专利名称：带有增压装置的气体冷却电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体冷却的电机，特别是具有封闭冷却回路的空气冷却涡轮发电机，带有转子轴，上面在发电机外壳内部设置至少一个轴流式通风机。
背景技术：
三相交流的涡轮发电机以公知的方式通过汽轮机或者燃气轮机驱动。涡轮发电机的转子通常由实心圆柱体锻钢件组成，里面将励磁绕组分配在单个槽内。在此转子在发电机的的定子的孔内旋转。定子由板材件组成，它在它那方面具有用于容纳电枢绕组的槽。在这种涡轮发电机的设计和结构方面关键是冷却技术，因为由此可以提高功率。目前的涡轮发电机一般采用气态冷却介质和安装在转子上用于冷却介质在发电机内部循环的通风机工作。
EP 1209802 A2介绍了一种通风机在具有封闭冷却气体回路的涡轮发电机上的设置。冷却气体从发电机末端进入轴流式通风机内，在该通风机内增压并由此输送到所要冷却的发电机部件。在重新回流到通风机内之前，冷却气体通过换热器输送。
此外，从现有技术中还公知个别空气冷却的发电机，其中，发电机内腔的气压通过由外部能源系统供能的外部空气压缩机得到明显提高。CH 541 890介绍了用于提高发电机功率的发电机增压装置，其中，从燃气轮机的空气压缩机向发电机外壳内供给压缩空气。通过发电机内的空气泄漏率，主要是通过转子轴穿过外壳上的泄漏量确定少量稳定的补充供给量。通过发电机通风作用的体积输送量因此基本保持不变。但通过发电机内部所取得的提高的空气密度产生所希望的改进冷却性能，并在发电机部件温度不变的情况下尽可能地提高功率。通常具有用于电厂输入技术的接口。缺点是外部附加装置、能源和输入技术相当高的开支和高成本。此外，还存在着一定的易受干扰情况。
发明内容
本发明的目的因此在于，提供一种得到改进的气体冷却电机，避免现有技术的上述缺点。此外，明显提高了发电机外壳内的压力，达到改进散热和因此更加有效冷却发电机的目的。在此方面，不需要用于提高压力的附加外部装置或外部调节装置，而是采用简单和低成本的解决方案，适用于很容易地加装在现有的发电机上。
该目的通过权利要求1的特征得以实现。其他具有优点的构成和进一步构成在从属权利要求中予以说明。
依据本发明的气体冷却电机，特别是带有转子轴的涡轮发电机，轴上在发电机外壳内部设置至少一个轴流式通风机，其特征在于，轴流式通风机上具有用于提高发电机内腔绝对压力的增压装置，它在由轴流式通风机的通风机轮毂限制的轮毂内腔和发电机内腔之间具有一个或者多个流体通道，其中，流体入口和流体出口彼此径向相距。
这一点特别具有优点，因为由此提供了一种得到改进的气体冷却电机，避免了现有技术的上述缺点。明显提高了发电机外壳内的绝对压力，从而由于提高了冷却介质的密度达到改进散热并因此更加有效却发电机的目的。此外，通过增压不可避免的泄漏损失得到自动补偿。在此方面，不需要用于提高压力的附加外部装置或外部调节装置，而是仅需改变已经存在的通风机组件，因此也适用于很容易地加装在现有的发电机上。
通过本发明现有的轴流式通风机可以加装增压装置，该装置充分利用这种现实，即通风机轮毂的一面限制轮毂内腔，由此与外壳外腔并因此与外界压力连接。然后通过流体通道处于轮毂内腔内的进气口和处于发电机内腔内的出口之间的径向差提高压力。发电机内腔相对于外界密封并适用于通过增压产生的压力。在此方面，出口处于从轴线测量大于进气口所处的那个半径的半径上。稳定增压然后可以根据下列公知的公式计算Δp＝p/2(Vua2-Vui2)在此方面，Δp表示外界和发电机内腔之间的压差。p表示冷却气体的密度。此外，Vua和Vui分别表示出口上的圆周速度和进气口上的圆周速度。在涡轮发电机情况下，转子轴的稳定转速一般可视为预先规定，所以可以通过选择上面分别设置流体通道进气口和出口的相应半径调整所希望的压差Δp。此外，可以改变轴流式通风机上的增压装置中具有的流体通道的数量，但一般相当于压缩机叶片的数量或者及其断口部分。
本发明一种具有优点的实施方式在于，轴流式通风机的通风机轮毂内具有作为流体通道的径向孔。这种实施方式是本发明的一种特别简单和低成本的备用方案。
本发明一种具有优点的实施方式在于，流体出口上流体轴向上沿轴流式通风机的主流顺流导向。这种实施方式具有优点的进一步构成在于，在轴流式通风机的通风机轮毂内具有作为流体通道的对角线或者L形或者Z形或者双L形通道。由此形成一种流体导向，使绝对压力提高的流体不与轴流式通风机的主流相切。
本发明一种特别具有优点的实施方式在于，具有用于延长流体通道的套管。在此方面，流体通道以具有优点的方式延长到至少轴流式通风机的叶片高度上。套管既可以设置在轴流式通风机的通风机叶片顺流侧上，也可以设置在逆流侧上。这一点在各自具体情况下例如取决于通风机轮毂的构成、通风机叶片的设置和流动比。
本发明另一种具有优点的实施方式在于，套管具有流线型护板。加罩的套管也可以称为流线型附加叶片，通过该附加叶片轴流式通风机整个叶片高度上的出口半径可以通过与主流平行的出口确定。由此不干扰或改进轴流式通风机的功能。根据实施方式，流线型加罩的套管也可以作为安装在流线体内或附加叶片内的径向孔构成。
本发明另一种特别具有优点的实施方式在于，作为流体通道具有在通风机叶片内作为径向通道构成的叶片孔，它具有相应的出口。由此达到轴流式通风机主流受到最小影响并避免由于附加安装部件的压力损失。在此方面，径向孔可以根据通风机叶片的制造方式或者后续安装或者在制造新的通风机叶片时同时构成，例如作为空心芯环绕棒状芯铸造的叶片构成。在此方面一种具有优点的进一步构成在于，通风机叶片上具有至少一个侧面设置的出口，用于径向通道孔的自由排流。该出口在此方面例如可以作为圆弓形间隙或者半锥形间隙或者球形间隙构成。在通风机叶片的一面或者两面上可以设置多个间隙。在两面设置出口的情况下，它们例如可以交替设置。只要叶片尖上具有出口，径向通道向上完全可以通过轴流式通风机的入口限制，从而流体在这里在轴向平行的方向上导向。
本发明另一种具有优点的实施方式在于，存在多个向排流叶片边缘分布的连接通道。由此主通风机流体受到最小干扰并甚至在几种情况下输送。
在此方面，后面两种实施方式具有优点的进一步构成在于，通风机叶片内具有的径向通道在叶片尖上利用塞子封闭。由此即使出口不设置在叶片尖上的情况下，也可以产生一种简单的加工和增压流的导向。
本发明另一种具有优点的实施方式在于，在电机的每个末端上具有带增压装置的轴流式通风机。由此可以在需要的情况下加大由增压装置输送的物质流量。
最后，本发明一种具有优点的实施方式在于，增压装置为取得0.1bar-0.5bar，最好0.2-0.3bar的压差Δp而设计。实验证明，这样提高的绝对压力对明显提高涡轮发电机的功率来说是足够的。
下面借助附图对本发明具有优点的实施例进行说明。其中图1示出具有依据本发明增压装置的轴流式通风机第一具有优点的实施方式局部剖面示意图；图2a和b示出依据本发明增压装置第二和第三具有优点的实施方式局部剖面示意图；图3示出依据本发明增压装置第四具有优点的实施方式；图4a-4d示出依据本发明增压装置第五和第六具有优点的实施方式；图5a-5b示出依据本发明增压装置第七具有优点的实施方式；图6示出依据本发明增压装置第八具有优点的实施方式；图7示出图6箭头方向VII-VII通风机叶片的剖面示意图；图8示出依据本发明增压装置的第九具有优点的实施方式；图9示出图8箭头方向IX-IX通风机叶片的剖面示意图。
仅示出为便于理解本发明的主要部件。在后面的说明中，相同或者类似的部件采用相同的附图符号标注。图示一般未按比例。方向说明“轴向”和“径向”一般与转子轴轴线相关。
具体实施例方式
图1示出气体冷却涡轮发电机轴流式通风机上增压装置具有优点的第一实施方式，其中，图1仅示意示出对增压装置重要的部件。
涡轮发电机具有封闭的冷却回路。作为冷却介质优选使用空气。循环冷却介质的流动方向在附图中通过方向箭头的流线表示，并在图平面中基本上从右到左分布。涡轮发电机具有部分示出的钢板制发电机外壳1，该外壳将(未示出的)发电机本身和用于冷却介质循环的轴流式通风机4完全容纳在其内。
在此方面，轴流式通风机4设置在转子轴2上，后者在发电机外壳1的外面分别支承在轴承3内。轴出口通过轴密封件9与外界密封。轴流式通风机4主要具有设置在转子轴2上在径向上环形的羊角砧状扩展的通风机轮毂8，在其外圆周上，多个在径向上从通风机轮毂8凸起在切向上并排设置的通风机叶片7带有作为螺栓构成的叶片根部32利用隔离套管20和螺母28固定。此外，在通风机叶片7的叶片尖区域内具有环形入口10，在径向上限制通过通风机叶片7构成的叶栅。在此方面，轴流式通风机4以与转子轴2相同的转速旋转，也就是说，在这里不进行轴流式通风机4转速的特别调节。
此外，与转子轴2同心具有与发电机外壳1固定连接的防护环31，它在其远离发电机外壳1的面上与通风机轮毂8的外圆周部分重合。由此在防护环31和转子轴2以及发电机外壳1和通风机轮毂8之间形成一个称为轮毂内腔5的环形室，里面充满外界压力PAmb。发电机内腔34在工作期间对轮毂内腔5密封，因为防护环31连同通风机轮毂8形成一个密封间隙。
发电机外壳1上在轮毂内腔5的区域内具有间隙33，将轮毂内腔5与外界连接。此外，外壳外侧上在孔33的区域内具有一个滤清器，在本实施例中为滤清器无纺布6，以防止灰尘或者其他污染颗粒进入。
在图1中，在横截面上径向向外大致羊角砧状扩展的通风机轮毂8的区域内，还具有两个作为流体通道的盲孔11、12，将轮毂内腔5与发电机内腔34连接。在此方面，基本上与转子轴2的轴向平行的第一盲孔11向轮毂内腔5敞开。第二盲孔12径向上向外通向通风机轮毂8的上面，并与轴向平行的盲孔11相切。由此在轮毂内腔5和发电机内腔34之间产生一种L形连接。
这种盲孔11、12通过通风机轮毂8的圆周分布，并最好与通风机叶片7的数量相应。增压装置在依据图1的本实施例中通过两个盲孔11、12的L形设置构成。
工作期间，根据转子轴2的转速轮毂内腔5内的空气由向环形室敞开的盲孔11吸入，并通过第二盲孔12输送到发电机内腔34内。因为所吸入的外界空气的入口，也就是盲孔11的入口，处于转子轴线上小于从轮毂上表面上的盲孔12所吸入的空气的出口的半径上，所以在这里依据公知的公式提高压力Δp＝p/2(Vua2-Vui2)由此，发电机内腔34内的压力PGen以Δp大于充满轮毂内腔5内的外界压力PAmb。通过这样提高发电机内腔34内的绝对压力例如0.2bar，在空气冷却的发电机情况下以公知的方式提高冷却功率并由此达到一种总的功率增益。在此方面，外界压力和发电机内部压力之间的压差高度可以通过相应选择吸入孔所处的半径和排出孔所处的半径加以改变。发电机稳定的转子转速须假设给定。质量流量可以通过孔直径的大小加以改变。
下面介绍可对图1所示具有优点的实施例进行选择的实施方式。在此方面，取消对各自实施方式的图示不重要的细节并一般参阅图1的图示。
图2a示出依据本发明增压装置具有优点的第二实施方式，其中，在通风机轮毂8内具有对角线贯通孔13。由此达到从增压装置向发电机内腔34内输送的冷却空气更加有利的排流，这种排流对通风机叶片7的排流没有干扰影响。它同样适用于图2b所示具有Z形或者双L形贯通通道14的第三实施方式。在这里也进行流动导向，从而降低了对通风机叶片7排流的不利影响。在此方面，轮毂内腔5的吸入侧每次处于小于发电机内腔34内的排流侧的半径上。
图3示出第四实施方式，其中，半径差在轮毂高度上借助于套管17加长，该套管借助于螺纹孔16固定在通风机轮毂8内并通过对角线孔15与轮毂内腔5连接。在依据图3的实施例中，套管17在此方面设置在通风机叶片7的排流侧上，并具有相当于通风机叶片7大致高度的高度。由此同样避免了干扰通风机叶片7的排流，但在这里也可以这样改变套管17的高度，使其取得所希望的提高发电机内腔34内绝对压力的目的。
图4a示出本发明具有优点的第五实施例，图4b示出沿图4a线段Ⅳ-Ⅳ箭头方向的剖面图。在此方面，在通风机叶片7的排流侧具有带流线型护板18的套管21或带径向孔的附加叶片。套管21具有径向通道35，在其上部径向末端上通过塞子20封闭。在流线形护板18的顺流侧面上具有出口19。流线型护板18在本实施例中与通风机叶片7高度相同，并与通风机叶片7一样固定在通风机轮毂8内(未示出)。在此方面，入流由(未示出的)轮毂内腔通过孔22进行。在此方面，所希望的提高发电机内腔的绝对压力可以通过相应选择上面设置基本上轴向平行构成的出口19的半径进行调整。通过依据图4a和4b实施方式中所选择的设置，一方面可以提供一种比图3所示的实施方式更加有利于流动的解决方案。另一方面，出口19与转子轴的距离，也就是上面设置出口19的半径可以在整个叶片高度上自由变化，而不会对通风机叶片7的排流产生不利影响。为此也有助于流线型护板18的排流方向导入与转子轴线平行的排流内。通风机叶片7和带有流线型护板18的套管21或者附加叶片在此方面可以具有优点地这样设置，使其支持通风机主流。这一点例如可以通过叶片的轴向重合实现。
图4c示出本发明具有优点的第六实施方式，其中，与图4a相似构成的增压装置设置在通风机轮毂8上。图4d示出沿图4c线段IV-IV的剖面图。但在依据图4c和4d具有优点的实施方式中，带有流线型护板18的套管21或带有径向孔的附加叶片在流向上设置在固有的通风机叶片7的前面。在这里入流也是通过轮毂内腔5进行。带有流线型护板18的套管21或附加叶片与通风机叶片7类似固定在通风机轮毂8上，也就是借助于螺纹23固定。在此方面，套管24在轮毂内腔5内延伸，由此额外加大了冷却空气入口和冷却空气出口之间的半径差。此外，出口19在这里设置在比依据图4a的实施方式中更大的半径上，从而造成更高的压差。在这里，为流动最佳化通风机叶片7和带有流线型护板18的套管21或附加叶片也可以切向略微偏移而轴向重合设置。
图5a和5b示出本发明具有优点的第七实施方式，其中，增压装置与通风机叶片7一体化。在此方面，图5b示出沿图5a线段V-V的剖面图。依据该实施方式，通过作为径向通道构成的、通过进气筒27延长到轮毂内腔5内的叶片孔25吸入外界空气，并通过处于更大半径上的出口26输送到发电机内腔34内。进气筒27在此方面处于叶片根部内，后者通过隔离套管29和螺栓连接28将叶片7在通风机轮毂8上固定。出口26在此方面在通风机叶片7的断面后面作为圆弓形间隙加工而成，从而通风机主流受到最小的影响。
图6和图7示出本发明具有优点的第八实施方式，其中，图7示出沿图6线段VII-VII剖面的俯视图。在该实施方式中，增压装置同样作为叶片孔25与通风机叶片7一体化。出口26在此方面在通风机叶片7的断面后面上作为叶片尖上的圆弓形间隙加工而成，从而通风机主流受到最小的影响。
图8和图9示出本发明具有优点的第九实施方式，其中，图9示出沿图8线段IX-IX的剖面图。在此方面，增压装置与通风机叶片7一体化并具有在叶片尖上通过塞子20封闭的径向叶片孔25和三个彼此上下设置的轴向平行出口26。在这里，通风机叶片7的排流也仅受到增压装置的微弱影响，而通过相应设置出口26取得所希望的增压。外界空气在这里也由(未示出的)轮毂内腔通过设置在通风机轮毂8内的进气筒30吸入。
一般来说，侧面出口在套管21的流线型护板18或附加叶片上的设置(图4a、4c、5a、5b、6、7)也可以径向划分或“填平”，类似于图8那样径向孔多次上下叠置圆形粗铣。
作为冷却介质一般优选使用空气，轮毂内腔充入大气压力的空气。但也可以设想发电机内腔中使用其他气态的冷却介质。间隙密封件(轴密封件8、保护环31)上逸出的泄漏介质自动重新吸入发电机内。因此大大降低了介质损耗。
附图符号1发电机外壳2转子轴3轴承4轴流式通风机5轮毂内腔6滤清器无纺布7通风机叶片8通风机轮毂9轴密封件10入口11轴向盲孔12径向盲孔13对角线贯通孔14Z形贯通通道15对角线孔16螺纹孔17套管18流线型护板，附加叶片19出口20塞子21套管22孔23螺纹24套管25叶片孔26出口
27进气筒28螺栓连接29隔离套管30进气筒31防护环32叶片根部33间隙34发电机内腔35通道
权利要求
1.气体冷却的电机，特别是空气冷却的涡轮发电机，带有转子轴(2)，上面在发电机外壳(1)内部设置至少一个轴流式通风机(4)，其特征在于，轴流式通风机(4)上具有用于提高发电机内腔(34)绝对压力的增压装置，它在由轴流式通风机(4)的通风机轮毂(8)限制的轮毂内腔(5)和发电机内腔(34)之间具有至少一个流体通道(11、12；13、14；15、17；19、25、26；25、26、30、35)，其中，流体通道的流体入口和流体出口彼此径向相距。
2.按权利要求1所述的空气冷却电机，其特征在于，轴流式通风机(4)的通风机轮毂(8)内具有作为流体通道的径向孔(12)。
3.按前述权利要求之一所述的空气冷却电机，其特征在于，流体出口上有从流体通道出来的流体轴向上沿轴流式通风机的主流顺流的导向。
4.按权利要求3所述的空气冷却电机，其特征在于，在轴流式通风机(4)的通风机轮毂(8)内具有作为流体通道的对角线通道(13)或者L形通道(11、12)或者Z形或者双L形通道(14)。
5.按前述权利要求之一所述的空气冷却电机，其特征在于，具有用于延长流体通道的套管(17；21)。
6.按权利要求5所述的空气冷却电机，其特征在于，套管(21)作为附加叶片构成。
7.按权利要求5所述的空气冷却电机，其特征在于，套管(21)具有流线型护板(18)
8.按权利要求5-7之一所述的空气冷却电机，其特征在于，具有至少一个轴向平行的出口(19；26)，其位置可在套管(17；21)的整个高度上自由选择。
9.按前述权利要求之一所述的空气冷却电机，其特征在于，在通风机叶片(7)上作为流体通道具有径向叶片孔(25)，它具有相应的出口(26)。
10.按权利要求9所述的空气冷却电机，其特征在于，通风机叶片(7)上具有至少一个侧面设置的出口(26)，用于径向叶片孔(25)的自由排流。
11.按权利要求9所述的空气冷却电机，其特征在于，具有多个向排流叶片边缘分布的出口(26)。
12.按权利要求9-11之一所述的空气冷却电机，其特征在于，通风机叶片(7)内具有的径向叶片孔(25)在叶片尖上利用塞子(20)封闭。
13.按前述权利要求之一所述的空气冷却电机，其特征在于，在电机的每个末端上具有带增压装置的轴流式通风机(4)。
14.按前述权利要求之一所述的空气冷却电机，其特征在于，增压装置为取得0.1bar-0.5bar，最好0.2-0.3bar的压差Δp而设计。
全文摘要
气体冷却的电机，特别是空气冷却的涡轮发电机，带有转子轴(2)，上面在发电机外壳(1)内部设置至少一个轴流式通风机，其特征在于，轴流式通风机(4)上具有用于提高发电机内腔(34)绝对压力的增压装置，它在由轴流式通风机(4)的通风机轮毂(8)限制的轮毂内腔(5)和发电机内腔(34)之间具有至少一个流体通道(11、12)，其中，流体通道的流体入口和流体出口彼此径向相距。由此可以提供一种得到改进的气体冷却电机，它明显提高了发电机外壳内的绝对压力。由于提高了冷却介质的密度，达到了改进散热和因此更加有效冷却发电机的目的。在此方面，不需要用于提高压力的附加外部装置或外部调节装置，而是仅需改变已经存在的通风机组件，因此本发明也适用于很容易地加装在现有的发电机上。
文档编号H02K9/06GK1705203SQ20051008173
公开日2005年12月7日 申请日期2005年6月1日 优先权日2004年6月1日
发明者R·约霍 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司