обмотка возбуждения с жидкостным охлаждением

Формула изобретения

1. ОБМОТКА ВОЗБУЖДЕНИЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, состоящая из стержней, подразделенных на изолированные элементарные проводники, покрытые снаружи корпусной изоляцией, и гидравлические каналы, и штуцеров для подачи в них жидкого хладагента, отличающаяся тем, что, с целью повышения мощности и КПД, между столбиками элементарных проводников, образующих каждый стержень, размещен охладитель, проходящий по всей длине стержня и состоящий из теплопроводного массива, в котором размещены трубчатые элементы прямого и обратного гидравлических контуров, зафиксированные с помощью дистанционных, расположенных через промежутки, элементов, и который изолирован от элементарных проводников диэлектриком, причем трубчатые элементы изготовлены из немагнитного коррозиестойкого металла, а со стороны подачи хладагента между ними и штуцерами размещены напорная и сливная камеры, закрепленные на корпусе наконечника, герметизированного металлом массива охладителя.

2. Обмотка по п.1, отличающаяся тем, что напорная и сливная камеры закреплены на корпусе наконечника последовательно, а трубчатые элементы прямого контура соединены с напорной камерой с проходом через сливную камеру.

3. Обмотка по п.1, отличающаяся тем, что трубчатые элементы обратного контура соединены со сливной камерой с проходом через напорную камеру.

4. Обмотка по п.1, отличающаяся тем, что напорная и сливная камеры закреплены на наконечниках параллельно.

5. Обмотка по п.1, отличающаяся тем, что с противоположного конца стержня установлены дополнительные напорная и сливная камеры, причем напорная камера прямого и сливная камера обратного контуров расположены с одной стороны с обоих концов стержня.

6. Обмотка по пп.1 и 5, отличающаяся тем, что сливные и напорные камеры прямого и обратного контуров расположены с одной стороны по обоим концам стержней, а прямые и обратные контуры соединены с помощью гидравлических перемычек на длине полустержня на обоих его участках.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрическим машинам и, в частности, к обмоткам роторов, охлаждаемым жидкостью.

Известна конструкция обмотки ротора синхронного неявнополюсного турбогенератора, которая охлаждается дистиллятом, протекающим по гидравлическим каналам проводников обмотки возбуждения, расположенным внутри них. Проводники изолированы друг от друга собственной изоляцией, а от ротора - корпусной изоляцией. В лобовых частях проводники обмотки имеют напорные и сливные штуцеры, подключенные через диэлектрическую арматуру к напорной и сливной камерам устройства водоподвода. Гидравлическая цепь может состоять из всех, нескольких и одного витка с односторонней и двухсторонней подачей и сливом дистиллята. Подобная конструкция описана в [1].

Недостатки рассмотренной конструкции следующие. Дистиллятное охлаждение обмотки возбуждения имеет высокие эксплуатационные издержки и установленную стоимость системы охлаждения и водоподготовки. Непосредственное дистиллятное охлаждение требует диэлектрических вставок в подсоединительной арматуре, что снижает надежность конструкции обмотки возбуждения при высоких центробежных силах быстроходных роторов турбогенераторов. Аксиальность непосредственного дистиллятного охлаждения создает сконцентрированные на одном конце ротора температурные перепады, вызывающие термическую аксиальную несимметрию, термический небаланс и связанные с ним шумы и вибрации. С ростом мощности турбогенератора возрастает длина ротора и приходится увеличивать диаметр гидравлического канала, что приводит либо к увеличению размеров паза, ограниченных прочностью быстроходного ротора, или к уменьшению доли проводникового материала в витке до 65-70% от полного сечения, что увеличивает плотность тока, потери и мощность возбуждения, а это снижает КПД и предельную мощность машины.

Рассмотренная конструкция обмотки возбуждения является прототипом предлагаемого изобретения.

Цель изобретения - повышение мощности электрической машины за счет применения косвенного охлаждения обмотки возбуждения технической или проточной водой, повышение КПД, электрической машины за счет использования косвенных охладителей обмотки возбуждения, встроенных в стержни, между столбиками элементарных проводников.

Размещают внутри стержней, между столбиками проводников в собственной изоляции, косвенные охладители, состоящие из массива с высокой теплопроводностью, в котором расположены трубчатые коррозионностойкие немагнитные элементы напорного - прямого и сливного - обратного контуров, причем по внешней поверхности косвенный охладитель покрыт слоем диэлектрика, изолирующим его от элементарных проводников. Выполняют прямой и обратный контуры чередующимися по высоте. Выполняют на концах стержней наконечники, герметизированные напорными и сливными камерами, корпуса которых закрыты крышками, обварены герметичными швами и залиты металлом массива охладителей. При двухсторонней подаче хладагента происходит его сквозная циркуляция по трубчатым элементам встречно с напором с одной, а сливом - с другой стороны. Выполняют при двухсторонней подаче хладагента прямой и обратный контуры, замкнутые на длине полувитка стержня, с расположением напора и слива с одной стороны стержня на обоих его концах.

На фиг.1 изображен стержень обмотки возбуждения, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - узел водоподвода к стержню обмотки возбуждения с параллельным соединением напорной камер, продольный разрез; на фиг.5 - участок середины косвенного охладителя с гидравлической перемычкой, продольное сечение; на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.1.

Стержень 1 обмотки возбуждения состоит из столбиков 2 элементарных проводников, в каждом из которых элементарные проводники 3 прилегают собственной изоляцией 4 с одной стороны к корпусной изоляции 5, а с другой стороны - к косвенному охладителю 6, содержащему массив 7 из высокотеплопроводящего металла, например алюминиевого сплава, в котором размещены трубчатые элементы 8 и 10 прямого и обратного контура, изготовленные из немагнитного коррозионностойкого металла, вдоль всего стержня 1. По гидравлическим каналам 9 и 11 трубчатых элементов 8 и 10 циркулирует жидкий хладагент, например техническая вода или фреон. Косвенный охладитель 6 покрыт с обеих сторон, прилегающих к столбикам проводников 2, слоем высокотеплопроводного диэлектрика 12. Трубчатые элементы 8 и 10 пропущены через фиксаторы 13 в средней части и фиксаторы 14 перед радиусами закругления 15 на выходе стержня из паза. Косвенный охладитель 6 на закруглении 15 может быть выполнен с массивом 7, изготовленным из диэлектрического материала 16 с высокой теплопроводностью 16, например полиимидного компаунда. Фиксатор 18 устанавливается с обоих концов косвенного охладителя 6 после выхода его из закругления 15. На конце косвенного охладителя 6 на трубчатые элементы 8 и 10 надет наконечник 18, на котором крепятся корпуса 26 напорной 19 и сливной 20 камер герметичными швами 25. Камеры 19 и 20 накрываются крышками 24 и обвариваются герметичными швами 25, а в стенки корпусов 26 встраиваются подводящие штуцеры 22, напорный, и сливной 23. Между корпусами 26 напорной и сливной камер 19 и 20 размещена термостойкая теплоизолирующая прокладка 27. Соседний стержень 1 для образования последовательного витка присоединяется с помощью хвостовика 29 и припоя 30. Противоположный конец стержня 1 оснащен надетым на трубчатые элементы 8 и 10 наконечником 31 смесительной камеры 32 при односторонней подаче.

На фиг.2 представлен стержень 1, между столбиками проводников 3 которого размещен косвенный охладитель 6, изолированный диэлектриком 12 от них, причем трубчатые элементы 8 прямого и 10 обратного контуров охлаждения могут быть выполнены чередующимися по высоте охладителя 6, а также и сгруппированными: верхние все прямого контура 8, а нижние - все обратного контура 10.

На фиг.3 представлен узел водоподачи с последовательным соединением камер напора 19 и слива 20. Пазы 21 наконечника 18 герметизированы массивом 7 охладителя 6.

На фиг. 4 представлен второй вариант узла водоподачи к стержню 1 с параллельным соединением напорной 19 и сливной 20 камер.

Гидравлическое соединение трубчатых элементов прямого 8 и обратного 10 контуров может быть выполнено с помощью гидравлической перемычки 28, которое может быть использовано как для образования обратного контура в конце стержня 1, так и на половине стержня 1.

Обмотка возбуждения работает следующим образом. Охлаждающая жидкость (техническая вода, фреон) подается через напорный штуцер 22 в напорную камеру 19, из которой она попадает в гидравлические каналы 9 трубчатых элементов прямого контура 8 и, проходя по ним вдоль длины стержня 1, снимает тепловые потери, выделяющиеся в элементарных проводниках 3 и отводит эти потери через слои собственной изоляции 4 и диэлектрика 12 к массиву 7 охладителя 6. Замкнувшись через камеру смешения 32 или через гидравлическую перемычку 28, подогретый на половину расчетного перегрева хладагент проходит по гидравлическим каналам 11 трубчатых элементов обратного контура 10 и снимает также некоторое количество тепловых потерь из элементарных проводников 3 и также подогревается и затем попадает в сливную камеру 20 и через сливной штуцер 23 - во внешнее устройство подачи жидкости. Одновременно со снятием потерь от столбиков проводников 2 происходит радиальное выравнивание температуры между контурами прямым 8 и обратным 10 через массив 7 таким образом, что охладитель 6 имеет некоторую усредненную температуру, примерно равную полусумме входной и выходной температуры жидкого хладагента. Вариант конструкции охладителя с расположением узла подачи жидкого хладагента с напорной 19 и сливной 20 камерами и камерой 32 смешения на противоположном конце стержня рекомендуется для машин со средней и небольшой длиной стержня 1. Для мощных машин с большой длиной стержня рекомендуется вариант либо со сквозным проходом жидкого хладагента по трубчатым элементам 8 и 10 при двухсторонней подаче его в узлы подвода, либо вариант с двухсторонней подачей и возвратом жидкости на половине длины стержня 1 с помощью гидравлических перемычек 28. Последний вариант позволяет повысить мощность машины по сравнению со сквозным вариантом циркуляции жидкости.

Преимущества изобретения по сравнению с прототипом следующие. Площадь, занимаемая косвенным охладителем, на 5-10% меньше, чем площадь гидравлических внутрипроводниковых каналов. Это позволяет снизить потери и мощность возбуждения, что повышает КПД машины. Применение для охлаждения обмотки возбуждения технической воды, которое становится возможным за счет использования коррозионностойких материалов гидравлического тракта, позволяет снизить эксплуатационные издержки и установочную стоимость системы водоснабжения и водоподготовки, а также уменьшить потери и мощность возбуждения за счет снижения температуры входящей техничеспкой воды на 7-10^оС, что позволяет увеличить генерируемую мощность и КПД машины. Усреднение температуры охладителей за счет близкого расположения прямого и обратного контуров, контактируюих через высокотеплопроводный массив, позволяет выровнять температуру стержня вдоль его длины и температуру стержней по пазам, что приводит к практическому исключению аксиальной и тангенциальной неравномерности нагрева обмотки возбуждения и ротора в целом и к снижению за счет этого термомеханических дополнительных деформаций, вибраций и шумов, обусловленных неравномерностью нагрева ротора, что повышает надежность машины.

Изобретение может быть использовано в неявнополюсных машинах для охлаждения обмотки возбуждения в турбогенераторах, турбодвигателях и асинхронных двигателях с фазным ротором.