CN111917247A - 一种适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，包括冷凝器、磁极线圈、密封液盒和连接管道。磁极线圈放置于密封液盒的内部，密封液盒的内部灌注液态蒸发冷却介质，使磁极线圈完全浸泡于液态介质中，即液态介质的液面要高于磁极线圈；密封液盒的顶部与冷凝器之间通过连接管道连接，密封液盒内部产生的气态蒸发冷却介质通过该连接管道流向冷凝器，冷凝器冷凝后产生的液态介质同样通过该连接管道流回到密封液盒，这样只需在密封液盒的顶部与冷凝器这两个位置之间设置连接管道即可同时实现液态介质和气态介质的双向流通，而不需要在密封液盒底部和冷凝器之间再设置单独的回液管。

Description

一种适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统

技术领域

本发明涉及一种适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统。

背景技术

纵观水轮发电机冷却技术，大致经历了一个从空冷到水内冷，再到空冷的发展历程。从20世纪30年代开始，水轮发电机一直采用空气冷却，即利用空气对定、转子绕组以及铁芯表面进行冷却(即“全空冷方案”)。为了满足提高发电机效率、降低运行成本的要求，发电机的单机容量势必要进一步提高。水内冷技术在水轮发电机中的应用可以有效减小绕组线棒的温差，使发电机绕组温度分布均匀，可延长绝缘寿命。定子铁心的温升也较空冷方式有大幅度的降低。但伴随着水内冷技术在水轮发电机上的应用研究不断深入和拓展，一些不利因素也逐渐浮现。水内冷电机需要在水电站安装净水系统，系统运行复杂程度增加，可靠性降低；由于水垢的产生及空心铜线被水中的氧离子氧化产生的氧化铜和氧化亚铜等沉积，易造成水路堵塞；水接头及各个密封点处由于承受水压而导致漏水，空心导线的转弯或粗糙点则因为水力钻孔现象造成绕组漏水，电机面临着烧毁绝缘的危险。同时，由于转子采用水冷，将增加结构的复杂性，给加工、安装、运行和维护带来很多不便，并影响机组的可靠性。因此大容量水轮发电机上已很少采用转子绕组水内冷方案。

在满足发电机散热需要的前提下，全空冷方案与全水冷方案(即定转子绕组均采用水内冷)相比具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，能有效地减少电厂的二次运行费用。随着发电机绝缘水平、线棒固定方式和通风系统的不断改进完善，在解决空冷机组的冷却、耐热性能、变形控制、叠片工艺等技术上均取得了较大进展，提高了空冷电机的制造极限。因此从20世纪90年代至今，500MVA以上常规水轮发电机的冷却技术逐步转向了全空冷和半水冷(定子绕组水内冷，定子铁心和转子绕组空气冷却)两强方案并存的格局，其中全空冷方案在超大容量机组中的优势更为突出。此外为了解决水内冷电机其水系统故障问题，同时继承内冷方式的优点，中国科学院电工研究所还开展了以蒸发冷却介质代替水内冷的研究工作，称为定子绕组自循环蒸发冷却技术，目前已在三峡地下电站得到应用，而蒸发冷却技术在水轮发电机转子上的应用，则还在研究之中。

论文《自循环蒸发冷却水轮发电机》(廖少葆、顾国彪、李作之，《电工电能新技术》，1987年第3期)中，详细介绍了立式电机长管道冷却回路的内冷式转子蒸发冷却技术。这种技术采用空心导线绕制的磁极线圈。空心导线的进、出口通过管道连接在冷凝器出、进口上。冷凝器环绕在转轴上，通过轴边进水的方式为冷凝器提供冷却水。经过试验验证，该方案的循环状态正常，冷却效果很好。作者同时提到对于转子冷却回路来说，盒式结构是更好的。但是该论文并未进一步描述盒式结构的具体实施方案。

授权公告号CN 18494173A的发明专利《一种立式电机的转子蒸发冷却装置》公开了一种立式电机的转子蒸发冷却装置，该装置包括：立式电机转子、磁极冷却腔、冷凝器和连接管道，其中磁极冷却腔，其为包绕在转子磁极线圈外面的盒式结构或由磁极线圈和磁极托板构成的空腔结构，磁极线圈与磁极冷却腔之间充满蒸发冷却介质，以使磁极线圈处于被蒸发冷却介质浸泡的状态。出气管的一端固定于磁极冷却腔的出气口，另一端固定于冷凝器的进气口。回液管的一端固定于磁极冷却腔的回液口，另一端固定于冷凝器的出液口。磁极冷却腔、冷凝器和连接管道三部分每部分都有不同的实现形式，进而能够形成不同的组合，以适应多种应用环境。

上述发明专利中公开的转子蒸发冷却方案存在以下几个不可回避的缺陷：(1)该专利没有考虑立式电机的转子结构。其实施例1中，冷凝器位于转子支架的上方，但常规立式电机中，此处并无多余空间放置体积庞大的冷凝器。其实施例2～4中，冷凝器布置于电机转子一侧的轴伸端，但常规立式电机中，并无空余的轴伸端用于布置冷凝器，因此缺乏工程实施性；(2)该专利没有考虑蒸发冷却系统在转子上应用的特殊性。该专利在具体实施方式中提出，冷凝器可以布置在转子支架内部，但同时该专利强调冷凝器和磁极冷却腔之间通过两根管道连接，一根是出气管，一根是回液管。那么当冷凝器布置在转子支架内部，且在竖直方向上不高于磁极冷却腔时，如果转子不转动时，根据连通器原理，液态蒸发冷却介质将同时分布于磁极冷却腔和冷凝器内部，且竖直方向上两者内部必然有相同高度的液面。如果停机状态下，往磁极冷却腔内部灌注的液态蒸发冷却介质较少，无法覆盖到转子磁极的上部，则停机过程中转子磁极线圈上部的发热无法得到冷却，如果往磁极冷却腔内部灌注的液态蒸发冷却介质过多，覆盖到转子磁极线圈的上部，则根据连通器原理，冷凝器内部也将有同样高度的液体，不仅缺乏蒸发冷却空间，影响冷却效果，同时也浪费了价格昂贵的蒸发冷却介质；(3)在该公开专利中的权利要求书和具体实施方案中都提到了冷凝器和转子之间采用旋转密封技术隔绝磁极冷却腔和外部空间，但目前尚无适用于蒸发冷却介质和蒸汽，且成熟稳定可长期运行的大轴径高转速旋转密封技术，因此在工程上无法实现。

发明内容

本发明技术解决问题：提供一种适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，简化了转子蒸发冷却系统的设计，克服现有技术方案的不足，提高了转子蒸发冷却系统的可靠性。

本发明技术方案：一种适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，其特征在于：包括冷凝器、磁极线圈、密封液盒和连接管道，磁极线圈放置于密封液盒的内部，密封液盒的内部灌注液态介质，使磁极线圈完全浸泡于液态介质中，即液态介质的液面要高于磁极线圈，密封液盒的顶部与冷凝器之间通过连接管道连接，密封液盒内部产生的气态介质通过该连接管道流向冷凝器，冷凝器冷凝后产生的液态介质同样通过该连接管道流回到密封液盒，这样只需在密封液盒的顶部与冷凝器这两个位置之间设置连接管道即可同时实现液态介质和气态介质的双向流通，而不需要在密封液盒底部和冷凝器之间再设置单独的回液管；当转子不转动时，磁极线圈完整的浸泡在液态介质中。当转子转动时，伴随磁极线圈发热，液态介质吸热气化，气态介质在压力差的作用下沿连接管道从密封液盒流向冷凝器，由冷凝器冷凝之后产生的液态介质则在转子转动产生的离心力作用下沿连接管道从冷凝器流回密封液盒，从而实现无需循环泵的自循环。这样只需在密封液盒顶部和冷凝器之间设置连接管道，可同时实现气态介质向冷凝器的流动和液态介质向密封液盒的流动，简化了转子蒸发冷却系统的设计，使立式电机的可靠性大大提高。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)在以往非转动结构的浸泡式蒸发冷却方案中，为取得流动压头，冷凝器的高度往往要高于密封液盒，密封液盒的顶部和冷凝器之间设置排气管，冷凝器和密封液盒的底部之间设置回液管。而在立式电机转子上设计浸泡式蒸发冷却方案，由于转子支架上方空间比较紧凑，没有多余空间放置冷凝器。如果把冷凝器放置在空间相对富裕的转子支架内部，则冷凝器就与密封液盒布置在差不多同一个高度上，此时如果沿用非转动结构的浸泡式蒸发冷却方案，仍在冷凝器和密封液盒的底部之间设置回液管，则在转子静止状态下，根据连通器原理，冷凝器和密封液盒内部的液态介质液面将等高。如果密封液盒内部液面过高则缺乏蒸发冷却空间，影响冷却效果，同时也浪费了价格昂贵的蒸发冷却介质，如果密封液盒内部液面过低则会使放置于密封液盒内部的磁极线圈上部无法得到充分冷却。而本发明中只有密封液盒内部有液态介质，当转子不转动时，磁极线圈完整的浸泡于液态介质中。而冷凝器和密封液盒在转子上的径向布局必须满足密封液盒的径向位置大于冷凝器。则当转子转动时，密度较轻的气态介质在压力差的作用下从半径较大的密封液盒流向半径较小的冷凝器，而冷凝之后产生的密度较大的液态介质则在离心力的作用下从半径较小的冷凝器流向半径较大的密封液盒，从而实现了无需循环泵的自循环。通过设计合适的连接管道的管径，这样只需在密封液盒的顶部与冷凝器这两个位置之间设置连接管道即可同时实现液态介质和气态介质的双向流通，而不需要在密封液盒底部和冷凝器之间再设置单独的回液管。优化了转子蒸发冷却结构，提高了立式电机的可靠性。

(2)本发明提出的方案中无论是气态介质还是液态介质，都只在转子上流动，因此不涉及技术难度较高的旋转密封。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的密封液盒的典型结构；

图3为图2的A-A剖面图；

图4为图2的D-D剖面图；

图5为本发明的实施例。

其中，1-转轴，2-转子支架，3-极身，4-极靴，5-磁极线圈，6-冷凝器，7-密封液盒，8-连接管道，27-下盖板，28-外盒，29-内盒，30-上盖板，31-磁极托板，41-静止进水管，42-旋转接水盘，43-静止甩水盒。

具体实施方式

在详细说明本发明之前先对相关术语进行解释和说明。

空气冷却：利用空气作为冷却介质吹过定、转子绕组及铁芯表面进行换热，靠热传导及空气的比热吸热。

水内冷：定、转子绕组的内部直接流通通冷却水，靠热传导及水的比热吸热。

蒸发冷却：采用高绝缘、沸点适当的氟碳化合物为冷却介质。无毒、无污染、不腐蚀金属及电机的其他部件，具有良好的冷却能力及高绝缘、防火、灭弧性能，可抑制电气故障的发生。利用流体的气化潜热换热效率高、绕组温升低、无局部过热。它克服了水内冷运行压力高、泄漏会造成严重损坏的本质弱点。由于其内冷方式省去了风扇，从而使风摩耗下降，总效率可提高0.1～0.2％。操作维护方便，节省材料，运行安全可靠。

旋转密封：旋转密封属于动密封的一种，用于密封有旋转或摆动运动的杆、轴、销、旋转接头等处，它是一种可承受两侧压力或交变压力作用的双向作用的密封结构。

下面通过图1对系统实施方案进行详细说明。

如图1所示，为本发明的系统中，转轴1、转子支架2、转子磁轭和转子磁极共同构成传统电机的转子结构。转子支架2套于转轴1上。有的电机不设转轴，而是将转轴1和转子支架2合并为转子中心体。转子支架2的外围是圆环形的磁轭，图中未画出，用转子支架2一并代表。转子磁极由磁极铁芯和磁极线圈5共同组成，并在磁轭的外围圆周上均布。极身3和极靴4共同构成了电机的磁极铁芯。在有些电机中，极身3和极靴4是一体的；在另一些电机中，磁轭和极身3是一体的。磁极铁芯有时候通过薄钢板叠压而成，有时候通过一整块实心导磁材料加工而成。磁极线圈5嵌套于极身3上，并通过磁极托板(该图中未画出)固定。

在立式电机的蒸发冷却转子中，结构有一定程度的改变。冷凝器6被固定在转轴1或转子支架2上，随转子一起旋转。密封液盒7是一个密闭腔体，磁极线圈5放置于其中并留有空隙，且二者相互之间是绝缘的。冷凝器6和密封液盒7在转子上的径向布局满足密封液盒7的径向位置大于冷凝器6。磁极线圈5与密封液盒7之间充满液态介质，且在转子不转动时，液态介质的液面要高于磁极线圈5，使磁极线圈5处于被液态介质完全浸泡的状态。密封液盒7的顶部开有连接口，该连接口在竖直方向的位置要高于密封液盒7内部液态介质的液面。冷凝器6的侧面开有连接口。连接管道8的一端连接密封液盒7的上部连接口，另一端连接冷凝器6的侧面连接口。

在具体应用上，冷凝器6可以选择以水为二次冷却介质，也可以选择以空气为二次冷却介质。如果选择水作为二次冷却介质，冷却水可以通过轴边进液的方式，通过一侧轴伸端进入，再通过另一侧轴伸端排出。

在具体应用上，密封液盒顶部与冷凝器之间设置连接管道，可以多个密封液盒7共用一台冷凝器6组成并联结构，也可以每个密封液盒7单独用一台冷凝器6构成各自独立的小系统，也可以是一个密封液盒7连接多个冷凝器6。

在具体应用上，密封液盒7和冷凝器6之间设置的连接管道8为空心管状，其外形截面和内孔截面可以是圆形或矩形或多边形。

在具体应用上，密封液盒7和冷凝器6之间的连接管道8，可以为单根，也可以是多根。

当电机运行时，磁极线圈5通电产生的热量被液态介质吸收。液态介质的温度不断升高，当达到沸点时发生沸腾相变。相变产生的气态介质经过连接管道8进入冷凝器6中冷却直至液化。冷凝而来的液态介质在转子旋转的离心力作用下同样经由连接管道8流回密封液盒7中，如此就完成了一次循环。在电机运行的过程中，这个冷却循环周而复始地进行，保证了磁极线圈5在适宜温度下稳定地运行。

该类结构的特点是：a)所有密封面均为静态密封，密封方案成熟可靠；b)利用了转子支架内部的富裕空间放置冷凝器，优化了整机结构；c)冷凝后的液态介质利用转子旋转的离心力从冷凝器自动流回密封液盒，实现了无泵自循环；d)冷凝器和密封液盒之间只需要通过顶部的连接管道连接，避免了从底部回液造成的连通器效应，提高了冷却介质的利用率。

密封液盒7为盒式结构，内部灌满液态介质，磁极线圈5安装在密封液盒7内部，并被液态介质完整浸泡。

如图2、3、4所示，密封液盒7中的下盖板27、外盒28、内盒29和上盖板30由绝缘材料或经绝缘处理的非导磁金属材料制成，四者一体构成环形密闭的盒式结构，并被固定在磁极铁芯上。磁极线圈5及磁极托板31一起被装入密封液盒，并浸泡在液态介质中。密封液盒7的顶部设有连接口，其位置在设计时由实际情况而定，图中所标位置仅作示意。磁极线圈5对外的电连接由设在密封液盒7某个或某几个壁面上的转接板实现，图中未画出。该图是密封液盒7的一种基本原理性结构，具体结构可在设计时做灵活改动和适当变形。

本发明所公开的一种适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，其技术方案由冷凝器、连接管道、磁极线圈和密封液盒四部分组成。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图5为本发明的实施例。

冷凝器6安装在转子支架2上，并随转子支架2一起转动。冷凝器6采用水作为二次冷却介质，冷却水通过静止进水管41流入旋转接水盘42，然后通过旋转接水盘42外径上的分水管流入冷凝器6，从冷凝器6底部排出的冷却水流入静止甩水盒43。

密封液盒7采用图2所示的结构。磁极线圈5被装入密封液盒7内，并浸泡在液态介质中，液态介质的液面高于磁极线圈5。密封液盒7的顶部设有连接口，液态介质在密封液盒7中吸收磁极线圈5发出的热量后温度上升，当液态介质的温度达到蒸发点时，发生气化相变生成气态介质，气态介质经过连接管道8从密封液盒7流入冷凝器6。冷凝而来的液态介质在转子旋转的离心力作用下从冷凝器6底部的连接孔流出，经由连接管道8流回密封液盒7中，如此就完成了一次循环。在电机运行的过程中，这个冷却循环周而复始地进行，保证了磁极线圈5在适宜温度下稳定地运行。

Claims (7)

1.一种适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，其特征在于：包括冷凝器、磁极线圈、密封液盒和连接管道，磁极线圈放置于密封液盒的内部，密封液盒的内部灌注液态介质，使磁极线圈完全浸泡于液态介质中，即液态介质的液面要高于磁极线圈，密封液盒的顶部与冷凝器之间通过连接管道连接，密封液盒内部产生的气态介质通过该连接管道流向冷凝器，冷凝器冷凝后产生的液态介质同样通过该连接管道流回到密封液盒，这样只需在密封液盒的顶部与冷凝器这两个位置之间设置连接管道即可同时实现液态介质和气态介质的双向流通，而不需要在密封液盒底部和冷凝器之间再设置单独的回液管；当转子不转动时，磁极线圈完整的浸泡在液态介质中；当转子转动时，伴随磁极线圈发热，液态介质吸热气化，气态介质在压力差的作用下沿连接管道从密封液盒流向冷凝器，由冷凝器冷凝之后产生的液态介质则在转子转动产生的离心力作用下沿连接管道从冷凝器流回密封液盒，从而实现无需循环泵的自循环，这样只需在密封液盒顶部和冷凝器之间设置连接管道，同时实现气态介质向冷凝器的流动和液态介质向密封液盒的流动，简化了转子蒸发冷却系统的设计，使立式电机的可靠性大大提高。

2.根据权利要求1所述的适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，其特征在于：所述冷凝器和密封液盒在转子上的径向布局满足密封液盒的径向位置大于冷凝器。

3.根据权利要求1所述的适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，其特征在于：所述密封液盒的顶部开有连接口与连接管道相连接，且该连接口在竖直方向的位置高于密封液盒内部液态介质的液面。

4.根据权利要求1所述的适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，其特征在于：所述连接管道是一根或多根。

5.根据权利要求1所述的适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，其特征在于：所述连接管道为空心管状，其外形截面和内孔截面是圆形或矩形或多边形。

6.根据权利要求1所述的适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，其特征在于：所述连接管道是一个密封液盒连接一个冷凝器，或是一个密封液盒连接多个冷凝器，或是多个密封液盒连接一个冷凝器。

7.根据权利要求1所述的适用于立式电机转子的浸泡式蒸发冷却系统，其特征在于：所述冷却介质密封保存于转子上的密封液盒、连接管道和冷凝器内部，不需要在转子转动过程中由转子以外注入转子，也不会在转子转动过程中泄露到转子以外。

Images