專利名稱：旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻回路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的冷卻進(jìn)液回路，尤其是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)冷卻回路。
背景技術(shù)：
眾所周知，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用水內(nèi)冷方式是電機(jī)冷卻技術(shù)的一次重要突破，它不僅節(jié)省材料和提高汽輪發(fā)電機(jī)極限容量，而且使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的溫升水平降低、溫度分布更均勻，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組溫升所引起的損耗可減少20％以上，轉(zhuǎn)子絕緣壽命長等，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
目前，公知的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻回路系統(tǒng)一般有兩種結(jié)構(gòu)軸中心孔進(jìn)水、出水箱出水；軸中心孔進(jìn)出水或從中心孔進(jìn)水、偏心孔出水。前者可以充分利用轉(zhuǎn)子進(jìn)出水的位能所產(chǎn)生的離心泵作用，而獲得所必需的水量，進(jìn)水與出水位置的徑向距離大，水泵作用大，水量也大；后者沒有或具有極小的水泵作用，水量不隨轉(zhuǎn)速變化。
這兩者的共同點(diǎn)都是采用了從轉(zhuǎn)子軸心進(jìn)水的方式，轉(zhuǎn)子水路的水由于轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的巨大離心加速度，因此會(huì)給水路系統(tǒng)帶來水壓過高的問題。大容量汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子空心銅導(dǎo)線承受水壓大約是20~30MPa，絕緣引水管也要承受8MPa以上的壓力。當(dāng)轉(zhuǎn)子直徑為1米，轉(zhuǎn)速為3600r/min時(shí)，最外層水管中的水承受為自重力的7000倍的加速度(丁舜年主編，大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻，科學(xué)出版社，1992)。轉(zhuǎn)子繞組空心導(dǎo)線要承受很大的離心壓力以及引水管及拐角承受交變壓力，特別是給汽輪發(fā)電機(jī)制造帶來許多不便，也會(huì)影響電廠的運(yùn)行安全性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有汽輪發(fā)電機(jī)水冷轉(zhuǎn)子冷卻回路水壓過高的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種新的轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻回路，把現(xiàn)有技術(shù)的汽輪發(fā)電機(jī)水冷轉(zhuǎn)子軸中心孔進(jìn)水形式，改為軸邊偏心進(jìn)水方式，在保證轉(zhuǎn)子總進(jìn)水量、克服沿程流動(dòng)阻力的前提下，可大大降低了轉(zhuǎn)子冷卻回路的水壓力。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻回路采用的技術(shù)方案是從轉(zhuǎn)子線圈轉(zhuǎn)軸軸端的某一半徑處進(jìn)水，即偏心進(jìn)水，軸邊出水，該半徑值大于零小于轉(zhuǎn)子半徑。其轉(zhuǎn)子水回路的路徑是冷卻水通過進(jìn)水裝置，從外部水系統(tǒng)靜止的管道引進(jìn)到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，經(jīng)轉(zhuǎn)子上的水分配器把水分成許多支路，冷卻水在轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)冷卻目的，然后從線圈的轉(zhuǎn)軸軸邊出水孔將水排至定子集水盤內(nèi)，冷卻水最后由定子引水管排出。
由于汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，因此產(chǎn)生的離心力很大，只要進(jìn)、出水在半徑方向上有位差，就會(huì)產(chǎn)生離心泵作用。進(jìn)水口部位的半徑值根據(jù)所需獲得的水量和水路阻力的計(jì)算確定假設(shè)水管的橫截面積為S，在徑向管沿半徑方向取一微元dr，則其在半徑r處所受的離心力df為，df＝ω2rdm＝ω2rpsdr (1)在半徑方向上積分，便得到其所受的離心泵壓PP=∫r1r2dfS=∫r1r2ω2rρdr=12ω2ρ(r22-r12),(MPa)---(2)]]>其中，r1為進(jìn)水位置所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子半徑，r2為轉(zhuǎn)子線圈位置所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子半徑。
由(2)式易知，當(dāng)采用轉(zhuǎn)子軸中心進(jìn)水方式時(shí)，r1等于0，則其離心壓力必大于轉(zhuǎn)子偏心進(jìn)水方式。
流動(dòng)阻力流動(dòng)阻力ΔP＝ΔPl+ΔPm其中，
在設(shè)計(jì)過程中，只需轉(zhuǎn)子水分配器進(jìn)出水口位差產(chǎn)生的離心泵壓P大于流動(dòng)阻力ΔP，并根據(jù)轉(zhuǎn)子冷卻所需的最大水量，即可依據(jù)公式(1)和(2)反推，確定進(jìn)水半徑r，從而省去從軸心(r＝0)到r這一段所產(chǎn)生的多余離心壓力，達(dá)到減小水壓力的目的。
假設(shè)一臺(tái)轉(zhuǎn)子水冷汽輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組空心導(dǎo)線線規(guī)為2×6.7，每根繞組6根空心導(dǎo)線，線棒內(nèi)包括進(jìn)、出水共有6個(gè)60°轉(zhuǎn)角，2個(gè)90°轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)子直徑為1米，轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分，冷卻水的流速為1.5米/秒(50℃)，每一水支路長為5米。
■采用轉(zhuǎn)子軸中心孔進(jìn)水方式，轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)部離心壓力為12.32MPa，線圈流動(dòng)阻力為0.374MPa；■采用本發(fā)明轉(zhuǎn)子偏心進(jìn)水方式(進(jìn)水部位的半徑為0.4米)，轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)部離心壓力為4.44MPa，線圈流動(dòng)阻力為0.374MPa。
■由上述兩種進(jìn)水方式的計(jì)算結(jié)果可以看出，在保證進(jìn)水流量、克服沿程流動(dòng)阻力和轉(zhuǎn)子冷卻能力的前提下，采用偏心進(jìn)水方式后，其水壓力較軸中心進(jìn)水方式顯著降低。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明充分利用轉(zhuǎn)子進(jìn)出水口部位的半徑差所產(chǎn)生的離心水泵作用，從而獲得所必需的水量，大大降低了轉(zhuǎn)子冷卻回路的水壓力；冷卻水在進(jìn)口壓力不加調(diào)整的情況下，水量分配均勻。


圖1為本發(fā)明轉(zhuǎn)子偏心進(jìn)水水回路圖，圖中1.轉(zhuǎn)軸，2.轉(zhuǎn)子水分配器，4.過渡接頭，5.轉(zhuǎn)子線圈，6.定子引水管，7.定子集水盤，10.出水口；圖2是軸中心孔進(jìn)水與偏心進(jìn)水的水通路比較示意圖，圖中a.軸中心孔供水通路，b.偏心進(jìn)水通路，c.轉(zhuǎn)子進(jìn)水機(jī)構(gòu)，d.過渡接頭，e.轉(zhuǎn)子繞組，f.出水口和出水箱，g.出水通路；圖3是轉(zhuǎn)子水分配器結(jié)構(gòu)圖，圖中1.轉(zhuǎn)軸，2.轉(zhuǎn)子水分配器；圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式
偏心進(jìn)水裝置簡圖，圖中1.轉(zhuǎn)軸，2.轉(zhuǎn)子水分配器(進(jìn)水位置在其邊緣部位)，3.壓板，4.過渡接頭，5.轉(zhuǎn)子線圈，6.定子引水管，7.定子集水盤，8.轉(zhuǎn)子本體，9.拉緊螺桿，10.出水口；圖5為保持總進(jìn)水量不變，改變轉(zhuǎn)速在1500～2210轉(zhuǎn)/分時(shí)實(shí)測轉(zhuǎn)速對水分配比例的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
如圖1所示本發(fā)明由轉(zhuǎn)子水分配器[2]，轉(zhuǎn)子線圈[5]，定子引水管[6]，定子集水盤[7]等部件構(gòu)成，其中轉(zhuǎn)子水分配器[2]、轉(zhuǎn)子線圈[5]為轉(zhuǎn)動(dòng)部件，通過過渡接頭[4]將兩者連接；定子引水管[6]、定子集水盤[7]為非轉(zhuǎn)動(dòng)部分，定子引水管[6]安裝在定子集水盤[7]的下端將冷卻水引出。(在本實(shí)施例中，為了測量出如圖5所示的轉(zhuǎn)速——流量關(guān)系曲線，出水結(jié)構(gòu)與實(shí)際使用中的有區(qū)別，實(shí)際電機(jī)出水設(shè)計(jì)，可參照汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷方式的出水結(jié)構(gòu))。
水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是高速旋轉(zhuǎn)體，要把靜止的水引入轉(zhuǎn)子，冷卻轉(zhuǎn)子繞組后再可靠地排出，需要有一套水路構(gòu)件其水路構(gòu)件主要有水冷轉(zhuǎn)子線圈、金屬引水線(一般也稱引水拐角)、進(jìn)水箱(匯流箱)、出水箱(匯流管)、絕緣引水管、接頭及進(jìn)水、出水裝置等。普通軸中心進(jìn)水機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子中的水路構(gòu)件，特別是絕緣引水管內(nèi)壁，受水的離心力的作用，承受較高的水壓，按一般水系統(tǒng)布置情況，絕緣引水管所承受的壓力可達(dá)8MPa以上。電機(jī)在如此高的水壓力下長期工作，對電機(jī)的安全可靠運(yùn)行造成了隱患。
本發(fā)明考慮到水冷轉(zhuǎn)子線圈一般采用同心式線圈，既通電又通水，在電路內(nèi)是串聯(lián)的，在水路內(nèi)是多支路并聯(lián)。參見圖2，本發(fā)明將原軸中心孔進(jìn)水機(jī)構(gòu)由軸中心a移至軸邊b經(jīng)轉(zhuǎn)子水分配器，自動(dòng)地將水均勻地分配到轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)部，達(dá)到冷卻的目的。在保證轉(zhuǎn)子線圈冷卻的前提下，離心壓力大大地降低，可降至4MPa以下。
本發(fā)明的工作過程是冷卻水通過進(jìn)水裝置，從外部水系統(tǒng)靜止的管道引進(jìn)到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸[1]，經(jīng)轉(zhuǎn)子上的水分配器[2]把水分成許多支路，各支路通過過渡接頭[4]與轉(zhuǎn)子線圈[5]連接，冷卻水在轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)依靠“離心泵”的作用而流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)冷卻目的，然后從線圈的轉(zhuǎn)軸軸邊出水口[10]將水排至定子集水盤[7]內(nèi)，冷卻水最后由定子引水管[6]排出。
本發(fā)明的出水結(jié)構(gòu)與汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸中心孔進(jìn)水——出水箱出水方式相同，轉(zhuǎn)子出水箱甩出的水由出水支座匯集(通常附有帶密封結(jié)構(gòu)的擋水蓋，用以防止?jié)B漏水)，再由下部出水口排出，經(jīng)外部水系統(tǒng)冷卻后，再循環(huán)使用。
圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例的轉(zhuǎn)子水分配器[2]部分，水冷轉(zhuǎn)子用的冷卻水通過進(jìn)水裝置由靜止的水管流進(jìn)與轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子水分配器[2]中，轉(zhuǎn)子水分配器[2]的端部開有0～90°斜向孔，其末端與轉(zhuǎn)子線圈[5]通過過渡接頭[4]連接，從而形成轉(zhuǎn)子冷卻水流通回路。該斜向孔保證了“離心泵”可安全、穩(wěn)定工作。在保證冷卻水或其它液體介質(zhì)的流量、轉(zhuǎn)子冷卻能力的前提下，根據(jù)轉(zhuǎn)子線圈半徑、所需冷卻水量和沿程阻力，由公式2反推，即可確定轉(zhuǎn)子水分配器端部長度和斜向孔的角度可根據(jù)水分配器在電機(jī)中的實(shí)際位置在0～90°銳角選取，這些對保證軸邊偏心進(jìn)水方式的安全、可靠工作是十分重要的。
圖4為本發(fā)明偏心進(jìn)水裝置的具體實(shí)施方式
，由轉(zhuǎn)子水分配器[2]，轉(zhuǎn)子線圈[5]，定子引水管[6]，定子集水盤[7]等部件構(gòu)成，其中水分配器[2]通過壓板[3]固定在轉(zhuǎn)子本體[8]，轉(zhuǎn)子線圈[5]嵌入轉(zhuǎn)子本體[8]，轉(zhuǎn)子本體[8]、轉(zhuǎn)子水分配器[2]、轉(zhuǎn)子線圈[5]為主要轉(zhuǎn)動(dòng)部件，通過過渡接頭[4]將后兩者連接；出水口[10]在轉(zhuǎn)子線圈[5]上，并隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子水分配器[2]和轉(zhuǎn)子線圈[5]通過過渡接頭[4]連接構(gòu)成通路。冷卻水從位于轉(zhuǎn)子線圈[5]轉(zhuǎn)軸[1]軸端的某一半徑上的進(jìn)水口(如圖4上的箭頭處所示)進(jìn)入，經(jīng)轉(zhuǎn)子水分配器2分成的支路流至出水口[10]，由出水口[10]甩出至定子集水盤[7]，并由與定子集水盤[7]相連的定子引水管[6]排出，定子集水盤[7]和定子引水管[6]為非轉(zhuǎn)動(dòng)部分，且定子引水管[6]安裝在定子集水盤[7]的下端以方便出水，拉緊螺桿[9]用來固定定子集水盤[7]。
圖4的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子半徑為260mm，進(jìn)水半徑為230mm，轉(zhuǎn)子水分配器中心孔半徑為244mm，保持總進(jìn)水量不變，改變轉(zhuǎn)速在1500～2210轉(zhuǎn)/分實(shí)測轉(zhuǎn)速對水分配比例的關(guān)系曲線，如圖5所示。
圖5中，橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為分流量在總流量中所占的比例，圖例中的序號(hào)是長短各不相同的模擬線圈管子所對應(yīng)的管子編號(hào)。轉(zhuǎn)子繞組沿軸線方向的水分配比例不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，其分配比例是基本均勻的。即，在確定好了進(jìn)水位置(即進(jìn)水部位的半徑)以后，由轉(zhuǎn)子水分配器自動(dòng)匹配的水量由轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，這一點(diǎn)與軸中心進(jìn)水方式一致。在轉(zhuǎn)速很低的時(shí)候，由于離心泵不能克服水路系統(tǒng)的阻力，水不能流動(dòng)，但當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，轉(zhuǎn)子對獲取水量的分配是均勻的，其分配比例的均勻性不再受到轉(zhuǎn)速和流量大小的影響。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻回路，主要包括進(jìn)水裝置、轉(zhuǎn)子線圈[5]、轉(zhuǎn)子水分配器[2]，定子引水管[6]，定子集水盤[7]、出水裝置；轉(zhuǎn)子水分配器[2]、轉(zhuǎn)子線圈[5]為轉(zhuǎn)動(dòng)部件，通過過渡接頭[4]將兩者連接；定子引水管[6]、定子集水盤[7]為非轉(zhuǎn)動(dòng)部分，定子引水管[6]安裝在定子集水盤[7]的下端將冷卻水引出，其特征在于冷卻水進(jìn)水口位于轉(zhuǎn)子線圈[5]轉(zhuǎn)軸[1]軸端的某一半徑上，該半徑值大于零小于轉(zhuǎn)子半徑，形成偏心進(jìn)水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻回路，其特征在于進(jìn)水口部位的半徑值根據(jù)所需獲得的水量和水路阻力，按下列公式計(jì)算確定df＝ω2rdm＝ω2rρsdrP=∫r1r2dfS=∫r1r2ω2rρdr=12ω2ρ(r22-r12)]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所說的旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻回路，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子水分配器[2]的端部開有0～90度銳角斜向孔，其末端與轉(zhuǎn)子線圈[5]通過過渡接頭[4]連接。
全文摘要
一種發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的冷卻回路，尤其涉及汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)冷卻回路。主要包括進(jìn)水裝置、轉(zhuǎn)子線圈[5]、轉(zhuǎn)子水分配器[2]，定子引水管[6]，定子集水盤[7]或轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)出水裝置等部件，其特征在于冷卻水進(jìn)水口位于轉(zhuǎn)子線圈轉(zhuǎn)軸軸端的某一半徑上，該半徑值大于零小于轉(zhuǎn)子半徑，形成偏心進(jìn)水。本發(fā)明利用轉(zhuǎn)子進(jìn)出水口半徑的位差所產(chǎn)生的離心水泵作用，通過改變轉(zhuǎn)子進(jìn)水位置，使轉(zhuǎn)子線圈獲得必需的水量，同時(shí)大大降低了轉(zhuǎn)子冷卻回路的壓力；冷卻水在進(jìn)口壓力不加調(diào)整的情況下，冷卻水量分配均勻。
文檔編號(hào)H02K9/19GK1635689SQ20031011034
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者顧國彪, 田新東, 袁佳毅, 常振炎, 余順周 申請人:中國科學(xué)院電工研究所