先進(jìn)金屬加工工藝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

崔 明，劉軍偉，李華陽(yáng)

（上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310028）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是達(dá)到風(fēng)力風(fēng)電機(jī)溫度控制的需求，保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)并提升其使用壽命。先進(jìn)金屬加工工藝應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中設(shè)計(jì)優(yōu)化，能進(jìn)一步提高風(fēng)力風(fēng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)使用效能，對(duì)于提升冷卻系統(tǒng)的可靠性有著重要意義。同時(shí)，也能夠?yàn)闈M足風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)多元化使用需求提供強(qiáng)有力的支撐。

1 常見(jiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)種類(lèi)

1.1 空冷卻系統(tǒng)

空冷方式是風(fēng)力發(fā)電機(jī)較為常見(jiàn)設(shè)計(jì)形式。由于空冷冷卻技術(shù)相對(duì)成熟，技術(shù)應(yīng)用難度較低，其技術(shù)應(yīng)用成本也低于其他方式。空冷卻的主要優(yōu)勢(shì)，不只在于技術(shù)成本及技術(shù)難度，同時(shí)也包括技術(shù)應(yīng)用可控性。目前，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)路線較多，對(duì)發(fā)電機(jī)冷卻的技術(shù)需求各不相同，為滿足不同環(huán)境下使用要求，空冷空冷冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)也存在較多品類(lèi)，能適用于各類(lèi)發(fā)電機(jī)使用需求。現(xiàn)階段，我國(guó)空冷冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，大部分集中在變頻控制及機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化兩個(gè)方面。其中變頻控制得當(dāng)，可直接提升空冷冷卻系統(tǒng)的準(zhǔn)確性并降低能耗，而機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化，則是從電機(jī)、風(fēng)扇、換熱器及通風(fēng)道四個(gè)部分進(jìn)行優(yōu)化，以期通過(guò)更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案提高空冷冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用效果。

1.2 液冷冷卻系統(tǒng)

液冷冷卻系統(tǒng)，也可稱(chēng)之為水冷系統(tǒng)。與空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同的是，液冷冷卻系統(tǒng)具有更強(qiáng)冷卻效能，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻設(shè)計(jì)中，可以最大限度保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于平衡溫控環(huán)境，有效避免發(fā)電機(jī)因過(guò)熱而產(chǎn)生壞損。雖然液冷冷卻系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢(shì)，但同樣在技術(shù)應(yīng)用層面存在弊端。液冷冷卻由于采取水循環(huán)冷卻機(jī)制，在系統(tǒng)部件數(shù)量及設(shè)計(jì)復(fù)雜程度均高于空冷系統(tǒng)，導(dǎo)致液冷系統(tǒng)維修困難及設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本過(guò)高。從技術(shù)層面來(lái)看，雖然液冷冷卻系統(tǒng)的確有其不可替代的優(yōu)勢(shì)，但存在的問(wèn)題同樣不可忽視。

2 先進(jìn)金屬加工工藝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用必要性

先進(jìn)金屬加工工藝既包括采用具備高強(qiáng)度、高可塑性、耐磨性及耐腐蝕性等特點(diǎn)的金屬材料，也包括新型的鑄造、金屬切削加工、焊接乃至3D打印等加工工藝。目前發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)在原理上進(jìn)行突破難度較大，但是在材料和工藝上有很大的提升空間，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入先進(jìn)的金屬加工工藝極其必要。

2.1 提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻效率

運(yùn)用先進(jìn)的金屬加工工藝，能在盡可能不改變冷卻部件其他設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提高冷卻部件的性能，使其能保持良好品質(zhì)，確保冷卻部件符合使用需求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)先進(jìn)金屬加工工藝的運(yùn)用，可以通過(guò)相應(yīng)金屬工藝的基本特點(diǎn)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻效率。以空冷冷卻系統(tǒng)為例，其主要面臨的問(wèn)題是換熱效率不高，冷卻風(fēng)機(jī)的效率、換熱器的傳熱系數(shù)及通風(fēng)管路的阻力系數(shù)，直接決定空冷冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。在此類(lèi)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，先進(jìn)金屬加工工藝所起到的作用主要是為發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)提供更大的導(dǎo)熱系數(shù)、更小的阻力，有效提升風(fēng)量和強(qiáng)化空冷冷卻的換熱效果，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)能始終處于適宜的溫度環(huán)境中工作。因此，先進(jìn)金屬加工工藝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用尤為必要，對(duì)彌補(bǔ)空冷冷卻技術(shù)的不足，有著一定幫助作用。

2.2 強(qiáng)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)可靠性

通常情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)工作環(huán)境較為惡劣，且工作強(qiáng)度相對(duì)較高，在現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用環(huán)境下，其工藝設(shè)計(jì)雖然能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)階段性使用需求，但仍需高頻次的設(shè)備維護(hù)管理。這對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常使用造成一定影響。而先進(jìn)金屬加工工藝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用，則可有效解決以上問(wèn)題，提高設(shè)備使用壽命及使用穩(wěn)定性。先進(jìn)金屬加工工藝，能從材料應(yīng)用技術(shù)優(yōu)化角度，降低內(nèi)部液體對(duì)液冷管道及泵體電機(jī)影響，使液冷冷卻系統(tǒng)，能長(zhǎng)期保持良好運(yùn)行狀態(tài)，大幅提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻可靠性。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)對(duì)先進(jìn)金屬加工工藝應(yīng)用的現(xiàn)狀及困境

3.1 技術(shù)難度復(fù)雜及技術(shù)成本過(guò)高

先進(jìn)金屬加工工藝技術(shù)內(nèi)容更為復(fù)雜，對(duì)材料的使用需求也相對(duì)較高。這其中，材料成本、人力資源成本、設(shè)備成本及加工管理成本等均是先進(jìn)金屬加工工藝運(yùn)用主要問(wèn)題。雖然，我國(guó)在先進(jìn)金屬加工工藝上，已然處于世界領(lǐng)先地位，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)對(duì)金屬材料運(yùn)用相對(duì)特殊，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單流程實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用及生產(chǎn)。

正因如此，現(xiàn)階段先進(jìn)金屬加工工藝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)使用更多傾向于大型電機(jī)設(shè)備，對(duì)中小型設(shè)備而言，受成本限制并不具有使用先進(jìn)金屬加工工藝的條件，無(wú)法大范圍推廣應(yīng)用使得先進(jìn)加工工藝的成本遲遲無(wú)法降低，這是限制先進(jìn)金屬加工工藝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用主要因素。

3.2 先進(jìn)金屬加工工藝標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)尚不統(tǒng)一

不同的設(shè)備、材料對(duì)金屬加工工藝標(biāo)準(zhǔn)各不相同，技術(shù)人員的技術(shù)水平及生產(chǎn)設(shè)備基本性能數(shù)據(jù)，也會(huì)對(duì)先進(jìn)金屬加工工藝的運(yùn)用產(chǎn)生直接影響。因此，從現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展情況來(lái)看，先進(jìn)金屬加工工藝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中運(yùn)用，仍然面臨技術(shù)參數(shù)不統(tǒng)一及標(biāo)準(zhǔn)不完善問(wèn)題，在不同的產(chǎn)品上無(wú)法采用相同的設(shè)備或者工藝方法，非常不利于先進(jìn)金屬加工工藝廣泛推廣，同時(shí)，也影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)對(duì)先進(jìn)金屬加工工藝的運(yùn)用。此外，由于現(xiàn)有各類(lèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)備各不相同，在參數(shù)指標(biāo)方面，需要參照不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)金屬加工工藝進(jìn)行調(diào)整，這也對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一造成部分間接性影響。

4 先進(jìn)金屬加工工藝在空冷發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化中應(yīng)用的策略及方法

4.1 重視重要組件、材料的選擇

風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)材料及部件的選擇，直接影響先進(jìn)金屬加工工藝技術(shù)應(yīng)用有效性。現(xiàn)階段，風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中，其液冷系統(tǒng)的內(nèi)部冷卻液，主要含有純凈水、乙二醇、防腐劑及穩(wěn)定劑成分，乙二醇水溶液的防凍效果更好，能滿足多元化使用需求，但其腐蝕性則相對(duì)較高，必須要從抗腐蝕角度選擇材料部件，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)液冷冷卻系統(tǒng)，能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。在空冷冷卻系統(tǒng)方面，需要考慮到風(fēng)扇軸承損耗及扇葉強(qiáng)度問(wèn)題。高強(qiáng)度的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)加速軸承磨損，同時(shí)，也將對(duì)扇葉結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的載荷，低密度及低強(qiáng)度扇葉及軸承在使用周期上相對(duì)較短，且一旦損壞，極有可能對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主體結(jié)構(gòu)造成影響。因此，空冷冷卻系統(tǒng)要從材料耐用性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度角度選擇部件，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)可以長(zhǎng)期處于良好使用狀態(tài)。

4.2 優(yōu)化設(shè)備應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化尺寸與結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，先行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)尺寸設(shè)計(jì)，主要根據(jù)風(fēng)力大電機(jī)基本功率及運(yùn)行效率決定。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空冷冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)概念認(rèn)為提高風(fēng)扇葉片尺寸及轉(zhuǎn)速，能加速熱量循環(huán)，從而，達(dá)到滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)散熱需求的目的。

但隨著近年來(lái)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)空冷冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化，傳統(tǒng)以追求大尺寸或轉(zhuǎn)速的空冷冷卻設(shè)計(jì)不再適用于中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備。優(yōu)化內(nèi)部設(shè)計(jì)，逐漸成為現(xiàn)代空冷冷卻設(shè)計(jì)主流方式。這其中，散熱風(fēng)道設(shè)計(jì)、風(fēng)口速率控制，成為當(dāng)前空冷冷卻系統(tǒng)優(yōu)化主要方向。傳統(tǒng)空冷散熱風(fēng)道設(shè)計(jì)，更傾向于直流風(fēng)道輸出，而小體積的風(fēng)力發(fā)電機(jī)空冷系統(tǒng)，則更多采用多風(fēng)道循環(huán)導(dǎo)熱設(shè)計(jì)策略，極大提高空冷冷卻系統(tǒng)散熱效能，這使得先進(jìn)金屬加工工藝，能在不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加以運(yùn)用。

4.3 控制先進(jìn)金屬加工工藝技術(shù)成本

先進(jìn)金屬加工工藝成本的控制，要從加工流程、人力資源及原材料三個(gè)方面做好成本管理。

在加工流程方面，應(yīng)基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)個(gè)性化的定制設(shè)計(jì)加工方案，盡可能保持先進(jìn)金屬材料特有導(dǎo)熱特性，在不影響使用可靠性、使用性能前提下將工藝流程簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流程環(huán)節(jié)成本控制。對(duì)于人力資源成本控制，應(yīng)建立一體化生產(chǎn)管理體系，將生產(chǎn)控制、設(shè)備設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)進(jìn)行融合。從而，一方面，為技術(shù)人員實(shí)踐新技術(shù)提供有利保障，另一方面，也可進(jìn)一步削減人力資源成本。原材料的成本控制，需要考慮到先進(jìn)金屬材料對(duì)高溫環(huán)境及惡劣環(huán)境使用需求，以保證材料使用效益最大化為前提，降低對(duì)原材料的消耗，使先進(jìn)金屬加工工藝，能在不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，先進(jìn)金屬加工工藝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用，能極大提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。但由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)使用環(huán)境較為復(fù)雜，要進(jìn)行充分試驗(yàn)論證，引進(jìn)恰當(dāng)?shù)南冗M(jìn)金屬加工工藝對(duì)發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)能在各種環(huán)境下發(fā)揮良好冷卻能力，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供切實(shí)保障。