СИСТЕМА ВЕНТИЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ)
ELECTRICAL MACHINE VENTILATION SYSTEM (VERSIONS)

Заявляемая группа технических решений относится к области электромашиностроения и предназначена 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], сердечник статора которой выполнен с открытыми в зазор вентиляционными каналами. Кольцевыми перегородками корпуса со стороны спинки статора образованы чередующиеся кольцевые зоны повышенного и пониженного давления. В роторе выполнены вентиляционные каналы, открытые в зазор. На наружной поверхности ротора установлены разделительные элементы, образующие кольцевые чередующиеся зоны, сообщающиеся с зонами повышенного и пониженного давления. С этими зонами сообщаются вентиляционные каналы ротора. Преимуществом данной системы вентиляции является то, что напор вентиляторов частично используется для организации движения охлаждающего потока в вентиляционных каналах ротора. Однако она отличается сложностью конструкции из-за большого количества коробов и перепускных труб и является малоэффективной при использовании воздушного охлаждения, т.к. на торцевые зоны электрической машины, которые испытывают наибольший нагрев, не направляется интенсивный поток охлаждающего газа.
Известна многоструйная система вентиляции электрической машины с продольным секционированием статора [2], в которой выходящий в зазор из подпазовых каналов и радиальных отверстий ротора охлаждающий поток отделен от зоны нагнетания статора перегородкой, смонтированной на сердечнике статора. При этом соединение зоны нагнетания статора с зоной разрежения выполнено через аксиальные отверстия в перегородке. Система исключает взаимное торможение потоков, выходящих из ротора и статора, но она малоэффективна в части охлаждения торцевых зон активных частей статора электрической машины.
За прототип для вариантов заявляемого решения принята система вентиляции электрической машины [3], содержащая сердечник статора с обмоткой и ротор. Охлаждающий поток циркулирует через спинку и зубцовую зону статора по радиальным каналам сердечника, образованным прямыми и U-образными дистанционными распорками, и по подпазовым каналам направляется с большой скоростью в торцевые части сердечника. Данное решение отличается простотой конструкции и обеспечивает эффективное охлаждение активных частей статора и, особенно, наиболее нагретых торцевых зон, но перекрытие зазора, исключающее связь с ротором, не позволяет использовать напорное действие вентиляторов для циркуляции воздуха в роторе. Этот недостаток ограничивает применение данной системы вентиляции для машин большой мощности с длинным ротором, в которых сечения отверстий (например, подпазовых каналов), выполненных в торцах бочки ротора, будет недостаточно для эффективного охлаждения ротора.
Целью заявляемой группы решений является обеспечение эффективного охлаждения всех активных частей электрической машины с возможностью увеличения ее единичной мощности и сохранения простоты конструкции.
Поставленная цель по первому варианту заявляемого решения достигается за счет того, что в известной системе вентиляции электрической машины, содержащей ротор, зазор, статор с подпазовыми вентиляционными каналами и образованными с помощью дистанционных распорок радиальными вентиляционными каналами, открытыми в пространство между корпусом и спинкой статора, упомянутые радиальные вентиляционные каналы открыты в зазор и по исполнению дистанционных распорок подразделены на два типа, в каналах одного типа установлены дистанционные распорки, перекрывающие вход охлаждающего потока в подпазовые каналы по их периметру, а в каналах другого типа - со стороны пространства между корпусом и спинкой статора, причем совокупности каналов каждого типа образуют чередующиеся в аксиальном направлении вентиляционные зоны, на границах которых в зазоре установлены кольцевые разделительные перегородки, а в роторе выполнены вентиляционные каналы, каждый из которых сообщается с упомянутыми вентиляционными зонами.
Поставленная цель по второму варианту решения достигается за счет того, что в известной системе вентиляции электрической машины, содержащей ротор, статор с образованными с помощью дистанционных распорок радиальными вентиляционными каналами, открытыми в пространство между корпусом и спинкой статора и закрытыми со стороны зазора, с распорками в зубцовой части статора, имеющими U-образную форму и охватывающими подпазовые вентиляционные каналы, упомянутые закрытые со стороны зазора радиальные вентиляционные каналы чередуются в аксиальном направлении с дополнительно выполненными в статоре открытыми в зазор и в пространство между корпусом и спинкой статора радиальными вентиляционными каналами, подразделенными по исполнению дистанционных распорок на два типа, в каналах одного типа установлены дистанционные распорки, перекрывающие вход охлаждающего потока в подпазовые каналы по их периметру, а в каналах другого типа - со стороны пространства между корпусом и спинкой статора, причем совокупности каналов каждого типа образуют чередующиеся в аксиальном направлении вентиляционные зоны, на границах которых в зазоре установлены кольцевые разделительные перегородки, а в роторе выполнены вентиляционные каналы, каждый из которых сообщается с упомянутыми вентиляционными зонами.
Для обоих вариантов решения кольцевые разделительные перегородки скреплены с ротором или статором, а в дистанционных распорках, перекрывающих вход охлаждающего потока в подпазовые вентиляционные каналы со стороны пространства между корпусом и спинкой статора, могут быть выполнены перепускные отверстия или в спинке статора выполнены аксиальные отверстия.
Новизна заявляемой системы вентиляции электрической машины, по сравнению с прототипом, для обоих вариантов решения заключается в организации аксиального чередования вентиляционных зон повышенного и пониженного давления внутри сердечника статора с подключением в схему вентиляции аксиальных каналов статора и каналов ротора, сообщающихся с указанными вентиляционными зонами, и дополнительно для второго варианта - с чередованием закрытых со стороны зазора и открытых в зазор радиальных вентиляционных каналов.
Из уровня техники не выявлен признак, касающийся установки дистанционных распорок, в одних зонах перекрывающих вход охлаждающего потока в подпазовые вентиляционные каналы по их периметру, а в других зонах - со стороны пространства между корпусом и спинкой статора при открытых в зазор радиальных вентиляционных каналах статора. Также не выявлено сочетание известных из прототипа закрытых со стороны зазора радиальных вентиляционных каналов с дополнительно выполненными открытыми в зазор радиальными вентиляционными каналами. Признак, касающийся перепускных отверстий в дистанционных распорках, перекрывающих подпазовые каналы со стороны спинки, из уровня техники не выявлен. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого в качестве изобретения технического решения условию патентоспособности по изобретательскому уровню. Известные из уровня техники признаки «кольцевая разделительная перегородка в зазоре» и «аксиальное отверстие в спинке статора» в сочетании с новыми признаками повышают эффективность охлаждения, соответственно, ротора и спинки статора.
Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлен общий вид электрической машины, на фигурах 2 и 3 - поперечные сечения по соседним вентиляционным зонам, на фигуре 4 - вариант фигуры 3 с дистанционными распорками, на фигуре 5 - фрагмент варианта общего вида электрической машины, на фигуре 6 - поперечное сечение фигуры 5.
Система вентиляции электрической машины, например турбогенератора с воздушным охлаждением, состоит из статора с сердечником 1, с обмоткой 2, с нажимной плитой 3 и ротора 4 с обмоткой 5 (см. фиг.1). Сердечник 1 статора содержит радиальные вентиляционные каналы 6, открытые в пространство 7 между корпусом 8 и сердечником 1, а также в зазор 9, и подпазовые вентиляционные каналы 10. В аксиальном направлении сердечник 1 статора подразделен на чередующиеся вентиляционные зоны 11 и 12. В вентиляционных зонах 11 подпазовые каналы 10 охвачены по периметру дистанционными распорками 13. В вентиляционных зонах 12 установлены дистанционные распорки 14, перекрывающие подачу воздуха по радиальным вентиляционным каналам 6 в подпазовые каналы 10 со стороны пространства 7. В роторе 4 выполнены вентиляционные каналы 15, каждый из которых образован радиальными щелями в обмотке 5 ротора 4 и подпазовыми щелями в бочке ротора 4. Таким образом, каждый вентиляционный канал 15 открыт в соседние вентиляционные зоны 11 и 12. В зазоре 9 на границах вентиляционных зон 11 и 12 установлены кольцевые разделительные перегородки 16, которые могут быть закреплены как на роторе 4 (показано на фиг.1), так и на расточке сердечника 1 статора. Сечение по вентиляционной зоне 11 с распорками 13 показано на фигуре 2. Сечение по вентиляционной зоне 12 с распорками 14 показано на фигуре 3. В распорках 14 могут быть выполнены перепускные отверстия 17 для локального перепуска воздуха от спинки сердечника 1 в подпазовые каналы 10 статора. В вентиляционной зоне 12 могут быть размещены дистанционные распорки 18 (см. фиг.4), не перекрывающие вход в подпазовые каналы 10 в зоне 12. Как вариант локальной вентиляции спинки сердечника 1 - в спинке по всей длине статора могут быть выполнены аксиальные каналы 19. В вариантном решении системы вентиляции (см. фиг.5) закрытые со стороны зазора тангенциальными распорками 20 радиальные вентиляционные каналы 21 размещены с чередованием с открытыми вентиляционными каналами 6. В каналах 21 подпазовые вентиляционные каналы 10 охвачены U-образными дистанционными распорками 22, боковые образующие 23 (см. фиг.6) которых обращены в сторону зазора. Оптимальным размещением закрытых со стороны зазора радиальных вентиляционных каналов 21 является чередование их с каждым радиальным вентиляционным каналом 6 в каждой вентиляционной зоне 11 и 12.
Вентиляция электрической машины по первому варианту решения осуществляется следующим образом. Охлаждающий воздух (на чертежах движение воздуха обозначено стрелками) поступает из пространства 7 в радиальные каналы 6. В вентиляционных зонах 11 он проходит через спинку сердечника 1 статора, затем, минуя закрытые распорками 13 подпазовые каналы 10, по зубцовой части сердечника 1 статора с обмоткой 2 и выходит в зазор 9. Из зазора 9 он попадает в вентиляционные каналы 15 ротора 4, охлаждает активные части ротора и выходит в зазор 9 вентиляционной зоны 12. Далее воздух через зубцовую часть сердечника 1 выходит в подпазовые каналы 10 статора и, охлаждая торцевую часть статора (крайние пакеты сердечника 1, нажимную плиту 3, лобовые части обмотки 2 статора), направляется к вентилятору. Частичный перепуск воздуха из зоны 11 в зону 12 осуществляется через зазор (позицией не обозначен) между разделительными перегородками 16 и расточкой сердечника 1 статора. Охлаждающий воздух, поступающий из пространства 7 в радиальные каналы 6 вентиляционной зоны 12, проходит через спинку сердечника 1 статора и через перепускные отверстия 17 в дистанционных распорках 14 выходит в подпазовый канал 10 и далее в торцевую часть статора. Возможно исполнение, когда воздух проходит через спинку сердечника 1 и по аксиальным каналам 19 выходит в торцевую часть статора.
По второму варианту решения вентиляция электрической машины по открытым в зазор 9 радиальным каналам 6 осуществляется так же, как в первом варианте решения. Вентиляция по закрытым в сторону зазора радиальным каналам 21 осуществляется следующим образом. Воздух, поступающий в каналы 21 из пространства 7, проходит через спинку сердечника в зубцовую часть, огибает боковые образующие 23 U-образных распорок 22 и выходит в подпазовые каналы 10.
Введение закрытых со стороны зазора вентиляционных каналов 21 в зоны 11 и 12 позволяет отвести часть тепла, выделяющегося в сердечнике статора, обмотке, на поверхности ротора и в зазоре. Таким образом, обеспечивается снижение температуры обмотки статора в зонах 12 на 20-25°С и снижение температуры обмотки ротора примерно на 10°С.
Предлагаемая система вентиляции позволяет обеспечить интенсивное охлаждение всех активных частей электрической машины большой мощности, получить более равномерное распределение температуры по длине статора и ротора. Перепад давления воздуха между зонами 11 и 12 создается установленными на роторе вентиляторами. Это позволяет путем подбора вентиляторов обеспечить оптимальную величину перепада давления и эффективно вентилировать ротор большой длины, характерный для мощных турбогенераторов. Решение отличается конструктивной простотой и технологичностью.
Источники информации
1. Патент US 3265912, фирма Westinghouse, H02K 3/24б, Н02К 9/00, приоритет от 15.06.64, опубл. 09.08.66.
2. Патент JP 62236340, фирма Hitachi, H02K 1/20, приоритет от 07.04.86, опубл. 16.10.87.
3. Патент RU 2246786, фирма Ленинградский электромашиностроительный завод, Н02К 9/08, приоритет от 09.07.2003, опубл. 20.02.2005.