герметичный бесконтактный синхронный генератор торцевого типа

Формула изобретения

1. Герметичный бесконтактный синхронный генератор торцевого типа, содержащий статор с расположенной на нем трехфазной обмоткой, магнитопровод индуктора с полюсной системой, расположенной по периферии рабочего колеса гидротурбины, отличающийся тем, что с торцевой стороны статора установлена неподвижная часть магнитопровода индуктора с обмоткой возбуждения, полюсная система индуктора выполнена клювообразной формы в виде двух колец, размещенных на торцевой поверхности рабочего колеса гидротурбины, а на торцевой поверхности статора в одной плоскости с неподвижной частью магнитопровода индуктора закреплена экранирующая шайба.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что промежутки между клювообразными полюсными зубцами заполнены немагнитным материалом, образующим плоскость с поверхностью зубцов, обращенную в сторону экранирующей шайбы, причем в этих промежутках выполнены отверстия.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что ступица рабочего колеса гидротурбины имеет возможность перемещения в осевом направлении и отжата предварительно напряженной пружиной против направлении движения потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к особенностям конструктивного выполнения герметичных электрических машин, и может найти применение в автономных необслуживаемых электроэнергетических установках малой мощности, в частности в погружных гидроэлектростанциях (ПГЭС).

Известные герметичные электронасосы, применяемые в химической промышленности, в которых ротор асинхронного электродвигателя гидравлически отделен от статора с расположенной на нем трехфазной обмоткой, экранирующей гильзой. В этом случае попадание перекачиваемой жидкости в обмотки исключено герметичным экраном, а уплотнений не требуется вообще (см. например, книгу Э. А. Васильцова, В.Н. Невелича "Герметичные электронасосы", Л. Машиностроение, 1968, с. 260).

Известен также бесконтактный синхронный генератор торцового типа, который содержит магнитопровод статора с расположенной на нем трехфазной обмоткой, магнитопровод индуктора, состоящий из неподвижной и подвижной частей, причем неподвижная часть индуктора снабжена обмоткой возбуждения, а подвижная выполнена в виде клювообразной полюсной системы [1]

Отсутствие скользящих контактов для питания обмотки возбуждения дает возможность выполнить его герметичным, однако использование указанного прототипа для ПГЭС в том же конструктивном исполнении приводит к необходимости введения между рабочим колесом турбины и генератором повышающей передачи - зубчатых колес, валов, подшипников, а, следовательно, смазки и уплотнений. Во-первых, это дорого, следовательно не выгодно экономически. Во-вторых, это значительно, до 50 снижает КПД ПГЭС. Очевидно, что из всех возможных конструктивных вариантов ПГЭС предпочтительным будет тот, который содержит минимум деталей простой, дешевый и надежный, минимум потерь и не требует высокой точности изготовления и обслуживания, что имеет решающее значение при эксплуатации в удаленных малонаселенных районах. Мелкие и быстрые реки, где предполагается использование автономных ПГЭС, переносят с водой частицы песка, следовательно абразивный износ через несколько тысяч часов работы сведет на нет первоначальный размер зазора и потери в магнитной цепи генератора увеличатся, хотя известно, что даже без износа потери в зазоре для электрических машин достигают 60 70 от общих потерь.

Достигнутый уровень техники характеризуется генераторами большой единичной мощности (до 65010³ кВт), приводимыми от гидротурбин.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является синхронный генератор, конструктивно сопряженный с гидротурбиной и представляющий собой, по существу, гидроагрегат, который содержит индуктор, система явновыраженных полюсов ротора генератора расположена по периферии рабочего колеса (обода) гидротурбины, на статоре генератора расположена трехфазная обмотка, а между вращающимся ободом-ротором и статором выполнено водонепроницаемое уплотнение, защищающее электрическую часть генератора [2]

В такой герметизированной электрической машине токоподвод к подвижной обмотке возбуждения индуктора осуществляется через контактные кольца и щетки, а это с неизбежностью приводит к необходимости установки уплотнений, что ведет к увеличению потерь на трение в периферийно расположенных уплотнениях и при использовании таких гидроагрегатов в безнапорной (без плотины) среде автоматически приводит к резкому снижению их удельной мощности. Таким образом, конструкции стационарных гидроагрегатов являются для ПГЭС нецелесообразными как с технической, так и с экономической точки зрения. Это приведет к высокой стоимости, низкой надежности и резкому снижению КПД, так как уплотнения, расположенные по периферии рабочего колеса, при сравнительно малой единичной (кВт) и удельной (кВт/кг) мощностях, осуществимых в безнапорных ПГЭС, создадут тормозной момент, соизмеримый с полезным моментом, и вместе с тем, не гарантируют абсолютной герметичности, поскольку требуют периодических профилактических работ и замены.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит не только в совмещении рабочего колеса турбины с подвижной частью индуктора генератора, но и в увеличении числа степеней свободы за счет возможности перемещения в осевом направлении по мере абразивного износа так, что зазор поддерживается в заданных пределах. При этом индуктор совмещает функцию упорного гидростатического подшипника, в качестве смазки которого используется вещественно-полевой ресурс вода.

Данная техническая задача решается тем, что в известном герметичном бесконтактном синхронном генераторе торцевого типа, содержащем статор с расположенной на нем трехфазной обмоткой, магнитопровод индуктора с полюсной системой, расположенной по периферии рабочего колеса гидротурбины, согласно изобретению с торцовой стороны статора установлена неподвижная часть магнитопровода индуктора с обмоткой возбуждения, полюсная система индуктора выполнена клювообразной формы в виде двух колец, размещенных на торцовой поверхности рабочего колеса гидротурбины, а на торцовой поверхности статора в одной плоскости с неподвижной частью магнитопровода индуктора закреплена экранирующая шайба.

Кроме того, согласно изобретению промежутки между клювообразными полюсными зубцами могут быть заполнены немагнитным материалом, образующим плоскость с поверхностью зубцов, обращенную в сторону экранирующей шайбы, причем в этих промежутках выполнены отверстия.

Ступица рабочего колеса гидротурбины может иметь возможность перемещения в осевом направлении и может быть отжата предварительно напряженной пружиной против направления движения потока.

На фиг. 1, 2 изображен герметичный бесконтактный синхронный генератор, конструктивно совмещенный с рабочим колесом гидротурбины; на фиг. 3 7 в увеличенном масштабе узел I на фиг. 1; на фиг. 8, 9 графики зависимости, поясняющие самоустановку и поддержание зазора в требуемых пределах.

Предлагаемый герметичный бесконтактный синхронный генератор совмещен с гидротурбиной. Рабочее колесо гидротурбины представляет собой сварную конструкцию из обода 1, лопастей 2 с радиальными трубчатыми каналами 3, гидравлически соединяющими пазуху 4 обода и пазуху 5 ступицы 6. Полая ось 7 имеет в области пазухи 5 радиальные отверстия 8. Таким образом, гидравлическая магистраль от полой оси 7 до пазухи 4 обода всегда имеет место как при вращении рабочего колеса, так и при перемещении его вдоль оси вращения.

На ободе 1 закреплено кольцо 9 Т-образного поперечного сечения из немагнитного материала, по торцовой поверхности которого, обращенной в сторону неподвижной части генератора, расположена полюсная система клювообразной формы, состоящая из колец 10 и 11 с полюсными зубцами. Промежутки между полюсными зубцами заполнены немагнитным материалом так, что торцовая поверхность индуктора плоскость, перпендикулярная оси вращения рабочего колеса турбины. Между зубцами полюсов выполнены отверстия 12, соединяющие торцовую поверхность с пазухой 4 обода рабочего колеса. Ступица 6, имеющая возможность перемещения вдоль оси вращения на величину S, в исходном состоянии отжата предварительно напряженной пружиной 13 против движения потока, скоростной напор которого P_v (на фиг. 1).

Неподвижная часть генератора состоит из магнитопровода статора 14 - витого тороидального сердечника с пазами для укладки трехфазной обмотки 15. В одной плоскости с торцом статора лежат торцы двух аксиальных колец 16 и 17 неподвижной части магнитопровода индуктора, соединенные с магнитопроводом статора экранирующей шайбой 18. Противоположные концы аксиальных колец 16 и 17 соединены сердечниками 19, на которых расположены секции обмотки возбуждения 20 (см. фиг. 3, 7, сечение В-В).

Работает генератор следующим образом. В режиме холостого хода осевая сила, действующая на рабочее колесо, мала и оно находится в крайнем левом положении (фиг. 2). Зазор между подвижной и неподвижной частями индуктора велик и исключает задевание. Вращающееся рабочее колесо приводит насос объемного действия (на фиг. 1 не показан), например роторно-пластинчатый, который нагнетает воду внутрь полой оси 7 (на фиг. 1). При включении обмотки возбуждения 20 возникает сила электромагнитного притяжения подвижной и неподвижной частей индуктора, а при подключении генератора к нагрузке к ней добавляется осевая сила, обусловленная моментом генератора. Сумма этих сил больше силы предварительно напряженной пружины 13 (фиг. 1) и рабочее колесо, вращаясь, начинает перемещаться по направлению движения потока (фиг. 4). Зазор между подвижной и неподвижной частями индуктора уменьшается, его гидравлическое сопротивление увеличивается, следовательно увеличивается и давление, которое на площади экранирующей шайбы 18 создает силу, направленную противоположно осевой силе на рабочем колесе. Поскольку нагнетание воды в зазор осуществляется объемным насосом, то повышение давления в магистрали практически не сказывается на его расходе. Расход насоса выбирается так, что равенство сил: суммарный осевой силы, действующей на рабочее колесо силы притяжения со стороны магнитопровода индуктора и скоростного напора и противоположной силы, обусловленной давлением в зазоре, на площади экранирующей шайбы, выполняющей функцию упорного подшипника, наступает при минимальном зазоре 0,15-0,2 мм (фиг. 8). Поддержание заданного значения зазора в широком диапазоне скоростей течения осуществляется следующим образом. Силы, развиваемые в гидростатическом упорном подшипнике в зависимости от зазора (мм), изображены на фиг. 8 семейством кривых гиперболического вида. Цифровые обозначения кривых соответствуют скоростям течения 1; 2; 3 (м/с). Если скорость течения увеличится, то увеличится и сила скоростного напора, действующая на рабочее колесо, следовательно при прежнем давлении зазор уменьшится, что может привести к задеванию клювообразной полюсной системы 10; 11 за экранирующую шайбу 18 (фиг. 4). Но при увеличившейся скорости течения увеличивается и скорость вращения рабочего колеса турбины, следовательно к давлению (силе) объемного насоса P_он (фиг. 9) прибавится дополнительная сила, развиваемая напором центробежного насоса P_ЦБН, роль которого выполняют трубки-каналы 3, расположенные радиально внутри лопастей 2 рабочего колеса турбины (фиг. 1). Суммарная сила P (фиг. 9) также увеличится и примет в зависимости от скорости новое значение, при котором зазор практически не изменится. Таким образом, ступица с полой осью и подвижная часть индуктора генератора с экранирующей шайбой представляют собой, соответственно, гидростатические опорный и упорный подшипники, не требующие специальной смазки и уплотнений.

Изменение скорости вращения синхронного генератора, а значит и частоты, не является в данном случае неразрешимым противоречием, т.к. трехфазное напряжение обмоток статора выпрямляется, а затем преобразуется статическим транзисторным преобразователем в напряжение любого требуемого значения, с любым числом фаз и заданным допуском на частоту. При этом появляется возможность отбирать от генератора мощность до максимально возможной при любой скорости течения, что имеет большое значение для автономной ПГЭС. Одновременно с этим из конструкции исключается направляющий аппарат, составляющий до 60 стоимости гидротурбины, что также целесообразно с экономической точки зрения.