ИНДУКТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ВОЗДУШНОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ
INDUCTOR GENERATOR WITH AIR COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области электромашиностроения, а более конкретно к индукторным электрическим машинам закрытого и взрывозащищенного исполнения с воздушной системой охлаждения и может быть эффективно использовано при их работе в условиях взрывоопасных или потенциально взрывоопасных сред, когда искрение или взрыв внутри машины может привести к взрыву или воспламенению газов во внешней среде. Примером объектов с наличием таких сред являются помещения газоперекачивающих агрегатов (ГПА) компрессорных станций (КС) газопроводов.
Выполнение электрической машины во взрывозащищенном исполнении предполагает присутствие в ней двух функционально связанных и конструктивно изолированных друг от друга составляющих системы ее охлаждения: внутренней совершенно изолированной от внешней среды, охлаждающий агент (воздух) в которой перемещается установленным (установленными) на валу вентилирующим(и) устройством(и) различного исполнения, и наружной, охваченной полностью или частично кожухом, перемещение хладагента в которой обеспечивает установленный на валу с тыльной стороны генератора вентилятор. При этом в качестве охлаждающего агента используется воздух. Применение в генераторах ГПА воздушной системы охлаждения (применительно к ним ведется изложение заявки на изобретение) позволяет упростить их конструкцию, повысить надежность электроснабжения и, что важно, в значительной степени компенсировать увеличение при этом массы генераторов исключением из системы конструктивных элементов масляной составляющей системы охлаждения.
Известен генератор с воздушным охлаждением (Патент RU 2740792 С1, МПК Н02K 19/20, Н02K 9/06).
Этот генератор содержит установленный в ферромагнитном корпусе статор, выполненный в виде двух шихтованных и зубчатых по расточке пакетов с установленной между ними проставкой в виде полого цилиндра из немагнитного материала с выполненными в нем пазами, расположенными соосно с пазами в пакетах статора, и охватывающую зубцы обоих пакетов обмотку якоря, два установленных на посаженной на вал ферромагнитной втулки и сдвинутых на 180 электрических градусов пакетов зубчатого ротора и расположенную между ними обмотку возбуждения в виде двух электрически соединенных между собой катушек разделенных немагнитным закрепленном на немагнитной, выполненной в виде полого цилиндры проставке каркасе с зазорами между наружными боковыми и нижними их поверхностями и обращенными к ним поверхностями соответственно пакетов ротора и вала, и являющихся составной частью одной из двух подсистем системы охлаждения генератора, а именно - системы внутреннего охлаждения, ограниченного внутренними поверхностями корпуса генератора и крышек, и наружного в виде металлической оболочкой полости открытой для поступления в нее наружного воздуха от вентилятора, установленного на валу перед задней крышкой генератора через сопряженный с этой полостью спрямляющий аппарат. Выбрасывается отработанный воздух из генератора через отверстия со стороны привода.
Недостаток рассмотренной конструкции генератора состоит в том, что внутренняя полость его не является герметичной и принудительное охлаждение ее от вентилятора может быть реализовано только при наличии отверстий в корпусе, обеспечивающих поступление в нее воздуха из наружного канала охлаждения.
Достоинством же этого генератора, с точки зрения решаемой изобретением задачи, состоит в том, что при введении в его конструкцию не систем охлаждения, отличающихся используемыми в них охладителями, способом доставки их в генератор и наличием дополнительного расположенного за пределами генератора оборудования (емкости с маслом, маслопроводов и маслонасоса), а также элементов сопряжения маслопроводов с генератором - штуцеров.
Существенным недостатком является также недостаточно эффективное охлаждение пакетов статора и проставки, вследствие чего значительные тепловые нагрузки испытывает изоляция обмотки якоря и сокращается срок службы генератора.
При этом одна из систем - масляная при работе генераторов собственных нужд в условиях ГПА теряет свои преимущества из-за ограничений по возможности реализации в них, больших по сравнению с генераторами с воздушной системой охлаждения электромагнитных нагрузок, во избежание недопустимых перегревов активных частей этих генераторов и возможных вследствие этого аварийных режимов их работы и, как следствие, внешних их проявлений.
Достоинством конструкции генератора с точки зрения решаемых изобретением задач является возможность не сложного преобразования масляной составляющей системы охлаждения генератора в воздушную систему охлаждения с сохранением структуры и взаимного расположения практически всех поверхностей теплосъема.
Целью настоящего изобретения является создание высокоэффективной взрывозащищенной воздушной системы охлаждения индукторных генераторов собственных нужд ГПА КС, уменьшения их массы, повышение надежности и срока службы генераторов.
Достигается это тем, что в конструкцию генератора, содержащего установленный в ферромагнитном корпусе статор, выполненный в виде двух шихтованных и зубчатых по расточке пакетов с установленной между ними сложных легко реализуемых конструктивных изменений он может быть преобразован во взрывозащищенную электрическую машин.
Наиболее близким по существенным признакам конструкции к заявляемому в качестве изобретения генератору является индукторный генератор, устройство активной части которого описано выше, (Патент RU 2695320 C1, МПК Н02K 9/19, Н02K 5/20), но имеющему внутреннюю взрывозащищенную систему воздушного охлаждения совершенно изолированную от внешней среды путем герметизации стыковых соединений между корпусом генератора и подшипниковыми щитами, а также подшипниковых узлов и реализованную расположенными с обеих сторон, торцевой поверхности каждого из пакетов ротора вентиляционными дисками с диаметром меньшим диаметра ротора и прижатыми не к торцевым поверхностям пакетов ротора, а к перекрывающим их пластинам, диаметр которых меньше диаметра расточки пакетов ротора и которые имеют отверстия в областях перекрытия ими пазов. На обращенных к ротору поверхностях дисков имеются радиальные выступы, образующие радиальные каналы охлаждения и объединяющие их кольцевой канал, воздух из которого поступает в пазы ротора через выполненные в пластинах отверстия. Диски закреплены на выступах ферромагнитной втулки винтами.
В качестве охлаждающего агента наружной составляющей системы охлаждения генератора используется масло. В пределах конструкции генератора, эта составляющая системы охлаждения выполнена в виде закрытых металлическими оболочками наружных поверхностей корпуса и подшипниковых щитов с выполненными на них прорезями, образующими множество интенсификаторов (турболизаторов), в виде выступающих из них штырьков. Характерным для рассматриваемой составляющей системы охлаждения является расположение интенсификаторов на всех наружных охлаждаемых поверхностях генератора вдоль окружностей Недостатком рассмотренной конструкции генератора является присутствие в ней двух проставкой в виде полого цилиндра из немагнитного материала с выполненными в нем пазами, расположенными соосно с пазами в пакетах статора, и охватывающую зубцы обоих пакетов, обмотку якоря, два установленных на посаженной на вал ферромагнитной втулки и сдвинутых на 180 электрических градусов пакетов зубчатого ротора с расположенной между ними обмоткой возбуждения в виде двух электрически соединенных между собой катушек, разделенных немагнитным закрепленном на немагнитной выполненной в виде полого цилиндры проставке каркасе с зазорами между наружными боковыми и нижними их поверхностями и обращенными к ним поверхностями соответственно пакетов ротора и посаженной на вал ферромагнитной втулки и имеющем две системы охлаждения: системы охлаждения внутренней взрывозащищенной его области в виде закрепленных с торцевых сторон ферромагнитной втулки вентилирующих устройств с вогнутыми в сторону наружных поверхностей пакетов ротора их корпусов, плотно без зазоров прилегающих к этим поверхностям с перекрытием пазов и системы охлаждения наружных поверхностей генератора, выполненной в виде закрытых металлическими оболочками наружных поверхностей корпуса и подшипниковых щитов с выполненными на них прорезями, образующими множество интенсификаторов их охлаждения, внесены следующие являющиеся отличительными признаками предлагаемого в качестве изобретения генератора изменения.
1. Установленные на роторе вентиляционные устройства (крыльчатки) полностью, а не частично, как это имеет место в генераторе прототипе, перекрывают торцевые его поверхности и имеют на внутренних поверхностях их корпусов радиальные вентиляционные пластины, разделенные на несколько групп выступами трапецеидальной формы, в ближних к оси генератора участках которых выполнены отверстия для крепления их к торцевой поверхности втулки так, чтобы оси симметрии каждой группы вентиляционных пластин совпадали с осями впадин ротора, а с торцевых сторон проставки на соприкасающихся с пакетами статора их поверхностях выполнены радиально расположенные между ее пазами каналы охлаждения с продолжением их в виде продольных каналов на внутренней поверхности корпуса с выходом всех этих каналов за наружные торцевые поверхности пакетов статора.
2. Система наружного охлаждения реализована в предлагаемом в качестве изобретения генераторе установленном на валу с тыльной его стороны вентилятором с прилегающим к нему спрямляющим аппаратом и содержит охватывающий их с генератором с наружной боковой и торцевых сторон выполненный сварным металлический кожух с патрубком с тыльной его стороны для входа охлаждающего воздуха в два параллельных канала охлаждения, один из которых образован промежутками между боковыми поверхностями интенсификаторов прямоугольной и частично ромбовидной формы, выполненных на наружной поверхности заднего щита и закрытых круглой с внутренним отверстием пластиной, прижатой к ним корпусом спрямляющего аппарата, а второй - промежутками между выполненными на наружных поверхностях корпуса и переднего щита ребрами и концентричными оси вала прорезями. С целью обеспечения прочности и жесткости конструкции оребрение поверхности корпуса выполнено посекторно с разделением секторов продольными возвышающимися над наружными поверхностями ребер выступами.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показан продольный разрез генератора. Стрелками на нем показаны направления движения воздуха в каналах внутренней и наружной систем охлаждения генератора. На фиг.2 показан вид спереди на передний щит при снятом с генератора кожухе, а на фиг 3 - вид на задний щит. На фиг 4. показан вид на корпус генератора сверху, а на фиг. 5 - вид на внутреннюю его поверхность в развертке. На фиг. 6 и 7 приведены в двух проекциях соответственно чертежи вставки и внутреннего вентилятора - крыльчатки.
Индукторный генератор взрывозащищенного исполнения с воздушной системой охлаждения, содержит установленный в ферромагнитном корпусе 1 статор в виде двух шихтованных и зубчатых по расточке пакетов 2 с установленной между ними проставкой 3 в виде полого цилиндра из немагнитного материала с выполненными в нем пазами, расположенными соосно с пазами в пакетах статора 2, и охватывающую зубцы обоих пакетов статора 2 обмотку якоря 4, два установленных на запрессованной на вал 5 ферромагнитной втулке 6 и сдвинутых на 180 электрических градусов пакетов 7 зубчатого ротора и расположенную между ними обмотку возбуждения в виде двух электрически соединенных между собой катушек 8 и 9, разделенных немагнитным закрепленном на проставке 3 каркасе 10 с зазорами между наружными боковыми и нижними их поверхностями и основанием каркаса 10 и обращенными к ним поверхностями соответственно пакетов 7 ротора и ферромагнитной втулки 6, а также закрепленные на пакетах ротора 7 с обеих наружных их торцевых сторон вентиляционные устройства в виде крыльчаток 11, каждая из которых имеет вогнутый в сторону создаваемого ей воздушного потока корпус 12 и выполненные на внутренней его поверхности радиальные вентиляционные пластины 13, разделенные на шесть групп выступами 14 трапецеидальной формы, в ближних к оси генератора участках которых выполнены отверстия 15 для крепления крыльчаток к торцевой поверхности втулки 6, причем так, чтобы оси симметрии каждой группы вентиляционных пластин совпадала с осями симметрии впадин ротора. Для улучшения условий охлаждения пакетов 2 статора и обмотки якоря 4, включая лобовые ее части, в активной части генератора выполнены два дополнительных канала охлаждения, каждый из которых образован радиально расположенными между пазами проставки выемками 16 и продолжением их в виде продольных выемок 17 на внутренней поверхности корпуса 1 с выходом всех этих каналов за наружные торцевые поверхности пакетов 2 статора.
Отвод выделяющегося в активной части генератора тепла в окружающее генератор пространство производится наружной составляющей системы охлаждения, которая реализована в предлагаемом в качестве изобретения генераторе установленном на валу 5 с тыльной его стороны вентилятором 18 с отверстием 19 в его диске и с прилегающим к нему спрямляющим аппаратом 20 и содержит охватывающий их с генератором с наружной боковой и торцевых сторон сварной металлический кожух 21 с патрубком 22 с тыльной его стороны для входа охлаждающего воздуха в два параллельных канала охлаждения, один из которых образован между боковыми поверхностями интенсификаторов 23 прямоугольной и частично ромбовидной формы, выполненных на наружной поверхности заднего щита 24 и закрытых круглой с внутренним отверстием пластиной 25, прижатой к ним корпусом спрямляющего аппарата 20, а второй -промежутками между выполненными на наружных поверхностях корпуса 1 и переднего щита 26 ребрами соответственно 27 и 28 и концентричными оси вала 5 прорезями 29 и 30, выполненными для интенсификации теплообмена. С целью обеспечения прочности и жесткости конструкции генератора оребрение корпуса 1 выполнено посекторно с разделением секторов (в рассматриваемом варианте исполнения генератора девяти секторов) продольными возвышающимися над ребрами 27 выступами 31 на корпусе 1.
Оребрение поверхности переднего подшипникового щита 26 выполнено аналогично выполнению интенсификаторов заднего щита 24 с той лишь только разницей, что произведено оно на большую глубину и длина ребер в пределах каждого из девяти заполненных ими секторов ограничена точкой соприкосновения их с симметрично расположенными ребрами смежного с ним сектора, в связи с чем свободная от ребер поверхность переднего щита имеет форму девяти конечной звезды (по числу винтов крепления щита к корпусу). Помимо этого разделяющие ребра 27 концентрические прорези в этом щите отстоят друг от друга на значительно большее расстояние чем в заднем щите 24.
Работа системы охлаждения генератора происходит следующим образом.
Процесс охлаждения генератора характеризуется тепловым взаимодействием между внутренней взрывозащищенной его частью и наружной, выполненной в виде интенсификаторов различной формы, нанесенных на наружные поверхности корпуса 1 и подшипниковых щитов 24 и 26 закрытых снаружи плотно прилегающими к ним поверхностями охватывающего их металлического кожуха 21 и металлической пластины 25.
Картина распределения тепловых потоков во внутренних областях генератора и в наружных, охваченных кожухом 21 его областях с направлением их перемещения показана на фиг.1.
Тепловые потери отводятся от активных частей генератора теплопроводностью к корпусу 1 и потоками, исходящими из крыльчаток 11 под давлением воздуха, прогоняемого ими через технологические (пазы ротора и прилегающая к ним область воздушного пространства, ограниченная по оси ротора торцевой поверхностью катушек возбуждения 8 и 9) и специально выполненные каналы 16 и 17 в соприкасающихся с активными частями генератора конструктивных элементах (в проставке 3 и корпусе 1), а также через расположенные с торцевых сторон генератора области воздушного пространства, ограниченные внутренней поверхностью подшипниковых щитов 24 и 26. Соприкасаясь с поверхностями пакетов 7 ротора, катушек возбуждения 8 и 9 и лобовых частей обмотки якоря, воздух нагревается, а в результате соприкосновения с поверхностями корпуса 1 и внутренними поверхностями подшипниковых щитов 24 и 26 он охлаждается до установившейся рабочей температуры на входе в крыльчаток 11, соответствующей каждому конкретному режиму работы генератора.
Работа системы охлаждения генератора происходит следующим образом.
Процесс охлаждения генератора характеризуется тепловым взаимодействием между внутренней взрывозащищенной его частью и наружной, выполненной в виде интенсификаторов различной формы, нанесенных на наружные поверхности корпуса 1 и подшипниковых щитов 24 и 26 закрытых снаружи плотно прилегающими к ним поверхностями охватывающего их металлического кожуха 21 и металлической пластины 25.
Картина распределения тепловых потоков во внутренних областях генератора и в наружных, охваченных кожухом 21 его областях с направлением их перемещения показана на фиг. 1.
Тепловые потери отводятся от активных частей генератора теплопроводностью к корпусу 1 и потоками, исходящими из крыльчаток 11 под давлением воздуха, прогоняемого ими через технологические (пазы ротора и прилегающая к ним область воздушного пространства, ограниченная по оси ротора торцевой поверхностью катушек возбуждения 8 и 9) и специально выполненные каналы 16 и 17 в соприкасающихся с активными частями генератора конструктивных элементах (в проставке 3 и корпусе 1), а также через расположенные с торцевых сторон генератора области воздушного пространства, ограниченные внутренней поверхностью подшипниковых щитов 24 и 26. Соприкасаясь с поверхностями пакетов 7 ротора, катушек возбуждения 8 и 9 и лобовых частей обмотки якоря, воздух нагревается, а в результате соприкосновения с поверхностями корпуса 1 и внутренними поверхностями подшипниковых щитов 24 и 26 он охлаждается до установившейся рабочей температуры на входе в крыльчаток 11, соответствующей каждому конкретному режиму работы генератора.
Система наружного охлаждения генератора реализуется установленным на валу 5 с тыльной его стороны вентилятором 18 и спрямляющим аппаратом 20, в виде венца направляющих лопаток, воздух в которые поступает из окружающей среды через патрубок 22 кожуха 21. В расположенном за рабочими лопатками вентилятора 18 спрямляющем аппарате 20 кинетическая энергия воздуха преобразуется в потенциальную (за счет снижения скорости повышается давление). Помимо этого обеспечивается радиальное направление движения воздуха, оптимальное для входа во внутренние каналы корпуса 1. Охлаждающий воздух после спрямляющего аппарата 20 входит в выполненные в корпусе девять каналов с продольными ребрами 27, выполненными на всю высоту канала. Для интенсификации теплообмена в ребрах 27 выполнены концентричные оси генератора прорези. Участок наружной поверхности корпуса 1 показан на рис. 4. Воздух наружного канала после перемещения по нему поступает в каналы переднего щита 26 и выходит в окружающую среду. Вид на генератор со стороны переднего щита 26 показан на фиг. 4. На щите 26 выполнено оребрение в виде девяти групп по одиннадцати параллельных ребер на полную высоту канала. Для интенсификации теплообмена в ребрах выполнены две концентричные прорези. Образованные ребрами каналы имеют разную длину. Воздух проходит вдоль ребер от периферии к центру. В местах встречи потоков соседних групп каналов возникают вихри, интенсифицируя теплообмен. Далее через центральное отверстие в кожухе переднего щита воздух выходит в окружающую среду.
Процесс охлаждения заднего щита 24 отличается от охлаждения переднего щита 26. Тепловой поток, поступающий из внутренних областей генератора через выступающие из наружной поверхности этого щита 26 штырьков - интенсификаторов, воспринимается потоком перемещающимся между ними воздуха и переходящим вследствие этого в турбулентное состояние, характеризующиеся повышенным коэффициентом теплоотдачи и передается через прилегающую к штырькам пластину 5 и основание спрямляющего аппарата 20 потоку входящего в генератор воздуха и частично выбрасывается через отверстие 19 в основании вентилятора 18 в окружающее генератор пространство.
Использованная литература:
1. Патент RU 2740792 С1, МПК Н02K 19/20, Н02K 9/06,
2. Патент RU 2695320 C1, МПК Н02K 9/19, Н02K 5/20.