CS204453B1

CS204453B1 - Method of cooling the machine rotor,particularly electric by means of the heat tube and device for executing the same

Info

Publication number: CS204453B1
Application number: CS893878A
Authority: CS
Inventors: Oldrich Oslejsek
Original assignee: Oldrich Oslejsek
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1981-04-30

Description

Vynález se týká způsobu chlazení rotoru stroje, zejména elektrického, pomocí tepelné trubice vytvořené na vodorovné ose rotoru, jejíž kondenzační část mé větší průměr než její výpamá část.The invention relates to a method for cooling a rotor of a machine, in particular an electric one, by means of a heat pipe formed on the horizontal axis of the rotor, the condensation part of which has a larger diameter than its discharge part.

Dále se vynález týká zařízení pro provádění tohoto způsobu, u něhož hřídel rotoru je dutý a dutina hřídele tvoří výparnou a adiabatickou část tepelné trubice a kondenzační část tepelné trubice je tvořena dutinou oběžného kola ventilátoru.The invention further relates to an apparatus for carrying out the method, wherein the rotor shaft is hollow and the shaft cavity forms the vapor and adiabatic portion of the heat pipe and the condensation portion of the heat pipe is formed by the cavity of the fan impeller.

Tepelné trubice jsou používány nejčastěji pro chlazení rotorů elektrických strojů točivých. To je dáno jednak tím, že v rotoru bývají nejteplejší místa, jednak rotace rotoru umožňuje používat tepelných trubic bez kapilární struktury, protože samovolný návrat kondenzátoru z kondenzační části do výparné části tepelné trubice zabezpečuje odstředivá síla. To platí pro řeěení, u něhož výpamá a kondenzační část tepelné trubice mají řádově stejný průměr. To je však řešení, které znečně prodlužuje délku stroje. U řešení s kondenzační částí tepelné trubice širší, než je její výparná část, je sice stroj kratší a kondenzační plocha větší, ale kondenzované chladicí látka se dopravuje zpětně do výparné části tepelné trubice velmi obtížně, vzhledem k tomu, že odstředivá síla brání odtoku kondenzované chladicí látky z obvodu dutiny kondenzační části tepelné trubice do její výparné části o meněím průměru.Heat pipes are used most often for cooling rotors of rotating electric machines. This is due to the fact that there are the hottest spots in the rotor, and the rotation of the rotor allows the use of heat tubes without capillary structure, since the spontaneous return of the condenser from the condensation part to the evaporation part of the heat tube is provided by centrifugal force. This applies to a solution in which the heat condensing portion of the heat pipe is of the same diameter. However, this is a solution that greatly increases the length of the machine. In a solution with a condensing section of the heat pipe wider than its evaporating section, the machine is shorter and the condensing area is larger, but condensed coolant is very difficult to transport back to the evaporating section of the heat pipe, since centrifugal force prevents condensation cooling. the material from the periphery of the condensation portion of the condenser portion of the heat pipe to its evaporator portion of smaller diameter.

204 453204 453

204 4S3204 4S3

Tato nevýhoda je odstraněna u způsobu chlazení podle vynálezu tím, Se kinetická energie rotující kondenzované pracovní látky tepelné trubice se přeměňuje na potenciální energii a touto ee překonává hydraulický odpor odvádění kondenzovaná pracovní látky z kondenzaSní části tepelné trubice do její výparné části.This disadvantage is eliminated in the cooling method of the invention by converting the kinetic energy of the rotating condensed working medium of the heat pipe into potential energy and thereby overcoming the hydraulic resistance of draining the condensed working material from the condensation portion of the heat tube to its evaporation portion.

Zařízení pro provádění tohoto způsobu podle vynálezu je vytvořeno tak, že uvnitř dutiny oběžného kola ventilátoru je umístěn alespoň jeden sběrač kondenzované pracovní látky, jehož vstup je v prostoru kondenzované pracovní látky, s výhodou v horní polovině dutiny oběžného kola ventilátoru, a jehož výstup je v dutině hřídele rotoru.The apparatus for carrying out the method according to the invention is designed such that at least one condenser collector is disposed within the cavity of the fan impeller, the inlet of which is in the condenser compartment, preferably in the upper half of the ventilator cavity, and the rotor shaft cavity.

ŘeSením podle vynálezu se dosahuje dokonalá cirkulace chladicí kapaliny v tepelné trubici e tím značně lepšího využití tepelné trubice v chladicím systému.The solution according to the invention achieves a perfect circulation of the coolant in the heat pipe and thus a significantly better utilization of the heat pipe in the cooling system.

Příklad provedení zařízení pro prováděni způsobu chlazeni podle vynálezu je zobrazen na přiloženém výkrese, na němž na obr. 1 je znázorněna část horní poloviny stroje v axiálním řezu a na obr. 2 je táž část v radiálním řezu, procházejícím kondenzační částí tepelné trubice.An exemplary embodiment of an apparatus for performing the cooling method according to the invention is shown in the accompanying drawing, in which Fig. 1 shows a portion of the upper half of the machine in axial section and Fig. 2 shows the same portion in radial section passing through the condensation portion of the heat tube.

Hřídel 1 rotoru má v oee 2 souosou dutinu 2, hřídele 1 rotoru, vytvořenou jako tepelnou trubici. Na obr. 1 je vidět volný konec hřídele 1 rotoru s ložiskem £. Na druhém konci hřídele 1 rotoru je dutina 2 hřídele 1 rotoru uzavřena. Na konec hřídele 1 rotoru je těsně nasazena nosné deska í oběžného kola ventilátoru, která je z nemagnetického kovu. Oběžné kolo ventilátoru obsahuje dutinu χ oběžného kola ventilátoru, která je v radiálním směru rozšířena vůči dutině 2 hřídele 1 rotoru.The rotor shaft 1 has a coaxial cavity 2 in the shaft 2, the rotor shaft 1, formed as a heat pipe. In FIG. 1, the free end of the rotor shaft 1 with the bearing 6 can be seen. At the other end of the rotor shaft 1, the cavity 2 of the rotor shaft 1 is closed. At the end of the rotor shaft 1 is a non-magnetic metal support plate 1 of the fan impeller. The fan impeller comprises a fan impeller cavity χ that extends in the radial direction relative to the rotor shaft cavity 2.

Nosná deska χ oběžného kola ventilátoru je vůči hřídeli 1 rotoru utěsněna vložkou 8 a je k hřídeli 1 rotoru přitažena šroubem 2. s pravotočivým a levotočivým závitem. Na náboji nosné desky 2 oběžného kola ventilátoru, čnějícím do dutiny χ oběžného kola ventilátoru, je nasazeno pomocné ložisko 10, na němž je upevněn sběrač .11 kondenzované pracovní látky, vytvořený jako lehká trubička. Vstup sběrače 11 kondenzované pracovní látky je v prostoru 12 kondenzované pracovní látky v horní polovině dutiny X oběžného kola ventilátoru, jeho výstup je v dutině 2 hřídele 1 stroje. Sběrač 11 kondenzované pracovní látky je na svém horním konci opatřen feromagnetickým těliskem ΐχ, v jehož úrovni je vně oběžného kola ventilátoru permanentní magnet 12, upevněný na štíth 1£ stroje.The support plate χ of the fan impeller is sealed to the rotor shaft 1 by an insert 8 and is tightened to the rotor shaft 1 by a screw 2 with a right-hand and left-hand thread. An auxiliary bearing 10 is mounted on the hub of the fan impeller support plate 2 projecting into the cavity χ of the fan impeller 10, on which the condensate collector 11, which is designed as a light tube, is mounted. The inlet of the condensed working medium collector 11 is in the condensed working medium compartment 12 in the upper half of the fan impeller cavity X, its output being in the cavity 2 of the machine shaft 1. At its upper end, the condensate collector 11 is provided with a ferromagnetic body 14, at the level of which, outside the fan impeller, a permanent magnet 12 is mounted on the machine shield 16.

Z obr. 2 je patrno, že trubkovitý sběrač 11 kondanzovahé pracovní látky je na horním konci opatřen dvěma vstupními otvory, z nichž jeden směřuje ve směru otáčení a druhý proti směru otáčení rotoru.It can be seen from FIG. 2 that the tubular collector 11 of the condensed material is provided at the upper end with two inlet openings, one facing in the direction of rotation and the other facing in the direction of rotation of the rotor.

Sběrač 11 kondenzované pracovní látky může být vytvořen z několika trubiček, která spolu svírají úhel, nebo může být v dutině χ oběžného kola ventilátoru několik samostatných sběračů 11 kondenzované pracovní látky, které spolu svírají úhel. Sběrač 11 kondenzované pracovní látky může být uložen i.tak, že jeho těžiště leží pod osou 2 rotoru. Sběrač 11 kondenzovaná pracovní kapaliny může být též nesen pevnou částí stroje, čnějící do duti3 ny 2 oběžného kola ventilátoru v ose 2 rotoru a utěsněnou vůči dutině g oběžného kola ven tilátoru.The condensed working fluid collector 11 may be formed of a plurality of tubes that form an angle to one another, or there may be several separate condensed working fluid collectors 11 in the cavity χ of the fan impeller. The condensate collector 11 may be mounted so that its center of gravity lies below the rotor axis 2. The condensed working fluid collector 11 can also be carried by a fixed part of the machine protruding into the fan impeller cavity 2 in the rotor axis 2 and sealed to the impeller cavity g of the fan.

Zařízení pro provádění způsobu chlazení rotoru stroje podle vynálezu pracuje následovně. Tepelný tok z rotoru přivádí se stěnou hřídele 1 rotoru k povrchu dutiny g hřídele 1 rotoru. Při otáčení rotoru je na povrchu dutiny g hřídele 1 rotoru rozprostřena tenká vrstva 15 kondenzované pracovní látky, jejíž maximální tlouštku určuje vnitřní průměr vložky 8. Přiváděným tepelným tokem se část pracovní látky ve vrstvě 15 odpařuje a péra 16 proudí středem dutiny g hřídele 1 do dutiny g oběžného kola ventilátoru. Stěny dutého ventilátoru, zvláStě jeho lopatek 6, jsou dobře chlazeny, proto na nich péra kondenzuje a kondenzovaná pracovní látka působením odstředivé síly stéká a shromažďuje se v prostoru 12 kondenzované pracovní látky, což je část dutiny g oběžného kola ventilátoru nejvíce vzdálená od osy 2 rotoru.The apparatus for performing the method of cooling the rotor of the machine according to the invention operates as follows. The heat flux from the rotor leads with the wall of the rotor shaft 1 to the surface of the cavity g of the rotor shaft 1. When the rotor is rotated, a thin layer 15 of condensed working medium is spread on the surface of the rotor shaft cavity g, the maximum thickness of which is determined by the inner diameter of the liner 8. The heat flow fills a portion of the working medium in layer 15 and the spring 16 flows into the cavity g g fan impeller. The walls of the hollow fan, especially its blades 6, are well cooled, therefore the spring condenses on them and the condensed working fluid flows under centrifugal force and collects in the condensed working fluid chamber 12, which is the most distant part of the fan impeller cavity g. .

,Při dostatečné rychlosti otáčení rotoru a tlouštce prstence nashromážděné kondenzované pracovní látky v radiálním směru je celkový tlak (dynamický i statický) dostatečný k překonání hydraulického odporu sběrače 11 kondenzované pracovní látky, jímž se kondenzovaná pracovní látka dopravuje zpět do dutého hřídele 1 rotoru. Podmínkou funkce však je, aby sběrač 11 kondenzované pracovní látky byl vůči rotujícímu systému v relativním klidu, což zajiětuje přídržné síla permanentního magnetu 13. a otočné uložení sběrače 11 kondenzované pracovní látky pomočí pomocného ložiska 10, popřípadě jeho uložení s těžištěm pod osou 2 rotoru, nebo nesení sběrače 11 kondenzované pracovní látky pevnou částí stroje.With a sufficient rotational speed of the rotor and the ring thickness of the accumulated condensed working fluid in the radial direction, the total pressure (both dynamic and static) is sufficient to overcome the hydraulic resistance of the condensed working fluid collector 11 by which the condensed working fluid is conveyed back into the hollow shaft 1 of the rotor. However, the condition of operation is that the condensed working fluid collector 11 is relatively stationary relative to the rotating system, which provides the holding force of the permanent magnet 13 and rotatably supports the condensed working fluid collector 11 using an auxiliary bearing 10 or its bearing with the center of gravity below the rotor axis 2. or carrying a condensed working fluid collector 11 with a fixed part of the machine.

Aby byla síla potřebná k držení sběrače 11 kondenzované pracovní látky malá, je žádoucí tvarovat feromagnetické tělísko 17 a vstupní otvory sběrače 11 kondenzované pracovní látky tak, aby měly malý čelní hydraulický odpor. Když jsou vstupní otvory dva, jeden směřující ve směru otáčení rotoru a druhý proti směru otáčení rotoru, bude zajištěna dobrá funkce sběrače 11 kondenzované pracovní látky pro oba směry otáčení rotoru.In order to keep the force required to hold the condensed working fluid collector 11, it is desirable to shape the ferromagnetic body 17 and the inlet openings of the condensed working fluid collector 11 so as to have low front hydraulic resistance. When the inlet openings are two, one facing in the direction of rotation of the rotor and the other facing the direction of rotation of the rotor, a good functioning of the condensate collector 11 for both directions of rotation of the rotor will be ensured.

Systém, tvořený dutinou g hřídele 1 a dutinou g oběžného kola ventilátoru, je naplněn pracovní látkou jen zčásti. Zůstane-li uvnitř systému kromě páry použité pracovní látky ještě vzduch, bude se tento hromadit vlivem větší měrné hmotnosti nad volnou hladinou kondenzované pracovní látky rotující v prostoru 12 kondenzované pracovní látky a tím vyřadí část povrchu dutiny g oběžného kola ventilátoru z činnosti. Proto je záhodno vakuovat vnitřní prostor systému před dávkováním pracovní látky.The system, formed by the cavity g of the shaft 1 and the cavity g of the fan impeller, is only partially filled with the working substance. If air remains inside the system in addition to the steam of the working medium used, it will accumulate due to the greater specific gravity above the free level of condensed working medium rotating in the condensed working medium space 12, thereby disabling a portion of the fan cavity surface g. Therefore, it is advisable to vacuum the interior of the system before dispensing the working substance.

Navržený systém se samočinně reguluje podle přenášeného tepelného výkonu. Vnitřním průměrem vložky 8, popřípadě podobného hradícího orgánu, se nastavuje maximální tlouštka vrstvy kondenzované pracovní látky při stěně dutiny g hřídele 1. Protože při odpařování pracovní látky ve Výparné části tepelné trubice, to jest v dutině g hřídele 1, soustavně klesá tlouštka vrstvy 15 kondenzované pracovní látky od adiabatické části směrem k výparnému konci trubice, existuje jistý tepelný výkon, při němž začne stěna trubice od konce vysýchat. Takový výkon je limitní, protože další zvětšování doprovází růst teploty stěny trubice ve výparné části. Ostatní výkonové limity (kondenzační a čerpací) mohou býtThe proposed system is self-regulating according to the transferred heat output. The inner diameter of the liner 8, or a similar damper, adjusts the maximum layer thickness of the condensed working medium at the wall of the cavity g of the shaft 1. Because the evaporating part of the heat pipe, i.e. the cavity g of the shaft 1, continuously decreases. of the working substance from the adiabatic part towards the evaporative end of the tube, there is a certain heat output at which the tube wall begins to dry from the end. Such power is limiting because further increases accompany the temperature rise of the tube wall in the evaporation portion. Other power limits (condensation and pumping) may be

204 4S3 udrženy na nižší úrovni než u výparného limitu.204 4S3 maintained at a lower level than the evaporative limit.

Bude-li dodávka kondenzované pracovní látky zpšt do dutiny J hřídele 1 větěi, než je nutné k přenosu tepla s fázovou přeměnou, bude kondenzovaná pracovní látka přetékat zpět přes vložku 8 do dutiny χ oběžného kola ventilátoru, aniž dosáhne výparné části. V takovém režimu bude přenos tepla z rotoru probíhat bez změny fáze pracovní látky.If the supply of condensed working fluid back into the shaft cavity 1 is more than is necessary to transfer phase heat, the condensed working fluid will overflow back through the insert 8 into the cavity χ of the fan impeller without reaching the evaporator portion. In this mode, the heat transfer from the rotor will take place without changing the phase of the working medium.

Rozebíratelné nasazení nosné desky í na konci hřídele £ umožňuje demontáž ložiska £, avšak k obnovení plného výkonu tepelného systému je zapotřebí dutinu J hřídele 1 a kondenzační dutinu X znovu naplnit a vakuovat.The removable mounting of the support plate 1 at the end of the shaft 6 allows the bearing 6 to be removed, but in order to restore the full performance of the heating system, the shaft cavity 1 and the condensation cavity X need to be refilled and vacuumed.

Způsobu chlazení a zařízení podle vynálezu je možno použít s výhodou u větších elektrických strojů točivých, ale i u jiných rotačních strojů, kde je nutno odvádět teplo z rotoru.The cooling method and apparatus according to the invention can be used advantageously in larger rotary electrical machines, but also in other rotary machines where heat must be removed from the rotor.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A method of cooling a rotor of a machine, in particular an electric one, by means of a heat pipe formed in the horizontal axis of a rotor, the condensation part of which has a larger diameter than its evaporating part, characterized in that the kinetic energy of the rotating condensed working medium is converted into a potential energy. This overcomes the hydraulic resistance of the condensed working fluid being discharged from the condensation portion of the heat pipe to its discharge portion.

2. An apparatus for carrying out the cooling method according to claim 1, wherein the rotor shaft is hollow and the shaft cavity is the vapor and adiabatic portion of the heat pipe and the condensation portion of the heat pipe is formed by the fan impeller cavity. at least one condensed working fluid collector (11) having an inlet in the condensed working fluid compartment (12) in the upper half of the fan impeller cavity (7) and having an outlet in the cavity (3) of the rotor shaft (1).

Device according to claim 2, characterized in that the condensed working fluid collector (11) is rotatably mounted on an auxiliary bearing (10) coaxial to the β axis (2) of the rotor and supported by the rotor shaft (1), the impeller support plate (5). The fan is made of non-magnetic material and the condenser collector (11) is provided with a ferromagnetic body (17) at its upper end, at the level of which a permanent magnet (13) is outside the fan impeller.

Device according to claim 3, characterized in that the condensate collector (11) is formed as at least one tube carried by the auxiliary bearing (10), the tube having two inlet openings at the periphery of the fan impeller cavity (7),

204 453, one facing in the direction of rotation and the other facing in the direction of rotation of the rotor.

Device according to claim 2, characterized in that the condensate collector (11) is mounted rotatably on an auxiliary bearing (10) coaxial with the rotor axis (2) and the center of gravity of the collector (11) lies below the rotor axis (2).

Device according to claim 2, characterized in that the condensed working fluid collector (11) is carried by a fixed part of the machine projecting into the fan impeller cavity (7) in the rotor axis (2) and sealed to the fan impeller cavity (7). .

Device according to claim 2, characterized in that the fan impeller support plate (5) is detachably connected to the rotor shaft (1).