CN104782030A - 电气发电机的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电气发电机(1)、尤其发电厂发电机，所述电气发电机具有用于至少一个空心的管路的至少一个入口(2)和出口(3)，空心的所述管路(4)用于容纳冷却流体(5)，其中空心的管路(4)可设置在电气发电机(1)的转子(6)和/或定子(17)/定子棒(17)和/或轴(8)和/或壳体(9)中或其上，并且其中空心的管路(4)设立为用于借助于冷却流体(5)吸收来自电气发电机(1)的热能的蒸发器(10)。通过冷却可以提高电气发电机(1)的效率。

Description

电气发电机的冷却装置
技术领域
本发明涉及一种电气发电机的冷却装置。
背景技术
电气发电机长期以来已经是已知的。其作用基于将动能或机械能转换为电能，其中通过电导体在磁场中的运动在导体中感应产生电压。随着电气发电机的发展才实现电气化的成功推进并且进入我们的日常生活中。
为了产生电能，现今使用大的电气的发电厂发电机。在其运行中，由于因涡流损耗而造成的损耗功率、因磁滞作用而造成的磁滞损耗或因轴承和密封件而造成的摩擦损耗等导致电气发电机的明显变热，所述明显变热对所述电气发电机的有效系数进而对所述电气发电机的效率具有负面影响。
因此，必须将以热量形式出现的损耗功率导出，因为否则会使电气发电机过热。因此，电气发电机的冷却是尤其所期望的。
然而，至今为止用于冷却电气发电机的设计方案还有更多的改进潜能。例如，借助于强制空气冷却装置来冷却功率直至300MW的发电厂发电机。在这种功率级的电气发电机中，这种类型的冷却达到物理极限，因为对于冷却电气发电机所需的空气速度大至，使得在电气发电机中冷却作用通过空气的摩擦损耗抵消。用于改进冷却作用的考虑对电气发电机的几何形状提出非常高的要求。该方法的缺点是电气发电机的例如位于电气发电机中部的部件未充分地冷却。
而功率自大约300MW起的大多数电气发电机通常用液体冷却。具有如此高的功率的液体冷却的电气发电机不再具有定子绕组而是需要定子棒。吸收或导出损耗热量的冷却流体因此流过定子棒。
在进一步的考虑中，尝试将温差循环冷却装置装入电气发电机中。而这种冷却方法具有下述缺点：不能主动地影响冷却流体如何在各个定子棒中分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种电气发电机，所述电气发电机改进在运行时的效率和电气发电机的有效系数。
该目的借助于具有用于至少一个空心的管路的至少一个入口和出口的电气发电机实现，所述空心的管路用于容纳冷却流体，其中空心的管路可设置在电气发电机的转子和/或定子和/或轴和/或壳体中或转子和/或定子和/或轴和/或壳体上，并且其中空心的管路设立为用于借助于冷却流体吸收来自电气发电机的热能的蒸发器。在此，主要的优点是，设有空心的导体的电气发电机能够直接用冷却流体冷却。这例如能够在其导体或定子棒中设有空心的管路的电气发电机中特别有效地且有效率地实施。
因此，本发明提出，电气发电机的空心的导体或定子棒或空心的壳体以及空心的轴用作为热泵的蒸发器。由此，通过简单的方式方法可以提高电驱动器或电气发电机的效率。此外，能够更紧凑地制造这种电气发电机。
在本发明的一个优选的实施方式中，电气发电机设立用于，经由管路的出口将冷却流体传导给压缩机以用于压缩，所述压缩机再将冷却流体输送给冷凝器以用于散热，紧接着冷却流体可从冷凝器继续传导给节流器以用于膨胀，并且可从节流器重新经由入口输送给电气发电机的起蒸发器作用的空心的管路以用于吸收热能，其中压缩机设立用于，通过吸收机械功来保持冷却流体的继续传导。
换言之，电气发电机利用压缩制冷机的特性。由此，利用在聚集状态从液态变化为气态时的蒸发热的效应。在此，在闭合的循环中运动的冷却流体经受一个接一个的不同的聚集状态的改变。在此，在这种情况下，气态的冷却流体首先通过压缩机压缩。冷却流体从压缩机离开在散热的情况下被输送给冷凝器。紧接着，液态的冷却流体继续传导到节流器上以用于膨胀，其中同时减少其压力。此时降压的冷却流体重新经由入口被输送给电气发电机的起蒸发器作用的空心的管路以用于吸收热能。现在，能够从头开始上文所述的循环。所述过程必须从外部通过经由压缩机输送机械功来保持继续运行。
以这种方式方法，冷却流体(在此经由电气发电机的起蒸发器作用的空心的管路)以低的温度水平吸收热功率，并且紧接着在(由压缩机)输送机械功的条件下将热功率以较高的温度水平释放给周围环境。在此，电气发电机的作用为压缩制冷机的冷却装置的效率随着周围环境的温度的降低而升高。
在本发明的一个特别优选的实施方式中，电气发电机设立用于，使得经由管路的出口借助于喷射泵抽取冷却流体，在所述冷却流体中可借助于喷射泵的加速的工作介质可产生负压进而可经由出口抽吸膨胀的冷却流体，并且其中可借助于喷射泵的工作介质将所抽吸的冷却流体输送给冷凝器以用于冷却，冷却流体紧接着可从所述冷凝器重新经由空心的管路的入口输送给蒸发器。该实施方式的特殊的优点在于，不需要压缩机，而是仅需要相对简单地构造的泵。
在一个尤其优选的实施方式中，喷射泵的工作介质是离子液体。因为离子液体仅具有极其小的蒸汽压，所以可以借助于喷射泵达到大的负压以从电气发电机的空心的管路中抽吸冷却流体。这种效应用于蒸发冷却流体。在此，在蒸发冷却流体时从周围环境中吸收热量。以这种方式，实现电气发电机的冷却。
为了提高冷却的效率，冷却流体是易挥发物质。由此，能够尤其有效地且有效率地进行冷却。
在另一个实施方式中，热量不直接释放给周围环境，而是能够释放给连接在中间的载热体、即另一个冷却循环，所述冷却循环如上文中提到的电气发电机的“周围环境”那样能够具有较低的温度。在此，在冷却流体和在连接在中间的载热体、即另一个冷却循环之间的温度差越高，电气发电机的冷却的效率就越高。
附图说明
在下文中，根据附图详细阐述本发明和示例的实施方式。
附图示出：
图1示出根据本发明的一个实施方式的电气发电机，所述电气发电机具有集成的、空心的定子棒以用于冷却；
图2根据本发明的一个实施方式示出用于冷却电气发电机的喷射泵及其执行方案的原理图。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的一个实施方式的电气发电机1。电气发电机1在图1中示出的实施方式中构成为电机。在此简化地示出电气发电机1的主要部件。在此，所述主要部件是位于轴8上的转子6，所述转子可转动地安装在具有空心的定子棒17的定子7之内，其中各个部件容纳在壳体9中。
在电气发电机1运行时出现损耗功率，所述损耗功率造成各个部件的变热进而减少电气发电机1的有效系数。为了抵抗所述现象，在该实施方式中，定子7或其定子棒17设有空心的管路4，所述管路适合于容纳和引导冷却流体5。在图1中仅简化地示出少量管路4，以便图解说明电气发电机的冷却装置的工作方式。
为了实现电气发电机1的尽可能高且均匀的冷却，根据本发明的另一个实施方式的电气发电机1在电气发电机1的多个或所有的部件中能够具有用于容纳冷却流体5的空心的管路4(在此未示出)。空心的管路4具有入口2和出口3，通过所述入口和出口将冷却流体5输送给空心的管路4和从中导出。在此，空心的管路4借助于位于其中的冷却流体5承担用于吸收来自电气发电机1的热能的蒸发器10的功能。经由入口2或出口3将起蒸发器10作用的空心的管路4连接到循环上，所述循环的其他部件在示出的实施方式中对压缩制冷机进行补充。
根据图1中的箭头图解说明循环的方向，其中冷却流体5经过一个接一个的不同的聚集状态的改变。在此，由电气发电机1在其空心的管路4中加热的冷却流体5经由出口3输送给压缩机11，所述压缩机将冷却流体5压缩(液化)并且继续传导给冷凝器12，其中冷却流体5在散热的条件下冷却。紧接着，冷却流体5经由节流器13膨胀，其中冷却流体5再次转变为气态。在另一个步骤中，已冷却的流体5经由入口2重新输送给作用为蒸发器10的空心的管路4。冷却流体5此时能够重新吸收电气发电机1的热能。由此，上文所述的循环从头开始。
为了使循环保持运行，需要经由压缩机11输送机械功。在此，对于机械功所需的能量小于通过冷却电气发电机1所得到的能量。合适的高功率制冷设备或压缩制冷机已经作为产品供应。为了图解说明能够假设，在发电厂中多个电气发电机1总共产生1GW的电功率。在有效系数为大约98％时，电气发电机1的损耗功率对应于大约20MW。制冷设备例如能够产生直至35MW的制冷功率。为了产生20MW的制冷功率，该设备需要大约2.5MW的电功率，这刚好意味着0.25％点的效率损失。与此相反的是，节省了借助于冷却流体5用于冷却的压缩机功率/泵功率并且通过减少定子棒17的欧姆电阻提高了效率以及降低了定子7本身的温度。根据构造类型，影响是不同的。据此，要么电气发电机1的效率能够保持不变，其中为此在结构空间相同的情况下可能需要更多的功率，要么能够通过提高的效率产生相同的功率。在此不能够给出效率增益的准确数字，因为这与发电机的构造类型和工作点相关。
图2示出本发明的另一个实施方式，其中在所述实施方式中示出的情况下，借助于喷射泵14进行冷却流体5的冷却。在图2中仅简化地示出作用为蒸发器10的、用于借助于冷却流体5吸收来自电气发电机1的热能的空心的管路4。在此，喷射泵14是如下泵，在所述泵中通过另一个流体束在此即工作介质15产生泵作用，所述工作介质通过动量交换抽吸、加速和压缩/运送另一个介质在此即冷却流体5。喷射泵14是非常简单地构造的进而是尤其稳固的、不需经常维修且可多样化使用的。在本实施方式中，将离子液体用作为工作介质15。离子液体具有极其低的蒸汽压进而使得喷射泵14能够达到特别低的压强(抽吸压)。通过喷射泵14以非常高的速度来驱动工作介质15，其中在喷射泵中产生负压，所述负压使得在起蒸发器10作用的空心的管路4中被加热的冷却流体5从电气发电机1的空心的管路4中被抽出并且与工作介质15一起输送给冷凝器12。由于冷却流体5(是易挥发的物质)，该物质从蒸发器10中被抽吸。从蒸发器10中的冷却流体5中抽取对于蒸发所需的热能，其中冷却流体5或电气发电机1被冷却。
在冷凝器12中，蒸汽液化并且由冷却流体5和工作介质15产生的混合物紧接着经由节流器13降压。紧接着，混合物重新经由入口2被输送给蒸发器10。在蒸发器10中随后通过蒸发再次进行冷却流体5与工作介质15的分离。紧接着，循环从头开始。这种类型的冷却装置不需要压缩机而是仅需要相对简单的泵或喷射泵14。由此，在图2中示出的实施方式在运行时允许更高的成本节约。
根据前述实施例的解决方案将空心的定子棒17直接用作为蒸发器。替选地或附加地，制冷设备能够用于冷却电气发电机1，其中中间连接有具有另一个载热体的中间循环以用于冷却冷却流体5(在此未示出)。在附加的替选的实施例中，能够单个地或共同地冷却电气发电机的其他的各个元件。

Claims (6)

1.一种电气发电机(1)、尤其是发电厂发电机，所述电气发电机具有用于至少一个空心的管路的至少一个入口(2)和出口(3)，空心的所述管路(4)用于容纳冷却流体(5)，
其中空心的所述管路(4)能设置在所述电气发电机(1)的转子(6)和/或定子(17)/定子棒(17)和/或轴(8)和/或壳体(9)中或者能设置在所述电气发电机(1)的转子(6)和/或定子(17)/定子棒(17)和/或轴(8)和/或壳体(9)上，并且
其中空心的所述管路(4)设立为用于借助于所述冷却流体(5)吸收来自所述电气发电机(1)的热能的蒸发器(10)。
2.根据权利要求1所述的电气发电机(1)，
其特征在于，
所述电气发电机(1)设立用于，经由所述管路(4)的所述出口(3)将所述冷却流体(5)传导给压缩机(11)以用于压缩，所述压缩机将所述冷却流体(5)输送给冷凝器(12)以用于散热，
所述冷却流体(5)紧接着能够从所述冷凝器中继续传导给节流器(13)以用于膨胀，
并且从所述节流器(13)重新经由所述入口(2)输送给所述电气发电机(1)的起蒸发器(10)作用的空心的所述管路(4)以用于吸收热能，
其中所述压缩机(11)设立用于，通过吸收机械功来保持所述冷却流体(5)的继续传导。
3.根据权利要求1所述的电气发电机(1)，
其特征在于，
所述电气发电机(1)设立用于，借助于喷射泵(14)经由所述管路(4)的所述出口(3)抽取所述冷却流体(5)，其方式是借助于所述喷射泵(14)的被加速的工作介质(15)能产生负压进而能经由所述出口(3)抽吸膨胀的所述冷却流体(5)，
并且其中所抽吸的所述冷却流体(5)能够与所述喷射泵(14)的所述工作介质(15)一起被输送给冷凝器(12)以用于冷却，所述冷却流体紧接着能够从所述冷凝器处重新经由空心的所述管路(4)的所述入口(2)被输送到所述蒸发器(10)。
4.根据权利要求3所述的电气发电机(1)，
其特征在于，
所述喷射泵(14)的所述工作介质(15)是离子液体。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电气发电机，
其特征在于，
所述冷却流体(5)是易挥发的物质。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电气发电机(1)，其特征在于，
所述冷却流体5能直接或经由另一个冷却循环来冷却。
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