用于冷却发电机的转子的方法与流程

本发明涉及一种用于水力发电机的液体冷却方法，该水力发电机设计为带有转子和定子的同步电机，在转子处具有由极绕组形成的极。本发明还涉及一种装置，即一种用于对水力发电机的转子中的绕组进行液体冷却并从电机中排出热量的组件。

背景技术：

由于太阳能和风能参与到电网中，对生产电的电网供应商的要求发生改变。由于高的易变性(所述易变性是由于电网中的这些技术而产生的)，现有的生产者、例如具有大落差的水力发电站要求大量的启-停循环和负载变化。

困难在于设计非常大的、快速运转的水力发电机。因为出于不同原因存在针对最大转子质量的极限，最大可实现功率取决于冷却效率。因此，此类转子在大多数情况下配备有液体冷却系统/水冷系统。

水冷式的水力发电机基于非常小的换气损失而更好地适用于空转运行和产生无功功率，此时换气损失消耗大部分的驱动功率。

当机组持久地转动时，可以减小机械负载循环的数量以及轴承和制动器的损耗。

然而与简单的空气冷却相比，对转子绕组的常见的水冷是更加高耗费且昂贵的。

通常，在已知的液体冷却系统中，将冷却介质引导到机器内部(转子或热源)与机器外部(冷却器或热阱)之间的回路中，这首先在将流入液体和流出液体连接至转子空心轴时通入复杂的结构中。在此，通过转子空心轴的上端来供应和排出冷却液，其中需要用于循环冷却液体的泵。这些复杂的结构进而在发电站运行中导致高的维护耗费。

这样的根据现有技术的转子绕组水冷例如几十年来在奥地利蒂罗尔州郝斯林市用于抽水蓄能式发电站。在图1或图2中展示了这种根据现有技术的供水头。

此外，从现有技术已知用制冷剂冷却的转子。在此，在转子中设置制冷剂-蒸发-冷凝回路，其然后在冷凝器侧将废热输出至例如水。示例性地，在gb880262中描述了这样的实施方式。gb989698描述了类似的构造，其中在此，对定子进行冷却并且用于输出热量的热交换器/冷凝器布置在电动机的外部。在这两个实施方式中，对制冷剂进行蒸发和冷凝。作为这些方法的优点应指出的是制冷剂相对于冷却剂的较高热容量，所述热容量通过从液态到气态的相变来实现。在此类方法中理论上还可能的是，在没有额外的泵/压缩机的情况下根据热虹吸原理来运行所述方法或利用离心力通过喷嘴来喷射制冷剂(gb989698)。

基于水力发电机中的物理和化学前提以及对环保和防火的要求，制冷剂的选择也是困难的。这种方法的不利之处还在于制冷剂回路在空心的绕组导轨的电化学耐受性方面易受干扰、对线路的气密性的保证等。与此相关联的生产或维护耗费可能是巨大的，因此在实践中没有建立这样的系统。

技术实现要素：

因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于冷却快速运转的水力发电机的转子的方法，该方法将液体冷却或制冷剂冷却的效率与空气冷却方法的简便性和低维护性统一起来。本发明还提供一种用于执行这种方法的装置。

该技术问题通过一种根据权利要求1所述的用于水力发电机的转子的冷却方法来实现。根据本发明，这种方法具有闭合的初级液体回路，该初级液体回路吸收热能并在转子中心通过热交换器将所述热能传送给一次性地流过转子空心轴的次级冷却液。

优选地，这种次级的液体流是无压力的新鲜水流，该新鲜水流例如可以从位于发电站水位上或仅略在水位之上的蓄水池中提取，或者还可以简单地从水路管网中提取。

次级冷却液优选地经由在其下端(涡轮机端)竖直地布置的转子空心轴从发电机直接排出到流出的驱动水中，所述驱动水同时在冷却系统中形成热阱。

由于次级冷却液流的这种“流过”布置，结构复杂性首先在转子空心轴与位于电机外部的热阱之间的、引导流体的连接方面相对于目前使用的系统的显著降低。

由此，这种水力发电机虽然其功率高仍以对水力发电机而言相对高的转速(例如在400至1200转/分钟的范围内的转速)被驱动并以液体冷却，而不必接受密封转子空心轴的结构上的缺点。

优选由钢圈构成的转子体具有用于初级冷却液的若干导入通道，这些导入通道在径向上从在转子空心轴的中心轴向地布置的管式热交换器通向转子绕组中的冷却通道。此外，径向的返回通道使得变热的初级冷却液返回至转子中心，由此初级冷却液形成了一种闭合的回路。模拟和测试出人意料地示出：这样的回路可以在这种快速运转的水力发电机中由于初级冷却液的在变热时产生的密度变化和转子的离心力场而形成并得以维持。由此不需要用外部的泵来循环初级冷却液。这还可以在液压系统实施为多个并联支路的情况下得到促进。对这种循环的进一步优化例如通过对用于初级冷却液的导入通道在该导入通道进入转子绕组的冷却通道中之前进行热隔离来实现。

通过布置在转子空心轴内部的热交换器，初级冷却液最终将所吸收的热能传送给次级冷却液(优选是水)，所述次级冷却液朝涡轮机末端的方向从上向下地流过该转子空心轴并且藉由流出的驱动水排出。因此，所述次级冷却液在其一次性经过转子的路径上吸收损耗热量并且将所述损耗热量从该系统排出。由此实现了对该转子绕组的良好冷却。

本发明还涉及一种根据权利要求7至9之一所述的水力发电机的装置，其中该水力发电机具有两路冷却剂流，其中该初级冷却液形成本身闭合的回路，而次级冷却液“一次性地”流过被实施为空心轴的转子空心轴。

附图说明

以下将借助附图对现有技术和本发明的实施例进行描述。各个附图中的相同附图标记分别表示相同的设备部件。在附图中：

图1示出穿过从现有技术已知的水冷式水力发电机1a的示意性纵截面，在此可以看到供水头5，该供水头在转子空心轴的上端具有流入口和流出口。

图2示出根据现有技术的供水头5作为图1的详细局部视图，根据现有技术展示了冷却水入口13和冷却水返回口14，以及旋转穿通部12的结构。

图3示出了穿过根据本发明的水力发电机1的示意性截面，其中省去了对轴承和与本发明不相关的其它细节的展示。可以很好地看到用于初级冷却液的冷却通道8中的初级冷却液回路以及从上向下地穿过系统的次级冷却液9的路径。

具体实施方式

垂直竖立的转子2位于定子3的内部，该定子安放在基座10上。

经由转子空心轴7中的轴向开口可以“无压力地”将次级冷却液9引导到转子内部。

这种供水可以保持非常简单，因为没有显著的压力并且没有回流的液体流需要被密封。接着，次级冷却液9(优选是水)在周围冲刷初级冷却液回路的在转子空心轴7的中心沿旋转轴线布置的管式热交换器6。

最后，次级冷却液流9在转子空心轴7的涡轮机侧的端部流出并离开系统。涡轮机11在此例如可以如图3中所指示地是水斗式水轮机(peltonturbine)，该涡轮机经常用于具有大落差的发电站。

在图3中进一步指出，通向转子绕组的用于初级冷却液的导入通道8a在其长度的一部分区域中或在整个长度上具有热隔离15。在这个部位的热隔离防止初级冷却液在通向转子绕组4的过程中不期望地、提前地变热。此外，通过首先在基本上竖直的转子绕组4中有针对性地将热量引入初级冷却液中，预先确定初级冷却液的循环方向，因为变热的初级冷却液在这个部位的密度减小支持了旋转该系统的泵送效应。

图4示出穿过转子绕组4的一部分的径向截面，该转子绕组示出用于初级冷却液的冷却通道8，以及导入通道8a和返回通道8b的径向间距a和b。优选地，如所示地，将初级冷却液在径向上更远离转子中心地供应给转子绕组4并且在径向上更靠近该转子中心地排出该初级冷却液。由此，通过在转子绕组的上部部分中对初级冷却液的增大的加热进一步有利地影响该初级冷却液的密度减小。