-
Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Dichtungseinrichtungen für ein Belüftungs- oder Ventilationssystem
für einen
elektrischen Generator und mehr im Einzelnen bezieht sie sich auf
eine Dichtungseinrichtung für
Kühllüfter, die
nichtmetallische Bürstendichtungen
an den Lüfterflügelspitzen
verwendet, um Leckströmungen
zu verhindern oder auf ein Minimum zu reduzieren und den Lüfterwirkungsgrad
zu erhöhen.
-
Im Normalbetrieb elektrischer Generatoren wird
in leitenden Spulen, im Rotor-, und Statorkern, im Eisengestell,
etc. wegen der Kupfer-, Eisen-, Windungs- und Lastverluste Wärme erzeugt.
Um einen zuverlässigen
Betrieb des Generators sicherzustellen, muss die erzeugte Wärme durch
ein Belüftungssystem
wirksam abgeführt
werden. Auf die Rotorwellenenden aufgesetzte Lüfter spielen eine wesentliche Rolle
in dem Belüftungs-
oder Ventilationssystem, indem sie kaltes Gas fördern, um die Stator- und Rotorwicklungen
und -kerne zu kühlen
und damit sicherzustellen, dass die Betriebstemperaturen des Generators
unter zulässigen
Grenzwerten verbleiben.
-
Bei einem typischen Generator mit
an einem Ende des Rotors aufgesetztem Lüfter strömt Kühlgas im Wesentlichen in vier
Zweigdurchlässe
des Generators ein: den Rotor-/Statorluftspalt, den Rotorkühlschlitz,
das den Außenraum
begrenzende Gehäuse und
in zu einem Wärmetauscher
führende
Kühlöffnungen.
Beim Austritt des Kühlgases
aus dem Lüfter und
beim Anströmen
des Rotors wirken die umlaufenden Flächen des Stirnbereichs des
Rotors in dem Sinne, dass sie das Gas auf die Rotordrehzahl beschleunigen.
Dies erleichtert ein Pumpen des die Ankerstäbe durchströmenden Kühlgases. Der Kühlgasstrom
spaltet sich an der Stirnseite des Zentrierrings auf, um in den
Rotorkühlschlitz
und den Rotor-/Statorluftspalt einzutreten. Das ganze Kühlgas durchströmt dann
den Statorkern in einer radial nach außen weisenden Richtung. Da
das ganze heiße
Gas des Rotors den Statorkern durchströmen muss, hängen die Verteilung des den
Rotor und des den Stator durchströmenden Gases voneinander ab
und beeinflussen die Statorbetriebstemperatur. Um die Enden der
Ankerleiter in der Nähe
der Wicklungsköpfe
bestmöglich
zu kühlen,
wird der Spalt zwischen dem Rand von Ankerleitern und der Randkante
eines Gasschilds dazu verwendet, die Durchflussrate einzustellen.
-
Der Wickelkopfbereich ist an den
beiden Stirnseiten des Generators angeordnet. In diesem Bereich
befinden sich eine große
Zahl von Teilen und Komponenten, einschließlich einem Lüfterrad,
einem Gasschild, Leiterstäben,
ein einen Haltering, einen Zentrierring, Rotorwicklungsköpfe, Stromanschlussringe
und ein Statorgehäuse.
Demgemäß ist das Strömungsfeld
in diesem Bereich verhältnismäßig komplex.
Bei großen
Generatoren großer
Leistung ist der Kühlgasstrom
in dem Wickelkopfbereich besonders wichtig, weil er zu örtlichen Überhitzungsstellen (Hot
Spots) in den Wickelkopfleitern und zu großen Luftreibungsverlusten (Ventilationsverlusten)
führen kann.
Wie gut aber die Ankerwicklung des Generators gekühlt wird,
hat einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtgröße des Synchrongenerators.
-
Die Auslegung eines Generatorlüfters basiert
auf dem bei einem speziellen Volumenstrom geforderten Druck. Der
Lüfter
muss mit der Rotorwellendrehzahl umlaufen und seine Abmessungen
sind durch die Geometrie des stirnseitigen Aufbaus des Generators
begrenzt. Der Lüfterwirkungsgrad
hängt unmittelbar
von der Fähigkeit
der Dichteinrichtungen ab, eine Leckströmung zu verhindern. Generatoren verwenden
typischerweise starre, dreieckförmig
gestaltete Zähne,
d.h. labyrinthartige Dichtungen, um den Leckstrom zwischen den umlaufenden
Lüfterflügeln und
dem feststehenden Gasschild zu steuern. Zwischen den Lüfterflügelenden
und den Labyrinthzähnen
des Gasschildes wird ein radialer Freiraum, d.h. ein Spiel aufrecht
erhalten, um eine Beschädigung
der Lüfterflügel zu vermeiden.
Dieser Freiraum führt
aber zu Leckströmungen
und damit zu einer Verringerung des Lüfterwirkungsgrads. Demgemäß besteht
ein Bedürfnis
nach einer verbesserten Abdichtung, um in kostenwirksamer und zuverlässiger Weise
eine Verringerung der Leckströme
zwischen den Lüfterflügelenden
und dem Generatorgehäuse zu
erreichen.
-
Kurze Beschreibung
der Erfindung
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist eine kombinierte Bürstendichtung, wie eine zweireihige,
bidrektionale oder schräg
gestellte Bürstendichtung
mit einer gebräuchlichen
Labyrinthdichtung vorgesehen, die Gasleckströmungen durch den Spalt zwischen
den Lüfterflügeln und
dem Gasschild verhindert oder auf ein Minimum reduziert. Die Bürstendichtungen
sind aus nicht metallischen Materialien, wie Kunststofffasern oder KeflarTM hergestellt. Nichtmetallische Bürstendichtungen
ergeben eine geringe Borstensteife, wodurch sie ein verschwindendes oder
ein radiales Null-Spiel zwischen den Lüfterflügelenden und den Bürstenborsten
ermöglichen.
Bei geringer Steifigkeit ist außerdem
der Schrägstellungswinkel
kein bestimmender Konstruktionsparameter mehr, weil der Schrägstellungswinkel
sich auf natürlicher
Weise durch die Umlaufbewegung der Lüfterflügel ergibt. Darüberhinaus
passen sich nicht metallische Borsten geringerer Steifigkeit radialen
Wellenauslenkungen ohne Beschädigung
der Welle oder der Dichtung an.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform
sind zwei zweireihige, bidirekltionale, d.h. in zwei Richtungen
wirkende Bürstendichtungen
auf gegenüberliegenden
Seiten der Labyrinthdichtungszähne
in einem Bürstendichtungshalter
montiert. Der Bürstendichtungshalter
ist an dem Generatorgehäuse,
vorzugsweise dem Gasschild, so befestigt, dass er eine ringförmige Abdichtung
längs der
Enden der Lüfterflügel auf
der Stirnseite des Rotors ergibt. Wegen der zwischen den Bürstendichtungen
liegenden Labyrinthzähne
beeinträchtigen
von der strömungsaufwärts liegenden
Bürstendichtung
eingeführte
Wirbelströmungen
die strömungsabwärts liegende
Bürstendichtung
nicht wesentlich. Um die Abdichtung weiter zu verbessern, können an
den Enden der Lüfterflügel Nuten
vorgesehen sein, um jeweils einen kleinen radialen Absatz auf jeder
Seite des Flügels
zu erzeugen. Auf diese Weise liegen die Spitzen der Borstenpakete
an radial verschiedenen Stellen auf, wodurch sich eine verbesserte
Abdichtungswirksamkeit ergibt. An den Seiten der Lüfterflügel können auch
schräggestellte
Bürstendichtungen
verwendet werden. Bei zu den einander gegenüberliegenden Seiten des Lüfters hin
geneigten Borsten benötigt
eine etwaige Leckströmung
zwei Umlenkungen in entgegengesetze Richtungen, jeweils um im Wesentlichen
90°, wodurch
die Wirksamkeit der Abdichtung wesentlich erhöht wird. Außerdem können die Borsten der schräggestellten
Bürstendichtungen
strömungs aufwärts entgegen
dem Leckstrom geneigt sein, um damit den Strömungswiderstand für die Leckströmung zu
erhöhen.
Die Labyrinthzähne
können
in ähnlicher
Weise zu der Leckströmung
hin abgeschrägt
sein.
-
Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist eine Dichtungseinrichtung vorgesehen, die eine um eine Achse
drehbar gelagert angeordnete, umlaufende Komponente, eine die umlaufende
Komponente umschließende
feststehende Komponente, eine Dichtung zwischen der Außendurchmesserberandung
der umlaufenden Komponente und der sie umgebenden feststehenden
Komponente aufweist, wobei die Dichtung eine ringförmige Labyrinthdichtung
aufweist, die an der feststehenden Komponente angebracht ist und
eine Anzahl von von der äußeren Berandung
der umlaufenden Komponente beabstandeter Zähne und eine ringförmige Bürstendichtung
auf jede der axial einander gegenüberliegenden Seiten der Labyrinthdichtungsverzahnung
aufweist, die Bürstendichtungen
Borsten haben, die sich zu der Berandung der umlaufenden Komponente
hin erstrecken und in Spitzen in der Nähe der Berandung enden, wodurch
eine Leckströmung
durch einen etwaigen Spalt zwischen der Berandung der umlaufenden
Komponente und der Berandung der feststehenden Komponente auf ein
Minimum reduziert oder verhütet
wird.
-
Bei einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist eine Dichtungseinrichtung für
ein Belüftungssystem
in einem elektrischen Generator mit einem Rotor, einem Stator und einem
Gehäuse
für den
Rotor und den Stator vorgesehen, das einen an ein Endteil des Rotors,
derart anfügbaren
Lüfter,
dass Teile des Generatorgehäuses
den Lüfter
umschließen
und eine Dichtung zwischen der Außendurchmesserberandung des
Lüfters und
den umschließenden
Gehäuseteilen
aufweist, wobei die Dichtung eine ringförmige Labyrinthdichtung enthält, die
an umschließenden
Gehäuse teilen angebracht
ist und eine Anzahl Zähne
aufweist, die von der äußeren Berandung
des Lüfters
beabstandet ist, wobei aufeinander gegenüberliegenden Seiten der Labyrinthdichtungverzahnung
jeweils eine ringfömige
Bürstendichtung
angeordnet ist, wobei die Bürstendichtungen
Borsten aufweisen, die zu der Berandung des Lüfters hin weisen und in Spitzen
nahe der Lüfterberandung
enden, wodurch eine Leckströmung
durch einen gegebenenfalls vorhandenen Spalt zwischen der Berandung
des Lüfters
und der Berandung des jeweiligen Gehäuseteils auf ein Minimum reduziert
oder verhütet
ist.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnung
-
1 ist
eine Schnittansicht im Ausschnitt der oberen Hälfte eines elektrischen Generators
in der Nähe
dessen einer Stirnseite,
-
2 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
zur Veranschaulichung der Dichtungsanordnung rings um die Enden
des Lüfters,
entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
-
3 ist
eine Ansicht ähnlich 2 zur Veranschaulichung
einer anderen Ausführungsform
der Dichtungseinrichtung,
-
4 ist
eine Ansicht ähnlich 2 zur Veranschaulichung
einer weiteren Ausführungsform
der Dichtungseinrichtung,
-
5 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
eines Teils der Bürstendichtungseinrichtung
nach 4; und
-
6 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Art einer Dichtungseinrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
-
Detailliere
Beschreibung der Erfindung
-
Bezugnehmend auf die Zeichnung, und
hier insbesondere 1,
ist dort ein stirnseitiger Abschnitt eines allgemein mit 10 bezeichneten
elektrischen Generators dargestellt. Der Generator 10 weist
einen Rotor 12 auf, der um eine Achse 14 drehbar
ist und eine Rotorwicklung 16, Rotorwicklungsköpfe 18,
einen Haltering 20 und einen Lüfter 22, der Lüfterflügel 24 trägt, aufweist,
wobei dies alles in einem Gehäuse 29 angeordnet
ist. Der Generator 10 weist außerdem einen Stator 26 mit
Wickelkopfleitern 28, Stirnverbindungskappen 30 und
Anschlussringen 32 trägt.
Der Rotor 12 ist außerdem
mit einem Rotorkühlschlitz 34 versehen.
Zwischen dem Stator 26 und Rotorwicklung 16 ist
ein Luftspalt 36 vorhanden. Wie zu ersehen, spaltet sich
das über
den Lüfter
eintretende Kühlgas
so auf, dass es den Haltering und die Rotorwicklungsköpfe umströmt und in
den Rotorkühlschlitz
und in den Luftspalt eintritt, von wo aus das Kühlgas in einer radial nach
außen
gerichteten Richtung den Statorkern durchströmt. Das Kühlgas strömt außerdem durch die Wicklungsleiter
und durch nicht dargestellte Belüftungsöffnungen,
um zu ebenfalls nicht dargestellten Wärmetauschern zu gelangen. wegen
der großen
Anzahl unterschiedlich gestalteter Komponententeile in dem Wickelkopfbereich
ist das Strömungsfeld
in diesem Bereich verhältnismäßig komplex.
Demgemäß ist es
wichtig, dass örtliche Überhitzungsstellen
(Hot Spots) in den Wickelkopfleitern verhütet werden.
-
Bezugnehmend auf 2 ist dort eine allgemein mit 40 bezeichnete
Dichtung an einem Gasschild 42 angebracht, um rings um
die Außenberandung
oder die Enden der Lüfterflügel
24 abzudichten. Die
Dichtung 40 weist bogenförmige Segmente auf, die an
dem Gasschild 42 befestigt sind. Die Segmente können in
unterschiedlicher Länge
vorgesehen sein, beispielsweise zwei 180°-Segmente oder vier 90°-Segmente
oder in anderer, für
die jeweilige Anwendung passender Weise aufgeteilt. Es versteht sich
jedoch, dass die Segmente eine ringförmige Dichtung rings um die
Enden der Lüfterflügel 24 ausbilden.
Die Dichtung 40 weist einen kreisbogenförmigen Dichtungshalter 44 auf,
der eine im Wesentlichen T-förmige
Querschnittsgestalt mit zwei Flanschen 46 und einem radial
verlaufenden Steg 48 hat. Der Dichtungshalter 44 ist
in einer in dem Gasschild 42 ausgebildeten, kreisbogenförmigen Nut 49 mittels
einer Anzahl in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Schraubenbolzen
an das Gasschild 42 angeschraubt.
-
Die radial nach Innen weisende Seite
des Stegs 48 des Halters 44 ist mit einer Anzahl
Labyrinthdichtungszähne 50 versehen,
die von den Außenrändern oder
Enden 52 der Lüfterflügel 24 beabstandet
sind. Auf einander gegenüberliegenden
Seiten der Labyrinthdichtungszähne 50 sind
doppelreihige bidirektionale Bürstendichtungen 54 angeordnet, d.
h. die Bürstendichtungen 24 verbreitern
die Labyrinthdichtungszähne 50.
Jede Bürstendichtung 54 weist
ein Paar axial voneinander beabstandeter Borstenreihen 55, 57 auf.
Wenngleich unterschiedliche Typen von Bürstendichtungen verwendet werden können, so
weist die bevorzugte Ausführungsform doch
einen zentralen Borstenträger 60 auf,
um dem sich aufeinander gegenüberliegenden
Seiten und über
die Oberseite des Borstenträgers 60 hinweg Borsten 62 erstrecken.
Die Borsten 62 bilden ein Borstenpaket oder -bündel 63,
das so über
den Träger 60 gefaltet
ist, dass die doppelte Bürstenreihe 55, 57 ausgebildet
wird. Jeweils eine Bürstendichtungsabdeckplatte 64 überdeckt
die Borsten auf einander gegenüberliegenden
Seiten der Bürstendichtung, wobei
die jeweilige Abdeckplatte 64 auf den einander gegenüberliegenden
Seiten der Bürstendichtung kurz
vor den Spitzen der Borsten 62 endet. Jede Bürstendichtung
ist an dem Bürstendichtungshalter 44 in
geeigneter Weise, beispielsweise durch Punktverklebung, befestigt,
wobei die Klebstoffstellen (Punkte) mit 66 bezeichnet sind.
Die Bürstendichtungen
sind vorzugsweise aus einem nichtmetallischen Material, wie KeflarM und/oder Kunststofffasern hergestellt.
Darauf hinzuweisen ist, dass die Spitzen der Borsten ein radiales
Null-Spiel mit den Spitzen der Lüfterflügel aufweisen
können,
wodurch die Verringerung der an dem Lüfter vorbeigehenden Gasleckströmung unterstützt wird.
Zu bemerken ist auch, dass die strömungsaufwärts liegende Bürstendichtung eine
Wirbelströmung
erzeugt. Dadurch, dass die Labyrinthzähne zwischen der strömungsaufwärts und der
strömungsabwärts liegenden
Büstendichtung
angeordnet sind, wird die Wirbelströmung so verkleinert, dass die
strömungsabwärts liegende
Büstendichtung
von der Wirbelströmung
nicht mehr beeinflusst wird.
-
Bezugnehmend auf 3, in der gleiche Bezugszeichen für gleiche
Teile wie in 2, jedoch
mit der vorgesetzten Zahl 1, vorgesehen sind, können die
zweireihigen, bidirektionalen Büstendichtungen 154 auf
einander gegenüberliegenden
Seiten der Labyrinthzähne 150 ungleiche
Borstenlängen
aufweisen. Beispielsweise endet die axial außen liegende Borstenreihe 180 jeder
der Bürstendichtungen
in Spitzen, die gegenüber
den Spitzen der innenliegenden Borstenreihe 182 der jeweiligen
Bürstendichtung radial
weiter innen liegen. Außerdem
sind die Lüfterflügel 124 derart
genutet, dass jeweils eine Aussparung oder radiale Vertiefung 170 in
dem jeweiligen Lüfterflügel 124 ausgebildet
ist, die die radial nach innen weisenden, längeren Borstenspitzen aufnimmt. Dadurch,
dass Borsten verwendet werden, deren Enden an radial unterschiedlichen
Stellen enden, werden der Strö mungswiderstand
für Gasleckströme und die
Wirksamkeit der Abdichtung vergrößert.
-
Bezugnehmend auf die in 4 veranschaulichte Ausführungsform,
in der für
gleiche Teile wie in 2 gleiche
Bezugszeichen mit der vorgesetzten Zahl 2 verwendet sind,
sind die Bürstendichtungen 254 auf
einander gegenüberliegenden
Seiten der Lüfterflügel 224 angeordnet,
wobei die Borsten 262 jedes Borstenpakets oder -bündels 263 in
axialer Richtung zu den Lüfterflügeln 224 hin
schräg
gestellt sind. Wie in 5 veranschaulicht,
bilden die Borstenenden einen Winkel Ɵ mit der
Maschinenachse, wobei der Winkel Ɵ kleiner als 45° ist. Demgemäß liegen
die Spitzen der Borsten 262 der Bürstendichtungen 254 in
unmittelbarer Nähe
bei mit den einander gegenüberliegenden
Seiten der Lüfterflügel 24 oder sie
haben ein axiales Null-Spiel mit diesen. Die Dichtung 240 weist
außerdem
eine Labyrinthdichtung auf, die aus einer an einem Dichtungshalter 244 ausgebildeten
Anzahl von Labyrinthdichtungszähnen 250 besteht.
wie bei der vorhergehenden Ausführungsform ist
der Dichtungshalter 244 an dem Gasschild 242 angeschraubt.
Bei dieser Ausführungsform
weist der Halter 244 längs
einander gegenüberliegender
Seiten jeweils eine Nut 245 auf, die sich über die
Länge des
gebogenen Dichtungshalters 244 erstreckt.
-
Jede Bürstendichtung 254 weist
eine Abstützplatte 247 und
eine Abstandsplatte 249 auf. Die Abstandsplatte trägt einen
axial vorragenden Flansch 248 mit dem sie in die Nut 245 des
Dichtungshalters 244 eingefügt ist. Auf diese Weise sind die
Bürstendichtungen
zwischen dem Bürstenhalter 244 und
den Seiten der Nut 250 gehalten, in der die Bürstendichtungen
und die Labyrinthdichtung liegen. Wie insbesondere in 5 dargestellt, weist die
Abstützplatte 247 eine
gekrümmte
Spitze 251 auf, die die Borsten 262 in ihrer allgemein
axial zu den Lüfterflügeln 224 hin
gerichteten Lage abstützt.
Die Bürstendichtungen 254 sind
vorzugsweise durch Punktverklebung, wie etwa bei 266, befestigt.
Die unter einem Winkel verlaufenden Borsten der Bürstendichtungen
bewirken, dass die Leckströmung
um etwa 90° umgelenkt
wird, so dass sie in den Spalt zwischen den Lüfterflügelenden und den Labyrinthzähnen einströmt und dann
von Neuem um etwa 90° umgelenkt
wird, um aus dem Spalt an der strömungsabwärts gelegenen Bürstendichtung
vorbei auszutreten. Die mit der Labyrinthdichtung kombinierten, schräg gestellten
Bürstendichtungen
ergeben eine hohe Wirksamkeit der Abdichtung. Darüberhinaus wird
verhindert, dass Wellenauslenkungen, die Lüfterabdichtung beeinträchtigen.
Das Radialspiel zwischen den Lüfterflügeldneen
und der Labyrinthdichtung kann bei etwa 0,060 inches ± 0,010
inches, wie üblich,
gehalten werden.
-
Bezugnehmend nun auf eine weitere
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 6 dargestellt
ist, in der gleiche Teile wie bei der Ausführungsform nach 2 mit gleichen Bezugszeichen,
jedoch mit der vorgesetzten Zahl 3 bezeichnet sind, können in ähnlicher
Weise schräg
gestellte Bürstendichtungen
wie in den 4 und 5 verwendet und in im Wesentlichen
gleicher Axialrichtung orientiert sein. Demgemäß hält ein ähnlicher Bürstendichtungshalter 344 mit
seitlichen Nuten 345 ein Paar Bürstendichtungen 354 in
der Nut 350 des Gasschildes 342. Um den Strömungswiderstand
für eine Leckströmung zu
erhöhen,
sind die schräg
gestellten Borsten 362 gegen die Leckströmung gerichtet,
d.h. sie sind in eine strömungsaufwärts weisenden
Richtung gerichtet. Darüberhinaus
sind die schräg
gestellten Zähne 350 der
Labyrinthdichtungsverzahnung 350 ebenfalls in einer strömungsaufwärts weisenden
Richtung abgeschrägt.
Die Abstützplatten 347 für die Bürstendichtungen
liegen demgemäß jeweils
auf der gleichen Axialseite der Borsten 362, so dass die
schräg
gestellten Borsten in einer strömungsaufwärts weisenden,
im Wesentlichen axialen Richtung sich erstrecken und mit den Enden
der Lüfterflügel 24 einen
kleinen Spielraum oder ein radiales Null-Spiel aufweisen.
-
Wenngleich die Erfindung im Zusammenhang
damit beschrieben worden ist, was gegenwärtig als die zweckentsprechendste
und bevorzugte Ausführungsform
betrachtet wird, so versteht sich, dass die Erfindung nicht auf
die offenbarte Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern dass sie im Gegenteil zahlreiche Abwandlungen und äquivalente
Ausbildungen umfasst, die in dem Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche liegen.