風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統研究

戚志強

（國電和風風電開發有限公司，吉林 長春 130000）

面對著不斷升級的能源危機壓力，世界各國將風能的開發作為新能源技術的研究重點，推動風力發電技術的不斷發展。與歐美等發達國家相比，我國風力發電技術研究起步較晚，風力發電機組應用設計研發與國外有著較大的差距。近年來，在國家政策的大力扶持下，我國的風力發電機組應用設計研發水平得到了進一步的提升。然而，風力發電機組技術在發展的同時，風力發電機組的散熱量也隨之增加。為了能夠保障風力發電機組的穩定運行，有必要設計一套與之匹配的風冷系統。因此，本文以風力發電機組發電機與齒輪箱為研究切入點，論述了風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統的優化設計思路，希望能夠為風力發電機組風冷系統的設計提供新思路的同時，加快自主研發更大功率風力發電機進程。

1 風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統設計必要性闡述

隨著風力發電機組容量的不斷擴大，其對于風力發電機組的性能提出了較高的要求，從而增加了風力發電機組的裝機整體成本。為了能夠滿足大容量的風力發電機組運行，風力發電機組中發電機的功率密度也隨之提高，無形中增加了發電機的電磁負荷以及機組的熱負荷，進而對齒輪箱的運行穩定造成影響。因此，風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統運行成為了風力發電機組風冷系統設計需要關注的焦點問題。風力發電機組在運行的過程將會導致發電機永磁體的磁通密度下降，使得齒輪箱中的齒輪處于高速摩擦生熱的狀態，從而干擾發電機性能的穩定性。如果沒有針對風力發電機組的發電機以及齒輪箱采取相應的散熱措施，那么將會引發永磁體的不可逆退磁現象，進而對風力發電機組的發電機以及齒輪箱的功能造成破壞。此外，通過建立風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統，能夠提高電磁負荷，減少風力發電機組發電機與齒輪箱的體積，降低風力發電機組的裝機成本。

2 風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統運行基本情況概述

通過對風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統的運行進行初步調查分析，能夠發現風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統主要由以下幾個模塊所組成，分別是發電機與齒輪箱風冷裝置、發電機冷卻空-空熱交換器、風力發電機組機艙罩、空-空冷卻器以及齒輪箱散熱器。

2.1 電機與齒輪箱風冷裝置運行狀況

風力發電機組機艙布置結構如圖1所示，主要由熱交換器（空-空熱交換器）和油冷卻器（空-液熱交換器）所組成。

圖1 風力發電機組機艙布置圖

2.2 發電機冷卻空-空熱交換器

發電機冷卻空-空熱交換器又被稱為冷卻散熱器、冷卻器，其布置結構如圖2所示。發電機冷卻空-空熱交換器在運行的過程中主要通過外部空氣的流通實現冷卻，以“外部空氣入口”為流入點對發電機運行過程中所流入的低溫空氣進行冷卻處理，而“外部空氣出口”則將發電機運行過程所產生的高溫空氣進行排放，借助于“外部空氣入口”與“外部空氣出口”所建立的平衡狀態下的氣體流動滿足發電機冷卻空-空熱交換需要。

圖2 發電機冷卻空-空熱交換器

2.3 風力發電機組機艙罩

風力發電機組機艙罩的結構如圖3所示，風力發電機組機艙罩的冷卻系統的運行主要通過調節風力發電機組機艙罩的風量來實現，其中，出風口作為風力發電機組機艙罩的核心零部件，能夠對風力發電機組機艙罩運行時產生的熱量進行調節，避免出現夏天運行時長期處于高溫的狀態或冬天運行時因為外界溫度不足無法正常運行。

圖3 風力發電機組機艙罩

2.4 空-空冷卻器

空-空冷卻器內部結構設計較為簡單，具體如圖4-7所示。主要由發電機空冷器銘牌、發電機空冷器進氣管、發電機排風管道以及發電機排風口等部件所組成，雖然空-空冷卻器內部結構設計簡單，但是其各個零部件之間尺寸的要求較為嚴苛，其中，發電機空冷器進氣管的外圓需要達到630 mm的標準，而內圓則需要達到570 mm的標準，以便于氣體能夠順利地進入到發電機空冷器進氣管內部中；發電機排風管道的出風口（圓筒口）需要達到800 mm的標準；發電機排風管道的排放口分別為610 mm、1 150 mm，兩種不同比例的排放標準能夠滿足內部氣體快速排放的需要，從而達到發電機快速冷卻的目的。

圖5 發電機空冷器進氣口

圖6 發電機排風管道

圖7 發電機排風口

2.5 齒輪箱散熱器

齒輪箱散熱器主要由齒輪箱散熱器銘牌、齒輪箱散熱器包裝殼、齒輪箱進氣口、機艙頂棚出口以及機艙頂棚預留通風口等零部件所組成，具體如圖8-12所示。其中，齒輪箱散熱器銘牌主要用于記錄齒輪箱散熱器的具體參數以及風向等相關信息；齒輪箱散熱器包裝殼對于外形的尺寸提出了相應的要求，圓筒的標準尺寸在680 mm，長需要達到1 320 mm，前側寬為1 300 mm，后側寬為1 000 mm，坡長為940 mm；齒輪箱進氣口主要承擔輸入外部氣體的職責；機艙頂棚出口在設計時為了能夠保障氣體的流動，一般出口的尺寸在1 280 mm*600 mm為宜；機艙頂棚預留通風口的尺寸分別為500 mm、750 mm，以便于齒輪箱內部的氣體能夠迅速的排出，從而達到散熱的效果。

圖8 齒輪箱散熱器銘牌

3 風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統運行狀況考察結果

通過對風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統運行狀況進行考察發現，發電機冷卻空-空熱交換器在運行的過程中由于空氣流動出現異常，限制了發電機冷卻空-空熱交換器運作的效果，從而降低了風冷系統的運行成效。這是因為發電機冷卻空-空熱交換器“外部空氣入口”采取的是直接吸入的形式，所吸入的空氣主要源自于機艙罩內的空氣，特別是在夏季，所吸入的空氣溫度達到40℃～50℃左右，不利于發電機冷卻空-空熱交換器功效的發揮。而發電機冷卻空-空熱交換器“外部空氣出口”在排放熱空氣時主要利用管道作為排放媒介，將其直接排放到機艙罩外。此外，通過對風力發電機組機艙罩溫度進行監測發現，夏季罩外環境溫度最高為35℃左右，罩內環境溫度最高為50℃左右，雖然機艙罩通風口或進排氣口有現成的管道通向機艙外，但是內外溫差較小，無法起到散熱的效果。

圖9 齒輪箱散熱器

圖10 齒輪箱進氣口

圖11 機艙頂棚出口

4 風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統運行存在問題分析

通過對風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統運行狀況進行分析發現，發電機冷卻空-空熱交換器在運作時無法達到冷卻內部空氣的效果，降低了風力發電機組發電機與齒輪箱的散熱效果。發電機冷卻空-空熱交換器所輸送的冷風主要來自于機艙罩內，機艙罩在運行的過程中鎖著罩體所接受的太陽熱輻射量的不斷提高，此時，機艙罩內部的氣體溫度也隨之提高，進而增加了機艙罩的散熱工作壓力。特別是在夏季高溫的工作環境下，罩外環境溫度在35℃左右時，罩內環境溫度則能夠達到50℃的狀態，內外溫差的縮小使得機艙罩進氣排氣無法使室內氣體的溫度降低，還會削弱風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統的運行能力，以至于風力發電機組發電機與齒輪箱長期處于熱負荷的運作狀態下，導致風力發電機組發電機與齒輪箱的運行出現中斷，影響風力發電機組的正常運作秩序。

圖12 機艙頂棚預留通風口

5 結束語

綜上所述，本文通過對風力發電機組發電機與齒輪箱風冷系統的運行狀況進行研究，發電機冷卻空-空熱交換器在運作時無法達到冷卻內部空氣的效果，降低了風力發電機組發電機與齒輪箱的散熱效果。因此，采取引入艙外溫度相對較低的空氣來保障發電機冷卻空-空熱交換器運作，并利用艙內設置溫度傳感器實時監測艙內溫度，并根據艙內溫度的變化調整電動風閥的運行狀態，從而提高風力發電機組發電機與齒輪箱的冷卻效果。