DE10344297A1

DE10344297A1 - Gasgekühlter Generator

Info

Publication number: DE10344297A1
Application number: DE10344297A
Authority: DE
Inventors: Denis Thiot
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2004-04-01
Also published as: GB2393584A; GB0222406D0; US20040084976A1; GB2393584B; US7141898B2

Abstract

Ein gasförmiges Kühlmittel, vorzugsweise Helium, strömt von Kühlern 12 an den Wicklungsüberhängen 7 des Stators 3 vorbei, dann durch Kühlkanäle im Rotor 1, dann in den Spalt 4 zwischen dem Rotor und dem Stator, dann durch Kühlleitungen im Statorkern 6 in einen Kühlmittelaufnahmebereich 11 und dann durch die Kühler 12. Die Kühlmittelströmung wird vorzugsweise allein durch die Selbstlüftungswirkung des Rotors bewirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gasgekühlten Generator, insbesondere einen Generator, der einen Teil eines Turbosatzes bildet.
Es sind Generatoren bekannt, die einen Rotor und einen Stator mit einem Spalt dazwischen umfassen. Der Stator umfasst einen Kern und Wicklungen, die an jedem Ende des Stators einen Wickelungsüberhang bilden. Der Rotor enthält sich axial erstreckende Kühlkanäle, die hinter Enden des Statorkerns mit Endteilen des Rotors in Verbindung stehen, und sich radial erstreckende Kühlkanäle, die die sich axial erstreckenden Kühlkanälen und den Spalt verbinden. Der Statorkern weist Kühlleitungen auf, die den Spalt und einen Bereich zur Aufnahme eines gasförmigen Kühlmittels außerhalb des Statorkerns verbinden; der Generator umfasst weiterhin eine mit dem Aufnahmebereich in Verbindung stehende Kühlvorrichtung.
Bei einigen bekannten Generatoren befinden sich der Rotor, der Stator und die Kühlvorrichtung in einem Gehäuse, das mit dem gasförmigen Kühlmittel gefüllt ist, welches mittels an den Enden des Rotors angebrachter Ventilatoren durch die Kühlvorrichtung getrieben wird. Von der Kühlvorrichtung strömen getrennte Ströme des gasförmigen Kühlmittels unter Druck zu dem Stator und zu dem Rotor. Im Stator strömt das gasförmige Kühlmittel radial nach innen oder nach außer oder als Alternative nach innen und nach außen.
Solche Generatoren sind aufgrund des Antriebs der Ventilatoren und von Reibung des gasförmigen Kühlmittels mit Verlusten behaftet.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Generator bereit, der einen Rotor und einen Stator mit einem Spalt dazwischen umfasst, wobei sich an den jeweiligen Enden des Spalts Prallflächen befinden, wobei sich der Rotor und der Stator in einem im Wesentlichen hermetisch abgedichteten Gehäuse befinden, das mit einem gasförmigen Kühlmittel unter überatmosphärischem Druck gefüllt ist, wobei der Stator einen Kern und Wicklungen umfasst, die einen Wicklungsüberhang an jedem Ende des Stators bilden, wobei im Betrieb des Generators gasförmiges Kühlmittel in einem Kreislauf von der Kühlvorrichtung an den Wicklungsüberhängen vorbei, dann durch Kühlkanäle im Rotor, dann in den Spalt, dann durch Kühlleitungen im Statorkern in einen Kühlmittelaufnahmebereich und dann durch die Kühlvorrichtung strömt, wobei die Prallflächen sowohl einen Austritt des gasförmigen Kühlmittels aus den Enden des Spalts als auch einen Eintritt des gasförmigen Kühlmittels in den Spalt durch seine Enden verhindern, wobei die Strömung des gasförmigen Kühlmittels in dem Kühlkreislauf allein durch die auf das gasförmige Kühlmittel in den Kühlkanälen des Rotors wirkende Zentrifugalkraft bewirkt wird.
Die Erfindung wird nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben; es zeigt darin:
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators;
2 einen Teilquerschnitt durch den Statorkern des Generators;
3 eine ausschnittsweise perspektivische Ansicht eines Teils eines Endes des Rotors des Generators;
4 einen Aufriss eines im Generator verwendeten Kühlers; und
5 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform des Generators.
In dem in den 1 bis 4 gezeigten Generator ist ein Rotor 1 zur Drehung um eine Achse (in diesem Beispiel eine horizontale Achse) angebracht, wobei der Rotor im Betrieb des Generators durch eine (nicht gezeigte) Turbine gedreht wird. Der Rotor 1 enthält einen zylindrischen Körper mit axialen Schlitzen, die leitende Stäbe 15 enthalten, deren gebogene Enden in Wickelköpfen 2 an jeweiligen Enden des Rotors enthalten sind. Der Rotor 1 ist von einem Stator 3 mit einem Spalt 4 dazwischen umgeben. Der Stator 3 enthält einen Kern 6, der aus Blechpaketeinheiten besteht und mit radialen Leitungen 5 versehen ist, die sich vom Spalt 4 zur Außenumfangsfläche des Kerns 6 erstrecken und durch radiale Abstandshalter 5a begrenzt werden.
Die Innenumfangsfläche des Kerns 6 weist axiale Schlitze 10 auf, die Wicklungen enthalten, die an jedem Ende des Stators 3 einen Wicklungsüberhang 7 bilden. Der Rektor 1 enthält axiale Kanäle 8, die mit den Wickelköpfen 2 in Verbindung stehen, und radiale Kanäle 9, die den Grund der axialen Schlitze 10 mit dem Spalt 4 verbinden und über die gesamte Länge und Umfangserstreckung des Rotors verteilt sind. Die radialen Kanäle 9 schneiden die axialen Kanäle 8.
Im Betrieb, wenn der Rotor 1 zum Beispiel durch eine Gasturbine, eine Dampfturbine oder eine Heliumaxpansionsturbine schnell gedreht wird, wird ein gasförmiges Kühlmittel in den Kanälen 8, 9 und in den Schlitzen 10 des Rotors 1 mit einer beträchtlichen Zentrifugalkraft beaufschlagt, die das gasförmige Kühlmittel aus den radialen Kanälen 9 in den Spalt 4 und von dort in die radialen Leitungen 5 des Stators 3 treibt. Von den Leitungen 5 strömt das gasförmige Kühlmittel in einen Aufnahmebereich 11, der den Kern 6 umgibt und durch ein im Wesentlichen hermetisches Gehäuse 13 begrenzt wird, das den Rotor 1 und den Stator 3 umgibt und mit dem gasförmigen Kühlmittel gefüllt ist, das sich vorzugsweise unter überatmosphärischem Druck befindet. Das Gehäuse 13 enthält zwei ringförmige Kühler 12, die parallele Rohre 20 umfassen, in denen ein Kühlfluid zirkuliert.
Somit bewirkt die Selbstlüftungswirkung des Rotors 1, dass das gasförmige Kühlmittel in den beiden symmetrischen Kreisläufen strömt, die in 1 durch Pfeile angezeigt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die durchgezogenen Pfeile allgemein kühles Gas unter verringertem Druck und die gestrichelten Pfeile allgemein warmes Gas unter erhöhtem Druck anzeigen. Zunächst strömt das die Kühler 12 (in denen das warme Gas auf herkömmliche Weise durch indirekten Wärmeaustausch gekühlt wird) verlassende kalte gasförmige Kühlmittel an den Wicklungsüberhängen 7 des Stators vorbei; es sind Prallflächen 14 angeordnet, so dass Glas meiste oder das ganze Kühlmittel zwischen den Wicklungsüberhängen strömt. Anschließend wird das Kühlmittel durch die Enden der Wickelköpfe 2 in die axialen Kanäle 8 des Rotors 1 und in die Schlitze 10 unter den Wicklungen gesaugt. Nachdem das Kühlmittel den Rotor 1 abgekühlt hat, wird es aus den radialen Kanälen 9 in den Spalt 4 und durch die radialen Leitungen 5 geblasen. Somit erreicht das heiße gasförmige Kühlmittel den Aufnahmebereich 11, von dem aus es wieder durch die Kühler 12 strömt.
Um zu verhindern; dass das gasförmige Kühlmittel aus dem Spalt 4 austritt, sind an einander gegenüberliegenden Enden des Spalts Prallflächen 16 angeordnet.
In 5 wird eine bevorzugte Ausführungsform des Generators gezeigt. Es werden nur wesentliche Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben, und ähnliche Teile tragen die gleichen Bezugszahlen. Der Rotor 1 ist so angeordnet, dass seine Achse vertikal verläuft, wobei sein unteres Ende durch die Ausgangswelle 17 der (nicht gezeigten) darunter liegenden Turbine und sein oberes Ende durch ein magnetisches Lager 18 gestützt wird. Das obere Ende des Rotore ist über dem Lager 18 mit einem durch einen Rahmen 21 gestützten Erreger 19 verbunden.
Das den oberen Kühler 12 verlassende gasförmige Kühlmittel strömt teilweise am Erreger 19 und teilweise am Lager 18 vorbei. Ein Teil der Strömung durchquert das Lager 18 zum oberen Wickelkopf 2 des Rotors, aber der Großteil der Strömung wird über die oberen Wicklungsüberhänge 7 geleitet, bevor sie den oberen Wickelkopf 2 erreicht. Die Zirkulation des gasförmigen Kühlmittels wird durch die Pfeile in 5 allgemein angezeigt.
Durch Positionierung der maximalen Anzahl von zu kühlenden Teilen in einer Reihenanordnung, lässt sich der gesamte Gasdurchsatz auf einen minimalen Wert reduzieren, der (a) mit den maximalen Temperaturen kompatibel ist, die durch die verwendeten Materialien, die Industrienormen und die Auftragsspezifikationen gestattet werden, und (b) die Gefahr einer ungleichen Verteilung der Strömung durch einige Teile des Generators, wodurch eine ungenügende Wärmeübertragung verursacht werden kann, vermeidet. Durch Verringern des Gesamtgasdurchsatzes lassen sich mechanische Verluste beträchtlich reduzieren; dies kann dadurch erreicht werden, dass gewährleistet wird, dass die Dichte und somit die Wärmekapazität des gasförmigen Kühlmittels hoch genug sind, den Temperaturanstieg entlang dem gesamten Kühlkreislauf auf vernünftigen Werten zu halten.
Des Weiteren werden durch die Verwendung der Selbstlüftungswirkung des Rotors ohne Ventilator mechanische Verluste verringert.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich bei dem bevorzugten gasförmigen Kühlmittel um Helium. Dieses Gas weist eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität auf, wenn der mittlere Druck im Gehäuse 13 hoch ist, zum Beispiel in einem Bereich von mehreren zehn bar, in der Regel 10 bis 50 bar, liegt. Des Weiteren wird ein Mindestdruck von zum Beispiel 10 bis 20 bar bevorzugt, um die dielektrischen Eigenschaften von Helium gut zu bewahren, so dass sie mit herkömmlichen Isolierabständen kompatibel sind. Durch serielle Strömung kann aus der Verwendung von Helium der größte Nutzen gezogen werden.
Es können verschiedene Modifikationen durchgeführt werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es kann statt des Heliums auch zum Beispiel ein anderes Edelgas oder sogar ein beliebiges geeignetes Gas (zum Beispiel Stickstoff) oder eine beliebige geeignete Gasmischung (zum Beispiel Luft), die ausreichende Kühlung und dielektrische Eigenschaften bereitstellt, verwendet werden. Die Kühler 12 können von einer beliebigen zweckmäßigen Art sein und an beliebigen zweckmäßigen Stellen im Gehäuse 13 angeordnet werden, um für ausreichende Kühlung zu sorgen. Statt der Kühler 12 im Gehäuse 13 könnten ein oder mehrere Kühler außerhalb des Gehäuses 13 angeordnet und über geeignete Leitungen mit dem Aufnahmebereich 11 und den Endbereichen des Gehäuses verbunden werden. Obgleich dies nicht bevorzugt wird, könnten Ventilatoren vorgesehen werden, um die Strömung gasförmigen Kühlmittels durch den (die) Kühler zu unterstützen. Natürlich könnten auch andere Rotorkonstruktionen als die in 3 dargestellte verwendet werden.

Claims

Generator, der einen Rotor und einen Stator mit einem Spalt dazwischen umfasst, wobei sich an den jeweiligen Enden des Spalts Prallflächen befinden, wobei sich der Rotor und der Stator in einem im wesentlichen hermetisch abgedichteten Gehäuse befinden, das mit einem gasförmigen Kühlmittel unter überatmosphärischem Druck gefüllt ist, wobei der Stator einen Kern und Wicklungen umfasst, die einen Wicklungsüberhang an jedem Ende des Stators bilden, wobei im Betrieb des Generators gasförmiges Kühlmittel in einem Kreislauf von der Kühlvorrichtung an den Wicklungsüberhängen vorbei, dann durch Kühlkanäle im Rotor, dann in den Spalt, dann durch Kühlleitungen im Statorkern in einen Kühlmittelaufnahmebereich und dann durch die Kühlvorrichtung strömt, wobei die Prallflächen sowohl einen Austritt des gasförmigen Kühlmittels aus den Enden des Spalts als auch einen Eintritt des gasförmigen Kühlmittels in den Spalt durch seine Enden verhindern, wobei die Strömung des gasförmigen Kühlmittels in dem Kühlkreislauf allein durch die auf das gasförmige Kühlmittel in den Kühlkanälen des Rotors wirkende Zentrifugalkraft bewirkt wird.
Generator nach Anspruch 1, der weiterhin eine mit dem Generator in Strömungsverbindung stehende Kühlvorrichtung zum Kühlen des gasförmigen Kühlmittels umfasst.
Generator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kühlvorrichtung im Gehäuse angeordnet ist.
Generator nach Anspruch 3, bei dem die Kühlvorrichtung mindestens einen Kühler an jedem Ende des Aufnahmebereichs umfasst.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Druck mindestens 10 bar beträgt.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das gasförmige Kühlmittel ein Edelgas ist.
Generator nach Anspruch 6, bei dem das gasförmige Kühlmittel aus Helium besteht.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Rotor sich axial erstreckende Kühlkanäle, die hinter Enden des Statorkerns mit Endteilen des Rotors in Verbindung stehen, und sich radial erstreckende Kühlkanäle, die die sich axial erstreckenden Kühlkanäle mit dem Spalt verbinden, aufweist.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Statorkern sich radial erstreckende Kühlleitungen aufweist, die jeweils den Spalt und den Aufnahmebereich außerhalb des Statorkerns verbinden.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Teil der Strömung von der Kühlvorrichtung an einem Lager zur Abstützung des Rotors vorbeiströmt.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Teil der Strömung von der Kühlvorrichtung an einem Erreger vorbeiströmt.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rotorachse vertikal ist.