-
Kühleinrichtung für elektrische Generatoren mit direkter Leiterkühlung
im Ständer und Läufer und Kühlgaszuführung in den Läufer vom Ständer aus Die Erfindung
bezieht sich auf elektrische Generatoren großer Leistung, insbesondere Turbogeneratoren
mit direkter Leiterkühlung der Wicklungen im Läufer und Ständer, bei der ein flüssiges
oder gasförmiges Kühlmittel durch axiale Kanäle in oder zwischen den Leitern der
Wicklung hindurchgeführt wird. Bei derartigen Maschinen ist unter Umständen eine
Begrenzung der Maschinenausnutzung durch den Läufer gegeben. Maßgebend ist hierfür,
daß in dem Läufer aus konstruktiven Gründen der Querschnitt der Kühlkanäle in erheblichem
Maße beschränkt ist. Diese kühltechnische Unterlegenheit bei Gaskühlung fällt besonders
ins Gewicht, wenn für die Ständerwicklung ein flüssiges Kühlmittel oder ein unter
einem höheren Druck stehendes gasförmiges Kühlmittel verwendet wird.
-
Es sind schon Vorschläge bekanntgeworden, die Läuferkühlung dadurch
zu verbessern, daß dem Läufer, um den störenden Einfluß der Gaserwärmung auszuschalten,
in den mittleren Bereichen ebenso wie in den Randzonen des Ballens frisches Kühlgas
zugeführt wird. Bei den bekannten Lösungen dieser Art werden für die Zuführung des
frischen Kühlgases zusätzliche Kanäle am Fuße der Läufernuten oder besondere Zahnkanäle
vorgesehen, durch welche frisches Kühlgas über entsprechend ausgebildete Umleitkanäle
den Kühlkanälen der Läuferleiter in der Mitte der Maschine zugeführt wird. Wenn
auch derartige Maßnahmen geeignet sind, dem Läufer, über seine Länge betrachtet,
in mehreren Bereichen Tellströme des aus dem Kühler kommenden Kühlgases zuzuführen,
so bedingen doch derartige Anordnungen erhebliche Komplikationen in der Ausbildung
des Läufers wegen der Anordnung der die gesonderte Zuleitung von Teilströmen des
Kühlgases ermöglichenden Kanäle.
-
Zur Verbesserung der Läuferkühlung sind weiter auch bereits andere
Kühlsysteme bekanntgeworden, bei denen gesonderten Abschnitten der Leiterkühlkanäle
des Läufers aus dem Luftspalt der Maschine Teilkühlströme zugeführt wurden. Dieses
unter dem Namen »Pickup-Kühlung« bekannte System zeichnet sich dadurch aus, daß
in dem Läufer bzw. dessen Zähnen schaufelförmige. Eintrittskanäle vorhanden sind,
die bei der Rotation aus dem Luftspalt das Kühlmittel entnehmen, welches den Leiterkühlkanälen
radial zugeleitet wird, anschließend abschnittsweise axiale Kanäle der Läuferleiter
durchfließt und schließlich wieder durch radiale Kanäle, in den Luftspalt austritt.
Ein derartiges System, bei dem gewissermaßen der erforderliche Druck für die Läuferkühlung
durch die Schaufeln bildenden kurvenförmigen Läuferkanäle selbst erzeugt wird, bedingt
eine sehr verwickelte und fertigungsmäßig schwierige Ausführung des Läufers, wegen
der zahlreichen von der Radialen abweichenden schaufelförmigen Kühlkanäle, die Zähne
bzw. Keile des Läufers durchschneiden.
-
Gegenstand der Erfindung ist eine verbesserte Läuferkühlung dieser
Art, bei der unter Vermeidung der vorerwähnten Nachteile eine außerordentlich wirksame
Läuferkühlung dadurch erreicht wird, daß im Läufer das gasförmige, Kühlmittel durch
axial hintereinanderliegende Abschnitte in den Kühlkanälen der Läuferwicklungsleiter
in mehreren parallelen Strömen durch ein vorzugsweise von der Maschinenwelle angetriebenes
Hoebdruckgebläse hindurchgetrieben wird, wobei in dem Luftspaltraum durch ringförmige
Sperrwandteile am Ständer und/oder Läufer voneinander getrennte, in axialer Richtung
abwechselnd aufeinanderfolgende Kühlmittelräume hohen und niederen Druckes vorhanden
sind, die über die radialen Kanäle des Ständerblechpaketes und weitere, Kanäle im
Gehäuse einerseits mit dem Druckraum hinter dem Hochdruckgebläse, andererseits mit
dem Saugraum vor dem Hochdruckgebläse der Maschine in Verbindung stehen und aus
bzw. zu denen über radiale Kanäle in der Läuferwicklung
und den
Nutenkeilen das Kühlmittel der Läuferwicklungsabschnitte strömt. Die erfindungsgemäße
Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß in mehreren Abschnitten des Läufers eine
hochwirksame geregelte Kühlung durch Teilströme des Kühlgas-.s herbeigeführt wird,
das durch einen vorzugsweise an einer Maschinenseite angeordneten Lüfter oder Verdichter
der Maschine umgewälzt wird. Das Lüftersystem dient hierbei gleichzeitig zum Kühlen
anderer Teile der Maschine, und zwar insbesondere des Eisenblechpaketkörpers. Dabei
sind die radialen Ständerkühlschlitze im Zuge des von dem Verdichter beaufschlagten
Läuferkühlkreises den unter verschiedenen Drücken stehenden Luftspaltkühlmittelräumen
vor- bzw. nachgeschaltet. Wenn auch in den als Zuleitung für den Läufer dienenden
Ständerkühlkanälen eine gewisse Anwärmung des Gases durch die Verlustwärme des Ständereisens
eintritt, so ist diese je-
doch im Verhältnis zu den gesamten Läuferverlusten
geringfügig, weil an sich nur die Hälfte der Ständereisenverluste für die Vorwärmung
des Gases vor dem Eintritt in den Läufer in Betracht kommt.
-
Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert werden.
-
F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt bzw. eine Seitenansicht eines
erfindungsgemäß ausgebildeten Generators; F i g. 2 gibt ausschnittsweise
einen Querschnitt durch einen Teil von Läufer und Ständer wieder; F i
g. 3 zeigt vergrößert einen Längsschnitt bzw.
-
einen Luftspaltaussehnitt der Maschine; in F i g. 4 ist ein
Querschnitt durch die in Nuten liegende Läuferwicklung wiedergegeben; in F i
g. 5 schließlich ist noch ein weiterer Luftspaltausschnitt für eine
gegenüber F i g. 3 abgewandelte Ausführungsform wiedergegeben.
-
In Fig. 1 bedeutet 1 den Ständereisenkern eines großen
für Turbinenantrieb ausgebildeten Generators. Dieser ist in einem Rahmenkörper2
gehalten und von dem äußeren gasdichten Gehäuse 3 eingeschlossen. 4 sind
radiale Kühlkanäle zwischen den Lamellenpaketen des Eisenkörpers. In Nuten
5 des Ständerblechpaketes liegt die Wicklung, die aus Halbspulen oder Leiterstäben
6 aufgebaut ist. Die verdrillten Teilleiter der Halbspulen oder Stäbe
6 werden durch ein Kühlmittel gekühlt, das durch rohrförmige Kanäle
8 aus Widerstandsmaterial hindurchgeführt ist (vgl. F i g. 2). Die
Kanäle 8 sind zwischen den Teilleiterreihen 7 angeordnet. Zur Vermeidung
von Wirbelströmen sind sowohl die Teilleiter wie die Kühlkanäle 8 voneinander
isoliert. Die Kühlkanäle 8
erstrecken sich über die ganze Länge der Leiterstäbe
oder Halbspulen. 9 bedeutet noch eine äußere Stabisolierung, die entsprechend
der Wicklungsspannung gegen Erde bemessen ist. 10 sind die Nutenkeile.
-
Der Rotor 11 ist innerhalb der Bohrung des Eisenpaketes
1 angeordnet und von letzterem durch den Luftspalt getrennt. 12 sind die
in den Lagerschilden angeordneten Lager. Um das Maschinengehäuse gasdicht abzuschließen,
sind öldichtungen 13 vorgesehen. 14 sind die Nuten des Läuferkörpers, in
denen die Feldwicklung 15 liegt. Die Leiter der Wicklung 15 sind achsparallel
durch die Läufemuten geführt und in ihren Stirnkopfteilen 16 durch Läuferkappen
17 üblicher Ausbildung gegen Fliehkräfte gesichert. Die Läuferwicklung besteht
aus einer Anzahl von isolierten Windungen. Die Leiter sind aus je
zwei etwa
U-förinig ausgebildeten Teilleitern 18 zusammengesetzt, die mit ihren Schenkeln
so aneinander gelegt sind, daß Längskanäle 19 zwischen den Leitern gebildet
werden. Diese durchziehen sowohl den Läufer wie die Wickelköpfe. 20 sind etwa U-förmig
gebogene Nutisolierkörper. Am äußeren Umfang sind die Nuten durch Keile 22 abgeschlossen,
wobei zwischen diesen und den Nutenleitern noch kräftige streifenförmige Isolierschichten
21 eingeschaltet sind. Die Kanäle 19 der Läuferwicklung sind - wie
später näher erläutert wird - in geeigneter Weise mit radialen Anschlußkanälen
versehen, die den Ein- und Austritt des gasförmigen Kühlmittels möglich machen.
23 bedeutet ein der Rotorwelle zugeordnetes Axialgebläse. Indessen kann auch
eine andere Gebläseart, z. B. ein Radialgebläse, vorgesehen werden. In üblicher
Weise hat die Gasfüllung der Maschine einen höheren statischen Druck, beispielsweise
der Größenordnung von 2,5 bis 6 atü.
-
Wie vorher erwähnt war, wird es bei größeren Maschinenleistungen schwierig,
mit wachsender Maschinenlänge eine ausreichende Gasmenge durch die langen Läuferkühlkanäle
19 von einem zum anderen Maschinenende oder von den Maschinenenden bis zur
Maschinenmitte hindurchzudrücken, da die Läuferkühlkanäle nur mit einem verhältnismäßig
kleinen Strömungsquerschnitt ausgeführt werden können.
-
Erfindungsgemäß wird daher dem Läufer in einer größeren Anzahl von
verhältnismäßig kurzen axialen Abschnitten das Kühlgas in Teilströmen durch das
Gebläse 23 zugeführt, so daß die Leiter der Läuferwicklung, über ihre in
dem Läuferkörper liegende Länge betrachtet, wiederholt mit frischem Kühlgas beaufschlagt
werden. Hierdurch wird gewährleistet, daß innerhalb der Läuferwicklung wegen der
nach der Erfindung begrenzten Länge der einzelnen Läuferteilkanäle eine größere
Gasanwärmung und damit in größerem Urnfange voneinander abweichende Temperaturen
der Stäbe vermieden werden sowie die Belastbarkeit wesentlich gesteigert wird. Um
die angestrebte zwangläufige Kühlung sicherzustellen, wird der Luftspalt in eine
Mehrzahl von ringförmigen Abschnitten unterteilt. Zu diesem Zwecke sind in dem Luftspalt
Sperrwandteile von ringförrniger Ausbildung vorgesehen.
-
In den aneinander angrenzenden Luftspaltabschnitten werden verschiedene
Gasdrücke herbeigeführt, derart, daß das Kühlmittel aus den Ab-
schnitten
höheren Druckes über die in dem Läuferkörper vorhandenen Radial- und Axialkanäle
in die bschnitte niederen Druckes strömen kann. In der Zeichnung bedeutet 24 die
an dem Statorkern angebrachten ringförinigen Wände und 25 die am Umfang des
Läuferkörpers vorgesehenen entsprechenden Sperrwände. Die ringförmigen Wandteile
24 und 25
können eine beliebige Ausbildung besitzen, wie im folgenden an Hand
von Beispielen näher erläutert wird. Sie sind in gleichen Radialebenen derart angeordnet,
daß nur ein kleiner Luftspalt zwischen ihnen vorhanden ist. In dem Ausführungsbeispiel
sind insgesamt fünf Kühlabschnitte vorgesehen, was die Anordnung von Sperrwänden
24, 25 an vier Stellen des Luftspaltes erfordert.
-
Wie besonders F i g. 4 näher erkennen läßt, werden die Läuferkanäle
durch die radialen Bohrungen 26
in den Keilen 22 und Leitern 18 sowie
die Längskanäle 19 gebildet. Das Kühlgas verläuft in der durch Pfeile angedeuteten
Weise von einem Abschnitt des
Luftspaltes zu einem angrenzenden
Abschnitt durch die Radialkanäle 26 und die Axialkanäle 19 der Rotorleiter.
Diese Gasströmung wird dadurch hervorgerufen, daß abwechselnd Abschnitte des Luftspaltes
mit der Hochdruckseite und andererseits die übrigen Abschnitte mit der Niederdruckseite
des Gebläses verbunden sind.
-
Die notwendige Gasströmung in dem Maschinengehäuse 3 wird durch
entsprechende Leitwandteile herbeigeführt. 27 bedeutet einen in dem rechten
Wickelkopfraum der Maschine angeordneten Wandteil, durch welchen der Lüftereintritt
und der Lüfteraustritt voneinander getrennt sind. Das auf der Hochdruckseite des
Gebläses austretende Gas wird zunächst durch den konischen Wandteil 28 dem
Kühler 29 zugeführt. Aus dem Hochdruckraum 30 hinter dem Kühler kann
das Gas über ein sich axial über den Ständerrücken der Maschine erstreckendes Kanalsystem
31 einer Hochdruckzone 32 am gegenüberliegenden Maschinenende zugeführt
werden. Aus dem Druckraum 32 an dem gegenüberliegenden Maschinenende wird
das Kühlgas unter Führung durch den konischen Leitwandteil 34 dem Wickelkopfraum
16 der Rotorwicklung auf der linken Maschinenseite zugeführt, von wo das
Kühlmittel in die Kanäle 19
der Läuferwicklung eintritt. Ein abgezweigter
Teil des Kühlgases wird von der Hochdruckseite 30 zum Teil durch die Kanäle
33 radial innerhalb des Gebläses dem Wickelkopfraum 16 der Läuferwicklung
zugeführt. Auf diesem Wege gelangt ein Teil der Kühlluft auf der Lüfterseite in
die Läuferkanäle 19.
-
Außerdem wird das Hochdruckkühlgas durch öffnungen 35 des Kühlkanalsystems
31 einer Anzahl von Ringräumen zugeführt, die an der Außenseite des Ständereisenkerns
durch die Gehäuseringe 2 begrenzt sind. Wie die Figur erkennen läßt, werden die
beiden den Stirnseiten des Eisenkörpers benachbarten Ringräume mit Hochdruckgas
beaufschlagt. In den mittleren Ringraum wird jedoch aus dem Kanalsystem
31 kein Kühlgas eingeführt. Das den Ringräumen in der angedeuteten Weise
zugeführte Kühlgas gelangt sodann durch die radialen Kühlschlitze 4 des Blechpaketes
in den Luftspalt, wobei zunächst der Eisenkörper der Maschine gekühlt wird. Die
Endzonen des Luftspaltes sind nach den Stirnseiten des Eisenkörpers zu offen. Sie
münden in Zonen niederen Druckes im Wickelkopfbereich der Maschine. Die beiden Niederdruckzonen
36 sind durch axial verlaufende Kanäle 37 des Gehäuses verbunden und
stehen in direkter Verbindung mit der Eintritts- oder Niederdruckseite. des Gebläses
23.
Der mittlere Abschnitt des Luftspaltes ist zur Ab-
führung des Kühlgases
aus diesem Bereich der Maschine ebenfalls durch radiale Kanäle 4 in dem Eisenkörper
mit dem mittleren Ringraum des Ständerrahmens verbunden, der seinerseits durch Öffnungen
38 in die erwähnten Niederdruckkanäle 37 einmündet.
-
In der F i g. 1 ist durch Pfeile die Strömung des Kühlgases
veranschaulicht, das aus den Luftspaltabschnitten höheren Druckes durch die Läuferkanäle
in solche niederen Druckes bzw. die Endabschnitte des Luftspaltes überströmt.
-
Von wesentlicher Bedeutung für das erfindungsgemäße Kühlsystem ist
die Unterteilung des Luftspaltes in Ringzonen durch ringförmige Sperrwandteile 24,
25, die am Läufer and Ständer angeordnet sind. Diese ringförn-iigen Sperrwandteile
können eine verschiedenartige Ausbildung besitzen. Beispielsweise können die Sperrwandteile,
25 des Läufers durch Ringe aus nichtmagnetischem Material gebildet werden,
die durch Schrumpfen oder in anderer Weise an der Läuferoberfläche befestigt sind.
-
Die ringförmigen, dem Ständer zugeordneten Sperrwandteile 24 können
ebenfalls als zusammenhängender Ringkörper ausgebildet sein, der in irgendeiner
Weise an dem Ständereisenkern befestigt ist. Eine abweichende vorteilhafte Ausführungsform
ist in den F i g. 2 und 3 dargestellt. Hierbei besteht jeder der ringförmigen
Sperrwandteile 24 aus einer Anzahl von Segmenten 40, die aneinander angrenzen und
einen zusammenhängenden Sperrwandkörper bilden. Jedes der Seginente 40 hat einen
schwalbenschwanzförnügen Fuß- oder Halteteil 41, der damit verbunden ist und in
entsprechend ausgebildete Teile der Nuten 5 des Ständerkörpers
1 eingepaßt wird. Die Halteteile 41 können in den Nuten 5 verkeilt
sein oder durch Verriegelungselemente 42 gehalten werden, wodurch gleichzeitig eine
Sicherung der Befestigung ermöglicht wird. Die Segmente 40 können lösbar angeordnet
werden, wobei sie durch Längsverschiebungen in den Nuten 5 bewegt werden.
Wenigstens eines der Segmente am Ende des Kerns sollte auf dem angegebenen Wege
lösbar sein, um Kufen für den Ausbau des Läufers anbringen zu können. Die Rotorsperrwandteile
25 können eine ähnliche Konstruktion haben, wie in F i g. 2 und
3
angedeutet ist. Sie bestehen dann ebenfalls aus einer Mehrzahl von hohlen
Segmenten 43 mit schwalbenschwanzförmigen Füßen oder Halteteilen 44, die in entsprechend
ausgebildete Teile der Nuten 14 des Läufers passen und durch Keile oder sonst in
geeigneter Weise befestigt werden, z. B. durch Verriegelungslaschen 45.
-
Der äußere Durchmesser der Läufersperrwandteile 25 muß wenigstens
so groß wie der Durchmesser der Kappen 17 sein, um das Einschieben des Uäufers
in die Ständerbohrung bzw. die Entfernung daraus zu ermöglichen.
-
F i g. 5 zeigt ein abweichendes Ausführungsbeispiel für die
Gestaltung der ringföm-)igen Sperrwandteile. Bei diesem bestehen die Ständersperrwandteile
aus ringförmigen Hohlkörpem 46 aus Gummi oder anderem elastischem Material (Silikongummi).
Diese ringförmigen Sperrwandteile 46 können an schwalbenschwanzförmigen Halteteilen
47 befestigt werden, die in den Statornuten 5 durch Keile 48 gesichert sind.
Normalerweise werden die mit Hohlräumen ausgeführten Wandkörper 46 - wie
in der Figur gczeigt - mit Druckluft, einer geeigneten Flüssigkeit oder einem
plastischen Füllstoff angefüllt. Das Volumen kann durch Entfernen des Fülln-littels
wesentlieh verringert werden, um den Ein- und Ausbau des Läufers zu erleichtern.
Die Läufersperrwandteile können in diesem Fall in der gleichen Weise ausgebildet
werden, wie in F i g. 2 und 3 dargestellt ist.
-
Wie schon hervorgehoben, ist die erfindungsgemäße Läuferkühlung von
besonderer Bedeutung für Maschinen mit direkter Ständerkühlung. Diese wird dadurch
erreicht, daß den Kanälen der Ständerwicklung über die Sammelleitung 50 und
Isolierrohre 52 ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel zugeleitet wird,
welches über die Anschlußstücke 53 den Kanälen 8 der Ständerspulen
zuströmt. An dem lüfterseitigen Maschinenende fließt das Kühlmittel über die Anschlußstücke
53 und Rohrkanäle 54 aus
Isoliermaterial in die ringförmige
Sammelableitung 51 zurück. Das Kühlmittel für die Ständerwicklung wird mittels
einer äußeren Pumpe 55 umgewälzt, die das Kühlmittel von der Maschine durch
einen Kühler 56 fördert. 57 und 58 sind noch Leitungen, durch
welche das Kühlmittel den Sammelkanälen 50 bzw. 51 zugeführt bzw.
abgeleitet wird. Wie schon erwähnt war, kann für den gesonderten Kühlkreis der Ständerwicklung
eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, oder ein Gas von etwa 20 atü oder höherem Druck
Anwendung finden.