CN101388574A - 一种汽轮发电机转子绕组蒸发冷却结构 - Google Patents

Abstract

一种汽轮发电机转子绕组蒸发冷却结构，在转子绕组空心导线(502)的直线部分开设排汽孔(504)，在排汽孔(504)对应位置的槽绝缘(150)上开设径向排汽道(151)。冷却介质蒸汽通过排汽孔(504)和径向排气道(151)排出，减少了流动阻力。转子线圈(50)各层间设置的溢流装置，使冷却介质能够均匀分布，在加强转子冷却的同时也降低了转子绕组径向的温差。本发明可使转子绕组的冷却效果更好，可以相应提高汽轮发电机的容量和效率。

Description

一种汽轮发电机转子绕组蒸发冷却结构

技术领域

本发明涉及汽轮发电机转子绕组的一种蒸发冷却结构。

背景技术

汽轮发电机转子绕组的电压虽然不高，但是体积紧凑，发热集中，目前常用的冷却方式有空气冷却，氢气冷却，水冷却。气体冷却方式是指转子绕组由空芯铜线制成，空气或氢气由高压风扇压入绕组两端铣出的侧孔和纵向沟，从中部或另一侧流出。这种方式需要较高压力的多级风扇，通风损耗大，温度分布也不均匀。转子用水冷却的原理是冷却水通过进水装置引到高速旋转的转子中，在转子线圈内部循环吸收热量，再由排水装置将水排出。这种冷却结构需要特殊的防止泄露的水冷结构部件，需要采用某些新材料，还提高了电机运行和维护的要求。此外，上述三种冷却方式从本质上来说都属于对流换热，这限制了汽轮发电机容量的进一步提高。蒸发冷却技术利用了冷却介质液体汽化吸热的原理来冷却电机，具有冷却效果好、温度分布均匀、无局部过热等突出优点。为了解决冷却介质蒸汽在长管道内部积聚而使流动阻力增加，流动不畅的问题，Hisao Koizumi在1969年提出过一种电机转子的开放式转子专利(US PATENT3439203)，采用水作为冷却介质，通过轴边的进液管和进液喷嘴进入各套线圈，转子的线圈采用了凹形导线绕制，即导线不密封，距离轴心半径距离较近的导体内的冷却介质采用溢出的方法通过导体两侧溢流至下层导体，冷却介质的蒸汽也同时通过导线的开口排出，最外侧导体内剩余的冷却介质汇流至排液管，最后通过具有迷宫结构的静止排液环排出。该专利主要的不足一是采用水作为冷却介质，存在水和蒸汽对大轴、导体、绝缘材料的腐蚀问题。水质要求也高，否则会产生结垢和沉淀；二是导线结构采用的是特制的凹型开口导线，加工成本较高，安装工艺复杂，在转子绕组绕制过程中很难保证导线不变形，难以在工业生产中得到应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种适用于汽轮发电机转子绕组的蒸发冷却结构。蒸发冷却技术利用冷却介质液体汽化吸热的原理冷却电机，采用具有良好的绝缘性能氟碳化合物作为冷却介质。由于沸点较低，冷却介质在转子绕组空心导体内部沸腾后产生的蒸汽将使流动阻力增大，本发明提出了一种转子绕组蒸发冷却结构，转子绕组空心导线直线部分采用开放式的设计方案，在槽绝缘上开设排汽通道，冷却介质在转子绕组空心导线内部流动，受热沸腾产生的蒸汽通过排汽孔和排汽通道及时排出，不再积聚在空心导体内。转子绕组上还装有溢流装置，当某一层内的液位达到一定高度后，冷却介质就通过溢流装置进入下层。转子线圈液路因溢流装置而分段，冷却介质能够尽快分布到线圈各层，使冷却效果更加均匀，同时也避免由于缺液或断液而导致局部过热，损坏绝缘。转子绕组最外侧空心导线内多余的冷却介质则被引入到固定在定子机座上的排液环，排出电机外冷凝之后回收利用。定子内壁采用隔离套筒与转子隔开，隔离套筒内表面与转子外表面为气隙。定子机座内部的冷却介质蒸汽也被抽出循环利用。

本发明中开放式转子绕组结构设计可使空心导线内的冷却介质蒸汽及时排出，减少了流动阻力，冷却介质的流动变得更为通畅。溢流装置使冷却介质能够均匀的分布，在加强转子冷却的同时也降低了转子绕组径向的温差，可以使汽轮发电机的容量和效率在目前的基础上得到进一步的提高。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图，图中：10汽轮发电机定子，20采用开放式转子绕组设计的蒸发冷却汽轮发电机转子，30隔离套筒，40定子上的抽汽孔，50转子绕组，60转子护环，70排液环，80旋转密封，90出液室，100排液尾管；

图2为轴边进液示意图，图中：101为定子端部盖板，601为支持转子护环的中心环，110为进液管，120为轴边进液环，131为转子绕组下部进液引线，132为转子绕组上部排液引线；

图3为转子绕组端部液体分流示意图，图中：133为分液管，501为转子绕组绝缘进液盒；

图4为溢流装置示意图，图中：502为转子绕组采用的空心导线，503为转子绕组空心导线溢流口，504为转子绕组空心导线进液口，141为溢流装置上集液器，142为上集液器出液口，143为溢流装置下集液器，142为下集液器进液口；

图5为溢流装置的布置图；

图6为转子槽内单排空心导线示意图，转子槽底无副槽，图中：201转子齿，202转子槽楔，203转子槽楔上开设的排汽孔，504为空心导线上开设的排汽孔，150为槽绝缘，151为槽绝缘上开设的排汽通道，170为匝间绝缘；

图7为转子槽内单排空心导线示意图，转子槽底有副槽，图中：160为转子槽底副槽；

图8为转子槽内双排矩形槽内空心导线示意图，转子槽底无副槽；

图9为转子槽内双排矩形槽内空心导线示意图，转子槽底有副槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明整体结构如图1所示。定子10内壁采用隔离套筒30与转子20隔开，隔离套筒30内表面与转子20的外表面间为气隙。转子20为隐极式转子，其外形为一个细长的圆柱体。转子20铁心表面圆周上铣有槽，转子绕组50嵌放在这些槽内。转子绕组50为同心式绕组，以空心铜导线绕制，并用不导磁的槽楔202将绕组紧固在槽内。为了保护和紧固转子绕组50的端部，在转子20的两侧有护环60，护环60的一端热套在转子本体的端头，另一端固定在与转子同轴的中心环601上。

冷却介质进入转子20的方式可以采用中心孔进液、轴边进液或者其他适宜的进液方式。图2所示为轴边进液的示意图，箭头标示了冷却介质的流动情况。冷却介质由固定在定子10端部盖板101上的进液管110自由的进入开放的轴边进液箱内。进水管110位于转子线圈转轴轴端的某一半径上，该半径值大于转子20轴伸端半径小于转子半径，形成偏心进液。固定在中心环601上的轴边进液环120与转子同轴，供静止进液管110进入一层的开孔半径要大于转子轴伸端半径以方便容纳静止进液管110，主编进液环120与中心环601一起形成了轴边进液箱，在中心环上沿周向开设圆孔，安装引液套管在转子旋转产生的离心力带动下，冷却介质通过引液套管进入转子绕组下部引线131。图3为转子绕组端部液体分流示意图，图中的133为分液管，与转子绕组下部引线131相连接，冷却介质分别流过转子绕组下部引线131和分液管133，分配到各套转子线圈的绝缘进液盒501，从绝缘进液盒501的下部开孔进入转子线圈的空心导线502。冷却介质流经转子线圈的空心导线502后，从转子线圈上部引线132经过安装在护环60上的排液环70，进入封闭出液室90，在从这里经过排液尾管100流入到外部的冷却介质回路中。排液环70为一圆筒形装置，与转子同轴，固定在护环60上。固定在定子端盖101上的出液室90为一侧开口的环形装置，环形装置的圆周中心与在转子轴心线上。排液环70的一段通过出液室90的开口伸到出液室90中。如果冷却介质流量过大，冷却介质可以从轴边进液环120的边缘溢出直接进入排液环70。冷却介质流过转子线圈下部引线之后通过分液管133分流到各套线圈，首先进入绝缘进液盒501，再通过绝缘进液盒501和转子的最内层线圈之间的进液孔，进入最内层的线圈，在离心力作用下，自动分配到该层的直线和端部，第一层全部得到冷却介质之后，在一层至二层的过渡处流向第二层，然后逐层向外，直到最后一层。多余的冷却介质通过转子线圈的上部排液引线132排入到固定在定子10机座上的出液室90，然后流入冷凝器进行冷却，冷却介质的流动如图1中实线箭头所示。冷却介质受热产生的蒸汽通过转子绕组50上的排汽孔504进入到定子10机座内，再由抽汽泵通过抽汽孔40将其抽出送入冷凝器。经过二次水冷却之后的冷却介质通过泵进入储液箱重复利用，完成整个循环，冷却介质蒸汽的流动如图1中虚线箭头所示。

转子线圈50采用空心导线502绕制而成，线圈的每一层位于相同的转子半径上，即转子线圈的每一层与转子轴中心间距相同，位于同一个圆柱面上，从最内层到最外层与转子轴心间距在转子半径方向上逐层增大。冷却介质在转子线圈50内部受热沸腾蒸发，为了减少流动阻力，本发明设计了开放式的导线结构。具体的实现形式是在目前水内冷和氢内冷汽轮发电机转子线圈通用的空心导线502的基础上进行改造，在转子绕组直线部分开设排汽孔504，排汽孔504的长度和间隔距离可以根据系统需要灵活设置。由于不同容量的电机转子绕组电流密度不同，发热情况也不同，导致冷却介质受热沸腾情况也不相同。电流密度越大，发热量越大，冷却介质沸腾也就越剧烈，会产生大量的蒸汽，这种情况就要求排汽孔504的尺寸要大，间隔距离要小。反之，电流密度较小时，发热量小，导致产生的冷却介质也较少，排汽孔504的尺寸也可以相应缩小，间隔距离可以适当放大。对于同一个电机的转子绕组内部的排汽孔504，可以设置为相同尺寸、相同间距，也可以为不同尺寸、不同间隔，距离转子轴中心较近的转子导体会首先分配到冷却介质，这部分导体内的冷却介质较多，冷却仍以液体比热吸热为主，产生蒸汽较少，因此排汽孔504的尺寸可以相应缩小，间隔距离可以适当放大。距离转子轴中心较远的转子导体最后分配到冷却介质，这部分导体内的冷却介质较少，冷却仍以液体相变汽化吸热为主，会产生大量的蒸汽，因此排汽孔504的尺寸可以适当放大，间隔距离可以相应减小。目前在现有工艺设计规范中，排气孔504的长度不小于1cm，不大于5cm；间隔距离不小于10cm，不大于25cm(特殊情况下间隔距离可以放宽到30cm)。

排汽孔504对应位置的槽绝缘150上开设有径向排汽道151，匝间绝缘170上不开设排气孔。空心导体内的冷却介质蒸汽通过排汽孔504进入径向排汽道151，再通过转子槽楔202上的排汽孔203进入气隙，最后由抽气泵通过抽汽孔40抽出定子10机座外，循环利用。绕子绕组50在槽内可以采用如图6所示的单排，或如图8所示的双排，或者单双混排的形式布置，双排和混排的形式在转子线圈50两侧都由槽绝缘150留出径向排气道151。对于有转子槽底副槽160设计的转子，可以通过在转子20一侧或者两侧加装风扇，定子10机座内部的空气经过转子副槽沿轴向运动，再经过槽绝缘151上的径向排气道151径向运动，带动冷却介质蒸汽通过转子槽楔202上的排汽孔203气隙，如图7、图9所示。图6-图9中所示的转子线圈50匝数仅为示意，本发明中适用于任意多匝空心导线502组成的转子线圈。

转子线圈50各层间设置溢流装置，如图4所示，溢流装置由上集液器141和下集液器143组成，上集液器141和下集液器143为由绝缘材料制成的长方体空心盒。上集液器141与溢流口503相对的位置开设同样尺寸或者稍大尺寸的开孔，并在相邻的一个侧面上开设上集液器出液口142；下集液器143与进液口504相对的位置开设同样尺寸或者稍大尺寸的开孔，并在相邻侧面上开设下集液器进液口144，其中上集液器出液口142和下集液器进液口144位置是相对应的，冷却介质能通过上集液器出液口142直接流入下集液器进液口144。上集液器141和下集液器143通过粘接等的方式固定在转子线圈50上，设置在转子绕组50的端部，也可以考虑设置在槽内直线部分，如图5所示。相邻两层线圈之间可以设置多个溢流装置，这样可以使液路分段，加快冷却介质的均匀分布。相邻两层线圈中与转子轴线半径距离较小的一层内的液位达到一定高度后，冷却介质就通过溢流口503进入上集液器141，在离心力的作用下，液体由上集液器出液口142通过下集液器进液口144进入下集液器143，再通过下层线圈的进液口504进入下层。线圈对应溢流装置的开口不能高于排汽孔504的高度，若冷却介质流量过大，就可以通过溢流装置进入下层，而不会在排汽孔504处溢出导线。各层溢流口在半径方向上的开口尺寸可以相同，也可以不同，位于半径较小处的内层线圈溢流口503在半径方向上开口尺寸可以适当偏大，可以通过更多的液体，这样冷却介质可以在进入半径较小的内层线圈之后，就可以通过溢流口503进入半径较大的外层线圈，能够尽快分布到线圈各层。

考虑到开放式的转子线圈50设计将使冷却介质蒸汽进入定子10机座内部，为了防止冷却介质泄漏，定子10机座与转轴20接触的部分采用旋转密封80，例如迷宫密封、油密封和磁流体密封等。

上述实施方式对于不同容量的汽轮发电机均适用。

上述实施方式对于不同极数和不同转速的汽轮发电机转子绕组均适用。

上述实施方式对于常温蒸发冷却和低温蒸发冷却均适用。

本发明提出了适用于汽轮发电机转子绕组的开放式蒸发冷却结构，既充分发挥了蒸发冷却的特点，克服了长管道内积聚介质蒸汽而造成的较大的流动阻力及由此而引起的较大的温差变化，同时对系统的耐压结构没有特殊的要求。具有良好电绝缘性能的冷却介质蒸汽具有一定的灭弧作用，提高了汽轮发电机转子的绝缘性能。

Claims (2)

1、一种汽轮发电机转子绕组蒸发冷却结构，其特征在于在转子绕组空心导线(502)的直线部分开设排汽孔(504)，在排汽孔(504)对应位置的槽绝缘(150)上开设径向排汽道(151)；转子线圈(50)各层间设置溢流装置；排液环(70)为一圆筒形装置，与转子同轴，固定在护环(60)上；固定在定子端盖(101)上的出液室(90)为一侧开口的环形装置，环形装置的圆周中心在转子轴心线上；排液环(70)的一段通过出液室(90)的开口伸到出液室(90)中。

2、根据权利要求1所述的汽轮发电机转子绕组蒸发冷却结构，其特征在于转子线圈(50)对应溢流装置的开口不高于排汽孔(504)的高度；上集液器(141)和下集液器(143)组成的溢流装置固定在转子线圈(50)的端部或转子槽内直线部分；相邻两层转子线圈(50)之间可设置多个溢流装置。

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