RU2024157C1

RU2024157C1 - Liquid-cooled field winding

Info

Publication number: RU2024157C1
Authority: RU
Inventors: Виталий Сергеевич Максимов
Original assignee: Виталий Сергеевич Максимов
Priority date: 1990-12-28
Filing date: 1990-12-28
Publication date: 1994-11-30

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: liquid-cooled field winding has bars made up of posts of simple conductors with their own insulation and insulated from rotor by frame insulation. Placed between posts along entire length of bar are indirect coolers which have basic member and direct and return flow tubular members with hydraulic channels communicating with return and pressure chambers connected through unions with water supply system. Design of indirect coolers makes it possible to reduces losses and excitation power, and cut down capital costs and operating expenses, as compared with machines using direct coolers. EFFECT: reduced losses, cut down expenses. 6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим машинам и, в частности, к обмоткам роторов, охлаждаемым жидкостью. The invention relates to electric machines and, in particular, to liquid-cooled rotor windings.

Известна конструкция обмотки ротора синхронного неявнополюсного турбогенератора, которая охлаждается дистиллятом, протекающим по гидравлическим каналам проводников обмотки возбуждения, расположенным внутри них. Проводники изолированы друг от друга собственной изоляцией, а от ротора - корпусной изоляцией. В лобовых частях проводники обмотки имеют напорные и сливные штуцеры, подключенные через диэлектрическую арматуру к напорной и сливной камерам устройства водоподвода. Гидравлическая цепь может состоять из всех, нескольких и одного витка с односторонней и двухсторонней подачей и сливом дистиллята. Подобная конструкция описана в [1]. A known design of the rotor winding of a synchronous implicit pole turbogenerator, which is cooled by a distillate flowing through the hydraulic channels of the field winding conductors located inside them. The conductors are insulated from each other by their own insulation, and from the rotor by case insulation. In the frontal parts, the winding conductors have pressure and drain fittings connected through dielectric valves to the pressure and drain chambers of the water supply device. The hydraulic circuit can consist of all, several and one turn with one-sided and two-way supply and discharge of the distillate. A similar construction is described in [1].

Недостатки рассмотренной конструкции следующие. Дистиллятное охлаждение обмотки возбуждения имеет высокие эксплуатационные издержки и установленную стоимость системы охлаждения и водоподготовки. Непосредственное дистиллятное охлаждение требует диэлектрических вставок в подсоединительной арматуре, что снижает надежность конструкции обмотки возбуждения при высоких центробежных силах быстроходных роторов турбогенераторов. Аксиальность непосредственного дистиллятного охлаждения создает сконцентрированные на одном конце ротора температурные перепады, вызывающие термическую аксиальную несимметрию, термический небаланс и связанные с ним шумы и вибрации. С ростом мощности турбогенератора возрастает длина ротора и приходится увеличивать диаметр гидравлического канала, что приводит либо к увеличению размеров паза, ограниченных прочностью быстроходного ротора, или к уменьшению доли проводникового материала в витке до 65-70% от полного сечения, что увеличивает плотность тока, потери и мощность возбуждения, а это снижает КПД и предельную мощность машины. The disadvantages of the considered design are as follows. Distillation cooling of the field winding has high operating costs and the installed cost of the cooling system and water treatment. Direct distillate cooling requires dielectric inserts in the connecting fittings, which reduces the reliability of the field winding design at high centrifugal forces of high-speed rotors of turbogenerators. The axial nature of direct distillate cooling creates temperature differences concentrated at one end of the rotor, causing thermal axial asymmetry, thermal imbalance, and associated noise and vibration. With increasing turbogenerator power, the rotor length increases and the diameter of the hydraulic channel has to be increased, which leads either to an increase in the groove size limited by the strength of the high-speed rotor or to a decrease in the fraction of conductive material in the coil to 65-70% of the total cross-section, which increases the current density and losses and excitation power, and this reduces the efficiency and ultimate power of the machine.

Рассмотренная конструкция обмотки возбуждения является прототипом предлагаемого изобретения. The considered design of the field winding is a prototype of the invention.

Цель изобретения - повышение мощности электрической машины за счет применения косвенного охлаждения обмотки возбуждения технической или проточной водой, повышение КПД, электрической машины за счет использования косвенных охладителей обмотки возбуждения, встроенных в стержни, между столбиками элементарных проводников. The purpose of the invention is to increase the power of an electric machine due to the use of indirect cooling of the field winding by technical or running water, to increase the efficiency of the electric machine due to the use of indirect field winding coolers built into the rods between the columns of elementary conductors.

Размещают внутри стержней, между столбиками проводников в собственной изоляции, косвенные охладители, состоящие из массива с высокой теплопроводностью, в котором расположены трубчатые коррозионностойкие немагнитные элементы напорного - прямого и сливного - обратного контуров, причем по внешней поверхности косвенный охладитель покрыт слоем диэлектрика, изолирующим его от элементарных проводников. Выполняют прямой и обратный контуры чередующимися по высоте. Выполняют на концах стержней наконечники, герметизированные напорными и сливными камерами, корпуса которых закрыты крышками, обварены герметичными швами и залиты металлом массива охладителей. При двухсторонней подаче хладагента происходит его сквозная циркуляция по трубчатым элементам встречно с напором с одной, а сливом - с другой стороны. Выполняют при двухсторонней подаче хладагента прямой и обратный контуры, замкнутые на длине полувитка стержня, с расположением напора и слива с одной стороны стержня на обоих его концах. Indirect coolers are placed inside the rods, between the columns of conductors in their own insulation, consisting of an array with high thermal conductivity, in which tubular corrosion-resistant non-magnetic elements of pressure - direct and drain - return circuits are located, and on the outer surface the indirect cooler is covered with a dielectric layer that insulates it from elementary conductors. Perform forward and reverse circuits alternating in height. The tips are sealed at the ends of the rods, sealed by pressure and drain chambers, the housings of which are closed by lids, welded with hermetic seams and filled with metal from an array of coolers. With a two-way supply of refrigerant, it passes through the tubular elements in the opposite direction with pressure on one side and discharge on the other side. For two-way supply of refrigerant, direct and reverse circuits are closed, closed on the length of the half-turn of the rod, with the location of the pressure and discharge on one side of the rod at both ends.

На фиг.1 изображен стержень обмотки возбуждения, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - узел водоподвода к стержню обмотки возбуждения с параллельным соединением напорной камер, продольный разрез; на фиг.5 - участок середины косвенного охладителя с гидравлической перемычкой, продольное сечение; на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.1. Figure 1 shows the core of the field winding, a longitudinal section; in FIG. 2 - section aa in figure 1; figure 3 is a section bB in figure 1; figure 4 - node water supply to the core of the field winding with a parallel connection of the pressure chamber, a longitudinal section; figure 5 is a plot of the middle of the indirect cooler with a hydraulic jumper, a longitudinal section; in Fig.6 is a section GG in Fig.1.

Стержень 1 обмотки возбуждения состоит из столбиков 2 элементарных проводников, в каждом из которых элементарные проводники 3 прилегают собственной изоляцией 4 с одной стороны к корпусной изоляции 5, а с другой стороны - к косвенному охладителю 6, содержащему массив 7 из высокотеплопроводящего металла, например алюминиевого сплава, в котором размещены трубчатые элементы 8 и 10 прямого и обратного контура, изготовленные из немагнитного коррозионностойкого металла, вдоль всего стержня 1. По гидравлическим каналам 9 и 11 трубчатых элементов 8 и 10 циркулирует жидкий хладагент, например техническая вода или фреон. Косвенный охладитель 6 покрыт с обеих сторон, прилегающих к столбикам проводников 2, слоем высокотеплопроводного диэлектрика 12. Трубчатые элементы 8 и 10 пропущены через фиксаторы 13 в средней части и фиксаторы 14 перед радиусами закругления 15 на выходе стержня из паза. Косвенный охладитель 6 на закруглении 15 может быть выполнен с массивом 7, изготовленным из диэлектрического материала 16 с высокой теплопроводностью 16, например полиимидного компаунда. Фиксатор 18 устанавливается с обоих концов косвенного охладителя 6 после выхода его из закругления 15. На конце косвенного охладителя 6 на трубчатые элементы 8 и 10 надет наконечник 18, на котором крепятся корпуса 26 напорной 19 и сливной 20 камер герметичными швами 25. Камеры 19 и 20 накрываются крышками 24 и обвариваются герметичными швами 25, а в стенки корпусов 26 встраиваются подводящие штуцеры 22, напорный, и сливной 23. Между корпусами 26 напорной и сливной камер 19 и 20 размещена термостойкая теплоизолирующая прокладка 27. Соседний стержень 1 для образования последовательного витка присоединяется с помощью хвостовика 29 и припоя 30. Противоположный конец стержня 1 оснащен надетым на трубчатые элементы 8 и 10 наконечником 31 смесительной камеры 32 при односторонней подаче. The core 1 of the field winding consists of columns 2 of elementary conductors, in each of which the elementary conductors 3 are adjacent with their own insulation 4 on the one hand to the housing insulation 5, and on the other hand, to an indirect cooler 6 containing an array 7 of highly heat-conducting metal, for example aluminum alloy in which tubular elements 8 and 10 of the direct and reverse circuit are made, made of non-magnetic corrosion-resistant metal, along the entire rod 1. Through hydraulic channels 9 and 11 of the tubular elements 8 and 10 c circulates a liquid refrigerant such as process water or freon. Indirect cooler 6 is coated on both sides adjacent to the columns of conductors 2 with a layer of a highly conductive dielectric 12. Tubular elements 8 and 10 are passed through the clamps 13 in the middle part and the clamps 14 in front of the radii of curvature 15 at the exit of the rod from the groove. The indirect cooler 6 at the rounding 15 can be made with an array 7 made of a dielectric material 16 with high thermal conductivity 16, for example, a polyimide compound. A latch 18 is installed at both ends of the indirect cooler 6 after it leaves curvature 15. At the end of the indirect cooler 6, a tip 18 is put on the tubular elements 8 and 10, on which the housings 26 of the pressure head 19 and the drain 20 of the chambers are sealed with 25 sealed chambers. Chambers 19 and 20 they are covered with lids 24 and welded with hermetic seams 25, and the inlet fittings 22, pressure head, and drain 23 are built into the walls of the housings 26. A heat-resistant heat-insulating gasket 27 is placed between the bodies 26 of the pressure and drain chambers 19 and 20. The adjacent rod 1 for images Nia successive coil is attached via solder 29 and the shank 30. The opposite end of the shaft 1 is equipped with wear to the tubular elements 8 and 10, the tip 31 of the mixing chamber 32 at a one-sided feed.

На фиг.2 представлен стержень 1, между столбиками проводников 3 которого размещен косвенный охладитель 6, изолированный диэлектриком 12 от них, причем трубчатые элементы 8 прямого и 10 обратного контуров охлаждения могут быть выполнены чередующимися по высоте охладителя 6, а также и сгруппированными: верхние все прямого контура 8, а нижние - все обратного контура 10. Figure 2 shows the rod 1, between the columns of conductors 3 of which an indirect cooler 6 is placed, insulated by a dielectric 12 from them, and the tubular elements 8 of the direct and 10 reverse cooling circuits can be made alternating along the height of the cooler 6, as well as grouped: the upper ones direct circuit 8, and the lower ones are all of the reverse circuit 10.

На фиг.3 представлен узел водоподачи с последовательным соединением камер напора 19 и слива 20. Пазы 21 наконечника 18 герметизированы массивом 7 охладителя 6. Figure 3 presents the node water supply with a serial connection of the chambers of the pressure head 19 and the drain 20. The grooves 21 of the tip 18 are sealed by an array 7 of cooler 6.

На фиг. 4 представлен второй вариант узла водоподачи к стержню 1 с параллельным соединением напорной 19 и сливной 20 камер. In FIG. 4 shows a second variant of the node of water supply to the rod 1 with a parallel connection of pressure head 19 and drain 20 chambers.

Гидравлическое соединение трубчатых элементов прямого 8 и обратного 10 контуров может быть выполнено с помощью гидравлической перемычки 28, которое может быть использовано как для образования обратного контура в конце стержня 1, так и на половине стержня 1. The hydraulic connection of the tubular elements of the direct 8 and return 10 circuits can be performed using a hydraulic jumper 28, which can be used both for the formation of the return circuit at the end of the rod 1, and on the half of the rod 1.

Обмотка возбуждения работает следующим образом. Охлаждающая жидкость (техническая вода, фреон) подается через напорный штуцер 22 в напорную камеру 19, из которой она попадает в гидравлические каналы 9 трубчатых элементов прямого контура 8 и, проходя по ним вдоль длины стержня 1, снимает тепловые потери, выделяющиеся в элементарных проводниках 3 и отводит эти потери через слои собственной изоляции 4 и диэлектрика 12 к массиву 7 охладителя 6. Замкнувшись через камеру смешения 32 или через гидравлическую перемычку 28, подогретый на половину расчетного перегрева хладагент проходит по гидравлическим каналам 11 трубчатых элементов обратного контура 10 и снимает также некоторое количество тепловых потерь из элементарных проводников 3 и также подогревается и затем попадает в сливную камеру 20 и через сливной штуцер 23 - во внешнее устройство подачи жидкости. Одновременно со снятием потерь от столбиков проводников 2 происходит радиальное выравнивание температуры между контурами прямым 8 и обратным 10 через массив 7 таким образом, что охладитель 6 имеет некоторую усредненную температуру, примерно равную полусумме входной и выходной температуры жидкого хладагента. Вариант конструкции охладителя с расположением узла подачи жидкого хладагента с напорной 19 и сливной 20 камерами и камерой 32 смешения на противоположном конце стержня рекомендуется для машин со средней и небольшой длиной стержня 1. Для мощных машин с большой длиной стержня рекомендуется вариант либо со сквозным проходом жидкого хладагента по трубчатым элементам 8 и 10 при двухсторонней подаче его в узлы подвода, либо вариант с двухсторонней подачей и возвратом жидкости на половине длины стержня 1 с помощью гидравлических перемычек 28. Последний вариант позволяет повысить мощность машины по сравнению со сквозным вариантом циркуляции жидкости. The field coil operates as follows. Coolant (industrial water, freon) is supplied through the pressure fitting 22 to the pressure chamber 19, from which it enters the hydraulic channels 9 of the tubular elements of the straight circuit 8 and, passing along them along the length of the rod 1, removes heat losses released in elementary conductors 3 and removes these losses through the layers of its own insulation 4 and dielectric 12 to the cooler array 7. Having closed through the mixing chamber 32 or through the hydraulic jumper 28, the refrigerant heated by half of the calculated overheating passes hydraulically m channels 11 of the tubular elements of the return circuit 10 and also removes a certain amount of heat loss from the elementary conductors 3 and also heats up and then enters the drain chamber 20 and through the drain fitting 23 into an external fluid supply device. Simultaneously with the removal of losses from the columns of conductors 2, the temperature is radially equalized between the direct 8 and return 10 circuits through the array 7 so that the cooler 6 has a certain average temperature, approximately equal to half the sum of the inlet and outlet temperatures of the liquid refrigerant. A design variant of the cooler with the location of the liquid refrigerant supply unit with a pressure head 19 and a drain 20 chambers and a mixing chamber 32 at the opposite end of the shaft is recommended for machines with a medium and short shaft length 1. For powerful machines with a long shaft length, either with a through passage of liquid refrigerant is recommended for tubular elements 8 and 10 with two-way supply to the supply nodes, or a two-way supply and return of fluid at half the length of the rod 1 using hydraulic jumpers 28. After The latter option allows you to increase the power of the machine compared with the through version of the fluid circulation.

Преимущества изобретения по сравнению с прототипом следующие. Площадь, занимаемая косвенным охладителем, на 5-10% меньше, чем площадь гидравлических внутрипроводниковых каналов. Это позволяет снизить потери и мощность возбуждения, что повышает КПД машины. Применение для охлаждения обмотки возбуждения технической воды, которое становится возможным за счет использования коррозионностойких материалов гидравлического тракта, позволяет снизить эксплуатационные издержки и установочную стоимость системы водоснабжения и водоподготовки, а также уменьшить потери и мощность возбуждения за счет снижения температуры входящей техничеспкой воды на 7-10^оС, что позволяет увеличить генерируемую мощность и КПД машины. Усреднение температуры охладителей за счет близкого расположения прямого и обратного контуров, контактируюих через высокотеплопроводный массив, позволяет выровнять температуру стержня вдоль его длины и температуру стержней по пазам, что приводит к практическому исключению аксиальной и тангенциальной неравномерности нагрева обмотки возбуждения и ротора в целом и к снижению за счет этого термомеханических дополнительных деформаций, вибраций и шумов, обусловленных неравномерностью нагрева ротора, что повышает надежность машины.The advantages of the invention compared to the prototype are as follows. The area occupied by the indirect cooler is 5-10% less than the area of the hydraulic internal conduit channels. This allows you to reduce losses and excitation power, which increases the efficiency of the machine. The use of process water for cooling the field winding, which becomes possible through the use of corrosion-resistant materials in the hydraulic circuit, reduces operating costs and the installation cost of the water supply and water treatment systems, as well as reduces losses and excitation power by reducing the temperature of the incoming technical water by 7-10 ^o C, which allows to increase the generated power and efficiency of the machine. Averaging the temperature of the coolers due to the close location of the forward and reverse circuits contacting through the highly heat-conducting array allows aligning the temperature of the rod along its length and the temperature of the rods along the grooves, which leads to the practical elimination of the axial and tangential uneven heating of the field winding and the rotor as a whole and reduce due to this thermomechanical additional deformations, vibrations and noise caused by uneven heating of the rotor, which increases the reliability of the machine.

Изобретение может быть использовано в неявнополюсных машинах для охлаждения обмотки возбуждения в турбогенераторах, турбодвигателях и асинхронных двигателях с фазным ротором. The invention can be used in non-polarized machines for cooling the field winding in turbine generators, turbo-motors and asynchronous motors with a phase rotor.

Claims

1. LIQUID COOLED EXCITATION WINDING, consisting of rods subdivided into insulated elementary conductors coated on the outside with housing insulation, and hydraulic channels, and fittings for supplying liquid refrigerant to them, characterized in that, in order to increase power and efficiency, between the columns elementary conductors forming each rod, a cooler is placed that runs along the entire length of the rod and consists of a heat-conducting array in which tubular elements of direct and reverse hydraulic circuits are placed a ditch, fixed by means of remote elements spaced at intervals, and which is insulated from elementary conductors by a dielectric, the tubular elements being made of non-magnetic corrosion-resistant metal, and a pressure and drain chamber mounted on the tip body located between the refrigerant and the fittings, metal sealed cooler array.

2. The winding according to claim 1, characterized in that the pressure and drain chambers are fixed to the tip body in series, and the tubular elements of the direct circuit are connected to the pressure chamber with a passage through the drain chamber.

3. The winding according to claim 1, characterized in that the tubular elements of the return circuit are connected to the drain chamber with a passage through the pressure chamber.

4. The winding according to claim 1, characterized in that the pressure and drain chambers are mounted on the tips in parallel.

5. The winding according to claim 1, characterized in that from the opposite end of the rod there are additional pressure and drain chambers, and the pressure chamber of the direct and drain chamber of the reverse circuits are located on one side from both ends of the rod.

6. The winding according to claims 1 and 5, characterized in that the discharge and pressure chambers of the forward and reverse circuits are located on one side at both ends of the rods, and the forward and reverse circuits are connected using hydraulic jumpers along the length of the half-rod in both its sections.