DE19751055A1 - Gasgekühlter Turbogenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gasgekühlten Turbogenerator mit einem druckfesten Gehäuse mit darin angeordnetem Stator und einem Rotor, mit im Gehäuse ange­ ordneten Zu- und Abführungen für das Kühlgas sowie mit Kühleinrichtungen für das Kühlgas, welcher Stator und Rotor Längsnuten zur Aufnahme von mit einer Isolie­ rung umfaßten Leiterstäbe aus Kupfer aufweisen, wobei für jede Längsnut das Vo­ lumenverhältnis von Isolierung zu Leiterstabmaterial wenigstens 1,0 beträgt.

Unter Turbogeneratoren werden allgemein solche meist dreiphasigen zweipoligen Synchron-Generatoren verstanden, die von einer Dampf- oder Gasturbine ange­ trieben werden. Hierbei ist es gleichgültig, ob sie für große oder kleinere Leistun­ gen vorgesehen sind.

Es ist seit langem allgemein bekannt, die Verlustwärme in Generatoren mittels Kühlgas abzuführen. Hierbei wurde ursprünglich als Kühlgas Luft vorgesehen, die mittels hierfür meist an der Rotorwelle befestigten oder von dieser beaufschlagten Gebläsen an einer oder beiden Stirnseiten zuströmt und in das betreffende Gehäu­ se eintritt, dieses durchströmt und an der gegenüberliegenden Stirnseite bezie­ hungsweise durch entsprechende Austrittsöffnungen wieder austritt.

Der große Vorteil dieser Bauweise ist in der einfachen Gestaltung begründet, die kein aufwendiges Gehäuse für den Generator erfordert, sondern nur eine Umhül­ lung zur Lenkung des Luftstroms und darüber hinaus nur ein Traggerüst für den Stator.

Bei bekannten Generatoren ist die Umhüllung entlang der Längsachse geteilt aus­ geführt, so daß der obere Teil abnehmbar ist und den Zugang zum Stator ermög­ licht. Allerdings sind luftgekühlte Generatoren nur für niedrige Leistungen bis ma­ ximal 300 MVA vorgesehen, da die mit Luft erzielbare Kühlwirkung zwangsläufig begrenzt ist und daher bei höheren Leistungen mit Luft nicht die erforderliche Küh­ lung gewährleistet ist.

Für Generatoren mit höherer Leistung wird als Kühlmedium bevorzugt Wasser­ stoffgas (H₂) eingesetzt, welches gegenüber Luft eine deutlich höhere Kühlleistung ermöglicht, die erhöht werden kann, indem man das Wasserstoffgas unter Druck setzt und die Kühlung unter Überdruck durchführt. Allerdings erfordert die Kühlung mit Wasserstoffgas einen zusätzlichen, nicht unbeträchtlichen Aufwand, der sich sowohl bei der Anschaffung als auch später im Betrieb kostenmäßig auswirkt, näm­ lich angefangen bei der gasdichten und druckfesten Gehäusegestaltung mit Wellendichtungen über Zusatzeinrichtungen zur Trocknung, Reinigung und Druckregu­ lierung des Kühlmediums sowie zum Spülen des Gehäuses, zum Beispiel bei Re­ paraturen, bis zu Zusatzeinrichtungen für die Entgasung des Dichtmediums der Wellendichtung und dessen Druckregulierung. Dies soll im einzelnen nachfolgend dargelegt werden.

Dieser Aufwand beginnt bereits bei der Gestaltung des Gehäuses für den Genera­ tor, das dicht wie bei luftgekühlten Generatoren lediglich als dünnwandige Luftleit­ haube sondern druckfest ausgebildet ist, da es ja permanent einem bestimmten Innenüberdruck gegenüber dem Umgebungsdruck standhalten muß und daher ei­ ner Innendruckprüfung mit einem Maximaldruck von 1 000 000 MPa unterzogen, um so seine Berstsicherheit zu gewährleisten.

Im Gehäuseinnenraum ist eine Gasführung vorgesehen, welche den Wasserstoff­ gasstrom entsprechend so umlenkt, daß der Kühlgasstrom möglichst gleichmäßig die wärmeabgebenden Wicklungsbereiche und den Blechkörper überstreicht und hierbei die Verlustwärme aufnimmt. Mit dieser Innenführung ist ferner gewährleistet, daß der Wasserstoffgasstrom nach der Aufnahme der Verlustwärme des Genera­ tors zu einem hierfür vorgesehenen Kühler gelangt, der vorzugsweise sekundär mit Wasser gespeist ist und in welchem das Wasserstoffgas die aufgenommene Wär­ me abgibt, bevor es für einen weiteren Kühlzyklus wieder der Wicklung zugeführt wird.

Ein weiteres Begleitproblem bei der Generatorkühlung mit Wasserstoffgas sind die praktisch unvermeidbaren Verluste an Wasserstoffgas, hauptsächlich infolge von Leckagen an der Wellendurchführung der Rotorwelle durch das Gehäuse des Ge­ nerators. Um diese Verluste zu verhindern oder zumindest niedrig zu halten, sind die Wellendurchführungen jeweils mit einer Wellendichtung versehen, die als Öl­ bad-Abdichtung ausgebildet ist.

Hierbei wird das Dichtöl mit Hilfe einer speziell vorgesehenen Druckregulierungs­ einrichtung ständig mit Druck beaufschlagt, um den Gasdruck des Wasserstoffga­ ses auszugleichen. Ebenso ist eine Entgasungseinrichtung erforderlich, welche das Dichtöl turnusmäßig oder kontinuierlich entgast.

Außerdem ist eine Trocknungsvorrichtung für das Wasserstoffgas vorgesehen, welche die Trockenheit des H₂ sicherstellt.

Im Falle einer erforderlichen Überholung oder Reparatur, wenn das Druckgehäuse geöffnet werden muß, ist es schließlich erforderlich, zunächst das Wasserstoffgas aus dem Gehäuse zu entfernen, ohne daß Sauerstoff hinzutritt und explosives Knallgas bildet. Zu diesem Zweck wird das Generatorgehäuse mit Stickstoffgas oder Kohlendioxid gespült.

Aus alldem zeigt sich, daß der technische Vorteil, der für den Einsatz von Wasser­ stoffgas als Kühlmedium spricht, gut bedacht sein muß, da der hieraus resultieren­ de Mehraufwand gegenüber den nur mit Luft gekühlten Generatoren nicht überse­ hen werden kann.

Bei den luftgekühlten Generatoren werden keine derartigen Vorkehrungen benötigt, so daß der hiermit verbundene Aufwand deutlich geringer ist. Allerdings ist, wie bereits erwähnt, auch die erreichbare Kühlleistung und damit die erreichbare Gene­ ratorleistung deutlich niedriger als bei den Hochleistungsgeneratoren mit Wasser­ stoffgas-Kühlung.

Nun stehen in größerer Anzahl mit Wasserstoffgas gekühlte Generatoren älterer Bauart zur technischen Überholung an, deren Betriebsaufwand im Vergleich zu Generatoren neuerer Bauart vergleichsweise hoch ist und nach Möglichkeit verrin­ gert werden soll.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, für einen Generator der eingangs genannten Art ein neues Kühlkonzept zu entwickeln, das mit vergleichsweise niedrigem Aufwand für die Kühlung eine möglichst hohe Lei­ stungsausbeute beim Generatorbetrieb gestattet. Insbesondere soll dies im Zuge der technischen Überholungen von älteren Generatoren mit längerer Betriebszeit angewandt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Entsprechend der Erfindung ist daher vorgesehen, daß als Kühlgas Druckluft vor­ gesehen ist, welche im Generatorgehäuse zirkuliert und aufgenommene Wärme in einem als Kühleinrichtung vorgesehenen Wasserkühler abgibt. Diese Maßnahme führt zu einer Verstärkung der Kühlleistung, da die unter Überdruck stehende Luft eine höhere Wärmekapazität hat als Luft bei Umgebungsdruck und somit mehr Verlustwärme aufnehmen und abführen kann als bei den bisher üblichen Kühlanordnungen in Generatoren mit unter Umgebungsdruck zirkulierenden Kühl­ luftströmen.

Um die Möglichkeiten der höheren Kühlleistung im Hinblick auf die ebenfalls ange­ strebte Anhebung der Generatorleistung zu nutzen, ist ferner vorgesehen, daß das aktive Leitervolumen in jeder Längsnut größer ist als das Volumen der zugeordne­ ten Isolierung und vorzugsweise wenigstens das doppelte Volumen gegenüber der zugeordneten Isolierung beträgt.

Dieses neue Kühlkonzept ist insbesondere vorgesehen für ältere Generatoren, die ursprünglich mit einer Wasserstoffgas-Kühleinrichtung ausgerüstet waren und nun im Zuge einer technischen Überholung durch geeignete Retrofit-Maßnahmen mit möglichst wenig Aufwand ertüchtigt werden sollen und dabei unter Umständen auch leistungsgesteigert werden sollen.

Hierbei wurden entsprechend der Erfindung die Leiterquerschnitte in den Leiternu­ ten vergrößert, wobei für ausreichende Kühlung gesorgt ist. Diese Vergrößerung der Leiterquerschnitte ist mit vergleichsweise geringem Aufwand möglich, da bei älteren Generatoren die Leiter in den Leiternuten mit einer voluminösere Isolierung umgeben waren, als mit den heutzutage üblichen Isolierwerkstoffen erforderlich.

Dies wird gemäß der Erfindung dahingehend genutzt, daß der Volumengewinn, der einerseits durch die Verwendung verbesserter Isolierwerkstoffe ermöglicht wird und andererseits durch die erfindungsgemäß vorgesehene verbesserte Kühlung, zum Einbau größerer Leiterquerschnitte dient, so daß eine Leistungsanhebung resultiert.

Mit diesen vorstehend beschriebenen Maßnahmen wird erfindungsgemäß erreicht, daß der vormals mit Wasserstoffgas gekühlte Generator trotz Verwendung von Luft als Kühlmedium nun eine höhere Leistung abgibt als zuvor mit Wasserstoffgas- Kühlung, mindestens aber die gleiche Leistung wie zuvor bei deutlich verringertem Betriebsaufwand.

Die erwähnte verbesserte Kühlung, das heißt die Kühlung mittels Luft an Stelle von Wasserstoffgas, wird dadurch ermöglicht, daß das Gehäuse anders als bei den seither für Luftkühlung vorgesehenen Generatoren als einteiliger geschweißter Druckbehälter ausgebildet ist, dessen Stirnseiten mit gasdicht abschließenden Deckeln versehen sind, durch welche jeweils die Wellenenden des Rotors hin­ durchgreifen. Da die Herstellung des Generatorgehäuses vorzugsweise bei der Nachertüchtigung entfällt, entfällt auch der hiermit verbundene Mehraufwand, so daß die bei Generatoren bisher unübliche Kühlung mit Druckluft möglich wird.

Um dennoch den zur Erhöhung des Kühlvermögens der Druckluft erforderlichen Druck aufrechtzuerhalten, sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die stirnsei­ tigen Deckel jeweils mit einer luftgespeisten Wellenabdichtung versehen an Stelle der bisher üblichen sehr aufwendigen Ölbadabdichtung.

Zu diesem Zweck weist vorteilhafterweise jede Wellenabdichtung eine Luftkammer auf, welche mit Druckluft beaufschlagt ist und so das Entweichen von größeren Mengen von Kühlluft am Wellenspalt verhindert. Hierbei wird ein Teil der in das Gehäuse zugeführten Druckluft abgezweigt und auf der Außenseite der Luftkammer zugeführt, um so die Wellenabdichtung zu erreichen. Die hierbei auftretenden Ver­ luste an Luft sind einerseits vernachlässigbar und andererseits gänzlich unbedenk­ lich.

Um darüber hinaus den Aufwand für die Ertüchtigung des Generators noch weiter zu verringern, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgese­ hen, den alten, zu erneuernden Rotor, der für den Betrieb mit Wasserstoffgas- Kühlung vorgesehen war, nicht aufwendig zu überholen, sondern durch einen quasi aus dem Regal entnommenen und damit wesentlich günstigeren, auf den Innen­ durchmesser des Stators abgestimmten Standard-Rotor für Luftkühlung zu erset­ zen.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand eines in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie be­ sondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt die einzige Figur einen Generator gemäß der Erfindung im Teillängsschnitt.

In der einzigen Figur ist ein Generator 10 gemäß der Erfindung mit einem schema­ tisch dargestellten druckfesten Gehäuse 12 und darin angeordnetem Stator 14 und Rotor 16 im Teillängsschnitt gezeigt, wobei das Gehäuse 12 zur Hälfte entlang der Längsachse aufgeschnitten ist, so daß sowohl der Stator 14 als auch der Rotor 16 erkennbar sind.

Der Stator 14 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet, ebenso wie der darin dreh­ bar angeordnete Rotor 16, dessen Wellenenden 18 das Gehäuse 12 jeweils an den Stirnseiten 20 in Wellendurchführungen 22 durchgreifen.

Der Generator 10 ist als ursprünglich für die Kühlung mittels einer Wasserstoffgas- Kühleinrichtung ausgebildete Maschine mit einem druckfesten Gehäuse 12 verse­ hen, welches einem Innendruck von wenigstens 1 000 000 MPa standhält. Hierbei ist jedoch abweichend von dem ursprünglichen Kühlmedium nicht Wasserstoffgas sondern unter Druck stehende Luft vorgesehen.

Dementsprechend sind im Inneren des Gehäuses 12 an den Wellendurchführun­ gen 22 Wellendichtungen 24 vorgesehen, die jeweils von einem zum Rotor 16 hin zugewandten, hier nicht näher dargestellten Wellendichtring und einer daran axial angrenzenden Luftkammer 26 gebildet sind, wobei die Luftkammern 26 jeweils mit unter Druck stehender Umgebungsluft beziehungsweise mit vom Kühlgasstrom ab­ gezweigter Kühlluft beschickt werden und so als Sperrluft die Leckage der im Inne­ ren des Gehäuses 12 befindlichen, unter Druck stehenden Kühlluft weitestgehend unterdrücken.

Wie vorstehend bereits angesprochen, dient bei dem erfindungsgemäßen Genera­ tor unter Druck stehende Umgebungsluft als Kühlmedium für den Stator 14 und für den Rotor 16. Die Kühlluft wird vorzugsweise von wenigstens einem auf einem der beiden Wellenenden 18 der Rotorwelle 18 angeordneten, hier nicht näher gezeig­ ten Gebläserad im Inneren des Gehäuses umgepumpt, so daß sie mit Überdruck einströmt und hierbei den Stator 14, aber insbesondere den Rotor 16 beaufschlagt.

Zusätzlich oder an Stelle des zuvor erwähnten wenigstens einen Gebläserades auf der Rotorwelle 18 kann auch ein separates, hier ebenfalls nicht dargestelltes Druckluft-Gebläse vorgesehen sein, welches die zur Kühlung benötigte Druckluft bereitstellt.

Für die Kühlung der von der vom Rotor 16 beziehungsweise Stator 14 aufgenom­ menen Verlustwärme aufgeheizten Kühlluft dient wenigstens ein Luft-/Wasser- Wärmetauscher, vorzugsweise vier Luft-/Wasser-Wärmetauscher, welche vor­ zugsweise im unteren Gehäuseteil 12 angeordnet sind.

Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäß vorgesehenen Lösung beruht dar­ auf, daß man mit deutlich weniger Aufwand den Vorteil der Druckgaskühlung, wie sie von den mit Wasserstoffgas gekühlten Generatoren bekannt ist, nutzen kann, ohne damit gravierende Folgeprobleme hinsichtlich der Handhabung beziehungs­ weise der Wartung oder im Falle einer Reparatur zu haben. Weder bedarf es einer aufwendigen, von einer Dichtölversorgung abhängigen Wellenabdichtung, noch resultieren Kosten beziehungsweise Beschaffungsprobleme beim Leckageaus­ gleich.

Außerdem besteht auch nicht das Problem möglicher Knallgasbildung mit der laten­ ten Gefahr einer Knallgasexplosion wie bei den mit Wasserstoffgas gekühlten Ma­ schinen.

An Stelle eines speziell für die Wasserstoffgas-Kühlung gefertigten Rotors kommt bei der Erfindung ein herkömmlicher, für die Luftkühlung vorgesehener Rotor zur Anwendung, der allerdings mit unter Überdruck stehender Luft zur Kühlung beauf­ schlagt wird. Hierdurch werden die Vorteile der Druckgaskühlung mit einem ent­ sprechend erhöhten Wärmeaufnahmevermögen vereint mit einem low-cost Kühl­ medium, das immer und überall zur Verfügung steht und keine besonderen techni­ schen Aufwendungen und Vorkehrungen erfordert.

Claims (5)

1. Gasgekühlter Turbogenerator (10) mit einem druckfesten Gehäuse (12) mit darin angeordnetem Stator (14) und einem Rotor (16), mit im Gehäuse (12) an­ geordneten Zu- und Abführungen für das Kühlgas sowie mit Kühleinrichtungen für das Kühlgas, welcher Stator (14) und Rotor (16) Längsnuten zur Aufnahme von mit einer Isolierung umfaßten Leiterstäben aus Kupfer aufweisen, wobei für jede Längsnut das Volumenverhältnis von Isolierung zu Leiterstabvolumen wenigstens 1,0 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlgas Luft vorgesehen ist, welche im Generator (10) mit Überdruck umgepumpt wird und die hierbei aufgenommene Wärme in einem als Kühleinrichtung vorgesehenen Luft/Wasser-Wärmetauscher abgibt, und daß der Anteil des Leitervolumens je Längsnut wenigstens das Doppel­ te der zugeordneten Isolierung beträgt.

2. Turbogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als einteiliger geschweißter Druckbehälter ausgebildet ist, dessen Stirn­ seiten mit gasdicht abschließenden Deckeln versehen sind, durch welche jeweils die Wellenenden des Rotors hindurchgreifen.

3. Turbogenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitigen Deckel jeweils mit einer luftgespeisten Wellenabdichtung versehen sind.

4. Turbogenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wellenabdichtung eine Luftkammer aufweist, welche mit Druckluft beaufschlagt ist und so das Entweichen von Kühlluft am Wellenspalt minimiert.

5. Turbogenerator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Rotor ein auf den Innendurchmesser des Stators abgestimmter Standard-Rotor vorgesehen ist.