CN102341995A - 涡轮发电机的转子以及带有转子的涡轮发电机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮发电机(1)的转子(2)，包括：圆柱形的转子轴(5)，其居中地变厚成为转子球(7)；引入到转子球(7)的圆柱形外壳(20)中的、在环周方向(12)上彼此间隔的、并且在轴纵向方向(6)上延伸的槽(21)；被槽(21)容纳的激励绕组(23)；被冷却气体(K)流过的、在槽(21)的槽底部(28)和激励绕组(23)的背离圆柱形外壳(20)的端部之间释放的输送通道(29)；以及基本上在径向方向(R)中穿过激励绕组(23)的、将输送通道(29)与转子球(7)的圆柱形外壳(20)中的相应的流出开口(31)连接的冷却通道(30)。在中央纵轴线(13)的区域中设置有至少一个在轴纵向方向(6)上延伸的分布通道(32)。相应的输送通道(29)与分布通道(32)通过连接通道(33)来连接。每个分布通道(33)设置有至少一个入口通道(36)用于输送冷却气体(K)。

Description

涡轮发电机的转子以及带有转子的涡轮发电机

本发明涉及一种涡轮发电机的转子以及带有这种转子的涡轮发电机。

涡轮发电机例如由EP 1 742 330 A1已知。其具有可驱动的、可转动运动地安置的转子(其也称为电枢)，以及围绕转子的位置固定的定子(也称为固定部分)。转子包括圆柱形的转子轴，其在轴纵向方向上居中地变厚为转子球(Rotorballen)。转子球也称为电枢球。在转子球上设置有可被施加电流的激励绕组。定子具有定子绕组。为了产生电能，转子轴与传动装置、尤其是与涡轮机的传动轴耦合。通过这种方式，可以将转子在转动运动中相对于位置固定的定子偏移。如果在此转子被电流流过，则产生旋转磁场，其在定子绕组中感应电流。如今，涡轮发电机具有在100MW到1,500MW之间的电功率。

从US 3,119,033中已知了，转子球的圆柱形外壳设置有在轴纵向方向上延伸的并且在环周方向上彼此间隔的槽，并且将激励绕组设置在这些槽中。在槽中为此将多个在轴纵向方向上延伸的并且彼此绝缘的导体杆相叠地堆叠。朝着转子球的圆柱形外壳面设置有推入到成形部中的槽封闭楔(Nutverschlusskeil)，用于保护导体杆对抗在转子转动中存在的离心力。

从公开文献1036997中已知的是，安置在并排的槽中的导体杆一侧通过在轴的环周方向上延伸的切线导体导电地彼此连接，以形成激励绕组。导体杆与切线导体的连接尤其是通过焊接进行。切线导体安置在构建于轴端部和转子球的开端之间轴腿部上。它们形成了所谓的绕组头部。它们借助转子帽被保护以对抗在转子的转动运动中存在的离心力。

在通过激励绕组的电流情况下，产生大的热量，其为了保证无干扰的工作和为了利用涡轮发电机的全部功率潜力而必须被散发。为此，将激励绕组冷却。于是，由已经引用的US 3,119,033已知了，在每个槽的槽底部和激励绕组的背离圆柱形外壳的端部之间释放输送通道。基本上在转子球的径向方向上设置有穿过激励绕组、将输送通道与转子球的圆柱形外壳中的相应的流出开口连接的冷却通道。为此，激励绕组的导体杆设置有凹处、孔或者裂缝，其在将导体杆设置到槽中时至少部分地相叠，以形成连续的冷却通道。激励绕组的冷却现在通过如下方式进行：输送通道被输送冷却气体，通常为空气或者氢气。冷却气体现在流过(从输送通道出发来看)冷却通道至其流出开口，并且在此将激励绕组产生的损耗热散发。由损耗热加热的冷却气体通过流出开口而流入到转子和定子之间的中间空间中，该中间空间形成用于冷却气体的气体收集室。

从DE 197 32 949 A1公开了，定子和转子以共同的气密的壳体来包围。在两个轴端部上分别安置有通风轮。该通风轮按照轴向通风器的方式在转子转动时一同运动。通过这种方式，将冷却气体似乎从输送通道区域中的进入部位通过冷却通道和在转子和定子之间的用作气体收集室的中间空间来吸取。转子的冷却由此构建为抽吸冷却。

转子构建得越大，则被冷却气体在输送通道中以及在激励绕组中经过的流动路径越长。响应地，在大的转子情况下，抽吸通风机的更大功率是必须的，以便通过输送通道和随后通过冷却通道输送相应的冷却气体量。然而，位于转子轴上的通风轮的功率并不能够任意升高，因为其耦合到转子轴的转速上。

因此，本发明所基于的任务是，通过合适的措施来改进针对涡轮发电机的转子的冷却。此外，本发明的任务是，提出一种带有这种转子的涡轮发电机。

关于转子方面，根据本发明通过权利要求1的特征组合来解决该任务。在此已知的是，由于转子的转动运动，在流过冷却通道时在径向方向上离心力作用到冷却气体上，该离心力具有在流动方向上的力分量。通过这种方式，通过转子的转动运动支持了抽吸通风机的抽吸作用。现在提出的是，至少一个分布通道在轴的中央纵轴的区域中尤其是围绕中央纵轴来设置，其基本上在轴纵向方向上延伸。分布通道由此比输送通道更接近转子的中央纵轴。分布通道通过连接通道与输送通道连接。

为了冷却激励绕组，冷却气体现在首先流入到分布通道中。冷却气体从分布通道通过相应的至少一个连接通道进一步流到与分布通道关联的输送通道。从那里出发，其通过冷却通道在径向方向上流过激励绕组并且通过输出开口进入转子和定子之间的间隙中。因为分布通道比输送通道更接近中央纵轴地延伸，所以连接通道至少部分地在径向方向上延伸。由此在从分布通道朝着输送通道流过连接通道时，离心力作用到冷却气体上。该离心力附加到在流过冷却通道时作用到冷却气体上的离心力。作用到冷却气体上的离心力由此增大。换而言之，由此在输送冷却气体时辅助抽风机的离心力的作用可以增大。由此，可以在冷却通道在其他方面相同的几何结构中通过冷却通道输送更大量的冷却气体。通过这种方式，可以在维持冷却通道的几何结构情况下将更多热量从激励绕组散发。

在一个有利的变形方案中，冷却通道的几何结构被改变，使得其流阻提高。为此，例如可以在导体杆中设置凹处、孔或者裂缝，使得其在激励绕组的安装最终状态中相对彼此略为偏移。在流过冷却通道时，由此改善了通过对流从冷却通道壁到冷却气体的热传递。由于通过附加的离心力辅助输送冷却气体，所以虽然增大了流阻仍然可以将足够量的冷却气体输送通过冷却通道。

由此，在两种情况下都实现了改善的冷却作用。通过这种方式，尤其可以在高电功率涡轮发电机的大的转子情况下实现充分的冷却作用。由此，在这种涡轮发电机情况下也不再存在激励绕组过热的危险。

冷却气体的输送合乎目的地通过至少一个引入通道来进行，该引入通道将分布通道与轴外侧连接。

合乎目的的是，连接通道在纯粹径向的方向上延伸。通过这种方式，冷却气体与连接通道的壁的摩擦最小。由此，在流过连接通道时最大可能的离心力作用到冷却气体上。由此，尤其是可以通过冷却通道实现冷却气体的特别高的输送量。

在一个合乎目的的改进方案中，连接通道和冷却通道彼此对齐。在此，例如每个冷却通道可以关联有连接通道。相应地，在输送通道中几乎不出现在冷却气体的轴向上的涡流或者横流。由此，在随后流过连接通道和冷却通道的情况下，几乎最大可能的离心力作用到冷却气体上。

在此，一个分布通道可以与多个输送通道共同地关联。然而合乎目的的是，一个中央分布通道设计用于为全部输送通道施加冷却气体。通过构建中央分布通道，可以在径向方向上将连接通道的长度最大地构建。通过这种方式，关于转子球的直径最大可实现的离心力作用到冷却气体上，使得可以实现特别良好的冷却作用。

在一个合乎目的的改进方案中，至少一个进入通道基本上在径向方向上延伸。通过这种方式，可以将冷却气体的流动路径保持得尽可能短。这带来了小的流阻。

在一个合乎目的的改进方案中，将输送通道的前侧端部封闭。通过这种方式，在两个前侧设置在转子球上的绕组头部的区域中可以不出现不希望的冷却气体的泄露流。由此，可以没有损耗地将冷却气体输送给冷却通道。

在一个合乎目的的改进方案中，在输送通道中设置有与其尺寸匹配的附加的导体杆用于增大激励绕组。通过在两个绕组头部的区域中通过附加的切线导体将相邻的附加的导体杆在前侧连接，由此形成激励绕组的附加的绕组。由此，关于激励绕组方面可以以小的开销实现增大的磁通量。由此，可以没有大的结构开销地实现涡轮发电机的提高的电功率。

在此，分别设置在输送通道中的附加的导体杆相应地具有凹处、裂缝或者孔，其基本上与该附加的导体杆上的导体杆的凹处、裂缝或者孔齐平，使得冷却通道基本上从槽底部出发延伸直到转子球的圆柱形外壳面。

关于涡轮发电机，上述任务根据本发明通过权利要求9所述的特征来解决。据此，涡轮发电机包括根据权利要求1至8之一所述的转子。

下面借助附图进一步阐述本发明的一个实施例。其中：

图1示出了带有转子和定子的涡轮发电机；

图2示出了带有横向于轴纵向方向通过槽和设置在槽中的激励绕组的截平面的剖面图；以及

图3在轴纵向方向上剖切的侧视图中示出了图1中的转子的左侧面。

图1示出了带有转子2和容纳转子的定子3的涡轮发电机1。转子2也称为电枢，定子3也称为固定装置或者固定件。转子2和定子3被共同的气密的壳体4容纳。转子2包括转子轴5，其在轴纵向方向6上居中地变厚为转子球7。转子球7也称为电枢球或者作为活动部件。在转子球7的圆柱形外壳面上设置有附图中未示出的激励绕组。从轴纵向方向6来看，转子球7的两个端部分别具有转子帽8。定子3的将从轴纵向方向6来看围绕转子球7的区段称为定子活动部件9或者称为固定装置活动部件。定子活动部件9具有铁磁体的空心体10，其中设置有不可见的定子导体或者固定装置导体。从轴纵向方向6来看，在定子活动部件9的两个端部分别连接有定子绕组头部11，其也称为固定装置绕组头部。

转子2的激励绕组可以施加以电流。转子轴5可以与未示出的涡轮的传动轴耦合，并且可以以转动运动从涡轮偏移。如果现在转子3以转动运动在围绕其中央纵轴13的环周方向12上偏移，则其产生转动磁场。中央纵轴线13由此与转动轴相同。该转动磁场以可变的磁通量穿过未示出的定子3的定子导体。由此，在定子导体中根据感应定律感应出电流，其可以在定子3上被截取。关于通过涡轮发电机1产生电流方面的进一步细节，不再讨论。

在涡轮发电机1的工作中，转子2的激励绕组23和定子9的定子导体发热。通过该发热，影响了涡轮发电机1的工作。为了冷却激励绕组23和定子导体，因此设计了气体冷却装置。然而对于气体冷却装置，在图1中只能看到两个在轴纵向方向6上连接到转子帽8上的、设置在轴上的通风轮14。通风轮14的每个都与转子轴5一同形成轴向通风机。尤其是使用控制或者氢气作为冷却气体。

在转子球7的圆柱形外壳20中引入有在轴纵向方向6上连续的、在环周方向12上彼此相邻的槽21。在各槽之间的突起称为转子齿22。在每个槽21中容纳有激励绕组23的一部分。激励绕组23通过在转子球7的径向方向R中相叠设置的、在轴纵向方向6中延伸的导体杆24形成。导体杆24相对于彼此以及相对于转子球7通过隔离装置25隔离。

朝着转子球7的圆柱形外壳20，在槽21的内壁上或者在作为槽21的边界的彼此相邻的转子齿22上设置有彼此对置的成形部26。槽封闭楔27推入到该成形部26中。槽封闭楔27在转子2的工作中保护激励绕组23对抗离心力。

在槽底部28和激励绕组23的背离圆柱形外壳20的端部之间释放输送通道29。在该输送通道29中设置有另一导体杆24’，其相对于在径向方向R朝着圆柱形外壳20位于其上的导体杆24以及相对于转子球7设置有绝缘部25。通过这种方式，实现了转子球7的绕组的增大。

在导体杆24、24’和在槽封闭楔27中设置有凹处，其在激励绕组23的安装最终状态中得到连续的冷却通道30。每个槽21都设置有多个这种在轴纵向方向6中彼此间隔的冷却通道30，其朝着圆柱形外壳分别在流出开口31中结束。在转子轴5中设置有在轴纵向方向6上延伸的居中的分布通道32。换而言之，分布通道32与转子轴5的中央纵轴线13的走向重合。分布通道32具有在轴纵向方向6中彼此间隔的连接通道33，其引导至各槽22的输送通道29。在图2中出于清楚的原因仅仅示出了至单个的输送通道29的连接通道33。

图3示出了在轴纵向方向6中的剖切的侧视图中示出了图1中的轴5的左端部。从转子球7沿轴纵向方向6向左仅仅示出了转子轴直到通风轮14的区段，然而没有通风轮。通过转子球7的剖切平面在此延伸为使得槽21连同其中设置的激励绕组23被剖切。然而，激励绕组23在图3中仅仅示意性地示出。然而，所绘出的是在激励绕组23中在径向方向R中延伸的冷却通道30。

在转子球7的端部和转子轴5之间构建有轴腿部34。该轴腿部34具有在轴5的直径和转子球7的直径之间的直径。相邻的槽21的导体杆在前侧通过未示出的导电的切线连接件彼此焊接。通过这种方式，在阴影绘出的区域中形成有所谓的绕组头部35。切线导体在此在环周方向12中分区段地围绕轴腿部34。它们通过转子帽8在其位置方面被对抗离心力地来保护。

分布通道32在轴纵向方向6中在整个转子球7之下延伸。通过多个径向延伸的入口通道36，将分布通道32与转子轴5的轴表面连接。入口通道36例如星形地在径向方向R中设置在转子轴5中。在图3的剖切平面中，仅仅可以看到入口通道36。在将入口通道36引入到转子轴5中时，要注意的是，转子轴5通过实施为孔的入口通道36在机械上不被弱化。

在涡轮发电机1的工作中，转子2的激励绕组23发热。为了冷却，因此借助通风轮14将冷却气流K引导通过冷却通道30。冷却气体K进入入口通道36中。冷却气体从那里流过分布通道32和连接通道33至输送通道29。输送通道29将冷却气体分布到各冷却通道30，它们在径向方向R上穿过激励绕组23。在流过激励绕组23时，在冷却通道30的壁上通过对流进行热传递。通过这种方式，将激励绕组23或者其导体杆24和槽封闭楔27的热散发。通过激励绕组23发出的热加热的冷却气体K通过流出开口31进入转子2和定子3之间的缝隙中并且流到冷却装置，在那里进行冷却。随后，重新开始通过转子2的冷却气体的路径。

在从轴5的外侧流过入口通道36至分布通道32的情况中，在径向方向R中由冷却气体K经过段R4。在从分布通道32流过连接通道33至输送通道29的情况中，在径向方向R中由冷却气体K经过段R1。在从输送通道29流过冷却通道30至圆柱形外壳20中的流出开口31的情况中，在径向方向R中经过段R2。总之，由此转子球7在径向方向R中被从分布通道32出发沿着段R3流过，段R3由段R1和R2之和得到，并且对应于转子球7的半径。

作用到冷却气体K上的离心力与在径向方向R上经过的路径段成比例。在根据现有技术实施的转子情况下，仅仅流过输送通道29和流出开口31之间的冷却通道30的段R2。相应地，与段R2成比例的离心力作用到冷却气体K上。而根据图3，现在附加地有与段R1和R4的差成比例的离心力作用到冷却气体K上。通过该附加作用的离心力，辅助了在径向方向R中冷却气体K从内向外朝着转子2的圆柱形外壳20的流动过程。由此，每时间单位可以有更大体积流量的冷却气体K穿过冷却通道30。由此，实现了激励绕组23的良好冷却。

Claims (12)

1.一种涡轮发电机(1)的转子(2)，

-带有圆柱形的转子轴(5)，其居中地变厚成为转子球(7)，

-带有引入到转子球(7)的圆柱形外壳(20)中的、在环周方向(12)上彼此间隔的、并且在轴纵向方向(6)上延伸的槽(21)，

-带有被槽(21)容纳的激励绕组(23)，

-带有被冷却气体(K)流过的、在槽(21)的槽底部(28)和激励绕组(23)的背离圆柱形外壳(20)的端部之间释放的输送通道(29)，以及

-带有基本上在径向方向(R)中穿过激励绕组(23)的、将输送通道(29)与转子球(7)的圆柱形外壳(20)中的相应的流出开口(31)连接的冷却通道(30)，

其特征在于，

-至少一个围绕中央纵轴线(13)设置的并且在轴纵向方向(6)上延伸的分布通道(32)，

-将相应的输送通道(29)与分布通道(32)连接的连接通道(33)，以及

-用于输送冷却气体(K)的每个分布通道(32)的至少一个入口通道(36)。

2.根据权利要求1所述的转子(2)，其特征在于将分布通道(32)与转子轴(5)的外侧连接的至少一个入口通道(36)。

3.根据权利要求1或2所述的转子(2)，其特征在于连接通道(33)在径向方向(R)上延伸。

4.根据权利要求3所述的转子(2)，其特征在于，连接通道(33)和冷却通道(30)彼此对齐。

5.根据上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，一个分布通道(32)与多个输送通道(29)共同地关联。

6.根据上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，设置有中央的分布通道(32)用于对全部输送通道(29)施加冷却气体(K)。

7.根据上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，至少一个入口通道(36)基本上在径向方向(R)上延伸。

8.根据上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，槽(21)的前侧的端部封闭。

9.根据上述权利要求之一所述的转子(2)，其特征在于，在输送通道(29)中设置有与其尺寸匹配的导体杆用于增大激励绕组(23)。

10.一种涡轮发电机(1)，带有根据权利要求1至9之一所述的、能够驱动的、以能够转动的方式安置的转子(2)，以及带有围绕转子(2)的位置固定的定子(3)。

11.根据权利要求10所述的涡轮发电机(1)，其特征在于设置在转子(2)的转子轴(5)上的至少一个通风轮(14)用于输送冷却气体(K)。

12.根据权利要求10或11所述的涡轮发电机(1)，其特征在于围绕转子(2)和定子(3)的气密的壳体(4)。

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