CZ421699A3 - Plynem chlazený elektrický stroj s axiálním ventilátorem - Google Patents

Abstract

Z plynem chlazeného elektrického stroje s axiálním ventilátorem(12) a s ústrojímnásledného vedení pro zvyšování tlaku chladícího plynu, kteréje uspořádáno na straně axiálního ventilátoru (12) upravené ve směru po proudu,je chladicí plyn prostřednictvímaxiálního ventilátoru (12) nucené pohánitelný ze vtokového prostoru (41), omezeného vnitřnímpláštěm (21) a dělicí stěnou (20), uspořádanou v radiální rovině axiálního ventilátoru (12), do výtokového prostoru (42), kterýje omezen dělicí stěnou (20) a vnějšímpláštěm(37). Přitomje ústrojí následného vedení vytvořenojako vratný difuzcr(36) pro vychylování proudu studeného plynu z v podstatě axiálního do v podstatě radiálního směru prouděni.

Description

Plynem chlazený elektrický stroj s axiálním ventilátorem

2blast_techniky

Vynález se týká plynem chlazeného elektrického stroje s axiálním ventilátorem podle predvýznakové části patentového nároku 1.

?2?avadní_stav_teohníky

S narůstajícím vytížením strojů se stále zvyšují požadavky na chlazení u rotujících elektrických strojů. To platí zejména pro plynem chlazené turbogenerátory a ještě ve větší míře pro turbogenerátory s nepřímo chlazeným statorovým vinutím. U tohoto typu strojů se musejí celé tepelné ztráty vytvářené ve statorovém vinutí odvádět prostřednictvím izolace vinutí do chlazeného plechového tělesa statoru.

Proto nechybí návrhy na zdokonalení chlazení, přičemž jako zvláště účinné se ukazuje zásadní změna chladicího okru hu, to je přechod od obvyklého tlakového chlazení k sacímu chlazení. Sací chlazení poskytuje obecně ve srovnání s tlako vým chlazením tu výhodu, že chladný vzduch, který proudí z chladičů, je bezprostředně přiváděn do chladicích kanálů ve statoru generátoru a rotoru generátoru. Tak je možné prostřednictvím ventilátoru stroje zcela eliminovat vytvářené zvýšení teploty,

S požadavkem vytvářet turbogenerátory s větším specifickým výkonem je však také sací chlazení omezeno provozními podmínkami. Mezní výkonné stroje obecně podléhají permanentnímu přání zvýšit výkon jednotky, čímž stále narůsta* · ···

- 2 jí požadavky na chladicí systém. Srdcem, případně pohonem zpravidla uzavřeného sací/^8hladicího obvodu v generátoru je přitom ventilátor uložený na hřídeli rotoru, který dopravuje potřebné množství chladicího proudění skrz rozdělené chla dici dráhy systému. V případě vzduchem chlazených generátorů se sacím chlazením je zpravidla potřebný velký chladicí objemový proud při malé až střední diferenci tlaku, aby byl překonán odpor chladicího okruhu. Tak jsou zvýhodněny v prin cípu ventilátory s axiální konstrukcí. Takový generátor se sacím chlazením je známý například z evropské patentové přihlášky S40 426.

Axiální ventilátory pracují účinně podle základních proudových technických pravidel jen tehdy, pokud proudové technické vytvoření vstupní a výstupní části připouští axiál ní vedení proudu v olopatkované oblasti. Mimoto je nutné provedení po proudu upraveného ústrojí následného vedení pro účely kontrolovaného zpětného získávání tlaku z vysoké kinetické energie na výstupu oběžného kola, aby se zvýšila účinnost ventilátorového stupně, případně se zmenšil požadovaný výkon pohonu ventilátoru při daném objemovém proudu a náv růstu tlaku, protože tento poháněči výkon značně ovlivňuje ztrátovou bilanci generátoru,

Obvyklá, uspořádání přítoková a odtokové oblasti se týkající opatření pro zvýšení účinnosti axiálních ventilátorů mají zpravidla enormní nároky na axiální prostor, jak je to uvedeno například v EP 682 399. V generátorů s vysokým jednotkovým výkonem je však v zásadě snaha maximalizovat podíl elektricky použitelné aktivní dílčí délky na délku rotoru omezenou z mechanických, případně hřídelových dynamických důvodů mezi ložisky. Známá kombinace oběžného kola axiální« ··· ··· ··♦ ho ventilátoru a olopatkovaného rozváděcího kola má kromě značně velkých nároků na axiální prostor tu nevýhodu, že dochází ke zvýšení hladiny hluku, což způsobuje interakce olopátkování rozváděcího kola s následnými bradavkami vytvořenými ve směru proti proudu před rotujícími lopatkami oběžného kola.

Fodstata_vynálezu

Vycházeje ze stavu techniky si proto vynález klade za úkol vytvořit jednoduchým a ekonomickým způsobem účelně pracující stupen axiálního ventilátoru s ústrojím následného vedení na co nejmenším axiálním konstrukčním prostoru v turbogenerátoru se sacím chladicím okruhem.

Tento úkol se podle vynálezu řeší znaky prvního patentového nároku a spočívá zejména v tom, že ústrojí následného vedení uspořádané na straně po proudu axiálního ventilátoru je vytvořeno jako vratný difuzor pro vychylování proudu studeného plynu z v podstatě axiálního do v podstatě radiálního směru pro zvýšení tlaku. U takto vytvořeného uspořádání a následné konstrukce takového vratného difuzoru a jeho zástavby dochází v důsledku zvýšení tlaků ke značnému zvýšení chladicího objemového proudu, čímž se při daném chladicím vzduchovém proudu prostřednictvím vratného difuzoru sníží odběr výkonu ventilátoru a tak se zvýší účinnost celého elektrického stroje.

Zvláště výhodné uspořádání vynálezu se vyznačuje tím, že vratný difuzor má difuzorovou nálevku a difuzorovou stěnu, přičemž difuzorová nálevka je uspořádána na dělicí stěně, která v rovině axiálního ventilátoru odděluje vtokový pros• *»· » 9 ··· ··· tor axiálního ventilátoru od jeho výtokového prostoru. Difuzorová stěna je ve směru po proudu uspořádána na difuzorové nálevce.

Mimoto je zvláště výhodná, pokud je difuzorová stěna vytvořena prstencovitá a je uspořádána paralelně k vnějšímu plášti generátoru.

Další výhodné uspořádání se vyznačuje tím, že difuzorová stěna je vytvořena ve tvaru kuželového pláště a tak má na svém vnějším poloměru menší odstup k vnějšímu plášti než na svém vnitřním poloměru.

Mimoto je zvláště výhodné, pokud je mezi difuzorovou stěnou a mezi vnějším pláštěm uspořádáno více rozváděčích lopatek pro další zvýšení tlaku.

Další výhodná uspořádání vynálezu vyplývají ze závislých patentových nároků.

P£ehled_obrázků_na_vvkresech

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen na příkladech provedení ve spojení s výkresovou částí. Přitom jsou pro porozumění vynálezu schematicky znázorněny jen podstatné elementy.

Na obr. 1 je znázorněn podélný řez vzduchem chlazeným turbogenerátorem s vratným difuzorem podle vynálezu v chladicím okruhu.

Na obr, 2 je ve větším měřítku znázorněn detailní po• · ·· • · ··· ··· • ••Φ ···

- 5 hled 38 z obr. 1.

Na obr. 3 je znázorněna první varianta provedení detailního pohledu 38 z obr. 1.

Na obr. 4 je znázorněna další varianta provedení detailního pohledu 38 z obr. 1.

íklady_grovedění_vynálezu

Na obr. 1 znázorněný, vzduchem chlazený turbogenerátor má těleso _1 stroje, ve kterém je upraveno statorové plechové těleso sestávající z dílčích plechových těles 2. Ve statorovém plechovém tělese jsou mezi jednotlivými dílčími plechovými tělesy 2 upraveny radiální ventilační štěrbiny 3. Rotor 4 je uložen v bočních uloženích 5, 6, která jsou upevněna na neznázorněném základu.

V základové jámě 10 základu je uspořádáno chladicí uspo řádání stroje. Má modulovou konstrukci a je vytvořeno u znázorněného příkladu provedení ze šesti mezi sebou navzájem shodných chladičů 11. Přitom jsou vstupní otvory chladičů 11 s výtokovými prostory 42 ve spojení s ventilátory 12 uspořádanými po obou stranách rotoru 4 a výstupní otvory chladičů 11 vyústují do vyrovnávacího prostoru 13. Chladicí plyn protékající skrz chladiče 11 je znázorněn šipkami, přičemž je znázorněn horký vzduch 18, který vtéká a studený vzduch 19, který vytéká. Všechny další, blíže neoznačené šipky znázorňují chladicí okruh chladicího plynu. Chladicí okruh je šipkami znázorněn jen v jedné polovině stroje, protože z hlediska chlazení má stroj symetrickou konstrukci.

·«· ··»

Z hlediska principu chlazení se jedná o tak zvané zpětné nebo sací chlazení , u kterého se horký vzduch 18 přivádí prostřednictvím ventilátorů 12 do chladičů 11.

Z chladičů 11 proudí potom studený vzduch 19 skrz vyrovnávací prostor 13 do zadní části stroje, tedy do prostoru mezi tělesem 1_ stroje a mezi statorovým plechovým tělesem, vytvořeným z dílčích plechových těles 2. V zadní části skříně jsou prostřednictvím skříňových žeber 22 a radiálních dělicích stěn 23 a axiálních dělicích stěn 24 vytvořeny komory 15, 17 horkého plynu a komory 14, 16 studeného plynu.

U příkladu provedení je vždy jedna komora 14 studeného plynu na obou koncích stroje a jedna komora 17 horkého plynu ve středu stroje, jakož i po obou stranách svislého středu stroje je upravena vždy jedna komora 15 horkého plynu a jedna komora 16 studeného plynu mezi komorou 14 studeného plynu a komorou 17 horkého plynu.

Proud studeného plynu se rozděluje ve vyrovnávacím prostoru 13 na komory 14 a 16 studeného plynu, přičemž se vytvářejí dílčí proudění. První dílčí proud proudí mezi naváděcími plechy 26 a mezi vnitřním pláštěm 21 přímo k rotoru 4, druhý dílčí proud proudí skrz čelo 27 vinutí do vzduchové mezery 25 a třetí proud chladného plynu prochází skrz komory 16 studeného plynu a skrz ventilační štěrbiny 3 do vzduchové mezery £5. Z ní je proud chladného plynu nasáván ventilátory 12 do vtokového prostoru 41 mezi vnitřním pláštěm 21 a mezi dělicí stěnou 20, uspořádanou v radiální rovině každého ventilátoru JL2, a následně je zatlačován k chla dičům 11 v základové jámě 10.

Aby se vyhovělo u mezních výkonných strojů velké spotřebě studeného vzduchu 19 s dostatečně velkým tlakem, jsou

··* ·♦·

- Ί ··· výtokové prostory 42 po obou stranách rotoru 4 opatřeny podle vynálezu vratnými difuzory 36. Tyto vratné difuzory 36 umožňují po proudu od ventilátorů značný kontrolovatelný zpětný zisk tlaku z vysoké kinetické energie horkého vzduchu 18. Tento nazpět získaný tlak horkého vzduchu 18 umožňuje účinné chlazení turbogenerátoru, protože výše popsané, komplikované dráhy chladicího plynu mohou být zásobovány skrz stator a rotor jen více studeným vzduchem 19 za časovou jednotku. Tak je možné u daného ventilátorového uspořádání a prostřednictvím následné vestavby uvedeného vratného difuzoru 36 v důsledku zvýšení tlaku zaznamenat zřetelné zvětšení chladicího objemového proudění, takže u daného chladicího vzduchového proudu se prostřednictvím vratného difuzoru 36 redukuje příjem výkonu ventilátoru 12 a tím také se zvýší účinnost celého elektrického stroje.

Mimoto zůstává zachována axiální délka rotoru 4 mezi bočními uloženími 5, 6 ve srovnání s obvyklými generátory, přičemž se však dosáhne prostřednictvím vratného difuzoru 36 podle vynálezu zdokonaleného chlazení a zvýší se výkon jednotky generátoru.

Na obr. 2 je na podkladě detailního pohledu 38 z obr. 1 znázorněn vratný difuzor 36, který sestává z difuzorové nálevky 36b, upevněné na dělicí stěně 20, a z na ní uspořádané difuzorové stěny 36a. Tato difuzorová stěna 36a je nasměrována radiálně a je uspořádána v odstupu b od vnějšího pláště 37 turbogenerátoru. Tento vnější plást 37 je vytvořen prstencovitě a má vnitřní poloměr r2 a vnější poloměr rA a přitom je upraven v odstupu od dělicí stěny 20 v šířce Lab.

00·» ···

0 • 00

- 8 Difuzorová nálevka 36b má poloměr RO difuzorové nálevky 36b a omezuje mezi sebou a mezi rotorovým hřídelem 4a rotoru 4 průtokový kanál 43 pro studený plyn, jak je to patrno z obr. 1, přičemž tento studený plyn je symbolicky vyznačen průtokovou šipkou 39. Výška h průtokového kanálu £3 přitom zhruba odpovídá výšce oběžných lopatek 12a ventilátoru £2, viz obr. 1. Mezi dělicí stěnou 20 a mezi vnitřním pláštěm 21 uspořádaným proti proudu oběžných lopatek 12a je vymezen vtokový prostor 41 o šířce LV.

Optimální zpětný zisk tlaku z kinetické energie, který zachycuje studený plyn při průtoku ventilátoru £2, se vytváří pro dále uvedené okrajové podmínky.

První z nich spočívá v tom, že poloměr RO difuzorové nálevky 3Gb je větší než O,6násobek výšky h průtokového kanálu 4 3.

Druhá z nich spočívá v tom, že vnější poloměr rA difuzo rové stěny 36a je menší než její dvojnásobek vnitřního poloměru r2.

Třetí z nich spočívá v tom, že odstup b difnzorové stěny 36a má na svém vnějším poloměru rA k vnějšímu plášti 37 hodnotu zhruba 0,78 až O,9násobku výšky h průtokového kanálu 43.

Mezi vnitřním pláštěm 21 a mezi dělicí stěnou 20 má podle čtvrté podmínky vtokový prostor 41 šířku LV, která je větší než l,8násobek výšky h průtokového kanálu 43.

Typický tlakový zpětný zisk prostřednictvím vratného • ·#· »* *

• ·*· ·♦·

- 9 ··· difuzoru 36 podle vynálezu ukazuje následující číselný příklad.

U vzduchem chlazeného 300MVA turbogenerátoru, 50 Hz, se vytváří tlakový zpětný zisk z kinetické energie za ventilátorem 12 ve statickém tlaku o hodnotě zhruba 45 %. Při3 tom má objemový proud studeného vzduchu zhruba hodnotu 30 m / kanálová výška činí zhruba h = 140 mm, vnější poloměr difnzorové stany 36a má hodnotu zhruba rA = 1000 mm a odstup difuzorové stěny 36a od vnějšího pláště 37 má hodnotu zhruba b = 110 mm. Dále má odstup mezi dělicí stěnou 20 a mezi vnitř ním pláštěm 21 zhruba hodnotu šířky LV = 270 mm, vnitřní poloměr difuzorové stěny 36a zhruba hodnotu r2 = 700 mm a poloměr RO difuzorové nálevky 36b zhruba hodnotu RO ~ 85 mm.

Zvláště výhodná je ta skutečnost, že tlakový zpětný zisk je prováděn na velmi malém axiálním prostoru tělesa j. stroje. Tak je možné jednotkový výkon takových turbogenerátorů s vratnými difuzory 36 podstatně zvýšit, aniž by se zvětšila celková délka stroje mezi bočními uloženími í>, 6.

První varianta provedení vratného difuzoru 36 podle vynálezu je znázorněna na obr. 3. Mezi difuzorovou stěnou 36a a mezi vnějším pláštěm 37 je uspořádáno více rozváděčích lopatek £0, ve kterých je znázorněna jen jedna jediná. Tento počet rozváděčích lopatek 40 slouží pro další tlakový zpětný zisk z kinetické energie studeného plynu. Přitom je vytvoření a uspořádání takových rozváděčích lopatek 40 v oblasti odborných znalostí, takže není třeba uvádět detailní geometrické rozměry. Zvláště výhodná je přitom ta skutečnost, že prostřednictvím olopatkování lze redukovat radiální rozměry difuzorové stěny 36a při shodném tlakovém ··* »·

- 10 zpětném zisku.

Další varianta provedení vratného difuzoru 36 podle vynálezu je znázorněna na obr. 4. Difuzorová stěna 36a je zde vytvořena ve tvaru kuželového pláště a má na svém vnějším poloměru rA menší odstup b k vnějšímu plášti 37 než na svém vnitřním poloměru r2. Prostřednictvím tohoto kontrolovaného zpoždění prostřednictvím difuzorové stěny 36a ve tvaru kuželového pláště, kterým se zabrání uvolnění proudění, lze cíleně nastavovat již popsaný tlakový zpětný zisk.

Vynález není v žádném případě omezen na znázorněné příklady provedení. Bez opuštění myšlenky vynálezu je také například možné využít pro tlakový zpětný zisk kombinaci difuzorové stěny 36a ve tvaru kuželového pláště podle obr. 4 a olopatkování mezi difuzorovou stěnou 36a a mezi vnějším pláštěm 37. Dále je také možné využít vratný difuzor 36 podle vynálezu u konvenčního chladicího okruhu s tak zvaným tlakovým chlazením místo sacího chlazení nebo také použít speciální chladicí plyn, jako například hélium.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Plynem chlazený elektrický stroj s axiálním ventilátorem (12) a ústrojím následného vedení pro zvyšování tlaku chladicího plynu, které je uspořádáno na straně axiálního ventilátoru (12) upravené ve směru po proudu, přičemž chladicí plyn je prostřednictvím axiálního ventilátoru (12) nucené pohánitelný ze vtokového prostoru (41), omezeného vnitřním pláštěm (21) a dělicí stěnou (20) uspořádanou v radiální rovině axiálního ventilátoru (12), do výtokového prostoru (42), který je omezen dělicí stěnou (20) a vnějším pláštěm (37), vyznačující se tím, že ústrojí následného vedení je vytvořeno jako vratný difuzor (36) pro vychylování proudu studeného plynu z v podstatě axiálního do v podstatě radiálního směru proudění.
2. 2. Plynem chlazený elektrický stroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že vratný difuzor (36) má difuzorovou nálevku (36b) a difuzorovou stěnu (36a) a tato difuzorová nálevka (36b) je svým menším nálevkovým otvorem uspořádána na dělicí stěně (20) a difuzorová stěna (36a) je uspořádána na větším nálevkovém otvoru difuzorová nálevky (36b), přičemž difuzorová stěna (36a) na větším nálevkovém otvoru má vnitřní poloměr (r2) a přičemž difuzorová stěna (36a) je upravena mezi tímto vnitřním poloměrem (r2) a mezi vnějším poloměrem (rA).
3. 3. Plynem chlazený elektrický stroj podle nároku 2, vyznačující se tím, že difuzorová stěna (36a) je vytvořena prstencovitá a je uspořádána paralelně k vnějšímu plášti (37) v axiálním odstupu (b).

   999

   9*9 *··· ·*·

   - 12 • ··· «9
4. 4. Plynem chlazený elektrický stroj podle nároku 2, vyznačující se tím, že difuzorová stěna (36a) je vytvořena ve tvaru kuželového pláště, takže má na svém vnějším poloměru (rΛ) menší odstup (b) k vnějšímu pláš ti (37) než na svém vnitrním poloměru (r2).
5. 5. Plynem chlazený elektrický stroj podle jednoho z nároků

   2 až 4, vyznačující se tím, že difuzorová nálevka (36b) má poloměr (RO) difuzorové nálevky (36b), který je větší než 0,6násobek výšky (h) průtokového kanálu (43), který je vytvořen mezi dělicí stěnou (20) a me zi rotorovým hřídelem (4a) elektrického stroje.
6. 6. Plynem chlazený elektrický stroj podle nároku 5, vyznačující se tím, že odstup (b) difuzorové stěny (36a) na jejím vnějším poloměru (rA) k vnějšímu plášti (37) má hodnotu 0,78 až 0,9násobku výšky (h) průtoko váho kanálu (43).
7. 7. Plynem chlazený elektrický stroj podle jednoho z nároků 5 nebo 6, vyznačující se tím, že vtokový prostor (41) mezi vnitrním pláštěm (21) a mezi dělicí stěnou (20) má šířku (LV), která je větší než l,8násobek výšky (h) průtokového kanálu (43),
8. 8. Plynem chlazený elektrický stroj podle jednoho z nároků

   2 až 7, vyznačující se tím, že vně j ší poloměr (rA) difuzorové stěny (36a) je menší než dvojnásobek jejího vnitřního poloměru (r2).
9. 9. Plynem chlazený elektrický stroj podle jednoho z nároků

   2 až 8, vyznačující se tím. Že mezi

   - 13 * · · • · • •fl· ♦·· • * f « * • fl· ·*· ·· difuzor ovoit stěnou (36a) a mezi vnějším pláštěm (37) je uspořádáno více rozváděčích lopatek (40).

   JO. Plynem chlazený elektrický stroj podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že ohřátý studený plyn, to je horký plyn, je ventilátorem (12) z elektrického stroje odsávatelný.