CH703820A1

CH703820A1 - Luftgekühlter generator.

Info

Publication number: CH703820A1
Application number: CH01526/10A
Authority: CH
Inventors: Stefan Baumeister; Simon Andreas Frutiger
Original assignee: Alstom Hydro France
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-03-30
Also published as: CN103109442B; WO2012038243A2; CA2811534A1; CN103109442A; US20130217317A1; EP2619882A2; WO2012038243A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen luftgekühlten Generator, welcher zur Abführung von Verlustwärme von Kühlluft durchströmt wird, wobei die Kühlluft über als Kühloberflächen wirkende Grenzflächen (23) streicht und dabei Wärme von diesen Grenzflächen (23) aufnimmt. Der Wärmeübergang wird bei minimalem Kühlluftverbrauch dadurch maximiert, dass die Grenzflächen (23) mit verteilt angeordneten, die Kühloberfläche vergrössernden lokalen Erhebungen (24) versehen sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der rotierenden elektrischen Maschinen. Sie betrifft einen luftgekühlten Generator gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

[0002] Bei luftgekühlten Generatoren müssen alle anfallenden Verluste in Form von Wärme über das Kühlmedium, beispielsweise Kühlluft, abgeführt werden. Hierbei dienen verschiedene Oberflächen des Generators dazu, die Verluste durch Konvektion an das Kühlmedium (die Kühlluft) zu übertragen. Eine Anpassung der Oberflächengeometrie verbessert grundsätzlich diesen Übergang.

[0003] Ziel der Kühlung ist es, die Temperaturen der Generatorelemente im Betrieb nicht über eine vereinbarte Temperatur hinaus ansteigen zu lassen. Kann die Abgabe der Verlustwärme des Generators verbessert werden, sind entweder tiefere Temperaturen der Generatorteile zu erwarten, oder im Umkehrschluss können gleiche Temperaturen der Generatorteile mit einem geringeren Volumenstrom der Kühlluft erreicht werden, was niedrigere Ventilationsverluste nach sich zieht.

[0004] Für bestimmte Regionen sind die Oberflächen bereits optimiert, beispielsweise durch Kühlrippen, welche die aktive Oberfläche vergrössern. Bei dieser Art der Oberflächenanpassung ist die Richtung der Anströmung des Kühlmediums von grosser Bedeutung. Bauartbedingt können aber nicht alle Kühlflächen des Generators optimal angeströmt werden. In einem Generator, wie er beispielsweise in der Druckschrift EP 740 402 A1 offenbart ist, finden sich solche Kühlflächen typischerweise im Bereich der Polspulen des Rotors. Fig. 1zeigt in einem Ausschnitt in perspektivischer Darstellung mehrerer Pole 11 eines solchen Generators 10, die mittels entsprechender Polklauen 13 am nicht gezeigten Rotor befestigt werden. Jeder der Pole 11 weist eine Polspule 12 auf. Die einzelnen Pole 11 sind in Umfangsrichtung durch Pollücken 14 voneinander getrennt.

[0005] Grundlage der Temperaturberechnung bei luftgekühlten Maschinen ist folgende physikalische Formel:

wobei gilt:

[0006] In der Regel sind die Verluste bzw. Verlustwärmeströme die abgeführt werden müssen, bekannt. ΔT stellt den Zielwert der Auslegung dar. Da ΔT den Temperaturunterschied zwischen Kühlmedium und Kühloberfläche des zu kühlenden Körpers darstellt und die Temperatur des Kühlmediums festgelegt ist, lässt sich auf die Temperatur des zu kühlenden Körpers zurückschliessen. Es bleiben die Wärmeübergangszahl und die Kühloberfläche, die beeinflusst werden können.

[0007] Die einfachste Kühlgeometrie ist eine glatte Oberfläche. Diese Geometrie ist zwar unabhängig von der Anströmrichtung, hat jedoch die minimal mögliche Oberfläche. Ausserdem sind die Verluste, die pro Flächeneinheit abgeführt werden können, nur mässig hoch.

[0008] Weicht man auf die konventionellen Geometrien zur Verbesserung der Kühlung aus, wie beispielsweise die Kühlrippen in verschiedenen Ausführungen (siehe Fig. 4und Fig. 5), so tritt das Problem auf, dass die Strömung konstruktionsbedingt nicht immer «ideal» zur Geometrie steht und somit nicht mehr den gewünschten Effekt auf die Kühlung hat. Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus einer Grenzfläche 17, die parallel verlaufende längliche Rippen 18 aufweist, welche durch vertiefte Zwischenräume 19 voneinander getrennt sind. Die Querschnittskontur ist rechteckig mäanderförmig. Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus einer Grenzfläche 20, die parallel verlaufende längliche Rippen 21 aufweist, welche durch vertiefte Zwischenräume 22 voneinander getrennt sind. Die Querschnittskontur ist sägezahnförmig. Werden diese Grenzflächen 17 und 20 als Kühloberflächen eingesetzt, wobei die Rippen 18 und 21 als Kühlrippen fungieren, hängt deren Wirkung stark von der Strömungsrichtung des darüber strömenden Kühlmediums ab.

[0009] Fig. 6 und Fig. 7 machen deutlich, dass es bei einer Fehlanströmung der Kühlrippen 18 und 21 (Strömungsrichtung quer zu den Kühlrippen) zu Bereichen kommen kann, nämlich den vertieften Zwischenräumen 19 und 22, in denen die Strömungsgeschwindigkeiten sehr niedrig sind oder Rezirkulationen vorliegen, weil der Hauptanteil der Strömung über die Zwischenräume hinweg gleitet. In beiden Fällen bedeutet dies, dass es kaum noch zu einem Stoffaustausch des Kühlmediums in diesen Regionen kommt. Im Fall der Rezirkulationen bleibt zwar eine gewisse Warmeübergangszahl erhalten, jedoch führen beide Fälle zu einer starken Erhöhung der Temperatur des Kühlmediums. Betrachtet man die oben angegebene Formel für die Berechnung des Wärmeübergangs, so führt ein kleiner Temperaturunterschied AT unweigerlich zu einem starken Rückgang der abgeführten Wärme. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Oberflächentemperatur ansteigen muss, um dieselbe Wärmemenge abführen zu können.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0010] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen luftgekühlten Generator anzugeben, der die beschriebenen Nachteile vermeidet und sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass mit einem minimalen Volumenstrom an Kühlluft eine maximale Wärmeabfuhr aus dem Inneren des Generators erzielt wird.

[0011] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemässe Generator, welcher zur Abführung von Verlustwärme von Kühlluft durchströmt wird, wobei die Kühlluft über als Kühloberflächen wirkende Grenzflächen streicht und dabei Wärme von diesen Grenzflächen aufnimmt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzflächen mit verteilt angeordneten, die Kühloberfläche vergrössernden lokalen Erhebungen versehen sind.

[0012] Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Erhebungen unter Ausbildung eines Musters gleichmässig über die Kühloberfläche verteilt sind.

[0013] Insbesondere können die lokalen Erhebungen die Form von einfachen geometrischen Körpern aufweisen.

[0014] Gemäss einer Weiterbildung weisen die lokalen Erhebungen die Form von Pyramiden oder Pyramidenstümpfen auf.

[0015] Gemäss einer anderen Weiterbildung weisen die lokalen Erhebungen die Form von Kegeln oder Kegelstümpfen auf.

[0016] Eine andere Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Erhebungen die Form von Zylindern oder Quadern aufweisen.

[0017] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Generator einen Rotor mit mehreren Polen umfasst, welche voneinander durch Pollücken getrennt sind und die jeweils mit einer Polspule versehen sind, und dass die mit den lokalen Erhebungen versehenen Kühloberflächen in der Pollückenregion angeordnet sind.

[0018] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Generator einen Rotor mit mehreren Polen umfasst, welche voneinander durch Pollücken getrennt sind und jeweils mit einer Polspule versehen sind, und dass die mit den lokalen Erhebungen versehenen Kühloberflächen im Bereich der Hinterlüftung der Polspulen angeordnet sind.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

[0019] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1<sep>in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt eines Generator-Rotors mit mehreren Polen, die mittels hindurchströmender Kühlluft gekühlt werden; Fig. 2<sep>die für die Kühlung wichtigen Pollücken des Rotors gemäss Fig. 1 Fig. 3<sep>die für die Kühlung wichtigen Eintritte für die Hinterlüftung der Polspulen; Fig. 4<sep>in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus einer Grenzfläche mit parallelen Kühlrippen und mäanderförmiger rechteckiger Querschnittskontur; Fig. 5<sep>in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus einer Grenzfläche mit parallelen Kühlrippen und sägezahnförmiger Querschnittskontur; Fig. 6<sep>den Effekt der Fehlanströmung einer Grenzfläche gemäss Fig. 4; Fig. 7<sep>den Effekt der Fehlanströmung einer Grenzfläche gemäss Fig. 5; Fig. 8<sep>in perspektivischer Darstellung den Ausschnitt aus einer als Kühloberfläche geeigneten Grenzfläche mit lokalen Erhebungen in Form von Pyramiden mit rechteckiger Grundfläche gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 9<sep>in verschiedenen Teilfiguren andere Arten von lokalen Erhebungen in Form von einfachen geometrischen Körpern gemäss anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0020] Bei der Kühloberflächengeometrie, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, sind folgende Aspekte berücksichtigt: Einerseits wird eine möglichst hohe Wärmeübergangszahl bei einem ständigen Stoffaustausch in der Nähe der zu kühlenden Oberfläche erreicht. Zum andern wird eine Vergrösserung der Kühloberfläche erzielt. Zusätzlich zu diesen drei positiven Punkten soll der Kühleffekt möglichst unabhängig von den Anströmverhältnissen sein. All dies wird erreicht, indem die Kühloberflache mit lokalen Erhebungen versehen ist, die über die Oberfläche so verteilt sind, dass weitgehend unabhängig von der Strömungsrichtung der darüber strömenden Kühlluft ein gleichmässig hoher Wärmeübergang zwischen Kühloberfläche und Kühlluft erfolgt.

[0021] In Fig. 8 ist in perspektivischer Darstellung ein Ausschnitt aus einer als Kühloberfläche geeigneten Grenzfläche mit lokalen Erhebungen in Form von Pyramiden 24 mit rechteckiger (z.B. quadratischer) Grundfläche und entsprechenden Zwischenräumen gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Grösse (Grundfläche und Höhe) und Gestalt der einzelnen Pyramiden 24 ebenso wie die Anzahl und Dichte bzw. Positionierung der einzelnen Pyramiden 24 zueinander (Lage der Zwischenräume) können dabei in weiten Grenzen den Kühlbedürfnissen und Platzverhältnissen im zu kühlenden Bereich angepasst werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.

[0022] Durch die Umgestaltung der Oberflächengeometrie in der genannten Art werden Bereiche mit sehr tiefen Strömungsgeschwindigkeiten umgangen. Da, wie aus Fig. 8ersichtlich, die einzelnen Pyramiden 24 durch ihre regelmässige, mit Zwischenräumen versehene Anordnung nahezu vollständig umströmt werden, führt dies zu erhöhten Turbulenzen im Bereich der Grenzfläche beziehungsweise Kühloberfläche 23. Daraus resultiert zum Einen eine gute Wärmeübergangszahl a und zum Anderen eine markant verbesserte Durchmischung des Kühlmediums an der Oberfläche. Stellen, an denen sich das Kühlmedium übermassig stark erwärmen könnte, werden somit vermieden. Durch die erhöhte Wärmeübergangszahl a und die vergrösserte Kühloberfläche nimmt zudem die abgeführte Verlustwärmemenge bei gleicher Kühloberflächentemperatur zu.

[0023] Umgekehrt formuliert nimmt die Oberflächentemperatur bei denselben abzuführenden Verlusten ab.

[0024] Die bisherigen Ausführungen bezogen sich auf lokale Erhebungen in Form einer Pyramide 24. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung durchaus möglich, andere Geometrien zu verwenden, um ähnlich gute Ergebnisse zu erzielen. Hierbei wird gemäss Fig. 9 einerseits an Kegel 25 (Fig. 9a) und Pyramiden 26 mit dreieckiger Grundfläche (Fig. 9b) sowie Pyramidenstümpfe 29 mit abgeflachter Spitze (Fig. 9e) gedacht. Andererseits könnten Würfel, Zylinder 27 (Fig. 9c), Quader 28 (Fig. 9d) und weitere Prismen mit Vorteil als Grundelemente für die Kühloberflächengeometrie in Betracht gezogen werden.

[0025] Bevorzugte Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind gemäss Fig. 2 vor allem die Pollückenregionen 15 des Generators 10 und gemäss Fig. 3 die Hinterlüftung der Polspulen 12.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0026] 10<sep>Generator (luftgekühlt) 11<sep>Pol 12<sep>Polspule 13<sep>Polklaue 14<sep>Pollücke 15<sep>Pollückenregion 16<sep>Hinterlüftungseintritt 17, 20, 23<sep>Grenzfläche (Kühloberfläche) 18, 21<sep>Rippe 19, 22<sep>Zwischenraum (vertieft) 24<sep>Pyramide (mit rechteckiger Grundfläche) 25<sep>Kegel 26<sep>Pyramide (mit dreieckiger Grundfläche) 27<sep>Zylinder 28<sep>Quader 29<sep>Pyramidenstumpf

Claims

1. Luftgekühlter Generator (10), welcher zur Abführung von Verlustwärme von Kühlluft durchströmt wird, wobei die Kühlluft über als Kühloberflächen wirkende Grenzflächen (23) streicht und dabei Wärme von diesen Grenzflächen (23) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzflächen (23) mit verteilt angeordneten, die Kühloberfläche vergrössernden lokalen Erhebungen (24-29) versehen sind.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Erhebungen (24-29) unter Ausbildung eines Musters gleichmässig über die Kühloberfläche (23) verteilt sind.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Erhebungen die Form von einfachen geometrischen Körpern aufweisen.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Erhebungen die Form von Pyramiden (24, 26) oder Pyramidenstümpfen (29) aufweisen.

5. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Erhebungen die Form von Kegeln (25) oder Kegelstümpfen aufweisen.

6. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Erhebungen die Form von Zylindern (27) oder Quadern (28) aufweisen.

7. Generator nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (10) einen Rotor mit mehreren Polen (11) umfasst, welche voneinander durch Pollücken (14) getrennt sind und jeweils mit einer Polspule (12) versehen sind, und dass die mit den lokalen Erhebungen (24-29) versehenen Kühloberflächen in der Pollückenregion (15) angeordnet sind.

8. Generator nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (10) einen Rotor mit mehreren Polen (11) umfasst, welche voneinander durch Pollücken (14) getrennt sind und jeweils mit einer Polspule (12) versehen sind, und dass die mit den lokalen Erhebungen (24-29) versehenen Kühloberflächen im Bereich der Hinterlüftung (16) der Polspulen (12) angeordnet sind.