ES2287166T3 - Ventilacion del rotor de una maquina dinamoelectrica. - Google Patents
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Abstract
Una máquina dinamoeléctrica (10) que comprende: un miembro de estator (12); un miembro de rotor (11) montado dentro del miembro de estator en un árbol (15) que se extiende axialmente, teniendo el miembro de rotor porciones terminales primera (62) y segunda (82) separadas por un espacio que se extienden radialmente y una pluralidad de conductos de ventilación (23) separados por un espacio extendiéndose cada uno entre las porciones terminales primera y segunda en una dirección sustancialmente axial; un primer miembro de refuerzo (60) montado en el rotor adyacente a la primera porción terminal del rotor para la rotación con el mismo, extendiéndose el primer refuerzo radialmente por encima y separado de la primera porción terminal del rotor, que se extiende radialmente, para definir una vía de entrada de gas radial (64) con el mismo, teniendo el primer refuerzo una primera porción terminal radialmente interior adyacente a y separada del árbol para definir una entrada de gas (68) y una segunda porción terminal radial exterior (70) montada en el rotor para dirigir el gas dentro de los conductos de ventilación, y rotando el primer miembro de refuerzo con el rotor para acelerar angularmente el gas en movimiento a lo largo de la vía de entrada de gas radial y dentro de los conductos de ventilación; y caracterizada por: un segundo miembro de refuerzo (80) montado en el rotor adyacente a la segunda porción terminal (82) del rotor para la rotación con el mismo, extendiéndose el segundo refuerzo radialmente por encima y separado de la segunda porción terminal del rotor, que se extiende radialmente, para definir una vía de salida de gas radial (84) con el mismo, teniendo el segundo refuerzo una segunda porción terminal radialmente interior (86) adyacente a y separada del árbol para definir una salida de gas (88) y una segunda porción terminal radial exterior (90) montada en el rotor adyacente a los conductos de ventilación separados por un espacio para recibir el gas que sale de los conductos de ventilación, y rotando el segundo miembro de refuerzo con el rotor para desacelerar angularmente el gas que sale de los conductos de ventilación y que se desplaza a lo largo de la vía de salida de gas radial.
Description
Ventilación del rotor de una máquina
dinamoeléctrica.
La presente invención se refiere a máquinas
dinamoeléctricas que tienen un rotor que se refrigera usando una
convección forzada de gases para extraer calor del rotor. Es
especialmente aplicable a máquinas de alta velocidad donde la
pérdida por rozamiento con el aire experimentada por las máquinas es
significativa.
Esta invención es una mejora sobre la patente
canadiense 1.238.933 del presente inventor, concedida el 5 de julio
de 1988 y titulada sistema de refrigeración con pérdida de
rozamiento con el aire reducida. La patente canadiense del presente
inventor desvela una máquina dinamoeléctrica de rotor sellado que
tiene una pérdida por rozamiento con el aire reducida al tener
álabes deflectores en extremos opuestos del rotor. Un conjunto de
álabes se utiliza para dirigir el gas al rotor y otro conjunto de
álabes para dirigir el gas desde el rotor a la estructura rotatoria
adyacente para la circulación. El rotor tiene ranuras de
refrigeración definidas por el espacio interpolar entre dos polos
adyacentes del rotor y un escudo o miembro de protección colocado a
través de la ranura para encerrar el espacio interpolar. Cualquier
gas dirigido por los álabes a la ranura se mueve axialmente a lo
largo de la ranura y la protección de escudo le impide moverse
radialmente hacia fuera de la ranura, a través del entrehierro y al
miembro de estator que rodea al rotor. Como resultado, el uso de
los álabes y el escudo de protección proporcionan una reducción de
la pérdida por rozamiento con el aire asociada con el flujo de gas
para refrigerar la estructura del rotor.
Como consecuencia hay una necesidad de
proporcionar un sistema de ventilación para una máquina
dinamoeléctrica en la que la pérdida por rozamiento con el aire
asociada con los gases refrigerantes que entran en los espacios o
conductos interpolares del rotor presente una pérdida por rozamiento
con el aire mínima mientras que al mismo tiempo tenga la ventaja
asociada con el uso de conductos refrigerantes del espacio
interpolar. El documento
US-A-5-898-246
describe una disposición de refrigeración para un aparato de
motor/generador de reluctancia de rotor abierto de alta velocidad
que se usa en aplicaciones de aeronáutica.
Los resúmenes de patentes de Japón volumen 003,
número 082-(E-123), 14 de julio de 1979
(14-07-1979) y
J-54-060404A, describe un rotor de
tipo de polos salientes que tiene una placa de escudo para reducir
la pérdida de aire.
El documento
DE-24-01-588
describe un dispositivo de ventilación que se usa en una máquina
eléctrica rotativa.
La presente invención se refiere a la
refrigeración de una máquina dinamoeléctrica que tiene un rotor con
un escudo o protección como se desvela en mi patente canadiense
previa 1.238.933 y con la mejora de los refuerzos de entrada y
salida que se extienden radialmente por encima de las superficies
terminales radiales opuestas del rotor. El refuerzo de entrada
proporciona una vía de entrada de gas donde la rotación del refuerzo
actúa como una bomba para acelerar el gas tangencialmente para
tener una velocidad angular equivalente a la del rotor en los polos
del rotor. El refuerzo de entrada dirige entonces el gas a los
espacios interpolares que se extienden axialmente. El refuerzo de
salida cubre las otras superficies terminales o laterales del rotor
para proporcionar una vía de salida que se extiende radialmente
desde los polos del rotor hacia el eje del rotor. El refuerzo de
salida actúa como una turbina para recuperar la energía de la
corriente de gas cuando el componente angular de la velocidad del
gas desacelera. Como resultado, la pérdida por rozamiento con el
aire asociada con el flujo de corriente de gas hacia dentro y hacia
fuera de los espacios o conductos interpolares se reduce.
Preferentemente, un motor de soplante o de bomba
se utiliza para dirigir el flujo de gas por el rotor en una
dirección predeterminada y para compensar las pérdidas de presión
estática del gas que se mueve axialmente a lo largo de los espacios
interpolares. Sin embargo, la extensión radial del refuerzo de
entrada relativa al refuerzo de salida se puede elegir para
optimizar la pérdida por rozamiento con el aire y compensar las
pérdidas de presión estática. Se prevé que en algunas formas de
realización no se necesite ninguna bomba o soplante externa para
compensar las pérdidas de presión estática.
De acuerdo con un aspecto de la presente
invención se proporciona una máquina dinamoeléctrica como se define
en la reivindicación adjunta 1.
Preferentemente, el rotor incluye una pluralidad
de polos separados por un espacio adyacentes a un entrehierro con
el miembro de estator. Entre los polos adyacentes se define un
espacio interpolar que se extiende axialmente y un miembro de
protección que se extiende entre los polos a través de los espacios
interpolares para definir los conductos de ventilación.
Alternativamente, los conductos de ventilación pueden ser pasajes
axiales en el núcleo del rotor.
Preferentemente la máquina dinamoeléctrica es
una máquina dinamoeléctrica de rotor sellado. Preferentemente cada
una de los refuerzos primero y segundo tiene una superficie de borde
curvado adyacente a los extremos radialmente exteriores primero y
segundo respectivos para redirigir el flujo de gas respectivamente
entre el flujo radial y axial, y el flujo axial y radial. Se
debería entender que el borde curvado puede comprender un único
miembro de metal doblado haciendo una curva o una serie de piezas
planas anguladas en relación la una a la otra para proporcionar la
curvatura requerida.
Está dentro del dominio de la presente invención
que la máquina dinamoeléctrica incluya un motor de soplante
adyacente a la entrada de gas, la salida de gas o ambas para dirigir
el flujo de gas a la entrada de gas, a lo largo de la vía de
entrada de gas radial, axialmente a lo largo de los conductos de
ventilación, a lo largo de la vía de salida de gas radial y fuera
de la salida de gas.
También se prevé que el refuerzo de salida se
extienda radialmente hacia el eje una distancia predeterminada
menor que el refuerzo de entrada para crear una presión diferencial
entre la entrada de gas y la salida de gas que provoca o facilita
el flujo de gas a la entrada, a través del rotor y fuera de la
salida.
Para un mejor entendimiento de la naturaleza y
objetos de la presente invención se puede hacer referencia a los
dibujos esquemáticos anexos en los
que:
que:
la fig. 1 es una sección transversal radial de
una máquina dinamoeléctrica según la presente invención; y
la fig. 2 es una sección transversal axial
parcial del rotor y estator de la máquina dinamoeléctrica de la
presente invención.
Con referencia a la fig. 1 se muestra una vista
en sección transversal de una porción de una máquina dinamoeléctrica
10 montada verticalmente que tiene un rotor 11 y un estator 12.
Mientras que la máquina dinamoeléctrica 10 se muestra con un árbol
vertical 15, como se usa normalmente en un hidrogenerador, la
presente invención también se puede usar con máquinas de árbol
horizontal. Entre el rotor 11 y el estator 12 hay un entrehierro 14
que separa estas dos estructuras. El rotor 11 está unido a un árbol
15 rotativo que se monta en una estructura de soporte (no mostrada)
para permitir la rotación del árbol 15 con el rotor 11. Un miembro
de cubo 16 se enchaveta o asegura de otra manera adecuada al árbol
15. Una placa de apoyo 17 que se extiende radialmente se extiende
desde el miembro de cubo 16 hasta la estructura del núcleo del rotor
18. Las laminaciones 22 que comprenden el núcleo del rotor llevan
polos 28 que tienen conductos de ventilación que se extienden
axialmente o conductos de refrigeración 23. Los polos 28
adyacentes, se muestran en la fig. 2 con el conducto de ventilación
23 extendiéndose a lo largo del espacio interpolar entre los polos
28. En la fig. 2, un escudo 25 cubre el espacio interpolar 23 e
impide de ese modo que el flujo de gas se extienda radialmente hacia
el exterior del conducto de ventilación 23 y dirige el flujo de gas
axialmente por los conductos de ventilación 23 como se muestra en la
fig. 1.
El rotor 11 se monta para la rotación de forma
circunferencial dentro del estator 12. El estator 12 se muestra con
pasajes de ventilación 37 que se extienden de forma regular. Se
extienden conductores por el núcleo del estator 36 y los giros
extremos 38 de los conductores se representan esquemáticamente. Un
alojamiento 40 se extiende desde el estator 12 formando una cámara
41. Un refrigerador 42 se monta en el alojamiento 40 para que el
gas refrigerante o gas que es pasado por los pasajes 37 recoja el
calor generado del núcleo del estator 36, pase a la cámara 41, y se
le extraiga el calor cuando el gas pase por el refrigerador 42. Una
pared 43 se extiende alrededor del estator definiendo la cámara 44.
Los ventiladores accionados por motor 45 y 46 se montan en las
aberturas en las respectivas paredes 47 y 48 para mover el gas
refrigerante desde la cámara 44 a las cámaras 50 y 51 donde el gas
refrigerante pasa por la entrada 38 y al entrehierro 14.
Se observará que hay una circulación de un gas
refrigerante o gas para refrigerar el estator 12 y otro para
refrigerar el rotor 11. El rotor 11 está provisto de un primer
miembro de refuerzo 60 montado en el rotor 11 adyacente a un primer
extremo axial del rotor 62 para la rotación con el mismo. El primer
refuerzo 60 se extiende radialmente por encima y está separada del
primer extremo 62 del rotor, que se extiende radialmente, para
definir una vía de entrada de gas radial 64. El primer refuerzo 60
tiene un primer extremo radial interior 66 adyacente a y separado
del árbol 15 para definir una entrada de gas 68. El primer refuerzo
62 tiene además un segundo extremo radial exterior 70 montado en el
rotor '11 adyacente a y separado por un espacio de los conductos de
ventilación 23 de manera que comunique el gas desde la vía de
entrada de gas radial 64 a y a través de los conductos de
ventilación 23 del rotor 11. Una pluralidad de paletas 65 que se
extienden radialmente se montan en la placa de apoyo del rotor 17 a
través del extremo del refuerzo 70. La paleta 65 ayuda a la
aceleración angular del flujo de gas.
De acuerdo con la presente invención se
proporciona además un segundo miembro de refuerzo 80 montado en el
rotor 11 adyacente al segundo extremo axial 82 del rotor 11. El
refuerzo 80 también rota con el rotor 11. El segundo refuerzo 80 se
extiende radialmente por encima y está separado del segundo extremo
radial 82 del rotor 11 para definir una vía de salida de gas radial
84. El segundo refuerzo 80 tiene un segundo extremo radialmente
interior 86 adyacente a y separado del árbol 15 para definir una
salida de gas 88. El segundo refuerzo 80 tiene además un segundo
extremo radial exterior 90 montado en el rotor 11 adyacente y
separado por un espacio de los conductos de ventilación 23 para
comunicar el gas desde los conductos de ventilación 23 a y a través
de la salida de gas radial 84 y fuera de la salida de gas. En la
forma de realización mostrada la extensión radial del segundo
refuerzo 80 es menor que la extensión radial del primer refuerzo 60
de modo que la distancia predeterminada del segundo refuerzo de
salida es menor que el primer refuerzo de entrada. Esto tiene el
efecto de facilitar el flujo de gas por el rotor en la dirección de
la flecha mostrada. Una pluralidad de paletas 85 que se extienden
radialmente se montan en la placa de apoyo del rotor 17 frente al
refuerzo de salida 80 y se conectan en un extremo al extremo del
refuerzo de salida 90. Las paletas 85 ayudan a la recuperación de
energía del flujo de gas.
Para facilitar aún más el flujo de gas en la
dirección mostrada por las flechas por el rotor 11, la entrada 68
del primer refuerzo 60 está provista del ventilador accionado por
motor 92 y la salida de gas 88 del segundo refuerzo 80 está
provista del ventilador accionado por motor 94. La dirección de
estos ventiladores fuerza el movimiento del gas en la misma
dirección de las flechas mostradas o por el conducto de ventilación
del rotor 23.
El flujo de gas que sale por la salida 88 del
segundo refuerzo 80 pasa por el refrigerador 96, al pasaje 98 y de
vuelta a la entrada 68 del primer refuerzo 60.
La máquina dinamoeléctrica 10 mostrada en los
dibujos es una máquina de tipo dinamoeléctrico de rotor sellado. Es
decir una pared 32 se extiende completamente alrededor del estator y
rotor de la máquina dinamoeléctrica.
El refuerzo primero y segundo 60 y 80 tienen un
borde curvado respectivamente adyacentes a las esquinas 70 y 90 de
manera que redirigen el flujo de gas respectivamente entre un flujo
radial y un flujo axial como se muestra en los dibujos.
Los refuerzos 60 y 80 unidos así al rotor
proporcionan pasajes de gas 64 y 84 en comunicación de flujo de gas
con los conductos de ventilación 23 proporcionan un sistema de
circulación de gas que utiliza la acción de bombeo asociada con
ambos refuerzos primero y segundo 60 y 80 para mover o forzar el gas
por los conductos de ventilación 23 del rotor para refrigerar el
rotor mediante una convección forzada. Además, la energía impartida
en el gas por el rotor para acelerar angularmente el gas a la
velocidad adecuada en el pasaje de entrada 64 es recuperada
parcialmente, por el pasaje de salida 84 cuando el gas desacelera
angularmente y sale del segundo refuerzo 80. Por tanto, la pérdida
por rozamiento con el aire asociada con esta estructura es reducida
por la desaceleración angular de los gases.
Se debería entender que formas de realización
alternativas de la presente invención pueden ser fácilmente
evidentes para una persona experta en la materia en vista de la
descripción anterior de las formas de realización preferidas de
esta invención. Como consecuencia, el ámbito de la presente
invención no debería estar limitado a las enseñanzas de las formas
de realización preferidas y debería estar limitado al alcance de las
reivindicaciones que siguen.
Claims (6)
1. Una máquina dinamoeléctrica (10) que
comprende:
un miembro de estator (12);
un miembro de rotor (11) montado dentro del
miembro de estator en un árbol (15) que se extiende axialmente,
teniendo el miembro de rotor porciones terminales primera (62) y
segunda (82) separadas por un espacio que se extienden radialmente
y una pluralidad de conductos de ventilación (23) separados por un
espacio extendiéndose cada uno entre las porciones terminales
primera y segunda en una dirección sustancialmente axial;
un primer miembro de refuerzo (60) montado en el
rotor adyacente a la primera porción terminal del rotor para la
rotación con el mismo, extendiéndose el primer refuerzo radialmente
por encima y separado de la primera porción terminal del rotor, que
se extiende radialmente, para definir una vía de entrada de gas
radial (64) con el mismo, teniendo el primer refuerzo una primera
porción terminal radialmente interior adyacente a y separada del
árbol para definir una entrada de gas (68) y una segunda porción
terminal radial exterior (70) montada en el rotor para dirigir el
gas dentro de los conductos de ventilación, y rotando el primer
miembro de refuerzo con el rotor para acelerar angularmente el gas
en movimiento a lo largo de la vía de entrada de gas radial y
dentro de los conductos de ventilación; y caracterizada
por:
un segundo miembro de refuerzo (80) montado en
el rotor adyacente a la segunda porción terminal (82) del rotor
para la rotación con el mismo, extendiéndose el segundo refuerzo
radialmente por encima y separado de la segunda porción terminal
del rotor, que se extiende radialmente, para definir una vía de
salida de gas radial (84) con el mismo, teniendo el segundo
refuerzo una segunda porción terminal radialmente interior (86)
adyacente a y separada del árbol para definir una salida de gas
(88) y una segunda porción terminal radial exterior (90) montada en
el rotor adyacente a los conductos de ventilación separados por un
espacio para recibir el gas que sale de los conductos de
ventilación, y rotando el segundo miembro de refuerzo con el rotor
para desacelerar angularmente el gas que sale de los conductos de
ventilación y que se desplaza a lo largo de la vía de salida de gas
radial.
2. La máquina dinamoeléctrica (10) de la
reivindicación 1 en la que el rotor incluye una pluralidad de polos
(28) separados por un espacio adyacentes a un entrehierro (14) con
el miembro de estator, teniendo los polos adyacentes un espacio
interpolar (23) que se extiende radialmente y extendiéndose un
miembro de protección (25) entre los polos a través de los espacios
interpolares para definir los conductos de ventilación.
3. La máquina dinamoeléctrica (10) de la
reivindicación 1 en la que la máquina es una máquina dinamoeléctrica
de rotor sellado.
4. La máquina dinamoeléctrica (10) de la
reivindicación 1 en la que cada uno de los refuerzos primero y
segundo (60, 80) tiene una superficie de borde curvado adyacente a
las porciones terminales radialmente exteriores primera y segunda
respectivas para redirigir el flujo de gas respectivamente entre el
flujo radial y axial, y el flujo axial y radial.
5. La máquina dinamoeléctrica (10) de la
reivindicación 1 que incluye además un motor de soplante (92, 94)
adyacente a la entrada de gas, la salida de gas y ambas para dirigir
el flujo de gas a la entrada de gas, a lo largo de la vía de
entrada de gas radial, axialmente a lo largo de los conductos de
ventilación, a lo largo de la vía de salida de gas radial y fuera
de la salida de gas.
6. La máquina dinamoeléctrica (10) de la
reivindicación 1 en la que el segundo refuerzo de salida se extiende
radialmente hacia el árbol (15) una distancia predeterminada menor
que el primer refuerzo de entrada.
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