УЗЕЛ ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
AXIAL FAN UNIT OF ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к электрическим машинам с газовым охлаждением, например турбогенераторам с воздушным охлаждением.
По мере повышения мощности турбогенераторов с воздушным охлаждением возрастают требования к системе их охлаждения.
Известна конструкция и система газового охлаждения электрической машины, описанная в изобретении «Способ газового охлаждения электрической машины и электрическая машина» (Патент РФ №2258295, Н02К 9/06, опубл. 27.11.2004 г.). В рассматриваемой конструкции использована вытяжная система газового охлаждения, в которой в качестве нагнетательных элементов применены центробежные вентиляторы, установленные на валу с обеих сторон бочки ротора. Основное преимущество вытяжной системы охлаждения заключается в том, что охлаждающая среда подается от охладителей непосредственно в каналы статора и ротора электрической машины. Тем самым удается полностью исключить дополнительный подогрев охлаждающей среды, поступающей в каналы статора и ротора, от механических потерь в вентиляторах при нагнетательной схеме вентиляции.
В генераторах с воздушным охлаждением большой мощности, где требуются для охлаждения значительные объемные расходы воздуха, применение центробежных вентиляторов приведет к значительному возрастанию потерь в вентиляторах и снижению КПД генератора.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция, описанная в патенте «Gas-cooled electrical machine having an axial fan» (US 6392320, Н02К 9/08, 21.05.2002). В данном изобретении рассматривается конструкция турбогенератора с газовым охлаждением и осевыми вентиляторами, установленными с обеих сторон бочки ротора. Особенностью конструкции является компоновка узла осевого вентилятора. В конструкции для подачи потока охлаждающего газа из активной зоны машины к осевому вентилятору предусмотрен подводящий канал, ограниченный внутренней перегородкой и разделительной перегородкой, а для направления потока газа от вентилятора в зону расположения охладителей - отводящий канал, ограниченный разделительной и наружной перегородками. Перед осевым вентилятором установлен направляющий аппарат, выполненный в виде конфузора для направления потока охлаждающего газа из радиального направления в осевое направление, а после осевого вентилятора установлен спрямляющий аппарат, выполненный в виде диффузора для направления потока охлаждающего газа из осевого направления в радиальное направление.
Предложенная компоновка узла вентилятора позволяет повысить эффективность и производительность работы вентиляторов, снизить вентиляционные потери. При этом рассмотренная конструкция узла вентилятора обладает рядом недостатков:
- размещение спрямляющего лопаточного аппарата в отводящем канале близко к зоне поворота потока газа после вентилятора ведет к снижению эффективности узла вентилятора;
- в конструкции отводящего канала получено недостаточное замедление потока газа, которое может привести к дополнительным потерям давления в последующих конструктивных элементах;
- резкое сужение потока газа перед поворотом к вентилятору приводит к росту потерь давления;
- недостаточное ускорение потока газа непосредственно перед вентилятором в сочетании с малой аксиальной длиной проточной части является причиной высокой неравномерности потока по высоте лопаток вентилятора и снижения эффективности его работы;
- уменьшение аксиальной длины узла вентилятора способствует возникновению зон отрыва в месте поворота потока газа после вентилятора и возрастанию потерь давления;
- отсутствие спрямляющего лопаточного аппарата на аксиальном участке проточной части приводит к росту потерь трения в отводящем канале.
Технический результат, на который направлено предлагаемое решение, заключается в повышении эффективности работы узла осевого вентилятора, снижении вентиляционных потерь, повышении КПД электрической машины и сокращении ее аксиального габарита.
Указанный технический результат достигается за счет того, что узел осевого вентилятора электрической машины содержит колесо осевого вентилятора, подводящий канал, ограниченный внутренней перегородкой и разделительной перегородкой, и отводящий канал, ограниченный разделительной перегородкой и наружной перегородкой, при этом в подводящем канале размещены спрямляющий и направляющий лопаточные аппараты, причем направляющий лопаточный аппарат установлен перед колесом осевого вентилятора.
Целесообразно внутреннюю перегородку выполнить из материала, обладающего диэлектрическими свойствами, а перегородки подводящего и отводящего каналов выполнить обтекаемой формы.
Совокупность признаков «размещение в подводящем канале спрямляющего лопаточного аппарата и направляющего лопаточного аппарата перед колесом осевого вентилятора» не выявлены в уровне техники.
Направляющий лопаточный аппарат, установленный в подводящем канале непосредственно перед колесом осевого вентилятора, создает закрутку потока газа против направления вращения колеса осевого вентилятора, поэтому в предлагаемой конструкции не требуется установка лопаточного спрямляющего аппарата после колеса осевого вентилятора в отводящем канале. Изготовление внутренней перегородки, отделяющей зону лобовых частей обмотки статора от подводящего канала, из материала, обладающего диэлектрическими свойствами, позволяет максимально приблизиться к лобовым частям обмотки статора.
Отсутствие спрямляющего лопаточного аппарата в отводящем канале и изготовление внутренней перегородки из материала, обладающего диэлектрическими свойствами, дает возможность существенно сократить осевой габарит электрической машины.
Большим преимуществом конструкции является возможность корректировки характеристики осевого вентилятора на изготовленной машине наиболее экономичным способом за счет изменения угла установки лопаток направляющего аппарата. Лопатки направляющего аппарата обтекаются потоком газа с ускорением, по этой причине возникновение отрыва потока на его лопатках не происходит даже в случае упрощенного профилирования лопаток.
Спрямляющий лопаточный аппарат установлен в подводящем канале для раскрутки и стабилизации потока газа, поступающего из активной зоны электрической машины, с целью обеспечения эффективной работы узла осевого вентилятора и снижения потерь давления.
Высокая эффективность узла осевого вентилятора в предлагаемой конструкции, в первую очередь, достигается благодаря отсутствию закрутки потока газа на выходе из колеса осевого вентилятора, обеспеченной совместной работой направляющего лопаточного аппарата и самого колеса осевого вентилятора.
Выполнение перегородок подводящего и отводящего каналов плавной обтекаемой формы позволяет снизить потери давления газа в тракте узла осевого вентилятора.
На фиг. представлена схема узла осевого вентилятора.
Узел осевого вентилятора электрической машины с вытяжной системой вентиляции содержит подводящий канал 1, ограниченный внутренней перегородкой 2 и разделительной перегородкой 3, расположенными в радиальной плоскости. В подводящем канале 1 установлены спрямляющий лопаточный аппарат 4 и, непосредственно перед колесом 6 осевого вентилятора, направляющий лопаточный аппарат 5. Отводящий канал 7 осевого вентилятора ограничен разделительной перегородкой 3 и наружной перегородкой 8. Колесо 6 осевого вентилятора установлено на валу 9 электрической машины. Внутренняя перегородка 2 выполнена из материала, обладающего диэлектрическими свойствами. Внутренняя перегородка 2, разделительная перегородка 3 и наружная перегородка 8 выполнены плавной обтекаемой формы.
При работе электрической машины поток горячего охлаждающего газа из активной зоны электрической машины 10 поступает в подводящий канал 1, проходя через лопатки спрямляющего лопаточного аппарата 4, газ теряет закрутку, кинетическая энергия от окружной составляющей скорости газа частично восстанавливается и идет на повышение давления. В конце подводящего канала 1 на осевом участке после поворота потока к осевому направлению входной направляющий лопаточный аппарат 5 закручивает поток против направления вращения колеса 6 осевого вентилятора. Приобретая помимо осевой окружную составляющую скорости, поток ускоряется, что способствует дополнительной стабилизации потока перед колесом 6 осевого вентилятора, препятствует росту неравномерности расходной составляющей скорости по радиусу в зоне за поворотом. В колесе 6 происходит повышение давления газа одновременно с замедлением потока, при этом поток теряет предварительно полученную в направляющем лопаточном аппарате 5 закрутку, направленную против направления вращения колеса 6. После колеса 6 газ поступает в отводящий канал 7 и направляется на охладители электрической машины.
В целом предлагаемое техническое решение дает возможность повысить эффективность работы узла осевого вентилятора, снизить вентиляционные потери, повысить КПД электрической машины и сократить ее аксиальный габарит.