CN107044390A - 风力发电机组及其冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电机组及其冷却控制方法，所述风力发电机组可包括轴系，所述轴系可包括动轴、定轴以及设置在所述动轴和定轴之间的轴承，所述动轴可具有凹入部。所述风力发电机组可还包括轴系冷却装置，所述轴系冷却装置可包括一个以上的喷射头以及与所述喷射头连接的压缩空气供应装置。所述喷射头可固定在所述轴系的静止部件上，并且所述喷射头设置在所述凹入部附近，用于在风力发电机组运行时向所述凹入部喷射压缩空气，从而在风力发电机组运行过程中对不易冷却的部位进行有效冷却，并且可以通过冷却动轴而间接地冷却轴承。

Description

风力发电机组及其冷却控制方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组及其冷却控制方法。

背景技术

风力发电机组通过叶片的旋转来驱动发电机转子旋转并由此将机械能转化成电能，叶片的旋转通过风力发电机组的轴系中的动轴传递到发电机的转子，轴系中的定轴固定到风力发电机组的底座并连接到定子，以使发电机定子保持不动，定轴与动轴之间由轴承支撑。风力发电机组在运行过程中，随着动轴的持续旋转，支撑动轴和定轴的轴承会产生大量热量，使轴系温度不断升高。而一些位于高温高海拔地区的风力发电机组尤其会出现轴系温度过高问题，特别是轴系中的轴承部分。如果轴系长时间处于高温状态，轴系中的油脂会加速老化或失效，失效的轴系油脂会对风力发电机组运行产生不可预测的影响，例如，油脂失效会反过来加剧轴系中热的产生，从而引发恶性循环。因此，需要对轴系(特别是轴承)进行持续而高效的冷却，以防止轴系温度过高。

现有的轴系(或动轴、轴承)冷却方案是在塔筒底部使用离心风机向上部送风或者抽风，在气流通过动轴内圈时带走由轴系产生的热量，从而冷却轴系。然而，在使用离心风机进行冷却时，由于离心风机吹送的气流难以到达形成于动轴的内凹结构(或空气流动死区)，使得在这些结构处空气难以流动导致高温气体聚集，因此现有技术中的冷却方案无法有效降低轴承的温度。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种风力发电机组。所述风力发电机组可包括轴系，所述轴系可包括动轴、定轴以及设置在所述动轴和定轴之间的轴承，所述动轴可具有凹入部。所述风力发电机组可还包括轴系冷却装置，所述轴系冷却装置可包括一个以上的喷射头以及与所述喷射头连接的压缩空气供应装置。所述喷射头可固定在所述轴系的静止部件上，并且所述喷射头可设置在所述凹入部附近，用于在风力发电机组运行时向所述凹入部喷射压缩空气。

根据本发明的实施例，所述风力发电机组可还包括刹车盘横梁，所述喷射头可固定于所述刹车盘横梁上或固定于所述定轴上。

根据本发明的实施例，所述喷射头可被设置为使得从所述喷射头喷射出的压缩空气的运动方向与所述动轴内壁的运动方向在周向方向上相反。

根据本发明的实施例，所述喷射头可固定于所述刹车盘横梁的端部，并与所述刹车盘横梁形成的角度可为锐角。

根据本发明的实施例，所述压缩空气供应装置可设置于风力发电机组的底座或塔筒顶平台上。

根据本发明的实施例，所述压缩空气供应装置与所述喷射头可通过空气导管连接，所述压缩空气供应装置可包括空气压缩机以及储气罐，所述空气导管可从所述空气压缩机引出，与所述储气罐连接后可继续沿着风力发电机组的塔筒内壁向上布置，并最终与所述喷射头连接。

根据本发明的实施例，所述压缩空气供应装置可为两个以上，所述轴系冷却装置可还包括控制器，所述控制器控制所述两个以上的压缩空气供应装置交替地向所述喷射头供应压缩空气。

根据本发明的实施例，所述两个以上的压缩空气供应装置的每个均具有空气压缩机和储气罐，所述控制器基于对应储气罐的储气量，控制对应的空气压缩机选择性运行或停止。

根据本发明，提供一种用于风力发电机组的冷却控制方法。所述风力发电机组可包括轴系、轴系冷却装置以及用于控制所述轴系冷却装置的控制器。所述轴系可包括动轴、定轴以及设置在所述动轴和所述定轴之间的轴承。所述动轴可具有凹入部。所述轴系冷却装置可包括一个以上的喷射头以及与所述喷射头连接的压缩空气供应装置。所述喷射头可固定在所述轴系的静止部件上，所述冷却控制方法可包括：通过所述控制器判断风力发电机组运行时的轴承温度是否大于预定温度阈值；如果所述温度大于所述预定温度阈值，则可启动所述轴系冷却装置，通过所述喷射头朝着所述凹入部喷射压缩空气。

根据本发明的实施例，所述压缩空气供应装置可为两个以上，并且每个所述压缩空气供应装置可均具有空气压缩机和储气罐。所述冷却控制方法可还包括：如果所述温度大于所述预定温度阈值，则可控制所述两个以上的压缩空气供应装置交替地为所述喷射头供应压缩空气。

根据本发明的实施例，所述冷却控制方法可还包括：基于所述空气压缩机的工作时间和/或所述储气罐的储气量，控制所述两个以上的压缩空气供应装置交替地向所述喷射头供应压缩空气。根据本发明的实施例，所述冷却控制方法可还包括：基于风力发电机组运行时的轴承温度和/或所述动轴的转速而自动调整所述喷射头的喷气方向和/或喷气量。

根据本发明的实施例，将所述喷射头设置为使得从所述喷射头喷射出的压缩空气的运动方向与所述动轴内壁的运动方向在周向方向上相反。

根据本发明的实施例，将所述喷射头设置在所述凹入部附近。

根据本发明的实施例，所述风力发电机组还包括刹车盘横梁，将所述喷射头固定于所述刹车盘横梁上或固定于所述定轴上。

本发明通过利用压缩空气对风力发电机的动轴进行冷却，并使用喷射压缩空气的喷射头直接朝向形成于风力发电机组的动轴的凹入部，可使该凹入部得到充分冷却，进而有效地冷却轴承部分。

另外，本发明在用于喷射压缩空气的喷射头在保持静止的情况下，利用压缩空气通过对流传热对旋转的动轴进行冷却，冷却后的动轴进而冷却设置在动轴和定轴之间的轴承，在动轴旋转的作用下，可使压缩空气充分且均匀地喷射到动轴上，进而使整个轴承得到充分且均匀的冷却。

另外，本发明通过将喷射压缩空气的喷射头设置在风力发电机组的静止部件上并使喷射头设置在动轴的凹入部附近，使轴系冷却装置安装便利、节省空间，同时可以在轴系冷却装置保持不动的情况下对旋转的动轴进行充分且针对性强的冷却，进而可以有效地降低轴承的温度。

此外，本发明通过使用两台或更多台的压缩空气供应装置(可包括压缩机和储气罐)进行轮换地冷却动轴，可以使制备压缩空气的空气压缩机不会持续工作时间过长，从而大大增加压缩机的寿命，进而减小维修或更换次数，同时使用储气罐来储存足量的压缩空气，可确保均匀且充足的压缩空气可用于冷却轴系。

附图说明

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

图1是示出风力发电机组的示例性轴系的示意图；

图2是示出根据本发明的实施例的包含轴系冷却装置的风力发电机组的示意图；

图3是示出根据本发明的实施例的轴系冷却装置中的喷射头安装位置的示意性剖视图；

图4是示出轴系冷却装置中的喷射头安装位置的示意性正视图；

图5是示出根据本发明的实施例的示例性喷射头的示意图；

图6是示出用于控制轴系冷却装置操作的示意性流程图；

图7是示出使用根据本发明的实施例的轴系冷却装置对轴系冷却前和冷却后的模拟仿真温度云图。

附图标号说明：

1、轮毂；2、叶片；3、发电机；4、机舱；5、塔筒；6、塔筒顶平台；7、底座；10、动轴；11、动轴内壁；12、定轴；13、油脂；20、轴承；21、轴承外圈；22、轴承内圈；30、刹车盘；31、刹车盘横梁；100、轴系冷却装置；101、压缩空气供应装置；101a、第一压缩空气供应装置；101b、第二压缩空气供应装置；111、空气总导管；111a：第一空气导管；111b、第二空气导管；111c、主空气导管；121、喷射头；121a、第一喷射头；121b、第二喷射头。

具体实施方式

在下文中参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于这里所提出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域人员。在附图中，相同的标号始终表示相同的元件。

如图1和图2所示，风力发电机组包括轮毂1、叶片2、发电机3、机舱4、塔筒5。

具体地，塔筒5固定在地面或其它基座上，用于支撑诸如机舱底座7、发电机3等部件。机舱4的底座7连接到塔筒5的顶端，机舱4可包括偏航驱动、机舱控制柜、机舱罩等部件(未示出)，用于对风力发电机组进行控制和保护。

发电机3与底座7连接，叶片2连接到轮毂1，轮毂1连接到发电机3，叶片2在风力驱动下转动，进而带动轮毂1转动，轮毂1将动能传递给发电机3，通过发电机3将动能转化为电能，最终实现发电。

风力发电机组还包括轴系。如图1所示，轴系主要包括动轴10、定轴12以及用于支撑动轴10和定轴12的轴承20。叶片2连接轮毂1，轮毂1连接动轴10，动轴10进而连接到发电机3的转子(未示出)，以实现从叶片2到发电机3的转子的机械传动。定轴12连接到发电机3的定子(未示出)并连接到风力发电机组的底座7，以固定发电机3的定子保持不动。轴承20的轴承外圈21附连到定轴12，轴承内圈22附连到动轴10，以支撑动轴10与定轴12，并实现旋转部件动轴10与固定部件定轴12之间的配合。

根据本发明的示例性实施例，示出了轴系布置为动轴10位于内侧，定轴12位于外侧。在风力发电机组整机设计阶段，为了满足设计需求，例如：载荷、强度等，动轴可被设计成具有凹入部的结构，如图1中箭头所指位置。利用现有技术中的离心式送风冷却方案时，例如在塔筒底部使用离心风机向上部送风或者抽风，在气流通过动轴内圈时带走由轴系产生的热量，从而冷却轴系。在此过程中，气流难以进入形成于动轴10内壁的凹入部，因此导致该凹入部中聚集高温空气而难以与流动的冷空气进行交换，从而使凹入部处的动轴10以及轴承20的温度不断升高，使动轴10和轴承20不能被有效地冷却降温。此外，使用传统的离心式送风冷却方案，需要离心风机持续工作，以供应连续的气流，离心风机的持续运转会大大减小离心风机的寿命，由此增加由更换维修带来的不便。

另外，由于随动轴10旋转的轴承内圈22与保持不动的轴承外圈21之间的相对运动摩擦，使得轴承20在风力发电机组运行过程中产生大量的热，成为轴系中产热较显著的部位，同时由于轴承20位于动轴10与定轴12之间，无法对轴承20采用直接降温，因此，需要考虑对轴承20进行间接降温。

本发明提供了一种用于风力发电机组的轴系冷却装置100，该轴系冷却装置100可包括一个以上的喷射头121(121a、121b)以及与所述喷射头121连接的压缩空气供应装置101(101a、101b)，以利用由所述压缩空气供应装置101提供的压缩空气通过喷射头121喷射到形成于动轴10的凹入部，以在风力发电机组运行时对动轴10的凹入部进行冷却，进而冷却整个轴承20。

由于轴承20设置在动轴10和定轴20之间，可以通过先对动轴10或定轴12进行冷却，进而冷却轴承20。考虑到期望轴承20被均匀冷却，在本发明的实施例中，将用于喷射压缩空气的喷射头121设置在轴系的静止部件上，并使喷射头121朝向动轴10的凹入部，以使用从喷射头121喷射出的压缩空气冷却动轴10的凹入部。通过首先对动轴10进行对流冷却，而由于在风机发电机组运行过程中，在喷射头121保持静止的情况下对旋转的动轴10进行冷却，可以使冷却装置稳定布置。另外由于动轴10的旋转作用，而使从静止的喷射头121喷射出的压缩空气可以均匀地喷射到动轴10上，从而使轴承20可以被均匀的冷却。而如果利用喷射的压缩空气对定轴12进行冷却，即定点冷却，会使定轴12被冷却部分以及该部分接触的轴承部分温度明显低于其他部分，使冷却效果不均匀，另外定轴12也会因为局部被冷却而热胀冷缩，从而发生变形，挤压轴承，造成轴承载荷增大，使其寿命降低，因此，对定轴12进行冷却从而间接地冷却轴承20的方式是不理想的。

如图2至图4所述，本发明提供的轴系冷却装置100可包括：压缩空气供应装置101、与压缩空气供应装置101连接的空气总导管111以及连接在空气导管111的出口处的喷射头121。压缩空气供应装置101用于供应压缩空气，压缩空气通过空气导管111输送到喷射头121，喷射头121将压缩空气喷射到需要冷却的部件位置，尤其是，动轴10的凹入部。

为了将压缩空气喷射到动轴10的凹入部中，喷射头121可被设置在所述凹入部附近，并使喷射头121的出口朝向所述凹入部。

根据本发明的示例性实施例，压缩空气供应装置101可以设置为两个以上，以交替地向喷射头121供应压缩空气。

在本发明的实施例中，压缩空气供应装置101可包括压缩机以及储气罐。利用压缩机制备压缩空气，并将由压缩机制备得到的压缩空气储存在储气罐中，以便喷射开始后，压缩空气可以从储气罐中稳定而足量的喷射出来。虽然示出为具有两台压缩空气供应装置101a和101b，但是，也可以使用单独一台或两台以上，当使用单台或多台压缩空气供应装置101时，对应地可使用单个或多个压缩机、储气罐、空气导管以及喷射头。显然，喷射头121可以设置为一个或多个。压缩空气供应装置101可以单独向一个喷射头121供应压缩空气，也可以同时向多个喷射头121供应压缩空气。

在下面的描述中，以设置两个压缩空气供应装置101a和101b以及两个喷射头121a和121b为例，来描述根据本发明的轴系冷却装置100。

在图2所示的示例中，压缩空气供应装置101可包括第一压缩空气供应装置101a以及第二压缩空气供应装置101b。喷射头121可包括第一喷射头121a和第二喷射头121b。第一压缩空气供应装置101a可包括用于制备压缩空气的第一压缩机和用于储存由第一压缩机制备的压缩空气的第一储气罐。第二压缩空气供应装置101b可包括用于制备压缩空气的第二压缩机和用于储存由第二压缩机制备的压缩空气的第二储气罐。第一喷射头121a可通过第一空气导管111a与第一储气罐连通，用于喷射来自第一储气罐的压缩空气。第二喷射头121b可通过第二空气导管111b与第二储气罐连通，用于喷射来自第二储气罐的压缩空气。

在本发明的实施例中，当储气罐中的储气量(可通过储气罐的压力测量而得到)达到第一预定值时时，压缩机可自动停止，并当储气罐中的储气量(压缩空气压力)降低到第二预定值时，压缩机可自动启动，可以使用压力传感器来监测储气罐中的压力，以保持储气罐中储存有足够的压缩空气，并且由于压缩机在储气罐内的压缩空气达到预定压力时而自动停止运转，因此可以大大减小单个压缩机的连续工作时间，从而有效地增加压缩机的使用寿命。

此外，当采用两个或两个以上的压缩空气供应装置101(例如，101a、101b)时，可以使两台压缩机交替工作，从而一方面保证压缩空气的及时供应，避免压缩机出现故障时导致冷却装置停止运转，另一方面还能减小单个压缩机的连续工作时间，增加单个压缩机的使用寿命。

根据本发明的示例性实施例，如图2至图4所示，第一喷射头121a以及第一空气导管111a的连接第一喷射头121a的一端固定在风力发电机组的静止部件上，第二喷射头121b以及第二空气导管111b的连接第二喷射头121b的一端也固定在风力发电机组的静止部件上。由于动轴10或轴承20的旋转部分是风力发电机组中的旋转部件，如果将用于动轴10或轴承20的冷却装置附连到动轴10或轴承20的旋转部分上，以利用传导传热对动轴10或轴承20进行冷却，那么冷却装置将与动轴10或轴承20一起旋转，从而使冷却装置的布置以及冷却介质输送管道的布置成为难题。

根据本发明的示例性实施例，将用于喷射压缩空气的喷射头121布置在风力发电机组的静止部件上，可以使冷却装置在风力发电机组的运行过程中保持位置固定，从而解决动定结合的问题。优选地，风力发电机组的静止部件可以是靠近动轴内壁11的刹车盘30、刹车盘30的横梁31(如图1或图3中所示)，将喷射头121固定在刹车盘30的横梁31上，可以给发电机人孔留出足够的空间，便于运维。可选地，还可以将喷射头121固定在风力发电机组的定轴12上，并使喷射头121朝向动轴内壁11。当然，还可以考虑可使喷射头121保持固定并朝向动轴10或动轴内壁11的其他任何构造。

根据本发明的示例性实施例，第一喷射头121a和第二喷射头121b指向风力发电机组中的动轴10的凹入部中，并且第一喷射头121a和第二喷射头121b可位于该凹入部形成的内凹空间内(如图1中由箭头所指示的部分)，使得从第一喷射头121a和第二喷射头121b喷射出的压缩空气喷射到该凹入部，从而在风力发电机组运行过程中利用喷射的压缩空气对旋转的动轴10以及轴承20进行冷却。具体地，使压缩空气喷射到轴系中的动轴10，以通过对流传热对动轴10进行冷却，进而冷却轴承20和整个轴系。根据本发明的示例性实施例，使喷射头121直接指向动轴10上的凹入部，可以使压缩空气针对性强地喷射到动轴10上的凹入部或其它空气难以自由流动的死区，如图3所示。或者，可以使喷射头121直接指向动轴上温度最高的点处，该点可以通过设置温度传感器来监测并确定得到，以高效且针对性强地冷却动轴10以及轴承20。

如图2至图4所示，第一空气导管111a和第二空气导管111b分别从第一储气罐和第二储气罐引出，并沿着风力发电机组的塔筒5内壁、底座7内壁布置，最终到达并固定在靠近动轴内壁11的刹车盘30的横梁31上(如图3所示，图3中仅示出了刹车盘30的横梁31部分，刹车盘30的横梁31为风力发电机组中的静部件，在风力发电机组运行过程中保持不动)。

虽然描述了两个储气罐分别通过第一空气导管111a和第二空气导管111b连接各自的喷射头，但也可以仅使用一根空气导管111c(如图2所示)，并使单根空气导管111c与第一储气罐和第二储气罐连接的第一端分支成两个端口，并在到达刹车盘30的横梁31附近的第二端分支成两个端口，以分别连接第一喷射头121a和第二喷射头121b。显然，空气导管111c的第二端也可以不具有分支，从而仅连接一个喷射头121a或121b。

输送压缩空气的空气总导管111(111a、111b、111c)可以使用小直径、大长度的管道，归因于管道中流动的空气具有高压低速，并且在管道中的阻力较小，而直径小的管道易于安装固定，通过卡箍或扎带即可实现固定，长度大的管道有助于使压缩机和储气罐的安装位置多样化。将空气导管111沿着塔筒内壁、底座内壁布置，由此可以不影响塔筒内部、机舱内部中其它部件的布置，可以充分利用空间。

压缩空气供应装置101可设置于风力发电机组的远离动轴10和定轴12的底座7或塔筒顶平台6处，以最大限度的利用空间，远离轴系以避免电源排布的相互干扰。

如图4所示，第一空气导管111a的固定在刹车盘30的横梁31上的一端连接到第一喷射头121a，第一喷射头121a位于横梁31的一端处，第二空气导管111b的固定在刹车盘30的横梁31上的一端连接到第二喷射头121b，第二喷射头121b位于横梁31的另一端。

根据牛顿冷却定律，如下等式(1)所示：

其中，为微分对流传热通量，h为对流传热系数，A为换热面积，T(t)为物体温度，T_env为环境温度，ΔT(t)为物体温度与环境温度之间的温度差。由此可以得出，可通过提高对流传热系数h来增加对流传热通量，从而改善传热，而对流传热系数h可以通过下面的等式(2)-(5)来求解：

其中，Nu_L为努塞尔数、L为特征长度、k为流体的导热系数，Pr为普朗特数Re_L为雷诺数、ρ为流体密度、v为自由流的流速、μ为流体的动力粘度。通过上面的等式(2)-(4)可以得出下面的等式(5)：

由等式(5)可以得出，对于给定流体以及散热对象，k、L、Pr、ρ、μ是确定的，可以得出对流传热系数h与流体的流速v成正比，因此可以通过改变气体在固体表面的流速来提高换热效率。

根据本发明的示例性实施例，为了最大化冷却效果，使第一喷射头121a与横梁31成一定角度a，使得从第一喷射头121a喷出的压缩空气与动轴内壁11的运动方向在周向方向上基本相反，由此增加相对速度。同样地，使第二喷射头121b与横梁31成一定角度a，使得从第二喷射头121b喷出的压缩空气与动轴内壁11的运动方向在周向方向上基本相反，由此增加相对速度。通过提高流体相对于待冷却部件的速度，能够显著提高对流换热效率。

如图4所示，箭头表示动轴10(动轴内壁11)的旋转方向，当将喷射头121a、121b按照图4中的方式设置时，从喷射头121、121b喷射出的压缩空气的喷射方向与动轴内壁11的旋转方向大致相反，此时压缩空气相对于动轴内壁11的流速即为动轴内壁11的旋转速度与压缩空气射流的速度的周向分量之和。当如图所示喷射头121a、121b与横梁31之间的夹角a为锐角时，可使得从喷射头121a、121b喷出的压缩空气与动轴内壁11的运动方向基本上相反，并随着该角度a的减小，可使压缩空气射流的速度的周向分量增大。考虑到期望使喷射头121a、121b比较靠近动轴内壁11，优选地，该角度a可以在45度至60度之间，从而最大化压缩空气对动轴10的冷却效果。

根据本发明的示例性实施例，第一喷射头121a和第二喷射头121b可以采用如图5中所示的喷射头，并使喷口直径可以为大约5mm，覆盖范围d大约为300mm的宽度，使用这种喷射头，可以使气流均匀地覆盖特定宽度的面积。

另外，根据本发明的示例性实施例，第一空气导管111a和第二空气导管111b的分别连接第一储气罐和第二储气罐的一端可分别安装有第一开关阀和第二开关阀，以通过控制第一开关阀和第二开关阀开启或关闭来供给或切断至第一喷射头121a和第二喷射头121b的压缩空气。

此外，根据本发明的示例性实施例，轴系冷却装置100还可包括控制器，控制器可以由现有技术中的任何适合的控制器来实现。控制器可基于轴承30的温度控制第一压缩空气供应装置101a和第二压缩空气供应装置101b操作，以使第一压缩空气供应装置101a和第二压缩空气供应装置101b被交替地用于冷却动轴10，进而冷却轴承20。这样，不仅能够保证压缩空气的及时供应，并确保喷射的空气压力，还能够防止压缩机的寿命急剧减小。

控制器可通过执行如图6所示的步骤来实现对轴系冷却装置100的操作控制。具体地，

步骤S1：在发电机3启机之前，预先运行第一压缩机和第二压缩机，使第一压缩机和第二压缩机制备压缩空气并使制备的压缩空气分别储存在第一储气罐和第二储气罐中。当第一储气罐和第二储气罐被充满(储气罐内的压力达到预定最大压力)时，第一压缩机和第二压缩机停止，由此可使第一储气罐和第二储气罐储存足够的压缩空气，以为喷射空气从而冷却动轴做准备。

待启动发电机3后，发电机3的运转使动轴10、轴承20不断地产生热量，从而使动轴10、轴承20温度不断升高。

步骤S2：检测轴承20的温度是否高于预定温度阈值(例如，60摄氏度)，可在动轴10或轴承20的特定位置处设置温度传感器，以检测对应位置处的温度。

步骤S3：如果在步骤S2中检测到轴承20的温度高于该预定温度阈值，则控制第一开关阀开启并且使第一压缩机运行，使储存在第一储气罐的压缩空气被供应至第一喷射头121a，以通过对流传热对动轴10进行冷却，进而冷却轴承20。

步骤S4：确定第一喷射头121a的喷射时间是否大于预定时间阈值(例如，30分钟)，检测第一储气罐内的压力是否低于第一预定压力，并检测轴承20的温度是否高于该预定温度阈值。

步骤S5：如果在步骤S4中确定第一喷射头121a的喷射时间大于该预定时间阈值，或者第一储气罐内的压力低于第一预定压力，且轴承20的温度高于该预定温度阈值，则控制第一开关阀关闭并控制第二开关阀开启，同时使第二压缩机运行，使储存在第二储气罐的压缩空气被供应至第二喷射头121b，以对动轴10进行冷却，进而冷却轴承20，同时第一压缩机转而对第一储气罐储存压缩空气，待第一储气罐被充满(第一储气罐内的压力大于第二预定最大压力)时，第一压缩机停止。

步骤S6：确定第二喷射头121b的喷射时间是否大于该预定时间阈值，检测第二储气罐内的压力是否低于所述第一预定压力，并检测轴承20的温度是否高于该预定温度阈值。

如果确定第二喷射头121b的喷射时间大于该预定时间阈值，或者第二储气罐内的压力低于所述第一预定压力，且轴承20的温度高于该预定温度阈值，则控制第二开关阀关闭并返回步骤S3，控制第一开关阀开启，同时使第一压缩机运行，使储存在第一储气罐的压缩空气被供应至第一喷射头121a，以对动轴10进行冷却，进而冷却轴承20，同时第二压缩机转而对第二储气罐储存压缩空气，待第二储气罐被充满(第二储气罐内的压力大于第二预定最大压力)时，第二压缩机停止。本发明通过利用由压缩机制备的压缩空气对风力发电机的动轴进行冷却，进而冷却轴承，并使用于喷射压缩空气的喷射头121直接指向形成于风力发电机组的动轴10的凹入部，可使该凹入部得到充分冷却，进而有效地冷却动轴10和轴承20。

另外，根据本发明的另一实施例，控制器可基于风力发电机组运行时的轴承温度和/或动轴的转速而自动调整喷射头121的喷气方向和/或喷气量。例如，在风力发电机组运行时，当轴承温度比较高时，除了上述的通过交替使用压缩机来充分地对动轴10进行冷却进而冷却轴承20之外，还可以使控制器响应于轴承温度较高，而自动调整喷射头121的喷气量使较多的压缩空气用于冷却，该控制策略可叠加到上述的控制步骤中或单独使用。

另外，如上文所述的通过提高流体相对于待冷却部件的速度，能够显著提高对流换热效率，本发明的另一实施例中，可使控制器基于动轴10的转速，而自动调整喷射头121的喷气方向和/或喷气量，例如，当动轴10的转速较低时，可调整喷射头121的喷气方向使压缩空气在动轴10的周向方向上的速度分量(与动轴内壁11的旋转方向相反)增大和/或使喷射头121的喷气量增大，从而增强冷却效果。

图7示出了采用仿真验证压缩空气冷却轴系的所得到的温度云图，设定空气流速为10m/s，动轴转速为14rpm/s，喷射头121、122与横梁的角度为60度。可以从图7中得出，冷却前，轴系的最高温度(轴承处)为362开尔文(相当于89摄氏度)，冷却后，轴系的最高温度(轴承处)为354开尔文(相当于81摄氏度)，通过压缩空气的喷射，轴系的最高温度冷却后比冷却前降低了8度。

本发明通过利用压缩空气对风力发电机的动轴进行冷却，并使用喷射压缩空气的喷射头直接朝向形成于风力发电机组的动轴的凹入部，可使该凹入部得到充分冷却，进而有效地冷却轴承部分。

另外，本发明在用于喷射压缩空气的喷射头在保持静止的情况下，利用压缩空气通过对流传热对旋转的动轴进行冷却，冷却后的动轴进而冷却设置在动轴和定轴之间的轴承，在动轴旋转的作用下，可使压缩空气充分且均匀地喷射到动轴上，进而使整个轴承得到充分且均匀的冷却。

另外，本发明通过将喷射压缩空气的喷射头设置在风力发电机组的静止部件上并使喷射头设置在动轴的凹入部附近，使轴系冷却装置安装便利、节省空间，同时可以在轴系冷却装置保持不动的情况下对旋转的动轴进行充分且针对性强的冷却，进而可以有效地降低轴承的温度。

此外，本发明通过使用两台或两台以上压缩空气供应装置进行轮换地冷却动轴进而冷却轴承，可以使制备压缩空气的压缩机不会持续工作时间过长，从而大大增加压缩机的寿命，进而减小维修或更换次数，同时使用储气罐来储存足量的压缩空气，可确保均匀且充足的压缩空气可用于冷却轴系。

虽然已经显示和描述了示例性实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1.一种风力发电机组，所述风力发电机组包括轴系，所述轴系包括动轴、定轴以及设置在所述动轴和定轴之间的轴承，所述动轴具有凹入部，其特征在于，所述风力发电机组还包括轴系冷却装置，所述轴系冷却装置包括一个以上的喷射头以及与所述喷射头连接的压缩空气供应装置，所述喷射头固定在所述轴系的静止部件上，并且所述喷射头设置在所述凹入部附近，用于在风力发电机组运行时向所述凹入部喷射压缩空气。

2.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组还包括刹车盘横梁，所述喷射头固定于所述刹车盘横梁上或固定于所述定轴上。

3.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述喷射头被设置为使得从所述喷射头喷射出的压缩空气的运动方向与所述动轴内壁的运动方向在周向方向上相反。

4.如权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于，所述喷射头固定于所述刹车盘横梁的端部，并与所述刹车盘横梁形成的角度为锐角。

5.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述压缩空气供应装置设置于风力发电机组的底座或塔筒顶平台上。

6.如权利要求5所述的风力发电机组，其特征在于，所述压缩空气供应装置与所述喷射头通过空气导管连接，所述压缩空气供应装置包括空气压缩机以及储气罐，所述空气导管从所述空气压缩机引出，与所述储气罐连接后继续沿着风力发电机组的塔筒内壁向上布置，并最终与所述喷射头连接。

7.如权利要求1-6任一项所述的风力发电机组，其特征在于，所述压缩空气供应装置为两个以上，所述轴系冷却装置还包括控制器，所述控制器控制所述两个以上的压缩空气供应装置交替地向所述喷射头供应压缩空气。

8.如权利要求7任一项所述的风力发电机组，其特征在于，所述两个以上的压缩空气供应装置的每个均具有空气压缩机和储气罐，所述控制器基于对应储气罐的储气量，控制对应的空气压缩机选择性运行或停止。

9.一种用于风力发电机组的冷却控制方法，其特征在于，所述风力发电机组包括轴系、轴系冷却装置以及用于控制所述轴系冷却装置的控制器，所述轴系包括动轴、定轴以及设置在所述动轴和所述定轴之间的轴承，所述动轴具有凹入部，所述轴系冷却装置包括一个以上的喷射头以及与所述喷射头连接的压缩空气供应装置，所述喷射头固定在所述轴系的静止部件上，所述冷却控制方法包括：

通过所述控制器判断风力发电机组运行时的轴承温度是否大于预定温度阈值；

如果所述温度大于所述预定温度阈值，则启动所述轴系冷却装置，通过所述喷射头朝着所述凹入部喷射压缩空气。

10.如权利要求9所述的冷却控制方法，其特征在于，所述压缩空气供应装置为两个以上，并且每个所述压缩空气供应装置均具有空气压缩机和储气罐，所述冷却控制方法还包括：如果所述温度大于所述预定温度阈值，则控制所述两个以上的压缩空气供应装置交替地为所述喷射头供应压缩空气。

11.如权利要求10所述的冷却控制方法，其特征在于，所述冷却控制方法还包括：基于所述空气压缩机的工作时间和/或所述储气罐的储气量，控制所述两个以上的压缩空气供应装置交替地向所述喷射头供应压缩空气。

12.如权利要求9-11中任一项所述的冷却控制方法，其特征在于，所述冷却控制方法还包括：

基于风力发电机组运行时的轴承温度和/或所述动轴的转速自动调整所述喷射头的喷气方向和/或喷气量。

13.如权利要求9所述的冷却控制方法，其特征在于，将所述喷射头设置为使得从所述喷射头喷射出的压缩空气的运动方向与所述动轴内壁的运动方向在周向方向上相反。

14.如权利要求9所述的冷却控制方法，其特征在于，将所述喷射头设置在所述凹入部附近。

15.如权利要求14所述的冷却控制方法，其特征在于，所述风力发电机组还包括刹车盘横梁，将所述喷射头固定于所述刹车盘横梁上或固定于所述定轴上。