PL199771B1 - Zespół wentylacyjny silnika elektrycznego trakcji kolejowej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest zespó l wentyla- cyjny silnika elektrycznego trakcji kolejowej, zawieraj acy wentylator od srodkowy (24) zamo- cowany wspó losiowo z wirnikiem (5) silnika (1) i zdolny do obracania si e w jednym, albo w obu kierunkach oraz dostarczaj acy powietrze w kie- runku silnika (1). Wentylator od srodkowy (24) jest umieszczony w komorze (C) wlotu powietrza, która jest oddzielona przegrod a obudowy (21) od zamkni etej przestrzeni (E) zawieraj acej, co naj- mniej wirnik (5) silnika (1). W przegrodzie obu- dowy (21) jest uformowany, co najmniej jeden otwór lacz acy (26) komor e wlotow a powietrza (C) z zamkni et a przestrzeni a (E). Przegroda obudo- wy (21) oddziela od zamkni etej przestrzeni (E) tak ze wn etrze (V) dyszy (17), po laczone z kana- lami ch lodzenia (31). PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest zespół wentylacyjny silnika elektrycznego trakcji kolejowej.

W rozwiązaniach konstrukcyjnych stosowanych w trakcji kolejowej, silnik elektryczny jest na ogół zespolony w jedną całość z wózkiem zwrotnym, znajdującym się pod korpusem lokomotywy, lub pojazdu. Gdy ilość zużywanej elektryczności przez silnik elektryczny może być ilością znaczną, silnik ten musi być chłodzony tak, żeby rozproszyć trochę tej energii. Znaną praktyką stosowaną w tym przypadku jest wykorzystywanie do tego celu otaczającej atmosfery. Jednak otoczenia silników trakcji kolejowej są na ogół zanieczyszczone, z jednej strony z powodu śmieci, które mogą zalegać na szlaku, a z drugiej strony, z powodu deszczu lub błota spowodowanego złymi warunkami atmosferycznymi. Z tych powodów znaną praktyką zabezpieczania silnika elektrycznego przed wpływem otoczenia jest umieszczanie filtrów albo krat nad wlotem powietrza chłodzącego. Znaną praktyką stosowaną przy silnikach chłodzonych powietrzem jest także wciąganie powietrza przez długie magistrale z obszaru o niższym poziomie zanieczyszczeń, takiego jak wnętrze przedziału w pocią gu, albo z obszaru w pobliż u dachu lokomotywy. Takie formacje wprowadzają znaczny spadek ciśnienia wzdłuż drogi, którą płynie powietrze chłodzące, a to obniża jego skuteczność i może doprowadzić do zabrudzenia silnika.

W opisie patentowym US 5 214 325 został ujawniony silnik mający obudowę , dwa wloty powietrza usytuowane na przeciwległych bokach obudowy, wylot powietrza, wirnik i stojan. Wentylator jest umieszczony przy końcu obudowy, blisko wylotu powietrza. Podczas obrotu wentylator zasysa powietrze do silnika. W konsekwencji wszystkie cząsteczki są zasysane do wnętrza obudowy maszyny, zanieczyszczając szczelinę powietrzną między wirnikiem a stojanem.

Z opisu patentowego FR-A-2,645,817 jest znane przewietrzanie silnika trakcji kolejowej przy zastosowaniu powietrza dostarczanego przez wentylator, przy czym trochę tego powietrza jest emitowane przez odwirowanie do otworu, w którym znajduje się element oddzielający. Najcięższe cząsteczki są usuwane dzięki działaniu sił odśrodkowych, a zatem nie są przenoszone w kierunku wnętrza silnika. Jednakże, skuteczność wirowania odśrodkowego zależy głównie od prędkości obrotowej wentylatora u wlotu, która to prędkość ma związek z prędkością roboczą silnika. Ta prędkość zależy z kolei od warunków, w jakich pracuje silnik. Silnik zazwyczaj pracuje przy niskiej prędkości, zwłaszcza w przypadku miejskiego pojazdu kolejowego, jak tramwaj czy trolejbus. Poza tym, powietrze wypływające przez otwór obrzeża nie bierze udziału w chłodzeniu, a przy wydostawaniu się części strumienia powietrza bezpośrednio do atmosfery może być wytwarzany hałas.

Są to wady, które można zlikwidować przez zaproponowanie zespołu wentylacyjnego, w którym cała ilość powietrza dostarczanego przez wentylator będzie wykorzystana do chłodzenia silnika, podczas gdy jednocześnie ryzyko zabrudzenia lub zanieczyszczenia, będzie zminimalizowane.

Zespół wentylacyjny silnika elektrycznego trakcji kolejowej, zawierający wentylator odśrodkowy zamocowany współosiowo z wirnikiem silnika, i zdolny do obracania się w jednym, albo w obu kierunkach oraz dostarczający powietrze w kierunku silnika, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że wentylator odśrodkowy jest umieszczony w komorze wlotowej powietrza, która jest oddzielona przegrodą obudowy od zamkniętej przestrzeni zawierającej, co najmniej wirnik silnika, przy czym w przegrodzie obudowy jest uformowany, co najmniej jeden otwór łączą cy komorę wlotu powietrza z zamkniętą przestrzenią, a przegroda obudowy oddziela od zamkniętej przestrzeni także wnętrze dyszy, połączone z kanałami chłodzenia.

Korzystnie, otwory łączące są rozmieszczone równomiernie wokół osi środkowej X-X' silnika.

Korzystnie, co najmniej jeden otwór łączący jest uformowany promieniowo wewnątrz toru ograniczonego przez dyszę dla strumienia zewnętrznego.

Korzystnie zespół ma, co najmniej jeden otwór wylotowy wewnętrznego strumienia powietrza opuszczającego zamkniętą przestrzeń.

Korzystnie, otwór wylotowy znajduje się w pobliżu wyjścia kanału chłodzenia stojana.

Korzystnie, w sąsiedztwie otworu wylotowego znajduje się żebro rozdzielające strumień powietrza opuszczającego otwór wylotowy i strumień powietrza opuszczającego kanał chłodzenia stojana.

Korzystnie, zespół zawiera drugi wentylator zamontowany na wale silnika, wewnątrz zamkniętej przestrzeni.

Korzystnie, w zamkniętej przestrzeni oprócz wirnika znajduje się wewnętrzna promieniowa część stojana, co najmniej jedno uzwojenie związane ze stojanem lub z wirnikiem, część wału centralnego silnika oraz drugi wentylator.

PL 199 771 B1

Dzięki temu wynalazkowi, strumień powietrza dostarczany przez wentylator, znajdujący się u wlotu, jest wykorzystany zarówno do chł odzenia wirnika jak i do chł odzenia stojana w silniku. Powietrze, w którym jest największe prawdopodobieństwo zanieczyszczenia ciężkimi drobinami, jest kierowane, dzięki sile odśrodkowej, na zewnątrz, to znaczy ku kanałom układu chłodzenia w stojanie. Natomiast powietrze, w którym jest stosunkowo mniejsze prawdopodobieństwo zanieczyszczenia ciężkimi drobinami, które stanowi strumień wewnętrzny, jest kierowane ku wnętrzu zamkniętej przestrzeni, bez wielkiego ryzyka zabrudzenia wnętrza silnika.

Strumień wewnętrzny powietrza chłodzącego, skierowany w kierunku zamkniętej przestrzeni jest „czerpany bocznie, ze strumienia skierowanego ku kanałom do chłodzenia stojana. To czerpanie odbywa się przy wewnętrznej czołowej powierzchni dyszy, tj. w miejscu, od którego powietrze, najsilniej obciążone stosunkowo ciężkimi drobinami, jest najbardziej oddalone.

Drugi wentylator zwiększa ruchy powietrza w zamkniętej przestrzeni i tym samym poprawia skuteczność chłodzenia elementów zawartych w tej przestrzeni.

Silnik elektryczny trakcji kolejowej, wyposażony w zespół wentylacyjny według wynalazku, działa bardzo zadowalająco, także w warunkach zanieczyszczonego środowiska. Szczególnie skuteczny układ chłodzenia, według wynalazku, może być stosowany do silników wysokiej mocy i może mieć stosunkowo niewielkie wymiary.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pierwszy przykład wykonania zespołu wentylacyjnego silnika elektrycznego trakcji kolejowej, w przekroju wzdłużnym, zaś fig. 2 przedstawia drugi przykład wykonania zespołu wentylacyjnego silnika elektrycznego trakcji kolejowej, w przekroju wzdłużnym.

Silnik 1, przedstawiony na fig. 1, zawiera ułożyskowany w łożyskach 3 i 4 wał centralny 2, na którym jest zamontowany wirnik 5.

Oś wzdłużna wału centralnego 2, która jest osią obrotu wirnika 5, jest oznaczona X-X'.

Stojan 8, współosiowy z osią X-X', jest usytuowany w kierunku promieniowym wokół wirnika 5 i jest wyposaż ony w uzwojenie 9. Szczelina pomię dzy wirnikiem 5 i stojanem 8 jest oznaczona e.

Płyta zamykająca 11 podpiera łożysko 3 i jest przymocowana do kołnierza 12, który jest integralną częścią stojana 8.

Poza tym, kołnierz 12 jest połączony za pomocą śrub 16 z dyszą 17, która wyznacza otwór wlotowy 18 dla powietrza chłodzącego silnik 1 oraz podpiera łożysko 4.

Dysza 17 ma część zewnętrzną obudowy 20 i przegrodę obudowy 21, które ograniczają wnętrze V dyszy 17. W zewnętrznej części obudowy 20 jest uformowany otwór wlotowy 18, natomiast w przegrodzie obudowy 21 jest osadzone ł o ż ysko 4. W otworze wlotowym 18 jest osadzona krata 22, która zatrzymuje śmieci, takie jak papiery albo odpadki, które mogłyby dostać się do dyszy 17 przez otwór wlotowy 18.

Wentylator 24 z rozmieszczonymi promieniowo łopatkami 25, jest zamontowany na jednym końcu 2a wału 2, wewnątrz komory C wlotu powietrza, utworzonej w dyszy 17 pomiędzy kratą 22 a przegrodą obudowy 21.

Zadany kształt i usytuowanie płytki zamykającej 11, kołnierz 12 i przegroda obudowy 21 wyznaczają zamkniętą przestrzeń E dla wirnika 5, dla części wału 2, dla wewnętrznej promieniowej części 8a stojana, oddalonych od osi X-X' na odległość krótszą niż promień R, odpowiadający w przybliżeniu maksymalnemu promieniowi wewnętrznemu R21 przegrody obudowy 21 i uzwojenia 9. Zamknięta przestrzeń E umożliwia ochronę wirnika 5, części wału 2, wewnętrznej części 8a stojana 8 i uzwojenia 9 przed wpływami otoczenia, w szczególności przed kurzem.

Strumień powietrza F1 wchodzący dyszą 17 przez otwór wlotowy 18 jest dostarczany przez wentylator 24 zarówno w kierunku wnętrza zamkniętej przestrzeni E, jak i w kierunku stojana 8, co przedstawiono przy pomocy wewnętrznego strumienia powietrza F2 i zewnętrznego strumienia powietrza F3, odpowiednio.

Wewnętrzny strumień powietrza F2 przechodzi przez otwory łączące 26 uformowane w przegrodzie obudowy 21 dyszy 17. Otwory łączące 26 są rozłożone wokół osi X-X'. Wewnętrzny strumień powietrza F2 wchodzący do zamkniętej przestrzeni E jest rozdzielany na dwa strumienie powietrza F4 i F5. Strumień powietrza F4 przechodząc wzdłuż kanałów 27 znajdujących się w wirniku 5 i usytuowanych równolegle do osi X-X' skutecznie chłodzi wirnik 5. Strumień powietrza F5 przechodząc przez szczelinę e pomię dzy wirnikiem 5 i stojanem 8 obmywa stojan 8.

PL 199 771 B1

Cyrkulacja powietrza wewnątrz zamkniętej przestrzeni E jest wspomagana przez drugi wentylator 28 zamontowany na wale 2 wewnątrz zamkniętej przestrzeni E. Łopatki 29 drugiego wentylatora 28 wywołują ruch pobudzający powietrze z otworów łączących 26 do przepływu w kierunku kilku otworów wylotowych 30 uformowanych w kołnierzu 12. Strzałki F6 i F7 zostały użyte do przedstawienia strumieni powietrza po stronie wypływu i przy wylocie z zamkniętej przestrzeni E, które to strumienie są wynikiem zsumowania strumieni powietrznych F4 i F5.

Zewnętrzny strumień powietrza F3 jest kierowany w kierunku kanałów chłodzenia 31 wykonanych w stojanie 8, na zewnątrz od wewnętrznej promieniowej części 8a stojana 8. Te kanały chłodzenia 31 mogą być równomiernie rozłożone wokół osi X-X', albo zlokalizowane w pewnych strefach, szczególnie, kiedy stojan ma obrys wieloboku. Na przykład, kiedy stojan 8 ma obrys ośmioboku, a jego część środkowa jest kołowa, kanały chłodzenia 31 są uformowane w czterech zewnętrznych obszarach przekroju poprzecznego stojana 8. Zewnętrzny strumień powietrza F3 chłodzi stojan 8 i wydostaje się jako strumień F8 przez wyjścia 32 znajdujące się w kołnierzu 12, przy końcu każdego kanału chłodzenia 31 od strony wypływu, w pobliżu otworów wylotowych 30.

W pobliżu każdego wyjścia 32 znajduje się żebro 33 odchylające strumień F8 i zapobiegające tworzeniu się ciśnienia wstecznego blisko otworu wylotowego 30.

Droga zewnętrznego strumienia powietrza F3 jest wyznaczona przez dyszę 17 i kanały chłodzenia 31 w taki sposób, że biegnie on promieniowo na zewnątrz, podążając za wewnętrznym strumieniem powietrza F2. Jest on bardziej obciążony zanieczyszczeniami, które są stosunkowo ciężkie i są odrzucane odśrodkowo przez wentylator 24. Nie jest to szczególnie kłopotliwe, ponieważ kanały chłodzenia 31 są oddzielone od wnętrza silnika ograniczoną przez zamkniętą przestrzeń E oraz dlatego, że przekrój poprzeczny kanałów chłodzenia 31 jest wystarczająco duży by umożliwić przepływ. Poza tym kanały chłodzenia 31 są zasadniczo proste, a to oznacza, że zewnętrzny strumień powietrza F3 nie jest hamowany w trakcie swego przepływu i zanieczyszczenia mają niewielką możliwość odkładania się w kanałach chłodzenia 31.

W przeciwień stwie do tego, wewnę trzny strumień powietrza F2 jest stosunkowo czysty, ponieważ otwory łączące 26 są rozmieszczone, w kierunku promieniowym, wewnątrz obszaru wyznaczonego przez promień R, to znaczy znajdują się od wewnątrz względem drogi zewnętrznego strumienia powietrza F3. Poza tym, otwory łączące 26 są w przybliżeniu prostopadłe do kierunku zewnętrznego strumienia powietrza F3, w odpowiedniej strefie dyszy 17. Ponieważ zewnętrzny strumień powietrza F3 stanowi główny strumień przepływu, zanieczyszczenia wolą podążać jego drogą.

Zatem, powietrze cyrkulujące w zamkniętej przestrzeni E jest stosunkowo czyste i nie występuje ryzyko zabrudzenia części wirujących silnika 1, albo gromadzenia się brudu w szczelinie e lub w uzwojeniu 9, chociażby nawet droga strumieni powietrza F4 i F6, przechodzących przez zamkniętą przestrzeń E, była stosunkowo zawiła.

W drugim przykł adzie wynalazku, przedstawionym na fig. 2, elementy podobne do tamtych z pierwszego przykładu mają identyczne oznaczenia liczbowe. Ten przykład różni się od poprzedniego tym, że otwory wylotowe 30 dla zewnętrznego strumienia powietrza F3 są przesunięte kątowo względem kanałów chłodzenia 31. Tym samym, wyjścia 32, przez które wydostaje się strumień przepływu zewnętrznego F8, są rozłożone w taki sposób, że strumienie F7 i F8 nie kolidują ze sobą. Jak przedstawiono na fig. 2, wyjście 32 może znajdować się po stronie przeciwległej względem otworu wylotowego 30, patrząc wzdłuż średnicy silnika 1.

W obu przykł adach wykonania zespoł u wentylacyjnego silnika elektrycznego, chł odzenie jest lepsze, ponieważ cały strumień powietrza F1 jest zużywany do chłodzenia silnika 1. Średnica wentylatora odśrodkowego 24 może być mała w porównaniu z urządzeniami dotychczas stosowanymi, a to pozwala na odpowiednie zredukowanie hałasu emitowanego przez wentylator.

Ze względu na fakt, że zanieczyszczenia są odrzucane odśrodkowo na zewnątrz zamkniętej przestrzeni E, krata 22 może mieć stosunkowo duże oczka, co zmniejsza ponoszone przy przepływie spadki ciśnienia, i powoduje, że nie jest wymagane dokonywanie regularnej obsługi konserwacyjnej elementu filtrującego, podobnej do obsługi, jaką trzeba było wykonać przy niektórych dotychczasowych silnikach.

Wynalazek nadaje się do stosowania niezależnie od typu silnika 1, który może być silnikiem synchronicznym lub silnikiem asynchronicznym, niezależnie od typu wentylatora odśrodkowego 24, który może być zdolny do wirowania tylko w jednym kierunku albo w obu kierunkach względem osi X-X',

PL 199 771 B1 niezależnie od typu korpusu silnika, który może być, na przykład, wykonany z pakietu blach, które są wpasowanych na wcisk w litą obudowę, możliwie z zewnętrznymi żebrami.

Kołnierz 12 może być wykonywany w kilku kawałkach, zwłaszcza tak, żeby ułatwić wpasowanie stojana 8.

Claims (8)

1. Zespół wentylacyjny silnika elektrycznego trakcji kolejowej, zawierający wentylator odśrodkowy zamocowany współosiowo z wirnikiem silnika, i zdolny do obracania się w jednym, albo w obu kierunkach oraz dostarczający powietrze w kierunku silnika, znamienny tym, że wentylator odśrodkowy (24) jest umieszczony w komorze (C) wlotu powietrza, która jest oddzielona przegrodą obudowy (21) od zamkniętej przestrzeni (E) zawierającej, co najmniej wirnik (5) silnika (1), przy czym w przegrodzie obudowy (21) jest uformowany, co najmniej jeden otwór łączący (26) komorę wlotową powietrza (C) z zamkniętą przestrzenią (E), a przegroda obudowy (21) oddziela od zamkniętej przestrzeni (E) także wnętrze (V) dyszy (17), połączone z kanałami chłodzenia (31).

2. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że otwory łączące (26) są rozmieszczone równomiernie wokół osi środkowej X-X' silnika (1).

3. Zespół według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że co najmniej jeden otwór łączący (26) jest uformowany promieniowo wewnątrz toru ograniczonego przez dyszę (17) dla strumienia zewnętrznego (F3).

4. Zespół według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ma co najmniej jeden otwór wylotowy (30) wewnętrznego strumienia (F2) powietrza opuszczającego zamkniętą przestrzeń (E).

5. Zespół według zastrz. 4, znamienny tym, że otwór wylotowy (30) znajduje się w pobliżu wyjścia (32) kanału chłodzenia (31) stojana (8).

6. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że w sąsiedztwie otworu wylotowego (30) znajduje się żebro (33) rozdzielające strumień powietrza (F7) opuszczającego otwór wylotowy (30) i strumień powietrza (F8) opuszczającego kanał chłodzenia (31) stojana (8).

7. Zespół według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zawiera drugi wentylator (28) zamontowany na wale (2) silnika (1), wewnątrz zamkniętej przestrzeni (E).

8. Zespół według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w zamkniętej przestrzeni (E) oprócz wirnika (5), znajduje się wewnętrzna promieniowa część (8a) stojana (8), co najmniej jedno uzwojenie (9) związane ze stojanem (8) lub z wirnikiem (5), część wału centralnego (2) silnika (1) oraz