La presente invención se refiere a una estructura para incrementar
-MÍ- e| enfriamiento de rotores de generador mediante pérfüado de superficie de las vtieltas extremas de cobre y/o bloques de espacio. La potencia de salida de las máquinas dinamoeléctricas, tales como tO turbogeneradores grandes, a menudo es limitada por la capacidad para proveer corriente adicional a través del devanado del campo del rotor debido a
*-^&., W^ limitaciones de temperatura impuestas sobre el aislamiento del conductor eléctrico. Por lo tanto, el enfriamiento efectivo del devanado de rotor contribuye directamente a la capacidad de saiida de la máquina. Esto es especialmente
15 cierto para la región extrema del rotor, en donde el enfriamiento forzado directo es difícil y costoso debido a la construcción típica de estas máquinas. Puesto q-ue las tendencias de mercado prevalecientes requieren mayor eficiencia y mayor confiabilidad en generadores de densidad de mayor potencia y menor
* costo, el enfriamiento de las regiones extremas del rotor se vuelve un factor
20 ffsnitante. Los rotores de turbogeneradores típicamente consisten de bobinas rectangulares concéntricas montadas en ranuras en un rotor. Las porciones extremas de las bobinas (comúnmente referidas como devanados extremos),
Los bloques de soporte sei otó-can intermitentemente entre los devanados entremos de bobinas concéntricas para mantener la posición relativa y añadir estabilidad mecánica para cargas axiales, tales como cargas térmicas (véase fflira 2). Además, los devanados de cobre son radialmente restrngidos por el anillo de retención sobre su radio externo, que contrarresta las fuerzas centrífugas. La presencia de los bloques de espacio y anillo de retención da por resultado un número de regiones de enfriador expuestas a los devanados de e?bre. La trayectoria de enfriacior primaria es axial, entre el huso y el fondo de los devanados extremos. También, se forman cavidades discretas entre las bobinas por las superficies limitantes de los devanados, bloques y superficie interna de la estructura de anillo de retención. Los devanados extremos se exponen a enfriador que es impulsado por fuerzas de rotación rat-Jialmente desde abajo de los devanados extremos hacia estas cavidades (véase figura 3). Esta transferencia de calor tiende a ser baja. Esto es porque de acuerdo con las líneas de trayectoria de flujo computarizadas en una sola cavidad de devanado efetremo giratorio a partir de un análisis dinámico de fluido computacional, el flujo del enfriador entra a la cavidad, atraviesa una circulación primaria y sale de la cavidad. Típicamente, la circulación da por resultado coeficientes de transferencia de calor bajos especialmente cerca del centro de la cavidad. Por lo tanto, aunque este es un medio para remover calor en los devanados extremos, es relativamente ineficiente.
Se han usado Varios esquemas para dirigir el gas de enfriamiento adicional a través de la región extrema del rotor. Todos estos esquemas de enfriamiento se basan ya sea en (1) hacer pasajes de enfriamiento en los conductores de cobre maquinando ranuras o formando canales en los 5 conductores, y después bombeando el gas a alguna otra región de la máquina, y/o (2) creando regiones de presiones relativamente mayores o inferiores con la adición de deflectores, canales de flujo y elementos de bombeo para forzar al .. # gas de enfriamiento a pasar sobre las superficies conductoras. Algunos sistemas penetran el anillo de retención del rotor altamente
10 tensado con agujeros radiales para permitir que el gas de enfriamiento sea bombeado directamente a lo largo de los devanados extremos del rotor y descargados en el espacio de aire, aunque dichos sistemas pueden tener sólo utilidad limitada debido a las consideraciones de esfuerzo mecánico elevado y vfda de fatiga elevada en relación con el anillo de retención. 15 Si se usan los esquemas de enfriamiento de extremo de rotor forzado convencionales, se añade complejidad y costos considerables a la construcción del rotor. Por ejemplo, los conductores directamente enfriados deben ser maquinados o fabricados para formar los pasajes de enfriamiento.
# Además, un múltiple de salida se debe proveer para descargar el gas a algún
20 Jado en el rotor. Los esquemas de enfriamiento forzado requieren que la región extrema del rotor sea dividida en zonas de presión separadas, con la adición de numerosos deflectores, canales de flujo y elementos de bombeo -que nuevamente añaden complejidad y costo.
Si ninguno de estos esquemas de enfria|pfe«l¡& fañado o dirßGto se
entonces los devanados extremos def rotor sTfttpasivameníe enfriados. El enfriamiento ap¡v?> se basa en la fuerza centrífuga fuerza de rotación del rotor para hacer cffctitar gas hacia las cavidades de extremo muerto, ciego, i-Slmadas entre los devanados de rotor concéntricos. El enfriamiento pasivo de evanados extremos de rotor algunas veces se denomina enfriamiento por
» "convección" libre. El enfriamiento pasivo provee la ventaja de mínima complejidad y costo, aunque ia capacidad de remoción de calor es disminuida cuando se
10 compara con los sistemas activos de enfriamiento directo y forzado. Cualquier gas de enfriamiento que entre a las cavidades entre los devanados de rotor concéntricos debe salir a través de la misma abertura ya que estas cavidades son de otra manera encerradas -las cuatro "paredes laterales" de una cavidad típica son formados por los conductores concéntricos y los bloques aislantes
15 (pe los separan, con la pared del "fondo" (radiaimente hacia fuera) formada por el^nillo de retención que soporta los devanados extremos contra rotación. El gas de enfriamiento entra al espacio anular entre los conductores y el huso del rotor. La remoción de calor es por ío tanto limitada por la velocidad de circulación baja del gas en la cavidad y la cantidad limitada del gas que puede entrar y dejar
20 estos espacios. En configuraciones típicas, el gas de enfriamiento en la región extrema no ha sido completamente acelerada a la velocidad del rotor, es decir, el gas de enfriamiento está girando a una parte de la velocidad del rotor. A medida
impulsado hacia una cavidad por medio del impacto de la
entre el rotor y el fluido, el coeficiente de transferencia de calor es típicamente mayor cerca det bloque de espacio que está corriente abajo en relación con la dirección del flujo -en donde el fluido entra con un momento
5 ei-evado y en donde el enfriador de fluido es más frío. El coeficiente de transferencia de calor también es típicamente alto alrededor de la periferia de la
^ ?pvidad. El centro de la cavidad recibe el menor enfriamiento. f* Al incrementar la capacidad de remoción de calor de los sistenrfas de enfriamiento pasivos se incrementará la capacidad de transportar corriente
10 del rotor proveyendo una capacidad de velocidad incrementada del generador manteniendo la ventaja de una construcción de bajo costo, sencilla y confiable. j . La patente de E.U.A. No. 5,644,179, cuya descripción se incorpora aquí por referencia, describe un método para aumentar la transferencia de calor incrementando la velocidad de flujo de la celda de circulación de un solo flujo al
15 introducir flujo de enfriamiento adicional directamente hacia y en la misma dirección que la celda de flujo que ocurre naturalmente. Esto se muestra en las figuras 4 y 5. Aunque estos métodos incrementan la transferencia de calor en fa cavidad al aumentar la resistencia de la celda de circulación, la región central de la cavidad del rotor aún se quedó con baja velocidad y por lo tanto baja
20 transferencia de calor. La misma transferencia de calor baja persiste en las regiones de esquina.
-« ••ttßteafl BREVE DESCRIPCIÓN DE LA 1N
La invención incrementa la velocidad de transferehcia de calor de fas vueltas extremas de cobre de la región de devanado extremo de campo usando maquinación de superficie o preparación de superficie para generar estructuras de flujo benéficas para enfriar las vueltas extremas. Al mejorar el
enfriamiento de las vueltas extremas en esta región se proveerá la oportunidad
#" de incrementar la potencia de salida de una máquina dad que conduce a una
base de costo mejorada sobre una base de dólar por kilowatt-hora. Puesto que la
10 región de devanado extremo es usualmente limitante en términos de satisfacer restricciones de temperatura máxima, las mejoras en esta región producirán beneficios de rendimiento significativos. Las velocidades de transferencia de calor se incrementan por el atea de superficie incrementada, mezclado turbulento mejorado sobre la íd superficie y rompimiento de la capa límite y refijación subsecuente. De acuerdo con una primera modalidad de la invención, por lo menos una de las vueltas
ejftremas de cobre es maquinada para incrementada e1 área de superficie de la
misma en comparación con una superficie plana. Esto se puede lograr haciendo áspera la superficie tal como por ejemplo, creando surcos. 20 De acuerdo con una segunda modalidad alternativa de la invención, el» área de superficie de las vueltas extremas se incrementa formando pequeños tunares, similares a aquellos provistos sobre la superficie de las bolas de golf, en las secciones de vuelta extrema de cobre del rotor. Estos lunares incrementan
d / ©Giáad@s de transferencia de calor por un factor de tres o cuatro mientras otlaslonan un incremento insignificante en las características de fricción y "pérdida de presión general. De conformidad con una característica adicional de la invención, iiemás de o en lugar de modificar las vueltas extremas de cobre mismas, tos bloques de soporte o bloques de espacio dispuestos entre las vueltas extremas de cobre son modificados. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, los turbuladores se colocan sobre la cara del bloque de espacio dispuesta en el lado corriente debajo de la cavidad. Muy específicamente, cada uno de los bloques de espacio del rotor se fabrica con elementos ásperos. Estos turbuladores actúan para perturbar el flujo, conduciendo a turbulencia incrementada y mezclado incoherente. El resultado es mejorar la velocidad de transferencia de calor general. En otra modalidad alternativa, se forman generadores de remolino sobre la superficie del bloque de espacio en el lado corriente debajo de la cavidad. Muy específicamente, por ejemplo, las secciones triangulares se fabrican sobre el bloque de espacio para el propósito de generar estructuras de remolino coherentes a partir del flujo de gas de enfriamiento a través de los bloques de espacio.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Estos y otros objetos y ventajas de la invención se entenderán en
~* *'***l^0á • más compfeta y se apreciarán mediante un estudio cuidadoso de la descripción más detallada siguiente de las modalidades ilustrativas actualmente preferidas de la invención, tomadas junto con los dibujos anexos, en los cuales: La figura 1 es una vista en sección transversal de una porción de la 5 región de vuelta extrema de un rotor de máquina dinamoeféctrica con estator en relación opuesta al mismo; la figura 2 es una vista superior en sección transversal del rotor de
# la máquina dinamoeléctrica tomada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1; la figura 3 es una ilustración esquemática que muestra el flujo de 10 gas pasivo hacia y a través de las cavidades de devanado extremo; La figura 4 es una vista en perspectiva parcial que ilustra vueltas
F extremas de cobre con surcos extruidos para incrementar el área de superficie de acuerdo con una modalidad de la invención; la figura 5 es una vista en perspectiva parcial que muestra vueltas 15 con lunares para incrementar el área de superficie de acuerdo con una modalidad alternativa de la invención; la figura 6 ilustra turbuladores provistos sobre la cara de bloque de eápacio corriente abajo en una modalidad de la invención; F la figura 7 es una vista en elevación de los turbüladores provistos 20 en la modalidad de la figura 6; la figura 8 es una vista en sección transversal de la región de vuelta extrema que muestra generadores de remolino sobre la cara de bloque de espacio corriente abajo; y
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la figura 9 es una vista en perspectiva de un bloque de espació de la modalidad de la figura 8.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN 5 Haciendo referencia a los dibujos en donde los números de referencia idénticos denotan los mismos elementos en todas las vistas, las
#' uras 1 y 2 muestran un rotor 10 para una máquina dinamoeléctrica enfriada por gas, que también incluye un estator 12 que rodea al rotor. El rotor incluye
10 una porción de cuerpo generalmente cilindrica 14 dispuesta centralmente sobre un huso de rotor 16 y que tiene caras extremas axialmente opuestas, de la
A. y.-, cygjes una porción 18 de una cara extrema se muestra en la figura 1. La porción e)trema se provee de una pluralidad de ranuras 20 circunferencialmerate separadas, que se extienden axialmente para recibir bobinas concéntricamente
15 dispuestas 22 que constituyen el devanado del rotor. Para claridad, sólo se muestran cinco bobinas del rotor en la figura 2, aunque en la práctica » comúnmente se ilustran algunas más. Específicamente, un número de barras conductoras 24 que constituyen una porción del devanado del rotor están apiladas en cada una de 20 t s ranuras. Las barras conductoras adyacentes están separadas por capas de aislamiento eléctrico 22. Las barras conductoras apiladas se mantienen típicamente dentro de las ranuras por medio de cuñas 26 (figura 1) y están hechas de un material conductor tal como cobre. Las barras conductoras 24
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*«^tán interconectadas en cada extremo opuesto de la porción del cuerpo pdr vueltas extremas 27 que se extienden axialmente más allá de las caras extremas para formar devanados extremos apilados 28. Las vueltas extremas también son separadas por capas de aislamiento eléctrico. Haciendo referencia específicamente a la figura 1 , un anillo de retención 30 está dispuesto alrededor de las vueltas extremas en cada extremo (-fe la porción de cuerpo para sostener los devanados extremos en su lugar contra las fuerzas centrífugas. El anillo de retención se fija en un extremo a la porción del cuerpo y se extiende sobre el huso del rotor 16. Un anillo centrador 32 está fijado al extremo distal del anillo de retención 30. Se debe notar que el anillo de retención 30 y el anillo centrador 32 pueden estar montados de otras maneras, como se conoce en la técnica. El borde periférico interno del anillo ßentrador 32 está radialmente separado del otro huso 16 para formar un pasaje de entrada de gas 34 y los devanados extremos 28 son separados del huso 16 para definir una región anular 36. Un número de canales de enfriamiento axiales 38 formados a lo largo de las ranuras 20 se proveen en comunicación de fluido con et pasaje de entrada de gas 34 a través de la región anular 36 para suministrar gas de enfriamiento a las bobinas 22. Pasando a la figura 2, los devanados extremos 28 en cada extremo del rotor 10 están circunferencialmente y axialmente separados por un número de* separadores de bloques de espacio 40 (para claridad de ilustración, los bloques de espacio se muestran en la figura 1). Los bloques de espacio son bloques alargados de un material aislante ubicados en los espacios entre los
más allá de la profundidad
ef espacio anular 36. Por consiguiente, los espacios entre las pilas concéntricas de las vueltas extremas 27 se dividen en cavidades. Estas cavidades están delimitadas en la parte 5 superior por el anillo de retención 30 y en cuatro lados por devanados extremos adyacentes 28 y bloques de espacio adyacentes 40, como se muestra en la figura 3. Como se ve mejor en la figura 1 , cada una de estas cavidades está en
comunicación de fluido con el pasaje de entrada de gas 34 por medio de la región anular 36. Una porción del gas de enfriamiento que entra a la región
10 anular 36 entre el devanado extremo 28 y el huso del rotor 16 a través del pasaje de entrada de gas 34 entra así a las cavidades 42, circula en ellas y después regresa a la región anular 36 entre los devanados extremos y el huso del rotor.
• T flujo de aire se muestra por medio de las flechas en las figuras 1 y 3. La acción de bombeo inherente y las fuerzas de rotación que
15 actúan en una cavidad del generador de rotación producen una gran celda de circulación de flujo individual, como se muestra esquemáticamente en la figura 3. Esta celda de circulación de flujo tiene su velocidad más alta cerca de los bordes periféricos de la cavidad, típicamente dejando la región central inadecuadamente enfriada debido a la velocidad inherentemente baja en la región central de la
20 cavidad. Como se puede ver a partir de la figura 3, las áreas grandes de las regiones de esquina también son enfriadas de manera inadecuada debido a que ei movimiento circular de la celda de flujo no lleva flujo de enfriamiento a las esquinas.
*2£y
Para mejorar la efectividad de enfriamiento de devanado extremo dfe campo del generador, en una modalidad de la invención, las secciones de vuelta de cobre y/o bloques de espacio mecánicos son maquinados o de otra sianera perfilados en la superficie para definir un perfil de superficie no plana sobre una superficie de los mismos mirando hacia la cavidad de devanado extremo adyacente. Estas modificaciones de superficie incrementan el nivel de mezclado turbulento y rompen las capas de límite térmico desarrolladas por el
F flujo que se mueve a lo largo de las superficies. En este caso, la caída de presión correspondiente incrementará. Sin embargo, las ganancias en
10 enfriamiento de la región de devanado extremo generalmente producirán beneficios generales que exceden la sanción de pérdidas por fricción -A incrementadas. Por lo tanto, haciendo referencia a la figura 4, la superficie(s) de por lo menos una de las vueltas extremas 127 que se unen a la cavidad de
15 enfriamiento son por lo menos una de la superficie maquinada o la superficie perfilada por lo que por lo menos una tiene el área de superficie de la misma
. incrementada y genera un flujo turbulento para mejorar así la transferencia de calor. De acuerdo con una primera modalidad, fas superficies expuestas
20 144, 146 de las vueltas extremas 127 que definen el devanado extremo 128 son extruidas o maquinadas para incrementar el área de superficie de las mismas. A manera de ejemplo, el área de superficie se puede incrementar maquinando o extruyendo las vueltas de cobre para definir por lo menos una ranura 148, 150
. „-^, üe se extiende longitudinalmente de porto menos una superficie expuesta 144, 146 de la vuelta(s) extrema 127. En una modalidad alternativa, como se ilustra en la figura 5, una pluralidad de lunares 252 se forman en por lo menos una superficie 244, 246 de 5 por lo menos una de las vueltas extremas de cobre 227 que definen el devanado extremo det rotor 228. Se debe entender que las modalidades de ranuración y formación
# de lunares son simplemente ejemplos de perfil de superficie que pueden ser adoptadas para mejorar la transferencia de calor. De hecho, otras técnicas de
10 perfil de superficie para incrementar el área de superficie, mejorar el mezclado turbulento sobre la superficie y/o el rompimiento de la capa límite y refijación subsecuente se pueden adoptar sin apartarse de esta invención. Por ejemplo,
• proyecciones o depresiones de otras formas y patrones se pueden proveer. También, el perfil de superficie no necesita ser tan pronunciado como la
15 modalidad ilustrada. Por lo tanto, por ejemplo, una superficie moleteada se puede proveer como una alternativa adicional. De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, como se ilustra en las figuras 6-9, además de o como una alternativa al perfil de superficie de las vueltas extremas, por lo menos la superficie 156 dispuesta sobre el lado
20 corriente abajo de la cavidad respectiva 142 (de aquí en adelante referida como superficie corriente abajo) de por lo menos algunos de los bloques de espacio 140 se perfila para redirigir el flujo que incide sobre los mismos. En una modalidad actualmente preferida, la superficie corriente abajo del bloque de
turbuladores 158 provistos sobre la superficie corriente debajo de los bloques de espacio (sólo se muestra un bloque de espacio turbulado para claridad), cada uno de los turbuladores 158 tiene una forma generalmente rectangular y muy preferiblemente cuadrada en sección vertical (figura 6) y tiene un eje longitudinal # inclinado con respecto a un eje del rotor (figura 7). Como se señaló antes, los turbuladores se pueden proveer sobre los bloques de espacio en lugar de o además del maquinado o perfilado de superficie ilustrado por las figuras 4-5. 10 De acuerdo con otro ejemplo alternativo, las estructuras perturbadores de flujo son una pluralidad de generadores de remolino 258
*ßf ^ provistos sobre la superficie 256 de por lo menos algunos de los bloques de e^Dacio 240 que están de frente y están dispuestas sobre el lado corriente debajo de la cavidad respectiva 242. Como se muestra en la figura 8, cada uno ÍS d los generadores de remolino 258 tiene una sección transversal vertical generalmente triangular y como se muestra en la figura 9, cada generador de * remolino 258 está orientado con el eje longitudinal a una inclinación con respecto at eje del rotor 10. # Aunque la invención se ha descrito en relación con lo que
20 actualmente se considera que es la modalidad más práctica y preferida, se debe eülender que ta invención no se limita a las modalidades descritas, sino por et contrario pretende cubrir varias modificaciones y disposiciones equivalentes incluidas dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas.