CN113437815A - 一种铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，包括定子铁心和设置在定子铁心内壁上的若干定子槽，定子槽内设有槽内冷却通道，槽内冷却通道包括上端槽内冷却通道和下端槽内冷却通道，上端槽内冷却通道的两端分别固接并连通有回流通道和串联通道，下端槽内冷却通道的两端分别固接并连通有分发通道和串联通道，回流通道和分发通道位于同一侧且顶部固接并连通有冷却容器，冷却容器位于定子铁心外侧的顶部，本发明的铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，不改变发电机槽内和端部绕组的原有结构，且有效利用定子端部绕组圆周外部空间，降低了发电机的开发成本。
Description
技术领域
本发明涉及汽轮发电机定子绕组的冷却装置技术领域，特别是涉及一种铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置。
背景技术
随着世界能源短缺和节能减排的需要，能源供给结构改革引发越来越多国家的重视。核能作为清洁、高效的能源，越来越受到人们的重视。铅铋快堆具有良好的核废料嬗变和核燃料增值能力，未来将有广阔的发展空间。目前我国正进行小功率等级的铅铋快堆核特性物理实验。随着适用于铅铋快堆发电机组高功率密度要求越来越严格，发电机的散热问题越来越突出。虽然传统的定子绕组线圈冷却水系统能够很好的解决发电机绕组温升的问题，具有冷却水廉价、无毒、不燃、无爆炸危险等优点，并且具有丰富的制造和运行经验。但是定子线圈冷却水系统结构复杂、水质要求高、辅助设备多，将导致发电机造价急剧增加、运行维护困难、稳定性差等缺点，此外，大量的辅助设备将使发电机的体积增加。
针对以上问题，设计一款结构简单、稳定高效的冷却系统，成为铅铋快堆发电机组进一步提高功率密度的关键技术之一。随着对第四代核能的研究，人们发现铅铋合金和水都具有一定的自循环能力，即冷却回路不使用循环泵，利用冷却介质的密度差形成的驱动力完成流动传热。由于自循环冷却系统不需要循环泵提供动力，且冷热端温差越大冷却介质的流速越高，不会因为冷却泵故障或停电引起发电机组紧急停机，提高了发电机组的稳定性、安全性和高效性。但是要将冷却介质的自循环特性应用在发电机的冷却系统中，需要合理的设计加热端和散热端的位置，以及冷却介质的循环通路，通过冷却回路的串联或并联将全部定子槽内通道设计为加热端，在不增加发电机体积的情况下，达到冷却发电机槽内导体的目的。此外，在设计冷却介质循环通路时，既不能影响发电机槽内绕组和端部绕组的排列和绕制，也要尽可能减小通路的局部流通损耗。
铅铋合金具有导热率高的特点，使得铅铋快堆可以做到更高的功率密度，即同样的功率等级，铅铋快堆的有效体积将大幅减小，汽轮发电机作为铅铋快堆发电机组中重要的能源转换装置，其功率密度直接影响发电机组的有效体积。因此，为了提高发电机的功率密度，通常提高发电机的电磁负荷和线负荷，使得发电机的损耗增大，给发电机的冷却系统提出了新的挑战。此外，铅铋快堆安全性高，将作为独立供电的移动电源，对发电机组的稳定性提出了更高的要求。
在发电机定子绕组的冷却方面，很多专利都提出了新型的冷却系统，他们在改善发电机定子绕组冷却条件的同时，都需要改变发电机的原有结构，使得发电机成本显著增加，并且存在着一定的安全隐患。例如中国专利公开号CN110601408A、名称为“基于氢冷技术的水轮发电机组定子绕组内冷却循环系统”，中国专利公开号CN1338806A、名称为“汽轮发电机定子绕组内部蒸发冷却循环装置”，二者都需要使用空心绕组，并且增加了大量的端接器件，增加发电机的复杂性，需要专用的冷却剂降温系统，冷却介质在定子绕组内部流动，对定子绕组内部产生磨损。并且此两种方案都为发电机的唯一冷却系统，一旦冷却系统故障，则直接导致发电机温度急剧升高，对发电机的绝缘造成不可逆转的伤害；对于带有径向通风沟的汽轮发电机而言，定子铁心的热量会较为轻松的通过冷却空气散出，而定子绕组由于绝缘包裹，限制了热传导效率。因此当发电机功率增大且功率密度较高时，发电机的绕组散热问题逐渐突出。
因此，亟需一种铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置来解决以上问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，包括定子铁心和设置在所述定子铁心内壁上的若干定子槽，所述定子槽内设有槽内冷却通道，所述槽内冷却通道包括上端槽内冷却通道和下端槽内冷却通道，所述上端槽内冷却通道的两端分别固接并连通有回流通道和串联通道，所述下端槽内冷却通道的两端分别固接并连通有分发通道和所述串联通道，所述回流通道和所述分发通道位于同一侧且顶部固接并连通有冷却容器，所述冷却容器位于所述定子铁心外侧的顶部。
优选的，所述上端槽内冷却通道靠近所述冷却容器的一端固接并连通有所述回流通道，所述上端槽内冷却通道远离所述冷却容器的一端固接并连通在所述串联通道的顶部。
优选的，所述下端槽内冷却通道靠近所述冷却容器的一端固接并连通有所述分发通道，所述下端槽内冷却通道远离所述冷却容器的一端固接并连通有所述串联通道，所述下端槽内冷却通道设置在所述分发通道和所述串联通道的底部。
优选的，所述回流通道、所述分发通道和所述串联通道均位于所述定子铁心的外侧。
优选的，所述冷却容器远离所述回流通道的一端固接有多组散热片，所述冷却容器内靠近所述分发通道的一端设有溶液出口，所述溶液出口内设有单向阀。
优选的，所述定子槽内设有若干组定子绕组，所述上端槽内冷却通道或所述下端槽内冷却通道与所述定子绕组抵接。
优选的，所述回流通道为半圆形，所述分发通道和所述串联通道为圆形。
优选的，所述冷却容器与所述回流通道通过稳定块进行固定。
本发明公开了以下技术效果：
1.本发明定子绕组自循环冷却系统利用冷却介质的自循环特性，使冷却介质利用自身密度差产生的驱动压头进行循环流动，减少了循环泵等辅助设备，提高冷却系统的安全性和稳定性；
2.本发明冷却介质的循环流动速度根据冷端和热端的温差决定，温差越大，流动速度越快，冷却效果越好，不用使用额外的控制装置；
3.本发明冷却系统，不改变发电机槽内和端部绕组的原有结构，且有效利用定子端部绕组圆周外部空间，降低了发电机的开发成本；
4.采用本发明的冷却系统，可以提高汽轮发电机的电磁负荷，进一步提高了功率密度，本发明冷却系统内的冷却介质采用铅铋比采用水的效果更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置的结构示意图；
图2为本发明中铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置的侧视图；
图3为槽内冷却通道的截面图；
图4为本发明中铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置的轴向截面图；
图5为冷却容器的结构示意图；
图6为冷却系统与原理图；
其中：1、冷却容器；2、散热片；3、回流通道；4、分发通道；5、串联通道；6、槽内冷却通道；6-1、上端槽内冷却通道；6-2、下端槽内冷却通道；7、单向阀；8、定子槽；9、主绝缘；10、定子绕组；11、层间绝缘；12、绕组换位器；13、槽楔；14、定子铁心。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参照图1-6，本发明提供一种铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，包括定子铁心14和设置在定子铁心14内壁上的若干定子槽8，定子槽8内设有槽内冷却通道6，槽内冷却通道6包括上端槽内冷却通道6-1和下端槽内冷却通道6-2，上端槽内冷却通道6-1的两端分别固接并连通有回流通道3和串联通道5，下端槽内冷却通道6-2的两端分别固接并连通有分发通道4和串联通道5，回流通道3和分发通道4位于同一侧且顶部固接并连通有冷却容器1，冷却容器1位于定子铁心14外侧的顶部。
本发明利用冷却介质的自循环特性，通过特定的冷却通道，使冷却介质在通道内循环流动，达到对发电机定子绕组冷却，降低了发电机温升，保证发电机安全运行的目的，其中冷却系统的热端为槽内冷却通道6，冷却容器1内溶液为冷却系统中温度最低的点，因此冷端为冷却容器1，当自然循环回路的冷端和热端产生一定温度差时，即电机槽内通路温度大于冷却容器1内温度时，冷却介质之间会形成密度差，从而产生驱动冷却介质循环流动的驱动压头，当驱动压头大于整个回路的摩擦阻力损失、局部阻力损失和加速阻力损失时，冷却介质便可靠自身密度差在冷却回路中循环。自循环冷却系统减少了冷却介质循环泵等辅助设备，提高冷却系统的安全性。
进一步优化方案，上端槽内冷却通道6-1靠近冷却容器1的一端固接并连通有回流通道3，上端槽内冷却通道6-1远离冷却容器1的一端固接并连通在串联通道5的顶部。
进一步优化方案，下端槽内冷却通道6-2靠近冷却容器1的一端固接并连通有分发通道4，下端槽内冷却通道6-2远离冷却容器1的一端固接并连通有串联通道5，下端槽内冷却通道6-2设置在分发通道4和串联通道5的底部。
进一步优化方案，回流通道3、分发通道4和串联通道5均位于定子铁心14的外侧。
上端槽内冷却通道6-1靠近冷却容器1的一端通过回流通道3与冷却容器1连接，上端槽内冷却通道6-1的另一端与串联通道5连通；下端槽内冷却通道6-2靠近冷却容器1的一端通过分发通道4与冷却容器1连通，下端槽内冷却通道6-2的另一端通过串联通道5与上端槽内冷却通道6-1连通，形成闭合的冷却回路。
进一步优化方案，冷却容器1远离回流通道3的一端固接有多组散热片2，冷却容器1内靠近分发通道4的一端设有溶液出口，溶液出口内设有单向阀7。
冷却容器1位于整个冷却系统的最高位置，冷却容器1为矩形槽结构，其上安装有多组散热片2，可直接使用汽轮发电机自身空冷系统的冷空气吹拂，冷却方式简单，从而达到对冷却容器1内溶液进行冷却的作用。冷却容器1底部的溶液出口通过单向阀7与分发通道4连通，保证了冷却介质只能由冷却容器1向分发通道4单向流动。
进一步优化方案，定子槽8内由底部向顶部依次设有槽内冷却通道6、定子绕组10、绕组换位器12和层间绝缘11，并采用主绝缘9捆扎，定子槽8的顶部设有槽楔口，槽楔口内嵌设有槽楔13，槽楔13远离定子槽8的一端为定子铁心14。
定子绕组10外表面带有绝缘漆，因此槽内冷却通道与定子绕组10紧密贴合在一起，但不会发生导电现象，节省了冷却介质除杂及端接仿触电设备，降低了冷却系统的复杂度。并且冷却通道与定子绕组之间没有绝缘带间隔，确保了较高的热传导性能，提高了发电机的冷却效率。
进一步优化方案，为了使发电机输出电压波形更好和定子槽8中的空间布局合理，定子槽8内设有若干组定子绕组10，上端槽内冷却通道6-1或下端槽内冷却通道6-2与定子绕组10抵接。
进一步优化方案，上端槽内冷却通道6-1或下端槽内冷却通道6-2与定子绕组10抵接，保证了定子绕组与冷却通道具有较高的热传导效率。
进一步优化方案，回流通道3为半圆形，分发通道4和串联通道5为圆形，既为冷却介质提供了循环通路，又不改变发电机定子绕组的端部盘绕，降低了冷却系统的安装难度。
进一步优化方案，冷却容器1与回流通道3通过稳定块进行固定,增加冷却容器1与回流通道3之间连接的稳定性。
本实施例中冷却介质采用纯净水，电机正常运行时，发电机冷却风扇产生的冷却气流使冷却容器1及内部冷却水保持在环境温度。同时定子绕组10维持在稳定运行温度。冷却系统的槽内冷却水温度与冷却容器1内温度具有稳定的温度差，即冷却系统的冷端与热端具有稳定温度差，从而产生由密度差引起的驱动压头，且驱动压头与循环阻力相等，冷却水在冷却系统中以恒定速度流动。定子绕组10温度维持在安全范围内。
发电机启动时，发电机整体处于常温状态。定子槽8内冷却水温度与冷却容器1中温度相等，即冷端和热端没有温度差，冷却系统中冷却水密度相等，因此冷却水相对静止。随着电机运行时间的增加，发电机中定子绕组10温度逐渐升高，而冷却容器1内温度保持在环境温度不变，因此，冷端和热端温度差逐渐加大，由密度差引起的驱动压头逐渐增加，当驱动压头大于溶液的流动阻力时，加之冷却容器1与分发通道4之间的单向阀7作用，冷却水开始在冷却系统中单向流动。随着冷却水流速的增加，冷却水流动摩擦阻力和局部阻力增大，当循环阻力与驱动压头相等时，发电机冷却系统稳定运行。
当发电机处于变工况运行时，发电机定子绕组10损耗随工况变化而改变，从而导致定子槽8内导体温度随时间变化。而冷却容器1内液体温度保持不变，即环境温度。进而冷端和热端温差随时间变化，从而由密度差引起的驱动压头随之改变，导致冷却水循环速度变化。表现出的效果为，发电机温升增大时，冷却介质流速增大，随之流动阻力增大，并且最后达到平衡状态，冷却介质匀速流动。因此，此冷却系统可根据发电机发热情况自行调节冷水流速，减去了控制系统，使冷却系统更加简洁高效。
本实施例的优点在于使用的冷却水常温时即是液态，工作温度区间长，并且冷却水廉价、无毒、无爆炸危险等优点。
实施例2
与实施例1部不同在于，冷却介质采用铅铋合金，铅铋合金常温下为固体，熔点为125℃，导热率为10.5W/m·k，为水的导热率的15倍，将大幅度提高冷却系统的效率。在该实施例中，首先将冷却系统制作完成并安装在发电机转子当中，然后将液态铅铋合金充入冷却系统，液态铅铋从冷却容器1开始，从冷却容器1底部出口通过单向阀7流入分发通道4，依次充满下端槽内冷却通道6-2和上端槽内冷却通道6-1，最后充满整个冷却系统。
当发电机温升达不到铅铋合金熔点时，铅铋合金为固体状态，铅铋合金借助着较高的导热率将定子槽8内导体的热量吸收并传导到冷却容器1中，为发电机提供了初级的散热功能。当发电机温升大于铅铋合金熔点时，铅铋合金受热融化变为液态，并且随着发电机槽内导体温度的升高，冷却系统热端和冷端温差增大，进而产生由密度差引起的驱动压头，驱动铅铋溶液在冷却系统中循环流动，进一步提高冷却效果。当系统发生短路等故障时，发电机处于超负荷运行状态，定子绕组10温度大幅增加，此时铅铋溶液受到的驱动压头增大，冷却效率提高，保证定子绕组10温度不会超过绝缘容许限值温度，保证绝缘不被破坏。
除了以上提到的之外，该实施例其他部分同实施例1所述。此实施例优点在于铅铋溶液的导热率高，从而冷却系统的散热效率高。并且铅铋溶液沸点高，可以允许的最高工作温度也高。因此，该冷却系统采用铅铋合金，可以进一步提高汽轮发电机的功率密度和可靠性，为铅铋快堆的整体发展提供了配套可行的发电机方案。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，包括定子铁心(14)和设置在所述定子铁心(14)内壁上的若干定子槽(8)，其特征在于：所述定子槽(8)内设有槽内冷却通道(6)，所述槽内冷却通道(6)包括上端槽内冷却通道(6-1)和下端槽内冷却通道(6-2)，所述上端槽内冷却通道(6-1)的两端分别固接并连通有回流通道(3)和串联通道(5)，所述下端槽内冷却通道(6-2)的两端分别固接并连通有分发通道(4)和所述串联通道(5)，所述回流通道(3)和所述分发通道(4)位于同一侧且顶部固接并连通有冷却容器(1)，所述冷却容器(1)位于所述定子铁心(14)外侧的顶部。
2.根据权利要求1所述的铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，其特征在于：所述上端槽内冷却通道(6-1)靠近所述冷却容器(1)的一端固接并连通有所述回流通道(3)，所述上端槽内冷却通道(6-1)远离所述冷却容器(1)的一端固接并连通在所述串联通道(5)的顶部。
3.根据权利要求1所述的铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，其特征在于：所述下端槽内冷却通道(6-2)靠近所述冷却容器(1)的一端固接并连通有所述分发通道(4)，所述下端槽内冷却通道(6-2)远离所述冷却容器(1)的一端固接并连通有所述串联通道(5)，所述下端槽内冷却通道(6-2)设置在所述分发通道(4)和所述串联通道(5)的底部。
4.根据权利要求1所述的铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，其特征在于：所述回流通道(3)、所述分发通道(4)和所述串联通道(5)均位于所述定子铁心(14)的外侧。
5.根据权利要求1所述的铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，其特征在于：所述冷却容器(1)远离所述回流通道(3)的一端固接有多组散热片(2)，所述冷却容器(1)内靠近所述分发通道(4)的一端设有溶液出口，所述溶液出口内设有单向阀(7)。
6.根据权利要求1所述的铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，其特征在于：所述定子槽(8)内设有若干组定子绕组(10)，所述上端槽内冷却通道(6-1)或所述下端槽内冷却通道(6-2)与所述定子绕组(10)抵接。
7.根据权利要求1所述的铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，其特征在于：所述回流通道(3)为半圆形，所述分发通道(4)和所述串联通道(5)为圆形。
8.根据权利要求1所述的铅铋快堆用汽轮发电机定子绕组的冷却装置，其特征在于：所述冷却容器(1)与所述回流通道(3)通过稳定块进行固定。
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2021
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