СИСТЕМА ВЕНТИЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
ELECTRICAL MACHINE VENTILATION SYSTEM

Заявляемое техническое решение относится к области электромашиностроения и предназначено для использования в системе вентиляции крупной электрической машины, в частности турбогенератора большой мощности с воздушным охлаждением статора и ротора.
Известна система вентиляции электрической машины [1], в которой сердечник статора состоит из шихтованных пакетов, разделенных радиальными вентиляционными каналами, образованными дистанционными распорками. По входу охлаждающего потока радиальные каналы сообщаются с камерой высокого давления, размещенной между корпусом и спинкой сердечника статора. Со стороны расточки сердечника статора все каналы закрыты тангенциальными распорками. Выход охлаждающего потока в камеру низкого давления, размещенную в зоне лобовых частей обмотки статора, осуществляется по аксиально размещенным на спинке сердечника статора коллекторам (воздуховодам). К коллекторам присоединены перегородки, каждая из которых в четных каналах закрывает проход охлаждающего потока в коллекторы, а в нечетных - в камеру высокого давления.
В системе вентиляции [2] радиальные вентиляционные каналы сердечника статора в зоне впуска сообщаются с камерой высокого давления, размещенной между корпусом и спинкой сердечника статора, а в зоне выпуска - с камерой низкого давления. Вентиляционные каналы объединены в чередующиеся группы: каналы первой группы закрыты со стороны зазора тангенциальными распорками, а каналы второй группы открыты со стороны зазора. При этом в зазоре на внутренней поверхности расточки статора закреплена кольцевая оболочка, охватывающая ротор в местах выхода охлаждающего потока из каналов второй группы. Охлаждающий поток, поступающий из камеры высокого давления в каналы первой группы, переходит по аксиальным отверстиям в соседние каналы этой же группы и далее по коллекторам в камеру низкого давления. Во второй группе каналов охлаждающий поток выходит вдоль зазора в ближайшую камеру низкого давления.
Известные технические решения позволяют осуществить эффективное охлаждение статора. Однако их общим недостатком является то, что в системе не используется напорное действие вентиляторов для циркуляции охлаждающего потока в роторе. Это ограничивает применение данной системы вентиляции для машин большой мощности с длинным ротором, в которых, например, сечения подпазовых каналов (вход охлаждающего потока в которые осуществляется через торцы бочки ротора) будет недостаточно для эффективного охлаждения ротора.
За прототип для заявляемого решения принята система вентиляции электрической машины [3], в которой сердечник статора выполнен с открытыми в зазор вентиляционными каналами, а ротор выполнен с вентиляционными каналами, вход и выход которых сообщаются с зазором. Между корпусом и спинкой сердечника статора размещены коллекторы впуска охлаждающего потока в вентиляционные каналы сердечника статора и коллекторы выпуска из вентиляционных каналов. Зоны впуска охлаждающего потока из каналов сердечника статора в зазор и вентиляционные каналы ротора чередуются в аксиальном направлении с зонами выпуска потока из каналов ротора и зазора в каналы сердечника статора. В зазоре на границах зон размещены разделительные кольцевые элементы. Коллекторы впуска и выпуска связаны с зонами повышенного и пониженного давления, соответственно.
В данной системе вентиляции для организации движения охлаждающего потока в вентиляционных каналах ротора используется напорное действие вентиляторов, что является ее преимуществом. Недостаток системы состоит в том, что при ее реализации возникает большая разница между нагревом активных частей статора в зонах выпуска охлаждающего потока из зазора и нагревом в зонах впуска потока в зазор. Для машин большой мощности эта разница может составлять 50°С и более. Ротор также имеет повышенный нагрев активных частей, поскольку в его вентиляционные каналы поступает охлаждающий поток, нагретый в зонах впуска потерями в статоре.
Цель заявляемого технического решения состоит в увеличении единичной мощности электрической машины за счет снижения температур активных частей статора и ротора.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известной системе вентиляции электрической машины, содержащей ротор с вентиляционными каналами, вход и выход которых сообщаются с зазором, сердечник статора с открытыми со стороны зазора радиальными вентиляционными каналами, установленные в пространстве между корпусом и спинкой сердечника коллекторы впуска охлаждающего потока в каналы сердечника и выпуска потока из каналов сердечника, чередующиеся в аксиальном направлении зоны впуска охлаждающего потока из каналов сердечника в зазор и вентиляционные каналы ротора и зоны выпуска охлаждающего потока из вентиляционных каналов ротора и зазора в каналы сердечника статора, размещенные в зазоре на границах указанных зон разделительные элементы, - по крайней мере, в одной из указанных зон в сердечнике статора выполнены дополнительные закрытые со стороны зазора радиальные вентиляционные каналы, каждый из которых сообщается с коллекторами впуска и выпуска, при этом в открытых со стороны зазора радиальных вентиляционных каналах сердечника в зонах впуска установлены тангенциальные перегородки, перекрывающие сообщение по охлаждающему потоку с коллекторами выпуска, а в зонах выпуска - тангенциальные перегородки, перекрывающие сообщение с коллекторами впуска. Возможны варианты системы вентиляции с выполнением дополнительных закрытых со стороны зазора радиальных вентиляционных каналов:
- в зонах выпуска охлаждающего потока,
- в зонах впуска охлаждающего потока,
- в зонах выпуска и впуска охлаждающего потока.
Из уровня техники не выявлено наличие дополнительных закрытых со стороны зазора вентиляционных каналов сердечника статора применительно к системе вентиляции, где для организации движения охлаждающего потока в вентиляционных каналах ротора используется напорное действие вентиляторов и для подачи охлаждающего потока к ротору и выпуска из ротора используются открытые со стороны зазора вентиляционные каналы сердечника статора. Также не выявлено наличие тангенциальных перегородок в открытых со стороны зазора радиальных каналах.
Предлагаемое решение поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлен общий вид электрической машины - продольное сечение (до оси симметрии), на фигуре 2 -поперечное сечение статора по закрытому со стороны зазора радиальному вентиляционному каналу, на фигуре 3 и фигуре 4 - поперечное сечение статора по открытому со стороны зазора радиальному вентиляционному каналу, соответственно, в зонах входа и зонах выхода охлаждающего потока.
Система вентиляции электрической машины, например, турбогенератора с воздушным охлаждением, состоит из статора с сердечником 1, обмоткой 2, нажимной плитой 3 и ротора 4 с обмоткой 5 (см. фиг.1). На валу ротора 4 установлены вентиляторы 6. Сердечник 1 содержит радиальные вентиляционные каналы 7, открытые в пространство 8 между корпусом 9 и сердечником 1, а также со стороны зазора 10. Пространство 8 выполняет функцию коллектора впуска охлаждающего потока в каналы сердечника статора. Оно сообщается с областью высокого давления. В пространстве 8 на поверхности сердечника 1 размещены коллекторы 11 выпуска охлаждающего воздуха, сообщающиеся с областью низкого давления. В роторе 4 выполнены вентиляционные каналы 12, каждый из которых образован двумя радиальными щелями 13 в обмотке 5 ротора 4 и подпазовыми щелями 14 в бочке ротора 4. В аксиальном направлении в системе вентиляции организованы чередующиеся вентиляционные зоны: 15 - зоны впуска охлаждающего воздуха в каналы 7, зазор 10, каналы 12; 16 - зоны выпуска охлаждающего воздуха из каналов 12, зазора 10, каналов 7. В зазоре 10 на границах вентиляционных зон 15 и 16 установлены кольцевые разделительные перегородки 17, закрепленные, например, на роторе 4. Каждый вентиляционный канал 12 ротора открыт в зону 15 впуска охлаждающего воздуха и зону 16 выпуска охлаждающего воздуха. В вентиляционных зонах 15 и/или 16 в сердечнике 1 статора выполнены дополнительные закрытые со стороны зазора 10 радиальные вентиляционные каналы 18, чередующиеся с каналами 7. Оптимальным вариантом, обеспечивающим равномерность охлаждения всех активных частей генератора, является установка закрытых каналов 18 в каждой зоне 15 и 16. Вентиляционные каналы 7 и 18 образованы дистанционными распорками 19 (см. фиг.2). В каналах 18 распорки 19 установлены с образованием перепускных отверстий 20. Каналы 18 закрыты со стороны зазора 10 тангенциальными дистанционными распорками 21, установленными в зубцовой части сердечника 1 между крепящими обмотку 2 пазовыми клиньями 22. В зонах 15 и 16 каждый канал 18 сердечника 1 статора открыт в коллекторы 8 и 11. В зонах 15 каналы 7 перекрыты тангенциальными перегородками 23 (см. фиг.3) от сообщения по охлаждающему потоку с коллекторами выпуска 11, а в зонах 16 каналы 7 перекрыты тангенциальными перегородками 24 от сообщения с коллектором впуска 8 (см. фиг.4). В зонах 15 и 16 дистанционные распорки 19 установлены с образованием перепускных отверстий 25.
Вентиляция электрической машины осуществляется следующим образом. Под напорным действием вентиляторов 6 воздух поступает в коллектор впуска 8 (на чертежах движение воздуха обозначено стрелками), из него в радиальные каналы 7 и 18 вентиляционных зон 15. Из радиальных каналов 7 воздух проходит в зазор 10 и вентиляционные каналы 12 ротора, далее через зазор 10 и радиальные каналы 7 вентиляционных зон 16 по коллекторам выпуска 11 выходит в область низкого давления. Из радиальных каналов 18 воздух также выходит по коллекторам выпуска в область низкого давления. Тангенциальное движение воздуха в каналах 7 вентиляционных зон 15 и 16 осуществляется через перепускные отверстия 25. Тангенциальное движение воздуха в каналах 18 осуществляется через перепускные отверстия 20.
Введение закрытых со стороны зазора вентиляционных каналов статора в зоны 12 и 13 позволяет уменьшить температуру активных частей статора в зонах выпуска (на ~25°С) и температуру обмотки ротора (на ~10°С). При этом температурное поле активных частей по длине машины становится более равномерным. Указанные преимущества системы вентиляции позволяют повысить единичную мощность электрической машины.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент RU 2350006, фирма Силовые машины, Н02К 1/20, Н02К 9/04, приоритет от 04.06.2007, публикация 20.03.2009.
2. Патент RU 2396667, фирма Силовые машины, Н02К 1/20, Н02К 9/12, приоритет от 16.07.2009, публикация 10.08.2010.
3. Патент US3265912, фирма Westinghouse, H02K 3/24б Н02К 9/00, приоритет от 15.06.64, публикация 09.08.66.