CN116982244A - 具有高压空气冷却的发电机 - Google Patents

Abstract

一种包括具有转子槽的转子轴的发电机转子包括：转子绕组，其至少部分设置在所述转子槽内；以及楔块，其耦接到所述转子轴并且沿着所述转子轴轴向延伸，所述楔块被定位成抑制所述转子绕组从所述转子槽的径向移动。密封构件耦接到所述楔块并且沿着所述楔块轴向延伸。所述密封构件与所述楔块和所述转子轴协作以在其间限定密封。所述楔块、所述密封构件和所述转子轴协作以至少部分限定封闭空间，所述封闭空间可操作以容纳高压冷却剂。

Description

具有高压空气冷却的发电机

背景技术

发电机、并且特别是三相同步发电机通常用于发电活动中以使用诸如燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、风力涡轮机、水力涡轮机等等原动机来产生适合电网的电力。发电机通常包括在操作期间保持静止的定子和相对于定子旋转的转子。转子通常包括两个或更多个极，这些极在旋转时与定子相互作用，从而以所期望的频率和电压产生所期望的电流。

发电机的功率密度是电枢的电流密度的函数，并且进而是场绕组(即，转子)的电流密度的函数。为了在比传统空气冷却可以提供的电流密度高的电流密度下操作，可以使用与空气相比具有经改进的热力学性质的流体(例如，氢气)直接冷却场绕组。

发明内容

在一个方面中，一种包括具有转子槽的转子轴的发电机转子包括：至少部分设置在所述转子槽内的转子绕组以及耦接到所述转子轴并且沿着所述转子轴轴向延伸的楔块(wedge)，所述楔块被定位成抑制所述转子绕组从所述转子槽的径向移动。密封构件耦接到所述楔块并且沿着所述楔块轴向延伸。所述密封构件与所述楔块和所述转子轴协作以在其间限定密封。所述楔块、所述密封构件和所述转子轴协作以至少部分限定可操作以容纳高压冷却剂的封闭空间。

在另一方面中，一种发电机转子包括具有转子槽的转子轴。所述转子包括：至少部分设置在所述转子槽内的转子绕组；楔块，所述楔块耦接到所述转子轴，并且被定位抑制所述转子绕组从所述转子槽的径向移动；以及耦接到所述楔块的密封构件。所述密封构件与所述楔块和所述转子轴协作以限定第一空间。第一保持环耦接到所述转子轴以在所述第一保持环与所述转子轴之间限定第二空间，并且第二保持环耦接到所述转子轴以在所述第二保持环与所述转子轴之间限定第三空间。所述第二空间被配置成接纳高压冷却剂并将所述高压冷却剂引导到所述第一空间和所述第三空间。

在另一方面中，一种发电机转子包括具有转子槽的转子轴。所述转子包括至少部分设置在所述转子槽内的转子绕组以及耦接到所述转子轴并沿轴向方向延伸的楔块。所述楔块被定位成抑制所述转子绕组从所述转子槽的径向移动。楔块插入件定位成与所述楔块相邻，楔块帽定位成与所述楔块插入件相邻以将所述楔块插入件夹设在所述楔块帽与所述楔块之间，并且楔块螺栓与所述楔块螺纹地接合，并且可操作以沿所述轴向方向压缩所述楔块插入件并使所述楔块插入件沿所述径向和周向方向膨胀。环形密封件围绕转子的周向部分延伸并且定位在所述楔块插入件的轴向外侧，辅助密封件围绕转子的周向部分延伸并且定位在楔块插入件的轴向内侧，并且保持环耦接到所述楔块，使得所述环形密封件、所述楔块插入件和所述辅助密封件中的每一者各自与所述保持环和所述楔块协作以在其间形成密封。

附图说明

为容易识别对任何特定元件或动作的论述，附图标记中的一个或多个最高有效数字是指其中首先引入该元件的图号。

图1是发电机的沿着发电机中心线、旋转轴线或纵向轴线截取的横截面视图。

图2是适用于图1的发电机中的转子的透视图。

图3是适用于图1的发电机中的定子的一部分的透视图。

图4是适用于图1的发电机中的转子的透视图。

图5是适用于图1的发电机中的包括加压转子冷却系统的转子的透视截面视图。

图6是图5的转子的转子槽的一部分的轴向端视图。

图7是图6的槽的一部分的示意性截面视图。

图8是图5的转子的槽的轴向端部的一部分的透视局部剖切视图，其图示第一环形密封区域。

图9是图5的转子的槽的另一轴向端部的一部分的透视局部剖切视图，其图示另一第一环形密封区域。

图10是图5的转子的槽的另一轴向端部的一部分的透视局部剖切视图，其图示另一第一环形密封区域。

图11是图5的转子的槽的另一轴向端部的一部分的透视局部剖切视图，其图示另一第一环形密封区域。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解，本发明在其应用上并不限于在本说明书中阐述或在以下附图中图示的构造细节和部件布置。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践或执行。而且，应理解，本文中使用的措词和术语是出于描述目的，并且不应该被视为限制性的。

现在将参考附图描述与系统和方法有关的各种技术，其中在说明书通篇中，相似的附图标记表示相似的元件。下文论述的附图以及在此专利文献中用于描述本公开内容的原理的各种实施例仅作为说明并且不应以任何方式解释为限制本公开内容的范围。所属领域的技术人员将理解，本公开内容的原理可以在任一经适当布置的装置中实现。应理解，被描述为由某些系统元件执行的功能可以由多个元件实施。类似地，例如，一元件可以被配置成实施被描述为由多个元件执行的功能。将参考示例性非限制性实施例描述本申请的众多创新性教示。

而且，应理解，除非在一些实例中明确限制，否则本文中使用的词语或短语应该被广义地解释。例如，术语“包括有”、“具有”和“包括”以及其派生词意指包括、但不限于。单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指示。此外，如本文中所使用的，术语“和/或”是指并且包括相关联的所列举项目中的一者或多者的任何和所有可能组合。术语“或”是包括性的，意指和/或，除非上下文另外明确指示。短语“与…相关联”和“与之相关联”以及其派生词可以意指包括、包括在…内、与…互连、包含、包含在…内、连接到…或与…连接、耦接到…或与…耦接、可与…连通、与…协作、交错、并置、接近于、束缚到…或与…束缚在一起、具有、具有…的性质等等。此外，虽然本文中可以描述多个实施例或构造，但是关于一个实施例描述的任何特征、方法、步骤、部件等等同样适用于没有相反具体陈述的其他实施例。

而且，虽然在本文中可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等等来指代各种元件、信息、功能或动作，但是这些元件、信息、功能或动作不应受到这些术语的限制。相反，使用这些数字形容词来将不同元件、信息、功能或动作彼此区分开。例如，第一元件、信息、功能或动作可以称为第二元件、信息、功能或动作，并且，类似地，第二元件、信息、功能或动作可以称为第一元件、信息、功能或动作，而不背离本公开内容的范围。

另外，术语“相邻于/与…相邻”可以意指：一元件相对接近于、但是并不接触另一个元件；或者该元件与另一部分接触，除非上下文另外明确指示。此外，短语“基于”旨在意指“至少部分基于”，除非另外明确说明。术语“约”或“基本上/大致”或类似术语旨在涵盖值在该尺寸的正常工业制造公差内的变化。如果无可用的工业标准，则20％的变化将落入这些术语的含义内，除非另外说明。

如图1中所图示的，发电机100包括定子300和被支撑成在定子300内旋转的转子200。定子300包括环绕并基本上封闭定子芯104的定子壳体102。定子芯104通常由沿纵向方向(沿着旋转轴线)堆叠的多个叠片116构成。每一叠片116包括切口或以其他方式成形以限定转子本体120的所期望的特征，包括被定大小成接纳转子200的孔118。

在一些构造中，提供定子冷却系统106以冷却定子300并提高定子300的效率和功率密度。在一些构造中，采用冷却气体作为定子冷却剂。然而，较大的定子300可以包括液体冷却，诸如水冷却。

转子200包括转子本体120、转子轴122以及耦接到转子轴122的两个保持环114。在许多情况下，转子本体120被视为是转子轴122的一部分。所图示的转子轴122由定位在转子200的每一端部处的轴承110支撑成旋转。涡轮机联轴器108定位在转子200的一端处以促进转子200到涡轮机(例如，燃烧涡轮机、蒸汽涡轮机、水力涡轮机、风力涡轮机等等)或另一原动机的连接。转子200的另一端(相对端)可以包括励磁机联轴器112，其实现到励磁机或其他旋转装备的连接。

图1中所图示的发电机100是同步发电机100。然而，异步发电机或马达可以包括本文中描述的特征。

图2更详细地图示图1的转子200。转子本体120包括沿着转子本体120纵向延伸的一系列转子槽202。转子绕组204定位在转子槽202内以限定一对或多对极。在所图示的构造中，转子绕组204形成两个极。然而，如果期望，其他构造可以包括四个极、八个极或更多个极。有时称为场的转子200还包括滑环206，滑环206提供到励磁机的连接，励磁机以所期望的电压向转子绕组204提供电流以产生磁场。

转子200还可以包括操作以冷却转子200的转子冷却系统208。在一些构造中，转子200借助采用诸如氢气的另一流体的其他构造被空气冷却。

转向图3，更详细地图示定子芯104。在大多数构造中，定子芯104由沿纵向方向堆叠的一系列叠片116形成。每一叠片116包括在堆叠时限定定子芯104的所期望特征的切口、开口或特征。叠片116中的每一者均包括多个齿302，齿302围绕孔118沿周向均匀地间隔开。齿302协作以限定延伸定子芯104的长度的一系列槽。棒306定位在这些槽内，并且相互电连接以限定一系列定子绕组。在所图示的发电机100中，定子绕组被布置成限定三个相。一般来说，如可能所期望的，这三个相被电气地布置成限定三角形电路或Y形电路。当然，如果期望，其他构造可以包括单个相或多于三个相(即，六个相)。

作为定子冷却系统106的一部分，棒306中的每一者均可以包括一个或多个冷却剂通道310，冷却剂通道310实现冷却剂沿着棒306的长度的流动。如所论述的，通常采用诸如水的冷却剂流体来冷却定子300。当然，如果期望，其他定子可以不采用任何冷却。

图4更好地图示图2的转子200，其中保持环114中的一者被移除。转子200是两极转子200，其中在适当位置图示单个转子绕组204。转子200包括转子轴122，转子轴122支撑多个齿402，齿402围绕转子轴122的周向部分径向向外延伸。在大多数构造中，齿402由实心轴机加工而成，使得齿402和转子轴122是单个不可分离的部件。每一齿402与相邻齿402协作以在其间限定转子槽202中的一者。

齿402各自限定最外层表面，该最外层表面限定转子轴122的最大直径。保持环装配件404可以在齿402的轴向端部附近机加工到齿402中以为保持环114提供装配位置。当然，如果期望，其他构造可以省略保持环装配件404，或者可以包括保持环装配件404的许多不同布置。

转子绕组204由限定连续或完整环路的一系列线圈形成。因此，每一线圈沿着第一转子槽202沿第一轴向方向延伸，在第一端部处形成环路以限定端部线匝406，在第二转子槽202中沿与第一方向相反的第二方向沿第二轴向方向延伸，并且形成第二线匝以完成该环路。这一系列线圈堆叠并相互连接以限定各个转子绕组204，转子绕组204又协作以限定所期望的极。

绝缘件的层408定位在转子槽202中的每一者中的相邻线圈之间以使其相互绝缘，从而减少这些线圈之间的不期望连接的可能性。一个或多个楔块410定位在每一转子槽202的外径或顶部处，以将线圈和绝缘件楔入适当位置，从而减少操作期间的不期望移动。保持环114然后耦接到转子轴122，其中每一保持环114接合保持环装配件404中的一者以允许保持环114覆盖和保护端部线匝406，同时还将端部线匝406保持在适当位置。

图5图示适用于图1的发电机100中的转子500。转子500包括转子冷却系统520，所述转子冷却系统520允许加压冷却剂(通常是空气)循环通过转子本体120以冷却转子本体120、并且更具体来说冷却转子绕组204，并且以比原本可以实现的功率密度高的功率密度实现更高效的操作。

转子冷却系统520是封闭系统，其可以从静止压缩机(未示出)接收压缩空气，使得该系统内的空气(或其他气体，如果采用)维持在所期望的高压(即，大于大气压力)。转子冷却系统520包括冷却剂泵502、入口孔504、排放环形件506、一个或多个入口孔口516、第一冷却剂空间512和第二冷却剂空间508。所图示的构造中的冷却剂泵502包括离心泵或其他机构，其直接连接到转子轴122以与之共同旋转，并且能够使已经加压的空气或其他气体循环通过转子冷却系统520。冷却剂泵502被布置成排出温暖空气，该温暖空气将在热交换器(未示出)中冷却，并且然后返回到作为闭环高压转子冷却系统520的一部分的入口孔504，其中其他布置是可能的。

入口孔504延伸转子500的整个长度，并且包括插塞518，所述插塞518定位在一端处以密封入口孔504，从而促进将高压冷却剂容纳在其中。一个或多个入口孔口516延伸穿过转子轴122以提供入口孔504与第一冷却剂空间512之间的流体连接。在所图示的构造中，多个入口孔口516径向延伸穿过转子轴122。入口孔口516的数量和那些入口孔口516的大小被选择成确保入口孔504与第一冷却剂空间512之间的所期望的流率。

第一冷却剂空间512包含一组端部线匝406，并且通过保持环114中的一者、转子轴122、转子本体120和端板514的协作限定。保持环114的第一端部与转子本体120协作以限定第一环形密封区域510。保持环114的第二相对端部接合端板514的外径。端板514的内径接合转子轴122以密封第一冷却剂空间512。应注意，虽然端板514被描述为单个部件，但是多个部件或零件可以协作以端板514。

第一冷却剂空间512流体地连接到转子槽202以促进高压冷却剂从第一冷却剂空间512流到第二冷却剂空间508。第二冷却剂空间508包含与第一组端部线匝406相对的第二组端部线匝406。第二冷却剂空间508与第一冷却剂空间512大致相同，并且通过保持环114中的另一者、转子轴122、转子本体120和另一端板514的协作限定。第二冷却剂空间508收集来自转子槽202的高压冷却剂并将该流引导到排放环形件506。

排放环形件506通过转子孔和定位在转子孔内并与转子孔的外壁间隔开的环状套筒522的协作形成。因此，环状套筒522将转子孔分成转子环状套筒522内部的入口孔504和通过转子孔与环状套筒522的协作形成的排放环形件506。

图6图示转子槽202中的一者的顶部或外径部分，其更好地示出楔块410的放置。在所图示的构造中，每一齿602限定相对于转子200的径向轴线以倾斜角度延伸的齿钩604。

楔块410中的每一者均包括两个楔块钩606和两个密封槽610。每一楔块钩606包括倾斜表面，所述倾斜表面被布置成接合齿钩604中的一者。密封槽610中的每一者均包括矩形横截面凹槽，所述矩形横截面凹槽沿着楔块410沿大致平行于转子200的纵向轴线的方向延伸。虽然所图示的构造包括矩形密封槽610，但是如果期望，可以采用其他形状。如可能期望的，密封槽610可以是楔块挤制件的一部分，或者可以在楔块410被挤制之后机加工到楔块410中。

密封构件608(或密封部件)定位在密封槽610内，并且被定大小成在限定转子槽202的齿602与定位在转子槽202内的楔块410之间形成液密密封。在所图示的构造中，密封构件608具有D形横截面。当然，如果期望，可以采用其他形状(例如，O形横截面)或其他密封构件。

在所图示的构造中，楔块410和密封构件608延伸转子槽202的整个长度，以减少泄漏的可能性。另外，在所图示的构造中，楔块410的每一侧支撑单独的密封构件608。然而，如果期望，其他构造可以采用呈连续环路形式的密封构件608。

适用于图6的构造中的一种密封构件608包括形成为“D”形(即，D形横截面)的弹性材料，但是其是具有两个单独端部的单个部件，而非形成为环路。另外，一些构造在D形横截面的扁平侧上包括粘合剂部分614或材料。粘合剂部分614将密封构件608附接到楔块410，以减少在楔块410的安装期间密封构件608的相对移动或不希望伸展的可能性。使用两个单独的密封构件608，其中在楔块410的任一侧上定位有一个密封构件。合适的弹性材料包括橡胶、合成橡胶或其他柔顺材料。

图7更详细地图示与第一冷却剂空间512相邻地定位的环形密封区域510。然而，应理解，所图示的环形密封区域510也可以与第二冷却剂空间508相邻地定位。

环形密封区域510包括形成在保持环114与转子本体120之间的两个单独密封件。当保持环借助适当的冷缩配合(shrink-fit)定位在其操作位置中时，在保持环114与转子本体120之间形成冷缩配合密封706。环形密封件702定位在保持环114与转子本体120之间以形成另一周向密封。环形密封件702限定与密封构件608的位置一致的内径，使得环形密封件702也与密封构件608协作以完成第一冷却剂空间512的密封。由高压冷却剂施加的压力704被完全容纳，其中来自第一冷却剂空间512的唯一路径是穿过转子槽202和其中所容纳的转子绕组204。在所图示的构造中，环形密封件702是具有O形横截面的连续圆形密封构件。当然，可以采用其他形状(例如，D形横截面)或布置。虽然典型的环形密封件702由弹性材料(例如，橡胶)形成，但是其他构造可以采用更刚性的材料、复合密封件、基于弹簧的密封件等等。照此，环形密封件702不应限于图7中所图示的布置。

图8图示适于与任一或两个保持环114(图8中未示出)一起使用的环形密封区域510的另一布置。图8的布置至少部分地在保持环114与转子本体120之间形成密封，并且更具体来说，转子齿402和楔块810具有关于图7论述的相同冷缩配合。

图8的构造包括环形密封件808，其是弹性构件802和套筒804的复合件。弹性构件802可以包括具有O形横截面的实心连续构件，或者可以由如关于图7的环形密封件702所述的其他更刚性材料或复合材料形成。在另一构造中，弹性构件802包括由非常类似卷曲弹簧(例如，倾斜卷曲弹簧、螺旋弹簧等等)的卷曲材料形成的弹簧激励的(弹簧赋能的，spring-energized)密封件。因此，在此构造中，弹性构件802具有环状横截面。

套筒804被形成为具有U形横截面，其限定其中定位弹性构件802的接纳空间。套筒804在操作期间覆盖和保护弹性构件802，并且当保持环114处于其操作位置中时，直接接触转子本体120、楔块810和保持环114。还应该注意，U形横截面的开口端被布置成面向设置高压流体的方向(即，朝向第一冷却剂空间512和第二冷却剂空间508)。在此布置中，如果套筒804暴露至高压流体，则其将往往使U形横截面膨胀，从而增强环形密封件808的密封效果。

不同于图7的构造，环形密封件808包括内径部分，所述内径部分设置在密封构件608的径向外侧。环形密封件808被定位成穿过齿钩604与楔块钩606的相交处，而不是与密封构件608协作以形成密封。在此位置中，形成相同有效密封。当然，如果期望，环形密封件808可以定位在所图示的位置的径向内侧，使得其接触密封构件608并形成非常类似关于图7描述的密封的密封。

保持环键806定位在形成在转子本体120和楔块810中的槽内并与保持环114协作以将保持环114维持在其所期望的操作位置中。

图9图示了一种构造，其除环形密封件808的定位以外类似于图8的构造。在图9的构造中，环形密封件808的内径与密封构件608一致，使得环形密封件808和密封构件608协作以限定保持环114、转子本体120与楔块810之间的密封的至少一部分。

图10图示适于替代或结合楔块410、810使用的楔块1008的另一构造。楔块1008包括楔块本体1010、楔块插入件1002、楔块帽1004和一个或多个楔块螺栓1006。楔块本体1010类似于楔块810、但是更短，使得定位在任一端部处的其余部件完成楔块1008，并且楔块1008与楔块810长度相同。虽然图10图示楔块1008的一端，但是应理解，可以在任一端部处形成相同或类似的布置。照此，仅将详细描述一端。

楔块插入件1002被定位成邻接楔块本体1010的端部，并且可以具有与楔块本体1010的横截面形状相同或类似的横截面形状。楔块插入件1002由响应于轴向压缩而沿径向和沿周向膨胀的弹性材料形成。所使用的材料被选择成提供所期望的膨胀，如将更详细地论述的。楔块帽1004因泊松效应而形成密封。然而，另一类型的楔块插入件可以基于几何干涉而起作用。在此布置中，楔块插入件可以具有带有薄外壁的锥形形状，这允许其被轴向压入。如果利用足够柔顺的材料，则该薄外壁将偏转并提供足够的接触压力以进行密封。在又一布置中，楔块插入件包括柔顺外壁和垫圈，所述垫圈被插入以使该外壁膨胀。在再一构造中，楔块插入件借助干涉配合被压入到适当位置。楔块螺栓1006将楔块插入件保持在适当位置，但是几乎没有因楔块螺栓1006的拧紧而引起的膨胀。在一种构造中，楔块插入件在插入之前被冷冻以帮助组装过程。

楔块帽1004被定位成邻接楔块插入件1002，使得楔块插入件1002夹设在楔块帽1004与楔块本体1010之间。楔块帽1004具有与楔块本体1010相同或类似的横截面形状，并且通常由类似材料形成。楔块螺栓1006穿过楔块帽1004和楔块插入件1002并且螺纹地接合楔块本体1010。在楔块螺栓1006被拧紧时，楔块插入件1002被压缩并沿径向和周向方向膨胀或凸起。此膨胀增强楔块插入件1002与任何相邻部件之间的接触，以在其间形成更有效密封。

图10的环形密封区域510的其余构造类似于图8的构造。环形密封件808被定位成其内径邻接或接近楔块插入件1002的外径。环形密封件808的构造在其他方面与关于图8和图9描述的构造相同。保持环键806也以类似于关于图8和图9所述的方式形成和定位。

楔块1008包括两个密封构件608，如上所述。密封构件608可以以与如上所述大致相同的方式接合楔块本体1010、楔块插入件1002和楔块帽1004中的每一者。另外，环形密封件808定位在密封构件608外侧的直径处，如关于图8的构造所描述的。

应注意，上文描述的特征可以相互结合以限定环形密封区域510的不同布置。因此，该布置不应限于本文中提供的几个实例。

图11图示上文描述的不同元件的组合的实例，所述元件协作以限定环形密封区域510。在所图示的构造中，楔块1102包括楔块本体1104、楔块插入件1002、楔块帽1004和一个或多个楔块螺栓1006。楔块本体1104包括接纳楔块插入件1002的被移除区段，使得楔块插入件1002的内径与楔块本体1104相邻地定位或与楔块本体1104接触。另外，楔块插入件1002的平坦面邻接楔块本体1104的平坦面。除了楔块帽1004邻接楔块插入件1002以外，楔块帽1004以类似于针对楔块插入件1002所描述的方式定位。因此，楔块插入件1002夹设在楔块帽1004与楔块本体1104之间。如关于图10的构造所论述的，楔块插入件1002和楔块帽1004可以具有与楔块本体1104相同或类似的横截面形状。楔块螺栓1006穿过楔块帽1004和楔块插入件1002并且螺纹地接合楔块本体1104以压缩楔块插入件1002，从而引起所期望的径向和周向膨胀。在此构造中，楔块插入件1002直接接触保持环114和楔块本体1104，以形成第一密封。

环形密封件702在远离转子本体120的轴向位置处定位在楔块本体1104与保持环114之间。所图示的环形密封件702类似于关于图7描述的环形密封件702，并且将不详细地描述。当然，如果期望，环形密封件702可以用与关于图8描述的环形密封件808类似或相同的环形密封件替代。

类似于图7至图10的布置，保持环键806定位在靠近转子本体120的端部处并与先前描述的保持环键非常类似地操作。最后，图11的布置包括三个不同的冷缩配合位置1106，其操作以进一步增强环形密封区域510中的密封。

在操作中，励磁机或其他系统以所期望的电压向转子200提供电流。电流流过转子绕组204以在两极发电机中建立两个磁极，并且在更高极数的发电机中建立更多极。涡轮机或其他原动机耦接到转子200，并且操作以使转子200以所期望的速度旋转。对于具有两极转子200的同步发电机，转子以3600RPM旋转，以产生60Hz的电力。针对50Hz的电力，转子200以3000RPM旋转。

转子200的旋转磁场与发电机的定子300相互作用以感生出频率与转子200的速度成比例的交变三相电流。转子200和定子300中的每一者均可以被冷却以增加转子200和定子300的电流密度，同时还维持所期望的效率和维护间隔。

转子500包括转子冷却系统520，并且在维护之后通过首先将线圈或转子绕组204定位在各个转子槽202中来组装或重新组装。转子绕组204被堆叠成径向向外延伸以基本上填充转子槽202，并且电连接以限定转子500的极中的一者。

因为楔块410、810、1008、1102彼此大致相同，因此将关于楔块1102描述该组件。然而，应该清楚的是，许多步骤同样适用于一些或所有其他楔块410、810、1008、1102。

密封构件608定位在各个楔块1102的侧面上(参见图6)。如所描述的，密封构件608是D形的，并且在一些构造中，该D形的扁平侧包括粘合剂，所述粘合剂促进密封构件608到楔块1102的附接。

密封构件608位于楔块钩606的径向内侧，并且因此在组装到转子槽202中之前插入到每一楔块1102中。密封构件608的此位置增加在密封构件608中的一者降级或失效的情况下密封构件608将容纳在转子槽202内的可能性。密封构件608的离转子500的外表面更远的位置还帮助保护密封构件608免于因表面电流或其他加热效应而可能发生的大的温度偏移。密封构件608还帮助将转子绕组204与楔块钩606隔离，使得在楔入期间可能松动的任何导电楔块镀覆材料都被阻挡进入转子绕组204，从而减少由此材料引起的接地故障的可能性。

楔块1102接下来安装在各个转子槽202中，以在操作期间将转子绕组204支撑在所期望的位置中。密封构件608被压靠在转子本体120的壁上，所述壁限定其中安装每一楔块1102的转子槽202，从而在转子槽202中的每一者中形成主要密封。每一转子槽202的楔块钩606与齿钩604之间的接触压力还充当辅助密封，以抑制转子槽202的不期望的泄漏。因此，楔块1102的安装提供轴向设置的密封，其抑制从转子槽202的径向外部开口的泄漏。然而，转子槽202的每一端部仍未密封。

如可能期望的，楔块1102需要在其他楔块410、810的情况下可能不需要的一些额外组装，并且此组装可以在将楔块1102安装在转子500中之前或之后实施。楔块1102的每一端部接纳楔块插入件1002。接下来，楔块帽1004定位成与楔块插入件1002中的每一者相邻。多个楔块螺栓1006中的每一者均穿过楔块帽1004和楔块插入件1002中的一者并且螺纹地接合楔块本体1104。楔块螺栓1006的拧紧轴向压缩楔块插入件1002，这同时使楔块插入件1002沿径向和沿周向膨胀。楔块插入件1002的膨胀促进楔块本体1104、保持环114(在其安装之后)或环形密封件808与转子齿402之间的协作，以进一步增强其间的密封。应注意，楔块插入件1002和楔块帽1004可以安装在楔块本体1104上，而无需拧紧楔块螺栓1006。然后，在楔块1102处于其操作位置中之后，可以拧紧楔块螺栓1006以提供楔块插入件1002的所期望的压缩。

参考图10，环形密封件808接下来定位在转子500的每一端部上。两个环形密封件808都优选地是连续圆形密封件，其围绕转子500的周向部分延伸并且接合转子齿602和楔块1102。环形密封件808定位在楔块插入件1002的径向外侧，并且可以在拧紧楔块螺栓1006之前或者在拧紧楔块螺栓1006之后定位。通常，在拧紧楔块螺栓1006之前将环形密封件808定位在其所期望的操作位置中将更容易，因为在楔块插入件1002的膨胀之前，环形密封件808将具有稍微较松配合。

应注意，图11图示环形密封件702的稍微不同位置，并且也采用图7的环形密封件702，而非图8的环形密封件808。重要的是要注意，本文中描述的概念可以重新排列并且以不同组合使用，以实现针对特定设计的所需密封。照此，所描述的密封布置应该被认为仅作为实例，并且不应该被视为以任何方式具有限制性。

接下来，保持环114如图10和图11中所图示的那样安装。在典型的安装中，保持环114在安装之前被加热，以使保持环114热膨胀，从而在一个或多个冷缩配合位置1106处提供所期望的冷缩配合。一旦安装，保持环114便与转子本体120、转子轴122和端板514协作以限定第一冷却剂空间512和第二冷却剂空间508。

如图11中所图示的，保持环114与每一楔块本体1104协作以限定形成密封的三个冷缩配合位置1106。另外，环形密封件702与保持环114和楔块本体1104协作以限定主要密封。最后，楔块插入件1002一旦膨胀便在转子500与保持环114之间提供又一密封点，使得存在多个有效密封点以抑制从第一冷却剂空间512和第二冷却剂空间508的泄漏。

参考图5，将描述转子冷却系统520的操作。在转子500的旋转期间，冷却剂泵502将温暖空气从排放环形件506抽吸到外部空气冷却器或热交换器。然后，经冷却的空气沿着入口孔504流到入口孔口516，在入口孔口516处，高压空气(通常大于大气压力)被准许进入第一冷却剂空间512。第一冷却剂空间512与转子槽202中的每一者流体连通，使得高压空气可以进入转子槽202。高压空气流过转子槽202的长度以提供冷却并且被收集在第二冷却剂空间508中。高压空气从第二冷却剂空间508被引导到排放环形件506，在排放环形件506处，其被抽吸到冷却剂泵502中并从转子500排放。上文描述的密封件减少从第一冷却剂空间512、第二冷却剂空间508和转子槽202泄漏的可能性。

所提出的高功率密度发电机转子500使转子500成为压力容器，其中每一转子槽202、第一冷却剂空间512和第二冷却剂空间508被加压。楔块410、810、1008、1102包括两个柔顺密封构件608，其与转子槽202的侧壁接触。这些密封构件608确保转子槽202是气密的。

加压转子槽202允许借助高压流体直接冷却转子绕组204，而不增加摩擦损失，并且没有许多复杂的两用电气/流体连接。借助加压流体的直接冷却允许机器以增加的场电流、并且最终以比先前空气冷却式机器高的功率密度操作。

虽然已经详细描述本公开内容的示例性实施例，但是所属领域的技术人员将理解，可以在不背离本公开内容按其最广泛形式的精神和范围的情况下作出本文中公开的各种改变、替换、变化和改进。

本申请中的任何描述均不应解读为暗示任何特定要素、步骤、动作或功能是必须包括在权利要求范围内的必不可少的要素：可专利的主题的范围仅由授权的权利要求定义。此外，这些权利要求中的任何一个权利要求都不旨在调用功能性限定权利要求构造(means plus function claim construction)，除非确切词语“装置，其用于…”后跟分词。

Claims (20)

1.一种发电机转子，所述发电机转子包括具有转子槽的转子轴，所述发电机转子包括：

转子绕组，其至少部分地设置在所述转子槽内；

楔块，其耦接到所述转子轴并且沿着所述转子轴轴向地延伸，所述楔块被定位成抑制所述转子绕组从所述转子槽的径向移动；

密封构件，其耦接到所述楔块并且沿着所述楔块轴向地延伸，所述密封构件与所述楔块和所述转子轴协作以在其间限定密封，其中所述楔块、所述密封构件和所述转子轴协作以至少部分地限定封闭空间，所述封闭空间可操作以容纳高压冷却剂。

2.根据权利要求1所述的发电机转子，其进一步包括第一保持环、第一端板、第二保持环和第二端板，所述第一保持环、第一端板、第二保持环和第二端板与所述转子轴和所述楔块协作以封闭所述封闭空间。

3.根据权利要求2所述的发电机转子，其进一步包括环形密封件，所述环形密封件被定位成接触所述第一保持环。

4.根据权利要求3所述的发电机转子，其进一步包括楔块插入件、楔块帽和楔块螺栓，并且其中所述楔块插入件夹设在所述楔块帽与所述楔块之间，并且其中所述楔块螺栓操作以沿轴向方向压缩所述楔块插入件并使所述楔块插入件沿周向方向和径向方向膨胀。

5.根据权利要求3所述的发电机转子，其中所述环形密封件包括弹簧激励的复合密封构件，所述弹簧激励的复合密封构件包括弹性部分和单独的弹簧部分。

6.根据权利要求5所述的发电机转子，其中所述弹簧部分包括螺旋弹簧部分。

7.根据权利要求1所述的发电机转子，其中所述楔块包括形成在所述楔块的第一侧上的第一密封槽和形成在所述楔块的第二侧上的第二密封槽，并且其中密封构件定位在所述第一密封槽和所述第二密封槽内。

8.根据权利要求7所述的发电机转子，其中所述密封构件由弹性材料形成，并且具有D形横截面。

9.根据权利要求8所述的发电机转子，其进一步包括粘合剂材料，所述粘合剂材料耦接到D形密封构件的扁平侧，所述粘合剂材料可操作以将所述密封构件附接到所述楔块。

10.根据权利要求7所述的发电机转子，其中所述密封构件包括延伸所述第一密封槽的整个长度的第一密封部件和延伸所述第二密封槽的整个长度的第二密封部件，所述第一密封部件和所述第二密封部件彼此分离。

11.一种发电机转子，所述发电机转子包括具有转子槽的转子轴，所述转子包括：

转子绕组，其至少部分设置在所述转子槽内；

楔块，所述楔块耦接到所述转子轴，并且被定位成抑制所述转子绕组从所述转子槽的径向移动；

耦接到所述楔块的密封构件，所述密封构件与所述楔块和所述转子轴协作以限定第一空间；

第一保持环，所述第一保持环耦接到所述转子轴以在所述第一保持环与所述转子轴之间限定第二空间；以及

第二保持环，所述第二保持环耦接到所述转子轴以在所述第二保持环与所述转子轴之间限定第三空间，所述第二空间被配置成接纳高压冷却剂并将所述高压冷却剂引导到所述第一空间和所述第三空间。

12.根据权利要求11所述的发电机转子，其中所述楔块包括形成在所述楔块的第一侧上的第一密封槽和形成在所述楔块的第二侧上的第二密封槽，所述第一密封槽和所述第二密封槽沿着所述楔块的长度轴向延伸，并且其中第一密封部件延伸所述第一密封槽的整个长度，并且第二密封部件延伸所述第二密封槽的整个长度。

13.根据权利要求12所述的发电机转子，其中所述第一密封部件和所述第二密封部件各自由弹性材料形成，并且具有D形横截面。

14.根据权利要求12所述的发电机转子，其中所述第一密封部件包括粘合剂构件，所述粘合剂构件耦接到D形的第一密封部件的扁平侧，所述粘合剂构件可操作以将所述第一密封部件附接到所述楔块。

15.根据权利要求11所述的发电机转子，其进一步包括环形密封件，所述环形密封件围绕所述转子轴周向地延伸，并且被定位成接触所述第一保持环和所述密封构件。

16.根据权利要求15所述的发电机转子，其进一步包括楔块插入件、楔块帽和楔块螺栓，并且其中所述楔块插入件夹设在所述楔块帽与所述楔块之间，并且其中所述楔块螺栓操作以沿轴向方向压缩所述楔块插入件并使所述楔块插入件沿周向方向和径向方向膨胀。

17.根据权利要求16所述的发电机转子，其中所述环形密封件定位在所述楔块插入件的径向外侧并与所述楔块插入件接触。

18.一种发电机转子，所述发电机转子包括具有转子槽的转子轴，所述转子包括：

转子绕组，其至少部分地设置在所述转子槽内；

楔块，其耦接到所述转子轴并沿轴向方向延伸，所述楔块被定位成抑制所述转子绕组从所述转子槽的径向移动；

楔块插入件，所述楔块插入件定位成与所述楔块相邻；

楔块帽，所述楔块帽定位成与所述楔块插入件相邻以将所述楔块插入件夹设在所述楔块帽与所述楔块之间；

楔块螺栓，所述楔块螺栓与所述楔块螺纹地接合，并且可操作以沿所述轴向方向压缩所述楔块插入件并使所述楔块插入件沿所述径向方向和周向方向膨胀；

环形密封件，所述环形密封件围绕所述转子的周向部分延伸，并且定位在所述楔块插入件的轴向外侧；以及

保持环，所述保持环耦接到所述楔块，使得所述环形密封件和所述楔块插入件中的每一者与所述保持环和所述楔块协作以在其间形成密封。

19.根据权利要求18所述的发电机转子，其中所述楔块包括沿着所述楔块的第一侧轴向延伸的第一密封槽和沿着所述楔块的第二侧轴向延伸的第二密封槽，并且其中第一密封部件延伸所述第一密封槽的整个长度，并且第二密封部件延伸所述第二密封槽的整个长度，所述第一密封部件和所述第二密封部件中的每一者具有D形横截面。

20.根据权利要求18所述的发电机转子，其进一步包括耦接到所述转子和所述保持环的端板，所述端板、所述保持环和所述转子协作以完全封闭一空间。