具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机

1.本发明涉及具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机，属于电机领域。


背景技术：

2.近年来，随着可再生能源在输电和配电层面的增长，人们意识到传统电厂迫切需要能够以灵活的方式运行，以确保电力系统的稳定性。传统发电厂中汽轮发电机直接并电网运行，不能以独立于电网频率的速度运行，无法有效地抵御不正常以及严重的电压和频率波动事件。传统半速汽轮发电机仅采用给转子励磁绕组通入直流励磁电流的方式产生磁场且转子转速较低，导致汽轮发电机功率密度较低。大容量汽轮发电机的单机容量较大，三相发电机的每相绕组承担着较大的功率负荷，当三相发电机中某相出现故障时将导致发电机无法继续供电。此外，汽轮发电机转子的轴向长度较长，通风冷却系统设计不合理会导致发电机内产生的热量不能及时被冷却气体带走，如果超过容许温升，将会严重威胁到了汽轮发电机的安全稳定运行及寿命。
3.为了使汽轮发电机能够以独立于电网频率的速度灵活并网运行，扩大电网电压和频率调节范围，提高汽轮发电机的功率密度，减小定子每相绕组的功率负荷，降低大容量汽轮发电机构件的温度，可以采用具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机。将四极汽轮发电机转速增加一倍，由1500r/min变为3000r/min，经多相变换器和三相升压变压器与电网相连，通过电励磁和永磁体励磁的混合励磁来有效地提高汽轮发电机的功率密度，定子采用多相绕组，随着相数的增加每相绕组的功率负荷随之下降，与此同时，当某相绕组发生故障时，其他绕组可匹配容错控制继续工作，提高了整个系统的可靠性和冗余度。倍速四极多相汽轮发电机内交错通风冷却系统可以提高发电机内冷却气体的流量，加快四极多相汽轮发电机内流体流速，有效地降低了发电机内各构件的最高温度，减小了发电机轴向方向的温差和热应力，提高了汽轮发电机长期安全稳定运行的能力。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机，以解决传统汽轮发电机以独立于电网频率的速度运行和由转速升高导致构件温度高的问题，使汽轮发电机能以独立于电网频率的速度运行，还可以解决发电机内构件温度过高的问题，加快发电机内冷却气体的流动速度，有效地降低了发电机内各构件的温度，增强了汽轮发电机安全稳定运行的能力。
5.本发明的具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机，它包括冷风区入口、冷却器、热风区出口、机壳、压指、抽出式风扇、压入式风扇、定子铁芯、转子铁芯、转子副槽、转子励磁绕组、永磁体副槽、永磁体、转子绕组径向通风孔、定子绕组、定子铁芯齿部通风道、转子护环、径向通风孔、高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体，四极多相汽轮发电机以2倍同步转速3000rpm运行，定子多相绕组感应出100hz多相交流电通过变换器变换为
50hz三相交流电后与电网相连，定子铁芯直线段区域分为n个冷风区和n+1个热风区，定子铁芯齿部开设有内冷式通风道，抽出式风扇安装在发电机两侧，压入式风扇安装在两端护环的外侧，转子副槽与转子径向通风孔相连通，转子绕组下方安装有永磁体，永磁体与永磁体副槽相接触，转子副槽与永磁体副槽在发电机轴向中心位置处通过径向通风孔相连通。
6.n个冷风区的个数为3-6个；定子铁芯径向通风沟宽度为3mm至8mm；转子副槽通风道截面为长方形，转子副槽通风道截面的长度为20mm至30mm；转子副槽通风道截面的宽度为10-20mm；定子铁芯齿部通风道的宽度为5-15mm；定子铁芯齿部通风道的长度为2mm至5mm。
7.作为优选，所述的永磁体由一个永磁体调整为由一个高矫顽力永磁体和一个低矫顽力永磁体组成，通过高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体可以产生更合理的磁场，改善气隙内正弦磁场的波形。
8.作为优选，所述的定子铁芯齿顶处的定子铁芯齿部通风道的截面由长方形变为圆形，进一步加快了定子铁芯齿顶周围冷却气体的流速，提高了冷却气体带走定子铁芯热量的能力，进一步降低了定子铁芯的最高温度。
9.作为优选，所述的定子铁芯齿部通风道调整为一个截面为长方形的齿部通风道，有效地降低了制造成本，还能够保证定子铁芯齿部的冷却效果。
10.本发明的优点：传统电厂半速四极汽轮发电机直接并电网运行，不能以独立于电网频率的速度运行，无法有效地抵御不正常以及严重的电压和频率波动事件，功率密度较低，且半速四极汽轮发电机内部构件温度高。本发明通过汽轮机将半速四极汽轮发电机的转速由1500r/min提高至3000r/min，即转速提升一倍，定子多相绕组感应出100hz多相交流电，经多相变换器和三相升压变压器转换为50hz三相交流电与电网相连，从而构成的倍速四极汽轮发电机能以独立于电网频率的速度运行，有效地减小了汽轮发电机的体积，降低了加工制造成本；通过永磁体和电励磁的混合励磁来提高汽轮发电机的功率密度；定子采用多相绕组，随着相数的增加，每相绕组的磁链和反电动势会成比例降低，供电电压会随之下降，由此可实现低压大功率输出，当定子某一相绕组发生故障时，其他绕组可匹配容错控制策略继续工作，提高了整个系统的可靠性和冗余度；在通风冷却方面，倍速四极汽轮发电机护环外侧新增有压入式风扇，原来发电机两侧鼓风式风扇变为抽出式风扇，并将原发电机单一通风系统变为交错式通风系统，加快了冷却气体的流动速度，有效地降低了各构件的温度，减小了发电机轴向方向的温差和热应力。本发明所述具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机的功率密度、通风冷却效果以及对电网的改善效果明显优于传统汽轮发电机，且具有容错能力，与传统汽轮发电机相比，可靠性更高，易于实现。
附图说明
11.为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
12.图1为本发明所述具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机的剖视图。
13.图2为本发明所述具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机转子区域径向截面图。
14.图3为本发明所述具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机定子
区域和转子区域径向截面的局部放大图。
15.图4为本发明所述具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机n-n处截面图。
16.图5为本发明具体实施方式二所述的具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机定子区域和转子区域径向截面的局部放大图。
17.图6为本发明具体实施方式三所述的具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机定子区域和转子区域径向截面的局部放大图。
18.图7为本发明具体实施方式四所述的具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机定子区域和转子区域径向截面的局部放大图。
19.图中：1-冷风区入口、2-冷却器、3-热风区出口、4-机壳、5-压指、6-抽出式风扇、7-压入式风扇、8-定子铁芯、9-转子铁芯、10-转子副槽、11-转子励磁绕组、12-永磁体副槽、13-永磁体、14-转子绕组径向通风孔、15-定子绕组、16-定子铁芯齿部通风道、17-转子护环、18-径向通风孔、19-高矫顽力永磁体、20-低矫顽力永磁体。图中箭头所示为具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机内部冷却气体的流动方向。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
21.具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4说明本实施方式，包括冷风区入口1、冷却器2、热风区出口3、机壳4、压指5、抽出式风扇6、压入式风扇7、定子铁芯8、转子铁芯9、转子副槽10、转子励磁绕组11、永磁体副槽12、永磁体13、转子绕组径向通风孔14、定子绕组15、定子铁芯齿部通风道16、转子护环17、径向通风孔18、高矫顽力永磁体19和低矫顽力永磁体20，四极多相汽轮发电机以2倍同步转速3000rpm运行，定子多相绕组感应出100hz多相交流电通过变换器变换为50hz三相交流电后与电网相连，定子铁芯直线段区域分为n个冷风区和n+1个热风区，定子铁芯齿部开设有内冷式通风道16，抽出式风扇6安装在发电机两侧，压入式风扇7安装在两端护环的外侧，转子副槽10与转子径向通风孔14相连通，转子绕组下方安装有永磁体13，永磁体13与永磁体副槽12相接触，转子副槽10与永磁体副槽12在发电机轴向中心位置处通过径向通风孔18相连通。
22.n个冷风区的个数为3-6个，本实施例取为3个；定子铁芯径向通风沟宽度为3mm至8mm，本实施例取为6mm；转子副槽10通风道截面为长方形，转子副槽10通风道截面的长度为20mm至30mm，本实施例取为25mm；转子副槽10通风道截面的宽度为10-20mm，本实施例取为15mm；定子铁芯齿部通风道18的宽度为5-15mm，本实施例取为7mm；定子铁芯齿部通风道18的长度为2mm至5mm，本实施例取为3mm。
23.将传统四极三相汽轮发电机的转速增加一倍，同步转速由原来的1500r/min变为3000r/min，将原三相定子绕组变为多相定子绕组，同时在原来转子励磁绕组下方的转子铁芯9内开设矩形槽，槽内从两侧插入永磁体13，原发电机两侧鼓风式风扇变为抽出式风扇6，四极汽轮发电机护环外侧新增有压入式风扇7，将原来发电机单一通风系统变为交错冷却
通风系统。当汽轮机拖动倍速四极多相汽轮发电机运行时，能够在定子绕组内感应出100hz的多相交流电，经过多相变换器和三相升压变压器与电网相连，由此扩大电网电压和频率范围、抵御不正常以及严重的电压和频率波动事件，也可以提高汽轮发电机的进相运行深度，为电网提供所需要的大量无功功率。由于随着定子绕组相数的增加，每相绕组的磁链或反电动势会成比例降低，每相电压会随之下降，可实现低压大功率输出。如果定子绕组一相发生故障时，其他绕组可匹配容错控制策略继续工作，因此可以提高整个系统的可靠性和冗余度。在四极多相汽轮发电机性能方面，转子励磁绕组11下方的永磁体13可以有效地改善四极多相汽轮发电机气隙内正弦磁场的波形，增强气隙内磁场强度，有效地减小了转子励磁电流的大小，并且通过改变转子励磁绕组11中电流的大小可以有效地调节气隙内磁场强度，从而改变四极多相汽轮发电机的工作状态，有效地提高了四极多相汽轮发电机的功率密度，减小了四极多相汽轮发电机的体积。在四极多相汽轮发电机的通风冷却系统方面，冷却气体经由冷却器冷却2后直接进入到四极多相汽轮发电机的内部，一路冷却气体从冷风区入口1进入到四极多相汽轮发电机的直线段区域，从定子铁心背部进入到定子径向通风沟，这一路冷却气体中的一部分冷却气体进入到定子铁芯齿部内冷式通风道16，增大了冷却气体与定子铁心齿部的接触面积，增大了定子铁心齿部的散热系数，有效地降低了定子铁心齿部的温度，另一部分冷却气体进入到定子铁心和转子铁心之间的气隙内，降低定子铁心齿顶和转子铁心的温度，这两部分冷却气体经定子铁芯齿部内冷式通风道以及定子铁心8和转子铁心8之间气隙进入到相邻的热风区，冷却热风区内定子铁心8后从热风区的出口3流出进入到定子铁心背部机座空腔内；另一路冷却气体进入到四极多相汽轮发电机的端部区域，在压入式风扇7的作用下一部分冷却气体进入到转子副槽10与永磁体副槽12中，可以有效地带走转子绕组11和永磁体13的热量，明显地降低了转子绕组11和永磁体13的温度，这部分冷却气体沿着轴向方向到达四极多相汽轮发电机的中间位置处汇合后通过径向通风沟18进入到定子铁心8和转子铁心9之间气隙，可以进一步降低转子绕组的温度，另一部分冷却气体直接进入到定子铁心8和转子铁心9之间气隙，这两部分冷却气体最终经过定子径向通风沟进入到定子铁心8背部机座空腔内。在定子铁心背部机座空腔内汇合的两路气体被抽出式风扇6抽出，这样可以解决传统鼓风式风扇将冷却气体压入到汽轮发电机内部导致的冷却气体被风扇加热的问题，被抽出式风扇6抽出的冷却气体再通过冷却器2冷却后直接进入到四极多相汽轮发电机的内部，从而完成整个冷却循环。具有抽出式交错通风冷却系统的倍速四极多相汽轮发电机能够有效地增强发电机内磁场强度，减小转子励磁电流的大小，提高了冷却气体的流量，加快了倍速四极多相汽轮发电机内流体的流速，有效地降低了发电机内各构件的温度，提高了发电机内部的冷却效果。此外，由于转子转速提高一倍，四极汽轮发电机的体积显著地减小，节省了材料，降低了四极汽轮发电机的制造成本，增强了四极汽轮发电机长期安全可靠运行的能力。
24.具体实施方式二：结合图5说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于永磁体13由一个永磁体调整为由一个高矫顽力永磁体19和一个低矫顽力永磁体20组成，通过高矫顽力永磁体19和低矫顽力永磁体20可以产生更合理的磁场，改善气隙内正弦磁场的波形。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
25.具体实施方式三：结合图6说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同之处在于定子铁芯8齿顶处的定子铁芯齿部通风道16的截面由长方形变为圆形，进一步加快了定
子铁芯8齿顶周围冷却气体的流速，提高了冷却气体带走定子铁芯8热量的能力，进一步降低了定子铁芯8的最高温度。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
26.具体实施方式四：结合图7说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同之处在于定子铁芯齿部通风道16调整为一个截面为长方形的齿部通风道，有效地降低了制造成本，还能够保证定子铁芯8齿部的冷却效果。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
27.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。