谈风力发电机组散热器优化设计

摘要：风力发电机齿轮箱优良的散热性能，可确保风力发电机的正常运行。传统的管片式及管带式散热器容易损坏，抗震能力不强，寿命较低，为了提高其性能和使用寿命，结合齿轮油散热系统工作原理，本文设计了一种新型散热器，结构轻盈、小巧，同时，换热流体阻力小，在震动很大或者有一定外力作用下，仍然能正常工作，十分适合恶劣的工程环境，散热器寿命长。

关键词：风电；齿轮箱；换热器；设计

我国风能资源丰富，风能可利用总量约为10亿kW，我国陆地面积是9579km2，其中，风力为3～7级所占的面积为1056km2，所占比例为11%左右。风力机是风能转变成电能的设备，而风力机的使用寿命受多因素的限制，其中关键的一个就是齿轮箱的安全稳定运行，齿轮箱的散热效果直接影响风力机的使用寿命。我国的风电散热器工业是在解放后建立和发展起来的，由于技术和工艺的革新，我国的散热器行业发展非常迅速，已基本形成了散热器生产-维护等体系，并且散热器效率及质量逐年提升，结构日趋先进完善，制造技术也日臻成熟。然而，风力机齿轮箱的换热器的设计不同于一般的换热器，其抗震要求高、温度变化幅度大，解决上述问题已是风电企业面临的一个重要课题。为了保证发电机组正常工作时散热器有足够的换热量并降低散热器流体的流动阻力，本文针对管芯式散热器，在保证换热量的前提下，设计出具有较低的流动阻力与较低的材料、工艺成本的散热器，以求在发电机组上进行实际应用，从而为这种具有独特优势的散热器的广泛应用提供实例与推广依据及技术储备。

1散热器原材料及流动型式的选择

1.1原材料的选择

换热器材料的使用，直接决定着换热器性能及质量的优劣，本换热器设计所选用的材料主要考虑以下几点：具有较大的导热系数、疲劳强度、抗腐蚀性强、较好的焊接性能，材料获取方便。鉴于风力发电机运行的要求，并提高换热性能和耐腐蚀性能，本文设计的齿轮箱散热器中的散热管采用T2紫铜，翅片也采用T2紫铜，散热器的油室、进出管口等的材料采用A3。（1）散热管及散热带。管芯式散热器多用于工程用移动式发电机组，工作环境相对恶劣，考虑到其工作的强度要求，散热管采用综合性能较好的T2紫铜制成，T2紫铜中含有微量的砷和锡元素，可提高铜的耐腐蚀性，保证传热效果。同时，考虑到管芯式散热器的管壁较厚（0.75mm），紫铜制散热管在冷态压制时也相对不易产生脆裂，散热带（厚度≤0.2mm）形状复杂，采用与散热管相同的材料T2紫铜制成。（2）上下油室及端板、结合先进的汽车水室，本设计采用一种新型的铜钎焊油室，其具有如下特点：第一，采用2mm的铜合金材料，在有效提高散热器性能时，也降低了制造成本，提高其强度。第二，采用先进的低熔点铜合金进行钎焊，该方式可提高传热效率、焊接强度和耐腐蚀性能并且减少泄露。钎焊料的主要成分分别是Cu75%、Ni5%、Zn15%和P5%，熔点约为620～635℃。（3）表面涂层处理。高质量的表面涂层可以进一步提高抗腐蚀能力，将电泳漆用水稀释到10%～15%的电泳溶液，将所要处理的油室芯浸入电泳溶液内，油室作为电极，通入直流电，促使电泳液中的树脂和颜料定向的向电极表面流动，并附着在油室表面，形成防腐蚀涂层，涂层的厚度一般在8mm左右，这种涂层对换热器效率基本不会产生影响。（4）端板材料。端板与油室之间有一层密封板，目的是防止油室漏油，但是，保持长期不漏油是很难的，所以，为了以防万一油室漏油，端板使用的材料也尽量要能耐一定腐蚀，同时，为了要更好地固定散热器水管，端板的强度、硬度也要达到良好，设计中端板采用材料A3钢材。（5）边框和散热管。由于散热器体积和质量比较大，为便远程运输，在边框上面安装起吊孔，所以边框的材料一定要有较高的硬度，采用A3材料，并且压制成槽状。管料（与油接触侧）采用T2紫铜，并在其中添加少量的磷、锡，可提高散热器的耐腐蚀性能，同时，由于密度低、导热率高，在降低了管料的质量的同时，还可以提高单位面积的换热量，管料是用铜带经高频或激光焊接而成。带料（与空气接触侧）使用导热系数高、强度性能高的铜合金，这样不仅减轻了重量，而且在钎焊过程中仍能保持细小的晶粒度，具有较好的抗疲劳性能。

1.2型式布局

常规散热器芯部结构分为两种：管片式和管带式，管子呈扁平型，可增加散热面积，减少空气阻力。管片式散热器具有刚度好、耐高压的优点，并且应用广泛，但是制造工艺复杂，损坏的油管只能焊死，若堵死了的管子超过20%，需要更换成新的散热器，这种散热器寿命短；管带式散热器结构刚度和耐压度比管片式的差一些，但是，它制造方便，散热效果良好，只是空气阻力较大，一般在小型风力机齿轮箱相对较多。风力机齿轮箱采用一种新型的管芯式结构，主要结构在于散热器油管与油室主片间的连接方式，散热器管均单独与油室相连，其防震和密封性能很好，并且单根冷却油管在散热器主片间制成一个散热器芯，散热器芯通过转动卡扣在散热器上，将冷却油管及其附属散热带作为独立的散热单元，冷却油管间互不相连，且油管是用无缝铜管制成的，铜管的两端用弹性件密封，并且为尽可能获得较好的散热效果，降低循环泵功率消耗，散热器的型式为直流式，三排管子，并且采用的是错流排列，错流排列可以使迎风面增加，最大限度地利用了空间，这样可以使传热量最大化，尽量满足工程要求。

2设备运输、安装及维护

2.1散热器运输

为了防止散热器运输过程中伤害人体，通常把边框的上下部分切去一些，长途搬运的时候要利用螺栓孔，把散热器吊起，运到车上，即可进行搬运。与此同时，为了防止散热器有可能产生的损坏，比如，翅片倒伏、管芯变形、表面结垢等，建议将散热器在低温封闭的环境中，能有效防止损坏。

2.2散热器的安装

散热器需安装在齿轮箱周边，才能把机组的热量传给油，再由油传给空气，从而进行冷却循环，为了安装方便，需要先分别把油室与密封垫、端板连接好，再与边框联成整体，然后，安装散热管、填充填料、安装挡风板、拉杆。

2.3散热器运行及维护

对散热器要定期检查维修，并且不要总是超负荷运行，这样对散热器的寿命会产生不利影响。需做到以下几点：（1）机电设备的使用前，必须进行漏电、转动部件的检查，确保无问题方可使用。（2）压力操作台上在使用前，需检查是否有重物、操作工具在其上，防止发生压力操作台的发生操作事故。（3）换热器立管安装时，需要将管子内清理干净，禁止抛掷其他杂物。（4）散热器进行安装，拧紧时，须将散热器放稳，方可进行起吊和运输。（5）进行压力测试时，加压后不得用力冲撞磕碰。（6）卸载散热器时，在使用龙门架或外用电梯运输时，严禁超载或放偏。

3结语

综上所述，设计的风力机齿轮箱散热器，在保证机组正常运行的条件下，能以比较小的代价来实现发电机组的顺利散热，并且比较轻盈、小巧，同时，换热流体阻力也比较小，并且在震动很大或者有一定外力作用下，仍然能正常工作，十分适合恶劣的工程环境，并且该散热器的寿命很长，管子不用经常更换即可正常工作。

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作者：朱勇 单位：云南龙源风力发电有限公司