DE1013771B

DE1013771B - Gas-cooled dynamo-electric machine

Info

Publication number: DE1013771B
Application number: DEW9571A
Authority: DE
Inventors: Rene Andre Baudry
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1951-09-28
Filing date: 1952-09-27
Publication date: 1957-08-14
Also published as: FR1073945A; GB722152A; BE514248A

Description

Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei der Belüftung von Turbogeneratoren oder anderen großen dynamoelektrischen Maschinen mit dem Ziel, den durch die Stator- oder Rotorwicklungen aufgenommenen Strom gegenüber den bisher bekannten Ausführungen zu verdoppeln, zu verdreifachen oder noch weiter zu vervielfachen. In größeren dynamoelektrischen Maschinen treten verschiedene Arten von Verlusten auf. Die hauptsächlichsten Verluste sind die Kupferverluste, üblicherweise als Joulesche Wärme (J2 R) bezeichnet. Diese Kupferverluste machen einen verhältnismäßig kleinen Prozentsatz der Gesamtleistung der Maschine aus, aber diese durch Joulesche Wärme erzeugten Verluste, welche durch bekannte Kühlsysteme auf die zulässige Höchsttemperatur des Stator- oder Rotorkupfers gebracht werden können, begrenzen die Gesamtleistung der Maschine.Gas Cooled Dynamo-Electric Machine The invention relates to on improvements in the ventilation of turbo-generators or other large dynamo-electric Machines with the aim of being absorbed by the stator or rotor windings Electricity to double or triple compared to the previously known designs or to multiply even further. Step into larger dynamo-electric machines different types of losses. The main losses are the copper losses, commonly referred to as Joule heat (J2 R). These make copper losses a relatively small percentage of the machine's overall performance, however these losses generated by Joule heat caused by known cooling systems be brought to the maximum permissible temperature of the stator or rotor copper can limit the overall performance of the machine.

Während der verflossenen 20 Jahre hat sich die Verwendung von Wasserstoff an Stelle von Luft als Kühlmittel eingeführt, insbesondere für Hochleistungs-Wechselstromgeneratoren, und zwar hauptsächlich, weil das wesentlich geringere spezifische Gewicht von Wasserstoff die Ventilations- und Druckverluste erheblich verringerte. In der Regel wurde bei einem Wasserstoffgasdruck von rund 0,226 kg über der umgebenden Atmosphäre gearbeitet, obwohl in jüngster Zeit auch Abhandlungen und Versuche sich mit Wasserstoffgasdrücken über einigen Atmosphären befaßten. Es wurde jedoch festgestellt, daß zwar die Stromleistung eines gegebenen Generators bei ansteigendem Druck des Wasserstoffgases zunächst anstieg, daß dieser Anstieg jedoch kontinuierlich in eine Art von Sättigung überging. Daraus wurde der Schluß gezogen, daß Mängel, wie steigende Wasserstoffgasverluste und zunehmende Kosten der Generatorgehäuse, welche Begleiterscheinungen beim Arbeiten mit höheren Drücken waren, die Arbeitsweise bei Drücken von mehr als 2,1 kg/cm2 über Atmosphärendruck als unwirtschaftlich erscheinen ließen.During the past 20 years, the use of hydrogen has increased Introduced in place of air as a coolant, especially for high-power alternators, mainly because of the much lower specific weight of hydrogen which significantly reduced ventilation and pressure losses. Usually at worked with a hydrogen gas pressure of around 0.226 kg above the surrounding atmosphere, although recently papers and experiments have also dealt with hydrogen gas pressures dealt over several atmospheres. However, it was found that although the current output of a given generator with increasing pressure of the hydrogen gas initially increased, but this increase continuously turned into a kind of saturation. It was concluded from this that deficiencies such as increasing hydrogen gas loss and increasing costs of the generator housing, which side effects when working with higher pressures, the mode of operation at pressures of more than 2.1 kg / cm2 seem uneconomical above atmospheric pressure.

Bei den meisten bisher üblichen wasserstoffgekühlten Generatoren wird das Wasserstoffgas in dem Generatorgehäuse mit Hilfe von nächst dem Rotorumfang befestigten Ventilatorflügeln durch Kühlkanäle in dem Magneteisen des Rotors und Stators getrieben.In most of the hydrogen-cooled generators that have been used to date the hydrogen gas in the generator housing by means of closest to the rotor circumference attached fan blades through cooling channels in the magnet iron of the rotor and Stator driven.

Die Joulesche Wärme (J2 R) mußte von dem Wicklungskupfer über die Nutenisolation der Wicklungen und von hier durch das Eisen auf den Kühlgasstrom übergehen. Dieser Wärmestrom durch die Isolation und das Eisen war überwiegend die Ursache, daß die Generatorleistung bei ansteigendem Wasserstoffgasdruck nicht gleichförmig ansteigen konnte.The Joule heat (J2 R) had to go from the winding copper over the Slot insulation of the windings and from here through the iron to the cooling gas flow pass over. This heat flow through the insulation and the iron was mostly that Cause that the generator output is not uniform with increasing hydrogen gas pressure could increase.

Es ist bekannt, die Kühlwirkung gasgekühlter dynamoelektrischer Maschinen dadurch zu erhöhen, daß das Kühlgas, vorzugsweise Wasserstoffgas, gezwungen wird, durch Kühlkanäle zu strömen, die sich im Innern der Hauptwicklungsisolation befinden und entlang eines jeden Wicklungselementes angeordnet sind, so daß die aus dem Wicklungskupfer abzuführende Wärme ihren Weg ohne Zwischenschaltung eines wesentlichen Wärmedammes zu dem Wasserstoffgas nimmt. Die Nuten müssen somit innerhalb ihres Querschnittes das Wicklungskupfer, die Kühlkanäle und die Wicklungsisolation aufnehmen. Da die Isolation durch die Konstruktionskonstanten festliegt, so bedeutet dies, daß der Raum für die Kühlkanäle entweder aus dem Wicklungskupfer oder dem Magneteisen ausgespart werden muß. Da Wicklungskupfer und Magneteisen kostspielige Werkstoffe sind, so sollen die Kanalquerschnitte möglichst klein gehalten werden. Es kann gezeigt werden, daß dieses Verhältnis einen größtmöglichen Kanalquerschnitt fixiert.The cooling effect of gas-cooled dynamoelectric machines is known by forcing the cooling gas, preferably hydrogen gas, to flow through cooling channels that are located inside the main winding insulation and arranged along each winding element so that the winding copper The heat to be dissipated finds its way without the interposition of an essential thermal barrier to which hydrogen gas takes. The grooves must therefore be within their cross-section accommodate the winding copper, the cooling channels and the winding insulation. Since the Isolation is fixed by the design constants, it means that the Space for the cooling channels is cut out either from the winding copper or the magnet iron must become. Since winding copper and magnet iron are expensive materials, so the duct cross-sections should be kept as small as possible. It can be shown that this ratio fixes the largest possible channel cross-section.

Die Kühlkanäle verlaufen in der Achsrichtung der Stator- und Rotornuten, parallel zum Wicklungskupfer. Die Länge der Kühlkanäle ist praktisch somit durch die axiale Länge des Rotors bzw. Stators festgelegt; diese Länge hinwiederum ist, wie oben ausgeführt, durch die mechanischen Konstanten fixiert. Somit sind sowohl Querschnitt wie Länge eines jeden Kühlkanals innerhalb enger Grenzen festgelegt.The cooling channels run in the axial direction of the stator and rotor slots, parallel to the winding copper. The length of the cooling channels is practically through the axial length of the rotor or stator is set; this length is on the other hand, as stated above, fixed by the mechanical constants. Thus, both The cross-section and the length of each cooling channel are set within narrow limits.

Die lineare Geschwindigkeit, mit welcher ein bestimmtes Gas durch einen Kanal einer bestimmten Länge und eines bestimmten Ouerschnitts strömt, ergibt sich nach bekannten Gesetzen aus dem Druckgefälle zwischen den Kanalenden. In seit vielen Jahren geübter Praxis wird das Kühlgas durch die Kühlkanäle von Generatoren durch ein von einem einstufigen, am Rotorumfang befestigten Ventilator erzeugtes Druckgefälle getrieben. Das durch einen solchen einstufigen Ventilator erzeugte Druckgefälle besitzt einen Wert, der nicht über H = 0,5 T72 liegt, worin bedeutet V die lineare Geschwindigkeit, mit der die Ventilatorflügel sich bewegen, g die Erdbeschleunigung und H das Druckgefälle, ausgedrückt als Höhe einer stationären Gassäule, die einen statischen Druckgleichen Wertes an ihrer Basis besitzen würde. Da die Antriebsgeschwindigkeit und der Rotordurchmesser für Standard - Hochleistungs -Turbowechselstromgeneratoren feststehende, maximale Werte aufweisen, so kann die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors, die ebenfalls= V ist, rund 200 m/Sek. nicht überschreiten. Der Wert H aus der vorerwähnten Formel ergibt daher ein Maximum, das in der Größenordnung von 1070 m liegt. Für einen Generator, der als Kühlmittel Wasserstoffgas bei einem absoluten Druck von 1 Atmosphäre verwendet, bedeutet dies einen maximalen Druckabfall von 8,5 ₧ g/cm2 und für Wasserstoff bei einem Druck von P Atmosphären ein Druckgefälle von 8,5 ₧ P g/cm2.The linear speed at which a given gas passes through a channel of a certain length and a certain cross-section flows, results according to known laws from the pressure gradient between the Channel ends. In practice that has been practiced for many years, the cooling gas is passed through the cooling ducts of generators generated by a single-stage fan attached to the rotor circumference Pressure gradient driven. That generated by such a single-stage fan Pressure drop has a value which does not exceed H = 0.5 T72, where means V is the linear speed at which the fan blades move, g the Gravitational acceleration and H is the pressure gradient, expressed as the height of a stationary one Gas column that would have a static pressure equivalent value at its base. As the drive speed and the rotor diameter for standard high performance -Turbo alternators have fixed, maximum values, so the Circumferential speed of the rotor, which is also = V, around 200 m / sec. do not exceed. The value H from the aforementioned formula therefore gives a maximum that is of the order of magnitude of 1070 m. For a generator that uses hydrogen gas as a coolant for a If an absolute pressure of 1 atmosphere is used, this means a maximum pressure drop of 8.5 ₧ g / cm2 and for hydrogen at a pressure of P atmospheres Pressure gradient of 8.5 ₧ P g / cm2.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß bei den bekannten, mit Wasserstoff gekühlten Generatoren die Druckhöhen die genannten Werte nicht übersteigen konnten und daß die lineare Geschwindigkeit des Gases durch die Kühlkanäle von gegebenem Querschnitt und gegebener Länge durch die Druckhöhen gemäß den oben angegebenen Formeln auf einen Maximalwert beschränkt ist.From the above it follows that in the known, with hydrogen cooled generators the pressure head could not exceed the stated values and that the linear velocity of the gas through the cooling channels of given Cross-section and given length through the pressure head according to the above Formulas is limited to a maximum value.

Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil durch die Vereinigung von in den Wicklungsnuten angeordneten Kühlkanälen, die in direkter Berührung mit dem Wicklungskupfer sind, und einem mehrstufigen Ventilator, der das Kühlgas durch diese Kühlkanäle mit wesentlich höherer Geschwindigkeit treibt.The invention avoids this disadvantage by combining in the winding grooves arranged cooling channels, which are in direct contact with the Are winding copper, and a multi-stage fan that draws the cooling gas through this Drives cooling channels at a much higher speed.

Demzufolge bezieht sich die Erfindung auf gasgekühlte, dynamoelektrische Maschinen in einem gasdichten, der Zirkulation von Kühlgas dienenden Gehäuse mit einer Statorwicklung, die eine Betriebsspannung von mindestens 5000 Volt aufweist; erfindungsgemäß enthalten die Wicklungsnuten des Statorkernes Hülsen aus Isoliermaterial, welche Wicklungselemente einschließen, die einen kleineren Querschnitt besitzen als der Innenraum dieser Hülse, so daß Raum für Kühlkanäle bleibt, wobei zwischen den Wicklungselementen und diesen Kühlkanälen kein nennenswerter Wärmedamm in Form von Isoliermaterial liegt; ferner ist erfindungsgemäß ein mehrstufiger Ventilator vorgesehen, der das Kühlgas mit einem Druck von mindestens 1 Atmosphäre durch die Kühlkanäle treibt unter einem Druckgefälle von wesentlich mehr als 1070 m.Accordingly, the invention relates to gas-cooled, dynamo-electric Machines in a gas-tight housing that serves to circulate cooling gas a stator winding that has an operating voltage of at least 5000 volts; According to the invention, the winding grooves of the stator core contain sleeves made of insulating material, which include winding elements that have a smaller cross-section than the interior of this sleeve, so that space remains for cooling channels, with between the winding elements and these cooling channels no significant thermal insulation in the form of insulating material lies; furthermore, according to the invention, there is a multi-stage fan provided that the cooling gas with a pressure of at least 1 atmosphere through the Cooling ducts float under a pressure gradient of significantly more than 1070 m.

Zwar ist die Verwendung von mehrstufigen Ventilatoren bei dynamoelektrischen Maschinen an sich bekannt. Neu ist die Verwendung solcher Ventilatoren in Verbindung mit in Wicklungsnuten liegenden Kühlkanälen. Durch diese Vereinigung ergeben sich unerwartete Vorteile.True, the use of multi-stage fans with dynamo-electric Machines known per se. What is new is the use of such fans in conjunction with cooling channels located in winding grooves. Through this union arise unexpected benefits.

Da das hohe Druckgefälle die Geschwindigkeit des Kühlgases, welches durch die Nuten in direktem Kontakt mit den eingebetteten Wicklungen strömt, erhöht, wird in der Zeiteinheit ein großes Volumen an Kühlgas durch die Kanäle getrieben; außerdem bringt die hohe Geschwindigkeit das Kühlgas in engeren Kontakt mit den Leiterelementen, was zur Folge hat, daß der Wärmeübergang von dem Wicklungskupfer auf das Kühlgas gegenüber den bekannten Kühlsystemen vervielfacht wird. Die guten Isoliereigenschaften des schnell strömenden Wasserstoffgases verhindern Corona-Entladungen innerhalb der Kühlkanäle und machen es überflüssig, festes Isoliermaterial zwischen den Hochspannungswicklungsleitern und den Kühlkanälen vorzusehen. Eine derartige feste Isolierung würde einen Wärmedamm bilden, welcher der Wärmeübertragung von den Leiterelementen auf das durch die Nutenkanäle strömende Kühlgas hinderlich wäre. Die Wirkung des durch die Kühlkanäle unter einem Druckgefälle von mehr als 1070 m zirkulierenden Gases ist daher eine dreifache, nämlich erstens Steigerung der Wärmeabführung infolge der großen, durch jeden Kühlkanal in der Zeiteinheit strömenden Menge an Kühlgas, zweitens weitere Steigerung der Wärmeabführung durch die innige Berührung zwischen dem schnell strömenden Wasserstoffgas und den die Kühlkanäle bildenden Leiterelementen und drittens eine noch weitere Steigerung der Wärmeabführung dadurch, daß es dank der hohen Isolierfähigkeit des Wasserstoffgases möglich ist, dieses mit dem Wicklungskupfer direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung von Isolation, in Berührung zu bringen.Since the high pressure gradient reduces the speed of the cooling gas, which flowing through the grooves in direct contact with the embedded windings increases, a large volume of cooling gas is forced through the channels in the unit of time; in addition, the high speed brings the cooling gas into closer contact with the Conductor elements, which has the consequence that the heat transfer from the winding copper is multiplied on the cooling gas compared to the known cooling systems. The good ones The insulating properties of the rapidly flowing hydrogen gas prevent corona discharges inside the cooling channels and make it superfluous to have solid insulating material between the high-voltage winding conductors and the cooling channels. Such a one solid insulation would form a thermal barrier that prevents heat transfer from the conductor elements would be a hindrance to the cooling gas flowing through the groove channels. The effect of the cooling channels under a pressure gradient of more than 1070 m circulating gas is therefore a threefold, namely first increase in Heat dissipation due to the large, flowing through each cooling channel in the unit of time Amount of cooling gas, secondly, further increase in heat dissipation through the intimate Contact between the fast flowing hydrogen gas and the cooling channels forming conductor elements and, thirdly, an even further increase in heat dissipation in that it is possible thanks to the high insulating properties of the hydrogen gas, this with the winding copper directly, d. H. without interposition of isolation, to bring in touch.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber Hochspannungsgeneratoren bisheriger Ausführung liegt in der Vermeidung von Temperaturgefällen im Magnetkern und in den Rahmenteilen. Dies wirkt sich in einem schwächeren Recken des Kernes und Rahmens während der Aufheizung und der Abkühlung des Generators aus. Auf diese Weise wirken die Innenkühlkanäle für eine Statorwicklung von mindestens 5000 Volt (in den meisten Fällen von mehr als 10000 Volt) Betriebs-Spannung und die hohe Geschwindigkeit des Kühlgasstromes zusammen im Sinne der Abführung des Wärme-Stromes von dem Kern und dem Rahmen und im Sinne der Konzentration dieses Wärmestromes auf das Kühlgas.Another major advantage of the invention over high-voltage generators previous design is to avoid temperature gradients in the magnetic core and in the frame parts. This results in a weaker stretching of the core and frame during the heating and cooling of the generator. To this The internal cooling channels work for a stator winding of at least 5000 volts (in most cases more than 10000 volts) operating voltage and high speed the cooling gas flow together in the sense of the dissipation of the heat flow from the core and the framework and in terms of the concentration of this heat flow on the cooling gas.

Es wurde des weiteren gefunden, daß trotz der Verwendung mehrstufiger Ventilatoren die Gesamtheit der Rotorwicklungsverluste, der Ventilatorleistung und der Ventilatorverluste für einen Generator nach der Erfindung nicht größer ist als für einen nicht innengekühlten Generator bisher üblicher Ausführung bei gleicher Generatorleistung, die erfindungsgemäße Ausführung jedoch eine wesentlich wirksamere Kühlung gewährleistet. Darüber hinaus wird bei Verwirklichung der erfindungsgemäßen gleichzeitigen Verwendung von innengekühlten Wicklungen und mehrstufigen Ventilatoren, die einen viel intensiveren Gasstrom durch die Kühlkanäle erzeugen, als dies mit dem üblichen einstufigen Ventilator früherer Ausführungen möglich war, eine beträchtliche Verringerung der Baugröße des Wärmeaustauschers und der zugehörigen Kanäle erreicht.It has also been found that despite the use of multi-stage Fans the total of the rotor winding losses, the fan power and the fan losses for a generator according to the invention is not greater than for a generator that is not internally cooled with the same design up to now Generator power, the embodiment according to the invention, however, a much more effective one Cooling guaranteed. In addition, when implementing the invention simultaneous use of internally cooled windings and multi-stage fans, which generate a much more intense gas flow through the cooling channels than with the usual single-stage fan of earlier designs was possible, a considerable amount Achieved reduction in the size of the heat exchanger and the associated channels.

Die Zeichnung erläutert die Erfindung an Ausführungsbeispielen.The drawing explains the invention using exemplary embodiments.

Die Figuren stellen dar Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt eines Teiles eines Turbogenerators, bei welchem Wasserstoffgas unter erhöhtem Druck als Kühlmittel für den Stator und für den Rotor (bei im wesentlichen gleichem Druck in beiden) Verwendung findet, Fig. 2 einen schematischen Querschnitt nach Linie II-II zu Fig. 1 in verkleinertem Maßstab, Fig. 3 die Draufsicht auf einen Teil des Umfangs der Maschine in Abwicklung bei abgenommenem Außengehäuse, Fig. 4 den Schnitt nach Linie IV-IV zu Fig. 1, Fig. 4A einen der Fig. 4 entsprechenden Schnitt in etwas geänderter Ausführung, Fig.5 die Stirnansicht auf das Ende einer Statorwicklung der Fig. 1, Fig. 6 den Schnitt nach Linie VI-VI zu Fig. 4A, Fig. 7 einen Mehrstufenventilator in Einzeldarstellung: Die Fig.1 zeigt einen großen Mehrphasen-Turbogenerator mit dem Stätor 1 und dem Rotor 2, in einem gasdichten äußeren Gehäuse 3. Der Rotor sitzt auf einer Welle 4, welche aus dem Gehäuse, in gasdichten Lagern, vorzugsweise Stopfbüchsen 5, austritt. Letztere sind so ausgebildet, daß ein übermäßiger Verlust an Wasserstoffgas vermieden wird.The figures show FIG. 1 a schematic longitudinal section of a Part of a turbo generator, in which hydrogen gas under increased pressure as Coolant for the stator and for the rotor (at essentially the same pressure in both) is used, Fig. 2 is a schematic cross-section along the line II-II to Fig. 1 on a reduced scale, Fig. 3 is a plan view of part of the Circumference of the machine in development with the outer housing removed, Fig. 4 shows the section according to line IV-IV to FIG. 1, FIG. 4A a section corresponding to FIG. 4 in somewhat modified design, Fig. 5 the front view of the end of a stator winding Fig. 1, Fig. 6 the section along line VI-VI to Fig. 4A, Fig. 7 a multi-stage fan in single representation: Fig.1 shows a large multiphase turbo generator with the Stätor 1 and the rotor 2, in a gas-tight outer housing 3. The rotor sits on a shaft 4, which from the housing, in gas-tight bearings, preferably Stuffing boxes 5, exits. The latter are designed to prevent excessive loss of hydrogen gas is avoided.

Der Stator besitzt einen Statorkern, der aus einem Paket von ringförmig magnetisierbaren Lamellen besteht. Diese sind durch einen ringförmigen Entlüftungskanal 7 unterteilt. An Stelle eines einzigen derartigen Entlüftungskanals kann eine Vielzahl solcher Kanäle gebildet sein, in der Weise, daß in den Kanal 7 im geeigneten Achsabstand Lamellen eingesetzt sind, wobei die Summe der Querschnitte dieser Radialkanäle dem Querschnitt des einzigen Radialkanals 7 entsprechen muß (etwa 51 mm). Vorzuziehen jedoch ist die Anordnung eines einzigen zentralen Ringkanals 7.The stator has a stator core, which is made up of a package of ring-shaped magnetizable lamellas. These are through an annular vent duct 7 divided. Instead of a single ventilation duct of this type, a plurality such channels be formed in such a way that in the channel 7 in the appropriate center distance Lamellae are used, the sum of the cross sections of these radial channels being the Cross section of the single radial channel 7 must correspond (about 51 mm). Preferable however, the arrangement of a single central ring channel 7 is possible.

Der Statorkern besitzt Wicklungsnuten 8 für die Wicklungsseiten 9 einer Hochspannungsständerwicklung 10 aus vorgeformten Spulen.The stator core has winding slots 8 for the winding sides 9 a high voltage stator winding 10 made of preformed coils.

In Fig. 1 sind die Endteile 13 der Ständerwicklung 10, die an den Enden der Kernnuten überstehen, im gleichen radialen Abstand von der Welle 4 gehalten wie die Wicklungsseiten 9 (statt sie in einem Winkel von der Welle wegzubiegen, wie das bei vorbekannten Konstruktionen der Fall ist). Gemäß Fig. 1 ist ein zylindrischer Wicklungshaltekörper 16 vorgesehen, der an beiden Enden des Statorkernes die Wicklungsteile 13 unterstützt. Die Wicklungsenden werden gegen diesen zylindrischen Halter 16 aus Isolierstoff durch geeignete Spannelemente 17, die mit dem zylindrischen Isolierkörper 16 in Wechselwirkung stehen, niedergehalten und gegen Verdrehung oder Verbiegen bei Beanspruchung durch Kurzschlußströme gesichert.In Fig. 1, the end portions 13 of the stator winding 10, which are attached to the The ends of the core grooves protrude, held at the same radial distance from the shaft 4 like the winding sides 9 (instead of bending them away from the shaft at an angle, as is the case with previously known constructions). According to Fig. 1 is a cylindrical Winding holding body 16 is provided, the winding parts at both ends of the stator core 13 supported. The winding ends are made against this cylindrical holder 16 Insulating material by suitable clamping elements 17, which with the cylindrical insulating body 16 interacting, held down and against twisting or bending secured in the event of stress caused by short-circuit currents.

Besondere Maßnahmen sind getroffen, um die Ständerwicklungen 10 über ihre ganze Länge nicht bloß im Bereich der in den Nuten liegenden gestreckten Wicklungsseiten 9, sondern vorzugsweise auch unter Einschluß der Endteile 13 mit Ausnahme der am weitesten vom Statorkern entfernt liegenden Krümmer 14 zu kühlen. Ein Weg, um dies zu bewerkstelligen, besteht in der Anordnung der Wicklungsseiten in Paaren 19 und 19' (Fig. 4), die im Abstand voneinander gehalten werden, beispielsweise durch kleine vertikale oder radiale Abstandshalter 20 (Fig. 6), die in geeigneten Abständen auf die Länge der Wicklungspaare 19 und 19' verteilt sind, sowohl im Bereich der Seitenteile 9, die in den Nuten 8 liegen, als auch im Bereich der gestreckten Endteile 13. Den Wicklungspaaren 19 und 19' sind zu denselben parallel laufende obere und untere Kühlkanäle 21 und 21' zugeordnet. Diese sind in einem ununterbrochenen, fugenfreien Isoliermantel J eingeformt. Das Isoliermaterial kann sowohl die Wicklungsseitenteile 9 in den Nuten 8 wie auch die Krümmungen 11 an den Enden des Statorkerns 6 wie auch die gestreckten Endteile 12 einschließen, nicht aber die Krümmer 14.Special measures are taken to keep the stator windings 10 over their entire length not only in the area of the stretched winding sides lying in the grooves 9, but preferably also including the end parts 13 with the exception of the am to cool the most distant from the stator core manifold 14. One way of doing this to accomplish, consists in the arrangement of the winding sides in pairs 19 and 19 '(Fig. 4), which are kept at a distance from one another, for example by small vertical or radial spacers 20 (Fig. 6) spaced appropriately the length of the winding pairs 19 and 19 'are distributed, both in the area of the side parts 9, which lie in the grooves 8, as well as in the area of the elongated end portions 13. Den Winding pairs 19 and 19 'are upper and lower running parallel to the same Associated with cooling channels 21 and 21 '. These are in an uninterrupted, joint-free manner Insulating jacket J molded in. The insulating material can be both the winding side parts 9 in the grooves 8 as well as the curvatures 11 at the ends of the stator core 6 as well include the elongated end portions 12 but not the bends 14.

Das Material J dient als Nutenisolation für die Wicklungen; die die Wicklungsleiter aufnehmenden Nuten sind im Querschnitt so groß, daß sie Raum für die Nutenisolation und die Kühlkanäle 21, 21' bieten. Jede Wicklungsseite 19, 19' besteht aus einer Vielzahl von Lagen aus Kupferleitern. Diese Leiterelemente können gegeneinander isoliert sein, beispielsweise durch Umwickeln mit einem dünnen Band oder einer anderen Isolation, die keine wesentliche Wärmebrücke für den Wärmestrom bildet und dessen thermischer Widerstand verhältnismäßig klein ist gegenüber jenem, welchen die Hauptisolation J zwischen dem Wicklungskupfer 10 und den Nutenwandungen bildet. Gleich den meisten Turbogeneratoren ist die beispielsweise dargestellte Maschine mit einer Zweilagen-Ständerwicklung 10 ausgerüstet derart, daß die Wicklungsteile, die in jeder Statornut 8 liegen, zwei Doppelleitergebilde umfassen. Gemäß Fig. 5 tritt das Kühlmedium, in diesem Falle Wasserstoff, in den oberen Kühlkanal 21 der oberen Wicklungslage und in den unteren Kanal 21' der unteren Wicklungslage an den Kanalenden nächst den Krümmern 14 an den Wicklungsscheiteln ein. Der untere Kühlkanal 21' der oberen Wicklungslage und der obere Kühlkanal 21 der unteren Wicklungslage sind, wie bei 24 und 25 der Fig. 1 und 6 schematisch angedeutet, geschlossen. Das Kühlmedium tritt somit durch die offenen Kanäle ein und strömt durch den Zwischenraum zwischen den beiden Wicklungshälften 19 und 19' in die an den Enden verschlossenen Kanäle, wie durch die Pfeile in Fig. 6 gezeigt wird. In der Maschinenmitte, wo sich der ringförmige Entlüftungskanal ? befindet, sind die beiden Kanäle, die nächst den Krümmern 14 offen sind, geschlossen, wie in Fig. 1 bei 26 und 27 angedeutet, so daß das Kühlgas gezwungen ist, durch die an den Krümmern geschlossenen Kühlkanäle auszutreten, worauf es in den Entlüftungskanal ? gelangt und hier radial gegen den äußeren Umfang des Statorkernes strömt, wie in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet.The material J serves as slot insulation for the windings; the the Coil conductor receiving grooves are so large in cross section that they have room for provide the groove insulation and the cooling channels 21, 21 '. Each winding side 19, 19 ' consists of a large number of layers of copper conductors. These ladder elements can be insulated from one another, for example by wrapping a thin tape around them or some other insulation that does not have a significant thermal bridge for the heat flow and whose thermal resistance is relatively small compared to that which the main insulation J between the winding copper 10 and the groove walls forms. The example shown is like most turbo-generators Machine equipped with a two-layer stator winding 10 in such a way that the winding parts, which lie in each stator slot 8, comprise two double conductor structures. According to FIG. 5 the cooling medium, in this case hydrogen, enters the upper cooling channel 21 of the upper winding layer and in the lower channel 21 'of the lower winding layer to the Channel ends next to the bends 14 at the winding apices. The lower cooling channel 21 'of the upper winding layer and the upper cooling channel 21 of the lower winding layer are, as indicated schematically at 24 and 25 of FIGS. 1 and 6, closed. That Cooling medium thus enters through the open channels and flows through the space between the two winding halves 19 and 19 'in the closed at the ends Channels as shown by the arrows in FIG. In the middle of the machine where the annular vent channel? the two channels are the closest the bends 14 are open, closed, as indicated in Fig. 1 at 26 and 27, so that the cooling gas is forced through the cooling channels closed on the manifolds leak what it is in the ventilation duct? arrives and here radially against the outer circumference of the stator core flows, as indicated in Fig. 1 by arrows.

Der äußere Umfang des Statorlamellenpaketes 6 wird durch eine Vielzahl von, in axialen Abständen angeordneten Ringen 30 getragen. Das Gehäuse 3 besitzt einen zylindrischen Teil, der gemäß Fig.2 bezüglich des Statorkernes 6 etwas exzentrisch ist, so daß oberseitig zwischen dem Gehäuse 3 und dem Kern 6 ein größerer Raum besteht als unterseitig. In dem größeren oberen Raum befinden sich zwei sich axial erstreckende Kühler oder Wärmeaustauscher 31 und 32, die im Winkelabstand zueinander liegen und innenseitig durch einen Verteiler oder ein Leitblech 33 verbunden sind, welches das radial aus dem Entlüftungskanal 7 nach außen strömende Gas zwingt, in zwei Umfangsströmen zwischen die beiden sich axial erstreckenden Kühler 31 und 32 zu ziehen und nach erfolgter Abkühlung an das zugehörige Maschinenende zurückzukehren.The outer periphery of the stator core 6 is made by a plurality supported by axially spaced rings 30. The housing 3 has a cylindrical part which, according to FIG. 2, is somewhat eccentric with respect to the stator core 6 is, so that there is a larger space between the housing 3 and the core 6 on the top as underside. In the larger upper space there are two axially extending Cooler or heat exchanger 31 and 32, which are angularly spaced from one another and are connected on the inside by a manifold or a baffle 33, which forces the gas flowing radially outward from the vent channel 7 in two circumferential flows to pull between the two axially extending coolers 31 and 32 and after to return to the associated machine end once it has cooled down.

Der Kreislauf des Gases wird durch mehrstufige Ventilatoren 35 (Fig. 1) aufrechterhalten, deren je einer auf der Welle 4 an jedem Ende des Rotors 2 befestigt ist. An jedem Maschinenende befindet sich eine Leitfläche 36, welche das durch die Kühler 31 und 32 strömende Gas an die Saugseite der Ventilatoren 35 zurückführt, von wo aus das Gas dann in axialer Richtung in das Innere der Maschine geblasen wird. Die Ventilatorschaufeln 35 sind in Fig. 1 lediglich schematisch und symbolisch angedeutet als mehrstufige Mittel zur Erzeugung der Geschwindigkeit des durch die Kühlkanäle strömenden Mediums. An Stelle von Ventilatoren können für den gleichen Zweck irgendwelche andere, in der einschlägigen Technik bekannte Mittel Verwendung finden. Es wurde gefunden, daß ein zweistufig wirkender Ventilator gegenüber einem einstufigen an der Maschine eine wesentliche Verbesserung bringt, daß sich diese Verbesserung aber nicht in dem Maß bei einer Maschine ohne Innenkühlung der Wicklungen auswirkt.The gas cycle is controlled by multi-stage fans 35 (Fig. 1), one of which is attached to the shaft 4 at each end of the rotor 2 is. At each end of the machine there is a guide surface 36, which the through the Cooler 31 and 32 returns gas flowing to the suction side of the fans 35, from where the gas is then blown in the axial direction into the interior of the machine will. The fan blades 35 are only schematic and symbolic in FIG. 1 indicated as a multi-stage means of generating the speed of the through the Cooling channels of flowing medium. Instead of fans you can use it for the same Purpose Any other means known in the relevant art Find. It has been found that a two-stage fan versus one single-stage on the machine brings a significant improvement that this But not the same improvement in a machine without internal cooling of the windings affects.

Der Rotor 2 besitzt einen Rotorkern 40 (Fig. 1 und 2), der ebenfalls mit Wicklungsnuten 41 für die Wicklungsseiten 42 der Läuferwicklung 43 versehen ist. Diese Läuferwicklung 43 besteht vorzugsweise aus hohlen oder U-förmigen Leitern 44. In der Nähe der Rotormitte, ungefähr unter dem Statorentlüftungskanal7, sind die Nutenkeile 45 des Rotors, ebenso wie die U-förmigen Rotorleiter 44 mit radialen Öffnungen oder Entlüftungskanälen 46 versehen, durch welche das Wasserstoffgas aus dem Luftspalt ausgetrieben wird, dann in das Luftspaltende des ringförmigen Statorentlüftungskanals 7 gelangt und sich mit dem den Stator kühlenden Wasserstoffgasstrom vereinigt, um durch die Kühler 31 und 32 gekühlt zu werden und anschließend durch die Wirkung der mehrstufigen Ventilatoren 35 an die zugehörigen Maschinenenden zurückzukehren.The rotor 2 has a rotor core 40 (Fig. 1 and 2), which also provided with winding grooves 41 for the winding sides 42 of the rotor winding 43 is. This rotor winding 43 preferably consists of hollow or U-shaped conductors 44. Near the center of the rotor, roughly under the stator ventilation duct7 the slot wedges 45 of the rotor, as well as the U-shaped rotor conductor 44 with radial Openings or vent channels 46 are provided through which the hydrogen gas from is driven out of the air gap, then into the Air gap end of the annular Stator ventilation channel 7 arrives and with the hydrogen gas flow cooling the stator combined to be cooled by the coolers 31 and 32 and then by the effect of the multi-stage fans 35 to return to the associated machine ends.

Der Statorkern 6 und gewöhnlich auch der Rotorkern 40 sind üblicherweise mit axial verlaufenden Entlüftungskanälen für die direkte Kühlung des Stator-oder Rotoreisens versehen. So sind in Fig. 1 axial laufende Statorkanäle 47 im äußeren Teil des Statorlamellenpaketes gezeigt, d. h. radial außerhalb der Wicklungsnuten 8. Fig. 4A zeigt eine andere Ausführungsform, bei welcher axial verlaufende Statorkanäle 48 in einem der Statorzähne zu sehen sind, um zu zeigen, wie diese Statorzähne gekühlt werden. Diese Eisen- oder Kernkühlungskanäle sind üblicher Anordnung.The stator core 6 and usually also the rotor core 40 are usually with axially extending ventilation channels for direct cooling of the stator or Rotor iron provided. Thus, in Fig. 1 axially running stator channels 47 are in the outer Part of the stator lamella packet shown, d. H. radially outside the winding slots 8. Fig. 4A shows another embodiment in which axially extending stator channels 48 can be seen in one of the stator teeth to show how those stator teeth are cooled will. These iron or core cooling channels are common arrangement.

Statt die Isolation J zwischen den Wicklungsseiten 19, 19' und den Nuten 8, 9 als geformten, fugenfreien Mantel auszubilden, kann sie gemäß Fig. 4A aus steifen, vorgeformten, U-förmigen Isolierkanälen bestehen, welche über bzw. unter den Wicklungspaaren 19 und 19' liegen und sowohl die Wicklungsseitenteile 9 in den Nuten 8 wie auch die Krümmer 11 an den Enden des Statorkernes wie auch die gestreckten Wicklungsteile 12 mit Ausnahme der Krümmer 14 umfassen.Instead of the insulation J between the winding sides 19, 19 'and the To design grooves 8, 9 as a shaped, joint-free jacket, it can according to FIG. 4A consist of rigid, pre-formed, U-shaped insulating channels, which are under the winding pairs 19 and 19 'and both the winding side parts 9 in the grooves 8 as well as the bends 11 at the ends of the stator core as well comprise the elongated winding parts 12 with the exception of the bends 14.

Um geeignete Isolierkriechstrecken zu erhalten, sind die Seitenwandungen der U-förmigen Kühlkanäle 21 und 21' und die Seiten der im Abstand angeordneten Leiterpaare 19 und 19' bündig und durch flache, überlappende Isolierelemente 23 bedeckt, welche sich längs der Seiten der Wicklungsanordnung und der Kühlkanäle 21 und 21' erstrecken. Diejenigen Teile der Kanäle 21 und 21' aus Isolierstoff und der Isolierelemente 23, welche in den Nuten 8 liegen, dienen als Nutenisolation. Der Nutenquerschnitt ist somit groß genug, um ausreichenden Raum für die Unterbringung der Leiterelemente, der Nutenisolation und der Kühlkanäle 21 und 21' zu bieten.In order to obtain suitable insulating creepage distances, the side walls are of the U-shaped cooling channels 21 and 21 'and the sides of the spaced Conductor pairs 19 and 19 'are flush and through flat, overlapping insulating elements 23 covered, which extends along the sides of the winding assembly and the cooling channels 21 and 21 'extend. Those parts of the channels 21 and 21 'made of insulating material and the insulating elements 23, which are located in the grooves 8, serve as groove insulation. The groove cross-section is thus large enough to provide sufficient space for accommodation the conductor elements, the slot insulation and the cooling channels 21 and 21 '.

Eine Isolation der Art, wie in Fig. 4A gezeigt, die also aus getrennten. Kanälen und Platten mit dazwischenliegenden Stoßfugen besteht, ist empfindlich gegen elektrische Entladungen über diese Fugen, wenn, wie dies bei Statorwicklungen von Generatoren der hier beschriebenen Art der Fall ist, die Wicklungsleiter bei einigen tausend Volt, beispielsweise 5000 Volt, arbeiten. Dies verursacht Schwierigkeiten in der Isolierung; elektrische Entladungen durch die Stoßfugen der Isolation verursachen Zerstörung oder Verschlechterung der letzteren, besonders wenn gemäß der früher üblichen Praxis Luft als Kühlmittel Verwendung findet. Ähnliche Schwierigkeiten aus elektrischer Entladung treten im Falle der Verwendung einer Fugen aufweisenden Isolation ein, wenn als Kühlmedium Wasserstoff bei atmosphärischem Druck oder einem nur wenig höheren Druck Verwendung findet. Indessen wird die Spannung, bei welcher durch elektrischen Entladungen Schwierigkeiten entstehen, wesentlich hinaufgesetzt bei Drücken des Wasserstoffgases in der Größenordnung von 3,5 kg/cm2. Die Verwendung von Wasserstoffgas bei oder über diesen 60 Drücken vermeidet die bisher bei nicht fugenlosen Isolationen auftretenden Schwierigkeiten.An isolation of the kind as shown in Fig. 4A, that is from separate. Channels and panels with intervening butt joints is sensitive to electrical discharges through these joints if, as in the case of stator windings of Generators of the type described here do the winding conductors in some thousand volts, for example 5000 volts, work. This causes trouble in isolation; cause electrical discharges through the butt joints of the insulation Destruction or deterioration of the latter, especially if according to the former common practice air is used as a coolant. Similar difficulties from electrical discharge occur in the case of the use of a joint Insulation if the cooling medium is hydrogen at atmospheric pressure or a only a little higher pressure is used. Meanwhile, the tension at which difficulties arise from electrical discharges, considerably increased at pressures of the hydrogen gas in the order of 3.5 kg / cm2. The usage of hydrogen gas at or above these 60 pressures does not prevent this up to now at seamless insulation problems.

Die in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Konstruktionen können zur Anwendung kommen, gleichgültig welche der Isolationen der Fig.4 und 4A Verwendung findet. 65 Der Isolationsträger 16 besitzt einen gebördelten Rand 16A, der den Abstand gegen den Umfang des Rotors verringert, oder andere, dem gleichen Zweck, nämlich der Verengung des Durchgangsquerschnitts für Gas durch den Luftspalt zwischen dem Rotor 2 und dem 70 Stator, dienende Mittel. Dies trägt wesentlich zur Kühlung der Leiterelemente des Rotors bei; dadurch daß ein ausreichender Teil des Kühlgases von dem Ventilator 35 in die Kühlkanäle der Rotorwicklungen strömt.The constructions shown in FIGS. 1, 2 and 3 can be used come, regardless of which of the insulation of Fig. 4 and 4A is used. 65 The insulation support 16 has a beaded edge 16A, which counteracts the distance reduced the circumference of the rotor, or other, the same purpose, namely narrowing of the passage cross-section for gas through the air gap between the rotor 2 and the 70 stator, serving means. This contributes significantly to the cooling of the conductor elements of the rotor at; by having a sufficient portion of the cooling gas from the fan 35 flows into the cooling channels of the rotor windings.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines mehrstufigen Ventilators 35. Die Schaufeln 71 und 72 sind nahe dem Umfang des Rotors angeordnet, während die Schaufeln 73 und 74 am Stator befestigt sind. Hierdurch ergibt sich ein zweistufiger Ventilator, der ein maximales Druckgefälle erzeugt, welches das Zweifache desjenigen für einen einstufigen Ventilator gleichen Außendurchmessers und gleicher Drehgeschwindigkeit ausmacht.Fig. 7 shows schematically an embodiment of a multi-stage fan 35. The blades 71 and 72 are arranged near the circumference of the rotor, while the blades 73 and 74 are attached to the stator. This results in a two-stage fan with a maximum pressure gradient generated, which is twice that for a single-stage fan of the same outer diameter and the same rotational speed.

Vorstehend wurde Wasserstoffgas als das für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens typische Kühlmittel herausgestellt. Dieses Gas hat gegenüber anderen Gasen, wie Helium oder Schwefel-Hexa-Fluorverbindungen mancherlei Vorteile; die Erfindung schließt jedoch die Verwendung anderer Gase als Kühlmittel nicht aus.In the foregoing, hydrogen gas was used as the one for the realization of the Typical coolants highlighted according to the invention. This gas has opposite other gases, such as helium or sulfur-hexa-fluorine compounds, have various advantages; however, the invention does not preclude the use of other gases as coolants.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Dynamo-electric machine in a gas-tight, the circulation of cooling gas serving housing with a stator winding, the one Has an operating voltage of at least 5000 volts, characterized in that the winding grooves of the stator core contain sleeves made of insulating material, which Include winding elements that have a smaller cross-section than that Interior of these sleeves, so that space remains for cooling channels, with between the winding elements and these cooling channels no significant thermal barrier in the form of insulating material and characterized by a multi-stage fan that supplies the cooling gas A pressure of at least 1 atmosphere through the cooling channels propels under one Pressure drop of significantly more than 1070 m.

2. Machine according to claim 1 using of hydrogen gas as cooling gas, characterized in that the hydrogen gas by the cooling channels in a significantly larger amount (weight) flows per second than Hydrogen at atmospheric pressure with a pressure gradient of 8.5 g / cm2 between the line or duct ends.

3. Machine according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling gas through the cooling channels with a pressure gradient or a pressure head between the channel ends of is driven, where V is the linear peripheral speed of the rotor and g is the constant of the acceleration due to gravity. 4. Machine according to one of the preceding claims with a gas-tight housing in which the cooling gas circulates in the cooling channels housed in the grooves, characterized in that the pressure of the cooling gas in the housing is substantially above the pressure of the surrounding atmosphere. 5. Machine according to one of the preceding claims, with cooling channels in the rotor for cooling the rotor winding elements, an annular air gap and a pressure gradient generating means next to the rotor at the air gap end for generating a cooling gas flow in the axial direction, characterized by guide elements (16, 16.

4, Fig. 1), which the passage of the flowing cooling gas in the axial direction Direction through prevent the air gap. the free flow of the cooling gas into the rotor cooling ducts however, allow. Publications considered: German Patent Specifications No. 293 616, 308 230, 515 766, 679 883; Swiss patents No. 99 387, 172 839; French Patent Nos. 714 319, 865 544; U.S. Patent No. 2 561737; Richter, "Electrical Machines", Vol. I, Verlag Springer, 1924, p. 318, 319; Elektrotechnische Zeitschrift, 1934, p.843; 1949, p. 445; BBC News, 1951, p.29.