УСТРОЙСТВО КРЕПЛЕНИЯ ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТКИ СТАТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА
MOUNTING ARRANGEMENT FOR STATOR END WINDINGS OF TURBINE GENERATOR

Изобретение относится к области электромашиностроения, преимущественно к производству электрических машин большой мощности, в частности к узлу крепления лобовых частей обмотки статора турбогенератора.
Известно устройство для крепления лобовых частей обмотки статора электрической машины (Авторское свидетельство СССР №1767620, Н02К 3/50, опубл. 07.10.1992, Бюл. №37), в котором на цилиндрическом выступе нажимной плиты закреплено с помощью клиньев наружное изоляционное кольцо, на коническую поверхность которого уложена лобовая часть обмотки. Поджатие лобовых частей обмотки к наружному кольцу осуществляется при помощи внутреннего кольца. Внутреннее изоляционное кольцо закреплено на внутренней конической поверхности лобовых частей аксиальными тягами, жестко соединенными с наружным изоляционным кольцом посредством промежуточных упоров, которые шарнирно закреплены на нажимной плите при помощи радиальных тяг, при этом на торце внутреннего кольца установлены пружины, размещенные на аксиальных тягах. Лобовые части опираются на внутреннюю коническую поверхность наружного кольца через выравнивающий слой изоляционной замазки, который также уложен между лобовыми частями обмотки и между лобовыми частями обмотки и конической поверхностью внутреннего кольца. Наружное кольцо снабжено кольцевым выступом, охватывающим головки лобовых частей с внешней стороны, а с внутренней стороны головок для поджатия к кольцевому выступу установлено стеклотекстолитовое кольцо, радиально расклиненное клиньями. Данная конструкция обладает жесткостью во всех направлениях за счет пружинного поджима внутреннего кольца, использования изоляционной замазки, расклинивания наружного кольца относительно цилиндрического выступа нажимной плиты, кроме того, за счет крепления головок лобовых частей к кольцевому выступу наружного кольца устранены изгибные деформации в наиболее повреждаемой зоне - у головок лобовых частей.
Недостатком этого устройства является то, что жесткость крепления лобовых частей препятствует их перемещению не только в радиальном и тангенциальном направлениях, но и в аксиальном, из-за чего во время работы электрической машины действующие на лобовые части значительные переменные электромагнитные и тепловые усилия вызывают достаточно большое тепломеханическое и вибрационное воздействие в районе головок лобовых частей на соединения обмотки статора с выводными шинами, что неблагоприятным образом сказывается на надежности электрической машины. Кроме того, указанное крепление может быть применено только для крупных электрических машин с непосредственным охлаждением обмотки статора.
Известно устройство для крепления лобовых частей обмотки статора электрической машины (патент США 5693996, Н02К 3/46, Н02К 3/50, публ. 02.12.1997), в котором лобовые части обмотки закреплены между внутренним и наружным опорными элементами. Внутренний опорный элемент выполнен в виде кольца из изоляционного материала, а наружный опорный элемент выполнен в виде сложного элемента, состоящего из внутреннего наружного кольца и внешнего наружного кольца, между которыми установлен упор, на внутреннюю коническую поверхность которого уложены лобовые части обмотки. Все части наружного опорного элемента выполнены из изоляционного материала. Наружный опорный элемент присоединен к нажимной плите и к корпусу статора через расширяющиеся элементы, которые выполнены в виде пластинчатых пружин. Устройство позволяет устранить большие напряжения, которым подвергаются лобовые части стержней обмотки. Такие напряжения вызваны действием электромагнитных сил как при работе, так и в других случаях, например, при коротких замыканиях, при вибрациях и различных тепловых расширениях стержней обмотки статора при работе. Благодаря применению указанного устройства повышается надежность работы электрической машины.
Недостаток этого решения заключается в том, что лобовые части стержней обмотки статора опираются на устройство, выполненное в виде сложного элемента и прикрепленное к разным опорам. Все элементы имеют разные тепловые перемещения в радиальном направлении во время работы электрической машины, что приводит к повышенным механическим напряжениям и, соответственно, существенно уменьшает надежность и срок службы электрической машины.
Наиболее близким является статор электрической машины (Патент США 8022591, Н02К 1/12, опубл. 23.07.2009), в котором сердечник закреплен между нажимными плитами, и в сердечнике уложены стержни обмотки. Лобовые части стержней обмотки закреплены между коническими поверхностями внутреннего и наружного опорных элементов. Наружный опорный элемент прикреплен к нажимной плите сердечника статора посредством крепежных элементов. На цилиндрической поверхности наружного опорного элемента размещены соединительные шины, а соединительные шины соединены с выводными стержнями в районе головок лобовых частей обмотки статора. При такой конструкции тепловые перемещения соединительных шин осуществляются в осевом направлении совместно с наружным опорным элементом, но при этом собственные частоты конструкции не поддаются регулировке, что вызывает повышенные вибрации, высокие динамические механические напряжения, образование усталостных трещин, изгибные деформации в соединениях и в корпусной изоляции стержней обмотки статора и соединительных шин, в итоге уменьшают надежность электрической машины.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности работы электрической машины.
Технический результат заключается в исключении образования усталостных трещин, снижении уровня изгибных деформаций и концентраций напряжений в соединениях и в корпусной изоляции стержней обмотки статора и соединительных шин.
Указанный технический результат достигается тем, что статор электрической машины содержит сердечник, закрепленный между нажимными плитами. В сердечнике уложены стержни обмотки, в том числе выводные, лобовые части обмотки жестко закреплены между коническими поверхностями внутреннего и наружного опорных элементов, выполненных из диэлектрического материала. Наружный опорный элемент жестко прикреплен к нажимной плите сердечника посредством плоского кольцевого пружинящего элемента, выполненного из металлического немагнитного материала, через дистанционный элемент, установленный между пружинящим элементом и нажимной плитой, на расстоянии, определяемом дистанционным элементом в аксиальном направлении. Пружинящий элемент закреплен на цилиндрической поверхности наружного опорного элемента, на которой закреплены кронштейны, выполненные из диэлектрического материала и к которым прикреплены соединительные шины. Соединительные шины жестко соединены с выводными стержнями в области головок лобовых частей обмотки статора.
Внутренний и наружный опорные элементы выполнены в виде наружного и внутреннего колец.
Для большей прочности и для уменьшения нагревов от воздействия электромагнитных полей во время работы электрической машины плоский кольцевой пружинящий элемент может быть выполнен из титанового сплава.
Соединительные шины соединены с выводными стержнями в районе головок лобовых частей посредством пайки для большей надежности и уменьшения нагревов от воздействия электромагнитных полей во время работы электрической машины.
Кронштейны закреплены на цилиндрической поверхности наружного кольца с помощью разъемного крепежа, устанавливаемого в отверстия, выполненные на цилиндрической поверхности наружного кольца. Такое закрепление позволяет, изменяя величины длин пролетов соединительных шин между кронштейнами, изменять собственные частоты соединительных шин и лобовых частей, тем самым соответственно отстраивать их собственные частоты от частоты возмущающих сил, действующих в электрической машине. Отстройку по собственным частотам соединительных шин также возможно произвести путем установки на соединительные шины в пролетах между кронштейнами дополнительных регулировочных элементов, выполненных из диэлектрического материала.
Жесткое закрепление плоского кольцевого пружинящего элемента с одной стороны на наружном кольце, а с другой стороны на нажимной плите на заданном расстоянии в аксиальном направлении, которое определяется тепловыми перемещениями стержней и сердечника статора с помощью дистанционных элементов, а также выполнение самого элемента из металлического немагнитного материала, обладающего пружинящими свойствами, позволяет достигать заданное перемещение в аксиальном (осевом) направлении и жесткость в радиальном и тангенциальных направлениях.
На фиг. 1 показана схема узла крепления лобовых частей обмотки статора электрической машины.
На фиг. 2 показан вид А.
В статоре электрической машины в пазах сердечника 1 размещены стержни обмотки, в том числе и выводные стержни 2. Лобовые части 3 обмотки размещены между коническими поверхностями внутреннего кольца 4 и наружного кольца 5. Внутреннее кольцо 4 и наружное кольцо 5 выполнены из изоляционного материала. Сердечник 1 статора удерживается в спрессованном состоянии с помощью нажимных плит 6. Наружное кольцо 5 закреплено на нажимной плите 6 сердечника 1 через плоское металлическое немагнитное пружинящее кольцо 7. Пружинящее кольцо 7 выполнено из титанового сплава. Пружинящие свойства и геометрические размеры пружинящего кольца 7 рассчитываются исходя из физикомеханических свойств материала, а также с учетом размеров конкретного конструктивного узла «крепления лобовой части» отдельно взятой электрической машины и воздействия на этот конструктивный узел тепловых перемещений, переменных инерционных и электродинамических сил во время работы электрической машины.
Пружинящее кольцо 7 жестко закреплено на цилиндрической поверхности наружного кольца 5 с помощью выступов 8, выполненных на внутреннем диаметре пружинящего кольца 7. Выступы 8 равномерно распложены по окружности на внутреннем диаметре пружинящего кольца 7 и закреплены на цилиндрической поверхности наружного кольца 5 металлическими немагнитными крепежными элементами 9. Пружинящее кольцо 7 жестко закреплено на нажимной плите 6 с помощью дистанционных втулок 10 и крепежных элементов 11, выполненных из немагнитных материалов. Размер втулок 10 в аксиальном направлении равен "b". Расстояние "b" - удаление наружного кольца 5 от нажимной плиты 6 определяется тепловыми перемещениями стержней 2 обмотки статора относительно сердечника 1 в районе лобовых частей 3. Расчет расстояния "b" выполняется исходя из коэффициентов линейных расширений материалов, используемых в стержнях и сердечнике статора, которые известны и выбираются из таблиц справочников по материаловедению.
Жесткое закрепление лобовых частей обмотки между коническими поверхностями внутреннего и наружного колец можно выполнить следующим образом: внутреннее кольцо 4 закреплено на аксиальных тягах 12 и 13, жестко соединенных с наружным кольцом 5 посредством промежуточных упоров 14, которые шарнирно закреплены на нажимной плите 6, при этом на торце внутреннего кольца 4 установлены блоки пружин 15, размещенные на аксиальных тягах 13. Такая система тяг 12, 13, упоров 14 и блоков пружин 15 обеспечивает постоянное поджатие внутренним кольцом 4 лобовой части 3 к наружному кольцу 5. Ход блоков пружин 15 компенсирует перемещения внутреннего кольца 4, вызванные усадкой и уплотнением лобовых частей 3 в период эксплуатации, а также тепловыми деформациями лобовой части 3 в зависимости от нагрузки.
Наружное кольцо 5 может быть снабжено кольцевым выступом, охватывающим головки 16 лобовых частей 3 с внешней стороны, а с внутренней стороны головок 16 для поджатия к кольцевому выступу установлено изоляционное кольцо 17, радиально расклиненное клиньями 18 из изоляционного материала.
Для более жесткого крепления лобовых частей обмоток статоров с непосредственным охлаждением стержней, в которых в стрежнях обмотки выполнены каналы для прохода охлаждающей среды, лобовые части 3 стержней 2 опираются на внутреннюю коническую поверхность наружного кольца 5 через выравнивающий слой изоляционной замазки 19, например эпоксидной замазки холодного отверждения, которая также уложена между стержнями 2 лобовой части 3 обмотки и между лобовыми частями 3 обмотки и конической поверхностью внутреннего кольца 4, которая фиксирует положение дуг стержней 2 лобовой части 3 обмотки относительно друг друга и обеспечивает равномерное давление на изоляцию стержней 2 в лобовой части 3. В итоге, лобовая часть 3 обмотки статора вместе с головками 16 стержней 2 жестко закреплены на внутренней конической поверхности наружного кольца 5.
Жесткое закрепление лобовых частей 3 обмотки между коническими поверхностями внутреннего кольца 4 и наружного кольца 5 и жесткое закрепление наружного кольца 5 к нажимной плите 6 через пружинящее кольцо 7 обеспечивают жесткость всей «конструкции крепления лобовых частей обмотки статора» в радиальном, тангенциальном направлениях и возможность совершать перемещения в осевом направлении во время работы электрической машины.
На изоляционных кронштейнах 20, установленных на цилиндрической поверхности наружного кольца 5 и закрепленных с помощью немагнитного крепежа 21, закреплены кольца соединительных шин 22 с помощью шпилек с гайками 23 и колодок 24 из изоляционных материалов. Кронштейны 20 могут быть выполнены с возможностью перемещения по поверхности наружного кольца 5 благодаря тому, что на цилиндрической поверхности наружного кольца 5 выполнены отверстия под крепления 21.
Соединительные шины 22 соединены с выводными стержнями 2 в районе головок 16 лобовых частей 3 обмотки статора посредством пайки, образуя межфазные и фазные соединения 25.
Во время сборки электрической машины за счет возможности перемещения кронштейнов 20 по цилиндрической поверхности наружного кольца 5 соединительные шины 22 отстраиваются от частоты вынуждающих сил путем выбора оптимального места кронштейнов 20. Далее изоляционные кронштейны жестко закрепляются к наружному кольцу 5 с помощью немагнитного крепежа 21, а соединительные шины 22 с помощью шпилек с гайками 23 и колодок 24 к изоляционным кронштейнам 20.
Другой способ отстройки по собственным частотам соединительных шин заключается в том, что на соединительные шины 22 в пролетах между кронштейнами 20 устанавливается дополнительный регулировочный элемент, выполненный из диэлектрического материала.
На фиг. 2 показан регулировочный элемент, который выполнен из разъемных изоляционных колодок 26, которые скреплены между собой крепежом 27, который выполнен из немагнитного материала. Поверхность сопряжения разъемных колодок 26 с поверхностью соединительных шин 22 имеет форму соединительных шин. Перед окончательной установкой разъемных колодок 26 на соединительные шины 22 места сопряжения промазываются эпоксидным клеем холодного отверждения, а после установки колодки 26 дополнительно фиксируют лавсановым шнуром 28, пропитанным в эпоксидном клее, путем его намотки на наружную поверхность колодок 26.
Масса, геометрические размеры и место установки разъемных колодок 26 определяются по результатам предварительной отстройки собственных частот соединительных шин и лобовых частей от частоты возмущающих сил, действующих в электрической машине.
В качестве регулировочного элемента, помимо установки колодок, можно использовать легко формующуюся эпоксидную изоляционную замазку холодного отверждения. Для установки такого регулировочного элемента сначала берут определенную массу эпоксидной изоляционной замазки холодного отверждения и фиксируют ее на соединительных шинах за счет адгезионных свойств путем плотного прижатия с помощью обертывания вокруг навешиваемой массы стеклополотна с фиксацией всей композиции лавсановым шнуром, которые пропитаны эпоксидным клеем холодного отверждения. Далее с течением времени вся композиция полимеризуется.
Во время работы электрической машины при тепловых перемещениях на лобовые части 3 обмотки статора действуют одновременно переменные инерционные и электродинамические силы, вызывающие вибрацию и создающие динамические напряжения в лобовой части 3 обмотки статора, в паяных соединениях 25, в корпусной изоляции выводных стержней 2 обмотки статора и соединительных шин 22. Пружинящее кольцо 7 с одной стороны обеспечивает жесткость конструкции лобовых частей 3 с соединительными шинами 22 в радиальном и тангенциальном направлениях, а с другой стороны за счет своих пружинящих свойств возможность перемещения этой конструкции в строго в осевом направлении.
Вследствие этого инерционные и электродинамические силы, воздействующие на лобовую часть 3 с кольцами соединительных шин 22, не создают в районе пайки выводных стержней 2 и соединительных шин 22 переменных изгибных деформаций и напряжений, не нагружают медные проводники в районе пайки и корпусную изоляцию выводных стержней 2. Таким образом, исключаются усталостные повреждения лобовой части 3 обмотки статора и соединительных шин 22.
Благодаря такой конструкции узла крепления лобовых частей обмотки статора электрической машины, которая позволяет достигать заданное перемещение в аксиальном (осевом) направлении и жесткость в радиальном и тангенциальных направлениях, а также дополнительно отстраивать собственные частоты соединительных шин и лобовых частей от частоты возмущающих сил, действующих в электрической машине, исключается образование усталостных трещин, повреждение корпусной изоляции и снижается уровень изгибных деформаций и напряжений в соединениях стержней обмотки статора и соединительных шин, и тем самым повышается надежность работы электрической машины и долговечность крепления лобовых частей обмотки статора электрической машины.