背景技术
最近，作为环境安全且相对廉价的替代能源，风力涡轮机受到越来越多的关注。风力涡轮机不会放出温室气体(GHG)，因此风力涡轮机不会促使全球变暖。随着对风力发电的关注不断增加，已做出大量努力来发展可靠且高效的风力涡轮机。
风通常被认为是由于太阳不均地加热大气、地球表面的不规则性以及地球的旋转而引起的太阳能的一种形式。风流动型态由地球地形、水体以及植物所改变。术语风能或风力描述这样的过程，即通过该过程使用风来使轴旋转，且随后产生机械动力或电。
通常，使用风力涡轮机来将风中的动能转换成机械动力。可使用该机械动力用于特定任务(例如研磨谷物或泵水)，或者发电机可将此机械动力(即轴的旋转)转换成电。风力涡轮机通常包括气动机构(例如叶片)，以用于将空气的运动转换成机械运动(例如旋转)，然后利用发电机将该机械运动转换成电功率。来自发电机的功率输出与风速的立方成比例。当风速加倍时，风力发电机的产能增加几乎八倍。
大部分商业上可用的风力涡轮机使用齿轮传动系统来将涡轮叶片连接至发电机。风使涡轮叶片转动，涡轮叶片使低速轴旋转，低速轴供给(feed)到具有较高速的输出轴的齿轮箱中。这个较高速的输出轴连接至产生电的发电机。齿轮传动旨在提高机械运动的速度。
用于大型(例如＞1MW)风力涡轮机的工业标准传动系统包括单独安装至主框架(通常也称为底座框架或底座板)的分立的齿轮箱和发电机单元。动力通过柔性的“高速”轴联接件从齿轮箱传递到发电机。该布置强制齿轮箱和发电机在物理上(physically)彼此隔开，而且需要齿轮箱的输出轴和发电机的输入轴两者分别由齿轮箱轴承和发电机轴承单独支承。
通常使用热交换器来消散在发电机和/或齿轮箱的操作期间产生的热。通常，齿轮箱热交换器(例如，油/空气)连接至齿轮箱，而发电机热交换器(例如，空气/空气)安装至发电机。这些热交换器使发电机(和/或齿轮箱)能够相对于环境密封，但是，这些热交换器昂贵、沉重，且消耗有价值的功率。
传统的TEFC(全封闭风扇冷却式)和TEAO(全封闭空气冷却式(totally-enclosed air-over))工业马达冷却系统不需要热交换器来提供密封系统，但是布置将冷却进气从马达非驱动端越过外部翅片吹到马达驱动端。进气路径和排气路径两者均倾向于为无管道的，这对于外罩(nacelle)是封闭的风力涡轮机应用来说是不合适的。高效且低成本的自驱动端起的外部排气路径的管道是非常困难的，且在风力涡轮机应用中和尤其在紧凑的齿轮传动系统构造中是特别有挑战性，因为由外罩封罩和底座板所强制的紧密空间和封闭要求。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的透视图；
图2是一种已知风力涡轮机的一部分的简化截面图；
图3是根据本发明的一个方面的、具有冷却系统的风力涡轮机的一部分的简化截面图；
图4是根据本发明的另一个方面的、具有冷却系统的风力涡轮机的一部分的简化截面图；
图5是根据本发明的又一个方面的、具有紧凑的齿轮传动系统和冷却系统的风力涡轮机的一部分的简化截面图；
图6是根据本发明的再一个方面的、具有紧凑的齿轮传动系统和冷却系统的风力涡轮机的一部分的简化截面图；
图7是根据本发明的另一个方面的、具有紧凑的齿轮传动系统和冷却系统的风力涡轮机的一部分的简化的顶部截面图；
图8是根据本发明的又一个方面的、具有紧凑的齿轮传动系统和冷却系统的风力涡轮机的一部分的简化的端部截面图；以及
图9是根据本发明的另一个方面的、具有紧凑的齿轮传动系统和冷却系统的风力涡轮机的一部分的简化截面图。
部件列表
100风力涡轮机
110塔筒
120外罩
130叶片
140轮毂
250低速轴
260齿轮箱
270高速轴
280发电机
290热交换器
380发电机
382外部翅片
390护罩
392风扇
394空间
396导管
398过滤器
480发电机
482外部翅片
490护罩
492风扇
496导管
560齿轮箱
580发电机
582外部翅片
590护罩
592风扇
594空间
596导管
610制动盘
612制动卡钳
614发电机轴
660齿轮箱
680发电机
682外部翅片
690护罩
692风扇
696导管
760齿轮箱
762外部翅片
780发电机
782外部翅片
790护罩
792风扇
794空间
796导管
812制动卡钳
960齿轮箱
962外部翅片
980发电机
982外部翅片
990护罩
992风扇
994空间
996导管
具体实施方式
图1中示出了典型的商用水平轴线式风力涡轮机(HAWT)100。风力涡轮机100可包括管状塔筒110，该塔筒110通常由钢制成。可通过将多个塔筒段堆叠在彼此之上来建造塔筒110。塔筒110支承外罩120、叶片130以及轮毂140的重量。塔筒也可为格架(或桁架)型，且管状塔筒可备选地由混凝土制成。外罩120通常容纳传动系统(例如齿轮箱、轴、联接件、发电机等)，以及主框架(也称为底座板)以及偏航驱动器。例如控制电子器件的其它物件也可容纳在外罩120内。通常，外罩120具有由例如玻璃纤维或石墨复合物的轻量材料构成的外表层。外罩表层的主要功能是保护容纳物不受自然环境(例如雨、冰、雪等)的影响。
叶片130连接至轮毂140，且轮毂可包含变桨控制机构，以控制各个叶片的桨距角。通常，在大多数商用风力涡轮机中采用三个叶片，但是也可采用一个、二个或四个或更多个叶片。叶片通过使低速轴旋转来将风的动能转换成机械能。叶片可由玻璃纤维或石墨复合物、玻璃纤维加强的塑料或木材/环氧层压材料、或其它合适的材料制成。低速轴通常通过栓接法兰联接件连接至轮毂140。
使用发电机来将轴的旋转转换成电能。通常使用齿轮箱来提高通到发电机的输入轴的速度。齿轮箱将低速轴作为其输入，而输出是较高速的轴，根据本发明的方面，较高速的轴可直接供给到发电机中。
图2示出了一种已知风力涡轮机的一部分的简化的截面图。外罩120安装在塔筒110上。叶片130连接至轮毂140，且驱动连接至齿轮箱260的低速轴250。齿轮箱驱动高速轴270，该高速轴270连接至发电机280。通常，空气/空气热交换器290安装在发电机280之上。
图3示出了根据本发明的一个方面的、具有改进的冷却系统的风力涡轮机100的一部分的简化截面图。发电机380具有多个设置在发电机的外部壳体的周缘周围的外部翅片382。外部翅片382充当热交换元件，且协助冷却发电机380。护罩390包围发电机380的至少一部分，且帮助引导可从外罩120内被抽吸的冷却的环境空气越过外部翅片382。风扇或鼓风机392在空间394中产生负压区。冷却空气被抽吸越过外部翅片382，进入空间394中，穿过风扇392，且强制离开排气导管396。在一些应用中，可使用可选的过滤器398来过滤被抽吸到外罩120中的空气。进气口的位置显示成在外罩120的底部上，但是进气口可如具体应用所期望的那样位于外罩上的任何地方。
发电机380优选为全封闭的，且可为任何类型，包括目前用于风力涡轮机行业中的那些(包括永磁(PM)同步发电机、绕线磁极式同步发电机、双馈异步发电机和鼠笼式感应发电机)。如在工业TEFC(全封闭风扇冷却式)和TEAO(全封闭空气冷却式)马达中常见的那样，可使用安装在内部轴上的风扇或桨轮(paddle wheel)来使内部空气循环或搅动内部空气，以将热从发电机转子和定子端绕组传递到发电机框架和外部翅片382。本发明的系统提供的一个关键优点在于，可为风力涡轮发电机消除对空气/空气热交换器(例如图2中的元件290)的需要，同时仍然满足如风力涡轮机行业中的通用标准中的IP54(或更好的)发电机封闭性要求。IP代码由国际工程协会(IEC)定义，且包括字母IP，字母IP后面为两个数字和可选字母。例如，在IP54代码中，“5”对应于这样的装置，即，在该装置中，没有完全防止灰尘进入，但是灰尘未以足够量进入而干扰装置的符合要求的操作，且在该装置中完全防止了接触。“4”对应于保护不受飞溅水的影响，其中，从任何方向朝向封罩飞溅的水将不会具有不良影响。
图4示出了根据本发明的另一个方面的、具有改进的冷却系统的风力涡轮机100的一部分的简化截面图。发电机480具有多个设置在发电机的外部壳体的周缘周围的外部翅片482。发电机的背部或非驱动端也可具有外部翅片。发电机的驱动端是面向齿轮箱260的侧边。护罩490包围发电机480的至少一部分，且帮助引导可从外罩120内被抽吸的冷却的环境空气越过外部翅片482。风扇或鼓风机492产生负压区，且将冷却空气抽吸越过外部翅片482。加热的空气穿过风扇492，且被强制离开排气导管496。风扇可安装至发电机轴，或者可安装在由发电机转子驱动的轴上。
图5示出了根据本发明的另一个方面的、具有改进的冷却系统的风力涡轮机100的一部分的简化截面图。齿轮箱560和发电机580构造成紧凑的齿轮传动系统，其中，发电机附连至齿轮箱。发电机580具有多个设置在发电机的外部壳体的周缘周围的外部翅片582。护罩590包围发电机580的至少一部分，且帮助引导可从外罩120内被抽吸的冷却的环境空气越过外部翅片582。风扇或鼓风机592在空间594中产生负压区。冷却空气被抽吸越过外部翅片582，进入空间594中，穿过风扇592，且被强制离开排气导管596。
图6示出了根据本发明的一个方面的、具有改进的冷却系统的风力涡轮机100的一部分的简化截面图。齿轮箱660和发电机680构造成紧凑的齿轮传动系统，且制动盘610和制动卡钳612附连至发电机轴614。另外，滑环组件(未显示)可安装成远离发电机680的转子轴和制动盘610，或与发电机680的转子轴和制动盘610同心。发电机680具有多个设置在发电机的外部壳体的周缘周围的外部翅片682。护罩690包围发电机680的至少一部分，且帮助引导可从外罩120内被抽吸的冷却的环境空气越过外部翅片682。风扇或鼓风机692将冷却空气抽吸越过外部翅片682。然后加热的空气被强制离开排气导管696。
护罩690还可包围制动系统610，612的全部或一部分，且帮助引导冷却的环境空气的一部分越过制动盘610和制动卡钳612。该布置具有能够在制动操作期间冷却制动系统的优点。
图7示出了根据本发明的一个方面的、具有改进的冷却系统的风力涡轮机100的一部分的简化的顶部截面图。齿轮箱760和发电机780构造成紧凑的齿轮传动系统，且制动盘710附连至发电机轴714。另外，滑环组件720可安装成远离发电机780的转子轴和制动盘710，或与发电机780的转子轴和制动盘710同心。发电机780具有多个设置在发电机的外部壳体的周缘周围的外部翅片782。护罩790包围发电机780的至少一部分，且帮助引导可从外罩120内被抽吸的冷却的环境空气越过外部翅片782。第一风扇或鼓风机792将冷却空气抽吸越过外部翅片782，然后强制加热的空气离开排气导管796。第二风扇或鼓风机793将冷却空气抽吸越过外部翅片782，然后强制加热的空气离开排气导管797。
图8示出了根据本发明的一个方面的、具有改进的冷却系统的风力涡轮机100的一部分的简化的端部截面图。发电机780具有多个设置在发电机的外部壳体的周缘周围的外部翅片782。制动盘710附连至发电机轴。滑环组件720可安装成远离发电机780的转子轴和制动盘710，或与发电机780的转子轴和制动盘710同心。护罩790包围发电机780的至少一部分，且帮助引导可从外罩内被抽吸的冷却的环境空气越过外部翅片782。第一风扇或鼓风机792将冷却空气抽吸越过外部翅片782，然后强制加热的空气离开排气导管796。第二风扇或鼓风机793将冷却空气抽吸越过外部翅片782，然后强制加热的空气离开排气导管797。
图9示出了根据本发明的一个方面的、具有改进的冷却系统的风力涡轮机100的一部分的简化截面图。齿轮箱960和发电机980构造成紧凑的齿轮传动系统，且齿轮箱包括外部冷却翅片962。护罩990包围发电机980和齿轮箱960的至少一部分，且帮助引导可从外罩120内被抽吸的冷却的环境空气越过外部翅片962和982。风扇或鼓风机992在空间794中产生负压区。冷却空气被抽吸越过外部翅片962，982，进入空间994中，穿过风扇992，且被强制离开排气导管996。该布置具有能够冷却发电机和至少部分地冷却齿轮箱的优点。
一种优选的发电机类型是PM同步发电机，但是也可使用感应发电机、绕线磁极式同步发电机或双馈异步发电机。已经对采用单个发电机的风力涡轮机进行了描述，但是应当理解，也可在对齿轮箱和护罩进行修改的情况下使用多个发电机。
本发明提供了一种用于风力涡轮发电机和/或齿轮箱的改进的冷却系统。可采用全封闭的发电机，且消除对在目前已知的(多个)风力涡轮发电机中所使用的空气/空气热交换器或液体冷却的需要，而且获得成本、冷却功率消耗、复杂性以及塔筒上重量的降低。本发明的一个独特方面在于，冷却空气的流动为从发电机的驱动端流到非驱动端。该布置产生了对于风力涡轮机应用来说理想的用于冷却空气的高效且简化的流动路径。发电机(且可选地齿轮箱)产生的热可经由简单且廉价的管道系统立即从外罩的尾部中排出，从而避免了内部外罩的不必要的加热。此外，通到发电机的进气不需要通过管道输送空气或对空气进行特殊处理，从而产生了与现有系统相比在整体上显著减小的风扇或鼓风机动力大小、成本以及消耗。
虽然本文已经对各种实施例进行了描述，但是从说明书中将理解的是，本文中的各种元件组合、变化或改进可被采用，且在本发明的范围内。