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Wechselstromgeneratoren, insbesondere Turbogeneratoren, mit direkter
Leiterkühlung Die Erfindung bezieht sich auf Hochspannungswicklungen für Wechselstrommaschinen,
insbesondere Turbogeneratoren, mit direkter Leiterkühlung, bei denen ein flüssiges
oder gasförmiges Kühlmittel mit den Leiterstäben bzw. Teilleitern innerhalb von
Nutenhülsen oder Hauptisolationsmänteln direkt in Berührung kommt und die Verlustwärme
aus dem Leitermaterial abführt.
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Da sich bei Maschinen großer Leistung infolge der großen axialen Maschinenlänge
eine beträchtliche Anwärmung des Kühlmittels innerhalb der das Kühlmittel führenden
Kanäle ergibt, sind Vorschläge bekanntgeworden, das Kühlmittel nicht über die ganze
Stablänge hindurchzuführen, sondern von beiden Maschinenseiten in die Kühlkanäle
der Leiterstäbe einzuführen und in der Mitte durch Öffnungen in den Isolierhülsen
oder Isolationsmänteln austreten zu lassen und durch radiale Schlitze in dem Eisenpaket
zum Rückkühler abzuleiten. Der praktischen Verwirklichung dieser Vorschläge, die
neben einer Verminderung der Kühlmittelanwärmung noch den bedeutenden Vorteil einer
wesentlichen Herabsetzung des Druckabfalls in dem Kühlmittelkreis und damit der
Pumpen- oder Lüfterleistung zur Folge haben, hat jedoch bisher die Tatsache entgegengestanden,
daß infolge der Unterbrechung der Isolationshülsen oder Isolationsmäntel der Leiterstäbe
eine Herabminderung der Isolationsfestigkeit und damit der Betriebssicherheit der
Leiterstäbe an den Austrittsstellen des Kühlmittels aus den Leiterstäben innerhalb
des Eisenkörpers der Maschine eintrat. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine verbesserte Anordnung für den Austritt des flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels
inmitten der Leiterstäbe zu schaffen, bei der die vorerwähnten Nachteile vermieden
sind und eine erhöhte Sicherheit bei Maschinen bis zu den höchsten Spannungen gegeben
ist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Spulenseiten oder Leiterstäbe
sowie Durchbrüche in den Hauptisolationsmänteln innerhalb der die Kühlmittelableitung
ermöglichenden Schlitze zwischen den Eisenblechpaketteilen in Leitkörpern aus Isoliermaterial
angeordnet sind, die den Zwischenraum zwischen den Eisenblechpaketen ausfüllen.
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Vorzugsweise können die Leitkörper aus Isoliermaterial aus mehreren
Segmenten zusammengesetzt sein, die gegebenenfalls miteinander verkittet oder verklebt
werden. Unter Umständen kann es jedoch auch Vorteile bieten, die Leitkörper als
Ringkörper z. B. aus Gießharz herzustellen. Innerhalb der Leitkörper sind sowohl
axiale wie radiale Schlitze, die hintereinandergeschaltet sind, vorgesehen, um einen
möglichst langen Kriechweg zwischen den spannungsführenden Leiterteilen und den
geerdeten Teilen des Eisenblechpaketes zu erzielen. Um die nötige Kurzschlußfestigkeit
in den vom Leitkörper umschlossenen Stabteilen zu erreichen, können gemäß der weiteren
Ausgestaltung der Erfindung die Leitkörper oder deren Segmente durch Schwalbenschwänze
in Nuten eines unterteilten Zwischenblechkörpers aufgehängt sein, der zwischen den
Teilen des genuteten Eisenblechkörpers liegt und mit einem größeren Innendurchmesser
als der letzte ausgeführt ist.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen derselben
sollen näher an Hand der Figuren der Zeichnung erläutert werden: Fig. 1 ist ein
vereinfachter Längsschnitt der oberen Hälfte eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Turbogenerators; die Schnittebene ist durch die Linie I-I der Fig. 3 angedeutet;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht durch die Spulenseite einer Ständerstabwicklung
für eine Nennspannung von etwa 15 bis 24 kV; die Schnittebene ist in Fig. 5 mit
IV-IV bezeichnet; Fig. 3 gibt einen Teilquerschnitt durch das Ständereisen mit einem
Leitkörper wieder, dessen Schnittebene in Fig. 4 durch die Linie VII-VII bezeichnet
ist;
Fig.4 enthält einen Längsschnitt durch ein Leitkörpersegment
in einer radial axialen Ebene, die in Fig. 3 durch die Linie VIII-VIII angedeutet
ist; Fig.5 zeigt einen Teillängsschnitt eines Ständerblechabschnittes, in Richtung
einer Spulenseite gesehen, von der Kante eines der Leitkörpersegmente, wie in Fig.
3 durch die Ebene IX-IX angedeutet ist.
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Obwohl sich die Erfindung allgemein auf dynamoelektrische Maschinen
bezieht, ist sie besonders vorteilhaft bei großen Hochspannungs-Turbogeneratoren
anwendbar, wie in Fig.1 gezeigt ist. Eine solche Maschine hat einen Ständer 1 und
einen Läufer 2, die beide innen gekühlt und mit Wicklungen versehen sind, in denen
die Leiter durch ein geeignetes gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium direkt gekühlt
werden. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist der Ständer 1 von dem Läufer 2 durch
eine steife, zylindrische Trennwand 3 von Rohrform getrennt, die an die zylindrische
Bohrung 4 des Ständerblechpaketes 5 angrenzt. Die über das Blechpaket hinausragenden
Enden stellen eine flüssigkeits- oder gasdichte Verbindung mit dem umschließenden
Gehäuse 6 des Ständers 1 her. Die zylindrische Trennwand 3 kann in der Nähe jedes
Endes mit einer flexiblen Membran 7 ausgerüstet sein.
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Die zylindrische Abtrennung 3 ermöglicht, in bekannter Weise verschiedene
Isolierflüssigkeiten oder Gase zur Innenkühlung der Ständer- und Läuferteile zu
verwenden, also z. B. den Läufer mit Wasserstoff von beispielsweise etwa 3 bis 10,5
atü, dagegen den Ständer mit Öl, Wasser oder Gas, das vom Läuferkühlgas getrennt
ist, zu kühlen. Grundsätzlich kann jedoch die zylindrische Trennwand 3 auch entfallen,
in welchem Falle Ständer und Läufer durch das gleiche Kühlgas gekühlt werden.
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Bei der in Fig.1 gezeigten Maschine ist die Ständerkammer, die durch
das umschließende Gehäuse 6 und die zylindrische Trennwand 3 gebildet wird, mit
einem isolierenden Kühlmittel (Ö1 od. dgl.) gefüllt, das durch außenliegende Rohrleitungen
mittels einer Pumpe P umgewälzt wird. Der Kühlmittelkreislauf kann durch Umsteuerung
der Pumpe abwechselnd in beiden Richtungen vor sich gehen. Im Verlauf des Kühlkreislaufes
wird das Öl durch einen Wärmeaustauscher 10 geführt, durch den das Kühlmittel gekühlt
werden kann.
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Der Ständerblechkörper 5 in Fig. 1 besteht aus zwei Paketen 5' und
5" geschichteter magnetisierbarer Segmente mit einem zwischen den Paketen angeordneten,
sich radial erstreckenden Kühlmittelableitungsspalt 11. Unter Umständen kann der
Eisenkörper auch in mehrere Pakete mit mehreren Ableitungsschlitzen unterteilt sein.
Zwischen den Blechpaketen 5' und 5" sind im Bereich des Kühlmittelableitungsspaltes
gesonderte Blechsegmentabschnitte 12' und 12" eingeschaltet. Diese Abschnitte sind
mit einem großen Innendurchmesser 13 ausgeführt, daß sie die Einschaltung des erfindungsgemäß
vorgesehenen Kühlmittelleitkörpers 14 zwischen den Paketen 5' und 5" und dem Luftspalt
ermöglichen, wie später ausführlicher erläutert ist. Die übrigen Ständerblechsegmente
15 sind mit einer zylindrischen Bohrung versehen, welche den Luftspalt der Maschine
begrenzt. In dieser Bohrung 4 ist das Ständereisen 5 mit einer Vielzahl von am Umfang
verteilten, sich axial erstreckenden, die Leiter aufnehmenden Nuten versehen, die
zwischen den Ständerzähnen angeordnet sind.
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Der Ständer 1 ist mit einer ein- oder mehrlagigen Hochspannungs-Drehstrom-Ständerwicklung
18 ausgestattet, die aus einer Vielzahl von Spulen 19 besteht. Jede Spule hat wenigstens
zwei gerade Spulenseiten 20, die in einem Paar getrennter Ständernuten liegen. 21
bedeuten die Wickelkopfteile.
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Die Ständerspulen 19 sind vorzugsweise vorgeformte Spulenteile, von
denen jeder sich aus einer kompakt gebündelten Gruppe verdrillter, leicht isolierter
Teilleiter 22 zusammensetzt, auf die sich der Strom verteilt (vgl. Fig. 2). Die
Verdrillung der Teilleiter kann sowohl innerhalb der geraden Spulenseitenabschnitte
20, die in den Nuten liegen, oder außen in den Wickelkopfabschnitten 21 erfolgen;
es können unter Umständen auch Verdrillungen an beiden Stellen vorhanden sein.
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Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine Spulenseite bzw. einen Leiterstab.
Mit 22 sind in dieser Figur die nach dem Röbelprinzip verdrillten Teilleiter bezeichnet.
23 ist eine zusammenhängende Isolationshülse. Zwischen der Isolationshülse 23 und
den Teilleitern 22 liegen im Bereiche der Längsseiten der Leiterstäbe Abstandhalter
27, zwischen deren Stegteilen 28 Kanäle für die Kühlmittelführung eingeschlossen
sind. Die Isolierhülsen 23, Füllstücke 29 und Stegteile 27 bilden in Verbindung
mit den ebenfalls isolierenden Kühlmittelteilströmen die Hauptisolationsmäntel der
Leiterstäbe. Vorteilhafterweise wird das Material der festen Bestandteile der Hauptisolationsmäntel
so gewählt, daß die Dielektrizitätskonstante gleich der des verwendten, insbesondere
flüssigen Kühlmittels ist. Es empfiehlt sich auch, die festen Bestandteile der Hauptisolationsmäntel
aus porigem Material herzustellen, so daß die Poren beim Vorhandensein eines flüssigen
Kühlmittels mit diesem ausgefüllt sind. Bei Maschinen für besonders hohe Spannungen
können innerhalb der gleichen Isolierhülsen 23 mehrere in Reihe geschaltete, voneinander
isolierte Spulenseiten vorhanden sein, wodurch es ermöglicht wird, die Wicklung
für sehr hohe Spannungen, beispielsweise der Größenordnung von 50 bis 70 kV auszuführen.
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Fig. 3 bis 5 lassen näher die Anordnung und Abstützung des Leitkörpers
14 erkennen. Um diese zu ermöglichen ist ein Paar von in der Mitte angeordneten
Ständerblechabschnitten 12', 12" mit einer verhältnismäßig großen Bohrung an jeder
Seite eines engen radialen Ventilationsraumes 11 zwischen den beiden Hälften oder
Bündeln der Ständerblechsegmente vorgesehen. An den Blechabschnitten 12', 12" ist
mittels Schwalbenschwanzvorsprüngen - wie insbesondere die Fig.1 und 3 erkennen
lassen - der zusammengesetzte Leitkörper 14 aufgehängt, der somit von dem Kühlmittelschlitz
umgeben ist. Der genannte Leitkörper 14 enthält eine Vielzahl segmentförmiger Teile
34, von denen sich jeder in radialer Richtung weiter nach außen erstreckt als die
Segmentzähne des Ständereisens. Mit anderen Worten, die große Bohrung 13 der Blechabschnitte
12', 12" hat einen größeren Durchmesser als die Böden oder Rückseiten der Ständerwicklungsnuten
16. Außerdem gehören zu dem Leitkörper 14 noch Füllstücke oder Zwischenlagen 35,
die zwischen den Segmentteilen 34 angeordnet sind und den Raum zwischen den isolierten
Leiterstäben und dem Blechkörperteil 12 dicht ausfüllen.
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Der genannte Leitkörper 14 schließt Kanäle und Durchbrüche durch die
Leiterisolierung ein, um eine Verbindung von den nutisolierten Spulenseiten 20 zu
dem sich radial erstreckenden Ventilationsraum 11 herzustellen. Zu diesem Zweck
ist - wie in Fig. 5 gezeigt - an innerhalb der axialen Länge bzw. Breite des Leitkörpers
14 liegenden Punkten die äußere Isolationshülse 30 der Spulenseiten-Hauptisolation
23 mit einer oder mehreren Öffnungen 36 versehen (vgl. Fig. 3 und 5). Außerdem sind
die Seitenwände 33 der ausgesparten
Isolationsdistanzstücke
27 mit einer Anzahl von Öffnungen 37 zwischen den Querwänden 32 versehen, welche
die Teilkanäle 28 begrenzen. Die Hauptisolationsöffnungen 37 und 36 stehen in Verbindung
mit Querdurchtritten 38, die sich tangential durch jedes Leitsegment 34 des zusammengesetzten
Leitkörpers 14 hinziehen. Diese Querdurchtritte 38 stehen wiederum mit einem zentral
gelegenen radialen Kanal 39 in jedem Segmentkörper 34 in Verbindung, um das Kühlmittel
in den radialen Ventilationsraum 11 (Fig.5) zwischen den beiden Ständerblechsegmentabschnitten
12' und 12" überzuleiten.
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Die Segmentkörper 34 des Leitkörpers 14 können mit axial verlaufenden
Seitenkanälen 40 (Fig. 3) versehen sein, um eine breite Verbindung zwischen den
Hauptisolationsöffnungen 36, 37 und den Querdurchtritten 38 herzustellen.
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Wie in Fig. 4 gezeigt, ist jeder Segmentkörper 34 mit seitlichen Radialkanälen
41 versehen, die mit einem am äußeren Umfang liegenden Kanal 42 verbunden sind.
Dieser erstreckt sich axial über den Rücken jedes Segmentes 34, um eine Verbindung
zwischen gewissen axialen (hier nicht gezeigten) Ständerblechschlitzen, die in den
Ständerblechzähnen 17 vorgesehen sind, und dem radialen Ventilationsraum 11 herzustellen.
Jede der Ständerwicklungsnuten 16 ist noch durch einen Nutkeil 43 verschlossen (vgl.
Fig. 3), der aus Isolationsmaterial bestehen kann. Diese Keile 43 erstrecken sich
auch durch Nuten der Segmentkörper 34.
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Bei dem beschriebenen Beispiel ist der Leitkörper 14 aus zusammengepaßten
Isolationsstücken 34 und 35 zusammengesetzt. Es ist jedoch selbstverständlich, daß
der Leitkörper 14 auch zusammengekittet oder einteilig, z. B. aus Gießharz hergestellt
oder auf andere Weise geformt werden kann, um ein einziges zusammenhängendes Isolationsstück
zu erhalten.
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An Hand der Zeichnungen ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Anwendung
von Leitkörper 14 mechanisch wie elektrisch von großem Vorteil ist. Insbesondere
ist auf die Erhöhung der Isolationsabstände sowie die feste Einspannung der Leiterstäbe
in dem bzw. den Spalträumen des Eisenkörpers hinzuweisen, wobei der letztere auch
in eine Mehrzahl von Eisenpaketen mit mehreren Kühlmittelführungsschlitzen 11 zerlegt
sein kann.
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Wie schon früher angedeutet wurde, kann das Kühlmittel abwechselnd
in verschiedenen Richtungen durch die in Längsrichtung verlaufenden Innenkühlkanäle
28 der Ständerwicklung strömen. In Fig.1 ist durch Pfeile angedeutet, daß der Raum
11 ein Ableitungskanal ist, aus welchem das Kühlmedium in den Raum 44 zwischen dem
äußeren Umfang des Ständereisens 5 und dem inneren Umfang des umschließenden Gehäuses
abgeführt wird. Von diesem Raum wird das Kühlmittel in ein Außenrohr 45 geführt,
das zuerst in den Wärmeaustauscher 10 überleitet. Aus letzterem kann durch die Pumpe
P das Kühlmittel in beide Wickelkopfräume 46, 47 an den jeweiligen Enden des Ständereisens
5 zurückgedrückt werden. Das Kühlmittel füllt die Wickelkopfräume aus, wobei es
die im wesentlichen blanken Leiterwickelköpfe 21 umspült und kühlt. Anschließend
gelangt das Kühlmittel in die offenen Enden der Längskanäle 28 in der Hauptisolation,
wie durch die Pfeile 31 in Fig. 1 angedeutet ist.
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Ist das Kühlmittel eine Isolierflüssigkeit wie Öl, sind im allgemeinen
keine besonderen Leitmittel notwendig, um die Flüssigkeit gegen die äußeren Oberflächen
der blanken Leiterwickelköpfe 21 zu richten oder um die Strömungsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit an diese Oberflächen zu erhöhen; ist aber das Kühlmedium ein Gas,
so wird es unter Umständen nötig sein; Leitbleche oder besondere Bewegungsmittel
(nicht gezeigt) anzuordnen, um die Geschwindigkeit und damit Wärmeabfuhr zu erhöhen.
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In Einzelheiten können selbstverständlich Änderungen gegenüber den
erläuterten Ausführungsbeispielen vorgesehen werden; z. B. können die innerhalb
der Isolationsmäntel vorhandenen, die Kühlkanäle einschließenden Distanzstücke eine
andere Ausbildung erhalten, beispielsweise derart, daß die Kanäle 28 nicht über
die ganze Länge voneinander getrennt sind. Um dies zu erreichen, können die die
Distanzierung ermöglichenden Stege mit unter Umständen gegeneinander versetzten
Durchbrüchen versehen sein.
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Die Anwendung der zwischen den Teilen des Blechpaketes eingeschalteten,
eine Festlegung der Leiterstäbe ermöglichenden Isolierleitkörper ist unter Umständen
mit Vorteil auch bei Leiterstäben mit Innenkühlung möglich; deren Ausbildung von
der in Fig. 2 wiedergegebenen Gestaltung abweicht; z. B. wenn das Kühlmittel durch
Schlitze oder gesonderte Kanäle in dem Leiterbündel geführt wird, wobei diese Kanäle
unter Umständen auch durch die Profilgestaltung des Leiters selbst oder in diese
eingearbeitete Nuten gebildet werden können.