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Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung der Wicklungen elektrischer
Maschinen großer Länge Es ist bekannt, die in Nuten des aktiven Eisens angeordneten
Leiter großer elektrischer Maschinen dadurch zu kühlen, daß durch die rohrförmig
ausgebildeten Leiter oder durch unmittelbar neben den Leitern innerhalb der Leiterisolation
angeordnete Kanäle ein Kühlgasstrom, beispielsweise Wasserstoffstrom, geleitet wird.
Bei Maschinen großer axialer Länge, insbesondere Turbogeneratoren, ist es zur Vermeidung
großer Temperaturunterschiede längs der Leiter zweckmäßig, die Kühlgassströme an
mehreren Stellen längs der Leiter zu- und abzuführen. Mindestens sollte aus diesem
Grund der Eintritt des Kühlgases in die Kanäle bzw. Hohlleiter an beiden Enden der
Maschine und der Austritt derselben in der Mitte vorgesehen sein.
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Bei den üblicherweise mit verhältnismäßig niedriger Spannung betriebenen
Läuferwicklungen läßt sich auf diese Weise ohne Schwierigkeit eine hinreichend gleichmäßige
Wicklungstemperatur längs des Läufers erzielen. Bei den gewöhnlich unter Hochspannung
stehenden Ständerwicklungen großer Maschinen, beispielsweise mit aus Hohlleitern
zusammengesetzten Stäben, sind jedoch derartige Methoden kaum anwendbar, da die
an den Ein- und Austrittsstellen des Kühlgases erforderlichen Öffnungen in der Wicklungsisolation
die dielektrische Festigkeit der Isolation stark beeinträchtigen würden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem insbesondere bei unter
hoher Spannung stehenden Wicklungen und innerhalb der Isolation verlaufenden Kühlkanälen
unter Vermeidung der genannten Schwierigkeit die Temperaturverteilung längs der
Wicklungsleiter gleichmäßiger gestaltet werden kann.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist jedoch nicht nur in dem genannten
Sonderfall anwendbar, sondern ist auch zur Erzielung einer gleichmäßigeren. Temperaturverteilung
bei solchen Wicklungen geeignet, die unter Niederspannung stehen und/oder bei denen
die Kühlkanäle nicht oder nicht nur innerhalb der Wicklungsisolation, sondern außerhalb
derselben, beispielsweise im Eisenkörper, angeordnet sind.
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Das Verfahren nach der Erfindung zur Kühlung der Wicklungen großer
elektrischer Maschinen, insbesondere großer Turbogeneratoren durch einen Kühlgasstrom,
der längs der Wicklungsnuten durch innerhalb oder außerhalb der Wicklungsleiter
angeordnete Kanäle hindurchgetrieben wird, besteht darin, daß die Richtung des Kühlgasstromes
periodisch gewechselt wird.
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Da insbesondere Turbogeneratoren großer Leistung gewöhnlich durch
Wasserstoff oder ein ähnliches Gas gekühlt werden, wobei das Gas in geschlossenem
Kreislauf durch die aktiven. Teile der. Maschine geleitet und dabei durch besondere
Kühler rückgekühlt wird, so kommt das Verfahren nach der Erfindung in erster Linie
für Kreislaufkühlungen in Frage, ohne daß jedoch seine Anwendbarkeit auf diese beschränkt
ist.
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Die Richtung des Kühlgasstromes wird zweckmäßig in Zeitabständen von
je etwa ½ bis 1 Minute gewechselt.
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Die Wirkungsweise des Verfahrens sei an Hand der Fig. 1 und 2 näher
erläutert.
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Die Fig. 1 bezieht sich auf die bisherige Kühlungsart, bei der das
Kühlgas ständig in der gleichen Richtung strömt. Durch die Linie a ist in Abhängigkeit
von der Länge eines Wicklungsleiters die Übertemperatur dargestellt, die das Kühlgas
auf dem Wege durch einen Kanal längs des Leiters annimmt. Die Linie b zeigt die
Übertemperatur des Kupferleiters, an dessen Oberfläche das Gas entlang strömt. Die
Temperatur des Gases sowohl als auch des Leiters steigt in der Strömungsrichtung
des Gases etwa linear an, so daß sich am Austrittsende eine erhebliche Übertemperatur
und damit ein erheblicher Temperaturunterschied gegenüber dem Eintrittsende ergibt.
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In Fig. 2 sind die Temperaturen dargestellt, die sich ergeben, wenn
nach der Erfindung die Strömungsrichtung des Kühlgases periodisch gewechselt wird.
Die Kurve c zeigt die Übertemperatur des Kühlgases längs der Leiterlänge während
der Zeit, in der das Gas von links nach rechts strömt. Die Kurve d gibt die Gastemperatur
bei umgekehrter Strömungsrichtung an.
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Die Kurve e stellt die mittlere Übertemperatur des Kupferleiters dar,
die sich bei periodisch wechselnder Gasströmungsrichtung einstellt.
Wie
die Figur zeigt, erreicht der Leiter seine Höchsttemperatur in der Mitte der Leiterlänge.
Dabei ist die größte Temperaturdifferenz innerhalb der Leiterlänge erheblich kleiner.
Durch das Verfahren nach der Erfindung werden somit beachtliche Vorteile erzielt.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann unabhängig davon durchgeführt
werden, ob zur Bewegung des Kühlgases ein oder mehrere auf der Maschinenwelle angeordnete
Lüfter dienen oder ob dazu ein besonderer, außerhalb oder innerhalb der Maschine
angeordneter Gasförderer (Kompressor od. dgl.) vorgesehen ist.
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Der Richtungswechsel des Gasstromes wird zweckmäßig durch entsprechend
angeordnete Ventile, Drehschieber, Umlenkklappen od. dgl. bewirkt.
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In den Fig. 3 und 4 ist eine zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehene Turbogeneratoranlage mit auf der Maschinenwelle angeordnetem Lüfter
und mit Kreislaufkühlung schematisch im Längsschnitt dargestellt.
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In dem geschlossenen und an den Wellendurchführungen in bekannter
Weise abgedichteten Gehäuse 1
befindet sich der Ständer 2 und der Läufer 3
des Generators. Auf der Welle 4 ist ein Lüfter 5 angeordnet, der zur Umwälzung des
Kühlgases dient.
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Zum Wechsel der Richtung des Kühlgasstromes innerhalb der Kanäle 10
in den Leitern bzw. Nuten der Ständerwicklung und gegebenenfalls in zusätzlichen
Kühlkanälen 11 im Ständereisen sind Absperrorgane, z. B. Drehschieber oder Drehklappen
6, 7, 8, 9, vorgesehen.
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Ein Teil des durch den Lüfter 5 aus dem Ringraum 12 angesaugten Kühlgases
wird bei der in der Fig. 3 gezeigten Stellung der Absperrorgane durch den Raum 17
und das Organ 6 in den Ringraum 13 gefördert und durchströmt von diesem aus die
Kanäle 10 und 11 im Sinne der eingezeichneten Pfeile, um danach in den Ringraum
14 zu gelangen.
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Durch das geöffnete Absperrorgan 7, den Raum 15 und den Kühler 16
kehrt das Gas dann in den Ringraum 12 zurück.
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Ein anderer, zur Kühlung des Läufers dienender Teil des Kühlgases
strömt aus dem Raum. 17 von beiden Enden des Läufers aus in die in diesem vorgesehenen
Kühlkanäle, die in der Läufermitte Austrittsöffnungen haben. Von der Läufermitte
gelangt das Gas durch den Luftspalt der Maschine in den Raum 15 und vereinigt sich
dort mit dem aus dem Absperrorgan 7 ausströmenden Gasstrom.
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Die Anordnung ist so zu verstehen, daß längs des Gehäuseumfanges die
Räume 15 und 17 als Kanäle ausgebildet sind, die zwischen dem Gehäusemantel und
dem Ständereisen abwechselnd nebeneinanderliegen. Die Räume 15 und 17 bzw. 13 und
17 sind an den Durchtrittsstellen des Läufers durch die Wandungen dieser Räume durch
Spaltdichtungen od. dgl. 27 und 28 gegeneinander abgedichtet.
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Werden die Absperrorgane 6, 7, 8, 9 in die in der Fig. 4 dargestellte
Stellung gebracht, so werden die Kühlkanäle 10 und 11 im Ständer in umgekehrter
Richtung durchströmt, wie durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet ist.
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Zur Verstellung der Absperrorgane sind im Beispiel hydraulische Antriebe
18, 19, 20 und 21 vorgesehen. Diese sind der Übersichtlichkeit halber in der Fig.
3 als außerhalb des Maschinengehäuses liegend gezeichnet. Zweckmäßig werden sie
aber zur Vermeidung weiterer Wellenabdichtungen innerhalb des Gehäuses angeordnet.
Zur Betätigung der hydraulischen Antriebe ist Drucköl vorgesehen, das einem nicht
dargestellten, unter Druck stehenden Behälter entnommen wird. Zur Steuerung der
Antriebe dient ein Umstellventil 22 mit zwei magnetischen Antrieben 23 und 24, die
durch eine Kontaktvorrichtung 25 abwechselnd mit einer Stromquelle 26 verbunden
werden. Die Kontaktvorrichtung kann beispielsweise durch einen Motor über ein Schneckengetriebe
od. dgl. angetrieben werden, so daß die Kontaktumschaltungen jeweils in den gewünschten
Zeitabständen erfolgen.
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Die zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Anordnung
kann in vieler Beziehung anders gestaltet sein, als in dem dargestellten Beispiel
angenommen ist.
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So kann z. B. der Läufer in die Kühlung unter wechselnder Strömungsrichtung
einbezogen sein. Die Austrittsöffnungen der Kühlkanäle in der Läufermitte können
dabei wegfallen, und es ergibt sich unter Umständen eine einfachere Aufteilung des
Inneren des Gehäuses in verschiedene Räume.
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Zur Betätigung der Absperrorgane können andere Antriebe vorgesehen
sein, als im Beispiel angenommen ist. Beispielsweise sind auch pneumatische Antriebe,
Drehmagnete oder Motorantriebe geeignet.
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Ebenso kann die Einrichtung zum periodischen Umsteuern der Antriebe
in beliebiger Weise anders gestaltet sein. Zum Beispiel kann eine mit entsprechender
Geschwindigkeit umlaufende Nockenwelle zur Kontaktgabe oder zur Betätigung von Steuerventilen
dienen.
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Es ist auch nicht nötig, umlaufende Steuervorrichtungen zu benutzen.
So kann z. B. zur Steuerung der Antriebe für die Absperrorgane auch ein Thermoschalter
dienen, dessen Schaltorgane außer der Steuerung der Antriebe auch die Ein- und Ausschaltung
einer Beheizung des temperaturempfindlichen Organs bewirken.
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Statt einfacher Absperrorgane für die Kühlgasströme können auch Umleitorgane
etwa nach Art eines Dreiwegehahnes zweckdienlich sein.
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Wie eingangs schon angedeutet, ist die Erfindung auch anwendbar, wenn
zur Förderung des Kühlgases ein außerhalb der Maschine angeordneter Gasförderer
(Kompressor, Ventilator od. dgl.) dient, der entweder von der Maschinenwelle direkt
oder über Getriebe oder auch durch einen besonderen Motor angetrieben wird. Dabei
können die zur Umkehrung der Strömungsrichtung dienenden Absperr- oder Umleitorgane
in die Verbindungsrohre zwischen dem Gasförderer und der Maschine eingebaut sein.
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Auch bei Maschinen, denen zur Kühlung ständig Frischluft durch einen
außerhalb oder innerhalb der Maschine angeordneten Gasförderer zugeführt wird, die
also keine Kreislaufkühlung aufweisen, sind sinngemäße Anordnungen möglich, mit
denen der erfindungsgemäße Wechsel der Strömungsrichtung bewirkt werden kann.