CN109155576A - 水力发电机和用于制造和运行水力发电机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水力发电机(1)，所述水力发电机设计为带有空气冷却的转子(2)和定子(3)的同步电机，带有通过转子绕组(7)形成的至少八个极(19)。本发明还涉及一种用于制造和运行根据本发明的水力发电机(1)的方法。

Description

水力发电机和用于制造和运行水力发电机的方法
技术领域
本发明涉及一种水力发电机，所述水力发电机设计为带有空气冷却的转子和定子的同步电机，转子上带有通过极绕组形成的至少八个极。
本发明还涉及一种用于制造和运行根据本发明的水力发电机的方法。
背景技术
水力发电机必须总是以距临界转速(弯曲临界转速)有充足裕量的方式运行，优选地在第一临界转速以下运行。
在临界转速的范围内，旋转不平衡的力致使机器部分或整个机器处于共振振动。这可能导致发电机的损坏。临界转速基本上由支承、旋转部分的刚度以及旋转部分的质量确定。转子质量的增加导致第一临界转速的降低。
以非常高速运转的水力发电机的运行是有问题的。由于转子质量很大，因而第一临界转速相对较低。为不到达这个运行转速的区域内，尝试将转子的质量保持为尽可能低。在相同的功率下，更低的转子质量要求很有效的冷却，因此此类转子构造为带有水冷冷却。
但与简单的空气冷却相比，水冷冷却成本更高且更昂贵。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是提供一种水力发电机，所述水力发电机可配备有用于转子的空气冷却，且仍适合于快速运行的高功率设备(例如，在超过500MVA的范围内)。
此技术问题通过根据权利要求1的水力发电机解决。根据本发明，自支承的转子体不具有中心轴，而是由多个相互连接的锻造的钢环组成，其中每个钢环具有用于接收转子绕组的槽。
通过此种无中心轴的结构形式，一方面降低了转子质量且因此提高了第一临界转速，另一方面可通过在锻造钢环上形成的转子结构使转子体实现特别高的刚度，通过这样的特别高的刚度也提高了第一弯曲临界转速。因此，此类水力发电机尽管具有高功率，但仍能以对于水力发电机而言相对较高的临界转速运行，例如在400至900转/分的范围内的临界转速，且能以空气冷却转子。
优选地，各个钢环通过沿轴向方向(即平行于旋转轴线的方向)走向的螺栓相互连接或相互张紧。钢环也可借助于定心座相互定心或定向。
有利的是两个发电机轴分别通过过渡件与钢环或转子体连接。其中过渡件沿轴向方向延伸为使得所述过渡件在径向方向上具有柔性。由此补偿了由于运行温度且特别地由于离心力导致的钢环的膨胀。此过渡件可具有铃形、圆柱形或圆锥形形状。
由钢环形成的结构提供的优点是可以以简单的方式形成用于空气冷却的径向冷却通道，即通过环之间的接触面内的槽或凹陷形成所述径向冷却通道。
优选地，由钢环形成的转子体在槽底部上具有冷却通道，所述冷却通道沿轴向方向(平行于旋转轴线的方向)走向。冷却空气优选地通过端侧开口供给到转子体的内部内，且从该处通过径向冷却通道被进一步引导到在槽底部上走向的通道。冷却空气可然后通过绕组内的径向钻孔离开转子。由此实现了对转子绕组的很好的冷却。
轴向冷却通道或者可以不中断地连续在转子体的整个长度上走向，或也可沿纵向方向被划分，因此冷却空气分布可被最优地调节。
本发明也涉及一种用于运行根据权利要求1至14中任一项所述的水力发电机的方法，其中水力发电机在第一弯曲临界转速以下运行。
本发明此外涉及一种用于制造根据权利要求1至14中任一项所述的水力发电机的方法，其中，在各钢环组合为转子体前，槽已加工到各个的钢环内。加工完成的各钢环可然后被运输到最终运行场地，且在该处才将所述钢环组合。这明显地简化了运输。
附图说明
下文中根据附图描述本发明的实施例。各图为：
图1示出了通过根据本发明的水力发电机的示意性纵截面；
图2示出了通过转子的示意性横截面；
图3示出了图2所示转子的局部细节剖面图；
图4、图5和图6示出了图1所示转子的局部细节剖面图；
图7示出了转子的视图。
在各个附图中，相同的附图标号分别标记了相同的设备部分。
具体实施方式
图1示出了沿通过根据本发明的水力发电机1的实施例的旋转轴线20的截面，图中未示出用于轴11的对应的轴承。
垂直竖立的转子2处于定子3内，所述定子放置在基础25上。转子体4由多个钢环5、5a、5b形成，所述钢环通过螺栓8和螺母21相互张紧。各个钢环5、5a、5b通过定心凸肩9相互定心，所述定心凸肩接合到相邻的钢环5、5a、5b的凹缺(空缺位置)10内。
在外部在转子体4上，在钢环5、5a、5b内具有用于转子绕组7的槽6。绕组头通过绕组头支撑部(转子帽)18被稳定。
转子体4在其两个端部上分别通过过渡件12与轴11螺纹连接。过渡件12具有基本上沿径向方向y走向的部段12a，所述部段12a与轴11连接。此外，过渡件12包括沿径向方向y走向的第二个部段12c，所述部段12c被夹紧在两个外部钢环5和5b之间，且因此形成过渡件12与钢环5、5a、5b的连接。
过渡件12的沿轴向方向x走向的部段5b处在两个径向部段5a和5c之间。此圆柱形的部段12b实现了在径向方向y上的一定的柔性。由此在运行中补偿了转子体4的离心力膨胀和热膨胀。此膨胀在运行中甚至可处于数毫米的范围内。
冷却空气可通过转子体4内(过渡件12a内)的端侧开口14被引导到转子内部22内。此冷却空气通过沿径向方向y走向的冷却通道17到达沿轴向方向x走向的槽底部通道16，且通过绕组7内的径向通道23(在图3中可见)冷却绕组7。
最终，冷却空气在气隙内离开转子2。
图2示出了通过18极水力发电机1的转子2的截面图。图中很好地可见钢环5内的各槽6以及用于接收螺栓8的钻孔26。
图3详细示出了图2中的带有放入的绕组7的槽6。在此可见槽底部上的沿轴向方向走向的冷却通道16。通过绕组7内的径向冷却通道23和槽楔15，冷却空气可逸出到处在转子2和定子3之间的气隙内。
在图4中相互图示了两个钢环5的定心座。钢环5的环形定心凸肩9接合到相邻的钢环5的凹缺10内。
图5示出了过渡件12到钢环5和5b上的连结。沿径向方向y走向的部段12c通过螺栓8被夹紧在最外部的钢环5b和钢环5之间。在此区域内，冷却空气通过处在外部的钢环5b和过渡件12的沿轴向方向x走向的部段12之间的环形间隙24被供给到径向冷却通道17，且因此到达槽底部上的轴向冷却通道16。
图6示出了转子内部22内的两个钢环5之间的径向冷却通道17。此冷却通道17可通过钢环5的接触面内的径向槽制成。
在图7中可见绕组头的结构，所述绕组头通过转子帽(绕组头支撑部)被稳定。转子绕组7在此形成十八个极19。
因为根据本发明的结构尤其被构思为用于很大且很重的水力发电机，所以槽6优选地在钢环5、5a、5b组装前被加工出，因为为此所需的加工机器更小。

Claims (17)

1.一种水力发电机(1)，所述水力发电机(1)设计为带有定子(3)和空气冷却的转子(2)的同步电机，其中，在所述转子上极绕组(7)形成至少八个极(19)，其特征在于，自支承的转子体(3)不具有中心轴，而是由多个相互连接的锻造钢环(5、5a、5b)组成，其中，每个钢环(5、5a、5b)具有槽(6)，转子绕组(7)被放入到所述槽内。
2.根据权利要求1所述的水力发电机(1)，其特征在于，各个钢环(5、5a、5b)通过沿轴向方向(x)走向的螺栓(8)相互连接。
3.根据权利要求1或2所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述钢环(5、5a、5b)具有定心凸肩(9)，所述定心凸肩分别接合到相邻的钢环(5、5a、5b)的凹缺(10)内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，形成所述转子体(4)的中间部分的钢环(5a)与转子边缘区域上的钢环(5b)具有不同的内径，优选的是，中间部分内的所述钢环(5a)的内径大于转子边缘区域内的所述钢环(5b)的内径。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，转子边缘区域内的所述钢环(5b)分别通过过渡件(12)与轴(11)连接，其中，所述过渡件(12)沿轴向方向(x)延伸，使得所述过渡件(12)在径向方向(y)上具有柔性。
6.根据权利要求5所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述过渡件(12)设计为铃形。
7.根据权利要求5所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述过渡件(12)的部段(12b)设计为圆柱形或圆锥形。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述过渡件(12)分别固定在两个钢环(5、5b)之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，由所述钢环(5、5a、5b)形成的所述转子体(4)具有沿径向方向(y)走向的冷却通道(17)。
10.根据权利要求9所述的水力发电机(1)，其特征在于，由所述钢环(5、5a、5b)形成的所述转子体(4)在装入转子绕组(7)时具有在槽底部上沿轴向方向(z)走向的冷却通道(16)，其中，所述径向走向的冷却通道(17)开口到轴向走向的冷却通道(16)内。
11.根据权利要求10所述的水力发电机(1)，其特征在于，轴向走向的冷却通道(16)基本上在整个槽底部上延伸。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述转子体(4)优选地在端侧具有用于将冷却空气供给到转子内部(22)内的至少一个开口(14)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述定子也被空气冷却。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述定子被水冷却。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述水力发电机(1)在其第一弯曲临界转速以下运行。
16.一种用于制造根据权利要求1至14中任一项所述的水力发电机(1)的方法，其特征在于，在将各钢环(5、5a、5b)组合为转子体(4)前，在各个钢环(5、5a、5b)内加工出槽(6)。
17.一种用于组装根据权利要求1至14中任一项所述的水力发电机(1)的方法，其特征在于，各个钢环(5、5a、5b)的组装在所述水力发电机(1)的最终运行场所的地点进行。
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