用于增加发电机端绕组冷却的间隔块导流片 【发明背景】
本发明涉及一种通过向通常缺乏冷却剂的空腔中心分配更多的冷却剂来增强发电机转子冷却的结构。
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给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地。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)处于转子主体的支撑之外，一般由固定环支撑着来抵抗旋转力(图1)。在同心线圈端绕组之间间隔地设置有支撑块，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(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一些暴露于铜线圈的冷却剂区域。主要的冷却剂通路是轴向的，在轴和端绕组底部之间。此外，由线圈和块的约束表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被压入这些空腔(图3)。其中的热传递趋于较低。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，冷却剂流进空腔，通过一次环流并离开空腔。一般地说，环流产生低的热传递系数，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。
使用过许多试图使较多的冷却气流通过转子端部区域的方案。所有这些冷却方案都或者依靠(1)通过在导体中加工槽或形成通路来在铜导体中直接形成冷却通道，然后把气体泵入电机的一些其它区域，以及/或者(2)利用附加的导流片、流动通路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。
一些系统在承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案，将给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，必须提供出气管，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、流动通路和泵吸元件，这再次增加了复杂性和成本。
如果不使用这些强迫或直接冷却方案，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来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“自然对流”冷却。
被动冷却具有复杂程度和成本最低的优点，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块构成，空腔的“底”(径向向外)壁由用于支撑端绕组抵抗转子的旋转力的固定环构成。冷却气体从导体和转子轴之间的环形空间进入。因而除去的热量受到气体在空腔内的低的循环速度的限制，并且只有有限数量的气体可以进入和离开这些空间。
在一种典型的构型中，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影响而被驱动到空腔内时，热传递系数一般在间隔块附近最高，这个位置相对于流动方向是下游，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、结构简单以及结构可靠等优点。
美国专利No.5644179披露了一种通过提高大的单流环流池的流速来提高热传递的方法，其是通过将额外的冷却气流直接引入自然出现的流路池(flow cell)中并沿着与其相同的方向引入。这在图4和图5中示出。虽然这种方法通过提高环流池的强度来增加空腔内的热传递，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。
发明概述
本发明提供了一种通过向由同心转子端绕组和支撑块限定并位于其间的空腔的中心引入冷却剂流以提高发电机转子冷却的结构和方法。
为了使流动改变方向，在本发明的一个典型实施方式中，至少一个导流片安装在设于空腔下游侧的间隔块的表面上，以朝向空腔中心重新分配冷却剂流。更特别地，本发明在发电机转子端绕组组件的至少一个间隔块的下游表面上提供至少一个导流片结构，以在各自的空腔中朝向通常缺乏冷却剂的空腔中心重新分配冷却剂流，因此可以在旋转组件中充分增加热传递性能。
在一个实施例中，导流片大致沿相关间隔块的轴向延伸，以截取相当大部分的到达和/或沿间隔块径向内部流动的冷却剂流。被截取的流被改变方向流向空腔中心。通常直接流向导流片结构径向外部的间隔块的冷却剂流将继续按照一般环流路线流动。
根据本发明的另一个实施例，导流片结构的跨度只是空腔轴向尺寸或深度的一部分。这允许一些高动量的冷却剂到达空腔外侧径向拐角，并将其余的冷却剂引向空腔中心。部分深度的导流片的跨度可以是从邻近空腔的一个端绕组壁、邻近空腔的另一个端绕组壁，或者通常为其相关间隔块的中心开始的部分深度。在本实施例中，导流片跨越大约相关间隔块深度的一半。
根据本发明的另一个实施例，设置了两个或多个轴向排列的导流片结构，每个的跨度为空腔轴向尺寸或深度的一部分。这使一些高动量的冷却剂在轴向邻近的导流片结构之间流动，以到达空腔的外部径向拐角，并将其余的冷却剂引入空腔中心。
【附图说明】
本发明的这些和其它的目的和优点可以通过仔细研究下面结合附图的本发明的优选实施例的详细说明更充分地理解和认识，其中：
图1是电机转子的端匝区域的一部分的截面图，电机具有与端匝区域呈面对关系的定子；
图2是沿图1的线2-2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空腔的示意图；
图4是按照在美国专利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是按照在美国专利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示出了作为本发明实施例的导流片的截面图，导流片设置在间隔块的下游侧，以将冷却剂导引向通常缺乏冷却剂的空腔中心；
图7示出了本发明的另一个实施例，其中至少设置了一个导流片，每个导流片只是部分跨越空腔的深度，使某些冷却剂很容易地传送至空腔的外部径向范围上，同时将一部分冷却剂导引向空腔中心。
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。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，并具有沿轴向相对的端面，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。相邻的导体棒由多个电绝缘22层分开。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以形成叠置的端绕组28。端匝也被电绝缘层隔开。
特别参看图1，固定环30围绕本体部分的各个端部处的端匝设置，以克服离心力将端绕组保持在适当位置上。固定环的一端固定在机身部分上，并在转子轴16上伸出。中心环32与固定环30的远端相连。应当指出，固定环30和中心环32可以按照其他方式安装，如从现有技术中知道的那样。中心环32的内周边缘沿径向与转子轴16隔开，以形成进气通道34，端绕组28与转子轴16隔开，以限定环形区域36。设置了许多沿凹槽20形成的轴向冷却通道38，通过环形区域36与进气通道34进行流体流通，以将冷却气体输送至线圈22。
参看图2，转子10的每端处的端绕组28由许多间隔件或间隔决40沿周向和轴向隔开(为了清楚起见，在图1中未示出间隔块)。间隔块是由绝缘材料制成的细长块，位于邻近的端绕组28之间，延伸超过端绕组的全部径向深度并进入环形区域36。因此，端匝27的同心叠层之间的间隔被分为多个空腔。这些空腔在顶部由固定环30限定界限，在四面由邻近的端绕组28和邻近的间隔块40限定界限，如图3所示。在图1中可以最好地看出，每个这些空腔都通过环形区域36与进气通道34进行流体流通。冷却气体的一部分通过进气通道34进入端绕组28与转子轴16之间的环形区域36，从而进入空腔42并在其中环流，随后返回端绕组与转子轴之间的环形区域36。空气流动由图1和图3中的箭头示出。
旋转发电机空腔中产生的固有抽吸作用和旋转力通常会产生单流环流池，如图3示意性所示。流路环流池在空腔的周边边缘附近具有最大的速度，由于在空腔的中心区域具有固有的低速度，因此中心区域不能获得充分冷却。如图3所示，由于流路池的环流运动并未把冷却流带到拐角处，因此拐角区域的很大面积也未获得充分冷却。
参看图6，图6示出了转子端绕组组件的局部剖视图，显示了某些空腔142，其旋转方向以箭头X表示。根据本发明的一个实施例，至少一个、最好是每个间隔块140都在安装于各个空腔的下游侧的表面146(在下文中称为下游表面)上设置有导流片结构144，用于把冷却剂流重新分配至各个空腔142的中心，以增大那里的热传递系数。每个导流片结构144都具有通常为曲面的下表面148，用于沿箭头A所示方向对流进行截取并使其改变方向。上表面150通常为平面，这样导流片界定了通常较薄的面对流的边152，因此能够有效地对流进行截取，没有不必要的压力损失。
在运转中，转子沿X方向的旋转将导致冷却气体从进气口34(图1)被吸入端绕组28与转子轴16之间的环形区域36中。在通常的环流流中产生动力压位差，在通常的环流中将冷却气体朝空腔142的下游侧146驱动。但是，在图6所示的实施例中，至少一部分冷却剂流受到导流片144的截取，并使其沿箭头A所示方向改变流向，流入冷却空腔142的中心区域，否则这个区域通常很缺乏冷却剂流。未受到截取的冷却剂流将继续按照通常的环流方向流动，如箭头B所示。被截取的流和未被截取的流在空腔的上游侧重新汇合，并继续沿顺时针方向流动，在所说明的结构中是在间隔块140之下，并进入下一个空腔。在本实施例中，设置了单个导流片，它跨越了空腔深度或者轴向尺寸的主要部分，例如至少大约75％，最好是在空腔纵深100％的数量级上。
参看图7，图7示出了本发明的第二实施例。更特别地，图7示出了转子端绕组的局部剖视图，示出了限定在间隔块240之间的空腔242，端绕组的旋转方向以箭头X表示。如图所示，至少设置了一个导流片结构244，用于把冷却剂流引导至邻近空腔的中心区域。与图6中的实施例相同，在所示组件中，在至少一个间隔块240的下游表面246上设置有导流片结构244。但是，在本实施例中，每个导流片244只延伸了间隔块的部分深度或部分轴向尺寸，目的是留出至少一个垂直流区域，使某些高动量环流冷却剂流到达空腔的外侧径向拐角，同时其余的冷却剂被朝向空腔中心引导。
根据本实施例，可以安装部分深度导流片，从邻接空腔的一个端绕组壁、邻接空腔的另一个端绕组壁或通常其相关间隔块的中心跨越空腔的部分纵深。在典型实施例中，设置了单个导流片244，跨度大约是相关间隔块的纵深的一半。根据另一个实施例，设置了两个或多个轴向排列的导流片结构，每个导流片的跨度是空腔轴向尺寸或深度的一部分。在这种方式中，至少保留了一个垂直流区域，以使高动量的环流冷却剂流能够到达空腔的外侧径向拐角处，同时其余的冷却剂被引导向空腔的中心。
因此，如上所述，流入各个空腔242的冷却剂流将沿间隔块表面246径向向外开始其流动。此流的一部分受到导流片结构244的截取并改变方向，按照箭头A所示的方向流向各个空腔的中心区域。由于具有由导流片的截短的轴向长度限定的空隙，其余的冷却剂流从导流片结构旁边通过，继续向上，并沿间隔块径向向外流动，如箭头C所示，以作为环流流继续流动，如箭头B所示。受到偏转的流和未受到偏转的流在空腔的上游侧重新汇合，并继续沿顺时针方向流动，在所示实施例中，是在间隔块之下围绕间隔块流向下一个空腔242。
在提供的优选实施例中，导流片144和244延伸了冷却空腔圆周尺寸的至少大约20％或更多，最好是至少大约25％，这样可以有效地截取流并改变其方向，使其流向空腔的中心区域，而不是仅仅引起表面波动。导流片下部表面148和248的弯曲结构增强了导流片功能。
虽然结合被认为是最实用和最佳的实施例对本发明进行了说明，但可以理解，本发明并不局限于所披露的实施例，相反，如果不超出由权利要求书所限定的本发明的范围和构思，本发明要包括各种变型或等效配置。