Die Erfindung betrifft einen Läufer einer elektrischen Maschine mit Kanälen innerhalb der Welle, der eine Wicklung aus Hohileitern, durch die eine Kühlflüssigkeit durchgelassen wird, und einen an der Bandage des Wikkelkopfes befestigten Wassersammler mit mindestens einer Druck- und mindestens einer Abflusskammer, die mit den Hohlleitern der Wicklung mit Hilfe von mindesteins zwei Längskanälen des Wassersammlers kommunizieren, enthält.
Der Bau von elektrischen Hochleistungsmaschinen, darunter auch der Turbogeneratorbau, entwickelt sich in der Richtung einer Steigerung der Einzelleistung. Die Leistungssteigerung eilt in der Praxis einer Vergrösserung des aktiven Volumens des Turbogenerators weit voraus, und dies bedeutet, dass die Ausnutzung der Maschine und in der Folge auch die elektromagnetische Auslastung deren aktiver Teile, insbesondere der Läuferwicklung, erhöht werden. Die Vergrösserung der Einzelleistung des Turbogenerators ist also mit der Notwendigkeit einer Intensivierung der Arbeit des Kühlsystems der elektrischen Maschine, insbesondere in bezug auf deren Läuferwicklung, verbunden.
Als der Turbogeneratorbau in den Anfängen steckte, erfolgte die Kühlung der Läuferwicklung durch eine in der Maschine umlaufende Luft, die die Wärme von der Wicklung durch Eisen und Isolation der Machine abnahm, es ging also um eine sogenannte indirekte Luftkühlung der Läuferwicklung. Die Leistung der Turbogeneratoren mit derartiger Kühlung erreichte 100 MW, jedoch erwies sich, wie die Erfahrungen zeigten, die Ausführung der Läuferwicklung des Turbogenerators mit einer indirekten Luftkühlung angefangen von der Leistung 30 MW, als unzweckmässig. Im weiteren würde daher bei den Turbogeneratoren mit einer Leistung von 30 bis 150 MW zur Kühlung der Läuferwicklung anstelle der Luft Wasserstoff als ein eine bessere Kühlwirkung (einen im Vergleich zu der Luft höheren WärmeaAbgabe- koeffizienten) aufweisendes Gas eingesetzt.
Auf diese Weise kann es zur indirekten Wassersfflkuhllung der Läuferwicklung, d.h. zur Wärmeableitung über Eisen u.
Isolation der Maschine, jedoch bereits mit Hilfe des in der Maschine unilaufenden Wasserstoffes.
Mit weiterer Leistungssteigerung der Maschine (über 150 MW) entstand die Notwendigkeit an einer noch grösseren Intensivierung der Kühlung der Läuferwicklung, deren Sinn auf eine unmittelbare Annäherung des Kühlmittels, des Wasserstoffes, an die blanken Windungen der Wicklung unter Umgehung von Eisen und Isolation, hinauslief. Der Wasserstoff begann das Wickelkupfer unmittelbar zu berühren. Derartige Kühlung wurde daher als unruittelbare Wssserstoffkühlurg der Läuferwicklung bezeichnet. Deren Vorteil besteht im Vergleich zur indirekten Kühlung darin, dass bei der Wärmeübertragung Temperaturunterschiede im Eisen und in der Isolation der Maschine ausgeschlossen werden.
Die unmittelbare Wasserstoffkühlung der Läuferwicklung des Turbogenerators erwies sich als derart effektiv und bewährte sich so gut, dass man dazu überging, derartige Turbogeneratorerz mit einer Leistung von 50 bis zu 1000 MW zu bauen.
Jedoch entsteht bereits beim Bau des Turbogenerators mit einer Leistung von 800 MW die Notwendigkeit an einer noch grösseren Kühlwirkung in bezug auf die Läuferwicklung. Zur Zeit werden daher Untersuchungen durchgeführt und sogar experimentelle Turbogeneratoren gebaut, zur Kühlung deren Läuferwicklung als Kühlmittel Wasser eingesetzt wird. Im Vergleich zum Wasserstoff liegen der Wärmeabgabekoeffizient und die Wär mekapazität des Wassers wesentlich höher.
Da aber ein Auftreffen des Wassers auf die Isolation und auf aktives Eisen der Maschine im Unterschied zum Gas unzulässig ist, so ging man zur Herstellung von Läuferwicklungen eines Turbogenerators aus Kupferrohren (Hohlrohrlei- tern) über, innerhalb deren das Kühlwasser - eine unmittelbare Wasserkühlung der Wicklung - zirkulierte.
Die Schwierigkeiten aber, auf die die Konstrukteure, Technologen, Pro duktionsarbeiter und das Bedienungspersonal bei der Entwicklung und Einführung von Maschinen mit derartigen Läufern stossen, gaben keine Möglichkeit, die erforderliche Technologiegerechtheit bei deren Herstellung und die Zuverlässigkeit im Betrieb zu erreichen, was eine vorläufige Einzelfertigung von Turbogeneratoren mit einer Wasserkühlung der Läuferwicklung bedingt.
Die Hauptschwierigkeiten entstehen bei der Verwirklichung der Wasserzufuhr in die Hohlräume der Wicklungsleiter, da es notwendig ist, eine derartige Isolierung des Systems der Wasserzuführung zu sichern, die einen elektrischen Durchschlag der Wicklung und die Möglichkeit der Entstehung elektrolytischer Prozesse ausschliesst.
Da an den Stellen der Wasserzuführung durch die bei der Drehung des Läufers (mit einer Geschwindigkeit bis zu 3000 Ulmin) entstehenden Fliehkräfte grosse Wasserdrücke (bis 200 atm) erzeugt werden, bereitet eine hermetische Abdichtung der Zuleitungen grosse Schwierigkeiten.
Es ist ebenfalls notwendig, eine Übertragung von Wellenschwingungen auf die Wasserzuleitungen zur Verhinderung deren Zerstörung sowie einer Störung deren hermetischer Abdichtung auszuschliessen, was eine komplizierte Aufgabe darstellt Es ist auch erforderlich, einen bequemen Zugang zu den Wasserzuleitungen bei deren Montage, Demontage und Reparatur zu sichern.
Diese Schwierigkeiten treten bei der Leistungssteigerung des Turbogenerators noch mehr in Erscheinung, da es notwendig ist, dessen Läufer intensiver zu kühlen. Im Zusammenhang damit sieht man sich gezwungen, die Anzahl hydraulischer Ketten zu vergrössern. Wenn man die Anzahl hydraulischer Parallelketten mit Ider Erhöhung des Wasserdurchflusses nicht vergrössert, so würde das zu einer übermässigen Vergrösserung des hydraulischen Widerstandes der gesamten Kühlleitung der Wicklung führen, was einen derartigen Wasserdruck innerhalb dieser hervorrufen würde, der den Wasserdruck unter der Wirkung von Fliehkräften um ein Vielfaches übertrifft, und dies würde die Aufgabe einer hermetischen Abdich- tung der Wasserzuleitung zur Wicklung praktisch unlösbar machen.
Auf solche Weise erwies es sich als notwendig, mehr parallele Kühlschaltungen für die Läuferwicklung eines Turbogenerators, d.h. eine Abkühlung mit der Wasserverteilung auf eine jede Windung und selbst Halbwindung der Wicklung, zu schaffen.
Die Praxis der Entwicklungsarbeit zeigt, dass es zur Schaffung des Läufers des Turbogenerators mit einer mehrparallelen Kühlschaltung für dessen Wicklung am zweckmässigsten ist, die Wicklungsschaltung mit einer Schleifen- (bzw. Wellen-)anordnung von Wickelköpfen zu verwenden, weil sich in diesem Fall jede Windung und Haibwindung der Wicklung als leicht zugänglich erweisen.
Die bei den Läufern der Turbogeneratoren als Regel verwendete Wicklung mit einer konzentrischen Anordnung von Wickelköpfen erweist sich wegen einer schlech ten Zugänglichkeit jeder Windung und Halbwindung für eine hydraulische Mehrparallelschaltung als wenig geeignet.
Bei einer Wasserkühlung der Läuferwicklung des Turbogenerators wird das Kühlwasser zuerst den Kanälen der Läuferwelle zugeführt, und erst aus den Kanälen angelangt es in die Wicklung. Der Abfluss des Wassers geschieht in umgekehrter Reihenfolge: das die Wicklung ankühlende Wasser kommt in Idie Kanäle der Welle und wind aus diesen abgeführt. Zwischen den Kanälen der Welle und der Wicklung muss also eine hydraulische Verbindung bestehen. Bei einer mehrparallelen Kühlschaltung der Läuferwicklung erwies es sich als bequem, für solch eine Verbindung einen Wassersammler einzusetzen.
< Ursprünglich wurden bei der Herstellung von Läufern mit der Wasserkühlung der Wicklung bei einer verhältnismässig geringen Anzahl hydraulischer Parallelzweige, beispielsweise mit der Wasserverteilung auf je zwei hydraulisch hintereinandergeschaltete Spulen, auf eine Spule oder eine Halbepule, Konstruktionen bohne Ausnutzung des Wassersammlers geschaffen, obwohl selbst in diesem Fall die Rolle des Wassersammlers die entsprechenderweise ausgeführten Kanäle der Welle od.
ein auf die Welle fest aufgesetzter und über seine Kammern mit den Kanälen in der Welle kommunizierender Ring übernahmen. Wenn aber 9m ersten Fall die Wasserzuführung (Ibzw. -abführung) erschwert ist, weil eine grosse Anzahl von Zu- und Ableitungen im Schaft der Läuferwelle aufgrund eines Raummangels praktisch nicht untergebracht werden kann, so wird im zweiten Fall der auf der Welle fest sitzende Wassersammler die Wellenschwingungen auf die Wasserzuleitungen der Wicklung übertragen, die wegen des Raummangels in Form von Kompensatoren dieser Schwingungen keineswegs ausgeführt werden können.
Die schweizerische Firma B.B.C. (s. The Brown
Bovery Review)), 11966, N. 9, S. 501 bis 511) hat eine Konstruktion des Turbogenerators mit einem Kühlsystem für dessen Läuferwicklung entwickelt, die seitens der Wasserzuführung, bzw. abführung schleifenartig atusgeführt worden ist. Hierbei ist der Wassersamm ler in Form eines von der Stirnseite des Wickelkopfes an einem freitragend angeordneten Bandagenring befestigten Zylinders hergestellt.
Der Wassersammler weist einen durch radiale Zwischenwände in zwei Druck- und Ab flusskanimern getrennten rinlgförmigen Hohlraum auf, wobei die Kammern mit den Kanälen im Schaft des Wassersammlecs unmittelbar kommunizieren, über die die Kammern mit der Wicklung mittels an deren Windungen befestigter Stutzen in (Verbindung stehen.
Der Wassersammler setzt sich aus zwei Teilen zusammen, zu deren hermetischer Abdichtung zwei ring förmigetEinlagen vorgesehen sind. Für den Zutritt zu Ideen Längskanälen des Wassersammlers, wo die Isolierund Dichtungsteile untergebracht sind, ist bei einer Re- paratur, eine Demontage des Wassersammlers erforderlich, was eine Störung der hermetischen Abdichtung nach sich zieht.
Eine Demontage des Wassersammlers ist ebenfalls für den Zutritt zu den Dichtungen von Radialrohren notwendig, über die die hydraulische Verbindung zwischen den Kammern des Wassersammllters und der Läuferwelle zustande kommt.
Gemäss der schweizerischen Patentschrift Nr. 447 353 HO2K9/ 16 vom Jahre 1967 kommt die hydraulische Verbindung zwischen den Kammern des Wassersammlers und der Läuferwelle mit Hilfe von innerhalb der Welle in einem Abstand von der Welle verlaufenden Ra- dialrohren und einem Zentralrohr zustande.
,Bei derariger Konstruktion ist eine Demontage und Störung der hermetischen Abdichtung des Wassersammlers notwendig, falls ein Zutritt zu den im Wassersamm ler untergebrachten Isolier- und Dichtungsteilen erforderlich wird.
Die Ausnutzung der auf der Welle sitzenden Radialrohre und des Zentralrohrs zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Wassersaminler und der Welle schafft grosse Schwierigkeiten bei der hermetischen Abdichtung der Rohre voneinander und der Ausbildung von zur Verhinderung der übertragung von Wellen schwingungen auf die Rohre notwendigen Abständen zwischen den Rohren und der Welle.
Zweck < d'er vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden.
Der Erfindung liegt eine derartige konstruktive Lösung für die Zu- und Abführung der Flüssigkeit von der Läuferwicklung der Maschine zugrunde, die einen freien Zugang zu den Isolier- und Dichtungsteilen des Wassersammlers sowie eine bequemere Montage der die Kammern des Wassersammlers mit den Kanälen der Welle verbindenden Rohre sichert.
Der erfindungsgemässe Läufer ist dadurch gekennzeichnet, dass d'ie genannten Längskanäle des Wassersammlers bis an dessen Stirnfläche reichen, die zugleich die Stirnfläche des Läufers darstellt, und mit den ge nannten Kammern des Wassersammlers mit Hilfe von Radialkanälen kommunizieren, wobei dessen mindestens eine Druckkammer und mindestens eine Abflusskammer zwischen den Längskanälen und der der Läuferwelle zugewandten Oberfläche des Wassersammlers liegen und die Löcher der Längskanäle auf der Aussenseite der Stirnfläche des Wassersammlers durch abnehmbare Ele- mente abgeschlossen sind.
Eis ist zweckmässig, das abnehmbare Element in Form einer Verschlussschraube auszuführen.
Es ist zweckmässig, dass die Druck- und Abflusskammern mit den Kanälen innerhalb der Welle mit Hilfe von längsgerichteten Rohren kommunizieren, deren ein Ende am Wassersammler und das andere am Fusse des aktiven Eisens der Läuferwelle Ibefestigt ist.
Es ist ebenfalls zweckmässig, dass die genannten Rohre in die Nuten der Läuferwelle eingelassen werden.
Die vorliegende Konstruktion des Läufers der elek- trischen Maschine kann eine weite Verwendung bei den Turbogeneratoren mit einer Leistung von 2000 MW und sogar mehr finden, wobei eine hohe Betriebszuverlässig- keit und eine einfache Herstellung bei der Produktion sichergestellt werden. Die Vorprüfungen und Forschungen unter Benutzung von Modellen und Versuchsinustern ergaben positive Resultate.
Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Teil des Läufers einer elektrischen Maschine seitens der Zu- und Abführung aus den Hohlräumen der Wicklung Ider Kühiflüssig- keit mit einem Wassersammler, dessen Druck- und Ab flusskammern in verschiedenen Querebenen liegen;
Fig. 2 einen Längsschulitt durch den Wassersammler, dessen Druck- und Abflusskammern in einer und derselben Querebene liegen;
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Wassersammler, dessen Druck- und Abflusskammem in einer und derselben Querebene liegen (einen Schnitt III-III nach Fig. 2).
Bei einer der möglichen Varianten hat der Läufer 1 (Fig. 1) der elektrischen Maschine eine aus voneinander durch Zwischenlagen 3 !isolierten blanken Hohlleitern 2 ausgeführte Wicklung. Die Leiter 2 der Wicklung sind in das aktive Eisen 4 des Läufers 1 eingebettet und ragen zum Teil daraus hervor. An jeden zwei Leitern 2 des aus dem aktiven Eisen 4 hervorragenden Wicklungsteil sind mit dem Wassersammler 6 über die Längskanäle 7 verbundene Stutzen 5 befestigt. Der Wassersammler 6 ist an einem freitragenden Bandagennng 8 angeordnet, der mit seiner Seite 9 am aktiven Eisen 4 des Läufers tbefe- stigt und vor Längsbewegungen durch eine Mutter 10 und einen Keil 11 zurückgehalten wird.
Der Wassersammler 6 weist ausser den Längskanälen 7 auch eine Druckkammer 12 und eine Abflusskammer 13 auf, die in Form von ringförmigen Hohlräumen ausgeführt sind.
Die Druckkammer 12 und die Abflusskammer 13 kommunizieren mit den Längskanälen 7 über in den Radialebenen des Wassersammlers 6 liegende Kanäle 14.
Die Druckkammer 12 und die Abflusskammer 13 kommunizieren mit den Kanälen 15 der Welle 16 des Läufers 1 mittels längsgerichteter Rohre 17, deren ein Ende 18 in einen der Kanäle 15 der Welle 16 am Fuss 19 des Kernes aus aktivem Eisen 4 und das andere Ende 20 in ein mit der Druckkammer 12 oder der Aibflusskam- mer 13 kommunizierendes Loch 21 des Wassersammlers 6 hineinkommt.
Die beiden Enden 18 und 20 jedes der Rohre 17 sind durch Einlagen 22 und 23 verdichtet. Die Längskanäle 7 reichen bis an die Stinfläche 24 des Wassersammlers, die ebenfalls als Stirnfläche des Läufers auftritt, und die durch diese Kanäle gebildeten Löcher sind durch Verschlussschrauben 25 und 26 abgedeckt. Darüber hinaus gibt es im Wassersammler ein durch eine Verschlfuss- schraube 27 abgedecktes Loch.
Der beschriebene Wassersammler wird für eine Läuferwicklung mit abwechselnden Druck- und Albfluss-Lei- tungsenden eingesetzt. Falls die aus aktivem Eisen des Läuferkernes herausragenden Druck- und Abfluss-Leitungsenden zu Bündeln zusammengefasst sind, von denen jedes lediglich aus Druck- oder Abfluss-Leitungsenden besteht, wird ein Wassersammler 6a (Fig. 2) eingesetzt, der sich von dem vorstehenden dadurch unterscheidet, dass die Druckkammern 12a und die Abflusskammern 1 3a (Fig. 3) in einem ringförmigen Hohlraum 28 des Wassersammlers 6a (Fig. 2) liegen, der durch radiale Zwischenwände 29 (Fig. 3) in die Kammern 12a und 13a bildende Teile getrennt ist.
Die Kühlflaissigkeit für die Leiter 2 (Fig. 1) der Wicklung des Läufers 1 gelangt aus den Kanälen 15 der Welle 16 in die Rohre 18 und daraus in die Druckkam- mer 12 (Fig. 1) oder 12a (Fig. 3) und kommt durch die Kanäle 14 (Fig. 1) oder die Kanäle 14a (Fig. 2) in die Kanäle 7 (Fig. 1) oder die Kanäle 7a (Fig .2). Dann gelangt die Kühlflüssigkeit durch die Stutzen 5 (Fig. 1) in die Leiter 2 der Wicklung des Läufers 1. Der Ablauf der Kühlflüssigkeit geschieht in ähnlicher Weise.
Der Zugang zu den Isolier- und Dichtungsteilen des Wassersammlers, die in dessen Kanälen untergebracht sind, erfolgt durch ein einfaches Abschrauben der Verschlussschrauben 25, 26, 27.