專利名稱：帶有軸向風(fēng)扇的氣冷電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有軸向風(fēng)扇的氣冷電機。
伴隨逐步提高的機器滿負(fù)荷，對于旋轉(zhuǎn)電機，在冷卻方面的要求也一直在提高。特別是對于氣冷透平發(fā)電機并且在相當(dāng)大程度上對于帶有間接冷卻的定子繞組的透平發(fā)電機更是如此。在此種機器類型中，全部在定子繞組產(chǎn)生的損耗熱量必須通過繞組絕緣向冷卻的定子疊片體中被導(dǎo)出。
因此，在改善冷卻方面，并不缺少建議，其中作為極為有效的方法，一個基本的冷卻循環(huán)的改造被提出，即由傳統(tǒng)的壓力冷卻向吸入冷卻過度。與壓力冷卻相反，吸入冷卻提供這樣一個過程，冷卻空氣，由冷卻器，以氣流方式直接導(dǎo)向位于發(fā)電機定子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)的冷卻通道。因此，使通過機器風(fēng)扇產(chǎn)生的溫度升高全部被消除。
由于希望制造具有較大的特殊功率的透平發(fā)電機，吸入冷卻不是最近才由于運轉(zhuǎn)條件而受限。極限負(fù)荷電機通常同樣地不能滿足單位功率提升的需求，由此對于冷卻系統(tǒng)的要求就逐步提高了。大多數(shù)的發(fā)電機中的封閉吸入冷卻循環(huán)系統(tǒng)的核心及驅(qū)動裝置是一個固定在轉(zhuǎn)子軸上的風(fēng)扇，它運送符合要求的冷卻氣流流經(jīng)分支的冷卻路徑系統(tǒng)。對于采用吸入冷卻方式的氣冷發(fā)電機，由于較小的直到中等程度的的壓力變化，大部分需要一個相對較大數(shù)量的冷卻氣流，以便克服冷卻循環(huán)的阻力。因此，原則上風(fēng)扇以軸向結(jié)構(gòu)方式設(shè)置。一個此種形式的采用吸入冷卻的發(fā)電機例如由歐洲專利登記號840 426公布。
軸向風(fēng)扇根據(jù)流體技術(shù)的基本規(guī)律，只有象下面這樣工作才有效率，假如吹入和吹出氣流部分的流體技術(shù)結(jié)構(gòu)允許在安裝葉片的范圍內(nèi)，氣流沿軸向流線導(dǎo)入。因此為在葉輪出端，達(dá)到由高動能得到可控制的壓力回升的目的，應(yīng)用下游的后續(xù)導(dǎo)向裝置是必要的，以便提高風(fēng)扇級的工作效率以及減小風(fēng)扇在給出數(shù)量的氣流和壓力結(jié)構(gòu)條件下的所需要的運轉(zhuǎn)功率，因為此運轉(zhuǎn)功率頗影響發(fā)電機的損耗平衡。
通常情況下，涉及到導(dǎo)入和導(dǎo)出氣流范圍形成的為了由軸向風(fēng)扇提高效率所采取的措施，一般情況下，有一個巨大的軸向占位需求，例如在EP682 399中所顯示的那樣。但對于發(fā)電機來說，一般力求較大的單位功率，使在處于軸承之間的轉(zhuǎn)子長度上的可利用發(fā)電有效長度部分最大化，轉(zhuǎn)子長度則由機械結(jié)構(gòu)以及軸動平衡原因所制約。一個已公開的軸向風(fēng)扇和一個安裝了葉片的導(dǎo)向輪的運轉(zhuǎn)葉片組合方式，除了無關(guān)的大的軸向占位需求外，還有以下缺點，有升高的噪聲電平，它起因于導(dǎo)向輪葉片與上游的正運轉(zhuǎn)的運轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生的伴隨凹陷相互作用。
自現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，因此發(fā)明的任務(wù)在于，以簡單和經(jīng)濟的方式提供一個高效運行的軸向風(fēng)扇級，它在帶有吸入冷卻循環(huán)的透平發(fā)電機內(nèi)，具有軸向結(jié)構(gòu)空間較小的后續(xù)導(dǎo)向裝置。
此任務(wù)根據(jù)發(fā)明通過第一個權(quán)利要求所述特征實現(xiàn)并且特別在其中，一個位于軸向風(fēng)扇吹出側(cè)的后續(xù)導(dǎo)向裝置，設(shè)計為用于顯著壓力提升和冷卻氣體偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)擴壓器。對于一個如此的偏轉(zhuǎn)擴壓器的給出的布置方式和下述的結(jié)構(gòu)，由于壓力的提升，最終得到明顯的冷卻氣流量提升，反之，對于給出的冷卻空氣流，利用偏轉(zhuǎn)擴壓器的幫助，風(fēng)扇的功率耗用被減少并且因此全部電機的工作效率被提高。
發(fā)明的一個特別優(yōu)越的實施方案特征在于，偏轉(zhuǎn)擴壓器包括一個擴壓器喇叭形筒和一個增壓壁，其中擴壓器喇叭形筒設(shè)置在一個隔斷壁上，它在軸向風(fēng)扇的平面內(nèi)將軸向風(fēng)扇的流入空間與它的流出空間分開。增壓壁設(shè)置在擴壓器喇叭形筒的上風(fēng)側(cè)。
因此若擴壓器壁為環(huán)狀結(jié)構(gòu)并且平行于發(fā)電機的外部殼體設(shè)置，特別有好處。
另一個優(yōu)選的實施方案特征在于，擴壓器壁為錐形殼體結(jié)構(gòu)并且由此在它的外部半徑上，比在它的內(nèi)部半徑上，相對于外部殼體有一個較小的距離。
若在擴壓器壁和外部殼體之間為進(jìn)一步提高壓力設(shè)置一定數(shù)量的導(dǎo)向葉片，特別有好處。
發(fā)明其他的優(yōu)越的實施方案根據(jù)權(quán)利要求提出。
在下面，發(fā)明根據(jù)示圖詳細(xì)說明。其中僅概略描述了為理解發(fā)明有用的基本元件。圖示為

圖1縱貫一個空氣冷卻的帶有符合發(fā)明的偏轉(zhuǎn)擴壓器的透平發(fā)電機的縱斷面圖2圖1中細(xì)部38的放大視圖；圖3圖1中細(xì)部38的第一種應(yīng)用類型；圖4圖1中細(xì)部38的另一種應(yīng)用類型；圖1顯示的氣冷透平發(fā)電機有一個機殼1，它連接著一個由部分疊片體2組成的定子疊片體。在定子疊片體中，在每個單獨的部分疊片體之間設(shè)置了徑向的導(dǎo)氣槽3。轉(zhuǎn)子4被支承在支座軸承5，6中，支座軸承被固定在未顯示的基礎(chǔ)上。
在基礎(chǔ)的基坑10中，布置了機器的冷卻裝置。它為組件結(jié)構(gòu)并且由例如六個的相同的冷卻器11組成。同時，冷卻器11的進(jìn)口，與在轉(zhuǎn)子4的兩面設(shè)置的風(fēng)扇12的流出空間42相連，并且冷卻器11的出口匯入一個混合腔13。流經(jīng)冷卻器11的冷卻氣體用箭頭示出，其中流入的熱氣體用18標(biāo)識，流出的冷卻氣體用19標(biāo)識。所有其他未詳細(xì)標(biāo)識的箭頭，表示了冷卻氣體的冷卻循環(huán)過程。冷卻循環(huán)僅在機器半部中通過箭頭作出標(biāo)明，因為關(guān)于冷卻，機器是有著對稱結(jié)構(gòu)的。
對于冷卻原則，涉及到所謂的逆向或吸入冷卻，其中熱氣體18借助于風(fēng)扇12導(dǎo)向冷卻器11。然后冷卻氣體19從冷卻器11出來，穿過混合腔13，吹入機器背面，也就是機殼1和由部分疊片體2構(gòu)成的定子疊片體之間的空間內(nèi)。在殼體背面內(nèi)，由殼體內(nèi)肋22和徑向與軸向的隔斷壁23，24構(gòu)成了熱-和冷氣體腔15，17，14和16。在本例當(dāng)中，每一個冷氣體腔14，設(shè)置在兩個機器端部和機器中部的熱氣體腔17上，而且在垂直的機器中線兩側(cè)，每一個熱氣體腔15和冷氣體腔16設(shè)置在腔14和17之間。
冷卻氣體流在混合空間13內(nèi)分散到冷卻氣體腔14和16上，同時形成部分氣流。第一部分氣流在導(dǎo)向片26和一個內(nèi)部殼體21之間直接吹向轉(zhuǎn)子4，第二部分氣流通過繞組端部27吹入機器空氣間隙25，并且第三部分冷卻氣體流通過冷卻氣體腔16和導(dǎo)氣槽3吹入空氣間隙25。最后，由風(fēng)扇12吹來的冷卻氣流被吸入內(nèi)部殼體21與一個設(shè)置在每一個風(fēng)扇的徑向平面內(nèi)的隔斷壁20之間的流入空間41并且緊接著被壓向基坑內(nèi)的冷卻器11。
現(xiàn)在在極限功率電機中，為了滿足熱氣體19具有足夠高壓力的高要求，流出空間42在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)按照發(fā)明置有回流擴壓器36。此回流擴壓器36在風(fēng)扇12的下游允許由熱氣體18的高動能重新獲得顯著的可控制的壓力增高。熱氣體18重新獲得的的壓力實現(xiàn)了透平發(fā)電機更有效率的冷卻，因為上述的，復(fù)雜的冷卻氣體路徑現(xiàn)在在單位時間內(nèi)能夠提供更多的冷氣體19通過定子和轉(zhuǎn)子。因此對于給出的風(fēng)扇裝置和下述的一個回流擴壓器的結(jié)構(gòu)，由于壓力提高，明顯顯示出氣流的冷卻程度得到提高，而對于給出的冷卻空氣流，借助于回流擴壓器，風(fēng)扇的功率消耗被減少，并且整個電機的工作效率被提升。
因此轉(zhuǎn)子4介于軸承座之間的軸向長度與通常的電機相比，保持同樣長度，通過符合發(fā)明的回流擴壓器，就可以得到改善的冷卻并且發(fā)電機的單位功率可提升。
圖2根據(jù)圖1中的細(xì)部38，顯示了回流擴壓器36，其由一一個固定在隔斷壁20上的擴壓器喇叭筒36b和一個緊靠它設(shè)置的擴壓器壁36a組成。擴壓器壁36a在徑向方向設(shè)置并且與透平發(fā)電機的外部殼體37間存在距離b。外部殼體37為環(huán)形結(jié)構(gòu)并且有一個內(nèi)徑r2和一個外徑rA，同時它為此與隔斷壁20相距距離Lab。
擴壓器喇叭筒36b有一個喇叭筒半徑R0并且在它和轉(zhuǎn)子4(圖一)的轉(zhuǎn)子軸4a之間限定了一個冷卻氣體的氣流通道43，冷卻氣體由氣流箭頭39代表。氣流通道43的高度用h表示，它大約與風(fēng)扇12(圖一)的運轉(zhuǎn)葉片12a的高度尺寸相同。在隔斷壁20和處在風(fēng)扇葉片12a的上游的內(nèi)部殼體21之間限定了具有寬度LV的流入空間41。
在下列邊緣條件下，從動能中優(yōu)化地獲得壓力提升，冷卻氣體在經(jīng)過風(fēng)扇時吸收了此動能量1) 喇叭筒半徑R0大于氣流通道43的通道高度h的0.6倍；2) 擴壓器壁36a的外徑rA小于它的內(nèi)部半徑的2倍；3) 擴壓器36a在其外部半徑rA上相對于外部殼體37的間距b為氣流通道43的通道高度h的0.78-0.9倍；并且4) 在內(nèi)部殼體21和隔斷壁20之間，流入通道41有一個寬度LV，它大于氣流通道43的通道高度h的1.8倍。
通過發(fā)明的回流擴壓器所獲得的典型壓力提升，從下也數(shù)字例子看出對于氣冷的300MVA-透平發(fā)電機，50Hz，從風(fēng)扇后的動能中獲得的壓力提升，靜態(tài)壓力數(shù)值約45％。同時冷卻空氣流的數(shù)量為30m3/s，通道高度數(shù)值大約為h＝140mm，擴壓器壁的外部半徑數(shù)值約為rA＝1000mm并且擴壓器壁和外部殼體間的距離約為b＝110mm。另一方面，在隔斷壁20和內(nèi)殼體21之間約為LV＝270mm，擴壓器壁36的內(nèi)半徑約為r2＝700mm并且喇叭筒半徑約為R0＝85mm。
在發(fā)電機殼體1內(nèi)最小的軸向空間上實現(xiàn)壓力提升，具有特別的優(yōu)點。利用此種方式，此種透平發(fā)電機的單位功率可以借助回流擴壓器顯著提高，而不必增加在軸承座5，6之間的發(fā)電機的全長。
符合發(fā)明的回流擴壓器36的第一種應(yīng)用類型顯示如圖3。在擴壓器壁36a和外部殼體37之間設(shè)置了一些導(dǎo)向葉片40，對此在圖中只顯示了單獨的一個。這些一定數(shù)量的導(dǎo)向葉片40用于從冷卻氣體的動能中進(jìn)一步提升壓力。同時此種導(dǎo)向葉片40的布置和安排處于專業(yè)人員的知識能力范圍之內(nèi)，因此一個詳細(xì)的幾何尺寸標(biāo)注同樣多余。利用安裝葉片，擴壓器壁36的徑向尺寸在同樣的壓力提升情況下，可以減小。
符合發(fā)明的回流擴壓器36的另一種應(yīng)用類型在圖4中公布。擴壓器壁36a此處結(jié)構(gòu)為錐形殼體并且在它的外部半徑rA上，相對于外部殼體37有一個比它在內(nèi)部半徑r2上小的間距b。由于錐形殼體形狀的擴壓器壁導(dǎo)致的可控制的延緩作用，并且由于與此相聯(lián)系的，氣流分離的避免，使已經(jīng)描述過的壓力提升按目標(biāo)調(diào)定。
發(fā)明在任何情況下，都不會受制于在此處描述的實施形式。不離開發(fā)明的思路，可以想象的是為獲得壓力提升，組合應(yīng)用錐形殼體形狀的擴壓器壁36a(圖4)和在擴壓器壁36a與外部殼體37間安裝葉片。另一種形式也是可以想象的，即，應(yīng)用符合發(fā)明的回流擴壓器36，也可用于通常的所謂有壓力冷卻(代替吸入冷卻)，冷卻循環(huán)過程或者應(yīng)用特別的冷卻氣體，例如氦。
1機殼2部分疊片體3導(dǎo)氣槽4轉(zhuǎn)子4a 轉(zhuǎn)子軸5， 6支座軸承
7 基礎(chǔ)10基坑11冷卻器12風(fēng)扇12a 運轉(zhuǎn)葉片13混合腔14，16冷卻氣體腔15，17熱氣體腔18 11 前的熱空氣19 11 后的冷空氣20隔斷壁21內(nèi)部殼體22殼體內(nèi)肋23徑向隔斷壁24軸向隔斷壁25空氣隙26導(dǎo)向片27繞組端部28側(cè)壁36流擴壓器36a 擴壓器壁36b 擴壓器喇叭筒37外部殼體38細(xì)部視圖39氣流箭頭40導(dǎo)向葉片41注入空間42流出空間43氣流通道LV20和21的間距Lab 36a和20的間距R0喇叭筒半徑
h43的高度rA 36a的外部半徑r2 36a的內(nèi)部半徑b20和37的間距
權(quán)利要求
1.帶有軸向風(fēng)扇(12)和一個設(shè)置在軸向風(fēng)扇下游側(cè)的提高冷卻氣體壓力的后續(xù)導(dǎo)向裝置的氣冷電機，其中冷卻氣體借助軸向風(fēng)扇(12)從流入空間(41)，可被強性驅(qū)入一個流出空間(42)，流入空間(41)由內(nèi)殼(21)和一個設(shè)置在軸向風(fēng)扇(12)的徑向平面內(nèi)的隔斷壁(20)限定，流出空間(42)由隔斷壁(20)和一個外部殼體(37)所限定，其特征在于后續(xù)導(dǎo)向裝置設(shè)計為把冷卻氣體流(39)從一個基本上軸向的氣流方向偏轉(zhuǎn)到一個基本沿徑向的氣流方向的偏轉(zhuǎn)擴壓器(36)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣冷電機，其特征在于，偏轉(zhuǎn)擴壓器(36)，包括一個擴壓器喇叭筒(36b)和一個擴壓器壁(36a)，帶有一個小喇叭形筒開口的擴壓器喇叭筒(36b)設(shè)置在隔斷壁(20)上，并且擴壓器壁(36a)設(shè)置在擴壓器喇叭筒(36b)的一個大喇叭形筒開口上，其中擴壓器壁(36a)在大喇叭形筒開口上有一個內(nèi)部半徑(r2)并且擴壓器壁(36a)在內(nèi)部半徑(r2)和一個外部半徑(rA)之間延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣冷電機，其特征在于，擴壓器壁(2a)為環(huán)形結(jié)構(gòu)并且在一個軸向間距(b)內(nèi)相對于外部殼體平行設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣冷電機，特征在于，擴壓器壁(37)為錐形殼體結(jié)構(gòu)，因此擴壓器壁(36a)在它的外部半徑(rA)相對于外部殼體(37)有一個比在它的內(nèi)部半徑上小的間距(b)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4之一所述的氣冷電機，其特征在于，擴壓器壁頭(36b)有一個喇叭筒半徑(R0)，它的喇叭筒半徑(R0)大于氣流通道(43)的通道高度(h)的0.6倍，氣流通道(43)設(shè)在隔斷壁(20)和一個電機轉(zhuǎn)子軸(4a)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣冷電機，其特征在于，擴壓器壁(36a)在其外部半徑(rA)上相對于外部殼體(37)的尺寸為氣流通道(43)的通道高度(h)的0.78至0.9倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6之一所述的氣冷電機，其特征在于，流入空間(41)在內(nèi)部殼體(21)和隔斷壁(20)之間有一個寬度(LV)，其中寬度(LV)大于氣流通道(43)的通道高度(h)的1.8倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至7之一所述的氣冷電機，其特征在于，增壓壁(36a)的外部半徑(rA)小于它2倍內(nèi)部半徑(r2)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至8之一所述的氣冷電機，其特征在于，在增壓壁(36a)和外部殼體(37)之間設(shè)置一定數(shù)量的導(dǎo)向葉片(40)。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的氣冷電機，其特征在于，利用風(fēng)扇加熱的冷卻氣體(氦氣)在電機外可被吸出。
全文摘要
對于帶有的一個軸向風(fēng)扇(12a)和一個設(shè)置在軸向風(fēng)扇上風(fēng)側(cè)的用于提高冷卻氣體壓力的后續(xù)導(dǎo)向裝置的氣冷電機,冷卻氣體借助于軸向風(fēng)扇,從一個流入空間(41),可被加速驅(qū)入一個流出空間(42),流入空間(41)由內(nèi)殼(21)和一個設(shè)置在軸向風(fēng)扇(12)的徑向平面內(nèi)的隔斷壁(20)限定,流出空間(42)由隔斷壁(20)和一個外部殼體(37)所限定。由此后續(xù)導(dǎo)向裝置,結(jié)構(gòu)為用于冷卻氣體流(39)從一個基本上軸向的氣流方向偏轉(zhuǎn)到一個基本徑向的氣流方向的偏轉(zhuǎn)擴壓器(36)。
文檔編號H02K9/08GK1255763SQ9912288
公開日2000年6月7日 申請日期1999年12月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月3日
發(fā)明者J·A·格拉恩, M·容 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司