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用于加热和冷却风力涡轮机构件的系统
技术领域
本发明通常涉及风力涡轮机，具体而言，涉及用于加热和冷却风力涡轮机构件的系统。
背景技术
通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。叶片附连到可旋转的轮毂上，并且叶片和轮毂常被称为转子。该转子将机械风能转变为驱动一个或多个发电机的机械旋转扭矩。发电机通常但不是一直通过齿轮箱而旋转地联接到转子上。齿轮箱提高用于发电机的涡轮机转子的低的固有转速，以有效地将旋转机械能转化为进入公用电网的电能。也存在着无齿轮的直接驱动的风力涡轮发电机。转子、发电机、齿轮箱以及其它构件典型地安装在外壳或机舱内，该外壳或机舱位于可能为桁架或管形塔架的底座的顶部。
齿轮箱需要被润滑和冷却以有效地运行。典型地，油在齿轮箱中被用来润滑，并且油在齿轮箱的运转期间变热。热交换器典型地被用来冷却油，并且，油-气散热器或热交换器通常被用来消散来自润滑油的热。发电机也需要被冷却，并且气-气或水-气热交换器已被用来消散来自容纳于机舱内的发电机的热。
在一些已知的系统中，齿轮箱和发电机具有它们自己的独立的热交换器。例如，在一个已知的系统中，齿轮箱热交换器包括风扇、管道系统以及油-气热交换器。发电机热交换器包括另一个风扇、额外的管道系统以及气-气热交换器。用于这两个单独的热交换器的空气典型地从处于机舱内的空气吸出。在风力涡轮机的运转期间，许多构件产生热，并且机舱内的空气的温度可能相对于外部环境空气而提升。这可能因使用热空气来冷却热的构件而在冷却系统中导致无效。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供了一种用于风力涡轮机的加热和冷却系统，该系统包括齿轮箱、齿轮箱热交换器、发电机、发电机热交换器以及冷却管道。该冷却管道连接到齿轮箱热交换器和发电机热交换器上，并被用来传送空气穿过这两个热交换器以冷却齿轮箱和发电机。
附图说明
图1是一个示范性的风力涡轮发电机的示意图；
图2是可以与图1中所示的示范性的风力涡轮发电机一起使用的机舱的局部横截面示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的、可以与图1中所示的示范性的风力涡轮发电机一起使用的机舱的局部横截面示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的、可以与图1中所示的示范性的风力涡轮发电机一起使用的机舱的局部横截面示意图；
图5是根据本发明的另一个实施例的、可以与图1中所示的示范性的风力涡轮发电机一起使用的机舱的局部横截面示意图。
构件列表

  100  风力涡轮机  102  塔架  104  支撑面  106  机舱  108  转子  110  轮毂  112  叶片  114  旋转轴线  118  俯仰轴线  120  叶根部  122  负荷转移区
  210  发电机  212  发电机热交换器  214  发电机风扇  215  低速轴  216  管道系统  220  齿轮箱  222  齿轮箱热交换器  224  齿轮箱风扇  226  管道系统  230  高速轴  240  支撑轴承  305  进气  310  风扇  315  过滤器  320  管道系统  330  旁通门  340  机舱加温放热器  510  第一管道段  520  第二管道段  530  第三管道段  540  控制面板  550  热交换器
具体实施方式
图1是一个示范性的风力涡轮机100的示意图。在示范性的实施例中，风力涡轮机100是水平轴风力涡轮机。备选地，风力涡轮机100可以是垂直轴风力涡轮机。风力涡轮机100具有从支撑面104延伸出的塔架102、安装在塔架102上的机舱106以及联接到机舱106上的转子108。转子108具有可旋转的轮毂110和联接到轮毂110上的多个转子叶片112。在示范性的实施例中，转子108具有三个转子叶片112。在一个备选的实施例中，转子108可以具有多于或少于三个的转子叶片112。在示范性的实施例中，塔架102由管形钢制成，并具有延伸在支撑面104和机舱106之间的腔(图1中未显示)。在一个备选的实施例中，塔架102是格子状塔架。塔架102的高度是基于本领域已知的因素和条件而选择的。
叶片112被定位成绕着转子轮毂110以有利于旋转转子108，从而将来自风的动能转变为可用的机械能，进而转变为电能。叶片112通过在多个负荷转移区122将叶根部120联接到轮毂110上而连接到轮毂110上。负荷转移区122具有轮毂负荷转移区和叶片负荷转移区(在图1中未显示出这两者)。被引入叶片112中的负荷经由负荷转移区122而被转移至轮毂110。
在示范性的实施例中，叶片112具有在约为50米(m)(164英尺(ft))至约为100米(328ft)之间的长度。备选地，叶片112可以具有任何长度。当风冲击叶片112时，转子108绕着旋转轴线114旋转。当叶片112旋转并受到离心力时，叶片112受到各种的挠矩和其它运转应力。如此一来，叶片112可以从中间的或不偏离的位置偏离和/或旋转至偏离的位置，并且相关的应力或负荷可以被引入叶片112中。此外，叶片112的俯仰角，即确定叶片112相对于风向透视的角度，可以由俯仰调节机构(在图1中未显示)改变，以有利于通过调节暴露于风力矢量的叶片112的表面积来增加或减少叶片112的速度。针对叶片112的俯仰轴线118被图示。在示范性的实施例中，单独地控制叶片112的俯仰。备选地，叶片112的俯仰可以作为组而被控制。
在一些配置中，控制系统(图1中未显示)中的一个或多个微控制器被用于整个系统的监视和控制，包括俯仰和转子速度的调整、偏转驱动和偏转制动的应用以及故障监视。备选地，分布式或集中式的控制结构被用于风力涡轮机100的备选的实施例中。
图2是接合分离的热交换器以冷却齿轮箱和发电机的一个已知的风力涡轮机的简化横截面示意图。风力涡轮机100的各种构件容纳在位于风力涡轮机100的塔架102的顶部的机舱106中。转子108经由转子轴215(有时指低速轴)、齿轮箱220、高速轴230以及一个或多个联接器(未显示)而可旋转地联接到被定位在机舱106内的发电机210上。一个或多个支撑轴承240(仅显示了一个)被定位在机舱106内并由机舱106支撑。轴承240有利于轴215的径向支撑和对准。轴215的旋转可旋转地驱动齿轮箱220，该齿轮箱随后驱动轴230。高速轴230驱动用于产生电力的发电机210。
齿轮箱220、发电机210以及轴承240在运转期间产生热，并且其中的一些构件可能需要被冷却以避免过热。“Z”形的箭头图示了图2中的热消散。在一个已知的系统中，齿轮箱220接合具有齿轮箱热交换器222、齿轮箱风扇224和管道系统226的齿轮箱冷却系统。许多齿轮箱使用油作为润滑和传热的介质，并且这些油被泵送通过热交换器222，以由从机舱106内吸出的空气冷却。然后，被加热的空气通常从机舱106的顶部排出。
发电机210也产生大量的热，并且，如上述已知的系统，接合具有发电机热交换器212、发电机风扇214以及管道系统216的发电机冷却系统。许多发电机使用水作为传热的介质，并且这些水被泵送通过热交换器212，以由从机舱106内吸出的空气冷却。然后，被加热的空气通常从机舱106的背部排出。一些发电机也可以使用气-气热交换器或水-气热交换器。所使用的水可与防冻剂混合，或者备选地，可以使用其它的合适的冷却液体。
在该一个已知的系统中，空气从机舱106内被吸入这两个热交换器中。这些空气可能不期望地被机舱内的产生热的各种构件加热。例如，轴承240、齿轮箱220、发电机210以及其它构件可以产生热，该热可以加温被吸入机舱中的空气。热交换器在更大的温度梯度下更有效地工作，并且，使用最低的可能温度的输入空气是有益的。
图3显示了根据本发明的一个方面的改进的冷却和加热系统。用于热交换器的进气经由一个或多个位于机舱前部附近的孔或端口而从机舱106的外部被直接吸入。在备选的实施例中，进气可以从风力涡轮机的其它部分被导入，这些部件包括但不限于转子、轮毂、塔架或机舱内部。
由箭头305表示的进气穿过单个风扇310和过滤器315。过滤器315可以置于风扇310之前或之后。管道系统320引导进入的被过滤的空气通过齿轮箱热交换器222和发电机热交换器212。这种配置的一些优点是：冷的外部空气被吸入冷却系统中，并且单个风扇可以服务多个热交换器。
另外，可以将旁通门330增加到系统上，以优化用于暖气候运转或冷气候运转的冷却和加热系统。旁通门还可以包括阀、闸门、百叶窗或其它合适的装置。可以将机舱加温放热器340增加到机舱的内部，以在冷气候运转的期间加热机舱。当旁通门330处于水平位置时(如图3中所示)，穿过管道系统320的空气被转向，以穿过机舱加温放热器340。空气在经过齿轮箱热交换器和发电机热交换器时所吸收的热可以被机舱加温放热器340吸取，并被用来加热机舱106的内部。
在冷气候运转中(例如，比0℃还冷)，将机舱的内部保持高于预定温度可能是有利的。机舱中的各种子系统和电子设备可能需要避免极冷的温度。当外部温度冷时，服务人员也将从较暖和的工作环境中受益。例如，如果外部环境温度低于约-10℃，那么，服务技术人员将发现在机舱106内工作是非常困难和不舒服的。通过实施本发明的加热和冷却系统，可以将机舱内部温度相对于外部环境温度保持在升高的温度，因而服务人员可以更舒适地在更少的时间内进行他们的职责。
图4图示了配置成用于暖气候运转的加热和冷却系统。旁通门330显示出处于垂直位置，并且该位置阻挡空气进入机舱加温放热器340。空气被向下引导并引出机舱后部。旁通门可以由单个铰链门或两组百叶窗式的孔或阀来实施。也可以采用用于允许空气经过并防止空气穿过管道系统的其它合适装置。
机舱加温放热器可以包括一个或多个具有散热能力或散热翅片或凸出部的管或管道。可以将管道的内部设计成，通过接合挡板、翅片、内部凸出部或任何其它合适的装置以增加管道内部的表面积，从而增大穿过的空气的传热。离开机舱加温放热器的空气可以从机舱106的后部或其它部分排出。
图5图示了本发明的另一个实施例，并接合了服务单独构件的多个管道段。如前面所描述的实施例，采用单个的风扇310和过滤器315。然而，如果愿意，可以使用多个风扇和/或过滤器。第一管道段510连接到齿轮箱热交换器222上。第二管道段520连接到发电机热交换器212上。第三管道段530可以连接到控制面板540的热交换器550上。应当理解，风力涡轮机的其它构件或子系统也可以经由第三管道段或其它管道段而被加热或冷却。
涡轮机控制系统的一部分驻留在控制面板540(也被称为“顶箱”)内。控制面板540包括被用来控制和监视环境条件的电子设备以及风力涡轮机100的各种系统和构件。这些电子设备可能产生大量的热，并可能需要被冷却。控制面板热交换器550可以有助于将控制面板540内的电子设备保持在期望的温度。
具有服务各个热交换器的单独的管道的一个优点是将可能最冷的空气引导至各个热交换器。例如，外部空气305被吸入冷却和加热系统中，并应用到各个热交换器且没有被先前的热交换器加温。为了清楚起见，省略了机舱加温放热器340和旁通门330(两者在图5中未显示)，但可以与图5中所示的实施例一起使用。
虽然通过具体的实施例来描述了本发明，但本领域技术人员将意识到，本发明可以在权利要求的要旨和范围内进行修改。