Способ газового охлаждения электрической машины и электрическая машина

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к системам газового охлаждения электрической машины, преимущественно турбогенератора, с замкнутым циклом вентиляции. Технический результат заключается в повышении интенсивности охлаждения обмотки и активной стали сердечника статора. Электрическая машина включает корпус, размещенные в нем статор, имеющий сердечник с радиальными вентиляционными каналами и каналами, имеющими вход и выход на наружной поверхности сердечника статора. Ротор имеет вентиляционные каналы. В статоре установлены с воздушным зазором охладители, имеющие канал дополнительного охлаждения. Вентиляторы установлены с обеих сторон бочки ротора. Газовое охлаждение электрической машины обеспечивается за счет организации трех камер: первой камеры, размещенной в зонах расположения лобовых частей обмотки статора, второй камеры, размещенной между средней частью сердечника статора и каналом дополнительного охлаждения, и третьей камеры, размещенной между крайними частями сердечника статора и охладителями. Радиальные каналы крайних частей сердечника статора сообщаются с одной стороны с воздушным зазором, с другой стороны - с третьей камерой. Каналы в средней части сердечника статора с одной стороны сообщаются со второй камерой, с другой стороны при помощи газосборных воздуховодов сообщаются с третьей камерой. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Заявляемая группа изобретений 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.

Известна вытяжная система вентиляции электрической машины, описанная в статье "Type-tested air-cooled turbo-generator in the 500 MVA range" R.Joho, J.Baumgartner, T.Hinkel, C.E.Stephan, M.Jung Cigre-2000, в которой при помощи напорных элементов, например, двух вентиляторов, размещенных с обеих сторон бочки ротора, и каналов ротора, входы и выходы которых расположены на разных радиусах вращения ротора, охлаждающий газ от охладителей подают тремя параллельными потоками в вентиляционные каналы статора и ротора, а подогретый в них газ направляют на охладители через камеру сбора подогретого газа, причем организуют камеру сбора подогретого газа в пространстве между охладителями и наружной поверхностью сердечника статора.

Два основных потока охлаждающего газа направляют от охладителей через камеру сбора охлажденного газа, которая расположена в зоне размещения лобовых частей обмотки статора, в воздушный зазор между статором и ротором и вентиляционные каналы ротора.

Первый поток газа подогревается в зазоре между статором и ротором, и по радиальным каналам крайних зон сердечника статора его направляют в камеру сбора подогретого газа.

Второй поток газа попадает в зазор между статором и ротором, подогретым после прохождения каналов ротора, а из зазора по радиальным каналам, размещенным в средней зоне сердечника статора, подогретый газ направляют в ту же камеру сбора подогретого газа.

Третий поток газа сразу после охладителей поступает в специальные вентиляционные каналы, размещенные в средней части сердечника статора между радиальными каналами. У этих вентиляционных каналов вход и выход организован со стороны наружной поверхности сердечника статора, поэтому выход подогретого в этих каналах газа организован прямо в камеру сбора подогретого газа.

Таким образом, все три потока подогретого газа смешиваются в камере сбора подогретого газа, откуда весь поток газа направляют через вентиляторы на охладители.

Данный способ газового охлаждения реализуется в сердечнике статора, в средней части которого имеются чередующиеся между собой радиальные каналы и специальные каналы, вход и выход которых расположен на наружной поверхности сердечника статора.

Такая система вентиляции сердечника статора не обеспечивает в достаточной степени интенсивность охлаждения обмотки и активной стали в средней части сердечника статора (наиболее напряженной в тепловом отношении), так как между специальными каналами, в которые подают охлажденный газ непосредственно от охладителей, размещены радиальные каналы, питаемые подогретым газом из зазора между статором и ротором.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом нагнетательной вентиляции, описанный в Патенте US 6538351 на изобретение "Вращающаяся машина с охладителями в вентиляционных каналах" фирмы Hitachi, Ltd., 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 данном изобретении в качестве напорных элементов используют два вентилятора, размещенные с обеих сторон бочки ротора, и вентиляционные каналы ротора с входами и выходами, расположенными на разных радиусах вращения ротора, а в сердечнике статора для организации вентиляции используют радиальные каналы.

Схема охлаждения выполнена следующим образом.

Охлаждающий газ от основных охладителей посредством вентиляторов подают в камеру сбора охлаждающего газа, организованную в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.

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, где он подогревается потерями в зазоре.

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

Третий поток охлаждающего газа направляют на дополнительное охлаждение, а дополнительно охлажденный газ направляют в радиальные вентиляционные каналы средней части сердечника статора, подогретый в этих каналах газ направляют также в воздушный зазор между статором и ротором.

Таким образом, в воздушном зазоре между статором и ротором все три потока подогретого газа смешиваются и по радиальным каналам сердечника статора, размещенным в его крайних частях, направляются на основные охладители.

Дополнительное охлаждение потока газа, предназначенного для охлаждения средней части сердечника статора, введено для того, чтобы повысить эффективность охлаждения средней части сердечника и обмотки статора.

Электрическая машина, позволяющая осуществить указанный способ газового охлаждения, описана в изобретении по Патенту US 6538351 "Вращающаяся машина с охладителями в вентиляционных каналах" фирмы Hitachi, Ltd. (дополнительная информация об электрической машине по указанному изобретению раскрыта в статье 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 зазором и имеющий каналы с входом и выходом на разных радиусах вращения ротора, а также вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора.

Газовое охлаждение в такой машине обеспечивается за счет организации между основными узлами машины камер, обеспечивающих заданное способом 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 между статором и ротором и вентиляционными каналами ротора.

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

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

Радиальные вентиляционные каналы сердечника статора и каналы ротора сообщаются с одной стороны с воздушным зазором между статором и ротором. С другой стороны радиальные вентиляционные каналы средней части сердечника статора соединены через вторую камеру с дополнительными охладителями, которые через первую камеру последовательно соединены с основными охладителями, а радиальные каналы крайних частей сердечника статора соединены с третьей камерой.

Известная система вентиляции электрической машины, включающая способ газового охлаждения электрической машины и электрическую машину, за счет введения дополнительного охлаждения позволяет снизить температуру охлаждающего газа, поступающего в среднюю часть сердечника статора на величину подогрева газа, обусловленного вентиляционными потерями, потерями в меди лобовых частей обмотки статора и на трение бандажей ротора о газ. В результате чего снижается уровень температур обмотки и активной стали в наиболее напряженной в тепловом отношении средней части сердечника статора.

Недостатком данной системы вентиляции является встречное действие двух источников давления в воздушном зазоре - вентилятора и каналов ротора в средней части машины. Следствием этого является снижение расхода охлаждающего газа через среднюю часть сердечника статора.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является увеличение интенсивности охлаждения обмотки и активной стали сердечника статора в средней его части за счет применения специальных каналов.

Указанная задача решается за счет того, что в заявляемом способе газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом нагнетательной вентиляции, в котором в качестве напорных элементов используют вентиляторы и вентиляционные каналы ротора с входами и выходами, расположенными на разных радиусах вращения ротора, а в качестве вентиляционных каналов сердечника статора используют радиальные каналы в крайних его частях, а в средней его части - каналы, входы и выходы которых находятся на наружной поверхности сердечника статора, охлаждающий газ от охладителей посредством вентиляторов подают в камеру сбора охлаждающего газа, которую конструктивно размещают в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.

Из этой камеры охлаждающий газ тремя потоками направляют на охлаждение 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, из которых он поступает в воздушный зазор.

Третий поток охлаждающего газа перед подачей в среднюю часть сердечника статора дополнительно охлаждают, используя для этого дополнительный канал, организованный непосредственно в охладителях. Третий поток газа подают в камеру сбора дополнительно охлажденного газа, откуда он поступает на охлаждение средней части сердечника статора со стороны его наружной поверхности. При этом в средней части сердечника статора третий поток охлаждающего газа проходит по вентиляционным каналам, имеющим выход также как и вход со стороны наружной поверхности сердечника статора. За счет использования таких каналов становится возможным подогретый в этих каналах газ направить в камеру сбора подогретого газа, расположенную со стороны наружной поверхности сердечника статора.

Таким образом, удается изолировать третий поток газа от потока газа, поступающего в воздушный зазор между статором и ротором из каналов ротора.

В камеру сбора подогретого газа по радиальным каналам крайних частей сердечника статора отводят смешанные в воздушном зазоре между статором и ротором первые два потока газа.

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

Новым в заявляемом способе является то, что прохождение третьего потока газа обеспечивают внутри средней части сердечника статора при помощи вентиляционных каналов, с выходов которых посредством, например, газосборных воздуховодов, подогретый в этих каналах газ отводят со стороны наружной поверхности сердечника статора в камеру сбора подогретого газа, расположенную также со стороны наружной поверхности сердечника статора.

Предложенный способ охлаждения электрической машины позволяет снизить уровень температур обмотки и активной стали статора в средней части сердечника статора (наиболее напряженной в тепловом отношении) за счет исключения связи по газовым потокам этой зоны с воздушным зазором между статором и ротором.

Известен признак способа, согласно которому третий поток охлаждающего газа сразу после охладителей направляют в вентиляционные каналы средней части сердечника статора и отводят, подогретый в этих каналах газ, также с наружной стороны сердечника статора (см. статью "Type-tested air-cooled turbo-generator in the 500 MVA range" R.Joho, J.Baumgartner, T.Hinkel, C.E.Stephan, M.Jung Cigre-2000).

В этом решении через вентиляционные каналы средней части сердечника статора помимо третьего потока газа, поступающего из охладителей, циркулирует поток газа из воздушного зазора между статором и ротором, подогретый потерями в обмотке ротора и воздушном зазоре. Из-за чередования специальных и радиальных каналов существенно снижается интенсивность охлаждения указанной части сердечника статора.

Способ газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом нагнетательной вентиляции, в котором третий поток охлаждающего газа из зоны расположения лобовых частей обмотки статора направляют на дополнительное охлаждение и далее в вентиляционные каналы средней части сердечника статора со стороны его наружной поверхности, из которых его отводят также со стороны наружной поверхности сердечника статора, 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, в котором расположены охладители, оборудованные каналом дополнительного охлаждения третьего потока газа, сердечник статора, выполненный с вентиляционными каналами двух типов: радиальными и каналами, имеющими вход и выход на наружной поверхности сердечника статора; ротор, установленный в статоре с зазором и имеющий каналы с входом и выходом на разных радиусах вращения ротора; вентиляторы, установленные на валу с обеих сторон бочки ротора, и 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 размещен в охладителях, причем он сообщается с одной стороны с первой камерой, а с другой стороны - со второй камерой, которая в свою очередь сообщается с вентиляционными каналами средней части сердечника статора.

С другой стороны эти каналы сообщаются посредством газосборных воздуховодов с третьей камерой, расположенной между охладителями и крайними частями сердечника статора.

Радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора сообщаются с одной стороны с воздушным зазором между статором и ротором, а с другой стороны - с третьей камерой, расположенной между охладителями и крайними частями сердечника статора.

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 этими каналами.

Новым в заявляемом устройстве является:

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

- использование в средней части сердечника статора вентиляционных каналов, имеющих входы и выходы, расположенные со стороны наружной поверхности сердечника статора;

- введение в конструкцию газосборных воздуховодов, обеспечивающих сбор подогретого газа из каналов средней части сердечника статора и транспортировку его в третью камеру.

Использование в средней части сердечника статора вентиляционных каналов, имеющих входы и выходы, расположенные со стороны наружной поверхности сердечника статора, известно из решения, описанного в вышеуказанной статье "Type-tested air-cooled turbo-generator in the 500 MVA range". Однако решить задачу, поставленную в предлагаемом изобретении, возможно лишь, если использовать этот признак в совокупности с другими признаками, а именно: с выполнением дополнительного канала охлаждения, размещенного в охладителях, и выполнением газосборных воздуховодов, размещенных со стороны наружной поверхности сердечника статора. Вышесказанное позволяет 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 и каналами 4, имеющими вход и выход на наружной поверхности сердечника статора 2, ротор 5, имеющий вентиляционные каналы 6 и установленный в статоре 2 с воздушным зазором 7, охладители 8, имеющие канал дополнительного охлаждения 9, а также вентиляторы 10, установленные с обеих сторон бочки ротора 5.

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 9, и третьей камеры 13, размещенной между крайними частями сердечника статора 2 и охладителями 8.

Радиальные каналы 3 крайних частей сердечника статора 2 сообщаются с одной стороны с воздушным зазором 7, с другой стороны - с камерой 13. Каналы 4 в средней части сердечника статора 2 с одной стороны сообщаются с камерой 12, с другой стороны при помощи газосборных воздуховодов 14 сообщаются с камерой 13.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Поток газа от охладителей 8 подают посредством вентиляторов 10 в камеру 11.

Из камеры 11 первый поток охлаждающего газа подают в воздушный зазор 7, второй поток охлаждающего газа - в каналы 6 ротора 5, из которых второй поток газа направляется в воздушный зазор 7.

Третий поток охлаждающего газа из камеры 11 подают через канал дополнительного охлаждения 9, организованный в охладителях 8, в камеру 12, из которой этот поток газа направляется в каналы 4, входящие в среднюю часть сердечника статора 2, откуда по газосборным воздуховодам 14 он поступает в камеру 13. В воздушном зазоре 7 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 газовых потока смешиваются в камере 13, после чего их подают на основное охлаждение в охладители 8.

Таким образом, указанное техническое решение может быть осуществлено в совокупности заявленных признаков, 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, 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 вентиляционные каналы средней части сердечника статора, а подогретый газ отводят через радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора в камеру сбора подогретого газа, отличающийся тем, что прохождение третьего потока газа обеспечивают внутри средней части сердечника статора при помощи вентиляционных каналов, с выходов которых посредством, например газосборных воздуховодов, подогретый в этих каналах газ отводят со стороны наружной поверхности сердечника статора в камеру сбора подогретого газа.

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, и камеры, первая из которых размещена в зоне расположения лобовых частей обмоток статора, вторая камера размещена между средней частью сердечника статора и устройством дополнительного охлаждения, третья камера размещена между крайними частями сердечника статора и охладителями, при этом входы вентиляционных каналов средней части сердечника статора объединены со второй камерой, а радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора сообщаются с одной стороны с воздушным зазором, а с другой стороны - с третьей камерой, отличающаяся тем, что устройство дополнительного охлаждения выполнено в виде канала дополнительного охлаждения, организованного в охладителях; в средней части сердечника статора выполнены вентиляционные каналы, которые имеют входы и выходы на наружной поверхности статора, при этом выходы этих каналов соединены с третьей камерой посредством газосборных воздуховодов, закрепленных на наружной поверхности средней части сердечника статора.