NO146221B - Kjoeleanordning for en induksjonsmotors rotor, anordnet for drift av belastninger med stor treghet - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en kjøling av en induksjonsmotors rotor, -anordnet for drift av belastninger med stor treghet, hvor rotoren som er roterbar i en stator og omfatter en massiv metallring, en radialt innenfor til metallringen grensende beholder for kjølefluidum, og en forbindelsesdel av metall som forbinder beholderen med rotorakselen.

Det er kjent å anvende forskjellige måter for start av reversible generator-motorer for pumpekraftverk. En av disse måter er å anvende en startmotor som er direkte montert på hovedmaskinens aksel. Ved slike anordninger anvendes ofte en stor motor med viklet rotor. Disse motorer er meget kostbare og krever en variabel startmotstand, vanligvis en vann-motstand for å oppta den energi som er nødvendig under starten. Denne energi er som et minimum lik H kVA for den store maskinen som skal startes, hvor H er treghetskonstanten i kW sekunder pr. kVA lagret rotasjonsenergi. Denne energi er ytterligere øket ved hastighetsforskjellen mellom synkron-hastigheten for induksjonsmotoren med viklet rotor og den store synkronmotors driftshastighet. Den øker også med dreiemomentet som er nødvendig for å overvinne friksjon- og vind-motstandstap i både generatormotoren og pumpen•sammenlignet med dreiemomentet som anvendes direkte for treghetsakselera-sjonen. '

Rotoren for en startmotor som er egnet for anvendelse i forbindelse med vannkraftgeneratorer har forholdsvis store dimensjoner og selv om de roterer med forholdsvis lav hastighet vil den store diameter og den store vekt resultere i forholdsvis store sentrifugalkrefter i periferien av rotoren under drift. Rotasjonskreftene kombinert med varme-forskjellen som skyldes sirkulasjonen av store induserte strømmer under starten, gjør en vanlig burrotor uegnet for slik anvendelse fordi rotorstavene oppvarmes og utvider seg ujevnt og kan ikke motstå de store mekaniske og- termiske påkjenninger.

De mekaniske og termiske problemer ved slike konstruksjoner er blitt stadig større og alternative startmulig-heter som f.eks. synkronstart med full eller redusert spenning er anvendt. Den forstyrrende virkning av innkoplingen av store strømmer på nettet og oppvarming av dempeviklinger opptrer imidlertid fra tid til annen når synkronstart med full eller redusert nettspenning anvendes, slik at tilfredsstil-lende konstruksjoner av denne type ikke alltid er mulige.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe kjøling av en induksjonsmotor av den innledningsvis nevnte art, som ikke har de ovenfor nevnte ulemper, og dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at den indre del av beholderen er krympet på plater som igjen er en del av forbindelsesdelen,

og hvor platene er elastisk forbundet med beholderen ved hjelp av ringformede fjærorganer for å muliggjøre radial ekspansjon av ringen som følge av temperaturendringer.

Fortrinnsvis har kjølefluidumet en stor varmekapasitet og er i overflatekontakt med den indre flate av felgen som er sylindrisk og består av stål med stor fasthet. Rotoren arbeider med et luftgap som er vesentlig større enn luftgapet i en like stor motor med viklet rotor for å mulig-gjøre radial utvidelse av felgen som følge av temperaturøkning. Da den varme som lagres i rotoren for start av store generator-motorer overskrider den varme som med sikkerhet kan lagres i en slik stålfelg, særlig når flere starter er nød-vendig på kort tid, dvs. under to til fire timer, er det altså anbragt en beholder for kjølefluidum på den indre flate av felgen slik at kjølefluidumet er i direkte kontakt med felgen og absorberer varme som frembringes når felgen er varmere enn kjølefluidumet. Når rotorhastigheten øker, vil kjølefluidumets treghet tilveiebringe en relativ hastighet i tillegg til for-bindelsen mellom kjølefluidumet og felgen slik at varmeover-føringen øker.

Som kjølefluidum kan anvendes vann som kan absorbere meget varme. Med en vannbeholder med en radial dimensjon som er tre til fire ganger tykkelsen av felgen, vil de fleste starter ikke oppvarme vannet til kokepunktet. Hvis felgen når en temperatur på over 100°C, vil vannet absorbere meget varme i og med at det går over til damp og derved regulere temperaturen på den flate av felgen som grenser til vannet. Dampen transporteres til sentrum av rotoren som følge av sentrifugalkraften på vannet. Dampen vil enten oppvarme det resterende vann eller overføres til et ønsket sted via et rør eller lignende fortrinnsvis utenfor maskinen, hvor varmen ikke skader. På denne måte kan volumet av vannet sammenlignet med volumet av felgen holdes innenfor praktiske grenser og største-delen av varmen kan absorberes uten kostbare vannreostater, som nevnt ovenfor.

Da denne art anvendelse normalt har en dreiemoment-kurve som er praktisk talt proporsjonal med kvadratet av hastigheten som følge av vind- og pumpetap er det ønskelig å begrense varmen som frembringes i rotoren ved drift med lav hastighet. Med liten inntrengningsdybde av den magnetiske fluks i rotoren er det nødvendig å sørge for dette ved lav hastighet. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved å styre impedansen av statorviklingen i induksjonsmotoren under starten, slik at flerfaset strøm som flyter i statorviklingen minskes under liten hastighet og økes når startmotoren nærmer seg en forhåndsbestemt synkroniseringshastighet. Varmefrem-bringelsen i rotorfelgen minskes i stor grad og påkjenninger som følge av temperaturveksling holdes tilstrekkelig under strekkgrensen for felgmaterialet slik at det oppnås tilfreds-stillende start innenfor rimelige tidsperioder. I tillegg hertil sørges det for endring av kjølefluidum ved langsom utskifting eller resirkulering og kjøling ved hjelp av en liten utenforliggende varmeveksler i en grad som ikke nødvendigvis er tilstrekkelig for de samlede tap under starten, men som er tilstrekkelig til å fjerne mesteparten av den lagrede varme før en ny start. Startmotoren ifølge oppfinnelsen kan anvendes for flere starter på en enkelt dag i mange år uten risiko for ødeleggelse ved varme.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser et aksialt snitt gjennom en vannturbin-drevet generator med vertikalaksel og en startmotor ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser en del av et grunnriss og delvis i

snitt og i større målestokk startmotoren på fig. 1 .

Fig. 3 viser et snitt langs linjen III-III på

fig. 2.

Fig. 4 viser skjematisk kjølefluidumkretsløpet for induksjonsmotoren på fig. 1. Fig. 5 viser en del av et vertikalsnitt av en alternativ utførelse av rotoren på fig. 1. Fig. 1 viser en induksjonsmotor ifølge oppfinnelsen montert for start på samme aksel som en reversibel generator-motor for pumpekraftverk. Induksjonsmotoren 10 har en rotor 12, som er montert på en aksel 14 for samtidig rotasjon med rotoren i generator 16, som omfatter et fundament 18 med en sjakt 20. Turbinen 22 er montert i sjakten 20 og har en rotor 24 på en aksel 26 og et deksel 28, som er vertikalt fjernbart ved løfting ut av sjakten 20. Fundamentet 18 har en skulder 30 og en bremse- og jekkbærende del 32, som begge befinner seg over sjakten. Skulderen 30 bærer et trøstelager 34, som bærer enheten 36 som danner lager for en vertikal generatoraksel 38, som har en øvre del 40 og en nedre del 42 som strekker seg over resp. under trøstelageret 36. Den nedre del 42 går over i en kopling 44 med turbinakselen 26.

Den øvre akseldel 40 av generatoren 16 bærer en rotor 46 over og i avstand fra et svinghjul 48 med eker 50. Rotoren 46 er omgitt av generatorstatoren 52, hvis periferi er forsynt med egnede bæreorganer i en bæreinnretning 54 som hviler på den øvre del av fundamentet 18, slik at stator og rotor kan arbeide uavhengig av hverandre.

Den øvre akseldel 14 bærer også rotoren 12 i startmotoren 10 for samtidig rotasjon med rotoren 46 i generatoren 16. Rotoren 12 er omgitt av en stator 56, hvis periferi er båret av en bæredel 55 som er forbundet med bæredelen 54.

Hensikten med startmotoren 10 er å bringe rotoren 46 i generatoren 16 til synkron hastighet under starten i enten pumpetilstand eller generatortilstand. Rotoren 12 er montert direkte på akselen 14. Under start vil store start-strømmer sirkulere i rotoren 12, hvilket frembringer meget varme som hovedsakelig er proporsjonal med rotorens treghet og dreiemomentet. Denne varme må forbrukes i rotormassen eller må fjernes for å begrense temperaturen og den medfølgende mekaniske påkjenning til verdier som svarer til maskinens normale tilstand. Når varmen som opptas pr. enhet av rotor-arealet øker, vil en rotor av vanlig konstruksjon med rotor-staver eller massive poler bli utsatt for utvidelse som følge av temperaturen i rotoren, slik at den derved blir lite egnet. En forbedret rotorkonstruksjon er derfor ønskelig for å oppnå stort startraoment og kortere starttid.

Rotoren 12 er forsynt med en sammenhengende sirku-lær metallring 60, til hvilken slutter seg en beholder 62 for et kjølefluidum 64 som f.eks. vann, varmeledende forbundet med den indre flate av ringen 60 for å overføre varme fra denne.

Et kjølefluidum annet enn vann kan også anvendes med fordel. Kjølefluidumet 64 er i intim kontakt med den indre flate av ringen 60 for maksimal varmeoverføring. Som følge av den uvanlige mengde varme som frembringes under starten, må rotoren 12 ha meget stor varmekapasitet slik at volumet av kjølefluidumet 64 må være stort sammenlignet med volumet av metallet i ringen 60.

Statoren 56 kan være en vanlig viklet stator. Ringen 60 er av stål med tilstrekkelig styrke og med tykkelse og lengde for drift i et luftgap 66 som vanligvis er større enn normalt for en vanlig viklet motor eller motor med rotor-bur. Den store varmemengde i rotoren 12 under start er mere enn den forholdsvis tynne ring 60 kan lage særlig når flere starter er nødvendig på forholdsvis kort tid under to til fire timer. Derfor er vannbeholderen 62 på den indre flate av rotorringen 6 0 slik at vannet 6 4 er i direkte kontakt med felgen og absorberer varme når felgen er varmere enn vannet. Når rotasjonshastigheten øker, vil vannets treghet bevirke en innbyrdes hastighetsforskjell i forhold til felgen og derved understøtte varmeoverføringen. Når ringen 60 har nådd en-temperatur på over 100°C vil vannet fordampe og derved styre temperaturen på overflaten av felgen. Når vannet fordamper, vil damp 67 beveges mot sentrum av rotoren som følge av sentrifugalkraften på vannet og til toppen av vannbeholderen 6 2 og enten varme opp det resterende vann eller slippe bort gjennom åpninger 70 til et ønsket sted gjennom et rør 73 til et sted utenfor motoren hvor den ikke kan gjøre skade.

Det er kjent at vanlige rotorer kan drives i lengre perioder under sterk belastning fordi varmen som dannes vil bevirke en stor temperaturforskjell med resulterende spenninger i rotoren utover hva den kan tåle. Når dette er tilfelle, er rotoren bare i stand til å tåle et begrenset antall starter før det skjer sprekkdannelser på de oppvarmede flater og dette vil føre til ødeleggelse. Med en tynn felg av egnet tykkelse av stål med rimelig styrke og med en temperatur holdt forholdsvis jevnt ved hjelp av kjøle-fluidumet og egnet avstand mellom felg og stator kan påkjen-ningene holdes vesentlig under strekkmaterialets strekkgrense og tåle start flere ganger i døgnet i 20-30 år.

Fig. 2 og 3 viser rotoren 12 med en forbindelsesdel 71 mellom akselen 14 og beholderen 62 som bærer ringen 60 for rotasjon inne i statoren 56. Forbindelsesdelen 71 er vist med eker 72, som er forsterket med organer 74. Ekene 72 har et nav 76, som er festet til akselen 14. Den sylin-driske vannbeholder 62 er forbundet med de ytre ender av ekene 72 og felgen 60 er festet til vannbeholderen 62, f.eks. ved sveising.

Som tidligere nevnt vil den høye temperatur såvel som den store diameter og store masse av rotoren resultere i store rotasjonskrefter på ringen 60 når den roterer og fører strøm under starten. For å muliggjøre radial utvidelse av rotoren er denne forbundet med ekene 72 ved hjelp av fjærende organer 77. Fjærene kan gis betydelig fleksibilitet.

En annen utførelse av fjærforbindelsen er vist på fig. 5. Den indre del av vannbeholderen 6 2 er rundt det hele forbundet med et par sirkelformede plater i innbyrdes aksial avstand ved hjelp av ringformede fjærorganer 81,85. Platene 79 er festet på akselen 14. De fjærende organer har som vist fortrinnsvis tverrsnitt av en omvendt U med tungedeler 83, som er sveiset eller på annen måte forbundet med platen 79 resp. beholderen 62. Den indre flate av vannbeholderen 62 er fortrinnsvis festet til platen 79 ved krymping for å moderere påkjenningen ved varmeutvidelsen. En slik rotor danner et fleksibelt membran som er tangentialt stivt for overføring av dreiemomentet, men er radialt fleksibelt for å tillate en jevn radial utvidelse av felgen 60 når temperaturen øker.

Virkemåten av en induksjonsmotor 10 med en hul sammenhengende ferromagnetisk ring 60 kan karakteriseres ved det elektromagnetiske dreiemoment som stammer fra virvel-strømmer i ringen som en reaksjon på det induserte felt fra statoren 56. Disse virvelstrømmer har en fordeling og inntrengningsdybde utover hvilke feltet er ubetydelig. Det har vist seg at hule ferromagnetiske rotorer med en radial vegg-tykkelse svarende hovedsakelig til inntrengningsdybden av virvelstrømmene kan fullt ut konkurrere med en massiv rotor av lignende materiale og med samme luftgap. For å øke virkningen kan den radiale tykkelse av ringen 60 være hovedsakelig lik den maksimale inntrengningsdybde for virvel-strømmene som induseres av statoren 56. En riktig tykkelse av felgen bestemmes også av den nødvendige varmekapasitet og flukskapasitet. Hvis felgen er for tykk, kan temperaturforskjell bevirke at den brister. Felgen må imidlertid være tykk nok til å tilveiebringe tilstrekkelig flukskapasitet til det ønskede dreiemoment. Det har vist seg at felgtykkelsen for stål med stor styrke kan være fra 3,8 - 7,6 cm med til-fredsstillende resultat.

For store treghetsbelastninger kan arbeidet som ytes av en induksjonsmotor illustreres med en belastningsdreie-momentkurve som er tilnærmet proporsjonal med kvadratet av hastigheten som følge av vind- og pumpetap. Derfor er det ønskelig å begrense varmemengden som opptrer i rotoren 12 ved lav hastighet og liten inntrengningsdybde av magnetfluksén i ringen.

En ytterligere økning av kjølingen av rotoren 12 er vist på fig. 4, hvor kjølefluidumet er erstattet av et kjøle-fluidum som pumpes fra et utenforliggende reservoar eller varmeveksler 90. Kjølefluidumet 64 innføres i beholderen 62 gjennom et rør 69 og overføres derfra gjennom et rør 73 til varmeveksleren 90 ved hjelp av en pumpe 92. Kjølefluidumet innføres og tas ut gjennom et par konsentriske kjølerør 94,

96 som strekker seg gjennom en sentral boring i akselen 14

på vanlig måte. Sirkulasjonen av kjølefluidumet 64 gjennom beholderen 62 er vist med piler 98. Kjølefluidumet er- fortrinnsvis kjølt eller utvekslet utenfor ved langsom ut-skiftning eller resirkulasjon som ikke nødvendigvis behøver gjelde det samlede tap under starten, men fortrinnsvis er tilstrekkelig til å fjerne den oppsamlede varme før ny start. Sirkulasjonen av kjølefluidumet inne i beholderen 62 kan forbedres ved egnet anordning av utløpet fra beholderen 6 2 (ikke vist). På denne måte kan kjøletiden for rotorringen 60 minskes i vesentlig grad, slik at flere starter kan foretas innenfor forholdsvis kort tid uten fare for ødeleggelse av rotoren.

Claims (2)

1. Kjøleanordning foren induksjonsmotors rotor, anordnet for drift av belastninger med stor treghet, hvor rotoren som er roterbar i en stator og omfatter en massiv metallring (60), en radialt innenfor til metallringen grensende beholder (62) for kjølefluidum (64), og en forbindelsesdel (71) av metall som forbinder beholderen med rotorakselen (14), karakterisert ved at den indre del av beholderen (62) er krympet på plater (79) som igjen er en del av forbindelsesdelen (71), og hvor platene (79) er elastisk forbundet med beholderen (62) ved hjelp av ringformede fjærorganer (81,85), for å muliggjøre radial ekspansjon av ringen som følge av temperaturendringer.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved rør (69,73) for sirkulering av kjølefluidum (64) fra beholderen (62) gjennom en utenforliggende varmeveksler (90) tilbake til beholderen (62).