專利名稱：直接氣體冷卻的單轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電能的渦輪發(fā)電機領(lǐng)域。它涉及根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的渦輪發(fā)電機。
這種渦輪發(fā)電機例如已由文獻(xiàn)EP-A1-0 854 559公知。
為了冷卻或排出一個發(fā)電機的轉(zhuǎn)子中的電損耗熱量，穿過轉(zhuǎn)子將流過一種冷卻流體(通常是氣態(tài))(可參見EP-A1-0 854 559)。這里對于良好的冷卻首先重要的是，轉(zhuǎn)子端面的進(jìn)氣幾何布置。一種公知的進(jìn)氣幾何布置表示在

圖1A及1B上。其中圖1B表示轉(zhuǎn)子端面的展開圖，及圖1A表示通過圖1B的平面A-A中轉(zhuǎn)子端面(未展開)的截面圖。一個發(fā)電機13的轉(zhuǎn)子10包括一個中心圓柱形的轉(zhuǎn)子體18，在其外圍設(shè)有一個或多個轉(zhuǎn)子繞組14。轉(zhuǎn)子繞組14以平行于轉(zhuǎn)子軸的多個導(dǎo)體束的形式延伸在轉(zhuǎn)子的激磁部分11中，并在兩個導(dǎo)體束之間的轉(zhuǎn)子繞組頭12中形成一個180°的回轉(zhuǎn)部分。端面上繞組的空間通過一個圓環(huán)形蓋板19封閉(EP-A1-0 854 559的圖2中的22)。在蓋板19及轉(zhuǎn)子繞組14之間設(shè)有端部隔板16，它們具有圓環(huán)扇段的形狀。伸入轉(zhuǎn)子繞組14及轉(zhuǎn)子體18之間的環(huán)形縫隙中的端部隔板16的區(qū)段與兩個軸向的腔壁15，15’形成了連續(xù)的隔板，它使冷氣體腔25及熱氣體腔32與進(jìn)氣口21及出氣口22(通過相應(yīng)的通風(fēng)槽20)彼此分開。在此情況下端部隔板16將用來支持腔壁15，15’。由此通常產(chǎn)生一個懸臂24，它伸到冷氣體腔25中。在不利情況下該懸臂24甚至還具有一個延長部分23。
懸臂24還從其延長部分23到相交界的冷氣體腔25的銳邊終端專用于對付與氣流的分層相關(guān)的強烈收縮力。該氣流分層(渦流27)在轉(zhuǎn)子10圓周速度作用下將導(dǎo)致冷卻介質(zhì)對轉(zhuǎn)子繞組14的不均勻供給。在此情況下，冷卻氣流相對轉(zhuǎn)子10所產(chǎn)生的速度w將根據(jù)圖1C中的速度三角形26由軸向氣流速度c及轉(zhuǎn)子10的圓周速度u的矢量疊加形成。
為了避免這種氣流分層，在開始部分所述的EP-A1-0 854 559中已提出在蓋板19及轉(zhuǎn)子體18之間冷卻氣體流入?yún)^(qū)域中設(shè)置一個兩級氣流柵形式的氣體導(dǎo)環(huán)(GLR)。該GLR基本上解決該通風(fēng)技術(shù)問題，但還具有一些缺點一方面，這種GLR與高的費用相聯(lián)系。另一方面，一旦要對冷卻氣流進(jìn)行顯著改變(例如發(fā)電機短路或小功率時)，其功能將受損。最后，該GLR的功能與轉(zhuǎn)向相關(guān)，以致在轉(zhuǎn)向改變時所需效果將不存在。
因此本發(fā)明的任務(wù)是，對開始部分所述類型的發(fā)電機這樣地設(shè)計，即無需大的附加費用便可獲得轉(zhuǎn)子冷卻氣體供給的改善，并尤其可以避免在冷卻氣體進(jìn)入轉(zhuǎn)子時冷卻氣體流中不希望有的渦流形成及渦流分層，及使氣流阻力降低。
該任務(wù)將通過權(quán)利要求1的所有特征來解決。本發(fā)明的核心在于，冷卻氣流進(jìn)入環(huán)形縫隙區(qū)段時的氣流分層將通過端部隔板伸入環(huán)形縫隙中的區(qū)段的有利于氣流的構(gòu)型來避免。
本發(fā)明的第一優(yōu)選構(gòu)型其特征在于從圓周方向上看，伸入冷卻氣體流中的端部隔板的區(qū)段上的側(cè)向邊緣具有一個斜面或棱角或一個被整成具有一個或多個圓半徑的適合于氣流流通的圓角。通過斜面或圓角可使進(jìn)入邊緣區(qū)域的冷卻氣體流在極大程度上避免氣流分層及使氣流阻力降低，由此在其它邊界條件相同的情況下轉(zhuǎn)子冷卻可被顯著地改善。此外，幾乎微不足道的渦流通過冷卻介質(zhì)從圓角到區(qū)段橫截面的加速而被瓦解。在此情況下特別有利的是，端部隔板用作成斜面或圓角的區(qū)段在端面上與一個側(cè)面被兩個軸向平行的腔壁限界的熱氣體腔端接，及作成斜面或圓角的區(qū)段與腔壁齊平地端接。
本發(fā)明的第二優(yōu)選構(gòu)型其特征在于在端部隔板的區(qū)段前的氣流方向上設(shè)有一個附加氣體引導(dǎo)區(qū)段，它使冷卻氣體流引導(dǎo)到區(qū)段的周圍。與區(qū)段邊緣整成圓角無關(guān)地，該區(qū)段的貫流可通過設(shè)置在前面的氣體引導(dǎo)區(qū)段進(jìn)一步變均勻及改善，其中通過分開的氣體引導(dǎo)區(qū)段開創(chuàng)了其它構(gòu)型及優(yōu)化的可能性。
根據(jù)另一優(yōu)選構(gòu)型可使分層的渦流進(jìn)一步改善，即氣體引導(dǎo)區(qū)段通過一個縫隙隔開地設(shè)在區(qū)段的前面，及具有朝著冷卻氣體流的凸彎曲外側(cè)面，及端部隔板的區(qū)段與放置在前面的氣體引導(dǎo)區(qū)段這樣地構(gòu)成，即與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反地冷卻氣體從到來的側(cè)邊被壓到縫隙中。通過該縫隙流通的冷卻氣體在其出口上附加地阻止渦流的形成。為了避免對縫隙氣流的干擾影響，在此情況下有利的是，氣體引導(dǎo)區(qū)段在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向上其后緣這樣地構(gòu)成，即通過縫隙流通的冷卻氣體流在很大程度上無過渡地輸送到流入相鄰的環(huán)形縫隙區(qū)段內(nèi)的冷卻氣體流中。
其它的實施形式可由從屬權(quán)利要求中得到。
以下將結(jié)合附圖借助實施例來詳細(xì)地描述本發(fā)明。附圖為圖1A-C用于一個氣體冷卻發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的公知冷卻結(jié)構(gòu)，其中在轉(zhuǎn)子端面的一個展開圖(圖1B)中具有形成的渦流-由于它在轉(zhuǎn)子銅空心導(dǎo)體繞組的進(jìn)風(fēng)側(cè)及出風(fēng)側(cè)引起不均勻的冷卻氣流供給，及在圖1B的平面A-A中(未展開的)轉(zhuǎn)子端面的一個截面圖(圖1B)，以及用于冷卻氣流的基本速度三角形(圖1C)；圖2A，B以與圖1A及1B類似的示圖表示的根據(jù)本發(fā)明的冷卻氣體流傳導(dǎo)的第一優(yōu)選實施例，它具有邊緣被圓整的端部隔板，該隔板與熱氣體腔的腔壁齊平地延伸或可稍微伸入冷氣體腔中；圖3A，B以與圖1A及1B類似的示圖表示的根據(jù)本發(fā)明的冷卻氣體流傳導(dǎo)的第二優(yōu)選實施例，它具有邊緣被圓整的端部隔板及一個支承在前面的氣體引導(dǎo)區(qū)段；圖4A，B以與圖1A及1B類似的示圖表示的根據(jù)本發(fā)明的冷卻氣體流傳導(dǎo)的第三優(yōu)選實施例，它具有邊緣被圓整的端部隔板及一個支承在前面的增大寬度的氣體引導(dǎo)區(qū)段；圖5A，B以與圖1A及1B類似的示圖表示的根據(jù)本發(fā)明的冷卻氣體流傳導(dǎo)的第四優(yōu)選實施例，它具有邊緣被圓整的端部隔板及一個支承在前面的、在縫隙出口上帶有有利氣流的突出部分的氣體引導(dǎo)區(qū)段；圖6A，B以與圖1A及1B類似的示圖表示的根據(jù)本發(fā)明的冷卻氣體流傳導(dǎo)的第五優(yōu)選實施例，它具有增大厚度的邊緣被圓整的端部隔板。
在實施的渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的大多數(shù)情況下不需要用氣體導(dǎo)環(huán)GLR，以便實現(xiàn)用于轉(zhuǎn)子冷卻的附加壓力。如果在轉(zhuǎn)子入口處的結(jié)構(gòu)改變的話，可獲得材料利用的改善及運行性能的改善(避免熱不平衡)，以便在極大程度上避免在冷卻介質(zhì)入口處形成渦流(圖1B中的渦流27)。本發(fā)明的構(gòu)思還在于改善所有渦輪發(fā)電機的冷卻氣體供給(通過降低轉(zhuǎn)子入口氣流阻力改善冷卻氣流分布及容積)，及尤其在于通過避免入口處氣流分層來取代GLR。
圖2以與圖1A及1B類似的示圖表示根據(jù)本發(fā)明的冷卻氣體流傳導(dǎo)的第一優(yōu)選實施例。這里端部隔板16伸入環(huán)形縫隙的區(qū)段16’不僅具有相對圖1縮短腔壁15，15’上的懸臂(或甚至與腔壁15，15’齊平地端接)，而且在區(qū)段16’的側(cè)向邊緣主要具有被倒圓角28(斜面或棱角)。通過縮短(或齊平端接)及倒圓角28及使該圓角的半徑與進(jìn)入的冷卻氣流適配，可在極大程度上消除渦流的形成及使入口阻力系數(shù)明顯降低。
圖3表示本發(fā)明的第二實施例。這里在端部隔板16的邊緣被整圓的區(qū)段16’的前面放置了一個附加氣體引導(dǎo)區(qū)段17。氣體引導(dǎo)區(qū)段17及端部隔板16通過一個縫隙29彼此隔開。氣體引導(dǎo)區(qū)段17具有向著冷卻氣體流的凸彎曲外側(cè)面，它有利于流通地使冷卻氣體流引導(dǎo)到區(qū)段16’的周圍。
圖4中所示的第三實施例中氣體引導(dǎo)區(qū)段17在圓周方向上相對區(qū)段16’增長?？p隙29在流體技術(shù)上可被這樣地利用，從增長側(cè)30起由于增加了動壓頭使一些冷卻介質(zhì)被壓到該縫隙中，以使得有可能還出現(xiàn)的渦流被填補或分解。
圖5表示另一實施例。這里被固定在蓋板19上的氣體引導(dǎo)區(qū)段17在流體技術(shù)上進(jìn)一步地被改善，其方式是，在縫隙29的輸出側(cè)上設(shè)有一個向內(nèi)彎曲的突出部分31。以此方式，從縫隙29中逸出的冷卻氣體可更好(有利于流通)地返回到轉(zhuǎn)子10的冷卻氣流中。
圖6中所示的另一實施例放棄使用附加的氣體引導(dǎo)區(qū)段17。在此情況下，端部隔板16伸入環(huán)形縫隙的區(qū)段16’具有比端部隔板16的其它部分厚的厚度，并用其朝著冷卻氣流的一側(cè)伸到蓋板19的下面。以此方式，可實現(xiàn)區(qū)段16’邊緣上較大的圓角半徑，這有利于入口處的氣流流通。
總之借助本發(fā)明得到一種既簡單又節(jié)省材料的轉(zhuǎn)子冷卻的改善及冷卻更均勻，除圖5的實施例外，可無改變地用于轉(zhuǎn)子10的兩個轉(zhuǎn)向。
權(quán)利要求
1.直接氣體冷卻的具有單轉(zhuǎn)子(10)的渦輪發(fā)電機(13)，該轉(zhuǎn)子(10)具有一個圍繞轉(zhuǎn)子體(18)布置的轉(zhuǎn)子繞組(14)，該繞組的端面被一個環(huán)形的蓋板(19)覆蓋，在轉(zhuǎn)子(10)中該端面上蓋板(19)及轉(zhuǎn)子體(18)之間的環(huán)形縫隙區(qū)段(33，34)中流入用于冷卻轉(zhuǎn)子(10)的冷卻氣體，該環(huán)形縫隙區(qū)段(33，34)從圓周方向看其各側(cè)面以伸入到環(huán)形縫隙中的端部隔板(16)的區(qū)段(16’)為限界，該端部隔板設(shè)在蓋板(19)及轉(zhuǎn)子繞組(14)之間，其特征在于在環(huán)形縫隙區(qū)段(33，34)入口處冷卻氣體流的分層通過端部隔板(16)與環(huán)形縫隙接界的區(qū)段(16’)的有利于氣流的構(gòu)型來避免。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的渦流發(fā)電機，其特征在于從圓周方向上看，伸入冷卻氣體流中的端部隔板(16)的區(qū)段(16’)上的側(cè)向邊緣具有一個斜面或棱角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的渦流發(fā)電機，其特征在于從圓周方向上看，伸入冷卻氣體流中的端部隔板(16)的區(qū)段(16’)上的側(cè)向邊緣具有一個被整成具有一個或多個圓半徑的適合于氣流流通的圓角(28)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2及3中一項的渦流發(fā)電機，其特征在于端部隔板(16)用作成斜面或圓角的區(qū)段(16’)在端面上與一個側(cè)面被兩個軸向平行的腔壁(15，15’)限界的熱氣體腔(32)端接；及作成斜面或圓角的區(qū)段(16)與腔壁(15，15’)齊平地端接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中一項的渦流發(fā)電機，其特征在于在端部隔板(16)的區(qū)段(16’)前的氣流方向上設(shè)有一個附加氣體引導(dǎo)區(qū)段(17)，它使冷卻氣體流引導(dǎo)到區(qū)段(16’)的周圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的渦流發(fā)電機，其特征在于氣體引導(dǎo)區(qū)段(17)通過一個縫隙(29)隔開地設(shè)在區(qū)段(16’)的前面，及具有朝著冷卻氣體流的凸彎曲外側(cè)面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的渦流發(fā)電機，其特征在于附加氣體引導(dǎo)區(qū)段(17)在圓周方向上實質(zhì)具有與端部隔板(16)的區(qū)段(16’)相同的長度，并與區(qū)段(16’)在流體技術(shù)上構(gòu)成一個單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的渦流發(fā)電機，其特征在于端部隔板(16)的區(qū)段(16’)及放置在前面的氣體引導(dǎo)區(qū)段(17)這樣地構(gòu)成，即與轉(zhuǎn)子(10)的轉(zhuǎn)向相反地，冷卻氣體從到達(dá)的側(cè)邊(30)被壓到縫隙(29)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的渦流發(fā)電機，其特征在于氣體引導(dǎo)區(qū)段(17)在轉(zhuǎn)子(10)的轉(zhuǎn)向上至少其前緣超過端部隔板(16)的區(qū)段(16’)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8及9中一項的渦流發(fā)電機，其特征在于氣體引導(dǎo)區(qū)段(17)在轉(zhuǎn)子(10)的轉(zhuǎn)向上的后緣這樣地構(gòu)成，即通過縫隙(29)流通的冷卻氣體流在很大程度上無過渡地輸送到流入相鄰的環(huán)形縫隙區(qū)段(34)內(nèi)的冷卻氣體流中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的渦流發(fā)電機，其特征在于氣體引導(dǎo)區(qū)段(17)在轉(zhuǎn)子(10)的轉(zhuǎn)向上的后緣具有一個向內(nèi)彎曲的突出部分(31)。
12.根據(jù)權(quán)利要求5至11中一項的渦流發(fā)電機，其特征在于氣體引導(dǎo)區(qū)段(17)被固定在蓋板(19)上。
13.根據(jù)權(quán)利要求2至4中一項的渦流發(fā)電機，其特征在于端部隔板(16)伸入環(huán)形縫隙的區(qū)段(16’)具有比端部隔板(16)的其它部分厚的厚度，并用其朝著冷卻氣體流的一側(cè)伸到蓋板(19)的下面。
全文摘要
在直接氣體冷卻的具有單轉(zhuǎn)子(10)的渦輪發(fā)電機(13)中,轉(zhuǎn)子(10)具有一個圍繞轉(zhuǎn)子體(18)布置的轉(zhuǎn)子繞組(14),該繞組的端面被一個環(huán)形的蓋板(19)覆蓋,在轉(zhuǎn)子(10)的該端面上蓋板(19)及轉(zhuǎn)子體(18)之間的環(huán)形縫隙區(qū)段(33,34)中流入用于冷卻轉(zhuǎn)子(10)的冷卻氣體,該環(huán)形縫隙區(qū)段(33,34)從圓周方向看其各側(cè)面以伸入到環(huán)形縫隙中的端部隔板(16)的區(qū)段(16′)為限界,該端部隔板設(shè)在蓋板(19)及轉(zhuǎn)子繞組(14)之間,其冷卻的改善這樣地實現(xiàn):在環(huán)形縫隙區(qū)段(33,34)入口處冷卻氣體流的分層通過端部隔板(16)與環(huán)形縫隙接界的區(qū)段(16′)的有利于氣流的構(gòu)型來避免。
文檔編號H02K3/04GK1328374SQ01120900
公開日2001年12月26日 申請日期2001年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月7日
發(fā)明者J·貝爾, J·托默 申請人:阿爾斯托姆電力有限公司