РОТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Предлагаемая полезная модель относится к электромашиностроению, а именно, к крупным электрическим машинам, турбогенераторам с жидкостным охлаждением обмоток роторов.
Одним из ответственейших элементов каждого ротора является бандажный узел, состоящий из бандажного и упорного колец, предохраняющий лобовые части обмотки от повреждений и смещения при действии центробежных сил и тепловых деформаций.
Основные варианты конструктивного исполнения бандажного узла турбогенераторов представлены в книге Е.Видемана и В.Келленберга «Конструкции электрических машин», Л., «Энергия», 1972, 520 с., причем на мощных турбогенераторах наиболее распространенным вариантом является консольное крепление бандажного кольца посредством горячей посадки на бочку ротора и упорное кольцо, не связанное с валом. Такая конструкция исключает влияние бандажного кольца на изгибную жесткость ротора, а также влияние изгиба хвостовины ротора на лобовые части обмотки и бандажное кольцо с упорным кольцом.
Важной конструктивной задачей является фиксация аксиального положения бандажного кольца относительно бочки ротора и упорного кольца относительно бандажного кольца. Первая задача решается установкой кольцевой шпонки в, кольцевой паз, выполненный на посадочной поверхности бочки ротора и бандажного кольца. Вторая задача на роторах с газовым охлаждением обмотки, где упорное кольцо представляет собой диск, решается совместным действием посадочного усилия и кольцевого уступа на посадочной поверхности упорного кольца.
Известен турбогенератор (Авторское свидетельство СССР №1347121, H02K 3/51, опубл. 23.10.1987 г., Бюл. №39), в котором ротор содержит вал, в котором размещена обмотка. Бандажные кольца закрепляют с обеих сторон ротора лобовые части обмотки. Бандажные кольца размещены одной стороной на бочке ротора, другой - на упорном кольце. Бандажное кольцо с каждой стороны бочки ротора прижато в осевом направлении к торцу бочки ротора устройством, выполненным в виде тяг. Второй конец каждой тяги проходит через отверстия в упорных кольцах и заканчивается резьбой, на которую навинчена гайка, прижимающая упорное кольцо к бандажному кольцу.
Однако для роторов с водяным охлаждением обмотки, где упорное кольцо имеет сложную форму и одновременно является элементом системы подвода воды к обмотке, такое решение является недостаточным.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является конструкция, описанная в изобретении (Авторское свидетельство СССР №1686624, H02K 9/19, Опубл. 23.10.1991 г., Бюл. №39). В данной конструкции ротор электрической машины с жидкостным охлаждением содержит закрепленную на валу обмотку. Лобовые части обмотки удерживаются бандажным кольцом, сопряженным с упорным (центрирующим) кольцом U-образной формы. Упорное кольцо U-образной формы сочленяется с бандажным кольцом методом горячей посадки с радиальным натягом и фиксируется в аксиальном направлении с помощью кольцевого уступа, упирающегося в аналогичный кольцевой уступ на посадочной поверхности бандажного кольца. Сквозь торцевые стенки упорного кольца проходят напорные и сливные выводы обмотки ротора с надетыми на них изоляционными трубками.
На наружных торцах упорного кольца с помощью болтов крепятся напорное и сливное кольца обмотки ротора, осуществляющие подачу и слив охлаждающей воды. Сливное кольцо образует сливную камеру, а напорное кольцо - напорную камеру.
Представленная выше конструкция бандажного узла водоохлаждаемого ротора с самонапорной системой охлаждения подтвердила высокие эксплуатационные качества в части надежного водообеспечения обмоток и исключения протечек.
Вместе с тем, как показала практика, данная конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в одностороннем характере фиксации взаимного положения бандажного и упорного колец U-образной формы в аксиальном направлении с помощью кольцевых уступов. Вследствие значительного осевого вылета всей описанной выше консольной конструкции водообеспечения обмотки ротора относительно посадочной поверхности бандажного кольца, а также (всегда имеющего место на практике) отсутствия идеальной центровки и отбалансированности бандажного узла, на посадочной поверхности возникает момент М, действующий поперек оси ротора. Ему противостоит момент сил трения Мтр от усилия посадки бандажного кольца на упорное кольцо. При неблагоприятном стечении обстоятельств (тепловые расширения, ослабление посадочного усилия, неточность сборки и балансировки бандажного узла, повышенные поперечные колебания ротора, увеличение веса балансировочных грузов, устанавливаемых на упорное кольцо), момент М может превысить предельное значение момента Мтр. Тогда, при отсутствии двухсторонней фиксации аксиального положения бандажного и упорного колец, последнее получит некоторое угловое перемещение γ относительно бандажного кольца, вследствие чего увеличится небаланс бандажного узла, возрастет вибрация ротора, нарушится центровка сливного кольца относительно лабиринтного уплотнения. При значительной величине угла γ (фиг.3) это может привести к «задеванию», разрушению лабиринтного уплотнения, элементов крепления сливного кольца, напорного коллектора и других узлов конструкции.
В принципе, двухсторонняя фиксация аксиального положения бандажного и упорного колец могла бы быть обеспечена установкой дополнительной шпонки на поверхности их сопряжения (по типу фиксации бандажного кольца на бочке ротора). Однако реализация этого решения потребует существенной доработки конструкции и технологии сборки-разборки бандажного узла, что, как показывает анализ, весьма затруднительно и нецелесообразно по следующим причинам:
- ограниченности пространства для размещения шпонки и канавок под шпонку, в особенности с углубленным пазом на упорном кольце, учитывая близость резьбовых отверстий для крепления сливного кольца;
- необходимости выполнения продольных пазов на бандажном и упорном кольцах в районе шпоночных пазов для отжатия шпонки при сборке и разборке узла;
- невозможности точного, с минимальными допусками, выполнения пазов на бандажном и упорном кольцах, в особенности в условиях электростанций, оснащенных генераторами существующей серийной конструкции;
- сложности сборки бандажного узла в части совмещения пазов на бандажном и упорном кольцах и установки шпонок на торце бочки ротора и упорном кольце.
Технический результат, на который направлено предлагаемая полезная модель, заключается в устранении отмеченных недостатков и обеспечении надежного соединения бандажного, упорного и сливного колец с минимальными доработками и простой технологией сборки и разборки бандажного узла (зона А на Фиг.1).
Указанный технический результат достигается тем, что, ротор электрической машины с жидкостным охлаждением обмотки содержит закрепленную на валу обмотку, лобовые части которой удерживаются бандажным кольцом, аксиально зафиксированным относительно упорного кольца U-образной формы кольцевыми выступами, выполненными на бандажном и упорном кольцах со стороны обмотки, а также напорное и сливное кольца, скрепленные с упорным кольцом и образующие напорную и сливную камеры, бандажное кольцо со стороны торца поджато в осевом направлении дополнительным фиксатором, размещенным на наружной поверхности фланца сливного кольца.
В первом варианте конструкции дополнительный фиксатор выполнен на сливном кольце в виде кольцевого выступа, в котором по окружности имеются аксиальные отверстия, в которых размещены упоры. Поджатие торца бандажного кольца осуществляется упорами, выполненными в виде винтов, а аксиальные отверстия имеют резьбу.
Второй вариант конструкции позволяет отказаться от аксиальных резьбовых отверстий и размещения в них упоров, что позволяет повысить запас прочности конструкции при действии центробежных сил и производить аксиальную фиксацию бандажного и сливного колец. Во втором варианте дополнительный фиксатор выполнен в виде кольца, закрепленного на наружной поверхности фланца сливного кольца и упирающегося в торец бандажного кольца.
Целесообразно первый вариант конструкции выполнить также в двух исполнениях, в одном исполнении кольцевой выступ выполнить заодно со сливным кольцом, как единую деталь, путем вытачивания конструкции из одной заготовки.
В другом исполнении кольцевой выступ выполнен в /виде дополнительного кольца, закрепленного на наружной поверхности фланца сливного кольца.
Дополнительное кольцо может быть скреплено со сливным кольцом методом горячей посадки с радиальным натягом, в этом случае на посадочной поверхности сливного кольца должен быть выполнен кольцевой упор для компенсации аксиального усилия от винтов. Кроме того, дополнительное кольцо может быть скреплено со сливным кольцом при помощи резьбы, выполненной на наружной поверхности фланца сливного кольца.
Во втором варианте конструкции, в котором дополнительный фиксатор выполнен в виде кольца, закрепленного на наружной поверхности фланца сливного кольца резьбой и упирающегося в торец бандажного кольца, часть кольца, примыкающая к бандажному кольцу, может размещаться в кольцевой проточке, выполненной на торце бандажного кольца, с радиальной опорой на внутреннюю поверхность проточки. При этом кольцо может быть выполнено из нескольких частей дугообразной формы, поджатых аксиально к бандажному кольцу при помощи гайки и резьбы, выполненной на наружной поверхности фланца сливного кольца.
Новизна предлагаемой полезной модели заключается в фиксации в осевом направлении бандажного кольца со стороны торца дополнительным фиксатором, расположенным на наружной поверхности фланца сливного кольца. Такая дополнительная фиксация предотвращает аксиальное смещение упорного кольца U-образной формы относительно бандажного кольца в сторону, противоположную сливному кольцу, а также обеспечивает двухстороннюю фиксацию относительного положения бандажного и упорного колец в аксиальном направлении.
Оригинальность и простота предложенной конструкции обеспечивает надежную двухстороннюю фиксацию относительного аксиального положения бандажного и упорного колец, а также реализацию решения на турбогенераторах, уже установленных на электростанциях.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами:
Фиг.1 - продольный разрез системы водообеспечения обмотки ротора, где показана зона А соединения бандажного, упорного и сливного колец.
Фиг.2 - продольный разрез узла сопряжения бандажного, упорного и сливного колец в конструкции - прототипе.
Фиг.3 - схема «перекоса» упорного кольца относительно бандажного при односторонних упорах в конструкции-прототипе.
Фиг.4 - продольный разрез узла сопряжения колец по первому варианту конструкции.
Фиг.5 - продольный разрез узла сопряжения колец по первому варианту конструкции, в исполнении, в котором дополнительное кольцо скреплено со сливным кольцом методом горячей посадки.
Фиг.6 - продольный разрез узла сопряжения колец по первому варианту конструкции, в исполнении, в котором дополнительное кольцо скреплено со сливным кольцом при помощи резьбы, выполненной на наружной поверхности фланца сливного кольца.
Фиг.7 - продольный разрез узла сопряжения колец по второму варианту конструкции.
Фиг.8 - продольный разрез узла сопряжения колец по второму варианту конструкции, в котором дополнительный фиксатор выполнен в виде кольца, состоящего из нескольких частей дугообразной формы.
Ротор электрической машины с водяной системой охлаждения обмотки содержит упорное кольцо 1 U-образной формы, которое сочленяется с бандажным кольцом 2 методом горячей посадки с радиальным натягом и фиксируется в аксиальном направлении с помощью кольцевого уступа 3, упирающегося в аналогичный кольцевой уступ 4 на посадочной поверхности бандажного кольца 2. В аксиальных отверстиях упорного кольца 1 размещаются напорные 5 и сливные 6 трубки выводов катушек обмотки ротора, уплотняемые изоляционными втулками 7 с резиновыми кольцами (не показаны).
На наружных торцах упорного кольца 1 с помощью болтов жестко крепятся напорное кольцо 8 и сливное кольцо 9 обмотки ротора, осуществляющие подачу и слив охлаждающей воды. Движение воды в обмотке обеспечивается центробежной силой, создаваемой за счет разности диаметров напорного кольца 8 и сливного кольца 9. В напорную камеру, образованную напорным кольцом 8, вода подается из неподвижного коллектора 10, закрепленного на торцевом щите 11 корпуса электрической машины. Гидравлический затвор в виде кольцевого гребня 12 и резиновые уплотнительные кольца 13 отсекают внутреннее пространство электрической машины от пространства машзала. Со сливного кольца 9 вода поступает в сливную камеру 14, расположенную в щите 11. Из сливной камеры 14 вода отводится самотеком по трубе, расположенной у основания сливной камеры 14. Утечки воды из сливной камеры 14 в сторону обмотки статора улавливаются изоляционным лабиринтным уплотнением 15.
Сливное кольцо 9 жестко скреплено с упорным кольцом 1 болтами 16. Во фланце сливного кольца 9 выполнена кольцевая канавка 17 для размещения головок болтов 16 и балансировочных грузов 18.
На наружной поверхности фланца сливного кольца 9 со стороны торца бандажного кольца 2 установлен дополнительный фиксатор 19, который поджимает бандажное кольцо 2 в осевом направлении.
На фиг.4 показан продольный разрез узла сопряжения упорного кольца 1, бандажного кольца 2 и сливного кольца 9 по первому варианту конструкции, в котором дополнительный фиксатор 19 выполнен в виде кольцевого выступа с аксиальными резьбовыми отверстиями, в которых размещаются винты 20, упирающиеся в торец бандажного кольца 2. Кольцевой выступ выточен как единая деталь из одной заготовки заодно со сливным кольцом 9.
На фиг.5 показан продольный разрез узла сопряжения упорного кольца 1, бандажного кольца 2 и сливного кольца 9 по первому варианту конструкции, в котором дополнительный фиксатор 19 выполнен в виде дополнительного кольца, скрепленного со сливным кольцом методом горячей посадки с натягом. Для компенсации аксиального усилия от винтов 20 на посадочной поверхности фланца сливного кольца 9 выполнен кольцевой упор 21. Данный вариант конструкции предусматривает возможность реализации технического решения в условиях электростанций на действующих турбогенераторах.
На фиг.6 показан продольный разрез узла сопряжения упорного кольца 1, бандажного кольца 2 и сливного кольца 9 по первому варианту конструкции в исполнении, в котором дополнительный фиксатор 19 выполнен в виде дополнительного кольца, скрепленного со сливным кольцом 9 с его аксиальной фиксацией при помощи резьбы 22, выполненной на наружной поверхности фланца сливного кольца 9 и внутренней поверхности дополнительного фиксатора 19.
На фиг.7 показан продольный разрез узла сопряжения упорного кольца 1, бандажного кольца 2 и сливного кольца 9 по второму варианту конструкции, в котором дополнительный фиксатор 19 выполнен в виде кольца, закрепленного на наружной поверхности сливного кольца 9 с аксиальной фиксацией при помощи резьбы 22, при этом кольцо упирается в торец бандажного кольца 2. В кольцевой проточке 23, выполненной в торце бандажного кольца 2, размещается часть 24 дополнительного фиксатора 19, которая примыкает к бандажному кольцу 2 и опирается на внутреннюю поверхность проточки 23.
На фиг.8 показан второй вариант конструкции, в котором дополнительный фиксатор 19 состоит из нескольких (двух или более) частей дугообразной формы, располагающихся в кольцевой проточке 23 прямоугольного сечения на торце бандажного кольца 2 и зафиксированных в аксиальном направлении с помощью гайки 25 и резьбы 22, выполненной на наружной поверхности фланца сливного кольца 9. Это позволяет при остановке турбогенератора, после отвинчивания гайки 25 и извлечения, по частям, дополнительного фиксатора 19, снять бандажное кольцо 2 с ротора для ревизии без рассоединения упорного кольца 1 и сливного кольца 9.
При вращении ротора турбогенератора и действии центробежных сил дополнительный фиксатор 19 исключает задевание сливного кольца 9 за лабиринтное уплотнение 15 ротора, повреждение лабиринтного уплотнения 15 и обмоток ротора.
Двухсторонняя фиксация взаимного положения упорного, бандажного и сливного колец в аксиальном направлении обеспечивает соосность бандажного, упорного и сливного колец при работе турбогенератора.