DE10058857A1 - Gasgekühlte Maschine, insbesondere Turbogenerator - Google Patents
Gasgekühlte Maschine, insbesondere TurbogeneratorInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine gasgekühlte Maschine (1), insbesondere einen Turbogenerator, umfassend eine Welle (6), auf der ein Axialventilator (9) angeordnet ist, eine Verschalung (11), die einen Zuströmraum (12) von einem Abströmraum (13) trennt, und einen zylindrischen Kanalabschnitt (16), der koaxial zum Axialverdichter (9) angeordnet ist und den Axialverdichter (9) radial umgibt. DOLLAR A Zur Verbesserung der Kühlung und somit des Wirkungsgrades der Maschine (1) bildet der Zuströmraum (12) im Bereich einer Einlauföffnung (17) des Kanalabschnitts (16) einen rotationssymmetrischen Ringraum (19). In diesem Ringraum (19) ist ein zylindrischer Ringkragen (20) koaxial zum Axialventilator (9) angeordnet. Der Ringkragen (20) ragt axial in den Ringraum (19) hinein und bildet an der Einlauföffnung (17) einen vollständig umlaufenden radialen Drosselspalt (21).
Description
Die Erfindung betrifft eine gasgekühlte Maschine, insbesondere eine elektrische
Maschine, z. B. einen Turbogenerator, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruches 1.
Aus der EP 0 544 023 B1 ist eine gasgekühlte elektrische Maschine dieser Art
bekannt, die eine rotierend antreibbare Welle aufweist, auf der ein Axialventilator
angeordnet ist. Die bekannte Maschine besitzt ausserdem eine Verschalung, die
einen Zuströmraum von einem Abströmraum trennt. Desweiteren ist an dieser
Verschalung ein zylindrischer Kanalabschnitt ausgebildet, der koaxial zum Axial
ventilator angeordnet ist und diesen radial umgibt. Insbesondere bei gasgekühlten
Turbogeneratoren wird die Kühlung durch Axialventilatoren gewährleistet, die nor
malerweise beidseits des Rotors des Turbogenerators auf dessen Welle befestigt
sind und die erforderliche Kühlgasmenge und eine hinreichende Druckhöhe lie
fern. Bei solchen Turbogeneratoren sind Kühlgasführungen vor und hinter dem
Axialventilator ausgebildet, die in Verbindung mit der vorgegebenen Drehrichtung
des Rotors einen Einlaufdrall in Drehrichtung oder Gegendrehrichtung erzeugen.
Die Anströmung zum Axialventilator erfolgt bei Turbogeneratoren aufgrund der
vorgegebenen Einbaubedingungen in der Regel nur von einer Seite, z. B. von un
ten, von den unter der Maschine angeordneten Kühlern. Durch diese einseitige
Kühlgaszuführung und durch die Drehrichtung des Axialventilators werden die
Schaufeln des Axialventilators teilweise mit einem Mitdrall und teilweise mit einem
Gegendrall beaufschlagt. Unter diesen Voraussetzungen kommt es im Abström
raum zu unterschiedlichen Luftgeschwindigkeiten, wodurch die Kühlwirkung un
gleichmässig ist. Eine mangelhafte Kühlung verschlechtert jedoch die Ausnutzung
der Maschine.
Bei der bekannten Maschine wird die Kühlung und somit die Ausnutzung der Ma
schine dadurch verbessert, dass stromauf des Axialventilators ein ringförmiges
Gasführungsorgan angeordnet ist, das mit über seinen gesamten Umfang verteil
ten radial/axial verlaufenden Leitblechen versehen ist. Ausserdem ist auf einem
Teil des Aussenumfangs des Gasführungsorgans eine Abdeckung angeordnet,
die den Strömungsquerschnitt für das durch das Gasführungsorgan hindurch strö
mende Kühlgas in Hauptrichtung der Zuströmung drosselt. Durch die Leitbleche
kann der Einlaufdrall reduziert werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad und
somit auf eine gleichmässige Druckerzeugung des Axialventilators auswirkt. Die
Herstellung und Anbringung eines derartigen Gasführungsorgans ist jedoch relativ
aufwendig.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine gasgekühlte
Maschine der eingangs genannten Art eine andere Ausführungsform anzugeben,
die ebenfalls eine verbesserte Kühlung und somit eine erhöhte Ausnutzung der
Maschine ermöglicht und dabei relativ preiswert realisierbar ist.
Erfindungsgemäss wird dieses Problem durch die im Anspruch 1 gekennzeich
neten Merkmale gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, durch eine besondere Ge
staltung des Zuströmraumes im Bereich einer Einlauföffnung des Kanalabschnitts
unmittelbar an der Einlauföffnung einen radialen Drosselspalt auszubilden, der
sich, insbesondere rotationssymmetrisch, entlang der gesamten Einlauföffnung
erstreckt. Da die Drosselwirkung einer Drosselstelle von den herrschenden Druck
verhältnissen abhängt, werden höhere Zuströmungsgeschwindigkeiten stärker ge
drosselt als niedrigere Zuströmungsgeschwindigkeiten. Daher kommt es zu einer
Vergleichmässigung der Druckverhältnisse und der Strömungsgeschwindigkeiten
entlang des Drosselspaltes und somit entlang der Einlauföffnung. Insgesamt kön
nen somit die Schaufeln des Axialventilators gleichmässiger mit der Zuströmung
beaufschlagt werden, wodurch sich die Kühlwirkung innerhalb der Maschine und
somit deren Ausnutzung verbessern lässt. Hierbei handelt es sich bei den durch
zuführenden Massnahmen um relativ einfache bauliche Eingriffe, so dass die Er
findung relativ preiswert realisierbar ist.
Bei einer besonderen Ausführungsform kann der in den Ringraum eingesetzte
Ringkragen durch den Kanalabschnitt selbst oder durch einen Bereich des Kanal
abschnitts gebildet sein. Bei dieser Konzeption sind somit keine zusätzlichen Bau
teile erforderlich, die in die Maschine eingebaut werden müssen, um die erfin
dungsgemässe Maschine zu realisieren.
Vorzugsweise wird an der Einlauföffnung ein Einlauftrichter ausgebildet, dessen
Krümmungsradius R kleiner ist als die radiale Länge HS der Schaufeln des Axial
ventilators. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn das Verhältnis R zu
HS grösser oder gleich 0,3 gewählt wird. Bevorzugt wird ein Verhältnis R zu HS,
das in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,4 liegt.
Des weiteren zeigen sich Vorteile, wenn eine axiale Länge b des Ringraumes, der
zumindest im Bereich der Einlauföffnung im Zuströmraum ausgebildet ist, wenig
stens doppelt so gross ist wie eine axiale Länge a des an der Einlauföffnung aus
gebildeten Drosselspalts. Bevorzugt wird dabei ein Verhältnis von b zu a, das in
einem Bereich von etwa 2,0 bis etwa 4,5 liegt.
Weitere Versuche haben ausserdem ergeben, dass es von Vorteil ist, die axiale
Länge a des Drosselspalts kleiner zu wählen als die radiale Länge HS der Schau
feln des Axialventilators. Bevorzugt wird dabei ein Verhältnis von a zu HS, wel
ches in einem Bereich von etwa 0,35 bis etwa 1,5 liegt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung er
geben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehöri
gen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen schematisierten Axialschnitt durch einen Teil einer
erfindungsgemässen Maschine.
Entsprechend der einzigen Figur kann eine erfindungsgemässe gasgekühlte elek
trische Maschine 1 vorzugsweise durch einen Turbogenerator gebildet sein, von
dem lediglich eine Endpartie dargestellt ist. In einem Gehäuse 2 ist ein Stator 3
des Turbogenerators 1 angeordnet, der in herkömmlicher Weise mit Statorwick
lungen 4 ausgestattet ist. Ein Rotor 5 des Turbogenerators 1 besitzt eine Welle 6,
auf der ebenfalls in herkömmlicher Weise eine Rotorwicklung 7 angebracht ist.
Die Welle 6 ist an ihren Enden jeweils in einem Lager 8 gelagert. Auf dieser Welle
6 ist ein Axialventilator 9 drehfest angebracht, der axiale Schaufeln 10 aufweist.
Die radiale Länge der Schaufeln 10 des Axialventilators 9, d. h. die Schaufelhöhe
ist hierbei mit HS bezeichnet. Eine Verschalung 11, die insbesondere mehrteilig
ausgebildet sein kann, trennt einen Zuströmraum 12 des Axialventilators 9 von
einem Abströmraum 13. Der Zuströmraum 12 ist nach aussen durch eine entspre
chende Aussenverschalung 14 abgeschlossen, die ebenfalls mehrteilig ausgebil
det sein kann.
An der Verschalung 11 ist ein zylindrischer Kanalabschnitt 16 ausgebildet, der
koaxial zum Axialventilator 9 angeordnet ist und diesen radial umgibt. Dieser Ka
nalabschnitt 16 besitzt eine Einlauföffnung 17, die in den Zuströmraum 12 mün
det. Ein der Einlauföffnung 17 zugeordneter Endabschnitt des Kanalabschnitts 16
ist als Einlauftrichter 18 ausgebildet, dessen Einlaufkrümmung einen Krümmungs
radius R besitzt. Eine solche Konfiguration, bestehend aus dem zylindrischen Ka
nalabschnitt 16 und dem Einlauftrichter 18, wird als ein Ringkragen 20 bezeichnet.
Ebenso ist jedoch auch eine Ausführungsform möglich, bei der der Ringkragen 20
durch ein separates, vom Kanalabschnitt 16 unabhängiges Bauteil gebildet ist.
Bei der in der Figur wiedergegebenen Ausführungsform steht der Ringkragen 20
von einem ersten Wandabschnitt 22 ab, der in einer quer zur Längsachse 23 der
Welle 6 verlaufenden Ebene liegt, und erstreckt sich in Richtung auf einen gegen
überliegenden zweiten Wandabschnitt 24, der ebenfalls in einer quer zur Längs
achse 23 verlaufenden Ebene liegt. Zwischen dem axial freien Stirnende des
Ringkragens 20 und dem zweiten Wandabschnitt 24 ist ein Drosselspalt 21 aus
gebildet. Dementsprechend ragt der Ringkragen 20 bei der hier gezeigten Ausfüh
rungsform in einer vom Axialventilator 9 weggerichteten Richtung in einen Ring
raum 19 hinein. Im Unterschied dazu kann bei einer anderen Ausführungsform
der Ringkragen 20 auch vom zweiten Wandabschnitt 24 ausgehen und sich in
Richtung des ersten Wandabschnitts 22 erstrecken, wobei dann in entsprechen
der Weise der Drosselspalt 21 zwischen dem axial freien Stirnende des Ring
kragens 20 und dem ersten Wandabschnitt 22 mit den notwendigen Radien aus
gebildet ist. Bei der letztgenannten Ausführungsform bilden Ringkragen 20 und
Kanalabschnitt 16 voneinander unabhängige Bauteile.
Die vom Axialventilator 9 geförderte Kühlluft strömt in Pfeilrichtung in den Ab
strömraum 13, verteilt sich dort in verschiedene Teilströme zur Kühlung von Rotor
5 und Stator 3. In einem nicht dargestellten mittleren Abschnitt der Maschine 1 tritt
die nunmehr erwärmte Luft in unter der Maschine 1 angeordnete Kühler 15 ein,
wird dort abgekühlt und gelangt hinter den Kühlern 15 zurück zum Zuströmraum
12.
Es ist klar, dass bei einer derartigen Maschine 1 grundsätzlich an beiden Seiten
eine derartige Gaskühlung ausgebildet sein kann. Dementsprechend können an
beiden axialen Endabschnitten der Welle 6 jeweils ein derartiger Axialventilator 9
mit zugehörigem Zuströmraum 12 und Abströmraum 13 vorgesehen sein.
Auf Grund der gegebenen Einbaubedingung erfolgt die Anströmung bzw. Zuströ
mung innerhalb des Zuströmraumes 12 zum Axialventilator 9 im wesentlichen nur
von einer Seite, nämlich von unten, her.
Damit die einseitige Zuströmung zum Axialventilator 9 in Verbindung mit der vor
gegebenen Drehrichtung der Welle 6 nicht zu einer ungleichmässigen Kühlung
der Maschine 1 führt, ist zum einen der Zuströmraum 12 im Bereich des Kanal
abschnitts 16 als rotationssymmetrischer Ringraum 19 ausgebildet, der relativ
grosse Strömungsquerschnitte für die Zuströmung zum Axialventilator 9 gewähr
leistet. Zum anderen ist in diesem Ringraum 19 ein zylindrischer Ringkragen 20
koaxial zum Axialventilator 9 angeordnet. Bei der hier dargestellten bevorzugten
Ausführungsform wird dieser Ringkragen 20 durch den Kanalabschnitt 16 bzw.
durch einen axialen Bereich dieses Kanalabschnitts 16 gebildet. Der Kanal
abschnitt 16 bzw. der Ringkragen 20 ist dabei so angeordnet, dass er axial in den
Ringraum 19 hineinragt und an der Einlauföffnung 17 einen vollständig umlaufen
den, rotationssymmetrischen radialen Drosselspalt 21 ausbildet. Während der
Drosselspalt 21 eine axiale Länge a besitzt, weist der Ringraum 19 eine axiale
Länge b auf.
Die Drosselwirkung des Drosselspaltes 21 hat zur Folge, dass Kühlluft, die in die
sem Beispiel von unten, also mit einer relativ grossen Zuströmgeschwindigkeit auf
den Axialventilator 9 zuströmt, stärker gedrosselt wird als Kühlluft, die an einer an
deren Stelle, beispielsweise von oben nach Umströmung des Ringkragens 20,
also mit einer relativ kleinen Strömungsgeschwindigkeit auf den Axialventilator 9
zuströmt. Aufgrund dieser Wirkung ergibt sich eine bessere Verteilung der aus
dem Zuströmraum 12 zum Axialventilator 9 strömenden Kühlluft entlang des Dros
selspalts 21. Gleichzeitig erhält dabei die Strömungsgeschwindigkeit der zugeführ
ten Luftströmung im Zuströmraum 12 eine Vergleichmässigung am Umfang, wo
durch sich entlang der Einlauföffnung 17 insgesamt ein gleichmässigerer Luftein
tritt zum Axialventilator 9 ausbilden kann. Durch die gleichmässigere Beaufschla
gung der Schaufeln 10 des Axialventilators 9 ergibt sich somit eine Verbesserung
der Kühlwirkung für den Turbogenerator 1.
Des weiteren ist durch die Formgebung und Dimensionierung des Ringraumes 19
und durch die Anordnung des Ringkragens 20 eine Art Beruhigungszone ausge
bildet, in der zusätzlich eine Beruhigung der aus dem Zuströmraum 12 ankom
menden Zuströmung erfolgen kann. Durch den so ausgebildeten Ringraum 19
wird die Vergleichmässigung der Durchströmung des Drosselspaltes 21 zusätzlich
unterstützt.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Kühlleistung und somit die Ausnut
zung der Maschine 1 sowie insbesondere deren Wirkungsgrad im besonderen
Masse erhöht werden können, wenn das Verhältnis b/a in einem Bereich zwi
schen etwa 2,0 und etwa 4,5 liegt und wenn das Verhältnis a/HS in einem Bereich
zwischen etwa 0,35 und etwa 1,5 liegt, wobei gleichzeitig das Verhältnis R/HS in
einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,4 liegt.
1
Maschine/Turbogenerator
2
Gehäuse
3
Stator
4
Statorwicklung
5
Rotor
6
Welle
7
Rotorwicklung
8
Lager
9
Axialventilator
10
Schaufel
11
Verschalung
12
Zuströmraum
13
Abströmraum
14
Aussenverschalung
15
Kühler
16
Kanalabschnitt
17
Einlauföffnung
18
Einlauftrichter
19
Ringraum
20
Ringkragen
21
Drosselspalt
22
erster Wandabschnitt
23
Längsachse
24
zweiter Wandabschnitt
HS radiale Länge von
HS radiale Länge von
10
R Krümmungsradius von
18
a axiale Länge von
21
b axiale Länge von
19
Claims (14)
1. Gasgekühlte Maschine, insbesondere Turbogenerator, mit einer rotierend an
treibbaren Welle (6), auf der ein Axialventilator (9) angeordnet ist, mit einer Ver
schalung (11), die einen Zuströmraum (12) von einem Abströmraum (13) trennt
sowie mit einem zylindrischen Kanalabschnitt (16), der koaxial zum Axialventila
tor (9) angeordnet ist und diesen radial umgibt, dadurch gekennzeichnet,
dass der Zuströmraum (12) zumindest im Bereich einer Einlauföffnung (17) des Kanalabschnitts (16) einen rotationssymmetrischen Ringraum (19) bildet und
dass im Ringraum (19) koaxial zum Axialventilator (9) ein zylindrischer Ring kragen (20) angeordnet ist, der axial in den Ringraum (19) hineinragt und an der Einlauföffnung (17) einen vollständigen umlaufenden radialen Drossel spalt (21) ausbildet.
dass der Zuströmraum (12) zumindest im Bereich einer Einlauföffnung (17) des Kanalabschnitts (16) einen rotationssymmetrischen Ringraum (19) bildet und
dass im Ringraum (19) koaxial zum Axialventilator (9) ein zylindrischer Ring kragen (20) angeordnet ist, der axial in den Ringraum (19) hineinragt und an der Einlauföffnung (17) einen vollständigen umlaufenden radialen Drossel spalt (21) ausbildet.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselspalt
(21) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring
kragen (20) in einer vom Axialventilator (9) weggerichteten Richtung in den
Ringraum (19) hinein ragt.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringkragen (20) an der Verschalung (11) ausgeformt ist.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kanalabschnitt (16) an der Verschalung (11) ausgeformt ist.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringkragen (20) durch den Kanalabschnitt (16) oder durch einen Bereich
des Kanalabschnitts (16) gebildet ist.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an
der Einlauföffnung (17) ein Einlauftrichter (18) ausgebildet ist, dessen Krüm
mungsradius R kleiner ist als die radiale Länge HS der Schaufeln (10) des
Axialventilators (9).
8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis
R/HS grösser oder gleich 0,3 ist.
9. Maschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhält
nis R/HS in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,4 liegt.
10. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringraum (19) eine axiale Länge b aufweist und dass der Drosselspalt
(21) eine axiale Länge a aufweist, wobei das Verhältnis b/a grösser oder
gleich 2,0 ist.
11. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringraum (19) eine axiale Länge b aufweist und dass der Drosselspalt
(21) eine axiale Länge a aufweist, wobei das Verhältnis b/a in einem Bereich
von etwa 2,0 bis etwa 4,5 liegt.
12. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
der Drosselspalt (21) eine axiale Länge a aufweist, die kleiner ist als die
radiale Länge HS der Schaufeln (10) des Axialventilators (9).
13. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis
a/HS grösser oder gleich 0,35 ist,
14. Maschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das
Verhältnis a/HS in einem Bereich von etwa 0,35 bis etwa 1,5 liegt.
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