WO2019165523A1

WO2019165523A1 - Máquina elétrica girante com canais trocadores de calor para ar e para líquido

Info

Publication number: WO2019165523A1
Application number: PCT/BR2018/050056
Authority: WO
Inventors: Alcides FEDIUK JUNIOR; Guilherme SCHNEIDER POREPP
Original assignee: Weg Equipamentos Elétricos S.a.
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-09-06
Also published as: BR112020017503A2

Abstract

A presente invenção refere-se a um uma máquina elétrica girante tendo um invólucro (1) que compreende pelo menos um canal de escoamento de ar longitudinal (9) configurado para trocar calor com um canal de escoamento de líquido (7), onde o ventilador (8) da máquina gera um escoamento de ar que é admitido no pelo menos um canal de escoamento de ar por uma primeira extremidade de admissão de ar; e o pelo menos um canal de escoamento (9) compreende pelo menos um direcionador de ar (10) disposto próximo à extremidade de admissão de ar do canal de escoamento de ar (9).

Description

MÁQUINA ELÉTRICA GIRANTE COM CANAIS TROCADORES DE CALOR

PARA AR E PARA LÍQUIDO

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a uma máquina elétrica girante tendo um sistema de resfriamento por manto d’água e um direcionador de ar que aumenta a troca de calor entre um canal de escoamento de ar e um canal de circulação de água de um sistema de resfriamento por manto d’água.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] Máquinas elétricas são largamente conhecidas da técnica e podem compreender tanto motores elétricos quanto geradores elétricos. Uma preocupação comumente associada a esse tipo de máquina é a necessidade de um sistema de ventilação ou refrigeração, ou seja, um sistema capaz de dissipar o calor gerado pela máquina, mantendo sua temperatura interna dentro de limites de operação preestabelecidos.

[0003] As máquinas elétricas girantes resfriadas por manto d’água possuem amplo uso no ramo industrial e naval devido à sua elevada densidade de potência e dimensões reduzidas. Isso decorre de o trocador de calor do equipamento estar situado em torno da máquina elétrica por meio de canais de escoamento de água, os quais formam o chamado “manto d’água”.

[0004] São conhecidas da técnica diversas construções diferentes para o manto d’água. Em uma construção usual, o manto compreende um invólucro metálico constituído de uma camada de escoamento de água, em canais longitudinais paralelos ao eixo principal da máquina elétrica girante ou em um canal helicoidal que envolve todo o comprimento do invólucro.

[0005] Nas soluções conhecidas, as máquinas elétricas girantes resfriadas por manto d’água apresentam um ventilador centrífugo na região frontal ou traseira da máquina, responsável pelo escoamento do ar interno, sendo que, em geral, as máquinas apresentam dois dutos longitudinais que ligam a saída de ar do ventilador interno da máquina elétrica com o retorno de ar na extremidade da máquina oposta ao ventilador interno. [0006] Usualmente, esses dutos de escoamento de ar não têm o propósito principal de transferir calor à água do manto. O principal propósito de tais dutos de escoamento de ar é o de equalização da pressão de ar interna da máquina elétrica, por meio da ligação que o duto de escoamento de ar faz ao permitir a movimentação do ar que deixa o ventilador interno até o seu retorno à máquina elétrica.

[0007] Assim, tais dutos de escoamento de ar geralmente apresentam área de seção transversal adequada à vazão de ar que por ela escoa, sem qualquer preocupação com a troca térmica com os canais de escoamento de água do manto.

[0008] Na ausência de uma solução de resfriamento que lide diretamente com a temperatura do ar no volume interno do motor, o ar de ventilação no volume interno atinge temperaturas próximas e até mesmo superiores à temperatura dos enrolamentos de condutores do estator. Como resultado, os mancais de rolamentos do motor têm suas temperaturas elevadas em decorrência da área de troca térmica desses com o ar interno do motor.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0009] Assim, é um dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica girante em que o sistema de resfriamento é capaz de oferecer uma boa capacidade de resfriamento do ar interno.

[0010] É mais um dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica girante em que o invólucro possui um sistema de resfriamento que aumenta a área de troca térmica entre o fluido de resfriamento e o ar interno da máquina, reduzindo a temperatura média do ar interno.

[0011] É ainda outro dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica girante em que o sistema de resfriamento é capaz de reduzir significativamente a temperatura dos componentes da máquina que são resfriados pelo sistema.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0012] A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de uma máquina elétrica girante do tipo que compreende um invólucro que aloja um estator, um rotor concêntrico ao estator e disposto em um eixo principal da máquina, onde também é montado um ventilador, o invólucro compreendendo um sistema de resfriamento com pelo menos um canal de escoamento de líquido e pelo menos um canal de escoamento de ar longitudinal configurado para trocar calor com o canal de escoamento de líquido. O ventilador gera um escoamento de ar que é admitido no pelo menos um canal de escoamento de ar por uma primeira extremidade de admissão de ar; e o pelo menos um canal de escoamento compreende pelo menos um direcionador de ar disposto próximo à extremidade de admissão de ar do canal de escoamento de ar.

[0013] O direcionador de ar é disposto a uma distância D da extremidade de admissão de ar do canal de escoamento de ar, em que a distância D mede cerca de 30% da extensão longitudinal do canal de escoamento.

[0014] O canal de escoamento de ar pode possuir duas paredes laterais longitudinais, sendo que o direcionar de ar pode compreender um anteparo disposto em uma das paredes laterais.

[0015] O anteparo pode compreender uma chapa em formato trapezoidal.

[0016] O canal de escoamento de ar pode compreender dois anteparos direcionadores de ar, cada um dos anteparos sendo dispostos em uma das paredes do canal de escoamento em uma mesma posição longitudinal em relação ao eixo principal da máquina.

[0017] O invólucro pode compreender uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de líquido e uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de ar, em que os canais de escoamento de líquido trocam calor com os canais longitudinais de escoamento de ar.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0018] A presente invenção será descrita a seguir com mais detalhes, com referências aos desenhos anexos, nos quais:

[0019] Figura 1 - é uma vista em perspectiva em seção transversal de uma máquina elétrica girante que compreende o sistema de resfriamento de acordo com a presente invenção, a máquina sendo ilustrada sem a parede externa da carcaça;

[0020] Figura 2 - é uma vista em seção transversal da máquina elétrica girante que compreende o sistema de resfriamento de acordo com a presente invenção, a máquina sendo ilustrada sem a parede externa da carcaça;

[0021] Figura 3 - é uma vista em perspectiva da máquina elétrica girante que compreende o sistema de resfriamento de acordo com a presente invenção, a máquina sendo ilustrada sem a parede externa da carcaça;

[0022] Figura 4 - é uma representação gráfica da vazão do ar escoando em um canal de escoamento de ar de uma máquina elétrica sem direcionador de ar; e

[0023] Figura 5 - é uma representação gráfica da vazão do ar escoando em um canal de escoamento de ar de uma máquina elétrica de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0024] A presente invenção será descrita a seguir com base nas figuras 1 a 5.

[0025] Embora a presente descrição detalhada seja feita com base em uma concretização exemplificativa da invenção onde a máquina elétrica girante é um motor elétrico, deve ser entendido que o sistema de resfriamento da presente invenção poderia ser aplicado a qualquer tipo de máquina elétrica girante.

[0026] A figura 1 ilustra um motor elétrico do tipo que compreende uma carcaça ou invólucro 1 que aloja um estator 2, com um sistema de enrolamentos de condutores dispostos de forma axial ao longo de ranhuras em um núcleo ferromagnético, e um rotor 3 concêntrico ao estator. O rotor gira com um eixo principal 4 da máquina, sendo que o invólucro 1 fechado por tampas 5, 6 com aberturas para passagem das extremidades do eixo. O funcionamento de máquinas elétricas girantes com estator e rotor é plenamente conhecido pelos técnicos no assunto e, portanto, não será aqui pormenorizadamente descrito.

[0027] O invólucro 1 é, preferencialmente, de um material metálico e compreende um sistema de resfriamento por manto d’água formado por canais de escoamento de água 7. Embora a figura mostre canais longitudinais paralelos ao eixo principal da máquina elétrica girante, o caminho de escoamento de água poderia ter outro formato, como, por exemplo, um canal helicoidal que envolve todo o comprimento do invólucro.

[0028] A máquina elétrica compreende um ventilador centrífugo 8 na região frontal da máquina. Naturalmente, embora a figura mostre um ventilador frontal, o uso se um ventilador traseiro seria igualmente possível.

[0029] Ao deixar o ventilador 8, a direção de escoamento do ar é geralmente vertical, sendo que o fluxo muda de direção para a direção axial ao encontrar as paredes do invólucro 1 (vide figura 1 , onde a direção do fluxo de ar é representada por setas).

[0030] Na máquina da presente invenção, o sistema de refrigeração compreende pelo menos um canal de escoamento de ar 9 disposto externamente adjacente ao canal de escoamento de água, de modo que o canal de escoamento de ar 9 realiza uma troca térmica com o canal de escoamento de água 7. Na figura 1 , o fluxo de água no canal 7 é mostrado em cor mais escura e o fluxo de ar no canal 8 é mostrado em setas.

[0031] Na concretização da invenção mostrada nas figuras, o invólucro compreende uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de ar 9 que são dispostos adjacentes à pluralidade de canais longitudinais de escoamento de água 7. No entanto, a presente invenção seria igualmente funcional com um único canal de escoamento de ar em contato com um ou mais canais de escoamento de água. [0032] Como mostrado nas figuras 1 e 2, o escoamento de ar que muda de direção ao encontrar as paredes do invólucro 1 fluirá para os canais longitudinais de escoamento de ar 9.

[0033] Assim, ao entrar nos canais longitudinais o ar pode ter uma direção inclinada em relação à direção do eixo principal da máquina, o que pode fazer com que o escoamento fique concentrado em uma área específica do canal 9.

[0034] Para maximizar a área superfície do canal de escoamento de ar por onde passa o escoamento de ar, o sistema da presente invenção inclui um ou mais direcionadores de ar 10 que desviam a direção do escoamento, impedindo que o mesmo fique concentrado em uma área específica do canal.

[0035] Conforme mostrado na figura 3, o ar pode adentrar o canal de escoamento de ar 9 já com uma direção inclinada em relação ao eixo principal 4 da máquina, de modo que é interessante que o direcionador de ar 10 seja disposto próximo à extremidade em que ocorre a admissão de ar no canal de escoamento de ar.

[0036] A distância D de posicionamento do direcionador de ar 10 (vide figura 2) varia de acordo com as condições operacionais do ventilador interno, como rotação, dimensões e grau de inclinação de suas pás.

[0037] De qualquer modo, a distância D geralmente fica posicionado na região que compreende 30% do comprimento longitudinal do canal de escoamento de ar 9, considerando como referência a extremidade onde está localizado o ventilador.

[0038] Na concretização ilustrada nas figuras 1 a 3, o direcionador de ar 10 é um anteparo disposto na parede 1 1 que separa os canais de escoamento 9.

[0039] O anteparo 10 está preferencialmente no formato de uma chapa trapezoidal, que se estende transversalmente à direção do eixo principal 4. O formato trapezoidal faz com que o direcionador tenha maior extensão transversal na região radialmente mais externa do canal, o que possibilita a passagem do fluxo mais proximamente da parede de interface entre o canal 9 e o canal 7.

[0040] Cada canal de escoamento 9 pode conter um único anteparo 10, por exemplo, quando a máquina elétrica girante possui um único sentido de rotação, ou um anteparo em cada parede longitudinal, quando a máquina elétrica girante for apta a operar em ambos os sentidos horário e anti-horário. Nesse segundo caso, como mostrado na figura 3, os anteparos 10 estão na mesma posição longitudinal e opostos em relação à linha central do canal de escoamento de ar 9.

[0041] De modo a melhor ilustrar o funcionamento da presente invenção, as figuras 4 e 5 mostram uma representação gráfica do escoamento de ar por um canal de escoamento de ar longitudinal 9 em uma máquina elétrica girante resfriada por manto d’água.

[0042] Na figura 4, onde o canal não possui um direcional de ar, o escoamento de ar fica concentrado na parede A, diminuindo o volume de ar em contato com a superfície B. Assim, a troca de calor se dá de modo não uniforme, sendo menos intensa na parte do canal de água em contato com a proximidade da superfície B.

[0043] Na figura 5, onde o canal de escoamento de ar 9 possui dois direcionares de ar 10 dispostos no início do escoamento do ar do canal, ao passar pelo direcionador, a vazão de ar é redirecionada para o centro do canal de escoamento para que se redistribua pela área transversal. Assim, a superfície em contato com o canal de escoamento de água é“banhada” por uma vazão de ar transversamente distribuída.

[0044] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferida da presente invenção, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras variações possíveis do conceito inventivo descrito, sendo limitadas tão somente pelo teor das reivindicações, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1 . Máquina elétrica girante do tipo que compreende um invólucro (1 ) que aloja um estator (2), um rotor (3) concêntrico ao estator e disposto em um eixo principal (4) da máquina, em cujo eixo também é montado um ventilador (8), o invólucro (1 ) compreendendo um sistema de resfriamento com pelo menos um canal de escoamento de líquido (7), caracterizada pelo fato de que:

o invólucro (1 ) compreende ainda pelo menos um canal de escoamento de ar longitudinal (9) configurado para trocar calor com o canal de escoamento de líquido (7);

o ventilador (8) gera um escoamento de ar que é admitido no pelo menos um canal de escoamento de ar (9) por uma primeira extremidade de admissão de ar; e

o pelo menos um canal de escoamento de ar (9) compreende pelo menos um direcionador de ar (10) disposto próximo à extremidade de admissão de ar do canal de escoamento de ar (9).

2. Máquina elétrica girante de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pelo fato de que o direcionador de ar (10) é posicionado na região que compreende 30% do comprimento longitudinal do canal de escoamento de ar (9), considerando como referência a localização longitudinal do ventilador (8).

3. Máquina elétrica girante de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um canal de escoamento de ar (9) possui as duas paredes laterais longitudinais (1 1 ), em que o pelo menos um direcionador de ar (10) compreende um anteparo disposto em uma das paredes laterais (1 1 ) do canal (9).

4. Máquina elétrica girante de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o anteparo compreende uma chapa em formato trapezoidal (10).

5. Máquina elétrica girante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um canal de escoamento de ar (9) compreende dois anteparos direcionadores de ar (10), cada um dos anteparos (10) sendo disposto em uma das paredes (1 1 ) do canal de escoamento de ar (9) em uma mesma posição longitudinal em relação ao eixo principal (4) da máquina.

6. Máquina elétrica girante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o invólucro compreende uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de líquido (7) e uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de ar (9), em que os canais de escoamento de líquido (7) trocam calor com os canais longitudinais de escoamento de ar (9).