具有風力助冷系統的風力渦輪發電機及其冷卻方法

2023-12-03 18:48:31 5

專利名稱：具有風力助冷系統的風力渦輪發電機及其冷卻方法
技術領域：
本發明涉及風力渦輪發電機的風力助冷，尤其涉及一種冷卻系統，利用流動引起的壓力和吸力從周圍環境中獲取冷卻空氣並將該冷卻空氣輸送到容易受到關乎熱的退化影響的風力發電機部件。
背景技術：
風力渦輪發電機通常設立在幾百英尺高的塔架上。發電機包括一個轂，該轂裝有兩個或典型地裝有三個驅動發動機的翼型葉片。在裝有轂的艙裡，翼型葉片和轂使轉子旋轉。直接通過驅動系統或者變速箱使轉子產生的旋轉，將導致磁極和線圈的相對轉動，從而產生電流。採用直接驅動的發電機，轉子和葉片以相同速度轉動，因此需要較大的半徑來獲得發電所需的切向速度。採用變速箱則可以使轉速增加到一個較高的值，例如1000RPM，但自身容易產生問題。
任何發電機都會產生熱量，因此需要對發電機的各個部件進行冷卻。必須對風力發電機進行有效冷卻從而減少損耗，且可以知道空間的限制阻礙了精製冷卻管、鼓風機、過濾器、換熱器等類似冷卻設備的使用。傳統的發電機冷卻設備過大，過於昂貴，且不易保養。基於風力渦輪發電機的性能，以及在距地面幾百英尺的地方安裝發電機並同時提供冷卻的需要，必須為風力渦輪發電機提供一個改進的冷卻系統，例如利用艙周圍的風流來協助空氣流射入艙內和熱氣流排出艙外從而達到冷卻發電機的目的。

發明內容
本發明的一個典型的非局限性的實施例，提供了一種風力發電機，包括一個艙；一個由艙轉動地承載的並包括至少一對風力渦輪葉片的轉轂；一個產生電流的發電機，其包括一個定子和一個轉子，轉子與轂相連並可響應作用於葉片上的風力進行旋轉，以使轉子相對於定子轉動產生電流；一個承載於艙內的冷卻系統，其包括至少一個環境空氣入口，開通位於轂和葉片下遊的艙表面，以及用於使空氣沿基本上上遊的方向從入口流向轂並且冷卻定子的管道。
另一個典型的非局限性的實施例，提供了一種冷卻風力渦輪發電機定子方法，此發電機有一個艙，其裝載定子和一個與裝設風力渦輪葉片的轂相連的轉子。該方法包括以下步驟(a)通過沿著艙或轂表面的朝前入口吸入周圍的冷卻空氣；(b)使冷卻空氣流過發電機定子以冷卻定子；和(c)在轂和葉片的下遊位置從定子排出冷卻空氣。
還有一個典型的非局限性的實施例，提供的所述入口是在位於轂和葉片的下遊位置的艙內。
現在將結合如下附圖對本發明進行詳細闡述。


圖1是風力渦輪發電機風力助冷系統示意圖；圖2是風力渦輪發電機冷卻系統各組成部分的透視圖；圖3是發電機定子及旋轉部件的局部放大剖面圖，圖中示出了部分冷卻迴路；圖4是工作於此冷卻系統中的雙面發電機的縱向放大示意圖；圖5是此風力渦輪發電機風力助冷系統各組成部分的局部透視圖；圖6是另一個實施例中風力渦輪發電機風力助冷系統的示意圖；圖7是另一個實施例中帶有冷卻空氣進氣結構的轂和艙的局部透視圖；圖8是又一個實施例中轂內冷卻空氣進氣裝置的透視圖；圖9是圖8中所示轂的局部剖面圖；和圖10是又一個實施例中轂內冷卻空氣入口的局部透視圖。
具體實施例方式
參照圖1，這裡示意性的闡述了一種風力渦輪發電機，通常指10，其包括裝有兩個或更多個翼型葉片14的轉轂12，一個固定艙16和一個塔架18，塔架用於從結構上將風力渦輪發電機支承在離地面G幾百英尺的高度。
如圖3和圖4所示，艙16裝有由多個線圈或繞組22組成的定子部件，並在靠近轂12的轉子前端環繞轉子裝有多個磁鐵或磁極24。圖中所示的實施例包括一個雙邊發電機，其具有作為定子部件的內定子線圈22和外定子線圈26，以及作為轉子部件的外磁鐵或外磁極24和內磁鐵或內磁極28。因此，風力驅動的葉片14驅動轂12，依次使外磁極24和內磁極28相對於外定子線圈22和內定子線圈26產生旋轉，繼而產生電流。可以看到，內外定子線圈22和26分別繞成橢圓形的線圈並沿圓周相互間隔地排布從而形成發電機定子。定子線圈安裝在固定於艙16內的支架30上。從圖3和圖4可以看出，內外線圈22和26的每個子線圈之間都存在間隙32，轉子外端與外線圈26之間及轉子內端40與內線圈22之間也存在軸間隙34，它為冷卻流體，如空氣，提供了流動通道。
根據圖1-3，冷卻系統包括多個供氣通道44，圖2中示出3個。供氣通道44由管道組成，用來傳送從入口46(圖1)吸入的空氣，入口沿著艙16表面開口。這樣，三個入口46周向環繞著艙相互隔開，比如約120度的隔開，從而獲取流過艙16的空氣。由於艙16的形狀以及沿著艙表面的空氣動力學邊界層流，入口吸入的部分邊界層氣流從入口的正向流入，並沿著輸送管44傳送至進氣歧管50(圖3)。歧管50包括一個與定子線圈直徑相當的環面，並位於內外定子線圈22和26的後面。歧管50可以是連續的或被分隔成圓周長度相等的隔腔，為處於入口歧管50軸向前方的一個定子線圈聯接段提供冷卻空氣。由於進口空氣流動本身不足以將發電機維持在冷卻環境下，因此在位於歧管50前面的輸送管44內安裝了鼓風機52(圖2)來加速空氣流動。供氣管道44中還安裝了多個過濾器54。
在發電機的軸向前側上，設有多個周向間隔的出口55，每個出口包括一個排氣管56和一個排氣環，總稱為排氣罐58。一個圓環的大體呈C-形的溝渠60在排氣罐58的出氣側覆蓋排氣罐58。溝渠60的基底自排氣管56的排氣口空隔開並覆蓋在上面。溝渠60還具有一個與旋轉部件的前面軸向間隔開的自由側邊緣，提供大致徑向延伸的受熱冷卻空氣的排放通道59。這樣，被加熱的冷卻空氣從排放管道56出去後，轉過180度，朝向定子軸向流回，繼而再轉90度徑向去到大氣。從而，冷卻空氣的排放流是繞艙表面的大致環形。
如圖6所示的實施例，公開了一個風力渦輪的後出口冷卻系統。在這樣的結構中，冷卻空氣沿著罩住定子線圈的環形腔70的前面通過進入口68，以基本上通過沿與前一實施例空氣流動方向反轉方向的空氣流冷卻定子線圈。利用因進氣口68處的風力產生的壓力差，來自圍繞定子線圈22和26冷卻流的受熱空氣構成後出口通路。在這個實施例中，可以利用一個或者更多的鼓風機，內置通風疊片以及一個嵌入式的外部風扇來協助冷空氣流動。例如，鼓風機72可擴大從前端入口到尾部出口75的氣流通道。
圖7-10示出了前面所描述的各種冷卻進氣裝置。圖7中，利用葉片根部和艙內輸送管吸入空氣來冷卻艙體和轂。更明確的，每個用於連接葉片和轂76的葉片根部74都有一個管78(圖中只示出一個)，管有一個開口朝前(艙82的上遊)的進氣開口80。管78將吸入的空氣送入轂管84，接著冷卻空氣進入如圖6所示的環形集管或氣室70。
額外的冷卻空氣通過同樣開口朝前的艙鬥86吸入。鬥86的數量根據艙邊緣的不同而變化，但最好對稱設置。圖7中對稱設置了四個這樣的鬥(圖中示出三個)。鬥86通過艙壁上的冷卻空氣進氣孔88將冷卻空氣送入，並與進入葉片根部管道的冷卻空氣匯集，繼而流入集管或氣室70。
圖8和9描述了一個包括三個轂入口92(圖中示出2個)的轂90，入口周向地位於葉片根部93之間。每個入口都有一個朝前的進氣開口94，每個管道可以在進氣開口處裝有一個過濾器96和多個內置擋板98，從而形成一個蛇形的冷卻空氣流道。流道中90度的彎曲有助於在空氣進入環形腔70之前除去其中的溼氣。流過發電機之後，冷卻空氣將從尾部排氣口102(圖中用虛線標出了一個)排出艙體100。
圖10描述了一個轂104，在該轂的中心部位設有單獨的一個前向入口106。冷卻空氣通過位於葉片根部孔110之間的內置開口108進入艙體和環形腔70。
儘管已經通過目前認為最具實踐價值的優選的實施例對本發明進行了描述，但應當理解本發明並不局限於這些實施例，而且恰恰相反，本發明意在覆蓋落入其附屬權利要求精神實質和保護範圍的各種修改及等效方案。
部件清單風力渦輪發電機10 進氣口68轉轂 12 環形腔或集管 70翼型葉片 14鼓風機72固定艙16塔架 18 葉片根部 74內定子線圈或繞組 22尾部出口 75外定子線圈26外轉子磁鐵或磁極 24 轂76內轉子磁鐵或磁極 28管78支架 30進氣開口 80間隙 32軸向間隙 34 艙82轉子 40轂管 84供氣通道 44入口 46 艙鬥 86進氣歧管 50進氣孔88鼓風機52過濾器54 轂入口92出口 55葉片根部 93排氣管56進氣開口 94排氣罐58排氣通道 59 過濾器96C形管道 60內置擋板 98環形導流器58艙100排氣口102轂104入口 106內置開口 108葉片根部 110
權利要求
1.一個風力發電機(10)包括一個艙(16)；一個由所述艙轉動地承載的並包括至少一對風力渦輪葉片(14)的轉轂(12)；一個產生電流的發電機，其包括由所述艙承載的一個定子(22，26)和一個轉子(24，28)，所述轉子與轂相連且可響應作用於所述葉片上的風力旋轉，使得轉子相對於定子轉動從而產生電流；和一個由艙(16)承載的冷卻系統，其包括至少一個大氣入口(46)，開通位於所述轂和葉片下遊的所述艙表面，以及一個輸送管(44)使空氣從沿大致上遊方向的所述入口流向轂並冷卻定子。
2.如權利要求1所述的發電機，其中所述入口(46)通向歧管(50)用以在定子周圍分布。
3.如權利要求1所述的發電機，其中所述艙(16)包括一個位於發電機定子前方的出口(55)。
4.如權利要求3所述的發電機，其中所述空氣出口將從定子處接收來的受熱空氣分布到位於轂後方位置處的大氣。
5.如權利要求1所述的發電機，其包括位於所述轂(12)後方和發電機定子前方的多個周向間隔的出口(55)，用來沿朝前上遊的方向流動引導受熱的冷卻空氣，和一個蓋在出口上的一個環形室(60)，用來沿大致下遊的方向使受熱空氣改流向，以繞所述艙流動。
6.如權利要求1所述的發電機，其中所述冷卻系統包括多個入口(46)，其位於發電機定子和轂下遊的艙表面附近，和一個或多個歧管和管道(50)，用於在入口與發電機定子之間的傳送冷卻空氣。
7.如權利要求6所述的發電機，其中所述管道包括鼓風機(52)，用於促使空氣流向所述發電機定子。
8.一種冷卻風力渦輪發電機(10)定子的方法，該發電機具有一個承載定子(22，26)和一個轉子(24，28)的艙(16)，轉子與裝有風力渦輪葉片(14)的轂(12)相連，該方法包括(a)通過沿著轂或艙的表面的朝前入口(46)吸入周圍的冷卻空氣；(b)使冷卻空氣流過發電機定子(22，26)以冷卻所述定子；和(c)在轂和葉片的下遊位置排出來自定子的冷卻空氣。
9.如權利要求8所述的方法，其包括提供一個鼓風機(52)協助冷卻空氣沿大致上遊的方向流動。
10.如權利要求8所述的方法，其中步驟(c)包括，使來自大致上遊方向的冷卻空氣流逆向向大致下遊的方向以排出冷卻空氣。
11.如權利要求8所述的方法，其中步驟(a)包括提供多個位於艙周圍的入口，步驟(b)包括使來自入口的冷卻空氣通過多個管道流到進氣歧管，並使來自歧管的冷卻空氣流過定子，以及步驟(c)包括使來自發電機部分的冷卻空氣流入一個用於沿大致下遊方向流動的環面。
12.如權利要求8所述的方法，其中所述入口位於艙上處於轂和葉片下遊的位置。
13.如權利要求8所述的方法，所述入口位於轂內。
14.如權利要求8所述的方法，其中步驟(b)中，冷卻空氣沿大致上遊的方向流過發電機定子。
15.如權利要求8所述的方法，其中步驟(b)中，冷卻空氣沿大致下遊的方向流過發電機定子。
16.如權利要求8所述的方法，其中步驟(c)中，冷卻空氣從定子和進氣口的上遊排出。
17.如權利要求8所述的方法，其中步驟(c)中，冷卻空氣從入口、轂、葉片和定子的下遊排出。
18.一種風力發電機(10)包括一個艙(16)；一個由所述艙轉動地承載並包括至少一對風力渦輪葉片(14)的轂(12)；一個產生電流的發電機包括由所述艙承載的一個定子(22，26)和一個轉子(24，28)，所述轉子與轂相連且可響應作用於所述葉片上的風力旋轉以使轉子相對於定子轉動從而產生電流；和一個冷卻系統包括至少一個朝前的大氣進氣口(68)和一個管道(70)，管道用於使來自所述入口的冷卻空氣沿大致下遊的方向流動離開所述轂並對所述定子進行冷卻。
全文摘要
一種風力發電機(10)包括一個艙(16)；一個由艙轉動地承載的並包括至少一對風力渦輪葉片(14)的轉轂(12)；一個產生電流的發電機，其包括承載在艙內的一個定子(22，26)和一個轉子(24，28)。轉子與轂相連並可旋轉，隨著風作用於葉片使得轉子相對於定子轉動從而產生電流。一個由艙(16)承載的冷卻系統，其包括至少一個入口(46)，開向位於轂和葉片下遊的艙表面，以及一個將氣流從入口向著大致上遊方向送往轂並冷卻定子的輸送管(44)。
文檔編號H02K9/02GK101042114SQ20071008604
公開日2007年9月26日 申請日期2007年1月22日 優先權日2006年3月22日
發明者B·巴奇帕利, G·R·巴恩斯, A·D·加德爾, P·L·詹森, C·G·小布查德, E·D·亞琴斯基, J·加格 申請人:通用電氣公司