞轉(zhuǎn)以便將轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動到與風向適當對正的位置。一或 多個轉(zhuǎn)子葉片以取決于風和轉(zhuǎn)子葉片上的空氣動力學結(jié)構(gòu)的速度旋轉(zhuǎn)，以便驅(qū)動發(fā)電機而 將風能轉(zhuǎn)換為電能。典型地，發(fā)電機通過中間齒輪箱連接著轉(zhuǎn)子葉片，該中間齒輪箱被布置 成用于將轉(zhuǎn)子葉片本來的低轉(zhuǎn)速提升至更高級別的轉(zhuǎn)速。用于將風能轉(zhuǎn)換為電能的齒輪箱和發(fā)電機都損失熱量形式的能量。其它電氣元件 例如逆變器和變壓器也在WTG中產(chǎn)生熱量。類似地，機械元件例如軸承可能產(chǎn)生不理想的 熱量值。來自WTG中各種發(fā)熱源的額外熱量必須被散發(fā)到WTG的周圍環(huán)境中，以便確保WTG 的穩(wěn)定且延長的操作。先前的用于冷卻WTG發(fā)熱元件的方案包括空氣冷卻通風系統(tǒng)和水冷卻系統(tǒng)。盡管 如此，這些系統(tǒng)要么太復(fù)雜而不適合實際應(yīng)用，要么不能提供對WTG發(fā)熱元件中充分和可 靠的冷卻。由于當前的趨勢是將風力渦輪發(fā)電機安置在遠程地點和/或嚴酷的條件下(例 如海岸)，因此迫切需要改進冷卻系統(tǒng)。實際中，冷卻系統(tǒng)最好是相對輕便，以便為風力渦輪 發(fā)電機吊艙中的其它元件提供空間。因此，改進的風力渦輪發(fā)電機將是有利的，并且特別地，風力渦輪發(fā)電機的更高效 和/或可靠的冷卻系統(tǒng)將是有利的。發(fā)明目的進一步地講，本發(fā)明的目的是提供對現(xiàn)有技術(shù)的替代方案。實際中，可以看到本發(fā)明的目的是提供一種風力渦輪發(fā)電機，其能夠解決現(xiàn)有技 術(shù)中與風力渦輪發(fā)電機中發(fā)熱源的冷卻相關(guān)的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明的第一方面提供了一種風力渦輪發(fā)電機，以實現(xiàn)前面描述的目的以 及其它目的，所述風力渦輪發(fā)電機包括；-發(fā)熱源，-主冷卻線路，所述主冷卻線路為閉式冷卻線路，布置成用于在發(fā)熱源和熱交換器 之間循環(huán)第一流體，-輔助冷卻線路，所述輔助冷卻線路被布置成用于將第二流體吸入熱交換器，其中，熱交換器包括多個管件，用于將來自輔助冷卻線路的第二流體傳輸通過熱 交換器，大致平行的所述多個管件被布置成用于與來自主冷卻線路的第一流體流進行熱交換，并且其中，輔助冷卻線路還包括連接著所述多個管件的分流腔，所述分流腔具有流體 引入口，所述流體引入口相對于所述多個管件被定位在側(cè)面位置，以便在熱交換之前至少 部分地使得第二流體向所述多個管件的分流均勻化。本發(fā)明特別有利于，但不僅僅是有利于，獲得改進的WTG中的熱交換器，其在第二 流體與第一流體實施熱交換的多個管件中提供了更均勻化的或均一的流動分布。通過均勻 化第二流體例如冷卻空氣或冷卻液的流動，多個管件被更有效地使用。本申請人所作的初 步測試和流體動力學模型分析表明，迄今為止，許多冷卻系統(tǒng)的流動分布是不適當?shù)幕蛑?少未被完全開發(fā)利用。此外，本發(fā)明提供了相對緊湊的熱交換器，其具有單位體積的高熱交換率。這對于 WTG吊艙而言是最重要的，因為這種地方的空間是昂貴的資源。關(guān)于本發(fā)明可以理解，將分流腔的流體引入口相對于所述多個管件側(cè)向定位，意 味著引入口被相對于連接著分流腔的平行定向的管件的方向定位在分流腔上或側(cè)面。因 此，引入口被例如不定位在管件正前方。這一點將在后面進一步解釋。在一個實施方式中，所述分流腔可被布置成用于導(dǎo)弓丨第二流體從不平行于多個管 件的第一流動方向偏轉(zhuǎn)至對應(yīng)于所述多個管件的方向的第二流動方向。這提供了非常有效 的途徑來均勻化流動分布，而不顯著地導(dǎo)致對分流腔流動阻力的負面影響。在另一個實施方式中，所述多個管件可被布置成大致正交于通過熱交換器的第一 流體流的至少一部分。如果是兩種流體的話，這提供了最佳熱交換。應(yīng)當指出，第一流體典 型地在熱交換器內(nèi)具有一定范圍內(nèi)的方向。在又一個實施方式中，所述多個管件可正交于流動方向的橫截面形成由具有不等 長度的兩個尺寸限定的形狀，并且所述分流腔的引入口可進一步靠近于所述兩個尺寸中的 短尺寸定位。因此，對于矩形橫截面，所述兩個尺寸為高度和寬度，等等。這兩個不等尺寸 中的長尺寸與短尺寸之比應(yīng)為至少1.5，2，3，4，5，或6。此外，在進入管件之前第二流體的 流動方向可大致沿所述兩個尺寸中的長尺寸。優(yōu)選地，將流體引入分流腔的引入口被定位在對應(yīng)于所述多個管件的定向的直流 方向的外側(cè)，以便提供通過分流腔的更長通路，并且藉此增大第二流體流的流動分布的均 勻化。此外，所述流體引入口可以進一步定向為大致平行于所述多個管件，流動通過第二冷 卻線路的流體流因而在被引入熱交換器的所述多個管件之前形成大致正交流動模式，以便 提供對第二流體流的流動分布的更高效的均勻化。在一個實施方式中，相對于分流腔而言，主冷卻線路進入熱交換器的入口安置在 與主冷卻線路從熱交換器引出的出口相反的位置，例如入口可以定位在熱交換器的內(nèi)芯的 下方或上方，而出口相應(yīng)地定位在熱交換器內(nèi)芯的上方或下方，其中內(nèi)芯可以定義為所述 多個管件的中心。典型地，第一和/或第二流體包括下面一組中的流體空氣，惰性氣體，冷卻液。最 佳冷卻流體具有高熱容量，低粘度，和化學惰性。在一個實施方式中，第二流體可以是由氣體移動裝置例如泵強制移動通過輔助冷 卻線路的氣體。為了最優(yōu)化熱交換器，所述多個管件之間的間距(L_c)與管件直徑(D_0)之間的平均比值(F)可以在大約1. 1至大約1. 4的范圍內(nèi)，或在大約1. 2至大約1. 3的范圍內(nèi)。在第二方面，本發(fā)明涉及一種用于冷卻風力渦輪發(fā)電機中發(fā)熱源的方法，該方法 包括-提供主冷卻線路，所述主冷卻線路為閉式冷卻線路，布置成用于在發(fā)熱源和熱交 換器之間循環(huán)第一流體，和-提供輔助冷卻線路，所述輔助冷卻線路被布置成用于將第二流體吸入熱交換器，其中，所述熱交換器包括多個管件，用于將來自輔助冷卻線路的第二流體傳輸通 過熱交換器，大致平行的所述多個管件被布置成用于與來自主冷卻線路的第一流體流進行 熱交換，并且其中，所述輔助冷卻線路還包括連接著所述多個管件的分流腔，所述分流腔具有 相對于所述多個管件定位在側(cè)面位置的流體引入口，以便在熱交換之前至少部分地使得第 二流體向所述多個管件的分流均勻化。本發(fā)明的第一和第二方面之間可以任意組合。本發(fā)明的上述以及其它方面將在下 面對實施方式的描述中清楚地展現(xiàn)和闡明。


下面將參照附圖而更詳細地描述本發(fā)明。圖中顯示了本發(fā)明的實施方式，并且應(yīng) 當解讀為不對權(quán)利要求中限定的范圍內(nèi)的其它可行實施方式構(gòu)成限制。圖1是根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪發(fā)電機(WTG)的示意性剖視圖，圖2是根據(jù)本發(fā)明的主和輔助冷卻線路和熱交換器的示意圖，圖3是根據(jù)本發(fā)明的通過熱交換器的流體流的示意性俯視圖，圖4是根據(jù)本發(fā)明的熱交換器的透視圖，圖5是沿著所述多個管件的方向看分流腔引入口和熱交換器的示意性側(cè)視圖，圖6是表示出流體流的示意性俯視圖熱交換器，以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1是根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪發(fā)電機(WTG) 1的示意性剖視圖。WTG 1包括一或多 個可旋轉(zhuǎn)地安裝的葉片2，其通過可旋轉(zhuǎn)的第一軸4連接著吊艙3。吊艙3可樞轉(zhuǎn)地安裝在 塔柱的上部5。第一軸4進一步連接著齒輪箱6，其將葉片2的低轉(zhuǎn)速顯著提高，并將提高 了的轉(zhuǎn)速通過第二軸8傳遞至發(fā)電機7，在此旋轉(zhuǎn)能量被電磁轉(zhuǎn)化為電能。第一軸的典型轉(zhuǎn) 速為10-20轉(zhuǎn)每分(RPM)，第二軸8的典型轉(zhuǎn)速為1000-1500RPM。齒輪箱6中的這種高齒 數(shù)比可能要求冷卻。發(fā)電機7類似地要求冷卻。在下面的實施方式中，本發(fā)明將被參照齒 輪箱6和發(fā)電機7進一步解釋，但本發(fā)明的啟示可以容易地擴展到WTG 1中的其它發(fā)熱源。圖2是根據(jù)本發(fā)明的主和輔助冷卻線路和熱交換器20的示意圖。這些元件可以 形成WTG 1中的冷卻系統(tǒng)的一部分。發(fā)熱源6或7通過流體導(dǎo)管21a耦合至主冷卻線路， 所述流體導(dǎo)管供應(yīng)冷卻的第一流體至發(fā)熱源6或7。在與發(fā)熱源6或7熱交換后，第一流體 具有升高的溫度，并且因此通過導(dǎo)管21b將熱量從發(fā)熱源6或7傳走。主冷卻線路是閉式冷卻線路，其被布置成用于將來自發(fā)熱源6或7的第一流體循環(huán)至熱交換器20，以使得第一流體可被再次冷卻而被用于附加的循環(huán)。主冷卻線路是閉式 的，以便保護發(fā)熱源6或7免受外界影響，例如大氣中的塵土、濕氣、鹽或其它污染物。第一 流體可以采用氣體，當然并不是局限于這種特定實施方式。輔助冷卻線路被布置成用于將第二流體吸入熱交換器20，以便將第一流體傳遞的 熱量從熱交換器20傳走。第二流體通過流體導(dǎo)管22a被輸送至熱交換器20。然后，第二流 體被傳送至冷卻庫25。輔助線路可以是閉式的，例如采用冷卻液或冷卻氣體。在這種情況下，冷卻庫25 可以是例如在外面安裝于吊艙3上的冷卻扇或類似物。備選地，輔助線路可以是開式線路，其使用來自WTG 1的外部的空氣。在這種情況 下，冷卻庫25是圍繞WTG 1的大氣。輔助線路為線路，而第二流體取自空氣，當然并不是局 限于這種特定實施方式。圖3是根據(jù)本發(fā)明的通過熱交換器20的流體流的示意性俯視圖。熱交換器20包 括多個管件32，用于將來自輔助冷卻線路22a的第二流體傳輸通過熱交換器20。僅僅是出 于解釋的目的，只有六個管件32在圖3中示出，在實際應(yīng)用中，管件32的數(shù)量典型地足夠 大。管件32被布置成用于促進與來自主冷卻線路的第一流體流PI、P2和P3熱交換。 第一流體初始從圖面流出，如Pl所示，然后橫向穿過管件32，如箭頭P2示意性表示。最后， 第一流體被向下傳輸，如P3所示。輔助冷卻線路包括分流腔31，其被連接成用于與所述多個管件32流體連通。第二 流體通過分別在熱交換管件的左右側(cè)部分以實心箭頭Sl和S2表示。在圖中的右側(cè)，第二 流體被收集到腔32，并且通過導(dǎo)管22b由熱交換器20傳輸出去。分流腔31具有流體引入口 31a，其相對于所述多個管件32側(cè)向定位，S卩引入口設(shè) 置在腔31的延伸段中，該延伸段突伸超出第二流體流過管件32的流動方向所限定的區(qū)域。 因此，分流腔31被布置成用于將第二流體從不平行于多個管件的第一流動方向轉(zhuǎn)向至對 應(yīng)于所述多個管件32的方向的第二流動方向。在該實施方式中，第一流動方向因此基本上 正交于第二流動方向。還請注意，流體引入口 31a進一步定向為大致平行于所述多個管件 32，通過第二冷卻線路的流體流Sl藉此在引入熱交換器的所述多個管件32之前形成大致 正交流動模式Si。藉此，第二流體在與第一流體熱交換之前被至少部分地均勻化跨越所述多個管件 32的流動分布。引入口 31a可以在其它位置定位在分流腔31側(cè)面或分流腔內(nèi)，即定位在圖 中所示的上部區(qū)域31b。這樣，引入口 31a被定位在所述多個管件32的直流方向的外側(cè)。圖4是根據(jù)本發(fā)明的熱交換器20的透視圖，顯示了圖3中的類似部件。分流腔31 也被顯示于位于管件32前面，腔31被集成于熱交換器20中。在圖中，為了清楚，管件32 只有入口和出口部分被顯示出來。還顯示了用于第一流體的入口 40和出口 41，以允許第一 流體流經(jīng)管件32，并且藉此執(zhí)行與第二流體在管件32熱交換。在這個實施方式中，相對于 分流腔而言，主冷卻線路通向熱交換器的入口安置在與主冷卻線路從熱交換器的出口相反 的位置，例如入口 40可以定位在熱交換器內(nèi)芯的上方，而出口 41位于熱交換器內(nèi)芯下方， 其中，內(nèi)芯可以定義為所述多個管件的中心。此外，主線路的入口和出口可以描述為相對于 分流腔定位在熱交換器的相對兩側(cè)；即右側(cè)對左側(cè)，上側(cè)對下側(cè)，等等。
圖5是沿著所述多個管件32看時的分流腔31的引入口 31a和熱交換器20的示 意性側(cè)視圖。流體引入口 31a示意性地顯示為位于管件32的左側(cè)，其中第一流體如箭頭Sl 所示流入分流腔。所述多個管件的橫截面形成矩形形狀，該形狀由兩個不等尺寸，即寬度W和高度 H，擴展而成。分流腔31的引入口 31被靠近于這兩個尺寸中的短尺寸定位，該段尺寸在圖 5中看為高度H，因此腔31和引入口 31a被定位在所述多個管件32的側(cè)面位置，以便使得 沿著熱交換器20的寬度W的流動分布被最高效地均勻化。在圖5中，管件32之間的間距Lc也被示出。在優(yōu)選實施方式中，所述多個管件32 間的間距Lc與管件直徑D_0之間的平均比值F在大約1. 1至大約1. 4的范圍內(nèi)，或在大約 1. 2至大約1. 3的范圍內(nèi)。通常，大約為1. 25的F作為最高熱交換和最低通過管件的流動 阻力之間相互平衡的適當值被采用。應(yīng)當指出，熱交換高度取決于該比值F。圖6，類似于圖3，是熱交換器20的示意性俯視圖，表示流體流過熱交換器20。第 二流體流在管件32內(nèi)發(fā)生熱交換之前以箭頭Sl表示，在熱交換后以箭頭S2表示。第二流 體即空氣可以沿著吊艙壁61流動，然后排放到大氣中。流入熱交換器20的空氣流被外部 風扇電機62驅(qū)動，該電機62連接著定位在電機62上方的徑向流風輪(未示出)。類似地， 第一流體借助于連接著橫向流風輪64的外部風扇電機63被強制通過熱交換器20，如箭頭 P2所示。圖7是根據(jù)本發(fā)明的用于冷卻風力渦輪發(fā)電機中發(fā)熱源的方法的流程圖。該方法 包括Sl-提供主冷卻線路，該主冷卻線路為閉式的冷卻線路，布置成用于在發(fā)熱源6或 7和熱交換器20之間循環(huán)第一流體，和S2-提供輔助冷卻線路，該輔助冷卻線路被布置成用于將第二流體吸入熱交換器 20，其中，熱交換器20包括多個管件32，用于將來自輔助冷卻線路的第二流體傳輸通 過熱交換器20，多個大致平行的所述管件被布置成用于與來自主冷卻線路第一流體流進行 熱交換，并且其中，輔助冷卻線路還包括連接著所述多個管件的分流腔31，所述分流腔具有相 對于所述多個管件被定位在側(cè)面位置的流體引入口 31a，以便在熱交換之前使得第二流體 在所述多個管件32中的流動分布被至少部分地均勻化。在第三方面，本發(fā)明可以說涉及用于冷卻發(fā)熱源的熱交換器，該熱交換器被布置成用于與相關(guān)的主冷卻線路連接，所述主冷卻線路為閉式的冷 卻線路，布置成用于在發(fā)熱源和熱交換器之間循環(huán)第一流體，熱交換器還被布置成用于與相關(guān)的輔助冷卻線路連接，所述輔助冷卻線路被布置 成用于將第二流體吸入熱交換器，所述熱交換器包括-多個管件，用于將來自輔助冷卻線路的第二流體傳輸通過熱交換器，多個大致平 行的所述管件被布置成用于與來自主冷卻線路的第一流體流熱交換，以及-分流腔，其連接著所述多個管件，所述分流腔具有流體弓I入口，其相對于所述多 個管件被定位在側(cè)面位置，以便在熱交換之前使得第二流體在所述多個管件中的流動分布被至少部分地均勻化。 盡管前面結(jié)合特定實施方式描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不應(yīng)認為以任何方式局限于 所呈現(xiàn)的例子。本發(fā)明的范圍在權(quán)利要求中提出。關(guān)于權(quán)利要求，使用術(shù)語“包括”并不排 除其它可能有的元件或步驟。此外，在使用數(shù)詞“一”時，應(yīng)當理解為并不排除多個的情況。 權(quán)利要求中針對圖中所示元件所使用的附圖標記不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的范圍。此外，不 同權(quán)利要求中提到的各個特征，可能能夠被有益地彼此組合，并且在不同的權(quán)利要求中提 到這些特征并不意味著它們之間的組合是不可行或沒有益處的。
權(quán)利要求
一種風力渦輪發(fā)電機，包括；發(fā)熱源，主冷卻線路，所述主冷卻線路為閉式的冷卻線路，布置成用于在發(fā)熱源和熱交換器之間循環(huán)第一流體，輔助冷卻線路，所述輔助冷卻線路被布置成用于將第二流體吸入熱交換器，其中，熱交換器包括多個管件，用于將來自輔助冷卻線路的第二流體傳輸通過熱交換器，彼此大致平行的所述多個管件被布置成用于與來自主冷卻線路的第一流體流進行熱交換，并且其中，輔助冷卻線路還包括連接著所述多個管件的分流腔，所述分流腔具有流體引入口，所述流體引入口相對于所述多個管件被定位在側(cè)面位置，以便在熱交換之前至少部分地使得第二流體向所述多個管件的分流均勻化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪發(fā)電機，其中，所述分流腔被布置成用于導(dǎo)引第二流體 從不平行于所述多個管件的第一流動方向偏轉(zhuǎn)至對應(yīng)于所述多個管件的方向的第二流動 方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪發(fā)電機，其中，所述多個管件被布置成大致正交于流經(jīng) 熱交換器的第一流體流(P1，P2，P3)的至少一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪發(fā)電機，其中，所述多個管件的正交于流動方向的橫截 面形成由具有不等長度的兩個尺寸限定的形狀，所述分流腔的引入口靠近于所述兩個尺寸 中的短尺寸定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的風力渦輪發(fā)電機，其中，在進入管件之前第二流體的流動方向大 致沿所述兩個尺寸中的長尺寸定向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪發(fā)電機，其中，所述流體引入口被定位在與所述多個管 件的定向相對應(yīng)的直流方向的外側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的風力渦輪發(fā)電機，其中，所述流體引入口進一步定向為大致平行 于所述多個管件，從而使得，流經(jīng)第二冷卻線路的流體流在被引入熱交換器的所述多個管 件之前形成大致正交流動模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪發(fā)電機，其中，相對于分流腔而言，主冷卻線路進入熱交 換器的入口安置在與主冷卻線路從熱交換器引出的出口相反的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪發(fā)電機，其中，第一和/或第二流體包括下面一組中的流 體空氣，惰性氣體，冷卻液。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪發(fā)電機，其中，第二流體是由氣體移動裝置強制移動通 過輔助冷卻線路的氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪發(fā)電機，其中，所述多個管件間的間距(L_C)與管件直 徑(D_0)之間的平均比值(F)在大約1. 1至大約1. 4的范圍內(nèi)，或在大約1. 2至大約1. 3 的范圍內(nèi)。
12.一種用于冷卻風力渦輪發(fā)電機中發(fā)熱源的方法，該方法包括-提供主冷卻線路，所述主冷卻線路為閉式的冷卻線路，布置成用于在發(fā)熱源和熱交換 器之間循環(huán)第一流體，和-提供輔助冷卻線路，所述輔助冷卻線路被布置成用于將第二流體吸入熱交換器，其中，所述熱交換器包括多個管件，用于將來自輔助冷卻線路的第二流體傳輸通過熱 交換器，彼此大致平行的所述多個管件被布置成用于與來自主冷卻線路的第一流體流進行 熱交換，并且其中，所述輔助冷卻線路還包括連接著所述多個管件的分流腔，所述分流腔具有相對 于所述多個管件定位在側(cè)面位置的流體引入口，以便在熱交換之前至少部分地使得第二流 體向所述多個管件的分流均勻化。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有發(fā)熱源例如發(fā)電機或齒輪箱的風力渦輪發(fā)電機。主冷卻線路和輔助冷卻線路被布置成用于分別在發(fā)熱源和熱交換器之間以及在冷卻庫和熱交換器循環(huán)第一和第二流體。熱交換器包括多個管件，用于將來自輔助冷卻線路的第二流體傳輸通過熱交換器，多個大致平行的所述管件被布置成用于與來自主冷卻線路的第一流體流熱交換。輔助冷卻線路還包括連接著所述多個管件的分流腔，分流腔具有相對于所述多個管件被定位在側(cè)面的流體引入口，以便在熱交換之前至少部分地使得第二流體向所述多個管件的分流均勻化。由于能夠?qū)Φ诙黧w更均勻地分流，因此本發(fā)明改進的且更緊湊的熱交換器。
文檔編號F03D11/00GK101925742SQ200880125254
公開日2010年12月22日 申請日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者M·V·R·S·延森 申請人:維斯塔斯風力系統(tǒng)集團公司