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Flüssigkeitsverteilerbatterie zur Kühlflüssigkeitsversorgung der Hohlleiter
in Rotorspulen einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators Es
ist eine Flüssigkeitsverteileranordnung zur Kühlflüssigkeitsversorgung der Hofilleiter
von Rotorspulen eines Turbogenerators bekannt, die unterhalb der untersten Leiter
jeder Spule innerhalb der Rotornuten angeordnet ist. Es sind dort die Hofilleiter
über die ganze Länge des aktiven Teils des Rotors nach Art des Roebelstabs verdrillt.
Dadurch gelangt jeder Hohlleiter einmal in das Gebiet des Nutgrunds, wo er eine
Flüssigkeitseintrittsöffnung und einen zugehörigen, an den Hohlleiter geschweißten
Anschlußstutzen der Verteileranordnung aufweist. Die Anschlußstutzen sind über die
ganze axiale Länge der Nut verteilt angeordnet. Wegen der durch Fertigungsungenauigkeiten
und unterschiedliche Isolationszusammendrückbarkeit bedingten unterschiedlichen
axialen Verlagerungen der Hofilleiter bei sich drehendem Rotor durch die Zentrifugalkräfte
und aus Fertigungs- und Montagegründen muß die Verteileranordnung biegsam sein und
nachgeben können. Daher sind auch die Anschlußstutzen miteinander durch Schläuche
verbunden. Jedoch werden diese Schläuche auch auf Zug beansprucht, wenn die Zentrifugalkräfte
die verdrillten Hohlleiter axial strecken. Die Schläuche müssen darüber hinaus die
Wärmedehnungen der Hohlleiter und hohe Innendrücke aufnehmen. Es wird also den Schläuchen
und den Anschlußstellen zuviel zugemutet, so daß die Gefahr des Undichtwerdens der
Schläuche und/oder der Anschlußstellen sehr groß ist. Diese Verteileranordnung ist
also in vieler Hinsicht nicht betriebssicher. Abgesehen davon ist die Verteileranordnung
nur im Zusammenhang mit verdrillten Hohlleitern verwendbar. Nachteilig ist auch
die axial sehr große Länge dieser Verteileranordnung.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitsverteilerbatterie
zur Kühlflüssigkeitsversorgung der Hohlleiter von Rotorspulen einer elektrischen
Maschine, insbesondere eines Torbogenerators, die unterhalb der untersten Leiter
jeder Rotorspule innerhalb der Rotornuten angeordnet ist und von der in Richtung
des Spulenverlaufs der Länge nach gestaffelte Flüssigkeitsanschlüsse direkt zu den
einzelnen Hohlleitern führen.
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Die bei einem Turbogenerator bekannte Batterie dieser Art weist zwar
keine Schläuche, geschweige denn überbeanspruchte Schläuche auf und ist axial kurz
und für parallel zueinander liegende Hohlleiter, also für Gleichstromleiter, geeignet,
wirft aber noch einige Probleme bezüglich der Betriebssicherheit und der Fertigung
auf. Diese bekannte Batterie ist mit den Hohlleitern über Metallrohre mit zugehörigen
Isolierungsbuchsen recht unnachgiebig verbunden und innig verkettet, dazu noch,
zusammen mit den Metallrohren, den Isolierungsbuchsen und einem Isolierungsblock
od. dgl. und weiteren Teilen, recht aufwendig und kompliziert.
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Die Betriebssicherheit aller Bauteile ist besonders bei den großen
flüssigkeitsgekühlten Turbogeneratoren von überragender Bedeutung. Aus diesem Grund
ist eine gelungene konstruktive Lösung für bestimmte wesentliche Bauelemente überhaupt
die Voraussetzung für die Durchführbarkeit der Flüssigkeits- bzw. Wasserkühlung
am Rotor. Es treten in den Hohlleitern der Rotorwicklung und in den Flüssigkeitskanälen
der Batterie und der Flüssigkeitsanschlüsse wegen der Zentrifugalkräfte außerordentlich
hohe statische Flüssigkeitsdrücke in der Größenordnung von 100 Atmosphären
und mehr auf.
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Ferner werden sowohl die Hohlleiter als auch die Flüssigkeitsanschlüsse
durch Schwingungsbeanspruchungen belastet. Hinzu kommt noch, daß die bei Belastungsschwankungen
auftretenden wechselnden Erwärmungen der Rotorspulen zu Spulendehnungen und -konstraktionen
führen, die von sämtlichen Flüssigkeitszuleitungen mitgemacht oder aufgenommen werden
müssen. Im letzten Fall bedeutet das eine sehr hohe mechanische Beanspruchung aller
Anschlußteile.
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Erschwerend für die Erstellung einer betriebssicheren Flüssigkeitsverteilung
zu den Hohlleitern ist die Tatsache, daß die Hofilleiter gegeneinander durch Isolationsschichten
der Windungsisolation elektrisch isoliert sind. Diese Schichten werden im Betrieb
durch die auftretenden Fliehkräfte zusammengepreßt. Dabei treten radiale und, wie
schon vorn erwähnt, auch unterschiedliche radiale Verlagerungen der Hohlleiter
auf,
die ebenfalls durch die Flüssigkeitsanschlüsse mitgemacht oder aufgenommen werden
müssen, was wiederum hohe Beanspruchungen in diesen Anschlüssen hervorruft.
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Eine befriedigende Lösung aller dieser schwierigen technischen Probleme
kann durch die bekannte Flüssigkeitsverteilerbatterie nicht erreicht werden. Diese
ist nicht in der Lage, den auftretenden Beanspruchungen mit der nötigen Betriebssicherheit
zu widerstehen und weist außerdem noch erhebliche fertigungstechnische Mängel auf.
Auch die Forderung nach langen Kriechwegen und großen Isolierlängen der Zwischenisolationen
an den Flüssigkeitszuleitungen, die im Hinblick auf die elektrolytische Wirkung
des Erregergleichstroms unbedingt notwendig sind, wird bei der bekannten Verteilerbatterie
nur unbefriedigend erfüllt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Flüssigkeitsverteilerbatterie der
genannten Art zu schaffen, die all diesen Beanspruchungen und Forderungen genügt,
leicht zu fertigen und zu montieren ist und bei der in jeder Phase der Fertigung
und der Montage eine Prüfung aller Anschlüsse möglich ist. Zur Lösung dieser Aufgabe
wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Verteilerbatterie gegeneinander
isolierte, hülsenförmige Anschlußstücke enthält, die über ein Zentralrohr geschoben
und durch eine an einem Ende des Zentralrohrs angeordnete Spannvorrichtung, der
auf dem anderen Zentralrohrende ein Widerlager gegenübersteht, fest gegeneinander
verspannt sind.
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Diese Verteilerbatterie ist ein in sich festes und kompaktes Bauelement,
das leicht in die Nut eingesetzt werden kann und bis auf die Flüssigkeitsanschlüsse
unabhängig von den Hohlleitem ist. Die Anschlüsse können aus biegeelastischen Metallröhrchen
bestehen. Die Batterie weist keine Schläuche auf. Sie ist axial kurz und trotzdem
weniger aufwendig und weniger kompliziert als die genannte, bekannte Verteilerbatterie.
Bei Wärmedehnungen der Hohlleiter und Schwingungsbeanspruchungen können durch Verwendung
der genannten Röhrchen Auswirkungen auf das Flüssigkeitsverteilersystem, seine Teile
und seine Anschlüsse verhindert werden. Die IsolierungA zwischen den Anschlußstücken
können auf leichte Weise hergestellt werden. Auch bietet die Batterie die Voraussetzung
für leichte Herstellbarkeit langer Kriechwege und großer Isolierlängen der Zwischen-;
solationen. Zwischenisolierungen und Anschlußstücke werden auf einfache Weise durch
ein und dieselbe Spannvorrichtung verspannt und zusammengehalten. Die erfindungsgemäße
Verteilerbatterie ist sehr betriebssicher. überhaupt wird durch sie die Betriebssicherheit
der Flüssigkeitsversorgung und des Clanzen Rotors sehr stark vergrößert im Hinblick
auf die beiden genannten, bekannten Bauarten.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Verleilerbatterie
gemäß der Erfindung; F i g. 2 zeigt ein Anschlußstück der Verteilerbatterie
in Verbindung mit einem Hohlleiter der Rotorwicklung; F i g. 3, 4 und
5 zeigen verschiedene Ausführungsformen und Anordnungen der Isolationsschichten
innerhalb der Anschlußstücke; F i g. 6 zeigt in der Seitenansicht eine Verteilerbatterie
gemäß der Erfindung zusammen mit einer Rotorspule; F i g. 7 zeigt Flüssigkeitsverteilerbatterie
und Rotorspule in einem Querschnitt längs der Linie A-B gemäß F i g. 6;
F
i g. 8 zeigt einen Schnitt längs der Linie C-D in F i g. 7.
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Wie es die F i g. 1 zeigt, besteht die erfindungsgemäße Flüssigkeitsverteilerbatterie
aus einem Zentralrohr 1, über das eine Anzahl hülsenförmiger Anschlußstücke
2 geschoben ist. Diese Anschlußstücke 2 werden durch eine Spannvorrichtung
3, der auf dem anderen Zentralrohrende ein Widerlager 4 gegenübersteht, fest
gegeneinander verspannt. Als Spannvorrichtung kann, wie es in diesem Ausführungsbeispiel
dargestellt ist, eine Verschraubung 5 verwendet werden. Die Sicherung und
Dichtung dieser Verschraubung kann etwa durch eine Schweißnaht 6 erfolgen.
Das Zentralrohr 1 ist im Bereich der Anschlußstücke von einer wasserfesten
Isolierschicht 7
umgeben.
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Im Bereich jedes Anschlußstücks 2 besitzt dieses Zentralrohr
1 in seiner Wandung Durchbrüche 8, die mit den Eintrittsöffnungen
9 der Flüssigkeitsanschlüsse 10, die von den Anschlußstücken 2 zu
den einzelnen Hohlleitern der Rotorspulen führen, übereinstimmen. Auf der gegenüberliegenden
Seite des Zentralrohrs sind ebenfalls gleich große Durchbrüche angeordnet, um einen
zur Längsachse symmetrischen Spannungsverlauf über den Rohrdurchmesser zu erzielen,
so daß sich das Rohr unter axialer Belastung nicht verbiegen kann.
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Die Abdichtung der einzelnen Anschlußstücke 2 gegeneinander erfolgt
über Dichtungsringe 11 mit kreisförmigen Querschnitt. Im Bereich der Dichtstellen
bei 12 erfolgt unmittelbare Berührung der gegeneinander zu dichtenden Teile über
deren Stirnflächen, zur Erzielung eines Kraftschlusses. Die Isolierung der Anschlußstücke
2 gegeneinander, die mit der Windungsspannung von etwa 4 bis 5 Volt belastet
wird, ist durch in die Anschlußstücke fest eingefügte, z. B. eingelötete oder eingesinterte
Ringe 13 oder Schichten aus Keramik oder Emaille sichergestellt.
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Zwischen dem Zentralrohr 1 und den Anschlußstücken 2 bleibt
ein schmaler Ringspalt 21 frei, so daß Relativbewegungen zwischen diesen beiden
Elementen keinen Verschleiß der Isolierschicht 7 her-vorrufen können.
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Die Verbindung zwischen den einzelnen Anschlußstücken 2 und den Hohlleitem
14 der Spule erfolgt, wie F i g. 2 zeigt, über Flüssigkeitsanschlüsse
10, die aus biegeelastischen Metallröhrchen, vorzugsweise aus hochfestem
rostfreiem Stahl bestehen.
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Diese Flüssigkeitsanschlüsse 10 weisen einen in Spulenrichtung
verlaufenden Biegeschenkel 18 auf, und sich durch Schweißen oder Löten mit
den einzelnen Hohlleitern einerseits und den Anschlußstücken andererseits fest verbunden.
Sie verlaufen in einer zum Spulenverlauf parallelen Ebene.
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An Stelle der fest in die Anschlußstücke 2 einge, fügten Isolierringe
können auch Zwischenhülsen 15
aus Isolierstoff, z. B. Sinterkeramik, zwischen
den einzelnen Anschlußstücken 2 angeordnet sein, wie es F i g. 3 zeigt. Bei
dieser Anordnung wird allerdings die Anzahl der Dichtungsringstellen 11 wesentlich
erhöht.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 besteht die Isolierschicht
aus einem einfachen in das Anschlußstück 2 fest eingesinterten Ring 16 aus
Sinterkeramik.
F i g. 5 zeigt dagel-en ein Anschlußstück
2, in dem eine Emailleschicht 17 als Isolierschicht fest eingefügt ist.
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Die Fertigung und Montage der Verteilerbatterie wird folgendermaßen
vorgenommen: Zunächst wird jedes Anschlußstück 2 über Flüssigkeitsanschlüsse
10
mit den zugehörigen Hohlleitern 14 der Rotorwicklung außerhalb der Maschine
fest und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden, wie es F i g. 2 darstellt.
Nun erfolgt die erste Prüfung aller Verbindungen auf Fehlerfreiheit und Dichtheit.
Anschließend werden außerhalb der Maschine die einzelnen Hohlleiter 14 zu Spulen
zusammengefügt und die daran befestigten Anschlußstücke 2 über das Zentralrohr
1 geschoben und fest miteinander verspannt. Nunmehr erfolgt wiederum eine
Dichtigkeitsprüfung der gesamten Verteilerbatterie.
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Ein großer Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß bei dem
Zusammenbau der Spule mit der Verteilerbatterie keinerlei Lötoperationen erforderlich
sind, wodurch sich die Herstellung der Spule mit den Flüssigkeitsanschlüssen wesentlich
vereinfacht. Die Verteilerbatterie wird nunmehr zusammen mit der Rotorspule in die
Rotornuten eingebaut. Durch diese Konstruktionsmaßnalimen wird optimale Betriebssicherheit
und rationelle Fertigung erzielt.
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In F i g. 6 ist die gesamte erfindungsgemäße Flüssigkeitsverteilerbatterie
zusammengebaut mit der zugehörigen Rotorspule in der Seitenansicht dargestellt.
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Wie der in F i g. 7 dargestellte Schnitt längs der Linie
A -B in F i g. 6 zeigt, werden die Anschlußröhrchen
10 durch seitliche Aussparungen 19 in den unteren Leitern 14 zu den
darüberliegenden Leitern geführt. Die Kühlkanäle 20 in den Hohlleitem 14 werden
deshalb zweckmäßigerweise exzentrisch zur Längsachse der Hohlleiter angeordnet.
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Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Verteilerbatterie erweist
sich die Druckvorspannung der Anschlußstücke über das Zentralrohr. Auf diese Weise
wird die Verwendung von Isoliermaterialien, insbesondere von Keramik, erst ermöglicht,
da Keramik bei guten elektrischen Isolationseigenschaften und Beständigkeit gegen
alle Kühlmedien eine hohe Druckfestigkeit aber eine geringere Zugfestigkeit aufweist.
Für das Zentralrohr kann ein Werkstoff hoher Festigkeit z. B. rostfreier Stahl verwendet
werden, so daß die Druckvorspannung sehr hohe Werte erreichen kann. Diese Druckvorspannung
ist so stark, daß bei allen im Betrieb auftretenden Belastungszuständen die spröden
Isolierschichten der Verteilerbatterie lediglich auf Druck beansprucht werden. Durch
diese axiale Vorspannung werden weiterhin die von der Rotorwelle eingeleiteten Wechselbeanspruchungen
aus den Wechsel- in den sogenannten Schwellbereich verschoben, wodurch ebenfalls
eine erhebliche Verbesserung der Beanspruchungsbedingungen vor allem für die Isolierteile
erreicht wird. Außerdem erleichtert die hohe Druckvorspannung auch die Abdichtung
aller Anschlußteile gegen die sehr hohen Innendrücke.
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Die Biegeschenkel der Anschlußrührchen gestatten, den radialen und
axialen Leiterbewegungen bei Schwingungen und Formänderungen nachzugeben, ohne daß
überhöhte Beanspruchungen in den Röhrchen oder ihren Anschlußverbindungen auftreten.
Hierdurch werden die besonders empfindlichen Löt-und Schweißstellen vor Überbeanspruchungen
geschützt. Nach dem Zusammenbau der Verteilerbatterie sind keine Löt- und Schweißoperationen
an den Anschlußstücken, den Röhrchen oder den Einzelleitern mehr notwendig. Gegebenenfalls
kann die Verspannung außer durch die im Ausführungsbeispiel dargestellte Verschraubung
auch durch Vorrichtungen erzielt und der Verspannungszustand durch Verschweißen
fixiert werden. Die Isolierung des Verteilerrohres gegenüber den Anschlußstücken
kann in einfachster Weise beispielsweise durch Tauchen oder Umbandeln durchgeführt
werden. Es kommen auch Einbrandisolationen in Frage. Ein Verschleiß der Isolationsschicht
des Verteilerrohrs wird durch einen kleinen Spalt zwischen Verteilerrohr und den
Anschlußstücken mit Sicherheit verhindert.
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Die Erfindungsgemäße Verteilerbatterie gewährleistet somit optimale
Betriebssicherheit der Flüssigkeitskühlung im Rotor elektrischer Maschinen und ermöc,licht
außerdem eine rationelle Fertigung.
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