Устройство для получения электрической энергии при помощи гидроэлектрического генераторного агрегата

 

Устройство предназначено для выработки электроэнергии. Устройство содержит электрогенератор с ротором и турбину, включающую рабочее колесо, вал рабочего колеса, установленный в направляющем подшипнике, подпятник вала и отсасывающую трубу. Рабочее колесо турбины выполнено в виде трубы, жестко соединенной спицами с валом рабочего колеса. Лопатки рабочего колеса размещены на внешней поверхности трубы и снабжены узлами регулирования их наклона. Электрогенератор имеет торцовую форму исполнения и размещен во внутренней полости трубы. Ротор электрогенератора выполнен двухсторонним, его магнитопроводы с катушками возбуждения размещены с воздушными зазорами между верхним и нижним торцовыми магнитопроводами статора электрогенератора и жестко закреплены на спицах рабочего колеса. Верхний торцовый магнитопровод статора размещен в желобе, имеющем возможность вертикального смещения для изменения осевого расстояния между магнитопроводами статора. Подпятник вала рабочего колеса снабжен регулировочным устройством для вертикального смещения рабочего колеса и жестко связанного с ним ротора. В конструкции предусмотрена возможность регулировки обоих воздушных зазоров между поверхностями магнитопроводов статора и ротора. Устройство позволяет уменьшить капиталовложения и получить более дешевую электроэнергию. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к устройствам для получения электрической энергии при помощи гидроэлектрических вертикальных генераторных агрегатов, оснащенных турбиной и электрогенератором. Оно может найти применение в электроэнергетической отрасли при создании мощных энергетических систем с использованием генераторных агрегатов уменьшенных габаритов и массы.

Известны устройства [Домбровский В.В и др. Проектирование гидрогенераторов, ч. 2. Конструкции. Механические расчеты. - М.: Энергия, 1968, с. 17-288; Видеман Е. и др. Конструкции электрических машин. - Л.: Энергия, 1972, с. 87-102; Абрамов А.И. и др. Расчет и конструирование гидрогенераторов. - М.: Высшая школа, 1964] для получения электроэнергии от гидроэлектрического генераторного агрегата вертикального исполнения, в которых ротор электрогенератора находится на одном валу с рабочим колесом турбины, сопрягаясь с ним при помощи фланцевого соединения, а статор электрогенератора охватывает ротор по его наружной цилиндрической поверхности. Турбина располагается под электрогенератором. Недостатками всех таких устройств для получения электрической энергии являются большие осевые габариты генераторного агрегата, сложность его конструкции в целом. Расположение статора снаружи ротора увеличивает радиальные размеры электрогенератора.

Все это приводит к увеличению объема строительно-монтажных работ и капиталовложений при сооружении гидроэлектростанции.

В известных устройствах для получения электрической энергии при изготовлении электрогенератора и турбины расходуется большое количество конструкционной и специальной стали, что определяет высокую стоимость агрегата.

По технической сущности наиболее близким к заявляемому изобретению может считаться гидроагрегат [SU 1227827 А1, МПК F 03 В 3/00, 30.04.1986], содержащий электрогенератор с ротором и турбину, включающую рабочее колесо, вал рабочего колеса, установленный в направляющем подшипнике, подпятник вала и отсасывающую трубу. Его недостатками являются увеличенные радиальные размеры, что связано с конструктивным исполнением электрогенератора, в котором статор охватывает ротор по его наружной цилиндрической поверхности и тем самым увеличивает радиальные размеры агрегата, а также сложность конструктивных форм вала и диска ротора, имеющих конические поверхности сопряжения, что приводит к усложнению технологии изготовления элементов конструкции и повышению стоимости агрегата в целом.

Турбина расположена под ротором генератора, что увеличивает аксиальные размеры всего агрегата.

В известной конструкции отсутствует регулировка величины воздушного зазора между магнитопроводами статора и ротора, что приводит к неполному использованию технико-экономических показателей электрического генератора.

Поскольку диск рабочего колеса турбины известной конструкции агрегата опирается на подпятник, не исключена протечка воды на подпятник.

Заявляемое изобретение решает задачу создания устройства для получения электрической энергии при помощи вертикального гидроэлектрического генераторного агрегата, отличающегося уменьшенными габаритами и массой, что позволит снизить стоимость полученной электроэнергии за счет снижения капиталовложений в строительство гидроэлектростанции, упрощения конструкции гидроагрегата и улучшения условий его технического обслуживания.

Это достигается тем, что в устройстве для получения электрической энергии при помощи вертикального гидроэлектрического генераторного агрегата, содержащего электрогенератор с ротором и турбину, включающую рабочее колесо, вал рабочего колеса, установленный в направляющем подшипнике, подпятник вала и отсасывающую трубу, в отличие от прототипа рабочее колесо турбины выполнено в виде трубы, жестко соединенной спицами с валом рабочего колеса, лопатки рабочего колеса размещены на внешней поверхности трубы и снабжены узлами регулирования наклона, а электрогенератор имеет торцовую форму исполнения и размещен во внутренней полости трубы, причем ротор электрогенератора выполнен двухсторонним, его магнитопроводы с катушками возбуждения размещены с воздушными зазорами между верхним и нижним торцевыми магнитопроводами статора электрогенератора и жестко закреплены на спицах рабочего колеса.

При этом верхний торцовый магнитопровод статора размещен в желобе, имеющем возможность вертикального смещения для изменения осевого расстояния между магнитопроводами статора, а подпятник вала рабочего колеса снабжен регулировочным устройством для вертикального смещения рабочего колеса и жестко связанного с ним ротора.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведен поперечный разрез генераторного агрегата. На фиг.2 показан способ крепления спиц к валу рабочего колеса. На фиг.3 дан фрагмент двухсторонней магнитной системы ротора.

Гидроэлектрический генераторный агрегат содержит электрогенератор и турбину.

Электрогенератор расположен во внутренней полости рабочего колеса 17 турбины. Он состоит (фиг.1) из двух одинаковых кольцевых магнитопроводов 1 и 2 статора, верхнего и нижнего, с обращенными друг к другу рабочими поверхностями. В пазах магнитопроводов 1 и 2 уложены m-фазные обмотки 3 и 4. Магнитопровод 1 жестко закреплен в желобе 5, который, в свою очередь, базируется на верхней крестовине 6. Крестовина 6 опирается на бетонный фундамент. В ней предусмотрено устройство для перемещения желоба 5 с целью установки необходимой величины воздушного зазора Δ₁ между магнитопроводом 1 статора и верхними полюсами ротора 7. В крестовине также установлен направляющий подшипник 8.

Магнитопровод 2 статора жестко закреплен на нижней крестовине 9, которая базируется на бетонном фундаменте. На нижней крестовине размещен направляющий подшипник 10. Фиксация верхней крестовины 6 и нижней крестовины 9 осуществляется известными способами, например, с помощью анкерных болтов.

Между магнитопроводами 1 и 2 статора расположен плоский кольцевой ротор электрогенератора, который конструктивно совмещен с рабочим колесом турбины (фиг.2). Остов ротора состоит из втулки 12 с расположенными на ней кольцевыми дисками 14 и 15, а также спиц 13. Втулка фиксируется неподвижно на валу 11. С одной стороны спицы 13 крепятся при помощи болтов к кольцевым дискам 14 и 15, а с другой стороны они жестко присоединяются к внутренней поверхности рабочего колеса турбины. На спицах 13, в пространстве между внутренней поверхностью рабочего колеса турбины и кольцевыми дисками 14 и 15, сверху и снизу (фиг.3), укреплены ободья ротора, состоящие из отдельных элементов в форме части кругового кольца 20. Между элементами существуют зазоры, образующие пазы для хвостов полюсных сердечников. В пазах ободьев, сверху и снизу, крепятся полюса 21 с катушками возбуждения 22, образуя вместе с отдельными элементами верхний и нижний магнитопроводы двухстороннего ротора с двумя рабочими поверхностями, обращенными к рабочим поверхностям обоих магнитопроводов статора.

Вал генераторного агрегата 11 (фиг.1, 2) расположен вертикально, базируется по высоте в двух направляющих подшипниках 8 и 10, а также опирается на подпятник 19, находящийся в масляной ванне 27.

Вал снабжен центральным отверстием 16, которое используется для токоподвода от контактных колец источника питания к катушкам возбуждения полюсов. Над верхней крестовиной располагается возбудитель 28 электрогенератора.

Между спицами 13 с внешней стороны рабочего колеса 17 расположены лопатки 18 с узлами крепления и механизмом поворота лопаток 29.

Для предотвращения протечки воды в электрогенератор служат два уплотняющих устройства, верхнее 23 и нижнее 24.

С целью установки необходимой величины воздушного зазора Δ₁ между верхним магнитопроводом 1 и верхней поверхностью ротора предусмотрено регулировочное устройство, которое содержит, в частности, резьбовые шпильки, жестко связанные с желобом 5, входящие в отверстия крестовины 6.

Каждая шпилька снабжена двумя гайками, одна из которых расположена над крестовиной 6, а другая - под ней. Гайки служат для фиксации желоба 5 в требуемом положении по вертикали относительно крестовины 6. Для перемещения вниз желоба 5, жестко связанного с магнитопроводом 1, освобождают верхние гайки шпилек и довертывают до контакта с крестовиной 6 нижние гайки. Тем самым осуществляют фиксацию желоба 5 в необходимой позиции относительно крестовины 6. При необходимости смещения желоба вверх освобождают нижние гайки шпилек и довертывают верхние гайки.

Для установки необходимой величины воздушного зазора Δ₂ между нижним магнитопроводом и нижней поверхностью ротора предусмотрен механизм подъема подпятника. Этот механизм содержит горизонтальный вал, расположенный снизу подпятника, снабженный жестко связанным с ним кулачком, который находится в контакте с подпятником. Приводной конец вала выходит за пределы габаритов гидроагрегата. При повороте вала на некоторый угол его кулачок, воздействуя на подпятник, вызывает вертикальное смещение вала 11 генераторного агрегата.

Устройства для регулировки зазоров Δ₁ и Δ₂ могут иметь и иные конструктивные исполнения. При равенстве Δ₁ и Δ₂ силы притяжения между верхним магнитопроводом статора и верхним магнитопроводом ротора, а также между нижним магнитопроводом статора и нижним магнитопроводом ротора равны и направлены в разные стороны. При Δ₁< Δ₂ возникает результирующая сила, направленная по оси вала вверх, которая частично разгружает подпятник генераторного агрегата и улучшает условия его работы.

Гидроэлектрический генераторный агрегат работает следующим образом. Вода из напорного коллектора через направляющий аппарат 25 подается на лопатки 18 рабочего колеса 17 турбины. В случае достаточного напора вода преодолевает механическое сопротивление и начинает вращать ротор генераторного агрегата. При подаче тока в обмотки возбуждения электрогенератора образуется вращающееся магнитное поле, которое наводит в обмотках магнитопроводов 1 и 2 статора электродвижущую силу. Из рабочей кольцевой камеры 26 вода уходит в отводной кольцевой коллектор. В процессе работы генераторного агрегата, в зависимости от режима нагрузки, возможен поворот лопаток турбины при помощи регулировочного устройства 29.

Предлагаемое устройство для получения электрической энергии позволяет снизить габариты и массу генераторного агрегата, упростить его конструкцию, улучшить техническое обслуживание, а также уменьшить капиталовложения при строительстве гидроэлектростанций, что, в конечном счете, позволит производить более дешевую электроэнергию.

Все элементы конструкции транспортабельны по размерам и допускают монтаж гидроэлектрического генераторного агрегата непосредственно на строительной площадке.

Формула изобретения

1. Устройство для получения электрической энергии при помощи вертикального гидроэлектрического генераторного агрегата, содержащего электрогенератор с ротором и турбину, включающую рабочее колесо, вал рабочего колеса, установленный в направляющем подшипнике, подпятник вала и отсасывающую трубу, отличающееся тем, что рабочее колесо турбины выполнено в виде трубы, жестко соединенной спицами с валом рабочего колеса, лопатки рабочего колеса размещены на внешней поверхности трубы и снабжены узлами регулирования их наклона, а электрогенератор имеет торцовую форму исполнения и размещен во внутренней полости трубы, причем ротор электрогенератора выполнен двусторонним, его магнитопроводы с катушками возбуждения размещены с воздушными зазорами между верхним и нижним торцевыми магнитопроводами статора электрогенератора и жестко закреплены на спицах рабочего колеса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхний торцовый магнитопровод статора размещен в желобе, имеющем возможность вертикального смещения для изменения осевого расстояния между магнитопроводами статора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подпятник вала рабочего колеса снабжен регулировочным устройством для вертикального смещения рабочего колеса и жестко связанного с ним ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3