談風力發(fā)電機組散熱器優(yōu)化設計
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摘要：風力發(fā)電機齒輪箱優(yōu)良的散熱性能，可確保風力發(fā)電機的正常運行。傳統(tǒng)的管片式及管帶式散熱器容易損壞，抗震能力不強，壽命較低，為了提高其性能和使用壽命，結(jié)合齒輪油散熱系統(tǒng)工作原理，本文設計了一種新型散熱器，結(jié)構(gòu)輕盈、小巧，同時，換熱流體阻力小，在震動很大或者有一定外力作用下，仍然能正常工作，十分適合惡劣的工程環(huán)境，散熱器壽命長。
關(guān)鍵詞：風電；齒輪箱；換熱器；設計
我國風能資源豐富，風能可利用總量約為10億kW，我國陸地面積是9579km2，其中，風力為3～7級所占的面積為1056km2，所占比例為11%左右。風力機是風能轉(zhuǎn)變成電能的設備，而風力機的使用壽命受多因素的限制，其中關(guān)鍵的一個就是齒輪箱的安全穩(wěn)定運行，齒輪箱的散熱效果直接影響風力機的使用壽命。我國的風電散熱器工業(yè)是在解放后建立和發(fā)展起來的，由于技術(shù)和工藝的革新，我國的散熱器行業(yè)發(fā)展非常迅速，已基本形成了散熱器生產(chǎn)-維護等體系，并且散熱器效率及質(zhì)量逐年提升，結(jié)構(gòu)日趨先進完善，制造技術(shù)也日臻成熟。然而，風力機齒輪箱的換熱器的設計不同于一般的換熱器，其抗震要求高、溫度變化幅度大，解決上述問題已是風電企業(yè)面臨的一個重要課題。為了保證發(fā)電機組正常工作時散熱器有足夠的換熱量并降低散熱器流體的流動阻力，本文針對管芯式散熱器，在保證換熱量的前提下，設計出具有較低的流動阻力與較低的材料、工藝成本的散熱器，以求在發(fā)電機組上進行實際應用，從而為這種具有獨特優(yōu)勢的散熱器的廣泛應用提供實例與推廣依據(jù)及技術(shù)儲備。
1散熱器原材料及流動型式的選擇
1.1原材料的選擇
換熱器材料的使用，直接決定著換熱器性能及質(zhì)量的優(yōu)劣，本換熱器設計所選用的材料主要考慮以下幾點：具有較大的導熱系數(shù)、疲勞強度、抗腐蝕性強、較好的焊接性能，材料獲取方便。鑒于風力發(fā)電機運行的要求，并提高換熱性能和耐腐蝕性能，本文設計的齒輪箱散熱器中的散熱管采用T2紫銅，翅片也采用T2紫銅，散熱器的油室、進出管口等的材料采用A3。（1）散熱管及散熱帶。管芯式散熱器多用于工程用移動式發(fā)電機組，工作環(huán)境相對惡劣，考慮到其工作的強度要求，散熱管采用綜合性能較好的T2紫銅制成，T2紫銅中含有微量的砷和錫元素，可提高銅的耐腐蝕性，保證傳熱效果。同時，考慮到管芯式散熱器的管壁較厚（0.75mm），紫銅制散熱管在冷態(tài)壓制時也相對不易產(chǎn)生脆裂，散熱帶（厚度≤0.2mm）形狀復雜，采用與散熱管相同的材料T2紫銅制成。（2）上下油室及端板、結(jié)合先進的汽車水室，本設計采用一種新型的銅釬焊油室，其具有如下特點：第一，采用2mm的銅合金材料，在有效提高散熱器性能時，也降低了制造成本，提高其強度。第二，采用先進的低熔點銅合金進行釬焊，該方式可提高傳熱效率、焊接強度和耐腐蝕性能并且減少泄露。釬焊料的主要成分分別是Cu75%、Ni5%、Zn15%和P5%，熔點約為620～635℃。（3）表面涂層處理。高質(zhì)量的表面涂層可以進一步提高抗腐蝕能力，將電泳漆用水稀釋到10%～15%的電泳溶液，將所要處理的油室芯浸入電泳溶液內(nèi)，油室作為電極，通入直流電，促使電泳液中的樹脂和顏料定向的向電極表面流動，并附著在油室表面，形成防腐蝕涂層，涂層的厚度一般在8mm左右，這種涂層對換熱器效率基本不會產(chǎn)生影響。（4）端板材料。端板與油室之間有一層密封板，目的是防止油室漏油，但是，保持長期不漏油是很難的，所以，為了以防萬一油室漏油，端板使用的材料也盡量要能耐一定腐蝕，同時，為了要更好地固定散熱器水管，端板的強度、硬度也要達到良好，設計中端板采用材料A3鋼材。（5）邊框和散熱管。由于散熱器體積和質(zhì)量比較大，為便遠程運輸，在邊框上面安裝起吊孔，所以邊框的材料一定要有較高的硬度，采用A3材料，并且壓制成槽狀。管料（與油接觸側(cè)）采用T2紫銅，并在其中添加少量的磷、錫，可提高散熱器的耐腐蝕性能，同時，由于密度低、導熱率高，在降低了管料的質(zhì)量的同時，還可以提高單位面積的換熱量，管料是用銅帶經(jīng)高頻或激光焊接而成。帶料（與空氣接觸側(cè)）使用導熱系數(shù)高、強度性能高的銅合金，這樣不僅減輕了重量，而且在釬焊過程中仍能保持細小的晶粒度，具有較好的抗疲勞性能。
1.2型式布局
常規(guī)散熱器芯部結(jié)構(gòu)分為兩種：管片式和管帶式，管子呈扁平型，可增加散熱面積，減少空氣阻力。管片式散熱器具有剛度好、耐高壓的優(yōu)點，并且應用廣泛，但是制造工藝復雜，損壞的油管只能焊死，若堵死了的管子超過20%，需要更換成新的散熱器，這種散熱器壽命短；管帶式散熱器結(jié)構(gòu)剛度和耐壓度比管片式的差一些，但是，它制造方便，散熱效果良好，只是空氣阻力較大，一般在小型風力機齒輪箱相對較多。風力機齒輪箱采用一種新型的管芯式結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)在于散熱器油管與油室主片間的連接方式，散熱器管均單獨與油室相連，其防震和密封性能很好，并且單根冷卻油管在散熱器主片間制成一個散熱器芯，散熱器芯通過轉(zhuǎn)動卡扣在散熱器上，將冷卻油管及其附屬散熱帶作為獨立的散熱單元，冷卻油管間互不相連，且油管是用無縫銅管制成的，銅管的兩端用彈性件密封，并且為盡可能獲得較好的散熱效果，降低循環(huán)泵功率消耗，散熱器的型式為直流式，三排管子，并且采用的是錯流排列，錯流排列可以使迎風面增加，最大限度地利用了空間，這樣可以使傳熱量最大化，盡量滿足工程要求。
2設備運輸、安裝及維護
2.1散熱器運輸
為了防止散熱器運輸過程中傷害人體，通常把邊框的上下部分切去一些，長途搬運的時候要利用螺栓孔，把散熱器吊起，運到車上，即可進行搬運。與此同時，為了防止散熱器有可能產(chǎn)生的損壞，比如，翅片倒伏、管芯變形、表面結(jié)垢等，建議將散熱器在低溫封閉的環(huán)境中，能有效防止損壞。
2.2散熱器的安裝
散熱器需安裝在齒輪箱周邊，才能把機組的熱量傳給油，再由油傳給空氣，從而進行冷卻循環(huán)，為了安裝方便，需要先分別把油室與密封墊、端板連接好，再與邊框聯(lián)成整體，然后，安裝散熱管、填充填料、安裝擋風板、拉桿。
2.3散熱器運行及維護
對散熱器要定期檢查維修，并且不要總是超負荷運行，這樣對散熱器的壽命會產(chǎn)生不利影響。需做到以下幾點：（1）機電設備的使用前，必須進行漏電、轉(zhuǎn)動部件的檢查，確保無問題方可使用。（2）壓力操作臺上在使用前，需檢查是否有重物、操作工具在其上，防止發(fā)生壓力操作臺的發(fā)生操作事故。（3）換熱器立管安裝時，需要將管子內(nèi)清理干凈，禁止拋擲其他雜物。（4）散熱器進行安裝，擰緊時，須將散熱器放穩(wěn)，方可進行起吊和運輸。（5）進行壓力測試時，加壓后不得用力沖撞磕碰。（6）卸載散熱器時，在使用龍門架或外用電梯運輸時，嚴禁超載或放偏。
3結(jié)語
綜上所述，設計的風力機齒輪箱散熱器，在保證機組正常運行的條件下，能以比較小的代價來實現(xiàn)發(fā)電機組的順利散熱，并且比較輕盈、小巧，同時，換熱流體阻力也比較小，并且在震動很大或者有一定外力作用下，仍然能正常工作，十分適合惡劣的工程環(huán)境，并且該散熱器的壽命很長，管子不用經(jīng)常更換即可正常工作。
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作者：朱勇 單位：云南龍源風力發(fā)電有限公司