CN113346678B - 具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机 - Google Patents

具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有多级轴流‑离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机，它涉及电机领域。本发明为了解决现有汽轮发电机功率密度低和构件温度高的问题，不同厚度的定子铁芯段沿轴向安装，定子铁芯段之间留有径向通风沟，定子铁芯段内开设有定子轭部轴向通风孔和定子齿部轴向通风孔，多级轴流‑离心混合式风扇安装在汽轮发电机的一侧，转子铁芯外表面开设有扇形凹槽和矩形深槽，扇形凹槽内安装有高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体，矩形深槽内安装有转子励磁绕组，转子励磁绕组中开设有转子内冷式通风道，转子励磁绕组下方开设有转子槽底通风道，扇形凹槽下方开设有转子铁芯轴向通风孔。本发明提高了发电机功率密度和冷却效果，结构简单，便于实现。

Description

具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机
技术领域：
本发明涉及具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机，属于电机领域。
背景技术：
随着国民经济的快速发展，电力能源已经成为社会发展和居民生活所必需的重要动力能源和物质基础之一。大型电站中核心设备汽轮发电机的容量较大，传统汽轮发电机仅采用励磁绕组施加励磁电流的方式来产生发电机内的磁场，这就导致汽轮发电机功率密度较低，而且汽轮发电机的轴向长度较长，轴向方向温差会导致定子绕组在轴向方向存在较大的热应力和热变形，直接影响到定子绕组绝缘的使用寿命。汽轮发电机稳定运行时定子区域和转子区域内各部件产生的热量被周围的冷却气体带走，不合理的汽轮发电机通风冷却系统会导致定子区域和转子区域内各构件的热量不能被及时带走，导致定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子励磁绕组和端部构件的温度急剧增加，甚至超过容许温升，严重威胁汽轮发电机的安全稳定运行。
为了能够有效地提高汽轮发电机的功率密度，增大汽轮发电机内总流体流量，并充分地利用汽轮发电机内的风量来有效地带走各构件的热量，可以采用具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机，通过电励磁和永磁体励磁来有效地提高汽轮发电机的功率密度。利用新型多级轴流-离心式风扇来增加汽轮发电机内冷却气体的流量和压力，加快汽轮发电机内流体流速，增大了定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子励磁绕组、高矫顽力永磁体、低矫顽力永磁体和端部构件的散热系数，有效地降低了汽轮发电机内定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子励磁绕组、高矫顽力永磁体、低矫顽力永磁体和端部构件的温度，减小了汽轮发电机轴向方向温差和热应力，提高了汽轮发电机长期安全稳定运行的能力。
发明内容：
本发明的目的是提供具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机，以解决传统汽轮发电机功率密度较低以及定子区域和转子区域通风设计不合理而导致的定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子励磁绕组和端部构件温度过高的问题，明显地提高了汽轮发电机的功率密度，减小了汽轮发电机的体积，通过多级轴流-离心式通风冷却系统的设计可以有效地提高冷却气体的利用率，增大了汽轮发电机内冷却气体的流量和压力，降低了各构件的温度和轴向方向温差，提高了汽轮发电机安全稳定运行的能力。
本发明的具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机，它包括冷却器、水管、径向通风沟、定子支架、定子轭部轴向通风孔、导风环、转子铁芯轴向通风孔、定子齿部轴向通风孔、定子绕组、扇形凹槽、转子励磁绕组、转子槽底通风道、转子护环、多级轴流-离心混合式风扇、定子铁芯段、转轴、磁屏蔽、压指、矩形深槽、高矫顽力永磁体、低矫顽力永磁体、转子内冷式通风道和转子铁芯，多级轴流-离心混合式多级风扇由多级轴流式风扇和离心式风扇组成；多级轴流式风扇由第一级静风叶、第二级静风叶、第三级静风叶、第一级动风叶和第二级动风叶组成。不同厚度的定子铁芯段沿轴向安装，定子铁芯段之间留有径向通风沟，定子铁芯段内开设有定子轭部轴向通风孔和定子齿部轴向通风孔，多级轴流-离心混合式风扇安装在汽轮发电机的一侧，转子铁芯外表面开设有扇形凹槽和矩形深槽，扇形凹槽内安装有高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体，矩形深槽内安装有转子励磁绕组，转子励磁绕组中开设有转子内冷式通风道，转子励磁绕组下方开设有转子槽底通风道，扇形凹槽下方开设有转子铁芯轴向通风孔。
高矫顽力永磁体的材料为钕铁硼，低矫顽力永磁体的材料为铝镍钴；定子铁芯径向通风沟宽度为3mm至8mm；定子轭部轴向通风孔直径为15mm至35mm；定子齿部轴向通风孔直径为10mm至30mm；转子轴向通风孔直径为10mm至30mm；转子槽底通风道截面为长方形，转子槽底通风道截面的长度为15mm至30mm；转子槽底通风道截面的宽度为10mm至25mm；水管内冷却水流速为1m/s至3m/s。
作为优选，所述的定子轭部轴向通风孔的截面积沿着冷却气体流动的方向逐渐减小，使得冷却气体速度沿着冷却气体流动的方向逐渐增大，从而减小了冷却气体温度升高导致定子铁芯段轭部冷却效果变差的影响，提高了冷却气体的利用率，进一步降低了定子铁芯段轭部的温度。
作为优选，所述的定子齿部轴向通风孔的截面由圆形变为长方形，提高了定子铁芯段的表面散热系数，进一步降低了不等厚度的定子铁芯段齿部的温度。
作为优选，所述的定子铁芯段内定子齿部轴向通风孔的数量在径向方向上增加一倍，增大了不等厚度的定子铁芯段齿部和冷却气体的接触面积，进一步降低了不等厚度的定子铁芯段齿部的温度。
本发明的优点：传统汽轮发电机功率密度较低、定转子铁芯和定转子绕组发热较为严重，本发明通过在汽轮发电机单侧采用多级轴流-离心混合式风扇、转子铁芯外表面的扇形凹槽内安装有高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体、矩形深槽内安装有转子励磁绕组、转子铁芯上开设有转子轴向通风孔和转子槽底通风道、转子励磁绕组上开设有转子内冷式通风道、不等厚度的定子铁芯段上开设有定子齿部轴向通风孔和定子轭部轴向通风孔以及不等厚度的定子铁芯段之间留有径向通风沟，从而形成了具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机。具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机通过高矫顽力永磁体、低矫顽力永磁体在气隙内产生正弦度更好的磁场，同时增强了气隙磁场强度。通过改变转子励磁绕组内电流大小可以改变定转子之间气隙内磁场强度，从而实现了汽轮发电机不同工作状态的改变，还有效地提高了汽轮发电机的功率密度，减小了汽轮发电机的体积和降低了制造成本。在新型汽轮发电机通风冷却方面，创新性地采用了多级轴流-离心混合式风扇，利用多级轴流式风扇将汽轮发电机内部冷却气体抽出，提高了汽轮发电机内冷却气体的流量和压力，利用离心式风扇可以再次提高汽轮发电机内冷却气体的流量和压力。通过定子铁芯径向通风沟、定子齿部轴向通风孔、定子轭部轴向通风孔、转子槽底通风道以及转子内冷式通风道可以有效地提高汽轮发电机与冷却气体的接触面积，增大了汽轮发电机内各构件的表面散热系数，提高了冷却气体的利用率，有效地带走了定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子绕组、高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体的热量，明显地降低了定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子绕组、高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体的温度，减小了汽轮发电机轴向方向温差和热应力，防止高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体失磁。本发明所述的具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机的功率密度和冷却效果明显优于传统汽轮发电机的功率密度和冷却效果，而且比传统汽轮发电机的制造成本更低，可靠性更高，易于实现。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明所述具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机内流体流动图；
图2为本发明所述具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机多级轴流-离心式风扇区域(①位置处)局部放大图；
图3为本发明所述具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机直线段区域M-M处截面图；
图4为本发明具体实施方式二所述具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机内流体流动图；
图5为本发明具体实施方式三所述具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机直线段区域M-M处截面图；
图6为本发明具体实施方式四所述具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机直线段区域M-M处截面图。
图中：1-冷却器、2-水管、3-径向通风沟、4-定子支架、5-定子轭部轴向通风孔、6-导风环、7-转子铁芯轴向通风孔、8-定子齿部轴向通风孔、9-定子绕组、10-扇形凹槽、11-转子励磁绕组、12-转子槽底通风道、13-转子护环、14-多级轴流-离心混合式风扇、15-定子铁芯段、16-转轴、17-磁屏蔽、18-压指、19-矩形深槽、20-高矫顽力永磁体、21-低矫顽力永磁体、22-转子内冷式通风道和23-转子铁芯。图中箭头所示为具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机内部冷却气体的流动方向。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1、图2、图3说明本实施方式，它包括冷却器1、水管2、径向通风沟3、定子支架4、定子轭部轴向通风孔5、导风环6、转子铁芯轴向通风孔7、定子齿部轴向通风孔8、定子绕组9、扇形凹槽10、转子励磁绕组11、转子槽底通风道12、转子护环13、多级轴流-离心混合式风扇14、定子铁芯段15、转轴16、磁屏蔽17、压指18、矩形深槽19、高矫顽力永磁体20、低矫顽力永磁体21、转子内冷式通风道22和转子铁芯23，多级轴流-离心混合式多级风扇14由多级轴流式风扇14-1和离心式风扇14-2组成；多级轴流式风扇14-1由第一级静风叶14-1-1、第二级静风叶14-1-2、第三级静风叶14-1-3、第一级动风叶14-1-4和第二级动风叶14-1-5组成。不同厚度的定子铁芯段15沿轴向安装，定子铁芯段15之间留有径向通风沟3，定子铁芯段15内开设有定子轭部轴向通风孔5和定子齿部轴向通风孔8，多级轴流-离心混合式风扇14安装在汽轮发电机的一侧，转子铁芯外表面开设有扇形凹槽10和矩形深槽19，扇形凹槽10内安装有高矫顽力永磁体20和低矫顽力永磁体21，矩形深槽19内安装有转子励磁绕组11，转子励磁绕组11中开设有转子内冷式通风道22，转子励磁绕组11下方开设有转子槽底通风道12，扇形凹槽10下方开设有转子铁芯轴向通风孔7。
高矫顽力永磁体20的材料为钕铁硼，低矫顽力永磁体21的材料为铝镍钴；定子铁芯径向通风沟3宽度为3mm至8mm，本实施例取为6mm；定子轭部轴向通风孔5直径为15mm至35mm，本实施例取为22mm；定子齿部轴向通风孔8直径为10mm至30mm，本实施例取为18mm；转子轴向通风孔7直径为10mm至30mm，本实施例取为20mm；转子槽底通风道12截面为长方形，转子槽底通风道12截面的长度为15mm至30mm，本实施例取为25mm；转子槽底通风道12截面的宽度为10mm至25mm，本实施例取为20mm；水管2内冷却水流速为1m/s至3m/s，本实施例取为2m/s。
在原有的汽轮发电机转子铁芯大齿上开设有扇形凹槽10，扇形凹槽10内安装有高矫顽力永磁体20和低矫顽力永磁体21，将原来等厚度的定子铁芯段调整为不等厚度的定子铁芯段15，实心定子铁芯段内部开设有定子轭部轴向通风孔5和定子齿部轴向通风孔8，将原来两侧压入式单级风扇调整为单侧的多级轴流-离心混合式风扇14。汽轮发电机额定运行时转子外表面的扇形凹槽10中安装有高矫顽力永磁体20和低矫顽力永磁体21，低矫顽力永磁体21安装在高矫顽力永磁体20的两侧，这样设置可以有效地改善汽轮发电机气隙内正弦磁场的波形，还可以明显地增强气隙内磁场强度。通过改变转子区域矩形深槽19内转子励磁绕组11中电流大小可以有效地调节气隙内的磁场强度，从而实现汽轮发电机不同工作状态的改变，有效地提高了汽轮发电机的功率密度，减小了汽轮发电机的体积，有效地降低了汽轮发电机的生产制造成本。在新型汽轮发电机的冷却方面，汽轮发电机内部冷却气体先到达多级轴流式风扇14-1的第一级静风叶14-1-1，在第一级静风叶14-1-1的作用下冷却气体较为规则有序的进入到第一级动风叶14-1-4，在第一级动风叶14-1-4的旋转作用下冷却气体的压力和流量明显地增加后到达第二级静风叶14-1-2，在第二级静风叶14-1-2的作用下冷却气体较为规则有序的进入到第二级动风叶14-1-5，在第二级动风叶14-1-5的旋转作用下冷却气体的压力和流量再次明显地增加后到达第三级静风叶14-1-3，在第三级静风叶14-1-3的作用下冷却气体较为规则有序的进入到离心式风扇14-2的内径处，在离心式风扇14-2的作用下冷却气体的压力和流量进一步地增加，高压力和大流量的冷却气体沿径向方向进入到冷却器中，在冷却器的作用下气体的温度明显降低，从冷却器出来的气体一路沿径向方向进入到定子径向通风沟3，可以有效地带走不同厚度的定子铁芯段15的热量，由于定子径向通风沟3在轴向方向上不等距排布，在靠近多级轴流-离心混合式风扇14处定子径向通风沟3的数量更多，从而可以有效地解决定子轭部轴向通风孔5和定子齿部轴向通风孔8内冷却气体沿轴向方向流动导致的气体温度升高、冷却定子铁芯段15的效果变差的问题，使得不等厚度的定子铁芯段15和定子绕组9在轴向方向上温度分布更加均匀，另一路冷却气体进入到汽轮发电机的左侧端部区域，其中一部分冷却气体对定子端部绕组和磁屏蔽17冷却之后沿轴向方向进入到定子轭部轴向通风孔5和定子齿部轴向通风孔8中，提高了冷却气体和定子铁芯15的接触面积，增大了定子铁芯15的表面散热系数，可以有效地带走不等厚度的定子铁芯段15的热量，进而可以带走与定子铁芯15紧密接触的定子绕组9的热量，有效地降低了定子铁芯段15和定子绕组9的温度；其中一部分冷却气体进入到转子内冷式通风道22、转子槽底通风道12和转子铁芯轴向通风孔7，转子内冷却式通风道22和转子槽底通风道12内的冷却气体沿轴向方向流动，可以有效地增大冷却气体和转子励磁绕组11的接触面积，增大了转子励磁绕组11的表面散热系数，有效地带走了发热严重的转子励磁绕组11的热量，明显地降低了转子励磁绕组11的温度，减小了转子励磁绕组11在轴向方向的温差和热应力。转子铁芯轴向通风孔7内冷却气体沿轴向方向流动可以有效地增大冷却气体与转子铁芯23的接触面积，有效地带走了转子铁芯23的热量，还可以进一步降低距离转子铁芯轴向通风孔7较近的转子扇形凹槽10内高矫顽力永磁体20和低矫顽力永磁体21的温度，显著地降低了高矫顽力永磁体20和低矫顽力永磁体21退磁的风险。最后一部分冷却气体进入到定子铁芯段15和转子铁芯23之间的气隙，这部分冷却气体沿轴向方向流动，有效地带走了定子铁芯齿部和转子铁芯齿部的热量，进一步降低了定子铁芯齿部和转子铁芯齿部的温度。具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机可以有效地提高汽轮发电机的功率密度，降低了其制造成本，提高了汽轮发电机内部冷却气体的利用率，增强了汽轮发电机安全稳定运行的能力。
具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于定子轭部轴向通风孔5的截面积沿着冷却气体流动的方向逐渐减小，使得冷却气体速度沿着冷却气体流动的方向逐渐增大，从而减小了冷却气体温度升高导致定子铁芯段15轭部冷却效果变差的影响，提高了冷却气体的利用率，进一步降低了定子铁芯段15轭部的温度。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于定子齿部轴向通风孔8的截面由圆形变为长方形，提高了定子铁芯段15的表面散热系数，进一步降低了不等厚度的定子铁芯段15齿部的温度。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于定子铁芯段15内定子齿部轴向通风孔8的数量在径向方向上增加一倍，增大了不等厚度的定子铁芯段15齿部和冷却气体的接触面积，进一步降低了不等厚度的定子铁芯段15齿部的温度。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机，其特征在于：它包括冷却器(1)、水管(2)、径向通风沟(3)、定子支架(4)、定子轭部轴向通风孔(5)、导风环(6)、转子铁芯轴向通风孔(7)、定子齿部轴向通风孔(8)、定子绕组(9)、扇形凹槽(10)、转子励磁绕组(11)、转子槽底通风道(12)、转子护环(13)、多级轴流-离心混合式风扇(14)、定子铁芯段(15)、转轴(16)、磁屏蔽(17)、压指(18)、矩形深槽(19)、高矫顽力永磁体(20)、低矫顽力永磁体(21)、转子内冷式通风道(22)和转子铁芯(23)，多级轴流-离心混合式多级风扇(14)由多级轴流式风扇(14-1)和离心式风扇(14-2)组成；多级轴流式风扇(14-1)由第一级静风叶(14-1-1)、第二级静风叶(14-1-2)、第三级静风叶(14-1-3)、第一级动风叶(14-1-4)和第二级动风叶(14-1-5)组成；不同厚度的定子铁芯段(15)沿轴向安装，定子铁芯段(15)之间留有径向通风沟(3)，定子铁芯段(15)内开设有定子轭部轴向通风孔(5)和定子齿部轴向通风孔(8)，多级轴流-离心混合式风扇(14)安装在汽轮发电机的一侧，转子铁芯外表面开设有扇形凹槽(10)和矩形深槽(19)，扇形凹槽(10)内安装有高矫顽力永磁体(20)和低矫顽力永磁体(21)，矩形深槽(19)内安装有转子励磁绕组(11)，转子励磁绕组(11)中开设有转子内冷式通风道(22)，转子励磁绕组(11)下方开设有转子槽底通风道(12)，扇形凹槽(10)下方开设有转子铁芯轴向通风孔(7)。
2.根据权利要求1所述的具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机，其特征在于：高矫顽力永磁体(20)的材料为钕铁硼，低矫顽力永磁体(21)的材料为铝镍钴；定子铁芯径向通风沟(3)宽度为3mm至8mm；定子轭部轴向通风孔(5)直径为15mm至35mm；定子齿部轴向通风孔(8)直径为10mm至30mm；转子铁芯 轴向通风孔(7)直径为10mm至30mm；转子槽底通风道(12)截面为长方形，转子槽底通风道(12)截面的长度为15mm至30mm；转子槽底通风道(12)截面的宽度为10mm至25mm；水管(2)内冷却水流速为1m/s至3m/s。
3.根据权利要求1所述的具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机，其特征在于：所述的定子轭部轴向通风孔(5)的截面积沿着冷却气体流动的方向逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机，其特征在于：所述的定子齿部轴向通风孔(8)的截面为长方形。
5.根据权利要求1所述的具有多级轴流-离心式通风冷却系统的混合励磁汽轮发电机，其特征在于：所述的定子铁芯段(15)内每个定子齿部上均沿径向排布有两个定子齿部轴向通风孔(8)。
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