DE102019214822A1 - Fan blade with radial wing - Google Patents

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/02—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine
    • H02K9/04—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium
    • H02K9/06—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium with fans or impellers driven by the machine shaft

Abstract

Für den Lüfter einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, wird vorgeschlagen, auf der Druckseite der Lüfterschaufeln zusätzliche Radialflügel anzuordnen, wodurch das Verhältnis radialer Volumenstrom zu axialer Volumenstrom und damit diagonaler Volumenstrom je nach Anwendung frei gewählt werden kann. Der erfindungsgemäße Lüfter, der eine kompakte Bauform von neu konzipierten Maschinen gestattet, kann auch in Maschinen aus dem Bestand im Zuge eines Service nachgerüstet werden.For the fan of an electrical machine, in particular a turbo generator, it is proposed to arrange additional radial blades on the pressure side of the fan blades, whereby the ratio of radial volume flow to axial volume flow and thus diagonal volume flow can be freely selected depending on the application. The fan according to the invention, which allows a compact design of newly designed machines, can also be retrofitted in existing machines as part of a service.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lüfter für rotierende elektrische Maschinen, insbesondere Turbogeneratoren.The invention relates to a fan for rotating electrical machines, in particular turbo generators.

Aufgrund der Energiewende verschiebt sich der Kraftwerksmarkt zum Teil hin zu dezentraler Stromerzeugung mit kleineren und mittleren Kraftwerksgrößen. Somit kommen in diesen Kraftwerken kleinere luftgekühlte Turbogeneratoren zum Einsatz.Due to the energy transition, the power plant market is shifting in part towards decentralized electricity generation with small and medium-sized power plants. This means that smaller air-cooled turbo generators are used in these power plants.

Neuere Entwicklungen sind darauf gerichtet, die Maschinen leichter und kompakter zu bauen. Die Verkleinerung der Baugröße führt bei luftgekühlten Turbogeneratoren zu neuen Herausforderungen unter anderem die Kühlung und die Ventilation betreffend.More recent developments are aimed at making the machines lighter and more compact. The reduction in size leads to new challenges for air-cooled turbo generators, including those relating to cooling and ventilation.

Turbogeneratoren zeichnen sind durch eine sogenannte Turbostufe aus, die mit einem Lüfter auf dem Rotor gebildet ist. Dieser Lüfter pumpt die aus dem Kühler austretende Kaltluft KA axial in den Generator, um die Temperaturen des Rotors und des Stators so niedrig zu halten, dass bei der Maschine über die Lebensdauer kein Schaden auftritt. Dieser Lüfter weist eine variable Anzahl von Lüfterschaufeln LS auf. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Axiallüfter. Der Axiallüfter bewegt dabei die anströmende Luft KA in axialer Richtung durch den Generator. Mit axialer Richtung ist die Richtung parallel zur Rotationsachse RA, aber auch Generatorachse gemeint. Im Regelfall befindet sich der sogenannte Wickelkopf (Verschaltung der Spulen) in Strömungsrichtung des Kühlgases hinter dem Lüfter, wodurch der Wickelkopf durch den Axiallüfter hinreichend genug gekühlt werden kann. Bedingt durch konstruktive Änderungen und externe Vorgaben, kann sich die Position des Wickelkopfs verändern und sich in radialer Richtung oberhalb des Lüfters befinden. Daraus resultiert, dass der Wickelkopf mit einem reinen Axiallüfter nicht mehr ausreichend gekühlt werden kann. Hierzu ist eine zusätzliche radiale Luftstromkomponente KDR erforderlich, die im Allgemeinen durch sogenannte Radiallüfter erzeugt wird. Im konkreten Fall ist eine Kombination aus Axiallüfter und Radiallüfter, ein sogenannter Diagonallüfter erforderlich.Turbo generators are characterized by a so-called turbo stage, which is formed with a fan on the rotor. This fan pumps the cold air exiting the cooler KA axially into the generator in order to keep the temperatures of the rotor and the stator so low that the machine will not be damaged over its service life. This fan has a variable number of fan blades LS on. It is a so-called axial fan. The axial fan moves the incoming air KA in the axial direction through the generator. With the axial direction, the direction is parallel to the axis of rotation RA , but also meant the generator axis. As a rule, the so-called end winding (interconnection of the coils) is located behind the fan in the direction of flow of the cooling gas, so that the end winding can be sufficiently cooled by the axial fan. Due to structural changes and external requirements, the position of the winding head can change and be above the fan in the radial direction. As a result, the winding head can no longer be adequately cooled with a pure axial fan. To do this, there is an additional radial airflow component KDR required, which is generally generated by so-called radial fans. In this specific case, a combination of axial fan and radial fan, a so-called diagonal fan, is required.

Aufgrund der großen Außenradien und den hohen Umdrehungen bei Turbogeneratoren im Bereich von 50Hz und 60Hz und den damit verbundenen großen Belastungen aus den Fliehkräften sowie einem hohen geforderten Wirkungsgrad, gibt es derzeit keine praktikable Lösung für einen Diagonallüfter beziehungsweise eine Diagonallüfterschaufel an Turbogeneratoren.Due to the large outer radii and the high revolutions of turbo generators in the range of 50Hz and 60Hz and the associated high loads from the centrifugal forces as well as a high required efficiency, there is currently no practicable solution for a diagonal fan or a diagonal fan blade on turbo generators.

Diagonallüfter findet man derzeit als technische Ausführungen nur in kleinen Industrieanwendungen, wo ganze Lüfter als Ventilatoren oder Filterlüfter zum Einsatz kommen.Diagonal fans are currently only found as technical designs in small industrial applications, where entire fans are used as fans or filter fans.

Folgende Ausführungen sind bekannt:

  1. a) Ausführung nach 1 mit angewinkeltem Flansch, aber auch Lüfterfuß LF und angewinkelter Sperre SP. Der Radial-/Diagonalanteil wird durch die schrägen Bauteile LF, SP erzeugt.
  2. b) Ausführung mit angewinkelten Lüfterschaufeln nach 2 und 3 sowie zusätzlich durch eine teildurchlässige Sperre ST gemäß 3. Der Radial-/Diagonalanteil wird durch die schrägen Lüfterschaufeln erzeugt.
The following versions are known:
  1. a) Execution according to 1 with angled flange, but also fan base LF and angled lock SP . The radial / diagonal component is created by the inclined components LF , SP generated.
  2. b) Execution with angled fan blades according to 2 and 3 as well as a partially permeable barrier ST according to 3 . The radial / diagonal component is generated by the inclined fan blades.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Axiallüfter für einen Turbogenerator derart weiterzubilden, dass er auch eine diagonale Komponente an Kühlgas liefert.The invention is based on the problem of developing an axial fan for a turbo generator in such a way that it also supplies a diagonal component of cooling gas.

Das Problem wird durch einen Lüfter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The problem is solved by a fan with the features of claim 1.

Die Erfindung stellt eine Lösung für einen Diagonallüfter beziehungsweise Diagonallüfterschaufel dar, die an einem Turbogenerator unter den vorliegenden Randbedingungen zum Einsatz kommt.The invention represents a solution for a diagonal fan or diagonal fan blade, which is used on a turbo generator under the present boundary conditions.

Auf der Rückseite einer Lüfterschaufel LS ist ein zusätzlicher Steg, im Folgenden Radialflügel RF genannt, angesetzt. Dieser Radialflügel kann prinzipiell eine beliebige Form und ein beliebiges Profil haben. Die einfachste Form ist ein gerader Radialflügel mit einem rechteckigen Profil. 4 zeigt das Prinzip. Durch den schräg angestellten Radialflügel strömt die eingehende Luft KA nicht mehr nur axial KDA, sondern nun auch radial KDR beziehungsweise diagonal. Somit besitzt diese axiale Lüfterschaufel durch die Modifikation nun auch radiale Lüftereigenschaften.On the back of a fan blade LS is an additional web, hereinafter referred to as radial wing RF called, scheduled. This radial wing can in principle have any shape and any profile. The simplest form is a straight radial wing with a rectangular profile. 4th shows the principle. The incoming air flows through the inclined radial wing KA no longer just axially KDA , but now also radially KDR or diagonally. As a result of the modification, this axial fan blade now also has radial fan properties.

Vorteile:

  • - Der hohe Wirkungsgrad, vergleichbar mit dem hohen Wirkungsgrad eines reinen axialen Lüfters bleibt erhalten,
  • - das heißt, es gibt eine zusätzliche radiale Lüfterleistung bei gleichbleibender Axialleistung,
  • - Strukturmechanisch umsetzbare Lösung für Schwermaschinenbau/Generatorbau,
  • - Vorhandene Lüfter beziehungsweise Lüfterschaufeln können beliebig ausgetauscht werden, das heißt kompatibel mit älteren Lüfterschaufeln und somit servicetauglich ohne konstruktive Änderung von Maschinen im Bestand,
  • - kompaktere Bauform der Maschine aufgrund der deutlich verbesserten Kühlung realisierbar,
  • - keine nennenswerte Zusatzmasse notwendig - verschwindend gering,
  • - keine nennenswerten zusätzlichen Fliehkräfte - vernachlässigbar gering,
  • - das Verhältnis radialer Volumenstrom KDR zu axialer Volumenstrom KDA, das heißt Diagonaler Volumenstrom, können je nach Anwendung frei variiert werden.
Advantages:
  • - The high level of efficiency, comparable to the high level of efficiency of a purely axial fan, is retained,
  • - that means there is an additional radial fan power with the same axial power,
  • - Structurally mechanically feasible solution for heavy machine construction / generator construction,
  • - Existing fans or fan blades can be exchanged as required, i.e. compatible with older fan blades and therefore serviceable without constructive changes to existing machines,
  • - more compact design of the machine can be realized due to the significantly improved cooling,
  • - no significant additional mass required - negligibly small,
  • - no significant additional centrifugal forces - negligibly low,
  • - the ratio of radial volume flow KDR too axial volume flow KDA , i.e. diagonal volume flow, can be varied freely depending on the application.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1 eine herkömmliche Ausführung mit angewinkeltem Lüfterfuß LF und angewinkelter Sperre SP,
  • 2 eine herkömmliche Ausführung mit angewinkelten Lüfterschaufeln LS und Sperre SP,
  • 3 eine herkömmliche Ausführung mit angewinkelten Lüfterschaufeln und teildurchlässiger Sperre ST,
  • 4 eine erfindungsgemäße Ausführung mit Radialflügel RF auf der Rückseite der Lüfterschaufel,
  • 5 nähere Einzelheiten eines in sich geraden Radialflügels,
  • 6 nähere Einzelheiten eines gebogenen Radialflügels,
  • 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lüfters auf der Welle RA eines Turbogenerators von der Ansaugseite KA gesehen und
  • 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lüfters auf der Welle eines Turbogenerators von der Druckseite KD gesehen.
The invention is explained in more detail below as an exemplary embodiment to the extent necessary for understanding with reference to figures. Show:
  • 1 a conventional design with an angled fan base LF and angled lock SP ,
  • 2 a conventional design with angled fan blades LS and lock SP ,
  • 3 a conventional design with angled fan blades and a partially permeable barrier ST ,
  • 4th an embodiment according to the invention with radial wing RF on the back of the fan blade,
  • 5 details of a straight radial wing,
  • 6th details of a curved radial wing,
  • 7th a schematic representation of a fan according to the invention on the shaft RA a turbo generator from the intake side KA seen and
  • 8th a schematic representation of a fan according to the invention on the shaft of a turbo generator from the pressure side KD seen.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.In the figures, the same designations denote the same elements.

Auf die Rückseite einer Lüfterschaufel ist ein Radialflügel RF aufgebracht. Dieser Radialflügel beeinflusst die Ausbreitung des abfließenden Volumenstroms KD.On the back of a fan blade is a radial wing RF upset. This radial wing influences the spread of the outflowing volume flow KD .

Der Radialflügel weist einen Neigungswinkel α gegenüber dem Lüfterradius LR auf derart, dass das abwärts der Strömung des Kühlgases liegende Ende des Radialflügels einen größeren radialen Abstand a zum Lüfterfuß LF aufweist, als das angeströmte Ende des Radialflügels.The radial wing has an angle of inclination α compared to the fan radius LR in such a way that the end of the radial vane located downstream of the flow of the cooling gas has a greater radial distance a to the fan base LF has than the end of the radial wing against which the gas flows.

Über die technischen Parameter des Radialflügels a, b, c und α in 5 kann die Aufteilung des axialen Volumenstrom Va zum diagonalen Volumenstrom Vd eingestellt werden. Es ergibt sich Va = f (a) und Vd = f (a, b, c, α) . Das gleiche gilt bei nicht gerader Ausführung des Radialflügels in 6. Dabei ergibt sich der diagonale Volumenstrom als Funktion des Abstandes a, des Radius r, des Umfangs u und des Winkels α also zu Vd = f (a, c, r, u, α) .About the technical parameters of the radial wing a , b , c and α in 5 the division of the axial volume flow V a to the diagonal volume flow V d can be set. We get V a = f (a) and V d = f (a, b, c, α). The same applies if the radial wing is not straight in 6th . The diagonal volume flow results as a function of the distance a , the radius r , the scope u and the angle α so to V d = f (a, c, r, u, α).

Auswirkungen:

  • - Neue Variante eines Diagonallüfters,
  • - Beliebiger, bedarfsabhängiger Einsatz in bestehende Produkte - keine aufwändigen Neuentwicklungen notwendig,
  • - Kompaktere Bauformen möglich.
Effects:
  • - New variant of a diagonal fan,
  • - Any, needs-based use in existing products - no complex new developments necessary,
  • - More compact designs possible.

Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.For purposes of illustration, the present invention has been explained in detail on the basis of specific exemplary embodiments. Elements of the individual exemplary embodiments can also be combined with one another. The invention is therefore not intended to be restricted to individual exemplary embodiments, but rather only to be restricted by the appended claims.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

KA -KA -
Kühlgas AnsaugungCooling gas suction
KD -KD -
Kühlgas DruckseiteCooling gas pressure side
KDA -KDA -
Kühlgas Druckseite axialAxial cooling gas pressure side
KDR -KDR -
Kühlgas Druckseite radialCooling gas pressure side radial
LF -LF -
LüfterfußFan base
LR -LR -
LüfterradiusFan radius
LS -LS -
LüfterschaufelFan blade
RA -RA -
RotationsachseAxis of rotation
RF -RF -
RadialflügelRadial wing
SP -SP -
SperreLock
ST -ST -
Sperre teildurchlässig für Kühlgas Block partially permeable to cooling gas
α -α -
Neigungswinkel des Radialflügels gegen LüfterradiusAngle of inclination of the radial blade against the fan radius
a -a -
Abstand zwischen Lüfterfuß und RadialflügelDistance between fan base and radial blade
b -b -
Länge des RadialflügelsLength of the radial wing
c -c -
Tiefe des RadialflügelsDepth of the radial wing
r -r -
Radius des RadialflügelsRadius of the radial wing
u -u -
Umfang, Segment des RadialflügelsPerimeter, segment of the radial wing
x -x -
Achse des BezugssystemsAxis of the reference system
y -y -
Achse des BezugssystemsAxis of the reference system
z -z -
Achse des BezugssystemsAxis of the reference system

Claims (8)

Lüfter für eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere Turbogenerator, wobei der Lüfter eine Mehrzahl von Lüfterschaufeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Druckseite (KD) einer Lüfterschaufel (LS) ein Radialflügel (RF) angeordnet ist.Fan for a rotating electrical machine, in particular a turbo generator, the fan having a plurality of fan blades, characterized in that a radial blade (RF) is arranged on the pressure side (KD) of a fan blade (LS). Lüfter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Radialflügel einen Neigungswinkel (α) gegenüber dem Lüfterradius (LR) aufweist.Fan after Claim 1 characterized in that the radial vane has an angle of inclination (α) with respect to the fan radius (LR). Lüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium ein Kühlgas aus der Gruppe Luft, Wasserstoff gegeben ist.Fan according to one of the preceding claims, characterized in that a cooling gas from the group of air and hydrogen is given as the cooling medium. Lüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das abwärts der Strömung des Kühlgases liegende Ende des Radialflügels einen größeren radialen Abstand (a) zum Lüfterfuß (LF) aufweist, als das angeströmte Ende des Radialflügels.Fan according to one of the preceding claims, characterized in that the end of the radial vane located downstream of the flow of the cooling gas has a greater radial distance (a) from the fan base (LF) than the end of the radial vane against which the flow is flowing. Lüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Radialflügel von dem vom Kühlgas angeströmten Ende bis zu dem abwärts der Strömung des Kühlgases liegenden Ende ein in sich gerades Profil aufweist.Fan according to one of the preceding claims, characterized in that the radial blade has an inherently straight profile from the end against which the cooling gas flows to the end lying downwards of the flow of the cooling gas. Lüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Radialflügel von dem vom Kühlgas angeströmten Ende bis zu dem abwärts der Strömung des Kühlgases liegenden Ende ein gebogenes Profil mit einem Radius (r) aufweist.Fan according to one of the preceding Claims 1 to 4th characterized in that the radial vane has a curved profile with a radius (r) from the end against which the cooling gas flows to the end lying downward against the flow of the cooling gas. Lüfter nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Radialflügels von dem vom Kühlgas angeströmten Ende bis zu dem abwärts der Strömung des Kühlgases liegenden Ende überlinear ansteigt.Fan after Claim 6 characterized in that the profile of the radial vane rises more than linearly from the end against which the cooling gas flows to the end lying downwards of the flow of the cooling gas. Lüfter nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Radialflügels von dem vom Kühlgas angeströmten Ende bis zu dem abwärts der Strömung des Kühlgases liegenden Ende unterlinear ansteigt.Fan after Claim 6 characterized in that the profile of the radial vane rises in a sub-linear manner from the end against which the cooling gas flows to the end lying downwards of the flow of the cooling gas.
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