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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Luft- oder Gaskühlung
eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, bei
der das Kühlgas über radiale Kanäle im Ständereisen im mittleren Bereich in den
Luftspalt eintritt und von dort über Eintrittsöffnungen im Ballenumfang des Rotors
in am Ballenumfang verteilte axiale Kühlkanäle förderbar ist und bei der das Kühlgas
an den Stirnseiten der Maschine wieder austritt.
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Es ist eine Kühlanordnung bekannt, bei der das durch Radialkanäle
im Ständereisen in den Luftspalt und vom Luftspalt über Eintrittsöffnungen in den
Rotorballen geförderte Kühlgas nur durch jeweils kurze Kanalabschnitte im Rotor
geleitet wird und dann wieder an Austrittsöffnungen des Rotors in den Luftspalt
hinaustritt. Diese Ein- und Austrittsöffnungen sind speziell ausgebildet und nutzen
den bei Drehung entstehenden Staudruck und Sog aus. Das aus den Austrittsöffnungen
herausgeförderte, erwärmte Kühlgas verläßt die Maschine stirnseitig durch den Luftspalt.
Eine derartige Anordnung ist durch die Vielzahl der kurzen Kühlkanäle und die spezielle
Ausbildung der Ein- und Austrittsöffnungen sehr kompliziert und aufwendig.
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Es ist außerdem bei einer anderen Bauart bekannt, den Luftspalt einer
elektrischen Maschine stirnseitig mittels einer Dichtung abzuschließen. Gemäß einer
weiteren bekannten Bauart wird dem mittleren Läuferteil ein Kühlluftstrom von den
beiden Stirnseiten der Maschine aus durch freien Nutraum des Ständerblechpaketes
zugeführt. Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung zur Kühlung der Läuferoberfläche:
Es ist ferner eine elektrische Maschine bekannt, deren Rotor mit axialen Kanälen
und deren Stator-und Rotorblechpakete mit radialen Kanälen versehen sind. Zur Kühlung
dieser Maschine tritt Kühlluft in die axialen Kanäle des Rotors ein und verläßt
den Rotor durch die radialen Kanäle bzw. Austrittsöffnungen. Jeder axiale Kühlkanal
besitzt dabei über seine ganze Länge bis zur Ballenmitte hin mehrere solcher radialen
Austrittsöffnungen in etwa gleichen Abständen. Der an der Stirnseite eines jeden
Kühlkanals eintretende Kühlgasstrom wird auf diese Weise nach jedem Passieren einer
radialen Austrittsöffnung um eine bestimmte Menge verringert, so daß die von diesen
Austrittsöffnungen begrenzten Abschnitte der axialen Kühlkanäle einen zur Ballenmitte
hin abnehmenden Kühlgasstrom führen. Diese Kühlanordnung hat erhebliche Nachteile.
Die im ersten Kühlabschnitt insgesamt strömende Kühlgasmenge zeigt nur eine geringe
Erwärmung. Von diesem relativ kalten, also noch nicht voll ausgenutzten Kühlgas
wird bereits ein Teil in den Luftspalt entlassen. Zwangsweise muß nun in den weiteren
Abschnitten durch Verringerungen der Kühlgasmengen der Temperaturanstieg im Kühlgas
ständig zunehmen. Dies führt zu einer sehr hohen Erwärmung des Kühlgases am Ende
des letzten Abschnittes und zu einer sehr ungleichen Temperaturverteilung über die
axiale Länge des Kanals bzw. des Rotorballens.
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Aufgabe gemäß der Erfindung ist, eine wenig aufwendige Kühlanordnung
zu schaffen, bei der eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte
Länge des Rotorballens bzw. der Kühlkanäle erzielt wird und bei der die obengenannten
Nachteile vermieden werden. Die Erfindung besteht darin, daß bei der eingangs genannten
Anordnung zur Luft- oder Gaskühlung eines Rotors jeder der axialen Kühlkanäle im
Rotor mindestens zwei in den Luftspalt mündende radiale Eintrittsöffnungen aufweist,
die von der Ballenmitte zu den Stirnseiten des Rotors hin in mehrere Kühlabschnitte
bildenden, etwa gleichen Abständen angeordnet sind, daß das Kühlgas nach dem Durchströmen
der axialen Kühlkanäle an den Stirnseiten des Rotors aus den axialen Kühlkanälen
wieder austritt und daß der Luftspalt an den Stirnseiten durch Labyrinthe gedichtet
ist.
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Auf diese Weise ist es möglich, mit der gleichen Kühlluftmenge und
dem gleichen Aufwand an Lüfterleistung vergleichbarer bekannter Anordnungen eine
über die gesamte Rotorballenlänge gleichmäßige Kühlung zu erzielen. Die Anordnung
ist ferner einfach und wenig aufwendig. Durch die stirnseitigen Labyrinthdichtungen
wird ständig ein bestimmtes Druckgefälle zwischen dem Luftspalt und den Stirnräumen
der Maschine aufrechterhalten. Die erforderlichen Lüfter zur Kühlgasförderung werden
am besten auf der Welle der Maschine an den Rotorstimseiten angeordnet. Die radialen
Eintrittsöffnungen jedes Kühlkanals sind so dimensioniert, daß durch jede die gleiche
Kühlgasmenge eintritt. Die Eintrittsöffnungen sind vorteilhafterweise in Umfangsrichtung
des Rotors geneigt. Die Kühlkanäle werden vorzugsweise ganz oder teilweise durch
die elektrischen Leiter gebildet. Nach Durchströmen des Rotorballens wird das Kühlgas
rückgekühlt und durch radiale Kanäle im Ständerblechpaket als Frischgas in den Luftspalt
gefördert.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt.
In F i g. 1 ist die Kühlgasströmung vom Luftspalt durch den Rotorballen schematisch
dargestellt. F i g. 2 zeigt in einem Diagramm den Temperaturverlauf des Kühlgases
über die ganze Länge eines Kühlkanals von der Ballenmitte zur Stirnseite des Ballens
hin, wie er sich bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung einstellt. F i g. 3 zeigt
im Vergleich dazu den Temperaturverlauf des Kühlgases über die gleiche Kühlstrecke
bei bekannten Anordnungen, bei denen das Kühlgas von der Stirnseite her in den Ballen
und von dort in den Luftspalt abgeführt wird.
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In F i g. 1 ist mit 1 ein Ständerblechpaket und mit 4 ein Rotor einer
elektrischen Maschine bezeichnet. Das Ständerblechpaket weist in seiner Mitte Radialkanäle
2 auf, durch die Kühlgas in den Luftspalt 3 zwischen Ständerblechpaket 1 und Rotor
4 geleitet wird. Der Rotor 4 trägt an seiner Stirnseite einen Lüfter 5, der den
Kühlgasstrom umwälzt. Der Luftspalt 3 ist an den Stirnseiten durch Labyrinthe 6
abgedichtet. Der Rotor 4 weist auf seinen Umfang verteilt eine Anzahl axial
gerichteter Kühlkanäle 7 auf, die- sich von den Stirnseiten des Rotorballens bis
zur BalIenmitte hin erstrecken. Das Kühlgas wird aus dem Luftspalt 3 durch drei
in den Luftspalt 3 mündende radiale Öffnungen 8, 9 und 10 in den Kühlkanal 7 eingeleitet,
durchströmt diesen und tritt an den Stirnseiten des Rotors wieder aus. Durch die
drei radialen Öffnungen 8, 9 und 10 sollen die gleichen KühIgasmengen eintreten,
die einem Drittel von der Kühlgasmenge entsprechen, wie sie bei einer bekannten
Kühlanordnung von den Stirnseiten des Rotors in den Kühlkanal ? geleitet werden
müssen. Den Temperaturverlauf des Kühlgases in den einzelnen Kühlabschnitten zwischen
den Öffnungen 10 und 9 sowie 9 und 8 und zwischen 8 und Stirnseite des Rotors zeigt
die F i g. 2. In die radiale Eintrittsöffnung
10 wird ein Drittel
der Kühlgasmenge mit der Kühlgastemperatur to eingeführt, die nach Durchlaufen des
ersten Kühlabschnittes bis zur Öffnung 9 die Maximaltemperatur t"", annimmt. Nunmehr
wird in die Öffnung 9 nochmals ein Drittel der Kühlgasmenge eingeführt, so daß sich
eine Mischtemperatur t1 einstellt. Nach Durchlaufen des nächsten Kühlabschnittes
steigt diese Temperatur t1 wiederum bis zur Maximaltemperatur t""" bei Erreichen
der Öffnung 8 an. Dort wird wiederum ein Drittel der Kühlgasmenge zugeführt, wobei
sich eine Mischtemperatur t. einstellt. Der letzte Kühlabschnitt von der Öffnung
8 bis zur Stirnseite der Maschine wird nunmehr von der gesamten Kühlgasmenge durchströmt,
die am Ende dieses letzten Kühlabschnittes wiederum die Maximaltemperatur t""" erreicht.
Durch die ständige Neuzufuhr von Kühlgas über die Länge des Kühlweges wird also
eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung im Rotor erreicht.
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F i g. 3 zeigt zum Vergleich dazu die herkömmliche Kühlung, bei der
die gesamte Kühlgasmenge auf einmal von der Stirnseite her in die Kühlkanäle gefördert
wird. Nach Durchlaufen des ersten Abschnittes wird ein Teil des Kühlgases durch
die Öffnung 8 abgeführt, das bereits eine Temperatur t1' angenommen hat. Die restlichen
zwei Drittel des Kühlgases werden durch den zweiten Kühlabschnitt zwischen den öffnungen
8 und 9 geführt und erreichen bei 9 die Temperatur t.,'. Nunmehr wird wiederum ein
Drittel von der gesamten Gasmenge, aber die Hälfte von der Restgasmenge abgeführt,
und das letzte Drittel mit einer Anfangstemperatur von t,' durch den letzten Kühlabschnitt
zwischen 9 und 10 geleitet, nach dessen Durchlaufen es die Temperatur t.' = t,""x
annimmt. Es ist nun ohne weiteres erkennbar, daß t""", d. h. die Endtemperatur,
bei der herkömmlichen Kühlanordnung etwa doppelt so groß ist wie t""",' der Maximaltemperatur
bei einer Kühlung gemäß der Erfindung.
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Sowohl für die Anordnung gemäß der Erfindung als auch für die entsprechende
bekannte Kühlanordnung gilt, daß die Temperaturdifferenz zwischen Kühlkanalwand
und Kühlgas mit zunehmender Kühlgasgeschwindigkeit infolge Verbesserung der Wärmeübergangszahl
kleiner wird.
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Das hier beschriebene, zur axialen Ballenmitte symmetrisch aufgebaute
Kühlsystem kann auch dahingehend abgeändert werden, daß der Beginn des Kühlsystems
auf einer Maschinenseite liegt und der erforderliche Lüfter auf der entgegengesetzten
Maschinenseite angeordnet ist, wobei alle anderen Eintrittsöffnungen in die axialen
Kühlkanäle über die gesamte Ballenlänge verteilt sind. Dabei wird das Kühlgas dem
Luftspalt von einer Stirnseite direkt zugeführt, während der Luftspalt auf der anderen
Stirnseite abgedichtet bleibt. Eine derartige Anordnung ergibt sich im Prinzip dadurch,
daß man nur eine Seite des erstgenannten, zur Ballenmitte symmetrisch aufgebauten
Systems betrachtet (siehe z. B. F i g.1) und dabei die Radialkanäle im Ständereisen
wegläßt.