РОТОР ТУРБОГЕНЕРАТОРА С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Полезная модель относится к электромашиностроению, преимущественно к конструкции крупных неявнополюсных машин, в частности, турбогенераторов.
Наиболее близкой по назначению и технической сущности к заявленной полезной модели является конструкция ротора электрической машины, содержащая расположенную на валу обмотку с жидкостным охлаждением и центрирующее кольцо. На центрирующем кольце закреплены напорное кольцо и сливное кольцо, которые образуют напорную и сливную камеры. Сквозь центрирующее кольцо проходят сливные и напорные выводы обмотки. (Авторское свидетельство СССР №1686624 Н02К 9/19, опубл. 23.10.1991 г.Бюл. №19).
Рассматриваемая конструкция характеризуется нестабильностью вибрационного состояния ротора для гибких роторов, в особенности работающих вблизи критических скоростей вращения. При вращении ротора, сливное кольцо вращается не вокруг своего геометрического центра, а вокруг некоторой оси, определяемой, как неточностью изготовления и сборки сливного и бандажного кольца (с упорным кольцом), к торцу которого прикрепляется сливное кольцо, так и динамическим прогибом вала, связанным с вибрацией. Поверхность воды, находящаяся внутри сливного кольца, за счет перетекания в окружном направлении, стремится стать цилиндрической, с осью, совпадающей с осью вращения, и не концентричной внутренней поверхности сливного кольца. Это приводит к появлению несбалансированной массы. Неточность изготовления и сборки легко может быть компенсирована балансировкой грузами. В то же время динамический прогиб вала зависит от многих факторов и может изменяться в процессе работы генератора. При изменении динамического прогиба вала ось вращения сливного кольца смещается, а находящаяся на его поверхности вода перетекает в окружном направлении. Это приводит к изменению несбалансированной массы и, соответственно, изменению динамического прогиба вала, что приводит к дальнейшему смещению оси вращения и перераспределению воды. Это явление известно как автобалансировка. Из теории колебаний известно также, что при частотах вращения вблизи критической и превышающих ее, автобалансировка жидкостью уменьшает вибрацию, а при частотах вращения вблизи критической и ниже ее - увеличивает вибрацию. Одним из способов исключения проявления автобалансировки в роторах, содержащих воду, является ликвидация возможности перетекания воды в окружном направлении. При работе турбогенератора охлаждающая вода из сливных выводов обмотки ротора, расположенных на меньшем диаметре, попадает на внутреннюю поверхность сливного кольца, расположенную на большем диаметре, течет по ней с некоторым скольжением и сливается в сливную камеру.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в исключении скольжения жидкости на сливном кольце и обеспечении более равномерного распределения ее по окружности и тем самым в повышении надежности ротора с жидкостным охлаждением обмоток.
Указанный технический результат, достигается тем, что ротор электрической машины содержит расположенную на валу обмотку с жидкостным охлаждением, центрирующее кольцо, с закрепленными напорным и сливным кольцами, образующими напорную и сливную камеры, причем сливные и напорные выводы обмотки проходят сквозь центрирующее кольцо, а на внутренней поверхности сливного кольца выполнены аксиальные канавки.
Целесообразно аксиальные канавки выполнить прямыми.
Целесообразно аксиальные канавки выполнить в форме спирали, обращенной в сторону противоположную вращению ротора.
Дополнительно возможно выполнить аксиальные канавки с положительным уклоном в направлении слива охлаждающей жидкости.
Кроме того, дополнительно возможно выполнить на внутренней поверхности сливного кольца со стороны центрирующего кольца радиальную кольцевую канавку, отделенную от аксиальных канавок барьером с мерными осевыми отверстиями.
Выполнение прямых аксиальных канавок на внутренней поверхности сливного кольца, по которым охлаждающая вода попадает в сливную камеру, позволяет исключить скольжение жидкости в тангенциальном направлении на сливном кольце и обеспечить равномерное распределение ее по окружности.
При выполнении аксиальных канавок спиралеобразными, обращенными в сторону противоположную вращению ротора охлаждающая жидкость будет сливаться в сливную камеру со скоростью меньшей, чем синхронная скорость вращения сливного кольца, этим уменьшаются механические потери выброса сливаемой жидкости.
Выполнение аксиальных канавок с положительным уклоном в направлении слива охлаждающей жидкости приводит к уменьшению толщины потока в аксиальных канавках и к уменьшению разницы небаланса сливного кольца.
Выполнение на внутренней поверхности сливного кольца со стороны центрирующего кольца радиальной кольцевой канавки, отделенной от аксиальных канавок барьером с мерными осевыми отверстиями, целесообразно для обмоток, в которых сливные выводы располагаются неравномерно по окружности ротора. Сливаемая из обмоток охлаждающая жидкость проходит через сливные выводы обмотки и попадает на радиальную кольцевую канавку небольшой глубины, выполненную на сливном кольце, и вращается по ней с некоторым скольжением. При этом охлаждающая жидкость, перемешиваясь, приобретает одинаковую температуру. Между радиальной кольцевой канавкой и аксиальными канавками на внутренней поверхности сливного кольца выполнен барьер, в котором имеются мерные осевые отверстия, по которым охлаждающая жидкость распределяется по аксиальным канавкам. Разность напоров в радиальной кольцевой канавке пропорциональна величине удвоенного биения столба воды, а расход по аксиальным канавкам пропорционален корню квадратному из отношений напоров. В рассматриваемом случае эта разность расходов составит около 8%. Кроме того потери напора в мерных осевых отверстиях при большем расходе также выравнивают расход по аксиальным канавкам. В общем случае разность расходов по аксиальным канавкам обмотки составит около 5%. Натурные испытания ротора показали практическую эффективность принятых конструктивных мер.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
На фиг.1 - представлен продольный разрез ротора с аксиальными канавками спиральной формы, обращенными в сторону противоположную вращению ротора и с положительным уклоном в направлении слива охлаждающей жидкости.
На фиг.2 - представлен вид на аксиальные канавки спиральной формы.
На фиг.3 - представлен продольный разрез ротора с прямыми аксиальными канавками, выполненными с уклоном в сторону сливной камеры, с радиальной кольцевой канавкой, выполненной на поверхности сливного кольца, отделенной от аксиальных канавок барьером с мерными осевыми отверстиями.
На фиг.4 - представлен вид на аксиальные канавки, радиальную канавку и барьер.
Ротор 1 турбогенератора содержит вал, обмотку с жидкостным (водяным) охлаждением, удерживаемую бандажным кольцом. На валу также закреплено центрирующее кольцо 2, на торцах которого закреплены напорное кольцо 3 и сливное кольцо 4. Напорное кольцо 3 образует напорную камеру 5, а сливное кольцо 4 сливную камеру 6. В напорной камере 5 расположен коллектор 7 подачи охлаждающей жидкости, который неподвижно закрепленк концевым частям электрической машины. Сквозь торцевые стенки центрирующего кольца 2 проходят напорные 8 и сливные 9 выводы обмоток. В процессе работы электрической машины в напорную камеру 5 через отверстия в коллекторе 7 подается охлаждающая жидкость. Затем через напорные выводы 8 жидкость подается в обмотку и, пройдя обмотку, через сливные выводы 9 обмотки сливается на внутреннюю поверхность сливного кольца 4, на которой выполнены аксиальные канавки.
В одном случае охлаждающая жидкость проходит через аксиальные канавки 10, выполненные в форме спирали с положительным уклоном в направлении слива охлаждающей жидкости, и далее попадает в сливную камеру 6. Данная конструкция сливного кольца позволяет уменьшить неравномерное распределение масс охлаждаемой жидкости, вызванных прогибом вала и технологией изготовления и сборки ротора, путем увеличения скорости жидкости (уменьшение высоты слоя жидкости) при протекании по сливному кольцу за счет спиральных канавок, что позволяет исключить небаланс, вызванный этими массами.
a
б
б
В другом случае охлаждающая жидкость через сливные выводы 9 попадает на поверхность радиальной кольцевой канавки 11, выполненной на поверхности сливного кольца 4. Сливная камера 6 состоит из двух объемов 6 и 6 отделенных друг от друга барьером 12, установленным на сливном кольце 4. Далее через мерные (дозирующие) осевые отверстия 13, выполненные в барьере 12 охлаждающая жидкость попадает в аксиальные канавки 14, расположенные в камере 6 и выводится из ротора. Аксиальные канавки 14 выполнены прямой формы (аксиальные канавки могут быть выполнены спиральной формы (на чертеже не показано)) с положительным уклоном в направлении слива охлаждающей жидкости.
Представленная конструкция сливного кольца позволяет зафиксировать массы охлаждающей жидкости от тангенциального перемещения по поверхности сливного кольца, что позволяет исключить небаланс, вызванный этими массами, тем самым повысить надежность ротора турбогенератора, работающего вблизи критических скоростей вращения.