專利名稱：風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電機的蒸發(fā)冷卻裝置。
背景技術(shù)：
隨著可再生能源的研究和利用受到越來越多的關(guān)注，風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展突飛猛進。目前，單機容量增大已經(jīng)成為當今風電技術(shù)的發(fā)展趨勢，容量增大，對其冷卻系統(tǒng)提出更高的要求。目前運行的風力發(fā)電機普遍采用的冷卻方式主要有兩種風冷和液體冷卻。自然風冷和強制風冷都屬于風冷方式，自然風冷一般是指利用自然風對電機進行冷卻，這種方式一般要在電機機殼外部加工大面積的散熱片，加工較為復雜，且自然風的風壓和風量不能調(diào)節(jié)。強制風冷通過在風力發(fā)電機內(nèi)部設(shè)置風扇，對電機內(nèi)部各部件強制吹風冷卻。這兩種風冷方式結(jié)構(gòu)簡單，初投資和運行的費用較低。但是這種冷卻方式主要靠空氣的比熱吸熱帶走熱量，冷卻效率較低，而且其冷卻效果受到氣溫等外界因素影響較大， 冷卻效果差，這限制了其在大容量電機上的發(fā)展。液體冷卻一般采用的冷卻介質(zhì)為水，與風冷相比，冷卻效率大大提高。但是一旦冷卻水泄漏往往引起短路，造成重大損失，這是水冷機組安全運行中的一個重大隱患。另外， 鑒于風力發(fā)電機特殊的運行環(huán)境，冬季要承受零下40°C的嚴寒，因此應用在風力發(fā)電機的冷卻水還必須加入防凍劑，而這種防凍劑對鋼鐵有腐蝕性。所以水冷機組的冷卻通道必須采用特殊金屬加工，或者進行防腐處理。我國自主研發(fā)的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，利用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)汽化吸熱的原理來冷卻電機。 與傳統(tǒng)的冷卻方式相比，有著獨特的優(yōu)勢。蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用汽化潛熱吸熱，冷卻效率高， 冷卻均勻全面。采用高絕緣、沸點合適、不燃不爆、安全、穩(wěn)定、無毒環(huán)保的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，保證了電機的安全穩(wěn)定運行。其中，內(nèi)冷式蒸發(fā)冷卻技術(shù)已經(jīng)成功地應用在了水輪發(fā)電機上， 也即將可能應用于汽輪發(fā)電機上。但應用在風力發(fā)電機的蒸發(fā)冷卻裝置，既不同于汽輪發(fā)電機的臥式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，也不同于水輪發(fā)電機的立式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。因為風力發(fā)電機獨特的“塔筒效應”，風力發(fā)電機的前端高于后端，機身向上傾斜3 5°。相應的，風力發(fā)電機的內(nèi)冷式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)也向上傾斜3 5°。中國專利200710177555. 3 “內(nèi)冷式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻風力發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)”就是針對這種獨特結(jié)構(gòu)提出的一種定子結(jié)構(gòu)，其采用內(nèi)部充有蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的封閉的自循環(huán)冷卻系統(tǒng)。這種定子結(jié)構(gòu)的特點是利用風力發(fā)電機本身的結(jié)構(gòu)傾角提供循環(huán)動力，實現(xiàn)定子繞組冷卻系統(tǒng)的無泵自循環(huán)。但由于沒有泵，而風力發(fā)電機本身的結(jié)構(gòu)傾角只有3 5°，系統(tǒng)可用的循環(huán)動力很小，所以每一個循環(huán)支路的長度有限。另一方面自循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)流動方向只能是沿傾斜支路自低向高單一方向，所以整個系統(tǒng)的并聯(lián)循環(huán)支路數(shù)量很多，因此就需要大量的絕緣接頭，每一個接頭都需要滿足嚴格的密封要求。這樣就給機組的制造、安裝和維護帶來很大的工作量，增加了成本，還降低了機組運行的可靠性。而且由于循環(huán)動力不可調(diào)，當多個循環(huán)支路并聯(lián)時，可能會出現(xiàn)嚴重的流量分配不均等現(xiàn)象，使并聯(lián)時的不穩(wěn)定性加劇。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置。本發(fā)明風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置采用管道內(nèi)冷式蒸發(fā)冷卻技術(shù)。本發(fā)明蒸發(fā)冷卻裝置中，定子繞組空心導線、集氣管、冷凝器、回液管、外集液管、循環(huán)泵、內(nèi)集液管順次連接，最后再連接到所述的定子繞組空心導線，構(gòu)成蒸發(fā)冷卻回路。上述各個部件之間通過絕緣接頭和連接管道連接。蒸發(fā)冷卻回路中注入液體蒸發(fā)冷卻介質(zhì)。本發(fā)明的特征是在蒸發(fā)冷卻回路中裝有強迫蒸發(fā)冷卻介質(zhì)循環(huán)的循環(huán)泵。風力發(fā)電機定子繞組為空心導線，或采用實心導線與空心導線的組合，空心導線為冷卻介質(zhì)提供通道。多根空心導線串聯(lián)構(gòu)成一個循環(huán)支路，多個循環(huán)支路并聯(lián)后和一個冷凝器、循環(huán)泵構(gòu)成一個蒸發(fā)冷卻回路。多個蒸發(fā)冷卻回路并聯(lián)構(gòu)成整個風機發(fā)電機的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。風力發(fā)電機運行時，電機發(fā)熱，熱量傳遞給蒸發(fā)冷卻回路中的液體蒸發(fā)冷卻介質(zhì)， 液體介質(zhì)受熱溫度升高。當介質(zhì)溫度達到對應壓力下的飽和溫度時，液體介質(zhì)蒸發(fā)汽化，并在循環(huán)泵的驅(qū)動下沿循環(huán)支路流動，經(jīng)由集氣管匯總進入冷凝器的冷卻空間，與二次冷卻介質(zhì)進行熱交換，冷凝后蒸發(fā)冷卻介質(zhì)液化流入回液管。本發(fā)明在循環(huán)泵的入口和出口處分別安裝有外集液管和內(nèi)集液管。循環(huán)泵的入口端與外集液管相連，循環(huán)泵通過外集液管并聯(lián)多根回液管。循環(huán)泵的出口端與內(nèi)集液管相連，由空心導線串聯(lián)成的每個循環(huán)支路的兩個引出端經(jīng)過絕緣接頭、連接管道，分別與內(nèi)集液管和集氣管相連接。由于風力發(fā)電機特有的“塔筒效應”使得風力發(fā)電機的整個機身具有3 5°傾角，因此本發(fā)明也相應地具有3 5°傾角，液體介質(zhì)蒸發(fā)汽化，并在循環(huán)泵的驅(qū)動下沿具有3 5°傾角的循環(huán)支路流動。正是因為小傾角的存在，使得本發(fā)明所涉及的流體、傳熱等問題都與汽輪發(fā)電機的水平裝置、水輪發(fā)電機的垂直裝置有了本質(zhì)的不同。多根空心導線的串聯(lián)方式既可以是多根空心導線之間采用接頭進行串聯(lián)，也可以是多根空心導線之間進行焊接串聯(lián)，也可以根據(jù)繞制工藝直接由單個導線繞制而成。本發(fā)明的風力發(fā)電機定子繞組強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置，與現(xiàn)有的風力發(fā)電機冷卻技術(shù)相比，具有以下顯著的特點(1)本發(fā)明所采用的內(nèi)冷式蒸發(fā)冷卻技術(shù)，由于采用高絕緣、不燃不爆、安全、穩(wěn)定、無毒環(huán)保的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，避免了因為水冷機組因為水泄漏而發(fā)生各種事故的危險。(2)與水冷機組相比，少了附加的水處理裝置；與風冷機組相比，減少了維護費用；本發(fā)明大大節(jié)省了投資和運行、維護的費用。(3)與現(xiàn)有的水冷、風冷方式相比，采用的內(nèi)冷式蒸發(fā)冷卻技術(shù)選用沸點合適的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，利用潛熱帶走熱量，具有更高的冷卻效率，更好的冷卻效果，在風力發(fā)電機大型化發(fā)展中有著更廣闊的應用前景。與風力發(fā)電機的內(nèi)冷式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置相比，本發(fā)明具有下列明顯的效果(1)本發(fā)明采用了循環(huán)泵，每一個循環(huán)支路的長度增長，空心導線之間可以串聯(lián)， 大大減少了循環(huán)支路數(shù)，進而減少了絕緣連接頭的數(shù)量。這樣不僅可以降低生產(chǎn)、制造的成本，而且可以提高系統(tǒng)的安全可靠性，也減少了運行維護的工作量。(2)采用循環(huán)泵，使得蒸發(fā)冷卻循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)動力可調(diào)。當多個循環(huán)支路并聯(lián)時，通過調(diào)節(jié)泵的參數(shù)，可以調(diào)節(jié)介質(zhì)流量的分配，避免發(fā)生嚴重的不穩(wěn)定現(xiàn)象，提高了安全可靠性。(3)當裝置中的泵提供固定不變的循環(huán)動力時，內(nèi)冷通道中的蒸發(fā)點位置將隨著負荷大小的改變而改變，以保證定子繞組的溫升基本保持不變。這樣就避免了負荷變化對絕緣使用壽命的影響，節(jié)約了維護費用。
圖1是風力發(fā)電機定子繞組強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置的一個循環(huán)支路的原理圖；圖2是當每一個冷凝器所在的循環(huán)回路使用一個獨立的循環(huán)泵時，風力發(fā)電機定子繞組強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置中多個循環(huán)支路、多個冷凝器并聯(lián)的原理圖；圖3是當多個循環(huán)回路共用一個循環(huán)泵時，風力發(fā)電機定子繞組強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置中多個循環(huán)支路、多個冷凝器并聯(lián)的原理圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置由多個蒸發(fā)冷卻回路并聯(lián)而成，每個蒸發(fā)冷卻回路又由多個循環(huán)支路并聯(lián)而成。一個循環(huán)回路對應一個冷凝器，每個循環(huán)回路可以使用一個獨立的循環(huán)泵，也可以多個循環(huán)回路共用同一個循環(huán)泵。整個強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置中，通常采用多個冷凝器并聯(lián)使用。本發(fā)明蒸發(fā)冷卻裝置具有3 5°傾角。如圖1所示為風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置的一個循環(huán)支路。定子繞組采用空心導線，或者空心導線、實心導線組合構(gòu)成。如圖1所示，以三根定子空心導線串聯(lián)成一個循環(huán)支路1為例。三根空心導線首尾相連，串聯(lián)成一個循環(huán)支路1。循環(huán)支路1的前端通過絕緣接頭8和連接管道9，連接入集氣管2。集氣管2與冷凝器3的冷卻空間相連，冷凝器3的冷卻空間再與回液管4的入口端相連?；匾汗?的出口端連入外集液管5，外集液管5與循環(huán)泵6的入口端相連。循環(huán)泵6的出口端連入內(nèi)集液管7。內(nèi)集液管 7再通過絕緣接頭10、連接管道11與循環(huán)支路1的后端相連。定子繞組中的空心導線及與其相連的冷卻通道內(nèi)注入液體蒸發(fā)冷卻介質(zhì)。本發(fā)明所選用的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，均應滿足高絕緣、不燃不爆、沸點合適、穩(wěn)定安全、無毒、環(huán)保的要求。在實際應用中，集氣管、外集液管、 內(nèi)集液管的布置方式以及各連接管路和接頭可以根據(jù)具體的電機結(jié)構(gòu)作相應的調(diào)整。圖2所示是當一個冷凝器所在的循環(huán)回路使用一個獨立的循環(huán)泵時，風力發(fā)電機定子繞組強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置中多個循環(huán)支路、多個冷凝器并聯(lián)的原理圖。圖2以兩個循環(huán)回路并聯(lián)為例，每個循環(huán)回路的構(gòu)成以三個循環(huán)支路并聯(lián)為例。一個循環(huán)支路由多個定子繞組空心導線串聯(lián)而成。其中，絕緣接頭與連接管道的結(jié)構(gòu)組成與圖1所示相同，此處省略不再在圖中贅述。三個循環(huán)支路1并聯(lián)后構(gòu)成第一循環(huán)支路組14，接入第一集氣管2， 第一集氣管2連入第一冷凝器3的冷卻空間。第一冷凝器3的冷卻空間再與第一回液管4 的入口端相連，第一回液管4的出口端與外集液管5相連。外集液管5與第一循環(huán)泵6的入口端相連，第一循環(huán)泵6的出口端連接到第一內(nèi)集液管7。第一內(nèi)集液管7再分別與并聯(lián)的三個循環(huán)支路1相連，這樣就構(gòu)成了一個蒸發(fā)冷卻回路。相應地，當兩個冷凝器并聯(lián)時， 三個循環(huán)支路8并聯(lián)構(gòu)成第二循環(huán)支路組15，與第二集氣管9、第二冷凝器10、第二回液管11、外集液管5、第二循環(huán)泵12、第二內(nèi)集液管13順次相連，構(gòu)成另一個并聯(lián)的蒸發(fā)冷卻回路。在實際應用中，也可能多個蒸發(fā)冷卻回路并聯(lián)后共用一個循環(huán)泵。圖3所示是這種情況下，風力發(fā)電機定子繞組強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置中多個循環(huán)支路、多個冷凝器并聯(lián)的原理圖。圖3也以兩個循環(huán)回路并聯(lián)為例，每個循環(huán)回路的構(gòu)成以三個循環(huán)支路并聯(lián)為例。一個循環(huán)支路由多個定子繞組空心導線串聯(lián)而成。絕緣接頭與連接管道的定義與圖1 中相同，此處省略不再在圖中贅述。三個循環(huán)支路1并聯(lián)構(gòu)成第一循環(huán)支路組12，連入第一集氣管2，第一集氣管2與第一冷凝器3的冷卻空間相連。第一冷凝器3的冷卻空間連接到第一回液管4的入口端，第一回液管4的出口端連入外集液管5。外集液管5與循環(huán)泵6的入口端相連，循環(huán)泵6的出口端通過內(nèi)集液管7分別與第一循環(huán)支路組12、第二循環(huán)支路組 13相連。三個循環(huán)支路8并聯(lián)成第二循環(huán)支路組13，與第二集氣管9、第二冷凝器10、第二回液管11、外集液管5、循環(huán)泵6、內(nèi)集液管7順次連接構(gòu)成另一個并聯(lián)的蒸發(fā)冷卻回路。如圖2、3所示，外集液管用以并聯(lián)多根回液管，內(nèi)集液管用以并聯(lián)多個蒸發(fā)冷卻支路。因為外集液管、內(nèi)集液管的結(jié)構(gòu)特點，可以結(jié)合實際應用循環(huán)泵，選擇每個蒸發(fā)冷卻回路獨立使用循環(huán)泵，或者多個蒸發(fā)冷卻回路共用一個循環(huán)泵，形式可以靈活多變，也為應用帶來了便利。當采用管道內(nèi)冷式強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置的風力發(fā)電機運行時，定子繞組空心導線內(nèi)的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)吸收電機因損耗而產(chǎn)生的熱量，冷卻介質(zhì)溫度升高。當溫度達到當?shù)貕毫λ鶎娘柡蜏囟葧r，冷卻介質(zhì)汽化形成氣、液混合的兩相流體。在本發(fā)明裝置中，多根空心導線串聯(lián)成一個循環(huán)支路，蒸發(fā)冷卻介質(zhì)在每個循環(huán)支路中流動的路程較長，所以循環(huán)泵不僅要提供循環(huán)動力，還要克服循環(huán)回路中的各種阻力。兩相流體進入冷凝器的冷卻空間，在冷卻空間與二次冷卻介質(zhì)進行熱交換冷凝為液體。液體蒸發(fā)冷卻介質(zhì)流回到回液管。當循環(huán)泵的參數(shù)設(shè)為定值時，隨著負荷的變化，冷卻通道內(nèi)蒸發(fā)點的位置也將發(fā)生相應的改變。當負荷較大時，蒸發(fā)點的位置比較靠近前端，兩相段較長；當負荷較小時，蒸發(fā)點的位置比較靠近后端，兩相段較短甚至不出現(xiàn)兩相段。當多個循環(huán)支路并聯(lián)時，可以通過調(diào)節(jié)循環(huán)泵的參數(shù)，調(diào)節(jié)循環(huán)回路的循環(huán)動力，進而影響循環(huán)的狀態(tài)，從而避免有可能發(fā)生的嚴重不穩(wěn)定現(xiàn)象。本發(fā)明與應用于水輪發(fā)電機和汽輪發(fā)電機的蒸發(fā)冷卻裝置都有不同。水輪發(fā)電機的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)為立式，可以充分利用重力所產(chǎn)生的壓頭完成自循環(huán)。即使采用強迫循環(huán)，立式系統(tǒng)與本發(fā)明中具有3 5°傾角的傾斜系統(tǒng)中所涉及到的熱交換、兩相流等問題也不同。而汽輪發(fā)電機的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)為臥式，由于水平放置，所以一般采用強迫循環(huán)，并由循環(huán)泵提供整個系統(tǒng)的循環(huán)動力。本發(fā)明中，風力發(fā)電機的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)具有3 5° 傾角，小傾角能為循環(huán)系統(tǒng)提供有限的循環(huán)動力，也能維持自循環(huán)。但本發(fā)明裝置采用循環(huán)泵，輔助提供循環(huán)動力，為強迫循環(huán)。本裝置使循環(huán)支路長度增大，減少了連接頭數(shù)目，增強了機組運行維護的可靠性。另外，循環(huán)動力可調(diào)，也從一定程度上避免了多根并聯(lián)時嚴重不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。
權(quán)利要求
1.一種風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置，其特征在于所述的蒸發(fā)冷卻裝置由多個蒸發(fā)冷卻回路并聯(lián)而成，每個蒸發(fā)冷卻回路并聯(lián)多個循環(huán)支路(1)；所述的蒸發(fā)冷卻回路包括定子繞組空心導線、集氣管(2)、冷凝器(3)、回液管(4)、外集液管(5)、循環(huán)泵(6)、內(nèi)集液管(7)；循環(huán)支路(1)的前端通過絕緣接頭(8)和連接管道(9)連接入集氣管⑵；集氣管⑵與冷凝器⑶的冷卻空間相連，冷凝器⑶的冷卻空間與回液管⑷的入口端相連；回液管(4)的出口端連入外集液管(5)，外集液管(5)與循環(huán)泵(6)的入口端相連；循環(huán)泵(6)的出口端連入內(nèi)集液管(7)；內(nèi)集液管(7)通過連接管道(10)、絕緣接頭 (11)與循環(huán)支路(1)的后端相連；所述的定子繞組空心導線、集氣管、冷凝器、回液管、外集液管、循環(huán)泵、內(nèi)集液管之間通過絕緣接頭和連接管道連接；所述的蒸發(fā)冷卻回路中注入液體蒸發(fā)冷卻介質(zhì)。
2.按照權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置，其特征在于所述的定子繞組采用空心導線，或者由空心導線和實心導線組合構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置，其特征在于所述的循環(huán)支路(1)由多根空心導線串聯(lián)而成。
4.按照權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置，其特征在于多個所述的循環(huán)支路(1)并聯(lián)后接入集氣管(2)。
5.按照權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置，其特征在于多個所述的蒸發(fā)冷卻循環(huán)回路通過外集液管(5)并聯(lián)。
6.按照權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置，其特征在于每個蒸發(fā)冷卻循環(huán)回路獨立使用一個所述的循環(huán)泵(6)，或多個蒸發(fā)冷卻循環(huán)回路共用同一個所述的循環(huán)泵(6)。
全文摘要
一種風力發(fā)電機定子繞組的強迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻裝置，由多個蒸發(fā)冷卻回路并聯(lián)而成，每個蒸發(fā)冷卻回路并聯(lián)多個循環(huán)支路(1)。所述的循環(huán)支路(1)的前端通過絕緣接頭(8)和連接管道(9)連接入集氣管(2)；集氣管(2)與冷凝器(3)的冷卻空間相連，冷凝器(3)的冷卻空間與回液管(4)的入口端相連；回液管(4)的出口端連入外集液管(5)，外集液管(5)與循環(huán)泵(6)的入口端相連；循環(huán)泵(6)的出口端連入內(nèi)集液管(7)；內(nèi)集液管(7)通過絕緣接頭(10)、連接管道(11)與循環(huán)支路(1)的后端相連。所述的蒸發(fā)冷卻回路中注入液體蒸發(fā)冷卻介質(zhì)。
文檔編號H02K3/22GK102158013SQ20111005840
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者田新東, 郭卉, 閆靜, 顧國彪 申請人:中國科學院電工研究所