專利名稱：具有風(fēng)力助冷系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪發(fā)電機及其冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪發(fā)電機的風(fēng)力助冷，尤其涉及一種冷卻系統(tǒng)，利用流動引起的壓力和吸力從周圍環(huán)境中獲取冷卻空氣并將該冷卻空氣輸送到容易受到關(guān)乎熱的退化影響的風(fēng)力發(fā)電機部件。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪發(fā)電機通常設(shè)立在幾百英尺高的塔架上。發(fā)電機包括一個轂，該轂裝有兩個或典型地裝有三個驅(qū)動發(fā)動機的翼型葉片。在裝有轂的艙里，翼型葉片和轂使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。直接通過驅(qū)動系統(tǒng)或者變速箱使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致磁極和線圈的相對轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生電流。采用直接驅(qū)動的發(fā)電機，轉(zhuǎn)子和葉片以相同速度轉(zhuǎn)動，因此需要較大的半徑來獲得發(fā)電所需的切向速度。采用變速箱則可以使轉(zhuǎn)速增加到一個較高的值，例如1000RPM，但自身容易產(chǎn)生問題。
任何發(fā)電機都會產(chǎn)生熱量，因此需要對發(fā)電機的各個部件進行冷卻。必須對風(fēng)力發(fā)電機進行有效冷卻從而減少損耗，且可以知道空間的限制阻礙了精制冷卻管、鼓風(fēng)機、過濾器、換熱器等類似冷卻設(shè)備的使用。傳統(tǒng)的發(fā)電機冷卻設(shè)備過大，過于昂貴，且不易保養(yǎng)。基于風(fēng)力渦輪發(fā)電機的性能，以及在距地面幾百英尺的地方安裝發(fā)電機并同時提供冷卻的需要，必須為風(fēng)力渦輪發(fā)電機提供一個改進的冷卻系統(tǒng)，例如利用艙周圍的風(fēng)流來協(xié)助空氣流射入艙內(nèi)和熱氣流排出艙外從而達到冷卻發(fā)電機的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個典型的非局限性的實施例，提供了一種風(fēng)力發(fā)電機，包括一個艙；一個由艙轉(zhuǎn)動地承載的并包括至少一對風(fēng)力渦輪葉片的轉(zhuǎn)轂；一個產(chǎn)生電流的發(fā)電機，其包括一個定子和一個轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與轂相連并可響應(yīng)作用于葉片上的風(fēng)力進行旋轉(zhuǎn)，以使轉(zhuǎn)子相對于定子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電流；一個承載于艙內(nèi)的冷卻系統(tǒng)，其包括至少一個環(huán)境空氣入口，開通位于轂和葉片下游的艙表面，以及用于使空氣沿基本上上游的方向從入口流向轂并且冷卻定子的管道。
另一個典型的非局限性的實施例，提供了一種冷卻風(fēng)力渦輪發(fā)電機定子方法，此發(fā)電機有一個艙，其裝載定子和一個與裝設(shè)風(fēng)力渦輪葉片的轂相連的轉(zhuǎn)子。該方法包括以下步驟(a)通過沿著艙或轂表面的朝前入口吸入周圍的冷卻空氣；(b)使冷卻空氣流過發(fā)電機定子以冷卻定子；和(c)在轂和葉片的下游位置從定子排出冷卻空氣。
還有一個典型的非局限性的實施例，提供的所述入口是在位于轂和葉片的下游位置的艙內(nèi)。
現(xiàn)在將結(jié)合如下附圖對本發(fā)明進行詳細闡述。


圖1是風(fēng)力渦輪發(fā)電機風(fēng)力助冷系統(tǒng)示意圖；圖2是風(fēng)力渦輪發(fā)電機冷卻系統(tǒng)各組成部分的透視圖；圖3是發(fā)電機定子及旋轉(zhuǎn)部件的局部放大剖面圖，圖中示出了部分冷卻回路；圖4是工作于此冷卻系統(tǒng)中的雙面發(fā)電機的縱向放大示意圖；圖5是此風(fēng)力渦輪發(fā)電機風(fēng)力助冷系統(tǒng)各組成部分的局部透視圖；圖6是另一個實施例中風(fēng)力渦輪發(fā)電機風(fēng)力助冷系統(tǒng)的示意圖；圖7是另一個實施例中帶有冷卻空氣進氣結(jié)構(gòu)的轂和艙的局部透視圖；圖8是又一個實施例中轂內(nèi)冷卻空氣進氣裝置的透視圖；圖9是圖8中所示轂的局部剖面圖；和圖10是又一個實施例中轂內(nèi)冷卻空氣入口的局部透視圖。
具體實施例方式
參照圖1，這里示意性的闡述了一種風(fēng)力渦輪發(fā)電機，通常指10，其包括裝有兩個或更多個翼型葉片14的轉(zhuǎn)轂12，一個固定艙16和一個塔架18，塔架用于從結(jié)構(gòu)上將風(fēng)力渦輪發(fā)電機支承在離地面G幾百英尺的高度。
如圖3和圖4所示，艙16裝有由多個線圈或繞組22組成的定子部件，并在靠近轂12的轉(zhuǎn)子前端環(huán)繞轉(zhuǎn)子裝有多個磁鐵或磁極24。圖中所示的實施例包括一個雙邊發(fā)電機，其具有作為定子部件的內(nèi)定子線圈22和外定子線圈26，以及作為轉(zhuǎn)子部件的外磁鐵或外磁極24和內(nèi)磁鐵或內(nèi)磁極28。因此，風(fēng)力驅(qū)動的葉片14驅(qū)動轂12，依次使外磁極24和內(nèi)磁極28相對于外定子線圈22和內(nèi)定子線圈26產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，繼而產(chǎn)生電流。可以看到，內(nèi)外定子線圈22和26分別繞成橢圓形的線圈并沿圓周相互間隔地排布從而形成發(fā)電機定子。定子線圈安裝在固定于艙16內(nèi)的支架30上。從圖3和圖4可以看出，內(nèi)外線圈22和26的每個子線圈之間都存在間隙32，轉(zhuǎn)子外端與外線圈26之間及轉(zhuǎn)子內(nèi)端40與內(nèi)線圈22之間也存在軸間隙34，它為冷卻流體，如空氣，提供了流動通道。
根據(jù)圖1-3，冷卻系統(tǒng)包括多個供氣通道44，圖2中示出3個。供氣通道44由管道組成，用來傳送從入口46(圖1)吸入的空氣，入口沿著艙16表面開口。這樣，三個入口46周向環(huán)繞著艙相互隔開，比如約120度的隔開，從而獲取流過艙16的空氣。由于艙16的形狀以及沿著艙表面的空氣動力學(xué)邊界層流，入口吸入的部分邊界層氣流從入口的正向流入，并沿著輸送管44傳送至進氣歧管50(圖3)。歧管50包括一個與定子線圈直徑相當(dāng)?shù)沫h(huán)面，并位于內(nèi)外定子線圈22和26的后面。歧管50可以是連續(xù)的或被分隔成圓周長度相等的隔腔，為處于入口歧管50軸向前方的一個定子線圈聯(lián)接段提供冷卻空氣。由于進口空氣流動本身不足以將發(fā)電機維持在冷卻環(huán)境下，因此在位于歧管50前面的輸送管44內(nèi)安裝了鼓風(fēng)機52(圖2)來加速空氣流動。供氣管道44中還安裝了多個過濾器54。
在發(fā)電機的軸向前側(cè)上，設(shè)有多個周向間隔的出口55，每個出口包括一個排氣管56和一個排氣環(huán)，總稱為排氣罐58。一個圓環(huán)的大體呈C-形的溝渠60在排氣罐58的出氣側(cè)覆蓋排氣罐58。溝渠60的基底自排氣管56的排氣口空隔開并覆蓋在上面。溝渠60還具有一個與旋轉(zhuǎn)部件的前面軸向間隔開的自由側(cè)邊緣，提供大致徑向延伸的受熱冷卻空氣的排放通道59。這樣，被加熱的冷卻空氣從排放管道56出去后，轉(zhuǎn)過180度，朝向定子軸向流回，繼而再轉(zhuǎn)90度徑向去到大氣。從而，冷卻空氣的排放流是繞艙表面的大致環(huán)形。
如圖6所示的實施例，公開了一個風(fēng)力渦輪的后出口冷卻系統(tǒng)。在這樣的結(jié)構(gòu)中，冷卻空氣沿著罩住定子線圈的環(huán)形腔70的前面通過進入口68，以基本上通過沿與前一實施例空氣流動方向反轉(zhuǎn)方向的空氣流冷卻定子線圈。利用因進氣口68處的風(fēng)力產(chǎn)生的壓力差，來自圍繞定子線圈22和26冷卻流的受熱空氣構(gòu)成后出口通路。在這個實施例中，可以利用一個或者更多的鼓風(fēng)機，內(nèi)置通風(fēng)疊片以及一個嵌入式的外部風(fēng)扇來協(xié)助冷空氣流動。例如，鼓風(fēng)機72可擴大從前端入口到尾部出口75的氣流通道。
圖7-10示出了前面所描述的各種冷卻進氣裝置。圖7中，利用葉片根部和艙內(nèi)輸送管吸入空氣來冷卻艙體和轂。更明確的，每個用于連接葉片和轂76的葉片根部74都有一個管78(圖中只示出一個)，管有一個開口朝前(艙82的上游)的進氣開口80。管78將吸入的空氣送入轂管84，接著冷卻空氣進入如圖6所示的環(huán)形集管或氣室70。
額外的冷卻空氣通過同樣開口朝前的艙斗86吸入。斗86的數(shù)量根據(jù)艙邊緣的不同而變化，但最好對稱設(shè)置。圖7中對稱設(shè)置了四個這樣的斗(圖中示出三個)。斗86通過艙壁上的冷卻空氣進氣孔88將冷卻空氣送入，并與進入葉片根部管道的冷卻空氣匯集，繼而流入集管或氣室70。
圖8和9描述了一個包括三個轂入口92(圖中示出2個)的轂90，入口周向地位于葉片根部93之間。每個入口都有一個朝前的進氣開口94，每個管道可以在進氣開口處裝有一個過濾器96和多個內(nèi)置擋板98，從而形成一個蛇形的冷卻空氣流道。流道中90度的彎曲有助于在空氣進入環(huán)形腔70之前除去其中的濕氣。流過發(fā)電機之后，冷卻空氣將從尾部排氣口102(圖中用虛線標(biāo)出了一個)排出艙體100。
圖10描述了一個轂104，在該轂的中心部位設(shè)有單獨的一個前向入口106。冷卻空氣通過位于葉片根部孔110之間的內(nèi)置開口108進入艙體和環(huán)形腔70。
盡管已經(jīng)通過目前認為最具實踐價值的優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不局限于這些實施例，而且恰恰相反，本發(fā)明意在覆蓋落入其附屬權(quán)利要求精神實質(zhì)和保護范圍的各種修改及等效方案。
部件清單風(fēng)力渦輪發(fā)電機10 進氣口68轉(zhuǎn)轂 12 環(huán)形腔或集管 70翼型葉片 14鼓風(fēng)機72固定艙16塔架 18 葉片根部 74內(nèi)定子線圈或繞組 22尾部出口 75外定子線圈26外轉(zhuǎn)子磁鐵或磁極 24 轂76內(nèi)轉(zhuǎn)子磁鐵或磁極 28管78支架 30進氣開口 80間隙 32軸向間隙 34 艙82轉(zhuǎn)子 40轂管 84供氣通道 44入口 46 艙斗 86進氣歧管 50進氣孔88鼓風(fēng)機52過濾器54 轂入口92出口 55葉片根部 93排氣管56進氣開口 94排氣罐58排氣通道 59 過濾器96C形管道 60內(nèi)置擋板 98環(huán)形導(dǎo)流器58艙100排氣口102轂104入口 106內(nèi)置開口 108葉片根部 110
權(quán)利要求
1.一個風(fēng)力發(fā)電機(10)包括一個艙(16)；一個由所述艙轉(zhuǎn)動地承載的并包括至少一對風(fēng)力渦輪葉片(14)的轉(zhuǎn)轂(12)；一個產(chǎn)生電流的發(fā)電機，其包括由所述艙承載的一個定子(22，26)和一個轉(zhuǎn)子(24，28)，所述轉(zhuǎn)子與轂相連且可響應(yīng)作用于所述葉片上的風(fēng)力旋轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)子相對于定子轉(zhuǎn)動從而產(chǎn)生電流；和一個由艙(16)承載的冷卻系統(tǒng)，其包括至少一個大氣入口(46)，開通位于所述轂和葉片下游的所述艙表面，以及一個輸送管(44)使空氣從沿大致上游方向的所述入口流向轂并冷卻定子。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其中所述入口(46)通向歧管(50)用以在定子周圍分布。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其中所述艙(16)包括一個位于發(fā)電機定子前方的出口(55)。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)電機，其中所述空氣出口將從定子處接收來的受熱空氣分布到位于轂后方位置處的大氣。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其包括位于所述轂(12)后方和發(fā)電機定子前方的多個周向間隔的出口(55)，用來沿朝前上游的方向流動引導(dǎo)受熱的冷卻空氣，和一個蓋在出口上的一個環(huán)形室(60)，用來沿大致下游的方向使受熱空氣改流向，以繞所述艙流動。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其中所述冷卻系統(tǒng)包括多個入口(46)，其位于發(fā)電機定子和轂下游的艙表面附近，和一個或多個歧管和管道(50)，用于在入口與發(fā)電機定子之間的傳送冷卻空氣。
7.如權(quán)利要求6所述的發(fā)電機，其中所述管道包括鼓風(fēng)機(52)，用于促使空氣流向所述發(fā)電機定子。
8.一種冷卻風(fēng)力渦輪發(fā)電機(10)定子的方法，該發(fā)電機具有一個承載定子(22，26)和一個轉(zhuǎn)子(24，28)的艙(16)，轉(zhuǎn)子與裝有風(fēng)力渦輪葉片(14)的轂(12)相連，該方法包括(a)通過沿著轂或艙的表面的朝前入口(46)吸入周圍的冷卻空氣；(b)使冷卻空氣流過發(fā)電機定子(22，26)以冷卻所述定子；和(c)在轂和葉片的下游位置排出來自定子的冷卻空氣。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其包括提供一個鼓風(fēng)機(52)協(xié)助冷卻空氣沿大致上游的方向流動。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟(c)包括，使來自大致上游方向的冷卻空氣流逆向向大致下游的方向以排出冷卻空氣。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟(a)包括提供多個位于艙周圍的入口，步驟(b)包括使來自入口的冷卻空氣通過多個管道流到進氣歧管，并使來自歧管的冷卻空氣流過定子，以及步驟(c)包括使來自發(fā)電機部分的冷卻空氣流入一個用于沿大致下游方向流動的環(huán)面。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述入口位于艙上處于轂和葉片下游的位置。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，所述入口位于轂內(nèi)。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟(b)中，冷卻空氣沿大致上游的方向流過發(fā)電機定子。
15.如權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟(b)中，冷卻空氣沿大致下游的方向流過發(fā)電機定子。
16.如權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟(c)中，冷卻空氣從定子和進氣口的上游排出。
17.如權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟(c)中，冷卻空氣從入口、轂、葉片和定子的下游排出。
18.一種風(fēng)力發(fā)電機(10)包括一個艙(16)；一個由所述艙轉(zhuǎn)動地承載并包括至少一對風(fēng)力渦輪葉片(14)的轂(12)；一個產(chǎn)生電流的發(fā)電機包括由所述艙承載的一個定子(22，26)和一個轉(zhuǎn)子(24，28)，所述轉(zhuǎn)子與轂相連且可響應(yīng)作用于所述葉片上的風(fēng)力旋轉(zhuǎn)以使轉(zhuǎn)子相對于定子轉(zhuǎn)動從而產(chǎn)生電流；和一個冷卻系統(tǒng)包括至少一個朝前的大氣進氣口(68)和一個管道(70)，管道用于使來自所述入口的冷卻空氣沿大致下游的方向流動離開所述轂并對所述定子進行冷卻。
全文摘要
一種風(fēng)力發(fā)電機(10)包括一個艙(16)；一個由艙轉(zhuǎn)動地承載的并包括至少一對風(fēng)力渦輪葉片(14)的轉(zhuǎn)轂(12)；一個產(chǎn)生電流的發(fā)電機，其包括承載在艙內(nèi)的一個定子(22，26)和一個轉(zhuǎn)子(24，28)。轉(zhuǎn)子與轂相連并可旋轉(zhuǎn)，隨著風(fēng)作用于葉片使得轉(zhuǎn)子相對于定子轉(zhuǎn)動從而產(chǎn)生電流。一個由艙(16)承載的冷卻系統(tǒng)，其包括至少一個入口(46)，開向位于轂和葉片下游的艙表面，以及一個將氣流從入口向著大致上游方向送往轂并冷卻定子的輸送管(44)。
文檔編號H02K9/02GK101042114SQ20071008604
公開日2007年9月26日 申請日期2007年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者B·巴奇帕利, G·R·巴恩斯, A·D·加德爾, P·L·詹森, C·G·小布查德, E·D·亞琴斯基, J·加格 申請人:通用電氣公司