Электрическая машина с направляющими аппаратами в системе охлаждения ротора

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к газовому охлаждению электрических машин с самонапорным ротором. Технический результат - снижение механических потерь, обеспечение равномерного распределения охлаждающего газа по каналам ротора и эффективное охлаждение обмотки ротора. Электрическая машина содержит статор, ротор, установленный в статоре с зазором. В обмотке ротора имеются вентиляционные радиальные каналы, которые соединяются с подпазовыми каналами и зазором. Вращающийся направляющий аппарат размещен в осевом канале, который отделен от системы охлаждения статора цилиндрическим элементом. Осевой канал сообщается с подпазовыми каналами и подводящим каналом. В подводящем канале установлен неподвижный направляющий аппарат, который обеспечивает предварительное закручивание потока охлаждающего газа в направлении вращения ротора. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к электрическим машинам с газовым охлаждением самонапорного ротора.

Известна система охлаждения ротора, в которой вращающийся направляющий аппарат установлен во входном сечении ротора. Указанная конструкция представлена в докладе на сессии CIGRE 2000 «Туре-tested air-cooled turbo-generator in the 500 MVA range» авторов RJoho, T. Hinkel, J. Baumgartner, C.E. Stephan (Alstom). В данной конструкции вращающийся направляющий аппарат предназначен для получения равномерного распределения потока охлаждающего газа по пазам ротора и увеличения расхода газа через ротор.

Анализ обобщенных опытных данных по продувке лопаточных решеток показывает, что для эффективной работы рассматриваемого вращающегося направляющего аппарата угол потока газа перед входом во вращающийся направляющий аппарат должен быть не менее 40-45°. При используемых на практике принципах проектирования турбогенераторов, предписывающих выбор проходных сечений для обеспечения рекомендуемого уровня скоростей на входе в ротор, в реальных конструкциях роторов указанный угол составляет обычно 25-30°, что приводит к снижению эффективности вращающегося направляющего аппарата, установленного во входном сечении ротора, и возрастанию механических потерь, затрачиваемых на циркуляцию охлаждающего газа в каналах обмотки.

Наиболее близкой является конструкция, описанная в изобретении «Dynamoelectric machine with rotor ventilation system including prewhirl inlet guide vanes» (Патент US №4547688, H02K 9/00, опубл. 15.10.1085 г.). В рассматриваемой конструкции электрическая машина с неподвижным направляющим аппаратом в системе вентиляции ротора содержит статор, ротор, установленный в статоре с зазором и имеющий в обмотке радиальные каналы с входами и выходами, размещенными на разных радиусах вращения. Входы в радиальные каналы сообщаются через подпазовые каналы с каналом, подводящим охлаждающий газ в ротор, а выходы - с воздушным зазором между статором и ротором. Движение охлаждающего газа в радиальных каналах самонапорного ротора происходит за счет центробежного давления, обусловленного различными радиусами вращения при входе в радиальные каналы и выходе из них. В канале, образованном между неподвижными стенками и подводящим охлаждающий газ в ротор, перед поворотом канала из радиального направления в осевое установлен лопаточный неподвижный направляющий аппарат, занимающий все пространство между стенками. Для закручивания охлаждающего газа в направлении вращения ротора лопатки неподвижного направляющего аппарата зафиксированы под углом по направлению вращения ротора и имеют аэродинамический профиль с плавно изогнутыми поверхностями.

Конструкция, заявленная в патенте US №4547688, позволяет обеспечить равномерное распределение охлаждающего газа по каналам ротора, но при этом происходит снижение расхода газа через ротор и повышение температуры обмотки ротора. В данной конструкции уменьшение механических потерь, затрачиваемых на циркуляцию газа в роторе, получено ценой снижения эффективности охлаждения обмотки.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в снижении механических потерь, затрачиваемых на циркуляцию охлаждающего газа в каналах ротора, в обеспечении равномерного распределения охлаждающего газа по каналам ротора и эффективного охлаждения его обмотки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что электрическая машина содержит статор, имеющий обмотку, ротор, установленный в статоре с зазором и имеющий в обмотке радиальные каналы для охлаждения. Радиальные каналы соединяются с подпазовыми каналами и зазором. Вращающийся направляющий аппарат расположен в осевом канале, образованном внутренней поверхностью центрирующего кольца, внутренней цилиндрической поверхностью элемента, отделяющего осевой канал от зоны расположения лобовых частей обмотки, и поверхностью вала ротора. Осевой канал сообщается с подпазовыми каналами и подводящим каналом. Подводящий канал образован неподвижными радиальными стенками, между которыми установлен неподвижный направляющий аппарат для закручивания потока газа в направлении вращения ротора.

Неподвижный направляющий аппарат состоит из лопаток, закрепленных по окружности между двумя кольцевыми элементами, причем входные кромки лопаток закреплены на внешнем диаметре кольцевых элементов, а выходные кромки лопаток закреплены на внутреннем диаметре кольцевых элементов со смещением от входной кромки в направлении вращения ротора.

Для дополнительного регулирования расхода газа в контуре охлаждения ротора целесообразно выполнить лопатки неподвижного направляющего аппарата с возможностью поворота. При снижении мощности электрической машины или температуры охлаждающего газа в период эксплуатации за счет изменения угла наклона лопаток можно уменьшить расход газа и снизить затраты мощности на циркуляцию охлаждающего газа в роторе.

Лопатки неподвижного направляющего аппарата обеспечивают предварительное закручивание потока охлаждающего газа в направлении вращения ротора. За счет этого на входе во вращающийся направляющий аппарат может быть достигнуто примерное равенство расходной и окружной скоростей газа. Вращающийся направляющий аппарат размещен после неподвижного направляющего аппарата в осевом канале, отделенном от системы охлаждения статора в зоне расположения лобовых частей обмотки с помощью цилиндрического элемента. Вращающийся направляющий аппарат обеспечивает окончательную закрутку потока до окружной скорости ротора.

Таким образом, за счет снижения статического давления газа в неподвижном направляющем аппарате в сочетании с последующим повышением давления во вращающемся направляющем аппарате удается обеспечить требуемый расход газа через ротор, равномерное распределение охлаждающего газа по всем пазам ротора и снижение механических потерь, затрачиваемых на циркуляцию газа в каналах ротора.

На чертеже показан фрагмент электрической машины с неподвижным и вращающимся направляющими аппаратами в системе охлаждения ротора.

Электрическая машина с газовым охлаждением, например турбогенератор, содержит статор 1. В сердечнике статора 1 уложена обмотка, лобовые части 2 которой выступают за пределы сердечника статора 1. В статоре 1 с воздушным зазором 3 установлен ротор 4 с уложенной в пазы обмоткой. В обмотке ротора 4 выполнены вентиляционные радиальные каналы 5. Входы в радиальные каналы 5 сообщаются с подпазовыми каналами 6, а выходы радиальных каналов 5 сообщаются с воздушным зазором 3 между статором 1 и ротором 4.

Осевой канал 7 образован внутренней поверхностью центрирующего кольца 8, внутренней поверхностью цилиндрического элемента 9, а также поверхностью вала 10 ротора 4. Цилиндрический элемент 9 отделяет осевой канал 7 от системы охлаждения статора в зоне расположения лобовых частей 2 обмотки статора 1. Осевой канал 7 сообщается с подпазовыми каналами 6 (на чертеже не показано).

В осевом канале 7 установлен вращающийся направляющий аппарат 11.

Осевой канал 7 сообщается с подводящим каналом 12, который образован неподвижными радиальными стенками 13 и 14 и подводит охлаждающий газ в ротор 4.

Между неподвижными радиальными стенками 13 и 14 в подводящем канале 12 установлен неподвижный направляющий аппарат 15. Направляющий аппарат 15 состоит из лопаток 16, показанных на виде A-A. Для обеспечения закручивания потока охлаждающего газа, поступающего из подводящего канала 12, в направлении вращения ротора 4 лопатки 16 размещены по окружности между двумя кольцевыми элементами и закреплены на них. Причем входные кромки лопаток радиально закреплены на внешнем диаметре 17 каждого из кольцевых элементов, а выходные кромки закреплены на внутреннем диаметре 18 каждого из кольцевых элементов со смещением каждой выходной кромки от входной кромки в направлении вращения ротора.

Лопатки 16 могут быть выполнены с возможностью поворота. В этом случае за счет изменения угла установки лопаток 16 появляется возможность регулирования расхода газа в системе охлаждения ротора 4.

Лопатки 16 имеют аэродинамический профиль с плавно изогнутыми поверхностями между входной и выходной кромками, и входная и выходная кромки плавно скруглены.

Вращающийся направляющий аппарат 11 может быть отфрезерован непосредственно на валу 10 ротора 4 в виде лопаток с аэродинамическим профилем, или шлицов, или пазов простой технологичной формы.

Кроме того, вращающийся направляющий аппарат 11 может быть выполнен в виде насадной детали, размещенной на валу 10 ротора 4.

Насадная деталь ротора может быть выполнена в виде лопаток с аэродинамическим профилем, или шлицов, или пазов простой технологичной формы.

Вращающийся направляющий аппарат 11 может быть выполнен в виде лопаток, размещенных на внутренней поверхности центрирующего кольца 8.

При выполнении вращающегося направляющего аппарата 11 в виде лопаток выходные кромки должны быть ориентированы в осевом направлении, а входные кромки - навстречу набегающему потоку охлаждающего газа.

Цилиндрический элемент 9 может быть выполнен в виде неподвижной цилиндрической оболочки или вращающейся ступицы, насаженной на лопатки (шлицы, пазы) вращающегося направляющего аппарата 11.

При необходимости на ступице вала 10 ротора 4 может быть установлен напорный элемент 19 (центробежный или осевой вентилятор), обеспечивающий циркуляцию охлаждающего газа в электрической машине.

При работе электрической машины охлаждающий газ направляется в подводящий канал 12, проходит через неподвижный направляющий аппарат 15, в котором за счет установки лопаток 16 получает предварительную закрутку по направлению вращения ротора 4. Получивший предварительную закрутку охлаждающий газ направляется в осевой канал 7 и далее во вращающийся направляющий аппарат 11, который закручивает охлаждающий газ до окружной скорости ротора. Далее охлаждающий газ направляется в ротор 4, в подпазовые каналы 6. Из подпазовых каналов 6 охлаждающий газ поступает на входы радиальных каналов 5 ротора 4 и с выходов радиальных каналов 5 в воздушный зазор 3 между статором 1 и ротором 4.

В результате реализации предлагаемого технического решения обеспечивается равномерное распределение охлаждающего газа по каналам ротора, эффективное охлаждение обмотки ротора, снижение механических потерь, затрачиваемых на циркуляцию охлаждающего газа в каналах ротора, и повышение КПД электрической машины, в том числе и в режимах работы со снижением нагрузки и с низкими температурами охлаждающего газа в зимнее время года.

1. Электрическая машина, характеризующаяся тем, что содержит статор, имеющий обмотку, ротор, установленный в статоре с зазором и имеющий в обмотке радиальные каналы для охлаждения, соединяющиеся с подпазовыми каналами и зазором, вращающийся направляющий аппарат, размещенный в осевом канале, образованном внутренней поверхностью центрирующего кольца, внутренней цилиндрической поверхностью элемента, отделяющего осевой канал от зоны расположения лобовых частей обмотки, и поверхностью вала ротора, при этом осевой канал сообщается с подпазовыми каналами и подводящим каналом, образованным неподвижными радиальными стенками, между которыми установлен неподвижный направляющий аппарат для закручивания потока газа в направлении вращения ротора.

2. Электрическая машина по п. 1, характеризующаяся тем, что неподвижный направляющий аппарат состоит из лопаток, закрепленных по окружности между двумя кольцевыми элементами, причем входные кромки лопаток закреплены на внешнем диаметре кольцевых элементов, а выходные кромки лопаток закреплены на внутреннем диаметре кольцевых элементов со смещением от входной кромки в направлении вращения ротора.

3. Электрическая машина по п. 2, характеризующаяся тем, что лопатки неподвижного направляющего аппарата установлены с возможностью поворота.

4. Электрическая машина по п. 2, характеризующаяся тем, что лопатки неподвижного направляющего аппарата имеют аэродинамический профиль с плавно изогнутыми поверхностями, при этом входная и выходная кромки плавно скруглены.

5. Электрическая машина по п. 1, характеризующаяся тем, что вращающийся направляющий аппарат отфрезерован на валу ротора в виде лопаток с аэродинамическим профилем, или шлицов, или пазов простой технологичной формы.

6. Электрическая машина по п. 1, характеризующаяся тем, что вращающийся направляющий аппарат выполнен в виде насадной детали, размещенной на валу ротора.

7. Электрическая машина по п. 6, характеризующаяся тем, что насадная деталь выполнена в виде лопаток с аэродинамическим профилем, или шлицов, или пазов простой технологичной формы.

8. Электрическая машина по п. 1, характеризующаяся тем, что вращающийся направляющий аппарат выполнен в виде лопаток, размещенных на внутренней поверхности центрирующего кольца.