DE1488456A1 - Einphasenwechselstrom-Turbogenerator mit sehr grosser Leistung - Google Patents

Description

• "Einphasenwechselstrom-Turbogenerator mit°iz!Ju'nlq "größer"'Zeistungt, Die Erfindung betrifft einen Einphasenwechselstrom-Turbogenerator mit sehr großer Leistung. Bei Einphasenwechselstrom-Turbogeneratoren, die zur Speisung von Bahnnetzen eingesetzt werden, ist mit Rücksicht auf die Frequenz von 16 2/3 Hz die Drehfahl einer zweipoligen Maschine auf 1000 U/min festgelegt. Das:bedingt im Vergleich zu einer zweipoligen Maschine für eine Frequenz von 50 Hz eine Vergrößerung des Generators um den Faktor 3. Berücksichtigt man ferner die Einphasigkeit der Maschine, wodurch die Ausnutzung gegenüber einer Drehstrommaschine etwa um den Faktor reduziert wird, so ergibt sich für einen 16 2/3 Hz Einphasenwechselstrom-Turbogenerator unter sonst gleichen Bedingungen ein etwa um den Faktor 5 größeres Modell als bei einer Drehstrommaschine gleicher Leistung für eine Frequenz von 50 Hz.
• Darüber hinaus ist bei der Auslegung von Einphasen-Generatoren zu berücksichtigen, daß der Läufer der,.Iylaschine mit einer kräftigen Dämpferwicklung ausgerüstet sein muß. Die Inverskomponente des vom Einphasenwechselstrom verursachten Wechselfeldes im Ständer muß durch einen äquivalenten Strombelag im Läufer, der durch Ströme mit einer Frequenz von'33 1/3 Hz in der Dämpferwicklung gebildet ist, kompensiert werden. Der Dämpferwicklung kommt sowohl im Hinblick auf die konstruktive Ausführung,als auch auf die Abführung der Verlustwärme besondere Bedeutung zu.
• Bei großen Drehstrom-Turbogeneratoren wurde in den letzten Jahren durch den Einsatz moderner Kühlungsmittel,insbesondere der direkten Leiterkühlung durch Kühlgase oder Kühlflüssigkeiten, eine sehr große Steigerung der Einheitsleistung erzielt. Die Leistung ausgeführter Einphasen-Generatoren ist dagegen vergleichsweise klein. Der Grund dafür liegt im wesentlichen in der eingangs erläuterten geringen Ausnutzung eines Einphasen-Generätors. Sie füh;Z-A bVjjp.,E;1;#%ux4 von Maschinen größerer Leistung auf Abmessungen und Gewichte, die die Transportfähigkeit des Generators weitgehend beschränken.
• Bei einer Einphasenmaschine in Turbobauart kommt den Verlusten, die durch Dämpferströme im Rotor verursacht werden, besondere Bedeutung zu. Der Läufer besteht bekanntlich aus einem Ballen aus massivem Stahl. Die Erregerwicklung und auch die Dämpferwicklung sind in eingefrästen Nuten untergebracht. Die Nuten werden-zweckmäßigexweise durch Keile aus gut leitendem Material, verschlossen. Die Dämpferströme fließen daher sowohl in der Dämpferwicklung, als auch in den Nutkeilen und in den Zahnköpfen. Der Dä.mpferatromkreis ist durch an den Ballenenden unter den Kappenringen angebrachten Kurzschlußringe, sowie durch die Kappen selbst geschlossen. Die durch Dämpferatröme verursachten Verluste entstehen also nicht nur in der eigentlichen Dämpferwicklung, sondern im gesamten Mantel des Rotorballerks, dessen Dicke in etwa.durch die Höhe des Nutkeils bestimmt ist,sowie auch in.den Kappenringen. Dieser Tatsache muß bei der Wahl der Mittel zur Abführung der Verluste besondere Rechnung getragen werden. Es ist bereits bekannt, bei Einphasen-Turbogeneratoren zur intensiveren Kühlung des Rotors die Erregerwicklung als direkt luftgekühlte Wicklung auszuführen. Die einzelnen Windungen können dabei aus Hohlleitern aufgebaut sein. Um die Dämpferverluste besser abführen zu können, ist es bekannt, die Dämpferwicklung mit direkt luftgekühlten Hohlleitern auszurüsten (DGM 1 846 269). Die durch diese Maßnahme erzielbare Leistungssteigerung ist jedoch nur bescheiden, so daß bei bisher ausgeführten Maschinen mit Rücksicht auf Transportschwierigkeiten der Ständer zweiteilig ausgeführt werden mußte.
• Es ist auch bereits bekannt, die aus Hohlleitern bestehende im Rotor angeordnete Erregerwicklung von Turbogeneratoren mittels einer Flüssigkeit, z.B. Wasser, zu kühlen (DAS 1 117 211). Es ist weiterhin bekannt,. den Rotorkörper elektrischer Maschinen durch eine, in diesem befinälichen axiale Bohrungen durchströmende Kühlflüssigkeit zu kühlen (d.P.S. 337 561)0 An und für sich wäre es auf Grund des vorliegenden Standes der Technik naheliegend, zur Intensivierung der Kühlung der Dämpferstäbe die bekannten als Hohlleiter ausgeführten Leiterstäbe. durch eine Kühlflüssigkeit zu kühlen. Dies würde jedoch-voraussetzen, daß jeder Leiterstab der Dämpferwicklung an seinen beiden Enden mit je einem Anschluß für die Kühlflüssigkeit versehen werden müßte, denn die Leiter der Dämpferwicklung sind nicht wie die der Erregerwicklung Bestandteile einer geschlossenen Idicklung, bei der mehrere Windungen von dem Kühlmittel durchflossen werden können, so daß die Aalzahl der Anschlüsse für das Kühlmittel bei der Erregerwicklung relativ klein bleiben kann. Im Gegensatz zu der Ausbildung eines Dämpferstabes als gasgekühlter Hohlleiter, bei denen Undichtigkeiten an den Anschlüssen keine großen Schäden verursachen können; müßte bei der Verwendung einer Flüssigkeit als Kühlmedium die Dichtigkeit der Anschlüsse mit sehr grosser Sicherheit gewährleistet sein; weil ein Austreten der Kühlflüssigkeit zu schweren Schäden an der Maschine führen könnte.
• Bei der vielfach angewandten Ausführung einer Zweischichtdämpferwicklung mit am Rotorende abgewinkelten Dämpferstäben,deren Enden beider Schichten sich unter der Rotorkappe kreuzen und unter der Wirkung der Zentrifugalkraft einen guten elektriachen Kontäkt bildend gegeneinander gepreßt werden, gingen durch die zahlreichen bei einer Flüssigkeitskühlung erforderlichen Anschlüsse die Vorteile des einfachen Aufbaues einer solchen Wicklung verloren, so daß dieser naheliegende Weg, eine Leistungssteigerung zu erzielen, nicht empfehlenswert ist.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine wesentliche Steigerung der Ausnutzung des aktiven Materials von Einphasenwechselstromgeneratoren zu erzielen, um einteilig gebaute, bahntransportfähige und wirtschaftlich betreibbare Einphasenwechselstromgeneratoren größter Leistung für eine Frequenz von '!6 2/3 Hz zu realisieren. Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß sowohl in den Rotorzähnen als auch in zwischen der Rotorkappe und den Rotorwickelköpfen angeordneten, die Dämpferstäbe untereinander verbindenden Ringen Kühlkanäle vorgesehen sind, die von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt sind, das durch die Läuferwelle zu- und abgeführt und außerhalb der Maschine rückgekühlt wird. Zur Führung der Kühlflüssigkeit an den Enden des Rotorballens, im Bereich der Rotorwickelköpfe sind erfindungsgemäß metallische, von Kühlkanälen durchzogene Ringe innerhalb der Rotorkappen zwischen den Kappenringen und der Dämpferwicklung angeordnet»= Die Zuführung des Kühlmediums von dem im Zentrum des Rotors liegenden Sammelkanälen zu den Kühlkanälen in den Rotorzähnen erfolgt durch radiale Bohrungen im Rotorballen und die Zuführung des Kühlmediums zu den Ringen in der Rotorkappe über Rohrleitungen.
• Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Rotors wird eine direkte Abführung der durch die Dämpferströme erzeugten Vsrlustwäisme durch'Kühlwasser ermöglicht. In den Rotorzähnen sind Kühlkanäle vorgesehen, die zur Abführung der im Bereich des Rotorballens durch Dämpferströme entstehenden Verluste dienen. Zur Abführung der im Bereich der Rotorkappen durch Dämpferströme entstehenden Verluste sind Kühlkanäle in den in den Rotorkappen eingewalzten Kurzschlußringen»der Dämpferwicklung vorgesehen. Die Verluste der Erregerwicklung können in belca unter Weise durch direkte Luftkühlung der als Hohlleiter ausgebildeten Läuferstäbe abgeführt werden. Eine solche kombinierte Kühlung des Rotors läßt sich relativ einfach verwirklichen. Für sehr große Maschinenleistungen wird in Weiterbildung der Erfindung auch für die Erregerwicklung eine direkte Wasserkühlung vorgesehen.
• Es ist zwar bereits bekannt zur Kühlung der Rotorzähne von Dreiphasen-Turbogeneratoren Kühlwasser zu verwenden, das durch in den Zähnen angeordnete Kühlkanäle hindurchströmt (ETZ A,1955, S. 748). Diese bekannte Anordnung dient jedoch im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Anordnung zur Abführung der Vefluste der Erregerwicklung, denn bei einem Dreiphasen-Turbogenerator unterliegt bei normalem Betrieb die Dämpferwicklung, soweit eine solche vorhanden ist, praktisch keiner Erwärmung. Diese Kühlkanäle haben eine große radiale Höhe, um auch die untersten Partien der Erregerwicklung in ausreichendem Maße zu kühlen. Bei dieser bekannten Ausführung handelt es sich also um eine indirekte Kühlung, so daß zwischen den Rotorzähnen und den durch eine Isolationsschicht getrennt in@den Nuten liegenden Leiter- die großen Relativdehnungen zwischen den Leiterstäben und dem Eisen e@nx solcharAnordnung nach AneLeht des Verfassers der obengenannten druckschriftlichen Veröffentlichung bis jetzt ein Vorurteil gegen die Verwendung einer Flüssigkeitskühlung der Läuferzähne bei Wechseletrommaschinen höchster-Leistung bestand. Eine wesentliche Leistungssteigerung wurde im übrigen durch eine solche Anordnung bei Drehstromgeneratoren nicht erzielt. Die vorliegende Erfindung geht dagegen von der Erkenntnis aus, daß.es notwendig ist die Dämpferverluste, die bei Einphasen-Ueneratoren@dae Kernproblem der Kühlung bei erhöhter Ausnutzung bilden, unmittelbar durch in den Zahnköpfen vorgesehene Kühl- Dämpferwicklung als auch die Nutkeile stehen unter der Einwirkung der Fliehkraft in engen metallischen Kontakt mit den Zahnköpfen, so daß eine gute Wärmeleitfähigkeit zum Kühlkanal gesichert ist,und daß die durch die obige Veröffentlichung zu befürchtende starke Dehnung der Dämpferstäbe durch große Unterschiede zwischen der Temperatur der Dämpferstäbe und dem Rotoreisen nicht eintritt. Dasselbe gilt für den im Bereich der Rotorkappen angeord neten mit Kühlkanälen versehenen Kurzschlußring der Dämpferwicklung. Auch hier wird unter dem Einfluß der Fliehkraft ein inni-. .ger Kontakt, sowohl zwischen den Dämpferstäben und dem Kurzschlußring einerseits, als auch zwischen dem Kurzschlußring und dem Kappenring andererseits, erzeugt.
• Bei einer solchen Maschine.wird im gbrigen zweckmäßigerweise auch die Ständerwicklung und das Ständerblechpaket durch direkte Wasserkühlung gekühlt. Die gleiche Kühlung kann dabei auch für die Ständerpreßplatten und die Verschalung angewandt werden.
• Ausführungsbeispiel eines Turbogenerators gemäß der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigen .
• die Fig. 1 einen Teilschnitt@des Rotors eines Turbogenerators gemäß der Erfindung die Fig. 2 einen Schnitt durch die eine Rotorkappe in axialer Richtung die Fig. 3 das Kühlmittelführungesehema für den Rotor. In den-Figuren sind mit 1 der Rotorballen, mit 2 die Rotornut, mit 3 die Stäbe der Erregerwicklung, mit 4 die Dämpferstäbe und mit 5 die Nutenkeile, die ebenfalls aus leitendem Material hergestellt sind, bezeichnet. In den Läuferzähnen sind axiale Kanäle 6 angeordnet, die z.B. durch Einfräsen und anschließendes Zuschweißen des oberen Teiles der Einfräsung hergestellt sein können.. Diese Kanäle enden jeweils kurz vor dem Ende des Rotorballena und stehen duroh radiale Bohrungen ? mit einem ringförmigen Sammelraum 8 bzw. 8t in Verbindung. Der eine Sammelraum 8 ist mit der in die Welle eingebohrten Kühlmittelzuflußleitung 16 und der Sammelraum 81 mit der Kühlmittelabflußleitung 15 verbunden.
• Zwischen der Rotorkappe 9 und den abgewinkelten Enden der Dämpferstäbe 4 (siehe Fig.2) ist ein aus einem gut leitenden Material, z.B.Kupfer, bestehender Ring 10 angeordnet, der die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen*Stäben der oberen Stabschickt der Dämpferwicklung 4 untereinander herstellt. Unter den Dämpferstäben ist der Wickelkopf 3' der Erregerwicklung angedeutet. Der erwähnte Ring 10 ist mit Hohlräumen 11 versehen, die im Ausführungsbeispiel als axiale Bohrungen 11, die in ringförmigen Sammelräumen 12 und 121 enden, ausgebildet sind. Diese Sammelräume 12 und 12' sind mit der bereits erwähnten Kühlmittelzuleitung bzw. Ableitung 15, 16 durch Rohre 13, 14 verbunden.
• Die erwähnten Kühlkanäle im Ring 10 können auch als eingegossene z.8. spiralig im Ring 10 verlaufende Kühlschlangen ausgebildet sein oder eine andere zweckmäßige Form aufweisen.
• Durch die bei der erfilidungsgemäBen Anordnung getroffenen idaB-.nahmen ist, wie entsprechende Versuche ergeben haben, eine Steigerung der Grenzleistung von zweigöligen Einphasenwechsel-

Claims (1)

1. Patentansprüche : `1. Einphasenwechseletrom-Turbogenerator sehr großer Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl in den Rotorzähnen als auch in zwischen der Rotorkappe und den Rotorwickelköpfen angeordneten, die Dämpferstäbe untereinander verbindenden Ringen (10) $ühlkanäle vorgesehen sind, die von einem flüs-sigen Zählmittel durchströmt sind, das durch die Läufer-welle zu- und abgeführt und außerhalb der Maschine rückgekühlt wird. 2. Einphasenwechselstrom-Turbogenerator nach Anspruch 1, da- durch gekennzeichnet, daß der Führung der Kühlflüssigkeit $u den Kanälen in den Rotorzähnen an den Enden des Rotor- ballens ringförmige Kanäle (8) dienen, die über radiale .Bohrungen (?) im Rotorballen mit den im Zentrum des Rotors liegenden Sammelkanälen (15, 16) verbunden sind. *Kühlkan4len (6) und den 3. Einphasen Wechselstrom-Turbogenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle im Ring@(1p) durch axiale Bohrungen (11) gebildet sind, die durch ring-förmige Kanäle (12) an beiden Enden des Ringes verbunden sind und daß die Ringkanäle (12) mit den zentralen Sammelkanälen (15, '16) verbunden*sind. . 4. Einphaeenwechseletrom-Turbogenerator nach Anspruch 1 oder 2, kanälen (15, 16) verbunden sind. 5. Einphasenwechselstrom-Turbogenerator nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den .Rotorzähnen verlaufenden Kühlkanäle (6) nahe der Rotor, oberfläche angeordnet sind und eine geringe radiale Höhe aufweisen. 6. Einphasenwecheelstrom-Turbogenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung aus Hohlleitern (3) besteht, die in an sich bekannter Weise durch hindurchströmende Luft gekühlt sind. 7. Einphasenwechselstrom-Turbogenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung aus Hohlleitern gebildet ist, die in an sich bekannter Weise direkt durch ein flüssiges Kühlmedium gekühlt wird. B. Einphasenwechseletrom-Turbogenerator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator in an sich bekannter Weise durch Wasser direkt gekühlt wird.