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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine gasgekühlte elektrische Maschine,
insbesondere einen Turbogenerator, mit einer Rotorwelle, auf der
zumindest ein Axialventilator innerhalb eines Generatorgehäuses angeordnet
ist.
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Stand der
Technik
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Turbogeneratoren
zur Drehstromerzeugung werden in bekannter Weise durch Dampf- oder
Gasturbinen angetrieben. Dabei ist die Rotorwelle in der Regel als
ein massiver zylindrischer Schmiedekörper hergestellt, in dem die
Erregerwicklung auf einzelne Nuten verteilt ist. Der Rotor dreht
sich dabei im Stator eines Generators. Entscheidend bei der Auslegung und
dem Bau solcher Turbogeneratoren ist die Kühlungstechnik, da sich hierdurch
die Leistung erheblich steigern lässt. Häufig arbeiten heutige Turbogeneratoren
nach dem Gleichdruckprinzip bzw. mit einer minimalen Druckerhöhung gegenüber der
Umgebung.
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Die
DD 120 981 A stellt
beispielsweise einen Rotor eines Turbogenerators mit direkter Luft-
bzw. Gaskühlung
der Wicklung vor, bei dem der Kühlmitteldurchsatz
im Rotor erhöht
und somit die Rotorkühlung
verbessert werden soll. Dies wird dadurch erreicht, dass im Ringspalt
zwischen dem Innenrand des Endringes und dem Wellenschenkel des
Rotors ein axiales Laufschaufelgitter angeordnet ist. Hierdurch
wird dem Kühlmittel
im Bereich des Endringes eine gewisse Drallkomponente erteilt, so
dass das Kühlmittel
quasi schaufelkongruent in die Nutgrundkanäle bzw. die Radialschächte des
Wickelkopfbereiches eintritt, wodurch die Stoßverluste wesentlich verringert
werden und der Kühlmitteldurchsatz
ansteigt. Ein derart aufgebauter Turbogenerator ist in
5 schematisch
dargestellt.
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Einen
Lösungsvorschlag
für eine
verbesserte Kühlung
eines Turbogenerators beschreibt die
DE 195 05 388 A1 . Hier wird eine luftgekühlte, rotierende,
elektrische Maschine mit offenem Kühlkreislauf angegeben, bei
der ein mit Kühlkanälen versehener Stator
und Rotor von Kühlluft
in Kühlkanälen durchströmt wird
und anschließend
die Kühlluft
an einem Kühlluftaustritt
in die Umgebung entweicht. Dabei soll die Kühlleistung des Kühlmediums
Luft erhöht
werden. Dies wird dadurch erreicht, dass mindestens an einem Ende
des Rotors auf dessen Welle eine Turbinenstufe angeordnet ist. An
einer solchen Turbinenstufe wird komprimierte Luft entspannt, die
somit vor Eintritt in den Generator abgekühlt wird, wodurch die Kühlleistung
der Luft erhöht
wird. Die durch die Entspannung gewonnene Kühlleistung ist aufgrund der in
der Regel geringen Volumenströme
verglichen mit dem hierfür
erforderlichen Aufwand relativ gering.
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Die
DE 100 58 857 A1 beschreibt
eine gasgekühlte
Maschine, insbesondere einen Turbogenerator, bei der die Kühlleistung
durch eine besondere Gestaltung des Zuströmraumes im Bereich einer Einlauföffnung des
Kanalabschnittes unmittelbar an der Einlauföffnung mit einem radialen Drosselspalt,
verbessert werden soll, wobei sich der Drosselspalt insbesondere
rotationssymmetrisch entlang der gesamten Einlauföffnung erstreckt.
Dadurch können
die Schaufeln des Axialventilators gleichmäßig mit der Zuströmung beaufschlagt
werden. Hierdurch lässt sich
die Kühlwirkung
innerhalb der Maschine und deren Ausnutzung allerdings nur geringfügig verbessern.
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Die
DE 198 56 456 A1 beschreibt
eine weitere gasgekühlte
elektrische Maschine mit einem Axialventilator und einem abströmseitig
des Axialventilators angeordneten Nachleitapparat zur Druckerhöhung eines
Kühlgases.
Dabei erfolgt die Druckerhöhung
mittels des Axialventilators aus einem Anströmraum, welcher durch eine Innenverschalung
und eine in der radialen Ebene des Axialventilators angeordnete
Trennwand begrenzt wird. Der Nachleitapparat ist dabei als Umlenk diffusor
zur Umlenkung einer Kühlgasströmung einer
im wesentlichen axialen in eine im wesentlichen radiale Strömungsrichtung
ausgebildet. Die hierdurch erzielbare Druckerhöhung ist relativ gering und
wird in der Regel gerade ausreichen um die durch Filter und andere
Komponenten verursachten Druckverluste des Kühlgases auszugleichen.
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Ferner
sind vereinzelt aus dem Stand der Technik luftgekühlte Generatoren
bekannt, bei denen der Luftdruck im Generatorinnenraum merklich
durch externe Kompressoren erhöht
wird, die durch ein externes Energiesystem gespeist werden. In der
Regel sind hier Schnittstellen zum Kraftwerksleittechnik vorgesehen.
Nachteilig ist hier allerdings der relativ hohe Aufwand und die
hohen Kosten für
externe Zusatzeinrichtungen, Energie und Leittechnik. Ausserdem
ist hier eine hohe Störanfälligkeit
vorhanden.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte gasgekühlte elektrische Maschine
zur Verfügung
zu stellen, welche die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik
vermeidet. Ferner soll eine merkliche Druckerhöhung im Generatorgehäuse erzielt
werden, um eine verbesserte Wärmeabfuhr
und damit eine effektivere Kühlung
des Generators zu erreichen. Dabei sollen keine zusätzlichen
externen Vorrichtungen zur Druckerhöhung bzw. externe Regeleinrichtungen
erforderlich sein, sondern eine einfache und kostengünstige Lösung vorgesehen
werden, die sich auch zum leichten Nachrüsten bestehender Generatoren
eignet.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Durch
das Vorsehen eines Verdichters auf der Rotorwelle, der auf seiner
Ansaugseite mit der Umgebung und auf seiner Austrittsseite mit dem
Generatorinneren in Verbindung steht, wird eine merkliche Druckerhöhung im
Generatorinneren gegenüber dem
Umgebungsdruck erzeugt. Durch das Vorsehen des Verdichters auf dem
Wellenstrang ist kein externes Energiesystem erforderlich und auch
keine komplizierte Leittechnik bzw. Schnittstellen zur Kraftwerksleittechnik.
Zudem ist eine derartige Anordnung sehr ausfallsicher, da sie direkt
mit dem Betrieb des Generators gekoppelt ist. Als Verdichter können dabei
beispielsweise Axialverdichter, Radialverdichter, Diagonalverdichter
oder eine Kombination derselben zum Einsatz kommen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sieht die Verwendung eines Radialverdichters
vor, da sich dieser sehr gut für
niedrige Volumenströme
eignet, wie sie bei den vorherrschenden Drehzahlen und Strömungsbedingungen
im Generatorbetrieb der Fall sind.
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Als
besonders einfache Weiterbildung kann eine Lochscheibe zur Anwendung
kommen. Diese ist auf einfachste Weise herstellbar und verursacht
dadurch keine nennenswerten zusätzlichen
Kosten. Die Lochscheibe kann dabei zur einfacheren Montage bzw.
zum Nachrüsten
bestehender Rotorwellen geteilt ausgeführt sein. Bei Neukonstruktionen
oder entsprechend günstigen
Wellendurchmessern, kann sie aber auch auf die Rotorwelle aufgeschrumpft
werden.
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Bei
einer einfachen Ausführungsform
werden dabei in einer kreisringförmigen
Metallscheibe, die auf der Welle verdrehsicher befestigt wird, diagonale
Löcher
(Bohrungen) angebracht, wobei der Abstand ri des
Bohrungseintritts von der Rotorwellenmittelachse auf der Ansaugseite
geringer ist als der Abstand ra des Bohrungsaustritts
von der Rotorwellenmittelachse auf der Austrittsseite. Die Lochscheibe
wird dabei gegenüber
der Gehäuseöffnung des Generatorgehäuses abgedichtet
bzw. läuft
in einem entsprechenden Verdichtergehäuse. Eine vorteilhafte Weiterbildung
sieht daher vor, dass die Lochscheibe aus zwei oder mehreren Teilen
besteht. Ein Fussteil wird dabei beispielsweise aus dem Vollen gedreht,
während
die anderen Teile im Nachhinein auf diesem befestigt werden.
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Vorteilhaft
ist es ferner, ein Filter auf der Ansaugseite des Verdichters vorzusehen,
damit keine Schmutzpartikel oder sonstige Kleinteile vom Verdichter
angesaugt und in den Generatorinnenraum gefördert werden. Hier kann beispielsweise
ein einfaches feinmaschiges Gitter oder Vliesmaterial, welches um
die im wesentlichen ringförmige
Verdichteröffnung
gelegt ist, zur Anwendung kommen. Dabei ist zu beachten, dass ein
geringer Druckverlust erreicht wird.
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Schließlich sieht
eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vor, dass an beiden Generatorenden jeweils
ein Verdichter auf der Rotorwelle vorgesehen ist. Hierdurch kann erforderlichenfalls
der Volumenstrom erhöht
werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sieht die Anwendung auf kleinere bis
mittlere Turbogeneratoren vor, die mit einem geschlossenen Kühlkreislauf
betrieben werden, dass heißt
hier kommt als bevorzugtes Kühlmedium
Luft, vorzugsweise Umgebungsluft zur Anwendung.
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Der
Generatorinnendruck kann dabei in vorteilhafter Weise beispielsweise
bei einem luftgekühlten
Generator mit geschlossenem Kühlkreislauf
auf einen Wert im Bereich von 30.000 Pa erhöht werden. Entsprechend sieht
eine vorteilhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vor, den bzw. die Verdichter so auszulegen,
dass das Kühlgas
um 20 – 40
Prozent, vorzugsweise 30 Prozent komprimiert wird. Durch die höhere Dichte
des Kühlgases
wird eine effektivere Kühlung
erreicht, da die Wärmeabfuhr
mit der Dichte des Kühlmittels
zunimmt. Dabei kann auf Grund des geringen Volumenstroms die Temperaturzunahme
auf Grund der Verdichtung vernachlässigt werden. Ferner werden
durch die Druckerhöhung
Leckage- und sonstige Druckverluste ausgeglichen. Dabei ist das
Generatorgehäuse
insbesondere bei hoher Kompression für den Betrieb unter erhöhtem Innendruck
ausgelegt.
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Mithin
wird durch die erfindungsgemäße gasgekühlte elektrische
Maschine die Selbstventilationswirkung des Rotors mit geringem Aufwand
merklich verbessert.
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Dies
ist insbesondere bei Um- und Nachrüstung von bestehenden Generatoranlagen
ein wichtiger Vorteil.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Im
folgenden ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung in
Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer vorteilhaften Ausführungsform
eines gasgekühlten
Turbogenerators gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
schematische Detaildarstellung aus 1;
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3 eine
schematische Einzelteildarstellung einer vorteilhaften Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lochscheibe
im Schnitt;
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4 ein
Schnitt durch die Lochscheibe aus 3 entlang
der Linie IV-IV;
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5 eine
schematische Schnittansicht eines gasgekühlten Turbogenerators vom Stand
der Technik.
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Es
sind nur die für
das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Bei der nachfolgenden
Beschreibung sind gleiche oder ähnliche Teile
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Richtungsangaben
axial und radial beziehen sich hier auf die gestrichelt dargestellte
Rotorachse. Die Darstellungen sind nicht massstäblich.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Schnittansicht einer vorteilhaften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Turbogenerators 1 mit
geschlossenem Kühlkreislauf. 2 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
aus 1. Der Strömungsverlauf
des Kühlgases
ist in den Figuren durch Pfeile angedeutet.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
handelt es sich um einen luftgekühlten
Turbogenerator 1 mit geschlossenem Kühlkreislauf. Der Turbogenerator 1 ist
von einem im wesentlichen zylinderförmigen Generatorgehäuse 2 aus
Stahlblech umgeben. In dem Generatorgehäuse 2 ist eine Rotorwelle 15 mit
einem Rotor 3 aufgenommen. Der Rotor 3 ist dabei
an seinen aus dem Generatorgehäuse 2 herausragenden Wellenenden
jeweils auf Wellenlagern 11 gelagert.
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Der
Rotor 3 ist dabei drehbar in einem Stator 6 aufgenommen.
Der Stator 6 weist dabei Kühlluftkanäle 7 und Abluftkanäle 8 in
der Blechung auf. Ferner sind auf der Unterseite des Generatorgehäuses 2 Kühler 12 vorgesehen.
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Ausserhalb
des Generatorgehäuses 2 befindet
sich in 1 und 2 am rechten
Wellenende eine Bürstenbrücke 21.
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Die
linke Wellenöffnung
im Generatorgehäuse 2 wird
durch eine Wellendichtung 5 gegen die Umgebung abgedichtet.
Innerhalb des Generatorgehäuses 2 befindet
sich im Anschluss an die beschriebene Wellendichtung 5 ein
erster Axialventilator 4, der von einer ringförmigen Einlauföffnung 18 umschlossen ist.
Der Axialventilator 4 weist dabei auf einer Rotorscheibe
in radialer Richtung angebrachte Lüfterschaufeln auf. Die Einlauföffnung 18 ist
in einer Verschalung 17 aufgenommen, die einen Zuströmraum 13 von
einem Abströmraum 14 trennt.
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Der
Aufbau und die Anordnung des ersten Axialventilators 4 entspricht
in der oben beschriebenen Weise der rechten Zeichnungshälfte von 1 und
somit auch in der Detailansicht von 2 und dem
Aufbau und der Anordnung des linken Axiallüfters 4.
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Im
Anschluss an die beiden Axialventilatoren 4 weist der Rotor 3 an
seinen Enden Rotorkappen 19 auf, die die Rotorwicklung 20 begrenzen.
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Die
beiden Axialventilatoren 4 sind zur Kühlung der Rotorwicklung 20 und
zur Kühlung
der Statorwicklung 16 an beiden Seiten der Rotorwelle 15 innerhalb
des Generatorgehäuses 2 angeordnet. Durch
die Axialventilatoren 4 wird Luft aus dem innerhalb des
Generatorgehäuses 2 gelegenen
Zuströmraum 13 in
den Abströmraum 14 gefördert. Von
hier strömt
die Kühlluft
dann zum einen durch die Kühlluftkanäle 7 und
Abluftkanäle 8 im
Stator 6 und zum anderen über die Rotornut 22 im
Rotor. Die Abluft wird dann durch die in der unteren Gehäusehälfte angeordneten
Kühler 12 gekühlt.
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An
dem in der Zeichnungsebene rechten Wellenende ist am Ausgang des
Generatorgehäuses 2 ein
als Lochscheibe ausgebildeter Verdichter 9 auf der Rotorwelle 15 angeordnet.
Der Verdichter 9 ist von einem ringförmigen als Verdichtergehäuse 23 bezeichneten
Dichtring umgeben, der den Gehäuseinnenraum
gegenüber
der Umgebung abdichtet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 9 auf
die Rotorwelle 15 aufgeschrumpft.
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Um
zu vermeiden, dass Schmutzpartikel in den Generatorinnenraum eindringen
können,
ist vor dem Verdichter 9 an der Aussenseite des Generatorgehäuses 2 ein
ringförmiges
Filter 10, insbesondere ein Filtervlies angeordnet.
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Während des
Betriebs wird nun durch die Drehung der Rotorwelle 15 der
Verdichter in Drehung versetzt und erzeugt schon bei geringen Volumenströmen eine
Druckerhöhung
im Zuströmraum 13 und
damit eine Erhöhung
der Dichte des Kühlgases. Durch
das Verdichtergehäuse 23 und
die Wellendichtung 5 wird ein Rückströmen der verdichteten Kühlluft in
die Umgebung vermieden. Die Axialventilatoren 4 sorgen
vielmehr dafür,
dass die verdichtete Kühlluft durch
die Einlauf öffnung 18 in
den Generatorinnenraum einströmt
und dort sowohl den Rotor 3 als auch den Stator 6 kühlt. Dabei
wird der Druck im Generatorgehäuse 2 durch „Selbstaufladung" mit dem Verdichter 9 auf
etwa 30000 Pa angehoben. Die Regelung des Verdichters 9,
d.h. im vorliegenden Fall der Lochscheibe, erfolgt dabei allein
durch die Drehzahl der Rotorwelle 1 und ist somit störunanfällig und
direkt mit dem Betrieb des Generators verknüpft. Der durch die Verdichtung
verursachte Temperaturanstieg des Kühlmediums kann aufgrund des
geringen Volumenstroms, der nur zum Ausgleich von Leckagen dient,
bei der Gesamtbetrachtung des Kühlkreislaufs
vernachlässigt
werden.
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3 zeigt
den Verdichter 9 aus 1 und 2 als
schematische Einzelteildarstellung als Ansicht von der Ansaugseite 27. 4 zeigt
den Verdichter 9 aus 3 im Schnitt
entlang der Linie IV – IV.
Dabei handelt es sich um eine kreisringförmige Lochscheibe, die mit
ihrer Wellenbohrung 26 auf der Rotorwelle 15 verdrehsicher
befestigt ist.
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Der
als Lochscheibe ausgebildete Verdichter 9 weist dabei im
vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie
insbesondere aus 4 ersichtlich, über seinen Umfang
regelmäßig verteilt
acht diagonale verlaufende als Bohrungen ausgeführte Löcher 25 auf, die auf der
der Umgebung zugewandten Ansaugseite 27 mit einem kleineren
Radius ri von der Rotorwellenachse 24 beabstandet
sind als auf der dem Generatorinnenraum zugewandten Austrittsseite 28,
wo die Löcher 25 in
einer radialen Entfernung ra von der Rotorwellenachse 24 beabstandet
austreten. Somit stellt die Lochscheibe einen Radialverdichter dar.
Anzahl und Durchmesser der Löcher 25 werden
entsprechend der Leckagemenge und dem gewünschten Druckniveau im Generator
angepasst.
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- 1
- Turbogenerator
- 2
- Generatorgehäuse
- 3
- Rotor
- 4
- Axialventilator
- 5
- Wellendichtung
- 6
- Stator
- 7
- Kühlluftkanal
- 8
- Abluftkanal
- 9
- Verdichter
- 10
- Filter
- 11
- Wellenlager
- 12
- Kühler
- 13
- Zuströmraum
- 14
- Abströmraum
- 15
- Rotorwelle
- 16
- Statorwicklung
- 17
- Verschalung
- 18
- Einlauföffnung
- 19
- Rotorkappe
- 20
- Rotorwicklung
- 21
- Bürstenbrücke
- 22
- Rotornut
- 23
- Verdichtergehäuse
- 24
- Rotorwellenachse
- 25
- Loch,
Bohrung
- 26
- Wellenbohrung
- 27
- Ansaugseite
- 28
- Austrittsseite