ES2355061T3 - Soporte de bobina de rotor superconductora a alta temperatura con caja de bobina dividida y procedimiento de montaje. - Google Patents

Soporte de bobina de rotor superconductora a alta temperatura con caja de bobina dividida y procedimiento de montaje. Download PDF

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Abstract

Un rotor para una máquina síncrona (10) que comprende: un núcleo de rotor (22); un devanado de bobina superconductora (34) que se extiende alrededor de al menos una parte del rotor, teniendo dicho devanado de bobina una sección lateral (40) adyacente a un lateral del núcleo del rotor; al menos una barra de tensión (42) que se extiende a través de un conducto (46) en dicho núcleo del rotor; y una caja (44) fijada a la barra de tensión y conectada a la sección lateral del devanado de bobina, en la que la caja comprende un par de paneles laterales (124).

Description

La presente invención se refiere de modo general a bobinas superconductoras en una máquina rotativa síncrona. Más particularmente, la presente invención se refiere a una estructura de soporte de una bobina para devanados de campos superconductores en el rotor de una máquina síncrona.
Las máquinas eléctricas síncronas que tienen devanados de bobinas de campo incluyen, pero sin limitarse a, 5 generadores rotativos, motores rotativos y motores lineales. Estas máquinas comprenden generalmente un estator y un rotor que se acoplan electromagnéticamente. El rotor puede incluir un núcleo de rotor múltiple y uno o más devanados de bobinas montados sobre el núcleo del rotor. Los núcleos del rotor pueden incluir un material sólido permeable magnéticamente, tal como un rotor de núcleo de hierro.
Los devanados de cobre convencionales se usan comúnmente en los rotores de las máquinas eléctricas 10 síncronas. Sin embargo, la resistencia eléctrica de los devanados de cobre (aunque bajos para medidas convencionales) es suficiente para contribuir a un calentamiento sustancial del rotor y para disminuir la eficiencia de potencia de la máquina. Recientemente, se han desarrollado devanados de bobinas superconductores (SC) para rotores. Los devanados SC tienen efectivamente una resistencia nula y son devanados de bobinas de rotor altamente ventajosos. 15
Los rotores de núcleo de hierro se saturan con una intensidad de campo magnético en el entrehierro de aproximadamente 2 teslas. Los rotores superconductores conocidos emplean diseños de núcleo de aire, con ningún hierro en el rotor, para alcanzar unos campos magnéticos en el espacio de aire de 3 teslas o superior. Los campos magnéticos altos en el espacio de aire conducen a densidades de potencia incrementadas de la máquina eléctrica y dan como resultado una reducción significativa en el peso y tamaño de la máquina. Los rotores superconductores de 20 núcleo de aire requieren grandes cantidades de cable superconductor. Las grandes cantidades de cable SC se añade al número de bobinas requeridas, la complejidad de los soportes de bobina y el coste de los devanados de bobinas SC y el rotor.
Los devanados de campo de bobinas SC de alta temperatura se forman con materiales superconductores que son frágiles y que se deben refrigerar a una temperatura en o por debajo de una temperatura crítica, por ejemplo 27 K, 25 para obtener y mantener la superconductividad.
Los devanados SC se pueden formar de material superconductor de alta temperatura, tal como un conductor basado en BSCCO (BixSrxCaxCuxOx).
Las bobinas superconductoras se han refrigerado por helio líquido. Después de pasar a través de los devanados del rotor, el helio caliente usado se devuelve como helio gaseoso a temperatura ambiente. El uso de helio 30 líquido para refrigeración criogénica requiere una continua relicuefacción del helio gaseoso devuelto a temperatura ambiente y tal relicuefacción supone problemas de fiabilidad significativos y requiere de una potencia auxiliar significativa.
Las técnicas de refrigeración de bobinas SC anteriores incluyen la refrigeración de una bobina SC impregnada en epoxi a través de una trayectoria de conducción sólida desde un refrigerador criogénico. Alternativamente, los tubos 35 de refrigeración en el rotor pueden transportar un líquido y/o gas criogénico a un devanado de bobinas SC que está inmerso en el flujo del líquido y/o gas criogénico. Sin embargo, la refrigeración por inmersión requiere que el devanado de campo completo y la estructura del rotor estén a temperatura criogénica. Como resultado, no se puede usar hierro en el circuito magnético del rotor debido a la naturaleza quebradiza del hierro a temperaturas criogénicas.
Lo que se necesita es un montaje de devanado de campo superconductor para una máquina eléctrica que no 40 tenga las desventajas del núcleo de aire y de los montajes de devanados de campos superconductores refrigerados por líquido de, por ejemplo, los rotores superconductores conocidos.
Además, las bobinas superconductoras de alta temperatura (HTS) son sensibles a la degradación a partir de la alta deformación por tracción y doblado. Estas bobinas deben someterse a fuerzas centrífugas sustanciales que tensionan y deforman las bobinas de los devanados. La operación normal de las máquinas eléctricas involucra miles de 45 ciclos de arranque y parada en el curso de varios años, lo que da como resultado una carga por fatiga de bajo número de ciclos del rotor. Adicionalmente, el devanado del rotor HTS debe ser capaz de soportar una operación del 25% de sobrevelocidad durante los procedimientos de equilibrado del rotor a temperatura ambiente y sin perjuicio de las condiciones de sobrevelocidad ocasionales a temperaturas criogénicas durante la operación de generación de energía. Estas condiciones de sobrevelocidad aumentan sustancialmente la carga de fuerza centrífuga sobre los devanados 50 respecto a las condiciones de operación normales.
Las bobinas de SC usadas como devanado de campo del rotor HTS de una máquina eléctrica están sometidas a tensiones y deformaciones durante el enfriamiento y la operación normal. Están sometidas a cargas centrífugas, transmisión de par y condiciones de falta transitorias. Para soportar las fuerzas, tensiones, deformaciones y cargas cíclicas, las bobinas SC deberían estar apropiadamente soportadas en el rotor por un sistema de soporte de bobinas. Estos sistemas de soporte de bobina mantienen la(s) bobina(s) SC en el rotor HTS y aseguran las bobinas 5 contra las tremendas fuerzas centrífugas debidas a la rotación del rotor. Más aún, el sistema de soporte de bobinas protege las bobinas SC y asegura que las bobinas no se agrietarán, fatigarán o romperán de otra manera prematuramente.
El desarrollo de sistemas de soporte para bobinas HTS ha sido un difícil reto en la adaptación de las bobinas SC a los rotores HTS. Ejemplos de sistemas de soporte de bobinas para rotores HTS que han sido propuestos 10 anteriormente se desvelan en las Patentes de Estados Unidos Nº 5.548.168; 5.532.663; 5.672.921; 5.777.420; 6.169.353 y 6.066.906. Sin embargo, estos sistemas de soporte de bobinas sufren varios problemas, tales como ser caros, complejos y requerir un excesivo número de componentes. Hay una necesidad largamente sentida de un rotor HTS que tenga un sistema de soporte de bobina para una bobina SC. Existe también la necesidad de un sistema de soporte de bobina hecho con componentes de bajo coste y fáciles de fabricar. 15
Con la invención, se ha desarrollado un sistema de soporte de bobina para un devanado de bobina superconductora con forma de pista de carreras, de alta temperatura para un rotor de dos polos de una máquina eléctrica. El sistema de soporte de bobina impide el daño a las bobinas del devanado durante la operación del rotor, soportando las bobinas del devanado con respecto a las fuerzas centrífugas y otras y proporciona un escudo protector para la bobina del devanado. El sistema de soporte de bobinas mantiene las bobinas del devanado con respecto al 20 rotor. El devanado de bobinas HTS y el sistema de soporte de bobinas están a temperatura criogénica mientras que el rotor está a temperatura ambiente.
El soporte de bobina de caja partida es particularmente útil para una máquina eléctrica de baja densidad de potencia de Superconductores de Alta Temperatura (HTS). El soporte de bobina soporta las elevadas fuerzas centrífugas y tangenciales que en otro caso actuarían sobre la bobina SC. Las cajas de bobinas se sitúan extremo a 25 extremo a lo largo del lado largo de las secciones del devanado de bobina para distribuir uniformemente las fuerzas centrífugas y tangenciales que actúan sobre la bobina. Para reducir la fuga de calor, se ha minimizado la masa del soporte de bobina para reducir la conducción térmica desde el rotor a través del soporte hacia la bobina fría. El soporte de bobinas se mantiene a temperaturas criogénicas tal como lo está el devanado de campo.
El sistema de soporte de bobina incluye una serie de montajes de soporte de bobina que se extienden entre 30 los lados opuestos del devanado de bobina con forma de pista. Cada montaje de soporte de bobina incluye una barra de tensión y un par de cajas de bobina partidas. Las barras de tensión se extienden entre los lados opuestos del devanado de bobina a través de los conductos, por ejemplo taladros, en el núcleo del rotor. Se fija a la bobina una caja de bobina partida en cada extremo de la barra de tensión. La caja transfiere las fuerzas centrífugas desde la bobina a la barra de tensión. Cada montaje de soporte de bobina arma el devanado de bobina con respecto al núcleo del rotor. 35 La serie de montajes de soportes de bobina proporcionan un soporte sólido y protector del devanado de bobinas.
Cada caja de bobina partida comprende un par de paneles laterales opuestos que se montan alrededor de la bobina SC y agarran un extremo de la barra de tensión. Los paneles laterales son piezas con forma de “C” que se unen conjuntamente por pernos para encerrar la bobina entre un par de paneles laterales. Los pernos de sujeción mantienen los paneles laterales juntos e impiden que la caja de bobina se separe bajo las grandes cargas centrífugas y 40 tangenciales.
El rotor HTS puede ser para una máquina síncrona diseñada originalmente para incluir bobinas SC. Alternativamente, el rotor HTS puede reemplazar un rotor de bobina de cobre en una máquina eléctrica existente, tal como en un generador convencional. El rotor y sus bobinas SC se describen en el presente documento en el contexto de un generador, pero el rotor de bobina HTS es también adecuado para su uso en otras máquinas síncronas. 45
El sistema de soporte de bobina es útil para la integración del sistema de soporte de bobina con la bobina y el rotor. Además, el sistema de soporte de bobina facilita un fácil premontaje del sistema de soporte de bobina, la bobina y el núcleo del rotor antes del montaje final del rotor. El premontaje reduce el tiempo de montaje de bobina y rotor, mejora la calidad del soporte de la bobina y reduce las variaciones en el montaje de la bobina.
En una primera realización, la invención es un rotor para una máquina síncrona que comprende: un núcleo de 50 rotor; un devanado de bobina superconductora que se extiende alrededor de al menos una parte del núcleo del rotor, teniendo el devanado de bobina una sección lateral adyacente a un lateral del núcleo del rotor; al menos una barra de tensión que se extiende a través de un conducto (46) en el núcleo del rotor; y una caja fijada a la barra de tensión y conectada a la sección lateral del devanado de bobina, en la que la caja comprende un par de paneles laterales.
En otra realización, la invención es un procedimiento para soportar un devanado de bobina superconductora en el núcleo del rotor de una máquina síncrona que comprende las etapas de: extender una barra de tensión a través de un conducto en el núcleo del rotor; situar el devanado de bobina alrededor del núcleo del rotor de forma que la barra de tensión y el perno de tensión se extiendan entre las secciones laterales del devanado de bobina; montaje de un par de paneles laterales de al menos una caja alrededor de una sección lateral del devanado de bobina; asegurar juntos 5 los paneles laterales y fijar la caja al primer extremo de la barra de tensión.
La invención se describirá ahora con mayor detalle, a modo de ejemplo, con referencia los dibujos, en los que:
La FIGURA 1 es un alzado lateral esquemático de una máquina eléctrica síncrona que tiene un rotor superconductor y un estator.
La FIGURA 2 es una vista en perspectiva de un devanado de bobina superconductora con forma de pista de 10 carreras de ejemplo.
La FIGURA 3 es una vista de un corte parcial del núcleo del rotor, devanado de bobina y sistema de soporte de bobina para un rotor de superconductor de alta temperatura (HTS).
Las FIGURAS 4 y 5 son vistas en perspectivas de una caja de bobina partida conteniendo una bobina (Figura 5) y sin una bobina (Figura 4). 15
La FIGURA 6 es una vista en perspectiva del núcleo del rotor, el devanado de bobina y el sistema de soporte de bobina para un rotor de superconductor de alta temperatura (HTS).
La FIGURA 1 muestra una máquina generadora síncrona 10 de ejemplo que tiene un estator 12 y un rotor 14. El rotor incluye bobinas de devanado de campo que se encajan dentro de la cavidad de vacío cilíndrica de rotor 16 del estator. El rotor se encaja dentro de la cavidad de vacío de rotor del estator. Según gira el rotor dentro del estator, se 20 genera un campo magnético 18 (ilustrado por líneas de puntos) por parte del rotor y las bobinas del rotor se mueven/giran a través del estator y crean una corriente eléctrica en los devanados de las bobinas del estator 19. Esta corriente es producida por el generador como potencia eléctrica.
El rotor 14 tiene un eje 20 que se extiende generalmente de modo longitudinal y un núcleo de rotor 22 generalmente sólido. El núcleo sólido 22 tiene una alta permeabilidad magnética y se hace normalmente de material 25 ferromagnético, tal como hierro. En una máquina de superconductor de baja densidad de potencia, el núcleo de hierro del rotor se usa para reducir la fuerza magnetomotriz (MMF). La MMF reducida minimiza la cantidad de cable de bobina superconductora (SC) necesario para el devanado de bobina. Por ejemplo, el núcleo de rotor de hierro sólido se puede saturar magnéticamente con un campo magnético en el entrehierro de aproximadamente 2 teslas.
El rotor 14 soporta al menos un devanado de bobina 34 (véase la Figura 2) superconductor de alta 30 temperatura (HTS) que se extiende longitudinalmente, con forma de pista de carreras. El bobinado de bobina HTS puede tener alternativamente una forma de montura o tener alguna otra forma que sea adecuada para un diseño de rotor HTS particular. Se desvela en el presente documento un sistema de soporte de bobina para un devanado de bobina de pista de carreras SC. El sistema de soporte de bobina se puede adaptar para configuraciones de bobina diferentes a la bobina de pista de carreras montada sobre un núcleo de rotor sólido. 35
El rotor incluye un par de ejes de extremo que soportan el núcleo del rotor 22. Un eje de extremo 24 del colector tiene unos anillos de colector 78 que proporcionan un acoplamiento eléctrico externo para la bobina SC. El eje de extremo del colector incluye también un acoplamiento de transferencia criogénica 26 hacia una fuente de fluido de refrigeración criogénico usado para refrigerar los devanados de bobinas SC en el rotor. El acoplamiento de transferencia criogénica 26 incluye un segmento fijo acoplado a una fuente de fluido de refrigeración criogénico y un 40 segmento rotativo que proporciona el fluido de refrigeración a la bobina HTS. El extremo opuesto del eje es un eje de accionamiento 30 que se puede conectar a una turbina de potencia. Los ejes de extremo se soportan mediante cojinetes 25 que proporcionan soportes para el rotor completo.
La FIGURA 2 muestra un devanado de bobina de campo 34 de pista de carreras HTS de ejemplo. Las bobinas 34 del devanado de campo SC del rotor incluye una bobina 36 superconductora (SC) de alta temperatura. Cada bobina 45 SC incluye un conductor superconductor de alta temperatura, tal como unos hilos conductores de BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) laminados en un compuesto de devanado impregnado en epoxi sólido. Por ejemplo, se pueden laminar una serie de hilos BSCCO 2223, adherirlos entre sí y devanarlos dentro de una bobina impregnada en epoxi sólido.
El hilo SC es quebradizo y fácil de dañar. La bobina SC es típicamente una cinta SC devanada en capas que 50 se impregna en epoxi. La cinta SC se envuelve en un molde de bobina de precisión para obtener unas estrechas
tolerancias dimensionales. La cinta se bobina alrededor de una hélice para formar la bobina SC 36 de pista de carreras.
Las dimensiones de la bobina de pista de carreras dependen de las dimensiones del núcleo del rotor. Generalmente, cada bobina SC de pista de carreras rodea los polos magnéticos del núcleo del rotor y es paralela al eje del rotor. Los devanados de bobina son continuos alrededor de la pista. Las bobinas SC forman una trayectoria de la 5 corriente eléctrica libre de resistencia alrededor del núcleo del rotor y entre los polos magnéticos del núcleo. La bobina tiene contactos eléctricos 79 que conectan eléctricamente la bobina al colector 78.
Los pasos de fluido 38 para el fluido de refrigeración criogénico se incluyen en el devanado de bobina 34. Estos pasos se pueden extender alrededor de un borde exterior de la bobina SC 36. Las vías de paso proporcionan fluido de refrigeración criogénico a la bobina y eliminan el calor de la bobina. El fluido de refrigeración mantiene las 10 bajas temperaturas, por ejemplo, 27 K, en el devanado de bobina SC necesarias para promover las condiciones superconductoras, incluyendo la ausencia de resistencia eléctrica en la bobina. Los pasos de refrigeración tienen un orificio de entrada de fluido 39 y un orificio de salida de fluido 41 en un extremo del núcleo del rotor. Estos orificios de fluido (gas) 39, 41 conectan los pasos de refrigeración 38 en la bobina SC a tubos en el eje de extremo 24 del rotor que se extienden al acoplamiento de transferencia criogénica 26. 15
Cada devanado de bobina 34 de pista de carreras HTS tiene un par de partes laterales 40 generalmente rectas paralelas al eje del rotor 20 y un par de partes extremas 54 que son perpendiculares al eje del rotor. Las partes laterales de la bobina se someten a grandes tensiones centrífugas. En consecuencia, las partes laterales se soportan mediante un sistema de soporte de bobina que contrarresta las fuerzas centrífugas que actúan sobre la bobina.
La FIGURA 3 muestra una sección parcial de un núcleo del rotor 22 y un sistema de soporte de bobina para 20 un devanado de bobina superconductora de alta temperatura (HTS). Los sistemas de soporte de bobina incluyen una serie de montajes de soporte de bobina que se extienden a lo largo de núcleo del rotor y entre los lados opuestos del devanado de bobina HTS. Cada montaje de soporte de bobina comprende una barra de tensión 42 que se extiende a través de un conducto 46 del núcleo del rotor y una caja de bobina partida 44 que se une a la barra y sujeta el devanado de bobina. El sistema de soporte de bobina proporciona un marco estructural para mantener el devanado de 25 bobina en el rotor.
La carga principal del devanado de bobina 34 HTS proviene de la aceleración centrífuga durante el giro del rotor. Los montajes de soporte de bobina se alinean cada uno con la carga centrífuga de la bobina para proporcionar un soporte estructural eficaz bajo carga al devanado de bobina. Para soportar las secciones laterales de la bobina, cada barra de tensión 42 se fija a la caja de bobina partida 44. Las cajas agarran las secciones laterales opuestas de la 30 bobina. Las barras de tensión 42 se extienden a través de una serie de conductos 46 en el núcleo del rotor. Estas barras se alinean en cuadratura con el eje del núcleo del rotor.
Las cajas de bobina partida 44 soportan el devanado de bobina 34 contra las fuerzas centrífugas y las fuerzas del par tangencial. Las fuerzas centrífugas surgen durante la rotación del rotor. Las fuerzas tangenciales pueden surgir de la aceleración y desaceleración del rotor y la transmisión del par. Debido a que los largos laterales 40 del devanado 35 de bobina están encajados en las cajas partidas de bobina 44 y los extremos planos 86 de los pernos de tensión, los laterales del devanado de bobina están plenamente soportados dentro del rotor.
Los conductos 46 son generalmente pasos cilíndricos en el núcleo del rotor que tienen un eje recto. El diámetro de los conductos es substancialmente constante. Sin embargo, los extremos 88 que los conductos se pueden extender a un diámetro mayor para alojar un tubo de aislamiento 52. Este tubo alinea la barra 42 en el conducto y 40 proporciona aislamiento térmico entre el núcleo del rotor y la barra.
En el extremo de cada barra de tensión, el tubo de aislamiento 52 une la estructura de soporte de la bobina al rotor caliente e impide la convención de calor entre ellos. Adicionalmente, hay una tuerca de fijación 84 conectada al tubo de aislamiento 52, que asegura adicionalmente la conexión con la barra de tensión. La tuerca de fijación 84 y el tubo 52 aseguran la barra de tensión y la caja partida al núcleo del rotor en tanto que minimizan la transferencia de 45 calor desde el rotor caliente a la estructura de la caja.
El tubo aislante 52 se forma con un material de aislamiento térmico. Un extremo del tubo puede incluir un anillo externo (no mostrado) que sobresale de la pared del extremo ancho 88 del conducto. El otro extremo del tubo incluye un anillo interno (no mostrado) que se acopla a la tuerca de fijación 84 manteniendo la barra de tensión en el tubo de aislamiento. El calor del rotor habría de conducirse a través de la longitud del tubo de aislamiento 52 y la tuerca 50 de fijación 84 antes de alcanzar la barra de tensión. Por ello, el tubo aislante aísla térmicamente la barra de tensión del núcleo del rotor.
El número de conductos 46 y su situación en el núcleo del rotor depende de la situación de las bobinas HTS y el número de cajas de bobina necesarias para soportar las secciones laterales de las bobinas. Los ejes de los conductos 46 están generalmente en un plano definido por la bobina de pista. Además, los ejes de los conductos son perpendiculares a las secciones laterales de la bobina. Más aún, los conductos son ortogonales a, e interceptan, el eje del rotor, en la realización mostrada en el presente documento. El número de conductos y la situación de los conductos 5 dependerá de la situación de las bobinas HTS y del número de cajas de bobina necesarias para soportar las secciones laterales de las bobinas.
Existen generalmente dos categorías de soportes para devanados superconductores: (i) soportes “calientes” y (ii) soportes “fríos”. En un soporte caliente, las estructuras de soporte se aíslan térmicamente de los devanados SC refrigerados. Con los soportes de bobina calientes, la mayoría de la carga mecánica de la bobina superconductora (SC) 10 se soporta mediante los elementos estructurales que se extienden entre las bobinas frías y los elementos de soporte calientes.
En un sistema de soporte frío de bobinas, el sistema de soporte está en o cercano a la temperatura criogénica fría de las bobinas SC. En los soportes fríos, la mayor parte de la carga mecánica de la bobina SC se soporta mediante los elementos estructurales de soporte de bobina que están a o cerca de la temperatura criogénica. 15
El sistema de soporte de bobina de ejemplo desvelado en el presente documento es un soporte frío en que las barras de tensión 42, los pernos 43 y las cajas partidas asociadas 44 se mantienen a o cerca de la temperatura criogénica. Debido a que los elementos de soporte de bobina están fríos, estos elementos están aislados térmicamente, por ejemplo mediante los conductos sin contacto a través del núcleo del rotor, del núcleo del rotor y otros componentes “calientes” del rotor. 20
El devanado de bobina HTS y los componentes de soporte de bobina estructurales están todos a temperatura criogénica. Por el contrario, el núcleo del rotor está a una temperatura ambiente “caliente”. Los soportes de bobina son fuentes potenciales de conducción térmica que permitirían que el calor alcance a las bobinas HTS desde el núcleo del rotor. El núcleo del rotor se convierte en caliente durante la operación. Dado que los devanados de bobina se han de mantener en condiciones de súper refrigeración, se ha de evitar la conducción de calor al interior de las bobinas desde 25 el rotor.
El sistema de soporte de bobina se aísla térmicamente del núcleo del rotor. Por ejemplo, las barras de tensión y los pernos no están en contacto directo con el rotor. Esta falta de contacto evita la conducción de calor desde el rotor a las barras de tensión y bobinas. Además, la masa de la estructura del sistema de soporte de bobina se ha minimizado para reducir la conducción térmica a través del montaje de soporte dentro de los devanados de bobina 30 desde el núcleo del rotor.
Cada barra de tensión 42 es un eje con continuidad a lo largo de la dirección longitudinal de la barra y en el plano de la bobina de pista de carreras. La barra de tensión se hace típicamente de aleaciones no magnéticas de alta resistencia tales como aluminio o una aleación Inconel. La continuidad longitudinal de las barras de tensión proporciona la rigidez lateral a las bobinas lo que proporciona beneficios dinámicos al rotor. Más aún, la rigidez lateral de las barras 35 de tensión 42 permite la integración del soporte de bobina con las bobinas de modo que la bobina se pueda montar con el soporte de bobina sobre el núcleo del rotor antes del montaje final del rotor.
La cabeza 86 de superficie plana de la barra de tensión soporta una superficie interior de un lateral del devanado de bobina. El extremo 86 de la barra de tensión se puede estriar de modo que pueda acoplarse a los salientes anulares 134 de un conjunto de dos paneles laterales de la caja de bobina 124 (véase la Figura 5). Las otras 40 tres superficies del lateral 40 del devanado de bobina se soportan por la caja partida 44. Cada caja partida se monta alrededor de la bobina y forma una caja de bobina en cooperación con la cabeza del perno. Esta caja soporta el devanado de bobina con respecto a las cargas tangenciales y centrífugas. La caja también permite que el devanado de bobina se expanda y contraiga longitudinalmente.
Las FIGURAS 4 y 5 (y la Figura 3) muestran una mitad de los paneles laterales con forma de “C” de ejemplo 45 124 de la caja partida 44. Un par de paneles laterales soportan los lados opuestos de una bobina 34. Más aún, los paneles laterales se disponen de extremo a extremo a lo largo de cada lateral de una bobina para formar un montaje de soporte de bobina continuo a lo largo de una sección lateral 40 de un devanado de bobina 34. Una superficie interior de cada panel lateral tiene una ranura estrecha 130 para recibir la cuña y un canal con forma de “L” 132 para recibir un lateral de la bobina. Una superficie lateral y una superficie interior de la bobina descansan sobre superficies 50 ortogonales del canal 132 del panel lateral. Se monta un panel lateral opuesto alrededor de la bobina y soporta la misma superficie de bobina interior y una superficie lateral opuesta de la bobina.
La superficie exterior de la bobina se soporta mediante una cuña 126 que se extiende entre los paneles
laterales en lados opuestos de la bobina. Se puede dividir una cuña individual (como se muestra en las Figuras 4 y 5) y extenderse a medio camino a través de la bobina donde sobresale con otra cuña partida. La cuña 126 encaja dentro de la ranura estrecha 130 en un panel lateral. La cuña incluye un canal 127 para recibir el paso de refrigeración 38 en la superficie exterior de la bobina. Adicionalmente la cuña puede incluir una serie de taladros 131 que se alinean con los talados 133 en el borde superior del panel lateral. Cada par de estos taladros 131, 133 reciben pasadores de fijación 5 136 (Figura 3) que se extienden a través de los paneles laterales opuestos y las cuñas para fijar los bordes superiores de los paneles laterales y las cuñas conjuntamente.
La cuña puede ser parte integral del panel lateral y extenderse en la mitad del ancho de la bobina, como se muestra en la FIGURA 4. Alternativamente, la cuña puede ser un componente separado que se monta con el panel lateral y que se puede extender en la mitad o en la distancia completa a través del ancho de la bobina hasta un panel 10 lateral opuesto. Además, la cuña 126 no necesita extenderse conjuntamente con el panel lateral. La cuña se puede extender más allá de la longitud del panel lateral y encajar en una ranura 130 en un panel lateral adyacente (como se muestra en la Figura 4). Alternativamente, la cuña se puede extender conjuntamente con el panel lateral, como se muestra en la FIGURA 5.
Los paneles laterales 124 tienen un reborde inferior 135 sobre el que descansa la superficie interior de la 15 bobina. Los taladros de los pernos 142 en el borde inferior permiten que los pernos de fijación mantengan juntos la parte inferior de la caja 44. El reborde inferior también se acopla a la barra de tensión 42 o al perno de tensión 43 (dependiendo de si se usa una barra de tensión sólida o si se está usando un montaje de una barra de tensión y perno).
Cada panel lateral (se muestra una mitad en las Figuras 4 y 5) tiene una media sección 134 de un taladro para 20 acoplar una barra de tensión o perno de tensión. Los paneles laterales mostrados en las FIGURAS 4 y 5 tienen una media sección 134 que forma un taladro (cuando se montan los dos pares de paneles laterales) para acoplar un extremo estriado de la barra de tensión 42 (Figura 5) o la cabeza de un perno de tensión 43 (Figura 4). El taladro formado por el panel lateral mostrado en la FIGURA 4 tiene un agujero liso y una repisa anular 137 para encajar la cabeza del perno 43. Alternativamente, el taladro formado por la media sección 134 del panel lateral mostrado en la 25 FIGURA 5 está estriado y se acopla al extremo estriado de la barra de tensión. En consecuencia, la caja partida 44 se puede usar tanto con un montaje de barra de tensión y perno o una barra de tensión sin un perno. Adicionalmente, se puede insertar una tuerca de fijación 138 (véase la Figura 6) dentro del taladro roscado 134 y la tuerca de fijación puede tener un taladro interior y una repisa para asegurar el mantenimiento de la cabeza de un perno de tensión 43.
Independientemente de la manera en la que el perno de tensión o la barra de tensión se fijan al reborde 30 inferior 135 del panel lateral, el extremo del perno o barra se fijan de modo que hagan tope con la superficie interior de la bobina. De esta forma el extremo del perno de tensión o barra soportan directamente la bobina.
La caja partida se puede hacer de material ligero, de alta resistencia que sea dúctil a temperaturas criogénicas. Los materiales típicos para las cajas partidas son el aluminio, el titanio y las aleaciones Inconel. La forma de la caja partida se ha optimizado para un peso bajo. 35
Como se muestra en la FIGURA 6, una serie de cajas de bobina partidas 44 (y pernos de tensión 43 y barras 42 asociados) se pueden situar a lo largo de los laterales 40 del devanado de bobina. Los pernos de tensión 43 se enroscan en los taladros roscados (no mostrados) en el extremo de la barra de tensión. La profundidad a la que los tornillos del perno se enroscan en la barra es ajustable. La longitud total del conjunto de la barra de tensión y perno (montaje que se extiende entre los laterales de la bobina) se puede cambiar mediante el giro de uno o ambos de los 40 pernos dentro o fuera de los taladros de las barras de tensión. La cabeza del perno o el extremo de la barra de tensión incluyen un reborde con una superficie exterior plana 86. El reborde encaja en el borde de la caja partida mostrada en la FIGURA 4. La cabeza plana 86 del perno o barra hace tope en una superficie interior del devanado de bobina 34.
Las cajas se disponen de extremo a extremo a lo largo de la longitud de la parte lateral 40 de la bobina. La caja partida distribuye colectivamente las fuerzas que actúan sobre la bobina, por ejemplo las fuerzas centrífugas, 45 sobre sustancialmente las secciones laterales 40 completas de la bobina. Las cajas partidas 44 impiden que las secciones laterales de la bobina 40 se flexionen excesivamente y doblen debido a las fuerzas centrífugas.
La pluralidad de cajas partidas 44 mantiene de modo efectivo la bobina en su sitio sin quedar afectadas por las fuerzas centrífugas. Aunque se muestra que las cajas partidas tienen una estrecha proximidad entre sí, las cajas sólo necesitan estar tan cercanas como sea necesario para impedir la degradación de la bobina producida por las altas 50 fuerzas de doblado y tensión durante la carga centrífuga, la transmisión del par y las condiciones transitorias en faltas.
Los soportes de bobina no restringen la expansión y la contracción térmica longitudinal de las bobinas que ocurre durante la operación de arranque/parada normal de la turbina de gas. En particular, la expansión térmica se
dirige principalmente a lo largo de la longitud de las secciones laterales. Por ello, las secciones laterales de la bobina se deslizan ligeramente longitudinalmente con respecto a la caja partida y las barras de tensión.
El sistema de soporte de bobina de barras de tensión 42, pernos 43 y cajas partidas 44 se puede montar con los devanados de bobina HTS 34 cuando se montan sobre el núcleo del rotor 22. Las barras de tensión y las cajas partidas proporcionan una estructura claramente rígida para el soporte del devanado de bobina y el mantenimiento de 5 los laterales largos del devanado de bobina en su sitio con respecto al núcleo del rotor. Los extremos de la bobina se pueden soportar por fijaciones partidas (no mostradas) en los extremos laterales de (pero no en contacto con) el núcleo del rotor 22.
El núcleo del rotor y los ejes extremos pueden ser componentes discretos que se montan juntos. El núcleo del rotor de hierro 22 tiene una forma generalmente cilíndrica 50 adecuada para la rotación dentro de la cavidad de rotor 16 10 del estator 12. Para recibir el devanado de la bobina, el núcleo del rotor tiene unas superficies rebajadas 48, tales como zonas planas o triangulares o ranuras. Estas superficies 48 se forman en la superficie curvada 50 del núcleo cilíndrico y se extienden longitudinalmente a través del núcleo del rotor. El devanado de bobina 34 se monta sobre el rotor adyacente a las áreas rebajadas 48. Las bobinas se extienden generalmente de modo longitudinal a lo largo de una superficie exterior del área rebajada y alrededor de los extremos del núcleo del rotor. Las superficies rebajadas 48 del 15 núcleo del rotor reciben el devanado de bobina. La forma del área rebajada está adaptada al devanado de bobina. Por ejemplo, si el devanado de bobina tiene una forma de montura o alguna otra forma, el o los rebajes en el núcleo del rotor se configurarían para recibir la forma del devanado.
Las superficies rebajadas 48 reciben el devanado de bobina de modo que la superficie exterior del devanado de bobina se extiende hacia sustancialmente un envolvente definido por la rotación del rotor. Las superficies curvadas 20 exteriores 50 del núcleo del rotor cuando gira definen un envolvente cilíndrico. Este envolvente de la rotación del rotor tiene sustancialmente el mismo diámetro que la cavidad del rotor vacía 16 (véase la Figura 1) en el estator.
El espacio entre el envolvente del rotor y la cavidad 16 del estator es una holgura relativamente pequeña, como la que se requiere para forzar el flujo de la ventilación de refrigeración del estator solamente, dado que el rotor no requiere ventilación de refrigeración. Es deseable minimizar la holgura entre el rotor y el estator para aumentar el 25 acoplamiento electromagnético entre los devanados de bobina del rotor y los devanados del estator. Más aún, los devanados de bobina del rotor se sitúan preferentemente de modo que se extiendan a la envolvente formada por el rotor y, por ello, se separan del estator solamente por el espacio de holgura entre el rotor y el estator.
El núcleo del rotor, los devanados de bobina y los montajes de soporte de bobina se montan previamente. El premontaje de la bobina y del soporte de bobina reduce el ciclo de producción, mejora la calidad del soporte de bobina 30 y reduce las variaciones en el montaje de la bobina. Antes de que se monte el núcleo del rotor con los extremos del eje del rotor y otros componentes del rotor, se insertan las barras de tensión 42 dentro de cada uno de los conductos 46 que se extienden a través del núcleo del rotor. Se coloca el tubo aislante 52 en cada extremo de cada barra de tensión en el extremo expandido 88 de cada extremo de los conductos 46. El tubo 52 se fija en su sitio por una tuerca de fijación de retén 84. Los pernos 43, si se usan, se pueden insertar antes o después de que se inserten las barras de 35 tensión dentro de los conductos del núcleo del rotor.
Cuando se usan pernos de tensión, entonces se coloca una tuerca de fijación 138 en cada perno y se usa entonces para asegurar el perno contra la caja partida. La profundidad a la que se atornillan los pernos dentro de las barras de tensión se selecciona de modo que la longitud desde el extremo de un perno en una barra de tensión al extremo del perno opuesto es la distancia entre los lados largos 40 del devanado de bobina. Cuando la barra de 40 tensión y los pernos se montan en el núcleo del rotor 22, los devanados de bobina 34 están listos para insertarse sobre el núcleo.
El devanado de bobina 34 se inserta sobre el núcleo del rotor de modo que los extremos planos 86 de las barras de tensión 42 o de los pernos 43 hagan tope contra la superficie interior de las secciones laterales 40 del devanado. Una vez que se ha insertado el devanado sobre los extremos de la barra 42 o el perno 43, se montan las 45 cajas partidas 44 sobre el devanado. Para montar cada caja, los paneles laterales se colocan contra los lados opuestos de la bobina y se deslizan las cuñas dentro de las ranuras estrechas 130 de los paneles laterales. Se insertan los pasadores de bloqueo para mantener las cuñas y los paneles laterales juntos. Se usa la tuerca de fijación 138 para apretar los paneles laterales contra el perno.
El núcleo del rotor se puede encajar en un escudo 90 cilíndrico metálico (indicado por líneas discontinuas) que 50 protege el devanado de bobina superconductora 34 de las corrientes parásitas y otras corrientes eléctricas que rodean al rotor y proporcionan una envolvente de vacío para mantener un fuerte vacío alrededor de los componentes criogénicos del rotor. El escudo cilíndrico 90 se puede formar de un material altamente conductor, tal como aleación de cobre o aluminio.
El devanado de bobina SC 34 se mantiene en vacío. El vacío se puede formar mediante el escudo 90 que se puede incluir en una capa cilíndrica de acero inoxidable que forma un recipiente de vacío alrededor de la bobina y del núcleo del rotor.
Las cajas partidas de bobina, las barras de tensión y los pernos (montaje de soporte de bobina) se puede montar con el devanado de bobina antes de que se monten el núcleo del rotor y las bobinas se monten con el manguito 5 y otros componentes del rotor. En consecuencia, el núcleo del rotor, el devanado de bobina y el sistema de soporte de bobina se puede montar como una unidad antes del montaje de los otros componentes del rotor y de la máquina síncrona.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un rotor para una máquina síncrona (10) que comprende:
    un núcleo de rotor (22);
    un devanado de bobina superconductora (34) que se extiende alrededor de al menos una parte del rotor, teniendo dicho devanado de bobina una sección lateral (40) adyacente a un lateral del núcleo del rotor; 5
    al menos una barra de tensión (42) que se extiende a través de un conducto (46) en dicho núcleo del rotor; y
    una caja (44) fijada a la barra de tensión y conectada a la sección lateral del devanado de bobina, en la que la caja comprende un par de paneles laterales (124).
  2. 2. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dichos paneles laterales (124) están sobre superficies opuestas de la sección lateral (40). 10
  3. 3. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que dicha caja (44) y barra de tensión (42) se refrigeran por conducción desde dicho devanado de bobina.
  4. 4. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que dicha caja comprende además una cuña (126) que une los paneles laterales y que hace tope en una superficie lateral del devanado de bobina.
  5. 5. Un rotor de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en el que la barra de tensión incluye un perno 15 (43) que tiene una superficie plana (86) que hace tope con la bobina, y que tiene un ancho acorde con la sección lateral.
  6. 6. Un procedimiento para el soporte de un devanado de bobina superconductora (34) en el núcleo del rotor (22) de una máquina síncrona (10) que comprende las etapas de:
    a. extender una barra de tensión (42) a través de un conducto (46) en dicho núcleo del rotor; 20
    b. situar el devanado de bobina alrededor del núcleo del rotor de forma que la barra de tensión se extienda entre las secciones laterales del devanado de bobina;
    c. montar un par de paneles laterales (124) de al menos una caja (44) alrededor de una sección lateral del devanado de bobina;
    d. asegurar juntos los paneles laterales, y 25
    e. fijar la caja al primer extremo de la barra de tensión.
  7. 7. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6 que comprende además la repetición de las etapas de montaje de un par de paneles laterales (124), asegurando juntos los paneles laterales y fijando la caja al primer extremo de la barra de tensión.
  8. 8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7 en el que la etapa de montaje del par de paneles 30 laterales se realiza por el montaje de una pluralidad de paneles laterales alrededor de un reborde de la cabeza (122) en un extremo de la barra de tensión.
  9. 9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7 en el que la etapa de montaje del par de paneles laterales se realiza por el montaje de una pluralidad de paneles laterales para formar un taladro estriado (134) y que encaja en un extremo estriado de la barra de tensión dentro del taladro. 35
  10. 10. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9 en el que las diversas barras de tensión lateral (42) se insertan dentro de una serie de conductos (46) en el núcleo del rotor y se fijan al devanado de bobina.
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