ES2316417T3 - Bobinas de extremidad refrigeradas con gas para un rotor de maquina dinamoelectrica y procedimiento para refrigerar bobinas de extremidad. - Google Patents
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Abstract
Una máquina dinamoeléctrica refrigerada por gas, que comprende: un rotor (10) que tiene una porción (14) de cuerpo, teniendo dicho rotor bobinas (22) que se extienden de manera axial y bobinas (28) de extremidad que se extienden de manera axial más allá de al menos un extremo (18) de dicha porción (14) de cuerpo; una pluralidad de bloques separadores (140, 240) dispuesta entre dichas bobinas (28) de extremidad y orientada de manera radial con respecto al eje del rotor; una pluralidad de cavidades (142, 242, 342) definidas entre bobinas (28) de extremidad mutuamente adyacentes y bloques separadores (140, 240, 340, 440); teniendo al menos uno de dichos bloques separadores un conducto (144, 244, 344, 444) que se extiende de manera radial, definido en su interior, extendiéndose dicho conducto entre una abertura (150, 250, 350) de entrada y una abertura (146, 246, 248, 362, 462) de salida; en la que dicha abertura de salida está dispuesta en una superficie de dicho al menos un bloque separador que da a una cavidad adyacente al mismo; y en la que dicha abertura (150, 250, 350) de entrada está formada en una superficie orientada de manera circunferencial de dicho al menos un bloque separador (140, 240, 340, 440); caracterizada porque dicha abertura (146, 246, 248, 362, 462) de salida está definida en una sección media de dicho bloque separador (140, 240, 340, 440) de forma que emite dicho flujo de gas refrigerante en una dirección de una región central de dicha cavidad (142, 242, 342); y en la que hay una pluralidad de aberturas de salida, estando dirigida al menos una de dichas aberturas de salida según un ángulo menor de 90 grados con respecto al eje de dicho rotor, de forma que incide gas refrigerante en una bobina de extremidad adyacente a la misma.
Description
Bobinas de extremidad refrigeradas con gas para
un rotor de máquina dinamoeléctrica y procedimiento para refrigerar
bobinas de extremidad.
La presente invención versa acerca de una
estructura y un procedimiento para una refrigeración mejorada de
rotores de generadores al dirigir múltiples chorros de gas
refrigerante dentro de espacios de cavidad entre las bobinas de
extremidad del rotor para crear múltiples celdas de circulación de
acción mutua y chorros de flujo dirigidos.
La potencia nominal de salida de máquinas
dinamoeléctricas, como grandes turbo-generadores,
está limitada a menudo por la capacidad de proporcionar corriente
adicional a través del devanado de campo del rotor debido a
limitaciones de temperatura impuestas sobre el aislamiento del
conductor eléctrico. Por lo tanto, una refrigeración efectiva del
devanado del rotor contribuye directamente al rendimiento de la
máquina. Esto es especialmente cierto de la región de extremidad
del rotor, donde es difícil y cara la refrigeración forzada directa
debido a la construcción habitual de estas máquinas. Dado que las
tendencias del mercado predominante requieren mayor eficiencia y
mayor fiabilidad en generadores de menor coste y de mayor densidad
de potencia, refrigerar la región de extremidad del rotor se
convierte en un factor limitante.
Los rotores de un
turbo-generador consisten normalmente en bobinas
rectangulares concéntricas montadas en ranuras en un rotor. Las
porciones de extremidad de las bobinas (conocidas normalmente como
"end windings"), que están más allá del soporte del
cuerpo principal del rotor, están normalmente apoyadas contra las
fuerzas rotacionales mediante un anillo de retención (véase la
Figura 1). Se colocan bloques de soporte de manera intermitente
entre las bobinas de extremidad de la bobina concéntrica para
mantener la posición relativa y para aumentar la estabilidad
mecánica para cargas axiales, como las cargas térmicas (véase la
Figura 2). Además, las bobinas de cobre están restringidas de
manera radial por el anillo de retención en el radio externo, que
contrarresta las fuerzas centrífugas. La presencia de los bloques
separadores y del anillo de retención resulta en un número de
regiones refrigerantes expuestas a las bobinas de cobre. La vía
primaria de refrigerante es axial, entre el eje y la parte inferior
de las bobinas de extremidad. Se forman también cavidades
diferenciadas entre las bobinas mediante las superficies
delimitadoras de las bobinas, bloques y la superficie interna de la
estructura del anillo de retención. Las bobinas de extremidad están
expuestas al refrigerante que está impulsado por las fuerzas
rotacionales desde abajo de las bobinas de extremidad, de manera
radial, hasta estas cavidades (véase la Figura 3). Esta
transferencia de calor tiende a ser pequeña. Esto es debido a que
conforme a las vías computadas de flujo en una única cavidad de
bobina de extremidad giratoria desde un análisis computacional de
dinámica de fluido, el flujo de refrigerante entra en la cavidad,
discurre a través de una circulación primaria y sale de la cavidad.
Normalmente, la circulación resulta en coeficientes bajos de
transferencia de calor especialmente cerca del centro de la
cavidad. Así, aunque esto es un medio para la eliminación del calor
de las bobinas de extremidad, es relativamente poco eficiente.
Se han utilizado diversos modelos para guiar gas
refrigerante adicional a través de la región extrema del rotor.
Todos estos modelos de refrigeración dependen de ya sea (1) crear
vías de refrigeración directamente en los conductores de cobre
mecanizando surcos o formando canales en los conductores, y luego
bombeando el gas a alguna otra zona de la máquina y/o (2) crear
regiones de presiones relativamente mayor y menor con el añadido de
difusores, canales de flujo y elementos de bombeo para forzar al gas
refrigerante a pasar por las superficies del conductor.
Algunos sistemas atraviesan el anillo de
retención del rotor, sometido a mucha fatiga, con agujeros radiales
para permitir que el gas refrigerante sea bombeado directamente al
lado de las bobinas de extremidad del rotor y sea descargado en el
entrehierro, aunque dichos sistemas pueden tener una utilidad
limitada debido a las consideraciones de carga mecánica elevada y
fatiga de vida en lo que respecta al anillo de retención.
Si se utilizan los modelos convencionales de
refrigeración forzada del extremo del rotor, se añaden una
complejidad y un coste considerables a la construcción del rotor.
Por ejemplo, los conductores refrigerados directamente deben estar
mecanizados o fabricados para formar las vías de refrigeración.
Además, se debe proporcionar un colector de salida para descargar
el gas en alguna parte en el rotor. Los modelos de refrigeración
forzada requieren que la región extrema del rotor sea dividida en
distintas zonas de presión, con el añadido de numerosos difusores,
canales de flujo y elementos de bombeo - que de nuevo aumentan la
complejidad y el coste.
Si no se utiliza ninguno de estos modelos de
refrigeración forzada o directa, entonces las bobinas de extremidad
del rotor son refrigeradas de manera pasiva. La refrigeración pasiva
depende de las fuerzas centrífuga y rotacional del rotor para hacer
circular gas en las cavidades sin salida o ciegas formadas entre las
bobinas concéntricas del rotor. A la refrigeración pasiva de las
bobinas de extremidad del rotor se la llama a veces una
refrigeración de "convección libre".
La refrigeración pasiva proporciona la ventaja
de una complejidad y un coste mínimos, aunque la capacidad de
eliminación de calor se ve reducida cuando se compara con los
sistemas activos de refrigeración directa y forzada. Cualquier
cantidad de gas refrigerante que entre en las cavidades entre las
bobinas concéntricas del rotor debe salir a través de la misma
abertura, dado que estas cavidades están de otra manera rodeadas-
las cuatro "paredes laterales" de una cavidad normal están
formadas mediante conductores concéntricos y los bloques aislantes
que las separan, estando la pared "inferior" (de manera radial
hacia fuera) formada mediante el anillo de retención que soporta
las bobinas de extremidad contra la rotación. El gas refrigerante
entra desde el espacio anular entre los conductores y el eje del
rotor. Se limita así la eliminación de calor mediante la baja
velocidad de circulación del gas en la cavidad y la cantidad
limitada de gas que puede entrar y salir de estos espacios.
En configuraciones típicas, el gas refrigerante
en la región extrema no ha sido acelerado aún al máximo hasta la
velocidad del rotor, o sea, el gas refrigerante está girando a parte
de la velocidad del rotor. Dado que el fluido es impulsado dentro
de una cavidad por medio del impacto de la velocidad relativa entre
el rotor y el fluido, el coeficiente de transferencia de calor se
encuentra típicamente en lo más alto cerca del bloque separador que
está corriente abajo con respecto a la dirección del flujo - donde
el fluido entra con un momento elevado y donde el refrigerante
fluido se encuentra más frío. El coeficiente de transferencia de
calor también es típicamente elevado alrededor de la periferia de
la cavidad. El centro de la cavidad recibe la menor
refrigeración.
El incremento de la capacidad de eliminación de
calor de los sistemas pasivos de refrigeración aumentará la
capacidad portadora actual del rotor proporcionando una capacidad
nominal superior del generador en su conjunto, manteniendo la
ventaja de una construcción de bajo coste, sencilla y fiable.
La revelación de la patente U.S. nº 5.644.179
que está incorporada por referencia describe un método para
aumentar la transferencia térmica al aumentar la velocidad de flujo
de la gran celda única de circulación de flujo al introducir flujo
refrigerante adicional directamente en el flujo que se da en la
celda de manera natural, y en la misma dirección que él, conforme
al preámbulo de las reivindicaciones 1 y 6. Esto se muestra en las
Figuras 4 y 5. Aunque este método aumenta la transferencia de calor
en la cavidad al aumentar la resistencia de la celda de
circulación, la región central de la cavidad del rotor se deja con
una baja velocidad y, por lo tanto, una baja transferencia de
calor. Aún persiste la misma baja transferencia de calor en las
regiones de las esquinas.
El documento DE 100 27 377 describe una máquina
eléctrica, como por ejemplo un turbogenerador, que tiene un
elemento aislante de soporte de bobina entre las secciones extremas
que define un volumen abierto a una superficie de bobina de rotor y
que está conectado a la abertura interna periférica de la
bobina.
La invención descrita en el presente documento
supera las dificultades inherentes en una gran celda única de
circulación para incrementar la transferencia de calor. En vez de
inyectar un flujo refrigerante en la dirección de la única celda de
circulación para aumentarla, como se describe en el documento USP
5.644.179, la invención describe un conjunto de bobina de
extremidad y un procedimiento para crear múltiples celdas de
circulación que penetran la región central de la cavidad, aumentando
significativamente, por lo tanto, la transferencia de calor en una
región que estaría desprovista, de lo contrario, de un flujo de
refrigeración. También se extiende el mismo beneficio a las
regiones de las esquinas de la cavidad.
Así, el conjunto de bobina de extremidad y el
procedimiento de la invención aumentan sustancialmente el
rendimiento de la transferencia de calor en todas las regiones de
la cavidad de la bobina de extremidad del rotor al crear múltiples
celdas de circulación y chorros refrigerantes. Al eliminar las zonas
muertas en las actividades refrigerantes del rotor, la efectividad
global refrigerante se ve aumentada significativamente, aumentando,
por lo tanto, la capacidad nominal de potencia de la máquina. El
sistema es de bajo coste, se instala fácilmente y es robusto,
proporcionando, por lo tanto, una solución práctica a un problema
complejo, contribuyendo al potencial de venta del generador.
En consecuencia, la invención está realizada en
una máquina dinamoeléctrica refrigerada por gas, como se define en
la reivindicación 1 adjunta.
La invención está realizada además en un
procedimiento de refrigerar una máquina dinamoeléctrica como se
define en la reivindicación 6 adjunta.
Estos, al igual que otros objetos y ventajas de
esta invención, se comprenderán y se apreciarán más completamente
con el estudio minucioso de la siguiente descripción más detallada
de las realizaciones ejemplares preferidas en estos momentos de la
invención tomada conjuntamente con los dibujos adjuntos, en los
que:
la Figura 1 es una vista de corte transversal de
una porción de la región de las espiras de extremidad de un rotor
de una máquina dinamoeléctrica con el estator en una orientación
opuesta con respecto al mismo;
la Figura 2 es una vista superior de corte
transversal del rotor de la máquina dinamoeléctrica tomada en la
línea 2-2 de la Figura 1;
la Figura 3 es una ilustración esquemática que
muestra un flujo de gas pasivo en y alrededor de las cavidades de
bobina de extremidad;
la Figura 4 es una vista en perspectiva,
parcialmente separada, de una porción de la región de la última
espira del rotor conforme a una primera realización de la técnica
anterior revelada en la patente U.S. nº 5.644.179;
la Figura 5 es una vista en perspectiva,
parcialmente cortada, de una porción de la región de las espiras de
rotor que muestra una segunda realización de la técnica anterior de
la patente U.S. nº 5.644.179;
la Figura 6 es una vista de corte transversal
parcial que ilustra un conjunto y un procedimiento para crear
múltiples celdas de circulación en una realización de la
invención;
la Figura 7 es una vista de corte transversal
parcial que muestra un conjunto y un procedimiento alternativos
para crear múltiples celdas de circulación para aumentar la
transferencia de calor;
la Figura 8 es una vista de corte transversal
parcial que muestra una realización alternativa adicional de la
invención para crear múltiples chorros de flujo refrigerante para
una transferencia mejorada de calor; y
la Figura 9 es una vista tomada en la línea
9-9 de la Figura 8 que muestra aún otra realización
alternativa adicional de la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Haciendo referencia a los dibujos en los que
números de referencia idénticos denotan los mismos elementos en las
distintas vistas, las Figuras 1 y 2 muestran un rotor 10 para una
máquina dinamoeléctrica refrigerada por gas, que también incluye un
estator 12 que rodea el rotor. El rotor incluye una porción 14 de
cuerpo normalmente cilíndrica dispuesta de manera central en un eje
16 del rotor y que tiene caras extremas opuestas axialmente, de las
que se muestra una porción 18 de una cara extrema en la Figura 1. La
porción de cuerpo está provista de una pluralidad de ranuras 20
distanciadas de manera circunferencial que se extienden de manera
axial para recibir bobinas 22 dispuestas de manera concéntrica, que
forman la bobina del rotor. En aras de la claridad, solo se
muestran cinco bobinas del rotor, aunque en la práctica se utilizan
normalmente varias más.
Específicamente, están apilados un número de
barras conductoras 24 que constituyen una porción de la bobina del
rotor en cada una de las ranuras. Las barras conductoras adyacentes
están separadas mediante capas de aislamiento eléctrico 22. Las
barras conductoras apiladas se mantienen normalmente en las ranuras
mediante cuñas 26 (Figura 1) y están hechas de un material
conductor como el cobre. Las barras conductoras 24 están conectadas
entre sí en cada extremo opuesto de la porción de cuerpo mediante
espiras 27, que se extienden de manera axial más allá de las caras
extremas para formar bobinas 28 de extremidad apiladas. Las espiras
están también separadas mediante capas de aislamiento eléctrico.
Haciendo referencia específicamente a la Figura
1, está dispuesto un anillo 30 de retención alrededor de las
espiras en cada extremo de la porción de cuerpo para sujetar a las
bobinas de extremidad en su lugar contra las fuerzas centrífugas.
El anillo de retención está fijado en un extremo de la porción de
cuerpo y se proyecta sobre el eje 16 del rotor. Está fijado un
anillo 32 de centrado al extremo distal del anillo 30 de retención.
Se debería mencionar que el anillo 30 de retención y el anillo 32 de
centrado pueden estar montados de otras formas, como se conoce en
la técnica. El diámetro interno del anillo 32 de centrado está
distanciado de manera radial del eje 16 del rotor de manera que se
forme un conducto 34 de entrada de gas y las bobinas 28 de
extremidad están distanciadas del eje 16 de forma que se define una
región anular 36. Se proporcionan un número de canales
refrigerantes 38 de manera axial formados en las ranuras 20 en
comunicación fluida con el conducto 34 de entrada de gas mediante
la región anular 36 para entregar gas refrigerante a las bobinas
22.
Volviéndonos a la Figura 2, las bobinas 28 de
extremidad en cada extremo del rotor 10 están distanciadas de
manera circunferencial y axial mediante un número de espaciadores o
bloques separadores 40. (En aras de la claridad de la ilustración,
no se muestran los bloques separadores en la Figura 1). Los bloques
separadores son bloques alargados de un material aislante ubicado
en los espacios entre las bobinas 28 de extremidad adyacentes y se
extienden más allá de la profundidad radial total de las bobinas de
extremidad en el hueco anular 36. En consecuencia, los espacios
entre los conjuntos concéntricos de las espiras (en lo sucesivo
bobinas de extremidad) están divididos en cavidades. Estas
cavidades están delimitadas en la parte superior por el anillo 30 de
retención y en los cuatro lados por bobinas 28 de extremidad
adyacentes y bloques separadores 40 adyacentes. Como se ve mejor en
la Figura 1, cada una de estas cavidades está en comunicación fluida
con el conducto 34 de entrada de gas mediante la región anular 36.
De esta forma una porción del gas refrigerante que entra en la
región anular 36 entre la bobina 28 de extremidad y el eje 16 del
rotor a través del conducto 34 de entrada de gas entra en las
cavidades 42, circula por ellas, y luego vuelve a la región anular
36 entre la bobina de extremidad y el eje del rotor. En las Figuras
1 y 3 se muestra el flujo de aire mediante las flechas.
La acción de bombeo y las fuerzas rotacionales
inherentes que actúan en una cavidad del generador rotatorio
producen una gran celda única de circulación de flujo, como se
muestra esquemáticamente en la Figura 3. Esta celda de circulación
de flujo exhibe su mayor velocidad cerca de los bordes periféricos
de la cavidad, dejando la región central refrigerada de modo
inadecuado debido a la baja velocidad inherente en la región central
de la cavidad. Como se puede ver en la Figura 3, también están
refrigeradas de modo inadecuado grandes zonas de las regiones de
las esquinas porque el movimiento de circulación de la celda de
flujo no lleva flujo refrigerante a las esquinas.
\newpage
Haciendo referencia ahora a la Figura 6, se
ilustra una sección parcial de la bobina de extremidad del rotor
que incorpora la invención, que muestra las cavidades 142 y con la
dirección de rotación indicada mediante la flecha X. En la
realización ilustrada en la Figura 6, cada bloque separador 140 está
provisto de un conducto 144 interno de gas refrigerante que en esta
realización tiene un puerto de descarga o una abertura 146 de
salida en el bloque en la región central de la cavidad 142
respectiva de forma que el flujo refrigerante crea un par
contrarrotante celdas circulares en la cavidad proporcionando esta
forma un aumento en la transferencia de calor en todas las regiones
de la cavidad, incluyendo tanto las regiones central como de esquina
que normalmente han estado carentes de un flujo refrigerante.
Cada conducto refrigerante 144 discurre a lo
largo de la longitud del bloque separador 140 y está orientado de
esta forma de manera radial con respecto al eje del rotor. El
conducto se extiende desde un punto hacia dentro de manera radial
de las bobinas 28 de extremidad o bajo ellas hasta un punto
normalmente central de la altura radial de la bobina de extremidad
y proporciona así un conducto a través del que puede fluir un gas
refrigerante desde la región anular 36 entre las bobinas 28 de
extremidad y el eje 16 del rotor en las cavidades 142.
Específicamente, cada conducto 144 se extiende desde una abertura
150 de entrada ubicada cerca del extremo hacia dentro de manera
radial del bloque separador 140 hasta una abertura 146 de salida
ubicada aproximadamente a la mitad de la longitud del bloque
separador. La abertura 150 de entrada está dispuesta en una
superficie orientada circunferencialmente corriente arriba del
bloque separador para recibir el flujo refrigerante. Como se puede
ver en la Figura 6, en esta realización ejemplar, la abertura de
entrada está ubicada en la porción del bloque separador que se
extiende por debajo de la bobina de extremidad de forma que está en
comunicación fluida con la región anular 36 entre la bobina 28 de
extremidad y el eje 16 del rotor. La abertura 146 de salida también
está dispuesta en una superficie orientada de manera circunferencial
del bloque separador y está en comunicación fluida con una de las
cavidades 142 delimitada por el bloque
separador.
separador.
El flujo refrigerante está impulsado de manera
radial a través del bloque mediante presión de impacto, que es un
resultado de la velocidad relativa del gas que entra en la región
extrema del rotor, y el bombeo centrífugo del rotor. Como se ha
mencionado anteriormente, el flujo refrigerante está dirigido a
través del o de los puertos 150 de descarga en los bloques
separadores hacia la región central de las cavidades adyacentes.
Este chorro dirigido de refrigerante crea un par contrarrotante de
celdas de circulación en la cavidad. Luego este par de celdas
drives celdas adicionales de circulación, proporcionando un aumento
de la transferencia de calor en todas las regiones de la cavidad,
incluyendo la región central y las esquinas de la cavidad que
carecerían de lo contrario de flujo refrigerante. El chorro
refrigerante principal incrementa el rendimiento de transferencia
de calor y sale de la cavidad rotatoria como se muestra.
En funcionamiento, la rotación del rotor hará
que el gas refrigerante sea atraído a través del conducto 34 de
entrada de gas (Figura 1) en la región anular 36 entre la bobina de
extremidad y el eje del rotor (Figura 6). El gas refrigerante está
impulsado a través de las aberturas 150 de entrada hasta el conducto
144. El gas refrigerante en el conducto 144 está expulsado en la
cavidad correspondiente desde la abertura 146 de salida respectiva.
La abertura de salida está ubicada aproximadamente en un punto medio
radial de la cavidad de forma que el flujo refrigerante está
dirigido desde el conducto 144 en el bloque hasta la región central
de la cavidad 142. Esto crea múltiples celdas de circulación en vez
de solo una grande, proporcionando una transferencia mejorada de
calor en el centro de la cavidad y todas las otras regiones de la
cavidad. La generación de múltiples celdas de circulación facilita
la eliminación de calor de todas las partes de la cavidad incluyendo
la región central y las regiones de las esquinas que la única celda
de circulación de la técnica anterior tendía a obviar.
La Figura 7 muestra otra realización de la
invención en la que los bloques de soporte descargan chorros
refrigerantes para entrar en cada cavidad desde direcciones
opuestas, fortaleciendo por lo tanto las celdas contrarrotantes y
proporcionando aún más flujo a través de las mismas. Más
específicamente, la Figura 7 muestra una sección parcial de la
bobina de extremidad del rotor que muestra las cavidades 242 con la
dirección de rotación indicada mediante la flecha X. En esta
realización, cada bloque separador 240 está provisto de un conducto
interno 244 de gas refrigerante para crear múltiples celdas de
circulación dentro de la cavidad para aumentar la eliminación de
calor. Como los conductos de la primera realización, cada conducto
244 de gas refrigerante está orientado de manera radial con
respecto al rotor y se extiende desde un punto hacia dentro de
manera radial de la bobina 28 de extremidad o bajo la misma hasta
un punto cercano a la región central del bloque separador. El
conducto proporciona de esta forma vías hasta las que el gas
refrigerante puede fluir desde una región anular 36 entre la bobina
28 de extremidad y el eje 16 del rotor hasta la región central de
las cavidades 242. Específicamente, cada conducto 244 se extiende
desde una abertura 250 de entrada ubicada cerca del extremo hacia
dentro de manera radial del bloque separador hasta las aberturas
246, 248 primera y segunda de salida ubicadas cerca de la región
central del bloque separador 240 y la cavidad respectiva. La
abertura de entrada está dispuesta en una superficie orientada de
manera circunferencial del bloque separador para recibir flujo
refrigerante como se indica mediante la flecha A. Como se puede ver
en la Figura 7, la abertura 250 de entrada está ubicada en una
porción del bloque separador que se extiende por debajo de la bobina
28 de extremidad de forma que está en comunicación fluida con la
región anular 36 entre la bobina 28 de extremidad y el eje 16 del
rotor. Como se ha mencionado anteriormente, en esta realización, se
proporcionan aberturas 246, 248 de salida primera y segunda, una
dispuesta en cada superficie orientada de manera circunferencial del
bloque separador 240 de forma que está en comunicación fluida con
las cavidades 242 respectivas que están delimitadas por el bloque
separador. En la realización ilustrada, además, se proporciona una
partición 252 en el conducto radial 244 para definir unas porciones
254, 256 de conducto radial primero y segundo que son adyacentes de
manera circunferencial en el bloque separador. Si se considera
necesario o deseable, la partición puede extenderse hasta la porción
circunferencial del conducto indicado mediante la referencia 258 de
forma que se desvía de manera adecuada en cantidades generalmente
iguales hasta las porciones 254, 256 de conducto respectivas para
que fluya fuera de las aberturas 246, 248 de salida respectivas. El
flujo refrigerante está dirigido desde el bloque 240 con conductos
hasta la región central de cada cavidad 242 desde ambos lados
circunferenciales de la cavidad. Esto crea múltiples celdas más
resistentes de circulación, proporcionando una transferencia
mejorada de calor en el centro de la cavidad y todas las demás
regiones de la cavidad. Aquí de nuevo, el flujo refrigerante entra
en el bloque con conductos impulsado mediante la presión de impacto
y el bombeo
centrífugo.
centrífugo.
la Figura 8 muestra una realización de la
invención en la que múltiples puertos de salida proporcionan flujo
refrigerante a todas las regiones de la cavidad, aumentando de nuevo
la transferencia de calor al superar las dificultades inherentes de
transferencia de calor resultantes de la gran celda única de
circulación que se da de forma natural en la cavidad rotatoria.
Más en particular, la Figura 8 muestra una
sección parcial de la bobina de extremidad del rotor que muestra
cavidades 342 adyacentes de manera circunferencial, con una
dirección de rotación indicada mediante la flecha X. Conforme a
esta realización, cada bloque separador 340 está provisto de un
conducto 344 interno refrigerante para dirigir el flujo
refrigerante a todas las regiones en general de la cavidad para una
transferencia mejorada de calor. Como los conductos de las
realizaciones primera y segunda, cada conducto de gas refrigerante
está orientado de manera radial con respecto al rotor y se extiende
desde una abertura 350 de entrada dispuesta hacia dentro de manera
radial de la bobina 28 de extremidad o bajo la misma. Sin embargo, a
diferencia de las anteriores realizaciones, el conducto de gas
refrigerante se extiende hasta un punto cercano al anillo 30 de
retención y se definen a una pluralidad de salidas 360, 362, 364 en
ubicaciones distanciadas a lo largo del conducto de gas
refrigerante. Específicamente, cada conducto se extiende desde una
abertura 350 de entrada ubicada cerca del extremo hacia dentro de
manera radial del bloque separador hasta una pluralidad de aberturas
de salida incluyendo una primera abertura 360 de salida dispuesta
aproximadamente en un tercio de la longitud a lo largo del bloque
separador 340, una segunda abertura 362 de salida dispuesta
aproximadamente en dos tercios de la longitud a lo largo de la
salida, y una tercera abertura 364 de salida dispuesta adyacente al
anillo 30 de retención. Al dirigir el flujo refrigerante a través
de los múltiples agujeros de salida, se generan múltiples chorros
de flujo refrigerante en vez de una gran celda de circulación como
con la técnica anterior, para proporcionar de ese modo una
transferencia uniforme de calor en todas las regiones incluyendo la
región central que estaría privada de lo contrario de flujo
refrigerante.
También debería ser mencionado que mientras que
se ilustran tres agujeros de salida en la realización de la Figura
8, conforme a esta realización se proporcionan al menos dos agujeros
de salida tales y así se podrían proporcionar más o menos que los
tres agujeros de salida. Como aún otra alternativa, similar a la
segunda realización ilustrada en la Figura 7, pueden estar
definidos una pluralidad de agujeros de salida para extenderse
desde el conducto refrigerante en cada dirección circunferencial del
bloque separador para dirigir flujo hacia cada una de las cavidades
respectivas delimitadas por el bloque separador, para garantizar
adicionalmente una distribución completa del flujo refrigerante a
través de la cavidad.
En la realización de la Figura 8, los agujeros
de salida o las aberturas 360, 362, 364 de salida dirigen el flujo
refrigerante en general de manera circunferencial y están dispuestos
así en un plano dispuesto a un ángulo de aproximadamente 90 grados
con respecto al eje del rotor. La vista de corte transversal
mostrada en la Figura 9 representa una forma alternativa de la
realización de la Figura 8. La Figura 9 muestra una variación y una
mejora de los múltiples chorros refrigerantes de la Figura 8 al
dirigir los chorros de forma que inciden directamente en las
paredes calentadas de la cavidad rotatoria, aumentando aún más por
lo tanto la transferencia de calor.
Así, esta realización normalmente se corresponde
con la realización de la Figura 8 excepto en que el o los conductos
462 de salida (solo uno de los cuales se muestra en la Figura 9)
para el conducto 444 en el bloque separador 440 inclinado de forma
que está definido en un plano que está dispuesto a un ángulo de <
90º con respecto al eje del rotor, para dirigir el chorro
refrigerante para incidir directamente en la bobina 28 de
extremidad aumentando así la transferencia de calor. Los conductos
de salida pueden dirigir gas refrigerante a cualquiera de las
bobinas de extremidad adyacentes del rotor, o uno o más de los
conductos de salida pueden dirigir el chorro refrigerante hacia una
bobina de extremidad adyacente de manera axial del rotor y uno o
más de los agujeros de salida pueden dirigir sus chorros
refrigerantes hacia la otra de las dos bobinas de extremidad del
rotor que delimitan la cavidad. En la alternativa, los bloques
separadores adyacentes de manera circunferencial pueden dirigir los
chorros refrigerantes hacia las respectivas bobinas de extremidad de
rotor alternantes. Se podrían adoptar otras permutaciones y
combinaciones del flujo dirigido de chorro refrigerante, al igual
que serán evidentes de una consideración de lo anterior.
Como se puede ver en la Figura 2, las cavidades
entre las bobinas de extremidad comprenden cavidades orientadas de
manera circunferencial o de "armadura final" y cavidades
axiales del lateral de la bobina. Se debería mencionar que aunque
las cavidades de la armadura final se muestran en las Figuras
6-8, la presente invención es igualmente aplicable
a las cavidades axiales del lateral de la bobina. La diferencia
principal entre dichas cavidades es que las cavidades axiales del
lateral de la bobina están orientadas de manera transversal a la
dirección de rotación, en vez de estar orientadas a lo largo de la
dirección de rotación como lo están las cavidades de la armadura
final. Esto significa que la relación del componente axial de
velocidad y el componente circunferencial de velocidad a la cavidad
sería invertida de forma que el componente circunferencial de
velocidad sería perpendicular a la cavidad y el componente axial de
velocidad sería paralelo a las cavidades. Así, en dicha orientación,
la abertura de entrada y la abertura de salida estarían orientadas
90º entre sí de forma que la entrada está orientada en dirección
circunferencial y la salida está orientada axialmente.
Aunque la invención ha sido descrita en conexión
con lo que se considera en estos momentos la realización más
práctica y preferida, se debe comprender que la invención no está
limitada a las realizaciones reveladas, sino que,, al contrario, se
pretende que abarque diversas modificaciones y disposiciones
equivalentes incluidas dentro del espíritu y alcance de las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (6)
1. Una máquina dinamoeléctrica refrigerada por
gas, que comprende:
- un rotor (10) que tiene una porción (14) de cuerpo, teniendo dicho rotor bobinas (22) que se extienden de manera axial y bobinas (28) de extremidad que se extienden de manera axial más allá de al menos un extremo (18) de dicha porción (14) de cuerpo;
- una pluralidad de bloques separadores (140, 240) dispuesta entre dichas bobinas (28) de extremidad y orientada de manera radial con respecto al eje del rotor;
- una pluralidad de cavidades (142, 242, 342) definidas entre bobinas (28) de extremidad mutuamente adyacentes y bloques separadores (140, 240, 340, 440);
- teniendo al menos uno de dichos bloques separadores un conducto (144, 244, 344, 444) que se extiende de manera radial, definido en su interior, extendiéndose dicho conducto entre una abertura (150, 250, 350) de entrada y una abertura (146, 246, 248, 362, 462) de salida;
en la que dicha abertura de salida está
dispuesta en una superficie de dicho al menos un bloque separador
que da a una cavidad adyacente al mismo; y
en la que dicha abertura (150, 250, 350) de
entrada está formada en una superficie orientada de manera
circunferencial de dicho al menos un bloque separador (140, 240,
340, 440);
caracterizada porque
dicha abertura (146, 246, 248, 362, 462) de
salida está definida en una sección media de dicho bloque separador
(140, 240, 340, 440) de forma que emite dicho flujo de gas
refrigerante en una dirección de una región central de dicha
cavidad (142, 242, 342); y
en la que hay una pluralidad de aberturas de
salida, estando dirigida al menos una de dichas aberturas de salida
según un ángulo menor de 90 grados con respecto al eje de dicho
rotor, de forma que incide gas refrigerante en una bobina de
extremidad adyacente a la misma.
2. La máquina dinamoeléctrica de la
reivindicación 1, en la que dicha abertura (150, 250, 350) de
entrada está ubicada adyacente a un extremo hacia dentro de manera
radial de dicho al menos un bloque separador (140, 240, 340,
440).
3. La máquina dinamoeléctrica de la
reivindicación 1, en la que dicha abertura (146, 246, 248, 362, 462)
de salida está formada en una superficie orientada de manera
circunferencial de dicho al menos un bloque separador (140, 240,
340, 440).
4. La máquina dinamoeléctrica de la
reivindicación 1, en la que una pluralidad de dichos bloques
separadores (140, 240, 340, 440) tienen un conducto (144, 244, 344,
444) que se extiende de manera radial formado en los
mis-
mos.
mos.
5. La máquina dinamoeléctrica de la
reivindicación 1, en la que hay una pluralidad de aberturas (246,
248, 360, 362, 364, 462) de salida, emitiendo al menos una de
dichas aberturas (246, 248, 362, 462) de salida dicho flujo de gas
refrigerante de manera general en un dirección de una región central
de dicha cavidad.
6. Un procedimiento para refrigerar bobinas de
extremidad en una máquina dinamoeléctrica que comprende un rotor
(10) que tiene una porción (14) de cuerpo, bobinas (22) que se
extienden de manera axial y bobinas (28) de extremidad que se
extienden de manera axial más allá de al menos un extremo (18) de
dicha porción de cuerpo; una pluralidad de bloques separadores
(140, 240, 340, 440) dispuestos entre dichas bobinas de extremidad y
orientados de manera radial con respecto al eje del rotor; y
estando definida una pluralidad de cavidades (142, 242, 342) entre
bobinas de extremidad mutuamente adyacentes y bloques separadores;
comprendiendo el procedimien-
to:
to:
- proporcionar al menos uno de dichos bloques separadores (140, 240, 340, 440) que tiene al menos un conducto (144, 244, 344, 444) que se extiende de manera radial definido en el mismo, extendiéndose dicho conducto entre una abertura (150, 250, 350) de entrada y una abertura (146, 246, 248, 362, 462) de salida, estando dispuesta dicha abertura de salida en una superficie de dicho al menos un bloque separador que da a una cavidad adyacente al mismo;
- girar dicho rotor de forma que una carga de presión impulsa un gas refrigerante a través de dicha abertura (150, 250, 350) de entrada hasta dicho conducto (144, 244, 344, 444) que se extiende de manera radial y a través de dicha abertura (146, 246, 248, 362, 462) de salida hasta una cavidad (142, 242, 342) respectiva, de forma que emite dicho flujo de gas refrigerante de manera general en una dirección de una región central de dicha cavidad; caracterizado porque:
- dicha abertura de salida está definida de manera radial en una sección media de dicho bloque separador; y
en el que hay una pluralidad de aberturas de
salida, estando dirigida al menos una de dichas aberturas de salida
según un ángulo menor de 90 grados con respecto a un eje de dicho
rotor, de forma que incide gas refrigerante en una bobina de
extremidad adyacente al mismo.
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