CN113931937B - 轴承冷却系统、轴承冷却方法和风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轴承冷却系统、轴承冷却方法和风力发电机组。轴承冷却系统包括外圈冷却系统和内圈冷却系统，其中，外圈冷却系统包括第一散热组件，安装在与轴承外圈外侧壁对应的位置；内圈冷却系统包括第二散热组件，安装在与轴承内圈内侧壁对应的位置。本发明的轴承冷却系统能够对风力发电机组的轴承进行冷却，降低轴承温度。

Description

轴承冷却系统、轴承冷却方法和风力发电机组

技术领域

本发明涉及电机冷却技术领域，更具体地讲，涉及一种用于对风力发电机组的轴承进行冷却的轴承冷却系统、轴承冷却方法以及风力发电机组。

背景技术

风能是一种开放、安全的可再生清洁能源，目前风能的利用越来越受到重视。风力发电机是依靠捕获风能，将动能转化为电能的发电设备。在现代的大型风力发电机中，随着单机发电功率的增大，风力发电机的扭矩越来越大，转动部件受到的载荷也随之增大，例如，发电机支撑叶轮的主轴承的工作负荷增大。另外，目前的风力发电机基本都运行在外界复杂的风资源环境影响下，叶片受到的载荷在满功率及极端条件下非常大，从而导致主轴轴承长时间运行在较大径向力和轴向力的工况下，由此会导致主轴轴承的摩擦发热量大，长时间运行之后，轴承的温度较高。这就需要使用额外的冷却手段对轴承进行冷却，降低轴承的温度，从而保证风力发电机在高温环境下能够安全无故障运行。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。

本发明的目的之一在于提供一种在提供一种能够对风力发电机组的轴承进行冷却，从而降低轴承温度的轴承冷却系统。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种风力发电机组的轴承冷却系统，风力发电机组包括动轴、定轴以及安装在定轴和动轴之间的轴承，轴承冷却系统包括外圈冷却系统和内圈冷却系统，其中，外圈冷却系统包括第一散热组件，安装在与轴承外圈外侧壁对应的位置；内圈冷却系统包括第二散热组件，安装在与轴承内圈内侧壁对应的位置。

可选地，外圈冷却系统与内圈冷却系统均可以为主动冷却系统。

可选地，外圈冷却系统可以为利用风力发电机组的发电机冷却系统的主动冷却系统。

可选地，第一散热组件可以包括：第一散热基板，安装在与轴承外圈连接的定轴的外侧壁上；和多个第一散热翅片，多个第一散热翅片呈径向开放的形式布置于第一散热基板上。

可选地，多个第一散热翅片可以沿定轴的周向间隔布置在第一散热基板上，并且每个第一散热翅片沿定轴的轴向延伸，多个第一散热翅片的相邻第一散热翅片之间形成有多个第一散热通道，用于冷却发电机的第一冷却介质通过第一散热通道。

可选地，外圈冷却系统还可以包括：发电机冷却风扇，用于将第一冷却介质引入到第一散热组件，并将与第一散热组件换热后的第一冷却介质引入发电机的内部。

可选地，第二散热组件可以包括：第二散热基板，用于安装到与轴承内圈连接的动轴的内侧壁上；和多个第二散热翅片，多个第二散热翅片呈径向封闭的形式布置于第二散热基板上。

可选地，多个第二散热翅片可以沿动轴的周向间隔布置在第二散热基板上，每个第二散热翅片沿动轴的轴向延伸，第二散热翅片的径向外端连接到第二散热基板。

可选地，第二散热组件还可以包括：连接板，与多个第二散热翅片的径向内端连接，相邻的第二散热翅片、第二散热基板、连接板围成圆周方向封闭的沿轴向延伸的供第二冷却介质通过的第二散热通道。

可选地，内圈冷却系统可以由风力发电机组的机舱的进风口进入，经过通风通道后冷却轴承内圈，并从风力发电机组的轮毂排出。

可选地，通风管道可以包括第二散热组件的第二散热通道以及与第二散热组件连通的进风通道和出风通道，进风通道布置在机舱中，并且与机舱的进风口连接并延伸至靠近轴承处，用于将第二冷却介质由机舱的外部引入第二散热组件中；出风通道用于将从第二散热组件排出的第二冷却介质排出至轮毂的外部。

可选地，进风通道可以包括至少两个子进风通道，至少两个子进风通道的出风口沿动轴的周向间隔布置并且与第二散热组件连通。

可选地，内圈冷却系统还可以包括与机舱的进风口连接的主进风通道，主进风通道在靠近轴承处分流成至少两个子进风通道。

可选地，在机舱的进风口处，可以设置有进风风扇及空气处理器。

可选地，出风通道可以包括相互连通的轮毂内的第一空间、导流罩与轮毂之间的第二空间以及导流罩与发电机的转子之间的缝隙。

本发明的另一方面提供了一种风力发电机组，风力发电机组包括如上所述的轴承冷却系统。

本发明的又一方面提供了一种轴承冷却方法，该方法使用如上所述的风力发电机组的轴承冷却系统对风力发电机组的轴承进行冷却，该方法包括：利用第一冷却介质对轴承外圈进行散热冷却，并将散热冷却后的第一冷却介质用于对发电机进行冷却；利用第二冷却介质对轴承内圈进行散热冷却，并将散热冷却后的第二冷却介质排出至风力发电机组的外部。

本发明通过外圈冷却系统和内圈冷却系统分别对轴承外圈和轴承内圈进行冷却，可以有效地解决轴承长时间运行温度高的问题，使得风力发电机组可以安全无故障运行。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是本发明示例性实施例的轴承冷却系统安装在风力发电机组中的示意图。

图2是示出外圈冷却系统的示意图。

图3是示出根据本发明示例性实施例的轴承冷却系统与风力发电机组连接关系的立体示意图。

图4是示出图3中外圈冷却系统的第一散热组件的示意图。

图5是示出图3中内圈冷却系统的第二散热组件的示意图。

附图标记说明：

1、动轴，2、定轴，3、轴承外圈，4、轴承内圈，5、转子，6、定子，61、径向通道，7、第一腔室，8、第二腔室，9、气隙，10、机舱，11、轮毂，12、导流罩，241、第一空间，242、第二空间，243、缝隙，13、转子支架，14、定子支架。

100、外圈冷却系统，110、第一散热组件，111、第一散热基板，112、第一散热翅片，113、第一散热通道，120、第一冷却介质，200、内圈冷却系统，210、第二散热组件，211、第二散热基板，212、第二散热翅片，213、连接板，214、第二散热通道，220、第二冷却介质，230、进风通道，231和232、子进风通道，233、主进风通道，240、出风通道，250、进风风扇，260、空气处理器。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的风力发电机组的轴承冷却系统、轴承冷却方法和风力发电机组。

图1是本发明示例性实施例的轴承冷却系统安装在风力发电机组中的示意图。图2是示出外圈冷却系统的示意图。图3是示出根据本发明示例性实施例的轴承冷却系统与风力发电机组连接关系的立体示意图。图4是示出图3中外圈冷却系统的第一散热组件的示意图。图5是示出图3中内圈冷却系统的第二散热组件的示意图。

参照图1和图2，风力发电机组可以包括动轴1、定轴2以及安装在定轴2与动轴1之间的轴承。其中，轴承包括轴承外圈3和轴承内圈4，轴承外圈3结合到定轴2的内侧壁上，轴承内圈4结合到动轴1的外侧壁上。风力发电机可以是内定子结构，即，转子5沿定子6的外周设置。但本发明不限于此，风力发电机也可以是外定子结构，即，定子6沿转子5的外周设置。转子5通过转子支架固定于定轴2上。发电机的驱动方式可以为直驱、半直驱等。在实施例，发电机为内定子永磁直驱发电机。

为了对上述风力发电机组的轴承进行冷却，根据本发明一方面示例性实施例的风力发电机组的轴承冷却系统包括外圈冷却系统100和内圈冷却系统200。其中，外圈冷却系统100包括第一散热组件110，安装在与轴承外圈3侧壁对应的位置。内圈冷却系统200包括第二散热组件210，安装在与轴承内圈4内侧壁对应的位置。

根据本发明的实施例，通过利用外圈冷却系统100和内圈冷却系统200来对轴承外圈3和轴承内圈4分别进行冷却，从而降低轴承的温度。

其中，外圈冷却系统100与内圈冷却系统200均可以为主动冷却系统。这里，主动冷却系统是由外力(例如，风扇)推动冷却介质(例如，风)流动的冷却系统，没有外力而利用风自然流动的为被动冷却系统。

在可选的实施方式中，外圈冷却系统100为利用风力发电机组的发电机冷却系统的主动冷却系统。

如图2中所示，风力发电机组的发电机冷却系统中供第一冷却介质(例如，空气)120流动的冷却回路包括：相互连通的位于发电机的轴向两侧的腔室7和8、发电机的转子5与定子6之间的气隙9、沿定子6的轴向(图中的X轴方向)间隔分布的径向通道61。如图2中的箭头所示，第一冷却介质120分别进入第一腔室7和第二腔室8，并经由气隙9和定子6的径向通道61后排出至发电机的外部，从而实现对发电机的定子组件和转子组件进行冷却，例如，对发电机的绕组、磁钢和铁芯的冷却。上述第一腔室7，由发电机的转子端盖和定子支架围合而成，可以为发电机轴向上，靠近机舱侧的腔室；上述第二腔室8，由发电机的转子支架支撑板和定子支架围合而成，可以为发电机轴向上，靠近叶轮侧的腔室。

本发明利用发电机冷却系统的第一冷却介质120先对安装在轴承外圈3处的第一散热组件110进行换热冷却，再将换热后的第一冷却介质120继续用于冷却风力发电机组的发电机。由于轴承的发热量很小，只有发电机发热量的1％左右，因此，第一冷却介质120在冷却了轴承外圈3处的第一散热组件110之后，再去冷却发电机，不会对发电机的冷却效果有影响。由此可知，根据本发明的外圈冷却系统100仅需在与轴承外圈3外侧壁对应的位置处安装第一散热组件110，并利用发电机冷却系统对轴承外圈3进行主动冷却，无需额外增设风冷管道，结构简单，且可以在不影响发电机冷却的基础上，有效降低轴承外圈3的温度。

参照图3和图4，第一散热组件110可以包括第一散热基板111和多个第一散热翅片112。第一散热基板111安装在与轴承外圈3配合的定轴2的外侧壁上。多个第一散热翅片112呈径向开放的形式布置于第一散热基板111上。

具体地，散热基板与定轴2的外表面随形，从而形成为圆环形筒板，多个第一散热翅片112可以沿定轴2的周向Z间隔布置在第一散热基板111上。每个第一散热翅片112可以沿定轴2的轴向X延伸。多个第一散热翅片112沿着定轴2的圆周方向间隔设置，从而相邻第一散热翅片112之间形成有多个第一散热通道113，用于冷却发电机的第一冷却介质120从第一散热通道113中流过，带走热量，使得第一散热组件110降温。在本实施例中，多个第一散热翅片112的径向内端连接到第一散热基板111，而多个第一散热翅片112的径向外端未连接在一起，是敞开的，因此，第一散热通道113呈径向开放，具有径向开放的结构对轴承外圈3的冷却效果更好。

作为示例，第一散热翅片112形成为薄板片形状，在附图所示的示例中，第一散热翅片形成为矩形板。第一散热翅片112可以为导热性较强的金属片。轴承外圈3的热量可以以热传导的方式经过定轴2传递给第一散热基板111然后传递给第一散热翅片112，并且在第一冷却介质120经过第一散热翅片112时这部分热量被带走。通过在第一散热基板111上设置多个第一散热翅片112可以增大换热表面积，从而强化冷却效果。

外圈冷却系统100还可以包括发电机冷却风扇(未示出)，用于将第一冷却介质120引入到第一散热组件110，并将与第一散热组件110换热后的第一冷却介质120引入发电机的内部，对发电机进行冷却。

以上，描述了外圈冷却系统100的结构，下面将结合图1、图3和图5来详细描述内圈冷却系统200的具体结构。

参照图1、图3和图5，内圈冷却系统200包括第二散热组件210。第二散热组件210可以包括第二散热基板211和多个第二散热翅片212。第二散热基板211用于安装到与轴承内圈4配合的动轴1的内侧壁上，可对应于轴承内圈4所在的位置。多个第二散热翅片212布置于第二散热基板211上。

多个第二散热翅片212可以沿动轴1的周向Z间隔布置在第二散热基板211上。每个第二散热翅片212沿动轴1的轴向X延伸。第二散热翅片212的径向外端连接到第二散热基板211。第二散热翅片212可以为导热性较强的金属片。

多个第二散热翅片212可以径向两端封闭的形式布置在动轴1的内侧壁上，例如，第二散热组件210还可以包括连接板213。连接板213与多个第二散热翅片212的径向内端连接，相邻的第二散热翅片212、第二散热基板211、连接板213围成圆周封闭的沿轴向延伸的第二散热通道214，供第二冷却介质220通过，以确保第二冷却介质220能够在第二散热通道214流动，提高对轴承内圈4的冷却效果。

根据本发明的实施例，用于内圈冷却系统200的第二冷却介质220由风力发电机组的机舱的进风口101进入，经过通风管道后进入第二散热通道214，冷却轴承内圈4，然后从风力发电机组的轮毂11排出。

如图1中所示，通风管道可以包括与第二散热组件210连通的进风通道230和出风通道240。其中，进风通道230布置在机舱10中，并且与机舱10的进风口连接并延伸至靠近轴承处，用于将第二冷却介质220由机舱外引入第二散热组件210的第二散热通道214中。出风通道240用于将从第二散热组件210的第二散热通道214排出的第二冷却介质220排出至轮毂11的外部。

由于第二散热组件210安装在动轴1上，因此会随着动轴1和轴承内圈4一起旋转。为了将更多的第二冷却介质220从进风通道230送入第二散热通道214，提高对轴承内圈4的冷却效率，优选地，进风通道230可以包括至少两个子进风通道231和232。至少两个子进风通道231和232的出风口沿动轴1的周向Z间隔布置并且与第二散热通道214连通。在本实施例中，进风通道230可包括至少一个进风通道，如图1所示，进风通道230包括两个子进风通道231和232，两个子进风通道231和232沿动轴1的周向布置对称布置(例如布置在6点钟和12点钟方向)，并且两个子进风通道231和232的出风口对准第二散热通道214。

进风通道230还可以包括与机舱10的进风口连接的主进风通道233。主进风通道233在靠近轴承处分流成至少两个子进风通道231和232。

优选地，在机舱10的进风口处，还可以设置有进风风扇250及空气处理器260。例如，可以设置带滤棉的风扇，从而将机舱10外部的冷空气过滤后引流至主进风通道233中。

出风通道240可以包括相互连通的轮毂11内的第一空间241、导流罩12与轮毂11之间的第二空间242以及导流罩12与发电机的转子5之间的缝隙243。

如图1中的箭头所示，第二冷却介质220从机舱10的进风口进入主进风通道233，接着分流进入两个子进风通道231和232，再送入第二散热通道214，轴承内圈4的热量以热传导的方式经过动轴1传递给第二散热翅片212，在第二冷却介质220经过第二散热通道214时这部分热量被带走，并排放至轮毂11中，并经过导流罩12与转子5之间密封位置处的缝隙243排放至外部，从而降低轴承的温度。

本发明的另一方面提供了一种风力发电机组，其包括如上所述的轴承冷却系统。

本发明的又一方面提供了一种轴承冷却方法，该方法使用如上所述的风力发电机组的轴承冷却系统对风力发电机组的轴承进行冷却，该方法包括：利用第一冷却介质120对轴承外圈3进行散热冷却，并将散热冷却后的第一冷却介质120用于对发电机进行冷却；利用第二冷却介质220对轴承内圈4进行散热冷却，并将散热冷却后的第二冷却介质22排出至风力发电机组的外部。该方法可以使用如上所述的轴承冷却系统对风力发电机组的轴承冷却。

根据本发明，利用外圈冷却系统100和内圈冷却系统200分别对轴承外圈3和轴承内圈4进行冷却，降低了轴承的温度，可以解决轴承长时间运行温度高的问题，使得风力发电机组可以安全无故障运行。其中，外圈冷却系统100中的第一散热组件110仅包括第一散热翅片112，并利用发电机冷却系统就可把轴承外圈3的热量带走，无需额外设置管道等，结构简单，容易安装，且在风力发电机组中的占用空间少。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (15)

1.一种风力发电机组的轴承冷却系统，所述风力发电机组包括动轴（1）、定轴（2）以及安装在所述定轴（2）和所述动轴（1）之间的轴承，其特征在于，所述轴承冷却系统包括外圈冷却系统（100）和内圈冷却系统（200），其中，

所述外圈冷却系统（100）包括第一散热组件（110），安装在与轴承外圈（3）外侧壁对应的位置；

所述内圈冷却系统（200）包括第二散热组件（210），安装在与轴承内圈（4）内侧壁对应的位置，

所述第二散热组件（210）包括：

第二散热基板（211），用于安装到与所述轴承内圈（4）连接的所述动轴（1）的内侧壁上；和

多个第二散热翅片（212），多个所述第二散热翅片（212）布置于所述第二散热基板（211）上，围绕所述动轴（1）的周向间隔布置并沿所述动轴（1）的径向方向延伸；

连接板（213），与所述多个第二散热翅片（212）的径向内端连接，所述第二散热翅片（212）、所述第二散热基板（211）、所述连接板（213）围成圆周方向封闭并且轴向两端开口的沿轴向延伸的第二散热通道（214），使得外部的第二冷却介质能够从所述第二散热通道（214）的轴向一端的开口流入并从轴向另一端的开口流出。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，所述外圈冷却系统（100）与所述内圈冷却系统（200）均为主动冷却系统。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，所述外圈冷却系统（100）为利用风力发电机组的发电机冷却系统的主动冷却系统。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，所述第一散热组件（110）包括：

第一散热基板（111），安装在与所述轴承外圈（3）连接的所述定轴（2）的外侧壁上；和

多个第一散热翅片（112），多个所述第一散热翅片（112）呈径向开放的形式布置于所述第一散热基板（111）上。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，多个所述第一散热翅片（112）沿所述定轴（2）的周向间隔布置在第一散热基板（111）上，并且每个所述第一散热翅片（112）沿所述定轴（2）的轴向延伸，所述多个第一散热翅片（112）的相邻第一散热翅片（112）之间形成有多个第一散热通道（113），用于冷却发电机的第一冷却介质（120）通过所述第一散热通道（113）。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，所述外圈冷却系统（100）还包括：

发电机冷却风扇，用于将第一冷却介质（120）引入到所述第一散热组件（110），并将与所述第一散热组件（110）换热后的第一冷却介质（120）引入发电机的内部。

7.根据权利要求1所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，每个所述第二散热翅片（212）沿所述动轴（1）的轴向延伸，所述第二散热翅片（212）的径向外端连接到所述第二散热基板（211）。

8.根据权利要求1所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，所述内圈冷却系统（200）还包括通风管道，所述通风管道将外部的第二冷却介质（220）由风力发电机组的机舱（10）的进风口引入，经过所述第二散热通道（214）冷却所述轴承内圈（4）后，从所述风力发电机组的轮毂（11）排出。

9.根据权利要求8所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，所述通风管道包括与所述第二散热组件（210）连通的进风通道（230）和出风通道（240），

所述进风通道（230）布置在所述机舱（10）中，并且与所述机舱（10）的所述进风口连接并延伸至靠近所述轴承处，用于将所述第二冷却介质（220）由所述机舱（10）的外部引入所述第二散热组件（210）中；

所述出风通道（240）用于将从所述第二散热组件（210）排出的所述第二冷却介质（220）排出至轮毂（11）的外部。

10.根据权利要求9所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，所述进风通道（230）包括至少两个子进风通道（231，232），至少两个所述子进风通道（231，232）的出风口沿所述动轴（1）的周向间隔布置并且与所述第二散热组件（210）连通。

11.根据权利要求10所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，所述进风通道（230）还包括与所述机舱（10）的所述进风口连接的主进风通道（233），所述主进风通道（233）在靠近所述轴承处分流成至少两个所述子进风通道（231，232）。

12.根据权利要求9所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，在所述机舱（10）的所述进风口处，设置有进风风扇（250）及空气处理器（260）。

13.根据权利要求9所述的风力发电机组的轴承冷却系统，其特征在于，所述出风通道（240）包括相互连通的轮毂（11）内的第一空间（241）、导流罩（12）与所述轮毂（11）之间的第二空间（242）以及所述导流罩（12）与所述发电机的转子（5）之间的缝隙（243）。

14.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求1至13中任意一项所述的轴承冷却系统。

15.一种轴承冷却方法，其特征在于，所述方法使用根据权利要求1-13任一项所述的风力发电机组的轴承冷却系统对风力发电机组的轴承进行冷却，所述方法包括：

利用第一冷却介质（120）对轴承外圈（3）进行散热冷却，并将散热冷却后的第一冷却介质（120）用于对发电机进行冷却；

利用第二冷却介质（220）对轴承内圈（4）进行散热冷却，并将散热冷却后的第二冷却介质（220）排出至风力发电机组的外部。