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Elektrischer Generator Die-Erfindung betrifft einen elektrischen Generator
mit einem luftdighten, mit Kühlgas gefülltem Gehäuse, einem Statorpaket, einem Läufer,
der mit dem Statorpaket einen Luftspalt bildet, und einer Einrichtung zum Umwälzen
und Kühlen des Gases im Gehäuse. wobei der Läufer entlang einer Gaseintrittszone
mit einer Mehrzahl von Gassein= trittsöffnungsn und. im Abstand hiervon entlang
einer Gasaustrittszone mit einer Mehrzahl von Gasaustrittsöffnungen versehen ist,
zwisohen- denen sich Kühlkanäle durch den Läufer erstrecken, sowie- mit einer
Mbhrzahl von Gaszu.führungskanä:len im Statorpaket, welche zur Gaseintrittszone
führen
und einer Mehrzahl von Gasableitungskanälen im Statvrpaket,
welche sich von der Gas-
austrittszone wegerstrecken.
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Es ist bekannt, dass die Feldmagnetentwicklungen
grosse
Turbinengeneratoren mittels eines derart konstruierten
Läufers gekühlt werden können, dass Gas aus dem Luft-
spalt
zwischen Läufer und Stator mitgenommen und zum
Kühlen der Wicklungen
durch Innenkanäle des Läufers ge-
führt wird. Ferner ist es
bekannt, die mit dem Luft-
spalt in Verbindung stehenden Ein- und Austrittsöffnun-
gen
längs des Läufers in Gruppen unter Bildung von Ein-und Austrittszonen
anzuordnen und das Gas in den Läufer
von Öffnungen der Eintrittszone
zu Öffnungen einer Aus-
trittszone in diagonal verlaufenden Kanälen
zu führen,
die von langgestreckten Ausnehmungen in den Leitern der
Feldmagneten
gebildet werden. Dies-ist in der USA-Patentschrift 2 986 664
beschrieben. Hierbei ist esüblich, das im Luftspalt befindliche Gas
mit Hilfe
von radial verlaufenden Kanälen des Stators ständig
durch
kühleres Gas zu ersetzen, welches zum Kühlen der
Statorbleche
selbst dient, Bei dieser Konstruktion
werden die--Statorwicklnugen selbständig
mit flüssigem Kühlmittel gekühlt, das durch hohle Wicklungsteile
ge-
leitet wird.
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Da die vorstehend beschriebene Kühlanordnung eine Vielzahl
von Strömungswegen für Kühlmittel -erfordert und
niedrige Druckunterschiede
vorhanden sind, werden
üblicherweise zum Umwälzen des Gases durch die
vorsschi,edenen Kanäle und die zum Kühlen des Gasen dienenden 'Wärmetauscher
Niedordruckgebläue vorwendet.
Man hat schon daran gedacht,
dass die bekannten Vorteile der Mehrw®g-Läuferkühlung, die mittels der "Spaltmitnahmeläufer":(gap
pickup rotor) erzielt werden, möglicherweise auch bei Verwendung von rotierenden
Dichtungen in 'd er Weise erreicht werden können, dass Drucksperren gebildet werden,
welche längs des .Luftspalts abwechselnd Hoch- und Niederdruckzonen schaffen, so
dass Kühlgas durch in den Wicklungen vorgesehene Kanäle ohne den Vorteil der Mitnahme
aus dem Luftspalt gedrückt wird. Eine derartige Anordnung macht jedoch die Verwendung
von Hochdruckgebläsen erforderlich, damit der.Druckunterschied erzeugt wird, der
notwendig ist, um das Gas durch die Läuferkanäle von einer Zone zur nächsten zu
drücken, da ja das Gas nicht aufgrund der natürlichen Pumpwirkung des Läufers zu
strömen gezwungen ist.
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Be.i Läufern, die nachdem vorstehend erwähnten Prinzip der Mitnahme
des Kühlgases aus dem Luftspalt arbeiten, hat e8 sich gezeigt, dass ein Teil des
aus den Austrlttsöffnungen des Läufers austretenden heissen Gases längs des offenen
Luftspaltes zu den Eintrittsöffnungen des Läufers zurückgelangt, so dass die Wirksamkeit
der Kühllei,ichtung herabgesetzt wird.-Die Art dieser Strömung ist zwar noch nicht
genau erkannt worden, doch nimmt man afi, dass der aus den Austrittsöffnungen des
Läufers austretend e. heisse Gasstrom mit hoher Tgngentialgeschwindigkeit auf den
Stator auftrifft und Wirbel und Zonen hoher Turbulenz-bildet, von denen ein Teil
eine. so starke Bewegungsgrösse hat, dass das von den Niederdruck -Gebläsen erzeugter
niedrige Druckgefälle überwunden wird, das in dem Luftspalt zwischen dem Eintrittsbereich
und dem Austrittsbereich des
Läufers vorhanden ist. Diese Wirbel
bewirken, dass das heisse Läufergas in axialer Richtung längs des Luftspaltes zu
den Eintrittsöffnungen des Läufers trans.» portiert wirdo Die Verwendung von rotierenden
Dichtungen in dem Luftspalt zur Verhinderung dieser Rückführung ist unzweckmässig,
weil dadurch der erforderliche Förderdruck und die Leistungsaufnahme des
Gebläses beträchtlich erhöht würden und gleichzeitig verhindert würde, dass die
gewünschte Menge Kühlgas von den Ständereintrittsöffnungen über den Luftspalt zu
den Ständeraustrittsöffnungen strömt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung
zu schaffen, die nach dem Prinzip der Mitnahme des Kühlgases aus dem Luftspalt arbeitet
und bei welcher verhindert wird, dass das durch die Kühlkanäle des Läufers geströmte
Gas über den Luftspalt zurückgeführt wird und wieder in die Eintrittsöffnungeai
des Läufers eintritt, Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen,
dass einerseits die Gaseintrittsöffnungen als schaufelförmige Eintrittskanäle ausgebildet
sind, an die sich die Kühlkanäle als diagonale Läuferkanäle anschliessen, so dass
der Kühlstrom durch den Läufer infolge der Läuferrotation erzeugt wird 'und
dass andererseits strömungsteilende Stauflächen zwischen
der Gaseintritts- und der Gasaustrittszone vorgesehen sind; mit radial verlaufenden
Teilstücken, die zwischen den Gasointrittaöffnungen und den Gasaustrittsöffnungen
einen ringförmigen Spalt derart begrenzen, dass der in axialer Richtung von der
Gaseintrittszone
zur Gasaustrittszone durch den ringförmigen Spalt
tretende kühle Gasstrom beschleunigt und den Gasableitungskanälen des Statorpakets
zugeführt wird.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung sowie
weitere Merkmale und. Vorteile sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 einen grossen wasserstoffgekühlten Generator, bei, welchem
der Läufer mit aus dem Luftspalt aufgenommenem Kühlgas gekühlt wird, teilweise in
Aufsicht, teilweise in Seitenansicht und -zum Teil geschnitten, Figo 2 eine vergrösserte
perspektivische Darstellung, welche die Gasströmung im Luftspalt veranschauli,ch.-t
,
Fig. 3 eine vereinfachte 4uerschnittsdarstellung, in Richtung der Läuferachse
gesehen und Fig. 4 einen vergrösserten Querschnitt, welcher Einzelheiten dbs Luftspaltes:
und. der ihm benachbarten Teile veranschaulicht.
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Der elektrische Generator besitzt ein gasdichtes-Gehäuse 1, das ein
Stator-Blechpaket 2 trägt und Lager 3 besitzt, in denen ein Läufer 4 drehbar gelagert
ist. Das Statorpaket 2 besteht aus Blechen, zwischen denen mehrere radial verlaufende
Kühlkanäle 5 in der Längsrichtung des Statorpaketes in Abständen angeordnet sind.
Die Statorwicklungen werden mit Flässgkeit.gekühlt, die
durch
isolierte Schläuche 6 der Statoawicklung 7 zuge-
führt und in einem
ausserhalb des Generators angeord-
neten System, das nicht dargestellt
,ist, zurückgeführt
und gekühlt wird.
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Zwischen d.em Stat,orgehäuse und dem Statorblech
sind
Trennwände, beispielsweise $' vorgesehen, die das Ge-
häuse
in Kammern teilen, die zur Trennung des radial
einströmenden Kühlgases,
beispielsweise Wasserstoff, von radial ausströmendem Kühlgas dienen..
Das Gas wird.
mit Hilfe von Nederdruckgebläsen 10, die an beiden
Endendes
Läufers angeordnet sind, durch das Gehäuse und durch Wärmetauscher.9
gefördert,
Zum Kühlen des Läufers wird das Gas mit schaufelartigen
Eintrittsöffnungen 12 dem Luftspalt 1i entnommen
und durch Austrittsöffnungen
13 wieder dem Luftspalt
zugeführt, Die Eintrittsöffnungen 12 des Läufers
sind
längs einer Eintrittszone 14 angeordnet, die grund-
sätzlich
einer Gruppe radialer Kühlkanäle 5a des
Stators für einwärtsströmendes
Gas benachbart ist.
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In ähnlicher Weise sind Austrittsöffnungen 13 in
einer
Austrittszone 15 angeordnet, die radialen
Statorkanälen 5b benachbart
ist, welche Gas nach
aussen führen. Zwischen jeder Eintrittsöffnung
12 und
Austrittsöffnung 13 strömt das Gas innerhalb des
Läufers
in der Längsrichtung durch einen Strömungs-
kanal, der sich in diagonaler
Richtung zum Boden
der Läufernut und anschliessend über im Leiter vor-
gesehene
Ausnehmungen wieder diagonal auswärts er-
streckt, wie dies in der
bereits genannten USA-Patentschrift 2 986 664 (Willyoung) erläutert
ist.
Längs des Luftspaltes 11 sind in Abständen strömungs-
teilende
Stauflächen 16 angeordnet, die einen orts-
festen Teil 17 und einen
rotierenden Teil 1$ aufwei-
sen, der mit dem Teil 17 einen rangförmigen
Spalt 19
begrenzt,
Die Einzelheiten der strömungsteilenden
Stauflächen
und des Luftspaltes sind in Fig. 2 deutlicher darge-
stellt.
Der ortsfeste Teil 17 besteht aus einem radial
angeordneten, unmagnetischen
Stauelement, das inner-
halb des Stato.Vs angebracht ist und
,s ich vorzugsweise
nur über einen Bogen von etwa 300o im oberen Teil der
Statorbohrung
erstreckt. Der rotierende Teil 18 besteht
vorzugsweise" aus einem Ring
aus unmagnetischem Stahl,
der auf die Mantelfläche des Läufers
aufgeschrumpft
Lind mit diesem drehfest verbunden ist. Die Eintritts-
öffnungen
12 sind mit der Mantelfläche des Läufers im wesentlichen bündig und haben
ein solches Profil, dass
aufgrund der Relativbewegung zwischen Gas und
Läufer eine Druckspitze entsteht, welche das Gas durch die
Wicklung
als Folge der Pumpwirkung des Läufers drückt. Die Austrittsöffnungen
13 sind ebenfalls bündig und so
ausgebildet, dass nie nach Art einer Venturidüse
zur
Pumpwirkung beitragen, Ein Teil einer der in Fig. 2
dargestellten
Läufernuten ist weggebrochen gezeigt, um
die diagonalen'Strümungskanä.le
zu veranschaulichen,
welche das Gas von einer Eintrittsöffnung
12 durch
diagonal fluchtende Kühlkanäle in den Wicklungen zu einer Austrittsöffnung
13 führen. Eine der diagonal
fluchtenden'kühlkanäle ist bei 20 angedeutet.
Aus
Fig. 3 der Zeichnung geht hervor' dass sich der
ortsfeste Teil 17 des Strömungsteilers
über einen
-Bogen von etwa 3000 im oberen Bereich der Statorbohrung-erstreckt,
so dass unten ein Raum 21 ent-
steht. Dies ist für eine Konstruktion zweckmässig,
bei welcher die Stauflächen dauerhaft und fest am
Stator bzw. Läufer angebracht
werden können und bei welcher ein Raum vorhanden sein mussp- um den-Läufer
in
bekannter Weise auf einer Kufe in die Ständer-
bohrung einschieben zu können,
ohne dabei den orte-festen Teil 17 oder die Hinge 18 zu beschädigen.
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Fig, 4 zeigt eine geeignete Befestigung des ortsfesten
Teiles
17 an dem Statorpaket-2. Der Teil 17 kann aus Schaumgummi bestehen und ist an
üblichen Keilen 22
über dazwischenliegende Schaumgummiblücke
23 be-
festigt, die mit den Keilen 22 und dem Teil 17 ver-
klebt
sind. Man kann die Blöcke 23 entweder vor dem
Anbringen des Teils 17 mit den
Keilen verbinden oder
die Blöcke an dem Teil 17 befestigen,
ehe dieser eingesetzt wird, Die Fig. 4 zeigt ferner einen Teil
des
umlaufenden Ringes 18- und eine Gruppe von Austrittsöffnungen
13 den Läufers, Die Verwendung von Schaum-
gummi für
den ans Ständer angebrachten Teil 17 der Stau-
fläche hat den
Vorteil, dann andere Teile des Generators nicht beschädigt werden können,
wenn der Läufer bei
seiner Montage unbeabeichtigterweise
an die Stauflächen
17 8tasst.
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Die Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung ist
nachstehend
anhand der Figuren 1, 2 und 4 der Zeichnung
beschrieben.
Aus
Fig. 1 geht hervor, dass das mit den Pfeilen 30 angedeutete, radial einströmende
Gas in den Luftspalt 11- gelangt undhier von den Eintrittsöffnungen des Läufers
mitgenommen wird.» wie dies mit dem Pfeil 31 angedeutet ist, Das Gras wird durch
die diagonal vorlaufend.en Kühlkanäle: des Läufers gepumpt und verlässtden Läufer
im Bereich der .Austrittszone 15: Dies ist mit en Strömungspfeilen 32 angedeutet.
Im Anschluss daran strömt das Gas vom Luftspalt radial auswärts im Sinne des Strömungspfeils
33 durch die radialen Statorkanäle 5b in radialer Richtung nach aussen.
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Aufgrund der erfindungsgemässen Anordnung der teilweise offenen Stauflächen
1.6 entstehen im Luftspalt Verengungen, welche die kühlen Gasströme beschleunigen,
die sich in einander entgegengesetzten Richtungen von den Eintrittszonen 14 durch
die Spalte 19 zu den Austrittszonen 15 bewegen, wie dies durch die Pfeile 34 angedeutet
ist. Heiden bekannten Konstruktionen konnten beträchtliche Mengen von heissem durch
den Läufer strömenden Gas, von den Austrittszonen 15 zu den Eintrittszonen 14, wahrscheinlich
3n, Form von energiereichen Wirbeln zurückgelungen, Dieses heisse Gas wurde dann
6rneutdurch den Läufer geführt, wodurch. die Wirksamkeit der Läuferkühlung herabgesetzt
wurde. Dia teilweise offenen Stauflächen fangen einen Teil dieser Wirbel ab, indem
sie dies® blockieren; Gleichzeitig wirkt der kühle Gasstrom, der längs des Läufers
in den Spalten 19 axial beschleunigt wird, ebenfalls der Rückführung es aus dem
Läufer ausgetretenen Gases entgegen, Diese Wirkung ist in den Figuren 2 und 4 angedeutet,
aus denen hervorgeht,
dass die beschleunigten Ströme des
Kühlgases, die durch
den Spalt 19 treten, die energiereichen Wirbel
des
heissen Kühlgases (Pfeil 35) ablenken und blockieren.
Die einander entgegengesetzt gerichteten- axialen Ströme
34 kühlen Gases
im Luftspalt bewirken auch eine Verdünnung und Abkühlung des heissen
Gases, das aus den
Austrittsöffnungen 13 des Läufers in die Austrittszonen
.15
gelangt, so dass zum Kühlen der Statorbleche relativ
kühles
Gas zur Verfügung steht, das in die radialen
Kühlkanäle Sb
des Stators eintritt, .
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Die Grösse dies Spaltes-19 kann in gewissen Grenzen
variieren
und führt immer zu-einer beträchtlichen Ver-
besserung der Rotorleistung.
Dieser Spalt soll aber
nicht-so klein sein, dass der Druckunterschied
zwischen den Ein- und Austrittszonen beträchtlich erhöht wird,
weil
dann auch der vom Generatorgebläse zu erzeugende
Pumpd.ruck
oder die mittlere Temperatur des im Bereich
der Austrittszone des Läufers
im Luftspalt befindlichen Gases erhöht wird., das zum Kühlendes
benachbarten Teils
des Statorpakets dient. Da die Strömung
des aus dem
Luftspalt abgeleiteten Gases durch den Läufer
vom Spalt
199m wesentlichen unabhängig ist und durch die Ausbildung
der Strömungskanäle im Läufer und die Oberflächenausbildung
bestimmt ist, können die Stauflächenteile 17
und 1$ und der Spalt
19 so bemessen werden, dass se eine Rückführung des grüssten
Teils der sich von der
Austritts= zur Eintrittszone des Läufers
bewegenden
heissen Gasw.rbel verhindern, obwohl grosse radiale
Alb-stände und ein offener Bereich 21 am unteren Teil des Ständerpakets
vorhanden sind (Fig. 3)..
Es hat sich gezeigt, dass
der Spalt zweckmässigerweise so bemessen ist, dass erden Luftspaltquerschnitt
um
30 - $O %, in den meisten Fällen vorzugsweise um G5,
verkleinert, Dabei ist der in Fig. 3 gezeigte offene
Bereich
am unteren Teil des Ständers mitberücksichtigt. In der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung be-stehen die Stauflächen 16 aus je. einem
ortsfesten Teil
17 und einem mit ihm zusammenwirkenden, rotierenden
Teil
18. Es können aber auch nur ortsfeste Stauflächen
oder nur rotierende
Stauflächen verwendet werden, wo-
bei man beispielsweise
den Teil 17 bzw. 18 vergrössert und den anderen Teil weglässt.