DE10343752A1

DE10343752A1 - Gasgekühlter Generatorstator

Info

Publication number: DE10343752A1
Application number: DE10343752A
Authority: DE
Inventors: Denis Thiot
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2004-04-01
Also published as: US20040084975A1; GB0222054D0; GB2393335A; GB2393335B

Abstract

Bei einem Generator mit indirekter Kühlung weist der Stator einen Kern 12 mit gegenseitig beabstandeten Kernblechpaketen auf, wobei zwischen den Paketen radiale Kanäle 11 definiert sind, durch die gasförmiges Kühlmittel zwischen dem Innen- und dem Außenumfang des Kerns strömen kann. Der Kern 12 weist axiale Schlitze 18 auf, die Ankerstäbe 16, 17 aufnehmen. Der Stator enthält Prallflächen 19, die so angeordnet sind, dass von einem Umfang des Kerns in einem radialen Kanal 11a radial strömendes gasförmiges Kühlmittel in einen Schlitz 18 neben dem Kanal 11a eintritt und in einer Richtung entlang dem Schlitz 18 strömt, bevor es in einen der radialen Kanäle eintritt, in dem es radial zum anderen Umfang des Kerns strömt. Demgemäß gelangt Wärme von den Stäben 16, 17 in erster Linie direkt in das strömende gasförmige Kühlmittel. Die radiale Strömung kann entweder nach innen (wie gezeigt) oder nach außen verlaufen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für einen Generator.
Zur Kühlung von Generatoren wird in der Regel ein gasförmiges Kühlmittel durch Kanäle im Rotor und im Stator zirkuliert. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt einen Längsquerschnitt durch einen herkömmlichen Generator mit Sauglüftung des Stators. Bei dem in 1 gezeigten Generator dreht sich ein Rotor 1 um eine Achse 2 innerhalb eines allgemein zylindrischen Stators 3. Luft oder ein anderes gasförmiges Kühlmittel wird durch einen Ventilator 6 an jedem Ende des Rotors aus dem ringförmigen Spalt 4 zwischen dem Rotor und dem Stator angesaugt und zu einem Kühler 7 an jedem Ende des Stators geleitet. Wie durch die Pfeile 8 gezeigt, wird die gekühlte Luft zum Außenumfang 9 des Stators 3 verteilt und strömt durch Kanäle 11 im Kern 12 des Stators radial nach innen, bevor sie durch. den Innenumfang 13 in den Spalt 4 gelangt.
Obgleich Sauglüftung die bevorzugte Lüftungsart für große Generatoren mit indirekter Kühlung ist, eignet sich im Allgemeinen Radiallüftung für Generatoren, wobei dann das Kühlmittel durch die Kanäle 11 im Kern 12 radial nach außen strömt (wobei die Pfeilrichtungen in 1 umgekehrt sind).
Die Kanäle 11 sind zwischen gegenseitig beabstandeten Kernblechpaketen 14 definiert. Ankerstäbe 16, 17 sind in axialen Schlitzen 18 im Kern 12 untergebracht; jeder Stab umfasst einen Kupferleiter, der von einer Isolierschicht umgeben ist. Das gasförmige Kühlmittel berührt den Kupferleiter nicht direkt. Im Leiter erzeugte Wärme wird thermisch durch die Isolierschicht zu der Seitenwänden des Schlitzes 18 geleitet, von wo aus die Wärme durch die Blechpakete 14 zu den Kühlkanälen 11 geleitet wird.
Es wäre wünschenswert, wenn die Wärmeübertragung von den Stäben zum gasförmigen Kühlmittel verbessert werden könnte.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Stator für einen Generator mit indirekter Kühlung bereit, wobei der Stator einen Kern mit gegenseitig beabstandeten Kernblechpaketen aufweist, wobei zwischen den Paketen radiale Kanäle definiert sind, durch die gasförmiges Kühlmittel zwischen dem Innen- und dem Außenumfang des Kerns strömen kann, wobei der Kern axiale Schlitze aufweist, die Ankerstäbe aufnehmen, und wobei der Stator Prallflächen enthält, die so in den radialen Kanälen angeordnet sind, dass sie bewirken, dass von einem Umfang des Kerns radial in einem der radialen Kanäle strömendes gasförmiges Kühlmittel in einen Schlitz neben dem Kanal eintritt und in einer Richtung entlang dem Schlitz strömt, bevor es in einen der radialen Kanäle eintritt, in dem es radial zum anderen Umfang des Kerns strömt.
Bevorzugte und optionale Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
Die Erfindung wird nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben; es zeigt darin:
1 einen schematischen Teillängsquerschnitt durch einen Generator;
2 einen schematischen Teilquerschnitt durch einen Stator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 einen schematischen Teilumfangsquerschnitt entlang der Linie III-III in 2;
4 einen schematischen Querschnitt durch einen Statorschlitz, der eine Art der Beabstandung der Ankerstäbe von den Schlitzwänden zeigt;
5 eine ähnliche Ansicht wie 4, die eine andere Art der Beabstandung der Ankerstäbe von den Schlitzwänden zeigt;
6 einen schematischen Teillängsquerschnitt durch einen modifizierten Stator mit Keilpaketen;
7 einen Umfangsquerschnitt entlang der Linie VII-VII in 6;
8 eine ähnliche Ansicht wie 7, die ein bevorzugtes Merkmal der ersten Ausführungsform zeigt;
9 einen schematischen Teillängsquerschnitt durch eine zweite Ausführungsform des Stators; und
10 einen schematischen Teillängsquerschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
In sämtlichen Zeichnungen werden ähnliche Merkmale mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Der unten unter Bezugnahme auf die 2 bis 10 beschriebene Stator bildet einen Teil eines Generators, der eine Ausgangsleistung von ca. 300 MVA oder darüber besitzt und im Grunde dem oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Generator ähnelt.
Die in den 2 und 3 gezeigte Ausführungsform des Stators weist schräge Prallflächen 19 auf, die in den Kanälen 11 zwischen den Schlitzen 18 angeordnet sind.
Man betrachte zwei Kanäle 11a und 11b (3), die durch ein einzelnes Kernblechpaket 14 voneinander getrennt sind. Der erste Kanal 11a enthält eine erste Prallfläche 19a, die bezüglich der Radial- und der Umfangsrichtung des Stators abgewinkelt ist und sich von der Basis eines Schlitzes 18 zu einem durch einen Statorkeil 21 im offenen Endteil des nächsten Schlitzes 18 gebildeten Verschluss erstreckt. Die Prallfläche 19a blockiert den Kanal 11a, so dass das in dem Kanal 11a radial nach innen strömende gasförmige Kühlmittel zu einer Seite des benachbarten Schlitzes 18 abgelenkt oder geleitet wird und in den zur Verfügung stehenden Hohlraum 22 zwischen dem Stab 16 und der benachbarten Wand des Schlitzes strömt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Strom des gasförmigen Kühlmittels beim Eintreten in den Schlitz 18 in entgegengesetzte Richtungen entlang dem Schlitz divergiert. Von dem Kanal 11a strömt das gasförmige Kühlmittel durch das Blechpaket 14 (in einer Richtung entlang dem Schlitz), bevor es an einer stromabwärts der Prallfläche 19b in dem Kanal liegenden Stelle in den zweiten Kanal 11b eintritt. Die zweite Prallfläche 19b ist in der entgegegengesetzten Richtung zur ersten Prallfläche 19a abgewinkelt und lenkt das die Seite des Schlitzes 18 verlassende gasförmige Kühlmittel so ab, dass es radial nach innen strömt und den Kanal 11b am Innenumfang 13 des Kerns 12 verlässt.
Wenn jeder Stab 16 (oder 17) in Axialrichtung betrachtet wird, dann lenken demgemäß die aufeinander folgenden Kanäle, auf die er trifft, das Kühlmittelgas abwechselnd zur rechten und zur linken Seite des Stabs. Die in den Kupferleitern der Stäbe 16, 17 erzeugte Wärme gelangt in erster Linie direkt in das strömende gasförmige Kühlmittel, nachdem sie die Isolierschicht durchquert hat.
Die Stäbe 16, 17 müssen eine Art lateraler Verkeilung aufweisen, um einen ausreichenden Spalt (zum Beispiel von ca. 1 mm bis ca. 2 mm ) zu bilden, damit das Kühlmittel entlang den Schlitzen 18 strömen kann. Des Weiteren widersteht die laterale Verkeilung Schwingungskräften in Umfangsrichtung.
4 zeigt Abstandshalter, die einerseits durch ein Füllmittel 23 zwischen den Stäben 16 und 17 und andererseits durch laterale Keile 24, die nur einen Teil der radialen Höhe jedes Stabs einnehmen, gebildet werden. 5 zeigt eine alternative Beabstandungsanordnung mit lateralen Verkeilungsfedern 26, die entweder sich entlang dem Schlitz 18 erstreckende Wellungen oder Vorsprünge, die den Kern 12 und die Stäbe 16, 17 nur lokal berühren, aufweisen. Die 6 und 7 zeigen eine weitere alternative Anordnung, in der sich zwischen zwei der normalen Blechpakete 14 ein Verkeilungspaket 14a befindet, in dem sich die Bleche in die Breite jedes Schlitzes 18 erstrecken und die Ankerstäbe 16, 17 berühren. Das Verkeilungspaket 14a ist dünner als das nicht verkeilende Paket 14. Darüber hinaus ist der Raum zwischen einem Verkeilungspaket 14a und einem nicht verkeilenden Paket 14 kleiner als der zwischen benachbarten, nicht verkeilenden Paketen 14. Letztlich teilt das Verkeilungspaket 14a einen normalen Kühlmittelkanal in zwei schmalere Kanäle.
8 zeigt eine derzeit bevorzugte Anordnung, bei der sich zwei (oder mehr) nicht verkeilende Pakete 14 mit einer Dicke von ca. 70 bis ca. 100 mm zwischen jedem Paar Verkeilungspakete 14a mit einer Dicke von ca. 50 mm oder weniger befinden. Die Kanäle 11 zwischen den nicht verkeilenden Paketen sind ca. 10 mm dick, und die Kanäle zwischen jedem nicht verkeilenden Paket 14 und dem benachbarten Verkeilungspaket 14a sind ca. 5 mm dick. Für einen Generator mit einer Ausgangsleistung von ca. 300 MVA kann die Gesamtlänge des Stators ca. 4000 mit oder mehr betragen. An jedem Ende des Statorkerns 12 sind symmetrische Prallflächen 19c in den radialen Kanälen 11c zwischen einem Endpaket 14b und einem benachbarten Verkeilungspaket 14a angeordnet, so dass das in den Kanälen 11c radial nach innen strömende Kühlmittel in beide Schlitze 18 neben jedem Kanal 19c eintritt und entlang den Schlitzen 18 zum Ende des Kerns 12 strömt.
Wie bekannt ist, können die Oberflächen der Stäbe 16, 17 mit einer leitenden Farbe oder einem leitenden Band beschichtet sein, das an einer ausreichenden Anzahl von Stellen entlang dem Stab geerdet ist, um zu verhindern, dass es in den Hohlräumen zu einer elektrischen Entladung kommt, und um die in den Kontakten abgeführte Energie zu begrenzen. Bei den gewöhnlichen Widerstandswerten für die Farbe oder das Band, die Kontaktwiderstände, die Betriebsspannung, den kapazitiven Widerstand und die entlang den Stäben induzierte Spannung muss der maximale Abstand in der Regel zwischen Erdungskontakten in einem Bereich von 200 mm liegen.
Die Prallflächen 19 können aus Blech hergestellt sein und dienen als Abstandshalter zwischen den Blechpaketen 14 neben anderen Beabstandungsmitteln, wie zum Beispiel herkömmlichen Blech-Abstandshaltern 20 (2) zur Begrenzung der radialen Kanäle 11.
9 zeigt eine mögliche zweite Ausführungsform des Stators. Jeder Kanal 11 enthält an einer zwischen den beiden Ankerstäben 16, 17 liegenden Stelle eine Prallfläche 27, die sich in Axial- und in Umfangsrichtung erstreckt. Ein Axialende der Prallfläche 27 erstreckt sich zu einem Spaltverschluss 28 zwischen dem radial äußeren Stab 17 und den Wänden des Schlitzes 18, und das andere Ende der Prallfläche 27 erstreckt sich zu einem Spaltverschluss 29 zwischen dem radial inneren Stab 16 und den Wänden des Schlitzes. Somit ist der Raum zwischen den Stäben in den Kanälen über den gesamten Umfang des Statorkerns 12 gesperrt. Das gasförmige Kühlmittel strömt diagonal durch jedes Blechpaket 14 von einem Kühlkanal 11 zum nächsten, wie in 8 durch die Pfeile 31 angezeigt.
Die in 10 gezeigte dritte Ausführungsform unterscheidet sich insofern von der in 9 gezeigten Ausführungsform, dass die Spaltverschlüsse 28 und 29 weggelassen sind. Demgemäß wirkt jede Prallfläche 27 als Schikane, die bewirkt, dass das gasförmige Kühlmittel in einem Kanal 11 radial nach innen strömt und in jeden der Schlitze neben dem Kanal eintritt, um zunächst von dem Kanal weg (in die benachbarten Blechpakete 14) zu strömen und dann wieder entlang dem Schlitz zurück in den gleichen Kanal 11 zu strömen. Wie in 10 gezeigt, ist der Schlitz an der mittleren Dicke der Blechpakete 14 durch Trennwände 32 blockiert.
Innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung kommen verschiedene Modifikationen in Betracht. Es können zum Beispiel Merkmale einer beliebigen der oben beschriebenen Ausführungsformen mit Merkmalen einer oder mehrerer der anderen Ausführungsformen in dem gleichen Stator kombiniert werden. Obgleich indirekte Kühlung mit Rückströmung (Sauglüftung) beschrieben worden ist, können die Ausführungsformen des Weiteren stattdessen für indirekte Kühlung mit Radialströmung verwendet werden, bei der die in den 2, 3 und 8 bis 10 gezeigten Pfeile umgekehrt verlaufen.

Claims

Stator für einen Generator mit indirekter Kühlung, wobei der Stator einen Kern mit gegenseitig beabstandeten Kernblechpaketen aufweist, wobei zwischen den Paketen radiale Kanäle definiert sind, durch die gasförmiges Kühlmittel zwischen dem Innen- und dem Außenumfang des Kerns strömen kann, wobei der Kern axiale Schlitze aufweist, die Ankerstäbe aufnehmen, und wobei der Stator Prallflächen enthält, die so in den radialen Kanälen angeordnet sind, dass sie bewirken, dass von einem Umfang des Kerns in einem der radialen Kanäle radial strömendes gasförmiges Kühlmittel in einen Schlitz neben dem Kanal eintritt und in einer Richtung entlang dem Schlitz strömt, bevor es in einen der radialen Kanäle eintritt, in dem es radial zum anderen Umfang des Kerns strömt.
Stator nach Anspruch 1, bei dem in einem ersten der radialen Kanäle von dem einen Umfang des Kerns radial strömendes gasförmiges Kühlmittel in einen Schlitz neben dem ersten Kanal eintritt und in einer Richtung entlang dem Schlitz strömt, bevor es in einen zweiten der radialen Kanäle eintritt, in dem es radial zum anderen Umfang des Kerns strömt.
Stator nach Anspruch 2, bei dem der erste und der zweite Kanal durch ein einzelnes Kernblechpaket voneinander getrennt sind.
Stator nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der erste Kanal eine erste schräge Prallfläche enthält, die bezüglich der Radial- und der Umfangsrichtung des Stators abgewinkelt ist und das gasförmige Kühlmittel in eine Seite des Schlitzes ablenkt, und der zweite Kanal eine zweite schräge Prallfläche enthält, die in der entgegengesetzten Richtung zur ersten schrägen Prallfläche abgewinkelt ist und das die eine Seite des Schlitzes verlassende gasförmige Kühlmittel so ablenkt, dass es radial strömt.
Stator nach Anspruch 4, bei dem sich die erste oder die zweite schräge Prallfläche zu einem Verschluss im offenen Endteil des Schlitzes erstreckt.
Stator nach Anspruch 4 oder 5, bei dem sich die erste oder die zweite Prallfläche von der Basis das Schlitzes erstreckt.
Stator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die erste und die zweite Prallfläche den ersten und den zweiten Kanal im Wesentlichen blockieren.
Stator nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem zwei solche zweiten Kanäle vorhanden sind, und zwar jeweils einer auf jeder Seite des ersten Kanals.
Stator nach Anspruch 2 oder 3 , bei dem sowohl der erste als auch der zweite Kanal an einer Stelle zwischen zwei übereinander im Schlitz angeordneten Ankerstäben eine Prallfläche enthält, wobei sich ein axiales Ende der Prallfläche zu einem Spaltverschluss zwischen einem der beiden Stäbe und den Wänden des Schlitzes und sich das andere Ende der Prallfläche zu einem Spaltverschluss zwischen dem anderen der beiden Stäbe und den Wänden des Schlitzes erstreckt.
Stator nach Anspruch 1, bei dem in einem der radialen Kanäle von dem einem Umfang des Kerns radial strömendes gasförmiges Kühlmittel in einen Schlitz neben dem einen Kanal eintritt und zuerst in einer Richtung entlang dem Schlitz und dann in einer entgegengesetzten Richtung entlang dem Schlitz strömt, bevor es wieder in den einen Kanal eintritt.
Stator nach Anspruch 10, bei dem der eine Kanal eine Prallfläche enthält, die das gasförmige Kühlmittel in eine Seite des Schlitzes ablenkt.
Stator nach Anspruch 11, bei dem die Prallfläche den Kanal im Wesentlichen blockiert, so dass im Wesentlichen sämtliches durch den Kanal strömendes gasförmiges Kühlmittel durch die Schlitzteile auf beiden Seiten des Kanals strömt.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schlitz laterale Abstandshalter enthält, die Durchgänge für das gasförmige Kühlmittel zwischen dem Kern und den Ankerstäben definieren.
Stator nach Anspruch 13, bei dem die lateralen Abstandshalter laterale Verkeilungselemente umfassen, die nur einen Teil der radialen Höhe eines Ankerstabs einnehmen.
Stator nach Anspruch 13, bei dem die lateralen Abstandshalter laterale Verkeilungsfedern umfassen, die sich entlang dem Schlitz erstreckende Wellungen oder Vorsprünge, welche den Kern und die Ankerstäbe nur lokal berühren, umfassen.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eines der Kernblechpakete ein Verkeilungspaket ist, bei dem sich die Bleche in die Breite jedes Schlitzes erstrecken und die Ankerstäbe berühren.
Stator nach Anspruch 16, bei dem das Verkeilungspaket dünner ist als die nicht verkeilenden Pakete.
Stator nach Anspruch 15 oder 16, bei dem eine Reihe von mindestens zwei nicht verkeilenden Paketen zwischen zwei Verkeilungspaketen vorgesehen ist.
Stator nach Anspruch 18, bei dem der Abstand zwischen den nicht verkeilenden Paketen größer ist als der zwischen jedem Verkeilungspaket und dem benachbarten nicht verkeilenden Paket.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an einem Ende des Kerns das in einem der radialen Kanäle von dem einen Umfang des Kerns radial strömende gasförmige Kühlmittel in beide Schlitze neben dem Kanal eintritt und entlang den Schlitzen zum Ende des Kerns strömt.