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VENTILATEUR DE RENFORT POUR LA VENTILATION DE ROTORS.
La présente invention concerne la ventilation des machines dyna- mo-électriques et spécialement l'utilisation de ventilateurs de renfort, ou dispositifs équivalents, pour augmenter la ventilation des rotors des turbo- générateurs. Quoique l'invention ne soit pas limitée à ce cas, elle a été étudiée spécialement pour un turbo-générateur non équilibré dont le stator est favorisé par l'utilisation de rainures de stator plus nombreuses et plus profondes,d'un entrefer plus grand que normal (pour s'adapter aux ampères- tours accrus) , et d'un diamètre extérieur du noyau de stator plus grand que normal, tout en appliquant, en même temps, dans le rotor,
des vitesses d'écoulement plus que normales à une construction à refroidissement interne qui comprend des canalisations de refroidissement des conducteurs en bon contact thermique avec les parties de l'enroulement du rotor qui sont noyées dans les rainures de rotor, emprisonnées dans la protection isolante impor- tante ou revêtement des rainures qui détermine l'isolement conducteur-terre dans les rainures à conducteurs du noyau du rotor.
L'invention s'applique particulièrement aux machines refroidies à l'hydrogène dans lesquelles la pression de l'hydrogène est maintenue à au moins 15 livres par pouce carré (1 kg/cm2) au-dessus de la pression atmosphérique. L'expérience a montré qu'à moins d'utiliser une construction à réfrigération interne avec des canalisations de refroidissement en bon contact thermique avec les conducteurs enfermés dans les rainures du noyau une augmentation de la pression d'hydrogène ne présente qu'un avantage limi- té, même avec des vitesses d'écoulement plus que normales. L'expérience a montré aussi que, même avec un rotor à refroidissement interne, on n'ob- tient que des avantages limités en augmentant seulement la pression ou en augmentant la vitesse d'écoulement moyenne seulement.
Si, au contraire, on augmente simultanément ces deux quantités, la pression et la vitesse d'é- coulement, la limite d'utilisation des enroulements peut être sérieusement relevée.
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Différentes formes d'exécution de l'invention sont représentées, à titre d'exemple, au dessin annexé, dans lequel :
Les figures 1 et 2 sont des coupes verticales montrant des dé- tails de deux variantes de ventilateur de renfort suivant l'invention.
La figure 3 est une coupe verticale d'une extrémité d'une machine dynamo-électrique, comprenant le ventilateur de la figure 1; et
La figure 4 est une coupe transversale dans une des rainures de rotor.
La machine dynamo-électrique représentée au dessin est un tur- bo-générateur polyphasé bipolaire, comprenant un stator 6 et un rotor 7 en- fermés dans une enveloppe 8 remplie de gaz, de préférence de l'hydrogène sous une pression considérablement supérieure à 15 livres par pouce carré (1 kg/ cm2) au-dessus de la pression atmosphérique. Le stator et le rotor ont tous deux des canalisations de refroidissement. Dans le stator 6, les canalisa- tions de refroidissement sont représentées sous la forme de canalisations ou espaces de ventilation 10 radiaux arrangés entre des paquets de tôles du noyau cylindrique de stator 11. Un enroulement statorique polyphasé 12 est disposé dans des rainures axiales 13 pratiquées dans le noyau de stator.
En ce qui concerne le rotor, les canalisations de refroidisse- ment consistent en canalisations axiales 15 qui'longent de préférence les conducteurs de rotor 16 logés dans les rainures à conducteurs axiales 17 du noyau de rotor cylindrique 18. L'enroulement de rotor 16 comporte un isole- ment de rainure 19 (fige 4) qui enferme à la fois les conducteurs de rotor 16 et leurs canalisations de refroidissement associées 15, dans les différen- tes rainures 17 du noyau de rotor 18. Dans la construction habituelle, le rotor 7 est pourvu, vers le milieu de la machine dans le sens de la longueur de canalisations radiales 21 (fig. 3), en communication avec les canalisations de refroidissement des conducteurs 15 et se déchargeant dans l'entrefer 22 entre le stator et le rotor.
Les machines refroidies à l'hydrogène doivent être munies de ventilateurs qui entretiennent la circulation de l'hydrogène à travers les canalisations de refroidissement du stator et du rotor. Il faut aussi placer un ou plusieurs réfrigérateurs sur le chemin de circulation, et dans la forme d'exécution représentée de l'invention, un réfrigérateur 23 est disposé axialement entre le pourtour extérieur du noyau de stator 11 et la paroi de l'enveloppe 8. L'un ou l'autre système de ventilateur est nécessaire pour entretenir la circulation de l'hydrogène en circuit fermé. Dans le cas du rotor, celui-ci joue lui-même le rôle d'un ventilateur centrifuge de manière à créer une certaine charge de pression de ventilation qui produit une cer- taine vitesse d'écoulement moyenne dans les canalisations de refroidissement de conducteurs 15 du rotor.
Pour maintenir une circulation convenable de l'hydrogène dans le stator 6, il faut toujours prévoir l'un ou l'autre genre de système de ventilateur, habituellement dans la forme d'un ventilateur mon- té sur chaque extrémité du rotor.
Suivant la présente invention, des dispositifs supplémentaires sont prévus pour créer une pression de ventilation qui souffle l'hydrogène dans le rotor 7, de manière à augmenter la ventilation centrifuge des ca- nalisations dans le noyau de rotor même. Cette pression de ventilation sup- plémentaire qui s'exerce dans le rotor est de préférence supérieure à la pres- sion de ventilation utilisée pour ventiler le noyau de stator 11.
Ûne pres- sion de ventilation extra élevée ne donnerait que des résultats limités dans le stator 6, parce que la limite d'utilisation de l'enroulement de stator 12 est limitée par la nécessité d'évacuer les pertes RI2 dans les conduc- teurs de stator à travers les isolants de l'enroulement, ce qui constitue plutôt une formidable barrière pour la chaleur, à cause de la tension d'i- solement de l'enroulement de stator ou d'induit 12. En ce qui concerne le rotor 7 au contraire, à cause du refroidissement interne, l'hydrogène ve- nant sensiblement directement en contact avec les conducteurs de rotor 16, une augmentation de la pression de ventilation et, par conséquent, de la vitesse d'écoulement dans le rotor, résulte en une augmentation rapide des ,
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limites d'utilisation de l'enroulement de rotor 16.
La présente invention envisage l'emploi d'un tybe de ventilateur spécial 30, monté de préférence sur chaque extrémité du rotor 7. Ce venti- lateur 30 comprend un dispositif, comme les pales 31, qui crée une pression de ventilation efficace pour entretenir la circulation en circuit fermé de l'hydrogène au moins dans les canalisations de refroidissement de stator 10.
Ces pales 31, ou une partie d'entre elles, peuvent ou non créer aussi une pression de ventilation qui souffle de l'hydrogène à travers les canalisa- tions axiales 15 du rotor 7. Suivant la présente invention, chaque ventila- teur 30 comporte aussi un dispositif supplémentaire, comme les pales 32 dis- posées de façon à créer une pression de ventilation qui maintient ou augmente sélectivement la circulation de l'hydrogène dans les canalisations axiales de rotor 15.
De préférence, la pression de ventilation produite par les ven- tilateurs 30 pour entretenir ou augmente la circulation d'hydrogène dans les canalisations de refroidissement de rotor 15 et 21 est supérieure à la pres- sion de ventilation produite par les ventilateurs 30 pour entretenir la cir- culation d'hydrogène dans les canalisations de refroidissement 10 du stator' De cette manière des économies substantielles peuvent être faites dans le coût de la ventilation nécessaire au refroidissement du stator et du rotor respectivement.
Il faut remarquer que l'enroulement statorique 12 est un enrou- lement d'induit polyphasé à tension relativement élevée, tandis que l'enrou- lement de rotor 16 est un enroulement inducteur à tension relativement basse.
Afin d'éviter le coût et les difficultés possibles d'isolement (dans des machines à très haute tension) qu'entraîne le refroidissement-interne des conducteurs de stator en mettant l'hydrogène en contact direct avec ceux-ci, à l'intérieur de l'isolement important nécessaire aux enroulements de stator, la présente invention est représentée appliquée à un calcul spécial de dimen- sions de machine qui favorise le stator, en utilisant des rainures de stator plus profondes, un entrefer plus grand que normal 22, et un diamètre exté.- rieur de noyau de stator 11 plus grand que normal, quoique l'invention n'y soit pas limitée.
Cette solution procure un stator qui a des limites de charge plus élevées qu'une machine ordinaire ayant un rotor de même diamètre L'entrefer 22 peut être décrit comme étant supérieur à 2 pouces (5 cm), ce qui est supérieur à la normale, quoiqu'on ait déjà connu des entrefers plus grands dans des machines à caractéristiques spéciales, mais sans les par- ticularités de refroidissement de la présente invention.
Le rotor est soumis à un service plus dur, en lui donnant un refroidissement plus que normal, de sorte que les limites d'utilisation du rotor sont plus élevées que d'habitude, comparativement à son diamètre et à sa longueur. Le diamètre du rotor est aussi plus petit que d'habitude, comparé aux dimensions du stator.
Il va de soi qu'on peut monter toute forme convenable de venti- lateur 30 sur l'arbre de la machine, pour créer les deux pressions de ven- tilation différentes agissant respectivement sur le stator et le rotor.
Ce dispositif est dénommé ventilateur de soufflage de renfort. Il peut con- sister en un ventilateur du type axial, qui pousse ou souffle le gaz dans le sens axial, comme le montre la figure 1; ou bien, un ventilateur centri- fuge peut être utilisé pour créer les pressions de ventilation élevées né- cessaires dans le rotor, comme indiqué en 33 à la figure 2.
Il est évident que le dispositif de circulation en circuit fer- mé comprend aussi les chicanes et guides nécessaires pour diriger l'hydro- gène de façon qu'il traverse le réfrigérateur 23, et entre et sorte conve- nablement des diverses canalisations de ventilation et des dispositifs de soufflerie prévus.
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REINFORCEMENT FAN FOR ROTOR VENTILATION.
The present invention relates to the ventilation of dynamo-electric machines and especially to the use of booster fans, or equivalent devices, to increase the ventilation of the rotors of the turbo-generators. Although the invention is not limited to this case, it has been specially studied for an unbalanced turbo-generator, the stator of which is favored by the use of more and deeper stator grooves, with an air gap greater than normal (to accommodate increased amperes-turns), and of a larger stator core outside diameter than normal, while at the same time applying in the rotor,
flow velocities more than normal to an internally cooled construction which includes conductor cooling pipes in good thermal contact with the parts of the rotor winding which are embedded in the rotor grooves, trapped in the impor insulating protection - aunt or coating of the grooves which determines the conductor-earth insulation in the conductor grooves of the rotor core.
The invention is particularly applicable to hydrogen-cooled machines in which the pressure of the hydrogen is maintained at least 15 pounds per square inch (1 kg / cm2) above atmospheric pressure. Experience has shown that unless an internally refrigerated construction with cooling lines in good thermal contact with the conductors enclosed in the grooves in the core is used an increase in hydrogen pressure has only a limited advantage. - tee, even with more than normal flow speeds. Experience has also shown that, even with an internally cooled rotor, only limited benefits are obtained by increasing the pressure only or increasing the average flow velocity only.
If, on the contrary, these two quantities, the pressure and the flow rate, are simultaneously increased, the limit of use of the windings can be seriously increased.
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Different embodiments of the invention are shown, by way of example, in the accompanying drawing, in which:
FIGS. 1 and 2 are vertical sections showing details of two variants of the booster fan according to the invention.
Figure 3 is a vertical section of one end of a dynamo-electric machine, comprising the fan of Figure 1; and
Figure 4 is a cross section through one of the rotor grooves.
The dynamo-electric machine shown in the drawing is a bipolar polyphase turbo-generator, comprising a stator 6 and a rotor 7 enclosed in a casing 8 filled with gas, preferably hydrogen under a pressure considerably greater than 15. pounds per square inch (1 kg / cm2) above atmospheric pressure. The stator and the rotor both have cooling lines. In the stator 6, the cooling ducts are shown as radial ducts or ventilation spaces 10 arranged between sheet bundles of the cylindrical stator core 11. A polyphase stator winding 12 is arranged in axial grooves 13 formed. in the stator core.
As far as the rotor is concerned, the cooling lines consist of axial lines 15 which preferably run alongside the rotor conductors 16 housed in the axial conductor grooves 17 of the cylindrical rotor core 18. The rotor winding 16 comprises a groove isolation 19 (pin 4) which encloses both the rotor conductors 16 and their associated cooling pipes 15, in the various grooves 17 of the rotor core 18. In the usual construction, the rotor 7 is provided, towards the middle of the machine in the direction of the length of radial pipes 21 (FIG. 3), in communication with the cooling pipes of the conductors 15 and discharging into the air gap 22 between the stator and the rotor.
Hydrogen-cooled machines must be fitted with fans that keep the hydrogen flowing through the stator and rotor cooling pipes. It is also necessary to place one or more refrigerators on the circulation path, and in the embodiment shown of the invention, a refrigerator 23 is arranged axially between the outer periphery of the stator core 11 and the wall of the casing 8. One or the other fan system is necessary to maintain the circulation of hydrogen in a closed circuit. In the case of the rotor, this itself acts as a centrifugal fan so as to create a certain ventilation pressure load which produces a certain average flow velocity in the cooling pipes of conductors. of the rotor.
To maintain proper hydrogen circulation in stator 6, some kind of fan system must always be provided, usually in the form of a fan mounted on each end of the rotor.
According to the present invention, additional devices are provided for creating a ventilation pressure which blows the hydrogen into the rotor 7, so as to increase the centrifugal ventilation of the ducts in the rotor core itself. This additional ventilation pressure exerted in the rotor is preferably greater than the ventilation pressure used to ventilate the stator core 11.
Extra high ventilation pressure would give only limited results in stator 6, because the limit of use of stator winding 12 is limited by the need to vent the losses RI2 in the conductors of stator through the insulation of the winding, which is rather a formidable barrier to heat, because of the isolation voltage of the stator or armature winding 12. Regarding the rotor 7 on the contrary, because of internal cooling, with the hydrogen coming substantially directly in contact with the rotor leads 16, an increase in the ventilation pressure and, therefore, in the flow velocity in the rotor, results in a rapid increase in,
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rotor winding operating limits 16.
The present invention contemplates the use of a special fan tube 30, preferably mounted on each end of the rotor 7. This fan 30 comprises a device, like the blades 31, which creates an effective ventilation pressure to maintain the air. circulation of hydrogen in a closed circuit at least in the stator cooling pipes 10.
These blades 31, or a part of them, may or may not also create a ventilation pressure which blows hydrogen through the axial ducts 15 of the rotor 7. According to the present invention, each fan 30 has also an additional device, such as the blades 32 arranged to create a ventilation pressure which selectively maintains or increases the flow of hydrogen in the axial ducts of rotor 15.
Preferably, the vent pressure produced by the fans 30 to maintain or increase the flow of hydrogen in the rotor cooling lines 15 and 21 is greater than the vent pressure produced by the fans 30 to maintain the flow. flow of hydrogen through stator cooling lines 10. In this way substantial savings can be made in the cost of ventilation required to cool the stator and rotor respectively.
Note that the stator winding 12 is a relatively high voltage polyphase armature winding, while the rotor winding 16 is a relatively low voltage field winding.
In order to avoid the cost and the possible difficulties of isolation (in very high voltage machines) caused by the internal cooling of the stator conductors by putting the hydrogen in direct contact with them, inside From the large insulation required for the stator windings, the present invention is shown applied to a special machine dimension calculation which favors the stator, using deeper stator grooves, a larger than normal air gap 22, and a larger than normal stator core outside diameter 11, although the invention is not limited thereto.
This solution provides a stator which has higher load limits than an ordinary machine having a rotor of the same diameter. The air gap 22 can be described as being greater than 2 inches (5 cm), which is greater than normal, although larger air gaps have already been known in machines with special characteristics, but without the cooling features of the present invention.
The rotor is subjected to a harder service, giving it more than normal cooling, so that the operating limits of the rotor are higher than usual, compared to its diameter and length. The rotor diameter is also smaller than usual, compared to the stator dimensions.
It goes without saying that any suitable form of fan 30 can be mounted on the machine shaft to create the two different ventilation pressures acting on the stator and the rotor, respectively.
This device is called a booster blower fan. It may consist of an axial type fan, which pushes or blows the gas in the axial direction, as shown in Figure 1; or, a centrifugal fan can be used to create the necessary high ventilation pressures in the rotor, as shown at 33 in Figure 2.
It is evident that the closed circuit circulation device also includes the baffles and guides necessary to direct the hydrogen so that it passes through the refrigerator 23, and in and out of the various ventilation pipes and tubes suitably. wind tunnel devices provided.