RU210285U1

RU210285U1 - TURBOGENERATOR STATOR

Info

Publication number: RU210285U1
Application number: RU2021119079U
Authority: RU
Inventors: Алексей Григорьевич Филин; Александр Владимирович Донской; Юрий Владиславович Пафомов
Original assignee: Акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (АО "Силовые машины")
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2022-04-06

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к статорам высокоиспользованных электрических машин с газовым охлаждением, в частности турбогенераторов. Технический результат заключается в снижении температуры зубцовой зоны сердечника и обмотки статора электрической машины. Статор электрической машины содержит сердечник, состоящий из листов, собранных в пакеты. В пакетах имеются пазы для укладки обмотки, между которыми имеются радиальные каналы, открытые со стороны наружной поверхности сердечника и закрытые со стороны внутренней расточки сердечника статора. В радиальных каналах установлены радиальные и тангенциальные дистанционные распорки, образующие в зоне каждого зубца от одного до двух U-образных вентиляционных каналов. В зубцовой зоне на набегающей части поверхности крайних листов пакетов, выходящих в U-образные вентиляционные каналы, имеются интенсификаторы в форме сегментов четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью к наружной поверхности сердечника. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.The utility model relates to electrical engineering, namely to stators of highly used gas-cooled electrical machines, in particular turbogenerators. The technical result is to reduce the temperature of the tooth zone of the core and the stator winding of the electric machine. The stator of the electric machine contains a core consisting of sheets collected in packages. The packages have grooves for laying the winding, between which there are radial channels open from the side of the outer surface of the core and closed from the side of the inner bore of the stator core. In the radial channels, radial and tangential spacers are installed, forming in the area of each tooth from one to two U-shaped ventilation channels. There are intensifiers in the form of segments of a quarter of an ellipsoid, oriented by an ellipsoidal surface to the outer surface of the core, in the toothed zone on the incoming part of the surface of the outer sheets of the packages opening into the U-shaped ventilation ducts. 2 w.p. f-ly, 6 ill.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к статорам высоко использованных электрических машин с газовым охлаждением, в частности турбогенераторов.The utility model relates to electrical engineering, namely to stators of highly used gas-cooled electrical machines, in particular turbogenerators.

Интенсификация теплообмена между тепловыделяющим элементом, в данном случае - пакетами железа сердечника статора, и охлаждающим их газом, например, воздухом, возможна двумя принципиально различными подходами: 1) увеличением площади теплоотдающей поверхности; 2) увеличением коэффициента теплоотдачи охлаждаемой поверхности пакетов. Второй подход связан с воздействием на структуру течения охлаждающего потока с помощью вводимых в поток элементов, интенсифицирующих охлаждение, так называемых - интенсификаторов или турбулизаторов.The intensification of heat exchange between the fuel element, in this case, the iron packages of the stator core, and the gas cooling them, for example, air, is possible by two fundamentally different approaches: 1) increasing the area of the heat-releasing surface; 2) an increase in the heat transfer coefficient of the cooled surface of the packages. The second approach is associated with the impact on the flow structure of the cooling flow with the help of elements introduced into the flow that intensify cooling, the so-called intensifiers or turbulators.

Наиболее распространенный в технике метод интенсификации теплообмена - нанесение на исходную гладкую поверхность некоторого рельефа путем ее деформации или закрепления на ней системы интенсификаторов. При этом достигается дополнительная турбулизация пристеночного слоя охлаждающего потока, что влечет за собой увеличение теплоотдачи с поверхности и, как следствие, снижение температуры сердечника статора.The most common method in technology for intensifying heat transfer is applying a certain relief to an initial smooth surface by deforming it or fixing a system of intensifiers on it. In this case, additional turbulence of the near-wall layer of the cooling flow is achieved, which entails an increase in heat transfer from the surface and, as a result, a decrease in the temperature of the stator core.

Известно изобретение (Патент CN 203734396, Н02K 1/20, опубл. 23.07.2014), в котором интенсификаторы выполнены в виде выбоин прямоугольной формы в крайних сегментах сердечника статора, выступающих в радиальный вентиляционный канал и образующих его поверхность, обращенную в вентиляционный канал, а также в виде выступов на боковых поверхностях дистанционных распорок сердечника статора, обращенных в радиальный вентиляционный канал. При этом, интенсификаторы установлены по поверхности крайних сегментов, выходящих в вентиляционные каналы сердечника статора, как в зоне ярма, так и в зубцовой зоне.An invention is known (Patent CN 203734396, H02K 1/20, publ. 07/23/2014), in which the intensifiers are made in the form of rectangular potholes in the extreme segments of the stator core, protruding into the radial ventilation duct and forming its surface facing the ventilation duct, and also in the form of protrusions on the side surfaces of the stator core spacers facing the radial ventilation duct. At the same time, the intensifiers are installed on the surface of the extreme segments that open into the ventilation channels of the stator core, both in the yoke zone and in the tooth zone.

Известно изобретение (Патент DE102008016758, Н02K 1/16, Н02K 1/20, опубл. 01.10.2009), в котором авторы уделяют внимание применению извилистых дистанционных распорок в вентиляционном радиальном канале сердечника статора, которые имеют возмущающее воздействие на поток охлаждающего газа в канале. Рассматривается применение извилистых распорок как по всей длине, включая зоны ярма и зубцовой зоны сердечника статора, так и целевое применение - введение извилистой формы только в зубцовой зоне.An invention is known (Patent DE102008016758, H02K 1/16, H02K 1/20, publ. 01.10.2009), in which the authors pay attention to the use of winding spacers in the ventilation radial channel of the stator core, which have a perturbing effect on the flow of cooling gas in the channel. The use of winding spacers is considered both along the entire length, including the yoke zone and the toothed zone of the stator core, and the targeted application - the introduction of a winding shape only in the toothed zone.

Известно изобретение (Патент РФ 2210157, Н02K 1/20, опубл. 10.08.2003) в котором сердечник статора электрической машины содержит пакеты, состоящие из сегментов, между которыми имеются радиальные вентиляционные каналы, образованные вентиляционными распорками и поверхностями сегментов пакетов сердечника статора, выходящими в канал. В каждом таком канале установлены множество элементов интенсификаторов (турбуляторов), выполненных на поверхности, по крайней мере, на одной из сторон канала в виде выступов, обращенных в канал. Заявленный технический результат заключается в значительном увеличении выходной мощности электрогенераторов и снижении шума путем уменьшения падения температуры между обмотками статора и температурой охлаждающего газа, снижения паразитных потерь на перекачивание потока охлаждающего газа, а также данное изобретение обеспечивает полностью пассивный метод увеличения теплопередачи при одновременной простоте изготовления. Однако в известном изобретении отсутствует анализ негативного влияния зон расположения интенсификаторов, а также способа их установки, на аэродинамическое сопротивление канала. В соответствии с аэродинамической характеристикой канала (зависимостью падения давления в канале от расхода охлаждающего газа), то есть с его аэродинамическим сопротивлением, для известной характеристики напорного элемента электрической машины (к, примеру, вентилятора электрической машины) определяется расход охлаждающего газа через предложенную систему вентиляционных каналов. При высоком аэродинамическом сопротивлении в каналах статора будет циркулировать газ с меньшим расходом, что окажет негативное влияние на тепловое состояние электрической машины, в частности в виде повышения температуры сердечника и обмотки статора по причине увеличения подогрева охлаждающего газа и снижения коэффициента теплоотдачи с поверхности канала. Также критике следует подвергнуть формы предложенных интенсификаторов. Выступы интенсификаторов выполнены с острыми гранями, обращенными навстречу потоку, что способствует скоплению в каналах загрязнений и, как следствие, увеличению аэродинамического сопротивления каналов.An invention is known (RF Patent 2210157, H02K 1/20, publ. 08/10/2003) in which the stator core of an electric machine contains packages consisting of segments, between which there are radial ventilation channels formed by ventilation struts and surfaces of the segments of the stator core packages that extend into channel. In each such channel, a plurality of elements of intensifiers (turbulators) are installed, made on the surface, at least on one of the sides of the channel, in the form of protrusions facing the channel. The claimed technical result is to significantly increase the output power of electric generators and reduce noise by reducing the temperature drop between the stator windings and the temperature of the cooling gas, reducing parasitic losses for pumping the cooling gas flow, and this invention provides a completely passive method for increasing heat transfer with simultaneous ease of manufacture. However, in the known invention, there is no analysis of the negative impact of the areas of location of intensifiers, as well as the method of their installation, on the aerodynamic drag of the channel. In accordance with the aerodynamic characteristic of the channel (the dependence of the pressure drop in the channel on the flow rate of the cooling gas), that is, with its aerodynamic resistance, for a known characteristic of the pressure element of the electrical machine (for example, the fan of the electrical machine), the flow rate of the cooling gas through the proposed system of ventilation ducts is determined . With high aerodynamic resistance, gas will circulate in the stator channels at a lower flow rate, which will have a negative impact on the thermal state of the electric machine, in particular, in the form of an increase in the temperature of the core and stator winding due to an increase in the heating of the cooling gas and a decrease in the heat transfer coefficient from the channel surface. The forms of the proposed intensifiers should also be criticized. The protrusions of the intensifiers are made with sharp edges facing the flow, which contributes to the accumulation of contaminants in the channels and, as a result, an increase in the aerodynamic resistance of the channels.

Известно изобретение (Патент США 6777836, Н02K 1/32, Н02K 15/02, Н02K 9/00, опубл. 17.08.2004 г.), где рассмотрено выполнение сердечника статора электрической машины, в котором применяются волнистые дистанционные распорки с элементами шероховатости для создания вихрей с целью повышения теплоотдачи между сердечником статора и охлаждающим газом. На поверхности сегментов пакетов сердечника статора, выходящими в радиальный вентиляционный канал, могут также быть выполнены интенсификаторы различных форм, включая полусферы и формы полукапель, для дополнительной интенсификации охлаждения.An invention is known (US Patent 6777836, H02K 1/32, H02K 15/02, H02K 9/00, publ. 08/17/2004), which considers the implementation of the stator core of an electric machine, in which wavy spacers with roughness elements are used to create vortices in order to increase heat transfer between the stator core and the cooling gas. On the surface of the segments of the stator core packs facing the radial ventilation channel, intensifiers of various shapes, including hemispheres and semi-droplets, can also be made for additional cooling intensification.

Известно изобретение (Патент США 6583526, Н02K 9/00, опубл. 13.03.2003), в сердечнике статора которого применяются элементы (интенсификаторы) для усиления теплообмена с поверхности сегментов пакета статора, обращенных в радиальный вентиляционный канал, которые предпочтительно имеют цилиндрическую форму, но могут также подходить другие формы, такие как прямоугольник, аэродинамический профиль или тому подобное. Интенсификаторы предпочтительно расположены в виде треугольных массивов или в шахматном порядке. Когда охлаждающий поток проходит через интенсификаторы, подковообразные вихри образуются в зоне застоя благодаря ступенчатости, и поток разделяется вслед за интенсификаторами. Подковообразные вихри увеличивают теплообмен. Они появляются перед каждым интенсификатором и влияют на структуру потока на большой площади стенки канала потока. Как таковые, интенсификаторы служат в качестве усилителей турбулентности для усиления теплообмена. Сочетание увеличенного коэффициента теплопередачи и увеличенной площади потока значительно улучшает конвекцию тепла в проточном канале, тем самым уменьшая или даже устраняя горячие точки. Однако предложенные интенсификаторы несут в себе не только функцию усиления теплообмена, но и функцию осуществления запрессовки сердечника, так как представляют собой по сути дистанционные распорки. Относительно небольшая площадь основания таких интенсификаторов несет в себе опасность механического повреждения поверхности крайнего сегмента пакета сердечника стали, дополнительно существенно увеличивая трудоемкость изготовления конструкции в целом.An invention is known (US Patent 6583526, H02K 9/00, publ. 03/13/2003), in the stator core of which elements (intensifiers) are used to enhance heat transfer from the surface of the stator pack segments facing the radial ventilation duct, which preferably have a cylindrical shape, but other shapes such as a rectangle, an airfoil or the like may also be suitable. The intensifiers are preferably arranged in triangular arrays or in a checkerboard pattern. When the cooling flow passes through the intensifiers, horseshoe vortices form in the stagnation zone due to the staggering, and the flow separates after the intensifiers. Horseshoe vortices increase heat transfer. They appear in front of each intensifier and affect the flow pattern over a large area of the flow channel wall. As such, enhancers serve as turbulence enhancers to enhance heat transfer. The combination of increased heat transfer coefficient and increased flow area greatly improves heat convection in the flow channel, thereby reducing or even eliminating hot spots. However, the proposed intensifiers carry not only the function of enhancing heat transfer, but also the function of pressing the core, since they are essentially spacers. The relatively small area of the base of such intensifiers carries the risk of mechanical damage to the surface of the outer segment of the steel core package, additionally significantly increasing the complexity of manufacturing the structure as a whole.

Описанные известные изобретения, касающиеся введения интенсификаторов в поток охлаждающего газа в каналах сердечника статора, относятся к радиальным каналам. Недостаток системы вентиляции с радиальными каналами, широко известный при применении многоструйных схем вентиляции электрических машин, состоит в том, что через эти каналы пропускается газ, подогретый в зазоре механическими потерями и электромагнитными потерями в роторе, в результате чего повышается температура активных частей статора и создается неравномерность температуры обмотки статора по длине (в направлении оси машины), появляются «горячие» зоны, что негативно сказывается на состоянии изоляции обмотки статора.The described well-known inventions regarding the introduction of intensifiers into the flow of cooling gas in the channels of the stator core relate to radial channels. The disadvantage of a ventilation system with radial channels, widely known when using multi-jet ventilation schemes for electrical machines, is that gas is passed through these channels, heated in the gap by mechanical losses and electromagnetic losses in the rotor, resulting in an increase in the temperature of the active parts of the stator and creates uneven temperature of the stator winding along the length (in the direction of the machine axis), “hot” zones appear, which negatively affects the state of the stator winding insulation.

С целью снижения температуры активных частей статора, в частности зубцов и обмоток, и улучшения равномерности ее распределения в конструкциях турбогенераторов с форсированным воздушным охлаждением для отвода тепла с поверхности активной стали статоров применяются, так называемые U-образные охлаждающие каналы, образованные дистанционными распорками, установленными между пакетами стали сердечника статора так, что каналы открыты со стороны наружной поверхности сердечника статора (входы и выходы каналов расположены на наружной поверхности сердечника). Применение U-образных вентиляционных каналов обеспечивает не только эффективное охлаждение сердечника и, соответственно, обмотки статора, но и равномерность распределения температур как по окружности, так и по оси сердечника.In order to reduce the temperature of the active parts of the stator, in particular teeth and windings, and improve the uniformity of its distribution in the designs of turbogenerators with forced air cooling, the so-called U-shaped cooling channels are used to remove heat from the surface of the active steel of the stators, formed by spacers installed between steel packs of the stator core so that the channels are open from the side of the outer surface of the stator core (the inputs and outputs of the channels are located on the outer surface of the core). The use of U-shaped ventilation ducts provides not only effective cooling of the core and, accordingly, the stator winding, but also uniform temperature distribution both around the circumference and along the axis of the core.

Наиболее близкой является конструкция статора, входящего в «Систему вентиляции электрической машины» (патент RU 2095919, Н02K 9/08, опубл. 10.11.1997 г.). Известный статор содержит сердечник, состоящий из листов электротехнической стали, собранных в пакеты, в которых имеются пазы для укладки обмотки и между которыми имеются радиальные каналы, закрытые со стороны внутренней расточки сердечника статора. В радиальных каналах установлены радиальные и тангенциальные дистанционные распорки, в совокупности, образующие в зоне каждого зубца от одного до двух U-образных вентиляционных каналов, которые открыты со стороны наружной поверхности сердечника статора и закрыты со стороны внутренней расточки сердечника статора. Таким образом, в данной конструкции будет исключен газообмен между вентиляционными каналами статора и газовым зазором между статором и ротором турбогенератора. В зоне каждого зубца сердечника статора образована пара U-образных вентиляционных каналов, по которым охлаждающий газ проходит со стороны наружной поверхности сердечника статора и, не попадая в зазор машины, поворачивает в зубцовой зоне и возвращается в направлении наружной поверхности сердечника статора.The closest is the design of the stator included in the "Ventilation System of an Electrical Machine" (patent RU 2095919, H02K 9/08, publ. 10.11.1997). Known stator contains a core consisting of sheets of electrical steel, collected in packages in which there are grooves for laying the winding and between which there are radial channels closed from the side of the internal bore of the stator core. Radial and tangential spacers are installed in the radial channels, in aggregate, forming in the area of each tooth from one to two U-shaped ventilation channels, which are open from the side of the outer surface of the stator core and closed from the side of the inner bore of the stator core. Thus, in this design, gas exchange between the ventilation ducts of the stator and the gas gap between the stator and the turbine generator rotor will be excluded. In the zone of each tooth of the stator core, a pair of U-shaped ventilation channels is formed, through which the cooling gas passes from the side of the outer surface of the stator core and, without falling into the gap of the machine, turns in the tooth zone and returns in the direction of the outer surface of the stator core.

Благодаря тому, что U-образные каналы с циркулирующим в них холодным газом вынесены непосредственно в зубцовую зону, удается существенно снизить температуру активных частей в указанной зоне, а закрытием каналов со стороны внутренней расточки сердечника статора удается эффективно отделить нагретый в газовом зазоре газ от газа, циркулирующего в U-образных каналах.Due to the fact that the U-shaped channels with cold gas circulating in them are brought directly into the tooth zone, it is possible to significantly reduce the temperature of the active parts in this zone, and by closing the channels from the side of the internal bore of the stator core, it is possible to effectively separate the gas heated in the gas gap from the gas, circulating in U-shaped channels.

Однако для статоров турбогенераторов высокой мощности с газовым, в частности с воздушным охлаждением, выполненных с такими каналами, особо остро стоит вопрос теплового состояния обмотки и зубцов сердечника статора в активной зоне турбогенератора.However, for stators of high-power turbogenerators with gas, in particular air-cooled, made with such channels, the issue of the thermal state of the winding and the teeth of the stator core in the active zone of the turbogenerator is especially acute.

Температура обмотки в пазовой части статора для генераторов с косвенным газовым охлаждением складывается из следующих компонент: перепада температуры по толщине системы изоляции обмотки статора, перепада температуры по зубцу сердечника статора, перепада температуры на поверхности зубца сердечника статора, обращенной в вентиляционный канал (так называемый температурный напор), и температуры газа, приходящего в зубцовую зону. Воздействие на температурные перепады в системе изоляции и по зубцу существенно ограничено физическими свойствами применяемых в электромашиностроении материалов (коэффициентом теплопроводности). Температура газа, приходящего в зубцовую зону сердечника статора, определяется отводимыми потерями (тепловыделениями активных частей) и расходом газа, поэтому воздействие на данную компоненту температуры неэффективно по причине необходимости увеличения напорных возможностей вентиляторов машины и, как следствие, роста вентиляционных потерь и снижения коэффициента полезного действия генератора. Наиболее рациональным представляется снижение температурного напора на поверхности канала зубца сердечника статора, являющегося разностью температуры стенки канала и температуры охлаждающего газа, которая обратно пропорционально зависит от коэффициента теплоотдачи с поверхности вентиляционного канала, то есть определяется возмущением потока газа в канале. Внесение же изменений в структуру охлаждающего потока газа в ярме может оказать негативное влияние в виде увеличения тангенциального теплового потока, направленного по спинке сердечника статора из зоны выходных ветвей вентиляционных каналов в зоны входных ветвей. Описанный тепловой поток повышает температуру охлаждающего газа, приходящего в зубцовую зону турбогенератора, тем самым повышая температуру зубцов и обмотки.The temperature of the winding in the slot part of the stator for generators with indirect gas cooling consists of the following components: temperature difference across the thickness of the stator winding insulation system, temperature difference along the stator core tooth, temperature difference on the surface of the stator core tooth facing the ventilation duct (the so-called temperature difference ), and the temperature of the gas entering the tooth zone. The impact on temperature differences in the insulation system and along the tooth is significantly limited by the physical properties of the materials used in electrical engineering (thermal conductivity coefficient). The temperature of the gas entering the tooth zone of the stator core is determined by the losses (heat release of active parts) and the gas flow rate, therefore, the impact on this temperature component is ineffective due to the need to increase the pressure capacity of the machine fans and, as a result, increase ventilation losses and reduce the efficiency generator. It seems most rational to reduce the temperature difference on the surface of the channel of the stator core tooth, which is the difference between the temperature of the channel wall and the temperature of the cooling gas, which is inversely proportional to the heat transfer coefficient from the surface of the ventilation channel, that is, it is determined by the perturbation of the gas flow in the channel. Making changes to the structure of the cooling gas flow in the yoke can have a negative impact in the form of an increase in the tangential heat flow directed along the back of the stator core from the zone of the outlet branches of the ventilation ducts to the zones of the input branches. The described heat flow increases the temperature of the cooling gas entering the tooth zone of the turbogenerator, thereby increasing the temperature of the teeth and winding.

Целесообразно для более эффективного охлаждения центральной части сердечника статора, охлаждающейся посредством циркуляции газа в каналах U-образной формы, повысить интенсивность охлаждения путем введения в поток газа системы интенсификаторов, размещенных на поверхности зубцовой зоны сердечника статора на участках с наибольшим тепловыделением, обращенной в каналы U-образной формы.It is advisable for more efficient cooling of the central part of the stator core, which is cooled by gas circulation in the U-shaped channels, to increase the cooling intensity by introducing into the gas flow a system of intensifiers placed on the surface of the tooth zone of the stator core in areas with the highest heat release facing the U-channels. figurative form.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в снижении температуры зубцовой зоны сердечника статора электрической машины, в частности турбогенератора, посредством увеличения коэффициента теплоотдачи на поверхности сердечника, обращенной в вентиляционные каналы U-образной формы, и, как следствие, снижение температуры обмотки статора.The technical result to which the claimed technical solution is directed is to reduce the temperature of the tooth zone of the stator core of an electric machine, in particular a turbogenerator, by increasing the heat transfer coefficient on the surface of the core facing the U-shaped ventilation ducts, and, as a result, reducing the temperature stator windings.

Для достижения указанного технического результата статор электрической машины, в частности турбогенератора, содержит сердечник, состоящий из листов электротехнической стали, собранных в пакеты, в которых имеются пазы для укладки обмотки и между пакетами имеются радиальные вентиляционные каналы, открытые со стороны наружной поверхности сердечника и закрытые со стороны внутренней расточки сердечника статора. В радиальных вентиляционных каналах установлены радиальные дистанционные распорки и тангенциальные дистанционные распорки, образующие в зоне каждого зубца от одного до двух U-образных вентиляционных каналов. В зубцовой зоне на набегающей (при движении потока газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника статора) части поверхности крайних (вентиляционных) листов электротехнической стали пакетов стали сердечника статора, выходящих в U-образные вентиляционные каналы, имеются элементы, интенсифицирующие охлаждение (интенсификаторы), в форме сегментов четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью к наружной поверхности сердечника (т.е. навстречу движению потока охлаждающего газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника статора).To achieve the specified technical result, the stator of an electrical machine, in particular a turbogenerator, contains a core consisting of sheets of electrical steel assembled into packages in which there are grooves for laying the winding and between the packages there are radial ventilation channels open from the outer surface of the core and closed from side of the inner bore of the stator core. In the radial ventilation ducts, radial spacers and tangential spacers are installed, forming in the area of each tooth from one to two U-shaped ventilation ducts. In the tooth zone on the incoming (when the gas flow moves from the outer surface of the stator core to the turn at the inner bore of the stator core) of the surface of the extreme (ventilation) sheets of electrical steel of the stator core steel packs that open into the U-shaped ventilation ducts, there are elements that intensify cooling (intensifiers), in the form of segments of a quarter of an ellipsoid, oriented by an ellipsoidal surface to the outer surface of the core (i.e. towards the movement of the cooling gas flow from the outer surface of the stator core to the turn at the inner bore of the stator core).

Расположение интенсификаторов, выполненных в форме сегмента четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью навстречу потоку газа в зубцовой зоне, на набегающей части поверхностей листов электротехнической стали, выходящих в U-образные вентиляционные каналы, которые еще дополнительно закрыты со стороны внутренней расточки сердечника статора и открыты со стороны наружной поверхности сердечника статора, приводит к локальному возмущению потока охлаждающего газа, повышению коэффициента теплоотдачи с поверхности каналов сердечника статора с каналами U-образной формы и, как следствие, к снижению температуры зубцов сердечника и, соответственно, обмотки статора электрической машины, в частности турбогенератора.Arrangement of intensifiers made in the form of a segment of a quarter of an ellipsoid, oriented with an ellipsoidal surface towards the gas flow in the tooth zone, on the incoming part of the surfaces of electrical steel sheets that open into U-shaped ventilation ducts, which are still additionally closed from the side of the inner bore of the stator core and open from the side the outer surface of the stator core, leads to a local perturbation of the cooling gas flow, an increase in the heat transfer coefficient from the surface of the channels of the stator core with U-shaped channels and, as a result, to a decrease in the temperature of the core teeth and, accordingly, the stator winding of the electric machine, in particular the turbogenerator.

Как показали проведенные исследования, которые будут рассмотрены ниже, для повышения коэффициента теплоотдачи с поверхности каналов сердечника статора наиболее эффективно применение интенсификаторов в форме сегментов четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью навстречу потоку газа, а также их расположение в местах, где поток наименее возмущенный, то есть на части поверхности U-образного канала в зубце, на так называемая набегающая часть поверхности U-образного канала (при движении потока газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника статора). К тому же такая установка интенсификаторов лишь минимально увеличивает аэродинамическое сопротивление канала, которое практически не будет отличаться от U-образного канала с гладкими стенками и сохранит величину расхода охлаждающего газа через систему U-образных каналов при неизменных напорных возможностях нагнетательных элементов в системе вентиляции.As shown by the studies that will be discussed below, to increase the heat transfer coefficient from the surface of the channels of the stator core, the most effective use of intensifiers in the form of segments of a quarter of an ellipsoid, oriented with an ellipsoidal surface towards the gas flow, as well as their location in places where the flow is the least disturbed, that is on a part of the surface of the U-shaped channel in the tooth, on the so-called incoming part of the surface of the U-shaped channel (when the gas flow moves from the outer surface of the stator core to the turn at the inner bore of the stator core). In addition, such an installation of intensifiers only minimally increases the aerodynamic resistance of the channel, which will practically not differ from a U-shaped channel with smooth walls and will retain the value of the cooling gas flow through the system of U-shaped channels with unchanged pressure capabilities of the injection elements in the ventilation system.

Предлагаемая полезная модель поясняется следующими чертежами.The proposed utility model is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 представлен U-образный канал сердечника статора турбогенератора.In FIG. 1 shows a U-shaped channel of the stator core of a turbogenerator.

На фиг. 2 изображен пример схемы расположения интенсификаторов в зубцовой части на поверхности листов электротехнической стали сердечника, выходящих в набегающую часть U-образных вентиляционных каналов.In FIG. Figure 2 shows an example of the arrangement of intensifiers in the tooth part on the surface of the electrical steel sheets of the core, which extend into the incoming part of the U-shaped ventilation ducts.

На фиг. 3 изображен интенсификатор в форме сегмента четверти эллипсоида.In FIG. 3 shows an intensifier in the form of a segment of a quarter of an ellipsoid.

На фиг. 4 изображен вид А сверху на интенсификатор с обозначением его геометрических размеров.In FIG. 4 shows a top view of the intensifier with the designation of its geometric dimensions.

На фиг. 5 изображен вид Б сбоку на интенсификатор с обозначением его геометрических размеров.In FIG. 5 shows a side view B of the intensifier with the designation of its geometric dimensions.

На фиг. 6 изображена блок-схема метода определения оптимального количества и места расположения интенсификаторов.In FIG. 6 shows a block diagram of a method for determining the optimal number and location of intensifiers.

Статор турбогенератора, содержит сердечник 1, состоящий из пакетов, набранных из листов электротехнической стали, например, марки М270-50А. В пакетах имеются пазы 2 для укладки обмотки. Между пакетами имеются радиальные вентиляционные каналы 3, образованные радиальными дистанционными распорками 4, выполненными из немагнитной стали, например, марки AISI 304L, и закрытые тангенциальными распорками 5, выполненными из немагнитной стали, например, марки AISI 304L со стороны внутренней расточки 6 сердечника 1 статора.The stator of the turbogenerator contains a core 1, consisting of packages assembled from sheets of electrical steel, for example, grade M270-50A. The packages have grooves 2 for laying the winding. Between the packages there are radial ventilation channels 3 formed by radial spacers 4 made of non-magnetic steel, for example, AISI 304L, and closed by tangential struts 5, made of non-magnetic steel, for example, AISI 304L from the side of the internal bore 6 of the stator core 1.

Радиальные дистанционные распорки 4 и тангенциальные дистанционные распорки 5 в совокупности образуют радиальном вентиляционном канале 3 в зоне каждого зубца от одного до двух U-образных вентиляционных каналов 7, в представленном на фиг. 1 примере выполнен один U-образный вентиляционный канал в зоне зубца. Входы 8 и выходы 9 вентиляционных каналов 7 расположены на наружной поверхности сердечника 1 статора. На набегающей поверхности (при движении потока газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника 1 статора) U-образного вентиляционного канала сердечника 1 статора на поверхности листов электротехнической стали, выходящих в U-образные вентиляционные каналы 7 в зубцовой зоне, имеются интенсификаторы 10 охлаждения. Интенсификаторы 10 выполнены в виде сегмента четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидной поверхностью навстречу набегающему потоку с направлением движения потока охлаждающего газа от наружной поверхности сердечника 1 к месту поворота потока в районе внутренней расточки 6 сердечника 1 статора.The radial spacers 4 and the tangential spacers 5 together form a radial ventilation duct 3 in the area of each tooth from one to two U-shaped ventilation ducts 7, shown in FIG. 1 example, one U-shaped ventilation duct is made in the zone of the tooth. The inputs 8 and outputs 9 of the ventilation ducts 7 are located on the outer surface of the stator core 1. On the incoming surface (when the gas flow moves from the outer surface of the stator core to the turn at the inner bore of the stator core 1) of the U-shaped ventilation channel of the stator core 1 on the surface of electrical steel sheets that go into the U-shaped ventilation channels 7 in the tooth zone, there are intensifiers 10 cooling. Intensifiers 10 are made in the form of a segment of a quarter of an ellipsoid, oriented with an ellipsoidal surface towards the oncoming flow with the direction of movement of the cooling gas flow from the outer surface of the core 1 to the place of the flow turn in the region of the inner bore 6 of the stator core 1.

Определение места расположения интенсификаторов осуществляется посредством способа, основанного на проведении экспериментов на макете и численном решении задачи теплопередачи для реальной конструкции сердечника статора.The determination of the location of the intensifiers is carried out by means of a method based on conducting experiments on a mock-up and numerically solving the heat transfer problem for a real stator core design.

В предложенной конструкции интенсификаторы охлаждения могут быть выполнены в виде выбоин на поверхности листов электротехнической стали статора, выходящих выпуклой поверхностью в U-образные вентиляционные каналы 7 в зубцовой зоне, в форме сегмента четверти эллипсоида, что повышает технологичность конструкции, а также минимальность затрат на ее воплощение.In the proposed design, the cooling intensifiers can be made in the form of potholes on the surface of the stator electrical steel sheets, emerging as a convex surface into the U-shaped ventilation ducts 7 in the tooth zone, in the form of a segment of a quarter of an ellipsoid, which increases the manufacturability of the design, as well as the minimum cost for its implementation. .

Для примера, с целью определения коэффициентов теплоотдачи поверхности U-образного вентиляционного канала турбогенератора с воздушным охлаждением мощностью 160 МВт изготовлен макет с U-образным вентиляционным каналом в масштабе 1:1. Одна из стенок макета канала, нижняя, являющаяся основанием макета, изготовлена из стального сегмента, в зубцовой части которого, с одной стороны, установлен нагреватель с равномерным тепловыделением по поверхности зубцовой зоны, теплоизолированный от окружающего пространства, с другой стороны, обращенной к каналу, наклеена жидкокристаллическая термопленка, меняющая свой цвет на отдельных участках поверхности в зависимости от температуры. Другая стенка канала в зоне зубца сделана из органического стекла, позволяющего видеть и фотографировать противоположную стенку канала, покрытую термопленкой.For example, in order to determine the heat transfer coefficients of the surface of a U-shaped ventilation duct of a 160 MW air-cooled turbogenerator, a model with a U-shaped ventilation duct was made on a 1:1 scale. One of the walls of the channel layout, the lower one, which is the base of the layout, is made of a steel segment, in the tooth part of which, on the one hand, a heater is installed with uniform heat release over the surface of the tooth zone, thermally insulated from the surrounding space, on the other side, facing the channel, it is glued liquid crystal thermal film that changes its color in certain areas of the surface depending on temperature. The other wall of the channel in the zone of the tooth is made of organic glass, which makes it possible to see and photograph the opposite wall of the channel, covered with thermal film.

По результатам испытаний, проведенных на макете, получены значения коэффициентов теплоотдачи поверхности U-образного вентиляционного канала на входном участке, от входа воздуха в канал со стороны наружной поверхности сердечника статора до поворота в зубце в районе внутренней расточки и в выходном участке - от поворота в районе внутренней расточки до выхода воздуха со стороны наружной поверхности сердечника статора при нескольких значениях расхода охлаждающего воздуха.According to the results of tests carried out on a mock-up, the values of the heat transfer coefficients of the surface of the U-shaped ventilation duct at the inlet section were obtained, from the air inlet into the channel from the side of the outer surface of the stator core to the rotation in the tooth in the area of the internal bore and in the output section - from the rotation in the area internal boring until air exits from the outer surface of the stator core at several cooling air flow rates.

Полученная термограмма позволяет определить количество интенсификаторов и участки поверхности канала с более низкой и более высокой температурой, и проводить установку интенсификаторов только на участках с повышенной температурой.The resulting thermogram makes it possible to determine the number of intensifiers and sections of the channel surface with lower and higher temperatures, and to install intensifiers only in areas with elevated temperatures.

Алгоритм данного способа описан в виде блок-схемы, изображенной на фиг. 6. Определяющими геометрическими размерами интенсификаторов охлаждения являются длина (L_и), ширина (b_и) и высота (h_и). При этом установлено экспериментальным путем, что длина интенсификатора лежит в пределах от 1,5 до 2,5 мм, ширина интенсификатора лежит в пределах от 4 до 6 мм, а высота интенсификаторов лежит в пределах от 1 до 2 мм.The algorithm of this method is described in the form of a block diagram shown in Fig. 6. The determining geometric dimensions of cooling intensifiers are length (L _and ), width (b _and ) and height (h _and ). At the same time, it was established experimentally that the length of the intensifier lies in the range from 1.5 to 2.5 mm, the width of the intensifier lies in the range from 4 to 6 mm, and the height of the intensifiers lies in the range from 1 to 2 mm.

Такая методика определения мест, где необходима интенсификация теплоотвода от охлаждаемой поверхности, позволяет ограничить число устанавливаемых интенсификаторов и повысить теплоотдачу при минимально возможном увеличении аэродинамического сопротивления U-образного охлаждающего канала.Such a technique for determining the places where it is necessary to intensify heat removal from the cooled surface makes it possible to limit the number of installed intensifiers and increase heat transfer with the minimum possible increase in the aerodynamic resistance of the U-shaped cooling channel.

Благодаря такому способу определения, как уже было указано выше, было установлено, что наиболее эффективно расположить интенсификаторы в форме сегментов четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью навстречу движения потока охлаждающего газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника статора в зубцовой зоне на набегающей части поверхности крайних (вентиляционных) сегментов пакетов стали сердечника статора, выходящих в U-образные вентиляционные каналы.Thanks to this method of determination, as already mentioned above, it was found that it is most effective to arrange the intensifiers in the form of segments of a quarter of an ellipsoid, oriented with an ellipsoidal surface towards the movement of the cooling gas flow from the outer surface of the stator core to the turn at the inner bore of the stator core in the tooth zone on the incoming parts of the surface of the outermost (ventilation) segments of the stator core steel stacks opening into the U-shaped ventilation ducts.

Экспериментально установлено, что интенсификаторы в форме сегментов четверти эллипсоида, ориентированных эллипсоидальной поверхностью навстречу движения потока охлаждающего газа от наружной поверхности сердечника статора к повороту у внутренней расточки сердечника статора следует располагать от одной до четырех линий рядов по ширине вентиляционного канала на поверхности сердечника статора, выступающей в вентиляционный U-образный канал.It has been experimentally established that intensifiers in the form of segments of a quarter of an ellipsoid, oriented with an ellipsoidal surface towards the movement of the cooling gas flow from the outer surface of the stator core to the turn at the inner bore of the stator core, should be located from one to four lines of rows along the width of the ventilation channel on the surface of the stator core protruding into ventilation U-shaped channel.

При работе турбогенератора, под напором нагнетательных элементов (вентиляторов) (на фиг.не показаны) охлаждающий газ поступает (согласно направлению стрелок, на фиг. 1) в U-образные вентиляционные каналы 7, движется к зубцовой зоне, проходит ее и далее перед тангенциальными вентиляционными распорками 5 разворачивается и эвакуируется в зону наружной поверхности ярма сердечника статора.During operation of the turbogenerator, under the pressure of the injection elements (fans) (not shown in Fig. 1), the cooling gas enters (according to the direction of the arrows, in Fig. 1) into the U-shaped ventilation channels 7, moves to the toothed zone, passes it and further in front of the tangential ventilation struts 5 unfolds and evacuates to the area of the outer surface of the yoke of the stator core.

Во время работы установленные на набегающей части поверхности крайних листов электротехнической стали пакетов сердечника статора 1, выходящих в U-образные вентиляционные каналы в зубцовой зоне, интенсификаторы 10 увеличивают степень турбулентного перемешивания между нагретым газом, находящимся у поверхности U-образного канала, и относительно более холодным газом в ядре потока в канале. Такое интенсивное перемешивание приводит в контакт более холодный газ со стенкой U-образного канала 7, на которой установлены интенсификаторы 10, создавая лучшие условия для более эффективного теплоотведения с данной поверхности, тем самым увеличивая коэффициент теплоотдачи с данной поверхности.During operation, the intensifiers 10 installed on the incoming part of the surface of the outer sheets of electrical steel of the stator core packs 1, which exit into the U-shaped ventilation channels in the tooth zone, increase the degree of turbulent mixing between the heated gas located at the surface of the U-shaped channel and the relatively colder one. gas in the core of the flow in the channel. Such intense mixing brings the colder gas into contact with the wall of the U-shaped channel 7, on which the intensifiers 10 are installed, creating better conditions for more efficient heat removal from this surface, thereby increasing the heat transfer coefficient from this surface.

Итоговая эффективность введения в поток охлаждающего газа системы интенсификаторов зависит от соотношения прироста коэффициента теплоотдачи и коэффициента аэродинамического сопротивления, увеличение которого связано с генерацией в потоке вихревых структур, появление которых приводит к росту потерь энергии.The final efficiency of introducing a system of intensifiers into the cooling gas flow depends on the ratio of the increase in the heat transfer coefficient and the aerodynamic drag coefficient, the increase of which is associated with the generation of vortex structures in the flow, the appearance of which leads to an increase in energy losses.

На повороте U-образного канала перед тангенциальными распорками 5 интенсификаторы не устанавливаются вследствие высокой скорости потока охлаждающего газа и его значительного возмущения, которое частично сохраняется на дифузорной части данного канала за соответствующим поворотом потока в зубцовой зоне.At the turn of the U-shaped channel in front of the tangential struts 5, the intensifiers are not installed due to the high flow rate of the cooling gas and its significant perturbation, which is partially preserved on the diffuser part of this channel behind the corresponding turn of the flow in the tooth zone.

В таблице ниже представлены результаты аэродинамических и тепловых расчетов для турбогенератора с воздушным охлаждением мощностью 160 МВт, выполненных на основании вентиляционных испытаний на исследовательском макете с наличием и без интенсификаторов.The table below presents the results of aerodynamic and thermal calculations for a 160 MW air-cooled turbogenerator based on ventilation tests on a research model with and without intensifiers.

В результате реализации предлагаемого технического решения, как показали результаты вентиляционных испытаний, обеспечивается простая и надежная конструкция статора турбогенератора с эффективным охлаждением сердечника и обмотки.As a result of the implementation of the proposed technical solution, as shown by the results of ventilation tests, a simple and reliable design of the turbogenerator stator with effective cooling of the core and winding is provided.

Наибольшая технико-экономическая эффективность предложенного технического решения, состоящая в увеличении предельной единичной мощности электрической машины, достигается при использовании в качестве охлаждающего газа воздушной среды, так как худшие, по сравнению с водородом, теплоотводящие свойства воздуха усложняют проблему отведения тепловых потерь от сердечника статора.The greatest technical and economic efficiency of the proposed technical solution, which consists in increasing the maximum unit power of the electric machine, is achieved when air is used as a cooling gas, since the worse, compared to hydrogen, heat-removing properties of air complicate the problem of removing heat losses from the stator core.

Claims

1. The stator of an electrical machine containing a core consisting of sheets of electrical steel assembled in packages in which there are grooves for laying the winding and between which there are radial channels open from the outer surface of the core and closed from the side of the inner bore of the stator core, in which radial and tangential spacers are installed, forming in the zone of each tooth from one to two U-shaped ventilation ducts open from the side of the outer surface of the core, characterized in that in the tooth zone on the oncoming part of the surface of the extreme sheets of electrical steel packages that go into the U- shaped ventilation ducts, there are intensifiers in the form of segments of a quarter of an ellipsoid, oriented by an ellipsoidal surface to the outer surface of the core.

2. The stator of an electric machine according to claim 1, characterized in that the length of each intensifier lies in the range from 1.5 to 2.5 mm, the width of each intensifier lies in the range from 4 to 6 mm, and the height of each intensifier lies in the range from 1 to 2 mm.

3. The stator of the electric machine according to claim 1, characterized in that the intensifiers in the form of segments of a quarter of an ellipsoid on the incoming part of the surface of the extreme segments of the stator core, which open into the U-shaped ventilation ducts in the tooth zone, are located along the width of the ventilation duct from one or to four row lines.