ES2287175T3 - Maquina dinamoelectrica refrigerada por gas. - Google Patents

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ES2287175T3 ES01986075T ES01986075T ES2287175T3 ES 2287175 T3 ES2287175 T3 ES 2287175T3 ES 01986075 T ES01986075 T ES 01986075T ES 01986075 T ES01986075 T ES 01986075T ES 2287175 T3 ES2287175 T3 ES 2287175T3
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Abstract

Una máquina dinamoeléctrica refrigerada por gas, que comprende: un rotor (100) que tiene una parte (14) de cuerpo, presentando dicho rotor bobinas (22) que se extienden axialmente y espiras (27, 127, 227) de extremo radialmente contiguas que definen una pluralidad de devanados (28, 128, 228) de extremo que se extienden axialmente más allá de al menos un extremo de dicha parte (14) de cuerpo; y al menos un bloque (40, 140, 240) espacial situado entre dichos devanados (28) de extremo adyacentes de manera que se define una cavidad (42, 142, 242) en medio, un gas de refrigeración para entrar en la cavidad (42, 142, 242), que atraviesa una circulación primaria y sale de la cavidad (42, 142, 242); caracterizada porque al menos una de dichas espiras (127, 227) de extremo y/o dicho bloque (140, 240) espacial tiene un perfil (148, 150, 252) superficial no plano sobre una superficie de los mismos dirigida a dicha cavidad (42, 142, 242), y dicho perfil superficial no plano comprende al menos una protuberancia o al menos un rebaje definido totalmente en dicha superficie de dicha al menos una espira de extremo y/o bloque (140, 240) espacial, estando prevista la al menos una protuberancia o rebaje para aumentar la transferencia de calor mejorando la mezcla turbulenta y la rotura de capa límite en dicha cavidad entre devanados de extremo adyacentes.

Description

Máquina dinamoeléctrica refrigerada por gas.
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere a una estructura para mejorar la refrigeración de rotores de generadores mediante el perfilado superficial de las espiras de extremo de cobre y/o los bloques espaciales.
El régimen nominal de la potencia de salida de las máquinas dinamoeléctricas, tales como grandes turbogeneradores, está limitado con frecuencia por la capacidad de proporcionar corriente adicional a través del devanado de campo del rotor debido a las limitaciones de temperatura impuestas al aislamiento del conductor eléctrico. Por lo tanto, la refrigeración efectiva del devanado del rotor contribuye directamente a la capacidad de salida de la máquina. Esto es especialmente cierto en la zona de extremo del rotor, en la que una refrigeración forzada directa resulta difícil y cara debido a la habitual construcción de estas máquinas. A medida que las tendencias que prevalecen en el mercado requieren generadores de densidad de alta potencia con una mayor eficacia y una mayor fiabilidad a menor coste, la refrigeración de la zona de extremo del rotor se convierte en un factor de limitación.
Los rotores de los turbogeneradores consisten normalmente en bobinas rectangulares concéntricas montadas en ranuras en un rotor. Las partes de extremo de las bobinas (habitualmente denominadas como devanados de extremo), que están más allá del soporte del cuerpo del rotor principal, se soportan normalmente en contra de fuerzas rotacionales mediante un anillo de retención (véase la figura 1). Los bloques de soporte se colocan de manera intermitente entre los devanados de extremo de la bobina concéntrica para mantener una posición relativa y para añadir estabilidad mecánica para cargas axiales, tales como cargas térmicas (véase la figura 2). Adicionalmente, las bobinas de cobre están constreñidas radialmente por el anillo de retención sobre sus radios exteriores, lo que contrarresta las fuerzas centrífugas. La presencia de los bloques espaciales y del anillo de retención da como resultado un número de zonas de refrigerante expuestas a las bobinas de cobre. El recorrido primario del refrigerante es axial entre el árbol y la parte inferior de los devanados de extremo. También se forman cavidades discretas entre las bobinas por las superficies de unión de las bobinas, los bloques y la superficie interior de la estructura del anillo de retención. Los devanados de extremo están expuestos al refrigerante que se conduce mediante fuerzas rotacionales desde radialmente por debajo de los devanados de extremo hacia estas cavidades (véase la figura 3). Esta transferencia de calor tiende a ser baja. Esto se debe a que, según líneas de recorrido de flujo calculadas por ordenador, en una única cavidad de devanado de extremo giratoria a partir de un análisis dinámico de fluidos realizado por ordenador, el flujo de refrigerante entra en la cavidad, la atraviesa a través de una circulación primaria y sale de la cavidad. Normalmente, la circulación tiene como resultado coeficientes de transferencia de calor bajos especialmente cerca del centro de la cavidad. Así, aunque que se trata de un medio para la eliminación del calor en los devanados de extremo, resulta relativamente ineficaz.
Se han utilizado diversos esquemas para encaminar gas de refrigeración adicional a través de la zona de extremo del rotor. Todos estos esquemas de refrigeración se basan en o bien (1) hacer pasos de refrigeración directamente en los conductores de cobre mecanizando surcos o formando canales en los conductores, y entonces bombear el gas hacia alguna otra zona de la máquina, y/o (2) crear zonas de presiones relativamente superiores e inferiores con la adición de deflectores, canales de flujo y elementos de bombeo para forzar al gas de refrigeración a pasar por las superficies de los conductores.
Algunos sistemas perforan el anillo de retención del rotor altamente cargado con tensión con orificios radiales para permitir que el gas de refrigeración sea bombeado directamente a lo largo de los devanados de extremo del rotor y descargado en el espacio de aire, aunque tales sistemas pueden tener tan sólo una utilidad limitada debido al elevado esfuerzo mecánico y a consideraciones de fatiga relacionadas con el anillo de retención.
Si se utilizan los esquemas de refrigeración forzada de extremo del rotor convencionales, se añade una complejidad y un coste considerables a la construcción del rotor. Por ejemplo, deben mecanizarse o fabricarse conductores refrigerados directamente para formar los pasos de refrigeración. Además, debe proporcionarse un colector de salida para descargar el gas a algún lugar en el rotor. Los esquemas de refrigeración forzada requieren que la zona de extremo del rotor se divida en zonas de presión separadas, con la adición de numerosos deflectores, canales de flujo y elementos de bombeo, que de nuevo añaden complejidad y coste.
Si no se utiliza ninguno de estos esquemas de refrigeración directa o forzada, entonces los devanados de extremo del rotor se refrigeran de manera pasiva. La refrigeración pasiva se basa en las fuerzas centrífugas y rotacionales del rotor para hacer circular gas en las cavidades ciegas, cerradas formadas entre los devanados del rotor concéntricos. La refrigeración pasiva de los devanados de extremo del rotor se denomina en ocasiones refrigeración de "convección libre".
La refrigeración pasiva proporciona la ventaja de una complejidad y un coste mínimos, aunque la capacidad de eliminación de calor disminuye cuando se compara con los sistemas activos de refrigeración directa y forzada. Cualquier gas de refrigeración que entre en las cavidades entre los devanados del rotor concéntricos debe salir a través la misma abertura puesto que estas cavidades están encerradas por lo demás -las cuatro "paredes laterales" de una cavidad típica están formadas por los conductores concéntricos y los bloques aislantes que los separan, estando la pared "inferior" (radialmente exterior) formada por el anillo de retención que soporta los devanados de extremo contra la rotación. El gas de refrigeración entra desde el espacio anular entre los conductores y el árbol del rotor. La eliminación de calor está limitada por tanto por la baja velocidad de circulación del gas en la cavidad y la cantidad limitada de gas que puede entrar y salir de estos espacios.
En configuraciones típicas, el gas de refrigeración en la zona de extremo todavía no se ha acelerado totalmente a la velocidad del rotor, es decir, el gas de refrigeración gira a parte de la velocidad del rotor. Cuando el fluido se conduce hacia una cavidad mediante el impacto de la velocidad relativa entre el rotor y el fluido, el coeficiente de transferencia de calor es normalmente superior cerca del bloque espacial que está aguas abajo en relación a la dirección del flujo -en el que entra el fluido a una alta velocidad y en el que el refrigerante fluido está más frío. El coeficiente de transferencia de calor también es normalmente elevado alrededor de la periferia de la cavidad. El centro de la cavidad recibe la menor refrigeración.
Aumentando la capacidad de eliminación de calor de los sistemas de refrigeración pasiva, se aumentará la capacidad de transporte de corriente del rotor proporcionando una mayor capacidad nominal del generador en conjunto manteniéndose la ventaja de un coste reducido y una construcción sencilla y fiable.
La patente estadounidense nº 5.644.179 describe un procedimiento para aumentar la transferencia de calor aumentando la velocidad de flujo de la única célula de circulación de flujo grande, introduciendo flujo de refrigeración adicional directamente en, y en la misma dirección que, la célula de flujo que tiene lugar de manera natural. Si bien este procedimiento aumenta la transferencia de calor en la cavidad al aumentar la fuerza de la célula de circulación, la zona central de la cavidad del rotor se deja todavía a baja velocidad y, por lo tanto, baja transferencia de calor. En las zonas de esquina se mantiene todavía la misma baja transferencia de calor.
Sumario de la invención
En las reivindicaciones adjuntas se definen aspectos de la invención.
Las realizaciones de la invención mejoran la tasa de transferencia de calor de las espiras de extremo de cobre de la zona de devanado de extremo de campo utilizando mecanización o preparación superficial para generar estructuras de flujo beneficiosas para refrigerar las espiras de extremo. La mejora de la refrigeración de las espiras de extremo en esta zona proporcionará la oportunidad de aumentar el régimen nominal de la potencia de salida de una máquina dada, lo que lleva a un coste mejorado en dólares por kilovatio-hora. Puesto que la zona de devanado de extremo es normalmente limitativa en términos de satisfacer restricciones de temperatura máxima, las mejoras en esta zona deberían producir beneficios de rendimiento importantes.
Las tasas de transferencia de calor aumentan por el área de superficie aumentada, la mezcla turbulenta mejorada en la superficie, una separación de capa límite y el posterior reacoplamiento. Según una primera realización de la invención, al menos una de las espiras de extremo de cobre está mecanizada para aumentar el área superficial de la misma en comparación con una superficie plana. Esto puede lograrse haciendo rugosa la superficie tal como, por ejemplo, creando surcos.
Según una segunda realización alternativa de la invención, el área superficial de las espiras de extremo se incrementa formando pequeños hoyuelos, similares a los previstos en las superficies de las pelotas de golf, en las secciones de espiras de extremo de cobre del rotor. Estos hoyuelos aumentan las tasas de transferencia de calor en un factor de tres o cuatro, al tiempo que provocan un aumento insignificante en las características de fricción y pérdida de presión global.
Según un rasgo adicional de la invención, además de o en lugar de modificar las propias espiras de extremo de cobre, se modifican los bloques de soporte o bloques espaciales dispuestos entre las espiras de extremo de cobre. Según una realización ejemplar, se disponen generadores de turbulencia en la cara del bloque espacial dispuesta en el lado aguas abajo de la cavidad. Más específicamente, cada uno de los bloques espaciales del rotor se fabrica con elementos de rugosidad. Estos generadores de turbulencia actúan para perturbar el flujo, lo que conduce a una turbulencia aumentada y a un mezclado incoherente. El resultado es la mejora de la tasa de transferencia de calor global.
En otra realización alternativa, se forman generadores de remolinos en la cara del bloque espacial en el lado aguas abajo de la cavidad. Más específicamente, por ejemplo, se fabrican secciones triangulares en el bloque espacial con el fin de generar estructuras de remolino coherentes a partir del flujo de gas de refrigeración a través de los bloques espaciales.
Breve descripción de los dibujos
Estos y otros objetivos y ventajas de esta invención se entenderán y apreciarán de manera más completa mediante el detenido estudio de la siguiente descripción más detallada de las realizaciones ejemplares actualmente preferidas de la invención tomadas junto con los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es una vista en sección transversal de una parte de la zona de espiras de extremo de un rotor de máquina dinamoeléctrica con un estator en relación de oposición al mismo;
la figura 2 es una vista superior en sección transversal del rotor de máquina dinamoeléctrica, tomada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1;
la figura 3 es una ilustración esquemática que muestra el flujo pasivo de gas en y a través de cavidades de devanados de extremo;
la figura 4 es una vista en perspectiva parcial que ilustra espiras de extremo de cobre con surcos extrudidos para aumentar el área superficial según una realización de la invención;
la figura 5 es una vista en perspectiva parcial que muestra espiras con hoyuelos para aumentar el área superficial según una realización alternativa de la invención;
la figura 6 ilustra generadores de turbulencia previstos en la cara del bloque espacial aguas abajo en una realización de la invención;
la figura 7 es una vista en alzado de los generadores de turbulencia previstos en la realización de la figura 6;
la figura 8 es una vista en sección transversal de la zona de espiras de extremo, que muestra generadores de remolino en la cara del bloque espacial aguas abajo; y
la figura 9 es una vista en perspectiva de un bloque espacial de la realización de la figura 8.
Descripción detallada de la invención
En referencia a los dibujos, en los que los números de referencia idénticos indican los mismos elementos en todas las diversas vistas, las figuras 1 y 2 muestran un rotor 10 para una máquina dinamoeléctrica refrigerada por gas, que también incluye un estator 12 rodeando al rotor. El rotor incluye una parte 14 de cuerpo generalmente cilíndrica dispuesta centralmente en un árbol 16 de rotor y que tiene caras de extremo axialmente opuestas, de las que una parte 18 de una cara de extremo se muestra en la figura 1. La parte de cuerpo está dotada de una pluralidad de ranuras 20 espaciadas circunferencialmente y que se extienden axialmente para alojar bobinas 22 dispuestas concéntricamente, que constituyen el devanado del rotor. Para mayor claridad, sólo se muestran cinco bobinas de rotor en la figura 2, aunque normalmente en la práctica se utilizan varias más.
Específicamente, una serie de barras 24 conductoras que constituyen una parte del devanado del rotor se apilan una dentro de cada una de las ranuras. Las barras conductoras adyacentes están separadas por capas de aislamiento 22 eléctrico. Las barras conductoras apiladas se mantienen normalmente en las ranuras mediante cuñas 26 (figura 1) y están hechas de material conductor tal como cobre. Las barras 24 conductoras están interconectadas en cada extremo opuesto de la parte de cuerpo por espiras 27 de extremo, que se extienden axialmente más allá de las caras de extremo para formar devanados 28 de extremo apilados. Las espiras de extremo también están separadas mediante capas de aislamiento eléctrico.
Haciendo referencia específicamente a la figura 1, se dispone un anillo 30 de retención alrededor de las espiras de extremo en cada extremo de la parte de cuerpo para sujetar los devanados de extremo en su lugar en contra de las fuerzas centrífugas. El anillo de retención está fijado en un extremo de la parte de cuerpo y se extiende hacia fuera por encima del árbol 16 de rotor. Un anillo 32 de centrado está acoplado al extremo distal del anillo 30 de retención. Debería observarse que el anillo 30 de retención y el anillo 32 de centrado pueden montarse de otras formas, tal como se conoce en la técnica. El borde periférico interior del anillo 32 de centrado está radialmente espaciado del árbol 16 de rotor de manera que se forma un paso 34 de entrada de gas y los devanados 28 de extremo están espaciados del árbol 16 de manera que se define una zona 36 anular. Se proporciona un número de canales 38 de refrigeración axiales formados a lo largo de las ranuras 20 en comunicación fluida con el paso 34 de entrada de gas a través de la zona 36 anular para entregar gas de refrigeración a las bobinas 22.
Haciendo referencia a la figura 2, los devanados 28 de extremo en cada extremo del rotor 10 están separados circunferencial y axialmente por un número de espaciadores o bloques 40 espaciales. (Para mayor claridad de la ilustración, los bloques espaciales no se muestran en la figura 1). Los bloques espaciales son bloques alargados de un material aislante situados en los espacios entre los devanados 28 de extremo adyacentes y se extienden más allá de la profundidad radial total de los devanados de extremo en el espacio 36 anular. Por consiguiente, los espacios entre las pilas concéntricas de las espiras 27 de extremo están divididos en cavidades. Estas cavidades están enlazadas en la parte superior mediante el anillo 30 de retención y en cuatro lados por devanados 28 de extremo adyacentes y bloques 40 espaciales adyacentes, tal como se muestra en la figura 3. Tal como se ve mejor en la figura 1, cada una de estas cavidades está en comunicación fluida con el paso 34 de entrada de gas a través de la zona 36 anular. Una parte del gas de refrigeración que entra en la zona 36 anular entre los devanados 28 de extremo y el árbol 16 de rotor a través del paso 34 de entrada de gas entra por tanto en las cavidades 42, circula por las mismas, y después vuelve a la zona 36 anular entre el devanado de extremo y el árbol del rotor. El flujo aéreo se muestra mediante flechas en las figuras 1 y 3.
La acción de bombeo inherente y las fuerzas rotacionales que actúan en una cavidad del generador giratorio producen una única célula de circulación de flujo grande, tal como se muestra esquemáticamente en la figura 3. Esta célula de circulación de flujo muestra su mayor velocidad cerca de los bordes periféricos de la cavidad, dejando normalmente la zona central inadecuadamente refrigerada debido a la inherentemente baja velocidad en la zona central de la cavidad. Tal como puede verse en la figura 3, grandes áreas de las zonas de esquina también están inadecuadamente refrigeradas porque el movimiento circular de la célula de flujo no transporta flujo de refrigeración a las esquinas.
Para mejorar la efectividad de refrigeración de los devanados de extremo de campo del generador, en una realización de la invención, las secciones de espiras de extremo de cobre y/o los bloques espaciales mecánicos se mecanizan o perfilan superficialmente de otro modo para definir un perfil superficial no plano sobre una superficie de los mismos dirigida a la cavidad del devanado de extremo adyacente. Estas modificaciones superficiales aumentan el nivel de la mezcla turbulenta y rompen las capas de límite térmico desarrolladas por el flujo que se mueve a lo largo de las superficies. En cada caso, la caída de presión correspondiente aumentará. Sin embargo, las ganancias en la refrigeración de la zona de devanado de extremo producen generalmente beneficios globales que superan el precio del aumento de la pérdida por resistencia aerodinámica.
Por tanto, en referencia a la figura 4, la(s) superficie(s) de al menos una de las espiras 127 de extremo que unen la cavidad de refrigeración son al menos una de las mecanizadas o perfiladas superficialmente de modo que se aumenta al menos una de las áreas superficiales de las mismas y generan un flujo turbulento para así mejorar la transferencia de calor.
Según una primera realización, las superficies 144, 146 expuestas de las espiras 127 de extremo que definen el devanado 128 de extremo están extrudidas o mecanizadas para aumentar el área superficial de las mismas. A modo de ejemplo, el área superficial puede aumentarse mecanizando o extrudiendo las espiras de cobre para definir al menos un surco 148, 150 que se extiende longitudinalmente de al menos una superficie 144, 146 expuesta de la(s) espira(s) 127 de extremo.
En una realización alternativa, tal como se ilustra en la figura 5, una pluralidad de hoyuelos 252 están formados en al menos una superficie 244, 246 de al menos una de las espiras 227 de extremo de cobre que definen el devanado 228 de extremo del rotor.
Ha de entenderse que las realizaciones con ranuras y hoyuelos son meramente ejemplos de perfilados superficiales que pueden adoptarse para mejorar la transferencia de calor. De hecho, pueden adoptarse otras técnicas de perfilado superficial para aumentar el área superficial, mejorando la mezcla turbulenta en la superficie y/o la rotura de capas de límite y su posterior reacoplamiento, sin alejarse de esta invención. Por ejemplo, pueden proporcionarse protuberancias o rebajes de otras formas y diseños. Además, el perfilado superficial no necesita ser tan pronunciado como en la realización ilustrada. Por tanto, por ejemplo, puede proporcionarse una superficie estriada como una alternativa adicional.
Según un aspecto adicional de la invención, tal como se ilustra en las figuras 6 a 9, además de o como alternativa al perfilado superficial de las espiras de extremo, al menos la superficie 156 dispuesta en el lado aguas abajo de la respectiva cavidad 142 (a la que se hace referencia en lo sucesivo como superficie aguas abajo) de al menos algunos de los bloques 140 espaciales, está perfilada de manera que redirige el flujo que choca sobre la misma. En una realización actualmente preferida, la superficie aguas abajo del bloque espacial está perfilada proporcionando al menos una estructura de interrupción del flujo en la misma. En un ejemplo, las estructuras de interrupción del flujo son generadores 158 de turbulencia previstos en la superficie aguas abajo de los bloques espaciales (sólo se muestra para mayor claridad un bloque espacial con turbulencia). Cada uno de los generadores 158 de turbulencia tiene una forma generalmente rectangular y más preferiblemente cuadrada en sección vertical (figura 6) y tiene un eje longitudinal inclinado con respecto a un eje del rotor (figura 7). Tal como se indicó anteriormente, los generadores de turbulencia pueden preverse en los bloques espaciales en lugar de o además de en el mecanizado o perfilado superficial
ilustrado en las figuras 4 a 5.
Según otro ejemplo alternativo, las estructuras de interrupción del flujo son una pluralidad de generadores 258 de remolino previstos en la superficie 256 de al menos algunos de los bloques 240 espaciales dirigida a y dispuesta en el lado aguas abajo de la respectiva cavidad 242. Tal como se muestra en la figura 8, cada uno de los generadores 258 de remolino tiene generalmente una sección transversal vertical triangular y como se muestra en la figura 9, cada generador 258 está orientado con su eje longitudinal con una inclinación con respecto al eje del rotor 10.
Aunque la invención se ha descrito en conexión con lo que actualmente se considera la realización más práctica y preferida, debe entenderse que la invención no está limitada a las realizaciones descritas, sino que, por el contrario, pretende abarcar diversas modificaciones y disposiciones equivalentes dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (6)

1. Una máquina dinamoeléctrica refrigerada por gas, que comprende:
un rotor (100) que tiene una parte (14) de cuerpo, presentando dicho rotor bobinas (22) que se extienden axialmente y espiras (27, 127, 227) de extremo radialmente contiguas que definen una pluralidad de devanados (28, 128, 228) de extremo que se extienden axialmente más allá de al menos un extremo de dicha parte (14) de cuerpo; y
al menos un bloque (40, 140, 240) espacial situado entre dichos devanados (28) de extremo adyacentes de manera que se define una cavidad (42, 142, 242) en medio,
un gas de refrigeración para entrar en la cavidad (42, 142, 242), que atraviesa una circulación primaria y sale de la cavidad (42, 142, 242);
caracterizada porque al menos una de dichas espiras (127, 227) de extremo y/o dicho bloque (140, 240) espacial tiene un perfil (148, 150, 252) superficial no plano sobre una superficie de los mismos dirigida a dicha cavidad (42, 142, 242), y
dicho perfil superficial no plano comprende al menos una protuberancia o al menos un rebaje definido totalmente en dicha superficie de dicha al menos una espira de extremo y/o bloque (140, 240) espacial, estando prevista la al menos una protuberancia o rebaje para aumentar la transferencia de calor mejorando la mezcla turbulenta y la rotura de capa límite en dicha cavidad entre devanados de extremo adyacentes.
2. La máquina dinamoeléctrica según la reivindicación 1, en la que dicha superficie (144, 146) tiene al menos un surco (144, 146) definido en la misma.
3. La máquina dinamoeléctrica según la reivindicación 1, en la que dicha superficie (244, 246) tiene al menos un hoyuelo (252) definido en la misma.
4. La máquina dinamoeléctrica según la reivindicación 1, en la que una pluralidad de espiras (227) de extremo que definen dicho devanado de extremo tienen perfiles superficiales no planos.
5. La máquina dinamoeléctrica según la reivindicación 1, en la que el rotor (10) comprende un árbol (16), definiendo dichos devanados de extremo y dicho árbol un espacio (36) anular en medio; y en la que cada cavidad (42, 142, 242) está unida mediante bloques (40, 140, 240) espaciales adyacentes y devanados (28, 128, 228) de extremo adyacentes y está abierta hacia dicho espacio (36) anular.
6. La máquina dinamoeléctrica según la reivindicación 1, en la que la al menos una protuberancia o rebaje en el bloque (140, 240) espacial tiene la forma de una estructura (158) de generador de turbulencia que es generalmente rectangular en sección transversal vertical.
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