Anordnung zur Kühlung des Ständerblechpaketes großer elektrischer
Maschinen, insbesondere Turbogeneratoren, mit direkter Fühlung der Wiaklungsleiter
Zur Erhöhung der Leistung großer elektrischer Maschinen, insbesondere Turbogeneratoren,
ist es bekannt, die Wicklungsleiter im Rotor und Stator der Maschinen hohl auszubilden
und mit Flüssigkeit direkt zu kühlen. Diese Methode hat den Vorteil, daß die in
den Leitern anfallende Vorlustwärme, die den größten Teil aller Verluste ausmacht,
unmittelbar am Entstehungsort abgeführt wird.Arrangement for cooling the stator core large electrical
Machines, especially turbo generators, with direct contact with the winding conductors
To increase the performance of large electrical machines, especially turbo generators,
it is known to make the winding conductors in the rotor and stator of the machines hollow
and to cool with liquid directly. This method has the advantage that the in
heat generated in front of the ladders, which accounts for the largest part of all losses,
is discharged directly at the place of origin.
Von der direkten Leiterkühlung nicht erfaßt werden jedoch die Wärmemengen,
die als Folge von Wirbelstromverlusten im Ständerblechpaket anfallen. In den unteren,
für die Einführung der direkten Flüssigkeitskühlung der Wicklungsleiter bereits
interessanten Leftungsbereichen genügt die zusätzliche Beibehaltung der bekannten
Gas- oder Muttkühlung, ' um die Eisenverluste in genügendem Maße abzuführen.However, the heat quantities are not recorded by the direct conductor cooling
which occur as a result of eddy current losses in the stator core. In the lower,
for the introduction of direct liquid cooling of the winding conductors
Interesting lefting areas it is sufficient to keep the familiar ones
Gas or mother cooling, in order to dissipate the iron losses to a sufficient extent.
Wenn man jedoch die Vorteile der direkten Flüssigkeitskühleng der
Wicklungsleiter restlos ausschöpfen will, so ist es besonders bei Generatoren sehr
großer Leistungen unbedingt erforderlich, auch die Kühlung des Ständerblechpaketes
mit Flüssigkeit vorzunehmen.However, if you take advantage of direct liquid cooling the
If you want to exhaust the winding conductor completely, this is particularly the case with generators
high performance absolutely necessary, also the cooling of the stator core
with liquid.
Grundsätzlich ist es möglich, das Ständerblechpaket und
seine Verspannelemente voll mit Flüssigkeit zu kühlen.
In besonderen Fällen wird es aber zu prüfen sein, ob es
wirtschaftlich
gerechtfertigt ist, die Flüssigkeitskühlung für alle Bauteile vorzusehen oder ob
es besser ist, die Verluste aus für die Flüssigkeitskühlung weniger zugänglichen
Stellen durch Gas- oder Luftkühlung abzuführen, zumal es sich ohnehin empfiehlt,
eine Gaszirkulation innerhalb der Maschine aufrechtzuerhalten. um örtliche Wärmenester
zu vermeiden; die durch den Einfluß von Streufeldern, beispielsweise in Gehäuseteilen,
entstehen könnten. Beide Kühlungsarten, die Flüssigkeitskühlung des Blechpaketes
und die Gaskühlung der Konstruktionsteile sollten sich zu einer wirtschaftlich optimalen
Lösung ergänzen, wie sie Gegenstand der Erfindung ist. Es sind bereits Vorschläge
zur Flüssigkeitskühlung des Ständerblechpaketes elektrischer Maschinen bekannt nach
denen das Blechpaket ohne Aussparung von radialen Schlitzen massiv geschi@tet ist
und isolierte axiale Kanäle aufweist, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt
wer den. Infolge der notwendigen Isolation der Kanalwandungen ist natürlich der
Wärmeübergang zur Kühlflüssigkeit sehr schlecht. Außerdem müssen bei diesem System
die Anschlüsse für die Versorgung der axialen Kanäle mit Kühlflüssigkeit im Bereich
der Stirnseiten angeordnet sein, wag aber wegen. der dort vorhandenen Prelldeckel
konstruktiv sehr schwierig zu verwirklichen ist. Da das Blechpaket keine radialen
Schlitze aufweist, muß das in den Luftspalt eindringsnde Kühl gas diesen Luftspalt
über seine ganze Länge durchströmen, was nicht nur einen sehr hohen Druckabfall
sondern auch eine ungleichmäßige Erwärmung besonders der Läuferoberfläche und der
Wickelkopfkappen auf beiden Stirnseiten der Masshirte zür. ?z,1.@@ hnt
Nach
einem anderen Vorschlag werden in die axialen Kanäle des Blechpaketes Rohre eingeführt,
die durch Isolierstücke in konzentrischer Lage zu den Kanalwandungen gehalten werden,
so daß zwischen Kanalwandung und Rohr ein Ringkanal frei bleibt Die Kühlflüssigkeit
wird hierbei durch das Rohr geleitet, während zwischen Kanalwandung und Rohr ein
Kühlgas strömt, Das Kühlgas dient hierbei als Wärmeübertrager von der Kanalwendung
des Blechpaketes zu dem flüssigkeitedurchstr@.mten Diese Anordnung benötigt aber
auf Kosten des Ständereisens sehr viel Platz. Außerdem ist auch hier der Wirkungsgrad
der Kühlung sehr gering.In principle, it is possible to cool the stator core and its bracing elements fully with liquid. In special cases , however, it will have to be checked whether it is economically justified to provide liquid cooling for all components or whether it is better to dissipate the losses from places less accessible for liquid cooling by gas or air cooling, especially since it is advisable anyway, maintain gas circulation inside the machine. to avoid local hot spots; which could arise from the influence of stray fields, for example in housing parts. Both types of cooling, the liquid cooling of the laminated core and the gas cooling of the structural parts, should complement each other to form an economically optimal solution, as is the subject of the invention. There are already proposals for the liquid cooling of the stator core of electrical machines known according to which the sheet metal core is massively geschi @ tet without a recess of radial slots and has isolated axial channels through which a cooling liquid flows. As a result of the necessary insulation of the duct walls, the heat transfer to the coolant is of course very poor. In addition, in this system, the connections for the supply of the axial channels with cooling liquid must be arranged in the area of the end faces, but daring to do so. the existing baffle cover is structurally very difficult to realize. Since the laminated core has no radial slots, the cooling gas penetrating into the air gap must flow through this air gap over its entire length, which not only results in a very high pressure drop but also uneven heating, especially of the rotor surface and the winding head caps on both front sides of the massager. ? z, 1. @@ hnt According to another proposal, tubes are inserted into the axial channels of the laminated core, which are held in a concentric position to the channel walls by insulating pieces, so that an annular channel remains free between the channel wall and the tube Pipe passed, while a cooling gas flows between the duct wall and the pipe. The cooling gas serves as a heat exchanger from the duct turn of the laminated core to the liquid-flowed through. This arrangement, however, requires a lot of space at the expense of the stator iron. In addition, the efficiency of the cooling is very low here too.
Zur Vermeidung dieser Nachteile schlägt die Erfindung eine Anordnung
zur Kühlung des Ständerblechpaketes bei großen elektrischen Maschinen mit direkter
Flüssigkeitskühlung der Wicklungsleiter vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
das Blechpaket durch radial verlaufende Schlitze in an sich bekannter Weise in mehrere
Teilpakete geteilt ist und daß in diesen Schlitzen von Kühlflüssigkeit durchströmte
Kühltaschen angeordnet sind. Diese Kühltaschen können in jedem Schlitz symmetrisch
über den Umfang verteilt angeordnet sein und radiale Kanäle zum Durchtritt von Kühlgas
aus dem Luftspalt, - oder umgekehrt e, in den Raum zwischen Blechpaket und Gehäusemantel
freilassen. Die Wandungen der Kühltaschen stehen jedoch mit den Schlitzwandungen
unmittelbar in Berührung und nehmen von dort bereits `derluotwärme auf. Es empfiehlt
sich, die Kühltaschen so auszubilden, daß sie über "den äußeren Rand des Blechpaketes
hinaus in den Raum zwischen Blechpaket und Gehäusemantel hinein
ragen. Diese überragenden Teile de.@°@i@ wird man
gegebenenfalls mit Kühlrippen versehen, um einen möglichst günstigen
Wärmeaustausch zwischen den aus dem Luftspalt strömenden Kühlgasen und der Kühlflüssigkeit
zu ermöglichen. Bereits beim Durchtritt durch die radialen Kanäle zwischen den Kühltaschen
wird das die Zähne des Blechpaketes kühlende Kühlgas teilweise rückgekühlt. Um diesen
Kühleffekt noch zu verbessern, wird vorgeschlagen, die Kühltaschen beispielsweise
durch Prägen so auszubilden, daß im Innern der Kühltaschen radiale Flüssigkeitskanäle,
außerhalb der Kühltaschen aber durch Taschenwandung und Blechpaket begrenzte radiale
Gaskanäle gebildet werden, die einander abwechseln. Derart ausgebildete Kühltaschen
wirken wie Röhrenwärmeaustascher und ermöglichen die volle Rückkühlung des Kühlgases
bereits beim Durchtritt durch den Blechpaketschlitz. Anstelle von mehreren Kühltaschen
in jedem Blechpaketschlitz kann natürlich auch, jeweils nur eine ringförmige Kühltasche
verwendet werden. Dadurch kann beispielsweise die Anzahl der Kühlflüssigkeitsanschlüsse
erheblich verringert werden. Zur besseren Kühlung der ßtänderzähne empfiehlt es
sich, die Kühltaschen in Richtung auf den Luftspalt mit zahnartigen Ausläufern zu
versehen, die in den Schlitzen zwischen die Zähne des Ständerblechpaketes ragen.
Um eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Blechpaket zu erzielen und um die Dickenunterschiede
beim Schichten besser ausgleichen zu können, werden die Kühltaschen in den verschiedenen
Blechpaketschlitzen zueinander schachbrettartig versetzt angeordnet. Durch diese
Maßnahme wird auch eine gleichmäßigere Verteilung des Preßdruckes über die gesamte
Blechpaketstirn-Fläche erreicht. Durch Querrippan innerhalb der Kühltaschen
gebildete
Kanäle, die gleichzeitig zur Aufnahme des Preßdruckes dienen, wird ein definierter
Strömungsverlauf der Kühlflüssigkeit gewährleistet und die Entstehung von Tctwasser
und damit Heißpunkten innerhalb der Kühltasche vermieden. Die Querrippen können
unter Umständen auch durch Sicken in den Kühltaschen ersetzt werden. Da die Blechpaketkühlung
nicht unmittelbar mit stromführenden Teilen in Berührung kommt, braucht die dafür
verwendete Kühlflüssigkeit nicht mit der gleichen Sorgfalt aufbereitet zu werden
wie die für die Stator- und Rotorleiterkühlung verwendete Flüssigkeit, so daß sich
unter Umständen eine unabhängige Flüssigkeiteversorgung der Blechpaketkühlung empfiehlt.
Als Kühlflüssigkeit bistet sich hierfür besonders das Kondensat der Dampfturbine
an, wodurch noch ein zusätzlicher Wärmerückgewinn des gesamten Turbosatzes ermöglicht
wird. Die Kühltaschen können z.B. alle zueinander parallel geschaltet und über Ringleitungen
mit Flüssigkeit versorgt werden. Es ist aber auch möglich, die/jhweils in dem gleichen
Blechp@@tschlitz angeordneten Kühltaschen in Reihe zu schalten, während die Versorgung
für die verschiedenen Schlitze in Parallelschaltung erfolgt. Zur intensiveren Kühlung
der Blechpaketsähne können außerdem noch axiale Kanäle in diesen Zähnen für das
Kühlgas vorgesehen werden. In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Fig. 1 zeigt die stirnseitige Ansicht eines Blechpaketschlitzes mit
Kühltaschen gemäß der Erfindung. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch das Ständerbleohpaket
längs der Linie Aa in Fig..1. In fig. 3 ist die Schaltung
der Flüssigkeitsversorgung für das erfindungsgemäße Kühl sy#item dargestellt.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel de Erfin-
dung. In Fig. 5 Ist ein Schnitt längs der Linieb-und
in
Fig. 6 ein Schnitt längs der Linie(nD in Fig. 4 dargestellt.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Schlitz eines Ständerblechpaketes 1,
in dem Küihltaschen 2 gemäß der Erfindung angeordnet sind. Zwischen diesen Kühlteschen
2 sind radiale Durchtrittskanäle 3 freigelassen, durch die Kühlluft nach Kühlung
der Ständerzähne 4 aus dem Luftspalt 5 in den Raum zwischen Blechpaket 1 und Gehäusemantel
6 übertritt, um sich an den in diesen Raum hineinragenden Teilen 7 der Kühlteschen
2 rückzukühlen. Die Einspeisung und Abfuhr der Kühlflüssigkeit zu und von den Kühltaschen
2 erfolgt über Ringleitungen 8 und Einzelansohlüsse 9. Querrippen 1o in den Kühltaschen
2 sorgen für einen definierten Strömungsverlauf der Kühlflüssigkeit Die Kühltaschen
11 eines enderen hinter der Zeichenebene liegenden Blechpaketschlitzes Bind gestrichelt
angedeutet und zeigen, daß die Kühltaschen in den verschiedenen Blecbpaketschlitzen
zueinander schachbrettartig versetzt angeordnet sind. In Fig. 2 ist ein Schnitt
längs der Linie A.2 der Fig. 1 dargestellt Man erkennt hier die axiale Aufteilung
des Blechpaketes in Einzelpakete 12, die durch Schlitze 13 voneinander getrennt
sind. In diesen Schlitzen 13 sind die Kühltaschen 2 angeordnet. In Nuten des Ständerblecbpaketes
1 sind die flüssigkeitsgekühlten Leiterstäbe 14 der Ständerwicklung eingelegt.To avoid these disadvantages, the invention proposes an arrangement for cooling the stator core in large electrical machines with direct liquid cooling of the winding conductors, which is characterized in that the core is divided into several sub-assemblies by radially extending slots in a manner known per se Cooling pockets through which cooling liquid flows are arranged. These cooling pockets can be arranged symmetrically over the circumference in each slot and free radial channels for the passage of cooling gas from the air gap, or vice versa, into the space between the laminated core and the housing jacket. The walls of the cooling bags, however, are in direct contact with the slit walls and already absorb the hot fluid from there. It is advisable to design the cooling pockets in such a way that they go beyond "the outer edge of the laminated core" into the space between the laminated core and the housing jacket protrude. These towering parts de. @ ° @ i @ will be one
optionally provided with cooling fins in order to enable the most favorable heat exchange possible between the cooling gases flowing out of the air gap and the cooling liquid. As soon as it passes through the radial channels between the cooling pockets, the cooling gas that cools the teeth of the laminated core is partially recooled. In order to improve this cooling effect, it is proposed to design the cooling bags, for example by embossing, so that radial fluid channels are formed inside the cooling bags, but radial gas channels alternating with one another are formed outside the cooling bags but limited by the pocket wall and laminated core. Cooling pockets designed in this way act like tubular heat exchangers and allow the cooling gas to be fully recooled as it passes through the laminated core slot. Instead of several cooling pockets in each laminated core slot, it is of course also possible to use only one annular cooling pocket at a time. In this way, for example, the number of coolant connections can be reduced considerably. For better cooling of the stator teeth, it is advisable to provide the cooling pockets in the direction of the air gap with tooth-like extensions that protrude in the slots between the teeth of the stator core. In order to achieve an even distribution of heat in the laminated core and to be able to better compensate for the differences in thickness when layering, the cooling pockets in the various laminated core slots are arranged offset to one another in a checkerboard manner. This measure also results in a more even distribution of the pressing pressure over the entire face of the laminated core . Channels formed by transverse ribs within the cooling pockets, which also serve to absorb the pressing pressure, ensure a defined flow of the cooling liquid and avoid the formation of Tctwater and thus hot spots inside the cooling pocket. The transverse ribs can, under certain circumstances, be replaced by beads in the cooler bags. Since the laminated core cooling does not come into direct contact with live parts, the cooling liquid used for this does not need to be prepared with the same care as the liquid used for cooling the stator and rotor conductor, so that an independent liquid supply for the laminated core cooling is recommended under certain circumstances. The condensate of the steam turbine is used as the cooling liquid, which enables additional heat recovery from the entire turbine set. The cooling bags can, for example, all be connected in parallel to one another and supplied with liquid via ring lines. However, it is also possible to connect the cooling bags, which are always arranged in the same sheet metal slot, in series, while the supply for the various slots is carried out in parallel. For more intensive cooling of the laminated stack teeth, axial channels can also be provided in these teeth for the cooling gas. Two exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. Fig. 1 shows the front view of a laminated core slot with cooling pockets according to the invention. Fig. 2 shows a longitudinal section through the Ständerbleohpaket along the line Aa in Fig..1. In fig. 3 shows the circuit of the liquid supply for the cooling sy # item according to the invention. Fig. 4 shows a further embodiment of the invention
manure. In Fig. 5 is a section along the line and in
6 shows a section along the line (nD shown in FIG. 4.
1 shows a cross section through the slot of a stator core 1, in which cooling pockets 2 according to the invention are arranged. Radial passages 3 are left between these cooling pockets 2, through which cooling air, after cooling the stator teeth 4, passes from the air gap 5 into the space between the laminated core 1 and the housing jacket 6, in order to cool down on the parts 7 of the cooling pockets 2 protruding into this space. The cooling liquid is fed and discharged to and from the cooling pockets 2 via ring lines 8 and individual connections 9. Cross ribs 1o in the cooling pockets 2 ensure a defined flow of the cooling liquid the cooling pockets in the various laminated core slots are arranged offset to one another in a checkerboard manner. FIG. 2 shows a section along line A.2 in FIG. The cooling bags 2 are arranged in these slots 13. The liquid-cooled conductor bars 14 of the stator winding are inserted into grooves in the stator core 1.
Fig. 3 zeigt im Schaltscbema die Flüssigkeitsversorgung der Kühltascben
2 über eine Zuleitung 15, Parallelabzweige 16 und eine der beiden Ringleitungen
8 für jeden Blechpaket schlitz,: Die Ableitung der Kühlflüssigkeit erfolgt über
jeweils die andere der Ringleitungen 8, Leitungen 19 und eine Sammelleitung 117a
Die
Fig. 4 zeigt eine andre Variante der Erfindung. Die Kühltaschen 2 sind hier durch
Prägen so susgebildet, daß abwechselnd radiale Kühlflüssigkeitskanäle 2o und radiale
Kühlgaskanäle 21 aufeinanderfolgen. Wie die Fig. 5 zeigt, werden die Flüssigkeitskanäle
2o durch Sicken 22 der Kühltaschenwandung gebildet Die Gaskanäle 21 werden von der
Kühltaschenwandung und den Tellblechpaketen 12 begrenzt. Die Rippen 1o in den radialen
Kühlflüssigkeitskanälen 2o dienen nicht nur zur Aufnahme des Preßdruckes sondern
auch zur Unterteilung der Flüssigkeitskanäle 2o in Längsrichtung. Die Strömungsrichtung
der Kühlflüssigkeit und des Kühlgases ist durch Pfeile in Fig. 4 kenntlich gemacht.
Zusätzliche zehnartige Ausläufer 22 der Kühltaschen 2, die zwischen die Zähne 4
des Ständerblechpaketes 1 ragen, verbessern die Kühlung dieser Zähne erheblich.
Die Fig. 6 als Schnitt längs der Linie C.D in Fig. 4 läßt die Ausgestaltung der
Kühlgaskanäle 21 an ihrem äußeren radialen Ende deutlicher erkennen. Die Versorgung
mit Kühlflüssigkeit erfolgt auch bei diesem Ausführungsbeispiel analog der Fis.
3.Fig. 3 shows the circuit diagram of the liquid supply of the cooling bags
2 via a supply line 15, parallel branches 16 and one of the two ring lines
8 slot for each laminated core: The coolant is drained off via
in each case the other of the ring lines 8, lines 19 and a collecting line 117a
the
Fig. 4 shows another variant of the invention. The cooler bags 2 are through here
Embossing so susgebilden that alternating radial coolant channels 2o and radial
Cooling gas channels 21 one after the other. As shown in FIG. 5, the liquid channels
2o formed by beads 22 of the cooling pocket wall. The gas channels 21 are formed by the
Cooling pocket wall and the plate laminations 12 limited. The ribs 1o in the radial
Coolant channels 2o not only serve to absorb the pressing pressure but
also for dividing the liquid channels 2o in the longitudinal direction. The direction of flow
the cooling liquid and the cooling gas are indicated by arrows in FIG. 4.
Additional ten-like extensions 22 of the cooling bags 2, which between the teeth 4
of the stator core 1 protrude considerably improve the cooling of these teeth.
Fig. 6 as a section along the line C.D in Fig. 4 shows the design of the
Cooling gas channels 21 can be seen more clearly at their outer radial end. The supply
in this exemplary embodiment, too, the cooling liquid takes place in a manner analogous to FIG.
3.
Eine weitere MÖglichkeit zur Kühlflüssigkeitsversorgung der Kühltaschen
2 zeigt schematisch die Fig. 7. Die Kühlflüssigkeitszu-- und -abfuhr
erfolgt hier lediglich über axiale Verteiler-- und Semmelrohre
25 b$w. 26. Ringrohre werden
hierbei überflüssig und die
Zahl der Einzelanschlüsse 9
niedrig gehalten. A further possibility for supplying cooling liquid to the cooling bags 2 is shown schematically in FIG. 7. The cooling liquid supply and discharge takes place here only via axial distributor and bread rolls 25 b $ w. 26. Ring pipes are superfluous and the number of individual connections 9 is kept low.