南京航空航天大学 硕士学位论文
风力发电冷却系统研究 姓名：元伟伟
申请学位级别：硕士 专业：人机与环境工程
指导教师：蒋彦龙 20080101
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
在全世界范围内，风力发电正迅速并持续地发展着。当今世界风力发电技 术的发展趋势表现为单机容量增大、风机桨叶的变化、塔架高度上升、控制技 术的进步以及海上风力发电的发展[1]。其中单机容量的逐步增大，将会直接导 致发电机内各部件的散热量大大增加，如何有效解决发电机的温升瓶颈，已成 为风力发电机进一步发展的关键问题之一。目前国内对风力发电技术的研究热 点多集中在变频、控制系统和机械设计等学科领域，公开文献中涉及风力发电 冷却系统内容的数量较少，且文献的发表日期较早，其内容相对于快速发展的 风力发电技术存在较大的滞后性。针对该研究现状，本文首先对风力发电的原 理与结构进行了综述，分析了风力发电机运行过程中热量产生的部件和原因， 介绍了目前风力发电机组所采用的冷却技术，并提出了 MW 级风力发电机水冷 系统的设计流程和优化设计方案，最后在此基础上对下一代大功率风力发电机 冷却技术进行了展望，介绍了三种采用新型冷却技术的风力发电机系统。 关键词：风力发电机，冷却技术，水冷系统，海上风力发电，优化设计
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南京航空航天大学硕士学位论文
表目录
表 3.1 乙二醇水溶液在不同浓度下的冰点[19] ............................ 14 表 3.2 隔板厚度与压力间的关系[20] .................................... 18 表 3.3 错流-两种流体不混合的热交换器，u、Ntu 和 的关系[18] ............. 33 表 3.4 各管段阻力计算结果 .......................................... 38 表 4.1 空气进口速度与发电机散热量关系 .............................. 43 表 4.2 空气进口速度与换热器散热量关系 .............................. 43 表 4.3 气侧翅片参数 ................................................ 43 表 4.4 液侧翅片参数 ................................................ 44
承诺书
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。
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风力发电冷却系统研究
图 5.3 集中冷却式风力发电机结构示意图[34] ............................ 53 图 5.4 利用海水冷却的海上风力发电机冷却系统结构图[35] ................ 55 图 5.5 冷却系统散热部分结构图[35] .................................... 55ii源自南京航空航天大学硕士学位论文
图目录
图 2.1 并网运行的风力发电机示意图 ................................... 3 图 2.2 管式塔架结构示意图[10] ......................................... 5 图 2.3 大型风力发电机组机舱内部示意图[10] ............................. 5 图 2.4 控制变频器示意图 ............................................. 8 图 2.5 采用液冷方式的冷却系统示意图[12] .............................. 10 图 2.6 某 1.5MW 风力发电机冷却系统示意图 ............................ 11 图 3.1 某 1.5MW 风力发电机水冷系统线路图 ............................ 12 图 3.2 板翅式单元体结构示意图 ...................................... 15 图 3.3 不同流型的板束通道 .......................................... 15 图 3.4 错流板翅式换热器芯体示意图 .................................. 16 图 3.5 平直形翅片与锯齿形翅片示意图 ................................ 17 图 3.6 翅片几何参数 ................................................ 19 图 3.7 外部散热器框架示意图 ........................................ 20 图 3.8 错流温差修正系数（两种流体不混合）[20] ........................ 23 图 3.9 常用翅片 Re 与 j，f 的关系[20] .................................. 25 图 3.10 正方形通道进出口突然收缩阻力系数和突然扩大阻力系数[20] ....... 32 图 3.11 水冷系统管道简化图 ......................................... 35 图 3.12 孔板型封头结构和板型图 ..................................... 40 图 4.1 风力发电机的输出功率与风速的关系 ............................ 43 图 4.2 换热器优化计算流程图 ........................................ 46 图 4.3 各种翅片组合对应的换热器厚度大于 0.2m 的风况数量.............. 47 图 4.4 不同翅片搭配对应的换热器厚度选定值 .......................... 48 图 4.5 不同翅片组合对应的换热器最大重量 ............................ 48 图 4.6 cc1与 ch1组合时风速与换热器厚度的关系 ........................ 49 图 4.7 cc1与 ch1组合时风速与换热器重量的关系 ........................ 49 图 4.8 cc1与 ch1组合时风速与液侧压降的关系 .......................... 50 图 4.9 cc1与 ch1组合时的风速与换热器效率的关系 ...................... 50 图 5.1 采用蒸发循环冷却的风力发电机结构示意图[33] .................... 52 图 5.2 集中冷却式风力发电系统示意图[34] .............................. 53
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术语
Q L δ m De x y δb λf n
Lw l fi Fi f0 F0 F1 F2 ρ µ λ cp v Lv W G t
t av ∆t cf
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风力发电冷却系统研究
注释表
散热器换热量，kW 翅高， m 翅厚， m 翅距， m 当量直径， m 翅片内距， m 翅片内高， m 隔板厚度， m 隔板与翅片材料导热系数，W / m ⋅ k 气、液侧层数 翅片有效宽度， m 翅片有效长度， m 每层通道截面积， m2 每层通道传热面积， m2 板束 n 层通道截面积， m2 板束 n 层通道总传热面积， m2 板束 n 层通道一次传热面积， m2 板束 n 层通道二次传热面积， m2 密度， kg / m 动力粘度， Pa ⋅ s 导热系数，W / m ⋅ k 定压比热容， kJ / kg ⋅ k 流速， m / s 体积流量， m3 / s 质量流量， kg / s 质量流速， kg / m2 ⋅ s 温度，℃ 平均温度，℃ 逆对流对数平均温差，℃
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风力发电冷却系统研究
ABSTRACT
Wind turbine is undergoing a rapid and continual development all over the world. The development trend of the wind turbine technology can be represented by the increase of power, longer blades, higher towers, the progress of control system and the development of marine power generation. With the increasing of the power for a wind turbine, the heat which is produced by the various parts of the generator is also increasing greatly. Effective cooling measures should be introduced for keeping the regenerator system operating within the allowable temperature. Cooling technology has become one of the crucial issues for the further development of the wind turbine. Most of the domestic wind turbine technology researches concentrate on frequency control technique, control system and machine design, few articles about cooling technology is found in public literatures. The existing ones are published long time ago and are far behind the fast development of wind turbine technology. In this paper, the working theory and structure of the wind power generation are introduced. The parts and producing mechanism of the heat are analyzed. And the cooling methods using in present wind power generators are also introduced. The design procedure and optimum scheme of water cooling system of the MW wind turbine are proposed. On this basis, some possible cooling ways for the next generation high-power wind turbine is presented. Three wind turbine systems with new cooling technology are introduced. Key Words: wind turbine, cooling technology, water cooling system, marine power generation, optimum design