CN1087397C - 用于设置在被流动水包围的容器中的发电机的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于设置在被流动水(12)包围的容器(1)中的由涡轮机传动的发电机(2)的冷却系统，以及具有冷却装置(3)的灯泡式水轮发电机和变速传动发电机的冷却装置。本发明的任务是创造一个相应新的冷却系统、尤其是具有新式冷却方式的灯泡式水轮发电机(2)。该新冷却系统是简单的并尽可能对容器的机械支承结构不产生不利影响。它尽可能地无需大的设备成本及首先能通用地应用。该任务是这样实现的：灯泡式水轮发电机具有一个在容器(1)内部设在其液体侧与管道(6)相连接的空气/液体热交换器(3)，管道(6)在一个闭合的循环回路中被引导到至少一个设置在容器(1)外面并与流动水(12)形成热传导连接的液体/液体热交换器(13)。

Description

用于设置在被流动水包围的容器中的发电机的冷却系统
本发明涉及用于设置在被流动水包围的容器中的发电机的冷却系统，尤其是，涉及在容器内部设有其液体侧与管道相连接的空气/液体热交换器的灯泡式水轮发电机或涡轮发电机的冷却系统，以及一种具有这种冷却系统的灯泡式水轮发电机或涡轮发电机。
在此情况下，发电机被涡轮机驱动。
在现有技术中已公知了这种发电机冷却系统的两大类：
1)空气冷却系统；
2)液体冷却系统。
空气冷却系统也已知有两种类型：
a)环境空气冷却系统，其中待冷却的发电机设置在一个相对大的竖井下面，以使排出的热量向上通过竖井排走，其中冷却空气同样是通过竖井导向发电机的。这种系统的缺点是：它不是非常有效的并极其依赖于周围环境条件，如空气温度。此外在竖井范围中需要相对大的结构体积，这便使涡轮机水通道的可用横截面减小。
b)循环冷却系统(叶片冷却)，其中，发电机处于水中的发电机外壳或容器作成双层壳，以便在两层壳之间吹过发电机废气，由此使靠在被流动水冷却的容器外层壳上的废气受到冷却。该系统虽然避免了上述a)中的缺点，但是在制造双层壳时需要一些机械的投入，因为这种双层壳必须借助焊接的支承钢板来制造。该双层壳除冷却功能外，还承担机械支承功能。首先，通常大机械负荷出现在前端区域，使得朝着水流的外壳必需用相当厚的钢板制造，这又引起了被加热的废气到流动水的不利热传递值。
c)循环冷却系统，其中空气冷却循环回路是：在发电机之前从容器向外，在容器之前通过流水到发电机之前的相对侧再回到容器，其中，在容器外的通道中设有空气/水热交换器。一种这类冷却系统已公开在FRB1129191的图5中。这一系统的缺点是，冷却循环回路会导致流水的流动性能的损失以及涡轮效率的不希望的减少。因此，这一技术方案实际上不相关。
液体冷却系统也同样有两种基本类型：
a)流动水冷却，其中将水管或水井中的水通过管道泵入通向空气/液体冷却器的容器中，以便从那里吸收发电机废气的余热。由此加热的流动水被导入到涡轮机废水中。
b)表面冷却，其中在一封闭冷却回路中，冷却液体通过一个双层的发电机壳及通过一个空气-水冷却器由泵循环，双层发电机壳同时相应于设置在水下并支承灯泡式水轮发电机的容器。这时发电机废气通过空气-水冷却器被冷却并用于冷却发电机，而在冷却器中被加热的水的热量则通过发电机壳或容器的外层壳传送给流动水。一种这样的结构已在本申请人的欧洲专利EP-A1 444 039中描述过。虽然这种结构是非常高效的，但仍有1b)中所述的缺点。此外，这种冷却系统的容量受到能够提供及能被利用的发电机容器内表面的限制。另一方面，双层壳的构造增大了在流动水中容器的有效横截面，由此在给定管道直径情况下使可利用的水流横截面减小。
在proceeding of the American Power Conference第41卷197年第1008-1014页中同样公开了一种液体冷却型的实施例，其中通过液体而被冷却的空气在发电机内循环，然而该文章并不涉及空气/液体热交换器的专门的冷却液的供给。
因此本发明的任务在于，以所述现有技术为出发点，解决上述问题并创造一个相应的新冷却系统，尤其是具有新冷却方式的灯泡式水轮发电机。该新冷却系统简单，而且尽可能不会对容器的机械支承结构产生不利影响。它尽可能无需大的设备成本及首先能应用于各种不同直径(通用)的涡轮机，而且制造成本也比较低。
为解决这个问题，首先使用了一种用于灯泡式涡轮机发电机的冷却系统，它在容器内或发电机壳内部具有一个空气/液体热交换器，其液体侧与管道相连接，其中管道在一封闭的循环回路中导入至少一个设置在容器的外面与流动水形成热传导联接的液体/液体热交换器中。
该新的冷却系统以意外简单的方式与组合式液体/空气冷却的以下方面的优点相联系，即可靠的余热传递及与通常冷却空气管道相比较，其冷却液体管道尺寸小，且具有易于制造的、也常用于其他领域的液体/液体热交换器的优点。根据本发明，热交换器不再是容器的组成部分，因此这两者就可根据功能要求择优地设计。对容器可不必考虑其壁上的导热问题来设计，对液体/液体热交换器则考虑最佳的热交换来设计，而不需具有发电机水下容器或发电机外壳的机械强度(水力、机械及振动的负荷)。在本发明范围内设计者有一些自由度来选择流动水的排热的最佳地点。他还可根据结构及位置的观点来进行这种选择。从液体/液体热交换器安装位置选择总是显示出特有的优点。
如果该液体/液体热交换器设置在发电机入孔罩的区域中，则可使冷却液体管道的距离缩短。
如果该液体/液体热交换器设置在发电机入孔及涡轮机入孔之间或至少构成这两个孔之间的连接壁的一部分，则在至今存在的、由于流体技术的原因至今也无压地覆盖的空间将设有这样一种壳罩，即它带来了排放余热的附加效果。由于该区域没有压力(流动水与这两个孔之间的区域直接地接触)，那里的机械负荷相对地小。并且流动水的自由横截面将不会变窄。
反之，如果发电机的液体/液体热交换器固定在容器基座的侧面，这时管道最好通过基座引出，因此在那里也提供了短的管道连接距离及稳定的安装可能性。此外，即使在低水位时，即此时水流通道可能未完全充满时，发电机也能被流动水冷却。
反之，如果该液体/液体热交换器安装在水流通道的壁上时，虽然产生了较长的管道距离，但是与固定在发动机容器上所不同的是取得了减少振动的优点。此外避免了热交换器通过容器直接向外排放余热时排热性能上可能出现的不利影响。
在本发明的范围中也是有任意的解决方案，例如其中在水流通道中设置吸管，在水流通道的自由横截面中例如在吸管上装上支撑，该支撑可将液体/液体热交换器保持在流动水流速较高的位置上。
当将液体/液体热交换器安装在具有较高流动水的水流速度的涡轮机导流头侧的区域上时，流动水大的流速显示出导致排热改善的明显优点。
有利的是，冷却系统的液体/液体热交换器用高导热性能的金属如铝或铝合金-尤其是防腐蚀的铜和/或镍铝合金制成。这样，水中的某些侵蚀性液体就不能损害该液体/液体热交换器。在可能的范围上也可以设置表面层，例如电氧化铝层。也可考虑热交换器完全由不锈钢作成，因为根据本发明由于其壁仅需承受很小的机械力(水力)，故壁厚度小，在这种情况下可以使热传递阻力保持很小的值。
当为了在空气/水冷却器和液体/液体冷却器之间循环四路中加速冷却液体的传输，设置泵是有利的，泵最好设在容器的外面。考虑到容器内部的振动，将泵设在容器内部是不利的，在某些泵传动装置上可能引起轴承的损坏。
设有本发明冷却系统的灯泡式水轮发电机的特点在于发电机容器壁内部的紧凑性。
当然本发明还可包括设有根据本发明冷却系统的装在一容器中的变速传动发电机或竖井式发电机。对于这些发电机可以考虑将冷却系统分成两部分，以便照顾到发电机及传动装置可能不同的冷却要求。
本发明还包括冷却的组合，例如，与油/液体冷却器的组合，它除了液体/空气冷却器具有自己的循环回路，如用于润滑剂，其余热同样地引导到外部的热交换器。
虽然液体/液体热交换器的应用本身在许多另外的领域中是公知的，但是对于灯泡式水轮发电机的技术人员显然是从另外的考虑导致该应用的，以前的考虑常阻碍技术人员在流动水中采用这种热交换器。这在借助下的文献研究了冷却器结构的发展的情况下便可清楚地看出：FR1022783-B，1950年，FR-B-1267170，1960年，申请人的产品说明“灯泡式发电机”，1981年及EP-B1-444059，1989年。这些文献表明，为使热交换器日臻完善，人们作出了持续的努力，并为此克服了巨大的困难。
本发明将借助于示意图中所示的一个实施例以举例方式详细进行描述，附图为
图1：象征性表示的通过根据本发明用于灯泡式水轮发电机的冷却系统的部分剖面图。
在一个只示出其中一个壁11的流道中，流动水12环绕地流过一个灯泡式水轮机或灯泡式水轮发电机的容器1，对发电机仅表示了它的定子8。一个朝着流动水流向的容器半圆形顶罩4必须承受由水压力及水流性能产生的机械负荷。在那里出现的动态和静态的力将分配在容器1上并从那里引导到一个基座。两个入孔5及14可通往发电机2中及通往未示出的涡轮机或传动装置上。
发电机转动2保持在一根与涡轮机相连接的轴10上，该轴支承在一个未示出的基座对面的轴承9中。发电机定子8位于容器1的内壁上，该定子是根据流道中存在的压力状况及负荷来进行最佳设计的。
设有风机7的液体/空气冷却器3通过管道6供给被冷却的冷却液体，后者是通过一个液体/液体冷却器13泵入的。热交换器的两种安装方式为：装在壁11上或装在入孔5和14之间。所述的安装方式对专业人员来说，是可理解的，因此省略了进一步的图解说明。
本发明不受(附图)举例性图解说明的限制。在本发明的范围中具有许多不同的变型及实施方式，并且与部件相关，例如，可采用那些到目前为止还未进入市场的、具有与所述部分相同特性的各种材料。

Claims (8)

1.用于设置在被流动水(12)包围的容器(1)中的发电机(2)的冷却系统，尤其是用于在容器(1)内部其液体侧设有与管道(6)相连接的空气/液体热交换器(3)的灯泡式水轮发电机或涡轮发电机的冷却系统，其特征在于：管道(6)在一个闭合的循环回路中被引导到至少一个与流动水(12)形成热传导连接的液体/液体热交换器(13)中，该热交换器(13)被设置在容器(1)的外面，在发电机(2)的侧旁、上方或下方的范围。
2.根据权利要求1的冷却系统，其特征在于：该液体/液体热交换器(13)设置在发电机入孔(5)的罩的区域中。
3.根据权利要求1的冷却系统，其特征在于：设有发电机入孔(5)及涡轮机入孔(14)，以及该液体/液体热交换器(13b)设置在发电机入孔(5)及涡轮机入孔(14)之间或至少构成这两孔(5，14)之间连接壁的一部分。
4.根据权利要求1的冷却系统，其特征在于：发电机设置在容器(1)中，该容器通过基压向下获得支承，该液体/液体热交换器固定在发电机(2)的基座的侧面，其中管道(6)最好通过基座引出。
5.根据权利要求1的冷却系统，其特征在于：发电机(2)设置在水流通道中，该液体/液体热交换器(13a)安装在水流通道的至少一个壁(11)上。
6.根据以上权利要求中任一项的冷却系统，其特征在于：为了在空气/水冷却器(7)及液体/液体冷却器(13)之间的循环回路中加速冷却液体的传输，设置了泵，它最好设置在容器(1)的外面。
7.根据以上权利要求中任一项的冷却系统，其特征在于：该液体/液体热交换器(3)由高导热性能的金属如铝或铝的合金-尤其是耐腐蚀的含有铜和/或镍的铝合金制成。
8.灯泡式水轮发电机或涡轮发电机具有一个以上权利要求任一项所述的冷却系统。
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