ES2968897T3 - Generador y turbina eólica - Google Patents

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Junwei Liu
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Abstract

Se proporcionan un motor eléctrico y un grupo generador eólico, que comprenden un circuito de refrigeración activo y un circuito de refrigeración pasivo aislados entre sí; el circuito de refrigeración activo está provisto de un dispositivo de refrigeración conectado con un espacio envolvente y que comprende cámaras situadas en dos extremos de un eje de motor, un entrehierro entre un estator y un rotor, y canales radiales; el circuito de refrigeración pasivo conecta el entorno externo y comprende un primer canal axial que atraviesa el estator, un segundo canal axial que atraviesa un soporte del estator y una superficie exterior del motor eléctrico; y un intercambiador de calor conecta los canales radiales y el segundo canal axial respectivamente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Generador y turbina eólica
La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente china n.°201811039192.1, titulada “GENERATOR AND WIND TURBINE”, presentada el 6 de septiembre de 2018.
Campo
La presente solicitud se refiere al campo técnico de la refrigeración, en particular a un generador y a una turbina eólica.
Antecedentes
Con el ajuste continuo del mercado de la energía eólica y las políticas nacionales, se desarrolla gradualmente una turbina eólica hacia una alta densidad de potencia. Entre muchos medios de refrigeración usados en la turbina eólica, unos medios de refrigeración por aire se han usado ampliamente en el campo de refrigeración de turbinas eólicas debido a sus ventajas de alta fiabilidad, fácil mantenimiento y libre de contaminación. Basándose en si un medio de refrigeración en un circuito de refrigeración requiere un dispositivo de accionamiento de potencia para mantener la circulación en el circuito de refrigeración, los medios de refrigeración por aire pueden dividirse en refrigeración pasiva (sin dispositivo de accionamiento de potencia) y refrigeración activa (con un dispositivo de accionamiento de potencia).
La refrigeración pasiva en los medios de refrigeración por aire puede simplificar la estructura de la turbina eólica. Sin embargo, tiene capacidad de refrigeración insuficiente para un espacio limitado. La refrigeración activa se está volviendo gradualmente dominante debido a su capacidad de refrigeración superior y gran libertad de diseño. Con el aumento continuo de la capacidad de una única unidad de la turbina eólica, aumentan la totalidad de la potencia, el volumen, el peso y los costes de un dispositivo de refrigeración activo, mientras tanto, la disposición, instalación y mantenimiento del mismo son más difíciles, y la fiabilidad del mismo es inferior. Por tanto, además de la ventaja de coste, la turbina eólica con alta densidad de potencia tiene con frecuencia una mayor pérdida y más autoconsumo de potencia para el dispositivo de refrigeración activo, haciendo de ese modo que sea difícil equilibrar la eficiencia de generación de potencia de todo el aparato.
El documento US 2010/237727 A1 describe una disposición a modo de ejemplo para refrigerar una máquina eléctrica que tiene un rotor externo que rota alrededor de su eje de rotación y un estator que tiene paquetes de láminas, ubicado dentro del rotor en el extremo de un entrehierro. En la disposición, una primera parte de un flujo de refrigerante se conduce desde ambos extremos del estator a través de canales de refrigeración axiales al interior del paquete de láminas de estator. Una segunda parte del flujo de refrigerante se conduce desde ambos extremos del estator al interior del entrehierro y desde el entrehierro a través de al menos un canal de refrigeración radial al interior del paquete de láminas de estator. Ambas partes del flujo de refrigerante pueden conducirse al interior de al menos un intercambiador de calor colocado radialmente dentro y a una distancia desde el paquete de láminas de estator. Al menos un ventilador está colocado radialmente dentro del intercambiador de calor para enviar la primera y la segunda parte del flujo de refrigerante a los extremos del estator.
El documento EP 1641 101 A1 da a conocer máquinas útiles para la propulsión de barcos y turbinas eólicas, que incluyen un generador de turbina eólica o un motor de propulsión de barco con dos entrehierros concéntricos. En una realización, la máquina incluye un rotor con un núcleo de rotor interior y un núcleo de rotor exterior; y un estator de doble lado con un lado de estator interior y un lado de estator exterior. El estator de doble lado está dispuesto concéntricamente entre el núcleo de rotor interior y el núcleo de rotor exterior.
El documento US 2006/001269 A1 se refiere a máquinas útiles para la propulsión de barcos y turbinas eólicas, que incluyen un generador o motor de doble lado con dos entrehierros concéntricos. En una realización, la máquina incluye un rotor de doble lado con un lado de rotor interior y un lado de rotor exterior; y un estator con un núcleo de estator interior y un núcleo de estator exterior, en la que el rotor de doble lado está dispuesto concéntricamente entre el núcleo de estator interior y el núcleo de estator exterior.
Sumario
Un objetivo de las realizaciones de la presente solicitud es proporcionar un generador y una turbina eólica, que puedan mejorar un efecto de refrigeración para el generador y mejorar la eficiencia de generación de potencia de todo el aparato.
Un generador proporcionado según las realizaciones de la presente solicitud incluye un circuito de refrigeración activo y un circuito de refrigeración pasivo que están aislados uno de otro. El circuito de refrigeración activo está en comunicación con un espacio cerrado, y el circuito de refrigeración pasivo está en comunicación con el entorno externo. El circuito de refrigeración activo incluye cámaras en comunicación mutua ubicadas en dos extremos axiales del generador, un entrehierro entre un rotor y un estator del generador, y canales radiales distribuidos a intervalos a lo largo de una dirección axial del estator. Un dispositivo de refrigeración que se comunica con el espacio cerrado está previsto en el circuito de refrigeración activo. El estator está fijado a un árbol fijo a través de una ménsula de estator. El circuito de refrigeración pasivo incluye un primer canal axial que discurre a través del estator a lo largo de la dirección axial, un segundo canal axial que discurre a través de la ménsula de estator, y una superficie exterior del generador. Un intercambiador de calor está dispuesto además en el generador, que está en comunicación con los canales radiales y el segundo canal axial, respectivamente.
Una turbina eólica proporcionada según las realizaciones de la presente solicitud incluye cualquier generadortal como se describió anteriormente. El generador tiene un lado de barlovento y un lado de sotavento a lo largo de la dirección axial del generador; un buje de rueda, ubicado en el lado de barlovento del generador y dispuesto coaxial con el generador. El buje de rueda acciona el generador para que rote mediante la rotación de un impulsor instalado en un lado periférico exterior del buje de rueda; y una góndola, ubicada en el lado de sotavento del generador.
Proporcionando el circuito de refrigeración activo y el circuito de refrigeración pasivo que están aislados uno de otro, el generador y la turbina eólica proporcionados por las realizaciones de la presente solicitud, en comparación con el generador únicamente con el circuito de refrigeración pasivo, compensan la insuficiente capacidad de refrigeración dentro de un espacio de disposición limitado debido a la existencia del circuito de refrigeración activo. En comparación con el generador únicamente con el circuito de refrigeración activo, parte de la pérdida de calor del generador se extrae por el circuito de refrigeración pasivo, lo cual alivia la carga del circuito de refrigeración activo y reduce la potencia y el autoconsumo de potencia del dispositivo de refrigeración en el circuito de refrigeración activo, reduciendo por tanto el volumen y el peso del dispositivo de refrigeración y mejorando la eficiencia de generación de potencia de todo el aparato.
Breve descripción de los dibujos
La presente solicitud puede entenderse mejor a partir de la siguiente descripción de las realizaciones específicas de la presente solicitud junto con los dibujos:
Otras características, objetos y ventajas de la presente solicitud resultarán más evidentes tras la lectura de la siguiente descripción detallada de las realizaciones no restrictivas con referencia a los dibujos, en los que números de referencia iguales o similares representan características iguales o similares.
La figura 1 es una vista en sección parcial de un generador según una realización de la presente solicitud;
la figura 2 es una vista esquemática que muestra la estructura parcial de un estator del generador mostrado en la figura 1;
la figura 3 es una vista esquemática que muestra la estructura parcial de un conjunto de núcleo de hierro en el estator mostrado en la figura 2;
la figura 4 es una vista estructural esquemática de un intercambiador de calor en el generador mostrado en la figura 1;
la figura 5 es una vista esquemática que muestra la estructura parcial de una ménsula de estator en el generador mostrado en la figura 1;
la figura 6 es una vista esquemática de una distribución de flujo de aire en las cámaras del circuito de refrigeración activo mostrado en la figura 1;
la figura 7 es una vista esquemática de la distribución de flujo de aire en los canales radiales del circuito de refrigeración activo mostrado en la figura 1;
la figura 8 es una vista esquemática de la distribución de flujo de aire en el circuito de refrigeración activo del generador mostrado en la figura 1;
la figura 9 es una vista estructural esquemática de un rotor del generador mostrado en la figura 1;
la figura 10 es una vista esquemática que muestra la estructura parcial del rotor del generador mostrado en la figura 1;
la figura 11 es una vista esquemática de la distribución de flujo de aire en el circuito de refrigeración pasivo del generador mostrado en la figura 1;
la figura 12 es una vista esquemática que muestra un principio de funcionamiento de un dispositivo de guiado de flujo y un dispositivo de aceleración del rotor mostrado en la figura 8; y
la figura 13 es una vista esquemática que muestra la estructura parcial de una turbina eólica según una realización de la presente solicitud.
Números de referencia en las figuras 1 a 13:
S - espacio cerrado; A - circuito de refrigeración activo; B - circuito de refrigeración pasivo; X - dirección axial; Y -dirección radial; Z - dirección circunferencial; R1 , R2 - ramificación; C1 - primer flujo de aire; C2 - segundo flujo de aire; C3 - tercer flujo de aire; C4 - cuarto flujo de aire; C5 - quinto flujo de aire; C6 - sexto flujo de aire; L1 - primer espacio anular; L2 - segundo espacio anular; C - flujo de aire entrante externo; C' - flujo de aire externo en la superficie exterior del generador; K - cuerda; P<1>, P<2>, P<3>- presión; AP<1 . 3>- primera diferencia de presión; AP<13 - 2>- segunda diferencia de presión;
10 - rotor; 10a - culata de rotor; 10b - imán permanente; 11a, 11b - cámara; 12 - entrehierro; 13 - canal radial; 14 -dispositivo de refrigeración; 15 - primer canal axial; 15a - canal axial de estator; 16 - elemento de filtro radial; 17 -elemento de filtro axial; 18 - ménsula de rotor; 18a - árbol de rotación; 18b - nervadura de soporte; 19 - segundo canal axial;
20 - estator; 21 - conjunto de núcleo de hierro; 22 - porción de culata; 22a - orificio pasante; 22b - nervadura; 22c -surco de montaje; 23 - porción de diente; 23a - surco de diente; 24 - carcasa; 25 -junta de estanqueidad; 26 - devanado; 27 - ménsula de estator; 27a - primera placa de extremo; 27b - segunda placa de extremo; 27c - árbol fijo; 1 - primera carcasa; 2 - segunda carcasa; 3 - tercera carcasa; 4 - cuarta carcasa; 5 - divisor; 6 - deflector; 28a - primera placa de división; 28b - segunda placa de división; 1a - entrada de aire; 1b - entrada de aire; 1c - salida de aire; 29 - tercera placa de división; 29a - primera cámara; 29b - segunda cámara;
30 - dispositivo de guiado de flujo; 30a - generatriz exterior de dispositivo de guiado de flujo; 30b - generatriz interior de dispositivo de guiado de flujo; 40 - dispositivo de aceleración; 40a - generatriz exterior de dispositivo de aceleración; 40b - generatriz interior de dispositivo de aceleración; 50 - intercambiador de calor; 51 - elemento de placa; 52 - placa de cubierta; 51a-primer canal; 51b-segundo canal; 100-generador; 110-lado de barlovento; 120-lado de sotavento; 200 - buje de rueda; 300 - góndola.
Descripción detallada de realizaciones
Las características y realizaciones a modo de ejemplo de diversos aspectos de la presente solicitud se describen en detalle a continuación. En la siguiente descripción detallada, se proporcionan varios detalles específicos con el fin de proporcionar una completa comprensión para la presente solicitud. Sin embargo, resulta evidente para los expertos en la técnica que la presente solicitud puede implementarse sin algunos de estos detalles específicos. Sólo se pretende que la siguiente descripción de las realizaciones proporcione una mejor comprensión para la presente solicitud ilustrando realizaciones de la presente solicitud. En los dibujos y la siguiente descripción, las estructuras y técnicas bien conocidas no se muestran con el fin de evitar complicar innecesariamente la presente solicitud.
Las realizaciones a modo de ejemplo se describen ahora más completamente con referencia a los dibujos. Sin embargo, las realizaciones a modo de ejemplo pueden implementarse en diversas formas y no deben interpretarse como limitadas a las realizaciones descritas en el presente documento. Por el contrario, la presente solicitud es más exhaustiva y completa, y la idea de las realizaciones a modo de ejemplo se transmite completamente a los expertos en la técnica, proporcionando estas realizaciones. En los dibujos, los grosores de las zonas y las capas pueden estar exagerados por claridad. Los mismos números de referencia en los dibujos representan estructuras iguales o similares, de modo que se omiten descripciones detalladas de las mismas.
Haciendo referencia a la figura 1, se proporciona un generador 100 según una realización de la presente solicitud. El generador 100 incluye un circuito de refrigeración activo A y un circuito de refrigeración pasivo B que están aislados uno de otro. El circuito de refrigeración activo A está en comunicación con un espacio cerrado S y el circuito de refrigeración pasivo B está en comunicación con el entorno externo.
El circuito de refrigeración activo A, tal como se muestra mediante flechas continuas en la figura 1, incluye cámaras en comunicación mutua 11a, 11b ubicadas en dos extremos axiales del generador 100, un entrehierro 12 entre un rotor 10 y un estator 20 del generador, y canales radiales 13 distribuidos a intervalos a lo largo de una dirección axial X del estator 20. Un dispositivo de refrigeración 14 que se comunica con el espacio cerrado S está dispuesto en el circuito de refrigeración activo A. El estator 20 está fijado a un árbol fijo 27c a través de una ménsula de estator 27.
El circuito de refrigeración pasivo B, tal como se muestra mediante flechas discontinuas en la figura 1, incluye un primer canal axial 15 que discurre a través del estator 20 en la dirección axial X, un segundo canal axial 19 que discurre a través de la ménsula de estator 27, y una superficie exterior del generador.
Un intercambiador de calor 50 está dispuesto además dentro del generador 100, que está en comunicación con los canales radiales 13 y el segundo canal axial 19, respectivamente.
El generador 100 en las realizaciones de la presente solicitud puede tener una estructura de estator interno, es decir, el rotor 10 está dispuesto a lo largo de la periferia del estator 20. El generador 100 puede tener una estructura de estator externo, es decir, el estator 20 está dispuesto a lo largo de la periferia del rotor 10. El estator 20 está fijado al árbol fijo 27c a través de la ménsula de estator 27 y el rotor 10 está fijado a un árbol de rotación 18a a través de una ménsula de rotor 18. El árbol de rotación 18a y el árbol fijo 27c están soportados por cojinetes para lograr una rotación relativa. Una conexión de sello dinámico está formada entre la ménsula de estator 27 y el rotor 10, que forma además cámaras 11a y 11b en dos extremos axiales del generador 100. Un modo de accionamiento del generador 100 puede ser un accionamiento directo, o accionamiento semidirecto, o generador de alimentación doble o similar, lo cual no se describe adicionalmente.
Las realizaciones de la presente solicitud construyen un circuito de refrigeración activo A y un circuito de refrigeración pasivo B que están aislados uno de otro en cuanto a la estructura construyendo la estructura de cuerpo del generador 100. El circuito de refrigeración activo A está aislado del entorno externo, lo cual puede evitar que impurezas en el entorno externo se introduzcan activamente en el interior del generador 100. El medio de refrigeración es el aire que circula en el espacio cerrado S, y el medio de refrigeración realiza una circulación a través del dispositivo de refrigeración 14 en el circuito. La pérdida de calor absorbida por el circuito de refrigeración activo A se transfiere al segundo canal axial 19 a través del intercambiador de calor 50 después de fluir hacia fuera de los canales radiales 13, y el circuito de refrigeración activo finalmente intercambia calor con el entorno externo. Este circuito de refrigeración es activo para la refrigeración del generador 100. El circuito de refrigeración pasivo B está en comunicación con el entorno externo y permite introducir el aire en el entorno externo al interior del circuito de refrigeración mediante una construcción ingeniosa del rotor 10 del generador 100 y el flujo natural del aire en el entorno externo, que es pasivo para la refrigeración del generador. Los medios de refrigeración en el circuito de refrigeración activo A y el circuito de refrigeración pasivo B que están aislados uno de otro en cuanto a la estructura refrigeran el generador 100 al mismo tiempo y la transferencia de calor entre los dos circuitos de refrigeración se realiza a través del intercambiador de calor 50.
Proporcionando el circuito de refrigeración activo A y el circuito de refrigeración pasivo B que están aislados uno de otro en cuanto a la estructura, el generador 100 proporcionado por las realizaciones de la presente solicitud, en comparación con el generador únicamente con el circuito de refrigeración pasivo, compensa la insuficiente capacidad de refrigeración para un espacio de disposición limitado debido a la existencia del circuito de refrigeración activo. En comparación con el generador únicamente con el circuito de refrigeración activo, parte de la pérdida de calor del generador se extrae por el circuito de refrigeración pasivo, lo cual alivia la carga del circuito de refrigeración activo y reduce la potencia y el autoconsumo de potencia del dispositivo de refrigeración 14 en el circuito de refrigeración activo A, reduciendo por tanto el volumen y el peso del dispositivo de refrigeración 14 y mejorando la eficiencia de generación de potencia de todo el aparato. Además, dado que el circuito de refrigeración activo A está aislado del entorno externo, se evita que las impurezas en el entorno externo se introduzcan activamente en el interior del generador 100, mejorando de ese modo la fiabilidad del generador 100.
La estructura específica del generador 100 se describe adicionalmente en detalle a continuación junto con los dibujos.
Haciendo referencia a las figuras 2 y 3, el estator 20 del generador 100 incluye múltiples conjuntos de núcleo de hierro 21 dispuestos a intervalos a lo largo de la dirección axial X. Cada uno de los conjuntos de núcleo de hierro está formado apilando múltiples láminas de núcleo de hierro a lo largo de la dirección axial X, y el canal radial 13 está formado entre cada dos conjuntos de núcleo de hierro adyacentes 21.
El primer canal axial 15 incluye canales axiales de estator 15a que discurren a través de los múltiples conjuntos de núcleo de hierro 21 a lo largo de la dirección axial X. Cada uno de los conjuntos de núcleo de hierro 21 incluye una porción de culata 22 y una porción de diente 23 formada de manera solidaria con la porción de culata 22, la porción de diente 23 está dotada de múltiples surcos de diente 23a dispuestos a intervalos en la dirección circunferencial Z del conjunto de núcleo de hierro 21, y la porción de culata 22 está dotada de un orificio pasante 22a correspondiente a los surcos de diente 23a. Carcasas 24 que se comunican con el orificio pasante 22a están dispuestas entre conjuntos de núcleo de hierro adyacentes 21. El orificio pasante 22a y las carcasas 24 forman juntos los canales axiales de estator 15a.
Además, los múltiples surcos de diente 23a de los múltiples conjuntos de núcleo de hierro 21 están dispuestos en una correspondencia de uno a uno y se extienden a lo largo de la dirección axial X. Cada de los surcos de diente 23a está dotado de una junta de estanqueidad 25, y un devanado 26 está dispuesto en el espacio rodeado por la junta de estanqueidad 25 y el surco de diente 23a. La porción de culata 22 está dotada además de al menos un surco de montaje 22c para fijar el estator 20 a la ménsula de estator 27. Los surcos de diente 23a están dispuestos de manera correspondiente a los orificios pasantes 22a, lo cual resulta beneficioso para reducir la resistencia al flujo de aire en los canales radiales 13, acorta relativamente los trayectos de transferencia de calor entre los devanados 26 y los orificios pasantes 22a, y mejora la eficiencia de transferencia de calor de los devanados 26.
El número de orificios pasantes 22a es de al menos uno, dos o más orificios pasantes 22a están dispuestos a intervalos en la dirección circunferencial Z del conjunto de núcleo de hierro 21, y el orificio pasante 22a puede ser un orificio cuadrado o un orificio redondo o un orificio poligonal.
Al mismo tiempo, el número de carcasas 24 es de al menos una, que está dispuesta en una correspondencia de uno a uno con respecto al orificio pasante 22a. La carcasa 24 permite que los múltiples orificios pasantes 22a de la porción de culata 22 del conjunto de núcleo de hierro 21 constituyan un canal axial de estator comunicante 15a, y también desempeña papeles de soporte y limitación de la posición para los múltiples conjuntos de núcleo de hierro 21. Tal como se muestra en la figura 2, la carcasa 24 puede ser un tubo cuadrado o un tubo circular o un tubo poligonal.
Como realización opcional, una nervadura 22b está dispuesta en el al menos un orificio pasante 22a, lo cual es beneficioso para aumentar el área de disipación de calor de los canales axiales de estator 15a, potenciando de ese modo el efecto de refrigeración, tal como se muestra en la figura 3.
Además, una sección axial del orificio pasante 22a que constituye el canal axial de estator 15a mostrado en la figura 3 está completamente construida en la porción de culata 22 del conjunto de núcleo de hierro 21.
Como realización opcional, cada uno de los conjuntos de núcleo de hierro 21 incluye una porción de unión (no mostrada en la figura) dispuesta a lo largo de la dirección radial Y y cerca de la porción de culata 22, y el orificio pasante 22a puede estar previsto en la porción de unión. En este caso, la sección axial del orificio pasante 22a puede estar construida completamente fuera de la porción de culata 22 del conjunto de núcleo de hierro 21 a través de la porción de unión.
Como realización opcional, el orificio pasante 22a incluye dos porciones distribuidas a lo largo de la dirección radial Y, una parte de las cuales está dispuesta en la porción de culata 22 y la otra parte está dispuesta en la porción de unión. En este caso, una parte de la sección axial del orificio pasante 22a puede estar construida en la porción de culata 22 del conjunto de núcleo de hierro 21, y la otra parte está construida fuera de la porción de culata 22 del conjunto de núcleo de hierro 21 a través de la porción de unión.
Debe observarse que, para una estructura de estator interno, el orificio pasante 22a en la porción de culata 22 está ubicado en un interior radial del surco de diente 23a, y para una estructura de estator exterior, el orificio pasante 22a en la porción de culata 22 está ubicado en un exterior radial del surco de diente 23a. Además, el estator 20 mostrado en la figura 2 adopta una estructura de devanado de doble capa que está formada de una manera distribuida, pero la estructura de devanado aplicable a la presente solicitud también puede ser, pero no se limita a, otras estructuras de devanado tales como devanados centralizados, devanados dispersos y devanados de una única capa.
Tomando el generador que tiene la estructura de estator interno como ejemplo, a continuación en el presente documento se describen las estructuras del circuito de refrigeración activo A y el circuito de refrigeración pasivo B del generador y el procedimiento de refrigeración del generador.
Haciendo referencia a la figura 4, el intercambiador de calor 50 incluye múltiples elementos de placa 51 dispuestos a intervalos. Múltiples capas de primeros canales 51a y segundos canales 51b aislados unos de otros están formadas entre los múltiples elementos de placa 51, y el primer canal 51a y el segundo canal 51b están dispuestos de manera escalonada. El intercambiador de calor 50 se comunica con los canales radiales 13 a través de los primeros canales 51a, y el intercambiador de calor 50 se comunica con el segundo canal axial 19 a través de los segundos canales 51b.
El intercambiador de calor 50 es preferiblemente un intercambiador de calor de placas, que está formado apilando una serie de láminas de metal con una determinada forma corrugada. Flujos de aire en los primeros canales 51a y los segundos canales 51b fluyen a lo largo de la dirección radial Y y la dirección axial X, respectivamente, tal como se muestra mediante flechas en la figura 4, e intercambian calor a través de las láminas de metal entre los elementos de placa 51.
Haciendo referencia a la figura 5, la ménsula de estator 27 incluye una primera placa de extremo 27a y una segunda placa de extremo 27b dispuestas opuestas entre sí a lo largo de la dirección axial X, y una primera placa de división 28a y una segunda placa de división 28b ubicadas entre la primera placa de extremo 27a y la segunda placa de extremo 27b y dispuestas coaxialmente.
Una primera carcasa 1 y una tercera carcasa 3 que discurren a través de la primera placa de extremo 27a están dispuestas a intervalos en la primera placa de extremo 27a en la dirección radial Y, una segunda carcasa 2 y una cuarta carcasa 4 que discurren a través de la segunda placa de extremo 27b están dispuestas a intervalos en la segunda placa de extremo 27b en la dirección radial Y, la tercera carcasa 3 está ubicada entre la primera placa de extremo 27a y la primera placa de división 28a, y la cuarta carcasa 4 está ubicada entre la segunda placa de división 28b y la segunda placa de extremo 27b.
El primer canal axial 15 incluye además la primera carcasa 1 y la segunda carcasa 2 que se comunican con los canales axiales de estator 15a, y el segundo canal axial 19 incluye además la tercera carcasa 3 y la cuarta carcasa 4 que se comunican con el intercambiador de calor 50.
Preferiblemente, las paredes interiores de la primera carcasa 1, la segunda carcasa 2 y la carcasa 24 tienen el mismo tamaño y forma en sección axial que los del orificio pasante 22a, y las paredes interiores de la tercera carcasa 3 y la cuarta carcasa 4 tienen el mismo tamaño y forma en sección axial que los del intercambiador de calor 50. El circuito de refrigeración pasivo B está aislado del circuito de refrigeración activo A a través de la primera carcasa 1, la carcasa 24, la segunda carcasa 2, la tercera carcasa 3, el intercambiador de calor 50 y la cuarta carcasa 4.
Además, la primera placa de división 28a y la segunda placa de división 28b están en una conexión sellada con la porción de culata 22 y fijadas al árbol fijo 27c, la primera placa de extremo 27a y la primera placa de división 28a están en una conexión sellada a lo largo de la dirección radial Y dentro del generador 100, y un elemento de filtro radial 16 está dispuesto entre la segunda placa de extremo 27b y la segunda placa de división 28b
La primera placa de división 28a está dotada de una entrada de aire 1a, y la segunda placa de división 28b está dotada de una entrada de aire 1b y una salida de aire 1. Un espacio entre la primera placa de división 28a y la segunda placa de división 28b está dividido para dar una primera cámara 29a y una segunda cámara 29b mediante una tercera placa de división 29. Las entradas de aire 1a, 1b están en comunicación con la primera cámara 29a, y la salida de aire 1c está en comunicación con la segunda cámara 29b. El intercambiador de calor 50 está dispuesto en la segunda cámara 29b, y el dispositivo de refrigeración 14 está dispuesto fuera de la salida de aire 1c. Un elemento de filtro axial 17 está previsto en la entrada de aire 1b de la segunda placa de división 28b.
Haciendo referencia a la figura 6, dado que las situaciones de flujo de los flujos de aire en las cámaras de extremo 11a y 11b del generador 100 son relativamente similares, el flujo de flujo de aire en ambas cámaras puede describirse mediante la figura 6. Tomando la cámara 11a como ejemplo, el flujo de aire que entra en la cámara 11a evita en primer lugar la tercera carcasa 3 a través de huecos entre la tercera carcasa 3, y después evita la primera carcasa 1 a través de huecos entre la primera carcasa 1, y después evita las porciones de extremo de los devanados de extremo 26 a través de huecos entre las porciones de extremo de los devanados 26. Finalmente, el flujo de aire en la cámara 11a fluye al interior del entrehierro 12 desde entradas de extremo del entrehierro 12. El flujo de aire en la cámara 11a refrigera las porciones de extremo de los devanados 26 a medida que fluye a través de las porciones de extremo de los devanados 26, tal como se muestra mediante flechas continuas en la figura 6.
Haciendo referencia a la figura 7, el flujo de aire en los canales radiales 13 es desde la división del entrehierro 12, y el flujo de aire dividido fluye en primer lugar a través de los surcos de diente 23a de los canales radiales 13 formados por los huecos entre porciones de los devanados 26 dentro de los surcos, y después entra en las porciones de culata 22 de los canales radiales 13, y finalmente fluye fuera de los canales radiales 13 a través de huecos entre las carcasas 24 ubicadas dentro de los canales radiales 13.
Además, se proporcionan múltiples intercambiadores de calor 50 y están dispuestos a intervalos a lo largo de una dirección circunferencial de la segunda cámara 29b. Una placa de cubierta 52 está dispuesta entre intercambiadores de calor adyacentes 50, la segunda cámara 29b está dividida para dar dos espacios secundarios a lo largo de la dirección radial Y por la placa de cubierta 52, y los dos espacios secundarios están en comunicación entre sí a través de un intercambiador de calor 50 correspondiente.
El flujo de aire que fluye fuera de los canales radiales 13 converge mediante la placa de cubierta 52, fluye a través de los primeros canales 51a y los segundos canales 51b del intercambiador de calor 50 e intercambia calor con el aire externo en el segundo canal axial 19 en el circuito de refrigeración pasivo B, reduciendo de ese modo una temperatura de fluido en el circuito de refrigeración activo A. El flujo de aire refrigera las porciones de extremo de los devanados 26 y los conjuntos de núcleo de hierro 21 a medida que fluye a través de las porciones de extremo de los devanados 26 y los conjuntos de núcleo de hierro 21, tal como se muestra mediante las flechas continuas en la figura 7.
Haciendo referencia a la figura 8, se muestra un diagrama esquemático de la distribución de flujo de aire del circuito de refrigeración activo A del generador 100. El aire en el espacio cerrado S se divide en dos ramificaciones R1, R2 bajo el impulso del dispositivo de refrigeración 14, y entra en las cámaras 11a, 11b en dos extremos axiales del generador 100, respectivamente.
El aire en la ramificación R1 entra en la primera cámara 29a a través del elemento de filtro axial 17 y después evita la tercera carcasa 3 y la primera carcasa 1 para entrar en la cámara 11a en un extremo. El aire en la ramificación R2 entra en la cámara 11b en el otro extremo a través del elemento de filtro radial 16 y evita la cuarta carcasa 4 y la segunda carcasa 2. El aire en las dos ramificaciones R1, R2 que entra en las cámaras 11a, 11b fluye a través de los devanados 26, el rotor 10, los conjuntos de núcleo de hierro 21 en la secuencia indicada y evita las carcasas 24 a lo largo del circuito de refrigeración activo A, después fluye a través del intercambiador de calor 50 al interior de la segunda cámara 29b, y el aire se descarga al interior del espacio cerrado S a través del dispositivo de refrigeración 14 después de refrigerarse mediante aire de refrigeración que entra en el segundo canal axial 19, tal como se muestra mediante las flechas continuas en la figura 8.
Durante la circulación del flujo de aire en el circuito de refrigeración activo A, el dispositivo de refrigeración 14 provoca que espacios internos del generador 100 estén en un estado de presión negativa, el flujo de aire en los espacios internos del generador 100 se descarga al interior del espacio cerrado S mediante el dispositivo de refrigeración 14, mientras que el estado de presión negativa en los espacios internos del generador 100 provoca que el flujo de aire descargado al interior del espacio cerrado S mediante el dispositivo de refrigeración 14 fluya de nuevo a través del elemento de filtro radial 16 y el elemento de filtro axial 17 y al interior de los espacios internos del generador 100. Después de absorber parte de una pérdida de calor de estator y parte de una pérdida de calor de rotor, el flujo de aire fluye al interior de los primeros canales 51a del intercambiador de calor 50, y transfiere la pérdida de calor absorbida por el intercambiador de calor 50 al aire externo que fluye en los segundos canales 51b del intercambiador de calor 50 en el circuito de refrigeración pasivo B, refrigerando de ese modo el flujo de aire en el circuito de refrigeración activo A, de modo que el flujo de aire en el circuito de refrigeración activo A puede entrar de nuevo en las cámaras internas del generador 100 y refrigerar el estator 20 y el rotor 10.
Durante el flujo del flujo de aire en el circuito activo A desde entrar en las cámaras 11a y 11b hasta fluir fuera de los canales radiales 13, se refrigeran las porciones de extremo de los devanados 26, las porciones de los devanados 26 dentro de los surcos, los conjuntos de núcleo de hierro 21 y el rotor 10, respectivamente. El circuito de refrigeración activo A extrae la pérdida de calor restante del estator excepto por parte de la pérdida de calor del estator extraída por el circuito de refrigeración pasivo B, y el circuito de refrigeración activo A también extrae la pérdida de calor restante del rotor excepto por parte de la pérdida de calor del rotor extraída por el circuito de refrigeración pasivo B.
Haciendo referencia a las figuras 5, 9 y 10, el rotor 10 está fijado al árbol de rotación 18a a través de la ménsula de rotor 18, y el rotor 10 incluye una culata de rotor 10a e imanes permanentes 10b montados en la culata de rotor 10a. Múltiples nervaduras de soporte 18b están dispuestas a intervalos entre la ménsula de rotor 18 y la culata de rotor 10a a lo largo de la dirección circunferencial Y, y huecos anulares están formados entre las múltiples nervaduras de soporte 18b, de modo que el aire entrante externo fluye desde un lado de la primera placa de extremo 27a hasta un lado de la segunda placa de extremo 27b a través de los huecos anulares. Las nervaduras de soporte 18b se usan para conectar la ménsula de rotor 18 y la culata de rotor 10a, de modo que la ménsula de rotor 18 y la culata de rotor 10a pueden rotar simultáneamente con el árbol de rotación 18a.
El circuito de refrigeración pasivo B tiene un lado de barlovento y un lado de sotavento a lo largo de la dirección axial X, un lado en el que está ubicada la primera placa de extremo 27a es el lado de barlovento, y un lado en el que está ubicada la segunda placa de extremo 27b es el lado de sotavento.
La culata de rotor 10a está dotada de un dispositivo de guiado de flujo 30 ubicado en el mismo lado que la primera placa de extremo 27a a lo largo de la dirección axial X, y el aire entrante externo se desvía y se divide por el dispositivo de guiado de flujo 30. El dispositivo de guiado de flujo 30 tiene una estructura anular de pared delgada, y la estructura se adapta a una línea de flujo aerodinámica. Específicamente, el dispositivo de guiado de flujo 30 es un cuerpo rotatorio de pared delgada con un interior hueco para reducir el peso. Una sección del dispositivo de guiado de flujo 30 a lo largo de su propia dirección radial Y incluye una generatriz exterior 30a y una generatriz interior 30b que se intersecan entre sí. Un radio de círculo de latitud de la generatriz exterior 30a disminuye gradualmente a lo largo de la dirección axial X alejándose de la culata de rotor 10a, y un radio de círculo de latitud de la generatriz interior 30b aumenta gradualmente a lo largo de la dirección axial X alejándose de la culata de rotor 10a. Al menos una de la generatriz exterior 30a y la generatriz interior 30b puede ser una curva de arco o una línea recta. Preferiblemente, un diámetro exterior de la generatriz exterior 30a en un lado cerca de la culata de rotor 10a es igual a un diámetro exterior del generador 100, de modo que el aire externo fluye suavemente a través de la superficie exterior del generador 100. La generatriz exterior 30a y la generatriz interior 30b pueden estar dispuestas de manera simétrica o asimétrica, dependiendo de la situación real del flujo de aire entrante externo.
Además, la culata de rotor 10a está dotada de un dispositivo de aceleración 40 ubicado en el mismo lado que la segunda placa de extremo 27b a lo largo de la dirección axial X. El dispositivo de aceleración 40 es un cuerpo rotatorio de pared delgada con un interior hueco para reducir el peso. Una sección del dispositivo de aceleración 40 a lo largo de su propia dirección radial Y incluye una generatriz exterior 40a y una generatriz interior 40b que se intersecan entre sí, radios de círculos de latitud de la generatriz exterior 40a y la generatriz interior 40b aumentan gradualmente a lo largo de la dirección axial X alejándose de la culata de rotor 10a. Al menos una de la generatriz exterior 40a y la generatriz interior 40b puede ser una curva de arco o una línea recta. Preferiblemente, un diámetro exterior de la generatriz exterior 40a en un lado cerca de la culata de rotor 10a es igual al diámetro exterior del generador 100, de modo que el flujo de aire entrante externo fluye suavemente a través de la superficie exterior del generador 100.
Como realización opcional, la primera placa de extremo 27a está dotada además de un divisor 5 ubicado entre la primera carcasa 1 y la tercera carcasa 3. El divisor 5 es un cuerpo rotatorio de pared delgada con un interior hueco para reducir el peso. Preferiblemente, un círculo de latitud diámetro del divisor tiene un valor fijo para facilitar la división del flujo de aire cuando el flujo de aire pasa a través del divisor 5 y facilitar que el flujo de aire fluya a través de superficies interiores y exteriores del divisor 5, tal como se muestra en la figura 5.
Como realización opcional, la segunda placa de extremo 27b está dotada además de un deflector 6 ubicado entre la segunda carcasa 2 y la cuarta carcasa 4. El deflector 6 es un cuerpo rotatorio de pared delgada con un interior hueco para reducir el peso, y un radio de círculo de latitud de una generatriz del deflector aumenta gradualmente a lo largo de la dirección axial alejándose la culata de rotor, para facilitar que el flujo de aire fluya suavemente a través de superficies interiores y exteriores del deflector 6, tal como se muestra en la figura 5.
A continuación en el presente documento se toma como ejemplo una realización del generador 100 que tiene el dispositivo de guiado de flujo 30, el divisor 5, el dispositivo de aceleración 40 y el deflector 6 para ilustrar un procedimiento de refrigeración del circuito de refrigeración pasivo B que refrigera el generador 100.
Haciendo referencia a las figuras 11 y 12, un flujo de aire entrante externo C se divide en un primer flujo de aire C1 y un segundo flujo de aire C2 cuando pasa a través del dispositivo de guiado de flujo 30, y el primer flujo de aire C1 se divide de nuevo en un cuarto flujo de aire C4 y un quinto flujo de aire C5 cuando pasa a través del divisor 5.
El cuarto flujo de aire C4 entra en el primer canal axial 15 a través de los huecos anulares, y entra en un primer espacio anular L1 formado por el dispositivo de aceleración 40 y el deflector 6 después de fluir a través del estator 20. El quinto flujo de aire C5 entra en el segundo canal axial 19 a través de los huecos anulares, y entra en un segundo espacio anular L2 formado por el espacio cerrado S y el deflector 6 después de fluir a través del intercambiador de calor 50.
El segundo flujo de aire C2 converge con un flujo de aire externo C' en la superficie exterior del generador 100 para formar un tercer flujo de aire C3, y el tercer flujo de aire evita el dispositivo de aceleración 40 después de adherirse a la superficie exterior de la culata de rotor 10a a lo largo de la dirección axial X.
El quinto flujo de aire C5 y el cuarto flujo de aire C4 generan una primera diferencia de presión AP<1-3>en un lado interior y un lado exterior del deflector 6, el cuarto flujo de aire C4 y el tercer flujo de aire C3 generan una segunda diferencia de presión AP<13-2>en un lado interior y un lado exterior del dispositivo de aceleración 40 para impulsar el primer flujo de aire C1 y el segundo flujo de aire C2 para que sigan fluyendo, respectivamente, tal como se muestra mediante las flechas discontinuas en la figura 11.
Tal como se muestra en la figura 12, durante el procedimiento de refrigeración del circuito de refrigeración pasivo B que refrigera el generador 100, el principio de funcionamiento del dispositivo de guiado de flujo 30 y el divisor 5 se describe de la siguiente manera. Un aire entrante aguas arriba en el lado de barlovento del generador 100 puede dividirse esquemáticamente en dos partes, es decir, un aire entrante ubicado dentro de una cuerda K del dispositivo de guiado de flujo 30 y un aire entrante ubicado fuera de la cuerda K. Una presión estática del flujo de aire entrante aguas arriba en el lado de barlovento es una presión atmosférica P0. Cuando el aire entrante aguas arriba C en el lado de barlovento fluye al lado interior de la cuerda K del dispositivo de guiado de flujo 30, se cambia una dirección de flujo del aire entrante para formar un flujo de aire. Cuando el flujo de aire sigue fluyendo aguas abajo y cerca del dispositivo de guiado de flujo 30, el flujo de aire se divide en el primer flujo de aire C1 y el segundo flujo de aire C2. El primer flujo de aire C1 fluye hacia el lado interior de la cuerda K, y el segundo flujo de aire C2 fluye hacia el lado exterior de la cuerda K. Después de fluir a través del dispositivo de guiado de flujo 30, el primer flujo de aire dividido C1 se divide de nuevo por el divisor 5 en la ménsula de estator 27 para formar el cuarto flujo C4 y el quinto flujo C5, y el cuarto flujo y el quinto flujo entran en el primer canal axial 15 y el segundo canal axial 19, respectivamente. Mientras tanto, el segundo flujo de aire C2 derivado por el dispositivo de guiado de flujo 30 converge con el aire entrante C' fuera de la cuerda K para formar el tercer flujo de aire C3 y fluye a lo largo de la dirección axial X de la superficie exterior de la culata de rotor 10a.
Una función del dispositivo de guiado de flujo 30 en el procedimiento de dividir el aire entrante externo C es de la siguiente manera. Una estructura de arco en el lado interior de la cuerda K del dispositivo de guiado de flujo 30 puede capturar más aire entrante externo C, de modo que puede derivarse más aire entrante externo C al lado interior de la cuerda K, de modo que el estator 20 con más pérdida de calor concentrada obtiene un gran volumen de aire de refrigeración. Una estructura de arco en el lado exterior de la cuerda K puede aliviar un fenómeno de separación de flujo, provocado por un cambio repentino de una sección de flujo, del segundo flujo de aire C2 derivado por el aire entrante externo C al lado exterior de la cuerda K, de modo que el tercer flujo de aire C3 formado mediante la convergencia del segundo flujo de aire C2 y el flujo de aire externo C' en el lado exterior de la cuerda K se adhiere mejor a la superficie exterior de la culata de rotor 10a, proporcionando de ese modo al rotor 10 un mejor efecto de refrigeración.
Una función del divisor 5 es realizar una distribución de flujo 30 para el primer flujo de aire C1 derivado por el dispositivo de guiado de flujo 30, y un ángulo de instalación del divisor 5 puede ajustarse según requisitos reales. Cuando un extremo del divisor 5 alejado de la primera placa de extremo 27a se inclina hacia dentro, el primer flujo de aire C1 derivado por el dispositivo de guiado de flujo 30 se captura más para formar el cuarto flujo de aire C4, y cuando el extremo del divisor 5 alejado de la primera placa de extremo 27a se inclina hacia fuera, se captura más el primer flujo de aire C1 derivado por el dispositivo de guiado de flujo 30 para formar el quinto flujo de aire C5.
Además, durante el procedimiento de refrigeración del circuito de refrigeración pasivo B que refrigera el generador 100, los principios de funcionamiento del dispositivo de aceleración 40 y el deflector 6 son de la siguiente manera. El cuarto flujo de aire C4 que fluye fuera del primer canal axial 15 sigue fluyendo aguas abajo en el espacio anular L1 formado por un lado interior del dispositivo de aceleración 40 montado en el lado de sotavento de la culata de rotor 10a y el deflector 6 montado en la ménsula de estator 27. El quinto flujo de aire C5 que fluye fuera del segundo canal axial 19 sigue fluyendo aguas abajo en el espacio anular L2 formado por el deflector 6 y el espacio cerrado S. El tercer flujo de aire C3 que fluye a través de la superficie exterior de la culata de rotor 10a sigue fluyendo aguas abajo en un lado exterior del dispositivo de aceleración 40.
Durante un procedimiento de flujo del cuarto flujo de aire C4 en el espacio anular L1, la presión estática del cuarto flujo de aire C4 cambia gradualmente a la presión P<i>debido a un cambio gradual de la sección de flujo. Durante un procedimiento de flujo del quinto flujo de aire C5 en el espacio anular L2, la presión estática del quinto flujo de aire C5 cambia gradualmente a la presión P<3>debido al cambio gradual de la sección de flujo. Durante un procedimiento de flujo del tercer flujo de aire C3 en el lado exterior del dispositivo de aceleración 40, la sección de flujo disminuye gradualmente, y la presión estática del tercer flujo de aire C3 disminuye gradualmente hasta la presión P<2>. Dado que el dispositivo de aceleración 40 muestra una estructura que se expande gradualmente hasta aguas abajo del lado de sotavento, la presión estática P<2>del tercer flujo de aire C3 cuando el tercer flujo de aire fluye fuera de una porción de extremo aguas abajo del dispositivo de aceleración 40 en el lado de sotavento es menor que la presión estática promedio P<13>del cuarto flujo de aire C4 y el quinto flujo de aire C5 en las salidas del espacio L1 y el espacio L2 formados por el dispositivo de aceleración 40 y el espacio cerrado S. Por tanto, se forma una segunda diferencia de presión AP<13-2>=P<13>-P<2>que apunta desde el lado interior hasta el exterior del dispositivo de aceleración 40 entre los flujos de aire que fluyen en el lado interior y el lado exterior del dispositivo de aceleración 40. La segunda diferencia de presión AP<13-2>potencia una fuerza impulsora durante todos los procedimientos de flujo del cuarto flujo de aire C4 y el quinto flujo de aire C5, de modo que se deriva más aire entrante externo C hasta el lado interior de la cuerda K del dispositivo de guiado de flujo 30, mejorando de ese modo adicionalmente la capacidad de refrigeración de la ramificación en el circuito de refrigeración pasivo B para refrigerar el estator 20 y el flujo de aire en el circuito de refrigeración activo A.
Una función del deflector 6 durante los procedimientos de flujo del cuarto flujo de aire C4 y el quinto flujo de aire C5 es la misma que la del divisor 5. La forma y una longitud que se extiende aguas abajo en el lado de sotavento del deflector 6 puede diseñarse según necesidades específicas, de modo que hay una determinada primera diferencia de presión AP<1-3>=P<1>-P<3>entre el cuarto flujo de aire C4 en la salida del espacio anular L1 y el quinto flujo de aire C5 en la salida del espacio anular L2. En un caso en el que la primera diferencia de presión AP<1-3>apunta desde el lado interior hasta el lado exterior del deflector 6, la primera diferencia de presión AP<1-3>aumenta la fuerza impulsora del quinto flujo de aire C5, de modo que se deriva más primer flujo de aire C1 al interior el segundo canal axial 19. En un caso en el que la diferencia de presión apunta desde el lado exterior hasta el lado interior del deflector 6, la primera diferencia de presión AP<1-3>aumenta la fuerza impulsora del cuarto flujo de aire C4, de modo que se deriva más primer flujo de aire C1 al interior del primer canal axial 15.
Debido a la función del dispositivo de aceleración 40, una porción del flujo de aire en el que convergen el cuarto flujo C4 y el quinto flujo C5 sigue fluyendo aguas abajo para formar un sexto flujo de aire C6, la otra porción se desvía hacia el lado exterior del dispositivo de aceleración 40 y converge con el tercer flujo de aire C3 en el lado exterior del dispositivo de aceleración 40 para formar un séptimo flujo de aire C7. Durante el procedimiento en el que el sexto flujo de aire C6 y el séptimo flujo de aire C7 siguen fluyendo hasta un lugar alejado aguas abajo del lado de sotavento, el flujo de aire se recupera gradualmente hasta un estado de equilibrio con ajuste automático de la presión estática, y la presión estática del flujo de aire en el lugar alejado aguas abajo del lado de sotavento recupera finalmente la presión atmosférica P0.
El dispositivo de guiado de flujo 30 y el divisor 5 construidos en una entrada del circuito de refrigeración pasivo B y el dispositivo de aceleración 40 y el deflector 6 construidos en una salida del circuito de refrigeración pasivo B mejoran adicionalmente la capacidad de refrigeración del circuito de refrigeración pasivo B en el circuito de refrigeración activo y pasivo.
Puede entenderse que el generador 100 proporcionado por las realizaciones de la presente solicitud puede estar dotado únicamente del dispositivo de guiado de flujo 30, o únicamente del dispositivo de aceleración 40, o tanto del dispositivo de guiado de flujo 30 como del dispositivo de aceleración 40. Además, el generador 100 proporcionado por la realización de la presente solicitud puede estar dotado únicamente del divisor 5, o únicamente del deflector 6, o tanto del divisor 5 como del deflector 6. Además, el dispositivo de guiado de flujo 30 y el dispositivo de aceleración 40 pueden formar una variedad de formas de combinación con el divisor 5 y el deflector 6, que no se describen adicionalmente.
De ese modo, el cuarto flujo de aire C4 en el circuito de refrigeración pasivo B, dividido a partir del primer flujo de aire C1, refrigera el estator 20 mientras fluye a través del primer canal axial 15, extrayendo parte de la pérdida de calor del estator generada durante el funcionamiento del generador 100. El quinto flujo de aire C5, derivado a partir del primer flujo de aire C1, refrigera el aire en 5 el circuito de refrigeración activo A que absorbe la pérdida de calor restante del estator 20 y parte de la pérdida de calor del rotor 10 mientras fluye a través del segundo canal axial 19, extrayendo la pérdida de calor restante del estator y parte de la pérdida de calor del rotor generada durante el funcionamiento del generador 100. Es decir, el primer flujo de aire C1 en el circuito de refrigeración pasivo B extrae toda la pérdida de calor del estator y parte de la pérdida de calor del rotor.
El segundo flujo de aire C2 refrigera el rotor 10 mientras fluye a través de la superficie exterior de la culata de rotor 10a, extrayendo la parte restante de la pérdida de calor del rotor generada por el funcionamiento del generador 100. Finalmente se extrae toda la pérdida de calor durante el funcionamiento del generador 100.
Tal como se describió anteriormente, en el procedimiento de refrigerar el generador 100, los flujos de aire en los dos circuitos de refrigeración están aislados uno de otro a través de la primera carcasa 1, las carcasas 24, la segunda carcasa 2, la tercera carcasa 3, el intercambiador de calor 50 y la cuarta carcasa 4, y la primera carcasa 1, las carcasas 24, la segunda carcasa 2, la tercera carcasa 3 y la cuarta carcasa 4 son componentes compartidos de los dos circuitos de refrigeración excepto por los componentes de fuente de calor, que son térmicamente conductores para los flujos de aire en los dos circuitos de refrigeración.
Preferiblemente, la primera carcasa 1 y la tercera carcasa 3 tienen paredes interiores y paredes exteriores que están dispuestas para la conducción de calor. Dado que una temperatura del flujo de aire fuera de las primeras carcasas 1 y la tercera carcasa 3 refrigeradas por el aire de entorno externo a través del intercambiador de calor 50 todavía es superior a una temperatura del flujo de aire directamente introducido en el lado interior de la primera carcasa 1 y la tercera carcasa 3 a partir del entorno externo, de modo que el flujo de aire dentro de la primera carcasa 1 y la tercera carcasa 3 absorbe parte del calor del flujo de aire exterior. Aunque este procedimiento de transferencia de calor afecta de manera adversa al siguiente procedimiento en el que el flujo de aire dentro de la primera carcasa 1 y la tercera carcasa 3 refrigera el estator 20, el flujo de aire fuera de las primeras carcasas 1 y las terceras carcasas 3 transfiere parte del calor al flujo de aire interior, lo cual potencia el efecto de refrigeración del flujo de aire exterior al estator 20 y al rotor 10 durante el procedimiento de refrigeración posterior. Por tanto, los dos se cancelan entre sí hasta un determinado punto y tal disposición puede reducir el coste de fabricación de la primera carcasa 1 y la tercera carcasa 3.
De manera adicionalmente preferible, las carcasas 24, la segunda carcasa 2 y la cuarta carcasa 4 tienen paredes interiores y paredes exteriores dispuestas para estar térmicamente aisladas.
Los flujos de aire en la segunda carcasa 2 y la cuarta carcasa 4 absorben respectivamente parte de la pérdida de calor de estator y parte del calor de flujo de aire en el circuito de refrigeración activo A, que está a punto de descargarse al aire caliente en el entorno externo, mientras que el flujo de aire fuera de la segunda carcasa 2 y la cuarta carcasa 4 es el aire frío refrigerado por el intercambiador de calor 50. Si la segunda carcasa 2 y la cuarta carcasa 4 son térmicamente conductoras para el flujo de aire interior y el flujo de aire exterior, el flujo de aire exterior de la segunda carcasa 2 y la cuarta carcasa 4 absorberá parte del calor del flujo de aire interior y transportará el calor al procedimiento de refrigeración posterior del rotor 10 y el estator 20.
Para las carcasas 24 en los canales radiales 13, el flujo de aire exterior de las carcasas 24 es aire caliente que absorbe parte de la pérdida de calor del rotor y la pérdida de calor del estator. Dado que el flujo de aire en las carcasas 24 en los canales radiales 13 del estator 20 es el aire que absorbe gradualmente parte de la pérdida de calor del estator y que cambia de frío a caliente, si las carcasas 24 son térmicamente conductoras para los flujos de aire interior y exterior de las carcasas 24, el flujo de aire en las carcasas aguas arriba 24 absorberá parte del calor del flujo de aire fuera de las carcasas 24, de tal manera que el flujo de aire interior afectará de manera adversa a la refrigeración posterior del estator aguas abajo 20, y el flujo de aire interior de las carcasas aguas abajo 24 puede absorber parte del calor del flujo de aire exterior, o puede transferir parte de su propio calor al flujo de aire exterior. En un caso en el que el flujo de aire interior de las carcasas aguas abajo 24 absorbe parte del calor del flujo de aire exterior, el efecto adverso es el mismo que el del flujo de aire interior de las carcasas aguas arriba 24 que absorbe parte del calor del flujo de aire exterior. En un caso en el que el flujo de aire interior de las carcasas aguas abajo 24 transfiere parte de su propio calor al flujo de aire exterior, se aumentará la carga de intercambio de calor del intercambiador de calor 50, de modo que el flujo de aire en el circuito de refrigeración activo A no puede refrigerarse de manera suficiente, y afectará de manera adversa a la refrigeración del estator 20 y el rotor 10 después de volver a entrar en las cámaras internas del generador 100.
Por tanto, las carcasas 24, la segunda carcasa 2 y la cuarta carcasa 4 están dispuestas para estar térmicamente aisladas, lo cual puede maximizar la capacidad de refrigeración de los circuitos de refrigeración activo y pasivo.
Debe observarse que, aunque se describe el generador con la estructura de estator interno como ejemplo para facilidad de la descripción, debe entenderse que, según las realizaciones a modo de ejemplo de la presente solicitud, los principios de funcionamiento del circuito de refrigeración activo A y el circuito de refrigeración pasivo B también son aplicables a generadores con una estructura de estator externo.
Haciendo referencia a la figura 13, también se proporciona una turbina eólica según las realizaciones de la presente solicitud, que incluye cualquiera de los generadores 100 descritos anteriormente, un buje de rueda 200 y una góndola 300.
El generador 100 tiene un lado de barlovento 110 y un lado de sotavento 120 a lo largo de la dirección axial. El buje de rueda 200 está ubicado en el lado de barlovento 110 del generador 100 y está dispuesto coaxialmente con el generador 100. Un diámetro exterior máximo del buje de rueda 200 es menor que un diámetro interno mínimo del segundo canal axial 19 del generador 100, facilitando que el aire entrante externo entre en el primer canal axial 15 y el segundo canal axial 19. El buje de rueda 200 acciona el generador 100 para que rote mediante la rotación de un impulsor montado en un lado periférico del buje de rueda.
La góndola 300 está ubicada en el lado de sotavento 120 del generador 100. Opcionalmente, un contorno exterior de la góndola 300 está separado del segundo canal axial 19 del generador 100 una distancia predeterminada para facilitar la descarga del aire caliente que absorbe calor en el primer canal axial 15 y el segundo canal axial 19 al entorno externo. Un espacio cerrado S que se comunica con el circuito de refrigeración activo A puede estar formado entre la góndola 300 y el generador 100. Además, el espacio cerrado S también puede estar formado en el generador 100.
En el procedimiento de generar electricidad, la turbina eólica proporcionada por la realización de la presente solicitud puede no sólo capturar la energía cinética del viento y convertir la energía cinética en energía eléctrica, sino que también puede aprovechar completamente el potencial de transferencia de calor del viento. Construyendo la estructura de cuerpo del generador 100, se construyen dos circuitos de refrigeración activos y pasivos que están aislados uno de otro en cuanto a la estructura, reduciendo de ese modo la potencia y el autoconsumo de potencia del dispositivo de refrigeración 14, mejorando la eficiencia de generación de potencia de todo el aparato, reduciendo el volumen y el peso del dispositivo de refrigeración 14, ahorrando el espacio de la góndola 300, realizando la alta integración de estructura del sistema de refrigeración y el generador, y reduciendo el coste del sistema de refrigeración.
Además, el generador según las realizaciones a modo de ejemplo descritas anteriormente puede aplicarse a diversos dispositivos que requieren establecer un generador, tal como, pero sin limitarse a, una turbina eólica.
Los expertos en la técnica deben entender que las realizaciones anteriores son a modo de ejemplo en lugar de restrictivas. Diferentes características técnicas que aparecen en diferentes realizaciones pueden combinarse para lograr efectos beneficiosos. El alcance de la invención se define mediante las reivindicaciones adjuntas.
En las reivindicaciones, el término “comprender” no excluye otros dispositivos o etapas, el artículo indefinido “un(a)” no excluye una pluralidad, y los términos “primero” y “segundo” se usan para indicar nombres en vez de cualquier orden particular. Las funciones de diversas partes que aparecen en las reivindicaciones pueden implementarse mediante un único módulo de hardware o software. La presencia de determinadas características técnicas en reivindicaciones dependientes diferentes no significa que esas características técnicas no puedan combinarse para lograr efectos beneficiosos.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Un generador (100), que comprende un circuito de refrigeración activo (A) y un circuito de refrigeración pasivo (B) que están aislados uno de otro, en el que el circuito de refrigeración activo (A) está en comunicación con un espacio cerrado (S), y el circuito de refrigeración pasivo (B) está en comunicación con un entorno externo;
en el que el circuito de refrigeración activo (A) comprende cámaras en comunicación mutua (11a, 11b) ubicadas en dos extremos axiales del generador (100), un entrehierro (12) entre un rotor (10) y un estator (20) del generador, y canales radiales (13) separados a lo largo de una dirección axial (X) del estator (20), y un dispositivo de refrigeración (14) en comunicación con el espacio cerrado (S) está previsto en el circuito de refrigeración activo (A), y el estator (20) está fijado en un árbol fijo (27c) a través de una ménsula de estator (27);
en el que el circuito de refrigeración pasivo (B) comprende un primer canal axial (15) que discurre a través del estator (20) en la dirección axial (X), un segundo canal axial (19) que discurre a través de la ménsula de estator (27), y una superficie exterior del generador (100);
en el que un intercambiador de calor (50) está dispuesto además dentro del generador (100), el intercambiador de calor(50) está en comunicación con los canales radiales (13) y el segundo canal axial (19), respectivamente; y
en el que el estator (20) comprende una pluralidad de conjuntos de núcleo de hierro (21) dispuestos a intervalos a lo largo de la dirección axial (X), los canales radiales (13) están formados entre cada dos conjuntos de núcleo de hierro adyacentes (21);
el primer canal axial (15) comprende canales axiales de estator (15a) que discurren a través de la pluralidad de conjuntos de núcleo de hierro (21) a lo largo de la dirección axial (X), cada uno de los conjuntos de núcleo de hierro (21) comprende una porción de culata (22) y una porción de diente (23) formada de manera solidaria con la porción de culata (22), una pluralidad de surcos de diente (23a) dispuestos a intervalos en una dirección circunferencial (Z) de cada conjunto de núcleo de hierro (21) están previstos en la porción de diente (23), la porción de culata (22) está dotada de un orificio pasante (22a) correspondiente a los surcos de diente (23a), y una carcasa (24) en comunicación con el orificio pasante (22a) está dispuesta entre cada dos conjuntos de núcleo de hierro adyacentes (21), y el canal axial de estator (15a) está formado por el orificio pasante (22a) y la carcasa (24).
2. El generador (100) según la reivindicación 1, en el que el intercambiador de calor (50) comprende una pluralidad de elementos de placa (51) dispuestos a intervalos, una pluralidad de capas de primeros canales (51a) y segundos canales (51b) aislados unos de otros están formados entre la pluralidad de elementos de placa (51), y los primeros canales (51a) y los segundos canales (51b) están dispuestos de manera escalonada, el intercambiador de calor (50) está en comunicación con los canales radiales (13) a través de los primeros canales (51a), y el intercambiador de calor (50) está en comunicación con el segundo canal axial (19) a través de los segundos canales (51b).
3. El generador (100) según la reivindicación 1, en el que la ménsula de estator (27) comprende una primera placa de extremo (27a) y una segunda placa de extremo (27b) dispuestas opuestas una a la otra a lo largo de la dirección axial (X), y una primera placa de división (28a) y una segunda placa de división (28b) ubicadas entre la primera placa de extremo (27a) y la segunda placa de extremo (27b) y dispuestas de manera coaxial; y
una primera carcasa (1) y una tercera carcasa (3) que discurren a través de la primera placa de extremo (27a) están dispuestas a intervalos en la primera placa de extremo (27a) en una dirección radial (Y), una segunda carcasa (2) y una cuarta carcasa (4) que discurren a través de la segunda placa de extremo (27b) están dispuestas a intervalos en la segunda placa de extremo (27b) en la dirección radial (Y), y la tercera carcasa (3) está ubicada entre la primera placa de extremo (27a) y la primera placa de división (28a), la cuarta carcasa (4) está ubicada entre la segunda placa de división (28b) y la segunda placa de extremo (27b).
4. El generador (100) según la reivindicación 3, en el que el primer canal axial (15) comprende además la primera carcasa (1) y la segunda carcasa (2) en comunicación con los canales axiales de estator (15a), el segundo canal axial (19) comprende además la tercera carcasa (3) y la cuarta carcasa (4) en comunicación con el intercambiador de calor (50); y
el circuito de refrigeración pasivo (B) está aislado del circuito de refrigeración activo (A) a través de la primera carcasa (1), las carcasas (24), la segunda carcasa (2), la tercera carcasa (3), el intercambiador de calor (50) y la cuarta carcasa (4).
5. El generador (100) según la reivindicación 3, en el que tanto la primera placa de división (28a) como la segunda placa de división (28b) están en una conexión sellada con la porción de culata (22) y fijadas al árbol fijo (27c), la primera placa de extremo (27a) está en una conexión sellada con la primera placa de división (28a) a lo largo de un lado interior del generador (100) en la dirección radial (Y), un elemento de filtro radial (16) está dispuesto entre la segunda placa de extremo (27b) y la segunda placa de división (28b);
una entrada de aire (1a) está prevista en la primera placa de división (28a), una entrada de aire (1b) y una salida de aire (1c) están previstas en la segunda placa de división (28b), un espacio entre la primera placa de división (28a) y la segunda placa de división (28b) está dividido para dar una primera cámara (29a) y una segunda cámara (29b) mediante una tercera placa de división (29), las entradas de aire (1a, 1b) están en comunicación con la primera cámara (29a), la salida de aire (1c) está en comunicación con la segunda cámara (29b), el intercambiador de calor (50) está dispuesto en la segunda cámara (29b), el dispositivo de refrigeración (14) está dispuesto fuera de la salida de aire (1c) y un elemento de filtro axial (17) está previsto en la entrada de aire (1c) de la segunda placa de división (28b).
6. El generador (100) según la reivindicación 5, en el que aire en el espacio cerrado (S) se divide en dos ramificaciones (R1, R2) para entrar respectivamente en las cámaras (11a, 11b) en ambos extremos axiales del generador (100) bajo el impulso del dispositivo de refrigeración (14);
aire en una ramificación (R1) entra en la primera cámara (29a) a través del elemento de filtro axial (17) y después evita la tercera carcasa (3) y la primera carcasa (1) para entrar en la cámara (11a) en un extremo del generador; y
aire en la otra ramificación (R2) entra en la cámara (11b) en el otro extremo del generador a través del elemento de filtro radial (16) y evita la cuarta carcasa (4) y la segunda carcasa (2),
aire en las dos ramificaciones (R1, R2) que entra en las cámaras (11a, 11b) fluye a través de devanados (26), el rotor (10) y los conjuntos de núcleo de hierro (21) en una secuencia indicada y evita las carcasas (24) a lo largo del circuito de refrigeración activo (A), después fluye a través del intercambiador de calor (50) al interior de la segunda cámara (29b), y después se descarga al interior del espacio cerrado (S) a través del dispositivo de refrigeración (14) después de refrigerarse mediante aire de refrigeración que entra en el segundo canal axial (19).
7. El generador (100) según la reivindicación 5, en el que el intercambiador de calor (50) está dispuesto a intervalos a lo largo de una dirección circunferencial de la segunda cámara (29b), una placa de cubierta (52) está dispuesta entre intercambiadores de calor adyacentes (50), la segunda cámara (29b) está dividida para dar dos espacios secundarios por la placa de cubierta (52) a lo largo de la dirección radial (Y), y los dos espacios secundarios están en comunicación entre sí a través del intercambiador de calor (50).
8. El generador (100) según la reivindicación 3, en el que un divisor (5) ubicado entre la primera carcasa (1) y la tercera carcasa (3) está previsto además en la primera placa de extremo (27a), el divisor (5) es un cuerpo rotatorio de pared delgada con un interior hueco; y/o un deflector (6) ubicado entre la segunda carcasa (2) y la cuarta carcasa (4) está previsto además en la segunda placa de extremo (27b), el deflector (6) es un cuerpo rotatorio de pared delgada con un interior hueco, y un radio de círculo de latitud de una generatriz del deflector (6) aumenta gradualmente a lo largo de la dirección axial (X) alejándose de la culata de rotor (10a).
9. El generador (100) según la reivindicación 8, en el que el rotor (10) está fijado a un árbol de rotación (18a) a través de una ménsula de rotor (18), el rotor (10) comprende una culata de rotor (10a) y un imán permanente<(10b) montado en la culata de rotor (10a), una pluralidad de nervaduras de soporte (>18<b) están dispuestas a>intervalos entre la ménsula de rotor (18) y la culata de rotor (10a) a lo largo de la dirección circunferencial (Z), y huecos anulares están formados entre la pluralidad de las nervaduras de soporte (18b), lo cual permite que aire entrante externo fluya desde un lado de la primera placa de extremo (27a) hasta un lado de la segunda placa de extremo (27b) a través de los huecos anulares.
10. El generador (100) según la reivindicación 9, en el que un dispositivo de guiado de flujo (30) ubicado en el mismo lado que la primera placa de extremo (27a) a lo largo de la dirección axial (X) está dispuesto en la culata de rotor (10a), el dispositivo de guiado de flujo (30) es un cuerpo rotatorio de pared delgada con un interior hueco, una sección del dispositivo de guiado de flujo (30) a lo largo de la dirección radial (Y) del dispositivo de guiado de flujo (30) comprende una generatriz exterior (30a) y una generatriz interior (30b) que se intersecan entre sí, un radio de círculo de latitud de la generatriz exterior (30a) disminuye gradualmente a lo largo de la dirección axial (X) alejándose de la culata de rotor (10a), y un radio de círculo de latitud de la generatriz interior (30b) aumenta gradualmente a lo largo de la dirección axial (X) alejándose de la culata de rotor (10a).
11. El generador (100) según la reivindicación 10, en el que un dispositivo de aceleración (40) ubicado en el mismo lado que la segunda placa de extremo (27b) a lo largo de la dirección axial (X) está dispuesto en la culata de rotor (10a), el dispositivo de aceleración (40) es un cuerpo rotatorio de pared delgada con un interior hueco, y una sección del dispositivo de aceleración (40) a lo largo de la dirección radial (Y) del dispositivo de aceleración comprende una generatriz exterior (40a) y una generatriz interior (40b), radios de círculos de latitud de la generatriz exterior (40a) y la generatriz interior (40b) aumentan gradualmente a lo largo de la dirección axial (X) alejándose de la culata de rotor (10a).
12. El generador (100) según la reivindicación 11, en el que aire entrante externo (C) se divide en un primer flujo de aire (C1) y un segundo flujo de aire (C2) cuando pasa a través del dispositivo de guiado de flujo (30), el primer flujo de aire (C1) se divide adicionalmente en un cuarto flujo de aire (C4) y un quinto flujo de aire (C5) cuando pasa a través del divisor (5);
el cuarto flujo de aire (C4) entra en el primer canal axial (15) a través de los huecos anulares, y entra en un primer espacio anular (L1) formado por el dispositivo de aceleración (40) y el deflector (6) después de fluir a través del estator (20);
el quinto flujo de aire (C5) entra en el segundo canal axial (19) a través de los huecos anulares, y entra en un segundo espacio anular (L2) formado por el espacio cerrado (S) y el deflector (6) después de fluir a través del intercambiador de calor (50);
el segundo flujo de aire (C2) converge con flujo de aire externo (C') en la superficie exterior del generador (100) para formar un tercer flujo de aire (C3), y el tercer flujo de aire (C3) evita el dispositivo de aceleración (40) después de adherirse a la superficie exterior de la culata de rotor (10a) a lo largo de la dirección axial (X); y
el quinto flujo de aire (C5) y el cuarto flujo de aire (C4) generan una primera diferencia de presión (AP<1-3>) entre un lado interior y un lado exterior del deflector (6), y el cuarto flujo de aire (C4) y el tercer flujo de aire (C3) generan una segunda diferencia de presión (AP<13-2>) entre un lado interior y un lado exterior del dispositivo de aceleración (40), y la primera diferencia de presión (AP<1-3>) y la segunda diferencia de presión (AP<13-2>) respectivamente impulsan el primer flujo de aire (C1) y el segundo flujo de aire (C2) para que sigan fluyendo.
13. El generador (100) según la reivindicación 1, en el que el orificio pasante (22a) está dispuesto en la porción de culata (22); o
cada conjunto de núcleo de hierro (21) comprende una porción de unión dispuesta a lo largo de la dirección radial (Y) y cerca de la porción de culata (22), el orificio pasante (22a) está dispuesto en la porción de unión; o
el orificio pasante (22a) comprende dos partes distribuidas a lo largo de la dirección radial (Y), una parte de las cuales está dispuesta en la porción de culata (22), y la otra parte está dispuesta en la porción de unión.
14. El generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 13, en el que se proporciona al menos un orificio pasante (22a), dos o más orificios pasantes (22a) están dispuestos a intervalos a lo largo de la dirección circunferencial (Z) de los conjuntos de núcleo de hierro (21), cada uno del al menos un orificio pasante (22a) es un orificio cuadrado, o un orificio redondo, o un orificio poligonal, o cada uno del al menos un orificio pasante (22a) está dotado de una nervadura (22b).
15. El generador (100) según la reivindicación 3, en el que la primera carcasa (1) tiene una pared interior y una pared exterior dispuestas para ser térmicamente conductoras, la tercera carcasa (3) tiene una pared interior y una pared exterior dispuestas para ser térmicamente conductoras, la segunda carcasa (2) tiene una pared interior y una pared exterior dispuestas para estar térmicamente aisladas, la cuarta carcasa (4) tiene una pared interior y una pared exterior dispuestas para estar térmicamente aisladas, y cada una de las carcasas (24) tiene una pared interior y una pared exterior dispuestas para estar térmicamente aisladas.
16. Una turbina eólica, que comprende:
un generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en la que el generador (100) tiene un lado de barlovento (110) y un lado de sotavento (120) a lo largo de la dirección axial;
un buje de rueda (200), ubicado en el lado de barlovento (110) del generador (100) y dispuesto coaxialmente con el generador (100), en la que el buje de rueda (200) acciona el generador (100) para que rote mediante una rotación de un impulsor instalado en un lado periférico del buje de rueda (200); y
una góndola (300), ubicada en el lado de sotavento (120) del generador (100).
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