Электрическая машина с газожидкостным аэрозольным охлаждением

 

Использование: электромашиностроение. Сущность изобретения: электрическая машина содержит статор 1, роток 2, газоохладители в корпусе 3 с торцевыми щитками 4, бандажные кольца 5, вентиляторы 6 на валу ротора, подводящие короба, выполненные в виде вихревых камер 7, служащие теплообменниками смешивающего типа посредством того, что конец цилиндра 9 большого диаметра со стороны торцевого щита выполнен с круговым выступом и входит внутрь конуса 10, образуя с его поверхностью кольцевую щель 11. Между конусами 10 и вентиляторами 6 размещены соосно с валом цилиндрические стаканы 12, в нижней части которых установлены сливные трубки 13, а форсунки 14 на торцевых щитах 4 установлены под острым углом к ним, а также по окружности относительно оси вала ротора таким образом, что выходящие из них струи жидкости образуют закрученный относительно оси вала поток. Часть форсунки с подводящими трубами установлена также в зазоре между статором и ротором, где распыливается холодная жидкость и охлаждает газожидкостную среду и нагретые элементы. В нижней части корпуса 3 установлен сливной патрубок 18. Предложенная конструкция позволяет повысить надежность, экономичность и уменьшить металлоемкость электрической машины. 4 ил.

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к электрическим машинам с газожидкостным, аэрозольным охлаждением, как с процессами фазового превращения хладагента (испарением) так и без них.

Известна конструкция закрытой электрической машины с комбинированным испарительным охлаждением [1] Подача жидкого хладагента в полости машины осуществляется с помощью форсунок, часть из которых установлена на торцевых щитах. Жидкий хладагент подается из них на лобовые участки обмоток ротора и статора.

Интенсивные процессы испарения и конденсации хладагента обеспечивает эффективное охлаждение активных элементов машины.

Одним из основных недостатков конструкции является то, что большая часть кинетической энергии распыленной форсунками жидкости полезно не используется, что приводит к ухудшению экономических показателей машины.

Близким в конструктивном отношении к предлагаемому прототипом - является серийный турбогенератор типа ТВФ, разработанный ЛПЭО "ЭЛЕКТРОСИЛА" [2] Охлаждение турбогенератора водородное. Циркуляция газа обеспечивается двумя осевыми вентиляторами, расположенными на валу второго между торцевыми щитами и бандажами. Подача газа к вентиляторам организуется со стороны торцевых щитов посредством коробов, каждый из которых образован торцевым щитом и расположенными соосно с валом диском, параллельным торцевому щиту, и двумя цилиндрами, расположенными один в другом, причем, цилиндр меньшего диаметра размещен на всем протяжении от торцевого щита до вентилятора, а цилиндр большего диаметра установлен таким образом, что один его конец охватывает вентилятор, а другой плотно прилегает к диску.

Перед входом в короба водород охлаждается в поверхностных оребренных трубчатых газоохладителях, расположенных внутри корпуса статора. Охлаждающей средой является вода, циркулирующая внутри трубок.

Использование для охлаждения активных элементов ротора и статора высокоэффективного в теплофизическом отношении водорода при давлении внутри корпуса -3·10⁵ Па обеспечивает сравнительно высокую экономичность турбогенераторов.

Основными недостатками конструкции является взрывоопасность, сложность системы герметизации вала, большая металлоемкость.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности, экономичности электрической машины, уменьшение ее металлоемкости.

Поставленная задача достигается тем, что в электрической машине с газожидкостными, аэрозольным охлаждением, содержащей ротор, статор, охладители в корпусе с торцевыми щитами, вентиляторы на валу ротора с двух сторон, расположенные перед вентиляторами по ходу аэрозоля подводящие короба, каждый из которых образован торцевым щитом и расположенными соосно с валом усеченным полым конусом без оснований и двумя полыми цилиндрами, расположенными один в другом, причем, конус установлен вершиной к вентилятору, цилиндр меньшего диаметра размещен на всем протяжении от торцевого щита до вентилятора, а цилиндр большего диаметра установлен таким образом, что один его конец охватывает вентилятор, а другой плотно прилегает к поверхности конуса, в дополнение к этому на торцевых щитах установлены распыливающие жидкость форсунки, каждый из подводящих коробов выполнен в виде вихревой камеры, теплообменника смешивающего типа посредством того, что конец цилиндра большего диаметр со стороны торцевого щита выполнен с круговым выступом и входит внутрь конуса, образуя с его поверхностью кольцевую щель, к тому же, между конусами и вентиляторами размещены соосно с валом цилиндрические стаканы, в нижней части которых установлены сливные трубки, в дополнение к этому, часть форсунок, размещенных под острым углом к торцевым щитам, установлена по окружности таким образом, что выходящие из них струи жидкости образуют закрученный относительно оси вала поток, часть форсунок с подводящими трубами установлена также в зазоре между ротором и статором и в нижней части корпуса установлен сливной патрубок.

Сущность отличительных признаков в предлагаемой конструкции заключается в том, что подводящие коробка, направляющие аэрозоль к вентиляторам, выполнены в виде компактных не металлоемких вихревых камер, теплообменников смешивающего типа с высокоинтенсивными процессами тепло- и массопереноса. Благодаря этому удается уменьшить или полностью устранить большие по габаритам и металлоемкие поверхностные теплообменники. Использование в качестве охлаждающей среды аэрозоля при давлении, близком к атмосферному, практически устраняет взрывоопасность машин, упрощает уплотнение вала, снижает металлоемкость конструкции. Размещение форсунок и трубопроводов в зазоре между ротором и статором, подводящих охлаждающую жидкость в теплонапряженный участок, позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели электрических машин.

На фиг. 1 изображен продольный разрез половины электрической машины; на фиг. 2 поперечный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вид по стрелке Л на фиг. 2; на левой половине фиг.4 поперечный разрез Б-Б на фиг. 1; на правой половине фиг. 4 разрез В-В на фиг. 1.

Электрическая машина содержит статор 1, ротор 2, расположенные в корпусе 3 с торцевыми щитами 4, бандажные кольца 5, вентиляторы 6, подводящие короба вихревые камеры, теплообменники смешивающего типа 7, каждый из которых включает торцевой щит, установленные сосно с валом в другом цилиндры маленького 8 и большого 9 диаметров, усеченный полый конус без оснований 10, образующий с наружной поверхностью цилиндра большого диаметра кольцевую щель 11, цилиндрические стаканы 12 для сбора жидкости, сливные трубки 13, форсунки 14, размещенные в зазоре между ротором и статором и в подводящих коробах, в зоне торцевых щитов, по отношению к которым они установлены под острым углом α на наружной поверхности цилиндров большего диаметра выполнены круговые выступы 15, препятствующие перетоку жидкости к вентиляторам, входные короба 16 и выходные 17, сливные патрубки 18 для вывода жидкости, охладители внутри корпуса 19.

Движение аэрозоля осуществляется следующим образом. Из выходных коробов 17 он поступает в вихревые теплообменники смешивающегося типа 7, закручивается потоком холодной жидкости, выходящей из форсунок 14, и охлажденный поступает к вентиляторам 6, далее сжатый следует несколькими параллельными потоками к ротору, в зазор, через лобовые зоны обмотки статора во входные короба 16, из которых в каналы статора. Часть холодной жидкости подается по трубам к форсункам, установленным в зазоре между ротором и статором, где распыливается и охлаждает газожидкостную среду и нагретые элементы.

Нагретый активными элементами ротора и статора аэрозоль поступает в охладители, где частично охлаждается водой или воздухом и далее поступает снова в выходные короба 17 (может быть вариант конструкции без охладителей, при этом полное охлаждение аэрозоля будет иметь место в теплообменниках смешивающегося типа).

Распыленная форсунками 14 жидкость охлаждает аэрозоль, газожидкострую среду, и частично собирается на внутренней поверхности конусов 10 и далее перетекает через кольцевые щели 11 в стаканы-сборники 12, откуда через сливные трубки 13 насосом подается в выносной теплообменник для охлаждения, как и в охладителях водой или воздухом, и далее снова по трубопроводам, каналам подается к форсункам.

Коагулирующие и выпадающие из аэрозоля, газожидкостной среды, на стенки каналов ротора и статора крупные капли жидкости стекают в нижнюю часть корпуса машины, откуда жидкость через сливной патрубок 18 отводится, как и жидкость из сливной трубки 13, к насосу и далее поступает через выносной теплообменник к форсункам. Установки форсунок под острым углом a к торцевым щитам обеспечивает требуемую траекторию движения частиц жидкости, требуемую продолжительность их пребывание в вихревой камере; расположение форсунок по окружности обеспечивает вращение потока в направлении вращения рабочего колеса вентилятора, безударный вход его в каналы вентилятора, при этом часть кинетической энергии вращающегося потока полезно преобразуется в статическую энергию давления за вентилятором.

Высокая эффективность предлагаемой конструкции достигается также благодаря высоким коэффициентам теплоотдачи 2000 10000 Вт/м² к от аэрозоля к распыленной форсунками жидкости в теплообменниках смешивающего типа, а так же в зазоре и от жидкости к теплопередающей поверхности в выносном теплообменнике, а также благодаря несравненно большой межфазной теплопередающей поверхности в смешивающемся теплообменнике и в зазоре.

В качестве жидкой фазы охлаждаются среды могут быть использованы не испаряющиеся или слабо испаряющиеся жидкости, например, турбинные масла Т-750б Т_п-22, Т_п-30, а также негорючие диэлектрические кремнийорганические теплоносители ФМ-5, ФМ- 6, ФМ-5,6АП, ПФМС-4 и др. (Олигоорганосилоксаны. Свойства, получение, применение. Под редакцией М.В.Соболевского. М. Химия, 1985, с. 264), Может также использоваться при определенных условиях вода при температуре меньше температуры насыщения.

В качестве газообразной фазы среды могут быть использованы такие газы, как, например азот, воздух и т.п.

Формула изобретения

Электрическая машина с газожидкостным аэрозольным охлаждением, содержащая ротор, статор, газоохладители в корпусе с торцевыми щитами, вентиляторы на валу ротора с двух сторон, расположенные перед вентиляторами по ходу аэрозоля подводящие короба, каждый из которых образован торцевым щитом и расположенными соосно с валом усеченным полым конусом и двумя полыми цилиндрами, расположенными один в другом, причем конус установлен вершиной к вентилятору, цилиндр меньшего диаметра размещен на всем протяжении от торцевого щита до вентилятора, а цилиндр большего диаметра установлен так, что один его конец охватывает вентилятор, а другой плотно прилегает к поверхности конуса, в дополнение к этому на торцевых щитах установлены распыливающие жидкость форсунки, отличающаяся тем, что каждый из подводящих коробов выполнен в виде вихревой камеры-теплообменника смешивающегося типа посредством того, что конец цилиндра большего диаметра со стороны торцевого щита выполнен с круговым выступом и входит вовнутрь конуса, образуя с его поверхностью кольцевую щель, между конусами и вентиляторами размещены соосно с валом цилиндрические стаканы, в нижней части которых установлены сливные трубки, форсунки на торцевых щитах установлены под острым углом к ним, а также по окружности относительно оси вала ротора так, что выходящие из них струи жидкости образуют закрученный относительно оси вала поток и часть форсунок с подводящими трубами установлена также в зазоре между ротором и статором и в нижней части корпуса установлен сливной патрубок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4