一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片及齿轮箱冷却系统的制作方法

1.本实用新型属于热量交换设备技术领域，具体涉及一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片及齿轮箱冷却系统。


背景技术：

2.冷却器翅片的基本作用是支撑翅道，传导热量，建立热、冷介质的换热载体和换热条件。设计翅片的形式需要兼顾换热能力、制造成本、冷却器的运行寿命、流程阻力、换热效率和设备体积以及安装方式等条件。
3.传统的翅形设计往往最关注的是换热强度和生产成本，以提高单位面积的换热能力和减小设备的重量为首要条件进行设计开发，基于这些考虑，现有的冷却器的翅形比较单一，没有根据配套主设备运行环境的变化和应用场景的变化而改进翅形设计，翅片设计会选择沿程阻力高，结构复杂的翅型，这样可以实现单位面积尽可能高的换热强度，同时也可以缩小冷却器的体积。但是这种设计的冷却器在投入使用后，尤其是在一些高载工况的设备配套时，翅形内部阻力大，容易被冷介质携带的各种污染物阻塞翅道，大概率会出现翅道内部的快速阻塞的问题，风阻持续上升，导致翅道内通流冷介质流量越来越小，冷却器的工作功率快速减低，使得冷却效果无法满足主设备的运行需要。这样的翅形在污染后，因为内部的结构复杂，多采用开窗或压开形的设计，无法通过彻底的清洗重新恢复其通畅性，反而会逐步堵塞严重，运行的阻塞会导致冷却器的功率大幅度下降，甚至于导致冷却器报废。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片及齿轮箱冷却系统，解决传统翅片易被污染阻塞，导致冷却器功率降低的问题。
5.为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
6.本实用新型公开了一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，包括翅道，翅道表面形成有若干个间隔设置的凸痕，所述凸痕为非对称三角形形状，凸痕的迎风侧的内角为锐角，凸痕的内角为锐角。
7.优选地，所述翅道的长宽比为6:1。
8.进一步优选地，所述翅道的宽度按照冷却器的整体尺寸进行配置。
9.优选地，所述翅片采用铝制材料制成。
10.优选地，凸痕的高度不超过翅道宽度的1/3。
11.进一步优选地，凸痕的长度为5～9mm。
12.优选地，凸痕的高度和宽度的比值为0.08～0.14。
13.优选地，凸痕的迎风侧的内角为5
°
～10
°
。
14.优选地，凸痕的内角为60
°
～75
°
。
15.本实用新型还公开了一种齿轮箱冷却系统，包括多个上述翅片。
16.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
17.本实用新型提供的一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，翅片本体为敞开式低延阻翅形，翅片上的凸痕设计兼顾通过性和导热能力的综合性能，将翅道的通畅性和防污染能力作为设计核心指标，从设计方面解决翅形设计结构复杂和运行环境不能有效耦合的缺点。该翅片结构简单、外形平滑且换热当量高，翅形和翅道结构会根据应用场景和配套设备的运行特点进行二次配置，保证冷却器的尽可能长的运行时间和稳定的运行能力。新设计的迎风侧锐角形凸痕翅片的优点是延程内阻小，空气激振力便于控制，可以在不同截面的翅道内调整凸痕的数量和高度，这样可以非常容易实现最佳的结构配置条件，实现较佳的应用效果。迎风侧锐角形凸痕在加工时比较容易实现，迎风侧锐角形的设计是保证迎风面的角度可以更小，在确定凸痕总高度的情况下保证迎风角度最小，这样不容易引起污染物的积存，能够保证翅片的长期使用的可靠性。新的翅形设计的迎风侧锐角形凸痕，这种翅形第一个优点是减少了翅道表面的折角影响，减少沿程阻力。凸痕凸起和平直的翅道侧面在断面上形成了一个对称的喷嘴形式，让冷介质发生气流扰动，破坏边界层流的效应，让空气流束产生激振。这样可以使得空气实现混热效果，混热的频率越高越充分，翅道的导热能力越强。迎风侧锐角形的凸痕的第二个优点是迎风面角度可以做到最小，这样不容易出现空气的高速流动转折而产生污染物的聚集现象。迎风侧锐角形的凸痕的形式优点是引起的空气扰动峭度小，这样就不容易在凸痕前形成流场涡流，凸痕的背风侧是一个斜边，可以根据设计条件调整斜度，这个凸痕是一个非对称的形状，这样的设计可以避免空气流动出现层膜效应。流场涡流是流畅内阻的主要因素之一，迎风侧锐角形的凸痕形状能最大限度减小流场涡流。迎风侧锐角形凸痕的第三个优点是利于清洗，流道内没有阴角结构，整个流道内形状平滑，污染物的积存条件弱。如果发生了需要清洗的污染物积存，迎风侧锐角形凸痕是很容易进行清洗的，从入口侧进行清洗，可以采用清洗剂加清水冲洗的方式，也可以采用机械手段进行直接清扫，都可以将污染物彻底清理干净，冷却器的能力完全恢复。此外，凸痕间隔设置能够保证翅道截面积，能够保证空气的流量，同时凸痕的形状可以让空气产生激振，避免流场内形成绝热的边界层流现象，凸痕可以破坏层流现象，增加换热能力。因为激振效应的存在，空气在翅道内流动时，受到凸痕的扰动影响，空气流动会出现扰动和混流，而这种混流会增加延程内阻。为了控制激振能力和混流的相互作用，保证翅道的通畅、换热效果好、不易积存污垢、便于清理等设计目的的实现，要对凸痕的形式和布置间距进行专门的设计。由于在特定的运行阶段和环境中，空气中混杂着很多灰尘、植物毛絮纤维，还有齿轮箱和其他润滑机械的油液挥发物，这些污染物混合经过冷却器的外翅道，会在外翅道的通道内形成污染和积存。实验验证采用了本实用新型的翅片，运行数年后可以观察到翅道内没有积存的团状植物纤维，也没有积存的明显的污垢，翅道内积存的灰尘也很少。该翅片能够应用于空-水冷、空-油冷、空-空冷换热器等领域，特别是应用于齿轮箱冷却系统中，选配风量更大的风扇会获得更好的冷却效果，从而能够保证翅片常年的清洁，保证齿轮箱冷却系统长时间的冷却效果。
18.进一步地，迎风侧锐角形的突起高度不超过翅道宽度的1/3，这种迎风侧锐角形的凸痕是单方向的，迎风方向是锐角的斜边，空气顺着斜边流动。在冷却器清洗时，从迎风方向可以方便的实现压力水透洗或者是机械方法的清扫，彻底解决了以往弯曲式和压开式翅形的缺点，使得冷却器的服役时间明显的延长。
附图说明
19.图1为本实用新型的迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片的翅道的示意图；
20.图2为本实用新型的迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片的立体图；
21.图3为本实用新型的迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片安装于齿轮箱冷却系统中的示意图。
22.其中：1-翅道；2-凸痕；3-迎风侧；4-齿轮箱；5-润滑油泵；6-过滤器；7-冷却器；8-冷却器风扇。
具体实施方式
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
24.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
25.下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
26.本实用新型提供的一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，包括翅道1，翅道1的长宽比为6:1，翅道1的宽度可以按照冷却器的整体尺寸进行配置，优选为2.0～3.0mm。
27.参见图1和图2，翅道1表面形成有若干个间隔设置的凸痕2，凸痕2一侧为迎风侧3，另一侧为背风侧，迎风侧与背风侧相交处为凸痕2；凸痕2的迎风侧3和背风侧与翅道1表面共同形成非对称三角形。凸痕2的迎风侧3的内角为5
°
～10
°
，凸痕2的内角为60
°
～75
°
。翅片依靠这些凸痕2产生对空气介质的激振和扰动作用，在很低内阻的情况下能够实现理想的混热效果和换热能力。凸痕2的高度不超过翅道1宽度的1/3，优选高度为翅道1宽度的1/6～1/4，进一步优选为0.4～0.7mm，具体的高度取决于翅道1的长度设计和不同的应用环境。如果污染机制非常显著，则会选择较低的凸痕2高度，否则反之。凸痕2的长度为5～9mm，高宽比为0.08～0.14，这个高宽比会使得迎风侧迎风角的角度很小，出风角的角度很大，整个凸痕2呈非对称的形状，没有阴角的产生，局部涡流很弱甚至于没有，这就能在激振空气的同时减小积存污染物的可能性，空气在流动时不发生急剧的换向流动，也就不产生污染物的抛离现象。凸痕2的布置密度依据风扇的全压水平进行调整，第一个凸痕2距离翅道1的进口之间留有间隙，间隙约8～12mm；如果风扇的全压较高时，可以多布置凸痕2，反之则少布置凸痕2。
28.本实用新型提供的迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片的工作原理为：在翅道1宽度超过一半以上的距离内，通道是敞开的。在翅道1表面做出迎风侧锐角的凸痕2，凸痕2的高
度在翅道1宽度的1/3～1/4范围内，这些凸痕2起到的作用是激振流场内空气介质，使得空气流动时发生混合和扰动，这样能使得空气流动时减小边界层流的效应，能够使得空气混热充分，能够携带走更多的热量。凸痕2能激振流道内的高速流动空气，依据的是流场连续性原理和喷组原理。一个流道内截面发生变化，流道的断面变化或者流道粗糙度的变化都会引起介质流速的改变和方向的改变。空气是低密度介质，流动方向改变和流速改变后，就会产生明显的扰动和混合效应。
29.对上述迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片的效果进行验证：
30.1.将上述迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片与传统翅片的各项参数进行比较，比较结果参见表1：
31.表1新型翅片与传统翅片各项参数比较
[0032][0033]
由表1可看出，新型翅片在配套同样的冷却风扇的条件下，翅道1的沿程阻力明显降低，导热系数略微下降，风扇电机的电流上升电机负载增加，翅道1入口风速明显提升，单位通风量明显升高，印证了新型翅片沿程阻力降低，通风量上升，冷却器整体换热量增加的设计成果，通风量上升以后，风扇驱动电机负载必然会升高，翅道1入口风速提高，翅道1不容易发生污染物沉积。
[0034]
2.将上述迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片应用于齿轮箱冷却系统进行效果验证：
[0035]
齿轮箱冷却系统的设计条件应该是在环境温度40℃，机舱温度45℃时，能够保证齿轮油运行油温不超过75℃，此时上端差为30℃，这是风机齿轮箱冷却器的最极端工况。设计中存在的问题是冷却器在运行过程中会出现功率衰减，油温达到75℃时，外部条件明显较低，在实际运行中，往往在环境温度只有20℃左右就出现油温高于75℃的情况，齿轮箱就开始限功率运行，风机损失很多的发电能力和电量，对原装齿轮箱冷却系统的各项参数检测结果如表2所示：
[0036]
表2原装齿轮箱冷却系统工作时的各项参数
[0037][0038]
从表2可以看出，这台风机在环境温度测点指示温度33℃左右发生油温高于75℃的故障，风机在满发风速下功率频繁波动，风机已经处于限功率运行的状态，此台风机存在油温超限的问题，可以作为技改风机进行技改方案验证。
[0039]
2018年11月的实验过程中，参见图3，在这台风机型上安装了采用上述设计的翅片制造的冷却器7，新设计的翅形使用在冷却器7的冷介质侧翅道，冷介质设计流量约为每小时15000～20000万立方左右，冷却器7与风筒相连，风筒和冷却器风扇8通过电机相连。冷却器7的作用是冷却齿轮箱4内的润滑油，齿轮箱4运行时，润滑油会因为机械的运转而产生高温，为了保证润滑的稳定，必须经过冷却装置来控制油温。冷却器7的工作原理为油液流过冷却器7内部，流经翅片管形成的腔体，将热量传导到翅片管表面，同时冷却空气流过翅片管表面布置的翅片通道，将热量带走形成冷热交换流程。本方案中的产品形式特指翅片管表面的空气侧翅片，空气流经翅道1，经过翅片表面带走热量。翅片的形式应尽力实现较高的导热能力，不易污染堵塞，容易清洗，持久耐用，长期保持清洁可维护。将新设计的装有迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片的齿轮箱冷却系统运行至2019年的8月，采集数据进行对比分析，分析结果参见表3：
[0040]
表3装有迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片的齿轮箱冷却系统工作时的各项参数
[0041][0042][0043]
从表3的数据可以看出，在同样带高负荷运行期间，环境温度和机舱温度同比都高于2016年8月的情况下，油温明显较低，而且在运行数年后可以观察到翅道1内没有积存的团状植物纤维，也没有积存的明显的污垢，翅道1内积存的灰尘也很少，说明空气在翅道1内流动时因为凸痕2的翘度作用使得空气流动发生偏转流动，这种流动会破坏空气和翅片表面的边界层流，边界层流会形成一个绝热层不利于翅片导热。设计的凸痕2高或者是凸痕2布置密，能起到更好的破坏边界层流的作用，但是会极大的影响空气流速同时造成翅道1狭窄，进而影响通风量，最终导致冷却器7的换热量不足造成换热能力不满足主设备的冷却需求。而采用上述迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片的设计形式突出的能力是有极好的空气通过性，作为冷源的空气能持续的保证正常的流量是冷却装置稳定运行的最主要前提。此种
翅型保证了空气的流量，翅道1内部不容易出现污染物堵塞，可以长期保证空气的流量，翅道1保持清洁，减少了设备维护的难度和消耗的人力。根据多年的实际验证，有瑕疵的翅型设计造成的冷却器功能的退化和丧失是不可逆的，在设计寿命期内往往会因为污染而提前淘汰报废，造成很大的浪费，极佳的翅型设计是冷却器设计的核心技术，而迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片能很好地解决传统翅型设计出现的问题。
[0044]
以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，其特征在于，包括翅道(1)，翅道(1)表面形成有若干个间隔设置的凸痕(2)，所述凸痕为非对称三角形形状，凸痕(2)的迎风侧(3)的内角为锐角，凸痕(2)的内角为锐角。2.根据权利要求1所述的一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，其特征在于，所述翅道(1)的长宽比为6:1。3.根据权利要求2所述的一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，其特征在于，所述翅道(1)的宽度按照冷却器的整体尺寸进行配置。4.根据权利要求1所述的一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，其特征在于，所述翅片采用铝制材料制成。5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，其特征在于，凸痕(2)的高度不超过翅道(1)宽度的1/3。6.根据权利要求5所述的一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，其特征在于，凸痕(2)的长度为5～9mm。7.根据权利要求1～4任意一项所述的一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，其特征在于，凸痕(2)的高度和宽度的比值为0.08～0.14。8.根据权利要求1～4任意一项所述的一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，其特征在于，凸痕(2)的迎风侧(3)的内角为5
°
～10
°
。9.根据权利要求1～4任意一项所述的一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片，其特征在于，凸痕(2)的内角为60
°
～75
°
。10.一种齿轮箱冷却系统，其特征在于，包括多个权利要求1～9任意一项所述的翅片。

技术总结
本实用新型公开了一种迎风侧锐角形非对称浅压痕翅片及齿轮箱冷却系统，属于热量交换设备技术领域。该翅片包括翅道，翅道表面形成有若干个间隔设置的凸痕，所述凸痕为非对称三角形形状，凸痕的迎风侧的内角为锐角，凸痕的内角为锐角；翅道的长宽比为6:1，凸痕的迎风侧与翅道表面形成的夹角为5


技术研发人员：刘晓 闫伟 鲍然 吴海军 丰林 辛宇明 王德海 李军峰 李长志 刁姝文 潘鹏
受保护的技术使用者：华电吉林大安风力发电有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/13