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Einrichtung zur Kühlung eines Läufers einer elektrischen Maschine,
insbesondere eines Turbogenerators, durch Gas-, besonders Wasserstoff. Mit der Entwicklung
von elektrischen Maschinen, insbe -
sondere Turbogeneratoren, großer Einheitsleistung
rückt das Problem der Verstärkung der Maschinenkühlung, besonders der Läuferkühlung
bzw. Induktorkühlung, immer mehr in den Vordergrund. Durch die Verbesserung der
Kühlung der Läuferwicklung kann die spezifische Strombelastung in den Windungsleitern
wesentlich gesteigert werden. Z.B. ist eine LÖsung bei Turbogeneratoren bekannt"
bei der eine in mehrere axiale Kühlabschnitte aufgeteilte Hohlleiterkühlung durch
einen auf der Induktorwelle angeordneten, mehrstufigen Axialverdichter verstärkt
wird. Durch den Axialverdichter werden das nutzbare Induktor-Druckgefälle und die
Induktor-Kühlgasdurchsatzmenge ver -größert. Diese LÖsung ist in bezug auf den Antrieb
zwar
eigensicher, sie ist aber nur mit groß ein Bau- und Mon tageaufwand
zu erreichen. Schon bei der Turbogenerator auslegung muß auf die Unterbringung des
mehrstufigen Axialverdichters RÜcksicht genommen werden. Der Platzbedarf dieses
Verdichters hat eine axiale Verlängerung der Induktorwelle bzw. eine Vergrößerung
des Lagerabstandes zur Folge. Die Nachteile sind, insbesondere#bei Grenz leistungsmaschinen,
geringe Biegesteifigkeit des Induk tors, große durch axiale Wärmedehnung des Wellenstranges
bedingte Schaufelaxialspalte des Verdichters und auch große Schaufelradialspalte
des Verdichters. Ein weiterer Nachteil dieser Bauart besteht darin, daß die Verdichter
-drehzahl von der Turbogeneratordrehzahl bestimmt wird.
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Bei vierpoligen Turbogeneratoren mit einer Drehzahl von
1500 U/min und bei zweipoligen Bahnstromgeneratoren mit looo U/min wird durch
diese niedrige Drehzahl die erreichbare-Verdichterleistung sehr begrenzt.
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Es ist auch ein außerhalb des Turbogenerators angeordneter Verdichter
bekannt, der das Kühlgas des gesamten Turbogenerators umwälzt. Der Antrieb
dieses Verdichters erfolgt entweder durch einen von einem Drehstromnetz versorgten
Antriebsmotor oder Über ein Zahnradgetriebe direkt von der Induktorwelle aus. Bei
elektrischen Fremdantrieben wird aber mit Recht die Eigensicherheit bemängelt, da
bei Stromausfall auch die gesamte Turbogeneratorkühlung ausfällt. Die Verwendung
des Zahnradgetriebes ist ungeeignet, weil dabei die Betriebssicherheit des Turbosatzes
von der Lebensdauer
dieses Getriebes abhängig wird. Das Getriebe
ist auch gegen Schwingungen sehr empfindlich, wodurch eine wesentliche Herabsetzung
der Lebensdauer möglich ist. Im Falle von wasserstoffgekühlten Turbogeneratoren
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gibt der getrennt angeordnete Wasserstoffverdichter auch einen großen
Bauaufwand in bezug auf die Abdichtung dieses Verdichters gegen die Atmosphäre.
Die Abdichtung der Wellendurchführung durch das Verdichtetgehäuse erfolgt meist
mit den auch im Turbogenerato rbau üblichen ölge -
schmierten Axial- oder
Radialwellendichtungen.
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Ein weiterer Weg zur Verstärkung der Induktorkühlung ist die in den
USA entwickelte und bereits angewandte "Airgap-pick-up".Kühlung. Bei diesem
Kühlsystem wird die Kühlleistung nicht durch Erhöhung der Lüfterleistung erreicht,
sondern durch Unterteilung der Spulen in viele kleine axiale Einzelkühlabschnitte,
denen das Kühlgas jeweils aus dem Luftspalt zugeführt wird und die es in den Luftspalt
hinein verläßt. Der große Nachteil dieses Kühlsystems liegt darin, daß die Induktor-Wickelköpfe
dabei nicht ge -
kühlt werden können, weshalb im Wickelkopfbereich die normale
axiale Hohlleiterkühlung beibehalten werden muß. Insbesondere bei Grenzlei.stungsgeneratoren
stellen sich aher an den Enden der Wickelkopf-Kühlabschnitte sehr hohe Spulenerwärmungen
ein, da die zur Verfügung stehende.Förderhöhe des Generatorlüfters und die zusätzliche
Förder -wirkung des Induktors nicht ausreichen, genügend Kühlgas durch die Hohlleiter
des Wickelkopfes zu fördern. Ein weiterer Nachteil dieses Kühlsystems ist der äußerst
große
Aufwand.
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Es ist ferner bekannt, daß bei Turbogeneratoren großer Leistung (Grenzleistungsmaschinen)
von der bekannten Er -regung mittels einer Gleichstrommaschine abgegangen wird und
stattdessen ein Dreiphasen-Wellengenerator, z.B. vierpoligt 3000 U/min, loo
Hz, zur Anwendung kommt. Der Dreh -strom des Wellengenerators, der konstante Spannung
lie fert, wird einem stationären Gleichrichter-Regelschrank zugeleitet, der den
gleichgerichteten Erregerstrom für den Induktor liefert und gleichzeitig die Spannungsrege
lung des Turbosatzes und die Aufgabe der Schnellentregung übernimmt.
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Die Erfindung-bezieht sich auf eine Einrichtung zur Küh -lung eines
Läufers einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, durch Gas,
besonders Wasser -stoff. Aufgabe der Erfindung ist, eine Einrichtung dieser Art.zu
schaffen, durch die eine sehr starke LäuferkÜhlung ohne wesentliche bauliche Änderun'gen
der elektrischen Maschine möglich ist. Diese Aufgabe wird gemäß der E:i#fin dung
dadurch gelöst, daß ein an sich bekannter, außerhalb der elektrischen Maschine angeordneter,
von einem El.ektromotor getriebener Verdichter von Stator und Läufer der elektrischen
Maschine nur den Läufer mit Kühlgas versorgt und der Stator anderweitig gekühlt
wird. Bei Anwendung dieser Erfindung reicht die anfangs genannte in mehrere axiale
Kühlabschnitte aufgeteilte Hohlleiterkühlung auch
für elektrische
Maschinen großer Leistung aus, und es können die bekannten Bauarten der elektrischen
Maschinen und ihres Läufers bzw. Induktors im wesentlichen beibehalten werden. Die
Induktorkühlung kann durch entsprechende Auslegung des Verdichters den jeweiligen
Erfordernissen angepaßt werden. Durch Veränderung der Beschaufelung bzw. des Laufrades
des Verdichters kann leicht nachträglich die Läuferkühlung geändert werden.
Dabei brauchen an der elektrischen Maschine im allgemeinen keine Änderungen vorge
-nommen zu werden. Der Verdichter und der Elektromotor sind insbesondere zu einem
einzigen Aggregat zusammengefaßt. Da'der Verdichter bzw. dieses Aggregat von der
Bauart der elektrischen Maschine unabhängig ist, kann der Verdichter mit
bestmöglichem Wirkungsgrad ausgelegt werden. Der Elektromotor ist insbesondere ein
Drehstrommotor. Der Verdichter liefert also nur die für die Läuferkühlung erf,--order
-liche Kühlgasmenge, wobei.er# diese Menge auf hohen Druck verdichtet. Es handelt
sich im allgemeinen um eine nach Durchströmen des Läufers rückgekühlte und vom Verdichter
angesaugte Umwälzmenge. Der Stator wird insbesondere ebenfalls durch Gas, besonders
Wasserstoff, gekühlt. Die Sta -torumwälzmenge wird insbesondere von mindestens einem
auf der Läuferwelle der elektrischen Maschine sitzenden Lüf -ter (Maschinenlüfter)
auf Druck gebracht. Dieser Druck ist aber im allgemeinen kleiner als der genannte
hohe Druck der LäuferkÜhlgasmenge. Das Kühlsystem arbeitet mit einem für die Maschinenkühlung
minimal erforderlichen Leistungsaufwand. Die Leistungsaufnahme des Elektromotors
kommt ausschließlich der Läuferkühlung zugute.
Insbesondere ist
auf jeder der beiden Axialseiten der elektrischen Maschine zwischen einer Läuferwelleiadichtung
der elektrischen Maschine und einem Läuferwickelkopfraum der elektrischen Maschine
eine feststehende Zwischen -kammer vorgesehen und wird vom Verdichter das Kühlgas
durch diese beiden Zwischenkammern hindurch in den Läufer der elektrischen Maschine
gedrückt. Das Elektromotor-Verdichter-Aggregat kann an einem Druckmantel
des Statorgehäuses der elektrischen Maschine angeflanscht sein. Dabei liegt die
ideelle Läuferachse dieses Aggregats vorzugsweise senkrecht zur ideellen Läuferachse
der elektrischen Maschine. Ist, wie im Falle des Turbogenerators, die Läuferwicklung
der elektrischen Maschine eine Erregerwicklung, so ist es vorteilhaft, wenn die
Förderleistung des Verdichters und somit die Kühlleistung für'den Läufer der elektrischen
Maschine in Abhängigkeit von der Erregerleistung regelbar ist. Hierfür kann eine
regelbare Ab -sperrvorrichtung verdichtersaug- oder -druckseitig einge
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baut sein. Diese Regelbarkeit ist nicht unbedeutend, da sich, insbesondere
bei einem sehr großen Läufer, durch die durch die Spulenfliehkräfte verblockten
Windungsleiter bei Laständerungen sehr hohe Wärmespannungen in den Spulen -querschnitten
einstellen können. Diese Wärmespannungen können die Laufruhe des Läufers verschlechtern.
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In weiterer Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird die
Antriebsleistung des Elektromotors insbesondere einer an sich bekannten, mit dem
Läufer der elektrischen Maschine umlaufenden Erregermaschine für die elektrische
Maschine
entnommen. Dies gewährleistet eine eigensichere elektrische Versorgung des Elektromotors,
denn dieser wird nicht aus dem Netz oder einer Eigenstromerzeugung eines Kraftwerke
versorgt; das Netz oder diese Eigenstromerzeu -gung könnte ausfallen, wodurch aber,
da die Erregerstrom -versorgung weitergeht, die Kühlung der Erregerwicklung ausfallen
und somit die Erregerwicklungsisolation und die Erregerwicklung durch die Wärme
zerstört würden. Liefert nun bei der genannten weiteren Ausbildung der erfindungs
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gemäßen Einrichtung die Erregermaschine einmal keinen Strom, wodurch die
Erregerwicklung nicht erregt wird, so erhält auch der Elektromotor keine Antriebsleistung
und somit der Läufer bzw. seine Erregerwicklung kein Kühlgas vom Verdichter. Dies
schadet aber nichts, denn bei Nicht -erregung der Erregerwicklung ist auch nur eine
geringe Kühlung des Läufers notwendig, d.h. die den machanischen Verlusten entsprechende
Wärme wird dann insbesondere durch Kühlgas abgeführt, das vom genannten Maschinenlüfter
durch den Luftspalt gedrückt wird. Da also die volle Läufer -kühlung nur im erregten
Zustand der Erregerwicklung und somit nur bei Betriebsdrehzahl erforderlich ist,
ist durch die genannte Entnahme der Antriebsleistung des Elektromo tors im erregten
Zustand der Erregerwicklung auch die Stromversorgung des Elektromotors mit Sicherheit
gewähr leistet.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsge mäßen
Einrichtung mit einem geschlossenen Elektromotor-Induktorkühlgasverdichter-Aggregat
bei einem wasserstoffgekühlten
Turbogenerator in einem horizontalen
Längs -
schnitt durch den Turbogenerator und das Aggregat darge stellt. Fig.2
der Zeichnung zeigt in vergrößertem Maß stab vorzugsweise anzuwendende Weiterentwicklungen
dieser Einrichtung als Ausführungsbeispiele im Gebiet eines Axialendes des Turbogenerators.
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Wie aus Fig.1 ersichtlich ist, wird der Elektromotör 35
des
genannten Aggregats, der ein Drehstrommotor mit loo Hz und 6ooo U/min ist, von einem
mit der Induktorwelle des Turbogenerators gekuppelten Wellengenerator
58 mit loo Hz als Erregermaschine gespeist, wie die elektrischen Leitungen
59 zeigen. Der größte Teil des vom Wellengenerator 58
erzeugten Drehstrom
wird durch feststehende, in einem Gleichrichter-Regelschrank bzw. Umformer-15 in
Erreger -gleichstrom für den Induktor des Turbogenerators umgewan -delt. Eine Hilfserregermaschine
ist mit 27 bezeichnet.
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Der Verdichter 34 des Aggregats liefert bei Vollast des Turbogenerators
eine Kühlgasmenge von etwa looo m3/sec. Der Läufer des Verdichters 34 und der des
Elektromotors 35
bilden eine Einheit. Diese beiden Läufer sind in einem gemeinsamen,
nach außen geschlossenen, vom Verdichteraus -trittsdruck beaufschlagten und explosionsfesten
Gehäuse untergebracht. Verdichter 34 und Elektromotor 35 sind also als gekapselte
Einjieit ausgeführt. Der Druckraum, des Verdichters 34 und der Elekträmotorinhenraum'
stehen zum Druckausgleich über eine Drudkauägleichsl#-ituüs'13 miteinand- r in Verbindung.
Das-genennte gemieinsame Gehäuse ist nach den Vorschriften für 9#ass-e"r-stöffgasbetrieb
explosionsge -
schützt ausgeführt. Durch die gekapseite
Ausführung er übrigt sich an diesem Elektromotor-Verdichter-Aggregat eine Wellendurchführung
mit Wasserstoffgasabdichtung. Der Saugraum des Verdichters 34 ist über ein Anschluß
rohr 36 mit einer Kaltgaskammer 37 des Statormittelteils des Turbogenerators
verbunden. Der Verdichter 34 liefert nur KÜhlgas zum Induktor des Turbogenerators.
Zwei Axiallüfter 38 und 39 wälzen Statorkühlgas des Turbogenerators
um. In beiden Fällen handelt es sich um Wasserstoffgas. Am Verdichtereintritt steht
der in der Kaltgaskammer 37
herrschende Druck an. Der Statorgasraum des Turbogenera
-tors und der Innenraum des Elektromotor-Verdichter-Aggre-Sats bilden unter Einbeziehung
des Anschlußrohres 36
einen gemeinsamen, nach außen geschlossenen und ex#losionsfesten
Druckraum.
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Das für den Induktor erforderliche Kühlgas bzw. die für den Induktor
erforderliche Kühlgasmenge wird über das Anschlußrohr 36 aus der
Kaltgaskammer 37 entnommen. Der Verdichter 34 bringt die Induktorgaamenge
auf den erfor -derlichen hohen Druck und preßt das Gas über Rohrleitun
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gen 56 in feststehende Zwischenkammern 42 und 43, von wo aus es unter
hohem Druck in die Induktor-Wickelkopfräume strömt. Aus diesen strömt es in Induktorwicklungshohl
-leiter des ersten Kühlabschnitts des Induktors und in Zuführunganutgrundkanäle
der folgenden Kühlabschnitte. desselben. Das Gas verläßt die Kühlabschnitte
des Induk -tors über radiale, im Induktarballen angeordnete Aus -trittskanäleg
gelangt von dort in den Luftspalt und vermischt
sich mit dem im
Luftspalt befindlichen Statorgasq das schon radiale Kühlschlitze des Statorblechpakets
durchströmt hat. Das Induktorgas und das Statorgas strömen nun gemeinsam durch weitere
radiale Kühlschlitze des Blechpakets zu Statorkühlern 57, in denen dieses
Ge samt -gas gekühlt wird', Das aus den Statorkühlern 57 austretende Kaltgas
wird von den Axiallüftern 38 und 39 in Statorkaltgaskammern gedrückt.
Aus der Kaltgankamer 37 erfolgt die Abeaugung der Induktorgaamenge in,den
Verdichter 34. Der Turbogenerator weist zwei Induktorwellendichtungen 40. und 41
auf, die Axialwellendichtungen sind. Zwischen jeder dieser Dichtungen 40,41 und
dem jeweiligen azial benach -barten Wickelkopfraum bzw. Wickelkopf des Induktors
ist die feststehende Zwischenkamer 42 bzw. 43 vorgesehen. Diese Zwischenkammern
42,43 sind durch feststehende Zwischenwände 22 und 44 und einen Statorgehäusedruckman
-tel 14 gebildet, wobei die Zwischenwände-22 gegenüber der Induktorwelle nittels
lab7rinthdichtungen abgedichtet sind.
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Die Wellendichtung 40 weist eine Vorkamer 45 und die Wellendichtung
41 weist eine Vorka»er 46 auf.
Es sind diese Vorkammern 45 und 46 jeweils
von der Zwischenkumer 42,43 und Lagerriume 47 und 48
den Blektrosotor-Verdichter-Aggregate
vom glektromotori=enraun
10 bzw. von dienen Raum
10 und vom gruckraus
des Vordtebtort 34 durch Vollen-w dichtungen 49-bie
539 die lab7rinth4toXtuneta
eind,
ge-
trennt, und es stehe n über Rohrleitungen diese
Vorkammern 45,46 und Lagerräume 47 und 48 miteinander und mit
Öl -standsreglern
54 und
55 in Verbindung. Hierdurch herrscht in diesen Räumen der gleiche
Druck. Das aus den Lagern des Blektromotor-Verdichter-Aggregats austretende LagerÖl
und die Vorkommerölmengen werden in die Ölstanderegler
54,55
geleitet und
im AnschluA daran einem Hauptölbehälter zu
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geführt. Die Ölstandsregler
54,55 sind über eine Druckausgleichsleitung
11 miteinander verbunden.
An die Druckaus -gleichsleitung
11 ist ein Abblasmengenregler 12 ange
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schlossen, über den aus dem genannten Vorkammer-Lagerraum-Ölstandsregler-System
während des Betriebes dauernd eine konstante, genau einstellbare Gasmenge ins Freie
bzw. in die Atmosphäre abgeblasen wird. Durch das Abblasen di eser bestimmten Gasmenge
entstehen in den Wellendichtungen 49 bis
53 Sperrströmiln en, die den £intritt
von Öldunst aus den Ölräumen in die Zwischenkammern 42,44 den Elektromotorinnenraum
10 und den Verdichter-Druckraum verhindern. Hieidurch wird.eine Verunreinigung
des vom Elektromotor-Verdichter-Aggregat in die Induktorwicklung gedrückten Kühl
-ganes durch das Dicht- und Lageröl mit Sicherheit vermieden.
führen, kann das Gehäuse des Aggregats außen mit wasser
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durchströmten Rohren versehen sein.
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In beiden Figuren geben die Pfeiledie-Strömungsrichtungen des Kühlgases
und des Sperrgases (gestrichelte Linien) an. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß in
die Induktorwelle 32
von einem Wellenabsatz an Längsnuten eingefräst sind-g.
die am Wellenumfang durch einen Ring 18 und eine Lüfternabe 19, die insbesondere
aufgeschrumpft sind, abgedeckt sind und so Kühlgaszuführungskanäle 16 mit
stirnseitigen Eintrittsöffnungen 17 bilden. Das KÜhlgas wird mit hohem Druck
in die Kühlgaszuführungskanäle 16 gepreßt und gelangt von dort in den Wickelkopfraum
30 des-Induktors. Der Wickelkopf -raum 30 bildet einen in sich geschlossenen
Druckgasraum. Die Abdichtung gegenüber dem Statorgasraum 33 erfolgt zwischen
dem Kappenendring 29 und der Lüfternabe 19 mittels eines elastischen
Dichtungsringes 20. Vom Wickelkopfraum30 aus erfolgt die-Verteilung des Kühlgases
in die Wickelkopf-Hohlleiter 31 und Nutgrundkanäle 21 der Sp ulen, welche
Kanäle 21 die nachfolgenden axialen Kühlgasabschnitte der Induktorwicklun
g versorgen, Die vom Verdichter 34 mit Kühlgas versorgte Zwischenkammer 42,
aus der das Kühlgas in die Eintrittsöffnungen 17
strömt, wird durch die Anordnung
der zur Zwischenwand 44 zusätzlichen-Zwischenwand 22 gebildet, die mit verhältnismäßig
geringem
Bauaufwand zwischen dem Generatorgehäuseflansch 23 und dem Lagerschildflansch
24 eingebaut werden kann. In die Zwischenwand 22 ist ein Labyrinthdichtungsring
25 eingebaut, der die Abdichtung der Zwischenkammer 42 gegenüber den mit
niedrigerem Gasdruck beaufschlagten, vor dem Lüfter 38 befindlichen Generatorraum
26 übernimmt. Die Einleitungües Kühlgases in die Zwischenkammer 42 erfolgt
mittels eines sich auf ein bestimmtes Bogenstück des Gehäuseumfanges erstreckenden
Einlaßkanals 28. Durch dessen Umfangsstreckung kann bei kleiner axialer
Kanalweite der erforderliche Einströmquerschnitt leicht untergebracht werden.
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Elektrische Maschinen, z.B. Generatoren, mit großer Einheitsleistung
sind nur durch besondere kühlungstech -nische Maßnahmen am Läufer beherrschbar,
da durch die Einführung der Stator-Wasserkühlung der Läufer kühlungstech nisch benachteiligt
ist. Dieser Engpaß wurde bisher durch laufende Steigerung des statischen Gasdruckes
in der elek trischen Maschine gemildert, so daß bei großen Turbogene -ratoren der
Betrieb mit Gasdrücken von 3 bis 4 atü keine Seltenheit ist. Hohe statische
Gasdrücke verbessern nun zwar die Kühlwirkung, rufen aber gleichzeitig eine Ver
-größerung der Gasreibungsverluste des Induktors hervor. Die Erfindung erlaubt aber,
den statischen Gasdruck in der elektrischen Maschine wieder auf einen Kleinstwert
zu vermindern. Die Läuferkühlung wird durch die Herabsetzung
des
statischen Gaadruckes Im Maschinenraum nicht be -
troffen. Die Läufer-Gaareibungsverluste
kÖnnen aber durch diese Herabsetzung auf ein Kleinstmaß vermindert werden, was bei
einem Induktor mit mindestens 1150 mm Ballendurchmesser und einer aktiven
Länge von mindestens 7 m einen nicht unbedeutenden Leistungegewinn ergibt.