DEFLECTOR DE BLOQjJE DE ESPACIO PARA ENFRIAMIENTO INCREMENTADO DE PEINADO EXTREMO DE GENERADOR
ELÉCTRICO
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a una estructura de enfriamiento incrementado de rotores de generador distribuyendo más enfriador hacia el
F centro normalmente carente de enfriamiento de la cavidad. La potencia de salida de las máquinas dinamoeléctricas, tales
como turbogeneradores grandes, a menudo es limitada por la capacidad para proveer corriente adicional a través del devanado del campo del rotor debido a limitaciones de temperatura impuestas sobre el aislamiento del conductor
• eléctrico. Por lo tanto, el enfriamiento efectivo del devanado de rotor contribuye directamente a la capacidad de salida de la máquina. Esto es
especialmente cierto para la región extrema del rotor, en donde el enfriamiento forzado directo es difícil y costoso debido a la construcción típica de estas máquinas. Puesto que las tendencias de mercado prevalecientes requieren mayor eficiencia y mayor confiabilidad en generadores de densidad f de mayor potencia y menor costo, el enfriamiento de las regiones extremas
del rotor se vuelve un factor limitante. Los rotores de turbogeneradores típicamente consisten de bobinas rectangulares concéntricas montadas en ranuras en un rotor. Las porciones extremas de las bobinas (comúnmente referidas como devanados
^extremos), que están más ata* del soporte del cuerpo del rotor principal, son típicamente soportados contra T?przas de rotación por un anillo de retención (véase figura 1). Los bloques de soporte se colocan intermitentemente entre los devanados extremos de bobinas concéntricas para mantener la posición 5 relativa y añadir estabilidad meGánica para cargas axiales, tales como cargas térmicas (véase figura 2). Además, los devanados de cobre son radialmente restingidos por el anillo de retención sobre su radio externo, que contrarresta
• las fuerzas centrífugas. La presencia de los bloques de espacio y anillo de retención da por resultado un número de regiones de enfriador expuestas a
los devanados de cobre. La trayectoria de enfriador primaria es axial, entre el huso y el fondo de los devanados extremos. También, se forman cavidades discretas entre las bobinas por las superficies limitantes de los devanados,
* bloques y superficie interna de la estructura de anillo de retención. Los devanados extremos se exponen a enfriador que es impulsado por fuerzas de
rotación radialmente desde abajo de los devanados extremos hacia estas cavidades (véase figura 3). Esta transferencia de calor tiende a ser baja. Esto es porque de acuerdo con las líneas de trayectoria de flujo computarizadas en una sola cavidad de devanado extremo giratorio a partir de un análisis dinámico de fluido computacional, el flujo del enfriador entra a la cavidad,
atraviesa una circulación primaria y sale de la cavidad. Típicamente, la circulación da por resultado coeficientes de transferencia de calor bajos especialmente cerca del centro de la cavidad. Por lo tanto, aunque este es un medio para remover calor en los devanados extremos, es relativamente
& "*- #
" ineiqrente. * '' Se han usado wios esquemas para dirigir el gas de enfriamiento adicional a través de la región extrema del rotor. Todos estos esquemas de enfriamiento se basan ya sea en (1 ) hacer pasajes de 5 enfriamiento en los conduct6?e de cobre maquinando ranuras o formando canales en los conductores, y después bombeando el gas a alguna otra región de la máquina, y/o (2) creando regiones de presiones relativamente mayores o inferiores con la adición de deflectores, canales de flujo y elementos de bombeo para forzar al gas de enfriamiento a pasar sobre las superficies 10 conductoras. Algunos sistemas penetran el anillo de retención del rotor altamente tensado con agujeros radiales para permitir que el gas de
•' enfriamiento sea bombeado directamente a lo largo de los devanados extremos del rotor y descargados en el espacio de aire, aunque dichos 15 sistemas pueden tener sólo utilidad limitada debido a las consideraciones de esfuerzo mecánico elevado y vida de fatiga elevada en relación con el anillo de retención. Si se usan los esquemas de enfriamiento de extremo de rotor forzado convencionales, se añade complejidad y costos considerables a la
construcción del rotor. Por ejemplo, los conductores directamente enfriados deben ser maquinados o fabricados para formar los pasajes de enfriamiento. Además, un múltiple de salida se debe proveer para descargar el gas a algún lado en el rotor. Los esquemas de enfriamiento forzado requieren que la
•y-iregióp extrema del rotor sea§|iyjd¡da en zonas de presión separadas, con la ádéíon de numerosos deflector?¡ . canales de flujo y elementos de bombeo - que nuevamente añaden complejidad y costo. Si ninguno de estos esquemas de enfriamiento forzado o directo 5 se usa, entonces los devanados extremos del rotor son pasivamente enfriados. El enfriamiento pasivo se basa en la fuerza centrífuga y la fuerza de rotación del rotor para hacer circular gas hacia las cavidades de extremo
• muerto, ciego, formadas entre los devanados de rotor concéntricos. El enfriamiento pasivo de devanados extremos de rotor algunas veces se 10 denomina enfriamiento por "convección" libre. El enfriamiento pasivo provee la ventaja de mínima complejidad y costo, aunque la capacidad de remoción de calor es disminuida cuando se
• compara con los sistemas activos de enfriamiento directo y forzado. Cualquier gas de enfriamiento que entre a las cavidades entre los devanados de rotor
concéntricos debe salir a través de la misma abertura ya que estas cavidades son de otra manera encerradas -las cuatro "paredes laterales" de una cavidad típica son formados por los conductores concéntricos y los bloques aislantes que los separan, con la pared del "fondo" (radialmente hacia fuera) formada por el anillo de retención que soporta los devanados extremos contra rotación.
El gas de enfriamiento entra al espacio anular entre los conductores y el huso del rotor. La remoción de calor es por lo tanto limitada por la velocidad de circulación baja del gas en la cavidad y la cantidad limitada del gas que puede entrar y dejar estos espacios.
En configuraciaialiftípicas, e' 9as de enfriamiento en la región extrema no ha sido completam ie*nte acelerada a la velocidad del rotor, es decir, el gas de enfriamiento está girando a una parte de la velocidad del rotor. A medida que el fluido es impulsado hacia una cavidad por medio del impacto 5 de la velocidad relativa entre el rltor y el fluido, el coeficiente de transferencia de calor es típicamente mayor cerca del bloque de espacio que está corriente abajo en relación con la dirección del flujo -en donde el fluido entra con un
# momento elevado y en donde el enfriador de fluido es más frío. El coeficiente de transferencia de calor también es típicamente alto alrededor de la periferia
de la cavidad. El centro de la cavidad recibe el menor enfriamiento. Al incrementar la capacidad de remoción de calor de los sistemas de enfriamiento pasivos se incrementará la capacidad de transportar corriente del rotor proveyendo una capacidad de velocidad incrementada del generador manteniendo la ventaja de una construcción de bajo costo, sencilla
y confiable. La patente de E.U.A. No. 5,644,179, cuya descripción se incorpora aquí por referencia, describe un método para aumentar la transferencia de calor incrementando la velocidad de flujo de la celda de fl circulación de un solo flujo al introducir flujo de enfriamiento adicional
directamente hacia y en la misma dirección que la celda de flujo que ocurre naturalmente. Esto se muestra en las figuras 4 y 5. Aunque estos métodos incrementan la transferencia de calor en la cavidad al aumentar la resistencia de la celda de circulación, la región central de la cavidad del rotor aún se
í 4r
^quedó con baja velocidad y por lo tanto baja transferencia de calor. La misma transferencia de calor baja persiste en las regiones de esquina.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención provee una estructura y método para incrementar el enfriamiento del rotor del generador dirigiendo flujo de enfriador hacia el centro de las cavidades definidas por y entre los devanados extremos del rotor concéntricos y los bloques de soporte. Para redirigir el flujo, en una modalidad ilustrativa de la invención, por lo menos un deflector está montado a la cara del bloque de espacio dispuesto sobre el lado corriente debajo de la cavidad para redistribuir flujo de enfriador hacia el centro de la cavidad. Muy específicamente, la invención provee por lo menos una estructura de deflector sobre la cara corriente debajo de por lo menos uno de los bloques de espacio en un ensamble de devanado extremo de rotor de generador para redistribuir el flujo en la cavidad respectiva hacia el centro normalmente carente de enfriador de la cavidad, por lo tanto, incrementando sustancialmente el rendimiento de transferencia de calor en el ensamble giratorio. En una modalidad, el deflector se extiende sustancialmente en forma axial del bloque de espacio asociado para interceptar una porción sustancial del flujo de enfriador que alcanza y/o fluye a lo largo de las porciones radialmente internas del bloque de espacio. Ese flujo interceptado
"i^-^"jB»°- AJtM?^i^^? ^á ?^ ?J?áÁt^
redirigido hacia el centro de la cavidad. El flujo del enfriador que ffitSye* »
generalmente en forma directa a los bloques de espacio radialmente afuera de la estructura del deflector continuará en su trayectoria de flujo circular generalmente tradicional. 5 De acuerdo con una modalidad alternativa de la invención, la estructura de deflector se expande sólo a una porción de la dimensión axial o profundidad de la cavidad. Esto permite que algo del enfriador de momento
• alto alcance la esquina radial exterior de la cavidad y dirija el resto del enfriador hacia el centro de la cavidad. El deflector de profundidad parcial
puede estar dispuesto para expandir la profundidad parcial de la cavidad de una pared de devanado extremo adyacente de la cavidad, la otra pared de devanado extremo adyacente de la cavidad o generalmente en forma central
• de su bloque de espacio asociado. En esta modalidad, el deflector se expande aproximadamente a la mitad de la profundidad del bloque de espacio 15 asociado. De acuerdo con otra modalidad alternativa de la invención, se proveen dos o más estructuras de deflector axialmente alineadas, cada una expandiéndose a una porción de la dimensión axial o profundidad de la f cavidad. Esto permite que algo del enfriador de momento alto fluya entre 20 estructuras de deflector axialmente adyacentes para alcanzar la esquina radial exterior de la cavidad y dirige el resto del enfriador hacia el centro de la cavidad.
^ BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS "r* Estos y otros objetos y v^f ljas de la invención se entenderán en forma más completa y se apreciarán mediante un estudio cuidadoso de la descripción más detallada siguiente de las modalidades ilustrativas
actualmente preferidas de la invtfb ón, tomadas junto con los dibujos anexos, en los cuales: La figura 1 es una vista en sección transversal de una porción de la región de vuelta extrema de un rotor de máquina dinamoeléctrica con estator en relación opuesta al mismo; 10 la figura 2 es una vista superior en sección transversal del rotor de la 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 de f gas pasivo hacia y a través de las cavidades de devanado extremo; la figura 4 es una vista en perspectiva, parcialmente descubierta 15 de una porción de la región de vuelta extrema del rotor de acuerdo con una primera modalidad descrita en la patente de E.U.A. No. 5,644,179; la figura 5 es una vista en perspectiva, parcialmente descubierta de una porción de la región de vuelta extrema del rotor que muestra una f segunda modalidad de la invención de la patente de E.U.A. No. 5,644,179; 20 La figura 6 es una vista en sección transversal que ilustra un deflector como una modalidad de la invención provista sobre el lado corriente debajo de un bloque de espacio para desviar el enfriador hacia el centro normalmente carente de enfriador de la cavidad;
in-ii- faiifl-' - "*—
W la figura 7 ilustra una modalidad alternativa de la invención en donde por lo menos un deflector se provee a cada uno sólo una expansión parcial de la profundidad de la cavidad para permitir que algo del enfriador pase fácilmente a la extensión radial exterior de la cavidad mientras desvía
una porción del enfriador hacia el centro de la cavidad.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Haciendo referencia a los dibujos en donde los números de
referencia idénticos denotan los mismos elementos en todas las vistas, las figuras 1 y 2 muestran un rotor 10 para una máquina dinamoeléctrica enfriada por gas, que también incluye un estator 12 que rodea al rotor. El rotor incluye
• una porción de cuerpo generalmente cilindrica 14 dispuesta centralmente sobre un huso de rotor 16 y que tiene caras extremas axialmente opuestas, de
la cuales una porción 18 de una cara extrema se muestra en la figura 1. La porción extrema se provee de una pluralidad de ranuras 20 circunferencialmente separadas, que se extienden axialmente para recibir bobinas concéntricamente dispuestas 22 que constituyen el devanado del f rotor. Para claridad, sólo se muestran cinco bobinas del rotor, aunque en la
práctica comúnmente se ilustran algunas más. Específicamente, un número de barras conductoras 24 que constituyen una porción del devanado del rotor están apiladas en cada una de las ranuras. Las barras conductoras adyacentes están separadas por capas
^*- -.-^^-. - ,^ ..*^JE--¿^-..^^.. .-.^
fde aislamiento eléctrico 22- ps barras conductoras apiladas se mantienen li típicamente dentro de las ranirrafe or medio de cuñas 26 (figura 1) y están
hechas de un material conductor tal como cobre. Las barras conductoras 24
están ¡nterconectadas en cada extremo ^jfbesto de la porción del cuerpo por vueltas extremas 27 que se extienden axialmente más allá de las caras extremas para formar devanados extremos apilados 28. Las vueltas extremas también son separadas por capas de aislamiento eléctrico. Haciendo referencia específicamente a la figura 1 , un anillo de retención 30 está dispuesto alrededor de las vueltas extremas en cada extremo de la porción de cuerpo para sostener los devanados extremos en su
lugar contra las fuerzas centrífugas. El anillo de retención se fija en un
extremo a la porción del cuerpo y se extiende sobre el huso del rotor 16. Un anillo centrador 32 está fijado al extremo distal del anillo de retención 30. Se debe notar que el anillo de retención 30 y el anillo centrador 32 pueden estar montados de otras maneras, como se conoce en la técnica. El borde periférico interno del anillo centrador 32 está radialmente separado del otro huso 16 para formar un pasaje de entrada de gas 34 y los devanados extremos 28 son separados del huso 16 para definir una región anular 36. Un número de canales de enfriamiento axiales 38 formados a lo largo de las ranuras 20 se
proveen en comunicación de fluido con el pasaje de entrada de gas 34 a
través de la región anular 36 para suministrar gas de enfriamiento a las
bobinas 22. Pasando a la figura 2, los devanados extremos 28 en cada
*!sr extremo del rotor 10 están circunferencialmente y axialmente separados por un número de separadores de bloques de espacio 40 (para claridad de ilustración, los bloques de espacio se muestran en la figura 1 ). Los bloques de espacio son bloques alargados de un material aislante ubicados en los 5 espacios entre los devanados extremos adyacentes 28 y se extienden más allá de la profundidad radial completa de los devanados extremos hacia el espacio anular 36. Por consiguiente, los espacios entre las pilas concéntricas
• de las vueltas extremas 27 se dividen en cavidades. Estas cavidades están delimitadas en la parte superior por el anillo de retención 30 y en cuatro lados
por devanados extremos adyacentes 28 y bloques de espacio adyacentes 40, como se muestra en la figura 3. Como se ve mejor en la figura 1 , cada una de estas cavidades está en comunicación de fluido con el pasaje de entrada de gas 34 por medio de la región anular 36. Una porción del gas de enfriamiento que entra a la región anular 36 entre el devanado extremo 28 y el huso del
rotor 16 a través del pasaje de entrada de gas 34 entra así a las cavidades 42, circula en ellas y después regresa a la región anular 36 entre los devanados extremos y el huso del rotor. El flujo de aire se muestra por medio de las flechas en las figuras 1 y 3. f* La acción de bombeo inherente y las fuerzas de rotación que
actúan en una cavidad del generador de rotación producen una gran celda de circulación de flujo individual, como se muestra esquemáticamente en la figura 3. Esta celda de circulación de flujo tiene su velocidad más alta cerca de los bordes periféricos de la cavidad, típicamente dejando la región central
inadecuadamente enfriada debido a la ilMocidad inherentemente baja en la región central de la cavidad. Como se puede ver a partir de la figura 3, las áreas grandes de las regiones de esquina también son enfriadas de manera inadecuada debido a que el movimiento circular de la celda de flujo no lleva 5 flujo de enfriamiento a las esquinas. Haciendo referencia a la figura 6, se ilustra una sección parcial del devanado del rotor que modaliza la invención, mostrando cavidades 142 y
• con la dirección de rotación indicada por la flecha X. De acuerdo con una modalidad de la invención, por lo menos uno y preferiblemente cada bloque
de espacio 140 se provee de una estructura deflectora 144 sobre la superficie 146 del mismo dispuesta sobre el lado corriente debajo de la cavidad respectiva (de aquí en adelante superficie corriente abajo) para redistribuir el flujo de enfriador al centro de la cavidad respectiva 142 para incrementar el coeficiente de transferencia de calor ahí. Cada estructura de deflector 144
tiene una superficie generalmente curva 148 inferior para interceptar y redirigir el flujo como se muestra mediante la flecha A. La superficie superior 150 es generalmente más plana por lo que el deflector define un borde 152 de frente de flujo generalmente delgado para interceptar efectivamente el flujo sin
.f' pérdida de presión innecesaria. 20 Durante el funcionamiento, la rotación del rotor en la dirección X hará que el gas de enfriamiento sea extraído a través de la entrada de gas 34 (figura 1 ) hacia la región anular 36 entre el devanado extremo 26 y el huso del rotor 16. Una cabeza de presión cinética está presente la cual impulsa el gas
^de enfriamiento hacia el lado corriente; Htüájo 146 de la cavidad 142 en un flujo generalmente circular.
en la modalidad ilustrada en la figura 6, por lo menos una porción del flujo de enfriador es interceptada por el deflector 144 y redirigída como se muestfiá mediante la flecha A a la región 5 central de la cavidad de enfriamiento 142, que de otra manera estaría generalmente carente de flujo de enfriador. El flujo de enfriador que no es interceptado por el deflector continua en su flujo generalmente circulatorio
• como se muestra mediante la flecha B. El flujo interceptado y el flujo no interceptado se vuelven a unir en el lado corriente arriba de la cavidad y
continúan en una dirección contraría a las manecillas del reloj, en la configuración ilustrada, bajo el bloque de espacio 140 y hacia la siguiente cavidad secuencial. En esta modalidad, se provee un solo deflector de flujo
# que expande una porción sustancial de la profundidad o dimensión axial de la cavidad, por ejemplo, por lo menos de aproximadamente 75% y muy
preferiblemente del orden de 100% de la profundidad de la cavidad. Pasando ahora a la figura 7, se muestra una segunda modalidad de la presente ¡nvención. Muy específicamente, la figura 7 muestra una sección parcial del devanado extremo del rotor que muestra las cavidades 242 f> definidas entre los bloques de espacio 240 y con la dirección con rotación
indicada por la flecha X. Como se ilustra, por lo menos una estructura de deflector 244 se provee para desviar flujo de enfriador a la región central de la cavidad adyacente. Como en la modalidad de la figura 6, en el ensamble ilustrado, la estructura(s) del deflector 244 se provee sobre la superficie
M?Í ftÉ-MJfl**"1 "e^^-^"*^^^^*^^^^^'
acorriente abajo 246 de por lo menos un fejóque de espacio 240. Sin embargo, en esta modalidad, cada deflector 244 se extiende sólo una profundidad parcial o una parte axialmente del bloque de espacio para dejar por lo menos una región de flujo vertical para que algún flujo de enfriador circulante de momento alto alcance la esquine radial externa de la cavidad mientras que el resto del enfriador sea desviado hacia el centro de la cavidad. De conformidad con esta modalidad, un deflector de profundidad parcial puede estar dispuesto para expandir la profundidad parcial de la cavidad desde una pared de devanado extremo adyacente de la cavidad, adyacente a la otra pared de devanado extremo de la cavidad, o por lo general centralmente de su bloque de espacio asociado. En una modalidad ilustrativa, se provee un solo deflector 244 para expandirse aproximadamente a la mitad de la profundidad del bloque de espacio asociado. De acuerdo con una modalidad alternativa, también representada por la ilustración esquemática de la figura 7, se proveen dos o más estructuras de deflector axialmente alineadas, cada una expandiéndose a una porción de la dimensión axial de profundidad de la cavidad. De esta manera, por lo menos una región de flujo vertical es reservada para que el flujo de enfriamiento de momento alto alcance la esquina radial externa de la cavidad mientras que el resto del enfriador es desviado hacia el centro de la cavidad. Por lo tanto, como se ilustra, el flujo de enfriador hacia la cavidad respectiva 242 fluirá hacia y empieza su flujo radialmente hacia fuera a lo largo de la superficie del bloque de espacio 246. Una porción de ese flujo es
* * interceptada y desviada por la estrqctttj ¡| * del deflector 244 hacia la región central de la cavidad respectiva como se muest - ediante la flecha A. El resto del flujo de enfriador se desvía de la estructura del deflector debido a los espacios definidos por su longitud axial truncada y continúa hacia arriba y 5 radialmente hacia fuera a lo largo del bloque de espacio, como se muestra mediante la flecha C, para continuar como flujo circulante, como se muestra mediante la flecha B. El flujo desviado y el flujo no desviado se vuelven a unir en el lado corriente arriba de la cavidad para continuar en una dirección de las manecillas del reloj, en la modalidad ilustrada, abajo y alrededor del bloque de
espacio 240 a la siguiente cavidad secuencial 242. En la modalidad actualmente preferida, el deflector 144, 244 se extiende por lo menos aproximadamente 20% y muy preferiblemente por lo menos 25% de la dimensión circunferencial de la cavidad de enfriamiento para interceptar efectivamente y redirigir el flujo hacia la región central de la
cavidad, más que simplemente causando turbulencia de superficie. La configuración curva de la superficie inferior 148, 248 del deflector incrementa la función del deflector. Aunque la invención se ha descrito en relación con lo que actualmente se considera que es la modalidad más práctica y preferida, se
debe entender que la ¡nvención no se limita a las modalidades descritas, sino por el contrario pretende cubrir varias modificaciones y disposiciones equivalentes incluidas dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas.