用于增加发电机转子端绕组中的空腔流动的尾流减少结构

发明背景

本发明涉及一种用于增强发电机转子的冷却的结构。

因为电导体绝缘的温度限制，电机例如大的涡轮发电机的功率输出额定值通常受到提供通过转子磁场绕组的附加的电流的能力的限制。因此，转子绕组的有效的冷却直接贡献于电机的输出能力。转子端部的区域尤其如此，在转子端部区域，由于这些电机的典型的结构，直接的强制的冷却是困难而昂贵的。流行的市场趋势要求具有较低成本的高效率和高可靠性、高功率密度的发电机，转子端部区域的冷却成为一个限制因素。

涡轮发电机的转子一般由安装在转子槽中的同心的矩形线圈构成。线圈的端部(通常称为端绕组)，其处于转子主体的支撑之外，一般由固定环支撑着抵抗旋转力(见图1)。在同心线圈端绕组之间间隔地设置有支撑块，也称为间隔块，以便保持相对位置并增加对于轴向负荷例如热负荷的机械稳定性(见图2)。此外，铜线圈由其外径上的固定环在径向约束，所述固定环克服离心力。间隔块和固定环的存在产生许多暴露于铜线圈的冷却剂区域。主要的冷却剂通路是轴向的，在心轴和端绕组底部之间。此外，由线圈和块的边界面以及固定环结构的内表面在线圈之间形成许多分离的空腔。端绕组暴露于冷却剂中，所述冷却剂被旋转力驱动从端绕组的径向下方进入这些空腔(图3)。该热传递趋于较低。这是因为，按照由计算流体动力学分析计算的一个旋转端绕组空腔内的流动路线，冷却剂流进入空腔，横向经过基本环流并离开空腔。一般地说，环流引起低的热传递系数，尤其是在空腔的拐角附近。因而，虽然这是一种在端绕组中的散热方法，但是效率相当低。

使用过许多试图使额外的冷却气流通过转子端部区域的方法。所有这些冷却方法都或者依靠(1)通过在导体中加工一个槽，或者形成通道，然后把气体泵入电机的其它区域，以在铜导体内直接产生冷却通道，以及/或者(2)利用附加的导流片、流动通道和泵吸元件产生具有相对高和相对低压力的区域，以便迫使冷却气体通过导体表面上方。

一些系统在受高应力的转子固定环中钻穿一些径向孔，以使冷却气体能够直接沿着转子端绕组泵入，并排放到气隙中，然而，考虑到固定环所受的高的机械应力和疲劳寿命，这种系统的使用受到限制。

如果使用常规的强迫的转子端部冷却方法，将对转子结构增加很大的复杂性和很高的成本。例如，必须加工或制造直接冷却的导体，以便形成冷却通路。此外，必须提供排气管，以便把气体排放到转子中所需的位置。强迫冷却方案需要转子端部区域被分成单独的压力区，需要增加许多导流板、流动通道和泵吸元件，这又增加了复杂性和成本。

如果不使用这些强迫或直接冷却方法，则转子端绕组被被动地冷却。被动冷却依靠转子的离心力或旋转力，使气体在同心的转子绕组之间形成的不通的、一端堵死的空腔内循环。转子端绕组的被动冷却有时也被称为“自由对流”冷却。

被动冷却具有复杂性和成本最小的优点，虽然和直接与强迫冷却的主动系统相比其散热能力减小。进入同心的转子绕组之间的空腔的任何冷却气体必须通过同一个开口排出，因为这些空腔是以不同的方式封闭的：一般的空腔的4个“侧壁”由同心导体和用于隔离导体的绝缘间隔块构成，空腔的“底”(径向向外)壁由用于支撑端绕组反抗转子的旋转力的固定环构成。冷却气体从导体和转子心轴之间的环形空间进入。因而散热受到气体在空腔内的低的循环速度的限制，并且只有有限量的气体可以进入和离开这些空间。

在通常的构型中，在端部区域中的冷却气体不会被完全加速到转子的速度，即冷却气体以部分转子速度旋转。当流体借助于转子和流体之间的相对速度的作用而被驱动到空腔内时，热传递系数一般在间隔块附近最高，这个位置是相对于流动方向的下游，在此处流体以高的动量进入，并且在此处流体冷却剂是最冷的。在空腔的周边附近一般也具有高的热传递系数。空腔的中心受到最小的冷却。

增加被动冷却系统的散热能力将增加转子的载流容量，从而提高发电机的额定容量，同时维持成本低、结构简单以及可靠性高等优点。

美国专利No.5644179披露了一种通过提高大的单流环流圈的流速来提高热传递的方法，其中在自然发生的流路池(flow cell)中沿相同的方向直接引入附加的冷却气流。这在图4和图5中示出。虽然这种方法通过提高环流池(circulation cell)的强度增加空腔内的热交换，但是转子空腔的中心区域仍然具有低的流速，因此，仍然具有低的热传递。在拐角区域仍然具有同样低的热传递。

由上述可见，间隔块是发电机端绕组的一个重要特征。除去限定进行端绕组冷却的同心转子线圈之间的空腔空间之外，间隔块还增加进入空腔的冷却气流。不过，在对所述空腔引入冷却气流的过程中，间隔块产生尾流，这会干扰下游空腔的性能。

发明概述

本发明涉及一种用于增强发电机转子的冷却的方法和结构，更具体地说，涉及一种改进的间隔块后沿轮廓，用于减少产生的尾流同时又保持间隔块的将冷却气流引入空腔的能力。

在本发明的一个实施例中，伸入在端绕组和定子铁心之间的环形空腔的间隔块凸起对下游空腔的不利影响被减到最小，同时又保持其能够增强设置在其上游的空腔的冷却气流的有利特征。如上所述，间隔块的不利影响是由所述间隔块产生的尾流引起的，其影响下游的空腔。本发明提供了一种用于间隔块的后沿的流线形状，用于减少产生的尾流的范围和强度，同时又保持间隔块能够使冷却气流进入空腔的能力。本发明还提供了用于这些被重新成形的间隔块的布置位置。

在本发明的一个示范性实施例中，尾流的减少通过重新成形间隔块的后沿实现的，将其从通常矩形的轮廓重新成形为更加流线型的轮廓。最好是，改进现有的间隔块，以提供一种具有特定轮廓的构型，这样，有利于将其包括在整体设计中。

因而，本发明在一种气体冷却的电机中实施，所述发电机包括具有本体部分的转子，所述转子具有轴向延伸的线圈和端匝，所述端匝限定了多个端绕组，所述端绕组沿轴向延伸超过所述本体部分的至少一端；以及位于相邻的端绕组之间的至少一个间隔块，以便在所述端绕组之间限定一个空腔。所述间隔块具有和相邻的端绕组接合的第一和第二例壁部分，上游壁和下游壁。为了减少产生的尾流，间隔块的下游壁具有非平面的轮廓。下游壁的非平面的轮廓最好是一种流线型轮廓，用于减少产生的尾流的范围和强度，最好基本上呈抛物曲线。

附图说明

通过仔细研究下面结合附图对本发明的优选实施例所作的详细说明，可以更加清楚地看出和充分地理解本发明的这些和其它的目的和优点，其中：

图1是电机转子的端匝区域的一部分的截面图，具有和其呈面对关系设置的定子；

图2是沿图1的线2-2所取的电机转子的截面顶视图；

图3是表示气流进入并通过端绕组腔体的示意图；

图4是按照美国专利No.5644179中披露的发明的第一实施例的转子端匝部分的局部剖开的透视图；

图5是按照美国专利No.5644179中披露的发明的第二实施例的转子端匝部分的局部剖开的透视图；

图6是和图3类似的局部截面图，表示按照本发明的一个实施例被重新成形的间隔块；

图7是沿图6的线7-7取的示意的截面图。

本发明的详细说明

参看附图，其中在所有的附图中相同的标号表示相同的元件，图1和图2表示气冷电机的转子10，所述电机还包括包围着所述转子的定子12。电机例如大的涡轮发电机的操作是熟知的，因而在这里不必说明。所述转子包括基本上呈圆柱形的本体部分14，其被中心地设置在转子轴16上，并具有轴向相对的端面，在图1中示出了其中一个端面的一部分18。本体部分具有多个周向分开的轴向延伸的槽20，用于接收同心设置的线圈22，所述线圈构成转子绕组。为清楚起见，只示出了5个线圈，虽然实际上通常使用的比图示的多一些。

具体地说，在每个槽中叠置有构成转子绕组一部分的若干个导体棒24。相邻的导体棒由电绝缘层22分开。叠置的导体棒一般通过楔26(图1)保持在槽中，并且由导电材料例如铜制成。导体棒24在本体部分的每个相对端利用端匝27互连，所述端匝沿轴向延伸超过端面而形成叠置的端绕组28。端匝也被电绝缘层隔开。

尤其由图1可见，在本体部分的每端围绕端匝27设置有固定环30，用于反抗离心力而将端绕组固定。固定环被固定在本体部分的一端，并在转子轴16上方延伸。中心环32被固定到固定环30的末端。应当注意，固定环30和中心环32可以用现有技术中已知的其它方式安装。中心环32的内径和转子轴16沿径向分开，从而形成气体入口通路34，并且端绕组28也和轴16分开，从而限定一个环形区域36。提供沿着槽20形成的若干个轴向冷却通路38，这些通路通过环形区域36和气体入口通路34呈流体连通，从而向线圈22提供冷却气体。

参见图2，在转子10的每一端的端绕组28沿周向和径向由若干个隔件或间隔块40分开。(为清楚起见，在图1中未示出间隔块)。所述间隔块是绝缘材料制成的细长的块体，位于相邻的端绕组28之间的间隔内，并延伸超过端绕组的整个径向深度而进入环形间隙36。因而，在端匝的同心叠置体(下文称为端绕组)之间的空间被分成多个空腔。这些空腔在顶部以固定环30为边界，而在4个侧部以相邻的端绕组28和相邻的间隔块40为边界。由图1可清楚地看出，这些空腔的每一个都通过环形区域36和气体入口通路34呈流体连通。因而，通过气体入口通路34进入端匝28和转子轴16之间的环形区域36的冷却气体的一部分进入空腔42，在其中循环，然后返回端绕组和转子轴之间的环形区域36。在图1和图3中由箭头表示气流。固有的泵吸作用和作用在旋转的发电机空腔上的旋转力产生大的单流环流池，如图3示意地表示的。

如上所述，间隔块40实现了发电机的转子端绕组的相继的线圈之间的空腔42的限定。间隔块还用于增加各个空腔中的冷却流体的吸入。更具体地说，如上所述，在端绕组28的径向内表面和心轴16之间形成环形通路36。转子的原始冷却气体沿径向和周向通过环形通路36。进入旋转着的空腔42的冷却流体流的流体吸入作用由间隔块40向环形通路中的凸起部分和环形通路中的气流的切向相对速度之间的相互作用产生。

例如，参见图4，冷却气体相对于转子端绕组的内径的速度具有分别沿轴向和周向的速度分量V和W，如图所示。所述相对速度驱动空腔内的环流速度U。间隔块的大的凸起部分与/或大的切向相对速度将导致被吸入的较多的流体流被导引到由相关的间隔块限定的空腔中。不过，其中的一个负作用是尾流，如图3的标号70所示，其在间隔决40的后沿形成，并在间隔块凸起的下游持续一定距离。尾流的范围和强度也和环形通路中的气流的切向相对速度成正比。对切向相对速度的轮廓分析表明，由第一排间隔块产生的尾流最强，并且持续最长，这是由于在端绕组区域的这个部分的环流的切向相对速度较高。

如图6和图7所示，本发明提出使间隔块的后沿呈流线型，以便减少尾流的强度。由上面的讨论显然可见，本发明打算对第一排(径向)的间隔块具有最大的影响，因为在端绕组区域的这个部分的环流切向相对速度较高使得第一排的尾流最强、持续时间最长。为了能够把气流继续引入上游空腔，在本发明的优选实施例中不改变间隔块的前沿。

现在更具体地参看图6，其中示出了转子端绕组的局部截面图，示出了一系列的空腔142，用箭头X表示旋转方向。如上所述，相对于转子端绕组的内径的冷却气体的速度分别沿轴向和周向具有速度分量V和W。所述相对速度驱动空腔内的环流速度。在按照本发明的实施例中，至少一个间隔块140，最好至少轴向第一排的间隔块，并且可能是每个间隔块，具有一个修正的截面外形，以便提供更符合空气动力学的轮廓，尤其是在后沿，以便减少产生的尾流的范围和强度。更具体地说，间隔块140具有用于接合相邻的端绕组28的第一和第二侧壁部分152，154，上游壁144和下游壁146。为了减少产生的尾流，下游壁146具有非平面的轮廓。在所示的实施例中，被设置在和空腔142相邻的下游的上游侧的下游壁146具有空气动力学的轮廓，最好是一种呈抛物线形的轮廓，以便减少产生的尾流的范围和强度。

如图7示意地所示，间隔块140可以被设置为一个组件，该组件包括大致矩形截面的主体部分158和具有基本光滑的轮廓的尾流减少凸出部分156。当间隔块被作为两部分提供时，凸出部分156可以是对于常规的间隔块40的改进，在这种情况下，间隔块组件140将具有一个周向长度，在图6和图7中用标号“L”表示，其大于常规的间隔块40的周向长度“l”。不过最好是，间隔块140被作为一个整体的单件结构提供，包括基本上平的侧壁部分152、154，用于和各个端绕组28接合，并向具有光滑轮廓的后壁146过渡。在所示的实施例中，间隔块140具有基本上平的上游壁144，其具有常规的结构，用于使得气流能够继续引入上游空腔。

虽然在目前优选实施例中所示的结构基本上呈抛物线形，但是也可以设置成不太明显的曲线，同时又消除间隔块主体158的侧壁152，154的每个后边沿148，150处的90度的拐角。为了进一步引导气流同时又减少尾流，间隔块的径向内端，特别是在尾流减少凸起156的径向内端，可以具有倾斜的或者光滑的轮廓。

在操作时，转子旋转使得冷却气体通过气体入口通道34被吸入端绕组28和转子轴16之间的环形区域36。如上所述，冷却气流将分别具有一个轴向和周向的速度分量V和W。因而，存在一个动压头，其驱动冷却气体通过环形区域36并进入各个空腔142。进入环形区域的间隔块140的凸起也使一部分冷却流体通过各个冷却空腔流入并循环。各个间隔块140的被形成一定轮廓的后壁146减少产生的尾流的范围和强度，从而使间隔块凸起对在其下游的空腔142的不利影响最小。

虽然本发明结合目前认为是最实用和优选的实施例进行了说明，应当理解，本发明不限于所披露的实施例，而是相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求书的范围和构思内的各种改型和等效的结构。