先进金属加工工艺在风力发电机冷却系统优化设计中的应用

崔 明，刘军伟，李华阳

（上海电气风电集团股份有限公司，浙江 杭州 310028）

风力发电机冷却系统设计的主要目标是达到风力风电机温度控制的需求，保障风力发电机稳定运转并提升其使用寿命。先进金属加工工艺应用于风力发电机冷却系统中设计优化，能进一步提高风力风电机冷却系统使用效能，对于提升冷却系统的可靠性有着重要意义。同时，也能够为满足风力发电机冷却系统多元化使用需求提供强有力的支撑。

1 常见风力发电机冷却系统种类

1.1 空冷却系统

空冷方式是风力发电机较为常见设计形式。由于空冷冷却技术相对成熟，技术应用难度较低，其技术应用成本也低于其他方式。空冷却的主要优势，不只在于技术成本及技术难度，同时也包括技术应用可控性。目前，我国的风力发电机技术路线较多，对发电机冷却的技术需求各不相同，为满足不同环境下使用要求，空冷空冷冷却系统设计也存在较多品类，能适用于各类发电机使用需求。现阶段，我国空冷冷却系统设计优化，大部分集中在变频控制及机械系统优化两个方面。其中变频控制得当，可直接提升空冷冷却系统的准确性并降低能耗，而机械系统优化，则是从电机、风扇、换热器及通风道四个部分进行优化，以期通过更优的设计方案提高空冷冷却系统设计使用效果。

1.2 液冷冷却系统

液冷冷却系统，也可称之为水冷系统。与空冷系统设计不同的是，液冷冷却系统具有更强冷却效能，在风力发电机冷却设计中，可以最大限度保障风力发电机处于平衡温控环境，有效避免发电机因过热而产生坏损。虽然液冷冷却系统具有一定优势，但同样在技术应用层面存在弊端。液冷冷却由于采取水循环冷却机制，在系统部件数量及设计复杂程度均高于空冷系统，导致液冷系统维修困难及设计生产成本过高。从技术层面来看，虽然液冷冷却系统的确有其不可替代的优势，但存在的问题同样不可忽视。

2 先进金属加工工艺在风力发电机冷却系统中应用必要性

先进金属加工工艺既包括采用具备高强度、高可塑性、耐磨性及耐腐蚀性等特点的金属材料，也包括新型的铸造、金属切削加工、焊接乃至3D打印等加工工艺。目前发电机冷却系统在原理上进行突破难度较大，但是在材料和工艺上有很大的提升空间，在风力发电机冷却系统设计中引入先进的金属加工工艺极其必要。

2.1 提高风力发电机冷却效率

运用先进的金属加工工艺，能在尽可能不改变冷却部件其他设计的基础上，提高冷却部件的性能，使其能保持良好品质，确保冷却部件符合使用需求。风力发电机冷却系统设计过程中对先进金属加工工艺的运用，可以通过相应金属工艺的基本特点，提高风力发电机的冷却效率。以空冷冷却系统为例，其主要面临的问题是换热效率不高，冷却风机的效率、换热器的传热系数及通风管路的阻力系数，直接决定空冷冷却系统的冷却效果。在此类冷却系统设计中，先进金属加工工艺所起到的作用主要是为发电机冷却系统提供更大的导热系数、更小的阻力，有效提升风量和强化空冷冷却的换热效果，使风力发电机能始终处于适宜的温度环境中工作。因此，先进金属加工工艺在风力发电机冷却系统中应用尤为必要，对弥补空冷冷却技术的不足，有着一定帮助作用。

2.2 强化风力发电机冷却系统可靠性

通常情况下，风力发电机冷却系统工作环境较为恶劣，且工作强度相对较高，在现有技术应用环境下，其工艺设计虽然能满足风力发电机冷却系统阶段性使用需求，但仍需高频次的设备维护管理。这对于风力发电机正常使用造成一定影响。而先进金属加工工艺在风力发电机冷却系统中应用，则可有效解决以上问题，提高设备使用寿命及使用稳定性。先进金属加工工艺，能从材料应用技术优化角度，降低内部液体对液冷管道及泵体电机影响，使液冷冷却系统，能长期保持良好运行状态，大幅提高风力发电机冷却可靠性。

3 风力发电机冷却系统对先进金属加工工艺应用的现状及困境

3.1 技术难度复杂及技术成本过高

先进金属加工工艺技术内容更为复杂，对材料的使用需求也相对较高。这其中，材料成本、人力资源成本、设备成本及加工管理成本等均是先进金属加工工艺运用主要问题。虽然，我国在先进金属加工工艺上，已然处于世界领先地位，但风力发电机冷却系统对金属材料运用相对特殊，无法通过简单流程实现技术应用及生产。

正因如此，现阶段先进金属加工工艺在风力发电机冷却系统使用更多倾向于大型电机设备，对中小型设备而言，受成本限制并不具有使用先进金属加工工艺的条件，无法大范围推广应用使得先进加工工艺的成本迟迟无法降低，这是限制先进金属加工工艺在风力发电机冷却系统中广泛应用主要因素。

3.2 先进金属加工工艺标准参数尚不统一

不同的设备、材料对金属加工工艺标准各不相同，技术人员的技术水平及生产设备基本性能数据，也会对先进金属加工工艺的运用产生直接影响。因此，从现有技术发展情况来看，先进金属加工工艺在风力发电机冷却系统中运用，仍然面临技术参数不统一及标准不完善问题，在不同的产品上无法采用相同的设备或者工艺方法，非常不利于先进金属加工工艺广泛推广，同时，也影响风力发电机冷却系统对先进金属加工工艺的运用。此外，由于现有各类风力发电机冷却系统设备各不相同，在参数指标方面，需要参照不同的风力发电机冷却系统设计对金属加工工艺进行调整，这也对技术标准统一造成部分间接性影响。

4 先进金属加工工艺在空冷发电机冷却系统设计优化中应用的策略及方法

4.1 重视重要组件、材料的选择

风力发电机冷却系统材料及部件的选择，直接影响先进金属加工工艺技术应用有效性。现阶段，风力发电机冷却系统中，其液冷系统的内部冷却液，主要含有纯净水、乙二醇、防腐剂及稳定剂成分，乙二醇水溶液的防冻效果更好，能满足多元化使用需求，但其腐蚀性则相对较高，必须要从抗腐蚀角度选择材料部件，确保风力发电机液冷冷却系统，能长时间稳定运行。在空冷冷却系统方面，需要考虑到风扇轴承损耗及扇叶强度问题。高强度的机械运转会加速轴承磨损，同时，也将对扇叶结构产生较大的载荷，低密度及低强度扇叶及轴承在使用周期上相对较短，且一旦损坏，极有可能对风力发电机主体结构造成影响。因此，空冷冷却系统要从材料耐用性、结构强度角度选择部件，使风力发电机冷却系统可以长期处于良好使用状态。

4.2 优化设备应用标准化尺寸与结构

当前，先行的风力发电机冷却系统尺寸设计，主要根据风力大电机基本功率及运行效率决定。在风力发电机的空冷冷却系统设计方面，传统概念认为提高风扇叶片尺寸及转速，能加速热量循环，从而，达到满足风力发电机散热需求的目的。

但随着近年来对风力发电机空冷冷却系统的优化，传统以追求大尺寸或转速的空冷冷却设计不再适用于中小型风力发电机设备。优化内部设计，逐渐成为现代空冷冷却设计主流方式。这其中，散热风道设计、风口速率控制，成为当前空冷冷却系统优化主要方向。传统空冷散热风道设计，更倾向于直流风道输出，而小体积的风力发电机空冷系统，则更多采用多风道循环导热设计策略，极大提高空冷冷却系统散热效能，这使得先进金属加工工艺，能在不同风力发电机冷却系统设计中加以运用。

4.3 控制先进金属加工工艺技术成本

先进金属加工工艺成本的控制，要从加工流程、人力资源及原材料三个方面做好成本管理。

在加工流程方面，应基于风力发电机个性化的定制设计加工方案，尽可能保持先进金属材料特有导热特性，在不影响使用可靠性、使用性能前提下将工艺流程简化，实现对生产流程环节成本控制。对于人力资源成本控制，应建立一体化生产管理体系，将生产控制、设备设计等环节进行融合。从而，一方面，为技术人员实践新技术提供有利保障，另一方面，也可进一步削减人力资源成本。原材料的成本控制，需要考虑到先进金属材料对高温环境及恶劣环境使用需求，以保证材料使用效益最大化为前提，降低对原材料的消耗，使先进金属加工工艺，能在不同风力发电机冷却系统中得以广泛应用。

5 结语

综上所述，先进金属加工工艺在风力发电机冷却系统中的应用，能极大提高风力发电机冷却系统的效率和稳定性。但由于风力发电机冷却系统使用环境较为复杂，要进行充分试验论证，引进恰当的先进金属加工工艺对发电机冷却系统进行设计优化，使风力发电机冷却系统能在各种环境下发挥良好冷却能力，为风力发电机的正常运转提供切实保障。