DE102014223527A1

DE102014223527A1 - Kühlung eines axialen Endbereichs eines Stators einer rotierenden elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102014223527A1
Application number: DE102014223527.8A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Krol; Christoph Lehmann; Andrey Mashkin
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-06-02
Also published as: JP2017535242A; WO2016078895A3; US20170353064A1; EP3186874A2; CN107005106A; WO2016078895A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen von wenigstens einem axialen Endbereich eines Stators einer rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators, aufweisend: – wenigstens eine radial außen umlaufend an wenigstens einem zumindest einen radial verlaufenden Kühlkanal aufweisenden Abschnitt des axialen Endbereichs anordbare Ringkammer, die radial innen in Richtung des axialen Endbereichs zumindest teilweise offen ausgebildet und hierdurch kommunizierend mit dem radialen Kühlkanal verbindbar ist und die gegenüber dem axialen Endbereich abgedichtet ist; und – wenigstens eine kommunizierend mit der Ringkammer verbundene Unterdruckleitung, über welche die Ringkammer kommunizierend mit einem Unterdruckraum der rotierenden elektrischen Maschine verbindbar ist, der bezüglich einer mittels eines an einem Rotor der rotierenden elektrischen Maschine angeordneten Wellenlüfters erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter vorgeschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Kühlen von wenigstens einem axialen Endbereich eines Stators einer rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere einen Generator.
Im Rahmen von Anforderungen zur Flexibilisierung im Energiemarkt werden gasturbinengetriebene Kraftwerke aufgrund ihrer flexiblen Einsetzbarkeit immer häufiger im Lastfolgebetrieb eingesetzt. Dabei erhöht sich der Betrieb in einem untererregten Leistungsbereich im Leistungsdiagramm eines Generators eines Kraftwerks. Dieser untererregte Leistungsbereich ist unter anderem durch eine Erwärmung in axialen Endbereichen eines Stators des Generators begrenzt, die einen maximalen Grenzwert nicht überschreiten sollte.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Einsetzbarkeit einer rotierenden elektrischen Maschine und eines damit ausgestatteten Kraftwerks zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Kühlen von wenigstens einem axialen Endbereich eines Stators einer rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators, umfasst:

– wenigstens eine radial außen umlaufend an wenigstens einem zumindest einen radial verlaufenden Kühlkanal aufweisenden Abschnitt des axialen Endbereichs anordbare Ringkammer, die radial innen in Richtung des axialen Endbereichs zumindest teilweise offen ausgebildet und hierdurch kommunizierend mit dem radialen Kühlkanal verbindbar ist und die gegenüber dem axialen Endbereich abgedichtet ist; und
– wenigstens eine kommunizierend mit der Ringkammer verbundene Unterdruckleitung, über welche die Ringkammer kommunizierend mit einem Unterdruckraum der rotierenden elektrischen Maschine verbindbar ist, der bezüglich einer mittels eines an einem Rotor der rotierenden elektrischen Maschine angeordneten Wellenlüfters erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter vorgeschaltet ist.

Erfindungsgemäß wird ein durch den wenigstens einen radial verlaufenden Kühlkanal des axialen Endbereichs strömendes Kühlfluid gezielt über die gegenüber der Umgebung abgedichtete Unterdruckleitung radial von innen nach außen abgesaugt, die kommunizierend mit dem Unterdruckraum der rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist, der bezüglich der mittels des an dem Rotor der rotierenden elektrischen Maschine angeordneten Wellenlüfters erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter vorgeschaltet ist. Hierdurch wird der axiale Endbereich des Stators zumindest bereichsweise stärker gekühlt als der übrige Teil des Stators.
Durch die verstärkte Kühlung des axialen Endbereichs kann die obere Leistungsgrenze des untererregten Leistungsbereichs im Leistungsdiagramm der rotierenden elektrischen Maschine herausgeschoben und hierdurch der untererregte Leistungsbereich erweitert werden. Dies ermöglicht einen breiteren Einsatzbereich der rotierenden elektrischen Maschine bzw. eines damit ausgestatteten Kraftwerks. Insbesondere kann ein Kraftwerk in einer Netzumgebung, die durch hohe Einspeisung von erneuerbar erzeugter Energie dominiert ist, effektiv betrieben werden, da durch die erfindungsgemäße Kühlung des Stators bzw. die damit einhergehende Erweiterung des untererregten Leistungsbereichs im Leistungsdiagramm der rotierenden elektrischen Maschine eine erforderliche kapazitive Blindleistung zur Verfügung gestellt werden kann.
Herkömmlich könnte eine entsprechende Erweiterung des untererregten Leistungsbereichs im Leistungsdiagramm einer rotierenden elektrischen Maschine nur durch eine Neuschichtung eines axialen Endbereichs eines als Blechpaket mit geschichteten Blechen gebildeten Stators der rotierenden elektrischen Maschine umgesetzt werden. Dies ist jedoch beispielsweise bei Generatoren, deren Stator unter Verwendung einer Ganztränktechnologie gefertigt worden ist, nicht durchführbar. Bei solchen Generatoren kann lediglich ein Ersatz des gesamten gewickelten Statorblechpakets gegen ein Statorblechpaket mit modifizierten Endzonen vorgenommen werden, um eine Erweiterung des untererregten Leistungsbereichs im Leistungsdiagramm des Generators zu erhalten.
Während eines Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine in deren untererregtem Leistungsbereich entsteht die meiste Wärme in den axialen Endbereichen des Stators, der als Blechpaket ausgebildet sein kann. Ein solcher axialer Endbereich kann radial innen eine abfallende Abtreppung aufweisen. Im Rahmen der Erfindung können auch beide axialen Endbereiche des Stators mit jeweils einer eigenen erfindungsgemäßen Anordnung entsprechend gekühlt werden.
Die radial außen umlaufend an wenigstens einem zumindest einen radial verlaufenden Kühlkanal aufweisenden Abschnitt des axialen Endbereichs anordbare Ringkammer kann aus Metall oder einem anderen temperaturbeständigen Material hergestellt sein. Alternativ kann die Ringkammer aus einem Kompositwerkstoff hergestellt sein, wodurch eine elektrische Entkopplung des Blechpakets und weiteren Komponenten der rotierenden elektrischen Maschine, beispielsweise einer Trennwand, erreicht werden kann. Eine Erdung der Ringkammer sollte in jedem Fall sichergestellt werden. Die Ringkammer kann im Querschnitt C-förmig oder U-förmig ausgebildet sein. Die Ringkammer kann auch derart ausgebildet und an dem axialen Endbereich angeordnet werden, dass sie radial außen umlaufend an einem Abschnitt des axialen Endbereichs mit zwei oder mehreren radial verlaufenden Kühlkanälen anordbar ist. Die Ringkammer ist radial innen in Richtung des axialen Endbereichs teilweise oder vollständig offen ausgebildet und kann hierdurch kommunizierend mit dem wenigstens einen radialen Kühlkanal verbunden werden. Die Ringkammer ist gegenüber dem axialen Endbereich abgedichtet, so dass mittels der Ringkammer ausschließlich durch den wenigstens einen Kühlkanal strömendes Kühlfluid und kein in der sonstigen Umgebung der Ringkammer befindliches Kühlfluid abgesaugt wird, die durch nicht in die Ringkammer mündende, radial verlaufende Kühlkanäle aus dem Stator austritt. Dies würde die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Kühlung stark verringern. Die Anordnung kann auch zwei oder mehrere, axial benachbart zueinander anordbare Ringkammern aufweisen.
Die kommunizierend mit der Ringkammer verbundene Unterdruckleitung kann aus Metall oder einem anderen temperaturbeständigen Werkstoff hergestellt sein. Die Unterdruckleitung kann starr oder in einem vorgegebenen Ausmaß flexibel ausgebildet sein. Die Anordnung kann auch zwei oder mehrere entsprechende Überdruckleitungen aufweisen.
Der Unterdruckraum der rotierenden elektrischen Maschine, der bezüglich der mittels des an dem Rotor der rotierenden elektrischen Maschine angeordneten Wellenlüfters erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter vorgeschaltet ist, ist herkömmlich zur Kühlung einer rotierenden elektrischen Maschine vorhanden. Durch einen Betrieb des Wellenlüfters bei sich drehendem Rotor wird in dem Unterdruckraum ein statischer Unterdruck erzeugt, der zum erfindungsgemäßen Absaugen von Kühlfluid über die wenigstens eine Ringkammer und die wenigstens eine Unterdruckleitung verwendet wird. Somit sind zur Erzeugen der erfindungsgemäßen Kühlung keine weiteren Bauteile erforderlich, die an der rotierenden elektrischen Maschine montiert werden müssten.
Bevorzugt ist in der Unterdruckleitung wenigstens ein Lüfter angeordnet, mit dem eine Fluidströmung in der Unterdruckleitung verstärkbar ist. Durch die Einbringung des, insbesondere ansteuerbaren, Lüfters in die Unterdruckleitung kann die Förderleitung gesteigert bzw. die Fluidströmung in der Unterdruckleitung verstärkt werden, was die Kühlungswirkung der Anordnung weitergehender erhöht. Hierdurch kann der untererregte Leistungsbereich im Leistungsdiagramm der rotierenden elektrischen Maschine stärker erweitert werden, was die Einsetzbarkeit der rotierenden elektrischen Maschine weiter erhöht. Der Lüfter kann in Abhängigkeit des jeweiligen Kühlbedarfs geregelt werden oder konstant betrieben werden. In der Unterdruckleitung können auch zwei oder mehrere entsprechende Lüfter angeordnet sein.
Die Unterdruckleitung ist bevorzugt axial durch radial verlaufende Trennwände eines einen Statorwickelkopf der rotierenden elektrischen Maschine beinhaltenden Überdruckraums geführt, der bezüglich der mittels des Wellenlüfters erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter nachgeschaltet ist. Der Überdruckraum kann durch eine dieser Trennwände von dem Unterdruckraum der rotierenden elektrischen Maschine getrennt sein. Die weitere Trennwand kann radial außen umlaufend an dem axialen Endbereich des Stators angeordnet sein. Durch die Führung der Unterdruckleitung durch die Trennwände wird die Unterdruckleitung in ihrer gewünschten Position gehalten, ohne dass hierzu weitere Bauteile erforderlich sind, die an der rotierenden elektrischen Maschine montiert werden müssten.
Die erfindungsgemäße rotierende elektrische Maschine, insbesondere Generator, umfasst:

– einen Stator, der als Blechpaket mit radial verlaufenden Kühlkanälen ausgebildet ist;
– einen Rotor, an dem außerhalb des Stators wenigstens ein Wellenlüfter angeordnet ist;
– wenigstens einen Unterdruckraum, der bezüglich einer mittels des Wellenlüfters erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter vorgeschaltet ist;
– wenigstens einen Überdruckraum, der einen Statorwickelkopf beinhaltet und der bezüglich der mittels des Wellenlüfters erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter nachgeschaltet ist; und
– wenigstens eine Anordnung gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben.

Mit der rotierenden elektrischen Maschine sind die oben mit Bezug auf die Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden. Die rotierende elektrische Maschine kann als Generator, insbesondere Turbogenerator, ausgebildet sein. An dem Rotor können auch zwei oder mehrere Wellenlüfter angeordnet sein, die im Saug- oder im Druckbetrieb arbeiten. Die rotierende elektrische Maschine kann für jeden axialen Endbereich des Stators einen eigenen Unterdruckraum aufweisen. Die rotierende elektrische Maschine kann zudem für jeden axialen Endbereich des Stators einen eigenen Überdruckraum aufweisen. Die rotierende elektrische Maschine kann für jeden axialen Endbereich des Stators wenigstens eine eigene Anordnung aufweisen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kühlen von wenigstens einem axialen Endbereich eines Stators einer rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators, wird ein durch wenigstens einen radial verlaufenden Kühlkanal des axialen Endbereichs strömendes Kühlfluid gezielt über eine gegenüber der Umgebung abgedichtete Unterdruckleitungseinheit abgesaugt, die kommunizierend mit einem Unterdruckraum der rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist, der bezüglich einer mittels eines an einem Rotor der rotierenden elektrischen Maschine angeordneten Wellenlüfters erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter vorgeschaltet ist.
Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf die Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden. Es können auch beide axialen Endbereiche des Stators entsprechend gekühlt werden. Die Unterdruckleitungseinheit kann durch wenigstens eine Ringkammer und wenigstens eine kommunizierend mit der Ringkammer verbundene Unterdruckleitung gebildet sein.
Bevorzugt wird eine Fluidströmung in der Unterdruckleitung mittels wenigstens eines in der Unterdruckleitung angeordneten Lüfters verstärkt. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschine anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigt:
1 eine Darstellung eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße rotierende elektrische Maschine.
1 zeigt eine Darstellung eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße rotierende elektrische Maschine 1 in Form eines Generators.
Die rotierende elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2, der als Blechpaket mit radial verlaufenden Kühlkanälen 3 ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst die rotierende elektrische Maschine 1 einen Rotor 4, an dem außerhalb des Stators 2 wenigstens ein Wellenlüfter 5 angeordnet ist.
Die rotierende elektrische Maschine 1 umfasst zudem wenigstens einen Unterdruckraum 6, der bezüglich einer mittels des Wellenlüfters 5 erzeugbaren Kühlfluidströmung, die durch die Pfeile 7 angedeutet ist, dem Wellenlüfter 5 vorgeschaltet ist. Auch umfasst die rotierende elektrische Maschine 1 wenigstens einen Überdruckraum 8, der einen Statorwickelkopf 9 beinhaltet und der bezüglich der mittels des Wellenlüfters 5 erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter 5 nachgeschaltet ist.
Ferner umfasst die rotierende elektrische Maschine 1 wenigstens eine Anordnung 10 zum Kühlen des gezeigten axialen Endbereichs 11 des Stators 2 der rotierenden elektrischen Maschine 1.
Die Anordnung 10 umfasst eine radial außen umlaufend an einem zwei radial verlaufende Kühlkanäle 3 aufweisenden Abschnitt des axialen Endbereichs 11 angeordnete Ringkammer 12. Die Ringkammer 12 ist radial innen in Richtung des axialen Endbereichs 11 zumindest teilweise offen ausgebildet und hierdurch kommunizierend mit den beiden radial verlaufenden Kühlkanälen 3 verbunden. Die Ringkammer 12 ist gegenüber dem axialen Endbereich 11 abgedichtet.
Des Weiteren umfasst die Anordnung 10 wenigstens eine kommunizierend mit der Ringkammer 12 verbundene Unterdruckleitung 13, über welche die Ringkammer 12 kommunizierend mit dem Unterdruckraum 6 der rotierenden elektrischen Maschine 1 verbunden ist. Die Unterdruckleitung 13 ist axial durch radial verlaufende Trennwände 14 und 15 des Überdruckraums 8 geführt. In der Unterdruckleitung 13 sind zwei antreibbare Lüfter 16 und 17 angeordnet, mit denen eine Fluidströmung in der Unterdruckleitung 13 verstärkbar ist. Die Lüfter 16 und 17 werden jedoch nur benötigt, sofern das ausgebildete statische Druckgefälle nicht ausreicht, eine entsprechende Kühlleistung hervorzurufen. Die Ringkammer 12 bildet zusammen mit der Unterdruckleitung 13 eine Unterdruckleitungseinheit aus.
Bezüglich der durch die Pfeile 7 angedeuteten Strömungsrichtung des Kühlfluids ist dem Stator ein Kühler 18 nachgeschaltet, mit dem das im Stator 2 und Rotor 4 erwärmte Kühlfluid wieder abkühlbar ist, um erneut zur Kühlung verwendet werden zu können.
Die rotierende elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 19, das den Stator 2 und einen Aktivteil des Rotors 4 umgibt. Das Gehäuse 19 umfasst Stirnwände 20 und radial außen zu dem Stator 2 angeordnete Außenwände 21.
Der Stator 2 umfasst eine Stützeinheit 23, an der Statorbauteile 22 und der Statorwickelkopf 9 befestigt sind.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das offenbarte Beispiel eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Anordnung (10) zum Kühlen von wenigstens einem axialen Endbereich (11) eines Stators (2) einer rotierenden elektrischen Maschine (1), insbesondere eines Generators, aufweisend: – wenigstens eine radial außen umlaufend an wenigstens einem zumindest einen radial verlaufenden Kühlkanal (3) aufweisenden Abschnitt des axialen Endbereichs (11) anordbare Ringkammer (12), die radial innen in Richtung des axialen Endbereichs (11) zumindest teilweise offen ausgebildet und hierdurch kommunizierend mit dem radialen Kühlkanal (3) verbindbar ist und die gegenüber dem axialen Endbereich (11) abgedichtet ist; und – wenigstens eine kommunizierend mit der Ringkammer (12) verbundene Unterdruckleitung (13), über welche die Ringkammer (12) kommunizierend mit einem Unterdruckraum (6) der rotierenden elektrischen Maschine (1) verbindbar ist, der bezüglich einer mittels eines an einem Rotor (4) der rotierenden elektrischen Maschine (1) angeordneten Wellenlüfters (5) erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter (5) vorgeschaltet ist.
Anordnung (10) gemäß Anspruch 1, wobei in der Unterdruckleitung (13) wenigstens ein Lüfter (17, 18) angeordnet ist, mit dem eine Fluidströmung in der Unterdruckleitung (13) verstärkbar ist.
Anordnung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Unterdruckleitung (13) axial durch radial verlaufende Trennwände (14, 15) eines einen Statorwickelkopf (9) der rotierenden elektrischen Maschine (1) beinhaltenden Überdruckraums (8) geführt ist, der bezüglich der mittels des Wellenlüfters (5) erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter (5) nachgeschaltet ist.
Rotierende elektrische Maschine (1), insbesondere Generator, aufweisend: – einen Stator (2), der als Blechpaket mit radial verlaufenden Kühlkanälen (3) ausgebildet ist; – einen Rotor (4), an dem außerhalb des Stators (2) wenigstens ein Wellenlüfter (5) angeordnet ist; – wenigstens einen Unterdruckraum (6), der bezüglich einer mittels des Wellenlüfters (5) erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter (5) vorgeschaltet ist; – wenigstens einen Überdruckraum (8), der einen Statorwickelkopf (9) beinhaltet und der bezüglich der mittels des Wellenlüfters (5) erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter (5) nachgeschaltet ist; und – wenigstens eine Anordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.
Verfahren zum Kühlen von wenigstens einem axialen Endbereich (11) eines Stators (2) einer rotierenden elektrischen Maschine (1), insbesondere eines Generators, wobei ein durch wenigstens einen radial verlaufenden Kühlkanal (3) des axialen Endbereichs (11) strömendes Kühlfluid gezielt über eine gegenüber der Umgebung abgedichtete Unterdruckleitungseinheit abgesaugt wird, die kommunizierend mit einem Unterdruckraum (6) der rotierenden elektrischen Maschine (1) verbunden ist, der bezüglich einer mittels eines an einem Rotor (4) der rotierenden elektrischen Maschine (1) angeordneten Wellenlüfters (5) erzeugbaren Kühlfluidströmung dem Wellenlüfter (5) vorgeschaltet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei eine Fluidströmung in der Unterdruckleitungseinheit mittels wenigstens eines in der Unterdruckleitungseinheit angeordneten Lüfters (17, 18) verstärkt wird.