２０１２年１０月 Ｊｏｕｍ￣ｏｆ Ｇｒｅｅｎ 绿色科技 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 第１０期 永磁直驱风力发电机辅助散热段结构设计 王丁会 ，刘广林 ，杨怀宇 ，张兵 （１．国电联合动力技术有限公司，北京１０００３９；２．华北电力大学可再生能源学院，北京１０２２０６） 摘要：为了减少风电发电机冷却系统耗能，减小机舱内板式换热器占用机舱体积，并利用风场优越的自 然风资源对发电机进行冷却，以某风电设备供应商２．５ＭＷ永磁直驱发电机现有冷却系统结构为基础， 提出了增加辅助散热段的构思，通过在机舱外布置散热结构从而达到利用风场优越的自然风对发电机 进行辅助冷却散热，由此减小板式换热器的体积，避免板式换热器体积或数量随着单机容量的增大而出 现换热器体积的线性增加，为风电发电机散热系统设计提供参考。 关键词：风电；冷却；散热器；芯体 中图分类号：ＴＭ３１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—９９４４（２０１２）１０－０２２７－０３ １ 引言 热器芯体尺寸达１２００ｍｍ×１０００ｒａｍ×１０００ｒａｍ，临近 板式换热器芯体供应商芯体尺寸制造尺寸（国产化换 随着化石能源使用导致环境等问题的日益严峻， 热器芯体供应商可提供极限尺寸１２５０ｍｍ）与实验台 风力发电作为新能源利用中最成熟的技术之一，已成 要求的极限值，且随着３ＭＷ、６ＭＷ等永磁直驱发电机 为可再生能源利用的趋势，大型直驱／半直驱永磁发 的研发，以及磁钢价格上扬引起发电机内磁钢数量减 电机成为风电发展的方向…，且单机容量从ｋＷ级向 排的研发，都造成永磁直驱发电机在运行过程中所需 ＭＷ级发展，而相应地其发热量可高达上百千瓦，为 散热量增加，如果仅通过增加换热器芯体数量及增加 保证电机效率、绝缘寿命及永磁体不可逆去磁，良好 换热器芯体换热面积来满足散热量，势必造成换热系 的冷却系统成为研究的重点 “ 。但国内对风力发电 统成本（要求更大的循环风机、钣金、换热芯体等）及 研究多侧重于控制系统、变频及机械设计，对风力发 占用机舱内空间随散热量要求的增加形成线性增加 电系统中冷却系统设备的研究较少，且文献较早 。 趋势，并给换热芯体的制造增加工艺上的复杂性。而 目前国内风力发电冷却设备主要从国外购买，投资与 风电场自身优越的自然风，本身给强制对流换热提供 运行维护费用较高。 了一个很好的前提，所以如何通过改变结构能够将发 本文以某风电设备供应商现有２．５ＭＷ永磁直驱 电机高温点气流直接让风电场自然风去进行强制冷 风力发电机冷却系统为研究对象，该系统所用板式换 却，以此来减小换热器的尺寸及数量并降低成本，是 一个值得研究的问题，本文阐述了通过在机舱外增加 收稿日期：２０１２￣９—１３ 基金项目：北京市自然科学基金项目（编号：３１２２０２９）；高校基本科研业务费专项资金（编号：１２ＱＮ２０）资助 作者简介：王丁会（１９８３一），男，河南焦作人，工程师，硕士，主要从事风力发电机组散热冷却及机舱环境控制研究。 根据表２中数据可以看出，２０１ １年较２０１０年游客 数量均呈逐年增加的趋势，给当地带来经济效益的同 人数大幅增加，随着游客的增加，露营人数、偏离道路的 时，也给保护区的生态环境带来了压力，特别是部分游 游客数和践踏湿地的游客数也有所增加，但所占比例有 客的不文明旅为。保护与开发利用并重，实现经济 所下降，表明大山包加强了对露营的区划、管理和宣传， 效益、生态效益和社会效益的协调统一，是保护区实现 一定程度上控制了不规范的游客行为人数，缓解了对保 持续发展的最好出路。 护区的破坏影响。 大山包保护区是集保护、旅游、科研、教学为一体 表２游客行为调查 的，随着大山包国家级自然保护区的建立，逐步实现了 保护区的科学规划布局，使得保护与开发利用工作逐步 实现了正规化、规范化、制度化和法律化 。今后应加 大宣传力度，加强管理，倡导保护环境，文明旅游，实现 保护与开发利用的协调统一。 注：本数据来自大山包黑颈鹤自然保护区管理局 参考文献： ［１］叶文，胡晓．生态旅游本土化［Ｍ］．北京：中国环境科学出版 ４结语 社，２００６，１７９—１９０． ［２］任继周．云南大山包湿地的保护与发展思考［Ｊ］．水资源研究， 随着大山包保护区生态旅游的开发，游客和车辆的 ２００９，３０（４）：３３～３４． ２２７ 王丁会，等：永磁直驱风力发电机辅助散热段结构设计 工程技术 辅助散热段，利用风电场优越的自然风进行辅助散热 的结构。 ２辅助散热段散热基本原理 本辅助换热结构采用管翅式散热结构（其结构可 见图１～图６），根据其基本换热原理进行强化换热措 施，其原理如下 ： ： （ 一‰） （１） Ｋ ＝１／（１／ｈ ＋６／Ａ＋４／ ０ Ａ０） （２） Ａ。＝Ａｌ＋Ａ２ （３） 式（１）中： 一对流散热量，Ｗ；Ｋ，一传热系数，ｗ／ ｍ ；Ａ 一管内侧换热面积，ｍ ； 一管内热气体 温度，℃。 式（２）中 一管外来留空气温度，℃； 一管内测 对流换热系数，Ｗ／ｍ ；６～管子壁厚，ｍ；Ａ一管子导热 系数，Ｗ／ｍ；ｈｏ一管外侧对流换热系数，Ｗ／ｍ ；叼一肋 面总效率。 式（３）中：Ａ 一管外肋面突出面积，ｍ ；Ａ：一管外 平壁面积，ｉｎ 。 辅助换热管段采用铝质材料具有良好的导热性， 且管壁较薄，与另外两项相比， Ａ可忽略，所以 ，＝１［１／ｈ ＋Ａ／（ 。叼。Ａ。）］。通过在翅片上周期性地 开若干孔，可提高空气在翅片上扰流，提高管外侧对 流换热系数ｈ ，同时在管内周期性布置若干扰流片或 扭带，可提高管内热气流的紊流程度，提高管内侧的 对流换热系数ｈ 。由式（２）知：通过提高ｈ。、ｈ 可提高 传热系数 ，值，从而增强辅助换热段的对流散热量。 本辅助散热结构即根据某风电设备供应商 ２．５ＭＷ永磁直驱发电机机舱结构及冷却系统布置，在 机舱外设置管翅式辅助散热段，该段由板翅式换热段 和环翅式换热段组成，使翅片平行于自然风来流方向 （随着风向变化，风机偏航保证翅片与来留空气方向 近似平行），根据上述及散热原理本文阐述带风箱与 无风箱两种辅助散热段结构，随着风速提高，发电机 发电功率提高（达到满发之前），所需散热量增加，同 时随着风速提高，辅助散热段换热效果提高。 ３辅助散热段结构设计分析 图１为不带风箱的管翅式辅助散热段整体结构 图，其基本原理为：在内循环风机作用下，永磁发电机 产生的热气体被从定子上所开设的孔中抽出，依次进 入环翅式散热段与板翅式散热段，使热气流直接与风 场来流自然风进行强制对流散热，在完成辅助散热 后，气体进入板式换热器，与外循环风机作用下进入 换热器的自然空气进行强制对流换热，内循环经冷却 散热后热气体回到机舱，再次进入发电机携走发电机 产生的热量，使内循环形成闭式循环；外循环冷却空 气再次回到自然界，形成开式循环，其中为防止转子 转动过程中震动带来的危害，辅助散热段与发电机定 子预留散热孔通过软连接相连。 设置于机舱外的辅助散热管段如图２所示。通过 １一机舱２一发电机３一软管４一环翅式换热段 ５一板翅式换热段６一机架底座７一外循环风机 ８一板式换热器９一内循环风机 图１ 不带风箱辅助散热整体结构 总管与支管连接的形式组成，本设计中与总管相连的 板翅式换热段可分别采用ｌＯＯｍｍ、１５０ｒａｍ、２００ｒａｍ、 ２５０ｒａｍ、３００ｍｍ的铝质材料金属管及翅片（管径不宜 小于ｌＯＯｍｍ，因现有风量造成阻力较大，从而对循环 风机要求过高）。图３中为不同支管直径对应数量分 别为ｌ０、５、５、３、２时的截面图，板翅式散热段上所采 用板翅为每隔１５。设置一个，管子上共有２４个板翅， 环形翅片每隔３０ｒａｍ布置１个，以上所述数字与数量 并非固定值，为整体结构概述。 图２不带风箱辅助散热段结构 Ａ—Ａ Ａ－Ａ （ａ）１Ｏ根管结构布 ｂ）５根毹’结构相竭 Ａ—Ａ Ａ—Ａ 瓣 ＝： 瓣 蹿 ＿ ：： ： 蓁薹蓁 篡麓麓 黧融 ｉ景ｉｉ ＝：啊＝＿ 篇 赫 篡 撩 ２ＺＳ２２２＆＇２２：？２２；￣２２ ： 篓 ： ： ：：： 兰： 飘 ： ： － ＝焉 （Ｃ）３根臀结奉勾布髓 图３ ２０１２年１０月 绿色科技 Ａ—Ａ 第１０期 Ａ Ａ 图４为增加风箱的辅助散热段整体结构，其气体 循环和散热原理与无风箱结构相同，通过增加风箱可 简化板翅式散热段与总管的连接方式（需开孔焊接）， 可通过在支管及风箱上设置法兰实现连接，且通过增 加风箱可灵活布置板翅式散热段支管的数量，采用风 箱的辅助散热段如图５所示，为了避免机舱下部设置 的辅助换热段 现干涉现象，可将风箱结构尺寸改 变，也可进行单面布置板翅式散热段，如图６所示。 图６ 单面布置板翅式散热段 ４ 结语 本文阐述了某风电设备供应商的永磁直驱风力 发电机的辅助散热结构，通过布置不同管径及数量的 管翅式换热段来实现自然风对发电机的间接冷却，阐 述了不同的结构冷却散热辅助结构，但其中仍然存在 １一机舱２一发电机３一软管４一环翅式换热段 ５一板翅式换热段６一机架底座７一外循环风机 以下问题需要进行探索。 （１）对于辅助散热段散热效果需要定量计算及分 析，需对比不同结构散热效果。 （２）对于辅助换热段的支撑与固定，因机舱材料 为玻璃钢材质，机舱能否承重辅助换热段，应通过设 计相应的结构使辅助换热段重量传递给机架底座。 参考文献： 『１］Ｃａｒｒａｓｃｏ Ｊ Ｍ，Ｆｒａｎｑｕｅｌｏ Ｌ Ｇ．Ｐｏｗｅｒ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ８一板式换热器９一内循环风机１０一风箱 图４ 带风箱管翅式换热结构 Ｇｒｉｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｕｒｃｅｓ：Ａ Ｓｕｒｖｅｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００６，５３（４）：１００２—１０１６． ［２］林鹤云，郭玉敬，孙蓓蓓，等．海上风电的若干关键技术综述 图５ 带风箱管翅式辅助换热段 ［Ｊ］．东南大学学报，２０１１，４１（４）：８８２～８８８． ［３］元伟伟，蒋彦龙．风力发电冷却技术［Ｊ］．世界科技研究与发 展，２００７，２９（２）：８０～８５． ［４］蒋彦龙，元伟伟，张秋，等．ＭＷ级风力发电水冷系统的优化 设计［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２００８，４０（２）：１９９～２０４． ［５］杨世铭，陶文铨．传热学（第三版）［Ｍ］．北京：高等教育出版 社．１９９８． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｗａｎｇ Ｄｉｎｇｈｕｉ ，Ｌｉｕ Ｇｕａｎｇｌｉｎ ，Ｙａｎｇ Ｈｕａｉｙｕ ，Ｚｈａｎｇ Ｂｉｎｇ （１．Ｇｕｏｄｉａｎ Ｕｎｉｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅ ｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｅｗ ａｎｄ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０２２０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｔｅ— ｔｙｐｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｉｎ ｃａｂｉｎ，ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｔｏ ｂｒｉｎｇ ｉｎｔｏ ｐｌａｙ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｗｉｎｄ ｉｎ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ａｎ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ２． ５ ＭＷ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｒｏｍ ａ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｕｐｐｌｉｅｒ．Ｂｙ ｓｅｔｔｉｎｇ ｈｅａｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｕｔｓｉｄｅ ｔｈｅ ｃａｂｉｎ，ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｗｉｎｄ ｔｏ ｃｏｏｌ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｔｅ—ｔｙｐｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｐｌａｔｅ—ｔＹＰｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｎｉｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ；ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｈｅａｔ ｓｉｎｋ；ｃｏｒｅ ２２９
