戚志強(qiáng)

（國電和風(fēng)風(fēng)電開發(fā)有限公司，吉林 長春 130000）

面對(duì)著不斷升級(jí)的能源危機(jī)壓力，世界各國將風(fēng)能的開發(fā)作為新能源技術(shù)的研究重點(diǎn)，推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展。與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究起步較晚，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用設(shè)計(jì)研發(fā)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用設(shè)計(jì)研發(fā)水平得到了進(jìn)一步的提升。然而，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)在發(fā)展的同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的散熱量也隨之增加。為了能夠保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，有必要設(shè)計(jì)一套與之匹配的風(fēng)冷系統(tǒng)。因此，本文以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱為研究切入點(diǎn)，論述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，希望能夠?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供新思路的同時(shí)，加快自主研發(fā)更大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)程。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)必要性闡述

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的不斷擴(kuò)大，其對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能提出了較高的要求，從而增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)整體成本。為了能夠滿足大容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的功率密度也隨之提高，無形中增加了發(fā)電機(jī)的電磁負(fù)荷以及機(jī)組的熱負(fù)荷，進(jìn)而對(duì)齒輪箱的運(yùn)行穩(wěn)定造成影響。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行成為了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要關(guān)注的焦點(diǎn)問題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行的過程將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(tài)，從而干擾發(fā)電機(jī)性能的穩(wěn)定性。如果沒有針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)以及齒輪箱采取相應(yīng)的散熱措施，那么將會(huì)引發(fā)永磁體的不可逆退磁現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)以及齒輪箱的功能造成破壞。此外，通過建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)，能夠提高電磁負(fù)荷，減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱的體積，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)成本。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行基本情況概述

通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行初步調(diào)查分析，能夠發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊所組成，分別是發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷裝置、發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩、空-空冷卻器以及齒輪箱散熱器。

2.1 電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷裝置運(yùn)行狀況

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙布置結(jié)構(gòu)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙布置圖

2.2 發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器

發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器又被稱為冷卻散熱器、冷卻器，其布置結(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器在運(yùn)行的過程中主要通過外部空氣的流通實(shí)現(xiàn)冷卻，以“外部空氣入口”為流入點(diǎn)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中所流入的低溫空氣進(jìn)行冷卻處理，而“外部空氣出口”則將發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程所產(chǎn)生的高溫空氣進(jìn)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(tài)下的氣體流動(dòng)滿足發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換需要。

圖2 發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器

2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩的結(jié)構(gòu)如圖3所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩的冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行主要通過調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩的風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)，其中，出風(fēng)口作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩的核心零部件，能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免出現(xiàn)夏天運(yùn)行時(shí)長期處于高溫的狀態(tài)或冬天運(yùn)行時(shí)因?yàn)橥饨鐪囟炔蛔銦o法正常運(yùn)行。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩

2.4 空-空冷卻器

空-空冷卻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，具體如圖4-7所示。主要由發(fā)電機(jī)空冷器銘牌、發(fā)電機(jī)空冷器進(jìn)氣管、發(fā)電機(jī)排風(fēng)管道以及發(fā)電機(jī)排風(fēng)口等部件所組成，雖然空-空冷卻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，但是其各個(gè)零部件之間尺寸的要求較為嚴(yán)苛，其中，發(fā)電機(jī)空冷器進(jìn)氣管的外圓需要達(dá)到630 mm的標(biāo)準(zhǔn)，而內(nèi)圓則需要達(dá)到570 mm的標(biāo)準(zhǔn)，以便于氣體能夠順利地進(jìn)入到發(fā)電機(jī)空冷器進(jìn)氣管內(nèi)部中；發(fā)電機(jī)排風(fēng)管道的出風(fēng)口（圓筒口）需要達(dá)到800 mm的標(biāo)準(zhǔn)；發(fā)電機(jī)排風(fēng)管道的排放口分別為610 mm、1 150 mm，兩種不同比例的排放標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足內(nèi)部氣體快速排放的需要，從而達(dá)到發(fā)電機(jī)快速冷卻的目的。

圖5 發(fā)電機(jī)空冷器進(jìn)氣口

圖6 發(fā)電機(jī)排風(fēng)管道

圖7 發(fā)電機(jī)排風(fēng)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(jìn)氣口、機(jī)艙頂棚出口以及機(jī)艙頂棚預(yù)留通風(fēng)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(shù)以及風(fēng)向等相關(guān)信息；齒輪箱散熱器包裝殼對(duì)于外形的尺寸提出了相應(yīng)的要求，圓筒的標(biāo)準(zhǔn)尺寸在680 mm，長需要達(dá)到1 320 mm，前側(cè)寬為1 300 mm，后側(cè)寬為1 000 mm，坡長為940 mm；齒輪箱進(jìn)氣口主要承擔(dān)輸入外部氣體的職責(zé)；機(jī)艙頂棚出口在設(shè)計(jì)時(shí)為了能夠保障氣體的流動(dòng)，一般出口的尺寸在1 280 mm*600 mm為宜；機(jī)艙頂棚預(yù)留通風(fēng)口的尺寸分別為500 mm、750 mm，以便于齒輪箱內(nèi)部的氣體能夠迅速的排出，從而達(dá)到散熱的效果。

圖8 齒輪箱散熱器銘牌

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況考察結(jié)果

通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行考察發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器在運(yùn)行的過程中由于空氣流動(dòng)出現(xiàn)異常，限制了發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器運(yùn)作的效果，從而降低了風(fēng)冷系統(tǒng)的運(yùn)行成效。這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)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(jī)艙罩內(nèi)的空氣，特別是在夏季，所吸入的空氣溫度達(dá)到40℃～50℃左右，不利于發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器功效的發(fā)揮。而發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器“外部空氣出口”在排放熱空氣時(shí)主要利用管道作為排放媒介，將其直接排放到機(jī)艙罩外。此外，通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，夏季罩外環(huán)境溫度最高為35℃左右，罩內(nèi)環(huán)境溫度最高為50℃左右，雖然機(jī)艙罩通風(fēng)口或進(jìn)排氣口有現(xiàn)成的管道通向機(jī)艙外，但是內(nèi)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(jìn)氣口

圖11 機(jī)艙頂棚出口

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行存在問題分析

通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器在運(yùn)作時(shí)無法達(dá)到冷卻內(nèi)部空氣的效果，降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱的散熱效果。發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器所輸送的冷風(fēng)主要來自于機(jī)艙罩內(nèi)，機(jī)艙罩在運(yùn)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(shí)，機(jī)艙罩內(nèi)部的氣體溫度也隨之提高，進(jìn)而增加了機(jī)艙罩的散熱工作壓力。特別是在夏季高溫的工作環(huán)境下，罩外環(huán)境溫度在35℃左右時(shí)，罩內(nèi)環(huán)境溫度則能夠達(dá)到50℃的狀態(tài)，內(nèi)外溫差的縮小使得機(jī)艙罩進(jìn)氣排氣無法使室內(nèi)氣體的溫度降低，還會(huì)削弱風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)的運(yùn)行能力，以至于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱長期處于熱負(fù)荷的運(yùn)作狀態(tài)下，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱的運(yùn)行出現(xiàn)中斷，影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)作秩序。

圖12 機(jī)艙頂棚預(yù)留通風(fēng)口

5 結(jié)束語

綜上所述，本文通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱風(fēng)冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行研究，發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器在運(yùn)作時(shí)無法達(dá)到冷卻內(nèi)部空氣的效果，降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱的散熱效果。因此，采取引入艙外溫度相對(duì)較低的空氣來保障發(fā)電機(jī)冷卻空-空熱交換器運(yùn)作，并利用艙內(nèi)設(shè)置溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)溫度，并根據(jù)艙內(nèi)溫度的變化調(diào)整電動(dòng)風(fēng)閥的運(yùn)行狀態(tài)，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)與齒輪箱的冷卻效果。