PL B1. TURBOCARE POLAND SPÓŁKA AKCYJNA, Lubliniec, PL BUP 13/11

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02K 9/06 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Układ ochrony czystości przestrzeni wewnętrznej generatora elektrycznego (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 13/11 (73) Uprawniony z patentu: TURBOCARE POLAND SPÓŁKA AKCYJNA, Lubliniec, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/14 (72) Twórca(y) wynalazku: WOJCIECH KUBOŚ, Lubliniec, PL GRZEGORZ GORGOŚ, Lubliniec, PL PIOTR RUDOLF, Lubliniec, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ ochrony czystości przestrzeni wewnętrznej generatora elektrycznego, zwłaszcza generatora z wewnętrznym, symetrycznym chłodzeniem powietrznym. W trakcie pracy generatora elektrycznego dochodzi do nagrzewania jego przestrzeni wewnętrznej, a zwłaszcza uzwojeń wirnika i stojana. Żeby nie doprowadzić do awarii na skutek przegrzania poszczególnych elementów generatora konieczne jest doprowadzenie do jego wnętrza czynnika chłodzącego. Często stosowanym czynnikiem chłodzącym jest powietrze atmosferyczne doprowadzane z zewnątrz generatora, które jednak zawiera różnego rodzaju zanieczyszczenia mogące w efekcie doprowadzić do awarii poszczególnych elementów generatora. Znane są układy chłodzenia przestrzeni wewnętrznej maszyn elektrycznych w tym generatorów wraz z elementami uszczelniającymi lub systemami, mającymi ograniczać przedostawanie się zanieczyszczeń do wnętrza maszyny. Z opisu patentowego US znany jest układ wentylowania maszyny elektrycznej z wykorzystaniem powietrza atmosferycznego jako czynnika chłodzącego. Maszyna przedstawiona w rozwiązaniu posiada korpus, dwa wloty powietrza usytuowane na przeciwległych bokach korpusu, wylot powietrza, wirnik, stojan oraz wentylator umieszczony przy końcu korpusu, blisko wylotu powietrza. Podczas pracy tej maszyny wentylator zasysa powietrze do jej wnętrza. Niedogodnością tego rozwiązania jest to, że do wnętrza maszyny zasysane jest zabrudzone powietrze atmosferyczne, powodując jej zanieczyszczenie. Z polskiego opisu patentowego nr znany jest zespól wentylacyjny silnika elektrycznego, zawierający wentylator odśrodkowy zamocowany współosiowo z wirnikiem silnika. Rozwiązanie charakteryzuje się tym, że wentylator dostarczający powietrze do wnętrza silnika umieszczony jest w komorze wlotowej powietrza, która jest oddzielona przegrodą obudowy od zamkniętej przestrzeni zawierającej, co najmniej wirnik silnika, przy czym w przegrodzie obudowy jest uformowany co najmniej jeden otwór łączący komorę wlotu powietrza z zamkniętą przestrzenią, a przegroda obudowy oddziela od zamkniętej przestrzeni także wnętrze dyszy, połączonej z kanałami chłodzenia. W rozwiązaniu tym strumień powietrza chłodzącego jest rozdzielany w taki sposób, że powietrze zanieczyszczone ciężkimi drobinami, jest kierowane dzięki sile odśrodkowej na zewnątrz, to znaczy ku kanałom układu chłodzenia w stojanie, natomiast do wnętrza zamkniętej przestrzeni silnika, poprzez otwór w przegrodzie obudowy, kierowane jest powietrze, w którym jest stosunkowo mniejsze prawdopodobieństwo zanieczyszczenia ciężkimi drobinami. Takie rozwiązanie ogranicza wprawdzie ryzyko zabrudzenia wnętrza silnika, jednak go nie eliminuje, a ponadto na zabrudzenia narażone są kanały układu chłodzenia w stojanie gdzie kierowana jest większa część zanieczyszczonego powietrza. Znane są również przykłady maszyn elektrycznych chłodzonych powietrzem zawierające co najmniej korpus, stojan, wirnik oraz osadzony z nim współosiowo i wymuszający przepływ powietrza chłodzącego wentylator, którego łopatki wraz z kierownicą wentylatora dzielą przestrzeń wewnętrzną generatora na dwa obszary ciśnienia powietrza chłodzącego: obszar H oraz L. Uproszczony diagram przepływu powietrza chłodzącego w tego typu generatorach przedstawiono na rysunku dotyczącym stanu techniki (rysunek przedstawia połowę generatora o budowie symetrycznej bez łożyskowania). Wentylator 2 osadzony na wale 1 wirnika w czasie pracy generatora wytwarza w przestrzeniach H i L różnicę ciśnień (spiętrzenie) Δp = p H p L, które wymusza przepływ powietrza chłodzącego we wnętrzu generatora. W uproszczeniu można przyjąć, iż zasadniczy strumień b powietrza chłodzącego zasysany jest przez wentylator 2 i kierowany jest jako strumień c poprzez rdzeń stojana 4 do chłodnic 5. Przyjmując, że budowa układu chłodzenia generatora od strony napędzanej (strona turbiny) jest idealnie symetryczna w stosunku do strony wyprowadzeń prądowych (strona wzbudzenia), to strumienie b oraz c są jednakowe, czyli nie istnieją strumienie c oraz ƒ. W warunkach rzeczywistych idealna symetria jest jednak niemożliwa, co powoduje zakłócenie przepływu strumieni powietrza chłodzącego, stąd strumienie b oraz c są różne dla strony napędzanej i strony wyprowadzeń prądowych, czego efektem jest powstawanie dodatkowego strumienia nierównowagi c, który z kolei jest przyczyną powstawania strumienia ƒ przepływającego szczeliną S pomiędzy wałem 1 generatora a uszczelniaczami dławnicowymi 3 i powodującego niepożądany dopływ powietrza atmosferycznego do wnętrza generatora z jednej strony oraz wypływ powietrza z jego drugiej strony. Kierunek przepływu tego strumienia jest uzależniony od rzeczywistej asymetrii wewnętrznego układu chłodzenia. Zatem do generatora poprzez szczelinę S stale wpływa i wypływa powietrze wraz z zanieczyszczeniami.

3 PL B1 3 Rodzaj zanieczyszczeń powietrza napływającego uzależniony jest głównie od zastosowanego sposobu łożyskowania. Przykładowo z publikacji M. Dąbrowski: Konstrukcja maszyn elektrycznych, (Wyd. WNT Warszawa 1977, wyd. 2, rozdział Łożyskowanie, str. 620) znana jest maszyna synchroniczna typu GT4w-2-50 o mocy 2MW posiadająca elementy uszczelnienia wału z łożyskowaniem mocowanym do konstrukcji zewnętrznej. Niedogodnością tego rozwiązania jest dopływ - wskutek powstania opisanego wyżej strumienia ƒ - do wnętrza maszyny powietrza, które zawiera głównie zanieczyszczenia stałe (pył, kurz itp.), co prowadzi do stopniowego zanieczyszczania powierzchni elementów izolacyjnych (izolatory przepustowe; pręty stojana wraz ze wspornikami; izolacja wirnika itp.) przez co zostaje obniżona ich graniczna wytrzymałość na przebicie w warstwie przypowierzchniowej, a to z kolei może doprowadzić do awarii izolacji stojana i/lub wirnika. Z publikacji W. Latek: Turbogeneratory, (Wyd. WNT Warszawa 1973, wyd. 1, rozdział Turbogeneratory z chłodzeniem powietrznym, str. 80) znane jest rozwiązanie turbogeneratora z chłodzeniem powietrznym z łożyskowaniem mocowanym do fundamentu. Niedogodnością tego rozwiązania jest dopływ - wskutek powstania opisanego wyżej strumienia ƒ - do wnętrza maszyny powietrza zawierającego zarówno zanieczyszczenia stałe jak i opary olejowe pochodzące z obszaru łożyska. Opary olejowe osiadają i kondensują na wszystkich powierzchniach izolacyjnych. Dla izolacji uzwojeń stojana i wirnika wykonanych na bazie żywic dochodzi do ciągłego absorbowania cząstek oleju (w tym wypadku turbinowego), co w konsekwencji w sposób nieodwracalny prowadzi do pogarszania ich własności elektroizolacyjnych i może prowadzić do awarii izolacji uzwojenia stojana i/lub wirnika. Pożądane zatem stało się opracowanie układu chłodzenia generatora zapewniającego skuteczną ochronę czystości przestrzeni wewnętrznej generatora, który wyeliminuje niedogodności znanych rozwiązań, a przede wszystkim ograniczy do minimum możliwość przedostawania się do wnętrza maszyny niepożądanych strumieni zanieczyszczonego powietrza atmosferycznego poprzez szczelinę S. Układ ochrony czystości przestrzeni wewnętrznej generatora elektrycznego według wynalazku zawierającego korpus, wirnik, stojan, co najmniej jedną chłodnicę, mocowany do korpusu generatora zespół uszczelniaczy dławnicowych wału wirnika generatora oraz zamocowany na wale wirnika generatora i wymuszający przepływ powietrza chłodzącego wirnik wentylatora, którego łopatki wraz z kierownicą wentylatora dzielą przestrzeń wewnętrzną generatora na dwa obszary ciśnienia powietrza chłodzącego: obszar H oraz L, charakteryzuje się tym, że zespół uszczelniaczy dławnicowych wału wirnika generatora tworzy komorę U połączoną za pomocą rurociągu pośredniego z obszarem H, natomiast do obszaru L przyłączony jest doprowadzający powietrze atmosferyczne rurociąg wlotowy wyposażony w filtr powietrza atmosferycznego. W korzystnym przypadku rurociąg pośredni wyposażony jest w kryzę dławiącą. W korzystnym przypadku rurociąg wlotowy wyposażony jest w zawór regulacyjny. Rozwiązanie według wynalazku pozwala ograniczyć do minimum możliwość przedostawania się poprzez szczelinę S do wnętrza maszyny niepożądanych strumieni zanieczyszczonego powietrza atmosferycznego. Przekłada się to na wzrost bezpieczeństwa eksploatacyjnego generatora poprzez zmniejszenie ryzyka wystąpienia awarii poszczególnych elementów na skutek zabrudzeń, a co za tym idzie na obniżenie kosztów eksploatacyjno-remontowych. Istotną zaletą jest również fakt, że układ nie wymaga zastosowania dodatkowych, zewnętrznych elementów wymuszających przepływ czynnika chłodzącego do wnętrza generatora przez rurociąg wlotowy (np. dodatkowych wentylatorów tłoczących). Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym w przekroju wzdłużnym połowę generatora o budowie symetrycznej bez łożyskowania wraz z uproszczonym diagramem przepływu powietrza chłodzącego. Przedstawiony na rysunku generator elektryczny zawiera wirnik, stojan 4, korpus 6, chłodnicę 5, mocowany do korpusu 6 generatora zespół uszczelniaczy dławnicowych 3 wału 1 wirnika generatora oraz zamocowany na wale 1 wirnika generatora i wymuszający przepływ powietrza chłodzącego wirnik wentylatora 2, którego łopatki wraz z kierownicą wentylatora 12 dzielą przestrzeń wewnętrzną generatora na dwa obszary ciśnienia powietrza chłodzącego: obszar H oraz L. Zespół uszczelniaczy dławnicowych 3 wału 1 wirnika generatora tworzy komorę U, która połączona jest z obszarem H za pomocą rurociągu pośredniego 10 wyposażonego w kryzę dławiącą 9. Ponadto do obszaru L przyłączony jest doprowadzający powietrze atmosferyczne rurociąg wlotowy 11 wyposażony w zawór regulacyjny 7 oraz filtr 8 powietrza atmosferycznego.

4 4 PL B1 Układ ochrony czystości wewnętrznej generatora elektrycznego działa następująco: Obracający się wirnik wentylatora 2 powoduje we wnętrzu generatora powstanie i przepływ strumienia powietrza chłodzącego, a jednocześnie - wraz z kierownicą wentylatora 12 - dzieli przestrzeń wewnętrzną generatora na dwa obszary ciśnienia powietrza: obszar H o nadciśnieniu powietrza oraz obszar L o podciśnieniu powietrza. W czasie pracy generatora strumień powietrza chłodzącego c zostaje rozdzielony na strumień d przepływający przez wirnik i stojan 4 do chłodnicy 5, oraz strumień e przepływający rurociągiem pośrednim 10 z obszaru H do komory U zespołu uszczelniaczy dławnicowych 3. Pomiędzy komorą U zespołu uszczelniaczy dławnicowych 3 a wałem 1 wirnika generatora istnieje szczelina powietrzna S, poprzez którą wypływa strumień powietrza e dzieląc się na dwa strumienie: strumień k skierowany do wnętrza generatora oraz strumień ƒ skierowany na zewnątrz generatora (do atmosfery). Wypływający na zewnątrz strumień powietrza ƒ powoduje ubytek powietrza w generatorze, który kompensowany jest strumieniem powietrza zasysanym z atmosfery poprzez rurociąg wlotowy 11 wyposażony w filtr 8. Dla poprawnego funkcjonowania układu ochrony czystości przestrzeni wewnętrznej generatora elektrycznego dla każdej ze stron generatora (strony napędzanej - strony turbiny oraz strony wyprowadzeń prądowych - strony wzbudzenia), ciśnienie powietrza w komorze U zespołu uszczelniaczy dławnicowych 3 musi być większe zarówno od ciśnienia atmosferycznego jak i od ciśnienia powietrza w obszarze L. W ten sposób z generatora do atmosfery stale wypływa strumień powietrza ƒ co zapobiega przedostawaniu się zanieczyszczonego powietrza atmosferycznego do wnętrza generatora przez szczelinę S. Jednakże zbyt wysokie ciśnienie powietrza w komorze U uszczelniaczy dławnicowych 3 spowodowałoby zwiększenie ilości powietrza przepływającego przez filtr 8, co w konsekwencji spowodowałoby skrócenie jego czasu życia (częsta wymiana wkładu filtracyjnego). Z tego powodu dla zapewnienia optymalnej wartości ciśnienia roboczego w komorze U uszczelniaczy dławnicowych 3 w układzie przewidziano dodatkowe elementy regulacyjne w postaci kryzy dławiącej 9 (dla regulacji stałej) oraz zawór regulacyjny 7 (dla regulacji okresowej kompensującej wzrost oporów przepływu powietrza przez filtr 8 na skutek wzrostu jego zabrudzenia). Zastrzeżenia patentowe 1. Układ ochrony czystości przestrzeni wewnętrznej generatora elektrycznego zawierającego wirnik, stojan, korpus, co najmniej jedną chłodnicę, mocowany do korpusu generatora zespół uszczelniaczy dławnicowych wału wirnika generatora oraz zamocowany na wale wirnika generatora i wymuszający przepływ powietrza chłodzącego wirnik wentylatora, którego łopatki wraz z kierownicą wentylatora dzielą przestrzeń wewnętrzną generatora na dwa obszary ciśnienia powietrza chłodzącego: obszar (H) oraz (L), znamienny tym, że zespół uszczelniaczy dławnicowych (3) wału (1) wirnika generatora tworzy komorę (U) połączoną za pomocą rurociągu pośredniego (10) z obszarem (H), natomiast do obszaru (L) przyłączony jest doprowadzający powietrze atmosferyczne rurociąg wlotowy (11) wyposażony w filtr (8) powietrza atmosferycznego. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że rurociąg pośredni (10) wyposażony jest w kryzę dławiącą (9). 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że rurociąg wlotowy (11) wyposażony jest w zawór regulacyjny (7).

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)