专利名称：具有热交换器的风力涡轮发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力涡轮发电机，其包括热交换器和第一和第二冷却线路，用于 冷却风力涡轮发电机中的发热源，例如齿轮箱或发电机的。本发明还涉及用于一般目的的 热交换器和利用这样的热交换器冷却发热源的方法。
背景技术：
通常，风力涡轮发电机(WTG)具有一或多个转子叶片，其可绕安装在吊舱中的水 平轴线旋转。吊舱可绕竖直轴线枢转以便将转子叶片转动到与风向适当对正的位置。一或 多个转子叶片以取决于风和转子叶片上的空气动力学结构的速度旋转，以便驱动发电机而 将风能转换为电能。典型地，发电机通过中间齿轮箱连接着转子叶片，该中间齿轮箱被布置 成用于将转子叶片本来的低转速提升至更高级别的转速。用于将风能转换为电能的齿轮箱和发电机都损失热量形式的能量。其它电气元件 例如逆变器和变压器也在WTG中产生热量。类似地，机械元件例如轴承可能产生不理想的 热量值。来自WTG中各种发热源的额外热量必须被散发到WTG的周围环境中，以便确保WTG 的稳定且延长的操作。先前的用于冷却WTG发热元件的方案包括空气冷却通风系统和水冷却系统。尽管 如此，这些系统要么太复杂而不适合实际应用，要么不能提供对WTG发热元件中充分和可 靠的冷却。由于当前的趋势是将风力涡轮发电机安置在远程地点和/或严酷的条件下(例 如海岸)，因此迫切需要改进冷却系统。实际中，冷却系统最好是相对轻便，以便为风力涡轮 发电机吊舱中的其它元件提供空间。因此，改进的风力涡轮发电机将是有利的，并且特别地，风力涡轮发电机的更高效 和/或可靠的冷却系统将是有利的。发明目的进一步地讲，本发明的目的是提供对现有技术的替代方案。实际中，可以看到本发明的目的是提供一种风力涡轮发电机，其能够解决现有技 术中与风力涡轮发电机中发热源的冷却相关的问题。
发明内容
为此，本发明的第一方面提供了一种风力涡轮发电机，以实现前面描述的目的以 及其它目的，所述风力涡轮发电机包括；-发热源，-主冷却线路，所述主冷却线路为闭式冷却线路，布置成用于在发热源和热交换器 之间循环第一流体，-辅助冷却线路，所述辅助冷却线路被布置成用于将第二流体吸入热交换器，其中，热交换器包括多个管件，用于将来自辅助冷却线路的第二流体传输通过热 交换器，大致平行的所述多个管件被布置成用于与来自主冷却线路的第一流体流进行热交换，并且其中，辅助冷却线路还包括连接着所述多个管件的分流腔，所述分流腔具有流体 引入口，所述流体引入口相对于所述多个管件被定位在侧面位置，以便在热交换之前至少 部分地使得第二流体向所述多个管件的分流均勻化。本发明特别有利于，但不仅仅是有利于，获得改进的WTG中的热交换器，其在第二 流体与第一流体实施热交换的多个管件中提供了更均勻化的或均一的流动分布。通过均勻 化第二流体例如冷却空气或冷却液的流动，多个管件被更有效地使用。本申请人所作的初 步测试和流体动力学模型分析表明，迄今为止，许多冷却系统的流动分布是不适当的或至 少未被完全开发利用。此外，本发明提供了相对紧凑的热交换器，其具有单位体积的高热交换率。这对于 WTG吊舱而言是最重要的，因为这种地方的空间是昂贵的资源。关于本发明可以理解，将分流腔的流体引入口相对于所述多个管件侧向定位，意 味着引入口被相对于连接着分流腔的平行定向的管件的方向定位在分流腔上或侧面。因 此，引入口被例如不定位在管件正前方。这一点将在后面进一步解释。在一个实施方式中，所述分流腔可被布置成用于导弓丨第二流体从不平行于多个管 件的第一流动方向偏转至对应于所述多个管件的方向的第二流动方向。这提供了非常有效 的途径来均勻化流动分布，而不显著地导致对分流腔流动阻力的负面影响。在另一个实施方式中，所述多个管件可被布置成大致正交于通过热交换器的第一 流体流的至少一部分。如果是两种流体的话，这提供了最佳热交换。应当指出，第一流体典 型地在热交换器内具有一定范围内的方向。在又一个实施方式中，所述多个管件可正交于流动方向的横截面形成由具有不等 长度的两个尺寸限定的形状，并且所述分流腔的引入口可进一步靠近于所述两个尺寸中的 短尺寸定位。因此，对于矩形横截面，所述两个尺寸为高度和宽度，等等。这两个不等尺寸 中的长尺寸与短尺寸之比应为至少1.5，2，3，4，5，或6。此外，在进入管件之前第二流体的 流动方向可大致沿所述两个尺寸中的长尺寸。优选地，将流体引入分流腔的引入口被定位在对应于所述多个管件的定向的直流 方向的外侧，以便提供通过分流腔的更长通路，并且藉此增大第二流体流的流动分布的均 勻化。此外，所述流体引入口可以进一步定向为大致平行于所述多个管件，流动通过第二冷 却线路的流体流因而在被引入热交换器的所述多个管件之前形成大致正交流动模式，以便 提供对第二流体流的流动分布的更高效的均勻化。在一个实施方式中，相对于分流腔而言，主冷却线路进入热交换器的入口安置在 与主冷却线路从热交换器引出的出口相反的位置，例如入口可以定位在热交换器的内芯的 下方或上方，而出口相应地定位在热交换器内芯的上方或下方，其中内芯可以定义为所述 多个管件的中心。典型地，第一和/或第二流体包括下面一组中的流体空气，惰性气体，冷却液。最 佳冷却流体具有高热容量，低粘度，和化学惰性。在一个实施方式中，第二流体可以是由气体移动装置例如泵强制移动通过辅助冷 却线路的气体。为了最优化热交换器，所述多个管件之间的间距(L_c)与管件直径(D_0)之间的平均比值(F)可以在大约1. 1至大约1. 4的范围内，或在大约1. 2至大约1. 3的范围内。在第二方面，本发明涉及一种用于冷却风力涡轮发电机中发热源的方法，该方法 包括-提供主冷却线路，所述主冷却线路为闭式冷却线路，布置成用于在发热源和热交 换器之间循环第一流体，和-提供辅助冷却线路，所述辅助冷却线路被布置成用于将第二流体吸入热交换器，其中，所述热交换器包括多个管件，用于将来自辅助冷却线路的第二流体传输通 过热交换器，大致平行的所述多个管件被布置成用于与来自主冷却线路的第一流体流进行 热交换，并且其中，所述辅助冷却线路还包括连接着所述多个管件的分流腔，所述分流腔具有 相对于所述多个管件定位在侧面位置的流体引入口，以便在热交换之前至少部分地使得第 二流体向所述多个管件的分流均勻化。本发明的第一和第二方面之间可以任意组合。本发明的上述以及其它方面将在下 面对实施方式的描述中清楚地展现和阐明。
下面将参照附图而更详细地描述本发明。图中显示了本发明的实施方式，并且应 当解读为不对权利要求中限定的范围内的其它可行实施方式构成限制。图1是根据本发明的风力涡轮发电机(WTG)的示意性剖视图，图2是根据本发明的主和辅助冷却线路和热交换器的示意图，图3是根据本发明的通过热交换器的流体流的示意性俯视图，图4是根据本发明的热交换器的透视图，图5是沿着所述多个管件的方向看分流腔引入口和热交换器的示意性侧视图，图6是表示出流体流的示意性俯视图热交换器，以及图7是根据本发明的方法的流程图。
具体实施例方式图1是根据本发明的风力涡轮发电机(WTG) 1的示意性剖视图。WTG 1包括一或多 个可旋转地安装的叶片2，其通过可旋转的第一轴4连接着吊舱3。吊舱3可枢转地安装在 塔柱的上部5。第一轴4进一步连接着齿轮箱6，其将叶片2的低转速显著提高，并将提高 了的转速通过第二轴8传递至发电机7，在此旋转能量被电磁转化为电能。第一轴的典型转 速为10-20转每分(RPM)，第二轴8的典型转速为1000-1500RPM。齿轮箱6中的这种高齿 数比可能要求冷却。发电机7类似地要求冷却。在下面的实施方式中，本发明将被参照齿 轮箱6和发电机7进一步解释，但本发明的启示可以容易地扩展到WTG 1中的其它发热源。图2是根据本发明的主和辅助冷却线路和热交换器20的示意图。这些元件可以 形成WTG 1中的冷却系统的一部分。发热源6或7通过流体导管21a耦合至主冷却线路， 所述流体导管供应冷却的第一流体至发热源6或7。在与发热源6或7热交换后，第一流体 具有升高的温度，并且因此通过导管21b将热量从发热源6或7传走。主冷却线路是闭式冷却线路，其被布置成用于将来自发热源6或7的第一流体循环至热交换器20，以使得第一流体可被再次冷却而被用于附加的循环。主冷却线路是闭式 的，以便保护发热源6或7免受外界影响，例如大气中的尘土、湿气、盐或其它污染物。第一 流体可以采用气体，当然并不是局限于这种特定实施方式。辅助冷却线路被布置成用于将第二流体吸入热交换器20，以便将第一流体传递的 热量从热交换器20传走。第二流体通过流体导管22a被输送至热交换器20。然后，第二流 体被传送至冷却库25。辅助线路可以是闭式的，例如采用冷却液或冷却气体。在这种情况下，冷却库25 可以是例如在外面安装于吊舱3上的冷却扇或类似物。备选地，辅助线路可以是开式线路，其使用来自WTG 1的外部的空气。在这种情况 下，冷却库25是围绕WTG 1的大气。辅助线路为线路，而第二流体取自空气，当然并不是局 限于这种特定实施方式。图3是根据本发明的通过热交换器20的流体流的示意性俯视图。热交换器20包 括多个管件32，用于将来自辅助冷却线路22a的第二流体传输通过热交换器20。仅仅是出 于解释的目的，只有六个管件32在图3中示出，在实际应用中，管件32的数量典型地足够 大。管件32被布置成用于促进与来自主冷却线路的第一流体流PI、P2和P3热交换。 第一流体初始从图面流出，如Pl所示，然后横向穿过管件32，如箭头P2示意性表示。最后， 第一流体被向下传输，如P3所示。辅助冷却线路包括分流腔31，其被连接成用于与所述多个管件32流体连通。第二 流体通过分别在热交换管件的左右侧部分以实心箭头Sl和S2表示。在图中的右侧，第二 流体被收集到腔32，并且通过导管22b由热交换器20传输出去。分流腔31具有流体引入口 31a，其相对于所述多个管件32侧向定位，S卩引入口设 置在腔31的延伸段中，该延伸段突伸超出第二流体流过管件32的流动方向所限定的区域。 因此，分流腔31被布置成用于将第二流体从不平行于多个管件的第一流动方向转向至对 应于所述多个管件32的方向的第二流动方向。在该实施方式中，第一流动方向因此基本上 正交于第二流动方向。还请注意，流体引入口 31a进一步定向为大致平行于所述多个管件 32，通过第二冷却线路的流体流Sl藉此在引入热交换器的所述多个管件32之前形成大致 正交流动模式Si。藉此，第二流体在与第一流体热交换之前被至少部分地均勻化跨越所述多个管件 32的流动分布。引入口 31a可以在其它位置定位在分流腔31侧面或分流腔内，即定位在图 中所示的上部区域31b。这样，引入口 31a被定位在所述多个管件32的直流方向的外侧。图4是根据本发明的热交换器20的透视图，显示了图3中的类似部件。分流腔31 也被显示于位于管件32前面，腔31被集成于热交换器20中。在图中，为了清楚，管件32 只有入口和出口部分被显示出来。还显示了用于第一流体的入口 40和出口 41，以允许第一 流体流经管件32，并且藉此执行与第二流体在管件32热交换。在这个实施方式中，相对于 分流腔而言，主冷却线路通向热交换器的入口安置在与主冷却线路从热交换器的出口相反 的位置，例如入口 40可以定位在热交换器内芯的上方，而出口 41位于热交换器内芯下方， 其中，内芯可以定义为所述多个管件的中心。此外，主线路的入口和出口可以描述为相对于 分流腔定位在热交换器的相对两侧；即右侧对左侧，上侧对下侧，等等。
图5是沿着所述多个管件32看时的分流腔31的引入口 31a和热交换器20的示 意性侧视图。流体引入口 31a示意性地显示为位于管件32的左侧，其中第一流体如箭头Sl 所示流入分流腔。所述多个管件的横截面形成矩形形状，该形状由两个不等尺寸，即宽度W和高度 H，扩展而成。分流腔31的引入口 31被靠近于这两个尺寸中的短尺寸定位，该段尺寸在图 5中看为高度H，因此腔31和引入口 31a被定位在所述多个管件32的侧面位置，以便使得 沿着热交换器20的宽度W的流动分布被最高效地均勻化。在图5中，管件32之间的间距Lc也被示出。在优选实施方式中，所述多个管件32 间的间距Lc与管件直径D_0之间的平均比值F在大约1. 1至大约1. 4的范围内，或在大约 1. 2至大约1. 3的范围内。通常，大约为1. 25的F作为最高热交换和最低通过管件的流动 阻力之间相互平衡的适当值被采用。应当指出，热交换高度取决于该比值F。图6，类似于图3，是热交换器20的示意性俯视图，表示流体流过热交换器20。第 二流体流在管件32内发生热交换之前以箭头Sl表示，在热交换后以箭头S2表示。第二流 体即空气可以沿着吊舱壁61流动，然后排放到大气中。流入热交换器20的空气流被外部 风扇电机62驱动，该电机62连接着定位在电机62上方的径向流风轮(未示出)。类似地， 第一流体借助于连接着横向流风轮64的外部风扇电机63被强制通过热交换器20，如箭头 P2所示。图7是根据本发明的用于冷却风力涡轮发电机中发热源的方法的流程图。该方法 包括Sl-提供主冷却线路，该主冷却线路为闭式的冷却线路，布置成用于在发热源6或 7和热交换器20之间循环第一流体，和S2-提供辅助冷却线路，该辅助冷却线路被布置成用于将第二流体吸入热交换器 20，其中，热交换器20包括多个管件32，用于将来自辅助冷却线路的第二流体传输通 过热交换器20，多个大致平行的所述管件被布置成用于与来自主冷却线路第一流体流进行 热交换，并且其中，辅助冷却线路还包括连接着所述多个管件的分流腔31，所述分流腔具有相 对于所述多个管件被定位在侧面位置的流体引入口 31a，以便在热交换之前使得第二流体 在所述多个管件32中的流动分布被至少部分地均勻化。在第三方面，本发明可以说涉及用于冷却发热源的热交换器，该热交换器被布置成用于与相关的主冷却线路连接，所述主冷却线路为闭式的冷 却线路，布置成用于在发热源和热交换器之间循环第一流体，热交换器还被布置成用于与相关的辅助冷却线路连接，所述辅助冷却线路被布置 成用于将第二流体吸入热交换器，所述热交换器包括-多个管件，用于将来自辅助冷却线路的第二流体传输通过热交换器，多个大致平 行的所述管件被布置成用于与来自主冷却线路的第一流体流热交换，以及-分流腔，其连接着所述多个管件，所述分流腔具有流体弓I入口，其相对于所述多 个管件被定位在侧面位置，以便在热交换之前使得第二流体在所述多个管件中的流动分布被至少部分地均勻化。 尽管前面结合特定实施方式描述了本发明，但本发明不应认为以任何方式局限于 所呈现的例子。本发明的范围在权利要求中提出。关于权利要求，使用术语“包括”并不排 除其它可能有的元件或步骤。此外，在使用数词“一”时，应当理解为并不排除多个的情况。 权利要求中针对图中所示元件所使用的附图标记不应理解为限制本发明的范围。此外，不 同权利要求中提到的各个特征，可能能够被有益地彼此组合，并且在不同的权利要求中提 到这些特征并不意味着它们之间的组合是不可行或没有益处的。
权利要求
一种风力涡轮发电机，包括；发热源，主冷却线路，所述主冷却线路为闭式的冷却线路，布置成用于在发热源和热交换器之间循环第一流体，辅助冷却线路，所述辅助冷却线路被布置成用于将第二流体吸入热交换器，其中，热交换器包括多个管件，用于将来自辅助冷却线路的第二流体传输通过热交换器，彼此大致平行的所述多个管件被布置成用于与来自主冷却线路的第一流体流进行热交换，并且其中，辅助冷却线路还包括连接着所述多个管件的分流腔，所述分流腔具有流体引入口，所述流体引入口相对于所述多个管件被定位在侧面位置，以便在热交换之前至少部分地使得第二流体向所述多个管件的分流均匀化。
2.根据权利要求1的风力涡轮发电机，其中，所述分流腔被布置成用于导引第二流体 从不平行于所述多个管件的第一流动方向偏转至对应于所述多个管件的方向的第二流动 方向。
3.根据权利要求1的风力涡轮发电机，其中，所述多个管件被布置成大致正交于流经 热交换器的第一流体流(P1，P2，P3)的至少一部分。
4.根据权利要求1的风力涡轮发电机，其中，所述多个管件的正交于流动方向的横截 面形成由具有不等长度的两个尺寸限定的形状，所述分流腔的引入口靠近于所述两个尺寸 中的短尺寸定位。
5.根据权利要求4的风力涡轮发电机，其中，在进入管件之前第二流体的流动方向大 致沿所述两个尺寸中的长尺寸定向。
6.根据权利要求1的风力涡轮发电机，其中，所述流体引入口被定位在与所述多个管 件的定向相对应的直流方向的外侧。
7.根据权利要求6的风力涡轮发电机，其中，所述流体引入口进一步定向为大致平行 于所述多个管件，从而使得，流经第二冷却线路的流体流在被引入热交换器的所述多个管 件之前形成大致正交流动模式。
8.根据权利要求1的风力涡轮发电机，其中，相对于分流腔而言，主冷却线路进入热交 换器的入口安置在与主冷却线路从热交换器引出的出口相反的位置。
9.根据权利要求1的风力涡轮发电机，其中，第一和/或第二流体包括下面一组中的流 体空气，惰性气体，冷却液。
10.根据权利要求1的风力涡轮发电机，其中，第二流体是由气体移动装置强制移动通 过辅助冷却线路的气体。
11.根据权利要求1的风力涡轮发电机，其中，所述多个管件间的间距(L_C)与管件直 径(D_0)之间的平均比值(F)在大约1. 1至大约1. 4的范围内，或在大约1. 2至大约1. 3 的范围内。
12.一种用于冷却风力涡轮发电机中发热源的方法，该方法包括-提供主冷却线路，所述主冷却线路为闭式的冷却线路，布置成用于在发热源和热交换 器之间循环第一流体，和-提供辅助冷却线路，所述辅助冷却线路被布置成用于将第二流体吸入热交换器，其中，所述热交换器包括多个管件，用于将来自辅助冷却线路的第二流体传输通过热 交换器，彼此大致平行的所述多个管件被布置成用于与来自主冷却线路的第一流体流进行 热交换，并且其中，所述辅助冷却线路还包括连接着所述多个管件的分流腔，所述分流腔具有相对 于所述多个管件定位在侧面位置的流体引入口，以便在热交换之前至少部分地使得第二流 体向所述多个管件的分流均勻化。
全文摘要
本发明涉及具有发热源例如发电机或齿轮箱的风力涡轮发电机。主冷却线路和辅助冷却线路被布置成用于分别在发热源和热交换器之间以及在冷却库和热交换器循环第一和第二流体。热交换器包括多个管件，用于将来自辅助冷却线路的第二流体传输通过热交换器，多个大致平行的所述管件被布置成用于与来自主冷却线路的第一流体流热交换。辅助冷却线路还包括连接着所述多个管件的分流腔，分流腔具有相对于所述多个管件被定位在侧面的流体引入口，以便在热交换之前至少部分地使得第二流体向所述多个管件的分流均匀化。由于能够对第二流体更均匀地分流，因此本发明改进的且更紧凑的热交换器。
文档编号F03D11/00GK101925742SQ200880125254
公开日2010年12月22日 申请日期2008年12月18日 优先权日2007年12月21日
发明者M·V·R·S·延森 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司