ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ГАЗОВЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И СПОСОБ ЕЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
ELECTRICAL MACHINE WITH GAS COOLING, AND METHOD FOR ITS COOLING

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к системам газового охлаждения электрической машины, преимущественно турбогенераторов, с замкнутым циклом нагнетательной вентиляции.
Известна конструкция, описанная в изобретении «Статор электрической машины» (патент РФ №2047257, H02K 1/20, 9/02, опубл.27.10.1995 г.). В данном изобретении статор электрической машины с газовой многоструйной системой вентиляции имеет корпус, разделенный на чередующиеся отсеки высокого и низкого давления газа. Сердечник статора состоит из шихтованных пакетов, разделенных радиальными вентиляционными каналами. Вентиляционные каналы образованы при помощи вентиляционных распорок, установленных между пакетами сердечника статора. Радиальные каналы сообщаются с отсеками корпуса. По крайней мере, в средней части сердечника в зубцах выполнены сквозные щелевые отверстия, распределенные по высоте зубцов и предназначенные для смещения потока газа в соседний канал между пакетами сердечника.
В рассматриваемой конструкции подача охлаждающего газа из зазора между статором и ротором происходит в радиальные каналы сердечника статора. В радиальных каналах вентиляционные распорки установлены таким образом, что часть газа направляется аксиально через сквозные щелевые отверстия в зубцах в соседний радиальный канал между пакетами, а другая наибольшая часть газа поступает радиально в сторону периферии сердечника статора.
В данной конструкции эффективность использования сквозных отверстий резко снижена, поскольку через них проходит только небольшая часть охлаждающего газа, поступающего в каналы из зазора между статором и ротором.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ газового охлаждения электрической машины и электрическая машина с замкнутым циклом нагнетательной одноструйной системы вентиляции, рассмотренные в патенте US 6462458 (H02K 9/00, фиг.1, опубл. 08.10.2002, фирма General Electric Company).
В представленной схеме охлаждения газ из газоохладителей при помощи вентиляторов, размещенных с обеих сторон бочки ротора, направляется в зазор между статором и ротором, радиальные каналы торцевых зон сердечника статора и зоны расположения лобовых частей обмотки статора. Под действием вентиляторов и напорного действия каналов ротора, входы и выходы которых расположены на разных радиусах вращения ротора, охлаждающий газ поступает по каналам обмотки ротора в зазор между статором и ротором. Из зазора между статором и ротором по радиальным вентиляционным каналам сердечника статора, образованным при помощи вентиляционных распорок, установленных между пакетами сердечника статора, охлаждающий газ направляется в камеру сбора подогретого газа, размещенную между сердечником и газоохладителями. Газовые потоки из радиальных каналов торцевых зон сердечника статора и из зон расположения лобовых частей обмотки статора также поступают в камеру сбора подогретого газа, откуда весь поток газа следует через газоохладители на вентиляторы.
Для обеспечения рассмотренного способа газового охлаждения электрическая машина имеет следующие конструктивные особенности.
Электрическая машина содержит корпус, с размещенными в нем газоохладителями, статором, ротором, вентиляторами, расположенными с обеих сторон ротора, камерой сбора подогретого газа, которая размещена между сердечником статора и газоохладителями. Выходы вентиляторов сообщаются с зоной расположения лобовых частей обмотки статора, с зазором между статором и ротором, входами в каналы торцевых зон сердечника статора и входами в каналы ротора. Входы и выходы каналов ротора расположены на разных радиусах вращения, выходы каналов ротора сообщаются с зазором. Сердечник статора имеет радиальные вентиляционные каналы между пакетами сердечника статора, образованные с помощью вентиляционных распорок. Входы в радиальные вентиляционные каналы сердечника расположены на расточке статора, а выходы размещены на наружной поверхности сердечника статора и объединены непосредственно с камерой сбора подогретого газа. Зона расположения лобовых частей обмотки статора сообщается с камерой сбора подогретого газа. Входы в газоохладители объединены с камерой сбора подогретого газа, а выходы газоохладителей сообщаются с входами в вентиляторы.
Рассмотренная система охлаждения, включающая способ газового охлаждения электрической машины и электрическую машину, позволяет обеспечить охлаждение обмотки и активной стали сердечника статора в электрических машинах малой мощности с воздушным охлаждением и турбогенераторах с водородным охлаждением сердечника статора и обмотки ротора и водяным охлаждением обмотки статора.
В последние годы крупные электромашиностроительные фирмы с целью повышения надежности энергоблоков ведут работы по созданию турбогенераторов большой мощности с полным водородным охлаждением и заменой непосредственного водяного охлаждения обмотки статора косвенным водородным. При создании мощных турбогенераторов с полным водородным охлаждением на первый план встает задача разработки системы вентиляции, обеспечивающей интенсивное охлаждение зубцов сердечника статора, поскольку обмотка статора охлаждается косвенно за счет охлаждающего водорода, циркулирующего между пакетами сердечника статора. Использование одноструйной нагнетательной системы вентиляции с традиционными радиальными вентиляционными каналами в сердечнике статора не позволяет обеспечить допустимый уровень температур обмотки статора для мощных турбогенераторов с водородным охлаждением, имеющих значительный перепад температуры по толщине изоляции обмотки статора.
Техническим результатом, на который направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение эффективного охлаждения обмотки и зубцовой зоны сердечника статора в турбогенераторах большой мощности с полным водородным охлаждением.
Указанный технический результат достигается за счет того, что электрическая машина содержит корпус с размещенными в нем статором, ротором, установленным в статоре с зазором и имеющим каналы, входы и выходы которых расположены на разных радиусах вращения, и газоохладителями. Выходы газоохладителей соединены с входом в напорные элементы, расположенные с обеих сторон ротора. Выходы напорных элементов сообщаются с зазором, с входами в радиальные каналы торцевых зон сердечника статора, с зонами расположения лобовых частей обмотки статора, с входами в каналы обмотки ротора и в каналы, выполненные в больших зубцах ротора. При этом выходы каналов ротора соединены с зазором, в котором расположены входы в радиальные каналы сердечника статора, причем выходы из каналов, выполненных в больших зубцах ротора, сообщаются с зазором в его средней части. В четных радиальных каналах зубцовой зоны сердечника статора установлены распорки с обеспечением смещения потока газа в аксиальном направлении в соседние нечетные каналы через одну группу сквозных отверстий, расположенных по высоте зубцов. В нечетных радиальных каналах зубцовой зоны установлены распорки с обеспечением смещения потока газа в аксиальном направлении в соседние четные каналы через другую группу сквозных отверстий, расположенных по высоте зубцов. Выходы радиальных каналов сердечника и зоны расположения лобовых частей обмотки статора сообщаются с входами газоохладителей.
Способ газового охлаждения электрической машины заключается в том, что газ с выходов газоохладителей посредством напорных элементов направляют в зазор между статором и ротором, на входы радиальных каналов торцевых зон сердечника и зоны расположения лобовых частей обмотки статора, а также на входы каналов обмотки ротора и каналов, выполненных в больших зубцах ротора. Входы и выходы каналов ротора расположены на разных радиусах вращения. С выходов каналов в обмотке ротора газ направляют в зазор, а с выходов каналов, выполненных в больших зубцах ротора, в среднюю часть зазора. Из зазора газ направляют на входы радиальных каналов сердечника статора, причем из четных радиальных каналов газ смещают аксиально через одну группу сквозных отверстий, размещенных по высоте зубцов сердечника, в соседние нечетные радиальные каналы, а из нечетных радиальных каналов газ смещают аксиально через другую группу сквозных отверстий, размещенных по высоте зубцов сердечника, в соседние четные радиальные каналы. Далее с выходов радиальных каналов сердечника и из зон расположения лобовых частей обмотки статора газ направляют на входы газоохладителей.
В качестве напорных элементов используются нагнетательные вентиляторы.
Интенсивность охлаждения зубцовой зоны сердечника статора существенно повышена за счет того, что через аксиальные сквозные отверстия, расположенные по высоте зубцов, проходит весь поток охлаждающего газа из зазора между статором и ротором.
Наиболее напряженной в тепловом отношении при одноструйной нагнетательной схеме вентиляции является средняя зона сердечника статора, поскольку она снабжается подогретым газом, поступающим только из каналов в обмотке ротора. Выполнение вентиляционных каналов в больших зубцах ротора позволяет добавить охлаждающего газа, имеющего малый подогрев, в радиальные каналы средней зоны сердечника статора (приблизительно треть его длины) и снизить его температуру.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена половина электрической машины в аксиальном направлении относительно плоскости симметрии, на фиг.2 представлена схема движения газа в четных и нечетных радиальных каналах сердечника статора.
Турбогенератор включает корпус 1, размещенные в нем статор 2 и ротор 3, установленный в статоре 2 с зазором 4, газоохладители 5, нагнетательные вентиляторы 6, размещенные с обеих сторон ротора 3.
Камера сбора подогретого газа 7 размещена между газоохладителями 5 и наружной поверхностью сердечника статора 2. Входы газоохладителей сообщаются с камерой сбора подогретого газа 7, а выходы сообщаются с входами в нагнетательные вентиляторы 6.
Между пакетами сердечника статора 2 имеются радиальные каналы 8 в торцевой зоне сердечника и вентиляционные четные 9 и нечетные 10 каналы, образованные при помощи вентиляционных распорок, установленных между пакетами сердечника статора 2.
Ротор 3 имеет вентиляционные каналы в обмотке ротора 13 и каналы 14, выполненные в больших зубцах ротора. Входы и выходы всех каналов ротора расположены на разных радиусах вращения ротора.
Выходы нагнетательных вентиляторов 6 сообщаются с зазором 4 между статором 2 и ротором 3, входами в радиальные каналы 8 торцевых зон сердечника статора, зонами 15 расположения лобовых частей обмотки статора и входами в каналы 13 обмотки ротора и каналы 14.
Выходы каналов 13 в обмотке ротора сообщаются с зазором 4 между статором и ротором, а выходы каналов 14 сообщаются только со средней зоной зазора 4.
Входы четных 9 и нечетных 10 каналов сообщаются с зазором 4 между статором 2 и ротором 3.
В зубцах сердечника статора 2 по высоте зубцов выполнены аксиальные сквозные отверстия 11 и 12. В радиальных каналах зубцовой зоны сердечника статора 2 установлены распорки, которые обеспечивают смещение охлаждающего газа из нечетных 10 радиальных каналов сердечника статора 2 через группу отверстий 11 в расположенные с двух сторон соседние четные 9 радиальные каналы, а из четных 9 радиальных каналов сердечника статора 2 через группу отверстий 12 в расположенные с двух сторон соседние нечетные 10 радиальные каналы.
Выходы зон расположения лобовых частей обмотки статора 15, радиальных каналов 8 в торцевой зоне, четных 9 и нечетных 10 каналов сердечника статора 2 сообщаются непосредственно с камерой сбора подогретого газа 7.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Из газоохладителей 5 при помощи нагнетательных вентиляторов 6, размещенных с обеих сторон бочки ротора 3, охлаждающий газ направляется в зазор 4 между статором 2 и ротором 3, в радиальные каналы 8 торцевых зон сердечника статора и зоны 15 расположения лобовых частей обмотки статора 2.
Под действием нагнетательных вентиляторов 6 и напорного действия каналов, расположенных на разных радиусах вращения ротора 3, охлаждающий газ перемещается по каналам 13 в обмотке ротора 3 и каналам 14, выполненным в больших зубцах ротора 3. Из каналов 13 в обмотке ротора охлаждающий газ поступает в зазор 4 между статором и ротором по всей его длине в аксиальном направлении, а из каналов 14 - в среднюю зону по длине зазора 4. Далее из зазора 4 между статором и ротором охлаждающий газ направляется в радиальные четные 9 и нечетные 10 каналы между пакетами стали сердечника статора 2.
В четных 9 радиальных каналах сердечника статора 2 охлаждающий газ из зубцовой зоны через группу отверстий 12 поступает в зубцовую зону расположенных с двух сторон соседних нечетных 10 радиальных каналов и далее направляется по радиальным каналам в сторону наружной поверхности сердечника статора 2.
В нечетных 10 радиальных каналах охлаждающий газ из зубцовой зоны сердечника статора через группу отверстий 11 поступает в зубцовую зону расположенных с двух сторон соседних четных 9 радиальных каналов, и далее охлаждающий газ по радиальным каналам направляют в сторону наружной поверхности сердечника статора 2.
Из каналов 8, 9, 10 сердечника статора 2 и из зоны 15 расположения лобовых частей обмотки статора 2 охлаждающий газ поступает через камеру сбора подогретого газа 7 на газоохладители 5.