Электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к крупным электрическим машинам, например к турбогенераторам. Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, состоит в повышении надежности охлаждаемых жидкостью обмоток статоров электрических машин за счет предотвращения увлажнения изоляции стержней и мест их соединения в обмотку в случае нарушения герметичности охлаждающего тракта. Данный технический результат достигается тем, что в электрической машине с жидкостным охлаждением обмотки статора циркуляция жидкости в стержнях обмотки осуществляется за счет создания вакуума в выходном коллекторе. Сущность данного изобретения состоит в том, что согласно первому варианту его осуществления в электрической машине с жидкостным охлаждением обмотки статора, содержащей стержни с полыми проводниками, на концевые части которых припаяны наконечники со штуцерами, образующие головки стержней, изолированные от соседних головок изоляционными коробками или перегородками, и со шлангами, подключенными к входным или выходным коллекторам, соединенным с системой охлаждения, обеспечивающей подачу к коллекторам охлажденной и отвод от них нагретой жидкости и содержащей бак, из которого охлаждающая жидкость основным насосом через водяные охладители по трубопроводам подается в обмотку статора, а после прохождения обмотки статора возвращается в бак, согласно изобретению выходной коллектор соединен с баком с помощью вертикально (наклонно) распложенного трубопровода, нижний конец которого опущен на максимально возможную глубину и заведен в бак, который установлен на нижней отметке. Согласно второму варианту осуществления данного изобретения в электрической машине с жидкостным охлаждением обмотки статора, содержащей стержни с полыми проводниками, на концевые части которых припаяны наконечники со штуцерами, образующие головки стержней, изолированные от соседних головок изоляционными коробками или перегородками, и со шлангами, подключенными к входным или выходным коллекторам, соединенным с системой охлаждения, обеспечивающей подачу к коллекторам охлажденной и отвод от них нагретой жидкости и содержащей бак, из которого охлаждающая жидкость основным насосом через водяные охладители по трубопроводам подается к обмотке статора, а после прохождения обмотки статора возвращается в бак, согласно изобретению выходной коллектор соединен трубопроводом с зоной разрежения (создания вакуума) дополнительно установленного в систему охлаждения насоса, зона напора которого соединена с баком, а входной коллектор соединен с дополнительно установленной емкостью, расположенной на высотном уровне, близком к уровню нахождения верхней части поверхности входного коллектора, охлаждающая жидкость в которую поступает от насоса системы охлаждения и находится в этой емкости под давлением, не превышающим давление среды, окружающей обмотку статора, например, за счет установки поплавкового клапана на входящем в емкость трубопроводе подачи жидкости от основного насоса и соединения емкости в верхней ее части со средой, окружающей обмотку статора. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к крупным электрическим машинам, например к турбогенераторам.

Известны электрические машины с форсированным охлаждением обмоток статоров, в медных проводниках стержней которых выполнены продольные каналы для прохождения охлаждающего агента. К концевым частям проводников стержней припаяны наконечники, защищенные от электрического замыкания с соседними токоведущими частями изоляционными коробками [1]. Использование такой обмотки в электрических машинах часто бывает недостаточно эффективным из-за применения в качестве охлаждающего агента газа, значительно уступающего жидкости по параметрам теплопередачи и теплоемкости.

Наиболее близким аналогом - прототипом изобретения является другая известная конструкция электрической машины с водяным охлаждением обмотки статора [2], эффективность охлаждения которой достигается за счет подачи охлаждающей воды от насосов под давлением в напорный коллектор, соединенный с обмоткой статора (параллельными ветвями по два стержня в каждой ветви последовательно) с последующим удалением воды через сливной коллектор.

Однако этой конструкции присущ очень существенный недостаток, связанный со снижением электрической прочности изоляции обмотки статора при нарушении герметичности водяного тракта внутри головок и каналах витков стержней. Такие нарушения, часто приводящие к серьезным повреждениям электрической машины, особенно часто проявляются при значительном превышении давления охлаждающей жидкости в каналах стержней над давлением среды, окружающей эти стержни. В этом случае в местах нарушения герметичности изоляция увлажняется и быстро теряет свои свойства.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, - это повышение надежности охлаждаемых жидкостью обмоток статоров электрических машин за счет предотвращения увлажнения изоляции стержней и мест их соединения в обмотку при нарушении герметичности охлаждающего тракта.

Указанная цель достигается тем, что в конструкции электрической машины с жидкостным охлаждением обмотки статора циркуляция жидкости в стержнях обмотки осуществляется не за счет создания повышенного давления жидкости во входном коллекторе, а за счет создания вакуума в выходном коллекторе.

На чертеже приведена электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора (1), содержащая стержни (2) с полыми проводниками, на концевых частях которых припаяны наконечники (3) со штуцерами (4), образующие головки стержней, изолированные от соседних головок изоляционными коробками (5) или перегородками, и подключенными шлангами (6) к входным (7) или выходным (8) коллекторам, соединенным с системой охлаждения (9), содержащей бак (10), из которого охлаждающая жидкость основным насосом (11) через водяные охладители (12) по трубопроводам подается либо непосредственно во входной коллектор, либо в дополнительную емкость (13) с поплавковым клапаном (14) и уравнительным патрубком (15). На чертеже показано также, как входной коллектор подключается к дополнительной емкости через регулирующие перепад давлений вентиль или диафрагму (16), а выходной - к вертикально (наклонно) установленному трубопроводу (17) и дополнительному насосу (18), напорная зона которого (19) соединена с баком, а зона разрежения (20) - с выходной коллектором. Под поз.(21) обозначены байпасный трубопровод насоса с перепускным клапаном, поз.22 - регулятор давления охлаждающей жидкости, а поз.(23) - U-образные манометры, установленные на входном и выходном коллекторах. Знаками √ и Н - рекомендуемое высотное положение бака и емкости.

В крупных электрических машинах, таких как турбогенераторы с жидкостной системой охлаждения активных частей, обмотка статора, как правило, выполняется двухслойной петлевой, состоящей из отдельных стержней, изготовленных из переплетенных сплошных и полых медных проводников и соединяемых пайкой после укладки в пазы статора. Соединение отдельных стержней в обмотку статора осуществляется с помощью медных наконечников, которые выполняют две не всегда взаимно дополняющие друг друга функции - осуществлять надежный контакт электрического соединения с соседними стержнями и служить для питания полых проводников охлаждающей жидкостью, которая подается через штуцера, как правило, выполненные из нержавеющей стали. Герметичность соединения обеспечивается не только качественной пайкой наконечников, сваркой штуцеров, но и качественным уплотнительным материалом и конструкцией разъемных соединений. Стержни обмотки статора в пазовой и лобовых частях, а также в местах соединения (головки) изолируются корпусной изоляцией, которая должна выдерживать высоковольтные испытания. Подача охлаждающей жидкости к обмотке статора осуществляется за счет напора насосов, создающих в полых проводниках и наконечниках избыточное давление в несколько атмосфер, что приводит к тому, что при нарушении уплотнений разъемных соединений головок мест пайки и сварки, а также появления трещин в полых каналах проводников происходит интенсивное увлажнение изоляции, часто приводящее к значительному ущербу.

Увлажнение изоляции обмотки статора и связанные с этим значительные повреждения электрической машины можно предотвратить или, по крайней мере, значительно ограничить, если циркуляцию жидкости в стержнях обмотки осуществлять не за счет создания повышенного давления (напора) жидкости во входном коллекторе, а за счет создания вакуума (разрежения) в выходном коллекторе

С этой целью выходной коллектор системы охлаждения обмотки необходимо соединить с баком с помощью вертикально (наклонно) расположенного трубопровода, нижний конец которого опускается на максимально возможную глубину по условиям компоновки электрической машины и заводится в нижнюю часть бака, который также устанавливается на наиболее низкой отметке помещения, где установлена электрическая машина. В этом случае вакуумный эффект в выходном коллекторе, как, впрочем, и в обмотке статора, при условии непрерывности потока охлаждающей жидкости в системе охлаждения создается за счет массы вертикального столба жидкости в вытяжном (сливном) трубопроводе, а величина разрежения определяется (в пределах 1 кг/см²) произведением высоты этого столба на удельный вес жидкости. Непрерывность же потока охлаждающей жидкости в системе охлаждения может быть обеспечена основным насосом системы охлаждения, который осуществляет забор жидкости из бака и подачу ее к входному коллектору системы охлаждения. При таком техническом решении задачи охлаждения обмотки статора жидкостью ее циркуляция обеспечивается за счет:

- подъема с помощью основного насоса охлаждающей жидкости из бака, находящегося ниже уровня установки электрической машины, например, от уровня пола или подвального помещения машинного зала до высотного уровня (Н), на котором находится верхняя часть поверхности входного коллектора;

- вакуумного эффекта, создаваемого жидкостью, заполняющей наклонный трубопровод.

Таким образом, в противовес применяемой нагнетательной системе жидкостного охлаждения обмотки статора предлагаемую систему жидкостного охлаждения можно назвать "вытяжной" или "вакуумной".

При использовании такой системы в случае нарушения герметичности тракта охлаждения обмотки утечка жидкости будет значительно ограничена, а проникновение газа через изоляцию в систему охлаждения мене опасно, особенно, если учесть, что такое проникновение газа в систему охлаждения обмотки можно своевременно обнаружить и устранить.

При этом для организации вытяжной системы охлаждения обмотки статора необходимо также средствами автоматики, например с помощью перепускного клапана на байпасном трубопроводе основного насоса либо установкой механических или электронных регуляторов давления жидкости, обеспечить перед входным коллектором необходимое превышение давления охлаждающей жидкости. Для этой цели может быть использован дифференциальный регулятор давления жидкости, например, аналогичный типовым регуляторам, используемым в системе маслоснабжения водородных уплотнений вала, регулирующих перепад давления "масло-водород". Дифференциальный регулятор в системе охлаждения обмотки статора может быть настроенным на поддержание определенного давления охлаждающей жидкости во входном коллекторе в функции перепада давления жидкости между входным и выходным коллекторами или в зависимости от величины разрежения, создаваемого наклонным трубопроводом.

Более того, в процессе эксплуатации "вытяжной" ("вакуумной") системы охлаждения предоставляется возможность изменять степень разрежения во внутренних полостях стержней и коллекторов с одновременным изменением расхода охлаждающей жидкости за счет увеличения или уменьшения напора основного насоса. Кроме того, при временном повышения давления охлаждающей жидкости во входном коллекторе можно будет удалять проникший в каналы обмотки газ.

Обратим здесь внимание также на то обстоятельство, что предложенное исполнение системы жидкостного охлаждения для обмотки статора электрической машины может быть также использовано для турбогенераторов с водородным охлаждением, давление водорода в которых достигает 4-5 кг/см². В этом случае снимаются ограничения по давлению охлаждающей жидкости во входном коллекторе, система охлаждения становится комбинированной (нагнетательно-вытяжной), а уменьшения вероятности увлажнения изоляции обмотки статора следует ожидать за счет увеличения разности давлений водорода и охлаждающей жидкости.

Другое исполнение "вытяжной" ("вакуумной") системы охлаждения обмотки статора можно реализовать, если выходной коллектор системы охлаждения обмотки статора электрической машины соединить трубопроводом с зоной разрежения (создания вакуума) дополнительно установленного в систему охлаждения насоса, напорная зона которого соединена с баком, а входной коллектор соединяется с дополнительно установленной емкостью, которая располагается на высотном уровне, близком к уровню нахождения верхней части поверхности входного коллектора. Охлаждающая жидкость в емкости поступает от основного насоса системы охлаждения и находится в этой емкости под давлением, не превышающем давление среды, окружающей обмотку статора. Это условие можно соблюсти, например, за счет установки поплавкового клапана на входящем в емкость трубопроводе подачи жидкости от основного насоса и соединения верхней части емкости со средой, окружающей обмотку статора.

Такой же эффект можно получить и без установки дополнительного насоса, если основной насос системы охлаждения установить так, чтобы его зона разрежения была соединена с вертикально (наклонно) распложенным трубопроводом, а напорная зона - с баком. В этом случае бак должен быть выполнен герметичным, так как будет находиться под давлением, создаваемым основным насосом.

При использовании вертикально (наклонно) распложенного трубопровода для создания "вытяжной" системы жидкостного охлаждения обмотки статора для обеспечения наиболее благоприятных условий гарантированного уровня давлений охлаждающей жидкости во входном коллекторе можно соединить его с дополнительно установленной емкостью, расположенной на высотном уровне, близком к уровню нахождения верхней части поверхности входного коллектора, охлаждающая жидкость в которую поступает от основного насоса системы охлаждения и находится в этой емкости под давлением, не превышающем давление среды, окружающей обмотку статора, например, за счет установки поплавкового клапана на входящем в емкость трубопроводе подачи жидкости от насоса и соединения верхней части емкости со средой, окружающей обмотку статора.

Если разрежения охлаждающей жидкости в выходной коллектор системы охлаждения обмотки окажется недостаточным для обеспечения необходимого расхода, то в вертикально (наклонно) распложенный трубопровод может также быть дополнительно встроен насос, зона разрежения которого соединена упомянутым трубопроводом с выходным коллектором, а напорная зона - с баком. Дополнительный насос может быть использован также для подачи охлаждающей жидкости в бак, в том случае, когда по условиям компоновки системы охлаждения он не может быть установлен на нижней отметке.

В предлагаемой электрической машине с "вытяжной" системой жидкостного охлаждения обмотки статора весьма существенным являются вопросы своевременного диагностирования попадания газа в систему охлаждения обмотки. Поэтому для такого диагностирования и контроля вакуума помимо общеизвестных газовых ловушек предлагается на входном и выходном коллекторах установить вакуумметры, например U-образные манометры.

Предлагаемая система жидкостного охлаждения обмотки статора электрической машины может быть использована для предотвращения утечки жидкости в любой другой не вращающейся ее составной части, в которой для охлаждения используется жидкость (сердечник, нажимные плиты, экраны статора, газоохладители и др.) Так, например, при использовании "вытяжной" системы охлаждения в горизонтально расположенных газоохладителях аналогом обмотки являются полые оребренные трубки, а аналогом коллекторов - водяные камеры. При вертикальном расположении газоохладителей аналогом входного коллектора является верхняя водяная камера газоохладителя.

Источники информации

1. В.Ю.Аврух, Е.X.Глидер. и др. Модернизация обмоток статоров турбогенераторов. М.: Энергоиздат, 1981 г., 70 стр.

2. В.В.Титов, Г.М.Хуторецкий. Турбогенераторы. Расчет и конструкция, Л.: Энергия, 295 стр.

1. Электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора, содержащая стержни с полыми проводниками, на концевые части которых припаяны наконечники со штуцерами, образующие головки стержней, изолированные от соседних головок изоляционными коробками или перегородками, и со шлангами, подключенными к входным или выходным коллекторам, соединенным с системой охлаждения, обеспечивающей подачу к коллекторам охлажденной и отвод от них нагретой жидкости и содержащей бак, из которого охлаждающая жидкость основным насосом через водяные охладители по трубопроводам подается в обмотку статора, а после прохождения обмотки статора возвращается в бак, отличающаяся тем, что выходной коллектор соединен с баком с помощью вертикально (наклонно) распложенного трубопровода, нижний конец которого опущен на максимально возможную глубину и заведен в бак, который установлен на нижней отметке.

2. Электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора по п.1, отличающаяся тем, что в вертикально (наклонно) распложенный трубопровод дополнительно встроен насос, зона разрежения которого соединена упомянутым трубопроводом с выходным коллектором, а зона напора - с баком.

3. Электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что основной насос системы охлаждения установлен так, что его зона разрежения соединена с вертикально (наклонно) распложенным трубопроводом, а зона напора - с герметично выполненным баком.

4. Электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что зона напора основного насоса соединена с входным коллектором через регулятор давления охлаждающей жидкости, например через дифференциальный регулятор, который настроен на поддержание определенного давления охлаждающей жидкости во входном коллекторе в функции перепада давления жидкости между входным и выходным коллекторами.

5. Электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что зона напора основного насоса соединена с входным коллектором через регулятор давления охлаждающей жидкости, например через дифференциальный регулятор, который настраивается на поддержание определенного давления охлаждающей жидкости во входном коллекторе в зависимости от величины разрежения, создаваемого наклонным трубопроводом.

6. Электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что на входном и выходном коллекторах установлены вакуумметры, например U-образные манометры.

7. Электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что входной коллектор соединен с дополнительно установленной емкостью, расположенной на высотном уровне, близком к уровню нахождения верхней части поверхности входного коллектора, при этом охлаждающая жидкость в упомянутую емкость поступает от основного насоса системы охлаждения и находится в данной емкости под давлением, не превышающим давление среды, окружающей обмотку статора, например, за счет установки поплавкового клапана на входящем в емкость трубопроводе подачи жидкости от основного насоса и соединения емкости в верхней ее части со средой, окружающей обмотку статора.

8. Электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора, содержащая стержни с полыми проводниками, на концевые части которых припаяны наконечники со штуцерами, образующие головки стержней, изолированные от соседних головок изоляционными коробками или перегородками, и со шлангами, подключенными к входным или выходным коллекторам, соединенным с системой охлаждения, обеспечивающей подачу к коллекторам охлажденной и отвод от них нагретой жидкости и содержащей бак, из которого охлаждающая жидкость основным насосом через водяные охладители по трубопроводам подается к обмотке статора, а после прохождения обмотки статора возвращается в бак, отличающаяся тем, что выходной коллектор соединен трубопроводом с зоной разрежения (создания вакуума) дополнительно установленного в систему охлаждения насоса, зона напора которого соединена с баком, а входной коллектор соединен с дополнительно установленной емкостью, расположенной на высотном уровне, близком к уровню нахождения верхней части поверхности входного коллектора, охлаждающая жидкость в которую поступает от насоса системы охлаждения и находится в этой емкости под давлением, не превышающим давление среды, окружающей обмотку статора, например, за счет установки поплавкового клапана на входящем в емкость трубопроводе подачи жидкости от основного насоса и соединения емкости в верхней ее части со средой, окружающей обмотку статора.

9. Электрическая машина с жидкостным охлаждением обмотки статора по п.6, отличающаяся тем, что на входном и выходном коллекторах установлены вакуумметры, например U-образные манометры.