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Kühlsystem für verdampfungsgektlhlte rotierende Maschinen und Maschinenteile.
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Diese Erfindung betrifft ein Kühlsystem für verdampfungsgekühlte rotierende
Maschinen urd Maschinenteile, bei denen der Wärmetransport auf der Verdampfung eines
Kühlmittels in den Kühlkanälen des rotierenden Teiles beruht, wobei das verdampfte
Kühlmittel in einem oder mehreren Kühlern kondensiert wird.
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Bisher bekannt ist ein VerdampfungskUhlsystem für rotierende Teile,
bei dem das Kühlmittel dem Rotor entweder durch die Wellen zugeführt wird und nach
Verdampfung frei in die Umgebung des Rotors entweicht, oder wo sowohl die Zufuhr
der KühlflUssigkeit als auch die Ableitung des Dampfes in geschlossenen Kanälen
erfolgt.
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Beide Lösungen zeichnen sich dadurch aus, dass die AbkUhlung, d.
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h. die Kondensation des Kühlmittels mittels Kühler erfolgt, die gegenüber
dem Rotor unbeweglich sind. Eine Folge dieser Anordnung ist, dass bei der Zusammenkupplung
der rotierenden und feststehenden Teile des KUhlsystems gewisse bewegliche Dichtungssysteme
erforderlich
sind. Da keute kein leokagenfreies Dleht.ungssystem bekannt ist, konnte man bisher
keine auf Verdampfung basierende,versiegelte und wartungsfreie Rotorkühlung erreichen.
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Die Leckage bedeutet nämlich eine Verschiebung sowohl der chemischein
Zusammensetzung des KUhlmittels, als auch des absoluten Druckniveaus, was ferner
eine Verschiebung des Siedepunktes des KUhlmittels und dementsprechend des Temperaturniveaus
des Rotors zur Folge hat.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die Verwendung von beweglichen
Dichtungen im Anschluss an den inneren KUhlkreis des Rotors zu vermeiden, und somit
ein Versiegeln dieses Kühlkreises zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Kühlkanäle mit dem bzw.
den KUhlern einen Primärkreis bilden, der völlig geschlossen und versiegelt ist,
wobei der den Primärkreis bildende Teil des Kühlers am rotierenden Teil und/oder
dessen Welle befestigt ist und mitrotiert, während der den Sekundärkreis bildende
Teil des KUhlers unbeweglich ist, und das KUhlmittel imSekundärkreis die Oberfläche
des rotierenden Teiles des Kühlers bestreicht,derart, dass Kondensationswärme vom
Primärkreis auf den Sekundärkreis Ubertragen werden kann. Bei dieser Gestaltung
werden in Verbindung mit dem Primärkreis keine beweglichen Dichtungen benötigt,
und die chemische Zusammensetzung wie auch das Druckniveau verbleiben durch Versiegelung
des gesamten Primärkreises unverändert. Die Bewegung des KUhlmittels im Primärkreis
kann
mittels Thermosiphonwirkung gewährleistet werden, wobei die
Thermosiphonwirkung unter dem Einfluss von Schleuder- und Corioliskräl'ten bedeutend
erhöht werden kann. Die Thermosiphonwirkung tritt an sich infolge des grossen Unterschiedes
zwischen den spezifischen Gewichten des Kühlmittels vor und nach der Verdampfung
sehr stark izervor.
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Erfindungsgemäss werden die einzelnen Kühlkanalzweige in den rotierenden
Teilen Uber Verbindungen prarallelgeschaltet, damit das nicht verdampfte KUlilmittel,
beim Anlauf der Maschine in kaltem Zustand, von eine. In den anderen Zweig strömen
kann und somit verhindert wird, dass wegen ungleichmässiger FlUssigkeitsverteilung
grosse unbalancierte Kräfte entstehen. Diese Verbindungen, welche Strömungswiderstände
enthalten, werden zweckmässigerweise unter BerUcksichtigung der Schleuderkraft auf
einem grösseren Radius angeordnet, als dew, der der Grenze zwischen Dampf und Flüssigkeit
im Inneren des Rotors entspricht. Die Strömungswiderstände dämpfen dabei die FlUssigkeitsbewegung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der rotierende KUhler
über eine oder mehrere bewegliche Dichtungen an den Sekundärkreis angeschlossen
werden. Eine eventuelle leckage an die ser Stelle wir den Betrieb des gesamten KUhlsystems
nicht beeinflussen, auch wenn im Sekundärkreis gegebenenfalls ein minderwertiges
Kühlmittel vorliegt, beispielsweise gewöhnliches Wasser, welches in relativ unbegrenzten
Mengen und bei einstellbarem Betriebsdruck zur Verfügung steht. Falls man den rotierenden
Kühler an einem freien Wellenende anordnet, wird nur eine Dichtung benötigt, die
vorteil@afterweise an der Niederdruckseite des Sekundärkreises
angebracht
werden kann, womit die Leckage zusätzlich reduziert wird.
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Die Erfindung soll anhand der Figuren 1 bis 4, die eine Ausführungsart
der Erfindung veranschaulichen, erläutert werden.
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In den Zeichnungen sind jeweils gleiche Teile mit gleichen Positionsnummern
versehen.
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Ein Uebersichtsbild des gesamten Kühlsystems ist in Fig. 1 dargestellt.
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Der rotierende Kühler 1 besteht aus dem über eine oder mehrere Dichtungerl
angeschlossenen, stehenden Sekundärkreis 5 und dem mit der Welle 7 verbundenen,
rotierenden Primärkreis 2 mit den Kühlkanälcn 25.
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Mit 25 ist der Rotor und mit 24 sind die Lager bezeichnet.
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Die Fig. 2 zeigt die Anordnung der Verbindungsleitung 5 mit den eingebauten
Strömungswiderständen 4.
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Das Kühlmittel gelangt über konzentrisch angeordnete Rohrleitungen
und über Hegulierwiderstände 27 in die Kühlkanäle 25. Der entstehende Dampf wird
über die Rückleitungen 26 zum Kühler 1 geleitet.
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Die Fig. 3 zeigt dieselbe Anordnung vom Rotorende gesehen.
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Ein praktisches Ausführungsbeispiel des rotierenden Kühlers iEt, in
Fig. 2 gezeigt. Die Welle (7) des Rotors enthält die koaciale Rohre (e und 9), welche
das Kühlmittel des Primärkreises (2) leiten.
Das innere Rohr (9)
leitet den Dampf aus dem Inneren des Rotors zu dem rotierenden Kühler, während das
äussere Rohr (8) für die in entgegengesetzter Richtung strömende Flüssigkeit bestimmt
ist. Der Teil des rotierenden Kühlers (1), der einen Teil des Primärkreises bildet,
besteht aus einem rotationssymmetrischen Behälter, der von den Aussenwäden 10 und
11 und der Trennwand 12 gebildet wird, wobei es die Aufgabe der Letzteren ist, das
Kühlmittel vom inneren Rohr 9 entlang der Aussenwände 11 und 10 und zum Rohr 8 zurück
zu leiten. Der ganze Behälter ist mittels der Bolzen 13, der Steuerkante 14 und
der O-Ringdichtung 15 an der Welle befestigt, geführt und abgedichtet.
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Der stehende Teil des rotierenden Kühlers besteht aus dem Behälter
16, der in Zusammenwirkung mit den Roh-rstutzen 17 und 18 gewährleistet, dass das
Kühlmittel des Sekundärkreises (5) die Aussenwände 11 und 10 des rotierenden Teiles
bestreicht. Zur Abdichtung des Sekundärkreises gegenUber der Umgebung wird vorausgesetzt,
dass achsiale, mittels der vorgespannten Feder (19) an den rotierenden Behälter
gedrückte Gleitdichtungen (6) verwendet werden. Die ganze Kühleinheit ist mittels
Zwischenflanschen (20) und Bolzen (22> an der Gehkuse- oder Lagerwand (21) der
Maschine montiert.
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Erfindungsgemäss kann die Oberfläche des rotierenden Teiles im KUhler
an der vom Kühlmittel des Primär- und/oder Sekundärkreises bestrichenen Seite derart
mit Rillen oder Rippen versehen werden, dass die Wärmeübergangszahl erhöht wird.
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Zu diesem Zweck kann auch das Kühlmittel des Primärkreises vorteilhafterweise
in spiralförmigen oder axial hin- und zurücklaufenden Kanälen im rotierenden Teil
des Kühlers gerührt werden.
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Auch kann die Wärmeübergangszahl mittels am stehenden Teil des Kühlers
vorgesehener Rillen, Rippen oder Zapfen erhöht werden, indem die relative Strömungsgeschwindigkeit
zwischen dem rotierenden Teil und dem Kühlmittel des Sekundärkreises gesteigert
wird.
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Das System gemäss dieser Erfindung hat sowohl bei grossen als auch
bei kleinen Maschinen viele Vorteile. Der Umstand, dass der Primärkreis völlig versiegelt
ist und keine Pumpen, Dichtungen oder andere Elemente, die Verschleiss verursachen
könnten, enthält, ermöglicht eine einmalige und endgültige Einstellung des Kühlmittels
und dessen Arbeitsdruckes. Als Kühlmittel kann Wasser, Kohlensäure, Freon oder dergleichen
verwendet werden. Der Druck ist so einzustellen, dass er einen geeigneten Siedepunkt
und gleichzeitig einen genügenden Temperaturunterschied zwischen dem Primär- und
dem Sekundärkreis ergibt, so dass die Abmessungen des rotierenden Kühlers (1) begrenzt
werden können.
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Die Abmessungen des rotierenden Kühlers sind weitaus geringer als
diejenigen eines üblichen Kühlers, hauptsächlich weil sich die Wände des Kühlers
im Verhältnis zueinander mit sehr grosser Umkre isgeschw:Fndigkeit bewegen. Ausserdem
bestehen verhältnismäs -sig
sehr gute Wäi'metlbertragungszahlwerte
in Verbindung mit Kondensation. Beispielsweive bei einer Synchronmaschine von 1000
kW, 1000 U/Min. und mit Rotorverlust 20 kW, wo sowohl im Primär- als auch im Sekundärkreis
Wasser verwendet wird, bildet der rotierende Kühler am Wellenende eine Trommel voii
ca. 200 mm Durchmesser und 100 mm axialer Länge. Bei einem Synchrongenerator von
190 MVA bei 375 U/Min. und Rotorverlust 470 kW bildet der rotierende Kühler eine
Trommel von 500 mm Durchmesser und 500 mm axialer Länge.
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Bei der Bemessung des Kühlers muss man der radialen Abmessung des
KUlilers eine gewisse Aufmerksamkeit widmen. Ist diese Abmessung zu gross, wird
die Schleuderkraft, welche die im Kühler vorliegende kondensierte Kühl flUss igkeit
beeinflusst, so gross, dass unter gleichzeitiger Beeinflussung der Pumpenwirkung
des Rotors (23) ein so niedriger Druck in den Leitungen (2) der Welle ensteht, dass
die Flüssigkeitsverbindung zwischen Küliler (1) und Rotor (23) unterbrochen wird.
Dieser Effekt entspricht demjenigen, der unter üblichen atmosphärischen Verhältnlssei
entsteht, wo die theoretische Saughöhe einer Pumpe zu 10 m begrenzt ist. Die maximale
radiale Dimension des rotierenden Kühlers ist eine Funktion der Drehzahl, des spezifischen
Gewichtes der Kühlflüssigkeit und des im System vorherrschenden absoluten Druckes.