DE1463874B2 - Kuehlanordnung fuer die wickelkoepfe eines gasgekuehlten rotors einer elektrischen maschine, insbesondere eines wasserstoffgekuehlten generators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für die Wickelköpfe eines gasgekühlten Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines wasserstoffgekühlten Generators, mit einer die Wickelköpfe einschließenden Wickelkopfkappe, die von einem Zentrierring zentriert ist, mit einer radial unterhalb des Zentrierringes und des Wickelkopfes angeordneten ringförmigen Gaseintrittsöffnung, die in Gaseinlaßbereichen mit zwischen den radialen Leiterstapeln befindlichen Zwischenräumen in Verbindung stehen, die in Gasauslaßbereichen mit einer zwischen dem axial äußersten Leiterstapel und dem Zentrierring gebildeten Kammer verbunden sind, welche Kammer über eine Mehrzahl von nach radial außen offenen Ableitkanälen zwischen der Wickelkopfkappe und dem Zentrierring ins Freie mündet. Eine derartige Kühlanordnung ist aus der deutschen Auslegeschrift 1136 005 bekannt. Es ist bekanntlich schwierig, eine ausreichende Kühlgasmenge zur Kühlung der Leiter einer elektrischen Maschine bereitzustellen, insbesondere wenn es sich dabei um einen hochtourigen Rotor großer Länge handelt. Bei diesen Rotoren ist nämlich der Außendurchmesser des aktiven Rotorteiles aus Spannungsgründen begrenzt, während der Außendurchmesser der abstützenden Rotorwelle groß genug sein muß, um eine ausreichende Rotorsteifigkeit zu gewährleisten. Dies bedingt scharfe Beschränkungen für einen konstruktiven Aufbau, bei dem genügend Kühlgas in das Ende des Rotors zur hinreichenden Kühlung der Wicklungen strömt, und zwar sowohl entlang der Nuten als auch um die Wickelköpfe herum. Der Querschnitt zur Abführung des Gases vom Ende des Rotors nach dem Kühlen der Wickelköpfe vermindert den für die Gaszufuhr verfügbaren Strömungsquerschnitt. Das Ableiten von Kühlgas durch Bohrungen in der Wikkelkopfkappe ist zu vermeiden, weil diese unter sehr hoher mechanischer Spannung steht.

Aus den deutschen Auslegeschriften 1136 005 und 1046172 sind Kühlanordnungen für die Wickelköpfe von gasgekühlten Rotoren elektrischer Maschinen insbesondere von wasserstoffgekühlten Generatoren bekannt. Dabei wird zur Abführung der erwärmten Luft aus den Zwischenräumen der Spulenstapel jeweils eine Anzahl von Schächten oder Kanälen mit relativ engem Querschnitt verwendet. Die Zugangsöffnungen zu diesen zwischengefügten Kanälen sind notwendigerweise relativ eng und sie münden in einen Raum unter der Wickelkopfkappe mit relativ geringer axialer Ausdehnung. Dadurch bilden sie eine Behinderung für den Strom des erwärmten Kühlgases, welches zur Erzielung einer optimalen Kühlwirkung schnell ausgestoßen werden sollte. Bei diesen Anordnungen sind keine Hohlleiter verwendet, die sich in die Zwischenräume zwischen Spulenräumen öffnen, wie sie jedoch aus der unterschiedlich aufgebauten Anordnung der deutschen Auslegeschrift 1 072 724 bekannt sind. Hierbei wird vielmehr das erwärmte Kühlgas in den Luftspalt des Generators ausgestoßen.

Aus der britischen Patentschrift 822 066 ist eine Anordnung bekannt, bei der Hohlleiter mit Querkanälen im Bereich der Wickelköpfe verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Kühlanordnung für die Wickelköpfe eines gasgekühlten Rotors einer elektrischen Maschine mit einer verbesserten Gasausstoßanordnung, die den Strömungsquerschnitt für die Gasabführung vergrößert, ohne dabei den Rotordurchmesser zu vergrößern oder den

Strömungsquerschnitt für die Gaszufuhr wesentlich zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einer Kühlanordnung für die Wickelköpfe eines gasgekühlten Rotors einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem mit Hohlleitern ausgeführten Wickelkopf, dessen Hohlleiter durch Zuführ- und Abführöffnungen in die Zwischenräume zwischen den Leiterstapeln münden, im Bereich der Achsen der Pole und der Polzwischenräume die Gasauslaßbereiche von den Zwischenräumen zwischen den Leiterstapeln und von kreisringsektorförmigen Räumen gebildet sind, die von der Welle, den Spulenstapeln, dem axial inneren Ende des Wickelkopfes und durch zwischen Welle und Wickelkopfkappe eingefügte, radial verlaufende Trennwände sowie durch in axialer Richtung zwischen der Welle und den Leiterstapeln verlaufenden radialen Abdeckungen begrenzt sind, daß die kreisringsektorförmigen Räume axial außen in die von dem axial äußersten Leiterstapel und dem Zentrierring gebildete Kammer übergehen, die eine vergrößerte axiale Ausdehnung besitzt, daß die radialen Ableitkanäle durch auf den Zentrierring aufgesetzte Lüftertaschen gebildet sind und daß Vorkehrungen zur gleichmäßigen Verteilung des Kühlgases auf die Ableitkanäle getroffen sind. Auf diese Weise wird eine bedeutende Verbesserung der Kühlung des Wikkelkopfes erreicht, da der zur Abführung des Kühlgases zur Verfügung stehende Querschnitt auf den gesamten Umfang der Wickelkopfkappe ausgedehnt wird.

F i g. 1 zeigt einen Aufriß im Schnitt und einen Teil des Wickelkopfes mit zugehörigen Rotorteilen;

F i g. 2 zeigt eine abgewickelte Ansicht der äußersten Windungen des Wickelkopfes einer dynamischen Maschine, radial einwärts gesehen mit abgenommener Wickelkopf kappe;

F i g. 3 zeigt eine Endansicht des Rotors in einem Querschnitt;

Fig.4 zeigt einen vereinfachten Aufriß ähnlich der Darstellung gemäß F i g. 1 für eine andere Ausführungsform;

F i g. 5 zeigt eine abgewickelte Planansicht ähnlich der Darstellung gemäß Fig.2 für diese Ausführungsform.

Auf der Welle 1 ist der mit Nuten versehene Ballen des Rotors angeordnet (nicht dargestellt). In diesen Nuten befinden sich die Leiter der einzelnen Spulen einer verteilten Wicklung. Die Wicklung besitzt Wickelkopfe 2, die außerhalb des Rotorballens um die Welle 1 herum verlaufen. Die äußersten Spulen der Wickelköpfe 2 enthalten Leiterstapel 3,4,5 aus radial gestapelten Hohlleitern 6, die voneinander durch die Windungsisolierung 7 getrennt sind. Die Hohlleiter 6 haben längs der Leiter verlaufende innere Gaskühlkanäle 8, die an bestimmten Stellen Zuführ- und Abführöffnungen 9 für das Kühlgas besitzen.

Die Wickelköpfe 2 werden gegen die Zentrifugalkraft durch eine Wickelkopfkappe 10 gehalten. Ein Ende dieser Wickelkopfkappe 10 ist an dem Rotorballen in geeigneter Weise befestigt. Das andere Ende dieser Wickelkopfkappe 10 ragt über die Welle 1 hinaus und ist an einem radial verlaufenden Zentrierring 11 befestigt. Der Zentrierring 11 ist mittels eines Schrumpfsitzes an einer Oberfläche 12 und eines Sicherungsteiles 13 und einer Schraube 14 befestigt. Die innere Oberfläche 15 des Zentrierringes 11 ist zur Bildung einer Gaseintrittsöffnung 16 von der Welle 1 beabstandet. Eine zusätzliche Gaseintrittsfläche kann an passenden, am Umfang der Welle 1 mit Abstand voneinander angeordneten Stellen durch in die Welle geschnittene Vertiefungen 17 geschaffen werden. Ein nicht dargestellter, am Rotor befestigter Lüfter fördert einen Kühlgasstrom nach innen durch die Gaseintrittsöffnung 16 und die Vertiefungen 17.

An seinem Umfang besitzt der Zentrierring 11 eine Anzahl voneinander beabstandete Aussparungen 18, die axial verlaufende Ableitkanäle zwischen dem Zentrierring 11 und der Wickelkopfkappe 10 bilden. Am Außenende des Zentrierringes 11 ist eine Gruppe von lüfterförmigen Segmenten 19 durch Bolzen 20 befestigt. Jedes dieser bogenförmigen Segmente 19 besitzt gleichmäßig voneinander beabstandete Lüftertaschen 21, deren Einlasse auf die Aussparungen 18 ausgerichtet sind. Die Lüftertaschen 21 sind derart geformt, daß sie radiale Ableitkanäle 22 nahe dem Außenumfang der Wickelkopfkappe 10 bilden.

Gemäß der Erfindung ist der Axialabstand zwischen dem Leiterstapel 5 und dem Zentrierring 11 vergrößert. In diesem vergrößerten Raum ist ein Verteilersegment 23 angeordnet, das vorzugsweise aus Isolierstoff besteht und das eine bogenförmige, sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer 24 bildet. Das Verteilersegment 23 bildet zwei radial übereinanderliegende Teilkammern 23 a, 23 b. Die Teilkammer 23 α ist mit einer radial weiter außen liegenden Teilkammer 23 b durch radial gerichtete Durchlaßkanäle 25 innerhalb des Verteilersegmentes 23 verbunden.

Gemäß F i g. 2 zeigt die abgewickelte Planansicht die Anordnung der äußersten Leiterstapel der Wicklung über einen Quadranten des Rotors, d. h. von der Achse 26 des Poles zur Achse 27 des Polzwischenraumes. Jede der Spulen ist aus getrennten Hohlleitern gebildet, die axial verlaufende Teile 28 und in Umfangsrichtung verlaufende Teile 29 aufweisen. Die Spulen sind axial und in Umfangsrichtung voneinander getrennt durch zwischengefügte radiale Trennwände 30, 31. Zusätzlich sind Trennglieder 32, 33 unter den Leiterstapeln verwendet, die sich axial und in Umfangsrichtung erstrecken und den Raum zwischen der Rotorwelle 1 und der Unterseite der Spulen in Räume 34, 34 α zum Einlaß des Kühlgases und in Räume 35, 36 zum Auslaß des Kühlgases unterteilen. Nach Fig.2 sind die miteinander verbundenen Gaseinlaßräume 34, 34 a beaufschlagt durch Kühlgas, das unter dem Zentrierring 11 durch die Gaseintrittsöffnungen 16 und die Vertiefungen 17 in der Welle 1 einströmt. Das Kühlgas strömt radial auswärts zwischen den Leiterstapeln 3,4,5 und über die Zuführöffnungen 9 in die Gaskühlkanäle 8 und von dort zu den Räumen 35, 36 zwischen und unter den Leiterstapeln. Der Raum 35 ist nahe der Achse 26 der Pole und der Raum 36 ist nahe der Achse 27 der Polzwischenräume angeordnet.

Der Querschnitt für die Abführung von Kühlgas aus den Räumen 35, 36 ist stark vergrößert durch eine besondere Anordnung, die das bogenförmige Verteilersegment 23 zwischen dem äußersten Spulenstapel 5 und dem Zentrierring 11 einschließt. Das Kühlgas kann, nachdem es von den Gaskühlkanälen 8 in die Räume 35, 36 abgeleitet worden ist, von

dort in die sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer 24 an jedem Ende des Verteilersegmentes 23 in die Teilkammern 23 a, 23 b fließen. Durch den geräumigen axialen Zwischenraum zwischen dem äußer- ., sten Leiterstapel 5 und dem Zentrierring 11 wird er- '5 mölicht, daß eine beträchtliche Gasmenge in Umfangsrichtung und dann radial durch die Durchlaßkanäle 25 des Verteilersegmentes 23 fließt. Von dort wird es zu den Aussparungen 18 auf dem Umfang des Zentrierringes 11 verteilt und fließt dann über die Ableitkanäle 22 der Lüftertaschen 21 zum äußeren Umfang des Rotors.

Das Gas kann auch direkt die Räume 35, 36 durch die Ausschnitte 18 α des Zentrierringes 11 verlassen, die nahe der Achsen der Pole und der Polzwischenräume angeordnet sind. Durch die Verwendung des Verteilersegmentes 23, das sich über den Teil des Rotors erstreckt, der durch den Gaseinlaßraum 34 besetzt ist, kann eine zusätzliche Gasaustrittsfläche geschaffen werden. Somit kann der Gasaustritt längs des gesamten Rotorumfanges erfolgen.

Aus F i g. 3 kann man zusätzliche Einzelheiten der Anordnung ersehen. Die lüfterförmigen Segmente 19 enthalten mehrere radiale voneinander beabstandete Lüftertaschen 21, die auf die Aussparungen 18 des Zentrierringes 11 ausgerichtet sind. Das aus den Gaskühlkanälen 8 austretende und in die Räume 35, 36 eintretende Kühlgas strömt in die Enden der Teilkammer 23 α des Verteilersegmentes 23 ein. Dort wird es in Umfangsrichtung auf die Aussparungen 18 des Zentrierringes 11 verteilt, dadurch, daß es durch die Durchlaßkanäle 25 in die Teilkammer 23 b und von dort über den ganzen Umfang des Rotors strömen kann. Die radialen Abdeckungen 37, 38 sperren einen Teil der ringförmigen Gaseintrittsöffnung 16 ab und hindern das Gas in den Räumen 35 bzw. 36 daran, aus dem Raum unter dem Zentrierring 11 zu entweichen. Es kann auch eine Vertiefung 39, ähnlich der Vertiefung 17 als zusätzliche Gaseinlaßfläche verwendet werden. Diese Vertiefung 39 ist mit einer Abdeckung 40 versehen, die sich zum Rotorballen hin so weit wie das in Umfangsrichtung verlaufende Trennglied 33 (F i g. 2) erstreckt.

F i g. 4 und 5 stellen eine Abwandlung der Erfindung dar, bei der die Kammer 43 für das erwärmte Kühlgas in einer etwas vom ersten Ausführungsbeispiel abweichenden Art gebaut ist; sie besitzt eine zusätzliche Beaufschlagung der Kammer 43 mit erwärmtem Kühlgas mit Hilfe von Querkanälen 41 durch die Hohlleiter des Wickelkopfes, wobei die oberen Enden dieser Querkanäle in die Kammer 43 münden. In F i g. 4 sind die Wickelkopfkappe 10, der Zentrierring 11 und das Lüftersegment 19 wie vorher aufgebaut. Zusätzlich zu den Gaskühlkanälen 8 in den Hohlleitern 6 sind Querkanäle 41 an bestimmten Stellen der Hohlleiter 6 angeordnet. Die Kammer 43 ist hier durch ein L-förmiges Isolierstück 42 mit einem Schenkel 42 a, den äußersten Leiterstapel 5 und die Wickelkopfkappe 10 gebildet. Das Isolierstück 42 ist mit passenden Aussparungen 42 b versehen, die mit den Aussparungen 18 des Zentrierringes 11 fluchten. Eine zusätzliche Abdeckung 44 ist unterhalb der Leiterstapeln des Wickelkopfes angeordnet, um den Gasauslaßbereich 45 von dem Gaseinlaßbereich 46 unter den Wickelköpfen abzuschirmen.

In F i g. 5 ist ein Teil der Planansicht der äußersten Spulen mit abgenommener Wickelkopfkappe 10 zu sehen. Passende Abstandsblöcke 47 schirmen die Einlaßzone 45 ab, so daß das Kühlgas gezwungen ist, axial über und durch den Wickelkopf, und zwar durch die Querkanäle 41 der Hohlleiter zu strömen. Daher tritt das Kühlgas in die Kammer 43 an irgendeinem mittleren Teil entlang des Isolierstückes 42 ein und strömt in Umfangsrichtung in die Aussparungen 18 des Zentrierringes 11 von dort über die Lüftertaschen 21 nach außen.

Die Gaskühlung erfolgt auf folgende Weise:

Das Kühlgas. strömt zunächst durch die Hohlleiter 6, tritt dann in Bereichen nahe der Achsen der Pole und der Polzwischenräume aus und fließt in die Enden der Kammer 24 an jedem Ende des Verteilersegmentes 23. Von hier fließt es in zwei Richtungen zur Mitte der Kammer, um sich längs dieses Weges zu den verschiedenen, durch Aussparungen 18 gebildeten Kanälen rund um den Zentrierring 11 zu verteilen. In dieser Weise kann die Ableitung des Kühlgases am ganzen Umfang des Rotors erfolgen.

Bei den bekannten Anordnungen kann das Kühlgas nur an bestimmten in einem Abstand voneinander angeordneten Stellen entlang des in Umfangsrichtung sich erstreckenden Teils der Wickelköpfe abgeleitet werden. Durch Ausdehnen der Länge des Wickelkopfteils des Rotors, d. h. Vergrößern des Abstandes zwischen der letzten oder äußersten Spule und dem Zentrierring und durch Verwendung der in Umfangsrichtung verlaufenden Kammer gemäß der Erfindung ist die Ableitung des erwärmten Kühlgases durch den Zentrierring nicht länger beschränkt auf diese bestimmten Stellen am Umfang.

Da das Kühlgas für die Ableitung rund um den ganzen Umfang herum vorhanden ist, können die Kanäle durch den Zentrierring kleiner sein und gleichmäßig verteilt an seinem Umfang angeordnet werden, anstatt geräumige Öffnungen an bestimmten Stellen vorzusehen.

Diese kleinen Ableitkanäle durch den Zentrierring sind am Außenrand angeordnet, wo die Zentrierringtangentialspannungen kleiner sein können. Die Ableitkanäle tragen dort am wirkungsvollsten zur Erzeugung eines Pumpeffektes und damit zur besseren Ableitung von Kühlgas bei. In gleicher Weise machen die Segmente 19, die eine Lüftertasche 21 für jeden Kanal durch den Zentrierring 11 hindurch bilden und das Kühlgas zum Außenrand der Wickelkopfkappe 10 fördern, die Anordnung dadurch noch wirksamer, daß das Kühlen von dem Wickelkopfraum abgepumpt wird.

In den Abwandlungen gemäß F i g. 4 und 5 wird die Kammer 43 an einer mittleren Stelle und/oder von den Enden der Kammer her mit Kühlgas beaufschlagt. Daher kann in den Fällen, wo es auch erwünscht ist, die Länge des Gaskühlkanals 8 in dem Hohlleiter 6 (mit entsprechend hohem Druckabfall) zu begrenzen, der in Umfangsrichtung verlaufende Teil des Wickelkopfes durch Querkanäle 41 unterteilt werden.

Durch eine kleine Verlängerung der Wickelkopfkappe wird daher ein verbessertes Kühlungssystem geschaffen, das den Durchsatz größerer Mengen von Kühlgas ohne Vergrößerung des Durchmessers des Rotors und ohne Beeinträchtigung der Steifigkeit der Welle des Rotors ermöglicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kühlanordnung für die Wickelköpfe eines gasgekühlten Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines wasserstoffgekühlten Generators, mit einer die Wickelköpfe einschließenden Wickelkopfkappe, die von einem Zentrierring zentriert ist, mit einer radial unterhalb des Zentrierringes und des Wickelkopfes angeordneten ringförmigen Gaseintrittsöffnung, die in Gaseinlaßbereichen mit zwischen den radialen Leiterstapeln befindlichen Zwischenräume in Verbindung stehen, die in Gasauslaßbereichen mit einer zwischen dem axial äußersten Leiterstapel und dem Zentrierring gebildeten Kammer verbunden sind, welche Kammer über eine Mehrzahl von nach radial außen offenen Ableitkanälen zwischen der Wickelkopfkappe und dem Zentrierring ins Freie mündet, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mit Hohlleitern (6) ausgeführten Wikkelkopf, dessen Hohlleiter durch Zuführ- und Abführöffnungen (9) in die Zwischenräume zwischen den Leiterstapeln (3) münden, im Bereich der Achsen (26, 27) der Pole und der Polzwischenräume die Gasauslaßbereiche von den Zwischenräumen zwischen den Leiterstapeln (ζ. Β 3, 4,5) und von kreisringsektorförmigen Räumen (35, 36) gebildet sind, die von der Welle (1), den Spulenstapeln, dem axial inneren Ende des Wikkelkopfes und durch zwischen Welle (1) und Wickelkopfkappe (10) eingefügte, radial verlaufende Trennwände (30, 31) sowie durch in axialer Richtung zwischen der Welle und den Leiterstapeln verlaufenden radialen Abdeckungen (37, 38) begrenzt sind, daß die kreisringsektorförmigen Räume (35, 36) axial außen in die von dem axial äußersten Leiterstapel und dem Zentrierring gebildete Kammer (24; 43) übergehen, die vergrößerte axiale Ausdehnung besitzt, daß die radialen Ableitkanäle (22) durch auf den Zentrierring (11) aufgesetzten Lüftertaschen (21) gebildet sind und daß Vorkehrungen zur gleichmäßigen Verteilung des Kühlgases auf die Ableitkanäle (22) getroffen sind.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkehrungen in jeweils einem in die Kammer (24) zwischen den Gasauslaßbereichen eingebauten Verteilersegment (23) bestehen, das zwei radial übereinanderliegende Teilkammern (23 a, 23 b) bildet, die über eine Vielzahl von Durchlaßkanälen (25) miteinander in Verbindung stehen, wovon die radial außen liegende Teilkammer (23 a) als Zusatzverteilerkammer mit den Ableitkanälen (22) in Verbindung steht.

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkehrungen in Querkanälen (41) bestehen, die in zwischen den Gasauslaßbereichen in Umfangsrichtung verlaufenden Leitern vorgesehen sind und die in die Kammer (43) münden.