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Diese Erfindung bezieht sich auf rotierende, elektrische Maschinen mit einem Gegenstromven- tilationssystem.
Beim Gegenstromkühlen von rotierenden elektrischen Maschinen wird kaltes Gas gleichzeitig dem Stator und dem Rotor zugeführt, indem parallele Einlasswege zum Statorkern und zum Rotor- eingang geschaffen werden. Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, strömt kaltes Gas von einem Kühler in den Bereich an der Rückseite des Statorkemes, der Ablenkbleche zur Steuerung der Luftströmung durch den Statorkern enthalten kann, und in den Luftspalt. Kaltes Gas strömt aber auch vom Kühler in die Enden des Rotors und im allgemeinen durch Kühlgashilfsschlitze und radial nach aussen durch Gasströmungsdurchlässe in den Rotorschlitzen zum Luftspalt. Ein am Rotor befestigter Ventilator zieht das Gas aus dem Luftspalt ab und führt es im Kreislauf zurück zum Kühler.
Das Abziehen der Kühlgasströmung erfolgt in den Luftspalt hinein und aus den ringförmi- gen Ausgängen an den Enden des Luftspaltes heraus. In den Statorendbereichen verläuft der Kühlgasströmungspfad über das Statorkernende, den Flansch, die Magnetflussabschirmung (falls vorhanden), die Wicklungsköpfe und zum Ventilatoreingang. Als Kühlgas werden allgemein Luft und Wasserstoff verwendet.
Früher waren Maschinen mit Gegenstrom-Rotorventilation grosse Wasserstoffgeneratoren mit grossen Luftspalten zwischen Rotor und Stator. Der grosse Luftspalt trug dazu bei, den Druckgra- dienten entlang des Luftspaltes zu verringern. Abgesehen davon war die Strömungsverteilung durch den Statorkem keineswegs gleichmässig, weil sie nur durch die Umlenkung an der Rückseite des Statorkernes gesteuert wurde, was den Strömungswiderstand der Maschine erhöhte. Die Rotorventilatoren waren vom axial auskragenden Typ und die Ventilatorleistung wurde durch gebogene, vordrehende Flügel erhöht. Vordrehende Flügel erhöhen jedoch die Kosten und die Komplexität der Maschine.
Das Ventilationssystem eines Gegenstromgenerators mit einem schmalen Luftspalt ist inhärent mit einem hohen Druckabfall im Luftspalt zwischen Rotor und Statorkem verknüpft. Eine Analyse dieser Maschinen ergab eine heisse Stelle in der axialen Mittellinie der Maschine. Breitere und längere Maschinen führen zu noch höheren Drücken, weil bei der Gegenstrom-Rotorventilation sowohl die Rotor- als auch die Statorkühlgasströmung in den Luftspalt abgezogen wird und das gesamte Gas aus dem begrenzten Ringbereich an den Enden des Spaltes zwischen dem Rückhal- tering des Rotors und dem Ende des Statorkernes austreten muss. Der erhöhte Druckabfall im Luftspalt erfordert eine höhere Ventilatorleistung, um angemessene Statorkernströmungen auf- rechtzuerhalten. Dies führt zu erhöhten Ventilatorluftwiderstandsverlusten und einem geringeren Maschinenwirkungsgrad.
Zusätzlich hat der grosse Druckabfall im Luftspalt eine mangelnde Stator- kühlströmung in der Mitte des Generators zur Folge, wo der Luftspaltdruck am grössten und der Differenzdruck über den Statorkem am kleinsten ist.
Die wärmeerzeugenden Komponenten im Statorendbereich umfassen die Wickelköpfe, den Flansch, die Leiterschienen und die elektrischen Anschlussleitungen und Verteiler, welche zu den Maschinenanschlüssen führen. Die Magnetflussabschirmung (falls vorhanden) stellt eine weitere wärmeerzeugende Komponente dar. Wenn eine festgelegte Druckhöhe verwendet wird, um die Strömung anzutreiben, und wenn die Komponenten im Endbereich zur Gänze mit parallelen Strö- men gekühlt werden, wird das Strömungsvolumen maximiert, was zu erhöhten Strömungsverlusten und einem verringerten Maschinenwirkungsgrad führt. Wenn hingegen alle Komponenten in Serie gekühlt werden, sind die stromabwärtigen Komponenten signifikant heisser als jene stromaufwärts, was zu einem System führt, das allgemein eine grössere Druckhöhe erfordert und einen verringer- ten Maschinenwirkungsgrad besitzt.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, ein Kühlsystem für das Statorende einer rotierenden elektri- schen Maschine zu schaffen, das allen wärmeerzeugenden Komponenten in effizienter Weise Kühlgas zuführt bzw. an diese verteilt, während gleichzeitig eine gleichmässige Temperatur inner- halb vorgegebener Grenzen eingehalten wird, und das eine minimale Gasströmung und eine minimale Druckhöhe erfordert.
Dieses Ziel wird bei einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem Stator, einem Rotor und einem Gegenstrom-Kühlsystem, bei welchem die durch Rotor und Stator verlaufenden Kühlgasströme einander entgegengesetzt sind, erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass sie ein Statorendbereich-Kühlsubsystem mit einem seriell-parallelen Kühlgasströ- mungspfad durch die Statorendbereich-Komponenten aufweist, wobei die Statorendbereich- Komponenten Leiterschienenabschnitte mit daran befestigten Ablenkblechen zum Leiten des
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Kühlgases durch die Leiterschienenabschnitte umfassen, sowie eine mit zumindest einer Öffnung versehene Platte zum Aufteilen des Kühlgases in einen ersten Anteil, der von den Ablenkblechen in einem ersten, seriellen Pfad durch die Leiterschienenabschnitte gerichtet wird, und einen zwei- ten Anteil, welcher in einem zweiten,
parallelen Pfad durch die Öffnung, zwecks Vereinigung mit dem ersten Anteil an einem Punkt stromabwärts der Leiterschienenabschnitte, strömt.
Gemäss der Erfindung wird somit die Kühlströmung im Statorendbereich in einen Seriell- Parallelpfad gelenkt, wobei der serielle Strom verschiedene Komponenten hintereinander kühlt und der parallele Strom aus kühlerem Gas in den seriellen Strom an einem Punkt stromabwärts der seriengekühlten Komponenten wiedereintritt. Dadurch wird das Statorende in wesentlich effizente- rer Weise gekühlt als bei den bekannten Vorrichtungen, wobei eine gleichmässige Temperatur innerhalb vorgegebener Grenzen bei minimaler Gasströmung und minimaler Druckhöhe gewähr- leistet wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in an sich bekannter Weiser ein Flansch am und in einem Abstand vom Ende des Statorkernes liegt, um einen ersten Strömungspfad dazwischen auszubilden, der strömungstechnisch parallel zu den von der Platte mit ihrer Öffnung aufgeteilten Pfaden liegen soll. An dieser Stelle sei erwähnt, dass diese Massnahme an sich aus der DE 32 42 018 bekannt ist, allerdings dort nicht in Verbindung mit einem seriell-parallelen, sondern nur einem seriellen Kühlgasströmungspfad. Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Maschine in an sich bekannter Weise einen Gegenstrom- Rotorventilator auf, der axial innerhalb der Leiterschienen liegt, wobei diese Leiterschienen in den Statorendbereich-Komponenten liegen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der anschliessenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen gegeben wird. Fig. 1 zeigt ein Gegenstromventilationssystem mit einem zentralen Abzugskanal im Statorkern; Fig. 2 zeigt ein Gegenstromventilationssystem mit zwei Abzugkanälen, welche beidseits der Mittellinie des Statorkemes liegen; Fig. 3 zeigt ein seriell- paralleles Kühlen des Endbereiches des Statorkernes; Fig. 4 zeigt ein paralleles Kühlen des Sta- torkernendbereiches; und Fig. 5 zeigt ein serielles Kühlen des Statorkernendbereiches.
In Fig. 1 ist eine Maschine 1 mit einem Gegenstromventilationssystem dargestellt. Die Maschi- ne weist einen Rotor 2, einen Luftspalt 7, einen Statorkern 3, Leiterschienen bzw. Wicklungsköpfe 11, Kühler 9 und einen Gegenstrom-Rotorventilator 10 auf. Der Statorkem 3 ist mit einem oder mehreren zentralen Kanälen 4 versehen, die sich vom Luftspalt 7 zu einem Ansaugluftsammler 5 erstrecken. Der Ansaugluftsammler 5 liegt auf der Rückseite des Statorkernes und ist von den Kerneinlassströmungsbereichen isoliert. Leitungen 6 gehen axial von jeder Seite des Ansaugluft- sammlers aus und münden in einen Bereich 8 neben den Wicklungsköpfen 11. In den Bereichen 8 vermischt sich das abgezogene Gas mit einer kontrollierten Menge an kaltem Gas, welches aus dem Kühler 9 strömt.
Bei der Ausführungsform von Fig. 2 sind zwei oder mehr zentrale Kanäle 4 im Statorkem 3 angeordnet. Die zentralen Kanäle liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Axialmittellinie. In der Ebene senkrecht zur Achse der Maschine können auch mehr als ein zentraler Kanal liegen. Die übrigen Komponenten in Fig. 2 sind die gleichen wie in Fig. 1 und in der gleichen Weise bezeich- net. Weitere axial versetzte Kanäle können verwendet werden.
Sowohl bei der Ausführungsform von Fig. 1 als auch bei der von Fig. 2 wird das Gas im Luft- spalt 7 durch die Kanäle radial nach aussen zum Ansaugluftsammler 5 geleitet, axial zum Bereich 8 geführt und in einen vom Kühler 9 kommenden kalten Luftstrom abgeführt. Diese Konstruktion verringert den Luftdruck im Luftspalt 7 zwischen Rotor und Statorkern und verringert den Druckab- fall.
Der geringere Luftdruck und der verringerte Druckabfall im Luftspalt 7 verringern den Maschi- nenwiderstand und reduzieren den Ventilatordruck, der erforderlich ist, um dieselbe Kühlströmung zu erzielen. Auf Grund des verringerten Maschinenströmungswiderstandes können vordrehende Flügel vermieden werden. Es kann ein kleinerer Ventilator verwendet werden, was die Ventilator- luftwiderstandsverluste verringert. Auf Grund des reduzierten axialen Druckgradienten im Luftspalt 7 vom Mittelpunkt der Maschine bis zum Ausgang des Luftspaltes wird die Strömung durch die Mittelkanäle des Statorkernes 3 begünstigt und eine gleichförmigere Kühlung des Statorkernes stellt sich ein.
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Gemäss Fig. 3 weist der Endbereich des Statorkernes Leiterschienen bzw. Wicklungsköpfe 11, einen Flansch 12, eine Magnetflussabschirmung 13, eine Platte 14, Ablenkbleche 15 und Strom- kreisringe 16 auf. Ferner sind in Fig. 3 auch die Strömungspfade des Kühlgases dargestellt. Das Kühlgas wird zunächst in parallelen Strömungspfaden über mehrere wärmeerzeugende Kompo- nenten gelenkt. Diese parallelen Strömungspfade verlaufen zwischen dem Ende des Statorkernes 3 und dem Flansch 12, zwischen dem Flansch 12 und der Magnetflussabschirmung 13, zwischen den Stromkreisringen 16 und den (nicht gezeigten) elektrischen Phasenanschlussleitungen, und durch die äussersten Enden der Leiterschienen 11 hindurch. Die ersten beiden Strömungspfade auf beiden Seiten des Flansches 12 werden durch die Grösse, Länge und Fläche der anwesenden Kanäle individuell reguliert.
Diese beiden parallelen Strömungspfade setzen sich durch Abschnitte der Leiterschienen hindurch zum Gegenstrom-Rotorventilator 10 fort.
In einem dritten parallelen Strömungspfad strömt Gas über die Stromkreisringe 16 und die elektrischen Anschlussleitungen und teilt sich in zwei Anteile. Der erste Anteil, gezeigt durch Pfeil a, bildet eine serielle Strömung, kühlt den äussersten Abschnitt der Leiterschienen 11, tritt dann wie- der ein und kühlt den zweitäussersten Abschnitt der Leiterschienen 11, gezeigt durch Pfeil b. Der zweite Anteil tritt durch eine Öffnung 14a in der Platte 14 und vereinigt sich mit dem ersten Anteil, wobei die vereinigten Anteile durch einen dritten Abschnitt der Leiterschienen 11, gezeigt durch Pfeile c, und zum Gegenstrom-Rotorventilator 10 strömen. Die Pfade des ersten und des zweiten Anteiles werden durch das Ablenkblech 15 und die Ausbildung der Leiterschienen 11 gesteuert.
Die Grösse der Öffnungen 14a in der Platte 14 steuert die Menge an Kühlgas des zweiten Anteiles, die mit dem Kühlgas des ersten Anteiles gemischt wird, welcher durch den äussersten Abschnitt der Leiterschienen strömt.
Im dritten parallelen Strömungspfad strömt der erste Kühlgasanteil (Pfeile a, b) in Serie durch die einzelnen Leiterschienenabschnitte in den Statorendbereich-Komponenten und hat am Ort der Vermischung mit dem zweiten Anteil eine signifikante Temperaturerhöhung gegenüber dem zwei- ten Anteil erfahren, welcher nur über die Stromkreisringe 16 geströmt ist. Die Injektion und Vermi- schung an diesem Punkt des verhältnismässig kühleren zweiten Anteiles mit dem ersten Anteil erzeugt Kühlgas geringerer Temperatur und grösserer Geschwindigkeit zum Kühlen der stromab- wärtigen Leiterschienenabschnitte.
Diese Anordnung des Unterteilens des Kühlgases in Seriell- und Parallelströmungszweige und des Wiedervereinigens und Mischens des kühleren Gases mit dem erwärmten Gas des seriellen Pfades ermöglicht eine Regelung der Kühlströmungsrate und Temperatur für jede einzelne wärmeerzeugende Komponente.
Die Konstruktion des dritten parallelen Strömungspfades in der Weise, dass Kühlgas über die Stromkreisringe 16 und die elektrischen Phasenanschlussleitungen strömt, verbessert ihre Kühlung.
Die Öffnungen 14a in der Platte 14, die annäherend unterhalb der Stromkreisringe 16 liegen, verbessern die Strömung des Kühlgases zwischen den Stromkreisringen 16. Es ist aber zu beach- ten, dass am gegenüberliegenden Ende der Maschine keine Stromkreisringe oder elektrischen Phasenanschlussleitungen vorhanden sind und daher dort nur eine geringere Vorerwärmung des Kühlgases vor der Aufteilung in den ersten und den zweiten Anteil stattfindet.
Bei Gegenstrommaschinen, bei denen keine stationären Führungsflügel vorhanden sind, muss ein glatter Einlass für die Luftströmung stromaufwärts des Gegenstrom-Rotorventilators vorgesehen werden. Die Anforderungen an die Strömungsverteilung und den Ventilatordruck werden durch die in Fig. 3 gezeigte Anordnung optimiert, indem eine abgeschirmte und graduelle Abzugszone für die Strömung im Statorkernendbereich geschaffen wird. Der Abzug der Strömung durch die abgewin- kelten Leiterschienen 11erfolgt in einem so ausreichendem Abstand stromabwärts zum Gegen- strom-Rotorventilator 10 hin, dass eine allmähliche Wiedervereinigung der Strömung des Endbe- reiches mit der Statorkemströmung und der Rotorströmung ermöglicht wird. Dies reduziert weiter die Strömungsverluste und die Anforderungen an die Ventilatorpumpleistung.
Bei Maschinen mit axial ausserhalb der Leiterschienen 11 in den Statorendbereich- Komponenten liegenden Ventilatoren und mit einer nur ein einziges Mal hindurchgehenden Kühl- gasströmung bietet die Länge der Maschine genug Raum für die Montage stationärer Führungsflü- gel, um die Verteilung und Lenkung der Strömung am Ventilatoreingang zu steuern. Bei Konstruk- tionen mit axial innerhalb der Leiterschienen 11in den Statorendbereich-Komponenten liegenden Gegenstrom-Rotorventilatoren wäre jedoch ein nur ein einziges Mal hindurchgehendes paralleles Kühlen nicht wirksam und eine einfache mehrmals hindurchgehende serielle Strömung ebenfalls
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nicht effizient.
Hingegen ist die hier beschriebene Seriell-Parallelströmungsverteilung bei Konstruk- tionen, bei denen die Gegenstrom-Rotorventilatoren 10 axial innerhalb der Statorschienen 11 liegen, besonders wirksam.
Fig. 4, die ein ausschliesslich paralleles Kühlen im Statorendbereich zeigt, und Fig. 5, welche ein ausschliesslich serielles Kühlen im Statorendbereich zeigt, sind Kühlkonfigurationen, die zum Vergleich mit dem neuartigen Seriell-Parallelkühlen von Fig. 3 dargestellt sind. In Fig. 4 strömt das gesamte Kühlgas für die Leiterschienen 11durch parallele Pfade. Weil sich die innere Luftabschir- mung innerhalb der Leiterschienen 11 erstreckt, u.zw. wegen des axial innerhalb liegenden Gegenstrom-Rotorventilators, erhalten die äussersten Abschnitte der Wicklungsköpfe keine ausrei- chende Kühlung. Bei dem einfachen Serienkühlgasströmungspfad von Fig. 5 wird die gesamte Kühlgasströmung dazu gezwungen, durch die Wicklungsköpfe zu strömen.
Dies erfordert einen signifikant höheren Ventilatordruck, um das gleiche Strömungsvolumen anzutreiben, und somit einen Ventilator mit grösserer Pumpleistung. Andernfalls könnten die stromabwärtigen Leiterschie- nenabschnitte signifikant heisser werden, mit der Folge von höheren und ungleichmässigen Betriebstemperaturen, welche zu einer Beeinträchtigung der elektrischen Isolierung oder zu einem Lockern von Teilen auf Grund der ungleichmässigen Wärmedehnung führen können.
Bei Gegenstrommaschinen mit zentraler Statorkernkühlung wie in den Fig. 1 und 2 wird ein Teil des heissen Gases vom zentralen Bereich des Statorkernes in den Statorendbereich abgeführt.
Zusätzliches kaltes Gas wird eingebracht und mit dem heissen Gas vorgemischt, was eine gewisse Erhöhung der Kühlströmung im Endbereich bewirkt. Wenn die Gegenstromkühlventilatoren axial innerhalb der Statorkern-Leiterschienen liegen, ist das Seriell-Parallelkühlen des Statorendberei- ches effizienter als ein nur ein einziges Mal hindurchgehendes paralleles Kühlen und effizienter als ein serielles Kühlen.
Das Mittelabzugsventilationssystem und dessen Variationen ermöglichen eine gute Funktion des Gegenstromkühlens auch bei breiteren Maschinen mit längeren und schmäleren Luftspalten.
Bei kleineren Maschinen verringert das Ventilationsprinzip die Luftwiderstandsverluste und erhöht den Maschinenwirkungsgrad.
Die seriell-parallele Konfiguration der Strömungspfade am Statorende schafft eine gleichmässi- ge Betriebstemperatur für die Komponenten im Endbereich, minimiert das Kühlströmungsvolumen, reduziert die Ventilatorpumpleistung, optimiert den Ventilatordruck, gewährleistet eine allgemeine und allmähliche Wiedervereinigung der Strömung stromabwärts bis zum Eingang des Gegenstrom- Rotorventilators und erhöht den Gesamtwirkungsgrad der Maschine.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, die derzeit als die praktischsten und bevorzugten Ausführungsformen betrachtet werden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern viel- mehr beabsichtigt ist, verschiedenste Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die im Geist und Rahmen der angeschlossenen Ansprüche enthalten sind.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Rotierende, elektrische Maschine, mit einem Stator, einem Rotor und einem Gegenstrom-
Kühlsystem, bei welchem die durch Rotor und Stator verlaufenden Kühlgasströme einan- der entgegengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Statorendbereich-
Kühlsubsystem mit einem seriell-parallelen Kühlgasströmungspfad durch die Statorendbe- reich-Komponenten aufweist, wobei die Statorendbereich-Komponenten Leiterschienen- abschnitte mit daran befestigten Ablenkblechen (15) zum Leiten des Kühlgases durch die
Leiterschienenabschnitte umfassen, sowie eine mit zumindest einer Öffnung (14a) verse- hene Platte (14) zum Aufteilen des Kühlgases in einen ersten Anteil, der von den Ablenk- blechen (15) in einem ersten, seriellen Pfad durch die Leiterschienenabschnitte (Pfeile a, b) gerichtet wird, und einen zweiten Anteil, welcher in einem zweiten,
parallelen Pfad durch die Öffnung (14a), zwecks Vereinigung mit dem ersten Anteil an einem Punkt (Pfeil c) stromabwärts der Leiterschienenabschnitte, strömt.