阅读说明：本技术 电机及其轴系的换热装置、风力发电机组 (Motor and heat exchange device of shaft system thereof and wind generating set ) 是由 马盛骏 于 2018-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种电机及其轴系的换热装置、风力发电机组,所述换热装置包括能够输入冷却介质的柔性腔体,所述柔性腔体位于所述电机转动轴的内壁,所述柔性腔体为电机轴系中的电机轴承冷却。柔性腔体内注入冷却介质后可在电机转动轴内壁位置建立冷却环境,从而为包围在电机转动轴和电机定轴之间的电机轴承开辟散热渠道,起到较好的冷却效果。(The invention discloses a motor, a heat exchange device of a shaft system of the motor and a wind generating set. After the cooling medium is injected into the flexible cavity, a cooling environment can be established at the position of the inner wall of the motor rotating shaft, so that a heat dissipation channel is opened up for the motor bearing enclosed between the motor rotating shaft and the motor fixed shaft, and a better cooling effect is achieved.)

电机及其轴系的换热装置、风力发电机组

技术领域

本发明涉及电气设备冷却技术领域，具体涉及一种电机及其轴系的换热装置、风力发电机组。

背景技术

请参考图1-2，图1为空气间壁式换热器对发电机内部实施冷却的整机关节图；图2为图1中间壁式换热器的结构分解原理图。

如图1所示，发电机500’的右侧连接叶轮600’，左侧设有机舱100’，机舱100’内设置间壁式换热器300’，具体设置在机舱300’的尾部。间壁式换热器300’的左侧设有内循环引风机202’，内循环引风机202’由内循环驱动电机201’驱动，还设有内循环气流引出输送管400’，发电机500’产热后的热气流，经内循环引风机202’作用，将沿内循环气流引出输送管400’进入间壁式换热器300’的换热器芯体中。

间壁式换热器.00’还设有外循环引风机102’，外循环引风机102’由外循环驱动电机101’驱动，外循环引风机102’将自然环境空气流引入至间壁式换热器300’的换热芯体中，则换热后的外循环气流流出机舱100’，图1中示出连接外部的外循环风排出口103’。内循环气流冷却降温后排出间壁式换热器300’，并360度扩散在机舱的尾部空间。

图2中，在引入内循环气流时，间壁式换热器300’和内循环气流引出输送管400’之间还设有内循环汇流腔体203’，上下均设有内循环气流汇流入口203a’。外循环引风机102’与间壁式换热器300’之间设有外循环引风机入口连接段104’，内循环引风机202’与间壁式换热器300’之间设有内循环引风机入口连接段204’。

图1中，发电机500’的壳体处设有冷却气流入口孔板500a’，可参考图3理解，图3为图1中冷却气流入口孔板500a’的示意图。

扩散在机舱内被冷却降温的内循环流体，可经该冷却气流入口孔板500a’的入口孔500b’进入发电机500’内，作为冷却气流再次使用，对发电机500’的电机铁心进行冷却。

如图1所示，发电机500’的电机定轴和电机转动轴之间设有电机轴承，电机轴承工作过程中会产生较多的热量，但电机轴承被电机定轴和电机转动轴包围，该热量难以散发。

然而，上述方案主要是在对发电机500’内的电机铁心进行冷却，但是对于发电机以及轮毂的轴系并无合适的冷却方案。

发明内容

本发明提供一种电机轴系的换热装置，所述换热装置包括能够输入冷却介质的柔性腔体，所述柔性腔***于所述电机转动轴的内壁。

柔性腔体内注入冷却介质后可在电机转动轴内壁位置建立冷却环境，从而为包围在电机转动轴和电机定轴之间的电机轴承开辟散热渠道，起到较好的冷却效果。

可选地，所述柔性腔体为环形，对应于所述电机转动轴的回转部的环形内壁。

可选地，还包括硬质材料制成的限位环，所述限位环位于所述环形的柔性腔体的内侧；所述限位环限定所述柔性腔体的径向内侧边界，使所述柔性腔体充入冷却介质后向所述回转部的环形内壁膨胀贴合。

可选地，所述限位环由至少两个限位环段沿着圆周方向拼接形成，所述限位环段之间通过膨胀箍相连接。

可选地，所述柔性腔体的外壁设有可粘贴于所述回转部的环形内壁的粘结面。

可选地，所述换热装置还包括流体滑环，以及与所述流体滑环连通的输入管和输出管，所述输入管输送冷却介质至所述柔性腔体，所述柔性腔体内的冷却介质可经所述输出管流出。

可选地，所述换热装置还包括涡流分离器，所述涡流分离器包括喷管和涡流分离管，所述涡流分离管包括涡流室和分别位于所述涡流室两端的冷端管段和热端管段；所述喷管连通于所述涡流室，压缩气流经所述喷管形成螺旋气流且沿所述涡流室的切向流入；

所述冷端管段截面积小于所述涡流室截面积，所述热端管段截面积等于或大于所述涡流室截面积；

所述热端管段内设有具有阀口的阀门，所述阀门具有锥面，所述螺旋气流进入所述涡流分离管后，所述螺旋气流的外部气流向所述阀口流动并逐渐升温为热气流后沿所述阀口流出；所述螺旋气流的中部气流经所述阀门的锥面后反向回流而降温为冷气流，并从所述冷端管段流出，作为输送至所述弹性腔体的冷却介质。

可选地，所述涡流室的一端设有通孔，所述冷端管段的管体连通于所述通孔；所述涡流室与所述热端管段一体等径设置。

可选地，所述阀门包括锥状的节流件，所述节流件的锥端朝向所述冷端管段，所述节流件位于所述热端管段的中部，所述节流件与所述热端管段的内壁之间形成的环形间隙为所述阀口；且，所述冷端管段的轴线与所述节流件的轴线重合。

可选地，所述换热装置还包括压气机，所述压气机向所述涡流分离器提供压缩气流。

可选地，所述压气机的上游设有气液分离器。

可选地，所述气液分离器包括分离筒和设于所述分离筒内壁的进口端，气流经所述进口端以切向旋入所述分离筒内；所述分离筒内设有多个凸包和/或凹坑；所述分离筒的内壁的上部设有开口以供分离出液体后的气流流出。

可选地，所述气液分离器还包括设于所述分离筒顶部的凹顶盖，所述凹顶盖向内凹陷，且所述凹顶盖的内表面设有多个凸包；所述分离筒的底部具有导水叶栅。

本发明还提供一种风力发电机组，包括发电机，还包括上述任一项所述的电机轴系的换热装置。

可选地，所述涡流分离器设置于风力发电机组的机舱底座内。

可选地，还包括另一涡流分离器，另一所述涡流分离器的热气流、冷气流分配如下：

所述冷气流输送至下述至少一者：所述柔性腔体、伺服控制器、变桨轴承)、伺服电机、轮毂、偏航轴承；和/或，

所述热气流输送至下述至少一者：叶片的前缘、叶片的后缘、轮毂、变桨轴承、机舱上部的测风支架、偏航轴承。

可选地，另一所述涡流分离器设于所述轮毂。

可选地，所述冷气流输送至下述至少一者：所述柔性腔体、伺服控制器、变桨轴承、伺服电机、轮毂、偏航轴承；和/或，

所述热气流输送至下述至少一者：叶片的前缘、叶片的后缘、轮毂、变桨轴承、机舱上部的测风支架、偏航轴承。

本发明还提供一种电机，包括电机轴系，还包括上述任一项所述的电机轴系的换热装置。

风力发电机组和电机，包括上述电机轴系的换热装置，具有同样的技术效果。

附图说明

图1为空气间壁式换热器对发电机内部实施冷却的整机关节图；

图2为图1中间壁式换热器的结构分解原理图；

图3为图1中冷却气流入口孔板的示意图；

图4为本发明所提供发电设备一种具体实施例的示意图；

图5为图4中发电机的示意图，示出内部结构；

图6为图5中I部位的局部放大示意图；

图7为图5中柔性腔体、限位环安装于电机转动轴的回转部的示意图；

图8为4中涡流分离器的原理图；

图9为图8中喷管的截面图；

图10为图8中涡流分离器内的内部流场图；

图11为自由涡流和强制涡流的对比示意图；

图12为图8中涡流分离器内部工作过程的热力学温-熵(T-S)分析图；

图13为图4中气液分离器的示意图；

图14为图13中气液分离器的凹顶盖的示意图。

图1-3中，附图标记说明如下：

100’机舱、101’外循环驱动电机、102’外循环引风机、103’外循环风排出口、104’外循环引风机入口连接段、201’内循环驱动电机、202’内循环引风机、203’内循环汇流腔体、204’外循环引风机入口连接段；

300’间壁式换热器；400’内循环气流引出输送管；500’发电机、500a’冷却气流入口孔板、500b’入口孔；

600’叶轮；

010叠片、010a齿部、010b开口槽、010b’绕组槽；

030结构支架、040冷却通风沟、050热风引出汇流器、060汇流器、070汇流通道；

图4-14中，附图标记说明如下：

100机舱、1001机舱底部、1001a底部底板、1002测风支架、1003偏航电机、1004固定支架；

200发电机、201电机定轴、202电机转动轴、202a刹车环、202b回转部、202c环形凸起、203电机轴承、204铁心、205冷却气流入口孔板；

300间壁式换热器、301内循环引风机驱动电机、302内循环引风机、303外循环引风机驱动电机、304外循环引风机、305外循环引风机排风口；

400输送管路、500轮毂、501变桨轴承、502伺服电机、503伺服控制器、600风机塔筒、700叶片；

10涡流分离器、101涡流分离管、101a涡流室、101a1端板、101b热端管段、101c冷端管段、101d冷端、101e热端、102喷管、103节流件；

20柔性腔体、20a气门芯；

30限位环、30a膨胀箍；

40引风机驱动电机变频器；

50气体滑环、50a输入管、50b输出管；

60气液分离器、601凹顶盖、601a凸包、602进口端、603分离筒、603a格栅、603b凸包、603c凹坑、604导水叶栅、70压气机、80偏航轴承、90固定支架。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图4-6，图4为本发明所提供发电设备一种具体实施例的示意图；图5为图4中发电机的示意图，示出内部结构；图6为图5中I部位的局部放大示意图。

该实施例中，以风力发电设备为例，风力发电设备包括发电机200，发电机200的左端设有机舱100，右端设有轮毂500、叶轮机。如图5所示，发电机200包括电机定轴201，电机定轴201呈筒状，其承载有铁心204、绕组、磁轭、磁极等。电机轴系中的电机轴承203设于电机定轴201和电机转动轴202之间，则电机转动轴202可相对于电机定轴201进行转动。

如图5所示，并结合图7理解，图7为图5中柔性腔体20、限位环30安装于电机转动轴20的回转部202b的示意图。

电机轴系的换热装置包括能够输入冷却介质的柔性腔体20，柔性腔体20位于电机转动轴202的内壁，具体是位于电机转动轴202的回转部202b的内壁，回转部202b为电机转动轴202伸入于电机定轴201内部的部分。电机转动轴202呈筒状(回转部202是筒状的一部分)，具有环形内壁，对应地，本实施例中的柔性腔体20为环状。

换热装置还包括硬质材料制成的限位环30，且限位环30位于环形的柔性腔体20的内侧；柔性腔体20充入冷却介质后，限位环30支撑柔性腔体20。这样，回转部202b、限位环30和柔性腔体20形成于类似“轮胎”的结构。柔性腔体20充入冷却介质时，柔性腔体20会膨胀，限位环30则限定柔性腔体20向内膨胀，向内即朝向柔性腔体20、电机转动轴202的回转部202b的圆心方向，这样，限位环30限定了柔性腔体20向内膨胀的边界，则柔性腔体20只能向外膨胀，从而逐渐靠近电机转动轴202的回转部202b的环形内壁，并最终可以贴靠在环形内壁，此时，相当于设置了一贴附在电机转动轴202内壁的冷带，电机轴承203的热量可传递至电机转动轴202，并和柔性腔体20换热、冷却，即柔性腔体20内注入冷却介质后可在电机转动轴202内壁位置建立冷却环境，从而为包围在电机转动轴202和电机定轴201之间的电机轴承203开辟散热渠道，对电机轴承203起到良好的散热效果，当然，电机定轴201、电机转动轴202相应地都得到冷却。

可以理解，不设置限位环30也可以，柔性腔体20在膨胀到一定程度时，同样会接触到电机转动轴202的内壁，并起到换热、冷却的功能。当然，设置限位环30时，可以进一步保证柔性腔体20膨胀并贴合到电机转动轴202的内壁，确保贴合的面积，即增大换热面积，且，当柔性腔体20不再通入冷却介质时，限位环30可以支撑柔性腔体20，使其保持在所需的位置，不设置限位环30时，柔性腔体20则可以粘贴于电机转动轴202的内壁。

另外，柔性腔体20也不限于完整的环形，例如可以由多个弧形段拼接形成，或者，包括间隔布置的两个或以上的弧形段等。当然，完整的环形柔性腔体20，可以较好地与电机转动轴202的环形内壁适配，增加换热面积，也便于冷却介质的输入。

据上描述，限位环30需要支撑限位柔性腔体20，故由硬质材料制成，这里对硬质材料不作具体限定，具有一定的刚度，不易变形即可。比如，限位环30可以是塑料环或钢圈等。

请继续查看图7，限位环30由两个半圆弧的限位环段沿着圆周方向拼接形成，在拼接的位置，采用膨胀箍30a连接两个限位环段。膨胀箍30a在连接时，可以产生向上和向下的力，从而顶住上方的限位环段向上抵压柔性腔体20，也向下顶住下方的限位环段继而向下抵压柔性腔体20，即进一步地确保柔性腔体20能够更大面积地贴附于电机转动轴202的内壁。

可以想到，限位环30不限于两个半圆弧的限位环段，也可以是两个以上的限位环段周向拼接形成，且拼接位置通过膨胀箍30a相连接，作用与上述描述一致，不再赘述。

无论是否设置限位环30，柔性腔体20的外壁均可以设有能够粘贴于电机转动轴202环形内壁的粘结面，该粘结面可以是通过设置粘结剂以直接实现粘贴，或者该粘接面可以设置双面胶，以实现粘贴。

请继续参考图6，电机转动轴202的回转部202b朝向发电机200的一端边沿设有朝内延伸的刹车环202a，电机转动轴202与回转部202b相对的另一端向内延伸形成环形凸起202c，从图6可看出，回转部202b的内壁、刹车环202a、环形凸起202c形成U形槽，柔性腔体20位于该U形槽内，刹车环202a和环形凸起202c对柔性腔体20形成轴向上的限位，进一步保证柔性腔体20在充入冷却介质后可以稳固地与回转部202b的内壁接触，完成换热、冷却的功能。对于不设置刹车环202a的电机转动轴202，也可以在电机转动轴202的回转部202b位置预留固定件，以固定挡板，从轴向上限位柔性腔体20以及限位环30。

本实施例中的柔性腔体20是用于充入冷却介质，以对电机轴承203进行冷却，冷却介质在本实施例中，为冷却气流，具体可由涡流分离器10获得。

请继续参考图4、5，并结合图8-9理解，图8为图4中涡流分离器的原理图；图9为图8中喷管102的截面图。

图8中，涡流分离器10包括喷管102和涡流分离管101，喷管102连通于涡流分离管101的侧壁，涡流分离管101的内腔与喷管102正对的部分形成涡流室101a，涡流室101a的一端(图8中的左端)为冷端管段101c，另一端(图8中的右端)为热端管段101b，冷端管段101c的出口为输出冷气流的冷端101d，热端管段101b的出口为输出热气流的热端101e，涡流室101a的一端端板101a1设有通孔，这里定义为冷端孔板，冷端管段101c与该通孔连通，如图8所示，冷端管段101c是截面积小于涡流室101a的相对较细的细管段。而涡流室101a和热端管段101b是等径管段，二者可一体或分体设置，一体设置更为简单。

涡流分离器10的喷管102是将压缩气体的压力能转化为高速气流携带动能的能量转化部件，喷管102可包括进口段、主体段、出口段，出口段设有喷嘴，以喷出气流。气流经喷管102后可形成螺旋气流，如图9所示，喷管102内部设有旋流板，即喷管102的出口段为蜗壳，气流进入喷管102后可形成螺旋气流输出，喷管102要求切向连通涡流室101a，即喷嘴102喷出的螺旋气流沿涡流分离管101的切向旋入涡流分离管101内。蜗壳可将气流均匀地分配到喷管102出口段的喷嘴处，且尽可能地减少能量损失，并保证蜗壳内圆上的气流流动是轴对称流动。

由于冷端管段101c截面积较小，则对于进入涡流室101a内的螺旋气流而言，冷端101d孔板处的阻力较大，切向旋入涡流分离管101内的气流向反向的热端管段101b流动。这里，热端管段101b的截面积可以等于或大于涡流室101a的截面积，以保证螺旋气流会向热端管段101b的方向流动。

在热端管段101b内还设有具有锥面的阀门，具体如图6所示的锥状的节流件103，节流件103的锥端的朝向与螺旋气流流动方向相反，图8中螺旋气流从喷管102进入涡流分离管101后，自左向右螺线流动，流动至节流件103时，螺旋气流的外部气流可从阀门流出，即沿节流件103和涡流分离管101之间的环形间隙流出并升温为热气流，如图8所示，热气流从热端管段101b的热端101e流出。

而螺旋气流的中部气流会碰到节流件103，在与节流件103的锥面碰撞、引导后，会反向回旋流动，形成回流气流，在流动过程中，会逐渐降温，冷却气流的温度可大幅度降低，温度可降低至-50～10摄氏度。这里所述的外部气流和中部气流是相对于螺旋气流的中心线而言，靠近中心线附近的螺旋气流为中部气流，远离中心线靠近螺旋气流径向最外侧的气流，为外部气流。为保证螺旋气流向热端管段101b流动以及回流的行程，以形成热气流和冷气流，节流件103可设于热端管段101b的末端。

以上要求螺旋气流经阀门后可以形成反向流动的螺旋气流，所以设置锥状的节流件103，从回旋的螺旋气流的形成而言，阀门只要具有一定范围内的锥面即可，比如，是圆台状(即没有锥尖，而是锥形的一段)，或者是沿轴向剖开的半锥等。但可以理解，为了较好地形成雍塞效应，并能够较好地引导成回流的螺旋气流，优选的方案是将阀门设置呈图8所示的完整的锥形。另外，锥形的节流件103的轴线与冷端管段101c的轴线重合，这样在回流的螺旋气流旋向冷端管段101c，有利于气流的旋进，可减少能量损失。

可见，该涡流分离器10，可产生将同一股气流进行温度分离的分离效应，获得冷、热两股气流，且是两种温度高低十分悬殊的气流。该涡流分离器10是基于***的现象研发而成。

***是自然界中在特定大气条件下产生的强旋风现象，海洋中在特定条件下也会产生自水面向海底垂直传播的大洋旋涡。典型***的气流结构显示***中心是一个漏斗型或喇叭形的尖锥体。这个锥体是***的旋聚区，该锥体的旋向与***充满尘土的上升的热气流的旋向相同，但中心锥体内气流的轴向流动方向与***上升气流相反，呈现下降气流。在自然环境中实际跟踪测量一个***中心锥体冷气流的下降流速可达到17米/秒。当中心锥体的锥尖一旦触及发散时(相当于聚射)，***就会迅速强化，而且锥尖随之消失，变为截锥体。当***热气流边旋转边上升，到达上层冷云层底面或同温层时，会立即呈现喇叭口型水平旋射发散并改变旋转方向反向旋转抛出。空气绕龙卷的轴快速旋转，受龙卷中心气压极度减小的吸引，在近地面几十米厚的薄层空气内，气流从四面八方被吸入涡旋的底部，并随即变为绕轴心高速向上旋转的涡流，所以龙卷中的风总是气旋性，其中心的气压比周围气压低百分之十，一般可低至400hPa，最低可达200hPa。***具有很大的吸吮作用，可把海水或湖水吸离海面或湖面，形成水柱，然后同云相接，俗称“龙取水”。

***的能量来源：一是******气流的热能，另一是涡心低压区的真空能。******气流的高温气体与***相互作用，使得热能转化为旋转动能，机理通过Crocco定理解释。Crocco定理是基于能量守恒的热力学第一定律在流体旋涡场中得出的。该定理定量表达了旋涡场中热力学焓的梯度、熵的梯度与涡流旋转强度的关系。大气中的温差及上下对流是***旋涡形成的前提条件，而使***旋涡得以增强的能量则来自周围的热能。******的上升热气流与旋涡中心的下降冷气流形成的热力学焓的梯度成为大气热能转化为漩涡流动动能的关键因素。在***依靠热能达到一定强度之后，进一步的强化则需要依靠涡心低压区的真空能。***中心的下锥体与***气流同旋向。该锥体内的气流边旋转下降同时向中心聚集。当其向心加速度超过一定的临界值之后，径向聚集过程并在科氏力的作用下通过粘性扩散对径向***气流产生加速旋转的作用。

即***存在总温分离现象，本实施例章提供的涡流分离器10就是比拟***，而设置喷管102将进入的压缩气流形成螺旋气流，可看作为小尺度的***的螺旋状流动，这样可以在涡流分离管101内模拟出***的总温分离，继而形成所需的热气流和冷气流。

以上是从自然界追寻本方案的机理，下面继续对涡流分离器10温度分离效应的原理进行说明。

请参考图10-11，图10为图8中涡流分离器10内的内部流场图；图11为自由涡流和强制涡流的对比示意图。

根据能量守恒法则，从涡流分离管101中流出的冷却气流、热气流的能量总和应等于进入涡流分离器10的喷管102内的压缩气体的能量(前提是涡流分离器10绝热良好)。因此，在涡流分离器10中必然存在能量再分配的过程，使一部分能量从冷却气流转移到热气流中。

首先，向喷管102提供压缩气体，后称为高压气体，如图4所示，可设置压气机70，由压气机70提供压缩气体，为避免提供的冷却气流影响发电机200的内部环境。

压缩气体的气流在涡流分离器10的喷管102中膨胀加速，在进入涡流分离管101的涡流室101a时速度可以接近音速，如果采用缩放型的喷管102，则速度会超过音速。由于气流在喷管102中迅速膨胀通过，可近似认为是一绝热过程，气流在喷管102出口喷嘴处的流速非常大，其相应的热力学温度将大大低于喷管102入口处的温度，即经过一次降温。

当气流切向进入涡流分离管101的涡流室101a后，会沿涡流室101a的内壁继续作螺线运动，形成高速的旋转气流，气流刚出喷管102时，存在V＝const或ω·r＝const，其中，V是气流切向速度，ω为角速度，此类旋转又称为自由涡流，如图11所示，图11示出自由涡流和强制涡流的切向速度、角速度的区别。此时气流在涡流室中的运动轨迹可以看作是沿着阿基米德螺线运动。下面分析冷却气流和热气流的形成过程。

热气流的形成：由于刚出喷管102的气流的流动是自由涡流，角速度沿着半径方向存在梯度，引起了气流径向层间的摩擦，使螺旋气流的外部气流的角速度逐渐升高，而螺旋气流的中部气流的角速度逐渐降低，但因流动很快，历经路程短，螺旋气流还没有达到完全的强制涡流，而是向其中心部分发展，螺旋气流的外部气流会在热端管段101b中沿着螺线运动，既具有旋转运动，又具有轴向运动，运动过程中外部气流与热端管段101b的内壁摩擦，外部气流的速度越来越低，温度逐渐升高，最终从节流件103和热端管段101b之间的环形空隙流出。通过调节节流件103和热端管段101b之间的间隙，可以调节冷、热气流的比例。

冷气流的形成：气流刚出喷管102属于自由涡流，在离心力的作用下，同时受到冷端管段101c的冷端101d孔板的阻隔，会贴近热端管段101b的内壁向节流件103处流动。在流动过程中，由于轴向速度的逐步耗散，此旋流运动至轴向某个位置时其轴向速度已经接近于零，可以定义为滞止点。此时，由于中部气流在滞止点处的聚集，压力不断上升，滞止点处的压力会高于冷端管段101c的出口处的冷端101d压力，便会在热端管段101b的中心区域产生反向的轴向运动，即从滞止点处开始出现回流气流，逐渐降温形成冷气流，即二次降温。在滞止点处，外部气流的总温比中部气流的总温高。此逆向流动在向冷端管段101c运动过程中，不断有外层的部分螺旋气流转向汇入，因而逐步壮大，在达到冷端101d孔板时其逆向流量达到最大。

如图10所示，在涡流分离管101的同一流道截面上，外部气流的最外层气流静压最大，而中部气流位于中心轴线上的最中心气流静压最小，在接近喷管102的喷嘴处的截面上，该截面的最大静压和最小静压的比值为最大，比值可达到1.5-2，静温则在涡流分离管101的壁面处最高，而在中心轴线上最低。

在任一流道截面上，任一点气流的切向速度都占主导地位。在喷管102的喷嘴附近，气流的径向速度和轴向速度都达到最大值，且沿着各自的方向逐渐减弱。

如前所述，气流离开喷嘴后沿着切向进入涡流分离管101内，分为两个区域，外部气流沿涡流分离管101内壁切向旋转趋于热端管段101b的热端101e出口，即外层区域的外部气流形成自由涡流。中部气流自设置节流件103的位置回流，受周围自由涡流的驱动，然后经过摩擦，气流如同刚体一样转动的内层区域(中部气流)会转变成或接近强制涡流。

外部和中部两个区域的分界，即外部气流和回流的中部气流视冷流率的大小而定，从图10可看出冷、热气流的边界。在整个涡流分离管101的长度上，边界的界面一般位于距离中心轴线0.65-0.75R的范围内，即中部气流在径向上的流动范围，R为涡流分离管101的半径。从喷管102的喷嘴到节流件103之间的外部气流的轴向流动在半径0.65-1R之间的范围进行，即外部气流在径向上的流动范围。在内部区域，中部气流朝着相反的方向流动，流动正好从节流件103处开始。

中部气流的中心气流温度在节流件103处最高，反向流动逐渐降温，而到达冷端101d孔板处时最低。最大温差即出现在中心轴线方向，最高温度在节流件103对应的中心轴线处，最低温度在冷端101d孔板对应的中线轴线处。对于内层的中部气流而言，即冷气流，其静温在中心轴线处最低，在与外层气流的分界的界面处达到最高。

在涡流分离管101的流道的任一截面上，总温在接近涡流分离管101的内壁面处最高，在中心轴线上最低。在喷嘴处的流道截面，涡流分离管101的壁温和中心轴线温度之差达到最大值。

对于涡流分离器10的总温分离效应，可参考图12，图12为图8中涡流分离器10内部工作过程的热力学温-熵(T-S)分析图。从图12可看出，涡流分离器10的确将进入喷管102的压缩气流进行了温度分离。

图12中，点4为气体压缩前的状态，即进入压气机70前的状态。点4-5为气流的等熵压缩过程。点5-1为压缩气体的等压冷却过程。点1表示压缩气体进入涡流分离器10的喷管102前的状态，在理想条件下绝热膨胀到p₂压力，随之温度降低到T_s，即点2a状态。点2为涡流管流出的冷气流状态，其温度为T_c。点3为分离出的热气流状态，其温度为T_h。点1-2和点1-3为冷、热气流的分离过程。3-3′为热气流经过节流件103的节流过程，节流前后比焓值不变。

由于整个工作过程中，气流在喷管102中不可能作等熵膨胀。涡流室101a内外层气体之间的动能交换存在一定的损失，且涡流室101a内存在的向中心热传递过程，使气流在点1-2过程偏离绝热膨胀过程，造成涡流分离管101分离出来的冷气流温度T_c总高于绝热膨胀条件下的冷气流温度T_s。

再请看上述实施例中涡流分离器10的冷却效应和加热效应。

涡流分离管101在工作过程中使温度T₁的气体分离为温度为T_c的冷气流和温度为T_h的热气流。因此，ΔT_c＝T₁-T_c称作涡流分离管101的冷却效应，ΔT_h＝T_h-T₁被称作涡流管的加热效应。将ΔT_s＝T₁-T_s定义为等熵膨胀效应，以标志涡流分离管101的理论冷却效应。因此，涡流分离管101制冷的有效性用冷却效率η_c表示，即：

其中，p₁-涡流分离器10进口气流压力；p₂-气流在喷管102中膨胀进入涡流室101a后的压力；k-气体(如空气)的绝热指数。

另外，涡流分离器10在工作过程，存在流量及热量的平衡，如下：

若以q_m1、q_mc、q_mh分别表示进入涡流分离管101的高速气流、冷端101d的冷气流和热端101e的热气流的流量，则q_m1＝q_mc+q_mh。

若以h₁、h_c和h_h(KJ/Kg)分别表示它们的比焓，忽略气体流出时的动能，则q_m1h₁＝q_mch_c+q_mhh_h。

冷气流量比

气体焓值与温度对应关系h＝C_pT

得到：T₁＝μ_cT_c+(1-μ_c)T_h T

还可以得到涡流分离管101的制冷量，如下：

涡流分离管101制冷量Q₀(kW)为

Q₀＝q_mcc_p(T₁-T_c)＝μ_cq_m1c_pΔT_c

则每一千克冷气流的制冷量为

若对于每一千克高压气体而言，其单位制冷量q′₀可表示为：

再请看涡流分离管101的制热量Q_h(kW)：

Q_h＝q_mhc_p(T_h-T₁)＝(1-μ_c)q_m1c_pΔT_h

每一千克热气流的制热量为

若对于每一千克高压气体而言，其单位制热量可表示为：

上述的涡流分离管101的冷却冷却效应ΔT_c＝T₁-T_c和单位制冷量q₀，与以下因素有关，即冷气流分量μ_c、喷管102的进口工作压力p₁、气流中的水汽含量。

冷气流分量μ_c，当冷气流分量值变化时，ΔT_c和q_o均有相应变化，而且在μ_c＝0～1的范围内有最大值存在。当μ_c＝0.3～0.35时，ΔT_c有最大值；而当μ_c＝0.6～0.7时，q_o达到最大值。同时，加热效应也随着μ_c变化而改变，当μ_c增大时ΔT_h不断增大，且无极限存在。

喷管102的进口工作压力p₁，当p₁增大时，ΔT_c和q_o均增大。但增大时ΔT_c的最大值向μ_c减小的方向移动，q_o的最大值则向μ_c增大的方向移动。

气体潮湿时，冷气流中水汽要凝结放热，故制冷温度上升，冷却效率降低；热气流温升减少，加热效应降低。

以上详细介绍了涡流分离器10的原理，可分离出热气流和冷气流，冷气流作为冷却介质，输入柔性腔体20，从而实现对电机轴承203的冷却。该结构简单、节能，易于形成所需的冷却介质，满足电机轴承203的冷却需求。而且，本实施例中在小空间范围内即可布置出冷却介质的形成装置。此外，涡流分离器10可分离出热气流和冷气流，从而同时作为热源和能源使用，不需要同时配设热源和冷源，从而简化结果。

请继续查看图4，涡流分离器10设于机舱100的机舱底座1001的空间，对于一般的风力发电机200而言，机舱底座1001的空间为穹形底座，空间相对狭小，机舱底座1001下方连通风机塔筒600，机舱底座1001下方设有底部底板1001a，作为与风机塔筒600顶部的隔档。可将涡流分离器10置于该底部底板1001a处，从而充分利用机舱底座1001的空间。

此时，换热装置还包括气体滑环50，如图5所示，电机定轴201通过紧固件与机舱100端部的固定支架1004固定，气体滑环50设于电机定轴201和固定支架1004固定的部位。换热装置还包括与气体滑环50连通的输入管50a和输出管50b，输入管50a输送冷却气流至柔性腔体20。如图8所示，柔性腔体20设有气门芯20a，以供冷气流的输入。另外，为了保持柔性腔体20内持续有冷却气流，冷气流换热后升温的气流可经输出管50b流出，如图8所示，柔性腔体20还设有供气流输出的气门芯20a。具体即是，涡流分离器10分离出的冷气流经输入管50a输送至柔性腔体20，而冷气流换热后升温的气流则通过输出管50b可以重新回到压气机70。

可以理解，柔性腔体20不限于同时设置出口和入口，比如，只设置一个气门芯，向柔性腔体20内输入冷气流也可以，或者该气门芯同时作为输入和输出使用，先输入，换热温升到一定程度后，再将气流排出，然后再重新输入，当然，分设出口和入口为优选实施例。

请参考图13，图13为图4中气液分离器60的示意图；图14为图13中气液分离器60的凹顶盖601的示意图。

为了获得更为干燥的气流，避免冷却气流的输入对发电机200内部形成影响，可以在压气机70的上游设置气液分离器60。

如图13所示，气液分离器60包括分离筒603和设于分离筒603侧壁的进口端602，气流经进口端602以切向旋入分离筒603内。分离筒603的内壁设有多个凸包603b和/或凹坑603c，气流切向旋入后，经过凸包603b和/或凹坑603c，边界层的生长被切断，遇到凸包603b时，气流的旋转半径变大，便于气流中液体的汇聚，遇到凹坑603c时，气流的旋转半径缩小，气流被压缩，便于气态水分压缩为液态并汇聚，最终气流中的水分和气体被分开，液态气流沿分离筒603的内壁流下。分离筒603内壁的上部设有开口可供分离出液体后的气流流出，流出的干燥气流进入压气机70。图12中，开口通过设于分离筒603内壁上部的格栅603a形成，格栅603a之间的间隙即为开口，格栅603a可设置为图12中所示的竖向格栅603a。

进一步地，气液分离器60还可包括设于分离筒603顶部的凹顶盖601，凹顶盖601向分离筒603的内腔凹陷，且凹顶盖601的内表面设有多个凸包601a，如图14所示，凹顶盖601的内表面即凹顶盖601朝向分离筒603内腔的一侧表面。当气流沿分离筒603切向旋入进行气液分离后，干燥的气流会上升，但并不是气流会直接沿格栅603a形成的开口流出，而是在气压作用下，部分气流会直接上升到分离筒603的顶部，设置凹顶盖601后，这部分气流会接触的凹顶盖601的内表面，由于凹顶盖601的内表面设有凸包601a，则与上述描述的气液分离原理相同，气流在此处会再次进行气液分流，从而使得气流可进一步被干燥。

如图13所示，为了使得气液分离器60内壁分离出的液体能够快速地流出，分离筒603的底部设有导水叶栅604。该实施例提供的气液分离器60，结构简单，分离高效，使得涡流分离器10分离出的热气流和冷气流均为干燥气流，有利于输入发电机200后保持发电机200内部环境的干燥。当然，气液分离器60也可以采用已有的其他气液分离结构。

请继续参考图4，由于柔性腔体20内的气流在换热升温后回流回压气机70，所以输出管50b经气体滑环50后，流向压气机70的路径中也可设置气液分离器60，即对于回流的气流可进一步气液分离。

本实施例除了为柔性腔体20提供冷却气流，并设于机舱底座1001内的一组涡流分离器10，还设有另一组涡流分离器10，如图5所示，另一组涡流分离器10设于轮毂500内。该组涡流分离器10分离出的冷气流、热气流分配如下：

冷气流输送至下述至少一者：伺服控制器503、变桨轴承501、伺服电机502、所述柔性腔体20；和/或，

热气流输送至下述至少一者：叶片700的前缘、叶片700的后缘、轮毂500、变桨轴承501、机舱100上部的测风支架1002、偏航轴承80。如图4所示，偏航轴承80连接于机舱底座和塔筒之间，偏航轴承80的偏航电机1003设于机舱100内。

如图5所示，冷气流可以有一分支气流也进入柔性腔体20，与设于机舱底座1001的涡流分离器10共同提供冷气流。风力发电设备的轮毂500内，设有伺服控制器503，一般是控制变桨，也可以定义为变桨控制柜，另外，还设有对应的伺服电机502，图中示出一个伺服电机502和两个伺服控制器503，轮毂500内实际上一般会周向上120度间隔地设置三个伺服控制器503和三个伺服电机502，轮毂500内的涡流分流器10分离出的冷气流可以通过管路输送到所有的伺服控制器503的柜体内部和伺服电机502的内部，或者至少输送一个伺服控制器503或一个伺服电机502。伺服电机502、伺服控制器503都是热源，冷气流的输入可起到较好的冷却作用，降低热负荷，而且，该冷气流在冷却的同时显然也具备干燥作用。

鉴于此，冷气流还可以分支输送到电机轴系的其他轴承，比如变桨轴承501、偏航轴承80，同样起到冷却、干燥的作用。

对于热气流，可以输送到叶片700的前缘、叶片700的后缘，以防止叶片700结冰、结霜，具体可送到叶片700的内部靠近前缘的内部腔体或外部，或者叶片700的内部靠近后缘的内部腔体或外部。热气流输送到机舱100上部的测风支架1002，则可以起到干燥的作用，保持测风支架1002检测的灵敏度。而热气流也可以在风力发电机200不工作时，输送到变桨轴承501的外露表面和偏航轴承80的内部、轮毂500内空间或者其他部位，以起到干燥的作用，且不会增加设备的热负荷。

涡流分离器10设于轮毂500内时，可以固定于轮毂500的内壁，比如，可以在制造轮毂500时，在轮毂500的内壁预留出固接螺柱，然后将涡流分离器10通过螺栓固定到轮毂500内壁。

当然，输送至上述轮毂500、变桨轴承501、偏航轴承80、伺服电机502、伺服控制器503等部位的冷气流或热气流，也可以由设于机舱100的机舱底座1001空间内的涡流分离器10提供。不过可知，在轮毂500内单独设置涡流分离器10，产生冷气流，以供给轮毂500内或附近的热源(伺服控制器503、伺服电机502等)使用，更为可靠，且可保证充足的冷气流或热气流的流量。另外，柔性腔体20以及上述其他部位的冷却气流也可以由涡流分离器10以外的方式提供。

如图4所示，与背景技术类似，该实施例中的机舱100内也可以设置间壁式换热器300，间壁式换热器300配设有内循环引风机驱动电机301、内循环引风机302、外循环引风机驱动电机303、外循环引风机304，内、外的引风机驱动电机还均配设有引风机驱动电机变频器40。从发电机200的铁心204位置处换热出来的热气流，可360度范围由内循环引风机302引入至间壁式换热器300内，与外循环引风机304引入的外部冷气流换热后，经输送管路400再次输送至冷却气流入口孔板205，进入铁心204进行冷却。外循环气流换热后从外循环引风机排风口305排出。

从间壁式换热器300得到的冷却气流作为冷却介质，可以输向柔性腔体20，以及上述的其他的变桨轴承501、偏航轴承80、伺服电机502、伺服控制器503、轮毂500等。实际上，冷却介质除了上述的冷却气流之外，还可以是冷却液，上述的气体滑环50相应可采用液体滑环。

综上，本方案实施例中引入涡流分离器10作为冷源和热源设备，从而革新对电机轴系的保护、革新电机内部的绝缘保护(冷、热气流均可起到干燥作用)、革新保护伺服变桨系统(变桨轴承501、伺服控制器503等)使其耐环境安全可靠，对风力发电机组内，包括塔筒600吸收太阳辐射和电力电缆产热等产生的烟囱效应汇聚机舱底座1001枢纽环节后，产热与其相应的散热速率控制在机组部件、设备寿命期内的允许范围之内；风力发电设备的机组不再重复同时设置热源和冷源，一个装备同时发挥冷源和热源的双重作用，既是冷源，又是热源。可见，上述实施例及风力发电机保护的冷却、干燥节能技术领域，特别涉及对永磁风力发电机磁极和电枢绝缘系统、轴承润滑系统的保护所需的空气流的产生、输运、能量转移和能量形式的变换装置、换热装置。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。