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Einrichtung zur Erhöhung der Belastbarkeit der Wicklungsleiter elektrischer
Maschinen hoher Leistung in Turbobauart, insbesondere Grenzleistungsturbogenerator
Damit bei schnell laufenden elektrischen Maschinen hoher Leistung die Reibungsverluste
im Innern der Maschine herabgesetzt werden, ist es bereits seit langem bekannt,
das Innere solcher Maschinen zu evakuieren. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß durch
die Evakuierung des Maschineninnern die Durchschlagsspannung der in der Maschinenisolation
vorhandenen Lufteinschlüsse auf einen Bruchteil ihres Wertes bei Normaldruck verringert
wird. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, den Läuferraum gegenüber dem Ständerraum
gasdicht abzuschließen. Hierzu ist bei einer bekannten Konstruktion ein durchgehender
Isolierzylinder zwischen dem Läuferraum und dem Ständerraum vorgesehen. Bei größeren
Generatoren, wie es beispielsweise Turbogeneratoren sind, bereitet im Hinblick auf
die großen Maschinenabmessungen die druckfeste Ausbildung und Abstützung des den
Ständer vom Läuferraum trennenden Isolierzylinders große Schwierigkeiten. Es ist
daher bereits vorgesehen worden, einen Wechselstromgenerator größerer Abmessungen,
also beispielsweise einen Turbogenerator, innerhalb eines geschlossenen Gehäuses
anzuordnen und dieses zu evakuieren. Bei dieser bekannten Konstruktion wird der
Läuferwicklung ein gasförmiges Kühlmittel zugeführt, das durch die Läuferwelle sowie
durch die in den Leitern vorgesehenen Kühlkanäle strömt, ohne aus dem Läufer auszutreten.
Der Ständerwicklung wird an den Stirnköpfen ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel
zugeleitet, während zur Kühlung des Ständerblechpaketes zusätzliche Kühlkanäle vorgesehen
sind, durch die ein unter Druck stehendes Kühlmittel hindurchgedrückt wird. Damit
Durchschläge an der Hochspannungswicklung vermieden werden, ist hierbei eine vakuumsichere
Isolierhülse für die Ständerwicklung vorgesehen.
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Die Erfindung sieht zur weiteren Erhöhung der Belastbarkeit der Wicklungsleiter
einer elektrischen Maschine hoher Leistung in Turbobauart, vorzugsweise eines Grenzleistungsturbogenerators,
vor, unmittelbar neben den Stirnseiten des Turboläufers, beispielsweise in einem
Abstand von wenigen Millimetern, stillstehende Isolierstoffabdichtungen, vorzugsweise
aus glasfaserverstärkten Polyesterharzen, anzuordnen, die mit die Wickelköpfe der
Ständerwicklung in möglichst engem Abstand umgebenden weiteren Isolierstoffabdeckungen,
die vorzugsweise ebenfalls aus glasfaserverstärkten Polyesterharzen bestehen, verbunden
sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Stirnseiten und die Läuferkappen des Turboläufers
keine Luft mehr ansaugen und fördern, so daß der Läufer wie in einem evakuierten
Raum mit verminderten Reibungsverlusten umläuft. Zur Abführung der in der Maschine
entstehenden Wärme sieht die Erfindung dabei vor, die Läuferwicklung mit einem gasförmigen
und die Ständerwicklung und den Ständer mit einem flüssigen Kühlmittel direkt zu
kühlen. Verglichen mit der bekannten Konstruktion entfällt hierbei das druckfeste
Gehäuse.
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An sich ist es bereits vorgeschlagen worden, die Köpfe der Ständer-
und der Läuferwicklung eines luftgekühlten Drehstrommotors durch einen enganliegenden
Blechmantel abzudecken, der an den Seiten des Läufers bis zur Motorwelle heruntergezogen
und gegenüber der Motorwelle abgedichtet ist. Zur Abführung der in der Maschine
entstehenden Wärme wird dieser Blechmantel von außen mit Kühlluft umspült. Da aus
diesem Grunde die vorgesehene Verkleidung der Wickelköpfe metallisch gemacht werden
mußte, ergab sich mithin die Forderung, zur Vermeidung von Überschlägen die Isolation
der Wickelköpfe zu verstärken. Hierdurch tritt jedoch an den Wickelköpfen ein zu
starkes Temperaturgefälle auf. Aus diesem Grunde hat sich diese Anordnung in der
Praxis nicht durchsetzen können.
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Die Erfindung sieht demgegenüber vor, die die Flanken des Läufers
sowie den Ständerwickelkopfraum umgebenden Abdeckungen aus Isolierstoff, vorzugsweise
aus glasfaserverstärkten Polyesterharzen, herzustellen. Für die Erfindung kommt
es nämlich nicht darauf an, durch äußere Belüftung der Abdeckungen die im Innern
der Maschine entstehende Wärme abzuführen, sondern für die Erfindung ist es
wesentlich,
daß durch die aus Isolierstoff bstehende Abdeckung die Reibungsverluste des Läufers
erheblich vermindert werden und die Ventilationswirkung des rotierenden Läufers
unterdrückt wird. Zur Abführung der im Innern der Maschine entstehenden Wärme ist
eine Flüssigkeitskühlung der Ständerwicklung sowie gegebenenfalls des Ständers und
eine direkte Leiterkühlung der Läuferwicklung mittels eines gasförmigen Kühlmediums
vorgesehen.
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Bei der Anordnung der Erfindung reicht es nicht allein aus, dem Läufer
eine glatte äußere Form zu geben, da die Flanken des Läufers auch dann, wenn sie
völlig eben ausgeführt sind, beim Rotieren eine Saugwirkung ausüben und einen in
Richtung von der Welle auf den Luftspalt und den Ständer zu gerichteten Luftstrom
erzeugen. Diese Saugwirkung der Flanken des Läufers wird noch durch die Läuferkappen
unterstützt. Ordnet man nun, wie es die Erfindung vorsieht, dicht neben den Stirnseiten
des Turboläufers stillstehende Abdeckungen an und umgibt man weiterhin die Wickelköpfe
der Ständerwicklung in möglichst engem Abstand mit weiteren Abdeckungen, die unmittelbar
an die erstgenannten Abdeckungen anschließen, so wird diese Saugwirkung des Läufers
aufgehoben. Wesentlich dabei ist, daß sich die Abdeckungen an den Stirnseiten des
Turboläufers in einem möglichst geringen Abstand von nur wenigen Millimetern, beispielsweise
also von 1 bis 2 mm, neben den Flanken des Läufers befinden. Der Läufer rotiert
dann praktisch wie in einem evakuierten Raum. Im Hinblick auf die Wirbelströme werden
die Abdeckungen aus Isolierstoff hergestellt. Vorzugsweise kommen hierzu wegen ihrer
großen mechanischen Festigkeit glasfaserverstärkte Polyesterharze in Frage.
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Für Läufer und Ständer können in bekannter Weise in sich abgeschlossene
Kühlkreisläufe vorgesehen werden. Dem Läufer wird dann ein gasförmiges Kühlmittel
zugeführt, das die Kühlkanäle der Läuferwicklung durchströmt, ohne aus dem Läufer
auszutreten. Zur Abführung der Wärme aus der Ständerwicklung empfiehlt sich die
Verwendung eines flüssigen Kühlmittels, das den Wickelköpfen der Ständerwicklung
zugeführt wird. Da bei einer Grenzleistungsmaschine im allgemeinen eine verhältnismäßig
hohe Spannung der Ständerwicklung vorgesehen wird und mithin die Leiter der Ständerwicklung
mit ziemlich starken Isolierhülsen umgeben werden müssen, reicht die Flüssigkeitskühlung
der Ständerwicklung im allgemeinen nicht aus, die im Ständerblechpaket entstehende
Wärme abzuführen. Man wird daher in der Nähe des Rückens des Ständerblechpaketes
zusätzliche Kühlrohre vorsehen, die das Ständerblechpaket axial durchdringen. Diese
Kühlkanäle können an den Kühlkreislauf der Ständerwicklung angeschlossen werden.
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Die Erfindung sei an Hand der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert.
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In der Fig. 1 ist ein Grenzleistungsturbogenerator schematisch dargestellt,
also ein Turbogenerator von beispielsweise 200 MVA und mehr. Der zweipolige Turboläufer
1 ist hinsichtlich seiner äußeren Form als Zylinder mit glatten Oberflächen ausgeführt.
Gemäß der Erfindung sind unmittelbar neben den Stirnseiten des Turboläufers 1 die
stillstehenden Abdeckungen 2 angeordnet, die sich in einem Abstand von etwa 1 bis
2 mm von den Flanken des Turboläufers befinden. An hrem äußeren Umfang sind die
Abdeckungen 2 mit den Abdeckungen 3 verbunden, die die Wickelköpfe 4 der Ständerwicklung
5 in möglichst engem Abstand umgeben. Die Abdeckungen 3 sind längs ihres äußeren
Randes am Ständerschild 23 befestigt. Die Abdeckungen 2 und 3 bestehen aus glasfaserverstärkten
Polyesterharzen und sind auf der der Maschine abgewandten Seite mit zur Versteifung
dienenden, nicht dargestellten Rippen versehen.
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Zur Kühlung des Läufers wird den Leitern der Läuferwicklung 6 über
die abgedichteten Wellenstutzen 7 durch die nichtleitenden Rohre 8 bzw. 9 ein gasförmiges
Kühlmittel, beispielsweise unter Druck stehendes Wasserstoffgas, zugeführt. Die
Anordnung ist dabei so getroffen, daß die in benachbarten Nuten liegenden Leiter
in bekannter Weise in abwechselnder Richtung vom Kühlgas durchströmt werden. Über
die abgedichteten Wellenstutzen 10 strömt dann das Kühlgas zur nicht dargestellten
Rückkühleinrichtung zurück. An Stelle der beispielsweise aus Preßstoff bestehenden
nichtleitenden Rohre 8 bzw. 9 können auch metallische Rohre Verwendung finden, die
über isolierte Muffen mit den Hohlleitern der Läuferwicklung verbunden werden.
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Zur Kühlung des Ständerblechpaketes ist ein in sich geschlossener
Kühlkreislauf mit einem flüssigen Kühlmittel vorgesehen, das zu beiden Seiten des
Ständers durch die Rohrleitungen 11 und 12 bzw. 14 und 15 geführt wird, und zwar
wird in den Rohrleitungen 11 und 14 frische Kühlflüssigkeit dem Ständer zugeführt,
während in den Rohrleitungen 12 und 15 erwärmte Kühlflüssigkeit der nicht dargestellten
Rückkühleinrichtung zufließt. Damit eine einseitige Erwärmung des Ständers vermieden
wird, sind in bekannter Weise Ober- und Unterstäbe der Ständerwicklung 5 abwechselnd
beispielsweise durch Isolierstoffschläuche mit den Rohrleitungen 11 und 12 verbunden,
so daß die Richtung des Kühlmittelstromes abwechselt.
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Da bei einem Grenzleistungsturbogenerator infolge der hohen Maschinenspannung
die Isolation der Ständerwicklung zu stark ist, als daß eine ausreichende Abführung
der im Ständerblechpaket entstehenden Wärme allein durch die Flüssigkeitskühlung
der Wicklung gewährleistet ist, sind zur Kühlung des Ständerblechpaketes in der
Nähe des Rückens des Blechpaketes zusätzliche Kühlrohre 13 vorgesehen, die in gleicher
Weise wie die Wickelköpfe der Ständerwicklung 5 abwechselnd an die Rohrleitungen
14 und 15 angeschlossen sind.
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Die zusätzlichen Kühlrohre 13 werden in vorgestanzte Rundnuten des
Ständerrückens eingeführt bzw. zur Erzielung eines sicheren Wärmekontaktes zwischen
Ständerblechpaket und Kühlrohr eingewalzt. Hierfür können auch Kühlrohre aus verhältnismäßig
weichem Metall, beispielsweise aus Messing oder Blei, verwendet werden. Bei der
geschilderten Konstruktion sind die Luftreibungsverluste sehr gering, da von den
Flanken und den Läuferkappen des Turboläufers keine Luft angesaugt wird. Durch die
in sich geschlossenen Kühlkreisläufe für Läufer und Ständer mittels gasförmigen
Kühlmittels für den Läufer und eines flüssigen Kühlmittels für den Ständer wird
eine so gute Kühlung der Leiter der Wicklungen erreicht, daß nur wenige Leiter pro
Nut mit verhältnismäßig großem Leiterquerschnitt verwendet werden können. Die Erregerströme
können bei einem solchen Grenzleistungsturbogenerator daher derart groß gehalten
werden, daß ihre Zuführung über Schleifringe bereits Schwierigkeiten bereitet. Diese
Schwierigkeiten können bekanntlich dadurch umgangen werden, daß die Läuferwicklung
von rotierenden Gleichrichtern gespeist wird, die ihrerseits beispielsweise von
einer auf der Welle des
Turbogenerators sitzenden Mittelfrequenzmaschine
gespeist werden. Die Wechselstromwicklung dieser Mittelfrequenzmaschine wird dann
auf dem Läuferkörper angeordnet. Die rotierenden Gleichrichter werden bekanntlich
vorteilhafterweise als Siliziumtrockengleichrichter ausgeführt.
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Infolge der außerordentlich guten Kühlung der geschilderten Konstruktion
wird die Leistungsgrenze für den in Fig. 1 dargestellten Turbogenerator nicht
mehr durch die Erwärmung der Ständerwicklung bedingt. Die vorgesehene Flüssigkeitskühlung
bringt es vielmehr mit sich, daß nicht mehr die Erwärmung der Ständerwicklung, sondern
die hohen Stirnstreuverluste im Wickelkopfraum der Ständerwicklung Schwierigkeit
bereiten. In bekannter Weise sind daher die Bleche der zu beiden Seiten. der Maschine
äußersten Blechpakete 14 beispielsweise mittels eines Epoxydharzes verklebt. Die
Blechpakete 14 wirken also als Druckplatten. Ferner sind die Bleche der äußeren
Blechpakete in bekannter Weise bis zum Grund der die Ständerwicklung aufnehmenden
Nuten abgestuft.
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Die abgedichteten Zu- und Abführungen für das dem Lüfter zugeführte
Kühlgas können im übrigen auch, wie es beispielsweise in der Fig. 2 schematisch
angedeutet ist, außerhalb der Lager zwischen den Kuppelflanschen angeordnet werden.
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Der Erfindungsgedanke kann auch bei elektrischen Maschinen mit hoher
Leistung und Drehzahlen unter 3000 U/min, also beispielsweise bei vier- oder mehrpoligen
Blindleistungsmaschinen, angewendet werden. Bei diesen Maschinen, für die man bisher
üblicherweise die Schenkelpolbauart vorgesehen hat, wird dann als Läufer ein lamellierter
Vollrotor vorgesehen, dessen Stirnseiten dann gemäß der Erfindung durch stillstehende
Isolierstoffabdeckungen abgedeckt werden, die unmittelbar mit die Wickelköpfe der
Ständerwicklung in möglichst engem Abstand umgebenden weiteren Isolierstoffabdeckungen
verbunden sind.
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So ist zur Erläuterung beispielsweise in der Fig. 3 eine mehrpolige
Blindleistungsmaschine wiedergegeben. Soweit hierbei die einzelnen Teile den Teilen
der Fig.1 entsprechen, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet. In gleicher Weise
wie bei dem in der Fig. 1 dargestellten Turbogenerator sind bei der Blindleistungsmaschine
der Fig.3 die Flanken des Turboläufers 1 und die Wickelköpfe 4 der Ständerwicklung
5 von den stillstehenden Abdeckungen 2 und 3 umgeben.
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Die Zuführung der Kühlmittel zu den Leitern der Läuferwicklung und
der Ständerwicklung sowie zu den zusätzlichen Kühlrohren 13 ist ebenfalls derart
getroffen, daß die Richtung des Kühlmittelstromes längs des Maschinenumfanges abwechselt.
Dem Läufer wird das gasförmige Kühlmittel, also beispielsweise Wasserstoffgas, über
den abgedichteten Wellenstutzen 7, das Rohr 8 und die Isoliermuffe 16 zugeführt.
Auf der anderen Stirnseite des Läufers 1 strömt dann das Kühlgas, wie es im unteren
Teil der Fig.3 angedeutet ist, über die Isoliermuffe 17, das Kühlrohr 9 und den
abgedichteten Wellenstutzen 10 zur nicht dargestellten Rückkühleinrichtung.
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Auch bei derart ausgebildeten vier- oder mehrpoligen Synchronmaschinen
empfiehlt es sich, die Läuferwicklung über rotierende Gleichrichter zu speisen.
Beispielsweise wird die Läuferwicklung dann als dreisträngige Wicklung ausgeführt,
wobei dann der Erregerstrom in bekannter Weise den einen Wicklungsstrang in Reihe
zu den beiden anderen zueinander parallel liegenden Wicklungssträngen durchfließt.
Bei dieser Schaltung bildet dann die Läuferwicklung gleichzeitig die Dämpferwicklung.
Mit Rücksicht auf eventuelle Schieflast, zweipolige Kurzschlüsse usw. empfiehlt
es sich im übrigen, die Gleichrichter durch spannungsabhängige Widerstände, die
parallel zur Erregerwicklung liegen, gegen Überspannungen zu schützen.
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Der Erfindungsgedanke läßt sich auch dann anwenden, wenn beispielsweise
Grenzleistungsgeneratoren als Asynchrongeneratoren ausgeführt werden, wobei ihr
Läufer beispielsweise einen Kurzscblußkäfig trägt Ein Ausführungsbeispiel hierfür
ist in der Fig. 4 wiedergegeben. In gleicher Weise wie bei den in den Fig. 1 bis
3 dargestellten Maschinen sind hierbei die Stirnseiten des Läufers 1 sowie die Wickelköpfe
4 der Ständerwicklung 5 von den stillstehenden Abdeckungen 2 und 3 umgeben. Die
Kühlung des Läufers bzw. des Ständers erfolgt ebenfalls in gleicher Weise wie bei
den Maschinen der Fig. 1 und 3 durch ein Kühlgas im Läufer und durch eine Kühlflüssigkeit
im Ständer. Die Zu- und Abführung des gasförmigen Kühlmittels erfolgt über die in
den Kurzschlußringen 18 vorgesehenen Bohrungen 19, die mit den Kühlkanälen 20 der
als Hohlstäbe ausgebildeten Leiter des Kurzschlußkäfigs in Verbindung stehen. Der
Kurzschlußring 18 wird dabei von dem Kappenring 21 umfaßt.
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Bei der in der Fig. 4 dargestellten Maschine kann in bekannter Weise
der Kurzschlußring auch als zwischengeflanschte Scheibe, beispielsweise aus Bronze,
zwischen Wellenstummel und Läuferballen angeordnet werden. Eine solche als Kurzschlußring
wirkende Scheibe trägt sich selbst und erspart einen besonderen Kappenring.