Turbogenerator mit unmittelbar gekühlter Ständer- und Läuferwicklung Die ständige Zunahme des Bedarfes an elektri scher Energie bedingt gleichzeitig eine Weiterent wicklung der elektrischen Betriebsmittel, die für die Erzeugung und Verteilung der Energie notwendig sind. Dies trifft insbesondere für die Turbogenerato ren zu, die für immer grössere Grenzleistungen ge baut werden müssen. Da aber gewisse Grenzen be züglich der Abmessungen dieser Generatoren, allein schon wegen der Möglichkeit des Transports, ge setzt sind, ist man bestrebt, bei gleichbleibender Maschinengrösse eine erhöhte Leistung zu erhalten, und in dieser Beziehung spielt die Kühlung der Maschine eine massgebende Rolle.
Im Zuge dieser Entwicklung wurde daher zuerst die unmittelbare Gaskühlung mittels Wasserstoff für die Ständer- und Läuferwicklung der Turbogenera toren vorgesehen, die dann später durch eine flüs sigkeitsgekühlte Ständerwicklung in Kombination mit einer gasgekühlten Läuferwicklung oder einer in direkten Kühlung der Läuferwicklung durch Flüssig keitskanäle im Läufereisen ersetzt wurde.
Schliesslich ist neuerdings auch die unmittelbare Flüssigkeitskühlung mit flüssigkeitsdurchflossenen Hohlleitern für die Läuferwicklung vorgeschlagen worden. In Zusammenhang mit dieser Kühlungsart ist aber zu beachten, dass nicht nur die Wärme, die durch die Ohmschen Verluste der Kupferwick lung, sondern auch jene, welche durch die Wirbel stromverluste in dem Läuferzahneisen (Pulsation des Luftspaltfeldes infolge Nutung) entsteht, abgeführt werden muss.
Dies hat zur Folge, dass die vom Läuferzahneisen herrührende Wärme über die Nu tenisolation an die Leiterkühlung gelangen muss, um durch diese auch weggeführt zu werden. Dies be dingt aber, dass die Kühlkanäle in den Hohlleitern der Läuferwicklung grösser bemessen werden müssen, wodurch sich eine entsprechende Verminderung des wirksamen Kupferquerschnittes und demzufolge auch der Maschinenleistung ergibt.
Ein weiterer Nachteil der flüssigkeitsgekühlten Läuferwicklung ist noch der grosse Unterschied zwi schen der Wärmedehnung des Läuferzahneisens und derjenigen der unmittelbar gekühlten Kupferleiter der Wicklung, wodurch konstruktive Schwierigkeiten ent stehen.
Der Zweck der Erfindung ist somit die Kühlung von Turbogeneratoren, deren Ständer- und Läufer wicklung unmittelbar gekühlt werden, noch zu ver bessern. Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass die Läuferwicklung mit einer Flüssig keit unmittelbar gekühlt wird und im Läuferzahneisen axiale Kühlkanäle vorgesehen sind, durch welche ein Teil dieser Flüssigkeit hindurchfliesst.
An Hand der Zeichnung sei ein Ausführungs beispiel der Erfindung näher erläutert, und zwar ist in Fig. 1 ein Turbogenerator teilweise im Axial schnitt und in Fig. 2 teilweise im Querschnitt ge zeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Turbogenerator, bei welchem der Läuferraum gegenüber dem Ständerraum gasdicht abgeschlossen ist und die Anwendung der Kühlan ordnung gemäss der Erfindung sich besonders günstig auswirkt.
Das Gehäuse des Generators ist in zwei gas dicht voneinander getrennte Räume unterteilt. Der Raum 1, der durch die Innenflächen des Ständer eisens 2 und den zwei Isolierzylindern 3, 4 ge bildet wird, enthält den Läufer 5, der eine zentrale Bohrung 6 aufweist, und dessen Wellenenden 7, 8 über Dichtungen nach aussen geführt sind. Für die Zuführung und Abführung der Kühlflüssigkeit ist das eine Wellenende 7 mit den konzentrischen Rohr anschlüssen 9, 10 versehen.
Der Läuferraum 1 ist über eine Rohrleitung 11 mit einer Vakuumpumpe 12 verbunden, die im Läuferraum einen Unterdruck bzw. ein Vakuum erzeugt.
Die Statorwicklung 13, die aus Hohlleitern be steht, wird mittels eines Gases, beispielsweise Wasser stoff, oder einer Flüssigkeit, z. B. C51 oder Wasser, in bekannter Weise unmittelbar gekühlt. Der Ständer raum 14 ist mit einem Gas, vorzugsweise inertem Gas, gefüllt, der gegenüber der Aussenluft einen klei nen Überdruck aufweist.
Die Läuferwicklung 15, die ebenfalls an Hohl leitern aufgebaut ist, wird mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasserdirekt gekühlt, und im Läufer zahneisen sind noch axiale Längskanäle 16 vorge sehen, die in unmittelbarer Nähe der Läuferober fläche angeordnet sind. Die Zufuhr der Kühlflüssig- keit zum Läufer erfolgt über den inneren Rohr anschluss 10, worauf die Flüssigkeit durch die zentrale Bohrung 6 fliesst. Am anderen Ende des Läufers gelangt ein Teil der Kühlflüssigkeit in die Hohl leiter der Wicklung 15, während ein anderer Teil über die radialen Kanäle 17 zu den axialen Läufer zahnkanälen 16 gelangt.
Die Kühlflüssigkeit, deren Strömungswege durch die Wicklung und Läuferzähne in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet sind, verlässt schliess lich die Läuferwelle 7 über den äusseren Rohran- schluss 9, d. h. am gleichen Maschinenende, wo es eingeführt wurde.
Durch die beschriebene unmittelbare Kühlung des Läuferzahneisens wird die in den Läuferzähnen vorkommende Wärme am Entstehungsort abgeführt, so dass nur die Ohmschen Verluste der Läuferwick- lung durch dessen unmittelbare Kühlung abgeführt werden müssen und die Kühlkanäle dementsprechend kleiner bemessen werden können, d. h. der zur Ver fügung stehende wirksame Kupferquerschnitt wird grösser.
Ferner ergibt sich durch diese kombinierte Kühlung der Wicklung und der Läuferzähne eine wesentliche Herabsetzung der Wärmedehnungsunter- schiede.
Es besteht auch noch die Möglichkeit, die Eisen- und Kupfertemperaturen unabhängig voneinander zu steuern. Bei einem Turbogenerator gemäss den Fig. 1 und 2, wo der Läufer in einem gasdichten Raum, der einen Unterdruck aufweist oder unter Vakuum steht, untergebracht ist, um die Reibungsverluste herab zusetzen, ist gerade die beschriebene kombinierte unmittelbare Kühlung für den Läufer von grosser Bedeutung, weil hier praktisch keine Wärme über den Luftspalt abgeführt werden kann.
Selbstverständ lich ist aber die Erfindung nicht auf Maschinen dieser Art beschränkt, sondern kann ohne weiteres auch bei Turbogeneratoren, wo Läufer- und Ständerraum nicht getrennt sind, zur Anwendung kommen und bringt auch dort eine wesentliche Verbesserung der Kühlung mit allen den bereits erwähnten Vorteilen mit sich.
Turbo generator with directly cooled stator and rotor windings The constant increase in the demand for electrical energy requires further development of the electrical equipment required for the generation and distribution of energy. This applies in particular to the turbo generators, which have to be built for ever greater power limits. However, since certain limits are set with regard to the dimensions of these generators, if only because of the possibility of transport, the aim is to obtain increased performance while maintaining the machine size, and in this regard the cooling of the machine plays a decisive role.
In the course of this development, direct gas cooling by means of hydrogen for the stator and rotor windings of the turbo generators was initially provided, which is then later replaced by a liquid-cooled stator winding in combination with a gas-cooled rotor winding or a direct cooling of the rotor winding through liquid channels in the rotor iron has been.
Finally, direct liquid cooling with waveguides through which liquid flows has recently been proposed for the rotor winding. In connection with this type of cooling, however, it should be noted that not only the heat generated by the ohmic losses in the copper winding, but also that generated by the eddy current losses in the rotor tooth iron (pulsation of the air gap field due to grooving) must be dissipated.
As a result, the heat from the rotor tooth iron must reach the conductor cooling via the groove insulation in order to be carried away by it. However, this requires that the cooling channels in the waveguides of the rotor winding must be larger, which results in a corresponding reduction in the effective copper cross-section and consequently also in the machine performance.
Another disadvantage of the liquid-cooled rotor winding is the large difference between the thermal expansion of the rotor tooth iron and that of the directly cooled copper conductor of the winding, which creates structural difficulties.
The purpose of the invention is thus the cooling of turbo generators, the stator and rotor winding are cooled directly, still to improve ver. According to the invention, this is achieved in that the rotor winding is cooled directly with a liquid and axial cooling channels are provided in the rotor tooth iron through which part of this liquid flows.
With reference to the drawing, an embodiment example of the invention will be explained in more detail, namely in Fig. 1, a turbo generator is partially cut in the axial and in Fig. 2 partially GE shows. This embodiment is a turbo generator in which the rotor space is sealed gas-tight from the stator space and the use of the cooling arrangement according to the invention has a particularly favorable effect.
The housing of the generator is divided into two gas-tightly separated rooms. The space 1, which is formed by the inner surfaces of the stator iron 2 and the two insulating cylinders 3, 4, contains the rotor 5, which has a central bore 6, and whose shaft ends 7, 8 are guided to the outside via seals. For the supply and discharge of the cooling liquid, one shaft end 7 is provided with the concentric pipe connections 9, 10.
The rotor space 1 is connected via a pipeline 11 to a vacuum pump 12, which generates a negative pressure or a vacuum in the rotor space.
The stator winding 13, which is made of waveguides be, is made by means of a gas, such as hydrogen, or a liquid, for. B. C51 or water, immediately cooled in a known manner. The stator space 14 is filled with a gas, preferably an inert gas, which has a small excess pressure compared to the outside air.
The rotor winding 15, which is also built on hollow conductors, is directly cooled with a liquid, preferably water, and in the rotor toothed iron are still axial longitudinal channels 16 provided, which are arranged in the immediate vicinity of the upper runner surface. The cooling liquid is supplied to the rotor via the inner pipe connection 10, whereupon the liquid flows through the central bore 6. At the other end of the rotor, part of the cooling liquid enters the hollow conductor of the winding 15, while another part passes through the radial channels 17 to the axial rotor tooth channels 16.
The cooling liquid, the flow paths of which through the winding and rotor teeth are indicated by arrows in FIG. 1, finally leaves the rotor shaft 7 via the outer pipe connection 9, ie. H. at the same end of the machine where it was introduced.
As a result of the described direct cooling of the rotor tooth iron, the heat occurring in the rotor teeth is dissipated at the point of origin, so that only the ohmic losses of the rotor winding have to be dissipated by its direct cooling and the cooling channels can be dimensioned correspondingly smaller, i.e. H. the available effective copper cross-section increases.
Furthermore, this combined cooling of the winding and the rotor teeth results in a significant reduction in the differences in thermal expansion.
It is also possible to control the iron and copper temperatures independently of one another. In a turbo generator according to FIGS. 1 and 2, where the rotor is housed in a gas-tight space which has a negative pressure or is under vacuum in order to reduce the friction losses, the combined direct cooling described is of great importance for the rotor because here practically no heat can be dissipated through the air gap.
Of course, however, the invention is not limited to machines of this type, but can also be used with turbo generators where the rotor and stator space are not separated, and there, too, brings a significant improvement in cooling with all the advantages already mentioned .