NO150500B - COOLING OF A DYNAMOELECTRIC SYNCHRON MACHINE - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår kjøling av en dynamoelektrisk synkronmaskin innbefattende en i begge retninger roterbar lagret aksel, en feltvikling fordelt på et antall poler i et vekselforhold med.flere akseparallelt forløpende mellomrom mellom polene, en ytterkappe som omgir akselen og understøtter denne, en første rekke med vinger omfattende stasjonære vingerekker og roterbare vingerekker, idet den roterbare vingerekken er festet til akselen for rotasjon med denne, idet hver av de stasjonære vingerekkene er understøttet av ytterkappen og aksialt tilliggende de roterbare vingerekker, idet de roterbare vingene i samvirke med de stasjonære vingerekkene ved den første ende, aksialt presser et kjølemiddel gjennom mellomrommene mellom polene til den andre enden av akselen når akselen roteres i en første retning og en andre rekke med roterbare vinger i samvirke med de stasjonære vingerekkene ved den andre akselenden, aksialt presser et kjølemiddel gjennom mellomrommene mellom polene til akselens første ende når akselen blir dreiet i en andre retning. The invention relates to the cooling of a dynamo-electric synchronous machine including a bearing shaft rotatable in both directions, a field winding distributed over a number of poles in an alternating ratio with several spaces running parallel to the axis between the poles, an outer casing which surrounds the shaft and supports it, a first row of wings comprising stationary rows of wings and rotatable rows of wings, the rotatable rows of wings being attached to the shaft for rotation with this, each of the stationary rows of wings being supported by the outer casing and axially adjacent to the rotatable rows of wings, the rotatable wings cooperating with the stationary rows of wings at the first end , axially pushes a refrigerant through the spaces between the poles of the other end of the shaft when the shaft is rotated in a first direction and a second row of rotatable vanes in cooperation with the stationary rows of vanes at the other shaft end, axially pushes a refrigerant through the spaces between the poles of the shaft first e end when the shaft is turned in a different direction.

I store innvendig kjølte hydrogeneratorer anvendes ofte gasskjøling for feltviklingen ved endeventilerte maskiner og omkretsventilerte maskiner. Endeventilerte maskiner er forsynt med radiale kanaler i statoren slik at kjølegass trer inn i begge ender av rotoren, passerer mellom rotorpolene inn i luftgapet mellom rotor og stator og så radialt ut gjennom statorkanalene. Endeventilerte maskiner har en sentrifugalvifte forbundet med rotoren på hver akselende mens en omkretsventilert maskin har radiale åpninger i rotoren som gjør at rotoren virker som radial sentrifugalvifte og presser luft gjennom omkretsåpninger og inn i mellomrommene mellom polene i kontakt med feltviklingen. In large internally cooled hydrogenerators, gas cooling is often used for the field winding in end-ventilated machines and circumferentially ventilated machines. End-vented machines are equipped with radial channels in the stator so that cooling gas enters both ends of the rotor, passes between the rotor poles into the air gap between rotor and stator and then radially out through the stator channels. End ventilated machines have a centrifugal fan connected to the rotor at each shaft end while a circumferentially ventilated machine has radial openings in the rotor which make the rotor act as a radial centrifugal fan and force air through circumferential openings and into the spaces between the poles in contact with the field winding.

Ulempene ved den sistnevnte ventilasjon er at kjølemiddel-trykket begrenses i enkelttrinnradialvifter og et mindre effektivt areal for rotoromkretsen som følge av de radiale ventilasjonsåpninger. Endeventilerte maskiner har vanligvis enkelttrinnsentrifugalvifter som følge av at flertrinnsen-trifugalvifter er kompliserte og kostbare og upraktiske som følge av"den begrensede aksiale plass i mange elektriske maskiner såsom hydrogeneratorer for pumpekraftverk. Sentri-fugalvifter ved endeventilasjon medfører derfor begrens- The disadvantages of the latter ventilation are that the coolant pressure is limited in single-stage radial fans and a less effective area for the rotor circumference as a result of the radial ventilation openings. End-vented machines usually have single-stage centrifugal fans as a result of multi-stage centrifugal fans being complicated and expensive and impractical due to the limited axial space in many electrical machines such as hydrogen generators for pumped power plants. Centrifugal fans with end ventilation therefore entail limited

ning av kjølemedietrykket likesom ved de omkretsventilerte maskiner. Det lave trykk som utvikles ved endeventilerte og omkretsventilerte maskiner' begrenser kjølemediumhastig — heten forbi feltviklingen hvilket resulterer i en maskin hvis nominelle kraft begrenses av den høye temperatur i feltviklingen. Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe reversible elektriske maskiner slik som en- hydrogenerator med øket kjølemediumtrykk og -hastighet, slik at maskiner av enhver størrelse kan gis større kjølevirkning av feltviklingen i begge rotasjonsretninger, og minske påkjenningen på rotoromkretsen i maskiner med omkretsventilasjon. ning of the refrigerant pressure, as with the circumferentially ventilated machines. The low pressure developed by end-vented and circumferentially-vented machines' rapidly limits the refrigerant heat past the field winding resulting in a machine whose rated power is limited by the high temperature in the field winding. The purpose of the invention is to provide reversible electrical machines such as a hydrogen generator with increased coolant pressure and speed, so that machines of any size can be given a greater cooling effect by the field winding in both directions of rotation, and reduce the stress on the rotor circumference in machines with peripheral ventilation.

Dette oppnåes ifølge oppfinnelsen ved at vingerekkene ved This is achieved according to the invention by the rows of wings having

den ene og andre ende av akselen omfatter en første ytre og en første indre og en andre ytre og en andre indre seksjon, hvor hver av de ytre seksjoner omfatter en første, rett, stasjonær rekke vinger på aksialt motsatte ender av akselen, en første, rett,skråstilt roterbar rekke vinger aksialt overfor den første stasjonære rekke og nærmere polene enn denne, og en andre, rett, stasjonær rekke vinger aksialt mellom den første roterbare rekke og polene, og hvor hver av de indre seks.joner omfatter minst to rekker krumme vinger aksialt overfor hverandre mellom en av de ytre seksjoner og polene, og at tilsvarende rekker av krumme vinger for de indre seksjoner har samme korder og motsatte krumming, slik at den første indre seksjon gir maksimalt tillegg og den andre indre seksjon, gir minimalt fratrekk og energi til resp. fra kjølemediet når akselen roterer i den første retningen, mens den andre indre seksjon gir maksimalt tillegg og den første indre seksjon gir minimalt fratrekk av energi til resp. fra kjølemediet når akselen roterer i den andre retningen . the one and other ends of the shaft comprise a first outer and a first inner and a second outer and a second inner section, each of the outer sections comprising a first, straight, stationary row of vanes on axially opposite ends of the shaft, a first, straight, inclined rotatable row of blades axially opposite the first stationary row and closer to the poles than this, and a second, straight, stationary row of blades axially between the first rotatable row and the poles, and where each of the inner sections comprises at least two rows of curved wings axially opposite each other between one of the outer sections and the poles, and that corresponding rows of curved wings for the inner sections have the same chords and opposite curvatures, so that the first inner section gives maximum addition and the second inner section, gives minimal subtraction and energy to resp. from the coolant when the shaft rotates in the first direction, while the second internal section provides maximum addition and the first internal section provides minimal subtraction of energy to resp. from the refrigerant when the shaft rotates in the other direction.

Ytterligere trekk fremgår av kravene 2-3. Further features appear in requirements 2-3.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvis-ning til tegningene. The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings.

Fig. 1 viser en del av et aksialt snitt gjennom en Fig. 1 shows part of an axial section through a

hydrogenerator ifølge oppfinnelsen. hydrogen generator according to the invention.

Fig. 2 viser et snitt langs linjen II-II på fig. 1. Fig. 2 shows a section along the line II-II in fig. 1.

Fig. 3 viser skjematisk hvorledes vingene er anbrakt Fig. 3 shows schematically how the wings are placed

aksialt på hver ende av akselen. axially at each end of the shaft.

Fig. 4A og 4B viser rette og krumme vinger sett ovenfra. Fig. 4A and 4B show straight and curved wings seen from above.

Den elektriske maskin 10 på fig. 1 er en hydrogenerator som er reversibel og virker enten som vannhjulsdrevet generator eller som elektrisk motor for drift av en pumpe. Akselen 12 er lagret i lågere 14 og er forsynt med en ventilator 16 resp. The electric machine 10 in fig. 1 is a hydrogen generator which is reversible and acts either as a water wheel driven generator or as an electric motor for operating a pump. The shaft 12 is stored in bearings 14 and is provided with a ventilator 16 or

18 i hver ende av feltviklingsområdet 20. Feltviklingen 18 at each end of the field winding area 20. The field winding

20 er viklet om et antall poler 22 som er atskilt ved mellomrom 24 slik det bedre fremgår av fig. 2. Når akselen roterer med urviseren, bringer ventilatoren 16 kjølemedium i form av luft inn i mellomrommene 24 langs feltviklingen 20 til ventilatoren 18 i den motsatte.ende. Ventilatoren 18 er be-regnet på å ta ut minst mulig energi og dynamisk trykk frå kjølemediet, men tilfører ekstra statisk trykk til dette. 20 is wound around a number of poles 22 which are separated by spaces 24 as is better seen in fig. 2. When the shaft rotates clockwise, the fan 16 brings cooling medium in the form of air into the spaces 24 along the field winding 20 to the fan 18 at the opposite end. The ventilator 18 is designed to extract the least possible energy and dynamic pressure from the refrigerant, but adds extra static pressure to this.

Kjølemediet forlater ventilatoren 18 og følger pilene til The cooling medium leaves the fan 18 and follows the arrows to

det trer inn i ventilatoren 16. Kjølemediet passerer mellom ventilatoren 18 og 16 en kjøler 26 som fjerner varme fra kjølemediet som kjølemediet har fjernet fra feltviklingen 20. Selv om kjøleren 26 er vist som en integrerende del i en ytterkappe 28, er det klart at. denne kan befinne seg utenfor kappen og selv uten denne vil ventilatorene fjerne varme ved å trekke inn kjølig atmosfæreluft ved den ene ende og blåse den ut ved den andre ende. Fig. 1 viser en stator 30 som er atskilt, fra feltviklingene 20 med en luftspalte 32. Statoren 30 kjøles ved at det er anordnet tilførselskapper 34 med et andre kjølemedium som presses gjennom aksialt forløpende it enters the fan 16. The cooling medium passes between the fan 18 and 16 a cooler 26 which removes heat from the cooling medium which the cooling medium has removed from the field winding 20. Although the cooler 26 is shown as an integral part of an outer casing 28, it is clear that. this can be outside the jacket and even without this the ventilators will remove heat by drawing in cool atmospheric air at one end and blowing it out at the other end. Fig. 1 shows a stator 30 which is separated from the field windings 20 by an air gap 32. The stator 30 is cooled by the arrangement of supply jackets 34 with a second cooling medium which is pressed through axially

åpninger i statorviklingen 36 slik at kjølemediet fjerner varme- fra statorviklingen gjennom utløpskapper' 38. For rotasjon av akselen mot urviseren, vil ventilatoren 18 presse kjølemediet i motsatt aksial retning mot ventilatoren 16 og deretter langs pilene i motsatt retning av det som tidligere er beskrevet. openings in the stator winding 36 so that the coolant removes heat from the stator winding through outlet caps' 38. For rotation of the shaft counter-clockwise, the fan 18 will push the coolant in the opposite axial direction towards the fan 16 and then along the arrows in the opposite direction to what was previously described.

På fig. 2 er akselen forsynt med poler 22 jevnt fordelt på omkretsen. Eeltviklingen 20 er viklet om polene 22 og har finner 40 som rager sideveis ut i mellomrommene 24 mellom polene. Finnene 40 tjener til å øke varmeovergangen mellom feltviklingen og kjølemediet som drives aksialt gjennom mellomrommene 24 idet ledeplater 42 er anbrakt mellom finnene og smalner av i radial retning for å øke "Reynolds" tall for kjølemediet og gi en jevn tverrsnittsform for kjølemedie-strømmen forbi finnene 40. In fig. 2, the shaft is provided with poles 22 evenly distributed on the circumference. The coil winding 20 is wound around the poles 22 and has fins 40 which protrude laterally into the spaces 24 between the poles. The fins 40 serve to increase the heat transfer between the field winding and the refrigerant which is driven axially through the spaces 24 as baffles 42 are placed between the fins and taper in a radial direction to increase the "Reynolds" number of the refrigerant and provide a uniform cross-sectional shape for the refrigerant flow past the fins 40.

Fig. 3 viser fem aksiale rekker av vinger på ventilatorene 1 og 18. Ventilatorene er anordnet aksialt på hver ende av polene..Ledeplaten 42 deler mellomrommet mellom polene. Rekken 44 av vinger i ventilatoren 16 er rette som vist på Fig. 3 shows five axial rows of blades on ventilators 1 and 18. The ventilators are arranged axially at each end of the poles. The guide plate 42 divides the space between the poles. The row 44 of blades in the ventilator 16 are straight as shown

fig. 4A og danner ingen vinkel med kjølemediestrømmen. Rekken 46 består av rette vinger, merr danner en vinkel på f.eks. 47° med strømningsretningen. Rekken 50 har også rette vinger og danner ingen vinkel med strømningsretningen. Rekken 52 har krumme vinger hvis forreste kant danner en vinkel 54 på 35° med strømningsretningen og den bakre kant danner en vinkel 56 på 54° med strømningsretningen. Rekken 58 har krumme vinger hvis forreste kant danner en vinkel 60 på 54° med strømningsretningen og hvis bakre kant danner en vinkel 62 på 90° med strømningsretningen. I ventilatoren -16 er bare rekkene .4 6 , 52 og 58 festet på akselen 12. Rekken 64 i .ventilatoren 18 er lik rekken 44, rekken 66 er lik rekken 46, rekken 68 er lik rekken 50 og rekkene 70 og 72 er lik fig. 4A and forms no angle with the refrigerant flow. Row 46 consists of straight wings, merr forms an angle of e.g. 47° with the direction of flow. The row 50 also has straight wings and forms no angle with the direction of flow. The row 52 has curved wings whose front edge forms an angle 54 of 35° with the direction of flow and the rear edge forms an angle 56 of 54° with the direction of flow. The row 58 has curved wings whose front edge forms an angle 60 of 54° with the direction of flow and whose rear edge forms an angle 62 of 90° with the direction of flow. In ventilator 16, only rows 4 6 , 52 and 58 are attached to shaft 12. Row 64 in ventilator 18 is equal to row 44, row 66 is equal to row 46, row 68 is equal to row 50 and rows 70 and 72 are equal

rekkene 52 og 58, med den forskjell at krumningen av rekkene 70 og 72 krummer bort fra sine korder i mots'att retning sam-menlignet med rekkene 52 og'58. F/t eksempel på en krum vinge er vist på fig. 4B. Rekkene 44, 50, 64- og 68 er stasjonære rows 52 and 58, with the difference that the curvature of rows 70 and 72 curves away from their chords in the opposite direction compared to rows 52 and '58. F/t example of a curved wing is shown in fig. 4B. Rows 44, 50, 64 and 68 are stationary

mens rekkene 46, 52, 58, 66, 70 og 72 er roterbare. while rows 46, 52, 58, 66, 70 and 72 are rotatable.

De stasjonære rekker 44, 50, 64 og 68 og de roterbare rekker 4 6 og 66 danner de ytre deler av ventilatorene 16 og 18 og har komprimerende virkning på hver sin rotasjonsretning av akselen. De roterbare vinger 52, 58, 70 og 72 danner de indre deler av ventilatoren 16 og 18 som har komprimerende virkning for den motsatte rotasjonsretning av akselen. The stationary rows 44, 50, 64 and 68 and the rotatable rows 4 6 and 66 form the outer parts of the ventilators 16 and 18 and have a compressive effect on each direction of rotation of the shaft. The rotatable wings 52, 58, 70 and 72 form the inner parts of the fan 16 and 18 which have a compressive effect for the opposite direction of rotation of the shaft.

Vingene i rekken 44 er i et eksempel ca. 5 cm brede i aksial retning, mens vingene i rekken 46 er ca. 4 cm i aksial retning. Vingene i rekken 50 er ca. 5 cm i aksial retning og vingene i rekken 52 ca. 4 cm i aksial retning, mens vingene i rekken 58 er ca. 5 cm i aksial retning og alle rekkene har en innbyrdes avstand i aksial retning på ca. 1,2 5 cm. Det er klart at dimensjonene av vingene og deres anordning på akselen og antallet trinn bare er angitt som et eksempel for en bestemt maskin. Dimensjoner, form og anordning av vingene er avhengig av den tilhørende maskin fordi kjølemediets hastighet, det aksiale trykkfall, rotasjons-hastighet og antallet poler i maskinen vil være medvirkende faktorer for å bestemme parameterne. The wings in row 44 are in an example approx. 5 cm wide in the axial direction, while the wings in row 46 are approx. 4 cm in axial direction. The wings in row 50 are approx. 5 cm in axial direction and the wings in row 52 approx. 4 cm in the axial direction, while the wings in row 58 are approx. 5 cm in the axial direction and all the rows have a mutual distance in the axial direction of approx. 1.25 cm. It is clear that the dimensions of the vanes and their arrangement on the shaft and the number of steps are given only as an example for a particular machine. Dimensions, shape and arrangement of the wings depend on the associated machine because the speed of the refrigerant, the axial pressure drop, rotation speed and the number of poles in the machine will be contributing factors in determining the parameters.

Claims (3)

1. Kjøling av en dynamoelektrisk synkronmaskin innbefattende en i begge retninger roterbar lagret (14) aksel (12), en feltvikling (20) fordelt på et antall poler (22) i et vekselforhold med flere akseparallelt forløpende mellomrom (24) mellom polene (22), en ytterkappe (28) som omgir akselen og understøtter denne, en første rekke med vinger omfattende stasjonære vingerekker (44, 50, 64, 68) og roterbare vingerekker (46, 52, 58, 66, 70, 72), idet den roterbare vingerekken er festet til akselen (12) for rotasjon med denne, idet hver av de stasjonære vingerekkene (44, 50 r 64, 68) er understøttet av ytterkappen (28) og aksialt tilliggende de roterbare vingerekker (46, 52, 58; 66, 70, 72), idet de roterbare vingene (46, 52, 58) i samvirke med de stasjonære vingerekkene (44, 50) ved den første ende, aksialt presser et kjølemiddel gjennom mellomrommene (24) mellom polene (22) til den andre enden av akselen^når akselen roteres i en første retning, og en andre rekke meå roterbare vinger (66, 70, 72) i samvirke med de stasjonære vingerekker ( 64 , 68)- ved den andre akselenden aksialt presser et kjølemiddel gjennom mellomrommene (24) mellom polene (22) til akselens første ende når akselen blir dreiet i en andre retning, karakterisert ved at vingerekkene ved den ene og andre ende av akselen omfatter en første ytre- (44, 46, 50) og en første indre (52, 58) og en andre ytre (64, 66, 68) og en andre indre (70, 72) seksjon, hvor hver av de ytre seksjoner omfatter en første, rett, stasjonær rekke vinger (44, 64) på aksialt motsatte ender av akselen (12), en første, rett, skråstilt roterbar rekke vinger (46, 66) aksialt overfor den første stasjonære rekke 'og nærmere polene enn denne, og en andre, rett, stasjonær rekke vinger (50, 68) aksialt mellom den første roterbare rekke og polene, og hvor hver av de indre seksjoner omfatter minst to rekker krumme vinger (52, 58; 70, 72) aksialt overfor hverandre mellom en av de ytre seksjoner og polene, og at tilsvarende rekker av krumme vinger for de indre seksjoner har samme korder og motsatte krumning, slik at den første indre seksjon (5-2, 58) gir maksimalt tillegg og den andre indre seksjon (70, 72) gir minimalt fratrekk av energi til resp. fra kjølemediet når akselen (12) roterer i den første retning, mens den andre indre seksjon (70, 72) gir maksimalt tillegg og den første indre seksjon (52, 58) gir minimalt fratrekk av energi til resp. fra kjølemediet når akselen (12) roterer i den andre retning.1. Cooling of a dynamo-electric synchronous machine including a bearing (14) rotatable in both directions shaft (12), a field winding (20) distributed over a number of poles (22) in an alternating ratio with several spaces (24) running parallel to the axis between the poles (22) ), an outer casing (28) surrounding the shaft and supporting it, a first row of vanes comprising stationary vane rows (44, 50, 64, 68) and rotatable vane rows (46, 52, 58, 66, 70, 72), the the rotatable row of wings is attached to the shaft (12) for rotation with this, each of the stationary rows of wings (44, 50 r 64, 68) being supported by the outer casing (28) and axially adjacent the rotatable rows of wings (46, 52, 58; 66 , 70, 72), the rotatable wings (46, 52, 58) in cooperation with the stationary rows of wings (44, 50) at the first end, axially pushes a coolant through the spaces (24) between the poles (22) to the other end of the shaft^when the shaft is rotated in a first direction, and a second row of rotatable vanes (66, 70, 72) in cooperation with the stationary vane rows ( 64 , 68)- at the second shaft end, a coolant pushes axially through the spaces (24) between the poles (22) to the first end of the shaft when the shaft is turned in a second direction, characterized in that the rows of vanes at one and the other end of the shaft comprise a first outer (44, 46, 50) and a first inner (52, 58) and a second outer (64, 66, 68) and a second inner (70, 72) section, each of the outer sections comprising a first , straight, stationary row of vanes (44, 64) on axially opposite ends of the shaft (12), a first, straight, inclined rotatable row of vanes (46, 66) axially opposite the first stationary row 'and closer to the poles than this, and a second, straight, stationary row of vanes (50, 68) axially between the first rotatable row and the poles, and h each of the inner sections comprises at least two rows of curved wings (52, 58; 70, 72) axially opposite each other between one of the outer sections and the poles, and that corresponding rows of curved wings for the inner sections have the same chords and opposite curvature, so that the first inner section (5-2, 58) gives maximum addition and the second inner section (70, 72) provides minimal subtraction of energy to resp. from the refrigerant when the shaft (12) rotates in the first direction, while the second internal section (70, 72) provides maximum addition and the first internal section (52, 58) provides minimal subtraction of energy to resp. from the refrigerant when the shaft (12) rotates in the other direction. 2. Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at de aksiale rekker vinger ved den ene og andre ende av akselen nærmest polene står i strømningsforbindelse via mellomrommene (24), og at de aksiale rekker vinger ved den ene og andre ende av akselen lengst fra polene står i strømningsf orbindelse via en kanal..2. Machine according to claim 1, characterized in that the axial rows of wings at one and the other end of the shaft closest to the poles are in flow connection via the spaces (24), and that the axial rows of wings at one and the other end of the shaft furthest from the poles is in flow connection via a channel.. 3. Maskin ifølge krav 2, k«arakterisert ved at det i strømningsforbindelse med kanalen er anordnet en kjøler (26) for å fjerne varme fra kjølemediet når dette strømmer gjennom kanalen.3. Machine according to claim 2, characterized in that a cooler (26) is arranged in flow connection with the channel to remove heat from the coolant when it flows through the channel.