Устройство для охлаждения щеточно-контактного аппарата электрической машины
DEVICE FOR COOLING ELECTRIC MACHINE BRUSH-CONTACT APPARATUS

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к устройствам вентиляции и охлаждения щеточно-контактного аппарата (ЩКА) электрических машин.
В настоящее время хорошо известны и широко применяются устройства воздушного охлаждения щеточно-контактного аппарата, в которых охлаждающий воздух подается к щеточно-контактному аппарату под действием разрежения, создаваемого вентилятором. Охлаждающий воздух засасывается прямо из помещения, например машинного зала, в котором установлена электрическая машина.
Известно устройство для охлаждения щеточно-контактного аппарата электрической машины (турбогенератора), которое содержит щеточно-контактный аппарат, размещенный в собственном корпусе и включающий контактные кольца и щетки, воздухозаборный элемент, через который охлаждающий воздух подается к щеточно-контактному аппарату, и вентилятор, насаженный на вал ротора и предназначенный для обеспечения циркуляции охлаждающего воздуха через щеточно-контактный аппарат. Воздухозаборный элемент выполнен в виде отверстий в корпусе ЩКА, через которые из машинного зала засасывается охлаждающий воздух (Иноземцев Е.К. Ремонт турбогенераторов ТГВ-200 и ТГВ-300. М., «Энергия», 1977, - стр. 6, рис. 1). Известное устройство охлаждения ЩКА эффективно решает задачу охлаждения элементов ЩКА, однако оно имеет существенный недостаток, способный, при определенных условиях, приводить к критическим последствиям: повреждению контактных колец из-за возникновения сильного искрения в местах их контакта со щетками и даже, в конечном итоге, к аварийному отключению турбогенератора от сети.
Подробно данная проблема описывается в статье «О физико-химических причинах повреждения контактных колец и щеток генераторов» Самородова Ю.Н., «Электрические станции», №3, 2011 г., стр. 54-61. В данной статье подробно описываются физико-химические процессы, протекающие в зоне скользящего контакта щетки с контактным кольцом, описываются условия, необходимые для нормальной работы скользящего контакта щеток и контактных колец ЩКА. Указано, что для надежной работы контакта щеток с контактными кольцами требуется определенный уровень влажности окружающего воздуха, необходимый для нормального протекания электролитических процессов в зоне контакта и образования скользящего слоя на поверхности контактных колец, состоящего из микрочастиц соединений железа и графита, защищающего металл колец от интенсивного электроэрозионного и абразивного износа. В противном случае при недостаточном уровне влаги скользящий слой не образуется с должной скоростью и через некоторое время начинается сильное искрение в зоне контакта и повышенный износ контактных колец и щеток.
3
3
В статье Ю.Н. Самородова указывается, что для образования скользящего слоя на поверхности контактных колец и нормальной работы щеточно-контактного аппарата необходимо, чтобы воздух, охлаждающий ЩКА, имел влагосодержание не менее 3 г/м. Это соответствует значению точки росы примерно -5°С. Влагосодержание воздуха в помещении, при условии его вентиляции уличным воздухом и отсутствии сколько-либо значимых источников выделения влаги в помещении, с небольшим запаздыванием будет соответствовать влагосодержанию уличного воздуха. А уличный воздух физически не может содержать более чем 3 г/м воды при температуре ниже -5°С даже при 100% относительной влажности. Т.е., в холодный период года со средней температурой от -5°С и ниже, проблема стабильной работы ЩКА электрической машины из-за недостатка влаги в охлаждающем воздухе становится актуальной по определению. Данная проблема может возникать и при более высоких температурах уличного воздуха, если воздух имеет низкую относительную влажность.
3
3
3
Проблема неудовлетворительной работы скользящего контакта ЩКА электрической машины при низком влагосодержании охлаждающего воздуха упоминается и в книге Лившица П.С. «Справочник по щеткам электрических машин». М.: Энергоатомиздат, 1983 г. - стр. 155-157. Подробно механизм влияния влажности воздуха на работу скользящего контакта ЩКА в справочнике не описывается, но отмечается, что в обеспечении нормальной работы скользящего контакта особую роль играет присутствие влаги в окружающей атмосфере, при недостаточном количестве влаги в атмосфере работа скользящего контакта нарушается, катастрофически изнашиваются щетки, нарушается коммутация. Отмечается, что при влагосодержании воздуха ниже 1 г/м скользящий контакт нормально функционировать не может, при влагосодержании от 1 до 3 г/м скользящий контакт работает неустойчиво, и только при влагосодержании от 3 до 20 г/м для работы скользящего контакта создаются оптимальные условия.
В настоящее время хорошо известны промышленные системы увлажнения воздуха, которые широко применяются в климатической технике для увлажнения воздуха в помещении. Современные системы увлажнения воздуха имеют различный принцип действия, но всех их объединяет общий подход. В воздуховод (воздушный канал) устанавливается система увлажнения, осуществляющая, тем или иным способом, подачу водяного аэрозоля в протекающий в воздуховоде поток воздуха.
Например, может использоваться мелкодисперсное распыление воды через распылители (форсунки) под высоким давлением, увлажнение путем испарения воды в процессе кипячения и подачи пара в воздуховод, ультразвуковое испарение и пр. Все технические решения с распылением водяного аэрозоля в воздуховоде имеют ряд общих недостатков, не позволяющих использовать их для увлажнения воздуха в устройстве охлаждения ЩКА электрической машины. Во-первых, подаваемый в воздуховод мелкодисперсный водяной аэрозоль не испаряется мгновенно, поэтому для полного испарения летящих в потоке воздуха капель воды требуется некоторое время, и соответственно, определенная длина воздуховода. В связи с тем, что в электрических машинах попадание капельной влаги в зону токоведущих элементов ЩКА недопустимо, то это означает, что воздуховоды систем охлаждения ЩКА электрической машины должны иметь существенные габариты из-за необходимости использования длинного прямолинейного участка для полного испарения капель воды, что соответственно увеличивает габариты щеточно-контактного аппарата за счет системы его охлаждения и ведет к повышению материалоемкости. И более того, изменение компоновки щеточно-контактного аппарата из-за увеличения габаритов относящейся к нему системы охлаждения может усложнить размещение электрической машины в выделенном для нее ограниченном пространстве машинного зала. Кроме того, из-за инерционности датчиков влажности, возможности их поломки и ошибки в измерениях всегда существует риск, что система увлажнения в какой-то момент времени начнет распылять в воздуховоде перед ЩКА слишком большой объем водяного аэрозоля, превышающий порог 100% влажности воздуха в воздуховоде, и соответственно, по определению не способный полностью испариться. В результате возникновения такой неисправности возможен унос части капель воды по воздуховоду к токоведущим элементам ЩКА, что абсолютно не допустимо.
Также существуют системы увлажнения, в которых испарение происходит с поверхности пропитываемого водой пористого материала, сквозь который продувается воздушный поток. Но при использовании такой системы увлажнения для увлажнения воздуха, подаваемого на ЩКА электрической машины, такие системы потребуют частого обслуживания в связи с тем, что часть пыли, содержащейся в воздухе машинного зала, неизбежно будет оседать на поверхности пористого материала системы увлажнения и забивать его. Замена материала при работающей электрической машине недопустима, так как в процессе замены возможен отрыв капель воды и накопившейся грязи с поверхности материала и их унос к токоведущим элементам ЩКА, поэтому этот способ неприменим для ЩКА электрических машин.
Единственным абсолютно безопасным для ЩКА электрических машин техническим решением является уход от активных систем увлажнения с принудительным распылением воды в канале и использование пассивного испарения воды со свободной поверхности за счет продувки воздуха над поверхностью воды. При таком подходе относительная влажность подаваемого к ЩКА воздуха будет стремиться к 100%, но никогда, не при каких условиях не сможет достичь данного опасного для ЩКА значения. Очевидным недостатком способа увлажнения воздуха путем испарения воды со свободной поверхности является его малая эффективность, так как скорость испарения воды со свободной поверхности при продольном обтекании воздухом в практически возможном диапазоне скоростей 2…6 м/с очень низкая. Интенсификация испарения путем увеличения скорости воздуха над поверхностью воды недопустима, так как, во-первых, это неизбежно ведет к росту гидравлических потерь в воздушном тракте системы вентиляции ЩКА и снижению расхода воздуха, а во-вторых, может привести к волнообразованию, отрыву капель воды с поверхности и их уносу к токоведущим элементам ЩКА. Повышение производительности системы увлажнения за счет увеличения площади поверхности воды ведет к увеличению габаритов устройства увлажнения, и соответственно требует пересмотра привычной компоновки узла щеточно-контактного аппарата и может существенно усложнить размещение машины в машинном зале при отсутствии дополнительного места в нем, поэтому также не может считаться эффективным решением. Кроме того, увеличение длины пути следования воздуха над водой не будет приводить к пропорциональному росту количества испаренной влаги, так как по мере нарастания толщины увлажненного пограничного слоя в воздухе над поверхностью воды интенсивность процесса испарения уменьшается. При этом воздух, протекающий далеко от поверхности воды, не участвует в процессе поглощения влаги и остается неувлажненным.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении эксплуатационной надежности щеточно-контактного аппарата электрической машины за счет увлажнения воздуха, подаваемого на охлаждение щеточно-контактного аппарата, до благоприятных для работы щеточно-контактного аппарата значений.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для охлаждения щеточно-контактного аппарата электрической машины содержит щеточно-контактный аппарат, вентилятор, предназначенный для обеспечения циркуляции охлаждающего воздуха через ЩКА, и воздухозаборный элемент. Воздухозаборный элемент выполнен в виде патрубка (воздуховода), имеющего входное окно для забора воздуха и выходное окно, сообщающееся с щеточно-контактным аппаратом. После входного окна в патрубке установлена открытая емкость, над которой установлены направляющие элементы, предназначенные для обеспечения прохода воздуха от входного окна патрубка до выхода со стороны емкости с разделением воздушного потока на отдельные струи. Между направляющими элементами имеются зазоры, которые закрыты со стороны входного окна патрубка.
Повышение уровня влажности воздуха, подаваемого на охлаждение ЩКА электрической машины, достигается за счет того, что в воздухозаборном элементе, выполненном в виде патрубка, после входного окна установлена открытая емкость, в которую при работе электрической машины заливается вода. Для интенсификации процесса увлажнения воздуха до благоприятных для работы ЩКА значений над открытой емкостью установлены направляющие элементы, предназначенные для обеспечения прохода воздуха от входного окна патрубка до выхода воздуха со стороны емкости с разделением воздушного потока на отдельные струи, а между направляющими элементами имеются зазоры, которые закрыты со стороны входного окна, благодаря такому закрытию зазоров блокируется проход воздуха напрямую между направляющими элементами и тем самым обеспечивают направление движения воздуха исключительно через направляющие элементы. Зазоры между направляющими элементами позволяют воздуху, увлажненному при обтекании поверхности воды в емкости, уходить от поверхности воды, после чего увлажненный воздух направляется к выходному окну патрубка и далее к ЩКА.
Для обеспечения прохода охлаждающего воздуха от входного окна патрубка до выхода воздуха со стороны открытой емкости с разделением воздушного потока на отдельные струи направляющие элементы могут быть выполнены в виде наклонных каналов П-образного поперечного сечения или П-образного поперечного сечения, имеющих вход со стороны входного окна патрубка и выход со стороны открытой емкости. Такое исполнение направляющих элементов позволяет эффективно обеспечить проход охлаждающего воздуха в необходимом направлении с разделением воздушного потока на отдельные струи малой ширины. Кроме того, направляющие элементы такой формы поперечного сечения технологичны и просты в изготовлении. В каждом направляющем элементе П-образного поперечного сечения или П-образного поперечного сечения на выходе, направленном в сторону открытой емкости, может быть выполнено сужение. Благодаря выполнению сужения на выходе из направляющего элемента за ним формируются более скоростные, чем при выполнении направляющего элемента на выходе со стороны емкости без сужения, струйки воздуха, направленные в сторону поверхности воды, заливаемой в емкость. Благодаря такому исполнению испарение воды с поверхности протекает более интенсивно и скорость испарения менее чувствительна к величине воздушного зазора между поверхностью воды и направляющим элементом.
Зазоры могут быть выполнены постоянной ширины (с параллельными стенками), в этом случае закрытие зазоров со стороны входного окна может быть выполнено перегородками. В зависимости от формы направляющих элементов, в случае, если зазоры выполнены переменного сечения, расширяющегося от входного окна патрубка, закрытие зазоров со стороны входного окна может быть выполнено за счет смыкания стенок соседних направляющих элементов.
Предлагаемое устройство поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 представлен фрагмент предлагаемого устройства для охлаждения ЩКА. На фиг. 2 представлен внешний вид направляющих элементов, выполненных, например, в виде наклонных каналов П-образного поперечного сечения, имеющих вход со стороны входного окна патрубка и выход со стороны емкости и установленных над открытой емкостью с водой, и схема прохождения воздушного потока через них. На фиг. 3 показано поперечное сечение направляющих элементов, выполненных в виде наклонных каналов П-образного поперечного сечения, имеющих вход со стороны входного окна патрубка и выход со стороны емкости со схемой прохождения воздушного потока над поверхностью воды.
Устройство для охлаждения щеточно-контактного аппарата электрической машины содержит вентилятор (не показан), который обеспечивает движение охлаждающего воздуха через щеточно-контактный аппарат (не показан). Вентилятор может быть установлен как на валу ротора электрической машины, так и выполнен в виде отдельно стоящего модуля с собственным приводом. Для подачи охлаждающего воздуха к щеточно-контактному аппарату имеется воздухозаборный патрубок (воздуховод) 1, который имеет входное окно 2 для забора воздуха, например, из машинного зала (помещения). Во входном окне 2 патрубка 1 может быть установлена защитная решетка или сетка для защиты от попадания посторонних предметов, либо воздушный фильтр для защиты от пыли, содержащейся в воздухе машинного зала. После входного окна 2 в патрубке 1 установлена открытая емкость 3 для воды, к нижней части которой подведена труба 4 для подачи и слива воды. Также для повышения надежности и безопасности устройства в емкости 3 может быть установлена переливная труба 5, исключающая переполнение емкости 3 и попадание воды к элементам ЩКА при неисправности системы подачи и слива воды.
Над открытой емкостью 3, которая при работе электрической машины заполняется водой, установлены направляющие элементы 6, предназначенные для обеспечения прохода воздуха от входного окна патрубка до выхода воздуха со стороны емкости с разделением воздушного потока на отдельные струи.
На представленном примере на фиг. 2 направляющие элементы 6 выполнены в виде наклонных каналов П-образного поперечного сечения, открытых на вход воздуха со стороны входного окна 2 патрубка 1 и открытых на выход воздуха со стороны емкости 3 (выходы расположены над поверхностью воды). На выходах направляющих элементов 6 со стороны емкости 3 может быть выполнено сужение 7.
На представленном примере на фиг. 2 зазоры между направляющими элементами 6 выполнены с параллельными стенками (постоянной ширины) и закрытыми со стороны входного окна 2 патрубка 1 перегородками 8.
В общем случае в сечении патрубка 1 могут быть расположены, например, три зоны, различающиеся по конструкции и функциональному назначению. Размеры зон 9, 10 и 11 могут быть равными или отличаться. Доля площади каждой зоны в общем сечении входного окна 2 патрубка 1 определяется при проектировании с учетом имеющихся массогабаритных ограничений и минимально необходимой площади поверхности испарения воды.
Открытая емкость 3 для воды обычно располагается в зоне увлажнения 9, при этом одна из зон 10 или 11, либо обе этих зоны, не участвующие в увлажнении, могут отсутствовать.
Зона 10 может быть использована для пропускания части расхода воздуха в обход зоны увлажнения 9 в случае, если проход всего объема воздуха над водой приведет к очень высокой скорости воздуха, высокому сопротивлению системы и угрозе сноса капель воды к элементам ЩКА. При необходимости использования зоны 10 для обеспечения равномерного поля скорости потока по всему сечению входного окна 2 и расчетного соотношения расходов воздуха между рабочими зонами 9, 10 и 11 в зоне 10 может быть смонтирована грубая сетка (решетка) 12 с гидравлическим сопротивлением, равным сопротивлению при проходе воздуха через зону увлажнения 9.
С целью нагрева воды, остывающей в процессе испарения, воздухом, проходящим под открытой емкостью 3, может быть использована зона 11 для пропускания части потока воздуха, всасываемого через входное окно 2 патрубка 1, по каналу 13, расположенному под емкостью 3 с водой. Наружная поверхность дна емкости 3, расположенная в канале 13, для интенсификации теплообмена может быть выполнена с оребрением. Форма и размеры канала 13 зоны 11 под емкостью 3 с водой выбираются таким образом, чтобы гидравлическое сопротивление при прохождении потока под емкостью 3 с водой было равным сопротивлению при проходе воздуха через зону увлажнения 9.
Для интенсификации испарения емкость 3 может заполняться нагретой водой, например, из бойлера.
Для интенсификации испарения может быть организован подогрев воды в емкости 3 с помощью погружного электронагревателя, установленного в емкости 3 ниже поверхности воды, либо с помощью накладного электронагревателя, прикрепленного снаружи к днищу емкости 3.
Уровень воды в емкости 3 может контролироваться с помощью датчика уровня (датчик уровня не показан). Датчик уровня может быть выполнен поплавкового или любого иного типа.
В нижней стенке 14 патрубка 1, над которой смонтирована емкость 3 с водой, в целях безопасности может быть установлена дренажная трубка 15 для слива воды, стекающей из емкости 3 при появлении в ней течи. При этом форма и расположение емкости 3 относительно нижней стенки 14 патрубка 1 выбираются таким образом, чтобы при образовании течи в любой точке емкости 3 вся вытекающая из нее вода попадала бы только на нижнюю стенку 14 патрубка 1 и затем сливалась в дренажную трубку 15.
Патрубок 1 имеет выходное окно, выполненное в виде выходного фланца 16, через который охлаждающий воздух поступает в ЩКА.
При работе электрической машины под действием перепада давления, создаваемого вентилятором, например, насаженным на вал ротора, охлаждающий воздух проходит через входное окно 2, содержащее защитную сетку или воздушный фильтр, и далее в зоны 9, 10 и 11, расположенные в воздуховоде 1.
Воздух, направляемый через зону увлажнения 9, поступает на входы направляющих элементов 6. Зазоры между направляющими элементами 6 закрыты перегородками 8, поэтому воздух напрямую пройти через зазоры между направляющими элементами 6 не может. Таким образом, воздушный поток после прохождения входного окна 2, содержащего защитную решетку или воздушный фильтр, делится направляющими элементами 6 на множество струек (тонких потоков), которые двигаются внутри направляющих элементов 6 по диагонали в направлении вперед и вниз, и выходят через сужение 7 в сторону поверхности воды в емкости 3. Достигнув поверхности воды, каждая струйка разделяется на две, проходящие короткий путь L вдоль поверхности воды, активно поглощая влагу с поверхности воды, из-под направляющего элемента 6 в зазоры между направляющими элементами 6. Там эти струйки сталкиваются с такими же струйками, вышедшими из-под соседних направляющих элементов 6, после чего направляются вверх от поверхности воды в зазоры между направляющими элементами 6.
В итоге, вся поверхность воды в емкости 3 омывается тонкими струйками воздуха, проходящими вдоль поверхности воды очень короткий путь, на котором негативное влияние нарастающего пограничного слоя не приводит к существенному снижению эффективности испарения воды с поверхности. А за счет малой толщины воздушных струек значительно меньше становится доля воздуха, проходящего на большом удалении от поверхности воды и не участвующего в процессе увлажнения, таким образом, в ЩКА поступает охлаждающий воздух с повышенным влагосодержанием.
Далее увлажненные струйки воздуха, вышедшие через зазоры между направляющими элементами 6, объединяются и единым потоком движутся вперед в сторону выходного фланца 16 патрубка 1. Воздушные потоки, проходящие через зоны 10 и 11, смешиваются с воздушным потоком, проходящим через зону увлажнения 9, и затем воздух выходит из патрубка 1 через фланец 16 и направляется на охлаждение ЩКА.
Объем воды в емкости 3 контролируется датчиками и поддерживается на необходимом уровне с требуемой точностью путем своевременной подачи или слива воды через трубу 4.
При использовании такой схемы увлажнения также легко решается проблема загрязнения водяной системы прорвавшимися через сетку или фильтр частицами пыли, достаточно проводить периодическую замену воды, что можно организовать через трубу 4 для подачи и слива воды без остановки электрической машины.
Эффективное распределение воздушного потока над поверхностью воды в емкости, при использовании предлагаемой конструкции с направляющими элементами, подтверждено выполненными аэродинамическими расчетами в трехмерной постановке. Выполненные модельные продувки макета системы увлажнения, изготовленного в масштабе 1:1, подтвердили, что предлагаемая конструкция обеспечивает высокую интенсивность испарения воды с поверхности, существенно превышающую скорость испарения воды в случае простого продольного протекания воздуха над водой без использования направляющих элементов.
Таким образом, за счет применения данного технического решения в щеточно-контактный аппарат электрической машины поступает охлаждающий воздух с влагосодержанием, имеющим высокие значения, что обеспечивает благоприятные условия для работы скользящего контакта ЩКА и надежную бесперебойную работу щеточно-контактного аппарата электрической машины.