СПОСОБ ГАЗОВОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
METHOD FOR GAS COOLING OF ELECTRICAL MACHINE, AND ELECTRICAL MACHINE

Заявляемое изобретение относится к электромашиностроению, а именно, к системам газового охлаждения электрической машины, преимущественно турбогенераторов, с замкнутым циклом вентиляции.
Известна электрическая машина и способ ее охлаждения (патент на изобретение RU 2309512 «Способ охлаждения электрической машины и электрическая машина», Н02К 9/16, 9/06, опубл. 27.10.2007, бюл. №30), в которой подача охлаждающего воздуха от охладителей статора осуществляется через камеру сбора холодного воздуха, размещенную между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, в радиальные каналы торцевых зон и в каналы нажимных плит сердечника статора, и далее подогретый в каналах воздух направляют в камеру сбора подогретого воздуха. В электрической машине, позволяющей осуществить указанный способ воздушного охлаждения, выходы охладителей статора, входы в радиальные каналы торцевых зон сердечника статора, входы в каналы нажимных плит сообщаются с камерой сбора холодного воздуха, а выходы из радиальных каналов торцевых зон и каналов нажимных плит сердечника статора сообщаются с камерой сбора подогретого воздуха.
Охлаждение обмотки и сердечника статора осуществляется водой, циркулирующей в нержавеющих трубках плоских охладителей, размещенных между пакетами основного сердечника статора.
Охлаждение обмотки и сердечника статора при помощи воды эффективно, но неизбежное возникновение течей в системе водяного охлаждения существенно снижает надежность работы генератора.
Известна электрическая машина с вытяжной системой вентиляции, содержащая вентиляционные каналы ротора, вход и выход которых расположен на разных радиусах вращения, U - образные вентиляционные каналы в основной зоне сердечника статора и радиальные каналы в торцевых зонах сердечника статора, вентиляторы, газоохладители и камеру, в которой расположены лобовые части обмотки статора (заявка на изобретение «Система вентиляции электрической машины» RU 2000127077, Н02К 9/00, опубл. 10.09.2002 г.)
В рассматриваемой системе вентиляции электрической машины в сердечнике статора параллельно U - образным вентиляционным каналам в основной зоне, имеющим входы и выходы на наружной поверхности сердечника статора, и радиальным каналам, размещенным в торцевых зонах сердечника, выполнены радиальные вентиляционные каналы, расположенные в центральной зоне сердечника. Выход охлаждающего газа из этих каналов организован в зазор между статором и ротором. В данной схеме вентиляции выход из каналов ротора, включая его центральную часть, также происходит в зазор между статором и ротором.
Взаимное торможение встречных потоков охлаждающего газа из каналов статора и ротора в зазоре напротив центральной зоны статора приводит к значительному сокращению охлаждающего газа через радиальные каналы центральной зоны сердечника статора и чрезмерному нагреву обмотки статора в этой зоне.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом вытяжной вентиляции и электрическая машина для осуществления указанного способа, описанные в изобретении «Способ газового охлаждения электрической машины и электрическая машина» (патент на изобретение RU 2258295, Н02К 9/06, 9/16, 9/18, опубл. 10.08.2005, Бюл. №22).
В указанном изобретении охлаждающий газ из охладителей при помощи напорных элементов (вентиляторов и вентиляционных каналов ротора, входы и выходы которых расположены на разных радиусах вращения) подается тремя путями в каналы статора и ротора, а подогретый в этих каналах газ направляется на охладители статора и ротора через камеру сбора подогретого газа, организованную в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.
Первый поток охлаждающего газа направляется из охладителей статора через камеру сбора холодного газа, размещенную между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, в каналы основной зоны сердечника, из которых подогретый газ при помощи газосборных воздуховодов подается в камеру сбора подогретого газа.
Второй поток газа также из охладителей статора через камеру сбора холодного газа статора поступает в радиальные каналы торцевой зоны сердечника статора, из которых подогретый газ направляется в камеру сбора подогретого газа.
Третий поток газа из охладителей ротора подается в каналы ротора, а подогретый в этих каналах газ через зазор между ротором и статором поступает в камеру сбора подогретого газа.
Для обеспечения такого способа газового охлаждения электрическая машина имеет следующие конструктивные особенности.
Электрическая машина содержит корпус, размещенные в нем охладители, статор, ротор, вентиляторы и камеры, первая из которых (камера сбора холодного газа) расположена между охладителями статора и наружной поверхностью сердечника статора, а вторая (камера сбора подогретого газа) размещена в зонах расположения лобовых частей обмотки статора.
Выходы охладителей статора объединены с первой камерой.
Статор имеет вентиляционные каналы основной зоны сердечника, входы и выходы которых расположены на наружной поверхности сердечника статора, и радиальные каналы в торцевой зоне сердечника статора.
Входы для всех каналов статора открыты для прохода охлаждающего газа из охладителей статора со стороны первой камеры.
При этом выходы из радиальных каналов сердечника статора организованы непосредственно во вторую камеру, а выходы из каналов основной зоны сердечника статора соединены со второй камерой при помощи газосборных воздуховодов, например системы коробов, установленных на наружной поверхности статора над указанными выходами. Выходы охладителей ротора соединены с входами в каналы ротора, выходы из каналов ротора через зазор между статором и ротором сообщаются со второй камерой.
Вторая камера соединена непосредственно с входами охладителей ротора, а входами охладителей статора она соединена через зону повышенного давления вентиляторов.
Рассмотренная система вентиляции статора, включающая способ газового охлаждения электрической машины и электрическую машину, позволяет повысить интенсивность охлаждения обмотки и активной стали сердечника статора в электрических машинах средней мощности. Использование такого способа охлаждения при создании турбогенераторов большой мощности с воздушным охлаждением приведет к возрастанию температуры воздуха в зазоре между статором и ротором, к недопустимому нагреву поверхности зубцов сердечника статора, лобовых частей обмотки статора и бандажей ротора.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении эффективного охлаждения активных частей в турбогенераторах большой мощности с газовым охлаждением, преимущественно воздушным, повышении КПД электрической машины и оптимизации ее габаритов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ газового охлаждения электрической машины с замкнутым циклом вытяжной вентиляции заключается в том, что газ от выходов охладителей статора и ротора посредством напорных элементов направляют на входы каналов статора и ротора. От охладителей статора газ подают через камеру сбора холодного газа, расположенную между охладителями статора и наружной поверхностью его сердечника, на входы каналов центральной, основных и торцевых зон сердечника статора. Газ с выходов каналов каждой из основных зон направляют в газосборные воздуховоды, размещенные на наружной поверхности сердечника статора над выходами из этих каналов, и далее в каналы, ограниченные наружным и внутренним кольцами нажимных плит сердечника статора. С выходов каналов центральной зоны газ подают в зазор между статором и ротором. От охладителей ротора газ направляют в каналы ротора, входы и выходы которых расположены на разных радиусах вращения ротора, и далее в зазор между статором и ротором, минуя его центральную часть, расположенную напротив центральной зоны сердечника статора. Далее потоки, включая потоки газа с выходов каналов торцевых зон сердечника статора, подают в соответствующие камеры сбора подогретого газа, расположенные в зонах размещения лобовых частей обмотки статора, из которых газ направляют на входы охладителей ротора и через вытяжные вентиляторы на входы охладителей статора.
Целесообразно для более эффективного охлаждения наружного кольца нажимной плиты дополнительно направлять газ из каналов, ограниченных наружным и внутренним кольцами нажимных плит сердечника статора, в камеры сбора подогретого газа через отверстия, выполненные в наружном кольце нажимной плиты.
Для осуществления предлагаемого способа газового охлаждения электрическая машина с газовым охлаждением содержит корпус с размещенными в нем охладителями статора и ротора, статор, имеющий каналы в центральной, основных и торцевых зонах сердечника, ротор, установленный в статоре с зазором и имеющий каналы с входами и выходами на разных радиусах вращения, вытяжные вентиляторы, расположенные с обеих сторон ротора, камеры сбора подогретого газа, расположенные в зонах размещения лобовых частей обмотки статора, и камеру сбора холодного газа, расположенную между охладителями и наружной поверхностью сердечника статора. Камера сбора холодного газа сообщается с выходами охладителей статора и входами в каналы сердечника статора, расположенными на его наружной поверхности. Выходы каналов центральной зоны сердечника статора через зазор между статором и ротором, выходы каналов основных зон через газосборные воздуховоды, расположенные на наружной поверхности сердечника статора, и далее каналы, ограниченные внутренним и наружным кольцами нажимных плит сердечника статора, а также выходы каналов каждой из торцевых зон сообщаются с соответствующими камерами сбора подогретого газа. Входы в каналы ротора соединены с выходами охладителей ротора, а выходы каналов ротора через зазор между статором и ротором сообщаются с соответствующими камерами сбора подогретого газа, при этом напротив центральной зоны сердечника статора выходы каналов ротора отсутствуют. Камеры сбора подогретого газа сообщаются с входами охладителей ротора и через вытяжные вентиляторы с входами охладителей статора.
Целесообразно в наружных кольцах нажимных плит выполнить отверстия, выходы которых сообщаются с камерами сбора подогретого газа, для их более эффективного охлаждения.
Выполнение в центральной зоне сердечника статора радиальных вентиляционных каналов с выходами в зазор между статором и ротором при отсутствии выходов в зазор вентиляционных каналов ротора позволило исключить взаимное торможение встречных потоков охлаждающего газа из каналов статора и ротора и обеспечить дополнительным расходом газа зазор между статором и ротором. За счет этого снижается температура газа в зазоре и достигается эффективное охлаждение поверхности зубцов сердечника статора, лобовых частей обмотки статора и бандажных колец ротора.
Подача охлаждающего газа из основной зоны сердечника статора при помощи газосборных воздуховодов, размещенных на наружной поверхности сердечника, через каналы, ограниченные наружным и внутренним кольцами нажимных плит сердечника статора, непосредственно в лобовые части обмотки статора дает возможность интенсифицировать их охлаждение.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где изображена половина электрической машины в аксиальном направлении относительно плоскости симметрии.
Электрическая машина включает корпус 1, размещенные в нем статор 2 и ротор 3, установленный в статоре 2 с зазором 4, охладители 5 статора 2 и охладители 6 ротора 3, вытяжные вентиляторы 7, размещенные с обеих сторон ротора 3.
Конструкция вытяжного вентилятора 7 может быть выполнена, как описано в патенте «Gas-cooled electrical machine having an axial fan» (US 6392320, H02K 9/08, 21.05.2002). В указанной конструкции для подачи потока охлаждающего газа из активной зоны электрической 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.
Камера сбора холодного газа 8 размещена между охладителями 5 и наружной поверхностью сердечника статора 2, а камеры сбора подогретого газа 9 размещены в зонах расположения лобовых частей обмотки 10 статора с обеих сторон электрической машины.
Статор 2 имеет в основных зонах сердечника статора вентиляционные каналы 11, входы и выходы которых выполнены на наружной поверхности сердечника статора (каналы U-образной формы), радиальные вентиляционные каналы 12 в торцевой зоне сердечника статора и радиальные вентиляционные каналы 13 в центральной зоне сердечника статора.
Количество радиальных вентиляционных каналов 13 центральной зоны сердечника статора 2 выбирается на основании теплового и вентиляционного расчетов турбогенератора.
Ротор 3 имеет вентиляционные каналы 14 с входами и выходами, расположенными на разных радиусах вращения ротора, при этом в центральной части ротора, которая расположена напротив центральной зоны сердечника статора 2, выходы каналов ротора отсутствуют.
Выходы охладителей 5 статора 2 объединены с камерой сбора холодного газа 8, в которой расположены входы в вентиляционные каналы 11, 12, 13.
Над выходами каналов 11 в основной зоне сердечника статора 2 размещены газосборные воздуховоды 15, выполненные, например в виде системы коробов, которые соединяются с каналом 16 между внутренним и наружным кольцами нажимной плиты. Канал 16 имеет выход в камеру сбора подогретого газа 9. В наружном кольце нажимной плиты выполнены отверстия 18, которые также сообщаются с камерой сбора подогретого газа 9.
Выходы из каналов 12 сообщаются непосредственно с камерой сбора подогретого газа 9, а выходы из каналов 13 сообщаются с зазором 4 между статором 2 и ротором 3 и далее с камерой сбора подогретого газа 9.
Камера сбора подогретого газа 9 сообщается с входами в вытяжной вентилятор 7, а зона высокого давления 17 вытяжного вентилятора 7 сообщается с входами охладителей 5 статора 2.
Камера сбора подогретого газа 9 сообщается с входами охладителей 6 ротора 3.
Выходы охладителей 6 ротора 3 сообщаются с входами в каналы 14 ротора 3. Выходы из каналов 14 через зазор 4 между статором 2 и ротором 3 соединены с камерой сбора подогретого газа 9, причем выходы каналов 14 сообщаются с воздушным зазором 4 между статором и ротором, минуя центральную часть ротора 3, расположенную напротив центральной зоны сердечника статора 2, где выходы каналов ротора в зазор отсутствуют.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Посредством напорных элементов (вытяжных вентиляторов 7, расположенных с обеих сторон ротора 3, и каналов 14 ротора 3, расположенных на разных радиусах вращения ротора) охлаждающий газ от охладителей 5 статора 2 и охладителей 6 ротора 3 направляют разными путями в вентиляционные каналы статора 2 и ротора 3.
Один поток охлаждающего газа из охладителей 5 статора 2 направляют на входы каналов 11 основной зоны сердечника статора, с выходов которых при помощи газосборных воздуховодов 15, подогретый в каналах 11 газ направляют в канал 16, ограниченный внутренним и наружным кольцами нажимной плиты, откуда часть охлаждающего газа направляется непосредственно в камеру сбора подогретого газа 9, а другая его часть через отверстия 18, выполненные в наружном кольце нажимной плиты, также поступает в камеру 9.
Другой поток охлаждающего газа из охладителей 5 статора направляют на входы каналов 12 торцевых зон сердечника статора, с выходов которых подогретый газ поступает в камеру сбора подогретого газа 9.
Еще один поток охлаждающего газа от охладителей 5 статора подают на входы каналов 13 центральной зоны сердечника статора, с выходов которых подогретый газ направляют в зазор 4 между статором 2 и ротором 3 и далее в камеру сбора подогретого газа 9.
Поток газа от охладителей 6 ротора поступает на входы каналов 14 ротора 3, а с выходов каналов 14 подогретый газ через зазор 4 между ротором 3 и статором 2 направляют в камеру сбора подогретого газа 9, минуя центральную часть ротора 3, расположенную напротив центральной зоны сердечника статора 2.
Из камеры сбора подогретого газа 9 часть подогретого газа направляют на вход охладителей 6 ротора 3, а другую часть на входы вытяжных вентиляторов 7 и через камеру высокого давления 17 на входы охладителей 5 статора 2.
Такая система охлаждения позволяет организовать эффективное охлаждение активных частей электрической машины, оптимизировать габариты электрической машины и повысить КПД электрической машины.