ТУРБОГЕНЕРАТОР С ГАЗОЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ РОТОРА Российский патент 1997 года по МПК H02K9/197 H02K9/20 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в турбогенераторах (ТГ).

Прототипом предлагаемой конструкции является ТГ с испарительным охлаждением ротора, содержащий теплоотводящие каналы в роторе, неподвижные трубы для подвода охлаждающей жидкости к нему и разделительный цилиндр между статором и ротором, по крайней мере одна из неподвижных подводящих жидкость труб установлена на разделительном цилиндре таким образом, что ее выходное отверстие для жидкости расположено в зазоре между ротором и разделительным цилиндром, а на цилиндре в торцевых зонах ротора против каждого из бандажей установлены кольцевые выступы-порожки (авт. свид. СССР N 1436199, кл.H 02 K 9/20, БИ N 41, 1988 г.).

Высокая технико-экономическая эффективность, высокий КПД этого ТГ достигается за счет уменьшения потери мощности на циркуляцию испаряющейся охлаждающей жидкости, подводимой к каналам ротора и закручиваемой в них до высокой скорости.

Основным недостатком конструкции является трудность обеспечения уплотнения вала от утечек наружу легкой (паровой) фазы охлаждающей среды, а также относительная сложность конструкции конденсатора и его эксплуатации в части предотвращения присосов воздуха.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности работы ТГ.

Эта задача достигается тем, что в ТГ с газожидкостным охлаждением ротора, содержащем статор, ротор с теплоотводящими каналами, торцевые (подшипниковые) щиты корпуса, разделительный цилиндр между ротором и статором и неподвижные трубы для подвода жидкой фазы охлаждающей среды к ротору, в разделительном цилиндре вдоль всей его длины выполнено не менее одного паза, в котором установлено не менее одной подводящей жидкую фазу подвижной трубы с сообщающимися с ней ответвлениями, в количестве не менее одного, на концах которых, расположенных в зазоре между ротором и разделительным цилиндром, установлены сменные приспособления для распыливания жидкой фазы, например форсунки, причем подвижная труба с ответвлениями может свободно перемещаться в аксиальном направлении вдоль всей длины паза, к тому же подвижная труба может вращаться вокруг своей продольной оси, изменяя угол расположения ответвлений по отношению к вертикальной оси ротора. Между торцевыми щитами корпуса и ротором выполнены сборные кольцевые камеры жидкой фазы, каждая из которых образована двумя соосными по отношению к оси ротора трубами, соединенными на торцах кольцевым диском таким образом, что одна труба является продолжением другой, а диаметр трубы, расположенной ближе к ротору, больше его наружного диаметра, но меньше внутреннего диаметра разделительного цилиндра, диаметр трубы, расположенной ближе к торцевому щиту, меньше диаметра предыдущей, причем ее торец, противоположный диску, вплотную прилегает к торцевому щиту, в дополнение к этому в торцевых щитах между трубами меньшего диаметра и разделительным цилиндром в нижней части выполнены сливные патрубки жидкой фазы.

На фиг. 1 изображен продольный разрез турбогенератора с газожидкостным охлаждением ротора; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1.

Турбогенератор содержит торцевые щиты 1, ротор 2 с осевыми и радиальными каналами 3, статор 4, разделительный цилиндр 5 между ротором и статором, установленный коаксиально с ними и образующий с ротором зазор 6, неподвижные трубы 7 для подвода части охлаждающей жидкой фазы к каналам 3, подвижные трубы 8 в количестве не менее одной с сообщающимися с ними ответвлениями 9 в количестве не менее одного, расположенными в зазоре, на концах которых установлены сменные приспособления для распыливания жидкой фазы в зазор 10, например, форсунки; подвижные трубки 8 установлены по крайней мере в одном пазу 11, выполненном в разделительном цилиндре, причем, подвижные трубы с ответвлениями могут свободно перемещаться в аксиальном направлении вдоль всей длины паза разделительного цилиндра и вращаться (поворачиваться) вокруг продольной оси подвижной трубы таким образом, что изменяется угол расположения сообщающихся ответвлений по отношению к вертикальной оси ротора α сборные кольцевые камеры жидкой фазы 12, расположенные между торцевыми щитами и ротором, каждая из которых образована двумя соосными по отношению к оси ротора трубами 13 и 14, соединенными на торцах кольцевым диском 15 таким образом, что одна труба является продолжением другой, диаметр трубы 13 больше наружного диаметра ротора, но меньше внутреннего диаметра разделительного цилиндра 5, диаметр трубы 14 меньше диаметра трубы 13, причем ее торец, противоположный диску 15, вплотную прилегает к торцевому щиту 1, сливные патрубки жидкой фазы 16.

Система газожидкостного охлаждения ротора ТГ работает следующим образом.

Часть жидкой фазы (от суммарного количества, поступающего из теплообменника) подводится посредством неподвижных труб 7 к осевым и радиальным каналам 3 ротора 2, часть жидкой фазы подается по подвижным трубам 8 и сообщающимися с ними ответвлениями 9 к сменным приспособлениям 10, в которых распыливается непосредственно в зазоре 6. В осевых и радиальных каналах 3 газожидкостная среда, образованная подводимой жидкой фазой и газообразной, например азотом, воздухом и т.п. присутствующей в свободном пространстве, нагревается, охлаждая активные элементы ротора в результате высокоинтенсивных процессов тепломассообмена, частицы жидкости при этом укрупняются, оседают на стенках каналов, выносятся из ротора и собираются в сборных камерах.

В зазоре имеют место весьма интенсивные процессы тепломассопереноса во вращающемся газожидкостном потоке с одной стороны от вводимых холодных частиц жидкой фазы к нагретой газожидкостной среде и с другой от нагретой поверхности ротора, бандажных колец к движущейся к торцам ротора пленке жидкости на внутренней поверхности разделительного цилиндра через вращающийся газожидкостный поток в результате турбулентных пульсаций, усиливаемых центробежными силами.

Введение во вращающийся поток из распыливающих устройств тонко диспергированной жидкости обеспечивает в нем постоянную нужную концентрацию жидкой фазы, величина которой увеличивается от значения, близкого к нулю у поверхности ротора (бандажных колец) до единицы у поверхности разделительного цилиндра.

Градиент концентрации жидкости в зазоре существенно зависит от угла наклона распыливающих устройств к окружной скорости вращающегося потока и т.п.

Образующаяся пленка жидкости на внутренней поверхности разделительного цилиндра, движется, как упоминалось выше, к торцам ротора и далее в сборные камеры, откуда жидкость выводится через сливные патрубки наружу в теплообменник.

Жидкость, скапливающаяся в торцевых зонах ротора, также под действием центробежных сил отбрасывается на периферию к разделительному цилиндру и далее к сборным камерам. Сборные камеры, к тому же, предотвращают, уменьшают вредную рециркуляцию нагретых капель жидкости из зазора к аксиальным каналам ротора.

Выше рассмотрен вариант конструкции ТГ с газожидкостным охлаждением без процессов фазового превращения жидкой фазы. В качестве жидкой фазы могут быть использованы не испаряющиеся или слабо испаряющиеся жидкости, например, турбинные масла Т-750, Т_п-22, Т_п-30, а также негорючие диэлектрические кремнийорганические теплоносители олигометилсилоксаны ФМ-5, ФМ-6, ФМ-5, 6АП; ПФМС-4 и др. (Олигоорганосилоксаны. Свойства, получение, применение. Под редакцией М.В. Соболевского. М. Химия, 1985 г. с. 264). Может использоваться при определенных условиях также и вода при температуре меньше температуры насыщения.

В качестве газообразной фазы могут быть использованы такие газы, как например, азот, воздух и т.п.

При этом варианте вся охлажденная масса жидкости, поступающей в ТГ, практически полностью выводится обратно в виде нагретой жидкости из ТГ.

При этой конструкции ТГ в качестве жидкой фазы газожидкостной среды могут быть использованы и легко испаряющиеся жидкости, например, фреон, вода; при этом газообразной фазой среды будут пары жидкой фазы. То есть ТГ будет иметь испарительную систему охлаждения. При этом вся жидкая фаза, подводимая в ТГ, практически будет отводиться обратно в виде пара и направляться в конденсатор для конденсации.

Конструктивная возможность аксиального перемещения подвижных труб с ответвлениями вдоль всей длины пазов в разделительном цилиндре предусмотрена для их выемки из ТГ для замены, очистки засорившихся распыливающих приспособлений.

Предлагаемый турбогенератор более прост по конструкции и надежен в эксплуатации. Это достигается использованием вместо конденсатора теплообменника типа жидкость-жидкость, более простого в конструктивном отношении, меньшего по размерам, металлоемкости и более надежного в эксплуатации из-за отсутствия необходимости вакуумирования, предотвращения присосов воздуха, инертных газов.

Уплотнение вращающегося вала от утечки в атмосферу экологически вредных паров хладагентов (фреонов и т. п. ) в конструкциях аналогов несравненно сложнее уплотнения от инертных экологически безвредных газов в предлагаемом ТГ.

Использование: электромашиностроение, в частности, турбогенераторы. Сущность изобретения: турбогенератор содержит статор 4, ротор 2 с теплоотводящими каналами, торцевые щиты 1, разделительный цилиндр 5 между ротором и статором, подпружиненные трубы 7 для подвода части охлаждающей жидкости к каналам 3, подвижные трубы 8 с сообщающимися с ними ответвлениями 9, расположенными в зазоре, на концах которых установлены форсунки 10. Подвижные трубки 8 установлены по крайней мере в одном пазу 11, выполненном в разделительном цилиндре, причем, подвижные трубы 8 с ответвлениями 9 могут свободно перемещаться в аксиальном направлении вдоль всей длины паза и вращаться вокруг своей продольной оси так, что изменяется угол расположения сообщающихся ответвлений по отношению к вертикальной оси ротора. Сборные кольцевые камеры жидкой фазы 12 расположены между торцевыми щитами и ротором, каждая из которых образована двумя соосными по отношению к оси ротора трубами 13 и 14, соединенными на торцах кольцевым диском 15 таким образом, что труба является продолжением другой, диаметр трубы 13 больше наружного диаметра ротора, но меньше внутреннего диаметра разделительного цилиндра, диаметр трубы 14 меньше диаметра трубы 13, причем ее торец, противоположный диску 15, вплотную прилагает к торцевому щиту, а в торцевых щитах между трубами меньшего диаметра и разделительным цилиндром 5 в нижней части выполнены сливные патрубки жидкой фазы 16. Предложенная конструкция позволяет повысить надежность работы и упростить конструкцию турбогенератора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Турбогенератор с газожидкостным охлаждением ротора, содержащий статор, ротор с теплоотводящими каналами, торцевые щиты корпуса, разделительный цилиндр между ротором и статором и неподвижные трубы для подвода жидкой фазы охлаждающей среды к ротору, отличающийся тем, что в разделительном цилиндре вдоль всей его длины выполнено не менее одного паза, в котором установлено не менее одной подводящей жидкую фазу подвижной трубы с сообщающимися с ней ответвлениями в количестве не менее одного, на концах которых, расположенных в зазоре между ротором и разделительным цилиндром, установлены сменные приспособления для распыливания жидкой фазы, например форсунки, причем подвижная труба с ответвлениями может свободно перемещаться в аксиальном направлении вдоль всей длины паза, к тому же подвижная труба может вращаться вокруг своей продольной оси, изменяя угол расположения ответвлений по отношению к вертикальной оси ротора. 2. Турбогенератор по п.1, отличающийся тем, что между торцевыми щитами корпуса и ротором выполнены сборные кольцевые камеры жидкой фазы, каждая из которых образована двумя соосными с осью ротора трубами, соединенными на торцах кольцевым диском так, что одна труба является продолжением другой, а диаметр трубы, расположенной ближе к ротору, больше его наружного диаметра, но меньше внутреннего диаметра разделительного цилиндра, диаметр трубы, расположенной ближе к торцевому щиту корпуса, меньше диаметра предыдущей, причем ее торец, противоположный диску, вплотную прилегают к торцевому щиту корпуса, в дополнение к этому в торцевых щитах корпуса между трубами меньшего диаметра и разделительным цилиндром в нижней части выполнены сливные патрубки жидкой фазы.