DE1438335B2 - Gasgekuehlte dynamoelektrische maschine mit direkt gekuehlter wicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gasgekühlte dynamoelektrische Maschine mit direkt gekühlter Wicklung, deren Leiter mit zwischengelegten Isolierschichten innerhalb von Nuten in radialer Richtung übereinander angeordnet sind und in axialen Abständen Bohrungen aufweisen, die jeweils mit den radial darüberliegenden Leitern radial verlaufende Kühlkanäle bilden, die radial außen in den Luftspalt münden und radial innen mit jeweils einem am Nutengrund axial verlaufenden Gaszuführungskanal in Verbindung stehen.

Der Vorteil dieser als Radialkühlung bekannten Kühlungsart besteht in der Erzielung einer im wesentlichen gleichmäßigen Temperatur über die gesamte Länge des Generators, doch tritt bei dieser Kühlungsart das Problem des ausreichenden Wärmeaustauschs zwischen Kühlgas und Leiter, also der Wärmeabfuhr bei sehr kurzen Strömungswegen auf, das bei einer anderen bekannten Kühlungsart, der sogenannten Longitudinalkühlung, vermieden wird. Dafür ist diese Art der Kühlung jedoch mit dem Nachteil der Temperaturerhöhung des Kühlgases während seines Flusses von einem Ende des Generators zum anderen behaftet, so daß die Wicklung in der Nähe des Gaseintritts wesentlich stärker gekühlt wird als die in der Nähe des Kühlgasaustritts.

Man hat nun bereits verschiedentlich versucht, die Vorteile der beiden vorgenannten Kühlungsarten zu vereinen und ihre Nachteile zu vermeiden, wobei beispielsweise vorgeschlagen wurde (britische Patentschrift 713 152), die Leiter mit seitlichem Abstand zu den Seitenwänden der Nuten anzuordnen und das Kühlgas sowohl radial in den Zwischenräumen zwischen Leiter und Nutenwandung, als auch in Dreh-

richtung des Rotors durch in den Leitern eingeformte Kanäle strömen zu lassen. Diese Anordnung ist jedoch wenig wirksam, da erfahrungsgemäß das Kühlgas bestimmte Strömungswege bevorzugt, so daß bei diesem bekannten Vorschlag eine wesentliche Steigerung der Wärmeabfuhr gegenüber einer rein radialen Kühlung nicht zu erwarten ist, wogegen eine beträchtliche und unerwünschte Erhöhung des Druckabfalls eintritt. Darüber hinaus muß bei dieser Vorrichtung die festigkeitsmäßige Überbrückung der in den Leitern vorgesehenen Kühlkanäle durch das die einzelnen Leiter gegeneinander isolierende Material erfolgen, was erfahrungsgemäß leicht zu einem Bruch der Isolation führt.

Eine andere bekannte Vorrichtung (französische Patentschrift 1 274 166) weist innerhalb der Leiter in Richtung der Maschinenachse versetzte Kühlschlitze auf, durch die das Kühlmedium nacheinander schräg nach außen und dann wieder schräg nach innen in Längsrichtung der Maschine geleitet wird, wobei die allgemeine Richtung der durch die Schlitze gebildeten Kühlkanäle diagonal, d. h. in einem Winkel zur Maschinenachse verläuft, und lediglich in den Endzonen eine radiale Strömung erzielt wird, während im übrigen Bereich zur Erhöhung der Turbulenz eine Verschiebung der Kanäle in Axialrichtung in einem Ausmaß erforderlich ist, das eine erhebliche Verlängerung des Strömungsweges und damit einen sehr unerwünschten Druckabfall zur Folge hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Maschine der eingangs erwähnten Art die Turbulenz in den durch die aus Bohrungen bzw. Schlitzen in den Leitern bestehenden radialen Kühlkanälen und damit die Wärmeabfuhr gegenüber bekannten Systemen beträchtlich zu steigern, ohne jedoch wesentliche Druckverluste in Kauf nehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bohrungen eines oder mehrerer übereinanderliegender Leiter abwechselnd gegenüber einer durch die Maschinenachse gelegten Radialebene versetzt angeordnet sind.

Durch diese Maßnahme kann eine starke Turbulenz und Durchwirbelung des Kühlgases und dementsprechend eine intensive Wärmeabfuhr ohne unzulässige Verlängerung des Strömungsweges und unter Vermeidung größerer Druckverluste erzielt werden.

Dabei können die Bohrungen in den radial übereinanderliegenden Leitern um Beträge versetzt werden, die größer oder kleiner sind, als die Breite der Bohrungen in tangentialer Richtung ist. Sofern die Versetzung größer ist als die Breite der Bohrung, wird die Verbindung zwischen den zueinander versetzten Bohrungen durch Aussparungen in den Leitern oder in dem die Leiter trennenden Isoliermaterial hergestellt, wobei gegebenenfalls die Aussparungen in radialer Richtung schräg verlaufende Seiten haben, um einen glatteren Strömungsdurchfluß zu ermöglichen und scharfe Kanten zu vermeiden, und ferner die Leiter aus einzelnen Teilleitern bestehen können.

Die Bohrungen in den Leitern und in den die Leiter voneinander trennenden Isolierschichten können runden oder rechteckigen Querschnitt haben und gegebenenfalls als Schlitze ausgebildet sein, die im wesentlichen in Richtung der Maschinenachse verlaufen und durch unter einem Winkel zur Maschinenachse geneigte Schlitze verbunden sein können.

Die Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand einiger Beispiele näher beschrieben. Es stellt dar

F i g. 1 eine typische, bekannte Anordnung von Leitern in einer Nut mit Bohrungen für Radialkühlung,

F i g. 2 bis 8 jeweils einen Querschnitt durch eine Nut einer dynamoelektrischen Maschine und verschiedene Leiterkonstruktionen und Bohrungsanordnungen entsprechend der vorliegenden Erfindung,

F i g. 9 eine Doppelfigur in perspektivischer Darstellung mit einem Teilschnitt durch eine Nut, wobei die Leiter in der erfindungsgemäßen Anordnung und Konstruktion gezeigt sind,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht entsprechend F i g. 9, wobei jedoch in den Wänden der Bohrungen der Leiter Furchen zur Erzeugung einer schraubenförmigen Strömung des Kühlmediums dargestellt sind, Fig. 11 einen Schnitt durch eine Nut zur Veranschaulichung einer weiteren erfindungsgemäßen Leiterkonstruktion,

Fig. 12 eine Teilaufsicht, die die relative Lage der Kanäle in der Ordnung nach Fig. 11 in einer Ebene zeigt,

Fig. 13 eine auseinandergezogene Darstellung zweier Sätze von je drei Leiterelementen einer Nut zur Erläuterung der Lage der Kanäle entsprechend der Anordnung nach F i g. 11.

Unter Bezugnahme auf F i g. 1 der Zeichnung ist bei bekannten dynamoelektrischen Maschinen, z. B. großen Wechselstromaggregaten für Kraftwerke in den Rotorkörper eine Nut 1 eingeformt. In der Nut 1 sind eine Reihe in radialer Richtung aufeinanderfolgende Leiter 2 durch Isolierschichten 3 voneinander getrennt angeordnet. Zwischen den Seiten der Leiter und den Wänden der Nut 1 ist eine Isolierschicht 4 und am oberen Ende der Nut eine weitere Isolierschicht 5 vorgesehen, während ein Keil 6 die Leiter in ihrer Lage in der Nut hält. Durch radial fluchtende Bohrungen la in jedem der Leiter wird ein radialer Kanal für das Kühlgas gebildet. Entsprechende Bohrungen 3 a, 4 a, Sa und 6 a sind in den Isolierschichten 3, 4, 5 und im Keil 6 vorgesehen.

Das Kühlmedium kann auf diese Weise vom im unteren Teil der Nut vorgesehenen Gaszuführungskanal aus durch den durch die Bohrungen 2 a, 3 a, 4 a, 5 a und 6 a gebildeten radialen Kühlkanal bis zum Luftspalt an der Oberfläche 7 des Rotorkörpers fließen.

Die radialen Kühlkanäle sind im allgemeinen zu Gruppen zusammengefaßt (Fig. 9 und 10), wobei beispielsweise fünf oder sechs Kühlkanäle eine Gruppe bilden und die Gruppen auf die Länge des Leiters verteilt sind. Die radialen Kühlkanäle in jeder einzelnen Gruppe sind im allgemeinen noch durch weitere Kanäle 5 b, 5 c in der Isolierschicht 5 verbunden. Auf diese Weise kann das Kühlgas im Falle, daß aus irgendeinem Grunde ein Kühlkanal in den Leitern blockiert ist, trotzdem der vorgesehenen Anzahl von Ausströmöffnungen entströmen. Die Bohrungen 6 a in den Keilen 6 sind in der gezeigten Weise verbunden und in ihrem äußeren Teil mit Gewinde versehen, um, wenn nötig, querschnittsvermindernde Vorrichtungen oder Pfropfen einsetzen und den Durchsatz des Kühlgases in den verschiedenen Kühlkanälen ausgleichen zu können.

Bei Verwirklichung der Erfindung in der in den F i g. 2 bis 8 beispielsweise dargestellten Art, unter

Bezugnahme zunächst auf F i g. 2, sind die den radialen Kanal bildenden Bohrungen la in den Leitern 7 in radialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet. Die Bohrungen 4 a, Sa und 6 a sind in derselben relativen Lage, wie in F i g. 1 gezeigt, jedoch haben die Bohrungen 8 α in den Isolierschichten 8 einen größeren Durchmesser als in Fig. 1. In der in F i g. 2 dargestellten Ausführung sind die Bohrungen la so gegeneinander versetzt, daß der Abstand zweier aufeinanderfolgender Bohrungen kleiner ist als der Radius oder die Weite der Bohrung.

Die Folge der versetzten Bohrungen ist eine Vergrößerung der Turbulenz im Kanal und dadurch ein verbesserter Wärmeübergang.

Die Isolation zwischen den Leitern kann gegenüber der in F i g. 2 dargestellten Ausführung durch die Anordnung nach F i g. 3 verbessert werden, bei welcher der Leiter 9 aus zwei Teilleitern A und B besteht. Die Achse der Bohrung im Teilleiter A ist gegenüber der im Teilleiter B versetzt, jedoch ist die Bohrung im Teilleiter A eines Leiters fluchtend mit der Bohrung im unmittelbar anschließenden Teilleiter B des folgenden Leiters. Bei dieser Konstruktion müssen die Bohrungen 10« in den Isolierschichten 10 in derselben Weise versetzt werden, wie die Bohrungen 9 a in den Leitern 9. Die Bohrungen 4 a, 5 α und 6 α bleiben unverändert.

Die Bohrungen können auch so gegeneinander versetzt werden, daß ihre Abstände größer als ihr Radius oder ihre Weite werden, wodurch die Turbulenz weiter gesteigert wird. Bei einer derartigen Versetzung ist es allerdings notwendig, eine Art Kanal, der sich rechtwinklig zur Achse der Bohrungen erstreckt, zwischen aufeinanderfolgenden Bohrungen vorzusehen. Eine derartige Ausführung ist in F i g. 4 dargestellt, in welcher ein Verbindungskanal zwischen den Bohrungen Ha der Leiter 11 durch eine erste Aussparung 12 a in der Isolierschicht 12 gebildet wird.

Um den Druckabfall auf ein Minimum zu beschränken, ist es zweckmäßig, bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform auch gleichzeitig die Stärke der Isolierschicht 12 und damit die Höhe der Aussparungen 12a in radialer Richtung zu vergrößern.

Die Notwendigkeit, die Stärke der Isolierschicht 13 zu vergrößern, kann bei der Anordnung nach F i g. 5 vermieden werden, bei welcher jeder Leiter 14 wieder in zwei Teilleiter C und D aufgeteilt ist. Die Bohrung im Teilleiter C ist gegen die im Teilleiter D um einen Abstand versetzt, der größer ist als der Radius oder die Weite der Bohrung, und die Bohrungen 14 a sind dabei durch eine zweite Aussparung 15 in der Unterseite des Teilleiters C verbunden. Die Bohrung im Teilleiter C eines Leiters fluchtet mit der des unmittelbar anschließenden Teilleiters D des folgenden Leiters, und die Isolierschicht 13 kann deshalb in normaler Stärke ausgeführt werden.

Fig. 6 zeigt eine Abänderung von Fig. 5, bei welcher durch dritte und vierte Aussparungen 16, 17 Kühlkanäle in jedem der Teilleiter E und F des Leiters 18 zur Verbindung der Bohrungen 18 a gebildet werden. Die Bohrungen in der Isolierschicht 19 entsprechen der Anordnung in F i g. 5.

Wenn es unerwünscht ist, die Isolierschicht 20 zu verstärken oder die Leiter 21 in zwei Teilleiter aufzuteilen, kann die Anordnung nach F i g. 7 vorgesehen werden. Hier ist jeder Leiter mit einer Bohrung 21 α versehen, die so angeordnet ist, daß wenn der Leiter seinen Platz in der Nut 1 einnimmt, die Bohrungen von der Mittellinie X-X des Schlitzes abweichen. Rechtwinklig zur Bohrung 21 α ist eine Aussparung 22 eingeformt. Durch Umkehren abwechselnder Leiter in der Nut wird die Anordnung nach F i g. 7 erzeugt, wobei die Isolierschicht 20 zwischen den Leitern normale Stärke aufweist.

Fig. 8 zeigt die Anordnung nach Fig.7, nur haben hier die Aussparungen 23 geneigte Flächen 24, 25, um einen glatteren Strömungsdurchfluß zu ermöglichen und scharfe Kanten zu vermeiden.

Fig. 9 zeigt am Beispiel der Bohrungen 9 a, daß diese entweder im wesentlichen rechteckige Form (9 a'), wie auf der linken Seite der Zeichnung, oder kreisförmige (9 a) wie auf der rechten Seite, bzw. eine Kombination beider Formen haben können. Zwei der früher erwähnten Gruppen von Bohrungen G und H sind dargestellt. Dabei besteht jede Gruppe aus fünf Bohrungen, von welchen aber bei der Gruppe G nur zwei dargestellt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Zahl oder Gruppierung der Kühlkanäle beschränkt.

Aus der Zeichnung ist auch die Form der Isolierschicht 5 ersichtlich, die Verbindungskanäle zwischen den radialen Kühlkanälen einer Gruppe enthält, aber die Kanäle einer Gruppe von denen einer anderen trennt.

Fig. 10 ist eine der Fig. 9 entsprechende Ansicht und zeigt Furchen oder Vorsprünge 26, die im Winkel zur allgemeinen Strömungsrichtung des Kühlgases durch den radialen Kühlkanal angeordnet sind, um eine Verwirbelung oder einen schraubenförmigen Strömungsweg zu erzielen. Die gezeigten Bohrungen haben rechteckigen Querschnitt, doch kann bei kreisförmigen Bohrungen ein ähnlicher Effekt erzielt werden, indem die Furchen oder Vorsprünge schraubenförmig am Umfang der Bohrung angebracht werden. Es verdient auch Beachtung, daß bei den in Fig. 10 dargestellten Bohrungen die Furchen auf gegenüberliegenden Seiten der aufeinanderfolgenden Bohrungen entgegengesetzt geneigt sind, um den schraubenförmigen oder wirbeligen Fluß zu erzeugen.

In den Fig. 11 bis 13 haben die Bohrungen die Form von rechteckigen Schlitzen 27, die sich etwa in Achsrichtung des Rotors erstrecken, aber nicht unbedingt parallel zueinander in dieser Richtung sein müssen, wie aus F i g. 12 und 13 ersichtlich. Die Leiter bestehen dabei aus einer Gruppe von drei Teilleitern /, K, L, obwohl auch erforderlichenfalls eine andere Anzahl Teilleiter vorgesehen werden kann. Der Teilleiter K weist einen gegenüber der Maschinenachse um einen Winkel nach der einen Seite geneigten Schlitz 28 und der mittlere Teilleiter K' bzw. K" der radial darüber- und darunterliegenden Leiter je einen gegenüber der Maschinenachse jeweils um den gleichen Winkel nach der anderen Seite geneigten Schlitz 28' auf, so daß die Schlitze 28 bzw. 28' in den mittleren Teilleitern K die Schlitze 27 in den oberen und unteren Teilleitern / bzw. L der Gruppe verbinden.

Bei einer anderen Anzahl von Teilleitern in einem Leiter ist es notwendig, daß die Bohrungen in einem Teilleiter die eines anschließenden an irgendeiner Stelle der axialen Erstreckung verbinden. Zur Verbindung zwischen den Bohrungen aufeinanderfolgender Leiter durch die Isolierschicht 29 hindurch ist es erstrebenswert, die Bohrungen bzw. Schlitze 29 α alle in einer Richtung anzuordnen, wie in Fig. 11 dar-

gestellt, wo der Schlitz 27 im Teilleiter L eines Leiters achsgleich und parallel zu dem Schlitz 27 im Teilleiter / des folgenden Leiters ist. Der Schlitz 29 a in der Isolierschicht 29 verläuft daher auch in Achsrichtung des Rotors.

Bei den verschiedenen beschriebenen Anordnungen bewirken die Turbulenz und die schraubenför-

mige oder verwirbelte Strömung eine beträchtliche Erhöhung des Wärmeübergangs. Außerdem ergibt sich eine sehr erwünschte Vergrößerung der Kühlflächen. Der erhöhte Wärmeübergang wird dabei 5 ohne Verminderung der Wirksamkeit der Isolation oder, wenn erwünscht, ohne Vergrößerung der Stärke der Isolierschichten erzielt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

109 582/191

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine mit direkt gekühlter Wicklung, deren Leiter mit zwischengelegten Isolierschichten innerhalb von Nuten in radialer Richtung übereinander angeordnet sind und in axialen Abständen Bohrungen aufweisen, die jeweils mit den radial darüberliegenden Leitern radial verlaufende Kühlkanäle bilden, die radial außen in den Luftspalt münden und radial innen mit jeweils einem am Nutengrund axial verlaufenden Gaszuführungskanal in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (7«, 9 a, 11a, 14 a, 18«, 21«, 27, 28) einer oder mehrerer übereinanderliegender Leiter (7, 9, 11, 14, 18, 21) abwechselnd gegenüber einer durch die Maschinenachse gelegten Radialebene versetzt angeordnet sind.

2. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (Ja) in den radial übereinanderliegenden Leitern (7) um einen Betrag gegeneinander versetzt sind, der kleiner als die Breite der Bohrung in tangentialer Richtung ist (Fig. 2).

3. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter aus zwei radial übereinanderliegenden Teilleitern (A, B) besteht, deren Bohrungen (9a) untereinander versetzt sind und mit den Bohrungen (9 a) der unmittelbar radial darüber oder darunter angeordneten Teilleiter (A, B) eines anderen Leiters fluchten (Fig. 3).

4. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (lla) in den radial übereinanderliegenden Leitern (11) um einen Betrag gegeneinander versetzt sind, der größer ist als die Breite der Bohrung in tangentialer Richtung (Fig.4).

5. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 4, mit einer Wicklung mit einteiligen Leitern, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Bohrungen (11 α) zweier übereinanderliegender Leiter (11) jeweils durch eine erste Aussparung (12 a) der zwischen den Leitern liegenden Isolierschicht (12) erfolgt (F i g. 4).

6. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 4, mit einer Wicklung, deren Leiter aus zwei Teilleitern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (14 a, 18 a) der Teilleiter (C, D; E, F) eines Leiters untereinander versetzt sind und mit den Bohrungen (14 α, 18 α) der unmittelbar radial darüber oder darunter angeordneten Teilleiter (C, D; E, F) eines anderen Leiters fluchten und daß die Verbindung der Bohrungen der Teilleiter durch eine zweite Aussparung (15; 23) in einem Teilleiter (C) oder je eine dritte und vierte Aussparung (16, 17) in beiden Teilleitern (E, F) erfolgt (F i g. 5 und 6).

7. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wicklungen, bei denen die Verbindung der Bohrungen (18 a) in den Teilleitern (E, F) erfolgt, die Bohrungen beidseitig der Mittellinie des Leiters symmetrisch versetzt sind.

8. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite oder dritte Ausspa- | rung (23) zur Verbindung der Bohrungen (21) in P radialer Richtung eine schräg verlaufende Seite \ (24, 25) hat (Fig. 8).

9. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- ' kennzeichnet, daß die Bohrungen (9 α) kreisförmigen Querschnitt haben (F i g. 9, rechte Seite).

10. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (9 a') rechteckigen Querschnitt haben (F i g. 9, linke Seite).

11. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen aus in Richtung der Maschinenachse verlaufenden Schlitzen (27) bestehen.

12. Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 11, mit einem aus drei Teilleitern bestehenden Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teilleiter (K) des einen Leiters einen gegenüber der Maschinenachse um einen Winkel nach der einen Seite geneigten Schlitz (28) und der mittlere Teilleiter (K', K") der radial darüber- und darunterliegenden Leiter je einen gegenüber der Maschinenachse jeweils um den gleichen Winkel nach der anderen Seite geneigten Schlitz aufweisen und daß die Schlitze (28) in den mittleren Teilleitern (K) jeweils die Schlitze (27) in den oberen und unteren Teilleitern (/, L) verbinden (Fig. 11 bis 13).