Способ охлаждения электрической машины и электрическая машина

Данная группа изобретений относится к области электротехники и электромашиностроения, а именно - к системам охлаждения электрических машин, преимущественно турбогенераторов, с замкнутым циклом вентиляции. Технический результат, достигаемый предлагаемой группой изобретений, состоит в повышении эффективности охлаждения обмотки и сердечника статора, а также в снижении материалоемкости электрических машин большой мощности. Сущность изобретения состоит в следующем. Электрическая машина, включающая корпус (1), размещенные в нем охладители (5), (6) статора (2) и ротора (4), статор (2), имеющий в торцевых зонах сердечника радиальные каналы (11), ротор (4), установленный в статоре (2) с воздушным зазором, и имеющий вентиляционные каналы (13) с входами и выходами на разных радиусах вращения, вентиляторы (7), размещенные с обеих сторон бочки ротора, и камеры (8), (9), одна из которых, камера (8) сбора холодного воздуха, размещена между охладителями (5) статора и наружной поверхностью сердечника статора (2), а другая, камера (9) сбора подогретого воздуха - в зонах расположения лобовых частей обмотки (10) статора (2), выходы охладителей (5) статора и входы в радиальные каналы (11) торцевых зон сердечника статора сообщаются с камерой (8) сбора холодного воздуха, а выходы из радиальных каналов (11) торцевых зон, входы охладителей (6) ротора, входы в вентиляторы (7) и выходы из каналов ротора сообщаются с камерой (9) сбора подогретого воздуха, при этом выходы охладителей (6) ротора (4) сообщаются с входами в каналы ротора, а зона высокого давления (14) вентиляторов (7) сообщается с входами охладителей статора. При этом согласно изобретению нажимные плиты имеют каналы (12), входы в которые сообщаются с камерой (8) сбора холодного воздуха, а выходы сообщаются с камерой (9) сбора подогретого воздуха, а основная зона сердечника статора имеет водяную систему охлаждения в виде охладителей, расположенных между пакетами (3) сердечника статора. Способ охлаждения охарактеризованной выше электрической машины осуществляют следующим путем. Охлаждающий воздух от охладителей статора через камеру сбора холодного воздуха статора, организованную между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, и от охладителей ротора направляют посредством напорных элементов, а именно вентиляторов, размещенных с обеих сторон бочки ротора, и каналов ротора разными путями в каналы ротора и сердечника статора, а подогретый в этих каналах воздух направляют через камеру сбора подогретого воздуха, организованную в зонах расположения лобовых частей обмотки статора, на входы охладителей ротора и на входы вентиляторов и далее - на охладители статора, при этом один путь организуют от охладителей статора, с выходов которых охлаждающий воздух направляют со стороны наружной поверхности сердечника статора в радиальные каналы торцевой зоны сердечника статора, другой путь организуют от охладителей ротора, с выходов которых охлаждающий воздух направляют в каналы ротора. Еще один путь, согласно изобретению, организуют от охладителей статора, с выходов которых охлаждающий воздух направляют в каналы нажимных плит сердечника статора, при этом охлаждение обмотки статора и основного сердечника статора осуществляют водой, циркулирующей в трубках охладителей, которые располагают между пакетами основного сердечника статора. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Заявляемая группа изобретений относится к электромашиностроению, а именно к системам охлаждения электрических машин, преимущественно турбогенераторов, с замкнутым циклом вентиляции.

Известна система охлаждения электрической машины, описанная в статье "Серия турбогенераторов с полным водяным охлаждением", авторы И.А.Кади-Оглы, Ю.Ф.Антонов, В.Б.Брагин и др. (Сборник "Электросила" №39, 2000 г.). При такой системе охлаждения обмотки статора, ротора и активная сталь сердечника статора охлаждаются непосредственно водой. Водяное охлаждение обмоток статора и ротора осуществляется при помощи полых медных проводников, по которым циркулирует дистиллят, а водяное охлаждение сердечника статора осуществляется с помощью плоских силуминовых охладителей, расположенных между пакетами сердечника статора.

Такая схема является эффективной с точки зрения охлаждения, но требует дорогостоящего оборудования для подготовки, охлаждения и циркуляции дистиллята в обмотках статора и ротора.

Известна электрическая машина с комбинированным охлаждением (Патент РФ №2226027, Н02К 9/16, Н02К 9/06, опубл. 20.03.2004 г.), в которой сердечник по всей длине, включая торцевые зоны, снабжен собственной водяной системой охлаждения в виде плоских охладительных элементов, расположенных между пакетами сердечника, а воздушное охлаждение обмотки ротора и лобовых частей обмотки статора выполнено по вытяжной схеме, в которой в качестве напорных элементов используют два вентилятора, размещенные с обеих сторон бочки ротора, и вентиляционные каналы ротора, входы и выходы которых расположены на разных радиусах вращения ротора. В данной электрической машине зона подачи охлаждающего воздуха после охладителей организована в зону расположения лобовых частей обмотки статора и в вентиляционные каналы ротора, а зона отвода подогретого воздуха из лобовых частей обмотки статора и воздушного зазора между статором и ротором совмещена с вытяжной зоной вентилятора.

Воздушное охлаждение при такой системе осуществляется следующим образом.

Охлаждающий воздух посредством вентиляторов подают на охладители. Из камеры после охладителей охлаждающий воздух направляют двумя путями на охлаждение лобовых частей обмотки статора и в каналы ротора.

Первый поток охлаждающего воздуха направляют в зону расположения лобовых частей обмотки статора.

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

Из воздушного зазора между статором и ротором и лобовых частей обмотки статора подогретый воздух поступает к вытяжной зоне вентилятора и направляется на охладители.

Недостатком предложенной системы охлаждения является последовательное включение вентилятора в схему охлаждения самовентилируемого ротора с радиальными каналами, входы и выходы которых расположены на различных радиусах вращения. Для охлаждения самовентилируемого ротора не требуется вентилятор. Последовательное включение вентилятора в схему охлаждения ротора приводит к увеличению вентиляционных потерь и снижению к.п.д. электрической машины.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ газового охлаждения электрической машины и электрическая машина, описанный в изобретении по патенту РФ 2258295 (Патент РФ №2258295, Н02К 9/06, Н02К 9/16, Н02К 9/18, опубл. 10.08.2005 г. Бюл. №22).

В известном способе охлаждения электрической машины с замкнутым циклом вытяжной вентиляции охлаждающий газ от охладителей статора и ротора направляют посредством вентиляторов, размещенных с обеих сторон бочки ротора, и каналов ротора с входами и выходами, расположенными на разных радиусах вращения ротора, тремя параллельными путями в каналы ротора и каналы сердечника статора, а подогретый в этих каналах газ направляют на охладители статора и ротора через камеру сбора подогретого газа, организованную в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.

Первый путь охлаждающего газа организуют от охладителей статора через камеру сбора холодного газа, размещенную между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, к входам в каналы основной зоны сердечника статора, из которых подогретый газ собирают посредством газосборных воздуховодов с внешней стороны сердечника статора и подают в камеру сбора подогретого газа, организованную в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.

Второй путь газа организуют также от охладителей статора через камеру сбора холодного газа статора. При этом охлаждающий газ подают на входы в радиальные каналы торцевой зоны сердечника статора, из которых подогретый газ направляют непосредственно в камеру сбора подогретого газа.

Третий путь газа организуют от охладителей ротора, с выходов которых охлаждающий газ направляют в каналы ротора, а подогретый в каналах ротора газ через воздушный зазор между ротором и статором также подают в камеру сбора подогретого газа.

Из камеры сбора подогретого газа часть газа направляют на охладители ротора, а другую его часть - к вентиляторам и далее к охладителям статора.

Электрическая машина, позволяющая осуществить указанный способ охлаждения, включает корпус с размещенными в нем охладителями статора и ротора, статор, имеющий каналы, вход и выход из которых организован со стороны наружной поверхности сердечника, и радиальные каналы в торцевых зонах, ротор, установленный в статоре с воздушным зазором, и имеющий каналы с входами и выходами на разных радиусах вращения ротора, вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора, и камеры, первая из которых размещена между охладителями и наружной поверхностью статора, а вторая - в зонах расположения лобовых частей обмотки статора. Выходы охладителей статора объединены с первой камерой, в которой на наружной поверхности сердечника статора расположены входы в каналы основного сердечника статора и радиальные каналы торцевых зон, при этом выходы из этих каналов, входы охладителей ротора и вентиляторов соединены со второй камерой. Выходы охладителей ротора соединены с входами в каналы ротора, выходы из которых через воздушный зазор между статором и ротором сообщаются со второй камерой. Зона повышенного давления вентиляторов соединена с входами охладителей статора.

В известном способе охлаждения электрической машины охлаждение обмотки статора осуществляется косвенно при помощи газа, циркулирующего в каналах, размещенных между пакетами сердечника статора. Для турбогенераторов большой мощности полное воздушное охлаждение становится неэффективным.

Задачей, решаемой заявляемой группой изобретений, является повышение эффективности охлаждения обмотки и сердечника статора и снижение материалоемкости электрических машин большой мощности.

Указанная задача решается за счет того, что в заявляемом способе охлаждения электрической машины основной сердечник статора снабжен собственной водяной системой охлаждения в виде плоских охладителей, а воздушное охлаждение торцевых зон, нажимных плит сердечника статора, лобовых частей обмотки статора и ротора осуществляется по вытяжной схеме вентиляции, при которой охлаждающий воздух от охладителей статора через камеру сбора холодного воздуха, организованную между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, и от охладителей ротора направляют посредством вентиляторов, размещенных с обеих сторон бочки ротора, и каналов ротора с входами и выходами, расположенными на разных радиусах вращения ротора, разными путями в каналы ротора, радиальные каналы торцевых зон и в каналы нажимных плит сердечника статора, а подогретый в этих каналах газ направляют на охладители статора и ротора через камеру сбора подогретого газа, организованную в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.

Один путь охлаждающего воздуха организуют от охладителей статора через камеру сбора холодного воздуха, размещенную между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, к входам в радиальные каналы торцевых зон сердечника статора, из которых подогретый воздух подают в камеру сбора подогретого воздуха, организованную в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.

Другой путь охлаждающего воздуха организуют от охладителей ротора, с выходов которых охлаждающий воздух направляют в каналы ротора, а подогретый в каналах ротора воздух через воздушный зазор между ротором и статором подают также в камеру сбора подогретого воздуха.

Еще один путь охлаждающего воздуха организуют от охладителей статора через камеру сбора холодного воздуха в каналы нажимных плит сердечника статора, из которых подогретый воздух направляют непосредственно в камеру сбора подогретого воздуха.

Из камеры сбора подогретого воздуха часть воздуха направляют на входы охладителей ротора, а другую его часть - на входы вентиляторов и далее на входы охладителей статора.

Косвенное водяное охлаждение обмотки и сердечника статора осуществлено при помощи плоских силуминовых охладителей, которые расположены между пакетами основного сердечника статора.

Новым в заявляемом способе является:

- подача охлаждающего воздуха от охладителей статора через камеру сбора холодного воздуха, размещенную между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, в каналы нажимных плит сердечника статора, из которых подогретый воздух направляют непосредственно в камеру сбора подогретого воздуха,

- охлаждение обмотки и сердечника статора (за исключением торцевых зон и нажимных плит) при помощи воды, циркулирующей в трубках плоских охладителей, размещенных между пакетами основного сердечника статора.

Электрическая машина, позволяющая осуществить указанный способ охлаждения, включает:

- корпус,

- охладители статора и ротора,

- статор, имеющий в торцевых зонах сердечника радиальные каналы,

- нажимные плиты сердечника статора, имеющие каналы для прохода охлаждающего воздуха,

- основной сердечник статора, снабженный собственной водяной системой охлаждения в виде плоских охладителей, расположенных между пакетами сердечника статора,

- ротор, установленный в статоре с воздушным зазором и имеющий каналы с входами и выходами на разных радиусах вращения ротора,

- центробежные вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора,

- камеру сбора холодного воздуха, размещенную между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора,

- камеру сбора подогретого воздуха, размещенную в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.

Выходы охладителей статора, входы в радиальные каналы торцевых зон сердечника статора, входы в каналы нажимных плит сообщаются с камерой сбора холодного воздуха.

Выходы из радиальных каналов торцевых зон и каналов нажимных плит сердечника статора сообщаются с камерой сбора подогретого воздуха.

Выходы охладителей ротора сообщаются с входами в каналы ротора, выходы из которых через воздушный зазор между статором и ротором сообщаются с камерой сбора подогретого воздуха.

Камера сбора подогретого воздуха соединена непосредственно с входами охладителей ротора и входами в вентиляторы, а с входами охладителей статора она сообщается через зону высокого давления вентиляторов.

Новым в заявляемом устройстве является:

- организация охлаждения нажимных плит при помощи каналов для прохода воздуха;

- объединение входов в каналы нажимных плит сердечника статора с камерой сбора холодного воздуха;

- соединение камеры сбора подогретого воздуха с выходами из каналов нажимных плит сердечника статора;

- размещение между пакетами основного сердечника статора плоских водяных охладителей.

Признак "размещение между пакетами основного сердечника статора плоских водяных охладителей" известен из патента РФ №2226027 и из статьи "Серия турбогенераторов с полным водяным охлаждением", опубликованной в сборнике "Электросила" №39, но в заявляемой электрической машине плоские силуминовые охладители размещены только между пакетами основного сердечника статора, а торцевые зоны и нажимные плиты сердечника статора охлаждаются воздухом.

Решить задачу, поставленную в предлагаемом изобретении, возможно только при использовании всех перечисленных в формуле признаков в совокупности.

Способ охлаждения электрической машины и электрическая машина, в которой основной сердечник статора снабжен водяной системой охлаждения, а воздушное охлаждение ротора, лобовых частей обмотки статора, торцевых зон и нажимных плит сердечника статора осуществляется охлаждающим воздухом по замкнутому циклу вытяжной вентиляции, под действием давления, развиваемого каналами ротора, и центробежными вентиляторами, не выявлен в существующем уровне техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором изображена электрическая машина, в которой использовано такое комбинированное охлаждение.

Электрическая машина включает корпус 1, размещенные в нем статор 2, имеющий сердечник с пакетами 3, ротор 4, установленный в статоре 2 с воздушным зазором, охладители 5 статора 2, охладители 6 ротора 4, вентиляторы 7 и камеры 8 и 9.

Камера 8 - камера сбора холодного воздуха - размещена между охладителями 5 статора 2 и наружной поверхностью сердечника статора 2, а камера 9 - камера сбора подогретого воздуха - в зонах расположения лобовых частей обмотки 10 статора 2.

Сердечник статора 2 имеет в торцевых зонах радиальные каналы 11, а нажимные плиты сердечника статора 2 имеют каналы 12 для прохода охлаждающего воздуха.

Ротор 4 имеет вентиляционные каналы 13 с входами и выходами на разных радиусах вращения бочки ротора 4.

Выходы охладителей 5 статора 2 сообщаются с камерой 8, в которой расположены входы в радиальные каналы 11 торцевых зон и в каналы 12 нажимных плит статора 2.

Выходы из радиальных каналов 11 торцевых зон и каналов 12 нажимных плит сообщаются непосредственно с камерой 9, расположенной в зоне расположения лобовых частей обмотки 10 статора 2.

Выходы охладителей 6 ротора 4 через пространство, расположенное между корпусом 1 и зоной высокого давления 14 вентиляторов 7, сообщаются с входами в вентиляционные каналы 13 ротора 4, выходы из вентиляционных каналов 13 ротора 4 через воздушный зазор между статором 2 и ротором 4 сообщаются с камерой 9.

Камера 9 сообщается с входами охладителей 6 ротора 4 и входами в центробежные вентиляторы 7.

Сердечник статора 2 имеет собственную водяную систему охлаждения в виде плоских охладителей, расположенных между пакетами 3 сердечника статора 2 и выполненных в виде сегментов с залитыми в них змеевиками из нержавеющей стальной трубки для циркуляции воды.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Первый поток охлаждающего воздуха с выходов охладителей 5 статора 2 через камеру 8 направляют в каналы 12 нажимных плит сердечника статора 2.

Второй поток охлаждающего воздуха с выходов охладителей 5 статора 2 через камеру 8 подают в радиальные каналы 11 торцевой зоны сердечника статора 2.

Подогретый воздух из радиальных каналов 11 торцевых зон и каналов 12 нажимных плит сердечника статора 2 направляют в камеру 9.

Третий поток охлаждающего воздуха с выходов охладителей 6 ротора 4 подают в вентиляционные каналы 13 ротора 4, а из вентиляционных каналов 13 через воздушный зазор между статором 2 и ротором 4 подогретый воздух поступает в камеру 9.

Из камеры 9 подогретый воздух направляется на входы охладителей 6 ротора 4 и на входы вентиляторов 7. Через зоны высокого давления 14 вентиляторов 7 подогретый воздух подают на входы охладителей 5 статора 2.

Охлаждающая вода циркулирует по змеевикам из нержавеющей стальной трубки, которые размещены в охладителях между пакетами 3 сердечника статора 2.

Указанное техническое решение осуществляется промышленным способом, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой группы изобретений условию патентоспособности "промышленная применимость".

1. Способ охлаждения электрической машины, при котором охлаждающий воздух от охладителей статора через камеру сбора холодного воздуха статора, организованную между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, и от охладителей ротора направляют посредством напорных элементов, а именно вентиляторов, размещенных с обеих сторон бочки ротора, и каналов ротора разными путями в каналы ротора и сердечника статора, а подогретый в этих каналах воздух направляют через камеру сбора подогретого воздуха, организованную в зонах расположения лобовых частей обмотки статора, на входы охладителей ротора и на входы вентиляторов и далее - на охладители статора, при этом один путь организуют от охладителей статора, с выходов которых охлаждающий воздух направляют со стороны наружной поверхности сердечника статора в радиальные каналы торцевой зоны сердечника статора, другой путь организуют от охладителей ротора, с выходов которых охлаждающий воздух направляют в каналы ротора, отличающийся тем, что еще один путь организуют от охладителей статора, с выходов которых охлаждающий воздух направляют в каналы нажимных плит сердечника статора, при этом охлаждение обмотки статора и основного сердечника статора осуществляют водой, циркулирующей в трубках охладителей, которые располагают между пакетами основного сердечника статора.

2. Электрическая машина, включающая корпус, размещенные в нем охладители статора и ротора, статор, имеющий в торцевых зонах сердечника радиальные каналы, ротор, установленный в статоре с воздушным зазором и имеющий каналы с входами и выходами на разных радиусах вращения, вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора, и камеры, одна из которых, камера сбора холодного воздуха, размещена между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, а другая, камера сбора подогретого воздуха, - в зонах расположения лобовых частей обмотки статора, выходы охладителей статора и входы в радиальные каналы торцевых зон сердечника статора сообщаются с камерой сбора холодного воздуха, а выходы из радиальных каналов торцевых зон, входы охладителей ротора, входы в вентиляторы и выходы из каналов ротора сообщаются с камерой сбора подогретого воздуха, при этом выходы охладителей ротора сообщаются с входами в каналы ротора, а зона высокого давления вентиляторов сообщается с входами охладителей статора, отличающаяся тем, что нажимные плиты имеют каналы, входы в которые сообщаются с камерой сбора холодного воздуха, а выходы из которых сообщаются с камерой сбора подогретого воздуха, а основная зона сердечника статора имеет водяную систему охлаждения в виде охладителей, расположенных между пакетами сердечника статора.