ES2622929T3

ES2622929T3 - Una turbomáquina eléctrica y una central eléctrica

Info

Publication number: ES2622929T3
Application number: ES14157756.9T
Authority: ES
Inventors: Jaakko Larjola; Juha PYRHÖNEN; Jari Backman
Original assignee: Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto
Current assignee: Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: EP2916438A1; KR102311410B1; DK2916438T3; HK1214687A1; CN106104975B; US20170054344A1; EP2916438B1; JP6747976B2; WO2015132462A2; KR20160131042A; WO2015132462A3; US10326334B2; PL2916438T3; CN106104975A; JP2017507641A

Abstract

Una turbomáquina eléctrica (100) que comprende un estátor (101) y un rotor (102, 202, 302, 402), comprendiendo el rotor: - una primera sección de árbol (103, 203, 303, 403) y una segunda sección de árbol (104, 204, 304, 404), - una sección activa electromagnéticamente (105, 205, 305, 405) entre la primera y la segunda sección de árbol en una dirección axial del rotor y para generar un par de torsión cuando interactúa magnéticamente con el estátor, y - canales de refrigeración (106-109, 206-209, 306-309, 406, 409) para recibir un flujo refrigerante constituido por una primera parte de material vaporizable en forma líquida en la primera sección de árbol, para conducir el flujo refrigerante a la segunda sección de árbol y para conducir el flujo refrigerante fuera de la segunda sección de árbol, en la que la turbomáquina eléctrica además comprende una sección de turbina (110) capaz de ser accionada con un flujo de trabajo constituido por una segunda parte del material vaporizable en forma vaporizada y que comprende uno o más impulsores de turbina (111-114) conectados directamente a la segunda sección de árbol, en la que la segunda sección de árbol se dispone para conducir el flujo refrigerante a través de un área donde el uno de más impulsores de turbina están conectados directamente a la segunda sección de árbol y para conducir el flujo refrigerante a una misma sala (115) hasta la que se ha dispuesto que el fluido de trabajo salga desde la sección de turbina.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

DESCRIPCION

Una turbomaquina electrica y una central electrica Campo de la invencion

La invencion se refiere en general a maquinas electricas rotatorias. De manera mas particular, la invencion se refiere a una turbomaquina electrica adecuada para operar como turbogenerador de una central electrica. Ademas, la invencion se refiere a una central electrica para generar energfa electrica.

Antecedentes

Las centrales electricas tfpicas de ciclo de Rankine son centrales termoelectricas donde se usa agua como fluido de trabajo o centrales electricas de Ciclo Organico de Rankine "OCR", donde se usa un material vaporizable organico adecuado, como por ejemplo, uno de los siloxanos como fluido de trabajo. En muchos casos, puede haber cuestiones tecnicas y/o economicas que determinan el tamano mas ventajoso de una central electrica de Ciclo de Rankine. A efectos ilustrativos, a continuacion, se habla de las centrales termoelectricas con mas detalle. En muchas centrales termoelectricas tradicionales, un arbol de una turbina de vapor se sella con sellos labermticos sin contacto y el vapor fluye a traves de los sellos labermticos al aire ambiente y evita que el aire ambiente pase al sistema de vapor de la central termoelectrica. Por lo tanto, hay un flujo de vapor continuo hacia fuera de la central termoelectrica. Como consecuencia, existe la necesidad de un equipo de alimentacion de agua que produzca agua de alimentacion suficientemente purificada como para sustituir el agua que se pierde por el flujo de vapor mencionado anteriormente. Ademas, cuando la central termoelectrica se para y el flujo de vapor anteriormente mencionado a traves de los sellos labermticos tambien se detiene, el aire ambiente fluye al interior del sistema de vapor de la central termoelectrica. Por tanto, se necesita un mecanismo suficientemente eficiente para retirar el aire del sistema de vapor cuando se arranca de nuevo la central termoelectrica. Ademas, en muchas centrales termoelectricas tradicionales, los arboles de la turbina de vapor y el generador estan soportados en cojinetes lubricados con aceite que necesitan juntas de aceite rotatorias y un mecanismo de circulacion de aceite. Ademas, especialmente en centrales termoelectricas pequenas, puede haber engranajes lubricados con aceite entre la turbina de vapor y el generador directamente conectado a la red. Debido a los hechos anteriormente mencionados, un lfmite inferior practico para la potencia nominal de una central termoelectrica tradicional es de aproximadamente 3-5 MW debido a que las centrales termoelectricas tradicionales con un valor nominal inferior tfpicamente no son rentables.

Una central termoelectrica hermetica comprende una turbomaquina electrica donde un impulsor o impulsores de una turbina de vapor esta/n directamente conectado/s a un rotor de una seccion de generador de la turbomaquina electrica. Ademas, los cojinetes de la turbomaquina electrica se lubrican con agua, un impulsor de una bomba de suministro esta conectado directamente al rotor de la seccion de generador y unos espacios de gas de la seccion del generador se llenan de vapor. En una central termoelectrica hermetica del tipo descrito anteriormente, no son necesarios flujos de vapor a traves de los sellos labermticos al aire ambiente, ni hay necesidad de un mecanismo de circulacion de aceite para los cojinetes de la turbomaquina electrica, ni de una caja de engranajes. Ademas, la bomba de vacm de un condensador de la central termoelectrica puede ser muy pequena en comparacion con la de las centrales termoelectricas tradicionales. En la central termoelectrica hermetica, el objetivo de la bomba de vacm consiste tan solo en eliminar una posible fuga de aire a traves de las juntas embridadas. Por ende, no son necesarios mecanismos tan complejos como con las centrales termoelectricas tradicionales. Por tanto, una central termoelectrica hermetica puede ser rentable tambien en los casos en los que la potencia nominal sea pequena. Cabe destacar que el ciclo operativo de una central electrica hermetica del tipo descrito anteriormente tambien puede basarse en material vaporizable distinto al agua. Por ejemplo, se puede usar un material vaporizable organico adecuado tal como, por ejemplo, uno de los siloxanos en lugar de agua.

Una central electrica hermetica del tipo descrito anteriormente no esta, sin embargo, libre de desafms. Uno de los desafms esta relacionado con la refrigeracion del generador. La publicacion W02008046957 describe una central termoelectrica donde se hace circular el vapor que sale de la turbina en el espacio de gas del generador para refrigerar el generador con el vapor mencionado anteriormente. El vapor que sale de la turbina puede estar, sin embargo, demasiado caliente para refrigerar el generador, sobre todo en los casos en los que la central termoelectrica es una central electrica de contrapresion usada para producir, por ejemplo, calefaccion urbana. El uso de vapor caliente para la refrigeracion del generador puede suponer todo un desafm dado que el vapor caliente puede provocar reacciones de hidrolisis no deseadas que tienden a danar los materiales electricamente aislantes tipicos. El efecto danino provocado por la hidrolisis empeora cuando sube la temperatura.

La publicacion US2009261667 presenta un rotor de una maquina electrica de imanes permanentes. El rotor comprende canales refrigerantes en las proximidades de los imanes permanentes para mejorar la refrigeracion de los imanes permanentes.

La publicacion US2008246281 presenta un generador accionado por una turbina para convertir la energfa contenida por un gas de proceso en energfa electrica. La refrigeracion del generador es similar a la descrita en el documento W02008046957 en el sentido de que el generador se refrigera con la ayuda del gas de proceso que se conduce al

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

espacio de gas del generador.

Sumario

A continuacion, se presenta un sumario simplificado con el fin de facilitar una comprension basica de algunas realizaciones de la invencion. El sumario no es un resumen exhaustivo de la invencion. Este tampoco pretende identificar elementos clave o cnticos de la invencion ni delinear el alcance de la invencion. El siguiente sumario meramente presenta algunos conceptos de la invencion en forma simplificada como un preludio de una descripcion mas detallada de realizaciones ilustrativas de la invencion.

De acuerdo con la invencion, se proporciona una nueva turbomaquina electrica que es adecuada para su uso, por ejemplo, pero no necesariamente, como turbogenerador de una central electrica. Una turbomaquina electrica de acuerdo con la invencion comprende un estator, un rotor y una seccion de turbina que comprende uno o mas impulsores de turbina y es capaz de ser accionada con un fluido de trabajo que contiene material vaporizable, por ejemplo, agua, en forma vaporizada. El rotor de la turbomaquina electrica comprende:

- primeras y segundas secciones de arbol de modo que uno o mas impulsores de turbina esten directamente conectados a la segunda seccion de arbol,

- una seccion activa electromagneticamente entre las primeras y segundas secciones de arbol en la direccion axial del rotor y para generar un par de torsion cuando interaction magneticamente con el estator, y

- canales de refrigeracion para recibir un flujo refrigerante en la primera seccion de arbol, para conducir el flujo refrigerante a la segunda seccion de arbol y para conducir el flujo refrigerante fuera de la segunda seccion de arbol.

La segunda seccion de arbol se dispone para conducir el flujo refrigerante a traves de un area donde el uno o mas impulsores de turbina estan conectados directamente a la segunda seccion de arbol y para conducir el flujo refrigerante a una misma sala hasta la que se ha dispuesto que el fluido de trabajo salga desde la seccion de turbina. Los canales de refrigeracion son adecuados para operar donde el flujo refrigerante recibido en la primera seccion de arbol es del mismo material vaporizable que el flujo de trabajo, pero no en forma lfquida.

El sistema de refrigeracion presentado anteriormente facilita la construccion de la turbomaquina electrica como una estructura hermetica en una central electrica donde los cojinetes de la turbomaquina electrica estan lubricados por el material vaporizable, una bomba de suministro esta conectada directamente al rotor y el material vaporizable en forma vaporizada llena los espacios de gas de la maquina electrica constituida por el estator y el rotor. El flujo refrigerante que contiene el material vaporizable en forma lfquida puede tomarse, por ejemplo, de un tanque de condensacion u otro elemento que contenga el material vaporizable en forma lfquida. Ademas, puede haber un refrigerador para refrigerar el lfquido tomado del tanque de condensacion u otro elemento antes de usar el lfquido para refrigerar la turbomaquina electrica. El refrigerador puede ser, por ejemplo, un intercambiador de calor de ifquido a aire o un intercambiador de calor de lfquido a lfquido cuando, por ejemplo, hay disponible agua marina u otro lfquido suficientemente fno.

Cabe destacar que junto con algunas realizaciones ilustrativas y no limitantes de la invencion, las anteriormente mencionadas primeras y segundas secciones de arbol del rotor pueden ser una misma pieza de material con al menos una parte de la seccion electromagneticamente activa del rotor. Por otra parte, junto con algunas otras realizaciones ilustrativas y no limitantes de la invencion, una o ambas de las primeras y segundas secciones de arbol del rotor pueden ser una pieza separada de material con respecto a la seccion activa electromagneticamente del rotor.

De acuerdo con la invencion, tambien se proporciona una nueva central electrica que es, ventajosamente pero no necesariamente, una central termoelectrica que usa agua como fluido de trabajo. Una central electrica de acuerdo con la invencion comprende:

- una caldera para vaporizar el fluido de trabajo,

- una turbomaquina electrica de acuerdo con la invencion para convertir la energfa contenida en el fluido de trabajo vaporizado en energfa electrica,

- un condensador para condensar el fluido de trabajo vaporizado que sale de la turbomaquina electrica, y

- un sistema de bombeo para bombear una primera parte del fluido de trabajo condensado a la caldera y una segunda parte del fluido de trabajo condensado a la turbomaquina electrica para refrigerar la turbomaquina electrica con el fluido de trabajo condensado.

En las centrales electricas, de acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas y no limitantes de la invencion, la caldera anteriormente mencionada comprende un supercalentador para supercalentar el fluido de trabajo. En estos casos, la expresion “fluido de trabajo vaporizado” significa en realidad, fluido de trabajo vaporizado que se ha supercalentado. Tfpicamente, el supercalentador es ventajoso en los casos en los que el fluido de trabajo es agua, mientras que el vapor saturado es tfpicamente mas ventajoso en los casos en los que se usa un fluido de trabajo organico.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Se describe una serie de realizaciones ilustrativas y no limitantes de la invencion en las reivindicaciones dependientes adjuntas.

Diversas realizaciones ilustrativas y no limitantes de la invencion, tanto en cuanto a construcciones como a metodos operativos, asf como objetivos y ventajas adicionales de la misma, se entenderan mejor a partir de la siguiente descripcion de realizaciones ilustrativas espedficas, cuando se lean en relacion con los dibujos adjuntos.

Los verbos “comprender” e “incluir” se usan en este documento como limitaciones abiertas que ni excluyen ni requieren la existencia de caractensticas no enumeradas. Las caractensticas enumeradas en reivindicaciones dependientes son mutuamente combinables libremente a no ser que se indique lo contrario. Ademas, se debe entender que el uso de "un" o "una", es decir, una forma en singular, por todo este documento no excluye una pluralidad.

Breve descripcion de las figuras

Las realizaciones ilustrativas y no limitantes de la invencion, asf como sus ventajas se explican con mas detalle a continuacion, a modo de ejemplos y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 muestra una vista en seccion de una turbomaquina electrica de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion,

las figuras 2a y 2b muestran vistas en seccion de un rotor de una turbomaquina electrica de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion,

las figuras 3a y 3b muestran vistas en seccion de un rotor de una turbomaquina electrica de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion,

las figuras 4a y 4b muestran vistas en seccion de un rotor de una turbomaquina electrica de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion, y

la figura 5 muestra una ilustracion esquematica de una central electrica de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion.

Descripcion de realizaciones ilustrativas y no limitantes

La figura 1 muestra una vista en seccion de una turbomaquina electrica 100 de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion. La seccion se ha tomado a lo largo del plano yz de un sistema de coordenadas 199. La turbomaquina electrica comprende un estator 101 y un rotor 102 para interactuar magneticamente con el estator. El rotor 102 se soporta rotatoriamente en los cojinetes 141 y 142. En un caso ilustrativo donde la turbomaquina electrica 100 se usa como turbogenerador de una central termoelectrica, los cojinetes 141 y 142 ventajosamente son cojinetes lubricados con agua. En otro caso ilustrativo donde la turbomaquina electrica 100 se usa como turbogenerador de una central electrica que usa algun otro fluido de trabajo distinto al agua, por ejemplo, una central electrica de Ciclo Organico de Rankine “OCR”, los cojinetes 141 y 142 ventajosamente estan lubricados por el fluido de trabajo en consideracion. La turbomaquina electrica ademas comprende una seccion de turbina 110 que, en este caso ilustrativo, comprende impulsores de turbina 111, 112, 113 y 114. La seccion de turbina 110 es capaz de ser accionada con un flujo de trabajo que contiene material vaporizable, por ejemplo, agua, en forma vaporizada. En la figura 1, el flujo de trabajo se representa con flechas de lmeas discontinuas. La construccion detallada de la seccion de turbina, por ejemplo, el numero de impulsores, etc., depende del material vaporizable que se este usando y/o de las condiciones operativas deseadas, tales como la temperatura, cafda de presion, etc.

El estator 101 de la turbomaquina electrica comprende una estructura de nucleo ferromagnetico 121 que comprende, en este caso ilustrativo, una pluralidad de dientes de estator y ranuras de estator. El estator comprende bobinados que comprenden una pluralidad de bobinas de estator dispuestas en las ranuras de estator. Tambien es posible que el estator comprenda bobinados en el entrehierro y una estructura de nucleo ferromagnetico sin dientes. La estructura de nucleo ferromagnetico 121 preferentemente esta hecha de laminas de acero que estan aisladas electricamente entre sf y que estan apiladas en direccion paralela a la direccion axial del rotor 102. La direccion axial es paralela a la direccion z del sistema de coordenadas 199. El rotor 102 de la turbomaquina electrica comprende una primera seccion de arbol 103, una segunda seccion de arbol 104 y una seccion activa electromagneticamente 105 entre las primeras y segundas secciones de arbol en la direccion axial del rotor. La seccion activa electromagneticamente 105 es capaz de generar un par de torsion cuando interactua magneticamente con el estator 101. La seccion activa electromagneticamente 105 puede comprender imanes permanentes para producir un flujo magnetico que penetra en el entrehierro entre el rotor y el estator. En este caso, la turbomaquina electrica es capaz de operar como un generador smcrono de iman permanente “PMSG”. Tambien es posible que la seccion activa electromagneticamente 105 comprenda estructuras electricamente conductoras de modo que la turbomaquina electrica sea capaz de operar como una maquina electrica asmcrona. Como se ilustra en la figura 1, los impulsores de turbina 111-114 estan o en algunos casos un unico impulsor de turbina esta, conectado directamente a la segunda seccion de arbol 104 del rotor.

El rotor 102 comprende canales de refrigeracion para recibir un flujo refrigerante en la primera seccion de arbol 103,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

para conducir el flujo refrigerante a la segunda seccion de arbol y para conducir el flujo refrigerante fuera de la segunda seccion de arbol 104. Los canales de refrigeracion que se ilustran en la figura 1 estan designados con numeros de referencia 106, 107, 108 y 109. En la figura 1, el flujo refrigerante se representa con flechas de trazos continuos. El flujo refrigerante ventajosamente es del mismo material vaporizable que el flujo de trabajo, pero en forma lfquida. Como se ilustra en la figura 1, la segunda seccion de arbol 104 se dispone para conducir el flujo refrigerante a traves de un area donde los impulsores de turbina 111-114 estan conectados directamente a la segunda seccion de arbol y para conducir el flujo refrigerante a una misma sala 115 hasta la que se ha dispuesto que el fluido de trabajo salga desde la seccion de turbina 110. Como se ilustra en la figura 1, estas partes de los canales de refrigeracion que estan situados en la seccion activa electromagneticamente 105 estan mas alejados del eje de rotacion del rotor que la parte de los canales de refrigeracion para recibir el flujo refrigerante en la primera seccion de arbol 103. Resulta ventajoso que los canales de refrigeracion 107 y 108 esten cerca de la superficie del entrehierro del rotor por que la mayona de las perdidas que se producen en el rotor se generan en areas cerca de la superficie del entrehierro. En el ejemplo del caso ilustrado en la figura 1, el canal de refrigeracion de la primera seccion de arbol 103 es un orificio, que es coaxial al eje de rotacion del rotor y adecuado para recibir el flujo refrigerante. La turbomaquina electrica comprende un tubo de suministro 116 para suministrar el flujo refrigerante al orificio de la primera seccion de arbol 103. El tubo de suministro puede estar fijo con respecto al estator, es decir, el rotor puede rotar con respecto al tubo de suministro. En este caso, resulta obvio disponer una junta hermetica entre una superficie externa del tubo de suministro y una carcasa de la turbomaquina electrica. Por ejemplo, puede haber un sello labermtico sin contacto 117 para proporcionar un sellado entre el orificio de la primera seccion de arbol y un extremo del tubo de suministro 116.

Una turbomaquina electrica de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion, ademas comprende un impulsor de bomba 118 que esta conectado directamente a la primera seccion de arbol 103. El impulsor de bomba es adecuado para bombear lfquido y puede usarse como una bomba de alimentacion cuando la turbomaquina electrica se usa como un turbogenerador de una central electrica. El impulsor de bomba 118 puede ser, por ejemplo, un impulsor radial de pala recta de una bomba de emision parcial de tipo “Barske”. En el ejemplo del caso ilustrado en la figura 1, el tubo de suministro 116 y la primera seccion de arbol 103 del rotor se disponen para conducir el flujo refrigerante a traves de un area donde el impulsor de bomba 118 esta conectado directamente a la primera seccion de arbol. El flujo refrigerante se dispone para entrar axialmente en el rotor y para fluir a traves del impulsor de bomba. Tambien es posible suministrar el flujo refrigerante radialmente mediante orificios radiales del rotor. Por ejemplo, la primera seccion de arbol puede comprender orificios radiales adecuados para recibir el flujo refrigerante del cojinete 141 que soporta la primera seccion de arbol y lubricado con material del flujo refrigerante. Esto requiere, sin embargo, actuar contra la fuerza centnfuga cuando se suministra flujo refrigerante al rotor. Sin embargo, esto puede compensarse teniendo orificios radiales tambien en la salida de flujo refrigerante o algun otro diseno, por ejemplo, palas, que fuercen el flujo refrigerante en un movimiento rotatorio alrededor del eje de rotacion del rotor para proporcionar un efecto de succion basado en una fuerza centnfuga en la salida de flujo refrigerante.

En una turbomaquina electrica, de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion, los bobinados del estator estan provistos de canales tubulares 119 para conducir un flujo refrigerante. Los canales tubulares pueden ser, por ejemplo, tubos hechos de plastico u otro material adecuado y colocados entre los hilos electricos de los bobinados. Tambien es posible que los hilos electricos de los bobinados tengan una estructura donde se han tejido hebras electricamente conductoras alrededor de un nucleo tubular. En tal caso, los tubos de refrigeracion pueden hacerse de material electricamente conductor, por ejemplo, de acero inoxidable que tolere bien el fenomeno erosivo provocado por el flujo de agua caliente y tambien tolere de manera fiable la atmosfera de vapor. En este caso, una separacion galvanica del sistema de refrigeracion tiene que disponerse fuera de la turbomaquina electrica.

En una turbomaquina electrica, de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion, una estructura de bastidor del estator comprende una sala 120 que rodea una estructura de nucleo ferromagnetico 121 del estator y es adecuada para contener una envoltura de lfquido para refrigerar el estator. El estator puede comprender un material solido 122, por ejemplo, una resina especial que conduzca bien el calor y tolere bien el vapor, dispuesto para proporcionar una relacion de conduccion de calor entre los bobinados de extremo del estator y la estructura de bastidor del estator.

Cuando se usa una turbomaquina electrica del tipo descrito anteriormente como un turbogenerador de una central termoelectrica, el espacio de gas 144 tfpicamente esta lleno de vapor. La temperatura del vapor que llena el espacio de gas puede mantenerse lo suficientemente baja por que el rotor 102 se refrigera desde el interior con agua y ademas la estructura de bastidor y/o los bobinados del estator pueden refrigerarse con agua. Ademas, la estructura de bastidor del estator puede estar provista de una sala 157 para contener una envoltura de lfquido para refrigerar una parte del vapor u otro fluido de trabajo que se derrama desde una camara de impulsor de la seccion de turbina al espacio de gas 144.

Las figuras 2a y 2b muestran vistas en seccion de un rotor 202 de una turbomaquina electrica de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion. La seccion mostrada en la figura 2a se toma a lo largo de una lmea B-B mostrada en la figura 2b y el plano de la seccion es paralelo al plano yz de un sistema de coordenadas 299. La seccion mostrada en la figura 2b se toma a lo largo de una lmea A-A mostrada en la figura 2a y el plano de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

la seccion es paralelo al plano xy del sistema de coordenadas 299. El rotor 202 comprende una primera seccion de arbol 203, una segunda seccion de arbol 204 y una seccion activa electromagneticamente 205 entre las primeras y segundas secciones de arbol en la direccion axial del rotor, donde la direccion axial es la direccion z del sistema de coordenadas 299. El rotor comprende canales de refrigeracion para conducir lfquido refrigerante a traves del rotor. Algunos de los canales de refrigeracion se indican con los numeros de referencia 206, 207, 208 y 209 en las figuras 2a y 2b. La seccion activa electromagneticamente 205 comprende imanes permanentes y una seccion de yugo ferromagnetico 234 que constituyen una parte del circuito magnetico para el flujo magnetico entre el rotor y el estator de una maquina electrica. Uno de los imanes permanentes esta indicado con el numero de referencia 230 en las figuras 2a y 2b. La seccion de yugo ferromagnetico 234 comprende orificios axiales para constituir los canales de refrigeracion dentro de la seccion de yugo ferromagnetico. Dos de los orificios axiales se indican con los numeros de referencia 207 y 208 en las figuras 2a y 2b. Los orificios axiales de la seccion de yugo ferromagnetico pueden estar revestidos, por ejemplo, con acero inoxidable o algun otro material inoxidable para proteger la seccion de yugo ferromagnetico contra la corrosion. Los elementos que constituyen las primeras y segundas secciones de arbol 203 y 204 pueden estar hechos, por ejemplo, de acero inoxidable. La seccion de yugo ferromagnetico 234 y los elementos que constituyen las primeras y segundas secciones de arbol 203 y 204 pueden estar unidos entre sf, por ejemplo, por soldadura. El rotor puede ademas comprender juntas toricas u otros medios de sellado adecuados para evitar que el fluido refrigerante acceda a los imanes permanentes. Una de las juntas toricas esta indicada con el numero de referencia 245 en la figura 2a. El rotor ventajosamente comprende una estructura de banda tubular 233 que rodea la seccion activa electromagneticamente 205 y soporta la seccion activa electromagneticamente en direcciones radiales del rotor. La estructura de banda tubular 233 puede estar hecha, por ejemplo, de acero inoxidable o compuestos de fibra de carbono. Tambien es posible que la estructura de banda tubular 233 comprenda dos bandas alojadas, de modo que la banda interna este hecha de un compuesto de fibras de carbono y la banda externa este hecha de acero inoxidable. La banda interna proporciona el soporte en direcciones radiales y la banda externa protege la banda interna contra sustancias que pueden estar presentes en el entrehierro de una maquina electrica y que pueden danar el compuesto de fibras de carbono. Ademas, el rotor comprende anillos de extremo 231 y 232. Los anillos de extremo 231 y 232 pueden estar hechos, por ejemplo, de acero inoxidable. En el caso de que la banda tubular este hecha de acero inoxidable, dicha banda tubular puede estar soldada a los anillos de extremo para obtener una construccion ngida. Los anillos de extremo pueden usarse para evitar que el fluido refrigerante acceda a los imanes permanentes, de modo que los anillos de extremo estan dispuestos para cubrir las juntas entre los elementos que constituyen las primeras y segundas secciones de arbol 203 y 204 y la seccion de yugo ferromagnetico 234. Como puede observarse a partir de la seccion mostrada en la figura 2b, los imanes permanentes estan posicionados, en este caso ilustrativo, de modo que el rotor ventajosamente sea un rotor con un par de polos. El material 235 entre los imanes permanentes puede ser, por ejemplo, aluminio.

Las figuras 3a y 3b muestran vistas en seccion de un rotor 302 de una turbomaquina electrica de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion. La seccion mostrada en la figura 3a se toma a lo largo de una lmea B-B mostrada en la figura 3b y el plano de la seccion es paralelo al plano yz de un sistema de coordenadas 399. La seccion mostrada en la figura 3b se toma a lo largo de una lmea A-A mostrada en la figura 3a y el plano de la seccion es paralelo al plano xy del sistema de coordenadas 399. El rotor 302 comprende una primera seccion de arbol 303, una segunda seccion de arbol 304 y una seccion activa electromagneticamente 305 entre las primeras y segundas secciones de arbol en la direccion axial del rotor, donde la direccion axial es la direccion z del sistema de coordenadas 399. El rotor comprende canales de refrigeracion para conducir lfquido refrigerante a traves del rotor. Algunos de los canales de refrigeracion se indican con los numeros de referencia 306, 307, 308 y 309 en las figuras 3a y 3b. La seccion activa electromagneticamente 305 comprende imanes permanentes y una seccion de yugo ferromagnetico 334 que constituyen una parte del circuito magnetico para el flujo magnetico entre el rotor y el estator de una maquina electrica. Uno de los imanes permanentes esta indicado con el numero de referencia 330 en las figuras 3a y 3b. La seccion de yugo ferromagnetico 334 comprende orificios axiales para constituir los canales de refrigeracion dentro de la seccion de yugo ferromagnetico. Dos de los orificios axiales se indican con los numeros de referencia 307 y 308 en las figuras 3a y 3b. Los orificios axiales de la seccion de yugo ferromagnetico pueden estar revestidos, por ejemplo, con acero inoxidable o algun otro material inoxidable para proteger la seccion de yugo ferromagnetico contra la corrosion. Los elementos 336 y 337 del rotor pueden estar hechos, por ejemplo, de acero inoxidable. La seccion de yugo ferromagnetico 334 y los elementos 336 y 337 pueden unirse entre sf, por ejemplo, por retractilado y/o soldadura. El rotor ventajosamente comprende una estructura de banda tubular que rodea la seccion activa electromagneticamente 305 y soporta la seccion activa electromagneticamente en direcciones radiales del rotor. En este caso ilustrativo, la estructura de banda tubular comprende dos bandas alojadas 333a y 333b de modo que la banda interna 333a esta hecha de un compuesto de fibras de carbono y la banda externa 333b esta hecha de acero inoxidable. La banda interna proporciona el soporte en direcciones radiales y la banda externa protege la banda interna contra sustancias que pueden estar presentes en el entrehierro de una maquina electrica y que pueden danar el compuesto de fibras de carbono. Como puede observarse a partir de la seccion mostrada en la figura 2b, los imanes permanentes estan posicionados en este caso ilustrativo de modo que el rotor ventajosamente sea un rotor con dos pares de polos.

Las figuras 4a y 4b muestran vistas en seccion de un rotor 402 de una turbomaquina electrica de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion. La seccion mostrada en la figura 4a se toma a lo largo de una lmea B-B mostrada en la figura 4b y el plano de la seccion es paralelo al plano yz de un sistema de coordenadas 499. La seccion mostrada en la figura 4b se toma a lo largo de una lmea A-A mostrada en la figura 4a y el plano de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

la seccion es paralelo al plano xy del sistema de coordenadas 499. El rotor 402 comprende una primera seccion de arbol 403, una segunda seccion de arbol 404 y una seccion activa electromagneticamente 405 entre las primeras y segundas secciones de arbol en la direccion axial del rotor, donde la direccion axial es la direccion z del sistema de coordenadas 499. El rotor comprende canales de refrigeracion para conducir lfquido refrigerante a traves del rotor. Algunos de los canales de refrigeracion se indican con los numeros de referencia 406, 407, 408 y 409 en las figuras 4a y 4b. La seccion activa electromagneticamente 405 comprende un bobinado de jaula para soportar corriente y una seccion ferromagnetica 434 que constituye una parte del circuito magnetico para el flujo magnetico entre el rotor y el estator de una maquina electrica. Por lo tanto, el rotor es adecuado para una maquina asmcrona. El bobinado de jaula comprende anillos de extremo y barras entre los anillos de extremo. Una de las barras se indica con el numero de referencia 438 en las figuras 4a y 4b. Las barras del bobinado de jaula son tubulares para constituir los canales de refrigeracion dentro de la seccion activa electromagneticamente 405. Las superficies internas de las barras tubulares del bobinado de jaula pueden estar revestidas, por ejemplo, con acero inoxidable u otro material inoxidable para proteger las barras contra la corrosion y/o erosion. Los elementos que constituyen las primeras y segundas secciones de arbol 403 y 404 pueden estar hechos, por ejemplo, de acero inoxidable. La seccion ferromagnetica 434 y los elementos que constituyen las primeras y segundas secciones de arbol 403 y 404 pueden estar unidos entre sf, por ejemplo, por soldadura. El rotor ventajosamente comprende una estructura de banda tubular 433 que rodea la seccion activa electromagneticamente 405 y soporta la seccion activa electromagneticamente en direcciones radiales del rotor. La estructura de banda tubular 433 puede estar hecha, por ejemplo, de acero inoxidable o compuestos de fibra de carbono. Tambien es posible que la estructura de banda tubular 433 comprenda dos bandas alojadas, de modo que la banda interna este hecha de un compuesto de fibras de carbono y la banda externa este hecha de acero inoxidable. La banda interna proporciona el soporte en direcciones radiales y la banda externa protege la banda interna contra sustancias que pueden estar presentes en el entrehierro de una maquina electrica y que pueden danar el compuesto de fibras de carbono.

La figura 5 muestra una ilustracion esquematica de una central electrica de acuerdo con una realizacion ilustrativa y no limitante de la invencion. La central electrica es ventajosamente una central termoelectrica que usa agua como fluido de trabajo. En algunos casos tambien es posible que la central electrica sea, por ejemplo, un convertidor de energfa de Ciclo Organico de Rankine “OCR” que usa un fluido organico adecuado como fluido de trabajo. El fluido organico puede ser, por ejemplo, pero no necesariamente, un siloxano. La central electrica comprende una caldera 551 para vaporizar el fluido de trabajo y una turbomaquina electrica 500 para convertir la energfa contenida en el fluido de trabajo vaporizado en energfa electrica. La energfa electrica se suministra a una red electrica 559 con la ayuda de un convertidor de frecuencia 558. La turbomaquina electrica 500 comprende una seccion de turbina para convertir la energfa contenida en el fluido de trabajo vaporizado en energfa mecanica y una seccion de generador para convertir la energfa mecanica en energfa electrica. La seccion de generador comprende un estator y un rotor para interactuar magneticamente con el estator. La seccion de turbina comprende uno o mas impulsores que estan directamente conectados al rotor de la seccion de generador. La turbomaquina electrica 500 puede ser tal y como se ha descrito anteriormente con referencia a la figura 1 y el rotor de la seccion de generador puede ser tal y como se ha descrito anteriormente con referencia a las figuras 2a y 2b o a las figuras 3a y 3b o a las figuras 4a y 4b. El rotor de la seccion de generador comprende canales de refrigeracion de modo que el fluido de trabajo en forma lfquida puede disponerse para fluir a traves del rotor y salir del rotor a la misma sala 515 hasta la que se ha dispuesto que el fluido de trabajo salga desde la seccion de turbina de la turbomaquina electrica.

La central electrica comprende un condensador 552 para condensar el fluido de trabajo vaporizado que sale de la turbomaquina electrica y un sistema de bombeo para bombear una primera parte del fluido de trabajo condensado a la caldera 551 y una segunda parte del fluido de trabajo condensado a la turbomaquina electrica 500 para refrigerar la turbomaquina electrica con el fluido de trabajo condensado. En el ejemplo del caso ilustrado en la figura 5, el sistema de bombeo comprende una bomba de alimentacion 553 cuyo impulsor esta conectado directamente al rotor de la seccion de generador de la turbomaquina electrica. El sistema de bombeo ademas comprende una bomba de pre-alimentacion 554 que esta dispuesta para suministrar el fluido de trabajo condensado desde un tanque de condensacion 557 a la bomba de alimentacion 553 y a la turbomaquina electrica 500. La central electrica ventajosamente comprende un refrigerador 555 para refrigerar el fluido de trabajo condensado usado para refrigerar la turbomaquina electrica antes de suministrar el fluido de trabajo condensado a la turbomaquina electrica. El refrigerador 555 y el condensador 552 pueden ser, por ejemplo, intercambiadores de calor de lfquido a aire o intercambiadores de calor de lfquido a lfquido cuando, por ejemplo, hay disponible agua marina u otro lfquido suficientemente fno.

En el ejemplo del caso ilustrado en la figura 5, la central electrica comprende canales 556 para conducir el fluido de trabajo condensado a los cojinetes de la turbomaquina electrica 500 para lubricar los cojinetes con el fluido de trabajo condensado. Ventajosamente, la turbomaquina electrica 500 comprende una carcasa hermetica para evitar que el fluido de trabajo pase al aire ambiente y para evitar que el aire ambiente acceda al fluido de trabajo. Ademas, la central electrica puede comprender un recuperador 560 para aumentar la eficiencia de la conversion energetica.

Los ejemplos espedficos provistos en la descripcion aportada anteriormente no deben interpretarse como una limitacion. Por lo tanto, la invencion no esta limitada unicamente a las realizaciones descritas anteriormente.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

REIVINDICACIONES

1. Una turbomaquina electrica (100) que comprende un estator (101) y un rotor (102, 202, 302, 402), comprendiendo el rotor:

- una primera seccion de arbol (103, 203, 303, 403) y una segunda seccion de arbol (104, 204, 304, 404),

- una seccion activa electromagneticamente (105, 205, 305, 405) entre la primera y la segunda seccion de arbol en una direccion axial del rotor y para generar un par de torsion cuando interactua magneticamente con el estator, y

- canales de refrigeracion (106-109, 206-209, 306-309, 406, 409) para recibir un flujo refrigerante constituido por una primera parte de material vaporizable en forma lfquida en la primera seccion de arbol, para conducir el flujo refrigerante a la segunda seccion de arbol y para conducir el flujo refrigerante fuera de la segunda seccion de arbol,

en la que la turbomaquina electrica ademas comprende una seccion de turbina (110) capaz de ser accionada con un flujo de trabajo constituido por una segunda parte del material vaporizable en forma vaporizada y que comprende uno o mas impulsores de turbina (111-114) conectados directamente a la segunda seccion de arbol, en la que la segunda seccion de arbol se dispone para conducir el flujo refrigerante a traves de un area donde el uno de mas impulsores de turbina estan conectados directamente a la segunda seccion de arbol y para conducir el flujo refrigerante a una misma sala (115) hasta la que se ha dispuesto que el fluido de trabajo salga desde la seccion de turbina.
2. Una turbomaquina electrica de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que partes de los canales de refrigeracion situados en la seccion activa electromagneticamente (105, 205, 305, 405) estan mas alejados de un eje de rotacion del rotor que una parte de los canales de refrigeracion para recibir el flujo refrigerante en la primera seccion de arbol.
3. Una turbomaquina electrica de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en la que la seccion activa electromagneticamente comprende imanes permanentes (230, 330) y una seccion de yugo ferromagnetico (234, 334) que constituye una parte de un circuito magnetico para un flujo magnetico entre el rotor y el estator, y, la seccion de yugo ferromagnetico comprende orificios axiales para constituir los canales de refrigeracion dentro de la seccion de yugo ferromagnetico.
4. Una turbomaquina electrica de acuerdo con la reivindicacion 3, en la que los orificios axiales de la seccion de yugo ferromagnetico estan revestidos con material inoxidable para evitar corrosion de la seccion de yugo ferromagnetico.
5. Una turbomaquina electrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en la que el rotor comprende una estructura de banda tubular (233, 333a, 333b, 433) que rodea la seccion electromagneticamente activa y para soportar la seccion activa electromagneticamente en direcciones radiales del rotor.
6. Una turbomaquina electrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en la que la primera seccion de arbol comprende un agujero coaxial con el eje de rotacion del rotor y adecuado para recibir el flujo refrigerante y, y la turbomaquina electrica comprende un tubo de suministro (116) para suministrar el flujo refrigerante al agujero de la primera seccion de arbol.
7. Una turbomaquina electrica de acuerdo con la reivindicacion 6, en la que el rotor es rotatorio con respecto al tubo de suministro y hay un sello labermtico sin contacto (117) para proporcionar un sellado entre el agujero de la primera seccion de arbol y un extremo del tubo de suministro.
8. Una turbomaquina electrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en la que la segunda seccion de arbol esta dispuesta para forzar el flujo refrigerante en un movimiento rotatorio alrededor de un eje de rotacion del rotor cuando el rotor esta rotando y cuando el flujo refrigerante sale de la segunda seccion de arbol para proporcionar un efecto de succion basado en una fuerza centnfuga.
9. Una turbomaquina electrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en la que la turbomaquina electrica ademas comprende un impulsor de bomba (118) conectado directamente a la primera seccion de arbol, siendo el impulsor de bomba adecuado para bombear lfquido.
10. Una turbomaquina electrica de acuerdo con la reivindicacion 9, en la que la primera seccion de arbol se dispone para conducir el flujo refrigerante a traves de un area donde el impulsor de bomba esta conectado directamente a la primera seccion de arbol.
11. Una turbomaquina electrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en la que una estructura de bastidor del estator comprende una sala (120) que rodea una estructura de nucleo ferromagnetico (121) del estator y es adecuada para contener una envoltura de lfquido para refrigerar el estator.
12. Una turbomaquina electrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en la que una estructura de

bastidor del estator comprende una sala (157) para contener una envoltura de Kquido para refrigerar una parte del flujo de trabajo que pasa desde una camara del impulsor de la seccion de turbina a un espacio de gas de una maquina electrica que comprende el rotor y el estator.

5 13. Una turbomaquina electrica de acuerdo con la reivindicacion 11 o 12, en la que el estator comprende material

solido (122) dispuesto para proporcionar una relacion de conduccion de calor entre bobinados de extremo del estator y la estructura de bastidor del estator.
14. Una central electrica que comprende:

10

- una caldera (551) para vaporizar fluido de trabajo,

- una turbomaquina electrica (500) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-14 y para convertir energfa contenida en el fluido de trabajo vaporizado en energfa electrica,

- un condensador (552) para condensar el fluido de trabajo vaporizado que sale de la turbomaquina electrica, y

15 - un sistema de bombeo (553, 554) para bombear una primera parte del fluido de trabajo condensado a la caldera

y una segunda parte del fluido de trabajo condensado a la turbomaquina electrica para refrigerar la turbomaquina electrica con el fluido de trabajo condensado.
15. Una central electrica de acuerdo con la reivindicacion 14, en la que la central electrica comprende un refrigerador

20 (555) para refrigerar la segunda parte del fluido de trabajo condensado antes de suministrar la segunda parte del

fluido de trabajo condensado a la turbomaquina electrica.