RU2084069C1

RU2084069C1 - Electrical machine

Info

Publication number: RU2084069C1
Application number: RU95104857A
Authority: RU
Inventors: Владимир Григорьевич Шалаев; Ибрагим Ахметович Кади-Оглы
Original assignee: Владимир Григорьевич Шалаев; Ибрагим Ахметович Кади-Оглы
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 1997-07-10
Also published as: RU95104857A

Abstract

FIELD: electromechanical engineering. SUBSTANCE: electrical machine has wound stator with core provided with radial ducts. Stator frame accommodates gas coolers and end shields. Rotor end windings 10 are held in position by means of binding rings. Rotor barrel is placed in shell with longitudinal partitions 13 provided. It has large teeth 19 and slot wedges 20 built integral with partitions 13 having extended portions. Slots made at joints of extended portions receive spacers 25. Wedges are provided with holes 27 communicating with axial ducts 28; holes 30 are provided in partitions 13 between ports 23. EFFECT: improved cooling conditions. 6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно, к конструкции электрических машин с формированным газовым охлаждением, например турбогенераторов. The invention relates to electrical engineering, namely, to the design of electric machines with shaped gas cooling, for example turbogenerators.

Известна электрическая машина, содержащая статор с продольными перегородками, расположенными в зазоре и закрепленными на пазовых клиньях статора, и ротор с заборниками и дефлекторами (см. авт.св. СССР N 1056375, кл. H 02 K 9/08, 1983г.). В этой машине газ из газоохладителей поступает в пространство между сердечником и корпусом статора, затем проходит через радиальные каналы, охлаждая сердечник, поступает в зазор, откуда забирается заборниками ротора, охлаждает обмотку ротора и через дефлекторы выбрасывается обратно в зазор. Таким образом, в каналы охлаждения ротора газ поступает, получив определенный подогрев в сердечнике статора, обмотке ротора и в зазоре вследствие трения о бочку ротора, причем потери на трение о бочку существенно усиливаются выступающими в зазор заборниками и дефлекторами. В результате снижается температурный ресурс охлаждающего газа, что ведет к увеличению его расхода, во-первых, и во-вторых, уменьшается КПД машины. Known electric machine containing a stator with longitudinal partitions located in the gap and mounted on the grooves of the stator, and a rotor with intakes and deflectors (see ed. St. USSR N 1056375, class. H 02 K 9/08, 1983). In this machine, gas from gas coolers enters the space between the core and the stator housing, then passes through the radial channels, cooling the core, enters the gap, from where it is taken by the rotor intakes, cools the rotor winding and is thrown back into the gap through the deflectors. Thus, gas enters the cooling channels of the rotor, having received a certain heating in the stator core, the rotor winding and in the gap due to friction against the rotor barrel, and friction losses on the barrel are significantly amplified by the intakes and deflectors protruding into the gap. As a result, the temperature resource of the cooling gas is reduced, which leads to an increase in its flow rate, firstly, and secondly, the efficiency of the machine decreases.

За прототип по наибольшему количеству общих элементов взята конструкция электрической машины по авт.св.СССР N 132318, кл.H 02 K 7/12, 1960 г. содержащая статор и ротор с уложенной в пазы обмоткой. Ротор расположен внутри цилиндрической оболочки, между ротором и оболочкой размещены распорки, образующие осевые каналы, предназначенные для пропуска охлаждающего газа. For the prototype for the greatest number of common elements, the design of an electric machine according to ed.St.SSSR N 132318, class H 02 K 7/12, 1960, containing a stator and a rotor with a winding laid in grooves, was taken. The rotor is located inside the cylindrical shell, between the rotor and the shell spacers are placed, forming axial channels designed to pass cooling gas.

Организация таких каналов обеспечивает подачу в ротор газа непосредственно из газоохладителей, что приводит к увеличению температурного ресурса газа, а придание оболочке гладкой цилиндрической формы обусловливает снижение потерь на трение газа о ротор и увеличение КПД машины. Но такая конструкция не обеспечивает циркуляцию газа непосредственно через обмотку ротора, вследствие чего уменьшается эффективность охлаждения обмотки; кроме того, выполнение вращающейся оболочки в виде цилиндра требует применения дорогостоящих поковок и высокой точности обработки, что в целом осложняет технологию изготовления машины и увеличивает ее себестоимость. The organization of such channels ensures the supply of gas directly from the gas coolers to the rotor, which leads to an increase in the temperature resource of the gas, and giving the shell a smooth cylindrical shape causes a decrease in the friction loss of gas on the rotor and an increase in machine efficiency. But this design does not provide gas circulation directly through the rotor winding, as a result of which the cooling efficiency of the winding is reduced; in addition, the implementation of a rotating shell in the form of a cylinder requires the use of expensive forgings and high precision machining, which generally complicates the manufacturing technology of the machine and increases its cost.

Задачей изобретения является уменьшение себестоимости изготовления машины и увеличение эффективности охлаждения обмотки ротора при сохранении высокого коэффициента полезного действия. The objective of the invention is to reduce the cost of manufacturing the machine and increase the cooling efficiency of the rotor winding while maintaining a high efficiency.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известной электрической машине, содержащей статор и отделенный от него зазором ротор с уложенной в пазы обмоткой, снабженный наружной оболочкой и продольными перегородками, установленными между ротором и оболочкой с образованием осевых каналов, на выступающих в зазор концевых частях перегородок выполнены уширения, в совокупности образующие указанную оболочку; ротор снабжен газовыми клиньями и на их обращенных в зазор поверхностях размещены указанные перегородки, а на стыках уширений перегородок выполнены продольные пазы с уплотняющими прокладками; в обмотке ротора образованы вентиляционные каналы, а в перегородках проходящие через клин отверстия, сообщающиеся с зазором и с указанными вентиляционными каналами, причем в клиньях выполнены отверстия, сообщающиеся с осевыми каналами, а в перегородках между отверстиями, сообщающимися с зазором тангенциальные окна. This goal is achieved due to the fact that in a known electric machine containing a stator and a rotor separated by a gap with a winding laid in grooves, provided with an outer shell and longitudinal partitions installed between the rotor and the shell with the formation of axial channels on the ends protruding into the gap partitions are made broadening, together forming the specified shell; the rotor is equipped with gas wedges and indicated partitions are placed on their surfaces facing the gap, and longitudinal grooves with sealing gaskets are made at the joints of the broadening of the partitions; ventilation ducts are formed in the rotor winding, and in the partitions the holes passing through the wedge communicating with the gap and with the indicated ventilation channels, and the holes communicating with the axial channels are made in the wedges, and the tangential windows are in the partitions between the holes communicating with the gap.

Благодаря тому, что в известной электрической машине, содержащей на роторе оболочку с продольными перегородками, образующими между ротором и оболочкой продольные осевые каналы, на выступающих в зазор концевых частях перегородок выполнены уширения с уплотняющими прокладками, в совокупности образующие указанную оболочку, а ротор выполнен с пазовыми клиньями, на обращенных в зазор поверхностях которых размещены указанные перегородки, - удается получить достаточно герметичную оболочку без использования поковок и высокоточной обработки, при обычной технологии сборки машины и, таким образом, уменьшить себестоимость машины. Причем, благодаря образованию в обмотке ротора вентиляционных каналов, а в перегородках проходящих через клин отверстий, сообщающихся с зазором и с указанными вентиляционными каналами, а также выполнению в клиньях отверстий, сообщающихся с осевыми каналами, а в перегородках тангенциальных окон, удается подвести к обмотке ротора холодный газ непосредственно из газоохладителей под достаточно большим напором вентиляторов, увеличить температурный ресурс газа и его скорость в каналах и, таким образом, повысить эффективность охлаждения обмотки ротора при сохранении минимальных потерь на трение гладкой цилиндрической оболочки об охлаждающую среду, а, следовательно, и сохранении высокого КПД машины. Due to the fact that in a known electric machine containing a shell on the rotor with longitudinal partitions forming longitudinal axial channels between the rotor and the shell, broadening with sealing gaskets are made on the end parts of the partitions protruding into the gap, together forming the specified shell, and the rotor is made with grooves wedges, on the surfaces facing the gap of which the indicated partitions are placed, it is possible to obtain a sufficiently tight shell without the use of forgings and high-precision processing, with conventional machine assembly technology and thus reduce the cost of the machine. Moreover, due to the formation of ventilation channels in the rotor winding, and in the partitions of the holes passing through the wedge that communicate with the gap and with the specified ventilation channels, as well as the holes in the wedges communicating with the axial channels, and in the partitions of the tangential windows, it is possible to bring the rotor winding cold gas directly from gas coolers under a sufficiently high pressure of fans, increase the temperature resource of gas and its speed in the channels and, thus, increase the cooling efficiency rotor tilts while maintaining minimal friction losses of the smooth cylindrical shell against the cooling medium, and, therefore, maintaining high machine efficiency.

На фиг. 1 показано продольное сечение турбогенератора; при подаче газа под оболочку ротора через надбандажные кольцевые щели; на фиг.2 поперечное сечение ротора турбогенератора; на фиг. 3 фрагмент I сечения, изображенного на фиг.1; на фиг. 4 фрагмент II сечения, изображенного на фиг.2; на фиг.5 - продольное сечение турбогенератора при подаче газа под оболочку ротора через надбандажные кольцевые щели и через кольцевую щель в средней части оболочки; на фиг. 6 то же сечение при подаче газа под оболочку ротора через надбандажные кольцевые щели. In FIG. 1 shows a longitudinal section of a turbogenerator; when gas is supplied under the rotor shell through over-band annular slots; figure 2 is a cross section of a rotor of a turbogenerator; in FIG. 3 fragment I of the cross section depicted in figure 1; in FIG. 4 fragment II of the section shown in figure 2; figure 5 is a longitudinal section of a turbogenerator when gas is supplied under the rotor shell through the over-band ring slots and through the ring gap in the middle part of the shell; in FIG. 6 the same cross-section for gas supply under the rotor shell through the over-band annular slots.

Сущность изобретения поясняется на примере трех исполнений электрической машины, а именно ротора турбогенератора, отличающихся друг от друга способом подачи охлаждающего газа в осевые каналы под оболочку ротора. Согласно первому исполнению (фиг.1), электрическая машина содержит с обмоткой 1 и сердечником 2, имеющим радиальные каналы 3 для прохода охлаждающего газа. Статор с помощью ребер 4 закреплен в корпусе 5, в котором установлены газоохладители 6 и торцевые щиты 7 и 8. В пазы бочки 9 ротора электрической машины уложена обмотка 10, лобовые части которой, удерживаются бандажными кольцами 11. Бочка 9 ротора охвачена герметичной оболочкой 12, причем между оболочкой 12 и бочкой 9 имеются продольные перегородки 13. Между концевыми частями оболочки 12 и сердечников установлены неподвижные кольцевые перегородки 14. На хвостовых частях 15 ротора размещены осевые вентилятора 16, нагнетающие газ в надбандажные кольцевые щели 17 и подбандажные кольцевые щели 18 (направление движения газа обозначено на чертеже стрелками). Бочка 9 ротора электрической машины выполнена (фиг. 2) с большими зубцами 19 и пазовыми клиньями 20, заодно с которыми выполнены продольные перегородки 13, на свободных концах которых имеются уширения 21. Перегородки 13 с уширениями 21 закреплены с помощью, например, ласточкиных хвостов 22 также на внешней поверхности больших зубцов 19. Для возможности тангенциального перетока газа, в перегородках 13 предусмотрены тангенциальные окна 23 (фиг.3). В совокупности уширения 21 образуют вокруг бочки 9 гладкую снаружи цилиндрическую оболочку, причем, для придания герметичности указанной оболочке, достаточной для удержания перепада давлений, создаваемого вентиляторами 16, в местах стыков уширений 21 (фиг. 3, 4) выполнены пазы, в которые вложены уплотняющие прокладки 24 и 25 (фиг.4). Для подачи охлаждающего газа в вентиляционные каналы 26 обмотки 10 в клиньях 20 предусмотрены радиальные отверстия 27, сообщающиеся с осевыми каналами 28, а для выхода газа в зазор 29 радиальные отверстия 30, выполненные в перегородках 13 между окнами 23. The invention is illustrated by the example of three versions of an electric machine, namely a turbogenerator rotor, differing from each other by the method of supplying cooling gas to the axial channels under the rotor shell. According to the first embodiment (Fig. 1), the electric machine comprises a winding 1 and a core 2 having radial channels 3 for the passage of cooling gas. The stator with the help of ribs 4 is fixed in the housing 5, in which gas coolers 6 and end shields 7 and 8 are installed. A winding 10 is placed in the grooves of the barrel 9 of the rotor of the electric machine, the frontal parts of which are held by retaining rings 11. The barrel 9 of the rotor is covered by an airtight shell 12, moreover, between the casing 12 and the barrel 9 there are longitudinal partitions 13. Between the end parts of the casing 12 and the cores fixed ring partitions 14 are installed. Axial fans 16 are placed on the tail parts 15 of the rotor, forcing gas into the over-banding rings podbandazhnye slot 17 and annular slots 18 (the direction of motion of the gas is indicated by arrows in the drawing). The barrel 9 of the rotor of an electric machine is made (Fig. 2) with large teeth 19 and grooved wedges 20, along with which longitudinal partitions 13 are made, at the free ends of which there are widenings 21. Partitions 13 with widenings 21 are fixed using, for example, swallow tails 22 also on the outer surface of the large teeth 19. To allow tangential gas flow, tangential windows 23 are provided in the partitions 13 (Fig. 3). In aggregate, the broadenings 21 form around the barrel 9 a cylindrical shell smooth on the outside, and, to impart a tightness to the specified shell, sufficient to maintain the pressure drop created by the fans 16, grooves are made in the joints of the broadens 21 (Figs. 3, 4), into which the sealing gaskets 24 and 25 (figure 4). To supply cooling gas to the ventilation channels 26 of the winding 10 in the wedges 20, radial holes 27 are provided that communicate with the axial channels 28, and for the gas to exit into the gap 29, the radial holes 30 are made in the partitions 13 between the windows 23.

Второе выполнение конструкции электрической машины (фиг.5) аналогично первому исполнению и отличается от него тем, что в средней части оболочки 12 выполнена кольцевая щель 31, отделенная от зазора 29 неподвижными кольцевыми перегородками 32, аналогичным перегородкам 14, причем, для подачи газа в щель 31, в ребра 4 корпуса 5 вмонтированы перепускные патрубки 33, сообщающиеся с зонами нагнетания вентиляторов 16. The second embodiment of the construction of the electric machine (Fig. 5) is similar to the first embodiment and differs from it in that an annular gap 31 is made in the middle part of the shell 12, separated from the gap 29 by fixed annular partitions 32, similar to the partitions 14, and for supplying gas to the slot 31, in the ribs 4 of the housing 5 are mounted bypass pipes 33, communicating with the discharge zones of the fans 16.

Третье исполнение конструкции электрической машины (фиг.6) аналогично первому исполнению, с той разницей, что вход газа под оболочку 12, перекрытую торцевыми заглушками 34, осуществляется только через подбандажные щели 18 и выполненные в концевых участках бочки 9 прорези 35, сообщающиеся с подбандажными щелями 18 и с пространством между оболочкой 12 и наружной поверхностью бочки 9. The third embodiment of the design of the electric machine (Fig. 6) is similar to the first version, with the difference that the gas inlet under the shell 12, blocked by end caps 34, is carried out only through the bandage slots 18 and made in the end sections of the barrel 9 of the slot 35, communicating with the bandage slots 18 and with the space between the shell 12 and the outer surface of the barrel 9.

Во всех исполнениях для охлаждения лобовых частей обмотки 10 в витках обмотки предусмотрены продольные каналы (ввиду общеизвестности на чертеже не показаны), сообщающиеся на входе газа с подбандажными кольцевыми щелями 18 и на выходе газа с зазором 29. In all versions, for cooling the frontal parts of the winding 10, longitudinal channels are provided in the turns of the winding (due to well-known not shown in the drawing), communicating at the gas inlet with bandage annular slots 18 and at the gas outlet with a gap of 29.

Работу электрической машины рассмотрим на примере первого исполнения конструкции (фиг. 1). При вращении ротора газ под напором вентиляторов 16 нагнетается в надбандажные 17 и подбандажные 18 кольцевые щели, а также в крайние радиальные каналы 3 сердечника статора 2. Пройдя через осевые каналы 28, газ через отверстия 27 в клиньях 20 попадает в вентиляционные каналы 26 обмотки 10 и далее выбрасывается в зазор 29 через радиальные отверстия 30 в перегородках 13. Выравнивание расхода газа по пазам осуществляется перетоком газа через тангенциальные окна 23 в перегородках 13. В зазор 29 выбрасывается также газ, поступивший через подбандажные щели 18 в лобовые части обмотки 10. Из зазора 29 газ поступает в расположенные между перегородками 14 радиальные каналы 3 сердечника статора 2, и далее, смешиваясь с газом, прошедшим через крайние радиальные каналы 3 сердечника 2, проходит через газоохладители 6 и снова нагнетается вентиляторами 6 в активные зоны электрической машины. Подачей холодного газа в крайние радиальные каналы 3 сердечника 2 обеспечивается лучшее охлаждение торцевых зон статора. We will consider the operation of an electric machine using the example of the first design execution (Fig. 1). When the rotor rotates, the gas under the pressure of the fans 16 is injected into the over-band 17 and under-band 18 ring slots, as well as into the extreme radial channels 3 of the stator core 2. Having passed through the axial channels 28, the gas through the openings 27 in the wedges 20 enters the ventilation channels 26 of the windings 10 and then it is thrown into the gap 29 through the radial openings 30 in the partitions 13. The gas flow rate in the grooves is equalized by the gas flow through the tangential windows 23 in the partitions 13. Gas introduced into the gap 29 is also discharged through the bandage slots 18 the frontal parts of the winding 10. From the gap 29, the gas enters the radial channels 3 of the stator core 2 located between the partitions 14, and then, mixed with the gas passing through the extreme radial channels 3 of the core 2, it passes through the gas coolers 6 and is again pumped by fans 6 into the active zones electric car. The supply of cold gas to the extreme radial channels 3 of the core 2 provides better cooling of the end zones of the stator.

Во втором исполнении конструкции (фиг.5) к описанному выше тракту движения охлаждающего газа добавляется холодная струя, поступающая из зон нагнетания вентиляторов 16, через перепускные патрубки 33 и через расположенные в центре сердечника 2 радиальные каналы 3, в зазор 29 и далее через щель 31 в оболочке 12 в осевые каналы 28 ротора. Таким образом, достигается увеличение расхода газа через вентиляционные каналы 26 обмотки 10 и, соответственно, увеличение эффективности охлаждения ротора. In the second embodiment of the design (Fig. 5), a cold stream is added to the cooling gas flow path described above, coming from the discharge zones of the fans 16, through the bypass pipes 33 and through the radial channels 3 located in the center of the core 2, into the gap 29 and then through the slot 31 in the shell 12 in the axial channels 28 of the rotor. Thus, an increase in gas flow through the ventilation channels 26 of the winding 10 and, accordingly, an increase in the cooling efficiency of the rotor is achieved.

В третьем исполнении конструкции (фиг.6), в отличие от двух других исполнений, охлаждающий газ поступает в ротор только через подбандажные щели 118, прорези 35 и тангенциальные окна 23. Основное преимущество этого варианта заключается в использовании для прокачки газа через ротор самонапорного действия ротора, обусловленного разностью диаметров входа и выхода газа, что, в определенных случаях позволяет увеличить расход газа через ротор и, таким образом, добиться лучшей эффективности охлаждения ротора. In the third embodiment of the structure (Fig. 6), unlike the other two versions, the cooling gas enters the rotor only through the retaining slots 118, slots 35 and tangential windows 23. The main advantage of this option is the use of the self-pressure action of the rotor for pumping gas through the rotor due to the difference in the diameters of the gas inlet and outlet, which, in certain cases, allows to increase the gas flow through the rotor and, thus, to achieve better cooling efficiency of the rotor.

Характерные для данной электрической машины преимущества, применительно к турбогенераторам, позволяют расширить диапазон мощностей реально выполнимых с непосредственными охлаждением ротора и сердечника статора воздухом при нормальном или близком к нормальному атмосферном давлении, вплоть до 800 МВт в единице, и, таким образом, привести этот диапазон в более полное соответствие с рядом мощностей, достигнутых для машин с водородным охлаждением, при сохранении характерного для них уровня коэффициента полезного действия и массо-габаритных показателей. The advantages typical for this electric machine, in relation to turbo-generators, allow expanding the range of capacities that are actually feasible with direct cooling of the rotor and stator core with air at normal or close to normal atmospheric pressure, up to 800 MW per unit, and, thus, bring this range into more complete compliance with a number of capacities achieved for machines with hydrogen cooling, while maintaining their characteristic level of efficiency and weight and size x indicators.

Переход на охлаждение турбогенераторов большой мощности воздухом при давлениях, близких к атмосферному, приводит к существенному снижению их себестоимости, увеличению надежности и простоты обслуживания, по сравнению с машинами, охлаждаемыми водородом или водой, что составляет технико-экономическую эффективность данного технического решения. The transition to cooling turbine generators of high power with air at pressures close to atmospheric leads to a significant reduction in their cost, increased reliability and ease of maintenance, compared with machines cooled by hydrogen or water, which makes the technical and economic efficiency of this technical solution.

Claims

1. Электрическая машина, содержащая статор, отделенный от него зазором ротор с уложенной в пазы обмоткой, снабженный наружной оболочкой и продольными перегородками, установленными между ротором и оболочкой с образованием осевых каналов, отличающаяся тем, что на выступающих в зазор концевых частях перегородок выполнены уширения, в совокупности образующие указанную оболочку. 1. An electric machine containing a stator, a rotor separated from it by a gap with a winding laid in grooves, provided with an outer shell and longitudinal baffles installed between the rotor and the shell with the formation of axial channels, characterized in that broadening is performed on the end parts of the partitions protruding in the gap, together forming the specified shell.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что на стыках уширений выполнены продольные пазы, в которые вложены уплотняющие прокладки. 2. The machine according to claim 1, characterized in that at the joints of the broadening there are longitudinal grooves in which the sealing gaskets are embedded.

3. Машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что ротор снабжен пазовыми клиньями, на обращенных в зазор поверхностях которых размещены перегородки. 3. The machine according to p. 1 or 2, characterized in that the rotor is equipped with slotted wedges, on the surfaces facing the gap, which are placed partitions.

4. Машина по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что в обмотке образованы вентиляционные каналы, а в перегородках выполнены проходящие через клин отверстия, сообщающиеся с зазором и с вентиляционными каналами. 4. The machine according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that ventilation ducts are formed in the winding, and openings passing through the wedge are made in the partitions, communicating with the gap and with the ventilation ducts.

5. Машина по одному из пп.1 4, отличающаяся тем, что в клиньях выполнены отверстия, сообщающиеся с осевыми каналами. 5. The machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wedges are made holes that communicate with the axial channels.

6. Машина по одному из пп.1 5, отличающаяся тем, что в перегородках между отверстиями, сообщающимися с зазором, выполнены тангенциальные окна. 6. Machine according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the partitions between the holes communicating with the gap, tangential windows are made.