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PATENTANSPRÜCHE
1. Elektrische Maschine mit einem Läufer, einem mit Kühlmittel gefüllten Ständer, welcher Kanäle zum Durchströmen des Kühlmittels aufweist, sowie einem luftdichten Mantel, der den Ständer vom Läufer abtrennt und Zellen für Stirnteile der Ständerwicklung bildet, welche mittels der genannten Ständerkanäle sowie durch eine mit einem Kühler verbundene Aussenrohrleitung für den Umlauf des Kühlmittels im Ständer miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenrohrleitung mindestens teilweise über dem Ständer (3) verlegt ist, derart, dass ein aufsteigender (9) sowie ein absteigender (10) Strang des Kreislaufs gebildet werden, und der Kühler (11) im oberen Teil des absteigenden Stranges (10) angeordnet ist und eine Flüssigkeit als Kühlmittel dient.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen im aufsteigenden Strang (9) des Kreislaufs angeordneten Heizkörper (13) aufweist, durch welchen der gerichtete Umlauf im Zeitpunkt des Anlassens der elektrischen Maschine beschleunigt wird.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper im unteren Teil des aufsteigenden Stranges (9) des Kreislaufs in unmittelbarer Nähe vom Ständer (3) angeordnet ist.
4. Elektrische Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aufsteigende Strang (9) des Kreislaufs mindestens teilweise sowie der an diesen anliegenden Teil des Ständers (3) mit einer Wärmeisolierung (14) versehen ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit Ständer-Flüssigkeitskühlung. Insbesondere ist eine solche Maschine als Turbogenerator ausgebildet.
Es sind elektrische Maschinen mit Direktflüssigkeitskühlung des Kernes und der Ständerwicklung bekannt (s. W.W.
Titow u.a.: Turbogeneratory, rastschot i konstrukzija /Turbogeneratoren, deren Berechnung und Aufbau Energie-Verlag, Moskau, 1967, S. 200), in welchen die Kühlflüssigkeit in Kanälen umläuft, die in einzelnen in Radial- bzw. Axialkanälen des Ständerkernes und der Wicklung angeordneten Körpern (Rohren, Segmenten u.a.) ausgeführt sind. Die Kühlungsbaugruppen solcher Maschinen haben einen komplizierten Aufbau und sind wegen der in ihnen enthaltenen zahlreichen Verbindungen unzuverlässig. Einen unerlässlichen Bestandteil des Kühlmittelkreislaufs bildet ein Gebläse (Pumpe, Verdichter u.ä.).
Es ist ferner eine elektrische Maschine (s. US-PS Nr.
353 032) bekannt, welche einen Läufer und einen Ständer enthält, der vom Läufer mit einem luftdickten Mantel abgetrennt ist, welcher geschlossene Zellen für Stirnteile der Ständerwicklung bildet, die mittels Formkanäle mit Radial- und Axialabschnitten sowie durch eine Aussenrohrleitung für den Umlauf des Kühlmittels im Ständer miteinander verbunden sind. In der Aussenrohrleitung sind die Kühler und ein Gebläse (Pumpe oder Lüfter) angeordnet. Von dem für den zwangsläufigen Umlauf des Kühlmittels bestimmten Gebläse wird eine gewisse Energiemenge verbraucht, wodurch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine gesenkt wird. Dar über hinaus wird die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine durch Vorhandensein der Einrichtungen mit beweglichen Bauteilen und -gruppen gesenkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu entwickeln, in welcher durch Ausnutzung von Energie der Wärmeverlust in wirksamen Ständerteilen die erforderliche Kühlwirkung an wirksamen und konstruktiven Ständerteilen gesichert, der Energieaufwand für die Kühlung gesenkt und der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine bei hoher Zuverlässigkeit und einfacher Bedienung erhöht werden.
Die gestellte Aufgabetwird dadurch gelöst, dass in einer elektrischen Maschine, welche einen Läufer, einen mit Kühlmittel gefüllten Ständer mit Kanälen zum Durchströmen des Kühlmittels sowie einen luftdichten Mantel enthält, der den Ständer vom Läufer abtrennt und Zellen für Stirnteile der Ständerwicklung bildet, die mittels der genannten Ständerkanäle sowie durch eine mit einem Kühler verbundene Aussenrohrleitung für den Umlauf des Kühlmittels im Ständer miteinander verbunden sind, die Aussenrohrleitung erfindungsgemäss mindestens teilweise über dem Ständer verlegt ist, derart, dass ein aufsteigender und ein absteigender Strang des Kreislaufs gebildet werden, und der Kühler im oberen Teil des absteigenden Stranges angeordnet ist und eine Flüssigkeitkeit als Kühlmittel dient.
Im aufsteigenden Strang des Kreislaufs kann zweckmässigerweise ein Heizkörper angeordnet sein, durch welchen der gerichtete Umlauf im Zeitpunkt des Anlassens der elektrischen Maschine beschleunigt wird.
Es ist zweckmässig, den Heizkörper im unteren Teil des aufsteigenden Stranges des Kreislaufs in unmittelbarer Nähe vom Ständer anzuordnen. Dabei wird die Wirkung des Heizkörpers auf den Umlauf des Kühlmittels erhöht.
Zu diesem Zweck ist es ferner empfehlenswert, den aufsteigenden Strang des Kreislaufes mindestens teilweise sowie den an diesen anliegenden Ständerteil mit Wärmeisolierung zu versehen.
Bei der beschriebenen Ausführung der elektrischen Maschine erübrigt sich der Einsatz des Gebläses im Kühlflüssigkeitskreislauf dank der Ausnutzung von Energie der Wärmeverluste in wirksamen Ständerteilen, durch welche der Umlauf der Kühlflüssigkeit infolge der Differenz der Wichten der erwärmten und der gekühlten Flüssigkeit verursacht wird.
Somit wird der Energieaufwand für die Kühlung des Ständers gesenkt sowie die Zuverlässigkeit und der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist die erfindungsgemässe elektrische Maschine mit Ständerkühlung im Schnitt gezeigt.
Die erfindungsgemässe elektrische Maschine enthält einen Läufer 1, der von einem Ständer 3 durch einen luftdichten Mantel 2 abgetrennt ist. Die Kühlung des Läufers 1 wird unabhängig von der Kühlung des Ständers 3 auf eine an sich bekannte und geeignete Weise gesichert. Aus diesem Grunde ist die Kühlanlage des Läufers 1 in der Zeichnung nicht gezeigt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung stellt der luftdichte Mantel 2 einen im Ringspalt zwischen den Läufer 1 und dem Ständer 3 angeordneten Zylinder dar, welcher sich auf die gesamte Länge des Gehäuses des Ständers 3 erstreckt.
Der Ständer 3 weist üblicherweise einen Kern 4 und eine Stabwicklung auf, deren Stirnteile 5 in der Zeichnung gezeigt sind. Im Kern 4 des Ständers 3 sowie in den Wicklungsstäben einschliesslich der Wicklungsstirnteile 5 sind Kanäle 6 zum Durchströmen der Kühlflüssigkeit ausgeführt.
Es ist von Vorteil, die genannten Kanäle zur Herabsetzung des Strömungswiderstandes als Axialkanäle auszuführen. Der luftdichte Mantel 2 bildet, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist, ringförmige Zellen 7 und 8 für die Stirnteile 5 der Wicklung des Ständers 3, welche von dem Gehäuse des Ständers 3, den Stirndeckeln, dem luftdichten Mantel 2 sowie dem Endteil des Kernes 4 des Ständers 3 begrenzt sind. Die Zellen 7 und 8 sind mittels der Kanäle 6 sowie durch eine minde
stens teilweise über dem Ständer 3 verlegte Aussenrohrleitung miteinander verbunden. Die Aussenrohrleitung ist für den Umlauf der Kühlflüssigkeit bestimmt und schliesst den von den Zellen 7 und 8 für Stirnteile der Ständerwicklung, den Kanälen 6, dem aufsteigenden Strang 9 sowie dem absteigenden Strang 10 gebildeten Kreislauf ab. Im oberen Teil des absteigenden Stranges 10 ist ein Kühler 11 angeordnet.
Der gesamte Raum des Ständers 3 sowie der Kreislauf werden mit Kühlflüssigkeit gefüllt. Als Kühlflüssigkeit wird eine isolierstoff- und baustoffbezogen inaktive Flüssigkeit mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand verwendet.
Zum Ausgleich der Wärmeausdehnung der Kühlflüssigkeit kann eine beliebige an sich bekannte und geeignete Vorrichtung, beispielsweise ein Dehnungsausgleichgefäss 12, eingesetzt werden.
Nach einer möglichen Ausführungsvariante der Erfindung weist die erfindungsgemässe elektrische Maschine einen Heizkörper 13 auf, der im aufsteigenden Strang des Kreislaufs angeordnet und für die Beschleunigung des gerichteten Umlaufs im Zeitpunkt des Anlassens der elektrischen Maschine bestimmt ist. Als Heizkörper 13 kann ein beliebiger an sich bekannter Erhitzer genügender Leistung eingesetzt werden, wobei ein Heizleiter bevorzugt wird.
Es ist von Vorteil, den Heizkörper 13 im unteren Teil des aufsteigenden Stranges des Kreislaufs in unmittelbarer Nähe vom Ständer 3 anzuordnen, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist.
Zur Erhöhung der Kreislaufwirkung sind der aufsteigende Strang sowie der an diesen anliegende Teil des Ständers 3 mit Wärmeisolierung 14 versehen.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen elektrischen Maschine, insbesondere des Turbogenerators, besteht im folgenden. Da Kraftwerke heutzutage nach dem Baugruppenprinzip gebaut werden, wird der Turbogenerator nur beim Anlassen der gesamten Baugruppe angelassen. Das Anlassen wird in nachstehenden Reihenfolge vorgenommen.
Zunächst wird die Kesselanlage und dann die Dampfturbine in Betrieb gesetzt. Kurz vor dem Anlassen der Turbine wird der Kühler 11 eingeschaltet. Da die Temperatur der Kühlflüssigkeit über den gesamten Kreislauf gleich ist, ist die Wichte der Kühlflüssigkeit gleich gross und der Druck in den Zellen 7 und 8 somit gleich stark, weil die Druckstärke durch die Wichte der Kühlflüssigkeit und die Höhe des aufsteigenden und des absteigenden Stränge 9 und 10 des Kreislaufs über dem Gehäuse des Ständers 3 bestimmt wird. Unter diesem Bedingungen bleibt die Flüssigkeit im Kreislauf unbeweglich. Nach dem Einschalten des Kühlers 11 wird die Flüssigkeit im Kühlerraum gekühlt und durch den absteigenden Strang 10 abwärts gefördert, so dass die eine höhere Temperatur aufweisende Flüssigkeit verdrängt wird.
Im Masse des Abfalles der Flüssigkeitstemperatur im absteigenden Strang 10 nimmt der Druck in der Zelle 8 zu. Die Kühlflüssigkeit strömt infolge der auftretenden Druckdifferenz in den Zellen 7 und 8 aus der Zelle 8 in der Zelle 7 über. Nachdem der vorgegebene Durchfluss der Kühlflüssigkeit in den Kanälen 6 des Ständers erreicht ist (der Durchfluss wird durch die Differenz der Kühlflüssigkeitstemperatur im aufsteigenden und im absteigenden Strang 9 bzw. 10 des Kreislaufs bestimmt und überwacht), wird die elektrische Maschine eingeschaltet.
Durch einen Teil der Wärmeverluste in wirksamen Teilen des Ständers 3 wird die Kühlflüssigkeit in den Kanälen 6 des Standers 3 erwärmt. Die in den Kanälen 6 erwärmte Flüssigkeit strömt über die Zelle 7 durch den aufsteigenden Strang 9 des Kreislaufs zum Kühler 11. Die erwähnte Temperaturdifferenz wird erhöht, die Druckdifferenz in den Zellen und somit der Durchfluss in den Kanälen 6 des Ständers nehmen zu. Dabei wird aber der Anteil der Wärmeverluste an der
Erwärmung der Flüssigkeit in den Kanälen 6 ebenfalls vergrössert.
Durch zügige Beanspruchung der elektrischen Maschine wird der optimale Nennbetrieb der ganzen Anlage gesichert.
Zur Beschleunigung des gerichteten Umlaufs der Kühlflüssigkeit in den Kanälen 6 des Ständers 3 ist es zweckmässig, den aufsteigenden Strang 9 mit einem Heizkörper 13 zu versehen. Der Heizkörper wird zusammen mit dem Kühler 11 eingeschaltet und ermöglicht es, die erforderliche Differenz der Flüssigkeitstemperatur im aufsteigenden und im absteigenden Strang 9 bzw. 10 des Kreislaufs schneller zu erreichen.
Der Heizkörper 13 wird abgeschaltet, wenn der stabile Nennbetrieb der elektrischen Maschine erreicht ist. Der erwähnte Heizkörper 13 kann ferner für die Sicherung des zuverlässigen Wechselbetriebs der elektrischen Maschine eingesetzt werden. Dabei wird der Heizkörper nötigenfalls abhängig von der Differenz der Flüssigkeitstemperatur im aufsteigenden und im absteigenden Strängen automatisch eingeschaltet.
Zur Erhöhung der Wirksamkeit ist es zweckmässig, den Heizkörper 13 im unteren Teil des aufsteigenden Stranges in unmittelbarer Nähe vom Ständer 3 anzuordnen. Die Länge des aufsteigenden Stranges 9 kann 5 bis 10 m, dessen Durchmesser 0,3 bis 0,5 m und der Unterschied zwischen der Rohrwandungs- und der Umgebungstemperatur 50 bis 80 "C betragen. Unter solchen Bedingungen ist der Wärmeaustausch genügend wirksam, was zu Bildung von Sekundärwirbelung der durch den aufsteigenden Strang 9 aufwärts strömenden Flüssigkeit führen kann. Infolge der erwähnten Wirbelung kommt es zur Vergrösserung des Strömungswiderstandes, was seinerseits zu einiger Herabsetzung des Wirkungsgrades der Anlage beiträgt. Es ist deshalb zweckmässig, den aufsteigenden Strang 9 mit Wärmeisolierung 14 zu versehen.
Aus demselben Grunde wird auch der an den aufsteigenden Strang anliegende Teil des Gehäuses des Ständers 3 wärmeisoliert.
Die Effektivität, Stabilität und Zuverlässigkeit der beschriebenen Anlage wurden durch zahlreiche Untersuchungen bestätigt.
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PATENT CLAIMS
1.Electrical machine with a rotor, a stator filled with coolant, which has channels for the coolant to flow through, and an airtight jacket, which separates the stator from the rotor and forms cells for the front parts of the stator winding, which by means of the stator channels mentioned and one with An outer pipe connected to a cooler for the circulation of the coolant in the stand are connected to one another, characterized in that the outer pipe is at least partially laid over the stand (3) in such a way that an ascending (9) and a descending (10) line of the circuit is formed and the cooler (11) is arranged in the upper part of the descending line (10) and a liquid serves as a coolant.
2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that it has a heating element (13) arranged in the ascending line (9) of the circuit, by means of which the directed circulation is accelerated at the time of starting the electrical machine.
3. Electrical machine according to claim 2, characterized in that the radiator is arranged in the lower part of the ascending strand (9) of the circuit in the immediate vicinity of the stand (3).
4. Electrical machine according to claims 1 to 3, characterized in that the ascending strand (9) of the circuit is at least partially and the part of the stator (3) adjoining this provided with thermal insulation (14).
The present invention relates to an electric machine with stator liquid cooling. In particular, such a machine is designed as a turbogenerator.
Electrical machines with direct liquid cooling of the core and the stator winding are known (see W.W.
Titow and others: Turbogeneratory, rastschot i Konstrukzija / Turbogeneratoren, their calculation and construction Energie-Verlag, Moscow, 1967, p. 200), in which the coolant circulates in channels, the individual in radial or axial channels of the stator core and the winding arranged bodies (pipes, segments, etc.) are executed. The cooling assemblies of such machines have a complicated structure and are unreliable because of the numerous connections they contain. A blower (pump, compressor, etc.) forms an essential part of the coolant circuit.
It is also an electrical machine (see US Pat. No.
353 032), which contains a rotor and a stator, which is separated from the rotor with an air-thick jacket, which forms closed cells for end parts of the stator winding, which by means of shaped channels with radial and axial sections and through an outer pipe for the circulation of the coolant in the Stands are interconnected. The coolers and a blower (pump or fan) are arranged in the outer pipeline. A certain amount of energy is consumed by the fan intended for the inevitable circulation of the coolant, as a result of which the efficiency of the electrical machine is reduced. In addition, the reliability of the electrical machine is reduced by the presence of the devices with movable components and groups.
The invention has for its object to develop an electrical machine in which, by utilizing energy, the heat loss in effective stator parts ensures the required cooling effect on effective and constructive stator parts, the energy expenditure for cooling is reduced and the efficiency of the electrical machine with high reliability and simple operation can be increased.
The object is achieved in that in an electrical machine which contains a rotor, a stator filled with coolant with channels for the coolant to flow through, and an airtight jacket which separates the stator from the rotor and forms cells for end parts of the stator winding which are formed by means of the mentioned stator channels and are connected to one another by an outer pipe connected to a cooler for the circulation of the coolant in the stand, the outer pipe according to the invention is at least partially laid over the stand in such a way that an ascending and a descending branch of the circuit are formed, and the cooler in Upper part of the descending strand is arranged and a liquid serves as a coolant.
A heating element can be expediently arranged in the ascending branch of the circuit, by means of which the directed circulation is accelerated at the time when the electrical machine is started.
It is advisable to place the radiator in the lower part of the ascending line of the circuit in the immediate vicinity of the stand. The effect of the radiator on the circulation of the coolant is increased.
For this purpose, it is also advisable to provide the ascending strand of the circuit with thermal insulation, at least in part, and the part of the stator adjacent to it.
In the embodiment of the electrical machine described, the use of the blower in the coolant circuit is unnecessary thanks to the use of energy from the heat losses in effective stator parts, by which the circulation of the coolant is caused as a result of the difference in the weights of the heated and the cooled liquid.
This reduces the energy required for cooling the stator and increases the reliability and efficiency of the electrical machine.
The invention is explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiments. In the accompanying drawing, the electrical machine according to the invention with stator cooling is shown in section.
The electrical machine according to the invention contains a rotor 1, which is separated from a stand 3 by an airtight jacket 2. The cooling of the rotor 1 is ensured independently of the cooling of the stator 3 in a known and suitable manner. For this reason, the cooling system of the rotor 1 is not shown in the drawing.
According to an advantageous embodiment of the invention, the airtight jacket 2 is a cylinder arranged in the annular gap between the rotor 1 and the stator 3, which extends over the entire length of the housing of the stator 3.
The stand 3 usually has a core 4 and a rod winding, the end parts 5 of which are shown in the drawing. In the core 4 of the stator 3 and in the winding bars including the winding end parts 5, channels 6 are designed for the cooling liquid to flow through.
It is advantageous to design the channels mentioned as axial channels to reduce the flow resistance. The airtight casing 2, as shown in the drawing, forms annular cells 7 and 8 for the end parts 5 of the winding of the stator 3, which are formed by the housing of the stator 3, the end covers, the airtight casing 2 and the end part of the core 4 of the stand 3 are limited. The cells 7 and 8 are by means of the channels 6 and by a mind
least partially connected to the stator 3 outer pipeline. The outer pipeline is intended for the circulation of the cooling liquid and closes the circuit formed by cells 7 and 8 for end parts of the stator winding, the channels 6, the ascending strand 9 and the descending strand 10. A cooler 11 is arranged in the upper part of the descending line 10.
The entire space of the stator 3 and the circuit are filled with coolant. An inactive liquid with a high specific electrical resistance related to the insulation material and building material is used as the cooling liquid.
To compensate for the thermal expansion of the coolant, any suitable device known per se, for example an expansion compensation vessel 12, can be used.
According to a possible embodiment variant of the invention, the electrical machine according to the invention has a heating element 13, which is arranged in the ascending branch of the circuit and is intended for the acceleration of the directed circulation at the time when the electrical machine is started. Any desired sufficient heater can be used as the heating element 13, a heating conductor being preferred.
It is advantageous to arrange the radiator 13 in the lower part of the ascending line of the circuit in the immediate vicinity of the stand 3, as shown in the drawing.
In order to increase the circulatory effect, the ascending strand and the part of the stator 3 resting against it are provided with thermal insulation 14.
The mode of operation of the electrical machine according to the invention, in particular of the turbogenerator, is as follows. Since power plants are now built according to the assembly principle, the turbogenerator is only started when the entire assembly is started. Starting is done in the following order.
First the boiler system and then the steam turbine are put into operation. The cooler 11 is switched on shortly before the turbine is started. Since the temperature of the cooling liquid is the same over the entire circuit, the weight of the cooling liquid is the same and the pressure in cells 7 and 8 is the same because the pressure strength is due to the weight of the cooling liquid and the height of the ascending and descending strands 9 and 10 of the circuit above the housing of the stator 3 is determined. Under these conditions, the fluid remains immobile in the circuit. After the cooler 11 has been switched on, the liquid in the cooler chamber is cooled and conveyed downward by the descending line 10, so that the liquid having a higher temperature is displaced.
The pressure in the cell 8 increases as the liquid temperature drops in the descending strand 10. As a result of the pressure difference occurring in cells 7 and 8, the cooling liquid overflows from cell 8 into cell 7. After the predetermined flow of the coolant in the channels 6 of the stator has been reached (the flow is determined and monitored by the difference in the coolant temperature in the ascending and descending branches 9 and 10 of the circuit), the electrical machine is switched on.
The cooling liquid in the channels 6 of the stand 3 is heated by part of the heat losses in effective parts of the stand 3. The liquid heated in the channels 6 flows via the cell 7 through the ascending line 9 of the circuit to the cooler 11. The temperature difference mentioned is increased, the pressure difference in the cells and thus the flow in the channels 6 of the stator increase. However, the share of heat losses in the
Heating of the liquid in the channels 6 also increases.
The optimal nominal operation of the entire system is ensured by rapid loading of the electrical machine.
To accelerate the directional circulation of the cooling liquid in the channels 6 of the stator 3, it is expedient to provide the ascending strand 9 with a heating element 13. The heater is switched on together with the cooler 11 and enables the required difference in liquid temperature in the ascending and descending branches 9 and 10 of the circuit to be reached more quickly.
The heater 13 is switched off when the stable nominal operation of the electrical machine is reached. The mentioned radiator 13 can also be used to ensure reliable alternating operation of the electrical machine. If necessary, the radiator is switched on automatically depending on the difference in liquid temperature in the ascending and descending lines.
To increase the effectiveness, it is useful to arrange the radiator 13 in the lower part of the ascending strand in the immediate vicinity of the stand 3. The length of the ascending strand 9 can be 5 to 10 m, its diameter 0.3 to 0.5 m and the difference between the pipe wall and the ambient temperature 50 to 80 "C. Under such conditions the heat exchange is sufficiently effective, which leads to This can lead to the formation of secondary vortices of the liquid flowing upwards through the ascending strand 9. As a result of the vortex mentioned, the flow resistance is increased, which in turn contributes to some reduction in the efficiency of the system Mistake.
For the same reason, the part of the housing of the stand 3 which is in contact with the ascending strand is thermally insulated.
The effectiveness, stability and reliability of the system described have been confirmed by numerous studies.