СИСТЕМА ВЕНТИЛЯЦИИ РОТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ)
ELECTRICAL MACHINE ROTOR VENTILATION SYSTEM (VERSIONS)

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники и предлагается для использования в роторе крупной электрической машины, преимущественно турбогенератора с воздушным охлаждением.
Известна система вентиляции пазовой части обмотки ротора турбогенератора, в котором имеются наклонные вентиляционные каналы вдоль обеих боковых поверхностей обмотки, соединенные у дна паза [1]. Для создания напорного действия, обеспечивающего циркуляцию охлаждающего потока в вентиляционных каналах, открытых по подаче и отводу охлаждающего потока в воздушный зазор, используется специальная система элементов в пазовых клиньях - заборники и дефлекторы. Наличие на поверхности ротора выступающих в зазор заборников и дефлекторов приводит к увеличению механических потерь и уменьшению КПД машины.
Для заявляемого решения наиболее близкой является система вентиляции ротора турбогенератора [2], где в лобовых частях обмотки возбуждения между катушками установлены дистанционные распорки. На боковых поверхностях распорок, прилегающих к обмотке, выполнены волнообразные вентиляционные каналы. По входу охлаждающего потока волнообразные каналы открыты в пространство под лобовыми частями обмотки ротора, по выходу охлаждающего потока - через отверстия в пазовой части ротора в воздушный зазор. В пазовых частях обмотки возбуждения выполнены внутренние радиальные каналы, открытые по входу охлаждающего потока в подпазовые каналы, а по выходу - через отверстия в пазовых клиньях в воздушный зазор. В данной конструкции суммарное сечение входа в радиальные вентиляционные каналы обмотки в несколько раз превышает суммарное сечение входа в подпазовые каналы. Следствием такого соотношения сечений является значительная неравномерность расхода воздуха через радиальные каналы по длине паза. При этом средняя скорость воздуха в радиальных каналах невелика. Обусловленные этими факторами перегревы обмотки возбуждения приводят к необходимости уменьшать допустимую плотность тока в обмотке и, как следствие, ограничивать повышение единичной мощности турбогенератора или увеличивать количество используемой меди и, соответственно, массу и габариты машины.
Цель изобретения состоит в повышении допустимой плотности тока в обмотке ротора и повышении единичной мощности электрической машины без увеличения ее габаритов и массы.
По первому варианту технического решения поставленная цель достигается за счет того, что в системе вентиляции ротора электрической машины с размещенной в пазах обмоткой возбуждения, подпазовыми каналами, волнообразными каналами для вентиляции обмотки возбуждения с выходом по охлаждающему потоку, открытыми в пазовой части ротора в воздушный зазор, между стенками упомянутых пазов и боковыми поверхностями обмотки возбуждения организованы пространства, разделенные по длине пазов на зоны, каждая из которых содержит волнообразный канал со входом по охлаждающему потоку, открытым в подпазовый канал. Волнообразные каналы могут быть организованы установкой радиально ориентированных дистанционных распорок в пространствах между стенками пазов и боковыми поверхностями обмотки возбуждения или путем выполнения на боковых поверхностях обмотки возбуждения радиально ориентированных выступов. В пределах паза волнообразные каналы, расположенные со стороны одной боковой поверхности обмотки возбуждения, могут быть смещены вдоль оси паза по отношению к волнообразным каналам, расположенным со стороны другой ее боковой поверхности.
По второму варианту технического решения поставленная цель достигается за счет того, что в системе вентиляции ротора электрической машины с размещенной в пазах обмоткой возбуждения, внутри которой выполнены вентиляционные каналы со входом по охлаждающему потоку, открытым в подпазовый канал, и выходом по охлаждающему потоку, открытым в воздушный зазор, упомянутые вентиляционные каналы выполнены волнообразными.
Для обоих вариантов технического решения размещение волнообразных каналов по длине паза может быть выполнено симметричным относительно середины паза.
Из уровня техники не выявлено:
наличие волнообразных каналов в пространстве между стенками пазов и боковыми поверхностями обмотки, а также волнообразных каналов внутри обмотки, соединение волнообразных каналов с подпазовыми каналами, смещение в аксиальном направлении волнообразных каналов вдоль боковых поверхностей обмотки со стороны разных стенок паза.
Предлагаемое решение поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлено поперечное сечение ротора турбогенератора, вариант исполнения; на фигуре 2 - пазовая изоляция с дистанционными распорками; на фигуре 3 - сечение А-А фигуры 1; на фигуре 4 - поперечное сечение ротора, вариант исполнения; на фигуре 5 - вид Б на фигуре 4; на фигуре 6 - поперечное сечение ротора, вариант исполнения; на фигурах 7 и 8 вариантное исполнение сечений В-В фигуры 6. На чертежах обозначено: стрелка → -  направление охлаждающего потока, знаки ⊙ и ⊗ - направление охлаждающего потока, соответственно, к нам и от нас.
а
b
a
b
1
1
2
2
Ротор (фиг. 1) турбогенератора содержит сердечник 1 с уложенной в пазы 2 обмоткой возбуждения 3. Пространство между стенками паза 2 и боковыми поверхностями обмотки 3 открыто по входу охлаждающего потока через отверстия 4 в подпазовой изоляции 5 в подпазовый канал 6, а по выходу - через отверстия 7 и 8, соответственно в пазовых клиньях 9 и прокладке 10 в воздушный зазор 11. Пространство между пазовой изоляцией 12 у стенок паза 2 и боковыми поверхностями обмотки 3 разделено по длине паза на зоны 13 (фиг. 2). Для вентиляции обмотки 3 в каждой зоне 13 организован волнообразный канал 14, открытый по входу охлаждающего потока в подпазовый канал 6, а по выходу - в воздушный зазор 11. Границы зоны 13 определяются входом охлаждающего потока в канал 14 и выходом охлаждающего потока из этого канала. Границы зон 13 для разных боковых сторон могут быть расположены симметрично или со смещением относительно продольной оси 15 паза. Канал 14 организован установкой между боковой поверхностью обмотки 3 и пазовой изоляцией 12 радиально ориентированных дистанционных распорок 16 переменного размера. Размещение каналов 14 для разных боковых сторон обмотки 3 выполнено со смещением входа () и выхода () канала 14 вдоль одной стороны обмотки по отношению к входу () и выходу () канала 14 вдоль другой ее стороны относительно продольной оси 15 паза. Согласно фигуре 3, размещение каналов 14 вдоль паза 2 симметрично относительно его середины - вертикальной оси 17.
Канал 14 может быть организован выполнением радиально ориентированных выступов 18 переменного размера на боковых сторонах обмотки 3 (фиг. 4 и фиг. 5 - без изоляции позиции 12).
1
2
Согласно фигуре 6, волнообразные вентиляционные каналы 19 выполнены внутри обмотки 3 ротора. Каналы 19 могут быть выполнены таким образом, что гребни волны - точки W и W - смещены в радиальном направлении (см. фиг. 7) или в аксиальном направлении (см. фиг. 8).
Наиболее оптимальным исполнением волнообразного канала 14 или 19 является четное количество гребней его волны, в частности два гребня в зоне 13 (S-образная форма канала).
При вращении ротора холодный воздух из подпазовых каналов 6 поступает в вентиляционные каналы 14 каждой зоны 13 (либо в вентиляционные каналы 19 внутри обмотки 3), проходит вдоль поверхностей обмотки 3, охлаждая ее, и выбрасывается из каналов 14 или 19 в воздушный зазор 11 между ротором и статором.
Применение в обмотке ротора волнообразных вентиляционных каналов позволяет установить оптимальное соотношение между суммарным сечением входа охлаждающего потока в вентиляционные каналы обмотки и суммарным сечением входа охлаждающего потока в подпазовые каналы. За счет этого охлаждение обмотки ротора становится более интенсивным, что позволяет ограничить перегревы обмотки и, в соответствии с поставленной целью, увеличить допустимую плотность тока в обмотке и повысить единичную мощность электрической машины без увеличения ее массы и габаритов.
Источники информации
1. Патент GB 1201790, Н02K 3/24, приоритет 27.12.1966, опубликовано 12.08.1970.
2. Патент JP H1169719, Н02K 9/04, приоритет 26.08.1997, опубликовано 09.03.1999.
3. Патент US 2728001 C1. 310-61, приоритет 20.07.1953, опубликовано 20.12.1955.
4. Патент US 2749457 C1. 310-64, приоритет 14.01.1953, опубликовано 05.06.1956.
5. Патент US 3322985 С1. 310-61, приоритет 05.05.1965, опубликовано 30.05.1967.
6. Патент US 3781581, Н02K 3/36, приоритет 05.01.1972, опубликовано 25.12.1973.
7. Патент US 6087745, Н02K 3/24, приоритет 19.10.1998, опубликовано 11.07.2000.
8. Патент US 7462962, Н02K 9/06, приоритет 13.06.2005, опубликовано 09.12.2008.
9. Патент GB 724506 C1. 35, приоритет 31.08.1953, опубликовано 23.02.1955.
10. Патент GB 938180, Н02K, приоритет 10.05.1961, опубликовано 02.10.1963.
11. Патент GB 1477248, Н02K 9/19, приоритет 30.05.1975, опубликовано 22.06.1977.
12. Патент EP 160887, Н02K 9/12, приоритет 08.05.1984, опубликовано 13.11.1985.
13. Патент EP 2031733, Н02K 3/24, приоритет 11.08.2008, опубликовано 04.03.2009.
14. Патент EP 2389719, Н02K 3/50, приоритет 10.11.2010, опубликовано 22.08.2012.
15. Международная заявка на патент WO 2012091601, Н02K 3/24, приоритет 30.12.2010, опубликовано 05.07.2012.
16. Международная заявка на патент WO 2013112067, Н02K 3/22, приоритет 26.01.2012, опубликовано 01.08.2013.
17. Авторское свидетельство SU 107473, Н02K 9/16, приоритет 05.11.1956, опубликовано 01.01.1957.
18. Авторское свидетельство SU 127738, Н02K 9/02, приоритет 16.06.1959, опубликовано 1960.
19. Авторское свидетельство SU 771804, Н02K 1/32, приоритет 28.03.1978, опубликовано 15.10.1980.
20. Авторское свидетельство SU 884037, Н02K 9/16, приоритет 18.03.1980, опубликовано 23.11.1981.
21. Технология крупного электромашиностроения. Турбогенераторы. Б.Г. Циханович и др. Ленинград, Энергоатомиздат, ЛО, 1989, стр.270.
22. А1-107. Session Cigre 2004. Performance Evaluation and Measurement of the 250 MVA class air-cooled turbogenerator.