整機通風冷卻專利解讀

2011年12月,專利CN202360305U橫空出世,提出了從塔底到機頭的冷卻氣流組織方式

風力發電機組內部環境控制系統

過濾器

該專利提出了從塔底進風,然后冷卻氣流沿著塔筒而上,經底座、主軸承軸承孔、輪轂后,從葉根縫隙(包括輪轂罩與發電機之間的縫隙)排出。在塔底進風口處設置過濾器,該過濾器有擋水板、中效過濾器、亞高效過濾器以及加熱器組成。還布設了用于感測濾芯阻力的壓差傳感器以及加熱器后的相對濕度傳感器。專利還提到了在機組轉動連接的縫隙處設置壓差傳感器,用于調整塔底的變頻風機風量,來維持機組內的壓力始終高于外界,就是保持機組內微正壓的意思。

點評:

  • 開創性的提出了塔底進風,機頭縫隙排風的方案
  • 機艙罩與塔筒之間的縫隙不再該專利描述的氣流路徑上,安裝壓差傳感器沒有效果

2012年6月,專利CN102734086B提出了一種由避風構件(上有軟性材料)以及避風構件偏航裝置組成的密封措施,來加強機組動靜結合處的密封

風力發電機組內部腐蝕防護裝置及方法

該專利提出了一種避風構件,一端固定在動靜結合處的一個部件上,另一端的軟性材料與動靜結合處的另一個部件接觸。其接觸是在風力下變形后才接觸的。該避風裝置還有自動偏航裝置,以便于機組停機時,來控制避風構件正對迎面來風。另外,還提到輪轂頭部圓孔,還設置有密封門,在機組停機時自動關閉,從而組織外界氣體進入輪轂內。

點評:

  • 方法簡單,但避風構件自動偏航裝置恐怕會引入不少新問題。
  • 輪轂頭部圓孔的密封門控制邏輯有待優化

2014年9月,專利CN204041344U增加了空調系統及其配風管,同時在底座上增加了通風機,對CN202360305U進行外圍布局

風力發電機組的內部環境控制系統 CN204041344U

專利描述了一種從塔底進風、沿著塔筒而上,經過底座、主軸承軸承孔、輪轂,然后從葉根與輪轂罩之間的縫隙(包括輪轂罩與發電機之間的縫隙),排出到外界環境。在塔底進風口處,設置了過濾裝置,用以過濾從外界吸入到塔筒內的空氣。為了驅動空氣沿著該專利所描述的路徑流動,在塔底以及內平臺處,均設置了風扇,用于驅動空氣運動。另外,該專利還提到了在塔筒內設置空調,在塔筒外設置室外機,并在塔筒內各個有發熱部件的平臺上設置出風口。并且還提到了不同的散熱控制模式,如單獨啟動空調用于制冷散熱,以及與塔底和內平臺風扇聯合散熱的方式。還有提到了環境溫度較低時,用于加熱塔底內部環境溫度的作用。在濕度較高時,空調啟動除濕模式,從回風管103吸入潮濕空氣,除濕后再輸送到各個平臺處。

點評:

  • 空調中的壓縮機容易損壞,且耗能較高。用于風力發電機這種工作環境較為惡劣,且發熱部件發熱功率較大的場合并不合適。
  • 由于空調采用制冷的方式進行除濕,氣溫較低時,其除濕將無法進行。

2015年12月,專利CN105484947A細化了從塔底到機頭的冷卻氣流組織方式,對CN105221360A專利進行外圍布局。

風力發電機組用冷卻裝置、風力發電機組及運行控制方法

該專利描述了一種由主風道以及許多分支風道和配風裝置組成的冷卻氣流精細化分配系統。在控制邏輯方面,該專利提出要根據發熱物體的發熱量以及溫控目標,可以調整各分支風管出風口處的配風裝置,從而精細化調節抵達各個發熱部件的冷卻風量。另外,在排出熱空氣方面,對機頭和塔筒進行了區隔。塔筒內的熱空氣從塔筒壁上的排風口2直接排出。底座內的熱空氣,經主軸軸承孔、輪轂后,從葉根縫隙處排出。針對被冷卻物體,該專利還描述了將支線風管配風裝置出風口伸入發熱物體內部的示意圖

點評:

  • 在塔筒內布設主風管和分支風管來對機組內的各個部件進行精細化配風的方式,沒有充分利用塔筒本身這個現成的管道以及煙囪效應。
  • 機頭相對于塔筒會轉動,該方案未考慮如何處理塔筒伸向機頭的這段管道
  • 未考慮對進入機組的空氣進行過濾

2015年12月,專利CN205207057U將從塔底到機頭的冷卻氣流,在底座處一分為二,同時著重提出了用蒸發冷卻的手段來冷卻主軸承,對CN204041344U專利進行了外圍布局

風力發電機組冷卻系統及風力發電機組

類似于專利CN204041344U,同樣采取了從塔底進風,經塔筒而上的冷卻空氣流動路徑,但是在底座處,將冷卻空氣分成了兩路,一路,還是沿著主軸軸承孔、輪轂,最后從葉根縫隙處排到外界環境。另一路,經底座蓋板孔,進入機艙,然后從機艙尾部排到外界環境。中間,還對定軸內圈加裝了蒸發冷卻裝置中的蒸發器進行冷卻,其冷凝器放置到內平臺進風口處。

點評:

  • 該專利采用蒸發冷卻的手段對主軸承的冷卻進行了特別的考慮,但是,此種方式僅適用于軸承內圈固定不轉的情況。
  • 從底座處將從塔底而來的冷卻氣流分成兩路,兼顧了機艙的冷卻。但這兩路的流動阻力相差較大,例如,經葉根縫隙而出的一路阻力較大,對氣流流量的合理分配非常不利

2015年12月,專利CN205277722U提出在進風口增加一個離心除塵設備,補充了 CN205207057U專利

風力發電機組的送風除塵系統和風力發電機組

該專利也是采用塔底進風的方案,然后在底座處分為兩路,一路從葉根縫隙處排到外界環境,一處從機艙尾部開口處排到外部環境。所不同的是,在塔底進風口增加了一個離心除塵設備

點評:

  • 只是增加了一個不同形式的除塵設備

2015年9月,專利CN105221360A出現,提出了從機頭到塔底的冷卻氣流組織方式,試圖繞開CN204041344U,掀起新篇章

風力發電機組的冷卻系統及風力發電機組 CN105221360A

專利描述了一種從葉根與輪轂罩之間的縫隙(包括輪轂罩與發電機之間的縫隙)進風,冷卻空氣沿著輪轂,主軸軸承孔、底座,順著塔筒,直到塔底開口才出去。為了對從葉根縫隙處進入的空氣進行過濾,在輪轂頭部圓孔處放置了過濾網。為了使冷卻空氣流沿著設計路徑流動,在底座以及塔底均安裝風扇,用以驅動空氣流動。在控制方面該專利提了監測主軸承內壁面、底座內壁面溫度(圖中14)來控制該散熱方案中風扇的啟停。

點評:

  • 結構設計方面,該專利所描述的空氣流動路徑,在塔筒段是逆著煙囪效應向塔底流動的。這在實際應用中必然會在塔筒內形成較大的漩渦,使得設計空氣流動路徑偏離設計路徑。
  • 在控制方面,監測底座內壁面溫度非常不妥,因為該溫度無法有效反映冷卻氣流主體的溫度

2015年9月,專利CN205025698U提出了將塔筒外部的散熱器放置到塔筒內,對CN105221360A專利進行了外圍布局

風力發電機組的散熱系統以及風力發電機組

該專利除了描述了從上而下的進風路徑外,在塔底塔筒側壁上又增加了第二進風口。另外,該專利進一步提到,塔底的發熱部件如,變流柜,其散熱裝置(一般為帶有主動散熱風扇的板翅式液冷散熱器)放置到塔筒外,噪音大,還有防腐的問題。因此,提出將其散熱裝置放置到塔筒內,從而將噪音限制到塔筒內,以及減輕腐蝕影響。

點評:

  • 從葉根縫隙進入的空氣阻力較大,難以滿足塔底發熱部件,如變流柜等的散熱需要。
  • 使用塔底塔筒壁上的第二進風口進風,用于滿足塔底發熱部件的散熱需要時,會破壞輪轂、底座以及第二進風口以上空間的負壓環境,導致高空空氣不再從葉根縫隙進入機組內部來冷卻輪轂、主軸承以及底座內的發熱部件

2015年12月,專利CN205277721U增加了第二進風口,并對機組內的散熱區域進行了劃分和區隔,對CN105221360A專利進行了外圍布局

風力發電機組的散熱系統及風力發電機組

該專利對前面那種從上到下的冷卻氣流組織方式進行了進一步的細化,將輪轂到底座命名為第一散熱通道,然后再在機艙尾部取一個進風口,以及影響的管道,命名為第二散熱通道。也就是說第一散熱通道主要是針對輪轂、主軸承內圈以及底座內發熱部件的冷卻的,而第二散熱通道可以針對動力電纜,以及塔筒內的發熱部件進行散熱的。另外還提到了,如果僅考慮塔筒內的發熱部件,第二散熱通道的進風口可以考慮設置在塔筒壁上。

點評:

  • 第一散熱通道和第二散熱通道的劃分,對機組內的散熱區域進行了區隔,可以使得不同區域,均有較大溫度差的冷卻氣流予以冷卻。
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