PL165100B1 - Synchronous electric machine - Google Patents

Abstract

1. Maszyna elektryczna synchroniczna, zwlaszcza hydrogenerator o duzej srednicy, z biegunami usytuowanymi na pierscieniowym jarzmie biegunowym wirnika, które jest wyko- nane z segmentów blaszanych polaczonych ze soba srubami i ulozonych warstwami, wirnik jest zamocowany na korpusie piasty majacym postac pustego wewnatrz stozka scietego za- mocowanego na wale i korpus piasty jest za- mocowany na obrotowej czesci lozyskowej, znamienna tym, ze pierscieniowe jarzmo bie- gunowe (17) ma wystajace promieniowo do srodka wystepy (22), które stanowia integralna calosc z segmentami blaszanymi (24) i pier- scieniowe jarzmo biegunowe (17) jest pola- czone na tych wystepach srubami z pustym wewnatrz stozkiem scietym (5). Fig. 1 1 / 3 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest maszyna elektryczna synchroniczna, zwłaszcza hydrogenerator o dużej średnicy, z biegunami na wirniku, usytuowanymi na pierścieniowym jarzmie biegunowym, wykonanym z segmentów blachowych, skręconych ze sobą śrubami i wzajemnie na sobie ułożonych warstwami, który jest umieszczony na korpusie piasty, uformowanym jako pusty wewnątrz stożek ścięty i usytuowanym na wale wirnika.

Znana maszyna elektryczna synchroniczna jest przedstawiona w europejskim zgłoszeniu _ patentowym nr 89 105 698, a także w książce Wiedemanna i Kellenbergera „Konstruktion elektrischer Maschinen“ Springer-Verlag Berlin-Heidelberg, Nowy Jork 1967, str. 371, fig. 370 i str. 171, fig. 59.

Znany jest w budowie wirnika hydrogeneratorów rodzaj konstrukcji jarzma biegunowego o postaci wieńca składającego się z wielu warstw. Na kole wirnikowym znajduje się jarzmo wykonane z blach ogrubości 1 do 3 mm, zakładanych wielokrotnie na zakładkę, podobnie jak blachy prądnicowe w maszynach indukcyjnych lub w maszynach prądu stałego. Blachy takiego jarzma są wykrawane przez tłoczenie z możliwie długich segmentów, obejmujących odcinek odpowiadający kilku podziałkom biegunowym i są układane warstwami, każda z przesunięciem odpowiadającym jednej podziałce biegunowej. Segmenty są łączone w pełny wieniec za pomocą przenikających całą warstwę bolców. Sprasowanie nie wystarcza zazwyczaj do pełnego sprzężenia ciernego przy granicznej prędkości obrotowej tak, że w rozwiercone otwory mogą być wtykane pojedyncze bolce jako sworznie ścinane lub wszystkie bolce z bardzo małym luzem i w ten sposób traktowane jako przenoszące obciążenie.

Osadzenie wieńca warstwowego na kole wirnikowym jest dokonywane w różny sposób. Jest to zależne między innymi od konstrukcji koła. Przy skośnych ramionach w generatorach kloszowych, które w wyniku osadzenia wieńca są obciążone siłami gnącymi, wybiera się osadzenie luźniejsze aniżeli przy bardzo sztywnych korpusach wirników. Osadzenie wieńca warstwowego na kole wirnikowym można osiągnąć przez osadzenie na skurcz lub przez zaklinowanie. Obydwa warianty

165 100 są dalece problematyczne, kiedy trzeba je uwzględnić podczas wymiarowania osadzenia przy rozpatrywaniu różnych obciążeń wywołanych zmianami temperatury lub siłą odśrodkową. Tak więc należy zastosować właściwe środki, zwłaszcza przy wydrążonym wale wirnika i obkurczanym wieńcu, ażeby mogło być przenoszone obciążenie wału wirnika przez siłę' odśrodkową, ciężar wirnika i siłę skurczu łańcucha blach, do których dodają się jeszcze obciążenia spowodowane przenoszeniem momentu obrotowego i ewentualnie pędem wody i ciężarem turbiny. W niemieckim opisie patnetowym nr 2 831 123 zaproponowano, żeby wybierać rozmiar połączeń między łańcuchem blach a korpusem piasty, urzeczywistnianych przez obkurczanie, żebyunoszenie się łańcucha blach przy liczbie o brotów przewyższającej liczbą znamionową ograniczało -się do części obszaru na długości osiowej turbiny, leżącej po stronie przeciwnej, podczas gdy w obszarze sąsiadującym ze stroną czołowwą wirnika od strony turbiny przewiduje się unoszenie przy prędkości wirowania mniejszej od znamionowej.

Znane są maszyny synchroniczne z pionowym ustawieniem osi, przedstawione na przykład w europejskim zgłoszeniu patentowym nr 89 105 698.8 (publikacja nr 0335)291), w których korus piasty jest ukształtowany jako pusty wewnątrz stożek ścięty i zespawany z pierścieniem zamocowanym na wirującej części łożyska. Korpus piasty jest także zespawany na obwodzie zewnętrznym z pierścieniem zewnętrznym przejmującym funkcję masy wirującej i konstrukcji, na której zamoc wane są bieguny wirnika.

W maszynie według wynalazku pierścieniowe jarzmo biegunowe ma wystające promieniowo do środka występy, które stanowią integralną całość z segmentami blaszanymi. Pierścieniowe jarzmo biegunowe jest połączone na tych występach śrubami z pustym wewnątrz stożkiem ściętym.

Pierścieniowe jarzmo biegunowe jest zbudowane z trzech częściowych pakietów blach, z których środkowy pakiet wystaje poza obydwa zewnętrzne pakiety promieniowo do środka i ma biegnące promieniowo otwory do połączenia ciernego i/lub kształtowego z korpusem piasty.

Wysokość osiowa środkowego pakietu blach stanowi 10 do 20% całkowitej wysokości osiowej pierścieniowego jarzma biegunowego.

Szerokość występu wzdłuż promienia stanowi 25 do 40% szerokości pierścieniowego jarzma biegunowego wzdłuż promienia.

Zaletą wynalazku jest prosta i ekonomiczna konstrukcja wytrzymująca wszystkie obciążenia eksploatacyjne. Uzyskuje się dobre i pewne połączenie pierścieniowego jarzma biegunowego z korpusem piasty. Uwarunkowane temperaturowo lub siłą odśrodkową rozszerzanie wieńca warstwowego jest możliwe bez jakichkolwiek przeszkód dzięki stożkowej budowie korpusu piasty.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia hydrogenerator z pionowym ustawieniem osi, z korpusem piasty w postaci pustego wewnątrz ściętego stożka, w uproszczonym, częściowym przekroju podłużnym, fig. 2 -wieniec warstwowy w miejscu mocowania z korpusem piasty, w przekroju poprzecznym, fig. 3 -segmenty blaszane w widoku z góry, fig. 3a - segment blaszany przewidziany do osiowego wbudowania do wieńca warstwowego i nie przewidziany do mocowania z piastą, fig. 3b - segment blaszany przewidziany do wbudowania do obszaru środkowgo wieńca warstwowego i fig. 4 -przykład wykonania wynalazku w generatorze rurowym z osią poziomą.

Hydrogenerator pokazany na fig. 1 jest umieszczony w zagłębieniu podstawy 1 o cylindrycznej ścianie 2. Stojan 3 hydrogeneratora jest przymocowany do ściany 2 uchwytami 4, Wirnik stanowi korpus piasty 5 w postaci pustego wewnątrz stożka ściętego. Jest on zespawany z pewnej liczby wygiętych wstępnie sektorów z blachy stalowej, a jego otwór środkowy jest wzmocniony pierścieniem wewnętrznym 6. Na obwodzie zewnętrznym jest przyspawany pierścień zewnętrzny 7. Obydwa pierścienie 6, 7 są usytuowane prostopadle względem osi stożka. Kombinowane łożysko nośne i ślizgowe łożysko poprzeczno-wzdłużne 8 posiada przymocowaną bezpośrednio do pierścienia wewnętrznego 6 części składową 9, na której spoczywa współosiowo z wałem 10 i która jest przyśrubowana, do kołnierza 11 wału. Nieruchoma część 12 łożyska jest zamocowana bezpośrednio do jego konstrukcji nośnej, wspartej na podstawie 1. Segmenty nośne i poprzeczno-wzdłużne nieruchomej części 12 łożyska spoczywają na dźwigniach 13. Segmenty mają w rozpatrywanym przykładzie przekrój popzeczny w kształcie litery L. Znajduje tu zastosowanie samoczynnie pompujące, hydrodynamiczne łożysko ślizgowe.

165 100

Konstrukcję nośną łożyska stanowi ponadto pusty wewnątrz stożek ścięty 14 o kącie nachylenia jego tworzącej od 30° do 60°, złożony z odpowiednio wygiętych wstępnie blach stalowych, które na miejscu montażu spawa się ze sobą lub łączy śrubami. Przy górnej krawędzi jest przyspawany lub wspawany pierścień 15. Przy dolnej krawędzi stożek 14 jest przymocowany za pomocą śrub 16 do podstawy 1.

Pierścieniowe jarzmo biegunowe 17 wirnika składa się według wynalazku z pewnej liczby blach prądnicowych o grubości 1 do 3 mm, które są ułożone, jedna nad drugą, warstwami, każdorazowo z przesunięciem o odcinek odpowiadający podziałce biegunowej. Na obwodzie zewnętrznym tego jarzma pierścieniowego 17 są zamocowne w znany sposób odpowiednie rdzenie wszystkich cewek biegunowych 18.

Budowa pierścieniowego jarzma biegunowego 17 jest pokazana szczegółowo na fig. 2. Składa się ono z trzech pakietów blach 19,20 i 21, przy czym środkowy pakiet 20 posiada w płaszczyźnie promienia większą grubość niż pozostałe skrajne pakiery 19 i 21. W ten sposób powstaje pierścieniowe jarzmo z wystającym mniej więcej w środku jego wysokości, skierowanym ku wnętrzu, występem 22. Stosowane do budowy jarzma segmenty blachowane 23 i 24 są uwidocznione na fig. 3a i 3b. Pierwsze otwory 25 w obydwóch typach segmentów 23,24 służą w połączeniu z przenikającymi je nagwintowanymi bolcami 26 i nakrętkami 27 do zespolenia w jedną całość pierścieniowego jarzma biegunowego 17. Drugie otwory 28 w wystającym ku środkowi występie 22 segmentu blachowego 24 służą do mocowania pierścieniowego jarzma biegunowego 17 do zewnętrznego pierścienia 7 korpusu piasty 5. Mocowania dokonuje się za pomocą sprasowywanych lub kalibrowanych bolców 29. Zazwyczaj sprasowywanie nie wystarcza do całkowitego sprzężenia ciernego przy granicznej prędkości obrotowej tak, że pojedyncze, korzystnie wszystkie kalibrowane bolce 29 muszą być wtykane w postaci sworzni ścinanych w rozwiercone otwory w pierścieniu wewnętrznym 7 i w występie 22 oraz w nich zaciskane.

Ażeby we właściwy sposób opanować wszystkie obciążenia eksploatacyjne wirnika, wysokość osiowa pakietu blach 20, a zatem i jego występu 22, powinna pozostawać w określonym stosunku do‘osiowej wysokości pierścieniowego jarzma 17. Osiowa wysokość występu 22 wynosi korzystnie 10 do 20% całkowitej osiowej wysokości tego pierścieniowgo jarzma 17. Wysokość występu 22 w płaszczyźnie promieniowej wynosi typowo 25 do 40% szerokości pierścieniowego jarzma biegunowego w tej samej płaszczyźnie.

Wynalazek nadaje się w takim samym stopniu do hydrogeneratorów o pionowym i poziomym układzie wału, zwłaszcza do generatorów rurowych, ułożyskowanych poziomo lub ukośnie nazywanych często w literaturze „turbinami rurowymi“.

Generator turbozespołu rurowego jest przedstawiony schematycznie na fig. 4. Pokazana część gneratorowa turbozespołu rurowego znajduje się w obudowie 31 o kołowym przekroju poprzecznym, do której to obudowy dołączona jest od strony dopływu (na rysunku po prawej stronie) czasza kulista 32, a od strony odpływu - (tylko zaznaczona) obudowa turbiny 33. Analogicznie jak w przykładzie wykonania z fig. 1 maszyna ma korpus piasty 5 w postaci pustego wewnątrz stożka ściętego, z pierścieniem wewnętrznym 6 i pierścieniem zewnętrznym 7. Również uwarstwione jarzmo 17 ma tę samą budowę, co opisana w szczegółach w powiązaniu z fig. 2, 3a i 3b. Promieniowe łożysko 34 wspiera się swoją konstrukcją nośną 35, mającą otwory montażowe (niewidoczne na figurze), o ścianę czołową 36 obudowy turbiny 33. Korpus piasty 5 jest zamocowany do końca wału 10.

Obejmowana przez czaszę kulistą 32 przestrzeń 37 jest oddzielona od przestrzeni, w której znajduje się generator, ścianą działową 38. W tę ścianę wmontowany jest jeden lub kilka wentylatorów 39. Doprowadzają one powietrze w obiegu zamkniętym z czaszy kulitej 32 przez chłodnicę 40 do przestrzeni wewnętrznej obudowy 31. Powietrze chłodzące dociera otworami 30 do końca generatora znajdującego się od strony odpływu. Stąd przepływa ono w znany sposób przez szczelinę powietrzną 41 maszyny i przez cewki biegunowe 18 oraz przez przepusty 42 w ścianie działowej 38 z powrotem do czaszy kulistej 32, jak to jest zaznaczone strzałkami.

Nie jest konieczne żadne połączenie skurczowe pomiędzy pierścieniowym jarzmem biegunowym a piastą (pusty wewnątrz stożek ścięty) i uwarunkowana przez nie masywna konstrukcja

165 100 piasty. W generatorach rurowych byłaby ona niezbędna. Odpadają kosztowne klinowania między pierścieniowym jarzmem biegunowym a piastą. Przez trwałe połączenie pierścieniowego jarzma biegunowego i pasty zapewnione jest zachowanie podczas eksploatacji kołowego zarysu wirnika. Otwory czy przepusty w piaście, szczególnie niezbędne w generatorach rurowych do przepływu chłodzącego powietrza, można wprowadzić bez żadnych ograniczeń. Stożkowa piasta pozwala na umieszczenie środka łożyska możliwie blisko (osiowego) środka wirnika. Dzięki wynalazkowi można uniknąć kosztownych kutych i spawanych konstrukcji pierścieniowych, zwłaszcza w dużych wirnikach. Wieniec biegunowy może być wykonany na miejscu budowy. Można utrzymać mniejsze wymiary transportowe i ciężar. Odpadają kosztowne prace przy wirniku.

2/3

Fig.3b

Fig.4

Fig. 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Maszyna elektryczna synchroniczna, zwłaszcza hydrogenerator o dużej średnicy, z biegunami usytuowanymi na pierścieniowym jarzmie biegunowym wirnika, które jest wykonane z segmentów blaszanych połączonych ze sobą śrubami i ułożonych warstwami, wirnik jest zamocowany na korpusie piasty mającym postać pustego wewnątrz stożka ściętego zamocowanego na wale i korpus piasty jest zamocowany na obrotowej części łożyskowej, znamienna tym, że pierścieniowe jarzmo biegunowe (17) ma wystające promieniowo do środka występy (22), które stanowią integralną całość z segmentami blaszanymi (24) i pierścieniowe jarzmo biegunowe (17) jest połączone na tych występach śrubami z pustym wewnątrz stożkiem ściętym (5).
2. 2. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że pierścieniowe jarzmo biegunowe (17) jest zbudowane z trzech częściowych pakietów blach (19, 20, 21), z których środkowy pakiet (20) wystaje poza obydwa zewnętrzne pakiety (19, 21) promieniowo do środka i ma biegnące promieniowo otwory do połączenia ciernego i/lub kształtowego z korpusem piasty.
3. 3. Maszyna według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że wysokość osiowa środkowego pakietu blach (20) stanowi 10 do 20% całkowitej wysokości osiowej pierścieniowego jarzma biegunowego (17).
4. 4. Maszyna według zastrz. 3, znamienna tym, że szerokość występu (22) wzdłuż promienia stanowi 25 do 40% szerokości pierścieniowego jarzma biegunowego (17) wzdłuż promienia.