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Turbogenerator, dessen Blechpaket mittels Preßbolzen über eine aus
ferromagnetischen Blechen bestehende Enddruckplatte zusammengehalten wird Die Erfindung
betrifft einen Turbogenerator, d. h. einen großen schnell laufenden Wechselstromgenerator.
Bei diesen Maschinen treten Schwierigkeiten bezüglich der Streuflüsse auf; man hat
daher besondere Maßnahmen ergriffen, um die Wirbelstromerwärmung, welche eine Folge
des Streuflusses um die Wickelköpfe ist, zu verhindern, da sonst eine übermäßige
Erwärmung an den Enden des Blechpaketes eintritt. Bei modernen wasserstoffgekühlten
Turbogeneratoren, bei denen mit hohen Gasdrücken und direkter Leiterkühlung gearbeitet
wird, sind die Ströme der Ständer- und Läuferwicklung sehr hoch, so daß die Vermeidung
einer durch den Streufluß bedingten unzulässigen Erwärmung besonders notwendig ist.
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Der Streufluß innerhalb eines Turbogenerators bildet sich in folgender
Weise aus: Der Läufer des Turbogenerators erzeugt das Erregerfeld, und die Läuferwicklung
ist demzufolge eine Gleichstromerregerwicklung, welche bei großen Turbogeneratoren
ein zweipoliges Feld erzeugt. Der größte Teil des Flusses, welcher aus dem Nordpol
des Läuferballens heraustritt, durchsetzt den Luftspalt, tritt in das Blechpaket
ein, verkettet sich dort mit der Ständerwicklung, geht längs des Umfanges der Maschine
halb um das Blechpaket herum und tritt am Luftspalt wieder heraus, wobei er an dem
dem Nordpol gegenüberliegenden Südpol in den Läuferballen zurückkehrt. Bei einem
Turbogenerator ist es aus verschiedenen Gründen notwendig, den Luftspalt ziemlich
groß zu wählen, so daß eine beträchtliche magnetomotorische Kraft erforderlich ist,
um den Nutzfluß durch den Luftspalt zu treiben. Der Streufluß nimmt daher beträchtliche
Werte an. Er tritt am Ende des Läuferballens aus und durchsetzt die die Wickelköpfe
der Läuferwicklung haltende Kappe, sofern dieselbe aus ferromagnetischem Material
besteht, bzw. durchsetzt die Welle des Läufers, wenn die Kappe aus unmagnetischem
Material besteht. Der Streufluß durchsetzt weiterhin den die Wickelköpfe der Ständerwicklung
umgebenden Raum und tritt dann in mehr oder minder axialer Richtung in das Ständerblechpaket
an den beiden Enden der Maschine ein. Die durch die Wickelköpfe der Ständerwicklung
fließenden Ströme tragen dabei sehr wesentlich zu der Größe dieses Streuflusses
bei. , Um die durch das Streufeld hervorgerufenen Wirbelströme gering zu halten
und möglichst zu vermeiden, hat man anfänglich, wie bekannt, versucht, den Widerstand
der Wirbelstrombahnen in den seitlichen, von den Streukraftlinien durchsetzten Teilen
der Maschine möglichst groß zu machen. Zu diesem Zwecke sind die Randbleche des
aktiven Eisenpaketes entweder als legierte, Silizium enthaltende Bleche ausgeführt
worden, oder man hat ebenso wie in den Preßplatten in den Blechen radial verlaufende
Schlitze vorgesehen, um die Wirbelstrombahnen zu unterbinden. Da jedoch diese Maßnahmen
nicht befriedigten und dadurch eine zusätzliche Erwärmung der äußeren Bleche des
Eisenpaketes nicht in ausreichendem Maße verhindert werden konnte, hat man weiter
vorgesehen, die Enddruckplatten so auszubilden, daß sie als magnetische Schilde
wirken und den Streufluß aufnehmen und abführen, so daß ein Eintritt des Streuflusses
in das Ständerblechpaket selbst und die hierdurch bedingte zusätzliche Erwärmung
weitgehend verhindert wird. Auf diese Weise tritt nämlich der größere Teil des Streuflusses
in die ferromagnetischen Enddruckplatten ein, geht längs des Umfanges der Maschine
herum und kehrt dann zum Gegenpol des Läuferballens zurück.
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Es ist auch bereits bekannt, die Enddruckplatten und, sofern ein Druckfingerring
zwischen Enddruckplatte und Ständerblechpaket vorgesehen ist, gegebenenfalls auch
diesen aus ferromagnetischen Blechen aufzubauen. Ferner ist es bekannt, die Bleche
der Enddruckplatte hinsichtlich ihres inneren Durchmessers in axialer Richtung von
innen nach außen abzustufen. Durch diese stufenweise zurücktretende Konstruktion
der aus ferromagnetischen Blechen zusammengesetzten Enddruckplatte wird der Eintritt
bzw. Austritt des Streuflusses in die Bleche der Enddruckplatte
an
der Schmalseite dieser Bleche erleichtert, während der Betrag des Streuflusses,
welcher in diese Bleche von der Breitseite her eintritt, vermindert wird. Tritt
nämlich ein Wechselfluß von der Breitseite her in ein ferromagnetisches Blech ein
bzw. aus einem solchen heraus, so induziert er Wirbelströme in diesem Blech und
verursacht damit die Erhitzung desselben. Tritt der Fluß jedoch an der Schmalseite
oder Kante des Bleches in dieses ein bzw. aus diesem heraus, so setzt das Blech
infolge seiner geringen Stärke den auftretenden Wirbelströmen einen beträchtlichen
Widerstand entgegen, so daß die Wirbelströme gering bleiben und demzufolge nur eine
geringe Erwärmung des Bleches einritt. Wo also ein Streufluß an dem Ende einer Maschine
auftritt, der mehr oder weniger von der Breitseite her in das Ende des Blechpaketes
eintritt, ist es erforderlich, eine abgestufte Konstruktion vorzusehen, so daß der
Streufluß von der Kante oder dem Ende eines jeden Bleches her in das Blechpaket
eintreten kann. Der Streufluß wird diesen Weg bevorzugen, da ihm an der Schmalseite
der Bleche keine nennenswerten Wirbelströme in den Blechen entgegentreten werden.
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Um den Teil des Streuflusses, welcher durch die Schmalseite der Bleche
der Enddruckplatte in diese eintritt, zu vergrößern und den Teil des Streuflusses,
welcher von der Breitseite her in die Enddruckplatte eindringt, zu vermindern, werden
gemäß der Erfindung die in radialer Richtung außerhalb des Nutenbereiches liegenden
inneren Kanten mindestens eines Teiles der bezüglich ihres inneren Durchmessers
abgestuften Bleche der Enddruckplatte sägezahnförmig ausgebildet. Auf diese Weise
wird die wirksame Länge dieser inneren Kanten vergrößert, so daß der an diesen Kanten
in die Enddruckplatte eintretende Anteil des Streuflusses gegenüber dem von der
Breitseite her eintretenden Anteil vergrößert wird.
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An Hand der Fig. 1 und 2 ist als Ausführungsbeispiel ein gemäß der
Erfindung ausgebildeter Turbogenerator wiedergegeben, dem weitere Einzelheiten der
Erfindung entnommen werden können. In Fig. 1 ist ein vereinfacht dargestellter Ausschnitt
eines Längsschnittes aus der oberen Hälfte des einen Endes des Turbogenerators wiedergegeben,
während Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt längs der Linie II-II der
Fig. 1 darstellt.
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Der in den beiden Fig. dargestellte große wasserstoffgekühlte Turbogenerator
besteht aus dem Läufer 2 und dem Ständer 3. Der Läufer 2 hat einen zylindrischen
Läuferballen 4, welcher die als Gleichstromerregerwicklung ausgebildete Läuferwicklung
5 trägt, deren Spulenseiten in den Nuten des Läuferballens 4 untergebracht sind.
Die Wickelköpfe der Läuferwicklung 5 werden durch die Kappe 7 gehalten, welche entweder
aus ferromagnetischem oder aus unmagnetischem Material bestehen kann. Der Läufer
2 sitzt auf der in geeignet ausgebildeten Lagern 9 gelagerten Welle 8, wobei die
Lager 9 vom Gehäuse 11 des Turbogenerators getragen werden. An der Welle 8 ist ferner
für Kühlzwecke ein Ventilator oder Lüfter 12 angeordnet.
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Der Ständer 3 besteht aus dem Blechpaket 14, dessen zylindrische Bohrung
die äußere Grenze des Luftspaltes zwischen Ständer und Läufer bildet. An der Stelle
23 ist das Blechpaket 14 nach außen abgestuft. An jedem Ende des Blechpaketes 14
ist die aus ferromagnetischen Blechen aufgebaute Enddruckplatte 24 angeordnet. Zwischen
der Enddruckplatte 24 und dem Blechpaket 14 sind der genutete Druckfingerring 15
und die Preßplatte 20 vorgesehen. Das Blechpaket 14 trägt die für hohe Spannungen
ausgelegte Wechselstromwicklung 16 des Ständers 3, deren Spulenseiten in den Nuten
des Blechpaketes 14 und des Druckfingerringes 15 untergebracht sind. Der Druckfingerring
15 besteht vorteilhafterweise aus unmagnetischem Material; mitunter kann aber auch
ein ferromagnetisches Material für den Druckfingerring 15 gewählt werden, ohne das
eine durch den Streufluß bedingte unzulässige Erwärmung verursacht wird.
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Die an jeder Seite vorgesehenen Preßplatten 20 können ebenfalls sowohl
aus ferromagnetischem als auch aus unmagnetischem Material hergestellt sein. Es
ist auch bekannt, für die Preßplatten ein Material mit hohem elektrischem Widerstand,
beispielsweise Siliziumstahl, zu verwenden, um die Wirbelstromverluste zu vermindern.
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Die Enddruckplatte 24 besteht aus im wesentlichen radial angeordneten
Blechen, die vorzugsweise aus dem gleichen Material gestanzt sind wie die Bleche
des Blechpaketes 14. Das Blechpaket 14 sowie die an beiden Enden desselben angeordneten
Druckfingerringe 15, die Preßplatten 20 und die Enddruckplatten 24 werden mittels
der durchgehenden Preßbolzen 21 zusammengehalten, wobei zur Übertragung des von
dem Preßbolzen 21 ausgeübten Druckes zwischen den Köpfen der Preßbolzen und der
Enddruckplatte 24 die sich in radialer Richtung erstreckenden länglichen Unterlegscheiben
22 vorgesehen sind.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind gemäß der Erfindung mindestens
einige der Bleche der Enddruckplatte 24 derart gestanzt, daß die inneren Kanten
26 dieser Bleche, welche also auf den Läufer der Maschine hin gerichtet sind, sägezahnförmig
ausgebildet sind. Auf diese Weise wird die wirksame Länge dieser inneren Kanten
vergrößert, so daß der Teil des Streuflusses, der durch die sägezahnförmigen inneren
Kanten 26 in die Bleche der Enddruckplatte 24 eintritt, gegenüber dem Teil des Streuflusses,
der von der Breitseite her in die Bleche eintritt, erhöht wird. Die sägezahnförmigen
Einkerbungen in den Blechen der Enddruckplatte 24 können, wie in Fig. 2 gezeigt,
aus an den Kanten der Bleche vorgesehenen Nuten 27 und Zähnen 28 bestehen.
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Der innere Durchmesser des in radialer Richtung innersten Bleches
bzw. der innersten Blechgruppe 25 der Enddruckplatte 24, welches bzw. welche also
dem Druckfingerring 15 am nächsten ist, ist mindestens so: groß, daß die Spulenseiten
der Ständerwicklung 16 ohne Behinderung durch das Blech bzw. die Blechgruppe 25
in die Nuten des Blechpaketes 14 eingelegt werden können. Hinsichtlich ihres inneren
Durchmessers sind die Bleche der Enddruckplatte 24, in axialer Richtung gesehen,
nach außen abgestuft, d. h., der innere Durchmesser der vorzugsweise zu Gruppen
zusammengefaßten Bleche der Enddruckplatte 24 wird von Gruppe zu Gruppe vergrößert,
so daß die Oberfläche dieser Bleche in einer für den Verlauf des Streuflusses geeigneten
Weise abnimmt.
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Es ist zweckmäßig, die stufenweise abgesetzte Enddruckplatte 24 einen
beträchtlichen Teil über die Enden des Blechpaketes 14 fortzusetzen, um den Teil
des Streuflusses, welcher von der Breitseite her in die Enddruckplatte 24 eintritt,
möglichst gering zu halten, so daß auch die Erwärmung der Enddruckplatte 24 möglichst
herabgesetzt wird. Vorteilhafterweise beträgt die radiale Höhe des in axialer Richtung
äußersten Bleches bzw. der äußersten Gruppe 29 von Blechen gleicher Höhe weniger
als die Hälfte der radialen Höhe der innersten Blechgruppe 25, wobei
die
radiale Höhe vom inneren Radius zum äußeren Radius der Bleche gemessen wird.
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Vorteilhafterweise haben alle Bleche der Enddruckplatte 24 denselben
äußeren Durchmesser wie das Blechpaket 14, so daß die Bleche der Enddruckplatte
24 ebenso wie die Bleche des Blechpaketes 14 auf dem in radialer Richtung äußersten
Preßbolzen 21 aufgereiht und montiert werden. können. Zu diesem Zweck sind die Bleche
der Enddruckplatte 24 mit der Montagekerbe 30 versehen.
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In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die
Enddruckplatte 24 aus einer Mehrzahl von verschiedenen Blechgruppen verschiedener
Größe, welche aus einem oder mehreren im wesentlichen radial angeordneten Blechen
bestehen. Mit Ausnahme der in axialer Richtung äußersten Blechgruppe 29, welche
also am weitesten vom Druckfingerring 15 entfernt ist, sind die inneren Durchmesser
der einzelnen Blechgruppen in etwa gleichen, verhältnismäßig kleinen Schritten abgestuft.
Die äußerste Blechgruppe 29 dagegen besteht aus einer beträchtlich größeren Anzahl
von Blechen als die anderen Blechgruppen, und ihr innerer Durchmesser ist um einen
wesentlich größeren Schritt zurückgesetzt, so daß der innere Durchmesser dieser
Blechgruppe beträchtlich größer als der innere Durchmesser der nach innen anschließenden
Nachbargruppe 31 ist.
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Dieser Aufbau der Enddruckplatte 24 ermöglicht, der länglichen Unterlegscheibe
22 eine abgeknickte Form zu geben. Der äußere und obere Teil dieser Unterlegscheibe
erstreckt sich längs der äußersten Blechgruppe 29 der Enddruckplatte 24, während
der untere abgeknickte Teil der Unterlegscheibe 22 sich radial längs der freien
Fläche der Nachbargruppe 31 in Höhe des relativ großen Schrittes zwischen den inneren
Durchmessern der Blechgruppen 29 und 31 erstreckt. Da die äußerste Blechgruppe 29
mehr Bleche als die anderen Blechgruppen enthält und demzufolge dicker ist und da
der Streufluß der Maschine mit zunehmender Entfernung von der Welle 8 in seiner
Intensität nachläßt, ist es nicht unbedingt notwendig, die innere Kante der äußersten
Blechgruppe 29 sägezahnförmig zu gestalten; gleichwohl ist in der Fig. 2 auch die
innere Kante dieser Blechgruppe sägezahnförmig gestaltet worden. Infolge der relativ
kleinen radialen Höhe der äußersten Blechgruppe 29 teilt sich der Streufluß und
tritt in diese Blechgruppe sowohl an der äußeren als auch an der inneren Kante ein.
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Die gemäß der Erfindung ausgebildete Enddruckplatte findet insbesondere
für hochbeanspruchte Maschinen Verwendung, bei welchen die Leistung pro Volumen
beträchtlich erhöht worden ist. Die erhöhte Leistung wird durch stärkere Inanspruchnahme
der einen größeren Strom führenden Leiter und gegebenenfalls auch des Blechpaketes
erreicht. Die erhöhte Leistung wird ermöglicht durch eine Wasserstoffkühlung der
Maschine, wobei beispielsweise Drücke im Bereich zwischen 2,1 bis 7 Atm. angewendet
werden, und durch unmittelbare Kühlung der Leiter der Ständer- und der Läuferwicklung,
indem beispielsweise Wasserstoff, wie in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet, in gutem
thermischem Kontakt mit den Leitern umläuft, so daß die Wärme unmittelbar von den
Leitern abgeführt wird.