專利名稱：用于增加發電機端繞組冷卻的間隔塊導流片的制作方法
背景技術：
本發明涉及一種通過向通常缺乏冷卻劑的空腔中心分配更多的冷卻劑來增強發電機轉子冷卻的結構。
因為電導體絕緣的溫度限制，電機例如大的渦輪發電機的功率輸出額定值通常受到提供給轉子磁場繞組的附加的電流的能力的限制。因此，轉子繞組的有效的冷卻直接貢獻于電機的輸出能力。轉子端部的區域尤其如此，在轉子端部區域，由于這些電機的典型的結構，直接的強制的冷卻是困難而昂貴的。流行的市場趨勢要求具有較低成本的高效率和高可靠性、高功率密度的發電機，轉子端部區域的冷卻成為一個限制因素。
渦輪發電機的轉子一般由安裝在轉子槽中的同心的矩形線圈構成。線圈的端部(通常稱為端繞組)處于轉子主體的支撐之外，一般由固定環支撐著來抵抗旋轉力(圖1)。在同心線圈端繞組之間間隔地設置有支撐塊，以便保持相對位置并增加對于軸向負荷例如熱負荷的機械穩定性(圖2)。此外，銅線圈由其外徑上的固定環在徑向約束，所述固定環克服離心力。間隔塊和固定環的存在產生一些暴露于銅線圈的冷卻劑區域。主要的冷卻劑通路是軸向的，在軸和端繞組底部之間。此外，由線圈和塊的約束表面以及固定環結構的內表面在線圈之間形成許多分離的空腔。端繞組暴露于冷卻劑中，所述冷卻劑被旋轉力驅動從端繞組的徑向下方被壓入這些空腔(圖3)。其中的熱傳遞趨于較低。這是因為，按照由計算流體動力學分析計算的一個旋轉端繞組空腔內的流動路線，冷卻劑流進空腔，通過一次環流并離開空腔。一般地說，環流產生低的熱傳遞系數，尤其是在空腔的拐角附近。因而，雖然這是一種在端繞組中的散熱方法，但是效率相當低。
使用過許多試圖使較多的冷卻氣流通過轉子端部區域的方案。所有這些冷卻方案都或者依靠(1)通過在導體中加工槽或形成通路來在銅導體中直接形成冷卻通道，然后把氣體泵入電機的一些其它區域，以及/或者(2)利用附加的導流片、流動通路和泵吸元件產生具有相對高和相對低壓力的區域，以便迫使冷卻氣體通過導體表面上方。
一些系統在承受高應力的轉子固定環中鉆穿一些徑向孔，以使冷卻氣體能夠直接沿著轉子端繞組泵入，并排放到氣隙中，然而，考慮到固定環所受的高的機械應力和疲勞壽命，這種系統的使用受到限制。
如果使用常規的強迫的轉子端部冷卻方案，將給轉子結構增加很大的復雜性和很高的成本。例如，必須加工或制造直接冷卻的導體，以便形成冷卻通路。此外，必須提供出氣管，以便把氣體排放到轉子中所需的位置。強迫冷卻方案需要轉子端部區域被分成單獨的壓力區，需要增加許多導流板、流動通路和泵吸元件，這再次增加了復雜性和成本。
如果不使用這些強迫或直接冷卻方案，則轉子端繞組被被動地冷卻。被動冷卻依靠轉子的離心力或旋轉力來使氣體在同心的轉子繞組之間形成的不通的一端堵死的空腔內循環。轉子端繞組的被動冷卻有時也被稱為“自然對流”冷卻。
被動冷卻具有復雜程度和成本最低的優點，雖然和直接與強迫冷卻的主動系統相比其散熱能力減小。進入同心的轉子繞組之間的空腔的任何冷卻氣體必須通過同一個開口排出，因為這些空腔是以不同的方式封閉的，一般的空腔的4個“側壁”由同心導體和用于隔離導體的絕緣塊構成，空腔的“底”(徑向向外)壁由用于支撐端繞組抵抗轉子的旋轉力的固定環構成。冷卻氣體從導體和轉子軸之間的環形空間進入。因而除去的熱量受到氣體在空腔內的低的循環速度的限制，并且只有有限數量的氣體可以進入和離開這些空間。
在一種典型的構型中，在端部區域中的冷卻氣體不會被完全加速到轉子的速度，即冷卻氣體以部分轉子速度旋轉。當流體借助于轉子和流體之間的相對速度的影響而被驅動到空腔內時，熱傳遞系數一般在間隔塊附近最高，這個位置相對于流動方向是下游，在此處流體以高的動量進入，并且在此處流體冷卻劑是最冷的。在空腔的周邊附近一般也具有高的熱傳遞系數。空腔的中心受到最小的冷卻。
增加被動冷卻系統的散熱能力將增加轉子的載流容量，從而提高發電機的額定容量，同時維持成本低、結構簡單以及結構可靠等優點。
美國專利No.5644179披露了一種通過提高大的單流環流池的流速來提高熱傳遞的方法，其是通過將額外的冷卻氣流直接引入自然出現的流路池(flow cell)中并沿著與其相同的方向引入。這在圖4和圖5中示出。雖然這種方法通過提高環流池的強度來增加空腔內的熱傳遞，但是轉子空腔的中心區域仍然具有低的流速，因此，仍然具有低的熱傳遞。在拐角區域仍然具有同樣低的熱傳遞。
發明概述本發明提供了一種通過向由同心轉子端繞組和支撐塊限定并位于其間的空腔的中心引入冷卻劑流以提高發電機轉子冷卻的結構和方法。
為了使流動改變方向，在本發明的一個典型實施方式中，至少一個導流片安裝在設于空腔下游側的間隔塊的表面上，以朝向空腔中心重新分配冷卻劑流。更特別地，本發明在發電機轉子端繞組組件的至少一個間隔塊的下游表面上提供至少一個導流片結構，以在各自的空腔中朝向通常缺乏冷卻劑的空腔中心重新分配冷卻劑流，因此可以在旋轉組件中充分增加熱傳遞性能。
在一個實施例中，導流片大致沿相關間隔塊的軸向延伸，以截取相當大部分的到達和/或沿間隔塊徑向內部流動的冷卻劑流。被截取的流被改變方向流向空腔中心。通常直接流向導流片結構徑向外部的間隔塊的冷卻劑流將繼續按照一般環流路線流動。
根據本發明的另一個實施例，導流片結構的跨度只是空腔軸向尺寸或深度的一部分。這允許一些高動量的冷卻劑到達空腔外側徑向拐角，并將其余的冷卻劑引向空腔中心。部分深度的導流片的跨度可以是從鄰近空腔的一個端繞組壁、鄰近空腔的另一個端繞組壁，或者通常為其相關間隔塊的中心開始的部分深度。在本實施例中，導流片跨越大約相關間隔塊深度的一半。
根據本發明的另一個實施例，設置了兩個或多個軸向排列的導流片結構，每個的跨度為空腔軸向尺寸或深度的一部分。這使一些高動量的冷卻劑在軸向鄰近的導流片結構之間流動，以到達空腔的外部徑向拐角，并將其余的冷卻劑引入空腔中心。
本發明的這些和其它的目的和優點可以通過仔細研究下面結合附圖的本發明的優選實施例的詳細說明更充分地理解和認識，其中
圖1是電機轉子的端匝區域的一部分的截面圖，電機具有與端匝區域呈面對關系的定子；圖2是沿圖1的線2-2取的電機轉子的截面頂視圖；圖3是表示氣流進入并通過端繞組空腔的示意圖；圖4是按照在美國專利No.5644179中披露的發明的第一實施例的轉子端匝部分的局部剖開的透視圖；圖5是按照在美國專利No.5644179中披露的發明的第二實施例的轉子端匝部分的局部剖開的透視圖；圖6示出了作為本發明實施例的導流片的截面圖，導流片設置在間隔塊的下游側，以將冷卻劑導引向通常缺乏冷卻劑的空腔中心；圖7示出了本發明的另一個實施例，其中至少設置了一個導流片，每個導流片只是部分跨越空腔的深度，使某些冷卻劑很容易地傳送至空腔的外部徑向范圍上，同時將一部分冷卻劑導引向空腔中心。
發明的詳細說明參看附圖，其中在所有的附圖中相同的標號表示相同的元件，圖1和圖2表示氣冷電機的轉子10，所述電機還包括包圍著所述轉子的定子12。所述轉子包括基本上呈圓柱形的本體部分14，其被中心地設置在轉子軸16上，并具有沿軸向相對的端面，在圖1中示出了其中一個端面的一部分18。本體部分具有多個周向分開的軸向延伸的槽20，用于接收同心設置的線圈22，所述線圈構成轉子繞組。為清楚起見，只示出了5個線圈，雖然實際上通常使用的比圖示的多一些。
具體地說，在每個槽中疊置有構成轉子繞組一部分的若干個導體棒24。相鄰的導體棒由多個電絕緣22層分開。疊置的導體棒一般通過楔26(圖1)保持在槽中，并且由導電材料例如銅制成。導體棒24在本體部分的每個相對端利用端匝27互連，所述端匝沿軸向延伸超過端面以形成疊置的端繞組28。端匝也被電絕緣層隔開。
特別參看圖1，固定環30圍繞本體部分的各個端部處的端匝設置，以克服離心力將端繞組保持在適當位置上。固定環的一端固定在機身部分上，并在轉子軸16上伸出。中心環32與固定環30的遠端相連。應當指出，固定環30和中心環32可以按照其他方式安裝，如從現有技術中知道的那樣。中心環32的內周邊緣沿徑向與轉子軸16隔開，以形成進氣通道34，端繞組28與轉子軸16隔開，以限定環形區域36。設置了許多沿凹槽20形成的軸向冷卻通道38，通過環形區域36與進氣通道34進行流體流通，以將冷卻氣體輸送至線圈22。
參看圖2，轉子10的每端處的端繞組28由許多間隔件或間隔決40沿周向和軸向隔開(為了清楚起見，在圖1中未示出間隔塊)。間隔塊是由絕緣材料制成的細長塊，位于鄰近的端繞組28之間，延伸超過端繞組的全部徑向深度并進入環形區域36。因此，端匝27的同心疊層之間的間隔被分為多個空腔。這些空腔在頂部由固定環30限定界限，在四面由鄰近的端繞組28和鄰近的間隔塊40限定界限，如圖3所示。在圖1中可以最好地看出，每個這些空腔都通過環形區域36與進氣通道34進行流體流通。冷卻氣體的一部分通過進氣通道34進入端繞組28與轉子軸16之間的環形區域36，從而進入空腔42并在其中環流，隨后返回端繞組與轉子軸之間的環形區域36。空氣流動由圖1和圖3中的箭頭示出。
旋轉發電機空腔中產生的固有抽吸作用和旋轉力通常會產生單流環流池，如圖3示意性所示。流路環流池在空腔的周邊邊緣附近具有最大的速度，由于在空腔的中心區域具有固有的低速度，因此中心區域不能獲得充分冷卻。如圖3所示，由于流路池的環流運動并未把冷卻流帶到拐角處，因此拐角區域的很大面積也未獲得充分冷卻。
參看圖6，圖6示出了轉子端繞組組件的局部剖視圖，顯示了某些空腔142，其旋轉方向以箭頭X表示。根據本發明的一個實施例，至少一個、最好是每個間隔塊140都在安裝于各個空腔的下游側的表面146(在下文中稱為下游表面)上設置有導流片結構144，用于把冷卻劑流重新分配至各個空腔142的中心，以增大那里的熱傳遞系數。每個導流片結構144都具有通常為曲面的下表面148，用于沿箭頭A所示方向對流進行截取并使其改變方向。上表面150通常為平面，這樣導流片界定了通常較薄的面對流的邊152，因此能夠有效地對流進行截取，沒有不必要的壓力損失。
在運轉中，轉子沿X方向的旋轉將導致冷卻氣體從進氣口34(圖1)被吸入端繞組28與轉子軸16之間的環形區域36中。在通常的環流流中產生動力壓位差，在通常的環流中將冷卻氣體朝空腔142的下游側146驅動。但是，在圖6所示的實施例中，至少一部分冷卻劑流受到導流片144的截取，并使其沿箭頭A所示方向改變流向，流入冷卻空腔142的中心區域，否則這個區域通常很缺乏冷卻劑流。未受到截取的冷卻劑流將繼續按照通常的環流方向流動，如箭頭B所示。被截取的流和未被截取的流在空腔的上游側重新匯合，并繼續沿順時針方向流動，在所說明的結構中是在間隔塊140之下，并進入下一個空腔。在本實施例中，設置了單個導流片，它跨越了空腔深度或者軸向尺寸的主要部分，例如至少大約75％，最好是在空腔縱深100％的數量級上。
參看圖7，圖7示出了本發明的第二實施例。更特別地，圖7示出了轉子端繞組的局部剖視圖，示出了限定在間隔塊240之間的空腔242，端繞組的旋轉方向以箭頭X表示。如圖所示，至少設置了一個導流片結構244，用于把冷卻劑流引導至鄰近空腔的中心區域。與圖6中的實施例相同，在所示組件中，在至少一個間隔塊240的下游表面246上設置有導流片結構244。但是，在本實施例中，每個導流片244只延伸了間隔塊的部分深度或部分軸向尺寸，目的是留出至少一個垂直流區域，使某些高動量環流冷卻劑流到達空腔的外側徑向拐角，同時其余的冷卻劑被朝向空腔中心引導。
根據本實施例，可以安裝部分深度導流片，從鄰接空腔的一個端繞組壁、鄰接空腔的另一個端繞組壁或通常其相關間隔塊的中心跨越空腔的部分縱深。在典型實施例中，設置了單個導流片244，跨度大約是相關間隔塊的縱深的一半。根據另一個實施例，設置了兩個或多個軸向排列的導流片結構，每個導流片的跨度是空腔軸向尺寸或深度的一部分。在這種方式中，至少保留了一個垂直流區域，以使高動量的環流冷卻劑流能夠到達空腔的外側徑向拐角處，同時其余的冷卻劑被引導向空腔的中心。
因此，如上所述，流入各個空腔242的冷卻劑流將沿間隔塊表面246徑向向外開始其流動。此流的一部分受到導流片結構244的截取并改變方向，按照箭頭A所示的方向流向各個空腔的中心區域。由于具有由導流片的截短的軸向長度限定的空隙，其余的冷卻劑流從導流片結構旁邊通過，繼續向上，并沿間隔塊徑向向外流動，如箭頭C所示，以作為環流流繼續流動，如箭頭B所示。受到偏轉的流和未受到偏轉的流在空腔的上游側重新匯合，并繼續沿順時針方向流動，在所示實施例中，是在間隔塊之下圍繞間隔塊流向下一個空腔242。
在提供的優選實施例中，導流片144和244延伸了冷卻空腔圓周尺寸的至少大約20％或更多，最好是至少大約25％，這樣可以有效地截取流并改變其方向，使其流向空腔的中心區域，而不是僅僅引起表面波動。導流片下部表面148和248的彎曲結構增強了導流片功能。
雖然結合被認為是最實用和最佳的實施例對本發明進行了說明，但可以理解，本發明并不局限于所披露的實施例，相反，如果不超出由權利要求書所限定的本發明的范圍和構思，本發明要包括各種變型或等效配置。
權利要求
1.一種氣體冷卻的電機，包括具有本體部分(14)的轉子(10)，所述轉子具有軸向延伸的線圈(22)和沿軸向延伸超過所述本體部分(14)的至少一端(18)的端匝(27)，端匝限定了多個端繞組(28)；至少一個間隔塊(140，240)，位于鄰近的所述端繞組之間，以在其間限定空腔(142，242)；至少一個導流片結構(144，244)，設置在所述間隔塊(140，240)的面對空腔的表面(146，246)上，用于截取所述空腔(142，242)中的環流冷卻劑流，并使其改變方向流向所述空腔的中心部分。
2.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，所述導流片結構(144，244)設置在所述間隔塊的周向方向的表面(146，246)上。
3.根據權利要求2所述的電機，其特征在于，所述周向方向的表面(146，246)位于所述空腔(142，242)的下游側。
4.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，在所述間隔塊(140，240)上設置了單個導流片結構(144，244)。
5.根據權利要求4所述的電機，其特征在于，所述單個導流片結構(144)的跨度為所述空腔(142)深度的相當大部分。
6.根據權利要求4所述的電機，其特征在于，所述單個導流片結構(244)的跨度大約為所述空腔(242)深度的一半。
7.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，在所述間隔塊(240)上設置了多個軸向排列的導流片結構(244)。
8.根據權利要求7所述的電機，其特征在于，在所述導流片結構(244)之間具有軸向間隙。
9.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，每個所述導流片結構具有彎曲的流截取和改方向表面(148，248)。
10.根據權利要求1所述的電機，其特征在于，所述導流片結構(144，244)從間隔塊伸出至少是各自空腔的周向尺寸的大約20％。
11.一種氣體冷卻的電機，包括具有軸(16)和本體部分(14)的轉子(10)；轉子繞組，包括設于所述本體部分(14)上并被隔開的軸向延伸的線圈(22)，軸向延伸超出所述本體部分(14)的至少一端(18)的同心端繞組(28)，所述端繞組(28)和所述軸(16)在其間限定了環形空間(36)；多個間隔塊(140，240)，位于鄰近的所述端繞組之間，從而限定了多個空腔(142，242)，每個空腔都由鄰近的間隔塊(140，240)和鄰近的端繞組(28)所界定，并向所述環形空間(36)開口；至少一個導流片結構(144，244)，設置在至少一個所述間隔塊(140，240)的面對空腔的表面(146，246)上，用于截取所述空腔(142，242)中的環流冷卻劑流，并使其改變方向流向各個空腔的中心部分。
12.根據權利要求11所述的電機，其特征在于，所述導流片結構(144，244)設置在所述間隔塊的周向方向的表面(146，246)上。
13.根據權利要求12所述的電機，其特征在于，所述周向方向的表面(146，246)位于所述空腔(142，242)的下游側。
14.根據權利要求11所述的電機，其特征在于，在所述間隔塊(140，240)上設置了單個導流片結構(144，244)。
15.根據權利要求14所述的電機，其特征在于，所述單個導流片結構(144)的跨度為所述空腔(142)深度的相當大部分。
16.根據權利要求14所述的電機，其特征在于，所述單個導流片結構(244)的跨度大約為所述空腔(240)深度的一半。
17.根據權利要求11所述的電機，其特征在于，在所述間隔塊(240)上設置了多個軸向排列的導流片結構(244)。
18.根據權利要求17所述的電機，其特征在于，在所述導流片結構(244)之間具有軸向間隙，用于環流冷卻劑流通過，流向空腔(242)徑向向外部分。
19.根據權利要求11所述的電機，其特征在于，每個所述導流片結構(144，244)具有彎曲的流截取和改方向表面(148，248)。
20.根據權利要求11所述的電機，其特征在于，所述導流片結構(144，244)從間隔塊(140，240)伸出至少是各自空腔(142，242)的周向尺寸的大約20％。
全文摘要
本發明提供了一種氣體冷卻的電機，包括轉子(10)；轉子繞組，包括軸向延伸的線圈(22)和同心的端繞組(28)；及多個間隔塊(140，240)，位于鄰近的端繞組之間，限定了多個空腔(142，242)，每個空腔都由鄰近的間隔塊(140，240)和鄰近的端繞組(28)界定。為了增強從磁場端繞組區域的銅端匝的熱傳遞速度，在至少一個間隔塊(140，240)的面對空腔的表面(146，246)上設置了至少一個導流片結構(144，244)，用于截取所述空腔(142，242)中的環流冷卻劑流，并使其改變方向流向各個空腔的中心部分。
文檔編號H02K3/24GK1636307SQ01805272
公開日2005年7月6日 申請日期2001年11月30日 優先權日2000年12月19日
發明者T·G·維策爾, E·D·亞茨恩斯基, C·L·范德沃爾特, S·A·薩拉馬, W·N·O·圖恩布爾 申請人:通用電氣公司