Сердечник статора электрогенератора - RU2210157C2
Код документа: RU2210157C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение в целом относится к электрогенераторным машинам и, более конкретно, к средствам увеличения скорости теплообмена внутри охлаждающих каналов, используемых для вентиляции сердечника статора таких машин.
Обычно специалистами по проектированию электрических генераторов понимается, что мощность существующих машин для производства электроэнергии ограничена физическим размером, который должен быть минимизирован для того, чтобы минимизировать также стоимость. Проектировщики дополнительно принимают во внимание ограничения по размеру и весу, налагаемые отечественными иностранными наземными системами транспортирования.
Также обычно понятно, что магнитные и резистивные потери статора приводят к генерации теплоты, которая должна быть рассеяна, чтобы избежать электромеханического отказа, и что эти потери налагают серьезное ограничение на мощность машины данного физического размера. В прошлом высокая теплоемкость и теплопроводность газообразного водорода успешно использовалась изготовителями в поисках удовлетворения потребностей заказчика в увеличенной мощности при ограничениях физической оболочки для перевозки и тепловой нагрузки. Для тех заказчиков, кто не желает подвергаться дополнительной оплате и сложности водородного охлаждения, изготовители должны изобрести средства управления увеличениями тепловой нагрузки, сопровождающими их усилия, чтобы добиться получения дополнительной мощности от машин заданного физического размера.
Современное состояние техники отличается наличием радиального канала, сформированного разделяющими сердечник статора слоями и расположенными радиально внутренними распорными блоками, как показано на фиг.1 и как описано ниже. Газообразный жидкостный поток вынуждают двигаться в радиальном направлении внутрь от области повышенного давления, далее к сердечнику статора к воздушному зазору ротор/статор (радиальное направление потока наружу также возможно). Эти радиальные каналы объединяют в конструкцию, которую называют пакетом; пакет состоит из нескольких слоев стали (семьдесят в одном примере), наложенных один поверх другого. Пакеты отделяются радиально ориентированными внутренними распорными блоками, которые вместе со смежными слоями соседних пакетов определяют радиальные каналы вентиляции.
Поток жидкости внутри пакетов многослойного сердечника удаляет омические потери и магнитные потери посредством конвективной теплопередачи. Специалисты знают эту конфигурацию как общую и знают также, что этот поток должен быть турбулентным в смысле гидродинамики в области (радиально внутренней) зубца канала. Заявители также не осведомлены о каких-либо предшествующих усилиях по увеличению теплопередачи в канале сердечника статора посредством увеличения турбулентности или устройств, увеличивающих площадь поверхности. Заявители не осведомлены о каком-либо другом применении турбуляторов к статорам турбогенераторов, хотя использование турбуляторов для увеличения скорости охлаждения во внутренних проходах потока лопаток турбины реактивного двигателя самолета известно.
Изобретение имеет важное применение для увеличения возможной выходной мощности турбогенераторов данной физической размерности, приводя к уменьшению стоимости производства в расчете на мегаватт выходной мощности. Альтернативно изобретение допускает уменьшение физического размера машин заданного номинала, которая аналогично приводит к экономии стоимости. Третье возможное применение изобретения состоит в уменьшении паразитных потерь на перекачивание охлаждающего потока и преодоление сопротивления воздуха, приводя к увеличению общей эффективности и уменьшению воспринимаемого уровня шума. Изобретение требует только малой модификации конструкции существующего сердечника статора и не требует добавления никаких новых компонентов. Изобретение имеет непосредственное применение к большому классу электрогенераторных машин, которые используют газообразный поток воздуха или водорода (и, возможно, другие газы, такие как гелий) для охлаждения.
В наилучших вариантах осуществления изобретение содержит множество выступов, называемых в дальнейшем "турбуляторами", но известных также в теории теплопередачи в качестве ребер или "расщепителей", которые выступают в каналы охлаждения сердечника статора. Первичная функция турбулятора заключается в увеличении степени турбулентного гидродинамического перемешивания между нагретой жидкостью, находящейся по соседству со стенкой канала, и относительно более холодной жидкостью вблизи центральной линии канала. Эта увеличенная степень перемешивания приводит более холодную жидкость в контакт со стенкой канала, создавая больший потенциал для теплопередачи. Вторая особенность канала с турбулентностью заключается в увеличении площади поверхности, открытой для конвективного охлаждения газом. Третья особенность заключается в создании областей внутри канала в окрестности турбулятора. локального гидродинамического отделения и повторного присоединения, при котором имеет место локальное увеличение теплопередачи.
Описанное изобретение, таким образом, удовлетворяет требованиям, отмеченным выше, посредством увеличенных скоростей удаления тепла от обмоток ротора генератора турбогенераторов большой электрической мощности. Изобретение также удовлетворяет все более и более увеличивающуюся потребность в новом управлении, при котором в результате изобретения никакие новые компоненты не вводятся в генератор. Наконец, изобретение удовлетворяет потребность в широкой применимости ко всей производственной линии, поскольку оно может применяться вместе с любой газообразной или жидкой средой охлаждения, используемой в настоящее время, или является приемлемым для будущего применения специалистами.
Таким образом, настоящее изобретение приводит к значительному уменьшению падения температуры между обмотками проводника статора и температурой холодного газа при данном расходе в паразитных потерях на перекачивание охлаждающего потока. Эта большая возможность может использоваться для создания генераторов большей выходной мощности при данном физическом размере. Альтернативно изобретение допускает снижение паразитной потери на перекачивание охлаждающего потока и преодоление сопротивления воздуха, приводя к увеличению эффективности и снижению шума для данного номинала и физической размерности.
Настоящее изобретение также предлагает заказчику увеличенную выходную мощность для данного размера машины, особенно в случаях, когда мощность устройства близка к точке перехода между технологиями охлаждения. Например, это изобретение может допускать применения охлаждаемой воздухом машины при номинале, который в противном случае требовал бы охлаждаемой водородом машины. Это является коммерчески привлекательной особенностью, так как много заказчиков пытаются избежать увеличения стоимости, связанной с безопасностью и сложностью охлаждения водородом. В качестве второго примера это изобретение допускает применение охлаждаемой водородом машины при номинале, который в противном случае требовал бы конструкции пластины статора, охлаждаемой жидкостью. В этом случае стоимость и сложность устройства для поддержания деионизованной воды устраняется.
Особое преимущество изобретения заключается в том, что оно является полностью пассивным методом увеличения теплопередачи, не требуя никаких химических добавок, подачи акустических сигналов или другого активного стимула. Изобретение особенно легко изготавливается, требуя только простой продольной резки и операции формовки в качестве одной из стадий формирования слоя в дыропробивном прессе. Изобретение не требует точных допусков, чтобы функционировать так, как ожидается. Наконец, изобретение применимо ко всей производственной линии и для охлаждаемых воздухом и охлаждаемых водородом машин и фактически применимо к любой жидкости или газообразной среде охлаждения.
В первом варианте осуществления изобретения турбуляторы формируют в ярме или радиально внешней области одного из двух слоев, которые образуют соответствующий проход хладагента. Турбуляторы радиально отделены друг от друга внутри каждого из радиальных каналов. Турбуляторы обычно выступают перпендикулярно направлению потока и выступают в канал приблизительно на 20% от высоты канала (то есть, расстоянием между соседними слоями, которые определены внутренними распорными блоками).
Во втором, и в настоящее время предпочтительном варианте осуществления аналогичные турбуляторы формируют прежде всего в областях зубцов соответствующего слоя, выступая только частично в область ярма.
В третьем варианте осуществления каждый турбулятор образован парой ушек, ориентированных, по существу, в виде V-образной конструкции. Турбуляторы имеются только в области ярма, но могут находиться также в области зубца.
В четвертом варианте осуществления каждый турбулятор образуется одиночным ребром или ушком, совмещенным с потоком хладагента, с турбуляторами, выступающими в радиальном направлении в области зубца и ярма. Это расположение вызывает меньшее падение давления по сравнению с турбуляторами, установленными поперечно потоку.
Во всех описанных вариантах осуществления увеличение теплопередачи ожидается из-за неровности, связанной не только с турбуляторами как таковыми, но также с впадиной в поверхности канала, которая получается в результате формирования ребра или турбулятора из слоя.
В каждом случае ушко или ребро, которое образует весь или часть турбулятора, вырезают и затем изгибают из плоскости слоистой структуры на угол, изменяющийся в пределах от приблизительно 30o до приблизительно 90o, с предпочтительным диапазоном от приблизительно 30o до приблизительно 45o.
Таким образом, в своих более широких аспектах изобретение относится к конструкции сердечника статора электрогенератора машины, в которой смежные пакеты сложенных слоев отделяются множеством вытянутых в радиальном направлении распорных блоков и в которой каждая смежная пара распорных блоков определяет совместно со смежными отделенными в осевом направлении слоями канал охлаждения, причем усовершенствование содержит множество "элементов-турбуляторов" в каждом канале охлаждения, причем каждый трубчатый элемент выступает в указанный канал от одной стороны указанных смежных отделенных в осевом направлении слоев.
Другие задачи и преимущества изобретения станут очевидным из подробного описания, которое приводится ниже.
На
фиг.1 изображен частичный увеличенный вид сбоку известной конструкции слоистой структуры сердечника статора;
на фиг.2 - сечение распорного блока, встроенного в конструкцию, показанную на
фиг.1;
на фиг.3 - частичный увеличенный вид сбоку конструкции слоистой структуры сердечника статора в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 3А
- увеличенный вид в перспективе турбулятора, показанного на фиг.3;
на фиг.4 - частичный увеличенный вид сбоку конструкции слоистой структуры сердечника статора в соответствии со вторым
вариантом осуществления изобретения;
на фиг.4А - увеличенная деталь, взятая из фиг.4;
на фиг.4В - сечение по линии 4В-4В на фиг.4А;
на фиг.5 - частичный увеличенный вид
сбоку конструкции слоистой структуры сердечника статора в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
на фиг.5А - частичный вид в перспективе турбулятора, показанного на фиг.
5;
на фиг.6 - частичный увеличенный вид сбоку конструкции слоистой структуры сердечника статора в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения;
На фиг. 1 изображена
часть известной конструкции 10 слоистой структуры сердечника статора. Конструкция может содержать приблизительно 70 дискретных слоев внутри "пакета" 12 за исключением того, что, как отмечено ниже, эти
слои имеют обычно толщину от 0,03556 см до 0,04572 см, а пакет слоев - толщину приблизительно от 2,54 см до 7,62 см. Множество внутренних распорных блоков или стержней 16 прикреплены к "наиболее
внешнему" слою 14 пакета и вытянуты в радиальном направлении вдоль части 18 в ярме слоя сердечника, а более длинные распорные блоки или стержни вытянуты в радиальном направлении не только вдоль
области 18 ярма, но также в радиально внутренней области 20 зубца. Слой, к которому приварены внутренние распорные блоки, является более толстым, чем остальные слои в пакете, обычно толщиной 0,0635
см. Внутренние распорные блоки 16 имеют обычно форму I-образной балки в поперечном сечении (см. фиг. 2) с плоскими сторонами, соединяющими соседние пакеты слоистого сердечника статора, чтобы, таким
образом, определить множество радиально вытянутых проходов или каналов для хладагента между смежными распорными блоками. В зависимости от конкретной конструкции охлаждения поток хладагента может
направляться в радиально-внутреннем или радиально-внешнем направлении. Обычно внутренние распорные блоки имеют высоту приблизительно 0,635 см, которые также затем определяют высоту прохода для
хладагента. Ширина распорных блоков также составляет приблизительно 0,635 см.
На фиг. 3 иллюстрируется первый вариант осуществления рассматриваемого изобретения. Пакет 22 слоистого сердечника статора обычно аналогичен показанному на фиг.1 в том, что радиально ориентированные проходы для хладагента сформированы радиально вытянутыми распорными блоками 24 и двумя смежными слоями смежных пакетов слоев. Фиг.3 также иллюстрирует расположение и ориентацию множества турбуляторов 26 внутри каждого из радиально вытянутых каналов охлаждения. Таким образом, можно видеть, что турбуляторы 26 расположены через регулярные интервалы в радиальном направлении и следуют обычно за искривлением конструкции сердечника статора в круговом направлении. Также следует заметить, что турбуляторы 26 появляются только в области 28 ярма конструкции слоистого сердечника статора и не в области 30 зубца.
Из фиг. 3А можно видеть, что турбуляторы 26 сформированы только в одиночном слое 32 из многих слоев 32, 32а, 32b, 32с,... в пакете, который образует одну стенку канала охлаждения. В этом варианте осуществления турбулятор 26 может иметь ширину 0,9652 см и ориентироваться под углом 90o относительно плоскости слоистой конструкции. Следует отметить, однако, что турбуляторы могут быть сформированы под углом, например, 30o или 45o относительно плоскости слоя, как описано ниже применительно к фиг.4В. Эти турбуляторы сформированы ребрами или ушками, которые вырублены из слоя, а затем изогнуты так, чтобы выступать в проход для хладагента. Это, конечно, выполняют до сборки соответствующего пакета. Слой, в котором сформированы турбуляторы, имеет толщину приблизительно 0,0635 см, в то время как другие слои 32а, b, с и т.д. в пакете имеют толщину стенки приблизительно 0,03556 см. Обычно в каждом пакете имеются приблизительно 70 слоев. Отношение между радиальным интервалом турбуляторов (например, приблизительно 0,9525 см) к высоте турбуляторов (например, приблизительно 0,635 см) предпочтительно составляет приблизительно 15, но может быть приблизительно от 5 до 20.
Заметим, что никакой точечной сварки не требуется, чтобы соединить турбуляторы. Этим не только устраняется дополнительный этап изготовления точечной сваркой, но также препятствует возможности отделения турбулятора от поверхности канала и перемещению в генераторе, подвергаемому сильным магнитным полям. Турбуляторы могут, однако, быть приварены непосредственно к слоям, содержащим канал.
Внутренний распорный блок 26 в соответствии с настоящим изобретением имеет обычное прямоугольное поперечное сечение и высоту приблизительно 0,3175 см. Что касается турбуляторов, имеющих высоту приблизительно 0,0635 см, турбуляторы выступают в проход для хладагента приблизительно на 20% высоты прохода или приблизительно на 10% гидравлического диаметра канала.
В соответствии с обычной практикой слой 32, образующий стенки прохода для хладагента, обычно изготавливают из углеродистой стали, в то время как остальные слои 32а, b, с и т.д. в пакете изготавливают из кремнистой стали. Здесь следует отметить, однако, что выбор материалов и толщин материалов в соответствии с этим изобретением обычно не изменяется по сравнению с теми же размерами (параметрами конструкций предшествующего уровня техники), которое изображено, например, на фиг.1.
На фиг. 4, 4А и 4В изображен другой и предпочтительный вариант осуществления изобретения, в котором турбуляторы 34 сформированы в слое 36, прежде всего в областях 38 зубца, но частично выступающие в область 40 ярма. Турбуляторы также сформированы в радиальных проходах между внутренними радиально расположенными распорными стержнями 42, которые дополнительно определяются смежными слоями смежных пакетов. Радиальный интервал между турбуляторами и способ, которым сформированы турбуляторы, в противном случае аналогичен описанию, представленному выше применительно к фиг.3 и 3А. Одно изменение, однако, заключается в том, что турбуляторы 34 вырублены из слоя 36 так, что турбулятор выступает под углом 30-45o относительно соответствующего слоя. Это сделано прежде всего для облегчения вырезки и вырубки, которым сформированы турбуляторы. Максимальное расстояние выступа турбулятора 34 в проход для хладагента также составляет приблизительно 0,0635 см.
На фиг. 5 и 5А изображен еще один вариант осуществления изобретения, в котором турбуляторы 44 сформированы в соответствующем слое 46 соответствующего пакета слоев в виде пары ушек 48, ориентированных так, чтобы образовать по существу вихревые генераторы V-образной формы. Стрелка указывает нормальную ориентацию турбуляторов относительно потока, но ориентация может быть изменена. Радиальный интервал между турбуляторами 44 больше, чем между турбуляторами 34, отражая радиальный компонент V-формы. В противном случае общее расположение турбуляторов внутри области ярма слоистой структуры сердечника статора между смежными распорными блоками 50 аналогично расположению, показанному на фиг. 3 и 3А. В этом случае, однако, используется операция вырубки, чтобы вырезать и изогнуть пару элементов для создания вышеупомянутой, по существу, V-образной формы. Можно ожидать, что этот вариант осуществления обеспечит даже дальнейшее увеличение теплопередачи в связи с неровностями, связанными с большей впадиной 51 в поверхности канала, которая получается при формировании ребра или турбулятора из слоя.
На фиг.6, где изображено еще одно расположение турбуляторов, турбуляторы 52 не только простираются радиально вдоль слоя 54 сердечника статора из соответствующего пакета слоев в областях 56, 58 зубца и ярма соответственно, но ориентация турбулятора изменена так, чтобы ушко располагалось параллельно распорным блокам 60 и параллельно направлению потока.
Отметим, что в каждом из вышеупомянутых списанных вариантов осуществления турбуляторы изображены выступающими только с одной стороны соответствующих каналов охлаждения. Турбуляторы могут выступать, однако, с обеих сторон каналов или в продольном направлении или в шахматном порядке в радиальном направлении.
Тестирование "тубулированных" каналов для хладагента, аналогичных изображенной на фиг. 4, 4А и 4В предпочтительной конструкции, показывает, что эффективность теплопередачи вблизи "тубулированной" стенки приблизительно в два раза лучше, чем та, которая обнаруживается в гладких проходах для потока хладагента.
В то время как изобретение было описано применительно к наиболее практичному и предпочтительному в настоящее время варианту осуществления, должно быть понятно, что изобретение не должно быть ограничено раскрытым вариантом осуществления, а, напротив, предназначено для охвата различных модификаций и эквивалентных конструкций без отрыва от объема и формы прилагаемой формулы изобретения.
Реферат
Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкциям сердечников статоров электрических машин со средствами увеличения скорости теплообмена внутри каналов охлаждения сердечника. Сущность изобретения состоит в том, что в сердечнике статора электрогенератора смежные пакеты сложенных слоев отделяются множеством радиально простирающихся распорных блоков, а каждая смежная пара распорных блоков определяет совместно со смежными разделенными в направлении оси слоями канал охлаждения. При этом согласно изобретению в каждом канале охлаждения содержится множество элементов турбуляторов, каждый из которых имеет в указанном канале выступ, по меньшей мере, из одной стороны указанных смежных разделенных в направлении оси слоев. Технический результат от использования данного изобретения состоит в значительном увеличении выходной мощности электрогенераторов и в снижении шума путем уменьшения падения температуры между обмотками статора и температурой охлаждающего газа, снижения паразитных потерь на перекачивание потока охлаждающего газа, а также в том, что данное изобретение обеспечивает полностью пассивный метод увеличения теплопередачи при одновременной простоте изготовления сердечника. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.
