[发明专利]一种立式电机的转子蒸发冷却装置

说明书

本发明公开了一种立式电机的转子蒸发冷却装置，该装置包括：立式电机转子、磁极冷却腔、冷凝器和连接管道，其中磁极冷却腔、冷凝器和连接管道三部分每部分都有不同的实现形式，进而能够形成不同的组合，以适应多种应用环境。本发明的有益效果为：对立式电机的转子采用蒸发冷却的方式，冷却水不需要进入电机或者根本不需要冷却水，避免了水泄漏造成的短路风险，提高了电机的可靠性和安全性；采用不需要循环泵的自循环蒸发冷却方式，系统控制简单，在热负荷调整变化时具有自适应能力；另外可根据需要将传统电机进行改造为转子蒸发冷却的方式，且有结构改动小、便于工程实施的优点。

技术领域

本发明涉及发电机冷却技术领域，具体而言，涉及一种立式电机的转子蒸发冷却装置。

背景技术

目前对发电机的冷却方式主要有：空气冷却、水内冷和蒸发冷却。空气冷却指利用空气作为冷却介质吹过定、转子绕组及铁芯表面进行换热，靠热传导及空气的比热吸热；水内冷指对定、转子绕组的内部直接流通冷却水，靠热传导及水的比热吸热；蒸发冷却指采用高绝缘、低沸点的氟碳化合物为冷却介质，通过蒸发冷却介质相变吸收、转移热量。

水轮发电机最主要的冷却方式是利用空气对定、转子绕组以及铁芯表面进行冷却。在电磁负荷不变的情况下，电机的线性尺寸随着电机容量的增大而增大。与此同时，电机散热面积的增长速度却远小于电机损耗的增长速度。为了保证电机的温升不至于过高，冷却强度必然要相应提高。虽然随着技术的进步全空冷水轮发电机的容量不断上升，但是空气冷却的能力越来越趋于极限，所以空气冷却在更高容量大电机的冷却技术中必然要被更加有效的方法所代替。用氢气代替空气作为冷却介质能够在很大程度上提高冷却强度，可是氢气冷却的电机需要使氢气的纯度高于规定值，这给设计和安装带来了困难；另外，密封防爆问题始终是氢气冷却电机安全运行的一个隐患。水内冷电机的冷却效果优异，电机的电磁负荷可以设计得比空气冷却和氢气冷却电机都要高，同时材料可以被更有效地使用，因此大容量水轮发电机多采用水内冷的方式来提高容量极限；除此以外，水内冷电机定转子绕组的运行温度相比于空气冷却方案不仅低而且均匀，更有助于电机的健康运行；然而，水内冷电机不可回避结构复杂、维护负担重、管路元件堵塞、水渗漏等问题；另外，非纯净的水是导体，水渗漏造成的短路风险在所有电气设备中都是不容忽视的。蒸发冷却无毒、无污染、不腐蚀金属及电机的其他部件，具有良好的冷却能力及高绝缘、防火、灭弧性能，可抑制电气故障的发生，利用流体的汽化潜热换热效率高、绕组温升低、无局部过热，克服了水内冷运行压力高、泄漏会造成严重损坏的本质弱点；并且由于其内冷方式省去了风扇，从而使风摩耗下降，总效率可提高0.1～0.2％，且操作维护方便，节省材料，运行安全可靠。

蒸发冷却电机在保持内冷电机优点的同时，避免了水内冷电机的堵塞、渗漏风险。蒸发冷却技术是利用冷却介质的相变潜热来吸收、转移热量。因为相变换热的换热效率高于对流换热，所以它的冷却效果要明显高于利用比热吸热进行换热的空冷、氢冷和水内冷等冷却技术。已经投入使用的蒸发冷却水轮发电机均采用定子蒸发冷却，转子空气冷却的方案；对于转子蒸发冷却技术的应用，尚在研究之中。

论文《自循环蒸发冷却水轮发电机》(廖少葆、顾国彪、李作之，《电工电能新技术》，1987年第3期)中，详细介绍了立式电机长管道冷却回路的内冷式转子蒸发冷却技术，这种技术采用空心导线绕制的磁极线圈，空心导线的进、出口通过管道连接在冷凝器出、进口上，冷凝器环绕在转轴上，通过轴边进水的方式为冷凝器提供冷却水。经过试验验证，该方案的循环状态正常，冷却效果很好。同时提出对于转子冷却回路来说，盒式结构是更好的，但是该论文并未进一步描述盒式结构的具体实施方案。

采用现有技术的转子蒸发冷却方案，即长管道冷却回路的结构，有两个不可回避的缺点：

第一个缺点产生的原因是该方案采用空心导线作为蒸发冷却介质的流道，构成磁极线圈的电磁线通常需要围绕磁极铁芯缠绕很多匝，这样一来每个磁极上的空心导线都很长；前述论文中提到的模型直径两米，就需要11.9米长的电磁线，如此冗长的流道加之大量的转角形成了很大的流动阻力，这对于无泵自循环的蒸发冷却系统来说是不利的。