ТУРБОГЕНЕРАТОР С СИСТЕМОЙ ГАЗОВОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
TURBO GENERATOR WITH GAS COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и предназначено для расширения сферы применения синхронных генераторов, например, для децентрализованной энергетики.
Известно, что синхронные турбогенераторы мощностью 2,5-63 МВт имеют воздушное охлаждение по разомкнутому или замкнутому циклу. Как правило, расход воздуха обеспечивается центробежным или осевым вентилятором, расположенным на валу турбогенератора, а охлаждение обмотки и сердечника статора обеспечивается при прохождении воздуха через радиальные каналы сердечника статора. Схема циркуляции охлаждающего газа в современных турбогенераторах осуществляется чаще всего по одному из двух вариантов: радиальная многоструйная, либо радиальная вытяжная одноструйная. [Турбогенераторы. Расчет и конструкция. Титов В.В., Хуторецкий Г.М. и др. - Л.: Энергия, 1967. - С.55-57]. В турбогенераторах охлаждение обмотки ротора очень часто осуществляется газом из воздушного зазора с помощью системы «заборник-дефлектор» [Патент РФ № 2284626. «Электрическая машина с газовым охлаждением»].
Для высокоскоростных турбогенераторов применение самовентиляции ограничено возможностью реализации необходимых параметров вентилятора. При высокой частоте вращения ротора центробежный вентилятор будет иметь высокое значение гидравлического напора и, следовательно, высокие потери на вентиляцию. Таким образом, для быстроходных турбогенераторов необходима принудительная вентиляция.
Высокоскоростные турбогенераторы с возбуждением от постоянных магнитов, как правило, имеют небольшую величину воздушного зазора, поэтому встречно-радиальную вентиляцию в принятой конструкции применить проблематично из-за большого гидравлического сопротивления зазора между ротором и статором. Таким образом, для быстроходных турбогенераторов логично выбрать аксиальную принудительную систему вентиляции.
Основной недостаток аксиальной системы вентиляции заключается в том, что температура по оси машины возрастает по пути прохождения охлаждающего газа и, следовательно, аксиальная длина сердечника статора ограничивается неким предельным значением.
Известен генератор [Патент РФ №2303324 «Генератор электрического тока с разомкнутой системой газового охлаждения»] (прототип), состоящий из корпуса статора, ротора и статора, внутри корпуса статора на концах пакета стали статора установлены непроницаемые для газа перегородки, между которыми размещены перегородки с отверстиями, на внешней поверхности корпуса статора установлен коллектор отвода газа, а на его концах установлены коллекторы подачи газа.
Данное изобретение относится к генераторам с радиальной системой вентиляции, эффективность которой повышена с разделением потока газа перегородками, для аксиальной вентиляции данная конструкция не может быть использована.
Задачей изобретения является расширение сферы применения высокоскоростных синхронных генераторов, например, для децентрализованной энергетики.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в снижении температуры обмотки и сердечника статора и более равномерном распределении температуры по длине сердечника.
Указанный технический результат достигается тем, что турбогенератор с системой газового охлаждения, содержащий корпус статора, передний и задний торцевые щиты, статор, ротор, непроницаемую для газа перегородку, коллектор для отвода газа и коллекторы для подвода газа, дополнительно содержит, по крайней мере, один коллектор для отвода газа, сердечник статора выполнен с аксиальными каналами и установлен в корпусе статора, образуя каналы для прохода газа между внешней поверхностью сердечника статора и внутренней поверхностью корпуса, а непроницаемая для газа перегородка установлена параллельно оси вала турбогенератора, коллекторы для отвода газа установлены один на переднем торцевом щите, другой на заднем торцевом щите, а коллекторы для подвода газа установлены на корпусе статора, один со стороны заднего, а другой со стороны переднего торцевого щита. Предлагаемая конструкция позволяет разделить объем охлаждающего газа на две части и направить образованные потоки в противоположных направлениях, чем достигается уменьшение вдвое подогрева охлаждающего газа по длине сердечника статора, а следовательно, и уменьшение максимальной температуры обмотки статора.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено сечение турбогенератора.
Турбогенератор содержит корпус статора (1), статор (2), ротор (3), передний (4) и задний (5) торцевые щиты, непроницаемую для газа перегородку (6), два коллектора для подвода газа (7, 8) и два коллектора для отвода газа (9, 10). Отличительной особенностью конструкции является то, что непроницаемая для газа перегородка (6) внутри корпуса статора (1) установлена параллельно оси вала, конструктивными элементами системы охлаждения являются аксиальные каналы сердечника статора (11), каналы между корпусом и внешней поверхностью сердечника статора (12) и дополнительный коллектор для отвода газа (10), коллекторы для отвода газа (9, 10) установлены один на переднем (4) торцевом щите, другой на заднем (5) торцевом щите, а коллекторы для подвода газа (7, 8) установлены на корпусе статора (1), один со стороны заднего (5), а другой со стороны переднего (4) торцевого щита.
Турбогенератор охлаждается следующим образом: предлагаемая конструкция позволяет разделить объем охлаждающего газа на две части и направить образованные потоки в противоположном направлении. Один поток газа через коллектор для подвода газа (7) со стороны переднего (4) торцевого щита проходит через аксиальные каналы сердечника статора (11) и через каналы между корпусом и внешней поверхностью сердечника статора (12), затем охлаждает лобовые части обмотки статора (2) и покидает внутреннее пространство корпуса статора (1) через коллектор для отвода газа (10), расположенный на заднем (5) торцевом щите.
Другой поток газа через коллектор для подвода газа (8) со стороны заднего (5) торцевого щита проходит через аксиальные каналы сердечника статора (11) и через каналы между корпусом и внешней поверхностью сердечника статора (12), затем охлаждает лобовые части обмотки статора (2) и покидает внутреннее пространство корпуса статора (1) через коллектор для отвода газа (9), расположенный на переднем (4) торцевом щите. Встречным направлением потоков газа достигается уменьшение вдвое подогрева охлаждающего газа по длине сердечника статора (2), а следовательно, и уменьшение максимальной температуры обмотки статора (2).
-1
3
-1
3
3
Эффективность предлагаемой конструкции оценена расчетным путем на примере охлаждения турбогенератора 6 МВт, 12000 мин. Необходимый расход воздуха через турбогенератор составляет 3,8 м/с, что позволяет выбрать для охлаждения два центробежных вентилятора ВЦ-14-46-5А (7,5 кВт, 1000 мин, 11,5-14,0·10 м/час, 1140-1150 МПа). В гидравлической схеме охлаждения турбогенератора существуют три параллельных потока: один через каналы между корпусом и внешней поверхностью сердечника статора (12), второй через аксиальные каналы сердечника статора (11), третий через зазор между ротором (3) и статором (2). Эти потоки неравноценны по объемам проходящего хладагента, но поскольку потери ротора (3) - это только потери, связанные с трением поверхности ротора (3) о хладагент, то не следует добиваться увеличения потока газа через зазор. Эффективность вентиляции должна быть обеспечена за счет высокой скорости первого потока.
2
8
Общее гидравлическое сопротивление одной половины турбогенератора составляет 409 H·c/м, через аксиальные каналы в сердечнике статора (11) проходит 35% общего расхода воздуха, через каналы между корпусом и внешней поверхностью сердечника статора (12) проходит 65% общего расхода воздуха. Перегрев обмотки статора (2) составляет 73°С. По сравнению с односторонней аксиальной вентиляцией температура обмотки снижена на 16°С.