DE19548321C1 - Kühleinrichtung zur Kühlung von elektrischen Maschinen, insbesondere von Turbogeneratoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung zur Kühlung von elektrischen Maschinen, insbesondere von Turbo­ generatoren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder des Anspruches 3 (DD-PS 120 981). Mit steigender Leistung, insbesondere bei Generatoren, ist es erforderlich, die Kühlung zu intensivie­ ren. Es ist bekannt, daß bei Generatoren im Bereich bis ca. 300 MvA überwiegend Luft als Kühlmedium verwendet wird. Bei größeren Leistungen wird als Kühlfluid auch Wasserstoff ver­ wendet. Das Kühlfluid und die Kühlungsart haben Auswirkungen auf die konstruktive Ausgestaltung des Generators, insbeson­ dere auch der Spulen im Ständer und im Läufer. Bei den Küh­ lungsarten unterscheidet man zwischen indirekten und direkten Leiterkühlungen. Ferner ist es bekannt, Generatoren durch Saug- oder Druckbelüftung zu kühlen.

Bei einer Saugbelüftung wird das Kühlfluid vom Hauptlüfter in Kanälen zum Kühler hin geleitet. Von dort strömt das Kühl­ medium ohne Aufwärmung durch Lüfterverluste und Kompression zu den zu kühlenden Maschinenteilen, insbesondere auch zu den Läuferspulen. Zur Strömungserzeugung werden sowohl bei einer Druckbelüftung als auch bei einer Saugbelüftung im Falle der Luftkühlung aus Kostengründen in der Regel Axiallüfter ver­ wendet. Bei Wasserstoffkühlungen kommen auch Radiallüfter und mehrstufige Axiallüfter zum Einsatz.

Es sind Kühleinrichtungen zur Kühlung von elektrischen Maschinen, insbesondere von Turbogeneratoren, bekannt, die einen Lüfter aufweisen, der wenigstens ein auf einer Läufer­ welle der Maschine angeordnetes Lüfterrad aufweist. Eine solche Kühleinrichtung weist ferner in der Regel einen Kühler auf, zu dem ein durch den Lüfter aus der elektrischen Maschine abgesaugtes Kühlfluid strömt. Das Kühlfluid wird von dem Kühler über einen Zufuhrkanal zu den im Läufer ausge­ bildeten Kühlkanälen geleitet.

Bei dieser als Saugkühlung bekannten Kühlungsart trifft der im wesentlichen in axialer Richtung des Läufers strömende Kühlfluidstrom auf den rotierenden Läufer. Hierbei entstehen im Eintrittsbereich des Läufers zu den Kühlkanälen infolge der schlagartigen Beschleunigung des Kühlgases auf die Um­ fangsgeschwindigkeit der Kühlgaseintritte Verwirbelungen auf, die entsprechend hohe Strömungsverluste zur Folge haben, so­ genannte Schlagverluste. In diesem Punkt gibt es Unterschiede zwischen einer Druckbelüftung und einer Saugbelüftung.

Bei der Druckbelüftung sind die Schlagverluste wegen der Vorrotation der vom Lüfter direkt eingeblasenen Luft zwar geringer, jedoch wird der nachteilige große Wirbel für die Läuferbelüftung nur zum geringen Anteil genutzt.

Bei der Saugbelüftung erzeugt der Lüfter ebenfalls einen Wirbel, der in den Kanälen vom Lüfter zum Kühler zu Strömungsverlusten führt, ohne jeglichen Nutzanteil. Im weiteren Verlauf des Kühlgasstroms vom Kühler zum Läufer entstehen dann wiederum im Eintrittsbereich des Läufers die maximalen Schlagverluste bedingt durch eine Anströmung des Kühlgases ohne Vorrotation. Da der Läufer bei beiden Kühlungsarten, insbesondere aber bei der Saugbelüftung, die leistungsbegrenzende aktive Komponente ist, kommt der Vermeidung der Schlagverluste am Läufereintritt in Ergänzung mit einer Kombination von Maßnahmen zur Verbesserung der Kühlwirkung eine wesentliche Bedeutung zu.

Aus der DD-PS 120 981 ist ein Rotor eines Turbogenerators mit direkter Luft- bzw. Gaskühlung der Wicklung bekannt, bei dem im Ringspalt zwischen dem Innenrand des Endringes der Rotor­ kappe der Rotorwicklung und dem Wellenschenkel des Rotors ein axiales Laufschaufelgitter angeordnet ist. Dieses Lauf­ schaufelgitter ist strömungstechnisch einem Hauptlüfter nachgeschaltet. Es bewirkt, daß eine Umlenkung der drallfreien Zuströmung von Kühlmittel erfolgt, so daß die Absolutgeschwindigkeit der Kühlmittelströmung eine Drallkomponente erhält. Hierdurch wird eine nahezu stoßfreie Zuströmung des Kühlmittels erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlein­ richtung zur Kühlung von elektrischen Maschinen, insbesondere von Turbogeneratoren, mit einem Lüfter und einer Leitstruktur für Kühlfluid anzugeben, so daß die Eintrittsverluste des Kühlfluids am Läufer verringert werden. Ferner soll der Ventilationsdruck selektiv für den Läufer mit den anteilig geringen Kühlfluidmengen - das bedeutet mit geringem energetischen Aufwand - erhöht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kühleinrichtung zur Kühlung von elektrischen Maschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 oder des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch den Schaufelkranz in dem Zufuhrkanal, in dem ein Kühlfluid von einem Kühler zum Läufer strömt, wird dem Kühlfluid eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente in Drehrichtung des Läufers verliehen, d. h. eine Drallströmung erzeugt. Hier­ durch werden die Eintrittsverluste des Kühlfluids in den Läufer verringert, da die Kühlfluidströmung durch den Schaufelkranz so abgelenkt wird, daß diese strömungstechnisch günstiger in die Kühlkanäle des Läufers eintreten kann.

Erfindungsgemäß ist der Schaufelkranz in Form eines vor dem Läufer angeordneten Lüfters ausgebildet. Im Falle der Saugbe­ lüftung, dem Anwendungsfall mit der höchsten Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit dieser Kühleinrichtung, fließt das Kühl­ medium entgegen der Strömungsrichtung des Hauptlüfters, und deshalb wird dieser Lüfter, der relativ zum Läufer eine Leit­ radfunktion hat, zur Unterscheidung Reverslüfter genannt. Dieser Reverslüfter erhöht den Belüftungsdruck der Kühlfluid­ strömung und lenkt die Strömung so ab, daß die Schlagverluste vermieden werden. Der energetische Aufwand zur Geschwindig­ keitserhöhung betrifft allein den Kühlfluidstrom des Läu­ fers, der Läufer kann selektiv ertüchtigt werden. Damit unterscheidet sich dieses Prinzip von den bisherigen mehr­ stufigen Belüftungen, die immer den gesamten Kühlfluidstrom betrafen und nicht die Schlagverluste am Läufereintritt ver­ meiden konnten.

Ein vorteilhafter Gedanke zur Verbesserung der Kühl­ wirkung wird davon abgeleitet, daß der Reverslüfter nur dann optimal den Belüftungsdruck erhöhen kann, wenn er ohne Vor­ rotation des Kühlfluids axial angeströmt wird. Das wird durch ein Leitrad hinter dem Hauptlüfter erreicht. Im Falle der Druckbelüftung strömt dann die Kühlluft vom Hauptlüfter durch das Leitrad und dann ausgerichtet direkt den Reverslüfter an, der durch diese Ausrichtung voll zur Wirkung kommen kann. Es entsteht somit durch die Kombination ein Doppeleffekt: Der Hauptwirbel hinter dem Lüfter wird vermieden und die Energie ventilatorisch genutzt, und in der Folge kommt der Reverslüf­ ter zu seiner günstigsten ventilatorischen Wirksamkeit. Im Falle der Saugbelüftung befindet sich zwischen dem Leitrad und dem Reverslüfter in der ausgerichteten Strömung ein Küh­ ler, der mit geringerem Widerstand durchströmt werden kann.

Nach einem weiteren vorteilhaften Gedanken wird vorgeschla­ gen, im Falle der Saugbelüftung den Luftführungskanal vom Hauptlüfter zum Kühler mit Strömungselementen zur Leitrad­ funktion zu versehen, bei denen es sich vorzugsweise um Versteifungsrippen handelt, die z. B. als solche angegossen sein können.

Einer weiteren Verbesserung der Kühleinrichtung liegt der Gedanke zugrunde, nicht nur den Eintritt in den Läufer, son­ dern auch am Austritt zu verbessern. Für den Austritt des Kühlfluids wird deshalb ein Austrittsdiffusor vorgesehen. Ein Austrittsdiffusor als sogenanntes radiales Verzögerungsgitter in einem rotierenden System ist ein Radiallüfter. Die ent­ sprechenden Ausströmkonturen - wie sie vor allem mit ihren gekrümmten Konturen von der Coriolisbeschleunigung bestimmt werden - werden nach dem Stand der Technik in die Nutver­ schlußkeile eingegossen. Zur wirtschaftlichen mechanischen Fertigung werden zwei vorteilhafte Ausgestaltungen vorge­ schlagen. Erstens eine im Winkel von ca. 10° bis 20° schräg von einem Formwerkzeug eingebrachte Diffusorkontur ohne Krümmung der Mittellinie des rotationssymmetrischen Kanals.

Zweitens ein einseitiger Kreisbogenschaufelkanal. Dieser setzt sich aus einer geraden aber schräg angesetzten zylindrischen Bohrung in einem Winkel von ca. 10° bis 20° gegen die Laufrichtung und einer Erweiterung gegen die Lauf­ richtung mit einem auf einer Kreisbahn geführten Werkzeug zu­ sammen. Diese Formen sind zur Herstellung eines Diffusors - Radiallüfterschaufelprofils - in einem Nutverschlußkeil rela­ tiv einfach und somit wirtschaftlich günstig.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Turbogenerator im Längsschnitt

Fig. 2 die Anordnung eines Hauptlüfterrades und eines Reverslüfterrades auf einer Läufernabe - Tragsternausführung -
Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie III-III nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Abwicklung eines Schnittes durch den Schaufelkranz,

Fig. 5 die Anordnung eines Hauptlüfterrades und eines Reverslüfters an einer Läuferkappe und einem Läufereinsatzring und

Fig. 6 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B nach Fig. 5,

Fig. 8 eine Schaufel,

Fig. 9 Schnitt durch die Schaufelkranzaufnahme im Einsatzring mit Schloßringfixierung,

Fig. 10 einen Verschlußkeil im Schnitt mit schräger Diffusorbohrung,

Fig. 11 mit einseitiger Kreisbogenschaufel.

In der Fig. 1 ist ein Turbogenerator mit direkter Kühlung seines Läufers 11 und der Ständerwicklung 17 dargestellt. Der Kühlfluidkreislauf ist innerhalb des Turbogenerators ge­ schlossen. Das Kühlfluid wird innerhalb des Generators 18 im geschlossenen Kreislauf bewegt durch einen mehrstufigen Axiallüfter 1, der auf dem antriebsseitigen Läuferwellenschen­ kel 19 angeordnet ist. Ein Kühlfluid wird durch den Lüfter 1 abgesaugt und gelangt über einen im Querschnitt ringförmigen Kanal 20 zu einem Kühler 4. Das Kühlfluid verläßt den Kühler und strömt durch die Zufuhrkanäle 8, 9 zu dem Läufer 11. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, strömt das abgekühlte Fluid zwischen dem Läuferwellenschenkel 19 und dem Lüfter 1 in im Läufer 11 ausgebildeten Kanälen 8 in axialer Richtung des Läufers 11 bis etwa zur Mitte des Läufers und verläßt diesen in einen Spalt 13. Bei der abgebildeten einseitigen Ventila­ tion fließt ein Teilstrom des Kühlfluids durch den Zufuhr­ kanal 7 in die axial ausgebildeten Kühlkanäle 9 des Läufers 11. Das erwärmte Kühlfluid, welches den Läufer 11 verläßt, wird durch den Lüfter 1 abgesaugt.

In den Fig. 2 und 3 ist die Anordnung am Läuferwellen­ schenkel 19 schematisch dargestellt. Auf dem Läuferwellen­ schenkel 19 ist ein Schaufelkranz 10 angeordnet, der einen Tragstern für eine Lüfternabe 21 eines Lüfterrades 3 bildet. Der Läuferwellenschenkel 19 stellt eine Verlängerung der Läuferwelle 2 dar.

Das aus dem Kühler 4 ausströmende Kühlfluid strömt über einen Zufuhrkanal 6 zu dem Läuferwellenschenkel 19 und durchströmt die Freiräume zwischen dem Läuferwellenschenkel 19, den ein­ zelnen Schaufeln 22 des Schaufelkranzes 10 und der Lüfternabe 21. Beim Durchströmen dieser Räume erfährt das Kühlfluid eine Richtungsänderung in Drehrichtung des Läufers 11. Hierdurch werden die Anströmverluste im Bereich des Läuferwellenschen­ kels 19 durch Synchronisation der Drehbewegungen des Kühl­ fluids und der Kühlgaseintritte verringert und der Belüf­ tungsdruck erhöht.

Die Profilform der Schaufeln 22 des Schaufelkranzes 10 ist in der Fig. 4 dargestellt. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, wird das Kühlfluid 5 durch die Schaufeln 22 in ihrer Strömungsrichtung abgelenkt. Die Ausgestaltung der Profilfor­ men der Schaufeln 22 kann an die physikalischen und wirt­ schaftlichen Randbedingungen angepaßt werden.

Eine Alternative in der Form einer Kompaktausführung zeigen die Fig. 5 bis 9.

In Fig. 5 wird eine axiale Draufsicht auf den Lüfterkranz gezeigt, mit dem Lüfter 1 auf der verlängerten Läuferkappe 25 und dem Reverslüfter 10 am Einsatzring 26, radial nach innen zum Läuferwellenschenkel 19 hin.

Fig. 6 stellt den Schnitt A-A nach Fig. 5 dar und zeigt er­ gänzend den Abströmkanal 20 vom Lüfter 1 zum Kühler 4 mit den Leitblechen 27 hinter dem Lüfter 1 und den Anströmkanal 6 zum Reverslüfter 10. Der Reverslüfter 10 muß kostengünstig herge­ stellt werden können und bei allen Kappendemontagen und -montagen schnell zu montieren und zu demontieren sein.

In Fig. 8 wird eine Schaufel 22 mit Blatt 28, Schaufelhals 29 und Anhängeohren 30 abgebildet, und Fig. 7 - Schnitt B-B in Fig. 5 - zeigt die Schaufeln 22 im Verband mit Zwischen­ stücken 31 zwischen den Anhängeohren 30 zweier benachbarter Schaufeln. Die Montage am Reverslüfterträger, hier Einsatz­ ring 26, wird mit den ergänzenden Teilen in Fig. 9 im Schnitt gezeigt. Die Anhängeohren 30 der Schaufeln 22 werden unterhalb eines vorderen und oberhalb eines am Umfang nach­ folgenden Zwischenstückes 31 auf einem Montage- und Bearbei­ tungsring 33 befestigt.

Der Außenumfang wird vorzugsweise mit einer Schräge versehen und dann der Ring hälftig getrennt. Die Hälften des Lüfter­ ringes können dann mit einem Schloßring 34 in der Reverslüf­ teraufnahme des Einsatzringes 26 über Schloßspannschrauben 35 festgesetzt werden.

Ergänzend zur Ausgestaltung des Kühlgaseintritts in den Läu­ fer stellt Fig. 10 Gestaltungen von Diffusorkonturen des Kühlgasaustritts dar. Die Ausbildung von Nutverschlußkeilen ist in "Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen", herausgegeben von H. Sequenz (Springer-Verlag), dargestellt.

Der in der Fig. 10 dargestellte Nutverschlußkeil 16 weist einen Diffusor 15 auf, der in einem Mündungsabschnitt 14 des Nutverschlußkeils 16 ausgebildet ist. Der Diffusor 15 ist über eine radiale Bohrung 23 mit einem nicht dargestellten Kühlkanal 8 verbunden. Das an einem Läuferwellenende eintre­ tende Kühlfluid strömt durch die Kühlkanäle 8 bzw. 9 in axialer Richtung des Läufers 11. Durch radiale Bohrungen 23, die mit dem Kühlkanal 8 bzw. 9 kommunizieren, strömt das Kühlfluid in den als Diffusor 15 ausgebildeten Mündungsab­ schnitt 14 des Nutverschlußkeils 16. Unterhalb des Nutver­ schlußkeils 16 sind Leiter 24 angeordnet, die gekühlt werden. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt eine direkte Kühlung der Leiter 24 durch ein Kühlfluid 5.

Fig. 10 zeigt eine Bohrung in einem Winkel von ca. 10° bis 20° mit Diffusorerweiterung 15 und Fig. 11 eine entspre­ chende zylindrische Bohrung, die mit einem auf einem Kreis­ bogen mit dem Drehpunkt 37 geführten Erweiterungswerkzeug hergestellt wird. Diese Erweiterung führt auf der Druckseite der Strömung zu einem effektiven Kreisbogenprofil 36.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Verbesserung der Kühlfluidführung und damit eine günstigere Gesamtenergie­ bilanz bei Turbogeneratoren.

Claims (13)

1. Kühleinrichtung zur Kühlung von elektrischen Maschinen, insbesondere von Turbogeneratoren, mit einem Lüfter (1), der wenigstens ein auf einer Läuferwelle (2) angeordnetes Lüfter­ rad (3) aufweist, einem Kühler (4), zu dem ein durch den Lüf­ ter (1) aus der elektrischen Maschine abgesaugtes Kühlfluid (5) strömt, und wenigstens einem mit dem Kühler (4) und mit im Läufer (11) ausgebildeten Kühlkanälen (8, 9) verbundenen Zufuhrkanal (6, 7), in dem ein Schaufelkranz (10) vorgesehen ist, der dem Kühlfluid (5) eine tangentiale Geschwindigkeits­ komponente in Drehrichtung des Läufers (11) verleiht, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufel­ kranz (10) ein vor dem Läufer (11) angeordnetes Leitrad ist, das gleichzeitig als Lüfter wirkt.

2. Kühleinrichtung zur Kühlung von elektrischen Maschinen, insbesondere von Turbogeneratoren, mit einem Lüfter (1), der wenigstens ein auf einer Läuferwelle (2) angeordnetes Lüfter­ rad (3) aufweist, einem Kühler (4), zu dem ein durch den Lüf­ ter (1) aus der elektrischen Maschine abgesaugtes Kühlfluid (5) strömt, und wenigstens einem mit dem Kühler (4) und mit im Läufer (11) ausgebildeten Kühlkanälen (8, 9) verbundenen Zufuhrkanal (6, 7), in dem ein Schaufelkranz (10) vorgesehen ist, der dem Kühlfluid (5) eine tangentiale Geschwindigkeits­ komponente in Drehrichtung des Läufers (11) verleiht, dadurch gekennzeichnet, daß das Lüf­ terrad (3) auf einem auf dem Läufer (11) ausgebildeten Trag­ stern angeordnet ist, und daß der Schaufelkranz (10) den Tragstern bildet.

3. Kühleinrichtung zur Kühlung von elektrischen Maschinen, insbesondere von Turbogeneratoren, mit einem Lüfter (1), der wenigstens ein auf einer Läuferwelle (2) angeordnetes Lüfter­ rad (3) aufweist, einem Kühler (4), zu dem ein durch den Lüf­ ter (1) aus der elektrischen Maschine abgesaugtes Kühlfluid (5) strömt, und wenigstens einem mit dem Kühler (4) und mit im Läufer (11) ausgebildeten Kühlkanälen (8, 9) verbundenen Zufuhrkanal (6, 7), in dem ein Schaufelkranz (10) vorgesehen ist, der dem Kühlfluid (5) eine tangentiale Geschwindigkeits­ komponente in Drehrichtung des Läufers (11) verleiht, wobei der Schaufelkranz (10) am Kappeneinsatzring (26) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkranz (10) Schaufeln aus geformten Flachmaterialien (30, 31, 32) aufweist, wobei die Schaufeln (22) an zwei An­ hängeohren (32) befestigt werden, und eine in etwa mittlere Blattstellung durch hintereinanderfolgende Zwischenstücke (31) dergestalt eingestellt wird, daß ein Anhängeohr (32) ei­ ner Schaufel unterhalb eines Zwischenstückes (31), und das andere oberhalb eines folgenden Zwischenstückes am Kappenein­ satzring (26) fixiert ist.

4. Kühleinrichtung nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (22) des Schaufelkranzes (10) mit den Zwischenstücken (31) auf einem Montagering (33) und der so gebildete Schaufelkranz (10) am Kappeneinsatzring (26) befestigt ist.

5. Kühleinrichtung nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Montagering (33) geteilt ist.

6. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 3 und 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Außenumfang des Schaufelkranzes (10) mit einer Schräge versehen ist, und der Schaufelkranz mit einem Schloßring (34) mit der entspre­ chenden Schräge am Innenumfang am Kappeneinsatzring (26) be­ festigt ist.

7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungs­ kanal vom Lüfter (1) zum Kühler (4) Strömungsleitelemente vorgesehen sind.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strömungsleitelemente Leit­ bleche sind.

9. Kühleinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitelemente in Strömungsrichtung des Kühlfluids (5) betrachtet unmittelbar hinter dem Lüfter (1) angeordnet sind.

10. Kühleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strömungsleitelemente in Form von angegossenen Versteifungsrippen ausgebildet sind.

11. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die im Läufer (11) ausgebildeten Kühlkanäle (8, 9) radial in einen zwischen dem Läufer (11) und einem Ständer (12) ausge­ bildeten Spalt (13.) münden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Mündungsabschnitt (14) eines Kühl­ kanals (8, 9) in Form eines Diffusors (15) ausgebildet ist.

12. Kühleinrichtung nach Anspruch 11, wobei sich wenigstens ein Kühlkanal (8, 9) radial durch einen im Läufer (11) ange­ ordneten Nutverschlußkeil (16) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (15) im Nutver­ schlußkeil (16) ausgebildet ist.

13. Kühleinrichtung nach dem Anspruch 12, wobei der Diffusor (15) auf der Strömungsdruckseite mit einem Kreisbogenprofil ausgebildet ist.