DE102010049417A1

DE102010049417A1 - Luftgekühlter Motorgenerator sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Motorgenerators

Info

Publication number: DE102010049417A1
Application number: DE201010049417
Authority: DE
Inventors: Alexander Schwery; Stefan Baumeister; Benjamin Jordan; Simon Andreas Frutiger
Original assignee: Alstom Hydro France SAS
Current assignee: GE Renewable Technologies SAS
Priority date: 2010-10-23
Filing date: 2010-10-23
Publication date: 2012-04-26

Abstract

Ein luftgekühlter Motorgenerator (10) umfasst einen Rotor (34) mit einer um eine Maschinenachse (15) drehbar angeordnete Rotorwelle (11), auf welcher eine Rotorwicklung (16) angeordnet ist, sowie einen Stator (35) mit einem Statorblechpaket (18) und einer darin angeordneten Statorwicklung (17), welche die Rotorwicklung (16) konzentrisch umgeben, wobei ein mit Kühlluft (24) arbeitender, geschlossener Kühlkreislauf vorgesehen ist, in welchem die Kühlluft die Rotorwicklung (16) und die Statorwicklung (17) radial von innen nach aussen durchströmt, in ausserhalb des Stators (35) angeordneten Kühlern (19) abgekühlt und wieder in den Rotor (34) zurückgeführt wird. Eine vor oder während des Betriebs veränderbare Kühlung wird auf einfache Weise dadurch erreicht, dass zur Einstellung des Volumenstroms der Kühlluft im Kühlkreislauf an den Kühlern (19) einstellbare Drosselvorrichtungen vorgesehen sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der rotierenden elektrischen Maschinen. Sie betrifft einen luftgekühlten Motorgenerator gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.
STAND DER TECHNIK
Luftgekühlte Motorgeneratoren werden häufig über einen geschlossenen Luftkreislauf gekühlt. Die erforderliche Luftmenge wird durch die abzuführenden Verluste bestimmt. Da sowohl die anfallenden Verluste wie auch der generierte Kühlluftvolumenstrom im Vorfeld nicht exakt bestimmt werden können, müssen Reserven bezüglich des Volumenstromes eingeplant werden. Eine zu niedrige Luftmenge führt zur Überhitzung des Generators. Ein zu hoher Volumenstrom führt zu unnötigen Verlusten seitens der Ventilation. Ziel ist es also, den Kühlluftvolumenstrom so hoch wie nötig aber so niedrig wie möglich zu wählen. In der Regel wird der Volumenstrom durch künstlich erzeugte Druckabfälle innerhalb des Luftkreislaufes begrenzt (Drosselprinzip).
Die vorliegende Erfindung vereinfacht und optimiert diese Vorgehensweise. Ziel ist es, den Kühlluftvolumenstrom den Anforderungen an die Kühlung möglichst genau anzupassen; sei dies einmalig, bei der Inbetriebnahme von Generatoren, oder häufiger, bei unterschiedlichen Lastfällen des Generators, wie sie bei Asynchronmaschinen vorkommen. Konventionell wird dies bei Wasserkraftmaschinen, wie sie z. B. in der 1 der Druckschrift EP 740 402 A1 dargestellt sind, beispielsweise durch Verengung bestimmter Querschnitte innerhalb des Luftpfades umgesetzt. Bei grossen Wasserkraftmaschinen geschieht dies häufig am Eintritt in den Rotorstern. Durch zusätzliche Bleche wird der Eintrittsquerschnitt verengt und somit die Kühlluftmenge begrenzt.
Dieses Vorgehen hat jedoch einige Nachteile:

• Das Montieren der Abdeckbleche auf dem Rotorstern ist je nach Konstruktion der Maschine bei eingebautem Rotor nicht mehr möglich. Die Öffnungsfläche beim Rotorsterneintritt muss also schon vor dem Rotoreinbau fix definiert werden.
• Falls das Einbringen der zusätzlichen Bleche bei eingebautem Rotor möglich ist, kann dies auch nur bei stehender Maschine erfolgen. Dies ist zeitaufwändig und der Volumenstrom kann trotzdem nicht exakt beeinflusst werden.
• Die Abdeckbleche bringen zusätzliches Gewicht mit sich, das die Lager belastet. Darüber hinaus müssen die Bleche entsprechend sorgfältig fixiert werden, da sie sich auf dem rotierenden Teil des Generators befinden.
• Die Volumenstromverteilung, die entscheidend für die Gleichmässigkeit der Kühlung und somit der Temperaturen in der Maschine ist, kann negativ beeinflusst werden.
• Auf unterschiedliche Lastfälle des Generators kann nicht reagiert werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Motorgenerator zu schaffen, welcher bezüglich der Kühlung die Nachteile der herkömmlichen Lösungen vermeidet und es insbesondere ermöglicht, eine Drosselung im laufenden Betrieb vorzunehmen beziehungsweise den Volumenstrom der Kühlluft exakt den jeweiligen Anforderungen anzupassen, und dies insbesondere auch dynamisch bei unterschiedlicher Last. Dabei sollen die Lager der Maschine nicht zusätzlich belastet werden. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Motorgenerators anzugeben.
Die Aufgaben werden durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Gemäss der Erfindung umfasst der luftgekühlte Motorgenerator einen Rotor mit einer um eine Maschinenachse drehbar angeordneten Rotorwelle, auf welcher eine Rotorwicklung angeordnet ist, sowie einen Stator mit einem Statorblechpaket und einer darin angeordneten Statorwicklung, welche die Rotorwicklung konzentrisch umgeben, wobei ein mit Kühlluft arbeitender, geschlossener Kühlkreislauf vorgesehen ist, in welchem die Kühlluft die Rotorwicklung und die Statorwicklung radial von innen nach aussen durchströmt, in ausserhalb des Stators angeordneten Kühlern abgekühlt und wieder in den Rotor zurückgeführt wird. Der erfindungsgemässe Motorgenerator ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des Volumenstroms der Kühlluft im Kühlkreislauf an den Kühlern einstellbare Drosselvorrichtungen vorgesehen sind.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Drosselung im laufenden Betrieb. Somit kann der Volumenstrom exakt den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Bei Bedarf ist dies auch dynamisch bei unterschiedlicher Last möglich. Die zusätzlich erforderlichen Bauteile befinden sich nicht im rotierenden Teil des Generators und belasten daher die Lager nicht unnötig. Bei der vorliegenden Erfindung wird praktisch am „Ende” des Kühlkreislaufes, das heisst vor oder nach den Kühlern, gedrosselt.
Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Drosselvorrichtungen auf der Eintrittsseite der Kühler angeordnet.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Drosselvorrichtungen auf der Austrittsseite der Kühler angeordnet.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtungen eine Mehrzahl von Lamellen umfassen, welche Lamellen parallel zueinander in einer senkrecht zur Strömungsrichtung liegenden Ebene angeordnet sind.
Gemäss einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung sind die Lamellen jeweils um ihre Längsachse verschwenkbar ausgebildet.
In einer zweckmässigen Ergänzung sind die Lamellen einzeln verschwenkbar. Hierdurch ist es möglich, den Volumenstrom nicht nur insgesamt, sondern auch in der Verteilung über die Querschnittsfläche zu beeinflussen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lamellen über die gesamte Breite und/oder die gesamte Höhe der Kühler erstrecken.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtungen eine Vielzahl von in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung verteilt angeordneten Drosselelementen aufweisen, wobei jedes der Drosselelemente eine Durchtrittsöffnung umfasst.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart ist zumindest in einem Teil der Durchtrittsöffnungen nach Art eines Klappenventils eine um eine Drehachse verschwenkbare Drosselklappe angeordnet ist.
Auch hier können die Drosselelemente einzeln betätigbar sein.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb eines Motorgenerators ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Volumenstroms der Kühlluft bei laufendem Betrieb des Motorgenerators durch stufenlose Verstellung der Drosselvorrichtungen erfolgt.
Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Einstellung des Volumenstroms mittels der Drosselvorrichtungen nach Massgabe einer am Motorgenerator gemessenen Temperatur.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Volumenstroms einmalig bei der Inbetriebnahme des Motorgenerators erfolgt.
Eine noch andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Volumenstrom während des Betriebs des Motorgenerators je nach Lastfall dynamisch geregelt wird.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 den schematischen Aufbau eines vertikalachsigen Motorgenerators mit Luftkühlung, wie er zur Ausführung der Erfindung geeignet ist;
2 die Anordnung einer einstellbaren Drosselvorrichtung auf der Eintrittseite des Kühlers gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 die Anordnung einer einstellbaren Drosselvorrichtung (mit Steuerung) auf der Austrittsseite des Kühlers gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 die Draufsicht in Strömungsrichtung auf eine weitere Art der Drosselvorrichtung; und
5 den Aufbau eines einzelnen Drosselelements der Drosselvorrichtung nach 4.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist der schematische Aufbau eines vertikalachsigen Motorgenerators mit Luftkühlung wiedergegeben, wie er zur Ausführung der Erfindung geeignet ist. Der Motorgenerator 10 umfasst einen um eine Maschinenachse 15 drehbar angeordneten Rotor 34, der eine Rotorwelle oder -nabe 11 aufweist, auf der eine Rotorwicklung 16 in Form verteilt angeordneter Polwicklungen vorgesehen ist. Die Rotorwicklung 16 ist mit der Rotorwelle 11 über einen Rotorstern 21 verbunden.
Die Rotorwelle 11 ist mit Hilfe von Radiallagern 12, 13 und Axiallagern 14 drehbar gelagert. Der Rotorstern 21 ist zur Führung von Kühlluft 24 ausgebildet, die durch Eintrittsöffnungen 22 eintritt und mittels entsprechender Durchtrittskanäle 23 in der Rotorwicklung 16 in radialer Richtung durch die Rotorwicklung 16 nach aussen tritt. Die Rotorwicklung 16 ist konzentrisch von einem Stator 35 umgeben, der eine in einem Statorblechpaket 18 gelagerte Statorwicklung 17 aufweist. Die aus der Rotorwicklung 16 austretende Kühlluft durchströmt in radialer Richtung den Stator 35 und wird nach Austritt aus dem Stator 35 durch extern angeordnete Kühler 19, die von Wasser 20 durchflossen werden (siehe die angedeuteten Leitungen 27 in 2 oder 3), gekühlt. Die in den Kühlern 19 heruntergekühlte Kühlluft 24 wird zum Rotor 34 zurückgeleitet und tritt unter Schliessung des Kühlkreislaufes wieder in den Rotorstern 21 ein.
Die Drosselung des Kühlluftvolumenstromes wird nun beim Eintritt in die Kühler 19 oder beim Austritt aus den Kühlern 19 vorgenommen, wie dies in 2 und 3 beispielhaft dargestellt ist. In 2 ist auf der Eintrittsseite der Kühler 19 eine Drosselvorrichtung 25 angeordnet, die eine Mehrzahl von um die Längsachse verschwenkbaren Lamellen 26 aufweist (in 2 sind die Längsachsen der Lamellen 26 senkrecht zur Zeichnungsebene orientiert). Grundsätzlich können die Lamellen 26 durch einen nicht dargestellten Mechanismus gemeinsam verschwenkt werden, um eine einstellbare Drosselung des Volumenstroms der Kühlluft 24 durch den Kühler 19 beziehungsweise im Kühlkreislauf zu bewirken. Es ist aber auch denkbar, die Lamellen 26 einzeln verschwenkbar auszubilden, um auf diese Weise den Volumenstrom an unterschiedlichen Stellen der Querschnittsfläche unterschiedlich beeinflussen zu können.
Dieselbe Drosselvorrichtung 25 kann aber auch, wie dies in 3 gezeigt ist, an der Austrittsseite des Kühlers 19 angeordnet sein. In beiden Fällen ist am Kühler 19 genügend Raum für die Drosselvorrichtungen 25 vorhanden. Darüber hinaus ist dieser Bereich von aussen her leicht zugänglich und daher im Hinblick auf Einbau und Wartung gut geeignet.
Über die Stellung der Lamellen 26 im Lamellengitter kann der Druckverlustkoeffizient und somit der Druckabfall auf einfache Weise beeinflusst werden. Die Lamellen 26 können sich dabei je nach Bauweise über die gesamte Kühlerbreite und/oder -höhe erstrecken.
Ausführung und Funktionsweise der Drosselvorrichtungen können je nach Anforderung variieren: Eine andere Art von Drosselvorrichtung ist in 4 und 5 wiedergegeben. Die Drosselvorrichtung 28 der 4 umfasst eine Vielzahl von einzelnen Drosselelementen 29, die in einer ansonsten undurchlässigen Wand gleichmässig verteilt angeordnet sind. Das einzelne Drosselelement 29 hat (5) eine (im Beispiel kreisrunde) Durchtrittsöffnung 30, in der nach Art eines Klappenventils eine Drosselklappe 33 mittels einer Klappenachse 32 um eine Drehachse 31 verschwenkbar angeordnet ist. Je nach Schwenkstellung der Drosselklappe 33 ist die Durchtrittsöffnung 30 mehr oder weniger offen. Über die Stellung der Drosselklappe 33 kann der Druckverlustkoeffizient und somit der Druckabfall beeinflusst werden. Die einzelnen „Drosseln” bzw. Drosselelemente 29 können nach Bedarf kombiniert werden.
Die Aufgabe der Drosselvorrichtungen ist immer, den Druckabfall und somit den Volumenstrom zu beeinflussen. Die Einstellung des Volumenstromes erfolgt stufenlos im laufenden Betrieb der Anlage. Über die Temperaturüberwachung des Generators wird der optimale Volumenstrom eingestellt. Hierzu kann – wie in 3 stark vereinfacht dargestellt – eine Drosselsteuerung 36 vorgesehen werden, die Temperaturinformationen von einem Temperaturaufnehmer 37 erhält und danach die Drosselung in der Drosselvorrichtung 25 steuert. Wie bereits erwähnt, kann dies einmalig bei der Inbetriebnahme geschehen oder bei Bedarf kann der Volumenstrom je nach Lastfall auch dynamisch geregelt werden. Im ersteren Falle kann es von Vorteil sein, im Interesse eines geringeren apparativen Aufwands zumindest einen Teil der Drosselelemente 29 als fixe Blenden auszuführen. Indem diese hinsichtlich Querschnittsform und/oder -fläche unterschiedlich ausgebildet sind, können der Druckverlust und damit die Verteilung des Kühlluftstroms über den Querschnitt beeinflusst werden. Die Drosselvorrichtungen 25 beziehungsweise 28 können einfach und robust gefertigt werden, da keine besonderen Forderungen bezüglich der Toleranzen bestehen.
Bezugszeichenliste

10: Motorgenerator (luftgekühlt)
11: Rotorwelle
12, 13: Radiallager
14: Axiallager
15: Maschinenachse
16: Rotorwicklung
17: Statorwicklung
18: Statorblechpaket
19: Kühler
20: Wasser
21: Rotorstern
22: Eintrittsöffnung
23: Durchtrittskanal
24: Kühlluft
25, 28: Drosselvorrichtung
26: Lamelle (verschwenkbar)
27: Leitung
29: Drosselelement
30: Durchtrittsöffnung
31: Drehachse
32: Klappenachse
33: Drosselklappe
34: Rotor
35: Stator
36: Drosselsteuerung
37: Temperaturaufnehmer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 740402 A1 [0003]

Claims

Luftgekühlter Motorgenerator (10), umfassend einen Rotor (34) mit einer um eine Maschinenachse (15) drehbar angeordneten Rotorwelle (11), auf welcher eine Rotorwicklung (16) angeordnet ist, sowie einen Stator (35) mit einem Statorblechpaket (18) und einer darin angeordneten Statorwicklung (17), welche die Rotorwicklung (16) konzentrisch umgeben, wobei ein mit Kühlluft (24) arbeitender, geschlossener Kühlkreislauf vorgesehen ist, in welchem die Kühlluft die Rotorwicklung (16) und die Statorwicklung (17) radial von innen nach aussen durchströmt, in ausserhalb des Stators (35) angeordneten Kühlern (19) abgekühlt und wieder in den Rotor (34) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des Volumenstroms der Kühlluft im Kühlkreislauf an den Kühlern (19) einstellbare Drosselvorrichtungen (25, 28) vorgesehen sind.
Motorgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtungen (25, 28) auf der Eintrittsseite der Kühler (19) angeordnet sind.
Motorgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtungen (25, 28) auf der Austrittsseite der Kühler (19) angeordnet sind.
Motorgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtungen (25) eine Mehrzahl von Lamellen (26) umfassen.
Motorgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Lamellen (26) jeweils um ihre Längsachse verschwenkbar parallel zueinander in einer senkrecht zur Strömungsrichtung liegenden Ebene angeordnet sind.
Motorgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (26) einzeln verschwenkbar ausgebildet sind.
Motorgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lamellen (26) über die gesamte Breite und/oder die gesamte Höhe der Kühler (19) erstrecken.
Motorgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtungen (28) eine Vielzahl von in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung verteilt angeordneten Drosselelementen (29) aufweisen, wobei jedes der Drosselemente (29) eine Durchtrittsöffnung (30) umfasst.
Motorgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (30) hinsichtlich Querschnittsform und/oder -fläche übereinstimmen.
Motorgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (30) hinsichtlich Querschnittsform und/oder -fläche unterschiedlich ausgebildet sind.
Motorgenerator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtungen (28) eine Vielzahl von in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung verteilt angeordnete Drosselelemente (29) aufweisen, wobei jedes der Drosselelemente (29) eine Durchtrittsöffnung (30) umfasst, in welcher nach Art eines Klappenventils eine um eine Drehachse (31) verschwenkbare Drosselklappe (33) angeordnet ist.
Motorgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselelemente (29) einzeln betätigbar sind.
Verfahren zum Betrieb eines Motorgenerators nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Volumenstroms der Kühlluft bei laufendem Betrieb des Motorgenerators (10) durch stufenlose Verstellung der Drosselvorrichtungen (25, 28) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Volumenstroms mittels der Drosselvorrichtungen (25, 28) nach Massgabe einer am Motorgenerator (10) gemessenen Temperatur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Volumenstroms einmalig bei der Inbetriebnahme des Motorgenerators (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom während des Betriebs des Motorgenerators (10) je nach Lastfall dynamisch geregelt wird.