CN1315247C - 旋转电机转子内冷却回路 - Google Patents

Abstract

一种发电机或电动机的冷却回路，尤其涉及汽轮发电机转子的内冷却回路。主要包括进水装置、转子线圈[5]、转子水分配器[2]，定子引水管[6]，定子集水盘[7]或转子水内冷汽轮发电机出水装置等部件，其特征在于：冷却水进水口位于转子端面的某一半径上，该半径值大于零小于转子半径，形成偏心进水。本发明利用转子进出水口半径的位差所产生的离心水泵作用，通过改变转子进水位置，使转子线圈[5]获得必需的水量，同时大大降低了转子冷却回路的压力；冷却水在进口压力不加调整的情况下，冷却水量分配均匀。

Description

旋转电机转子内冷却回路

技术领域

本发明涉及一种发电机或电动机的冷却进液回路，尤其是汽轮发电机转子的内冷却回路。

背景技术

众所周知，汽轮发电机转子采用水内冷方式是电机冷却技术的一次重要突破，它不仅节省材料和提高汽轮发电机极限容量，而且使转子励磁绕组的温升水平降低、温度分布更均匀，转子励磁绕组温升所引起的损耗可减少20％以上，转子绝缘寿命长等，从而带来巨大的经济效益。

目前，公知的汽轮发电机转子冷却回路系统一般有两种结构：轴中心孔进水、出水箱出水；轴中心孔进出水或从中心孔进水、偏心孔出水。前者可以充分利用转子进出水的位能所产生的离心泵作用，而获得所必需的水量，进水与出水位置的径向距离大，水泵作用大，水量也大；后者没有或具有极小的水泵作用，水量不随转速变化。

这两者的共同点都是采用了从转子轴心进水的方式，转子水路的水由于转动而引起的巨大离心加速度，因此会给水路系统带来水压过高的问题。大容量汽轮发电机转子空心铜导线承受水压大约是20~30MPa，绝缘引水管也要承受8MPa以上的压力。当转子直径为1米，转速为3600r/min时，最外层水管中的水承受为自重力的7000倍的加速度(丁舜年主编，大型电机的发热与冷却，科学出版社，1992)。转子绕组空心导线要承受很大的离心压力以及引水管及拐角承受交变压力，特别是给汽轮发电机制造带来许多不便，也会影响电厂的运行安全性。

发明内容

为了克服现有汽轮发电机水冷转子冷却回路水压过高的缺点，本发明提出一种新的转子内冷却回路，把现有技术的汽轮发电机水冷转子轴中心孔进水形式，改为轴边偏心进水方式，在保证转子总进水量、克服沿程流动阻力的前提下，可大大降低了转子冷却回路的水压力。

本发明的转子内冷却回路采用的技术方案是：从转子端面的某一半径处进水，即偏心进水，出水口出水，该半径值大于零小于转子半径。其转子水回路的路径是：冷却水通过进水装置，从外部水系统静止的管道引进到高速旋转的转子，经转子上的水分配器把水分成许多支路，冷却水在转子线圈内循环，实现冷却目的，然后从线圈出水口的出水孔将水排至定子集水盘内，冷却水最后由定子引水管排出。

由于汽轮发电机的转速很高，因此产生的离心力很大，只要进、出水在半径方向上有位差，就会产生离心泵作用。进水口部位的半径值根据所需获得的水量和水路阻力的计算确定：

假设水管的横截面积为s，在径向管沿半径方向取一微元dr，则其在半径r处所受的离心力df为，

df＝ω²rdm＝ω²rρsdr         (1)

在半径方向上积分，便得到其所受的离心泵压P

$P=\frac{{\∫}_{r1}^{r2}\mathrm{df}}{s}={\∫}_{r1}^{r2}{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{r\ρdr}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\ρ}({r_2}^2-{r_1}^2)\left(\mathrm{MPa}\right)---\left(2\right)$

其中，ω为角速度，m为质量，ρ为密度，r1为进水位置所对应的转子半径，r2为转子线圈位置所对应的转子半径。

由(2)式易知，当采用转子轴中心进水方式时，r1等于0，则其离心压力必大于转子偏心进水方式。

流动阻力

流动阻力ΔP＝ΔP_l+ΔP_m        其中，

在设计过程中，只需转子水分配器进出水口位差产生的离心泵压P大于流动阻力ΔP，并根据转子冷却所需的最大水量，即可依据公式(1)和(2)反推，确定进水半径r1，从而省去从轴心(r＝0)到r1这一段所产生的多余离心压力，达到减小水压力的目的。

假设一台转子水冷汽轮发电机，转子绕组空心导线线规为2×6.7，每根绕组6根空心导线，线棒内包括进、出水共有6个60°转角，2个90°转角，转子直径为1米，转速3000转/分，冷却水的流速为1.5米/秒(50℃)，每一水支路长为5米。

■采用转子轴中心孔进水方式，转子线圈内部离心压力为12.32MPa，线圈流动阻力为0.374MPa；

■采用本发明转子偏心进水方式(进水部位的半径为0.4米)，转子线圈内部离心压力为4.44MPa，线圈流动阻力为0.374MPa。

■由上述两种进水方式的计算结果可以看出，在保证进水流量、克服沿程流动阻力和转子冷却能力的前提下，采用偏心进水方式后，其水压力较轴中心进水方式显著降低。

本发明的有益效果

本发明充分利用转子进出水口部位的半径差所产生的离心水泵作用，从而获得所必需的水量，大大降低了转子冷却回路的水压力；冷却水在进口压力不加调整的情况下，水量分配均匀。

附图说明

图1为本发明转子偏心进水水回路图，图中：1.转轴，2.转子水分配器，4.过渡接头，5.转子线圈，6.定子引水管，7.定子集水盘，10.出水口；

图2是轴中心孔进水与偏心进水的水通路比较示意图，图中：a.轴中心孔供水通路，b.偏心进水通路，c.转子进水机构，d.过渡接头，e.转子绕组，f.出水口和出水箱，g.出水通路；

图3是转子水分配器结构图，图中1.转轴，2.转子水分配器；

图4是本发明具体实施方式偏心进水装置简图，图中1.转轴，2.转子水分配器，3.压板，4.过渡接头，5.转子线圈，6.定子引水管，7.定子集水盘，8.转子本体，9.拉紧螺杆，10.出水口；

图5为保持总进水量不变，改变转速在1500～2210转/分时实测转速对水分配比例的关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示：本发明由转子水分配器2、转子线圈5、定子引水管6、定子集水盘7等部件构成，其中转子水分配器2、转子线圈5为转动部件，通过过渡接头4将两者连接；定子引水管6、定子集水盘7为非转动部分，定子引水管6安装在定子集水盘7的下端将冷却水引出。(在本实施例中，为了测量出如图5所示的转速——流量关系曲线，出水结构与实际使用中的有区别，实际电机出水设计，可参照汽轮发电机转子水内冷方式的出水结构)。

水内冷汽轮发电机的转子是高速旋转体，要把静止的水引入转子，冷却转子绕组后再可靠地排出，需要有一套水路构件：其水路构件主要有水冷转子线圈、金属引水线(一般也称引水拐角)、进水箱(汇流箱)、出水箱(汇流管)、绝缘引水管、接头及进水、出水装置等。普通轴中心进水机构中的转子中的水路构件，特别是绝缘引水管内壁，受水的离心力的作用，承受较高的水压，按一般水系统布置情况，绝缘引水管所承受的压力可达8MPa以上。电机在如此高的水压力下长期工作，对电机的安全可靠运行造成了隐患。

本发明考虑到水冷转子线圈一般采用同心式线圈，既通电又通水，在电路内是串联的，在水路内是多支路并联。参见图2，本发明将原轴中心孔进水机构由轴中心a移至b经转子水分配器，自动地将水均匀地分配到转子线圈内部，达到冷却的目的。在保证转子线圈冷却的前提下，离心压力大大地降低，可降至4MPa以下。

本发明的工作过程是：冷却水通过进水装置，从外部水系统静止的管道引进到高速旋转的转轴1，经转子上的水分配器2把水分成许多支路，各支路通过过渡接头4与转子线圈5连接，冷却水在转子线圈内依靠“离心泵”的作用而流动，实现冷却目的，然后从线圈的出水口10将水排至定子集水盘7内，冷却水最后由定子引水管6排出。

本发明的出水结构与汽轮发电机转子轴中心孔进水——出水箱出水方式相同，转子出水箱甩出的水由出水支座汇集(通常附有带密封结构的挡水盖，用以防止渗漏水)，再由下部出水口排出，经外部水系统冷却后，再循环使用。

图3是本发明具体实施例的转子水分配器2部分，水冷转子用的冷却水通过进水装置由静止的水管流进与转子一起高速旋转的转子水分配器2中，转子水分配器2的端部开有0～90°斜向孔，其末端与转子线圈5通过过渡接头4连接，从而形成转子冷却水流通回路。该斜向孔保证了“离心泵”可安全、稳定工作。在保证冷却水或其它液体介质的流量、转子冷却能力的前提下，根据转子线圈半径、所需冷却水量和沿程阻力，由公式2反推，即可确定转子水分配器端部长度和斜向孔的角度可根据水分配器在电机中的实际位置在0～90°锐角选取，这些对保证偏心进水方式的安全、可靠工作是十分重要的。

图4为本发明偏心进水装置的具体实施方式，由转子水分配器2，转子线圈5，定子引水管6，定子集水盘7等部件构成，其中水分配器2通过压板3固定在转子本体8，转子线圈5嵌入转子本体8，转子本体8、转子水分配器2、转子线圈5为主要转动部件，通过过渡接头4将后两者连接；出水口10在转子线圈5上，并随转轴一起转动。转子水分配器2和转子线圈5通过过渡接头4连接构成通路。冷却水从位于转子线圈5的端面的某一半径上的进水口(如图4上的箭头处所示)进入，经转子水分配器2分成的支路流至出水口10，由出水口10甩出至定子集水盘7，并由与定子集水盘7相连的定子引水管6排出，定子集水盘7和定子引水管6为非转动部分，且定子引水管6安装在定子集水盘7的下端以方便出水，拉紧螺杆9用来固定定子集水盘7。

图4的实施例中，转子半径为260mm，进水半径为230mm，转子水分配器中心孔半径为244mm，保持总进水量不变，改变转速在1500～2210转/分实测转速对水分配比例的关系曲线，如图5所示。

图5中，横坐标为实验时的转速，纵坐标为分流量在总流量中所占的比例，图例中的序号是长短各不相同的模拟线圈管子所对应的管子编号。转子绕组沿轴线方向的水分配比例不随转速的变化而变化，其分配比例是基本均匀的。即，在确定好了进水位置(即进水部位的半径)以后，由转子水分配器自动匹配的水量由转速决定，这一点与轴中心进水方式一致。在转速很低的时候，由于离心泵不能克服水路系统的阻力，水不能流动，但当转速较高时，转子对获取水量的分配是均匀的，其分配比例的均匀性不再受到转速和流量大小的影响。

Claims (3)

1、一种旋转电机转子内冷却回路，包括进水装置、转子线圈[5]、转子水分配器[2]，定子引水管[6]，定子集水盘[7]、出水装置；转子水分配器[2]、转子线圈[5]为转动部件，通过过渡接头[4]将两者连接；定子引水管[6]、定子集水盘[7]为非转动部分，定子引水管[6]安装在定子集水盘[7]的下端将冷却水引出，其特征在于：冷却水进水口位于转子端面的某一半径上，该半径值大于零小于转子半径，形成偏心进水。

2、根据权利要求1所说的旋转电机转子内冷却回路，其特征在于进水口部位的半径值根据所需获得的水量和水路阻力，按下列公式计算确定：

        df＝ω²rdm＝ω²rρsdr                              (1)

$P=\frac{{\∫}_{r1}^{r2}\mathrm{df}}{s}={\∫}_{r1}^{r2}{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{r\ρdr}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\ρ}({r_2}^2-{r_1}^2)---\left(2\right)$

其中，ω为角速度，m为质量，ρ为密度，s为水管的横截面积，P为离心泵压，r1为进水位置所对应的转子半径，r2为转子线圈位置所对应的转子半径。

3、根据权利要求1或2所说的旋转电机转子内冷却回路，其特征在于所述的转子水分配器[2]的端部开有0～90度锐角斜向孔，其末端与转子线圈[5]通过过渡接头[4]连接。

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