ОСЕВОЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2002 года по МПК H02K9/197 H02K9/12 H02K9/19 

Изобретение относится к осевому генератору, содержащему корпус, состоящий из полусферы и примыкающего к ней кольца, тело статора, охватываемое кольцом корпуса и удерживаемое в нем, причем тело статора состоит из шихтованных внахлест листовых сегментов и посредством проходящих в осевом направлении планок через распорные элементы закреплено на омываемом рабочей водой кольце корпуса, а также из множества расположенных на расстоянии друг от друга отдельных листовых пакетов, и через промежутки между отдельными листовыми пакетами в пространство между телом статора и кольцом корпуса радиально наружу направляют охлаждающий воздух, а оттуда к охладителям в полусфере.

При этом изобретение исходит из осевого генератора, известного, например, из европейского патента ЕP-0413708 В1.

Технологическая основа и уровень техники
У осевых генераторов малой и средней мощности, называемых также осевые турбогенераторы, тело статора, состоящее из шихтованных внахлест листовых сегментов, по конструктивным соображениям крепят непосредственно на омываемом рабочей водой кольце корпусе. Для того, чтобы увеличить теплоотвод от тела статора через кольцо корпуса к рабочей воде, в упомянутом выше патенте в конструктивно и технологически обусловленный зазор между телом статора и кольцом корпуса помещают упруго деформирующийся материал с хорошей теплопроводностью.

У осевых генераторов повышенной мощности, диаметр кольца корпуса которых составляет 8 м и более, вследствие усадки корпуса за счет холодной проточной воды и из-за расширения тела статора в результате нагревания при работе машины в корпусе возникают механические напряжения, которые не могут быть устранены только одним упруго деформирующимся материалом. К этому добавляются магнитные силы, которые отрицательно влияют на круглость тела статора. Поэтому при создании больших осевых генераторов конструкторы перешли к расположению тела статора на расстоянии от внутренней стенки кольца корпуса и к пропусканию через образовавшийся зазор охлаждающего средства в замкнутом контуре. В литературе устройства такого типа называются поверхностные охладители или щелевые охладители. При этом соответствующие воздушно-водяные или водо-водяные охладители находятся в полусфере осевого генератора. В то же время как у охлаждающих устройств с воздухом в качестве охлаждающего средства никаких особых проблем не возникает, при водяном охлаждении омываемый охлаждающей водой зазор должен быть герметизирован от тела статора.

Краткое изложение изобретения
В основе изобретения лежит задача создания осевого генератора, который даже при больших диаметрах кольца корпуса обеспечивает жесткую подвеску статора, выдерживающую любые тепловые и магнитные нагрузки, а также обеспечивает оптимальное охлаждение.

Согласно изобретению эта задача решается тем, что распорные элементы выполнены в виде проходящих в осевом направлении полых тел трапециевидного, в крайнем случае V-образного, сечения или вместе с внутренней стенкой кольца корпуса образуют такое сечение, причем более широкое основание названных полых тел прилегает радиально снаружи к кольцу корпуса или само кольцо корпуса образует это основание, на более узком основании названных полых тел предусмотрены проходящие по окружности крепежные пластины для размещения планок, и охлаждающее средство направляют через названные полые тела.

Преимущество изобретения следует усматривать, в частности, в том, что полые тела существенно способствуют повышению жесткости кольца корпуса. Полые тела имеют преимущественно V-образное сечение, причем свободные концы полок соседних полых тел плотно прилегают друг к другу. Эта структура увеличивает поверхность кольца корпуса, благодаря чему выходящий из радиальных охлаждающих щелей между отдельными листовыми пакетами в спинку статора охлаждающий воздух охлаждается уже перед собственно охладителями, расположенными в полусфере, так что часть тепла потерь машины отдается проточной рабочей воде уже при омывании увеличенной посредством полых тел стенки корпуса.

Изобретение применимо как для чисто воздушного охлаждения, так и для комбинированного водовоздушного охлаждения.

При чисто воздушном охлаждении полые тела служат для упорядоченного отвода выходящего радиально наружу из тела статора воздуха, причем полые тела снабжены по всей длине железа первыми отверстиями, в которые нагретый воздух попадает, в основном, радиально, а затем внутри полых тел проходит аксиально к обоим торцам машины. За пределами длины железа полые тела снабжены вторыми отверстиями, через которые теперь уже частично охлажденный воздух снова выходит из полых тел и попадает в пространство, занимаемое лобовой частью обмотки, там обтекает лобовую часть обмотки и соединения обмотки, наконец, собирается и затем подается к охладителям в полусфере.

Распределение расходящегося в обе стороны воздуха происходит при этом преимущественно так, что его основная часть попадает к концу машины со стороны полусферы. Такое количественное распределение можно простым образом осуществлять за счет величины проходного сечения вторых отверстий.

При комбинированном водовоздушном охлаждении никаких отверстий в полых телах не предусмотрено. Полые тела гидравлически соединены между собой за пределами тела статора, если смотреть по оси, так, что охлаждающая вода извилисто протекает через все полые тела. Такая мера также увеличивает активную поверхность охлаждения кольца корпуса, не требуя при этом наличия в полусфере особых водо-водяных или водовоздушных охладителей. При этом поступающий из тела статора нагретый воздух попадает, как описано выше, в спинку статора.

В экстремальных условиях, например, при высоких температурах проточной воды, контур охлаждающей воды может быть расширен за счет особых охладителей в полусфере.

Сущность изобретения более подробно поясняется с помощью чертежей.

На чертежах схематично изображены примеры выполнения изобретения, а именно представлены:
фиг.1 - упрощенный продольный разрез статора осевого генератора;
фиг.2 - деталь Х из фиг.1;
фиг. 3 - поперечное сечение статора согласно фиг.1, по линии А-А с V-образными полыми телами в качестве распорных элементов для чисто воздушного охлаждения;
фиг.3а - деталь Х из фиг.3 в увеличенном масштабе;
фиг.4 - вид сверху на развертку внутренней стенки снабженного полыми телами из фиг.3 корпусного кольца осевого генератора из фиг.1 и 3;
фиг. 5 - в качестве варианта фиг. 3 вид сверху на внутреннюю стенку снабженного полыми телами согласно фиг.6 корпусного кольца, предназначенного для водяного охлаждения;
фиг.6 - сечение полых тел из фиг.5 по линии В-В;
фиг. 7 - вариант фиг.3 с трапециевидными полыми телами в качестве распорных элементов;
фиг. 8 - вариант фиг.3, у которого между телом статора и распорными элементами расположены пружинящие элементы.

Пути реализации изобретения
За исключением опирания и дистанционирования схематично изображенный на фиг. 1 осевой генератор в значительной степени соответствует уровню техники, представленному, например, в публикации "Brown Boveri Mitteilungen" 4-70, стр. 182-190, в частности рис. 5 на стр. 186. Осевой генератор содержит корпус, из которого на фиг.1 показано только его кольцо 1. Примыкающая слева полусфера, в которой, в частности, расположены также один или несколько охладителей, и примыкающая справа турбинная часть, как и опора, не показаны. Они соответствуют конструкции, показанной на рис. 5 упомянутой выше публикации.

Статор 2 содержит тело из листовой стали, собранное из расположенных между собой на осевом расстоянии отдельных листовых пакетов 3 с проходящими радиально охлаждающими щелями 4 (деталь Х на фиг.2). Отдельные листовые пакеты 3 известным образом собраны их уложенных друг на друга, послойно смещенных листовых сегментов 5 и прижаты друг к другу с помощью прижимных пластин 6 и осевых стяжек 7. Статорная обмотка, из которой на фиг.1 видны только лобовые части 8 по обоим торцам, размещена в пазах 9. В пространстве 10, занимаемом лобовой частью обмотки, показаны соединения 12 обмотки и выводы.

Тело 2 статора расположено на расстоянии от кольца 1 корпуса. В образованном кольцевом пространстве 13 между этими двумя деталями расположены V-образные распорные элементы 14. Распорные элементы 14 проходят по всему внутреннему периметру кольца 1 корпуса и закрыты по концам кольцами 141, 142. Эти кольца одновременно служат в качестве крепежных фланцев для полусферы и корпуса турбины соответственно. Распорные элементы 14 образуют вместе с кольцом 1 корпуса полые тела в виде проходящих в осевом направлении каналов. Свободные концы полок распорных элементов 14 приварены к внутренней стороне кольца 1 корпуса, причем соседние полки расположены вплотную друг к другу. На вершине каждого распорного элемента 14 расположена крепежная пластина 15, которая радиально внутри имеет выемку форме ласточкина хвоста (фиг. 3). Как видно из фиг.1 и показанной на фиг.4 развертки снабженного распорными элементами 14 кольца 1 корпуса, на каждом распорном элементе 14 предусмотрено несколько равномерно распределенных по длине машины крепежных пластин 15. Соответствующие каждому распорному элементу выемки соосны между собой. В этих выемках размещены планки 16, сечение которых имеет форму двойного ласточкина хвоста, причем планки проходят по всей длине тела 2 статора. Отдельные листовые сегменты 5 тоже имеют выемки в форме ласточкина хвоста. При шихтовке тела статора листовые сегменты 5 надевают на планки 16 с одной стороны, например от конца со стороны полусферы. Дистанцирование отдельных листовых пакетов 3 осуществляют известным образом посредством промежуточного слоя из радиально ориентированных распорных полос (на чертеже не показаны).

С учетом сборки и для облегчения юстировки соединение между V-образными распорными элементами 14 или крепежными пластинами 15 и планками 16 осуществляют не напрямую, а через промежуточную пластину 151, которая (в конечном состоянии) прочно соединена с крепежной пластиной 15, например сварена с ней (деталь Х из фиг.3 на фиг.3а). Эта промежуточная пластина имеет на своей радиально внутренней стороне выполненную в виде трапециевидного паза выемку 152, в которую планка 16 входит примерно наполовину. Глубина паза рассчитана при этом так, что между основанием паза и наружной поверхностью планки 16 образуется зазор 153 шириной d₁, составляющей 1-2 мм. При этом промежуточная пластина 151 не должна примыкать к телу статора, т.е. зазор 153 должен быть уже зазора S между телом статора и промежуточной пластиной 151. Таким образом теплое тело статора и холодный корпус имеют возможность смещения, пока этот зазор 153 не будет закрыт. Только при дальнейшем расширении возникает прессовая посадка между промежуточной пластиной 151 и планкой 16. Для того, чтобы на этом этапе обеспечить круглость тела статора, предусмотрены действующие по окружности направляющие элементы. Они состоят из выступающего радиально внутрь из основания выемки 152 носика 154 промежуточной пластины 151, имеющего параллельные боковые стороны и входящий радиально с геометрическим замыканием в прямоугольный паз 161 на наружной поверхности планки. При этом глубина паза и в данном случае рассчитана так, что зазор 162 шириной d₂ между носиком 154 и основанием паза 161 составляет 1-2 мм.

Описанное косвенное соединение между распорными элементами 14 и телом статора облегчает сборку и юстировку тела статора относительно корпуса. Кроме того, оно отвечает двум основным требованиям, обычно предъявляемым к осевым генераторам:
- возможность свободного радиального расширения (теплое тело статора/холодный корпус, омываемый проточной водой, используемой в качестве рабочей воды);
- радиальная жесткость под действием магнитных сил (4-узловое колебание) в случае неполадок.

Как хорошо видно из фиг.3, размещенные по всей внутренней окружности кольца корпуса распорные элементы 14 придают ему жесткость наподобие каркаса. Эта каркасная конструкция дополнительно усилена теплом 2 статора, которое подвешено на планках, имеющих форму двойного ласточкина хвоста. Крепежные пластины 15, изготавливаемые преимущественно лазерной резкой стальных листов, одновременно служат установочными элементами, и с помощью шаблона их приваривают к распорным элементам 14. Благодаря этому отпадает необходимость в сложном растачивании корпуса перед шихтовкой тела статора.

Хотя благодаря монтажу распорных элементов 14 достигается увеличение внутренней поверхности омываемого снаружи проточной водой кольца корпуса, теперь согласно изобретению корпус статора может при почти неизменной конструкции охлаждаться воздухом или также водой.

При воздушном охлаждении в полках распорных элементов 14 в зоне тела 2 статора выполнены первые отверстия 17, за счет которых радиальные охлаждающие щели 4 в теле 2 статора и полости 18 распорных элементов свободно сообщаются между собой. Через эти отверстия 17 и полости 18 к обоим торцам машины может отводиться выходящий из тела 2 статора нагретый охлаждающий воздух, используемый в качестве охлаждающего средства. Поскольку эти осевые каналы примыкают непосредственно к кольцу корпуса и, тем самым, граничат с проточной водой, этот воздух охлаждается уже на пути к торцам машины.

На обоих торцах и вне активной части А в полках распорных элементов 14 выполнены вторые отверстия 19, 20, через которые воздух снова выходит из упомянутых каналов. Этот, до некоторой степени уже охлажденный воздух на пути к охладителям в полусфере проходит через лобовую часть 8 обмотки, а также термически сильно нагруженные соединения обмотки и выводы 12. При этом распределение охлаждающего воздуха по обеим сторонам машины происходит за счет величины проходных сечений вторых отверстий 19, 20. Наружное пространство 21 распорных элементов 14, в которое сначала попадает воздух, выходящий из тела 2 статора, отделено от пространств 10, 11, занимаемых лобовыми частями обмотки, посредством треугольных уплотнительных пластин 22.

При водяном охлаждении отпадает необходимость как в первых 17, так и во вторых 19 отверстиях в полках распорных элементов 14. Вместо этого ограничиваемые распорными элементами 14 и кольцом корпуса каналы или полости 18 попеременно гидравлически соединены на одном конце вблизи фланцевых колец 141, 142, так что через них в корпусе статора может извилисто циркулировать охлаждающая вода, используемая в качестве охлаждающего средства (фиг.5). Для этой цели на упомянутом конце выполнены, например, треугольные отверстия 23, которым соответствует крышка 24, соединяющая соседние полки распорных элементов 14 (фиг.6). В результате этого возникает обозначенный на фиг.5 штриховыми линиями извилистый поток охлаждающей воды.

Как показано на фиг.7, распорные элементы 14 могут иметь также трапециевидное сечение, причем более широкое основание располагается снаружи. При этом свободные концы полок, в противоположность варианту с V-образными распорными элементами, четко отделены друг от друга. В остальном конструкция и функционирование представленного на фиг.7 варианта соответствуют описанным выше.

Если по производственным или иным причинам окажется необходимой радиально упругая подвеска тела 2 статора в усиленном кольце 1 корпуса, то это можно осуществить, не выходя за рамки изобретения, с помощью простых конструктивных мер, которые можно использовать как для воздушного, так и для водяного охлаждения корпуса.

На фиг.8 планки 16, имеющие форму двойного ласточкина хвоста, на которых подвешено тело 2 статора, непосредственно не сварены с крепежными пластинами 15, а между ними расположены упругие промежуточные элементы в виде П-образных промежуточных пластин 25. Одно колено промежуточной пластины 25 сварено с одной крепежной пластиной 15, а другое - с соседней в окружном направлении крепежной пластиной 15. Промежуточные пластины 25 в соединяющей оба колена части имеют паз в форме ласточкина хвоста аналогично крепежным пластинам 15 на фиг.3 и 4, в которых расположены планки 16. Благодаря расчету сечения названной соединительной части и ее геометрии промежуточные платины выполнены более или менее радиально упругими и таким образом делают возможной радиально упругую подвеску тела 2 статора в кольце 1 корпуса, причем это не сказывается на усиливающе-охлаждающей функции распорных элементов 14.

Изобретение относится к электротехнике и касается особенностей конструктивного выполнения осевых генераторов. Согласно изобретению подвеска тела (2) статора осуществляется на кольце (1) корпуса посредством распорных элементов (14) в виде придающих жесткость кольцу (1) полых тел (2) трапециевидного, или V-образного сечения, или вместе с внутренней стенкой кольца (1) образующих такое сечение. Более широкое основание полых тел (2) прилегает радиально снаружи к кольцу (1). Через образованные элементами (14) полости (18), с целью охлаждения, направляют охлаждающий воздух или охлаждающую воду, за счет этого часть тепла потерь может отдаваться проточной воде уже при смывании холодной и увеличенной распорными элементами (14) стенки корпуса. Технический результат от использования данного изобретения состоит в обеспечении жесткой подвески статора, выдерживающей любые тепловые и магнитные нагрузки, а также оптимального охлаждения генератора. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Осевой генератор, содержащий корпус, состоящий из полусферы и примыкающего к ней кольца (1), тело (2) статора, охватываемое кольцом (1) корпуса и удерживаемое в нем, причем тело статора состоит из шихтованных внахлест листовых сегментов (5) и посредством проходящих в осевом направлении планок (16) через распорные элементы закреплено на омываемом рабочей водой кольце корпуса, а также из множества расположенных на расстоянии друг от друга отдельных листовых пакетов (3), и через промежутки (4) между отдельными листовыми пакетами (3) в пространство (21) между телом (2) статора и кольцом (1) корпуса радиально наружу направляют охлаждающий воздух, а оттуда - к охладителям в полусфере, отличающийся тем, что распорные элементы (14) выполнены в виде проходящих в осевом направлении по всей длине тела (2) статора полых тел трапециевидного, или V-образного сечения, или вместе с внутренней стенкой кольца (1) корпуса образуют такое сечение, причем более широкое основание названных полых тел прилегает радиально снаружи к кольцу (1) корпуса или само кольцо корпуса образует это основание, на более узком основании названных полых тел предусмотрены проходящие по окружности крепежные пластины (15) для размещения планок (16), при этом охлаждающее средство направляют через указанные полые тела. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что по бокам распорных элементов (14) выполнены первые (17) и вторые (19) отверстия, причем первые отверстия (17) образуют свободное соединение между телом (2) статора и внутренним пространством (18) полых тел, а вторые отверстия (19) - свободное соединение между внутренним пространством (18) полых тел и торцами тела (2) статора. 3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что полые тела проходят по всей длине и примыкающей к ним зоне тела (2) статора, а соседние полые тела попеременно на одном и другом концах гидравлически соединены между собой таким образом, что через них возникает извилистый поток охлаждающей воды. 4. Генератор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что планки (16) закреплены непосредственно на распорных элементах (14) через крепежные пластины (15). 5. Генератор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что планки (16) косвенно закреплены на распорных элементах (14) через крепежные пластины (15). 6. Генератор по п. 5, отличающийся тем, что планки (16) расположены на промежуточных пластинах (151) с радиальным зазором, однако с возможностью смещения в окружном направлении, причем промежуточные пластины (151) прочно соединены с крепежными пластинами (15). 7. Генератор по п. 6, отличающийся тем, что в промежуточных пластинах (151) радиально внутри выполнена выемка (152) в форме ласточкина хвоста, в которой расположена половина планки (16), при этом в планках радиально снаружи выполнен паз (161) прямоугольного сечения, в который с геометрическим замыканием входит выполненный на промежуточной пластине (151) носик (154). 8. Генератор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что планки закреплены на крепежных пластинах (15) и, тем самым, также на распорных элементах (14) посредством радиально упругих пружинящих элементов (25) в виде промежуточных пластин.