СТАТОР ТУРБОГЕНЕРАТОРА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к статорам высоко использованных электрических машин с газовым охлаждением, в частности турбогенераторов.
Интенсификация теплообмена между тепловыделяющим элементом, в данном случае - пакетами железа сердечника статора, и охлаждающим их газом, например, воздухом, возможна двумя принципиально различными подходами: 1) увеличением площади теплоотдающей поверхности; 2) увеличением коэффициента теплоотдачи охлаждаемой поверхности пакетов. Второй подход связан с воздействием на структуру течения охлаждающего потока с помощью вводимых в поток элементов, интенсифицирующих охлаждение, так называемых - интенсификаторов или турбулизаторов.
Наиболее распространенный в технике метод интенсификации теплообмена - нанесение на исходную гладкую поверхность некоторого рельефа путем ее деформации или закрепления на ней системы интенсификаторов. При этом достигается дополнительная турбулизация пристеночного слоя охлаждающего потока, что влечет за собой увеличение теплоотдачи с поверхности и, как следствие, снижение температуры сердечника статора.
Известно изобретение (Патент CN 203734396, Н02K 1/20, опубл. 23.07.2014), в котором интенсификаторы выполнены в виде выбоин прямоугольной формы в крайних сегментах сердечника статора, выступающих в радиальный вентиляционный канал и образующих его поверхность, обращенную в вентиляционный канал, а также в виде выступов на боковых поверхностях дистанционных распорок сердечника статора, обращенных в радиальный вентиляционный канал. При этом, интенсификаторы установлены по поверхности крайних сегментов, выходящих в вентиляционные каналы сердечника статора, как в зоне ярма, так и в зубцовой зоне.
Известно изобретение (Патент DE102008016758, Н02K 1/16, Н02K 1/20, опубл. 01.10.2009), в котором авторы уделяют внимание применению извилистых дистанционных распорок в вентиляционном радиальном канале сердечника статора, которые имеют возмущающее воздействие на поток охлаждающего газа в канале. Рассматривается применение извилистых распорок как по всей длине, включая зоны ярма и зубцовой зоны сердечника статора, так и целевое применение - введение извилистой формы только в зубцовой зоне.
Известно изобретение (Патент РФ 2210157, Н02K 1/20, опубл. 10.08.2003) в котором сердечник статора электрической машины содержит пакеты, состоящие из сегментов, между которыми имеются радиальные вентиляционные каналы, образованные вентиляционными распорками и поверхностями сегментов пакетов сердечника статора, выходящими в канал. В каждом таком канале установлены множество элементов интенсификаторов (турбуляторов), выполненных на поверхности, по крайней мере, на одной из сторон канала в виде выступов, обращенных в канал. Заявленный технический результат заключается в значительном увеличении выходной мощности электрогенераторов и снижении шума путем уменьшения падения температуры между обмотками статора и температурой охлаждающего газа, снижения паразитных потерь на перекачивание потока охлаждающего газа, а также данное изобретение обеспечивает полностью пассивный метод увеличения теплопередачи при одновременной простоте изготовления. Однако в известном изобретении отсутствует анализ негативного влияния зон расположения интенсификаторов, а также способа их установки, на аэродинамическое сопротивление канала. В соответствии с аэродинамической характеристикой канала (зависимостью падения давления в канале от расхода охлаждающего газа), то есть с его аэродинамическим сопротивлением, для известной характеристики напорного элемента электрической машины (к, примеру, вентилятора электрической машины) определяется расход охлаждающего газа через предложенную систему вентиляционных каналов. При высоком аэродинамическом сопротивлении в каналах статора будет циркулировать газ с меньшим расходом, что окажет негативное влияние на тепловое состояние электрической машины, в частности в виде повышения температуры сердечника и обмотки статора по причине увеличения подогрева охлаждающего газа и снижения коэффициента теплоотдачи с поверхности канала. Также критике следует подвергнуть формы предложенных интенсификаторов. Выступы интенсификаторов выполнены с острыми гранями, обращенными навстречу потоку, что способствует скоплению в каналах загрязнений и, как следствие, увеличению аэродинамического сопротивления каналов.
Известно изобретение (Патент США 6777836, Н02K 1/32, Н02K 15/02, Н02K 9/00, опубл. 17.08.2004 г.), где рассмотрено выполнение сердечника статора электрической машины, в котором применяются волнистые дистанционные распорки с элементами шероховатости для создания вихрей с целью повышения теплоотдачи между сердечником статора и охлаждающим газом. На поверхности сегментов пакетов сердечника статора, выходящими в радиальный вентиляционный канал, могут также быть выполнены интенсификаторы различных форм, включая полусферы и формы полукапель, для дополнительной интенсификации охлаждения.
Известно изобретение (Патент США 6583526, Н02K 9/00, опубл. 13.03.2003), в сердечнике статора которого применяются элементы (интенсификаторы) для усиления теплообмена с поверхности сегментов пакета статора, обращенных в радиальный вентиляционный канал, которые предпочтительно имеют цилиндрическую форму, но могут также подходить другие формы, такие как прямоугольник, аэродинамический профиль или тому подобное. Интенсификаторы предпочтительно расположены в виде треугольных массивов или в шахматном порядке. Когда охлаждающий поток проходит через интенсификаторы, подковообразные вихри образуются в зоне застоя благодаря ступенчатости, и поток разделяется вслед за интенсификаторами. Подковообразные вихри увеличивают теплообмен. Они появляются перед каждым интенсификатором и влияют на структуру потока на большой площади стенки канала потока. Как таковые, интенсификаторы служат в качестве усилителей турбулентности для усиления теплообмена. Сочетание увеличенного коэффициента теплопередачи и увеличенной площади потока значительно улучшает конвекцию тепла в проточном канале, тем самым уменьшая или даже устраняя горячие точки. Однако предложенные интенсификаторы несут в себе не только функцию усиления теплообмена, но и функцию осуществления запрессовки сердечника, так как представляют собой по сути дистанционные распорки. Относительно небольшая площадь основания таких интенсификаторов несет в себе опасность механического повреждения поверхности крайнего сегмента пакета сердечника стали, дополнительно существенно увеличивая трудоемкость изготовления конструкции в целом.
Описанные известные изобретения, касающиеся введения интенсификаторов в поток охлаждающего газа в каналах сердечника статора, относятся к радиальным каналам. Недостаток системы вентиляции с радиальными каналами, широко известный при применении многоструйных схем вентиляции электрических машин, состоит в том, что через эти каналы пропускается газ, подогретый в зазоре механическими потерями и электромагнитными потерями в роторе, в результате чего повышается температура активных частей статора и создается неравномерность температуры обмотки статора по длине (в направлении оси машины), появляются «горячие» зоны, что негативно сказывается на состоянии изоляции обмотки статора.
С целью снижения температуры активных частей статора, в частности зубцов и обмоток, и улучшения равномерности ее распределения в конструкциях турбогенераторов с форсированным воздушным охлаждением для отвода тепла с поверхности активной стали статоров применяются, так называемые U-образные охлаждающие каналы, образованные дистанционными распорками, установленными между пакетами стали сердечника статора так, что каналы открыты со стороны наружной поверхности сердечника статора (входы и выходы каналов расположены на наружной поверхности сердечника). Применение U-образных вентиляционных каналов обеспечивает не только эффективное охлаждение сердечника и, соответственно, обмотки статора, но и равномерность распределения температур как по окружности, так и по оси сердечника.
Наиболее близкой является конструкция статора, входящего в «Систему вентиляции электрической машины» (патент RU 2095919, Н02K 9/08, опубл. 10.11.1997 г.). Известный статор содержит сердечник, состоящий из листов электротехнической стали, собранных в пакеты, в которых имеются пазы для укладки обмотки и между которыми имеются радиальные каналы, закрытые со стороны внутренней расточки сердечника статора. В радиальных каналах установлены радиальные и тангенциальные дистанционные распорки, в совокупности, образующие в зоне каждого зубца от одного до двух U-образных вентиляционных каналов, которые открыты со стороны наружной поверхности сердечника статора и закрыты со стороны внутренней расточки сердечника статора. Таким образом, в данной конструкции будет исключен газообмен между вентиляционными каналами статора и газовым зазором между статором и ротором турбогенератора. В зоне каждого зубца сердечника статора образована пара U-образных вентиляционных каналов, по которым охлаждающий газ проходит со стороны наружной поверхности сердечника статора и, не попадая в зазор машины, поворачивает в зубцовой зоне и возвращается в направлении наружной поверхности сердечника статора.
Благодаря тому, что U-образные каналы с циркулирующим в них холодным газом вынесены непосредственно в зубцовую зону, удается существенно снизить температуру активных частей в указанной зоне, а закрытием каналов со стороны внутренней расточки сердечника статора удается эффективно отделить нагретый в газовом зазоре газ от газа, циркулирующего в U-образных каналах.
Однако для статоров турбогенераторов высокой мощности с газовым, в частности с воздушным охлаждением, выполненных с такими каналами, особо остро стоит вопрос теплового состояния обмотки и зубцов сердечника статора в активной зоне турбогенератора.
Температура обмотки в пазовой части статора для генераторов с косвенным газовым охлаждением складывается из следующих компонент: перепада температуры по толщине системы изоляции обмотки статора, перепада температуры по зубцу сердечника статора, перепада температуры на поверхности зубца сердечника статора, обращенной в вентиляционный канал (так называемый температурный напор), и температуры газа, приходящего в зубцовую зону. Воздействие на температурные перепады в системе изоляции и по зубцу существенно ограничено физическими свойствами применяемых в электромашиностроении материалов (коэффициентом теплопроводности). Температура газа, приходящего в зубцовую зону сердечника статора, определяется отводимыми потерями (тепловыделениями активных частей) и расходом газа, поэтому воздействие на данную компоненту температуры неэффективно по причине необходимости увеличения напорных возможностей вентиляторов машины и, как следствие, роста вентиляционных потерь и снижения коэффициента полезного действия генератора. Наиболее рациональным представляется снижение температурного напора на поверхности канала зубца сердечника статора, являющегося разностью температуры стенки канала и температуры охлаждающего газа, которая обратно пропорционально зависит от коэффициента теплоотдачи с поверхности вентиляционного канала, то есть определяется возмущением потока газа в канале. Внесение же изменений в структуру охлаждающего потока газа в ярме может оказать негативное влияние в виде увеличения тангенциального теплового потока, направленного по спинке сердечника статора из зоны выходных ветвей вентиляционных каналов в зоны входных ветвей. Описанный тепловой поток повышает температуру охлаждающего газа, приходящего в зубцовую зону турбогенератора, тем самым повышая температуру зубцов и обмотки.
Целесообразно для более эффективного охлаждения центральной части сердечника статора, охлаждающейся посредством циркуляции газа в каналах U-образной формы, повысить интенсивность охлаждения путем введения в поток газа системы интенсификаторов, размещенных на поверхности зубцовой зоны сердечника статора на участках с наибольшим тепловыделением, обращенной в каналы U-образной формы.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в снижении температуры зубцовой зоны сердечника статора электрической машины, в частности турбогенератора, посредством увеличения коэффициента теплоотдачи на поверхности сердечника, обращенной в вентиляционные каналы U-образной формы, и, как следствие, снижение температуры обмотки статора.
Для достижения указанного технического результата статор электрической машины, в частности турбогенератора, содержит сердечник, состоящий из листов электротехнической стали, собранных в пакеты, в которых имеются пазы для укладки обмотки и между пакетами имеются радиальные вентиляционные каналы, открытые со стороны наружной поверхности сердечника и закрытые со стороны внутренней расточки сердечника статора. В радиальных вентиляционных каналах установлены радиальные дистанционные распорки и тангенциальные дистанционные распорки, образующие в зоне каждого зубца от одного до двух U-образных вентиляционных каналов. В зубцовой зоне на набегающей (при движении потока газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника статора) части поверхности крайних (вентиляционных) листов электротехнической стали пакетов стали сердечника статора, выходящих в U-образные вентиляционные каналы, имеются элементы, интенсифицирующие охлаждение (интенсификаторы), в форме сегментов четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью к наружной поверхности сердечника (т.е. навстречу движению потока охлаждающего газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника статора).
Расположение интенсификаторов, выполненных в форме сегмента четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью навстречу потоку газа в зубцовой зоне, на набегающей части поверхностей листов электротехнической стали, выходящих в U-образные вентиляционные каналы, которые еще дополнительно закрыты со стороны внутренней расточки сердечника статора и открыты со стороны наружной поверхности сердечника статора, приводит к локальному возмущению потока охлаждающего газа, повышению коэффициента теплоотдачи с поверхности каналов сердечника статора с каналами U-образной формы и, как следствие, к снижению температуры зубцов сердечника и, соответственно, обмотки статора электрической машины, в частности турбогенератора.
Как показали проведенные исследования, которые будут рассмотрены ниже, для повышения коэффициента теплоотдачи с поверхности каналов сердечника статора наиболее эффективно применение интенсификаторов в форме сегментов четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью навстречу потоку газа, а также их расположение в местах, где поток наименее возмущенный, то есть на части поверхности U-образного канала в зубце, на так называемая набегающая часть поверхности U-образного канала (при движении потока газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника статора). К тому же такая установка интенсификаторов лишь минимально увеличивает аэродинамическое сопротивление канала, которое практически не будет отличаться от U-образного канала с гладкими стенками и сохранит величину расхода охлаждающего газа через систему U-образных каналов при неизменных напорных возможностях нагнетательных элементов в системе вентиляции.
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлен U-образный канал сердечника статора турбогенератора.
На фиг. 2 изображен пример схемы расположения интенсификаторов в зубцовой части на поверхности листов электротехнической стали сердечника, выходящих в набегающую часть U-образных вентиляционных каналов.
На фиг. 3 изображен интенсификатор в форме сегмента четверти эллипсоида.
На фиг. 4 изображен вид А сверху на интенсификатор с обозначением его геометрических размеров.
На фиг. 5 изображен вид Б сбоку на интенсификатор с обозначением его геометрических размеров.
На фиг. 6 изображена блок-схема метода определения оптимального количества и места расположения интенсификаторов.
Статор турбогенератора, содержит сердечник 1, состоящий из пакетов, набранных из листов электротехнической стали, например, марки М270-50А. В пакетах имеются пазы 2 для укладки обмотки. Между пакетами имеются радиальные вентиляционные каналы 3, образованные радиальными дистанционными распорками 4, выполненными из немагнитной стали, например, марки AISI 304L, и закрытые тангенциальными распорками 5, выполненными из немагнитной стали, например, марки AISI 304L со стороны внутренней расточки 6 сердечника 1 статора.
Радиальные дистанционные распорки 4 и тангенциальные дистанционные распорки 5 в совокупности образуют радиальном вентиляционном канале 3 в зоне каждого зубца от одного до двух U-образных вентиляционных каналов 7, в представленном на фиг. 1 примере выполнен один U-образный вентиляционный канал в зоне зубца. Входы 8 и выходы 9 вентиляционных каналов 7 расположены на наружной поверхности сердечника 1 статора. На набегающей поверхности (при движении потока газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника 1 статора) U-образного вентиляционного канала сердечника 1 статора на поверхности листов электротехнической стали, выходящих в U-образные вентиляционные каналы 7 в зубцовой зоне, имеются интенсификаторы 10 охлаждения. Интенсификаторы 10 выполнены в виде сегмента четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидной поверхностью навстречу набегающему потоку с направлением движения потока охлаждающего газа от наружной поверхности сердечника 1 к месту поворота потока в районе внутренней расточки 6 сердечника 1 статора.
Определение места расположения интенсификаторов осуществляется посредством способа, основанного на проведении экспериментов на макете и численном решении задачи теплопередачи для реальной конструкции сердечника статора.
В предложенной конструкции интенсификаторы охлаждения могут быть выполнены в виде выбоин на поверхности листов электротехнической стали статора, выходящих выпуклой поверхностью в U-образные вентиляционные каналы 7 в зубцовой зоне, в форме сегмента четверти эллипсоида, что повышает технологичность конструкции, а также минимальность затрат на ее воплощение.
Для примера, с целью определения коэффициентов теплоотдачи поверхности U-образного вентиляционного канала турбогенератора с воздушным охлаждением мощностью 160 МВт изготовлен макет с U-образным вентиляционным каналом в масштабе 1:1. Одна из стенок макета канала, нижняя, являющаяся основанием макета, изготовлена из стального сегмента, в зубцовой части которого, с одной стороны, установлен нагреватель с равномерным тепловыделением по поверхности зубцовой зоны, теплоизолированный от окружающего пространства, с другой стороны, обращенной к каналу, наклеена жидкокристаллическая термопленка, меняющая свой цвет на отдельных участках поверхности в зависимости от температуры. Другая стенка канала в зоне зубца сделана из органического стекла, позволяющего видеть и фотографировать противоположную стенку канала, покрытую термопленкой.
По результатам испытаний, проведенных на макете, получены значения коэффициентов теплоотдачи поверхности U-образного вентиляционного канала на входном участке, от входа воздуха в канал со стороны наружной поверхности сердечника статора до поворота в зубце в районе внутренней расточки и в выходном участке - от поворота в районе внутренней расточки до выхода воздуха со стороны наружной поверхности сердечника статора при нескольких значениях расхода охлаждающего воздуха.
Полученная термограмма позволяет определить количество интенсификаторов и участки поверхности канала с более низкой и более высокой температурой, и проводить установку интенсификаторов только на участках с повышенной температурой.
и
и
и
Алгоритм данного способа описан в виде блок-схемы, изображенной на фиг. 6. Определяющими геометрическими размерами интенсификаторов охлаждения являются длина (L), ширина (b) и высота (h). При этом установлено экспериментальным путем, что длина интенсификатора лежит в пределах от 1,5 до 2,5 мм, ширина интенсификатора лежит в пределах от 4 до 6 мм, а высота интенсификаторов лежит в пределах от 1 до 2 мм.
Такая методика определения мест, где необходима интенсификация теплоотвода от охлаждаемой поверхности, позволяет ограничить число устанавливаемых интенсификаторов и повысить теплоотдачу при минимально возможном увеличении аэродинамического сопротивления U-образного охлаждающего канала.
Благодаря такому способу определения, как уже было указано выше, было установлено, что наиболее эффективно расположить интенсификаторы в форме сегментов четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью навстречу движения потока охлаждающего газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника статора в зубцовой зоне на набегающей части поверхности крайних (вентиляционных) сегментов пакетов стали сердечника статора, выходящих в U-образные вентиляционные каналы.
Экспериментально установлено, что интенсификаторы в форме сегментов четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью навстречу движения потока охлаждающего газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника статора следует располагать от одной до четырех линий рядов по ширине вентиляционного канала на поверхности сердечника статора, выступающей в вентиляционный U-образный канал.
При работе турбогенератора, под напором нагнетательных элементов (вентиляторов) (на фиг.не показаны) охлаждающий газ поступает (согласно направлению стрелок, на фиг. 1) в U-образные вентиляционные каналы 7, движется к зубцовой зоне, проходит ее и далее перед тангенциальными вентиляционными распорками 5 разворачивается и эвакуируется в зону наружной поверхности ярма сердечника статора.
Во время работы установленные на набегающей части поверхности крайних листов электротехнической стали пакетов сердечника статора 1, выходящих в U-образные вентиляционные каналы в зубцовой зоне, интенсификаторы 10 увеличивают степень турбулентного перемешивания между нагретым газом, находящимся у поверхности U-образного канала, и относительно более холодным газом в ядре потока в канале. Такое интенсивное перемешивание приводит в контакт более холодный газ со стенкой U-образного канала 7, на которой установлены интенсификаторы 10, создавая лучшие условия для более эффективного теплоотведения с данной поверхности, тем самым увеличивая коэффициент теплоотдачи с данной поверхности.
Итоговая эффективность введения в поток охлаждающего газа системы интенсификаторов зависит от соотношения прироста коэффициента теплоотдачи и коэффициента аэродинамического сопротивления, увеличение которого связано с генерацией в потоке вихревых структур, появление которых приводит к росту потерь энергии.
На повороте U-образного канала перед тангенциальными распорками 5 интенсификаторы не устанавливаются вследствие высокой скорости потока охлаждающего газа и его значительного возмущения, которое частично сохраняется на дифузорной части данного канала за соответствующим поворотом потока в зубцовой зоне.
В таблице ниже представлены результаты аэродинамических и тепловых расчетов для турбогенератора с воздушным охлаждением мощностью 160 МВт, выполненных на основании вентиляционных испытаний на исследовательском макете с наличием и без интенсификаторов.
В результате реализации предлагаемого технического решения, как показали результаты вентиляционных испытаний, обеспечивается простая и надежная конструкция статора турбогенератора с эффективным охлаждением сердечника и обмотки.
Наибольшая технико-экономическая эффективность предложенного технического решения, состоящая в увеличении предельной единичной мощности электрической машины, достигается при использовании в качестве охлаждающего газа воздушной среды, так как худшие, по сравнению с водородом, теплоотводящие свойства воздуха усложняют проблему отведения тепловых потерь от сердечника статора.