CN115313709B

CN115313709B - 定子结构、电机及涡轮机组

Info

Publication number: CN115313709B
Application number: CN202211195409.4A
Authority: CN
Inventors: 叶绿; 黄彦平; 陈尧兴; 刘光旭; 臧金光
Original assignee: Nuclear Power Institute of China
Current assignee: Nuclear Power Institute of China
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2042-09-29
Also published as: CN115313709A

Abstract

本申请提供一种定子结构、电机及涡轮机组，涉及发电技术领域，通过在定子本体上开设贯穿定子本体的内壁面和外壁面的导流孔，并使该导流孔的延伸方向相对定子本体的径向倾斜，同时，在定子本体上设置与导流孔对应的引流管，从而使位于定子本体的外壁面的辅助工质通过引流管和导流孔，并以第一运动速度流入容纳腔中，带动原本位于容纳腔中的环境工质产生与转子的旋转方向相同的第二运动速度，从而减小容纳腔中的环境工质与转子转动过程中的相对速度，最终减小转子转动时产生的摩擦损耗，提高电机和涡轮机组的效率。

Description

定子结构、电机及涡轮机组

技术领域

本申请属于发电技术领域，尤其涉及一种定子结构、电机及涡轮机组。

背景技术

涡轮机组是指包括透平发电系统或者压缩机旋转系统在内的动力循环机组，由于其具有能耗低、效率高等特点，被广泛应用于发电等动力领域。

在现有的涡轮机组中，由于发电机或电动机本身是置于高压力高密度介质环境中的，因此，即使电机的腔室已经通过密封结构与高压环境隔开，电机转子仍然处于高压工质环境当中，因而当转子高速运转时，将不可避免的与高密度的工质相互作用产生不可忽略的摩擦损耗，从而带来设备性能的牺牲，并影响整个机组的效能，同时，该摩擦损耗也会使转子发热，进而影响转子的使用寿命。

在现有技术中，一般通过配置辅助泵将涡轮设备泄漏至电机腔室中的循环工质回收并且同时控制电机腔室中的工质压力以降低工质密度，但是辅助泵在工作时也会产生额外的耗功，从而降低整个发电系统的效率及电力输出。

发明内容

本申请实施例提供定子结构、电机及涡轮机组，能够降低转子在旋转过程中产生的摩擦损耗。

一方面，本申请实施例提供定子结构，安装于处于高压高密度介质环境的电机，定子结构包括定子本体和引流管，定子本体用于以预设间隔距离环绕设置在电机的转子外周；定子本体包括相对设置的内壁面和外壁面，内壁面围合形成用于容纳转子的容纳腔，定子本体开设有贯穿内壁面和外壁面的导流孔，导流孔用于将位于所述定子本体外壁面的辅助工质引入容纳腔，且导流孔的延伸方向相对定子本体的径向倾斜；所述引流管设置于所述定子本体且与所述导流孔相对应，所述引流管自所述外壁面向远离所述容纳腔的方向延伸。

另一方面，本申请实施例还提供电机，包括：转子和上述定子结构，定子结构固定安装于电机的机壳，转子容纳于定子结构的内壁面所围合形成的容纳腔中，定子结构中的导流孔的延伸方向相对定子本体的径向倾斜，以使导流孔引入的辅助工质在转子的旋转方向的切线方向上具有分速度。

再一方面，本申请实施例还提供涡轮机组，包括上述电机。

本申请实施例提供的定子结构、电机及涡轮机组，首先，通过在定子本体上开设贯穿定子本体的内壁面和外壁面的导流孔，并使该导流孔的延伸方向相对定子本体的径向倾斜，从而使位于定子本体的外壁面的辅助工质通过导流孔以第一运动速度流入容纳腔中，并带动原本位于容纳腔中的环境工质产生与转子的旋转方向相同的第二运动速度，从而减小容纳腔中的超临界流体与转子转动过程中的相对速度，最终减小转子转动时产生的摩擦损耗，提高电机和涡轮机组的效率；其次，通过在定子本体上设置引流管，且引流管与导流孔相对应，从而通过引流管使辅助工质在进入容纳腔时具备更大的第一运动速度，从而带动原本位于容纳腔中的环境工质产生于转子的旋转方向相同的更大的第二运动速度，从而进一步减小环境工质与转子的相对速度，进一步减小转子转动过程中产生的摩擦损耗；同时，由于转子的高速旋转所产生的摩擦损耗使转子发热，会带动位于容纳腔内的环境工质的温度也处于较高状态，因此通过将位于定子本体外壁面的辅助工质引入容纳腔，将在一定程度上降低位于容纳腔内的环境工质的温度，实现对转子的冷却，在一定程度上提高了转子的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一些实施例提供的定子结构的结构示意图；

图2是本申请一些实施例提供的定子结构的另一结构示意图；

图3是本申请一些实施例提供的定子结构的又一结构示意图；

图4是本申请一些实施例提供的定子结构的局部剖视图；

图5是本申请一些实施例提供的定子结构的另一局部剖视图；

图6为本申请一些实施例提供的定子结构与转子的装配示意图。

附图标记说明：

100、定子结构；110、定子本体；111、内壁面；112、外壁面；

113、容纳腔；114、导流孔；115、引流管；116、阻尼件；

117、流通孔；

200、转子。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本申请，并不被配置为限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1示出了本申请一些实施例提供的定子结构的结构示意图，图2示出了本申请一些实施例提供的定子结构的另一结构示意图。

如图1和图2所示，本申请实施例提供的定子结构100，安装于处于高压高密度介质环境的电机（图未示出），定子结构100包括定子本体110和引流管115，定子本体110用于以预设间隔距离环绕设置在电机的转子200外周；定子本体110包括相对设置的内壁面111和外壁面112，内壁面111围合形成用于容纳转子200的容纳腔113，定子本体110开设有贯穿内壁面111和外壁面112的导流孔114，导流孔114用于将位于所述定子本体外壁面的辅助工质引入容纳腔113，且导流孔114的延伸方向相对定子本体110的径向倾斜；引流管115设置于定子本体110且与导流孔114相对应，引流管115自外壁面112向远离容纳腔113的方向延伸。

可以理解的是，本申请实施例中的位于定子本体110的外壁面112的辅助工质与位于容纳腔113中的环境工质可以相同，也可以不同。并且，由于转子200在容纳腔113中的进行高速旋转运动并产生摩擦损耗，因此，位于容纳腔113中的环境工质的温度比位于定子本体110的外壁面112的辅助工质的温度高，因此，当位于定子本体110 的外壁面112的辅助工质通过导流孔114进入容纳腔113时，将使原本位于容纳腔113的环境工质的温度降低，从而达到对转子的冷却作用。

在本申请实施例提供的定子结构100中，通过在定子本体110上开设贯穿定子本体110的内壁面111和外壁面112的导流孔114，同时使导流孔114的延伸方向相对于定子本体110的径向倾斜，从而通过导流孔114将位于定子本体110的外壁面112的辅助工质以第一运动速度引入容纳腔113，同时，带动原本位于该容纳腔113中的环境工质产生与转子200的旋转方向相同的第二运动速度，从而减小容纳腔113中的环境工质与转子200转动时的相对速度，最终减小转子200转动时产生的摩擦损耗；并且，通过在定子本体110上设置引流管115，且引流管115与导流孔114相对应，从而通过引流管115，使位于定子结构100的外侧壁的辅助工质通过引流管115和导流孔114引入容纳腔113时具有更大的第一运动速度，并使其带动原本位于所述容纳腔113中的环境工质产生与转子200的旋转方向相同的更大的第二运动速度，从而在更大程度上减小容纳腔113中的环境工质与转子200转动时的相对速度，进一步减小转子200转动过程中产生的摩擦损耗。

同时，由于辅助工质的温度比环境工质的温度低，因此通过将位于定子本体110的外壁面112的辅助工质引入容纳腔113，将在一定程度上降低位于容纳腔113内的环境工质的温度，实现对转子的冷却，在一定程度上提高了转子的使用寿命。

在上述实施例中，可以理解的是，辅助工质通过导流孔114进入容纳腔113时的第一运动速度与容纳腔113中的环境工质所产生的第二运动速度成正比，容纳腔113中的环境工质所产生的第二运动速度和该环境工质与转子200之间的相对速度成反比。也就是说，辅助工质进入容纳腔113时的第一运动速度越大，原本位于容纳腔113中的环境工质所产生的第二运动速度就越大，反之越小；容纳腔113中的环境工质所产生的第二运动速度越大，该环境工质与转子200之间的相对速度就越小，从而产生的摩擦损耗越小，反之就越大。

可以理解的是，辅助工质在通过导流孔114进入容纳腔113时的第一运动速度的方向与导流孔114的延伸方向相同，因此当辅助工质进行容纳腔113后，该第一运动速度沿转子200的旋转方向的切线方向将产生一定的分速度，该分速度会推动原本位于容纳腔113中的环境工质沿转子200的旋转方向产生运动，从而时该环境工质具有一定的第二运动速度。

作为一个具体的示例，当位于容纳腔113中的转子200沿顺时针方向旋转时，导流孔114的延伸方向相对于定子本体110的径向沿逆时针方向旋转预设角度，以使位于定子本体110外壁面112的辅助工质通过导流孔114引入容纳腔113时带动原本位于容纳腔113中的环境工质产生一定的顺时针运动，最终减小容纳腔113中的转子200转动时与环境工质之间的相对速度，从而减小转子200转动过程中产生的摩擦损耗。

作为另一个具体的示例，当位于容纳腔113中的转子200沿逆时针方向旋转时，导流孔114延伸方向相对于定子本体110的径向沿顺时针方向旋转预设角度，以使位于定子本体110外壁面112的辅助工质通过导流孔114引入容纳腔113时带动原本位于容纳腔113中的环境工质产生一定的逆时针运动，最终减小容纳腔113中的转子200转动时与环境工质之间的相对速度，从而减小转子200转动过程中产生的摩擦损耗。

作为一个具体的实施方式，导流孔114为多个，多个导流孔114沿定子本体110的周向均匀间隔设置；和/或，多个导流孔114沿定子本体110的轴向均匀间隔设置。具体而言，通过在定子本体110上设置多个导流孔114，使位于定子本体110外壁面112的辅助工质可以通过多个导流孔114引入容纳腔113，从而带动原本位于容纳腔113中的环境工质产生与转子200的旋转方向相同的更大的第二运动速度，在更大程度上减小容纳腔113中的环境工质与转子200之间的相对速度，更好的降低转子200转动时产生的摩擦损耗；同时，多个导流孔114在定子本体110的排布方式可以为多种，例如，多个导流孔114可以沿定子本体110的周向均匀间隔设置，或者多个导流孔114可以沿定子本体110的周向均匀间隔设置，或者多个导流孔114可以沿定子本体110的周向和轴向均匀间隔设置。

可以理解的是，当导流孔114为多个时，由于引流管115与导流孔114相对应，因此，引流管115也为多个，当然，在实际应用中，引流管115的数量也可以根据实际需要灵活选择。

在一个具体的实施例中，导流孔114的延伸方向相对于定子本体110的径向的倾斜角度为30°~60°。具体而言，经论证，30°~60°为导流孔114的延伸方向相对于定子本体110的径向的最佳倾斜角度，当导流孔114的延伸方向相对于定子本体110的径向的倾斜角度在此角度范围内时，通过导流孔114被引入容纳腔113内部的辅助工质带动原本位于容纳腔113内的环境工质产生的第二运动速度最合理，即既能有效减小容纳腔113内的环境工质与转子200之间的相对速度，从而减小转子200在转动过程中产生的摩擦损耗，同时也能保证转子200的相对稳定性。

可以理解的是，导流孔114的延伸方向相对于定子本体110的径向的倾斜角度也可以为小于30°或者大于60°，但是，当该倾斜角度过小时，被导流孔114引入的辅助工质在进入容纳腔113时的第一运动速度越小，其带动位于容纳腔113中的环境工质产生的第二运动速度越小，该容纳腔113中的环境工质相对于转子200转动时的相对速度越大，从而导致转子200转动过程中产生的摩擦损耗越大；而当该倾斜角度过大时，由导流孔114引入的辅助工质将带动原本位于容纳腔113中的环境工质产生较大的第二运动速度，使该容纳腔113中的环境工质相对于转子200转动时的相对速度较小，从而有效减少转子200转动过程中产生的摩擦损耗，但是，较大的第二运动速度将可能导致转子200在转动过程中受到影响而失稳，从而影响设备运行的安全；因此，当导流孔114的延伸方向相对于定子本体110的径向的倾斜角度小于30°或者大于60°时，需要采取其他的手段以增强容纳腔113内的环境工质的第二运动速度或者增强转子200在运转时的稳定性。

图3示出了本申请一些实施例提供的定子结构的又一结构示意图。

如图3所示，作为一个具体的实施方式，定子结构100还包括设置在定子本体110的内壁面111的阻尼件116，阻尼件116沿定子本体110的轴向延伸。为了防止原本位于容纳腔113中的环境工质被带动产生速度过大的运动，引起转子200的失稳，本实施例在定子本体110的内壁面111上设置阻尼件116，以降低位于容纳腔113内部的环境工质的第二运动速度，从而保证转子200的运行稳定性。

作为一个具体的实施方式，阻尼件116的数量为多个，多个阻尼件116沿定子本体110的周向间隔排布。具体地，阻尼件116的数量根据容纳腔113内被引入的辅助工质的运动速度合理选择，例如，当该运动速度过大时，可以在定子本体110的内壁面111上设置较多个的阻尼件116，以减小原本位于容纳腔113中的环境工质被带动产生的第二运动速度，保证转子200转动过程中的稳定。

图4示出了本申请一些实施例提供的定子结构的局部剖视图。

如图4所示，作为一个具体的示例，每个阻尼件116开设有流通孔117，多个阻尼件116的流通孔117位于定子本体110沿径向的同一横截面。可以理解的是，通过在阻尼件116上开设流通孔117，且多个阻尼件116的流通孔117位于定子本体110沿径向的同一横截面，使容纳腔113中的环境工质可以通过流通孔117流通，在一定程度上减小阻尼件116对容纳腔113中的环境工质的阻尼作用，以防止出现由于阻尼件116的阻尼作用过大而造成容纳腔113内二次流损失变大的情况。

作为另一个具体的示例，多个阻尼件116的流通孔117位于定子本体110沿径向的不同横截面。具体地，通过设置多个阻尼件116的流通孔117位于定子本体110沿径向的不同横截面，即相邻两个阻尼件116的流通孔117在定子本体110的轴向上错位设置，既可以通过流通孔117减小阻尼件116对容纳腔113内的环境工质的阻尼作用，又可以保证该阻尼作用不会被过度减小而导致环境工质的第二运动速度过大而引起转子200失稳，从而实现对容纳腔113内的环境工质相对于转子200的相对速度的灵活调节。

为了进一步减小阻尼件116对容纳腔113中的环境工质的阻尼作用，作为一个具体的实施例，每个阻尼件116上沿定子本体110的轴向开设有多个流通孔117，多个阻尼件116上的多个流通孔117位于定子本体110沿径向的同一横截面，或者多个阻尼件116上的多个流通孔117位于定子本体110沿径向的不同横截面。

为了提高转子200在转动过程中的稳定性，同时保证阻尼件116对容纳腔113内的环境工质的阻尼作用，作为一个具体的实施例，阻尼件116在定子本体110的轴向上的长度为位于容纳腔113中的转子200的轴跨长度的1/4~1/3。可以理解的是，在电机的安装过程中，将转子200安装于定子结构100的容纳腔113时，转子200与定子结构100的内壁面111之间将存在两个安装端点，也就是说，转子200位于定子结构100中的实际长度即为两个安装端点之间的距离，在本实施例中，轴跨长度就是指两个安装端点之间的距离。

图5示出了本申请一些实施例提供的定子结构的另一局部剖视图。

如图5所示,为了提高阻尼件116的阻尼效果，使容纳腔113中的环境工质通过阻尼件116时更加均匀，从而进一步保证转子200转动过程中的稳定性，作为一个具体的实施例，阻尼件116的两端与定子结构100的内壁面111的两端之间存在预设距离H。

作为一个具体的实施例，当阻尼件116位于定子结构100的内壁面111沿定子本体110的轴向的中心处时，该预设距离H可以为定子结构100的内壁面111在定子本体110的轴向上的长度减去该阻尼件116的长度的1/2，从而使通过阻尼件116的环境工质更加均匀，进一步保证容纳腔113中的转子200在转动过程中的稳定性。

在一个具体的实施例中，阻尼件116沿定子本体110的径向与转子200之间存在预设间隙。具体的，该预设间隙可以为2毫米-4毫米，以防止转子200在转动过程中与阻尼件116发生碰撞，提高转子200在转动过程中的安全性能。

图6示出了本申请一些实施例提供的定子结构与转子的装配示意图。

如图6所示，本申请实施例还提供一种电机，包括：转子200和上述定子结构100，定子结构100固定安装于电机的机壳，转子200容纳于定子结构100的内壁面111所围合形成的容纳腔113中，定子结构100中的导流孔114的延伸方向相对定子本体110的径向倾斜，以使导流孔114引入的辅助工质在转子200的旋转方向的切线方向上具有分速度。

在本申请实施例提供的电机中，通过在定子结构100的定子本体110上设置导流孔114，使位于定子本体110外壁面112的辅助工质通过导流孔114以第一运动速度引入容纳腔113中，并带动原本位于容纳腔113内的环境工质产生与转子200的旋转方向相同的第二运动速度，从而减小转子200在转动时与容纳腔113内的环境工质的相对速度，从而减小转子200转动过程中产生的摩擦损耗，最终提高电机的效率和电力输出。

作为一个具体的实施方式，上述电机可以为发电机，也可以为电动机，当然，上述电机也可以为处于高压高密度环境下、且具有定子和转子的组合结构的其他设备。

本申请实施例还提供一种涡轮机组（图未示出），包括上述电机。通过在电机中的定子结构100的定子本体110上设置导流孔114，使位于定子本体110外壁面112的辅助工质通过导流孔114以第一运动速度引入容纳腔113中，并带动原本位于容纳腔113内的环境工质产生与转子200的旋转方向相同的第二运动速度，从而减小转子200在转动时与容纳腔113内的环境工质的相对速度，从而减小转子200转动过程中产生的摩擦损耗，最终提高电机的效率，提高涡轮机组的整体效率和设备运行安全。

可以理解的是，该涡轮机组可以为发电机组，例如，透平发电机组、气轮机发电机组等，也可以为采用电动机进行驱动的其他动力机组，如压缩机机组等。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种定子结构，安装于处于高压高密度介质环境的电机，其特征在于，所述定子结构包括：

定子本体，所述定子本体用于以预设间隔距离环绕设置在所述电机的转子外周；所述定子本体包括相对设置的内壁面和外壁面，所述内壁面围合形成用于容纳所述转子的容纳腔，所述定子本体开设有贯穿所述内壁面和外壁面的导流孔，所述导流孔用于将所述定子本体的所述外壁面的辅助工质引入所述容纳腔，并带动原本位于所述容纳腔的环境工质运动，且运动方向与所述转子的旋转方向相同，且所述导流孔的延伸方向相对所述定子本体的径向倾斜，所述导流孔的延伸方向相对于所述定子本体的径向的倾斜角度为30°~60°；

引流管，所述引流管设置于所述定子本体且与所述导流孔相对应，所述引流管自所述外壁面向远离所述容纳腔的方向延伸；

所述定子结构还包括设置在所述定子本体内壁面的阻尼件，所述阻尼件沿所述定子本体的轴向延伸；所述阻尼件的数量为多个，多个所述阻尼件沿所述定子本体的周向间隔排布；每个所述阻尼件开设有流通孔，多个所述阻尼件的所述流通孔位于所述定子本体沿径向的同一横截面；所述阻尼件在所述定子本体的轴向上的长度为位于所述容纳腔中的转子的轴跨长度的1/3~1/2。

2.根据权利要求1所述的定子结构，其特征在于，所述导流孔为多个，多个所述导流孔沿所述定子本体的周向均匀间隔设置；和/或，多个所述导流孔沿所述定子本体的轴向均匀间隔设置。

3.一种电机，其特征在于，包括：转子和如权利要求1-2中任一项所述的定子结构，所述定子结构固定安装于所述电机的机壳，所述转子容纳于所述定子结构的所述内壁面所围合形成的所述容纳腔中，所述定子结构中的所述导流孔的延伸方向相对所述定子本体的径向倾斜，以使所述导流孔引入的辅助工质在所述转子的旋转方向的切线方向上具有分速度。

4.一种涡轮机组，其特征在于，包括如权利要求3所述的电机。