Способ газового охлаждения электрической машины и электрическая машина с газовым охлаждением

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к системам газового охлаждения электрической машины, преимущественно турбогенератора. Способ газового охлаждения электрической машины предусматривает подачу охлажденного газа в сердечник статора в его средней части с использованием дополнительного охлаждения на входе в вентиляционные каналы статора, а зоны отвода подогретого в электрической машине газа организуют в крайних частях сердечника статора. При этом охлаждающий газ от охладителей посредством вентиляторов подают в камеру сбора охлаждающего газа, из которой его направляют на охлаждение электрической машины тремя потоками: первый поток направляют в воздушный зазор между статором и ротором, второй поток направляют в вентиляционные каналы ротора, третий поток перед подачей его в среднюю часть сердечника статора дополнительно охлаждают, а после прохождения через среднюю часть сердечника статора его изолируют в воздушном зазоре от первых двух потоков газа путем организации в воздушном зазоре специального канала, при этом подогретый газ отводят через радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора. Для осуществления указанного способа предложена электрическая машина, включающая корпус, размещенные в нем охладители с каналом дополнительного охлаждения, статор, имеющий сердечник с радиальными вентиляционными каналами, ротор, установленный в статоре с воздушным зазором и имеющий вентиляционные каналы, входы и выходы которых находятся на разных радиусах вращения, вентиляторы, установленные на валу с разных сторон бочки ротора. Газовое охлаждение такой машины обеспечивается за счет организации камер, первая из которых размещена в зоне расположения лобовых частей обмоток статора, вторая - между средней частью сердечника статора и каналом дополнительного охлаждения, третья - между крайними частями сердечника статора и охладителями, при этом радиальные вентиляционные каналы средней части сердечника статора объединены со второй камерой, а радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора объединены с третьей камерой. В воздушном зазоре установлен в аксиальном направлении специальный канал, выполненный при помощи кольцевой оболочки из немагнитного материала, края которой наглухо закреплены на внутренней поверхности расточки статора таким образом, что внутри этого канала объединены все радиальные каналы средней части сердечника статора и, по меньшей мере, такое же количество радиальных вентиляционных каналов крайних частей сердечника статора, прилегающих с обеих сторон к средней части сердечника статора, остальные радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора сообщаются с воздушным зазором. Технический результат заключается в повышении интенсивности охлаждения обмотки и сердечника статора электрической машины. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к электромашиностроению, а именно к системам газового охлаждения электрической машины, преимущественно турбогенератора, с замкнутым циклом вентиляции, при котором в качестве напорных элементов используют вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора, и вентиляционные каналы ротора, входы и выходы которых расположены на разных радиусах вращения ротора.

Известна система вентиляции электрической машины, описанная в изобретении по патенту РФ №2095916, в которой использована газовая вытяжная система вентиляции.

В электрической машине в этом случае использован сердечник статора, имеющий радиальные вентиляционные каналы, который в аксиальном направлении разделен на чередующиеся зоны подачи охлаждающего газа в каналы статора и зоны отвода подогретого газа из каналов статора.

Сердечник статора отделен от ротора на всем протяжении зазора между статором и ротором немагнитной кольцевой оболочкой. Немагнитная кольцевая оболочка закреплена на внутренней расточке статора при помощи дистанционных вставок, между которыми имеются проходы для перетока охлаждающего газа из зон подачи газа в зоны отвода газа.

В данной схеме вентиляции поток охлаждающего газа после охладителей разделяется на два газовых потока.

Первый газовый поток направляют в зоны подачи газа сердечника статора, далее поток движется по радиальным вентиляционным каналам и поступает в зазор между расточкой статора и немагнитной оболочкой. Из этого зазора по радиальным каналам зон отвода подогретого газа газ направляют в камеры, в которых расположены лобовые части обмотки статора (камеры сбора подогретого газа).

Второй газовый поток направляют в вентиляционные каналы ротора. Движение газа по каналам ротора основано на принципе самовентиляции, поскольку каналы ротора имеют входы и выходы, расположенные на различных радиусах вращения. Из вентиляционных каналов ротора подогретый газ направляется в зазор между ротором и немагнитной оболочкой, откуда он поступает в камеры сбора подогретого газа, расположенные в зонах лобовых частей обмотки статора.

В камере сбора подогретого газа оба газовых потока смешиваются и направляются на вентиляторы.

В такой схеме вентиляции немагнитная кольцевая оболочка, установленная по всей длине сердечника статора, сокращает сечение для отвода потока газа из вентиляционных каналов ротора в аксиальном направлении в сторону лобовых частей обмотки статора. Уменьшение указанного сечения приводит к сокращению расхода газа через ротор и возрастанию температуры обмотки ротора.

Кроме того, в рассмотренной схеме вентиляции лобовые части обмотки статора охлаждаются неэффективно, поскольку омываются газом, подогретым практически всеми потерями, выделяющимися в электрической машине.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом нагнетательной вентиляции, описанный в изобретении "Вращающаяся машина с охладителями в вентиляционных каналах" фирмы Hitachi, Ltd. (Патент US 6262502), авторов Kenichi Hattori, Takashi Watanabe и других. Дополнительная информация об указанном способе раскрыта в статье этих же авторов: Kenichi Hattori, Kazumasa Ide, Kenji Kobashi, and Takashi Watanabe Cigre - 2002. Air-cooled Large Turbine Generator with Inner Cooler Ventilation System (Japan).

В известном способе в качестве напорных элементов используют два вентилятора, размещенных с обеих сторон бочки ротора, и вентиляционные каналы ротора, входы и выходы которых расположены на разных радиусах вращения ротора, а в качестве вентиляционных каналов сердечника статора используют радиальные каналы.

В данном способе зону подачи охлаждающего газа в сердечник статора организуют в средней его части, подавая охлаждающий газ со стороны лобовых частей обмотки статора и дополнительно охлаждая его перед подачей его в среднюю часть сердечника статора, а зоны отвода подогретого газа из сердечника статора организуют в его крайних частях.

Способ осуществляется следующим образом.

Охлаждающий газ от основных охладителей посредством вентиляторов подают в зону расположения лобовых частей обмотки статора (камеру сбора охлаждающего газа).

Из этой камеры охлаждающий газ тремя путями направляют на охлаждение статора и ротора.

Первый поток охлаждающего газа направляют прямо в воздушный зазор между статором и ротором.

Второй поток охлаждающего газа направляют в вентиляционные каналы ротора, после прохождения которых, он поступает в воздушный зазор между статором и ротором.

Третий поток охлаждающего газа направляют на дополнительное охлаждение, после чего дополнительно охлажденный газ по радиальным вентиляционным каналам средней части сердечника статора подогретым попадает в воздушный зазор между статором и ротором.

В воздушном зазоре между статором и ротором все три потока подогретого газа смешиваются и по радиальным каналам сердечника статора, входящим в зоны отвода подогретого газа, направляются на основные охладители.

Электрическая машина, позволяющая осуществить указанный способ газового охлаждения, описана в изобретении "Вращающаяся машина с охладителями в вентиляционных каналах" фирмы Hitachi, Ltd. (Патент US 6538351) авторов Kenichi Hattori, Takashi Watanabe (Патент US 6538351). Дополнительная информация об электрической машине по указанному изобретению раскрыта в статье этих же авторов:

Kenichi Hattori, Kazumasa Ide, Kenji Kobashi, and Takashi Watanabe Cigre - 2002. Air-cooled Large Turbine Generator with Inner Cooler Ventilation System (Japan).

Известная электрическая машина включает корпус с размещенными в нем последовательно основными и дополнительными охладителями, сердечник статора, выполненный с радиальными вентиляционными каналами, ротор, установленный в статоре с воздушным зазором, имеющий каналы с входом и выходом на разных радиусах вращения ротора, вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора.

Газовое охлаждение в такой машине осуществляется за счет организации между основными узлами машины камер, обеспечивающих заданное направление движения газовых потоков.

Первая камера организована в зонах расположения лобовых частей обмотки статора и служит для сбора охлаждающего газа, поступающего из основных охладителей. Эта камера с одной стороны сообщается с вентиляторами, а с другой стороны с дополнительными охладителями, воздушным зазором и вентиляционными каналами ротора.

Вторая камера организована между дополнительными охладителями и средней частью сердечника статора, служит для подачи дополнительно охлажденного газа в сердечник статора.

Третья камера организована между крайними частями сердечника статора и основными охладителями и служит зоной для сбора подогретого газа.

Радиальные вентиляционные каналы сердечника статора и ротора сообщаются с воздушным зазором.

Известная система вентиляции электрической машины, включающая способ газового охлаждения электрической машины и электрическую машину, позволяет снизить уровень температур обмотки и активной стали в наиболее напряженной в тепловом отношении средней части сердечника статора за счет использования последовательно установленных основных и дополнительных охладителей.

В радиальные вентиляционные каналы средней части сердечника статора поступает газ из дополнительных охладителей, установленных на пути третьего потока охлаждающего газа от основных охладителей, а именно на выходе из камеры, в которой расположены лобовые части обмоток статора. При отсутствии дополнительного охлаждения в среднюю часть сердечника статора поступал бы охлаждающий газ, подогретый потерями, выделяющимися в вентиляторах, в меди лобовых частей обмотки статора и на трение бандажей о газ.

Недостатком данной системы вентиляции является встречное действие двух источников давления - вентилятора и каналов ротора в зазоре между статором и ротором напротив зоны подачи охлаждающего газа из радиальных каналов сердечника статора в зазор. Следствием этого является снижение расхода охлаждающего газа через указанную зону сердечника статора.

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является увеличение интенсивности охлаждения обмотки и сердечника статора в средней его части за счет изолирования друг от друга встречных потоков газа в воздушном зазоре между статором и ротором и упрощение устройства дополнительного охлаждения потока газа, поступающего в среднюю часть сердечника статора.

Указанная задача решается за счет того, что в заявляемом способе газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом нагнетательной вентиляции, при котором в качестве напорных элементов используют вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора, и вентиляционные каналы ротора, входы и выходы которых расположены на разных радиусах вращения ротора, а в качестве вентиляционных каналов сердечника статора используют радиальные каналы, зону подачи дополнительно охлажденного газа в радиальные каналы сердечника статора организуют в его средней части, а зону отвода подогретого газа - в крайних частях сердечника статора. Эти зоны формируют за счет организации между узлами машины камер сбора газа.

Охлаждающий газ после охладителей посредством вентиляторов подают в камеру сбора охлаждающего газа, размещенную в зонах лобовых частей обмотки статора.

Из этой камеры охлаждающий газ тремя потоками направляют для охлаждения электрической машины.

При этом первый поток охлаждающего газа направляют в воздушный зазор между статором и ротором.

Второй поток охлаждающего газа направляют в вентиляционные каналы ротора, а подогретый в них газ поступает в воздушный зазор между статором и ротором.

Третий поток охлаждающего газа направляют на вход устройства дополнительного охлаждения, выполненного в виде канала, организованного в охладителях. Далее, третий поток газа подают в камеру сбора дополнительно охлажденного газа, откуда указанный газ поступает в радиальные вентиляционные каналы средней части сердечника статора. Из этих каналов уже подогретый газ поступает в специальный канал, расположенный в воздушном зазоре между статором и ротором.

Из специального канала подогретый газ отводится по радиальным каналам сердечника статора, сообщающимся с одной своей стороны со специальным каналом, а с другой своей стороны с зонами сбора подогретого газа, через которые подогретый газ подают на охладители, что позволяет обеспечить изолирование третьего потока от смешивания с первым и вторым потоками в воздушном зазоре.

При этом смешанные в воздушном зазоре первый и второй потоки подогретого газа (за пределами специального канала) по радиальным каналам сердечника статора, сообщающимся с воздушным зазором, отводят в камеру сбора подогретого газа.

В камере сбора подогретого газа все три потока смешиваются и далее их подают на вход охладителей.

Новым в заявляемом способе является то, что третий поток газа после его прохождения через среднюю часть сердечника статора изолируют в воздушном зазоре от первых двух потоков газа путем организации специального канала.

Способ газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом нагнетательной вентиляции, при котором отвод газа, подогретого в средней части сердечника статора, осуществляют при помощи специального канала, размещенного в воздушном зазоре, не выявлен в существующем уровне техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Электрическая машина, позволяющая осуществить указанный способ газового охлаждения, включает:

- корпус,

- охладители, оборудованные каналом дополнительного охлаждения потока газа,

- сердечник статора, выполненный с радиальными вентиляционными каналами,

- ротор, установленный в статоре с зазором и имеющий каналы с входом и выходом на разных радиусах вращения ротора,

- вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора,

- несколько камер для обеспечения газового охлаждения по указанному способу.

Первая камера размещена в зонах расположения лобовых частей обмоток статора и сообщается с одной стороны с вентиляторами, с другой стороны:

- с входом в канал дополнительного охлаждения, выполненный в охладителях,

- с воздушным зазором между статором и ротором,

- с вентиляционными каналами ротора.

Вторая камера размещена между средней частью сердечника статора и каналом дополнительного охлаждения газа, организованного в охладителях.

Третья камера размещена между крайними частями сердечника статора и охладителями.

Вентиляционные каналы ротора сообщаются с одной стороны с первой камерой, а с другой стороны - с воздушным зазором.

Канал дополнительного охлаждения, организованный в охладителях, сообщается с одной стороны с первой камерой, а с другой стороны - со второй камерой, которая в свою очередь сообщается с радиальными вентиляционными каналами сердечника статора, входящими в среднюю часть сердечника статора. С другой стороны эти каналы сообщаются со специальным каналом, расположенным в воздушном зазоре.

Специальный канал расположен в аксиальном направлении и выполнен при помощи кольцевой оболочки из немагнитного материала, края которой наглухо закреплены на внутренней поверхности расточки статора. Кольцевая оболочка охватывает радиальные каналы средней части сердечника статора и, по меньшей мере, такое же количество радиальных вентиляционных каналов крайних частей сердечника статора, прилегающих с обеих сторон к средней части сердечника статора.

Оставшиеся радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора сообщаются с воздушным зазором.

При таком конструктивном решении электрической машины исключена связь газового потока, протекающего через среднюю часть сердечника статора под действием давления, создаваемого вентиляторами, с потоком газа, протекающим через каналы ротора под действием давления, создаваемого каналами ротора.

Новым в заявляемом устройстве является:

- выполнение устройства дополнительного охлаждения в виде дополнительного канала охлаждения, организованного в охладителях;

- введение специального канала, расположенного в воздушном зазоре в аксиальном направлении и выполненного при помощи кольцевой оболочки из немагнитного материала, края которой наглухо закреплены на внутренней поверхности расточки статора таким образом, что она охватывает радиальные каналы средней части сердечника статора и, по меньшей мере, такое же количество радиальных каналов крайних частей сердечника статора, прилегающих с обеих сторон к средней части сердечника статора.

Признак "расположение в воздушном зазоре в аксиальном направлении кольцевой оболочки из немагнитного материала, закрепленной на внутренней расточке статора" известен из уровня техники (патент РФ №2095916), однако, в данной конструкции этот признак используется в совокупности с другими признаками: "края оболочки наглухо закреплены на внутренней поверхности расточки статора таким образом, что она охватывает радиальные каналы средней части сердечника статора и, по меньшей мере, такое же количество радиальных каналов крайних частей сердечника статора, прилегающих с обеих сторон к средней части сердечника статора".

Специальный канал, выполненный в этой совокупности указанных признаков, позволяет решить задачу изолирования встречных потоков газа в воздушном зазоре между статором и ротором в рассматриваемой конструкции, при этом не сокращается расход газа через ротор.

Перечисленные выше доводы позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого устройства условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где изображена электрическая машина, в которой использовано газовое охлаждение с замкнутым циклом нагнетательной вентиляции.

Электрическая машина включает корпус 1, размещенные в нем статор 2, имеющий сердечник с радиальными вентиляционными каналами 3, ротор 4, установленный в статоре 2 с воздушным зазором 5 и имеющий вентиляционные каналы 6, охладители 7 с организованным в них каналом дополнительного охлаждения 8, вентиляторы 9, установленные с обеих сторон бочки ротора 4.

В воздушном зазоре расположен специальный канал 10, выполненный из кольцевой оболочки, края которой наглухо закреплены на внутренней поверхности расточки статора 2.

Газовое охлаждение электрической машины обеспечивается за счет организации трех камер: первой камеры 11, размещенной в зонах расположения лобовых частей обмотки статора 2, второй камеры 12, размещенной между средней частью сердечника статора 2 и каналом дополнительного охлаждения 8, и третьей камеры 13, размещенной между крайними частями сердечника статора 2 и охладителями 7.

Такое расположение камер обеспечивает организацию зоны подачи дополнительно охлаждающего газа в средней части сердечника статора 2, а зон отвода охлаждающего газа в крайних частях сердечника статора 2.

Радиальные каналы 3, входящие в среднюю часть сердечника статора 2, сообщаются посредством специального канала 10 с таким же количеством радиальных каналов 3, входящих в крайние части сердечника статора. Остальные радиальные каналы 3, входящие в крайние части сердечника статора 2, сообщаются с воздушным зазором 5.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Охлажденный поток газа от охладителей 7 подают посредством вентиляторов 9 в камеру 11.

Из камеры 11 первый поток охлаждающего газа подают в зазор 5, второй поток охлаждающего газа подают в каналы 6 ротора 4, из которых второй поток газа направляется в зазор 5.

Третий поток охлаждающего газа из камеры 11 подают через канал дополнительного охлаждения 8, организованный в охладителях 7, в камеру 12, из которой этот поток газа направляется в радиальные каналы 3, входящие в среднюю часть сердечника статора 2, откуда через специальный канал 10 и радиальные каналы 3, входящие в крайние части сердечника статора, входы которых расположены в специальном канале 10, этот поток поступает в камеру 13.

В зазоре 5 первый и второй потоки подогретого газа смешиваются и их отводят через радиальные каналы 3, входящие в крайние части сердечника статора, в камеру 13.

Все три газовые потока смешиваются в камере 13, после чего их подают в охладители 7.

Таким образом, указанное техническое решение осуществляется промышленным способом, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности "промышленная применимость".

1. Способ газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом нагнетательной вентиляции, при котором в качестве напорных элементов используют вентиляторы и вентиляционные каналы ротора, входы и выходы которых находятся на разных радиусах вращения, а в качестве вентиляционных каналов сердечника статора - радиальные каналы, заключающийся в том, что зону подачи дополнительно охлажденного газа в сердечник статора организуют в его средней части, а зоны отвода подогретого газа - в его крайних частях, при этом охлаждающий газ от охладителей посредством вентиляторов подают в камеру сбора охлаждающего газа, из которой его направляют на охлаждение электрической машины тремя потоками так, что первый поток направляют в воздушный зазор между статором и ротором, второй поток направляют в вентиляционные каналы ротора, третий поток перед подачей в среднюю часть сердечника статора дополнительно охлаждают и направляют в радиальные вентиляционные каналы средней части сердечника статора, а подогретый газ отводят через радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора, отличающийся тем, что третий поток охлаждающего газа после его прохождения через среднюю часть сердечника статора изолируют в воздушном зазоре от первых двух потоков газа путем организации в нем аксиального канала.

2. Электрическая машина с газовым охлаждением, включающая корпус, размещенные в нем охладители, устройство дополнительного охлаждения, статор, имеющий сердечник с радиальными вентиляционными каналами, ротор, установленный в статоре с воздушным зазором и имеющий вентиляционные каналы, входы и выходы которых находятся на разных радиусах вращения, вентиляторы, установленные на валу с разных сторон бочки ротора, в которой газовое охлаждение обеспечивается за счет организации камер, первая из которых размещена в зоне расположения лобовых частей обмоток статора, вторая камера - между средней частью сердечника статора и устройством дополнительного охлаждения, третья камера - между крайними частями сердечника статора и охладителями, при этом входы радиальных вентиляционных каналов средней части сердечника статора объединены со второй камерой, а радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора объединены с третьей камерой, отличающаяся тем, что устройство дополнительного охлаждения выполнено в виде канала дополнительного охлаждения, организованного в охладителях, а в воздушном зазоре установлен аксиальный канал, выполненный при помощи кольцевой оболочки из немагнитного материала, края которой наглухо закреплены на внутренней поверхности расточки статора таким образом, что внутри этого канала объединены все радиальные каналы средней части сердечника статора и по меньшей мере такое же количество радиальных вентиляционных каналов крайних частей сердечника статора, прилегающих с обеих сторон к средней части сердечника статора, остальные радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора сообщаются с воздушным зазором.