РОТОР НЕЯВНОПОЛЮСНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 1996 года по МПК H02K3/24 H02K9/19 

Изобретение относится к электрическим машинам переменного тока и, в частности, к роторам синхронных машин неявнополюсной конструкции высокооборотных турбогенераторов и двигателей, а также в роторах асинхронных и асинхронизированных электрических машин.

Известна конструкция ротора синхронного турбогенератора, содержащая вал с подшипниковыми шейками, магнитопровод, выполненный за одно целое с валом и состоящий из ярма и зубцовой зоны, в пазы которой уложена концентричная обмотка возбуждения из изолированных проводников в собственной и корпусной изоляции, которые закреплены в радиальных пазах немагнитными клиньями, например с высокой электропроводностью (дюралюминиевые или медные, или бронзовые), которые замыкаются по концам бочки ротора внутренней поверхностью бандажных колец, покрытых низкоомной серебряной полудой, причем клинья радиальных пазов ротора по всей длине контактируют электрически с массивом бочки ротора и используются в специальных пазах больших зубцов как стержни демпферной обмотки. Обмотка возбуждения выполнена из полых проводников, в отверстиях которых циркулирует охлаждающая жидкость. Лобовые части катушек обмотки возбуждения удерживаются бандажными кольцами, представляющими собой цилиндры из высокопрочного немагнитного материала: титана или стали. Для подвода охлаждающей жидкости используются приемники жидкости, устанавливаемые с одной или двух сторон для длинных роторов. Рассмотренная конструкция ротора с непосредственным водяным охлаждением описана в источниках [1,2]
Недостатки рассмотренной конструкции ротора следующие.

Наличие больших зубцов и зон с малыми зубцами, между которыми расположены проводники обмотки возбуждения, охлаждаемые непосредственно, создает зоны с различным нагревом в радиально-тангенциальном направлении, что приводит к возникновению радиально-тангенциального термического небаланса и повышению вибраций с двойной оборотной частотой для двухполюсной конструкции или в общем случае с частотой 2р (полюсной).

Размещение в зоне большого зубца стержней демпферной обмотки усиливает явление радиально-тангенциального термического небаланса, так как при наличии стержней в больших зубцах увеличиваются местные нагревы от потерь в них, а также добавочные потери от электрических токов перетока в контактной зоне стержень-бочка ротора под действием разности потенциалов, индуктируемой в бочке ротора и стержнях из-за их различного электрического сопротивления. Последние потери вызывают подгары на контактных поверхностях стержень-бочка ротора, что снижает надежность ротора и электрической машины в целом. Кроме того, снижается реальный КПД, что приводит к недовыработке энергии и перерасходу топлива.

Непосредственное контактирование бандажных колец с бочкой ротора и клиньев пазов, причем в этом случае бандажные кольца выполняют функцию короткозамыкающих колец демпферной системы ротора, при лужении их поверхности контакта создают из-за центробежных сил повышенное контактное сопротивление, что приводит к высоким местным перегревам, особенно в несимметричных и асинхронных режимах. Кроме того, из-за повышенного контактного сопротивления между стержнями и бандажными кольцами, а также из-за более высокого сопротивления самих бандажных колец, которые одновременно выполняют функцию и короткозамыкающих колец демпферной системы, создаются перенапряжения в обмотке возбуждения при коротких замыканиях и асинхронных и несимметричных режимах, что требует увеличения толщины электрической изоляции обработки возбуждения, а это снижает использование электрической машины, увеличивает ее массу даже при непосредственном водяном охлаждении обмотки возбуждения и снижает ее КПД.

Непосредственное контактирование клиньев паза и бочки ротора приводит к увеличению добавочных потерь от электрических токов, перетекающих через зону контакта между бочкой ротора и клиньями под действием разности потенциалов, индуктируемых в контурах различных активных электрических сопротивлений: бочка ротора 0-200 мкОм, клин 3,2 мкмОмсм, а это снижает КПД электрической машины и ее энерговыработку, а также снижает термическую стойкость ротора, особенно в переходных, асинхронных и несимметричных режимах.

Клинья пазов обычно для длинных роторов изготавливаются составными и из дюралюминия, который имеет способность покрываться окисной пленкой, которая имеет большее электрическое сопротивление, чем основной металл, что приводит к увеличению активных потерь в клиньях, выполняющих функцию демпферной обмотки при протекании по ним продольных токов, а это создает подгары между торцами клиньев, особенно в переходных, несимметричных и асинхронных режимах, что снижает надежность ротора и всей электрической машины и уменьшает электроэнерговыработку за счет снижения реального КПД.

Непосредственное охлаждение обмотки водой по полым проводникам даже при высокой степени очистки дистиллята, высоких тепловых нагрузках ротора приводит к образованию закисной пленки меди, которая со временем ухудшает теплоотдачу между каналом и дистиллятом, что повышает температуру обмотки возбуждения, ее сопротивления и потери в ней. Кроме того, непосредственное дистиллятное охлаждение требует материалоемкой системы водоподготовки и высоких эксплуатационных издержек.

Непосредственное охлаждение обмотки возбуждения дистиллятом и охлаждение бочки ротора и клиньев газом в зазоре создают различный уровень температурного потенциала зубцов и обмотки, что сказывается на взаимных термических перемещениях системы тел: обмотка, клинья, бочка ротора, что создает дополнительные к механическим перемещениям термические деформации, а так как эти тела взаимосвязаны, то возможен повышенный износ изоляции обмотки возбуждения от взаимных термомеханических перемещений, а это снижает ресурс ротора.

При непосредственном дистиллятном охлаждении обмотки возбуждения, особенно при односторонней его подаче, в роторе образуется аксиальный перепад температуры, создающий различное термическое расширение бочки ротора в радиальном направлении и, как следствие, уменьшение воздушного зазора: меньший воздушный зазор под статором со стороны выхода более нагретого дистиллята и больший зазор со стороны входа холодного дистиллята, это проявляется в различии магнитных тяжений по обоим концам ротора и появлению пульсирующего с полюсной частотой продольного момента, что ухудшает вибрационное состояние ротора и, как следствие, надежность работы электрической машины.

Наличие обмотанной и необмотанной с большим зубцом зон создает различные тангенциальные термические потенциалы, что создает различные радиальные термические расширения и, как следствие, различные под необмотанной и обмотанными зонами радиальные воздушные зазоры, что ухудшает вибрационное состояние ротора от радиального термического небаланса.

Ротор с непосредственным водяным охлаждением обмотки возбуждения и демпферной обмоткой с равномерно распределенными стержнями-клиньями по окружности бочки является прототипом предлагаемого изобретения.

Целью изобретения является снижение термического небаланса ротора путем выравнивания аксиальной и радиальной составляющих нагрева ротора за счет применения косвенного охлаждения обмотки возбуждения и равномерно расположенной по окружности бочки ротора демпферной обмотки, охлаждаемых жидкостью, например дистиллятом, конденсатом; снижение аксиального термического небаланса путем выравнивания температуры демпферной и возбуждения обмоток за счет двухсторонней подачи жидкого хладагента и его циркуляции по контуру на полудлине бочки ротора; снижение аксиального термического небаланса ротора путем выравнивания температуры бочки ротора двухсторонней подачей жидкого хладагента в демпферную и возбуждения обмотки встречными потока с входом и выходом на противоположных концах ротора и при гидравлических каналах прямого и обратного потоков, чередующихся через один; уменьшение радиально-тангенциального термического небаланса ротора путем равномерного расположения по окружности бочки пазов с обмоткой возбуждения, заклиниваемых стержнями демпферной обмотки при этом демпферная и возбуждения обмотки охлаждаются жидким хладагентом; уменьшение потерь от перетоков между демпферной обмоткой и бочкой ротора путем изоляции клиньев демпферных стержней диэлектриком, а демпферных колец-изолировкой от бандажей и бочки ротора диэлектриком в виде колец, втулок и шайб; снижение температуры и повышение надежности узла сопряжения бочки ротора с бандажными кольцами путем использования демпферных колец в качестве камер подачи и слива жидкого хладагента и путем изготовления демпферных колец из материала стержней-клиньев, что повышает надежность обмотки возбуждения в переходных, несимметричных и асинхронных режимах за счет уменьшения перенапряжений из-за разницы суммарных сопротивлений по продольной и поперечной осям; повышение эффективности демпфирования полей в переходных, несимметричных и асинхронных режимах путем уменьшения продольного активного сопротивления стержней-клиньев за счет улучшения контакта между торцами составных частей клиньев установкой луженых торцовых контактных пластин и электропроводящих втулок.

На фиг. 1 представлен ротор, продольный разрез; на фиг.2 и 3 разрез Д-Д на фиг.1 в двух вариантах исполнения; на фиг.4 полувиток в разрезе; на фиг.5 разрез А-А на фиг.1; на фиг.6 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.7 разрез В-В на фиг. 1; на фиг.8 разрез Г-Г на фиг.1; на фиг.9-11 представлены три варианта соединения гидравлических каналов.

Ротор 1 быстроходной синхронной электрической машины содержит вал 2, выполненный за одно целое с магнитопроводом 3, состоящим из ярма 4 и зубцовой зоны 5 с большими зубцами 6 и малыми зубцами 7, образованными пазами 8, в которые уложены проводники 9 обмотки 10 возбуждения, состоящими из прямоугольных проводников 11 в собственной изоляции 12 и изолированных от корпуса диэлектриком 13 и прокладками 14 и 15. Проводники 11 расположены в столбики и таким образом, что между ними размещен плоский элемент 16, состоящий из массива 17 и гидравлических каналов 18 и 19, образованных трубчатыми элементами 20, причем гидравлический канал 18 (с точкой) пропускает жидкость в прямом направлении, а гидравлический канал 19 (с крестиком) пропускает жидкость в противоположном направлении. Плоский элемент 16 проходит по всей длине полувитка и на концах имеет наконечники 21 и 22, которые имеют напорные 23 и сливные 24 камеры и штуцеры напора 25 и слива 26, к которым подсоединены трубки 27, присоединяемые к коллекторам 28 и 29, напорному и сливному, расположенным, например, либо с одной стороны для машин небольшой и средней мощности или с двух сторон для машин большой мощности. Лобовые части 30 обмотки 10 возбуждения удерживаются с помощью бандажных колец 31, насаженных на вал 2 и опирающихся на бочку ротора 1 через диэлектрические кольца 32. Обмотка 10 возбуждения в пазу крепится с помощью клиньев 33, изготовленных из прочного материала с высокой электропроводностью, например Д 16 Т, латуни или меди, и содержащего массив 34, гидравлический канал 35 (один или два), в который вставлен трубчатый элемент 36 из коррозионностойкого материала (нержавеющей стали). С обоих торцов 27 каждая часть клина 33 имеет накладку 38 из луженого низкоомного материала (меди), прикрепленную к массиву 34, например, методом взрыва, а по периметру, соприкасающемуся с обмоткой и шлицом зубца, клин 33 имеет диэлектрическую опрессовку 39, например из пресс-материала АГ-4. С обоих торцов 37 концентрично трубчатому элементу 36 выполнены глухие отверстия 40, в которые вставляются в процессе сборки луженые медные втулки 41, образующие герметичный гидравлический канал. В качестве герметика может быть использован фосфористый жидкотекучий припой 42, заливаемый в отверстие 43 и затекающий в кольцевую канавку 44. Концевые клинья 33А соединяются с демпферными кольцами 45 паяным швом 46. Гидравлический канал обеспечивается втулками 47 и 48, вставляемыми одним концом в клинья 33А, а другим концом в демпферное кольцо 45, причем демпферное кольцо имеет сливную и напорную камеры 49 и 50, к каждой из которых присоединяются подводящие трубки 51 и 52. Втулки 47 и 48 герметизируются в клиньях 33А и демпферном кольце припоем 42 через отверстия 43 и канавки 44. Демпферные кольца 45 для удержания от центробежных сил имеют элементы 53 крепления, которые с помощью болтов 54, изолированных от демпферных колец 45 шайбами 55 и втулками 57, крепятся к бочке ротора 1. Между элементом 53 крепления и ротором 1 установлены диэлектрические прокладки 58.

Устройство по фиг.1 работает следующим образом.

Охлаждающая жидкость по напорному коллектору 28 и напорным трубкам 51 и 2, проходящим в пазах 59 вала 2, поступает в охладители обмотки возбуждения 10 и демпферной обмотки 45 через напорную камеру 50 и, проходя в прямом направлении, отводит тепловые потери, возникающие в активной зоне. Тепловой поток от витков обмотки 10 возбуждения через собственную изоляцию 12 и массив 17 плоского элемента и через стенку трубчатого элемента 20 проходит к жидкости. Тепловой поток в клиньях-стержнях 33 через стенку трубчатого элемента 36 попадает в охлаждающую жидкость.

Пройдя по прямому контуру плоского охладителя 16, жидкость по перемычке 60 попадает в обратный контур и по каналу 19 проходит в сливную камеру 24 и через подводящую трубку 27 попадает в сливной коллектор 29. Из прямого контура демпферной обмотки 33 жидкость по перемычке 61 поступает в обратный контур (отверстие канала с крестиком) и через сливную камеру 49 демпферного кольца 45 и по отводящей трубке 52 проходит в сливной коллектор 29. Выравнивание температуры обмотки 10 возбуждения по высоте плоского элемента 16 происходит на участке между гидравлическими каналами 18 и 19 прямого и обратного контуров через стенки трубчатых охладителей 20 и массив 17, причем массив 17 может быть изготовлен как из материала с высокой теплопроводностью, например алюминия, так и из диэлектрика, например пресс-материала АГ-4 или полиимида, фторопласта.

Изобретение имеет следующие преимущества.

Косвенное охлаждение обмотки возбуждения позволяет уменьшить потери на возбуждение за счет лучшего коэффициента заполнения паза, например для турбогенератора с водяным непосредственным охлаждением мощностью 2 МВт при непосредственном охлаждении коэффициент заполнения составляет 0,7, а при косвенном охлаждении 0,82, что в 1,17 раза уменьшает плотность тока, в 1,37 раза основные потери на возбуждение и нагрев. Кроме того, применение косвенного охлаждения позволяет обеспечить лучший выбор проводников обмотки возбуждения из-за меньшей дискретности их сортамента, а также уменьшить добавочные потери на возбуждение благодаря уменьшению высоты проводника.

Косвенное охлаждение обмотки возбуждения с помощью плоских элементов с чередованием охладительных трактов через один по высоте паза и со встречным потоком жидкого хладагента позволяет выровнять температуру обмотки по длине и высоте в одном пазу и этим устранить влияние неравномерности аксиально-радиального нагрева, что позволяет уменьшить влияние термического небаланса на вибрационное состояние ротора и этим повысить надежность работы электрической машины.

Применение косвенного охлаждения обмотки возбуждения с помощью плоских элементов при двухсторонней подачей охлаждающей жидкости и сквозном проходе хладагента по прямому и обратному контурам по длине полувитка позволяет уменьшить температуру обмотки возбуждения или при той же температуре повысить токовую нагрузку на 7-10% что позволяет повысить номинальную мощность электрической машины практически пропорционально на 7-10% а это повышает ее энерговыработку.

Применение косвенного жидкостного охлаждения обмотки возбуждения с помощью плоских элементов с прямым и обратным контурами на половине полувитка и подачей хладагента с двух сторон позволяет уменьшить температуру обмотки возбуждения на 15-20% и этим снизить потери и мощность возбуждения или при той же температуре повысить мощность электрической машины на 15-20% что повышает электроэнерговыработку электрической машины.

Применение продольно-поперечной демпферной обмотки с равномерным распределением стержней-клиньев по окружности бочки ротора и их непосредственным жидкостным охлаждением с помощью нержавеющих трубчатых элементов, встроенных в клинья-стержни, позволяет практически исключить термический небаланс ротора за счет равномерного охлаждения его поверхности.

Применение демпферных колец, изготовленных из материала с высокой электропроводностью, позволяет повысить термическую стойкость демпферной системы в несимметричных, асинхронных и переходных режимах.

Применение демпферной системы, электрически изолированной от бочки ротора, позволяет уменьшить потери от разнопотенциального перетока электрических зарядов через контактные поверхности клин-стержень-бочка ротора и бандаж-клин-стержень, бандаж-демпферное кольцо, и этим избежать местных перегревов, особенно в несимметричных, переходных и асинхронных режимах, исключив этим подгары контактных поверхностей, что повышает надежность ротора.

Вариант предусматривает ротор с равномерно размещенными по его окружности пазами с уложенной в них обмоткой возбуждения, исключает радиально-тангенцальный термический небаланс ротора.

Применение гидравлического контура демпферной обмотки с прямым и обратным течением жидкости в пределах ширины одного клина с длиной гидравлической цепи, равной удвоенной длине бочки, позволяет осуществить одностороннюю подачу жидкого хладагента через напорную и сливную камеры демпферного кольца и обеспечить равномерную температуру поверхности бочки ротора.

Применение при двухсторонней подаче жидкости прямого и встречного течения жидкого хладагента по сквозным ее проходам по длине бочки ротора при размещении гидравлических контуров, прямого и обратного по ширине одного клина позволяет повысить пропускную способность гидравлического тракта и обеспечить повышение мощности электрической машины.

Применение при двухсторонней подаче жидкого хладагента прямого и обратного контуров, замыкающихся на полудлине бочки ротора, позволяет повысить мощность электрической машины при снижении температуры поверхности бочки ротора.

Применение косвенного водяного охлаждения обмотки возбуждения и непосредственного водяного охлаждения демпферной обмотки с использованием трубчатых охладителей из коррозионностойких материалов позволяет использовать при достаточном уровне электрической изоляции охладителей обмотки возбуждения от проводников и бочки ротора и демпферной обмотки от бочки ротора, позволяет использовать для охлаждения техническую воду, что упрощает систему водоподготовки, оставляя в ней только фильтры механической и химической очистки и магнитный сепаратор, что снижает стоимость, трудоемкость системы водоподготовки и уменьшает эксплуатационные издержки.

Применение косвенного охлаждения обмотки возбуждения в сочетании с непосредственным жидкостным охлаждением демпферной обмотки при обеспечении теплоотвода на одном зубцовом делении и равномерности теплоотвода по зубцовым делениям позволяет повысить мощность электрической машины, например турбогенератора в двухполюсном исполнении, до 2,5-3 ГВт при уменьшении уровней шумов и вибраций и при повышении надежности эксплуатации.

Изобретение может быть использовано в высокоскоростных электрических машинах: синхронных генераторах и двигателях, а также в асинхронных и асинхронизированных электрических машинах.

Использование: ротор электрической машины с водным охлаждением. Сущность изобретения: в каждом пазу между проводниками размещен плоский охладительный элемент, в массиве которого расположены один над другим трубчатые элементы с противоположно направленными в каналах потоками охлаждающей воды. 2 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. РОТОР НЕЯВНОПОЛЮСНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ с полным водяным охлаждением, состоящий из вала с подшипниковыми шейками и пазами и магнитопровода, имеющего ярмо и зубцовую зону, в пазы которой уложена концентрическая обмотка возбуждения, проводники которой закреплены высокоэлектропроводящими клиньями в пазах указанной зоны и которые с указанными клиньями замкнуты по торцам магнитопровода демпферными кольцами, образуя вместе продольно-поперечный демпфирующий контур, а лобовые части обмотки возбуждения закреплены бандажами, причем в пазах вала закреплены трубопроводы для подачи охлаждающей воды от напорных к сливным камерам, отличающийся тем, что пазы с проводниками обмотки возбуждения равномерно распределены по окружности магнитопровода ротора и в каждом пазу между проводниками размещен плоский охладительный элемент, состоящий из массива, изготовленного из алюминиевого сплава, и трубчатых элементов из коррозионно-стойкого металла, расположенных один над другим, включенных гидравлически при противоположно направленных потоках охлаждающей воды в соседних из них. 2. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что стержни-клинья демпферной обмотки выполнены с гидравлическими каналами, образованными трубчатыми элементами из коррозионно-стойкого металла, причем стыки между соседними отрезками упомянутых стержней герметизированы лужеными втулками, расположенными в отверстиях, концентричных гидравлическим каналам, и залитыми через радиальные отверстия в стержнях-клиньях жидкотекучим припоем, при этом гидравлические каналы стержней-клиньев соединены с соответствующими напорной и сливной камерами, выполненными в демпферных кольцах, к каждой из которой подключены соответственно напорные и сливные трубопроводы, образующие гидравлические контуры демпферной системы с циркуляцией охлаждающей воды. 3. Ротор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что клинья-стержни изолированы от магнитопровода ротора термостойким диэлектриком, а демпферные кольца изолированы от бандажей лобовых частей обмотки возбуждения диэлектрическими кольцами из термостойкого диэлектрика, а от магнитопровода ротора - диэлектрическими элементами.