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Gasgekühlter Rotor für eine dynamoelektrische Maschine Die Erfindung
betrifft einen gasgekühlten Rotor für eine dynamoelektrische Maschine mit einem
zylindrisehen Rotorballen, in dessen Leiternuten konzentrisehe Feldwicklungen mit
Kühlkanälen angeordnet sind und in dem sich zusätzliche axiale Kühlnuten zur Führung
eines Kühlgases befinden.
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Es ist bereits bekannt -, zur Kühlung von Rotoren im Rotorballen Kühlnuten
vorzusehen, die mit Verschlußkeilen abgedeckt sind. Es ist weiterhin bekannt, das
Kühlmedium von beiden Seiten in die Kühlnuten im Rotor eintreten zu lassen und durch
Teile des Nutenkeiles in Rotormitte ausströmen zu lassen.
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Bei großen elektrischen Generatoren hat sich herausgestellt, daß bei
Rotoren, die im kalten Zustand ein gutes mechanisches Gleichgewicht aufweisen, bei
Arbeitstemperatur anomale Schwingungen auftreten. Die häufigste Ursache dieser thermischen
Unsymmetrie ist eine ungleiche Temperaturverteilung am Rotorumfang, wodurch eine
ungleiche axiale Ausdehnung der Rotorwelle hervorgerufen wird. In Fällen geringer
therinischer Unsymmetrie ist es meistens möglich, den Rotor mechanisch für eine
mittlere Belastung und Temperatur wieder in Gleichgewicht zu bringen und so ein
befriedigendes mechanisches Gleichgewicht über den ganzen Bereich der Betriebstemperatur
zu erhalten. Bei größerer thermischer Unsymmetrie reicht das alleinige mechanische
Ausrichten häufig nicht aus, diese Unsymmetrie zu beheben. Bisher wurde in den meisten
Fällen zum thermischen Ausrichten der Rotoren der Fluß des Kühlmediums in den Kühlleitungen
des Rotors gedrosselt. Dieses Verfahren kann jedoch nur bei Rotoren mit entsprechender
Temperaturanstiegsspanne angewendet werden. Weiterhin erfordert selektives Drosseln
des Gasflusses bei Rotoren, die durch unmittelbaren Kontakt des Kühlmediums mit
den elektrischen Leitern gekühlt werden, jedesmal das Herausnehmen des Rotors aus
dem Stator, wenn das thermische Gleichgewicht einer Prüfung unterzogen wird. Dieses
ist ein sehr kostspieliges und langwieriges Verfahren wegen der großen Abmessungen
der Maschinen. Da im allgemeinen zwei oder mehr Prüfungen erforderlich sind, um
ein befriedigendes thermisches Gleichgewicht zu erhalten, wird dieses Verfahren
als untragbar angesehen.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen gasgekühlten Rotor
der obenerwähnten Gattung zu schaffen, bei dem diese Nachteile vermieden werden
und bei dem die thermische Symmetrie auf verhältnismäßig einfache Weise hergestellt
werden kann.
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Hierzu sieht die Erfindung vor, daß die zusätzlichen axialen Kühlnuten
im Rotorballen in an sich bekannter Weise durch mit Auslaßöffnungen versehene Nutverschlüsse
verschlossen sind und daß Ventile zur Regelung der Zuströmung von Kühlgas in die
thermische Ausgleichsleitungen bildenden zusätzlichen axialen Kühlnuten vorgesehen
sind.
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Diese erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, ungleichen Wärmetransport
in den verschiedenen Teilen des Rotors zu kompensieren und somit bei allen Temperaturen
eine thermische Symmetrie herzustellen, ohne den Rotor vom Stator entfernen zu müssen.
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Dabei kann vorgesehen sein, daß die Ventile mindestens an einem Ende
des Rotors angeordnet sind, und zwar in der Nähe desselben, und daß in jeder thermischen
Ausgleichsleitung Ventile angeordnet sind.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, daß jedes Ventil einen derart im Rotorballen
drehbaren Ventilkörper enthält, welcher durch den Nutverschluß der thermischen Ausgleichsleitung
und quer in dieAusgleichsleitung hineinragt und der Ventilkörper durchgehende öffnungen
aufweist, die bei Drehung des Körpers mit der Leitung fluchtend eingestellt werden
können, und daß der Ventilkörper aus einem mit einem Schraubgewinde versehenen Bolzen
besteht, der einen größeren
Durchmesser aufweist als die Breite
der thermischeu Ausgleichsleitung.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein,
daß der Rotor wenigstens nahe einem Ende des Rotorballens eine Druckkammer aufweist,
die mit den Kühlleitungen und den thermischen Ausgleichsleitungen im Rotorballen
in Verbindung steht. Derartige Druckkammern sind an sich bekannt.
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Dabei kann vorgesehen sein, daß die Druckkammein von Wickelkopfkappen,
die am Rotorballen anschließen und sich axial nach außen erstrecken, und an diese
am äußeren Ende radial nach innen anschließende Zentrierscheiben gebildet werden.
Eine derartige Ausbildung der Druckkammern ist ebenfalls an sich bereits bekannt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung; in
dieser zeigt F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer großen
dynamoelektrischen Maschine, deren Rotor die thermischen Ausgleichseinrichtungen
gemäß der Erfindung aufweist, F i g. 2 einen vergrößerten Querschnitt des
Rotorendes der in F i g. 1 gezeigten Maschine, wobei die axialen Kühlleitungen
des Rotors und die erfindungsgemäße therinische Ausgleichseinrichtung gezeigt werden,
F i g. 3 einen Querschnitt nach der Linie III-III der Fig. 1 und F
i g. 4 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV der F i g. 1, wobei
die Lage der Windungsschlitze und der therinischen Ausgleichsnuten im Rotorballen
gezeigt wird.
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In der Zeichnung sind die erfindungsgemäßen Einrichtungen zum thermischen
Ausgleichen bei einem wasserstoffgekühlten Rotor einer großen dynamoelektrischen
Maschine dargestellt, die als zweipoliger, turbinengetriebener Generator gezeigt
ist, obwohl die Erfindung auf jede gasgekühlte dynamoelektrische Maschine angewendet
werden kann.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist der im allgemeinen mit
10 bezeichnete Generator ein ringförmiges Gehäuse 11, eine Statorwicklung
12 sowie einen Rotor 13 auf, der auf Lagern 14 drehbar im Gehäuse gelagert
ist. Der Rotor besteht aus einem verstärkten Rotorballen 17, der mit einer
Welle 18
aus einem Stück besteht. An einem Ende der Welle ist ein Gebläse
19 angeordnet, um Wasserstoff zu Kühlzwecken auf festgelegten Wegen durch
den Rotorballen und die übrigen Generatorteile zu drücken.
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Der Ballen 17 des Rotors hat einen größeren Durchmesser als
die Welle 18 und weist sich in Längsrichtung erstreckende Wicklungsnuten
20 auf, die am Umfang des Rotors zwischen den Polen 21 angeordnet sind. Die Nuten
enthalten elektrische Leiter 22, die die Rotorwicklung 23 bilden. In der
F i g. 4 der Zeichnung ist nur eine der Nuten 20 mit den elektrischen Leitern
22 dargestellt, jedoch weisen natürlich in Wirklichkeit alle Nuten 20 Leiter auf.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten leitergekühlten Maschine bestehen
diese elektrischen Leiter aus silberbelegten hartgezogenen Kupferstreifen und sind
derart ausgebildet, daß sie gleichzeitig Kühl- i kanäle in den Nuten der Rotorwicklung
für den Wasserstoffkühlstrom bilden-. Zu diesem Zweck haben die Leiterstreifen,
wie dargestellt, konkav abgeschrägte C
Kanten, die paarweise zusammen mit
der Nutisolierhülse 24 sich in Längsrichtung erstreckende an sich bekannte Kühlkanäle
25 ergeben. Wahlweise oder zusätzlich können die sich in Längsrichtung erstrecken-5
den Kühlkanäle auch innerhalb jedes Leiters vorgesehen sein (Hohlleiter), oder sie
können durch Aussparungen in den Leitern jeweils zwischen denselben gebildet werden.
Die Teile der Beschreibung, die sich mit der Kühlkanalausbildung in den Wicklungsnuten
befassen, sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Kupferleiter weisen
radiale Bohrungen auf, die mit den Bohrungen 29 in den Nutkeilen
30
in Verbindung stehen. Somit wird das Kühlgas durch die Nutkeile von den
Kühlkanälen 25 zu dem Luftspalt der Maschine geleitet. Das Kühlgas kehrt
zur Ansaugseite 32 des Gebläses 19 zum Zwecke abermaliger Umwälzung
zurück.
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In einer jenseits des linken Endes des Rotorballens 17 gebildeten
Druckkammer 33 a sind Einlässe zu den Kühlkanälen 25 der Rotorleiter
23 angeordnet. Diese Kammer 33 a wird von einer im einzelnen in F
i g. 2 dargestellten, die Spulen halternden Wickelkopfkappe 34 gebildet,
die in axialer Richtung über das Ende des Rotorballens 17, und zwar über
einen kleinen Teil des Ballens, vorsteht, wobei das freie Ende der Wickelkopfkappe
in eine ringförmige Zentrierscheibe 35 eingreift, die sich, wie gezeigt,
radial nach innen erstreckt, und zwar auf den Teil mit kleinerem Durchmesser des
Ballons zu, wobei zwischen dem radial inneren Ende der Zentrierscheibe
35 und dem Ballen eine Dichtung eingefügt ist.
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Die Kammer 33 a ist in bekannter Weise mit der Druckseite
36 des Gebläses 19 verbunden, und zwar über Wärineaustauscher in dem
Gehäuse 11 der Maschine und sich in axialer Richtung erstreckende Kanäle
38 in der Welle 18, die an der Nabe des Gebläserotors des Gebläses
19 und unter der Zentrierscheibe 35 verlaufen und am Ende des Rotorballens
in die Kammer 33 a führen. Der zwischen der Nabe des Gebläses und der Zentrierscheibe
35 befindliche Teil der Welle 18 ist mit einer Büchse 40 abgedeckt,
um das Entweichen des unter hohem Druck stehenden Gases aus den Kanälen der Welle
38 zu verhindern, wenn das Gas in die Kammer 33 a eintritt.
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Eine ähnliche Druckkammer 33 b ist an der vom Gebläse
19 abgewandten Seite des Rotorballens vorgesehen. Aus der großen Druckkammer
41 für kaltes Gas im Gehäuse 11 tritt Gas unter Druck in diese Kammer
33 b ein, und zwar, wie im einzelnen in F i g. 3 dargestellt ist,
durch öffnungen 42 in der Zentrierscheibe 43. Am Eingang zum Luftspalt zwischen
dem Rotor 13 und dem Stator 12 ist eine ringförinige Dichtung 60 angeordnet,
um das Entweichen dieses unter Druck stehenden Gases in den Luftspalt zu verhindern.
Auf diese Weise entsteht ein geeigneter Lüftungsdruck, um den erwünschten Fluß des
Kühlgases in die Kammer 33 b, in die Rotorwicklungen und in die Kühlkanäle
53 a und 53 b zu gewährleisten, die sich im Statoreisen
und in der Statorwicklung befinden.
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In jedem Polabschnitt 21 des Rotorballens befindet sich ein Paar sich
in Längsrichtung erstreckender zusätzlicher Kühlnuten 44. Diese Kühlnuten sind so
nahe als möglich an den Wicklungsnuten 20 angeordnet. Am Oberteil einer jeden Kühlnut
44 ist ein passender Keil 45 angeordnet und gesichert, der als Abdeckung für die
Kühlmit dient, um somit die Kühlmit in eine thermische Ausgleichsleitung 46 zu verwandeln
und
um eine relativ glatte zylindrische Außenfläche zu schaffen. Jede Abdeckung45 weist
radiale öffnungen 49 auf, die in geeigneter Weise entlang der Länge des Rotors zum
Entweichenlassen von Gas aus der Leitung in den Luftspalt der Maschine angeordnet
sind.
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An jedem Ende des Ballens 17 stehen die therinisehen Ausgleichsleitungen
46 mit den unter Druck stehenden Endkammern 33 a und 33 b in
Verbindung, von denen das Kühlgas in die Rotorkühlkanäle 25
fließt. Um den
Zustrom von Kühlgas in die thermisehen Ausgleichsleitungen 46 regeln zu können,
sind im allgemeinen bei 50 angedeutete geeignete Ventile an den Enden der
thermischen Ausgleichsleitungen 46 nahe den unter Druck stehenden Kammern angeordnet.
Die Ventile sind normalerweise geschlossen, so daß kein Kühlgas in die Ausgleichsleitungen
46 eintritt. Wenn jedoch thermisch ausgeglichen werden soll, werden die Ventile
dazu verwendet, um die Menge des in die sich in Längsrichtung erstreckenden thermischen
Ausgleichsleitungen 46 fließenden Kühlgases zu regeln. Die Ventile sind so nahe
an den Enden des Rotorballens angeordnet, wie dies möglich ist, so daß sie zur Einstellung
erreichbar sind, ohne daß der Rotor der Maschine entfernt werden muß. Wie aus der
Zeichnung hervorgeht, weisen die Ventile 50 Ventilkörper 51 auf, die
die Form von Schraubengewinde tragenden Bolzen aufweisen und die drehbar im Ballen
der Maschine derart angeordnet sind, daß sie durch die Abdeckung 45 einer jeden
thermischen Ausgleichsleitung und durch die Leitung selbst hindurchragen. Jeder
Bolzen hat einen Durchmesser, der größer ist als die Breite der Nuten der thermischen
Ausgleichsleitungen, so daß er den Gasfluß durch diese vollständig schließt. Jeder
Bolzen weist Öffnungen in Form von mehreren durchgehenden Bohrungen 52 auf,
die nach der Montage der Bolzen in der thermischen Ausgleichsleitung 46 liegen.
Wenn jeder Bolzen derart eingestellt ist, daß die öffnungen 52 quer zur entsprechenden
Leitung46 stehen, was der normalen Anfangsstellung eines jeden Bolzens entspricht,
dann verschließt der Bolzen wegen seines größeren Druchmessers die Leitung vollständig,
und es kann kein Wasserstoffgas in den Ballen des Rotors und in die Leitung 46 eintreten.
Wenn andererseits die Bolzen derart durch Drehung eingestellt werden, daß die Bohrungen
52 in Richtung der Leitungen 46 liegen, fließt die maximal mögliche Gasmenge
in die thermischen Ausgleichsleitungen. Die durch jeden Bolzen fließende Gasmenge
kann von dem Wert Null bis zu einem Maximum durch den Grad der Drehung verändert
werden, der jedem Bolzen zwischen seiner Anfangs(Schließ-)stellung und seiner voll
geöffneten Stellung gegeben wird. Jeder Bolzen weist an seinem oberen Ende einen
Schlitz 53
auf, damit der Bolzen mittels eines geeigneten Werkzeuges, wie
z. B. eines Schraubenziehers, gedreht werden kann; der Schlitz 53 dient auch
dazu, den öffnungsgrad des Ventils anzuzeigen. Wenn der Rotor dann thermisch ausgeglichen
ist, wird das jeden Bolzen umgebende Metall in den Schraubenzieherschlitz des Bolzens
getrieben, um dessen Lage bezüglich der therinischen Ausgleichsleitung 46 zu fixieren.
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Es ist von Bedeutung, daß die thermische Ausgleichsleitung nicht nur
zusätzlichen Kühlung des Generators erforderlich ist. Das durch diese Leitungen
fließende Gas bewirkt eine zusätzliche Kühlung und wird nicht von der Kapazität
des Generators abgezweigt, wie dies der Fall wäre, wenn die für die Kühlung erforderliche
Kühlgasmenge gedrosselt würde, wie dies früher der Fall war.
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Beim Betrieb wird der Generator 10 im gasdichten Gehäuse
11 mit Wasserstoffgas gefüllt. Wenn die Maschine anläuft, strömt Gas in die
Ansaugseite 32 des Gebläses 19 und wird radial nach außen durch die
Wärineaustauscher, die zwischen den inneren und äußeren Teilen 56 bzw.
57 des Gehäuses befestigt sind, getrieben. Beim Durchfließen der Wänneaustauscher
strömt das Wasserstoffgas auch in axialer Richtung durch das Gehäuse zum entfernten
Ende des Generators, dann radial nach innen zu der unter Druck stehenden Kaltgaskammer
41. Von hier strömt das Gas in axialer Richtung durch den Luftspalt zwischen Rotor
und Stator, den Statorballen und die Statorwicklungen, durch die Rotorwicklungen,
durch die Kammer 33 b zum Einlaß 32 des Gebläses. Ein weiterer Teil
des gekühlten Wasserstoffgases strömt radial an der Gebläseseite des Gehäuses nach
innen, dann axial durch die Kanäle 38 in der Welle 18 in die Kammer
33 a und von dort in die Rotorwicklungen am Gebläseende. Das entweichende
heiße Gas aus beiden Enden der Rotorwicklungen strömt radial nach außen durch Auslaßöffnungen
49 in den Luftsoalt der Maschine und durch den Luftspalt zurück l#inaus zur Ansaugseite
32 des Gebläses 19. Wenn sich herausstellt, daß der Rotor thermisch
nicht ausgeglichen ist, d. h. wenn er bei sich ändernder Temperatur unausgeglichen
wird, werden die Schwingungsamplitude und die Phasenwinkelveränderungen sorgfältig
bestimmt. Dann wird die Maschine abgestoppt, und die Ventile 50 werden wie
erforderlich eingestellt, um Kühlgas in einen oder in mehrere thermische Ausgleichsleitungen
46 eintreten zu lassen,##damit die thermische Unsymmetrie - soweit dies voraussehbar
ist - ausgeglichen wird. Dieses geschieht, ohne den Rotor aus dem Generator
zu entfernen. Die thermisehe Unsymmetrie wird dadurch hervorgerufen, daß eine ungleiche
Erwärmung eine ungleiche axiale Ausdehnung des Rotors bewirkt. Bei größerer Ausdehnung
eines Rotorteiles gegenüber einem anderen Teil desselben tritt eine Biegung der
Rotorwelle ein, 'wodurch sich Veränderungen im Schwingungsverhalten der Rotorwelle
und des Phasenwinkels ergeben.
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Der Generator wird dann wieder in Betrieb gesetzt und auf Ausgeglichenheit
sowohl im kalten wie im warmen Zustand untersucht. Wenn die Ausgeglichenheit bei
allen Belastungen immer noch nicht zufriedenstellend ist, dann werden die Amplitude
und die Phasenveränderungen wieder notiert, und der Generator wird wieder abgebremst.
Die entsprechenden Ventile werden abermals justiert unter Verwendung der bei der
ersten Prüfung gewonnenen Daten, um eine genauere Bestimmung der entsprechenden
Ventilöffnungen zu erhalten. Dann wird der Generator wieder angelassen und das Verfahren
wird, falls notwendig, wiederholt, bis eine befriedigende Ausgeglichenheit über
den gesamten Betriebsbereich erreicht ist. Die Ventile 50 werden dann in
ihrer eingestellten Lage wie gewünscht durch Einkerben festgestellt.