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Dynamoelektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einer Einrichtung zum Umwälzen eines gasförmigen Kühlmediums durch den Rotor und den Stator der Maschine sowie durch eine zweistufige
Kühleinrichtung für das gasförmige Kühlmedium.
Bei bekannten dynamoelektrischen Maschinen mit einem Kühlsystem der angegebenen Art sind zwei getrennte Strömungskreisläufe für das Kühlmedium vorgesehen, wobei das Kühlmedium in jedem dieser beiden Kreisläufe durch ein eigenes Gebläse umgewälzt wird und in Serie sowohl einen Teil des Rotors als auch einen Teil des Stators durchströmt. Bei dieser bekannten Anordnung ist die im Stator erzielbare Kühl- wirkung wegen der vorhergehenden Temperaturerhöhung des Kühlmediums beim Durchströmen des Rotors von vornherein beschränkt und kann auch durch eine eventuelle Zwischenkühlung nicht auf wirtschaftli- che Weise wesentlich verbessert werden.
Infolge der Serienschaltung der Rotor kühlung und der Statorküh- lung kann bei dieser bekannten Anordnung ferner trotz der Verwendung von zwei Gebläsen die Kühlwirkung im Rotor und im Stator nicht unabhängig eingeregelt werden.
Diese Nachteile werden gemäss der Erfindung bei einer dynamoelektrischen Maschine mit einem Kühlsystem der einleitend angegebenen Art dadurch vermieden, dass die Umwälzeinrichtung nur ein Gebläse enthält, das an einem Ende der Rotorwelle angeordnet ist, und dass ein erster Strömungskreislauf für die Durchleitung eines Teiles des gasförmigen Kühlmediums durch einen Statorkühlweg und ein zweiter Strömungskreislauf für die Durchleitung des andern Teiles des gasförmigen Kühlmediums durch einen Rotorkühlweg vorgesehen sind, wobei der Strömungskreislauf für den Rotorkühlweg der Reihe nach durch Kühlkanäle im Rotor, eine Sammelkammer, die an dem dem Gebläse gegenüberliegenden Ende der Maschine angeordnet ist, die erste Kühlstufe der Kühleinrichtung für das gasförmige Kühlmedium,
das Gebläse und die zweite Kühlstufe der Kühleinrichtung für das gasförmige Medium verläuft.
Auf diese Weise ergibt sich, ganz abgesehen von einem vereinfachten Gesamtaufbau des Kühlsystems der wichtige Vorteil, dass infolge der Parallelschaltung der Kühlwege durch den Stator und den Rotor jeder dieser beiden Maschinenteile voll gekühltes Kühlmedium zugeführt erhält und beide Kühlwege vollkommen unabhängig voneinander geregelt werden können, was die genaue Dimensionierung der Maschine erleichtert und eine wirtschaftliche Ausnützung des Kühlsystems ermöglicht. Da ferner für die Statorkühlung der volle Druck des Kuhlmediums zur Verfügung steht, reichen als Durchgangswege für das Kühlmedium im Statorkern relativ enge axiale Kanäle aus, so dass das Statoreisen wesentlich weniger geschwächt werden muss als dies bei den bekannten Kühlsystemen mit relativ weiten radialen Statorkanälen der Fall ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, in der als Beispiel an Hand der Zeichnung ein erfindungsgemäss ausgebildeter Wechselstrom-Turbogenerator erläutert wird. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine teilweise abgebrochene axonometrische Darstellung des Turbogenerators, während die Fig. 2 - 5 Querschnitte durch den Turbogenerator längs der Linien 2-2, 3-3,4-4 bzw. 5-5 in Fig. 1 darstellen.
Gemäss der Zeichnung ist ein lamellierter Statorkern 10 in bekannter Weise exzentrisch in einem Statorgehäuse 11 angeordnet. Der Rotor 12 ist in Lagern 13 gelagert, die in Lagerschilden 14 angeordnet sind.
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Im oberen Teil des Statorgehäuses sind am Umfang gegeneinander versetzt zwei Kühler 15 und 16 angeordnet, die, wie aus den Fig. 2 - 4 ersichtlich ist, je an einer Seite der vertikalen Mittelebene der
Maschine liegen.
Jeder Kühler besteht aus einem Bündel von Rohren, die sich in axialer Richtung von einem Ende des Generatorgehäuses zum andern erstrecken und an einen äusseren Kühlkreislauf angeschlossen werden können. Jeder Kühler ist in bezug auf die Kühlmittelströmung, insbesondere Wasserstoffströmung, durch eine nicht dargestellte, mit einer Gehäusespantwand 17 fluchtende Zwischenwand in zwei Abschnitte unterteilt.
Die Statorwicklung ist im allgemeinen mit 18 bezeichnet und besteht aus hohlen Leitern. Ein flüssiges Kühlmittel wird in die Wicklung an einem Ende aus zwei ringförmigen Leitungen 19 eingeführt und am andern Ende der Wicklung über zwei ringförmige Sammelleitungen 20 abgeleitet. Die ringförmigen Leitungen sind an einen äusseren Kühlkreislauf angeschlossen.
Der als Kühlmittel für den Rotor verwendete Wasserstoff wird in der Maschine mittels eines vielstufigen Gebläses 21 umgewälzt, das aus einem am Generatorrotor befestigten Rotor 22 und aus einem an einer kegelstumpfförmigen Stützwand 24 befestigten Stator 23 besteht. Diese Stützwand ist an einer ringförmigen Tragwand 25 befestigt, die ihrerseits an einer Gehäusespantwand 26 befestigt ist.
Der Wasserstoff wird nach Aufnahme der Wärme aus der Maschine in zwei Stufen gekühlt. Die Kühlung in der ersten Stufe erfolgt durch Durchleiten des Wasserstoffes durch die rechtsseitigen Abschnitte der beiden Kühler 15 und 16. Dann gelangt der Wasserstoff über das Gebläse in die linksseitigen Abschnitte der Kühler, wo die zweite Stufe der Kühlung erfolgt, und von dort durch die Teile der zu kühlenden Maschine zurück in die rechtsseitigen Abschnitte der Kühler, womit der Kreislauf geschlossen ist.
Wenn man von der Auslassseite des Gebläses ausgeht, wird der teilweise gekühlte Wasserstoff zuerst in einen Ringraum 27 gefördert, der zwischen axial im Abstand angeordneten Zwischenwänden 25 und 28 gebildet wird. Ein von der Zwischenwand 28 getragener kegelstumpfförmiger Wandteil 30 bildet eine gleitende Dichtung mit dem Rotor des Gebläses und dient der Führung des Wasserstoffes in den Ringraum 27. Den äusseren Mantel dieser Kammer bildet eine Wand 31, die zwischen den Gehäusespantwänden 29 und 32 zylindrisch ausgebildet ist, aber, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, im Bereich zwischen den Gehäusespantwänden 32 und 34 in Umfangsrichtung nur zwischen den Kühlern 15 und 16 verläuft. Die Zwischenwände 24 und 30 bilden an der Auslassseite des Gebläses einen Diffusor.
Der Wasserstoff gelangt vom Ringraum 27 durch einen Durchlass 35 in der Mantelwand 31 in zwei Kanäle 36 und 37, die sich in axialer Richtung bis zur Gehäusespantwand 17 erstrecken und die voneinander durch zwei in axialer Richtung verlaufende Längswände 38 getrennt sind, welche einen bis zur Gehäusespantwand 17 verlaufenden und an seinem Ende durch eine Querwand 40 verschlossenen zentralen Kanal 39 bilden. In der Gehäusespantwand 32 und in jeder der zwischenliegenden Gehäusespantwände 42 sind Durchlässe 41 vorgesehen, um eine Strömung des Wasserstoffes in Längsrichtung in den Kanälen 36 und 37 zu ermöglichen.
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verläuft.
Anschliessend strömt der Wasserstoff durch Öffnungen 58 in der Gehäusespantwand 34 in einen
Raum 59, der zwischen einem kegelstumpfförmigen Wandteil 60 und dem rechtsseitigen Ende des Stator- gehäuses gebildet wird. Ein zylindrischer, von der Wand 60 getragener Wandteil 61 bildet eine gleitende
Dichtung mit der Abschlusskappe 62 des rechtsseitigen Rotorendteiles 63.
Der Wasserstoff strömt dann aus dem Ringraum 59 durch nicht dargestellte, den Einlassöffnungen 52 in der Abschlusskappe 53 ähnliche Öffnungen in den Rotor.
Der Rest des Wasserstoffes tritt in eine Gruppe von axial gegeneinander versetzten Radialkanälen 64 am rechten Ende des Statorkernes ein und wird längs axialer Kanäle 65 im Kern einer Gruppe von axial gegeneinander versetzten Radialkanälen 66 am andern Ende des Kernes von dort dem Luftspalt des Gene- rators zugeführt.
Die Kanäle der Gruppe 64 sind an den dem Luftspalt zugewendeten Enden verschlossen, wogegen die
Kanäle der Gruppe 66 am Aussenumfang des Statorkernes verschlossen sind. Eine andere Gruppe von axial gegeneinander versetzten, an dem dem Luftspalt zugewendeten Ende verschlossenen radialen Kanälen 67 ist an jedem Ende des Statorkernes vorgesehen, wobei das in diese Kanäle eintretende Gas axial aus dem
Kern austritt. Der in den Luftspalt über die Gruppe von Kanälen 66 eintretende Wasserstoff strömt axial längs des Luftspaltes in einen Ringraum 68, der zwischen dem rechtsseitigen Ende des Statorkernes und der
Wand 60 gebildet wird.
Ein Teil des dem linksseitigen Ende des Rotors zugeführten Wasserstoffes passiert den Rotorwicklungs- überhang und wird über Auslassöffnungen 69 der Abschlusskappe 53 in eine Ringkammer 70 ausgeblasen, die zwischen dem linken Ende des Statorkernes und der Wand 25 gebildet wird, während der verbleibende
Teil desWasserstoffesinAxialrichtung durch die Wicklung strömt und durch radiale Öffnungen 71 im Ro- torkern in den Luftspalt ausgeblasen wird.
Der an der rechten Seite des Rotors eintretende Wasserstoff strömt zum Teil auf ähnliche Weise um den zugeordneten Windungsüberhang und wird an der Abschlusskappe 62 durch Auslassöffnungen 72 in die Ringkammer 68 ausgeblasen, während der Rest axial durch die Rotorwicklung strömt und über radiale Öffnungen 73 in den Luftspalt ausgeblasen wird. Der aus den radialen Öffnungen 71 und 73 austretende Wasserstoff strömt ebenfalls durch den Luftspalt in die Ringkammer 68. Eine Ringwand 74 am linken Ende des Stators verhindert, dass das Gebläse 21 heissen Wasserstoff aus dem Luftspalt ansaugt.
Der Wasserstoff strömt in der Ringkammer 68 am Umfang entlang nach oben und in entgegengesetzten Richtungen durch den rechtsseitigen Abschnitt der Kühler 15 und 16 in einen Raum 75 am oberen Ende der Maschine, der sich zwischen den Gehäusespantwänden 34 und 17 erstreckt, wobei über Öffnungen 76 in den Gehäusespantwänden 33 und 34 ein freier Zugang zu den Kühlern über die ganze Länge der Kühlerabschnitte möglich ist. Horizontale Trennwände 77 an jeder Seite der Maschine trennen zusammen mit geneigten Wänden 78 den zum rechtsseitigen Abschnitt der Kühler strömenden Wasserstoff von dem aus dem linksseitigen Abschnitt der Kühler austretenden Wasserstoff. Durchlassöffnungen 79 in den Gehäusespantwänden 33 und 34 ermöglichen eine freie Zirkulation in der Kammer 75. Dies vervollständigt die erste Kühlstufe.
Anschliessend strömt der Wasserstoff axial durch eine Öffnung 80 in der Gehäusespantwand 17 in den zentralen Kanal 39, wobei in den Gehäusespantwänden 42 und 32 Öffnungen 81 vorgesehen sind, um eine freie Strömung in diesem Kanal zu ermöglichen. Der Wasserstoff strömt dann durch eine Öffnung 82 in der zylindrischen Wand 31 in die Ringkammer 70. Aus dieser Kammer wird der Wasserstoff direkt in das Gebläse 21 abgezogen, so dass auf diese Weise der Kreislauf geschlossen ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Dynamoelektrische Maschine mit einer Einrichtung zum Umwälzen eines gasförmigen Kühlmediums durch den Rotor und den Stator der Maschine und durch eine zweistufige Kühleinrichtung für das gasförmige Kühlmedium, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzeinrichtung nur ein Gebläse enthält, das an einem Ende der Rotorwelle angeordnet ist, und dass ein erster Strömungskreislauf für die Durchleitung eines Teiles des gasförmigen Kühlmediums durch einen Statorkühlweg und ein zweiter Strömungskreislauf für die Durchleitung des andern Teiles des gasförmigen Kühlmediums durch einen Rotorkühlweg vorgesehen sind, wobei der Strömungskreislauf für den Rotorkühlweg der Reihe nach durch Kühlkanäle im Rotor, eine Sammelkammer, die an dem dem Gebläse gegenüberliegenden Ende der Maschine angeordnet ist,
die erste Kühlstufe der Kühleinrichtung für das gasförmige Kühlmedium, das Gebläse und die zweite Kühlstufe der Kühleinrichtung für das gasförmige Medium verläuft.
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Dynamo-electric machine
The invention relates to a dynamoelectric machine with a device for circulating a gaseous cooling medium through the rotor and the stator of the machine and through a two-stage
Cooling device for the gaseous cooling medium.
In known dynamoelectric machines with a cooling system of the specified type, two separate flow circuits are provided for the cooling medium, the cooling medium being circulated in each of these two circuits by a separate fan and flowing through both part of the rotor and part of the stator in series. In this known arrangement, the cooling effect that can be achieved in the stator is limited from the outset because of the preceding increase in temperature of the cooling medium as it flows through the rotor, and it cannot be significantly improved in an economical manner even by a possible intermediate cooling.
As a result of the series connection of the rotor cooling and the stator cooling, in this known arrangement the cooling effect in the rotor and in the stator cannot be regulated independently, despite the use of two fans.
According to the invention, these disadvantages are avoided in a dynamo-electric machine with a cooling system of the type specified in the introduction in that the circulating device contains only one fan which is arranged at one end of the rotor shaft, and that a first flow circuit for passing through part of the gaseous cooling medium through a stator cooling path and a second flow circuit for the passage of the other part of the gaseous cooling medium through a rotor cooling path, the flow circuit for the rotor cooling path in sequence through cooling channels in the rotor, a collecting chamber which is arranged at the end of the machine opposite the fan , the first cooling stage of the cooling device for the gaseous cooling medium,
the fan and the second cooling stage of the cooling device for the gaseous medium runs.
In this way, quite apart from a simplified overall structure of the cooling system, there is the important advantage that, due to the parallel connection of the cooling paths through the stator and the rotor, each of these two machine parts is supplied with fully cooled cooling medium and both cooling paths can be regulated completely independently of one another, which the precise dimensioning of the machine is facilitated and the cooling system can be used economically. Since the full pressure of the cooling medium is also available for the stator cooling, relatively narrow axial channels are sufficient as passageways for the cooling medium in the stator core, so that the stator iron has to be weakened considerably less than is the case with the known cooling systems with relatively wide radial stator channels is.
Further features and advantages of the invention emerge from the following description, in which an alternating current turbo generator designed according to the invention is explained as an example with reference to the drawing. In the drawing, FIG. 1 shows a partially broken axonometric representation of the turbo generator, while FIGS. 2-5 show cross sections through the turbo generator along the lines 2-2, 3-3, 4-4 and 5-5 in FIG .
According to the drawing, a laminated stator core 10 is arranged eccentrically in a stator housing 11 in a known manner. The rotor 12 is mounted in bearings 13 which are arranged in end shields 14.
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In the upper part of the stator housing two coolers 15 and 16 are arranged offset from one another on the circumference, which, as can be seen from FIGS. 2-4, each on one side of the vertical center plane of the
Machine lying.
Each cooler consists of a bundle of tubes, which extend in the axial direction from one end of the generator housing to the other and can be connected to an external cooling circuit. With respect to the coolant flow, in particular hydrogen flow, each cooler is divided into two sections by an intermediate wall, not shown, which is aligned with a bulkhead wall 17 of the housing.
The stator winding is indicated generally at 18 and consists of hollow conductors. A liquid coolant is introduced into the winding at one end from two ring-shaped lines 19 and is discharged at the other end of the winding via two ring-shaped collecting lines 20. The ring-shaped lines are connected to an external cooling circuit.
The hydrogen used as coolant for the rotor is circulated in the machine by means of a multi-stage fan 21 which consists of a rotor 22 fastened to the generator rotor and a stator 23 fastened to a frustoconical support wall 24. This support wall is attached to an annular support wall 25, which in turn is attached to a bulkhead wall 26 of the housing.
After absorbing the heat from the machine, the hydrogen is cooled in two stages. The cooling in the first stage is carried out by passing the hydrogen through the right-hand sections of the two coolers 15 and 16. Then the hydrogen passes via the fan into the left-hand sections of the coolers, where the second stage of cooling takes place, and from there through the parts of the machine to be cooled back into the right-hand sections of the cooler, thus closing the circuit.
Starting from the outlet side of the fan, the partially cooled hydrogen is first conveyed into an annular space 27 which is formed between axially spaced intermediate walls 25 and 28. A frustoconical wall part 30 carried by the intermediate wall 28 forms a sliding seal with the rotor of the fan and serves to guide the hydrogen into the annular space 27. The outer shell of this chamber is formed by a wall 31 which is cylindrical between the housing bulkheads 29 and 32, but, as can best be seen from FIG. 3, extends in the area between the housing bulkheads 32 and 34 in the circumferential direction only between the coolers 15 and 16. The partition walls 24 and 30 form a diffuser on the outlet side of the fan.
The hydrogen passes from the annular space 27 through a passage 35 in the jacket wall 31 into two channels 36 and 37 which extend in the axial direction to the housing bulkhead wall 17 and which are separated from one another by two longitudinal walls 38 extending in the axial direction, one of which extends to the housing bulkhead wall 17 extending central channel 39 closed at its end by a transverse wall 40. Passages 41 are provided in the housing bulkhead 32 and in each of the intermediate housing bulkheads 42 in order to allow the hydrogen to flow in the longitudinal direction in the channels 36 and 37.
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runs.
The hydrogen then flows through openings 58 in the bulkhead wall 34 of the housing into a
Space 59 which is formed between a frustoconical wall part 60 and the right-hand end of the stator housing. A cylindrical wall portion 61 carried by the wall 60 forms a sliding one
Seal with the end cap 62 of the right-hand rotor end part 63.
The hydrogen then flows out of the annular space 59 through openings (not shown) that are similar to the inlet openings 52 in the end cap 53 into the rotor.
The rest of the hydrogen enters a group of axially offset radial channels 64 at the right end of the stator core and is fed along axial channels 65 in the core of a group of axially offset radial channels 66 at the other end of the core from there to the air gap of the generator .
The channels of the group 64 are closed at the ends facing the air gap, whereas the
Channels of group 66 are closed on the outer circumference of the stator core. Another group of axially offset from one another, closed at the end facing the air gap, radial channels 67 is provided at each end of the stator core, the gas entering these channels axially from the
Core emerges. The hydrogen entering the air gap via the group of channels 66 flows axially along the air gap into an annular space 68 which is between the right-hand end of the stator core and the
Wall 60 is formed.
Part of the hydrogen supplied to the left-hand end of the rotor passes the rotor winding overhang and is blown out via outlet openings 69 of the end cap 53 into an annular chamber 70, which is formed between the left end of the stator core and the wall 25, while the remaining
Part of the hydrogen flows in the axial direction through the winding and is blown out through radial openings 71 in the rotor core into the air gap.
The hydrogen entering on the right-hand side of the rotor partly flows in a similar way around the associated winding overhang and is blown out at the end cap 62 through outlet openings 72 into the annular chamber 68, while the rest flows axially through the rotor winding and via radial openings 73 into the air gap is blown out. The hydrogen emerging from the radial openings 71 and 73 also flows through the air gap into the annular chamber 68. An annular wall 74 at the left end of the stator prevents the fan 21 from sucking in hot hydrogen from the air gap.
The hydrogen flows circumferentially upward in the annular chamber 68 and in opposite directions through the right-hand portion of the coolers 15 and 16 into a space 75 at the top of the machine, which extends between the bulkheads 34 and 17, with openings 76 in the bulkhead walls 33 and 34 of the housing allow free access to the coolers over the entire length of the cooler sections. Horizontal partitions 77 on each side of the engine, together with inclined walls 78, separate the hydrogen flowing to the right-hand section of the coolers from the hydrogen exiting the left-hand section of the coolers. Passage openings 79 in the bulkheads 33 and 34 of the housing allow free circulation in the chamber 75. This completes the first cooling stage.
The hydrogen then flows axially through an opening 80 in the bulkhead wall 17 of the housing into the central channel 39, openings 81 being provided in the bulkhead walls 42 and 32 of the housing in order to allow a free flow in this channel. The hydrogen then flows through an opening 82 in the cylindrical wall 31 into the annular chamber 70. The hydrogen is drawn off from this chamber directly into the fan 21, so that the circuit is closed in this way.
PATENT CLAIMS:
1. Dynamoelectric machine with a device for circulating a gaseous cooling medium through the rotor and the stator of the machine and by a two-stage cooling device for the gaseous cooling medium, characterized in that the circulating device contains only one fan which is arranged at one end of the rotor shaft, and that a first flow circuit for passing part of the gaseous cooling medium through a stator cooling path and a second flow circuit for passing the other part of the gaseous cooling medium through a rotor cooling path are provided, the flow circuit for the rotor cooling path in sequence through cooling channels in the rotor, a Collecting chamber located at the end of the machine opposite the fan,
the first cooling stage of the cooling device for the gaseous cooling medium, the fan and the second cooling stage of the cooling device for the gaseous medium runs.