способ газового охлаждения электрической машины и электрическая машина

Формула изобретения

1. Способ газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом вытяжной вентиляции, при котором охлаждающий газ от охладителей статора через камеру сбора холодного газа и от охладителей ротора направляют посредством напорных элементов, а именно вентиляторов, размещенных с обеих сторон бочки ротора, и каналов ротора тремя параллельными путями в каналы ротора и сердечника статора, а подогретый в этих каналах газ направляют через камеру сбора подогретого газа на охладители, отличающийся тем, что камеру сбора холодного газа статора организуют между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, а камеру сбора подогретого газа организуют в зонах расположения лобовых частей обмотки статора, первый путь газа организуют от охладителей статора, с выходов которых охлаждающий газ направляют в каналы основной зоны сердечника статора со стороны наружной поверхности сердечника статора, из этих каналов подогретый газ собирают посредством газосборных воздуховодов также со стороны наружной поверхности сердечника статора, из этих каналов подогретый газ собирают посредством газосборных воздуховодов также со стороны наружной поверхности сердечника статора и подают в камеру сбора подогретого газа с внешней стороны лобовых частей обмотки статора, второй путь газа организуют от охладителей статора, с выходов которых охлаждающий газ направляют со стороны наружной поверхности сердечника статора в радиальные каналы торцевой зоны сердечника статора, после выхода из радиальных каналов газ подают в камеру подогретого газа с внешней стороны лобовых частей обмотки статора, часть газа из каналов сердечника статора направляют на охладители ротора, другую его часть - на вентиляторы и далее к охладителям статора, третий путь организуют от охладителей ротора, с выхода которых охлаждающий газ направляют в каналы ротора, из каналов ротора подогретый газ через зазор между ротором и статором подают в камеру сбора подогретого газа с внутренней стороны лобовой части обмотки статора на входы вентиляторов и далее - на охладители статора.

2. Электрическая машина с газовым охлаждением для осуществления способа по п.1, включающая корпус, размещенные в нем охладители статора и ротора, статор, имеющий в торцевых зонах сердечника радиальные вентиляционные каналы и в основной зоне сердечника - вентиляционные каналы, входы и выходы которых расположены на наружной поверхности статора, ротор, установленный в статоре с зазором и имеющий каналы с входами и выходами на разных радиусах вращения, вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора, и камеры, первая из которых размещена между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, а вторая - в зонах расположения лобовых частей обмотки статора, отличающаяся тем, что выходы охладителей статора объединены с первой камерой, в которой на наружной поверхности статора расположены входы в каналы основной зоны сердечника статора и в радиальные каналы торцевых зон сердечника статора, а также газосборные воздуховоды, выполненные, например, в виде системы коробов, размещенных над выходами из каналов основной зоны сердечника статора и соединяющих эти выходы со второй камерой, при этом выходы из газосборных воздуховодов, выходы из радиальных каналов торцевых зон сердечника статора и входы охладителей ротора соединены со второй камерой с внешней стороны лобовой части обмотки статора, выходы охладителей ротора соединены с входами в каналы ротора, выходы из каналов ротора через зазор между статором и ротором сообщаются со второй камерой с внутренней стороны лобовых частей обмотки статора, а зона повышенного давления вентиляторов соединена с входами охладителей статора.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение 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 электрическая машина [1] с газовой многоструйной системой вентиляции, в которой корпус статора в тангенциальном направлении разделен на чередующиеся отсеки высокого и низкого давления газа. Вентиляционные каналы статора в секторах высокого давления в зубцовой зоне снабжены заглушками, расположенными в области расточки сердечника статора. В данной схеме вентиляции поток охлаждающего газа от вентиляторов поступает в отсеки высокого давления корпуса статора, откуда по вентиляционным каналам между пакетами сердечника охлаждающий газ движется из области ярма к зубцовой зоне, далее по аксиальным щелевым отверстиям, выполненным в зубцах, перемещается поперек пакета активной стали в вентиляционные каналы отсека низкого давления. Подогретый газ из каналов обмотки ротора, выбрасываемый в зазор между статором и ротором, входит в вентиляционные каналы секторов сердечника статора низкого давления, где смешивается с охлаждающим газом статора.

Схема организована так, что ротор с каналами, вход и выход которых расположен на разных радиусах вращения, и вентиляторы работают последовательно и через вентиляторы проходит суммарный поток охлаждающего газа, циркулирующий в электрической машине. В результате увеличиваются потери в вентиляторах и снижается КПД электрической машины. Кроме того, существенный недостаток такой схемы состоит в том, что в каналы статора из зазора между статором и ротором поступает подогретый газ. Следствием этого является повышение температуры обмотки и активной стали статора в секторах низкого давления.

Известна электрическая машина [2], в которой применена замкнутая вытяжная система вентиляции с использованием в качестве напорных элементов компрессора, размещенного на валу ротора, и каналов ротора с входами и выходами, расположенными на разных радиусах вращения ротора, посредством которых обеспечивается движение газа в машине.

Охлаждающий газ после охладителей, расположенных на стороне компрессора, разделяется на два потока, один из которых сразу поступает в каналы ротора с одной стороны бочки ротора, другой поток проходит в аксиальном направлении через камеру, расположенную между корпусом и наружной поверхностью сердечника статора, на противоположную сторону машины и направляется в аксиальные каналы сердечника статора и в каналы ротора через камеру, в которой расположены лобовые части обмотки статора. Выход газа из каналов ротора организован в центральной части зазора между статором и ротором, откуда весь поток роторного газа направляется по зазору к компрессору. Поток газа из аксиальных каналов статора через камеру, в которой расположены лобовые части обмотки статора, направляется также на компрессор. Далее оба газовых потока поступают на охладители.

Основной недостаток аксиальной системы вентиляции статора состоит в том, что распределение температуры обмотки и сердечника статора по длине машины носит существенно неравномерный характер. Эффективность аксиальных каналов недостаточно высока, поскольку они удалены от обмотки и зубцов статора, являющихся наиболее напряженными в тепловом отношении активными элементами электрической машины. Кроме того, высокое аэродинамическое сопротивление аксиальных каналов статора и ротора требует применения высоконапорного компрессора, что приводит к снижению КПД генератора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ газового охлаждения генератора с замкнутым циклом вентиляции [3], в котором охлаждающий газ от охладителей посредством напорных элементов, в качестве которых используют два вентилятора, размещенные с обеих сторон бочки ротора, и каналы ротора с входами и выходами, расположенными на разных радиусах вращения ротора, подают тремя параллельными путями в каналы статора и ротора, а подогретый в них газ направляют на охладители через камеру сбора подогретого газа, которую организуют в пространстве между охладителями и наружной поверхностью сердечника статора.

Два основных потока охлаждающего газа после охладителей направляют через камеру, в которой расположены лобовые части обмотки статора, в воздушный зазор между статором и ротором и в каналы ротора.

Первый поток охлаждающего газа из зазора между статором и ротором по радиальным каналам крайней и торцевых зон сердечника статора подают в камеру сбора подогретого газа, размещенную между охладителями и наружной поверхностью сердечника статора.

Второй поток охлаждающего газа после каналов ротора подают в зазор между статором и ротором, из зазора по радиальным каналам в центральной зоне сердечника статора подогретый газ направляют в ту же камеру сбора подогретого газа.

Третий поток охлаждающего газа сразу после охладителей подают в каналы центральной части основной зоны сердечника статора, вход и выход этих каналов организован со стороны наружной поверхности сердечника статора.

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

Электрическая машина, позволяющая осуществить указанный способ газового охлаждения, включает корпус с размещенными в нем охладителями, сердечник статора, имеющий в центральной части основной зоны чередующиеся между собой радиальные каналы и каналы (U-образные), вход и выход которых расположен на наружной поверхности статора, а в крайней и торцевых зонах - радиальные каналы, ротор, установленный в статоре с зазором и имеющий каналы с входом и выходом на разных радиусах вращения, вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора, и камеры, первая из которых размещена в пространстве между охладителями и наружной поверхностью сердечника статора, а вторая организована в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.

Данная система вентиляции статора позволяет снизить уровень температур обмотки и активной стали в центральной части основной зоны сердечника статора за счет чередования радиальных каналов, питаемых подогретым газом из зазора между статором и ротором, и U-образных каналов, снабжаемых холодным газом непосредственно из охладителей. Поскольку через радиальные каналы пропускается газ, подогретый в зазоре механическими потерями и потерями в роторе, эффективность охлаждения обмотки и активной стали статора снижается. Температура обмотки и стали в крайних зонах сердечника статора существенно повышается, т.к. радиальные вентиляционные каналы крайних зон снабжаются подогретым газом из зазора между статором и ротором.

Контуры охлаждения статора и ротора не разделены и через вентиляторы проходит весь расход газа, циркулирующий в машине. По этой причине уровень вентиляционных потерь возрастает, а КПД электрической машины снижается.

Задачей, решаемой заявляемой группой изобретений, является повышение КПД электрической машины с газовым охлаждением за счет снижения вентиляционных потерь, увеличение интенсивности охлаждения обмотки и сердечника статора путем организации движения газовых потоков в системе вентиляции электрической машины, а также снижение материалоемкости электрической машины.

Указанная задача решается за счет того, что в заявляемом способе газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом вытяжной вентиляции охлаждающий газ от охладителей 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, 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 с внешней стороны лобовых частей обмотки статора.

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

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

Третий путь газа организуют от охладителей ротора, с выхода которых охлаждающий газ направляют в каналы ротора, а подогретый в каналах ротора газ через зазор между ротором и статором подают в камеру сбора подогретого газа с внутренней стороны лобовых частей обмотки статора (роторное пространство) непосредственно на вход вентиляторов, откуда подогретый газ при их помощи направляют на охладители статора.

Новым в заявляемом способе является:

- организация камеры сбора холодного газа для охлаждения статора в пространстве между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора;

- организация камеры сбора подогретого газа в зонах расположения лобовых частей обмотки статора;

- подача охлаждающего газа из охладителей статора в каналы основной зоны сердечника статора со стороны наружной поверхности сердечника статора, эвакуация подогретого в них газа также со стороны наружной поверхности сердечника статора при помощи газосборных воздуховодов, организация выхода подогретого газа из газосборных воздуховодов в камеру сбора подогретого газа с внешней стороны лобовых частей обмотки статора;

- подача охлаждающего газа из охладителей статора в радиальные каналы торцевой зоны сердечника статора со стороны наружной поверхности сердечника статора и эвакуация подогретого газа из этих каналов непосредственно в камеру сбора подогретого газа с внешней стороны лобовых частей обмотки статора;

- эвакуация части газа, подогретого во всех вентиляционных каналах статора, из камеры сбора подогретого газа на охладители ротора;

- подача охлаждающего газа после охладителей ротора в каналы ротора и эвакуация подогретого газа из каналов ротора через зазор между ротором и статором в камеру сбора подогретого газа с внутренней стороны лобовых частей обмотки статора;

- подача подогретого газа из каналов ротора и части газа из каналов статора посредством вентиляторов на охладители статора.

Способ вентиляции электрической машины, при котором газ, подогретый в каналах ротора, и часть газа, подогретого в каналах статора, направляют посредством вентиляторов на охладители статора, а оставшуюся часть газа, подогретого в каналах статора, направляют непосредственно на охладители ротора, не выявлен в существующем уровне техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Для обеспечения такого способа газового охлаждения электрическая машина имеет некоторые особенности конструктивного исполнения.

Предлагаемая электрическая машина содержит корпус, размещенные в нем охладители, статор, ротор, установленный в статоре с зазором, вентиляторы, размещенные с обеих сторон бочки ротора, и камеры, первая из которых размещена между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, а вторая размещена в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.

Выходы охладителей статора объединены с первой камерой.

Статор имеет вентиляционные каналы основной зоны сердечника, входы и выходы которых расположены на наружной поверхности сердечника статора, и радиальные каналы в торцевой зоне сердечника статора. При таком конструктивном решении каналов исключена связь по газовым потокам между каналами сердечника статора и зазором между ротором и статором по всей длине сердечника статора.

Входы всех каналов статора открыты для прохода охлаждающего газа из охладителей статора со стороны первой камеры, а их выходы выведены во вторую камеру.

При этом выходы из радиальных каналов сердечника статора организованы непосредственно во вторую камеру с внешней стороны лобовых частей обмотки статора, выходы из каналов основной зоны сердечника статора соединены со второй камерой при помощи газосборных воздуховодов, например системы коробов, установленных на наружной поверхности статора над указанными выходами. При этом выход системы коробов во вторую камеру размещен с наружной стороны лобовых частей обмотки статора.

Выход охладителей ротора соединен с входом в каналы ротора, выходы из каналов ротора через зазор между статором и ротором сообщаются со второй камерой.

Вторая камера соединена непосредственно с входами охладителей ротора, а с входами охладителей статора она соединена через зону повышенного давления вентиляторов.

Новым в заявляемом устройстве является:

- объединение выходной зоны охладителей статора с первой камерой, размещенной между охладителями и наружной поверхностью сердечника статора; (признак 1)

- расположение на наружной поверхности статора в зоне первой камеры выходов каналов основной зоны сердечника статора и входов в радиальные каналы торцевых зон сердечника статора; (признак 2)

- размещение над выходами из каналов основной зоны сердечника статора газосборных воздуховодов, выполненных, например, в виде системы коробов, соединяющих эти выходы со второй камерой, образованной в зонах расположения лобовых частей обмотки статора; (признак 3)

- размещение выхода газосборных воздуховодов во вторую камеру с внешней стороны лобовых частей обмотки статора вблизи от входов охладителей ротора; (признак 4)

- размещение выходов из радиальных каналов торцевой зоны сердечника во вторую камеру с внешней стороны лобовых частей обмотки статора; (признак 5)

- соединение выходов охладителей ротора с входами в каналы ротора; (признак 6)

- соединение выходов каналов ротора через зазор между статором и ротором посредством вентиляторов с входами охладителей статора (признак 7).

Признак 2 из перечисленных выше известен из [3], но в [3] только часть каналов основной зоны сердечника статора имеет входы и выходы, расположенные в пространстве между охладителями и наружной поверхностью сердечника статора, а в заявляемой электрической машине входы и выходы всех каналов основного сердечника статора размещены между охладителями и наружной поверхностью сердечника статора.

Признаки (1), (3)-(7) из перечисленных выше не выявлены из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Снижение вентиляционных потерь, а следовательно, повышение КПД электрической машины с газовым охлаждением в заявляемой группе изобретений достигается за счет того, что вентиляторы обеспечивают расходом газа только статорный контур вентиляции.

В заявляемом устройстве в основной зоне сердечника статора выполнены вентиляционные каналы, равномерно распределенные по длине и окружности сердечника. Причем каждый канал начинается и заканчивается на наружной поверхности сердечника, не сообщаясь с зазором между статором и ротором, что позволяет исключить взаимную связь систем охлаждения статора и ротора. Это, в свою очередь, позволяет получить равномерное распределение температур обмотки и активной стали по длине и окружности сердечника статора. В каналы статора не поступает подогретый газ из зазора между статором и ротором, что повышает эффективность охлаждения обмотки и активной стали статора. Использование такой эффективной системы вентиляции статора дает возможность уменьшить высоту паза и наружный диаметр сердечника статора по сравнению с электрическими машинами аналогичной мощности, охлаждаемыми по традиционным схемам охлаждения. Следствием этого является снижение материалоемкости электрической машины, которое достигается за счет уменьшения расхода электротехнической стали, меди обмотки статора и высоковольтной изоляции.

В данном способе вентиляции охлаждение торцевой зоны (крайних пакетов и магнитных шунтов) сердечника статора организовано по одноструйной схеме, при которой движение газовых потоков по радиальным вентиляционным каналам между пакетами активной стали происходит от периферии сердечника статора к расточке и далее в зону расположения лобовых частей обмотки статора. Такой способ вентиляции дает возможность повысить эффективность охлаждения торцевых пакетов сердечника статора и обеспечить работу электрической машины в режимах с потреблением реактивной мощности.

В охлаждении лобовых частей обмотки статора и конструктивных элементов торцевой зоны статора участвует суммарный газовый поток, циркулирующий в электрической машине, при этом не требуется затрат мощности на дополнительные источники давления для охлаждения этих элементов.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где изображена электрическая машина, в которой использовано газовое охлаждение с замкнутым циклом вытяжной вентиляции.

Электрическая машина включает корпус 1, размещенные в нем статор 2 и ротор 3, установленный в статоре 2 с зазором, охладители статора 4 и охладители ротора 5, вентиляторы 6 и камеры, первая из которых 7 размещена между охладителями статора 4 и наружной поверхностью сердечника статора 2, а вторая камера 8 - в зонах расположения лобовых частей обмотки 9 статора 2.

Статор 2 имеет в основной зоне сердечника вентиляционные каналы 10, входы и выходы которых выполнены на наружной поверхности сердечника статора 2, и в торцевых зонах сердечника радиальные вентиляционные каналы 11.

Ротор 3 имеет вентиляционные каналы 12 с входами и выходами на разных радиусах вращения бочки ротора 3.

Выходы охладителей статора 4 объединены с камерой 7, в которой расположены и входы каналов 10 и 11.

Над выходами каналов 10 размещены газосборные воздуховоды 13, которые соединяют их с камерой 8, при этом выходы из газосборных воздуховодов 13 в камеру 8 выполнены с внешней стороны лобовых частей обмотки 9 статора 2. Выходы из каналов 11 соединены непосредственно с камерой 8 с внешней стороны лобовых частей обмотки 9 статора 2.

Камера 8 с внешней стороны лобовых частей обмотки 9 статора 2 соединена с входами охладителей ротора 5.

Выходы охладителей ротора 5 через пространство, расположенное между корпусом 1 и зоной повышенного давления 14 вентиляторов 6, соединены с входами в каналы ротора 12, выходы из каналов 12 через зазор между статором 2 и ротором 3 сообщаются с камерой 8 и выполнены с внутренней стороны лобовых частей обмотки 9 статора 2 вблизи вентиляторов 6, зоны повышенного давления 14 которых соединены с входами охладителей статора 4.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Первый поток охлаждающего газа из охладителей статора 4 направляют в каналы 10, из которых при помощи газосборных воздуховодов 13 подогретый в каналах 10 газ подают в камеру 8.

Второй поток охлаждающего газа из охладителей статора 4 направляют в каналы 11, а подогретый в каналах 11 газ подают в камеру 8. Часть первого и второго подогретых газовых потоков из камеры 8 направляют на охладители ротора 5, а другую его часть - на вентиляторы 6.

Третий поток охлаждающего газа из охладителей ротора 5 подают в каналы 12, из каналов 12 через зазор между статором 2 и ротором 3 подогретый газ направляют с внутренней стороны лобовых частей обмотки 9 статора 2 в камеру 8, далее на вентиляторы 6 и через их зоны повышенного давления 14 - на входы охладителей статора 4.

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

Источники информации

1. Патент РФ № 2047257.

2. Патент ЕР № 1122865 A1.

3. R. Joho, J. Baumgartner, T. Hinkel, C.E. Stephan, M. Jung Cigre - 2000. Type-tested air-cooled turbo-generator in the 500 MVA range (Switzerland).