DE1117210B - Einrichtung zur Verhinderung von Dampfbildungen bei der Fluessigkeitskuehlung elektrischer Maschinen und Apparate, insbesondere bei Turbogeneratoren grosser Leistung - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Verhinderung von Dampfbildungen bei der Flüssigkeitskühlung elektrischer Maschinen und Apparate, insbesondere bei Turbogeneratoren großer Leistung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verhinderung von Dampfbildungen bei der Flüssigkeitskühlung elektrischer Maschinen und Apparate, insbesondere bei Turbogeneratoren großer Leistung, die gekühlte Leiterstäbe besitzen. Das bevorzugte Kühlmedium ist Wasser.
• Es ist bekannt, in den Leiternuten von Turbogeneratoren Kühlkanäle vorzusehen oder die Leiter selbst hohl auszubilden. Als flüssiges Kühlmedium hat man mineralische öle, halogenhaltige Isolierflüssigkeiten und Wasser verwendet. Es ist auch bekannt, das Kühlmittel in den Kühlkanälen verdampfen zu lassen, um die Wärmekapazität des Kühlmittels um die ,Verdampfungswärme zu vergrößern.
• Bei der Flüssigkeitskühlung von Generatorläufem treten infolge der zum Teil beträchtlichen Zentrifu-`galkräfte erhebliche Schwierigkeiten auf. Die Zentrifügal- und Corioliskräfte führen zu erheblichen Druckdiffere,nzen in den Kühlkanälen, so daß die Gefahr besteht, daß an bestimmten Stellen der Druck unter den Dampfdruck der Kühlflüssigkeit bei der herrschenden Temperatur sinkt. Eine Dampfbildung in den Kühlkanälen des Läufers kann zu gefährlichen Unwuchterscheinungen und lokalen Überhitzungen führen.
• Es ist bekannt, daß man die, Siedetemperatur von Flüssigkeiten durch Druckerhöhung heraufsetzen kann und daß der Druck der Kühlflüssigkeit in einem Generatorläufer an keiner Stelle unter den Verdampfungsdruck sinken darf. Die für den ungünstigsten Fall erforderlichen hohen Drücke erfordern je- doch einen beträchtlichen Energieaufwand zu ihrer Erzeugung, so daß die Wirtschaftlichkeit verringert wird.
• Bei Verwendung von Wasser als Kühl#medium ist ein gewisser überdruck wünschenswert, um die Ternperaturbeständigkeit der neuzeitlichen Isolierwerkstoffe voll ausnützen zu können. Die Abhängigkeit der Siedetemperatur des Wassers vom Druck ist bekannt.
• Durch die Erfindung soll eine Einrichtung zurVerhinderung von Dampfbildunge-n bei der Flüssigkeitskühlung elektrischer Maschinen und Apparate, vorzugsweise des Läufers eines Turbogenerators großer Leistung, durch Aufrechterhaltung eines über dem Verdampfungsdruck der Kühlflüssigkeit liegenden Kühlmitteldruckes angegeben werden, die ein sicheres Arbeiten gewährleistet und ein Minimum an Umwälzleistung für die Kühlflüssigkeit benötigt. Dies wird gemäß der Erfindung erreicht durch die Anordnung von Regulierventilen in den unter erhöhtem Druck stehenden Flüssigkeitszuführungsleitungen zur Steuerung des Einlaßdruckes auf einen der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanälen entsprechenden, Wert und durch weitere Regulierventile in den Auslaßleitungen zur Rezelti,n2 des Auslaßdruckes auf einen ein Sieden der Kälflüs-Sigkeit bei der Auslaßtemperatur verhindernden Wert.
• Die Erfindung soll nun an Hand von KÜhlsysternen für Turbogeneratoren in Verbindung mit der Zeichnung beispielsweise erläutert werden; es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kühlsysterns, das sich besonders für Wasser als Kühlmittel eignet, g und Fig. 2 eine schematische Darstellung eines abgewandelten Flüssigkeitskühlsystems gemäß der Erfindung.
• Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Der Generator enthält einen nur schematisch angedeuteten Läuferl und Ständer2. Der Läufer enthält einen Kühlkanalla, der Ständer einen Kühlkana12a; natürlich können in Wirklichkeit beliebig viele solcher Kühlkanäle vorhanden sein. Die Kühlkanäle des Stators werden aus einem ringförmigen Verteilerrohr2b gespeist, das verbrauchte Kühlmittel wird von einem entsprechenden Sammekohr2c aufgenommen. Dem Läufer wird das Kühlmittel, in diesem Fall Wasser, über eine Ringdichtunglb von einem ersten Einlaßrohr - le zugeführt und über eine entsprechende Ringdichtungld abgeleitet.
• Das Kühlwasser wird aus einem Vorratsbehälter3 durch eine Pumpe4 in einen Wärmeaustauscher5 aefördert, strömt von dort zu einem Entionisator6 und anschließend durch eine Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 7 und Filter 8. Es können, wie dargestellt, zwei Filter8 parallel geschaltet sein, die über Ab- sperrventile wahlweise einschaltbar sind, so daß ein Filter regeneriert werden kann, während das andere in Betrieb ist. Der Entionisator6 und der Wärmeaustauscher5 sind mit Nebenschlußleitungen versehen; die Nebenschlußleitung zum Wärmeaustauscher kann in an sich bekannter Weise dazu dienen, die Kühlwirkung zu verändern.
• Vom Filter strömt die. Kühlflüssigkeit über eine Abzweigleitung 8 a zum Verteilerrohr 2 b des Ständers und über eine Abzweigleitung 8b und eine zur Druckerhöhung dienende Pumpe9 zur Einlaßleitung le für den Läufer. Die verbrauchte KühMüssigkeit vom Läufer strömt über eine Leitung le und vom Ständer über eine Leitung2d zum Vorratsbehälter zurück.
• Das Kühlsystern enthält verschiedene Regulierventile und Nebenschlußleitungen zur Aufrechterhaltung der gewünschten Drücke im Läufer- und Ständerkreislauf. Die Ständerspeiseleitung8a und die zum Vorratsbehälter führendeAbflußleitung3a sind durch eine ein Regulierventi18c enthaltende Nebenschlußleitung8d verbunden. Das Venti18c kann beispielsweise so gesteuert werden, daß der Druck in dem Verteilerrohr 2 b zwischen etwa 4,22 bis 7,03 kp cm72 liegt. Der Speisedruck für den Läufer wird durch ein Ventil 8 e gesteuert, das in einer Nebenschlußleitung8f liegt, die die Speiseleitung1c mit der Abflußleitung3a verbindet. Das Venti18e kann beispielsweise auf einen Druck zwischen etwa 10,5 und 21,1 kp CM-2 eingestellt sein.
• Zur Einstellung der gewünschten Druckverhältnisse im Gesamtkreislauf dienen zusätzliche Druckregelventile, nämlich ein Ventillf in der an den Läuferauslaß 1 d angeschlossenen Leitung 1 e und ein entsprechendes DruckregelventU2e in der Abflußleitung 2 d für den Ständer. Diese Ventile halten die gewünschten Drücke am Auslaß des Läufers und Ständers aufrecht und damit die gewünschten Minimaldrücke in den Kühlkreisläufen.
• Bei der beschriebenen Einrichtung wird durch die Ventile lf und 2e sichergestellt, daß der Druck überall im Kühlsystem oberhalb eines gewünschten Minimaldruckes liegt, während durch die Ventile 8 c und 8e ein genügend hoher Einlaßdruck gewährleistet wird, um die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit für das Kühlmittel sicherzustellen.
• Der im Kühlkreislauf herrschende Druck ist erheblich höher als bei den bisher in Betrieb befindlichen Anlagen, er soll im Ständer und Läufer mindestens 2, 11 bis 2,81 kp CM-2 betragen und kann Werte bis zu 10,5 kp cm-2 erreichen. Bei diesen Drücken wird die Siedetemperatur des Wassers so weit erhöht, daß die Temperaturfestigkeit der verwendeten Isolierwerkstoffe ausgenützt werden kann, ohne die Bildung von Dampftaschen befürchten zu müssen. Der im gesamten Kühlmittelkreislauf herrschende Minimaldruck läßt sich auf verschiedene Wzise erzeugen. Man kann beispielsweise einfach in den Vorratsbehälter 3 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, d. h. in den Raum 3 b, über ein Regulierventil 3 d ein unter Druck stehendes Gas, beispielsweise ein inertes Gas, wie Stickstoff oder Wasserstoff, einleiten. Das Gas bildet dann ein kompressibles Druckpolster, das die Druckschwankungen im Flüssigkeitskreislauf aufnimmt. Der Druck im Vorratsbehälter3 kann durch Einstellung des Ventils 3 d beliebig geändert werden. Wenn eine Mischung der Flüssigkeit mit dem unter Druck stehenden Gas vermieden werden soll, kann man im Behälter 3 ein elastisches Wellrohr 10 anordnen, in das über eine ein Druckreculierventil 10 b enthaltende Leitung 10a ein Gas, wie Luft, oder eine Flüssigkeit, wie Wasser oder öl, unter Druck eingeleitet wird. Der im Wellrohr 10 herrschende Druck beeinflußt dessen Volumen und damit den Druck des Kühlmittels im geschlossenen Vorratsbehälter 3 und dem angeschlossenen Kühlsystern.
• Das Kühlwasser wird durch die Pumpe 4 umgewälzt. Die Anordnungen3c, 3d oder 10, 10a, 10b (re,währleisten den im System herrschenden Minimaldruck, während die Pumpe4 den zur überwindung der Flüssigkeitsreibung nötigen Druck liefert. Die Pumpe 9 erhöht den Kühlwasserdruck auf den für die Läuferkühlung erforderlichen Wert. Diese Pumpe ist nötig, da die starken Zentrifugalkräfte in den Kühlkanälen des Läufers hohe Druckdifferenzen zur Folge haben können, die die Gefahr einer Verdampfung des Kühlwassers an bestimmten Stellen im Läuferkreislauf mit sich bringen. Der Speisedruck für den Läufer kann ein Mehrfaches des Speisedruckes für den Ständer betragen.
• Bei dem in Fig. 1 dargestellten Kühlsystem stehen der Vorratsbehälter und alle Kühl- und Abflußleitungen unter einem Druck oberhalb des gewünschten Minimaldruckes. Dies ist bei dem in Fig. 2 schematisch dargestellten Kühlsystein nicht der Fall, so daß dieses unter Umständen zweckmäßiger sein kann. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Kühlsystem stehen der Vorratsbehälter3,b, der Wärineaustauscher5, der Entionisator6 und die FiIter8 nur unter einem so hohen überdruck, daß die Kühlflüssigkeit diese Vorrichtungen durchfließen kann, während die Pumpe 11 den gesamten Druckanstieg liefert, der zur Erzeugung des Speisedruckes für die Statorkanäle erforderlich ist. Die Pumpe 9 erzeugt auch hier wieder die für die Rdtorkanäle noch erforderliche Druckerhöhung. Im übrigen stimmen Fig. 2 und Fig. 1 im wesentlichen überein.
• Das in Fig. 2 dargestellte Kühlsystern hat den Vorteil, daß praktisch nur die Kühlkanäle im Generator unter erhöhtem Druck stehen, während sich ein großer Teil des Kühlsystems auf einem sehr viel niedrigeren Druck befindet, der nicht oder nur wenig oberhalb des Atmosphärendruckes liegen muß.
• Der Vorratsbehälter 3 b kann an eine Dampfabsaugpumpe 12 zur Abführung von nicht kondensierbaren Gasen verbunden sein. Der Vorratsbehälter dient dann auch als Entlüftungstank, in dem die nicht kondensierbaren Gase aus der Kühlflüssigkeit abgeschieden und durch die Pumpe 12 abgeführt werden. Hierdurch wird ebenfalls die Gefahr der Bildung von Dampftaschen in den Läuferkühlkanälen verringert.
• An Stelle von Wasser kann als Kühlmittel in den Kühlsystemen nach der Erfindung auch eine andere Kühlflüssigkeit Verwendung finden, beispielsweise Äthylen-Glykol, flüssige Fluor-Kohlenstoffverbindungen oder Silikonöle.
• Der in den Läufer- und Ständerkanälen aufrechtzuerhaltende Druck hängt von vielen Faktoren ab. In den Ständerkanälen braucht der Druck nur so hoch sein, daß eine merkliche Dampfbildung bei der gewünschten Betriebstemperatur vermieden wird. Bei der Bestimmung des Druckes für den Läuferkreislauf sind dagegen der Verlauf der Kühlkanäle, die Läuferdrehzahl und die Zentrifugalkräfte in Rechnung zu setzen. Der für den Läufer erforderliche Druck kann leicht das Drei- oder Vierfache des Ständerdruckes betragen. Die oben beschriebenen Einrichtungen erlauben die gewünschten Drücke überall einzustellen.
• Natürlich ist es nicht notwendig, sowohl den Ständer als auch den Läufer mit einer Flüssigkeitskühlung gemäß der Erfindung auszurüsten. So kann man beispielsweise lediglich den Ständer mit einer Kühleinrichtung gemäß der Erfindung versehen und für den Läufer eine übliche Wasserstoffkühlung vorsehen oder umgekehrt.
• Die zur Druckerhöhung dienende Pumpe 9 kann entfallen, wenn die Kanäle im Läufer so ausgebildet sind, daß der zur Vermeidung einer Dampfentwicklung nötige Druck durch die Zentrifugalkräfte erzeugt wird.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zur Verhinderung von Dampfbildungen bei der Flüssigkeitskühlung elektrischer Maschinen und Apparate, vorzugsweise des Läufers eines Turbogenerators großer Leistung, durch Aufrechterhaltung eines über dem Verdampfungsdruck der Kühlflüssigkeit liegenden Kühlmitteldruckes, gekennzeichnet durch die Anordnung von Regulierventilen (8 c; 8 e) in den unter erhöhtem Druck stehenden Flüssigkeitszuführungsleitungen zur Steuerung des Einlaßdruckes auf einen der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanälen entsprechenden Wert und durch weitere Regulierventile (lf; 2e) in den Auslaßleitungen zur Regelung des Auslaßdruckes auf einen ein Sieden der Kühlflüssigkeit bei der Auslaßtemperatur verhindernden Wert.
2. 2. Einrichtung nach Ansprach 1 für einen Turbogenerator, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel in an sich bekannter Weise mittels einer Pumpe durch die Ständer- und Läuferwicklungen und einen Wärineaustauscher im Umlauf gehalten wird. 3. Einrichtung nach Ansprach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlosseneKühlmittelkreislauf einen Flüssigkeits-Vorratsbehälter (3) enthält, in den ein unter Druck stehendes Gas eingeleitet wird. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf, vorzugsweise in dem Vorratsbehälter (3), ein veränderlicher Verdrängungskörper (10) zur Steuerung des im Kreislauf herrschenden Minimaldruckes vorgesehen ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 708 211; schweizerische Patentschrift Nr. 273 211; »Deutsche Elektrotechnik«, 1958, S. 128 bis 132.