DE1089056B

DE1089056B - Gas-cooled rotor for a synchronous machine with pronounced poles

Info

Publication number: DE1089056B
Application number: DEA30595A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Friedrich Muellner; Dipl-Ing Eugen Wiedemann
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1958-10-13
Filing date: 1958-10-24
Publication date: 1960-09-15

Description

Gasgekühlter Rotor für eine Synchronmaschine mit ausgeprägten Polen Die Wasserstoffkühlung wurde schon vor einigen Jahrzehnten bei rotierenden Phasenschiebern mit Erfolg angewendet. Der Wasserstoff ermöglichte vor allem eine bemerkenswerte Herabsetzung der Ventilationsverluste. Gleichzeitig sind durch die günstigen thermischen Eigenschaften des Wasserstoffes bessere Kühlungsverhältnisse erreicht worden. Man hat gerade bei Phasenschiebern. die Wasserstoffkühlung zuerst angewendet, weil man bei .dieser Maschinenart keine 'Wellendurchführung benötigt und infolgedessen das Problem der Abdichtung nicht besteht.Gas-cooled rotor for a synchronous machine with pronounced poles Hydrogen cooling was used for rotating phase shifters a few decades ago applied with success. Above all, hydrogen made a remarkable one possible Reduction of ventilation losses. At the same time due to the favorable thermal Properties of hydrogen better cooling ratios have been achieved. Man has just with phase shifters. the hydrogen cooling applied first because one With this type of machine no shaft bushing is required and consequently the There is no sealing problem.

Durch die günstigen Ergebnisse bei Phasenschiebern angeregt, hat man später auch gasdichte Wellendurchführungen entwickelt und konnte damit die Wasserstoffkühlung mit Erfolg bei Turbogeneratoren anwenden. Die ersten Maschinen dieser Art arbeiteten mit einem Wasserstoffdruck von 350 mm WS. Bald erkannte man aber, daß man den Kühleffekt steigern konnte, wenn man den Druck auf 1 atü und noch mehr erhöhte. In der schnellen Weiterentwicklung dieser Technik ging man schließlich dazu über, das Wasserstoffgas direkt mit dem blanken Kupfer in Berührung zu bringen; man erzielte damit, insbesondere bei Hohlleiterwicklungen, eine abermalige sehr erhebliche Steigerung der Kühlwirkung, und es ergab sich die Möglichkeit einer weitergehenden Erhöhung der Maschinenausnutzung.Stimulated by the favorable results with phase shifters, gas-tight shaft bushings were later developed and hydrogen cooling was thus successfully used in turbo generators. The first machines of this type worked with a hydrogen pressure of 350 mm WS. But it soon became apparent that the cooling effect could be increased by increasing the pressure to 1 atm and even more. In the rapid development of this technology, one finally switched to bringing the hydrogen gas into direct contact with the bare copper; In this way, particularly in the case of waveguide windings, another very considerable increase in the cooling effect was achieved, and there was the possibility of a further increase in machine utilization.

Diese letzte Stufe der Entwicklung von Turbogeneratoren hat man bisher bei Phasenschiebern in Einzelpolausführung noch nicht angewendet, man hat sich vielmehr damit begnügt, den Gasdruck gegen.-über den ersten Ausführungen zu erhöhen. Die beim Phasenschieber besonders stark belasteten Polradspulen sind gewöhnlich mit blanker Kupferoberfläche ausgeführt; man kann also hier ohne weiteres schon von direkter Kupferkühlung sprechen. Ein Mangel dieser. Kühlung der Polradspulen ist jedoch darin begründet, daß die Oberfläche der Spulen im Verhältnis zu den abzuführenden Verlusten relativ klein ist.This last stage of the development of turbo-generators has been done so far has not yet been applied to phase shifters in single pole design, but rather content to increase the gas pressure compared to the first versions. the When the phase shifter is particularly heavily loaded pole wheel coils are usually with executed bare copper surface; so you can go from here without further ado speak of direct copper cooling. A lack of this. Cooling of the pole wheel coils is however, this is due to the fact that the surface of the coils in relation to that to be removed Losses is relatively small.

Es liegt deshalb der Gedanke nahe, auch bei Polwicklungen Hohlkupfer zu verwenden; dem stellen sich aber einige Schwierigkeiten entgegen.It is therefore obvious to use hollow copper for pole windings as well to use; however, there are some difficulties to counter this.

Zunächst ist festzuhalten, daß die Maschinen mit Einzelpolen in der Drehzahl wesentlich niedriger liegen als der Turbogenerator und daher der in der radialen Wicklungshöhe entstehende zentrifugale Druck nicht ausreicht, um die engen Kanäle mit einer genügenden Gasmenge je Zeiteinheit zu versorgen. Es ist deshalb notwendig, den Gasdruck durch besondere konstruktive Maßnahmen zu erhöhen.First of all, it should be noted that the machines with single poles in the Speed are much lower than the turbo generator and therefore that in the radial winding height resulting centrifugal pressure is not sufficient to the tight To supply ducts with a sufficient amount of gas per unit of time. It is therefore necessary to increase the gas pressure through special design measures.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Verwendung von innengekühlten Leitern besteht darin, daß die üblicherweise angewendeten Kupferquerschnitte der hochkant gewickelten Spulen die Anordnung von Hohlkanälen nicht ohne weiteres ermöglichen. Die Leiter sind meistens breit und flach, z. B. 70 X 4 mm?, und Hohlkanäle können in einem Leiter mit solchen Dimensionen nicht hergestellt werden..Another difficulty with using internally cooled conductors is that the commonly used copper cross-sections of the edgewise wound coils do not allow the arrangement of hollow channels easily. The ladder is mostly wide and flat, e.g. B. 70 X 4 mm ?, and hollow channels can cannot be made in a ladder with such dimensions ..

Ferner ist es bei gasgekühlten Rotoren für Synchronmaschinen mit ausgeprägten Polen bekannt, Kühlluft unter Überdruck durch Kühlkanäle zu führen, die parallel zur Achse des Rotors liegen. Die Kühlluft kommt mit der Kupferwicklung nur an ihrer Oberfläche in Berührung, was keine besondere intensive Abkühlung und Ableitung der Erregerverlustwärme mit sich bringt.It is also pronounced with gas-cooled rotors for synchronous machines Poles known to lead cooling air under positive pressure through cooling ducts that run parallel to the axis of the rotor. The cooling air comes with the copper winding only on hers Surface in contact, which is not a special intensive cooling and dissipation of the Brings about heat loss from the pathogen.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung behoben. Die Erfindung betrifft einen gasgekühlten Rotor für eine Synchronmaschine mit ausgeprägten Polen, bei denen unter Überdruck Kühlgas durch achsparallele Kühlkanäle der Polwicklung geführt wird.These disadvantages are eliminated by the invention. The invention relates to a gas-cooled rotor for a synchronous machine with pronounced poles, where cooling gas is under overpressure through axially parallel cooling channels of the pole winding to be led.

Die Erfindung besteht darin, daß die längsseitig der Pole achsparallel verlaufenden Kühlkanäle der Polspulenleiter als allseitig vom Kupfer umschlossene Hohlkanäle ausgebildet sind, die in der Rotormitte in radiale, in Umfangsrichtung weisende Querkanäle übergehen, und daß das Kühlgas für die Polspulen an den Stirnseiten der Pole unter Überdruck in die Kühlkanäle der Polspulenleiter eintritt und in der Mitte der Längsseite der Polspulen aus den Ouerkanälen in radialer Richtung wieder austritt. Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen folgendes Fig. 1 die Ansicht eines Pols mit der Erregerwicklung, Fig. 2 einen Pol in Richtung der Rotorachse in Ansicht und Schnitt, Fig. 3 einen Schnitt senkrecht zur Windungsebene, Fig. 4 den Schnitt durch zwei Längsleiter.The invention consists in that the longitudinal side of the pole is axially parallel running cooling channels of the pole coil conductors as enclosed on all sides by copper Hollow channels are formed, which in the center of the rotor in the radial direction, in the circumferential direction Pointing transverse channels pass over, and that the cooling gas for the pole coils at the end faces the pole enters the cooling channels of the pole coil conductors under excess pressure and in the Center of the long side of the pole coils from the outer channels in the radial direction again exit. The invention is based on an exemplary embodiment explained in more detail. The figures show the following: FIG. 1, the view of a pole with the excitation winding, Fig. 2 a pole in the direction of the rotor axis in view and Section, FIG. 3 a section perpendicular to the winding plane, FIG. 4 the section through two longitudinal conductors.

In den Fig. 1 und 2 bedeutet 1 den Rotorkörper einer wasserstoffgasgekühlten Synchronmaschine; 2 ist ein ausgeprägter Pol. Auf dem Pol ist die Erregerwicklung 3 angebracht. Die längsseits der Pole liegenden Leiter 4 sind flach und von z. B. 70 X 4 mm2 Querschnitt. Diese Leiter weisen parallele Längsrillen 5 auf. In der Rotormitte I'11-117 gehen diese Rillen von der Stirnseite herkommend in einem Bogen in die Querrillen 5a (Fig. 3) über. Diese Querrillen führen in der Umfangsrichtung an der Längsseite ins Freie. Durch diese Rillenform wird erreicht, daß das Kühlgas, welches an den Stirnseiten 6 unter Überdruck in die Rillen eintritt, in der Mitte M-1lFI der Längsseiten der Polspulenleiter aus den Querrillen 5 a wieder austritt. Dabei erfolgt eine intensive Abkühlung der Polspulenleiter 4. Zur Erzeugung eines Überdruckes an der Stirnseite 6 der Pole sind Verschalungen 7 vorgesehen. Diese Verschalungen sind radial liegende Gaszuführungen, die mit Abdichtungen 8 gegen die Außenfläche der Erregerwicklung 3 und die Polkappen 2a abgedichtet sind. Unter der Zentrifugalwirkung der Rotation tritt das Kühlgas durch die einwärts liegenden Öffnungen 7a der Verschalungen ein und strömt unter gleichzeitiger Verdichtung infolge der Zentrifugalkraftwirkung in den stirnseitigen Raum 6 der Verschalungen ein.In FIGS. 1 and 2, 1 denotes the rotor body of a hydrogen gas-cooled synchronous machine; 2 is a distinct pole. The field winding 3 is attached to the pole. The conductors 4 lying alongside the poles are flat and of z. B. 70 X 4 mm2 cross-section. These conductors have parallel longitudinal grooves 5. In the middle of the rotor I'11-117, these grooves, coming from the end face, merge in an arc into the transverse grooves 5a (FIG. 3). These transverse grooves lead into the open in the circumferential direction on the long side. This groove shape ensures that the cooling gas, which enters the grooves at the end faces 6 under excess pressure, emerges again from the transverse grooves 5a in the middle M-1IFI of the longitudinal sides of the pole coil conductors. In the process, the pole coil conductors 4 are intensively cooled. In order to generate an overpressure on the end face 6 of the poles, claddings 7 are provided. These casings are radial gas feeds which are sealed with seals 8 against the outer surface of the excitation winding 3 and the pole caps 2a. Under the centrifugal effect of the rotation, the cooling gas enters through the inwardly located openings 7a of the casings and flows into the frontal space 6 of the casings with simultaneous compression due to the effect of centrifugal force.

Um eine hohe Zentrifugalwirkung zu erreichen, muß die Länge r der Verschalungen. größer sein als die Höhe der Erregerspule. Vom Raum 6 strömt das Gas in die Rillen 5 ein. Die längs der Spule liegenden Stableiter 4 sind an den Stirnseiten über eingelötete gerade Querleiter 9 zu Windungen verbunden. Eine Windung der Polspulenwicklung besteht somit aus je vier durch Lötung verbundene Leiter 9 -I- 4 -f- 9 + 4.In order to achieve a high centrifugal effect, the length r must be the Cladding. be greater than the height of the excitation coil. This flows from room 6 Gas in the grooves 5. The rod conductors 4 lying along the coil are connected to the Front sides connected to form windings via soldered straight transverse conductors 9. One turn the pole coil winding thus consists of four conductors 9 each connected by soldering -I- 4 -f- 9 + 4.

Die längsseitig am Pol liegenden Leiterteile 4 (Fig. 4) weisen die Luftführungsrillen 5 auf; während die stirnseitigen Leiter vom umgebenden Kühlgas an der Oberfläche gekühlt werden. Die längsliegenden Leiter geben ihre Verlustwärme an das -durch die Rillen unter Überdruck strömende Gas ab.The conductor parts 4 (Fig. 4) lying along the pole have the Air guide grooves 5; while the frontal conductors from the surrounding cooling gas be cooled on the surface. The lengthways conductors give off their heat loss to the gas flowing through the grooves under excess pressure.

Zur Erhöhung der Gasdurchströmgeschwindigkeit können in der Mitte M-.11 der längsseits liegenden Leiter gasdichte und radial liegende zusätzliche Verschalungen angebracht werden. In der Fig. 3 sind solche Verschalungen 10 dargestellt; sie sind gegen die Wand der Erregerwicklung abgedichtet. Durch diese Verschalungen wird eine zusätzliche radial gerichtete Strömung des aus den Rillen der Leiter austretenden Kühlgases an die Rotoroberfläche erhalten. Unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte wird dadurch die Kühlgasströmung durch die Kanäle verstärkt.To increase the gas flow rate can be in the middle M-.11 of the conductors lying alongside are gas-tight and additional ones lying radially Cladding are attached. Such claddings 10 are shown in FIG. 3; they are sealed against the wall of the field winding. Through this formwork is an additional radially directed flow of the emerging from the grooves of the ladder Get cooling gas to the rotor surface. Under the action of centrifugal forces this increases the flow of cooling gas through the channels.

Infolge der Luftführung durch die Leiter und unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte ergibt sich eine intensive zusätzliche Abkühlung der Erregerwicklung, was besonders bei wasserstoffgekühlten Synchronphasenschebern mit ausgeprägten Polen von besonderem Vorteil ist. Es kann damit eine bei solchen Maschinen erforderliche erhöhte Erregung erreicht werden.As a result of the air flow through the ladder and under the action of the Centrifugal forces result in an intensive additional cooling of the excitation winding, which is especially true for hydrogen-cooled synchronous phase shifters with pronounced poles is of particular advantage. It can therefore be a required for such machines increased arousal can be achieved.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Gas-cooled rotor for a synchronous machine with pronounced poles, in which cooling gas is passed through axially parallel cooling channels of the pole winding under excess pressure, characterized; that the axially parallel cooling channels of the coil conductors running along the poles are designed as hollow channels enclosed on all sides by copper; which merge in the middle of the tube in radial, circumferentially pointing transverse channels, and that the cooling gas for the pole coils at the end faces of the poles under. pressure enters the cooling channels of the pole coil conductor and exits in the middle of the longitudinal side of the pole coils from the transverse channels in the radial direction.

2. Gas-cooled rotor according to claim 1, characterized in that that gas-tight, radially lying cladding is provided on the end faces of the poles are, which are a radially directed guidance of the cooling gas and deflection of the same allow in the cooling channels, the radial length being greater than the winding height is.

3. Gas-cooled rotor according to claim 1, characterized in that the individual Windings of the pole coils consist of four conductor parts soldered together, with the conductor parts lying alongside the pole have the cooling channels.

4. Gas-cooled Rotor according to claim 1, characterized in that in: the middle of the longitudinal side lying conductors gas-tight, radially lying cladding-en are provided, which a radially directed guidance of the cooling gas flowing out of the ducts of the conductors allow to the rotor surface.

5. Gas-cooled rotor according to claim 1, characterized in that two superposed conductors each have grooves which are mirror images of one another. Considered publications: German Patent Specifications Nos. 172 336, 178 8.72, 488., 21 1 489, 718 358., 864 898.