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Kühlmittel-Temperaturregeleinrichtung für direkt gekühlte elektrische
Wicklungen, insbesondere Ständerwicklungen elektrischer Maschinen Die Erfindung
betrifft eine Kühlmittel-Temperaturregeleinrichtung fürdirekt gekühlte elektrische
Wicklungen mit Kanälen, durch die ein flüssiges oder gasförmiger Kühlmittel strömt,
welches über einen Wärmeau.stauscher im Umlauf gehalten wird. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet
ist die Kühlung der Ständerwicklungen elektrischer Maschinen, die durch ein Kühlsystem
unabhängig von :dem im Innenraum zirkulierenden Wasserstoffgas gekühlt werden.
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Kühlsysteme für große Generatoren unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit,
die in direktem Wärmeaustausch mit der Ständerwickl.ung steht, sind bekannt. Die
Kühlflüssigkeit wird dabei Kanälen, die im Wicklungsinneren verlaufen, beispielsweise
von einem Falltank durch Isolierrohre zugeleitet, die gegen das im Inneren der Maschine
zirkulierende Kühlgas abgedichtet sind.
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Flüssdgkeits-Kühlsysteme idieser Art gewährleisten zwar eine sehr
wirksame Kühlung der betreffenden Wicklungen, die einzelnen Wicklungen sind jedoch
starken Temperaturänderungen unterworfen, wenn sich die Belastung des Generators
ändert. Die Temperaturänderungen haben ihrerseits beträchtliche Expansionen bzw.
Kontraktionen --der Leiter zur Folge, die hieraus resultierenden Verbiegungen, Verwindungen
und Reibungsvorgänge zwischen Leiter und Isolation oder Isolation und Magnetkern
verkürzen die Lebensdauer der Maschine. Wenn man andererseits derartige Temperaturschwankungen
so klein wie möglich hält, erhöht sich die störungsfreie Lebensdauer der Wicklung
ganz beträchtlich und damit die Lebensdauer des Generators selbst. Die Zuverlässigkeit
der Maschine steigt dementsprechend, und es können erhebliche Kosten eingespart
werden.
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Eine Kühlmittel-Temperaturregeleinrichtung für direkt gekühlte elektrische
Wicklungen, insbesondere Stän.derwicklungen elektrischer Maschinen, bei denen ein
flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel aus einem Behälter durch in den isolierten
Wicklungen vorgesehene Kanäle in Umlauf gehalten und über einen Wärmeaustauscber
geleitet wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß auf der E.inlaßseite
des Kühlmittels in die Wicklungskanäle ein erstes und auf,der Auslaßseite ein zweites
temperaturempfindliches Ansprechglied vorgesehen ist, die jedes auf eine vor dem
Wärmeaustauscher angeordnete Regel- und Verteilereinrichtung für das Kühlmittel
wirken, durch die die Menge .des den Wärmeaustauscher durchfließenden Kühlmittels
so geregelt wird, daß die Temperatur der der Wicklung zugeleiteten Kühlflüssigkeit
einen gewünschten Wert besitzt.
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Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich, durch Regelung
der Einlaßtemperatur und des Kühlmitteldurchsatzes die Temperaturen innerhalb der
Wicklungen auch bei schwankender Belastung annähernd konstant zu halten.
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Die Erfindung soll nun an Hand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit der Zeichnung näher erläutert werden, dabei bedeutet Fig. 1 eine Kühlmittel-Temperaturregeleinrichtung
gemäß der Erfindung für einen flüssigkeitsgekühlten Generatur, bei der sowohl die
Einlaßtemperatur als auch der Durchsatz des Kühlmittels geregelt werden, Fig. 1
a eine querschnittliche Darstellung eines der isolierten Leiterstäbe :des direkt
gekühlten Generators, Fig. 1 b eine graphische Darstellung der örtlichen Temperaturen,
die über die Länge einer Einzelwicklung der Einrichtung nach Fig.l hei unterschiedlichen
Belastungen herrschen, Fig. 1 c eine graphische Darstellung der Ein- und Auslaßtemperaturen
in Abhängigkeit von Belastungsänderungen, Fig.2 eine Regeleinrichtung, bei der die
Kühlmittelein- und -auslaßtemperaturen über den größten Teil des Arbeitsbereiches
des Generators im wesentlichen konstant gehalten werden,
Fig. 2
a eine graphische Darstellung, die für verschiedene Belastungen die Änderung der
örtlichen Temperatur über die Länge der Wicklung veranschaulicht, und zwar für den
Fall, daß die Einrichtung nach Fig. 2 so ausgebildet ist, daß die Kühlmitteleinlaßtemperatur
konstant -gehalten wird, Fig.2b eine graphische Darstellung der Kühlmittelein- und
-auslaßtemperatur als Funktion der Belastungsänderung, und zwar für den Fall, .daß
die Einrichtung nach Fig. 2- so ausgebildet ist, daß sowohl .die Kühlmitteleinlaßtemperatur
als auch die Kühlmittelauslaßtemperatur konstant gehalten wird, Fig.3 eine abgewandelte
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, .bei der die Temperatur der Wicklungen
unter wechselnden Belastungen auf einem .im wesentlichen konstanten Durchschnittswert
gehalten wird, :und Fig. 3 a eine graphische- =Darstellung, die für verschiedene
Belastungen die-: örtlichen Temperaturen über die Länge einer Wicklung in der Einrichtung
nach Fig. 3 veranschaulicht: -Allgemein gesprochen wird gemäß der Erfindung die
Temperatur und/oder -die- Strömungsgeschwindigkeit der einer direkt gekühlten Generatorwicklung
zugeleiteten Kühlflüssigkeit so geregelt, daß Temperaturschwankungen in den- A-inzeln-en
Wicklungen so klein wie möglich gehalten werden, wenn die Belastung schwankt.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine in einem Generatorgehäuse 1 angeordnete
Ständerwicklung 2. Die Wicklung 2 stellt lediglich eine einzige Teilwicklung tder
Gesamtwicklung des Generators dar; sie :besteht aus mehreren leichtisolierten hohlen
Leiterstäben 3 (Fig. 1 a), die von einer Hauptisolation 4 umschlossen c_nd. Flüssige
Kühlmittel, beispielsweise ein geeignetes Öl oder gereinigtes Wasser, wird der Ständerwicklung
2 von einem Behälter 5 mittels einer Pumpe 6 durch die Einlaßleitung 7 zugeleitet.
Die Leitung 7 ist mit der Ständerwicklung 2 über geeignete, elektrisch isolierende
Rohre (nicht gezeigt) verbunden. Das verbrauchte Kühlmittel wird von !der Wicklung
2 über die Auslaßleitung 8 nach dem Behälter 5 zurückgeleitet.
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Der Kühlmittelfluß durch die Einlaßleitung 7 zur Wicklung 2 wird durch
ein Drossel- oder Stellventil9, das die der Wicklung 2 zugeführte Flüssigkeitsmenge
in Abhängigkeit von der Auslaßtemperaturder Wicklung bemißt, geregelt. Eine das
Ventil 9 umgehende IN, ebenleitung7a sorgt bei geschlossenem Ventil 9 für
einen bestimmten Kühlmittelmindestfluß in der Wicklung 2. Dieser Mindestfluß kann
z. B. größenordnungsmäßig etwa 94,5 1 (25 Ballons) pro Minute bei einem flüssigkeitsgekühlten
150-MW-Generator betragen. Da die Flüssigkeitstemperatur bei dem Temperaturfühler
15 offensichtlich dann keine Angabe der Leitertemperatur liefern kann, wenn keine
Strömung stattfindet, ist dieser Mindestfluß notwendig, damit die temperaturempfindlichen
Einrichtungen ordnungsgemäß auf die Wicklungstemperatur ansprechen können. Der Mindestkühlmittelfluß
unter Umgehung des Drosselventils 9 wird durch den Querschnitt 11 in der Leitung
7 a bestimmt.
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Die Temperatur des dem Einlaß der Wicklung 2 zugeleiteten Kühlmittels
wird entsprechend der Einstellung eines Verteilerventils 10 geregelt. Das Ventil
10 erfüllt diese Aufgabe, indem es -die in den Ventileinlaß 10a fließende
Flüssigkeit auf Leitungen 7 b
und 7 c, die mit Auslässen 10 b bzw. 10 c des
Ventils 10 in Verbindung stehen, verteilt. In der Leitung 7b befindet sich
ein W ärmeaustaüscher 12, der so eingerichtet sein kann, daß er das hindurchfließende
Kühlmittel entweder erwärmt oder kühlt. Das in der Leitung 7c fließende Kühlmittel
umgeht den Wärmeaustauscher 12 und vereinigt sich danach wieder mit dem durch .die
Leitung 7 b fließenden Teil, so .daß die zur Wicklung 2 führende Leitung 7 d Kühlmittel
der erforderlichen Temperatur liefert. Die Einstellung .des Ventils 10 wird hauptsächlich
in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur in der Einlaßleitung 7 d geregelt.
Ein geeignetes Heizmedium, z. B. Wasserdampf oder Heißwasser, kann dem Wärmeaustauecher
12 zugeführt werden, wenn es erwünscht ist, einen kalten Generator vor dem Anlassen
vorzuwärmen. Auf diese Weise können die Wicklungen allmählich auf eine gewünschte
Betriebstemperatur aufgeheizt werden, und zwar hinreichend langsam, so daß Temperaturgradienten
und die sich .daraus ergebenden Wirkungen vernachlässigbar klein bleiben.
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Die Einrichtung zum Verstellen des Drosselventils 9 arbeitet in gemeinsamer
Abhängigkeit von der Belastung des Generators und der Auslaßtemperatur des Kühlmittels.
Sie hält die Auslaßtemperatur konstant, wenn der Generator oberhalb einer bestimmten
Belastungsgrenze arbeitet. DieAuslaßtemperatur wird in einem bestimmten Belastungsbereich
!dadurch konstant gehalten, daß -der Durchsatz durch das Ventil so geregelt wird,
daß die durch die Wicklungen fließende Flüssigkeitsmenge den in den Wicklungen auftretenden
elektrischen Verlusten, .die selbstverständlich eine Funktion der Belastung sind,
proportional sind. Das heißt, wenn -die Belastung sinkt, werd die den Wicklungen
2 zugeleitete Kühlmittelmenge durch das Ventil 9 verringert, so daß die durch die
Wicklungen erzeugte Wärme ausreicht, die Auslaßte-mperatur des Kühlmittels auf einem
gewünschten Wert konstant zu halten. Diese der Belastungsänderung proportionale
Änderung des Kühlmittelflusses erweist sich als sehr wirksam bei Belastungen oberhalb
etwa 4011/o der Nennleistung :der Maschine. Wie in Fig. 1 c gezeigt, wird in diesem
Bereich die Einlaßtemperatur durch die Einstellung des Ventils 10 konstant gehalten.
Bei Belastungen unterhalb 4011/o wäre die durch die elektrischen Verluste in den
Wicklungen erzeugte Wärme nicht ausreichend, um die Auslaßtemperatur des Kühlmittels
auf den zuvor eingehaltenen konstanten Wert anzuheben, wenn man die Einlaßtemperatur
konstant hielte.
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Die Einstellung des Stellventils 9 zur Steuerung des Kühlmitteldurchflusses
erfolgt also sowohl in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels in der Auslaßleitung
8 als auch von der Belastung des Generators. Die Einrichtung; die durch Verstellen
des Ventils 9 bewirkt, daß :die Auslaßtemperatur konstant bleibt, besteht aus einer
in der Auslaßleitung 8 angeordneten Temperaturfühlerröhre 15 und einer Belastungsmeßeinrichtung
25, die auf einen mit der Belastung verknüpften Betriebswert des Generators anspricht.
Dabei kann es sich z. B. um ein stromempfindliches Element handeln, das einen pneumatischen
Meßwert abgibt, der dem dem Verbraucherstromkreis 27 zugeführten elektrischen Strom
proportional ist. Die Temperaturfühlerröhre 15 bildet einen Teil einer Temperaturübertragungseinrichtung
16, die einen der Temperaturänderung entsprechenden pneumatischen Meßwert erzeugt
und an -die Proportionalrelais-und Rückführeinrichtung 17 liefert. Dieser Meßwert
wird mit dem von der Belastungsmeßeinrichtung 25 stammenden pneumatischen Meßwert
in der Proportionalrelais- und Rückführeünrichtung 23 vereinigt, die ihrerseits
die resultierende pneumatische
Stehgröße der Stellmembran 9 a des
Drosselventils 9 zuleitet.
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Die speziellen Einzelteile dieser Einrichtungen sind für das Verständnis
der vorliegenden Erfindung nicht wichtig. Man kann für die Temperaturübertragungseinrichtung
mit dem Fühler 15 und dem Übertrager 16, die Proportionalrelais- und Rückführeinrichtungen
17 und 23 und den Belastungsgeber 25 beliebige Standardregelelemente verwenden.
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Die .durch das Ventil 9 fließende Flüssigkeit wird durch das Ventil
10 so auf die Leitung 7 c und den Wärmeaustauscher 12 aufgeteilt, daß sie mit konstanter
Temperatur an den Einlaß der Wicklung 2 gelangt. Die Abhängigkeit der Einstellung
des Ventils 10 von der Einlaßtemperatur wird mittels einer in der Leitung 7 d angeordneten
Temperaturfühlerröhre 20, einer Temperaturübertragungseinrichtung21 (die ähnlich
wie die Übertragungseinrichtung 16 ausgebildet sein kann) und einer Proportionalrelais-
und Nachstelleinrichtung 22 von gleicher Art wie die oben beschriebene Einrichtung
17 hergestellt. Diese Einrichtungen 20, 21, 22 sind so aufeinander abgestimmt, daß
sie an die Stellmembran 10 d eine pneumatische Stellgröße liefern, welche die Einstellung
des Ventils 10 in der Weise regelt, daß eine Erhöhung der Kühlrnitteleinlaßtemperatur
zur Folge hat, d'aß ein. größerer Anteil der durch den Einlaß 10 eintretenden Flüssigkeit
durch den Kühler 12 geleitet wird und dadurch die Temperatur des Kühlmittels auf
den gewünschten konstanten Wert herabgesetzt wird.
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Wie zuvor erwähnt, halten die genannten Regeleinrichtungen die Einlaß-
und Auslaßtemperatur der Wicklung 2 bei Belastungen im Bereich von ungefähr 40%
bis zur Vollast im wesentlichen konstant. Bei Belastungen unterhalb 40% kann es
geschehen, @daß die in .den Wicklungen erzeugte Wärme nicht ausreicht, um die Auslaßtemperatur
des Kühlmittels auf den gewünschten Sollwert anzuheben.
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Um den Abfall der Kühlmittelauslaßtemperatur so klein wie möglich
zu machen und dadurch zu verhindern, daß die Wicklungen merkliche Wärmeänderungen
erfahren und den sich daraus ergebenden thermischen Beanspruchungen ausgesetzt werden,
wenn die Belastung des Generators unter 40% absinkt, ist eine zusätzliche Regeleinrichtung,
die »Proportional-Rückführeinrichtung« 24 vorgesehen, die gewisse Änderungen in
der Arbeitsweise des zuvor beschriebenen Systems bewirkt. Diese zusätzliche Regeleinrichtung
empfängt den der Auslaßtemperatur entsprechenden Meßwert vom Übertrager 16 und korrigiert
die Einstellung der Proportionalrelaiseinrichtung 22, so daß bei Belastungen unter
40°/o die Einlaßtemperatur, statt auf einem konstanten Wert gehalten zu werden,
um einen Betrag ansteigt, der ungefähr die Hälfte desjenigen Abfalles der Kühlmrittekauslaßtemperatur
ausmacht, der andernfalls als Folge der bei verringerter Belastung geringeren Wärmeentwicklung
in den Wicklungen zu verzeichnen wäre. Die resultierende Wirkung dieser Anordnung
besteht -darin, daß !die Einlaßtemperatur um einen Betrag angehoben wird,
der etwa gleich dem Abfall der Ausl,aßtemperatur bei verminderter Belastung ist,
und daß idadurch eine im wesentlichen konstante Durchschnittstemperatur aufrechterhalten
wird. Man sieht ohne weiteres ,ein, daß der Abfall der Auslaßtemperatur des Kühlmittels
und damit die Temperaturänderungen in den Wicklungen ungefähr um die Hälfte verringert
werden, wenn man die Einlaßtemperatur um einen Betrag gleich der Hälfte des andernfalls
bei der verminderten Belastung auftretenden Abfalles der Auslaßtemperatur ansteigen
läßt.
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Diese zusätzliche Regeleinrichtung besteht aus der Proportionalrelaiseinrichtung
24, die einen Änderungameßwert an die Relaiseinrichtung 22 überträgt, durch welches
die Einstellung des Ventils 10 entsprechend der Kühlmittel.auslaßtemperatur geändert
wird. Diese Relaiseinrichtung 24 ist, wie in Fi.g. 1 gezeigt, so mit der Temperaturübertragungseinrichtung
16 verbunden, daß sie auf die Auslaßtemperatur des Kühlmittels anspricht. Ihre Einstellung
ist so getroffen, daß eine pneumatische Steuergröße an das Relais 22 übertragen
wird, wenn die Kühlmittelauslaßtemperatur unter einen bestimmten Wert (beispielsweise
85° C) absinkt. Diese Steuergröße korrigiert die Einstellung des Ventils 10 so,
daß sich die Kühlmitteleinlaßtemperatur proportional zum Abfall der Kühlmittelauslaßtemperatur
ändert.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig.1 wird aus idem folgenden
ersichtlich: Arbeitet der Generator 1 mit voller Belastung, so wird Kühlmittel aus
dem Behälter 5 durch die Pumpe 6 über die Ventile 9 und 10 nach dem Einlaß der Wicklung
2 gefördert. Die gewünschte Einlaßtemperatur, beispielsweise 40° C, wird durch die
Einstellung des Ventils 10, das eine veränderliche Kühlmittelmenge an dem Wärmeaustauscher
12 unter Umgehung desselben vorbeileitet, aufrechterhalten. Die Temperaturübertragungseinrichtung
21 und die Relaiseinrichtung 22 sprechen auf die Temperatur in der Einlaßleitung
7 d an, wie sie von dem Fühler 20 wahrgenommen wird, und regeln die Einstellung
des Ventils 10 so, daß die gewünschte Einlaßtemperatur erhalten wird.
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Ebenso wird die Auslaßtemperatur auf einem konstanter Wert von z.
B. 90° C -durch die gemeinsame Tätigkeit einmal des Übertragers 16 und der Relaiseinrichtung
17 in Abhängigkeit von ,der Temperaturt' 15 in der Auslaßleitung 8 und zum zweiten
des Übertragers 25 und der Relaiseinrichtung 23 in Abhängigkeit von Belastungsänderungen
gehalten. Die Einstellungen der Ventile 9 und 10, wie in Fig. 1 gezeigt, bleiben
konstant, wenn der Generator mit voller Belastung arbeitet.
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Fällt die Belastung,des Generators ab, so sinkt die Auslaßtemperatur.
Dieser Temperaturabfall wird von der Temperaturfühlerröhre 15 wahrgenommen und der
erzeugte Meßwert über die Temperaturübertragungseinrichtung 16 und die Reaiseinrichtung
17 an die Relaiseinrichtung 23 übertragen. Der Meßwert wird dort mit dem aus der
Einrichtung 25 stammenden Meßwert vereinigt, und die resultierende Stellgröße steuert
die Membran 9 a so, daß sich das Ventil 9 in der Schließrichtung bewegt und der
Fluß durch die Leitung 7 gedrosselt wird. Die Verringerung des Flusses durch das
Ventil 9 und die Einlaßleitung 7 b nach der Wicklung 2 -ist der Verringerung der
durch die Wicklung 2 erzeugten Wärme proportional, so daß die verminderte Menge
an zirkulierendem Kühlmittel auf die gewünschte konstante Auslaßtemperatur, wie
sie durch die Auslaßtemperaturregeleinrichtung 15, 16, 17 festgelegt ist, angehoben
wird.
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Indem man den Kühlmittelfluß der Wärmeaufnahme durch das Kühlmittel
proportional hält, erreicht man, wie man sieht, daß die Auslaßtemperatur des Kühlmittels
konstant bleibt, solange genügend Wärme im Generator erzeugt wird. Im Bereich zwischen
einer gewissen Mindestbelastung, beispielsweise 40% und Vollast, wird @die durch
die Wicklung 2 erzeugte Wärme im allgemeinen ausreichend, um die Temperatur
des
Kühlmittels auf dem gewünschten Wert zu halten, wie in Fig. 1 c gezeigt ist.
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Unterhalb einer Belastung von ungefähr 4011/o wird die in der Wicklung
2 erzeugte Wärme unter-Umständen nicht mehr ausreichen, um die Temperatur des Kühlmittels
auf den gewünschten konstanten Auslaßwert anzuheben. Daher wird in dem Belastungsbereich
zwischen Null und 40'% das Ventil 9 vollständig geschlossen und an .die Wicklung
lediglich diejenige Mindestmenge an Kühlmittel geliefert, die durch die verengte
Umgehungsleitung 711 fließt. Bei diesen verminderten Belastungen liefert die zusätzliche
Relaiseinrichtung 24, die auf die herabgesetzte Kühlmittelauslaßtemperatur anspricht,
eine pneumatische Steuergröße an die Relaiseinrichtung 22, wodurch -die Einstellung
des Ventils 10,so geändert wird, daß weniger Kühlmittel durch den Wärmeaustauscher
12 fließt u d dadurch die Temperatur .des Kühlmittels in der Einlaßleitung 7d erhöht
wird. Die Relaiseinrichtung 24 reguliert die Einstellung des Relais 22 so, daß die
Einlaßtemperatur einen höheren konstanten Wert annimmt als bei Generatorbedastungen
über 40'°/o. Diese Erhöhung :der Kühlmitteleinlaßtemperatur hat eine entsprechend
höhere Kühlmittel- und Wicklungsauslaßtemperatur zur Folge. Die Relaiseinrichtung
24 wird zweckmäßig. so eingestellt, daß der Anstieg der Einlaßtemperatur ungefähr
gleich der Hälfte des Betrages ist, um -den die A.uslaßtemperatur bei der verringerten
Belastung abfallen würde, wenn man die Einlaßtemperatur auf einem konstanten Wert
von 40° C hielte. Bei einer Belastung von 300% beispielsweise möge der erwartete
Abfall der Auslaßtemperatur 18° C betragen. Dieser Abfall wird jedoch durch Anheben
der Einlaßtemperatur um 9° C auf 49° C um die Hälfte (auf 81° C) reduziert. Auf
Bliese Weise wird die mittlere Wicklungstemperatur konstant gehalten.
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Die Änderung der Temperatur über die Länge der Wicklung bei verschiedenen
Belastungen ist diagrammatisch .in Fig. 1 b veranschaulicht. Dabei entspricht die
linke Seite des Diagramms der rechten Seite der Wicklung in Fig. 1 (d. h. der Saite
der Wicklung, wo die Flüssigkeit ein- und austritt), während die rechte Seite des
Diagramms der linken Seite der Wicklung in Fig. 1 entspricht. Man sieht, daß bei
Verwendung der oben beschriebenen Regeleinrichtung im größten Teil des normalen
Betriebsbereiches die örtlichen Temperaturänderungen, denen :die Leiter ausgesetzt
sind, gleich Null sind oder doch mindestens auf einen minimal kleinen Wert herabgesetzt
werden. Insbesondere wird sich die Änderung der Einlaß- und Auslaßtemperatur etwa
so verhalten, wie es in Fig. 1 c veranschaulicht ist.
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In Fällen, wo der Generator normalerweise mit einer Belastung oberhalb
40% betrieben wird oder wo der Temperaturabfall bei Belastungen unterhalb 4011/o
nicht kritisch ist, kann man eine Einrichtung von der in Fig. 2 gezeigten Art verwenden.
Diese Einrichtung ist im allgemeinen ähnlich der nach Fig.1, mit der einen Ausnahme,
daß keine Vorkehrungen getroffen sind, bei Belastungen unterhalb 4011/o der Vollast
die Einlaßtemperaturdurch eine entsprechende Einstellung des Ventils 10 zu ändern.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 2 ist etwa wie folgt:
Fig.2a veranschaulicht diagrammatisch den Betrieb mit konstanter Einl.aßtemperatur,
wobei durch Öffnen des Ventils 18 a in der Meßledtung vom Relais 18 und durch Betätigung
des Ventils 17a in der Meßleitung vom Relais 17 :das Ventil 9,in weit geöffneter
Stellung gehalten wird. Die Einrichtung hält nun die Einlaßtemperatur konstant,
während die Auslaßtemperatur mit wachsender Belastung progressiv ansteigt. Ist bar
keine Belastung vorhanden, so wird in der Wicklung keine Wärme erzeugt, und das
Kühlmittel behält seine konstante Temperatur durch die gesamte Wicklung, wie es
in Fig. 2 a durch die Kurve »0%« angedeutet ist. Bei einer Belastung von 100°/o
beträgt die Kühlmitteleinlaßtemperatur 40° C und steigt über die Länge der Wicklung
progressiv auf den maximalen Auslaßtemperaturwert von 90° C an. Bei verminderter
Belastung, entsprechend z. B. der 7511/o-Belastungskurve in Fig. 2 a, wird die maximale
Auslaßtemperatur beispielsweise auf ungefähr 68° C abfallen, wie gezeigt.
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Fig.2b veranschaulicht die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig.
2 für den Fall, daß sowohl die Eimaß- als auch die Auslaßtemperatur konstant gehalten
werden. Dies wird dadurch erreicht, daß sowohl das automatische Ventil 9 als auch
das automatische Ventil 10 in Betrieb gesetzt werden. Das Wärme@austauscherregelventi110
sorgt jetzt dafür, daß die Einlaßtemperatur konstant bleibt, während das Stellventil
9 die Kühlmittelauslaßtemperatur konstant hält. Wie im Zusammenhang mit Fig. 1 b
bemerkt, gibt es eine bestimmte Mindestbelastung, unterhalb der die in den Wicklungen
erzeugte Wärme nicht mehr ausreicht, die gewünschten konstanten Einlaß- und Auslaßtemperaturen
zu halten. In Fig. 2 b ist diese Mindestbelastung wiederum mit 4011/o engegeben.
Oberhalb dieses Wertes sorgt die Einrichtung in der angegebenen Weise dafür, @daß
sowohl (die Einlaß- als auch die Auslaßtemperatur konstant bleibt. Unterhalb dieses
Wertes fällt die Auslaßtemperatur mit sinkender Last auf den konstanten Wert der
Einlaßtemperatur ab, wie es durch die obere Kurve veranschaulicht ist. Im Belastungsbereich
unterhalb 4011/o ist das Regelventil 9 völlig geschlossen, und der Kühlmittelzufluß
wird durch die verengte Umgehungsleitung 711 bestimmt.
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In Fällen, wo es für wünschenswert erachtet wird, über den gesamten
Arbeitsbereich des Generators eine konstante mittlere Wicklungstemperatur aufrechtzuerhalten,
kann man die in Fig. 3 .gezeigte abgewandelte Ausführungsform verwenden, die im
wesentlichen in der gleichen Weise arbeitet wie die Einrichtung nach Fig. 1 bei
Belastungen unterhalb 4011/o. Die Ausführungsform nach Fig. 3 weist ein in der Einlaßleitung
7 angeordnetes Ventil 10 auf, das wie das Ventil 10 in Fig. 1 und 2 das aus der
Einlaßleitung 7 kommende Kühlmittel auf .die Umgehungsleitung 7c und die zum Wärmeaustauscher
12 führende Leitung 7 b aufteilt. Die Einlaßtemperatur des Kühlmittels wird
durch die Röhre 20 gemessen. Dadurch werden die Temperaturübertragungseinrichtung
21 und das Proportionalrelais 18 veranlaßt, einen der Kühlmitteleinlaßtemperatur
entsprechenden Meßwert abzugeben. Die Auslaßtemperaturdes Kühlmittels wird durch
die in der Auslaßleitung 8 befindliche Temperaturfühlerröhre 15 sowie die Temperaturübertragungseinrichtung
16 und das Proportionalrelais 17 gemessen. Die Übertrager 16 und 21- sowie die Verteiler-
und Nachstellrelais 17 und 18 sind ähnlich ausgebildet wie die gleichbezifferten
Teile in Fig. 1.
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Die von den Übertragern 16 und 21 gelieferten Meßwerte werden in einem
Rechenrelais 30 vereinigt. Das pneumatische Ausgangssignal des Relais 30 wird an
das Dreiwegventi110 übertragen, wodurch dessen Einstellung so vorgenommen wird,
@daß die Einlaßtemperatur des Kühlmittels geregelt wird. Das Relais
30
empfängt die Einlaß- und Auslaßtemperaturwerte des Kühlmittels, mittelt sie und
stellt das Ventil 10 so ein, daß eine konstante Durchschnittstemperaturzwischen
dem Einlaß und dem Auslaß der Wicklung 2 aufrechsterhalten wird.
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Zu beachten ist, daß das Drosselventil 9 in der Einrichtung nach Fig.
3 nicht vorhanden ist. Stattdessen wird von der Pumpe 6 eine im wesentlichen konstante
Kühlmittelmenge durch die Wicklung gepumpt.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig.3 wird aus dem folgenden
ersichtlich: Arbeitet der Generator mit voller Belastung, so ergibt sich gemäß Fig.
3 a eine ähnliche Vol.lastkurve wie in Fig. 1 b und 2a. Bei geringeren Belastungen
dagegen, wenn die Auslaßtemperatur abfällt, wird dieser Abfall von der Fühlerröhre
15 wahrgenommen und von der Temperaturübertragungseinrichtung 16 ein Meßwert an
das Relais 30 übertragen, wodurch das Ventil 10 so verstellt wird, daß sich die
den Kühler 12 umgebende Kühlmittelmenge erhöht und damit -die Einlaßtemperatur ansteigt.
Das Rechenrelais 30 ist so eingestellt, daß bei einem gegebenen Abfall der Auslaßtemperatur
die Einlaßtemperatur um die Hälfte des Betrages dieses Abfalles ansteigt mit dem
Ergebnis, daß sich der resultierende Abfall der Ausl:aßtemperatur um die Hälfte
verringert. Die Wicklungstemperaturen für verschiedene Belastungen sind in Fig.
3 a gezeigt. Auf diese Waise wird .die Durchschnittstemperatur der Wicklung im wesentlichen
konstant gehalten, und die örtlichen Temperaturschwankungen, denen die Leiter ausgesetzt
sind. werden um ungefähr die Hälfte verringert. Damit werden die mechanischen Beanspruchungen
der Isolation, die sich infolge der unterschiedlichen Wärmeexpansion und -kontraktion
bei wechselnden Belastungen ergeben, herabgesetzt.
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Man sieht, daß durch die vorliegende Erfindung Temperaturregeleinrichtungen
angegeben werden, durch die die mechanische Beanspruchung der Wicklungsisolation
wesentlich verringert werden kann, indem die Temperaturschwankungen in den Leitern
so klein wie möglich gehalten werden. Die Temperatur der Wicklung und der Isolation
wird dadurch geregelt, daß man den Fluß und die Temperatur des der Wicklung zugeleiteten
Kühlmittels unter vorbestimmten Belastungsbedingungen steuert. Die in der Isolation
auftretenden thermischen Änderungen hängen davon ab, welche der oben beschriebenen
Einrichtungen verNvendet wird und mit welcher Belastung der Generator arbeitet.
Jede der angegebenen Einrichtung führt dazu, .daß die Lebensdauer der Wicklungsisolation
erhöht wird, da die mechanischen Beanspruchungen der Isolation infolge unterschiedlicher
Wärmeausdehnung der Leiter wesentlich verringert werden.
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Während die oben beschriebenen Temperaturregeleinrichtungen hauptsächlich
dazu bestimmt sind, die Ableitung der durch die elektrischen Verluste in den Generatorleitern
während,des normalen Betriebes erzeugten Wärme zu steuern, sind diese Einrichtungen
auch insofern von Wert, als sie ein Vorheizen der Generatorwicklungen vor Betriebsbeginn
gestatten. Es ist klar, @daß beim Aufheizen der Leiter auf normale Betriebstemperatur
erhebliche Beanspruchungen infolge unterschiedlicher Wärmeexpansion auftreten, wenn
der Generator kalt ist. Arbeitet die Maschine während des Auftretens dieser Wärmespannungen
noch dazu mit hoher Drehzahl, so können die auf die Leiter und ihre Isolation ausgeübten
mechanischen Kräfte ein ganz erhebliches Ausmaß annehmen. Infolgedessen kann man
die Lebensdauer der Isolation zusätzlich dadurch erhöhen, daß man die Leiter sehr
sorgfältig vorwärmt, ehe der Rotor mit normaler Drehzahl zu laufen beginnt. Dies
kann man erreichen, indem man entweder den Wärmeaustauscher mit einer Heizflüssigkeit
beschickt, so daß die zirkulierende Kühlflüssigkeit gewärmt wird, oder indem man
den Behälter 5 mit einer elektrischen Heizwicklung 5 a
oder einer ähnlichen
Vorrichtung ausrüstet.
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Mit Hilfe derartiger Vorkehrungen kann man erhitzte Flüssigkeit durch
die direkt gekühlten Leiter des Generators zirkulieren lassen und die Leiter dadurch
auf normale Betriebstemperatur bringen, bevor der Rotor seine normale Arbeitsdrehzahl
erreicht. Wenn der Vorwärmvorgang genügend lang andauert, kann man, indem man in
der beschriebenen Weise den Statorwicklungen des Generators Wärme zuführt, erreichen,
daß Wärme durch Leitung und Konvektion zu den Rotorleitern gelangt, so daß auch
diese in den Genuß des Vorwärmens kommen, obwohl sie nicht wie die Statorleiter
direkt mit Wärme versorgt werden. Man kann also, indem man lediglich die Statorleiter
angemessen vorwärmt, die unterschiedlichen Wärmeexpansionen und -kontraktionen,
denen :die Leiter sowohl des Rotors als auch des Stators über den gesamten Betriebsbereich
des Generators ausgesetzt sind, minimal klein halten oder im wesentlichen ausschalten.
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Die im vorstehenden beschriebenen speziellen Ausführungsformen sind
lediglich als Beispiele gedacht, und die Erfindung läßt sich durchaus auch noch
in vielen anderen praktischen Ausführungsformen verwirklichen. So kann z. B. die
Temperaturübertragungs- und Relaiseinrichtung in mannigfaltiger Art ausgeführt sein,
und diese Einrichtung ist keineswegs auf die hier beschriebene spezielle Anordnungsweise
beschränkt. Ferner sind die für verschiedene Belastungen angegebenen Wicklungstemperaturen
lediglich als beispielhafte Werte aufzufassen. Ebenso kann das auf den Generatorstrom
ansprechende Regelelement 25 gemäß Fig. 1 .durch eine auf den Dampffluß nach der
den Generator treibenden Turbine ansprechende Vorrichtung ersetzt werden. Schließlich
sind die hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen für die Verwendung von
flüssigen Kühlmitteln gedacht, doch läßt sich die Erfindung ebensogut auf gasförmige
Kühlmittel von geeignetem Druck und geeigneter Dichte, so @daß sie die gewünschte
Wärmekapazität haben, anwenden.