风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统研究

戚志强

（国电和风风电开发有限公司，吉林 长春 130000）

面对着不断升级的能源危机压力，世界各国将风能的开发作为新能源技术的研究重点，推动风力发电技术的不断发展。与欧美等发达国家相比，我国风力发电技术研究起步较晚，风力发电机组应用设计研发与国外有着较大的差距。近年来，在国家政策的大力扶持下，我国的风力发电机组应用设计研发水平得到了进一步的提升。然而，风力发电机组技术在发展的同时，风力发电机组的散热量也随之增加。为了能够保障风力发电机组的稳定运行，有必要设计一套与之匹配的风冷系统。因此，本文以风力发电机组发电机与齿轮箱为研究切入点，论述了风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统的优化设计思路，希望能够为风力发电机组风冷系统的设计提供新思路的同时，加快自主研发更大功率风力发电机进程。

1 风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统设计必要性阐述

随着风力发电机组容量的不断扩大，其对于风力发电机组的性能提出了较高的要求，从而增加了风力发电机组的装机整体成本。为了能够满足大容量的风力发电机组运行，风力发电机组中发电机的功率密度也随之提高，无形中增加了发电机的电磁负荷以及机组的热负荷，进而对齿轮箱的运行稳定造成影响。因此，风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统运行成为了风力发电机组风冷系统设计需要关注的焦点问题。风力发电机组在运行的过程将会导致发电机永磁体的磁通密度下降，使得齿轮箱中的齿轮处于高速摩擦生热的状态，从而干扰发电机性能的稳定性。如果没有针对风力发电机组的发电机以及齿轮箱采取相应的散热措施，那么将会引发永磁体的不可逆退磁现象，进而对风力发电机组的发电机以及齿轮箱的功能造成破坏。此外，通过建立风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统，能够提高电磁负荷，减少风力发电机组发电机与齿轮箱的体积，降低风力发电机组的装机成本。

2 风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统运行基本情况概述

通过对风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统的运行进行初步调查分析，能够发现风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统主要由以下几个模块所组成，分别是发电机与齿轮箱风冷装置、发电机冷却空-空热交换器、风力发电机组机舱罩、空-空冷却器以及齿轮箱散热器。

2.1 电机与齿轮箱风冷装置运行状况

风力发电机组机舱布置结构如图1所示，主要由热交换器（空-空热交换器）和油冷却器（空-液热交换器）所组成。

图1 风力发电机组机舱布置图

2.2 发电机冷却空-空热交换器

发电机冷却空-空热交换器又被称为冷却散热器、冷却器，其布置结构如图2所示。发电机冷却空-空热交换器在运行的过程中主要通过外部空气的流通实现冷却，以“外部空气入口”为流入点对发电机运行过程中所流入的低温空气进行冷却处理，而“外部空气出口”则将发电机运行过程所产生的高温空气进行排放，借助于“外部空气入口”与“外部空气出口”所建立的平衡状态下的气体流动满足发电机冷却空-空热交换需要。

图2 发电机冷却空-空热交换器

2.3 风力发电机组机舱罩

风力发电机组机舱罩的结构如图3所示，风力发电机组机舱罩的冷却系统的运行主要通过调节风力发电机组机舱罩的风量来实现，其中，出风口作为风力发电机组机舱罩的核心零部件，能够对风力发电机组机舱罩运行时产生的热量进行调节，避免出现夏天运行时长期处于高温的状态或冬天运行时因为外界温度不足无法正常运行。

图3 风力发电机组机舱罩

2.4 空-空冷却器

空-空冷却器内部结构设计较为简单，具体如图4-7所示。主要由发电机空冷器铭牌、发电机空冷器进气管、发电机排风管道以及发电机排风口等部件所组成，虽然空-空冷却器内部结构设计简单，但是其各个零部件之间尺寸的要求较为严苛，其中，发电机空冷器进气管的外圆需要达到630 mm的标准，而内圆则需要达到570 mm的标准，以便于气体能够顺利地进入到发电机空冷器进气管内部中；发电机排风管道的出风口（圆筒口）需要达到800 mm的标准；发电机排风管道的排放口分别为610 mm、1 150 mm，两种不同比例的排放标准能够满足内部气体快速排放的需要，从而达到发电机快速冷却的目的。

图5 发电机空冷器进气口

图6 发电机排风管道

图7 发电机排风口

2.5 齿轮箱散热器

齿轮箱散热器主要由齿轮箱散热器铭牌、齿轮箱散热器包装壳、齿轮箱进气口、机舱顶棚出口以及机舱顶棚预留通风口等零部件所组成，具体如图8-12所示。其中，齿轮箱散热器铭牌主要用于记录齿轮箱散热器的具体参数以及风向等相关信息；齿轮箱散热器包装壳对于外形的尺寸提出了相应的要求，圆筒的标准尺寸在680 mm，长需要达到1 320 mm，前侧宽为1 300 mm，后侧宽为1 000 mm，坡长为940 mm；齿轮箱进气口主要承担输入外部气体的职责；机舱顶棚出口在设计时为了能够保障气体的流动，一般出口的尺寸在1 280 mm*600 mm为宜；机舱顶棚预留通风口的尺寸分别为500 mm、750 mm，以便于齿轮箱内部的气体能够迅速的排出，从而达到散热的效果。

图8 齿轮箱散热器铭牌

3 风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统运行状况考察结果

通过对风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统运行状况进行考察发现，发电机冷却空-空热交换器在运行的过程中由于空气流动出现异常，限制了发电机冷却空-空热交换器运作的效果，从而降低了风冷系统的运行成效。这是因为发电机冷却空-空热交换器“外部空气入口”采取的是直接吸入的形式，所吸入的空气主要源自于机舱罩内的空气，特别是在夏季，所吸入的空气温度达到40℃～50℃左右，不利于发电机冷却空-空热交换器功效的发挥。而发电机冷却空-空热交换器“外部空气出口”在排放热空气时主要利用管道作为排放媒介，将其直接排放到机舱罩外。此外，通过对风力发电机组机舱罩温度进行监测发现，夏季罩外环境温度最高为35℃左右，罩内环境温度最高为50℃左右，虽然机舱罩通风口或进排气口有现成的管道通向机舱外，但是内外温差较小，无法起到散热的效果。

图9 齿轮箱散热器

图10 齿轮箱进气口

图11 机舱顶棚出口

4 风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统运行存在问题分析

通过对风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统运行状况进行分析发现，发电机冷却空-空热交换器在运作时无法达到冷却内部空气的效果，降低了风力发电机组发电机与齿轮箱的散热效果。发电机冷却空-空热交换器所输送的冷风主要来自于机舱罩内，机舱罩在运行的过程中锁着罩体所接受的太阳热辐射量的不断提高，此时，机舱罩内部的气体温度也随之提高，进而增加了机舱罩的散热工作压力。特别是在夏季高温的工作环境下，罩外环境温度在35℃左右时，罩内环境温度则能够达到50℃的状态，内外温差的缩小使得机舱罩进气排气无法使室内气体的温度降低，还会削弱风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统的运行能力，以至于风力发电机组发电机与齿轮箱长期处于热负荷的运作状态下，导致风力发电机组发电机与齿轮箱的运行出现中断，影响风力发电机组的正常运作秩序。

图12 机舱顶棚预留通风口

5 结束语

综上所述，本文通过对风力发电机组发电机与齿轮箱风冷系统的运行状况进行研究，发电机冷却空-空热交换器在运作时无法达到冷却内部空气的效果，降低了风力发电机组发电机与齿轮箱的散热效果。因此，采取引入舱外温度相对较低的空气来保障发电机冷却空-空热交换器运作，并利用舱内设置温度传感器实时监测舱内温度，并根据舱内温度的变化调整电动风阀的运行状态，从而提高风力发电机组发电机与齿轮箱的冷却效果。