SE520998C2 - Förfarande för luftkylning av rotor och härvändsparti i en roterande elektrisk maskin och roterande elektrisk maskin - Google Patents

Description

30 520 998 peraturstegringen som är dimensionerande. Värmeövergångstalet ökar när luft- hastigheten ökar. Detta innebär att man kan reducera nödvändigt luftflöde genom att tvinga luften att gå nära fältlindningarna.

Vidare krävs en kylning av härvändspartierna belägna vid statorns axiellt sett båda ändar. Ett problem med lösningar där kylluften passerar härvändspartiet som är känsliga partiet att kyla efter att ha passerat rotorn varvid kylningen av härvändspartiet tenderar till att vara otillfredsställande.

Vid konventionell kylning kombineras nästan alltid rotorkylning och stator- kylning så att luften, efter att ha passerat rotorn, även passerar statorns radiella kylkanaler. Detta kan ge höga lufttemperaturer där rotorluften kommer i kontakt med statorn. Detta beror dels på att rotorluften upptagit förlusteffekter i rotor inklu- sive fältlindning och dels på att hela luftens rotationseffekt övergår till värme i det- ta parti.

Liknande maskiner har konventionellt utformats för spänningar i intervallet 15 - 30 kV varvid 30 kV har normalt ansetts vara en övre gräns. Detta innebär nor- malt i generatorfallet att en generator måste anslutas till kraftnätet över en trans- formator som transformerar upp spänningen till nätets nivå vilket ligger i området ca 130 - 400 kV. Föreliggande uppfinning är bland annat avsedd att användas vid höga spänningar vilket avser spänningar som i första hand överstiger 10 kV. Ett typiskt arbetsområde för en roterande elektrisk maskin innefattande en luftkyld rotor enligt uppfinningen kan vara spänningar från 36 kV upp till 800 kV.

Genom att använda högspända isolerade elektriska ledare i maskinens stator, högspänningskablar, med fast isolation av likartat utförande som kablar för överföring av elkraft (exempelvis s. k. PEX-kablar) kan maskinens spänning höjas till sådana nivåer att den kan direktanslutas till kraftnätet utan mellanliggande transformator. Således kan den konventionella transformatorn elimineras. Hög- spänningskabeln innefattar ett antal kardeler med cirkulärt tvärsnitt av exempelvis koppar (Cu). Dessa kardeler är anordnade i mitten av högspänningskabeln. Runt kardelerna finns anordnat ett första halvledande skikt. Runt det första halvledande skiktet finns anordnat ett isolationsskikt, t.ex. PEX-isolation. Runt isolationsskiktet finns anordnat ett andra halvledande skikt. Begreppet högspänningskabel i före- 10 15 20 25 30 520 998 3 liggande ansökan innefattar således ej det yttre skyddshölje och metallskärm som normalt omger en dylik kabel vid kraftdistribution.

Teknik med enkelriktad axiell kylning där statorn ej ingår i kylkretsen är känd i tillämpningar för mindre maskiner vilka uppvisar öppna polluckor. Även ax- iell kylning genom polluckor vilka är täckta är tidigare kända, jfr PCT WO98/20600.

Dessa tidigare kända typer av luftkylning och Vattenkylning ger en delvis otillfredsställande kylning, speciellt av härvändspartiet, vid en maskin av förelig- gande typ med åtföljande höga ventilationsförluster som följd.

Uppfinningens syfte Syftet med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande och en anord- ning för luftflödesstyrning vid axiell rotorkylning för att primärt skydda statorns ka- blar från varm luft i en roterande elektrisk maskin, speciellt av angivet slag där maskinens statorlindningar utgörs av nämnda högspänningskablar. Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att med samma kylmedium som kyler rotorn även kyla härvändspartiet och härvid kyla härvändspartiet först i en sådan maskin. Vidare syftar uppfinningen till att undvika att varm luft kommer i kontakt med statorn. Syf- tet är även att åstadkomma en högre verkningsgrad genom att minska ventila- tionsförlusterna i en luftkyld rotor. Fördelaktiga vidareutvecklingar av uppfinningen indikeras i nedanstående beskrivning.

Sammanfattning av uppfinningen Syftet med uppfinningen uppfylls genom att uppfinningen erhållit de i pa- tentkraven angivna kännetecknen. Uppfinningen grundar sig på en maskin med luftkyld rotor och vattenkyld stator där statorns härvändar kyls genom cirkulation av kylluft genom härvändspartiet och därefter genom luftgapet mellan stator och rotor. Genom att kylluften tillåts först kyla härvändspartiet och sedan rotorn inne- bär detta att de känsligaste delarna vilka ej tål för hög temperatur blir först kylda.

Detta åstadkoms genom att kylluften först passerar härvändspartiet och sedan leds in i luftspalten mellan stator och rotor för att vid rotorns mitt reverseras av en mötande kylluftström från rotorns andra sida och därefter återföras genom rotor- kanalerna i en sluten kylkrets. Reverseringen av kylluftflödet sker successivt axiellt lO 15 20 25 30 520 998 4 längs rotorn för att vara helt reverserad vid rotorns mitt. För att underlätta reverse- ringen av luftflödet vid rotorns mitt är rotorkilar, sett i ett radiellt snitt, avfasade.

Kylningen är helt symmetrisk varför reverseringen av kylluften sker av sig själv när flödet mellan stator och rotor från rotorns ena sida möter flödet från dess andra Qda.

Speciellt är föreliggande uppfinning tillämpbar på en roterande elektrisk maskin vars statorlindning är utformad med högspänningskablar vilka med dagens teknik kräver en temperatur av maximalt 70°C.

Det primära i uppfinningen är att de temperaturkänsliga delarna i genera- torn skall kylas först av den kalla luften eller annan gas. Uppfinningen grundar sig även på en turbogenerator där statorhärvändar och rotor kyls av iuft eller annan gas. Uppfinningen kan även tillämpas vid enbart kylning av rotorn och med viss modifiering för hydrogeneratorer. Ordningsföljden för luftkylning är luftkylare, sta- torhärvändar, luftgap och sist rotor. Uppfinningen är speciellt tillämpningsbar där statorlindningen består av kablar med en relativt låg tillåten driftstemperatur.

Den ur kylsynpunkt optimala flödesriktningen för kylluften innebär den om- vända mot konventionellt i rotorns kylkanaler, dvs från rotorns periferi i riktning mot rotationscentrum. Detta kräver större drivtryck för denna lösning ijämförelse med en konventionell kylmetod. Drivtrycket erhålls av en fläkt i kombination med en diffusor. Diffusorn omvandlar merparten av luftens dynamiska tryck till statiskt tryck vid luftens utlopp från den roterande delen av generatorn. Detta är en stor fördel gentemot en konventionell kylmetod där hela luftens rotationseffekt övergår i värme i de partier som skall kylas i generatorn. Den omvända flödesriktningen i rotorn ger högre ventilationsförluster per volymsenhet luft ijämförelse med den konventionella kylmetoden på grund av erforderlig effekt till fläkten. Detta beror på att ventilationsförlusterna per volymsenhet luft som passerar rotorns kanaler är proportionell dels mot luftens rotationshastighet och dels rotorns alternativt fläk- tens rotationshastighet vid utloppet från de roterande delarna i generatorn. För att driva luften den omvända riktningen genom rotorn erfordras en större periferihas- tighet på fläkten än rotors i luftgapet. Trots detta blir de totala ventilationsförluster- nalåga. lO l5 20 25 30 520 998 5 Minimerlng av volymflödet erhålls dels genom att de temperaturkänsliga delarna kyls först och dels genom att luftens rotationseffekt omvandlas till drivtryck och värme först efter det att luften lämnat de delar som skall kylas. Förlusterna på grund av luftgapsfriktionen blir liten på grund av att luftens rotationseffekt i luft- gapet blir ett effekttillskott vid luftens inlopp till rotorn och ej går förlorad i värme.

Därför kan ventilationsförlusterna för denna ventilationsprincipen ytterligare mini- meras genom att göra statorns yta i luftgapet glatt.

Det föreligger även krav på maximal temperatur på rotorkapseln som krymps fast på rotorn. Ventilationsprincipen enligt denna uppfinning omsluter hela rotorkapseln av kall luft. Detta gäller såväl rotorkapselns yta mot luftgapet som ytan mot rotorcentrum. Den varma luften från rotorn hindras att komma i kontakt med rotorkapseln. Den kalla luften från härvändsutrymmet in i rotorändan kyler även effektivt rotorkapseln.

Kort beskrivning av ritningarna uppfinningen kommer nu med hänvisningsbeteckningar i anslutning till bifogade ritningsfigurer att närmare beskrivas.

Figur 1 visar en schematisk axiell vy av en roterande elektrisk maskin delvis i snitt, med luftkyld rotor enligt föreliggande uppfinning.

Figur 2 visar ett partiellt radiellt snitt A-A genom rotorn enligt figur 1.

Figur 3 visar en förstorad delvy med ett överlagrat radiellt snitt B-B enligt figur 1.

Beskrivning av uppfinningen Figur 1 visar en roterande elektrisk maskin 1 innefattande en stator 2 med en statorlindning 3 vilken utgörs av högspänningskabel. Maskinen 1 är vidare för- sedd med en rotor 4 anordnad på en i ett maskinhus 5 lagrad maskinaxel 6. Mel- lan stator 2 och rotor 4 bildas ett luftgap 15. Rotorn 4 är vidare försedd med en med skovlar 7 försedd radialfläkt 8 vilken höjer trycket på den reverserade kylluft- strömmen in i en diffusor 18. I diffusorn omvandlas dynamiskt tryck i luftströmmen från rotorn till ca. 60% statiskt tryck, varvid resterande 40% bildar värme. Härvid sker ca. halva tryckökningen i fläkten och resterande trycköknlngen i diffusorn.

Luftströmmen passerar en luftkylare 19 varefter luften strömmar genom härvänds- lO 15 20 25 30 520 998 6 partiet 20. Som vidare framgår av utföringsformen enligt figur 1 är det totala luft- flödet genom kylaren 19, 1,7 ma/s varav 0,5 ma/s (30%) direkt efter härvändspar- tiet 20 kyler rotoränden 21 och 1,2 m°ls (70%) strömmar in i luftgapet 15 mellan stator 2 och rotor 4. Luftströmmen genom härvändspartiet 20 bringas att rotera genom att utloppskanaler vinklas för att åstadkomma virvelbildningar och turbu- lens. Alternativt styrs luften genom härvändspartiet med hjälp av skärmar 16,17.

Eftersom kylarrangemanget är symmetriskt möts kylluftflöden från rotorns båda ändar i luftgapet 15, vilket indikerats genom pilar i figur 1. Båda dessa kyl- luftflöden tenderar där de möts att vika av i radiell riktning, dvs. in mot rotorns cen- trum. För att underlätta denna riktningsändring har rotorkilar avfasats vid luftens radiella inlopp i en radiell rotorkanal 11. Figur 2 visar i ett område, vid vilket en pil markerar att luftflödet radiellt viker av, hur en sådan avfasad rotorkil 12 kan vara anordnad. Luftflödet avviker åter till ett reverserat axiellt flöde i riktning ut från ro- torn 4 genom axiella rotorkanaler 9. I figur 1 är visat med pilar en luftflödesstyrning vid dubbelriktad axiell rotorkylning. Härvid framgår även hur maskinens härvänds- partier 20 tillåts kylas med luftströmmen före det att rotorn med dess lindningar kyls.

Figur 2 visar ett partiellt radiellt snitt genom rotorn 4 vilken är utförd med rotorkanaler 9 intill varje fältlindning 10. Ytterst på varje fältlindning 10 är en rotor- kil 12 anordnad. Rotorkilen 12 är försedd med en avfasad kantyta 13 för att under- lätta för luftflödet att vika av radiellt in i de radiella rotorkanalerna 11. Varje radiell kanal 11, exklusive de intill en pol belägna, försörjer två axiella kanaler 9 med luft.

Vid mindre helt luftkylda maskiner används luftgapet till att blåsa luft igenom, för kyländamål för både rotor och stator. Vid större maskiner, såsom i föreliggande fall med vattenkyld stator, är detta en oekonomisk kylmetod varför en sådan luft- ström genom luftgapet bör vara så liten som möjligt för att istället användas där den bättre behövs, i föreliggande fall för luftströmning genom rotorkanalerna samt för samtidig kylning av härvändspartierna.

Figur 3 visar med pilar i ett axiellt snitt den reverserade kylluftströmmen på väg tillbaka ut från rotorn genom rotorkanalerna 9 under det att den kyler rotorlind- ningarna. Vid rotoränden 21 förenas de båda kylluftströmmarna åter, varvid dessa trycks vidare genom en ringformad kanal 23. Kanalen 23 bildas genom att ett rör 10 15 20 520 998 7 25 är koaxiellt fastsatt på en roterande rotoraxel 27 via radiella fästelement 29 vil- ka visas i figur 3 i ett radiellt snitt. Vid rörets 25 ände sitter fläkten 8, även den fäst vid rotoraxeln, vilken med sina skovlar 7 åstadkommer cirkulation av kylluften.

Fläkten pressar kylluften vidare genom diffusorn 18 och vidare genom luftkylaren 19 i en kontinuerlig cirkulation. Vid den inledningsvis beskrivna tryckomvandlingen i diffusorn ökar således lufttemperaturen, men sänks åter i luftkylaren. Radialfläk- tens 8 diameter är större än rotorns diameter.

Maskinens statorlindningen 3 utgörs av en högspänningskabel i form av en böjlig elektrisk ledare med ett hölje som är kapabelt att innestänga det kring ledaren uppstående elektriska fältet. Vidare innefattar höljet ett isolationssystem med en isolation bildad av ett fast isolationsmaterial och utanför isolationen ett yttre skikt som har en elektrisk konduktivitet som är högre än den hos isolationen för att det yttre skiktet genom anslutning till jord eller eljest relativt låg potential skall förmå dels att fungera potentialutjämnande, dels att i huvudsak innehålla det på grund av nämnda elektriska ledare uppstående elektriska fältet innanför det yttre skiktet. lsolationssystemet innefattar en isolation bildad av ett fast isolations- material och innanför isolationen ett inre skikt, att nämnda åtminstone ena elek- triska ledare är anordnad innanför det inre skiktet och att det inre skiktet har en elektrisk konduktivitet som är lägre än den hos den elektriska ledaren men till- räcklig för att det inre skiktet skall fungera potentialutjämnande och därmed ut- jämnande vad avser det elektriska fältet utanför det inre siktet. Den fasta isola- tionen och det yttre skiktet utgörs av polymera material.

Claims (16)

10 15 20 25 520 998 8 PATENTKRAV

1. Förfarande för luftkylning av rotor och härvändsparti i en med lindning (3) försedd stator i en roterande elektrisk maskin, kännetecknat av att kylluften först passerar genom härvändspartiet (20) och vidare helt eller delvis axiellt in i luft- gapet (15) mellan rotor (4) och stator (2) för att vid rotorns (4) mitt, axiellt reverse- ras genom att föras in i axiella rotorkanaler (9) och vidare ut ur rotorkanalerna varefter luften kyls och cirkulationen återupprepas.

2. Förfarande enligt kravet 1, kännetecknat av att kylluften delvis leds in genom rotorns ändparti för kylning av fältlindningen (10) vid rotoränden (21).

3. Förfarande enligt något av kraven 1-2, kännetecknat av att kylluften upp- delas så att av de 100% som genomströmmar härvändspartiet (20) genomström- mar cirka 70% luftgapet/rotorkanalerna (15,9) och resterande cirka 30% leds till rotorns ändparti för kylning av rotoränden (21).

4. Förfarande enligt något av kraven 1-3, kännetecknat av att kylluften vid inträde i härvändsutrymmet (20) bringas att rotera för att åstadkomma virvelbild- ningar och turbulens i härvändspartiet (20).

5. Förfarande enligt något av kraven 1-3, kännetecknat av att luften styrs genom skärmar (16,17) i härvändspartiet (20).

6. Förfarande enligt något av kraven 1-5, kännetecknat av att den uppvärm- da kylluften från rotorn (4) hålles separerad från härvändspartiet (20).

7. Förfarande enligt något av kraven 1-6, kännetecknat av att den uppvärm- da luften från rotorn (4) undgår en tryckuppsättning i en fläkt (7) och i en diffusor (18) varefter luften kyls i en luftkylare (19). lO 15 20 25 520 998 9

8. Förfarande enligt något av kraven 1-7, kännetecknat av att cirkulationen av kylluft vid rotorns axiellt motsatta sida sker på motsvarande sätt, dvs. enligt något av kraven 1-6.

9. Förfarande enligt något av kraven 1-8, kännetecknat av att lindningen (3) är bildad av en kabel i form av en böjlig elektrisk ledare med ett hölje som inne- stänger det kring ledaren uppstående elektriska fältet.

10. Roterande elektrisk maskin (1) med en med lindning (3) försedd stator (2) och en rotor (4) med fältlindningar (10) omgivna av rotorkanaler (9), vilken rotor (4) är anordnad att kylas, av axiellt strömmande luft igenom rotorns (4) kanaler (9), kännetecknad av att rotorn (4) och statorns härvändsparti (20) är anordnade att kylas genom att kylluften först bringas att passera genom härvändspartiet (20) och vidare helt eller delvis axiellt in i luftgapet (15) mellan rotor (4) och stator (2) för att vid rotorns (4) mitt, axiellt reverseras genom att föras in i axiella rotorkanaler (9) och vidare ut ur rotorkanalerna varefter luften kyls och cirkulationen återupprepas.

11. Maskin enligt kravet 10, kännetecknad av att den kylande luftströmmen är anordnad att åstadkommas med dels en till rotorn (4) ansluten fläkt (8) och dels en till fläkten ansluten diffusor (18).

12. Maskin enligt något av kraven 10-11, kännetecknad av att den kylande luftströmmen är anordnad att axiellt pressas in i luftgapet (15) mot rotorns (4) mitt från vardera härvändspartiet (20).

13. en (3) utgörs av en högspänningskabel i form av en böjlig elektrisk ledare med ett Maskin enligt något av kraven 10-12, kännetecknad av att statorlindning- hölje som är kapabelt att innestänga det kring ledaren uppstående elektriska fäl- tet.

14. Maskin enligt något av kraven 10-13, kännetecknad av att höljet innefat- tar ett isolationssystem med en isolation bildad av ett fast isolationsmaterial och 10 15 520 998 lO utanför isolationen ett yttre skikt som har en elektrisk konduktivitet som är högre än den hos isolationen för att det yttre skiktet genom anslutning till jord eller eljest relativt låg potential skall förmå dels att fungera potentialutjämnande, dels att i hu- vudsak innehålla det på grund av nämnda elektriska ledare uppstående elektriska fältet innanför det yttre skiktet.

15. Maskin enligt något av kraven 10-14, kännetecknad av att isolationssys- temet innefattar en isolation bildad av ett fast isolationsmaterial och innanför isola- tionen ett inre skikt, att nämnda åtminstone ena elektriska ledare är anordnad in- nanför det inre skiktet och att det inre skiktet har en elektrisk konduktivitet som är lägre än den hos den elektriska ledaren men tillräcklig för att det inre skiktet skall fungera potentialutjämnande och därmed utjämnande vad avser det elektriska fäl- tet utanför det inre siktet.

16. Maskin enligt något av kraven 10-15, kännetecknad av att den fasta isolationen och det yttre skiktet utgörs av polymera material.