DE2007194A1 - Kühlgasführung bei elektrischen Maschinen - Google Patents

Description

Angelder; A/S NATIONAL TNT)TJS¹F¹U, 3000 Drammen / Norwegen

Kühlgasführung bei elektrischen Maschinen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Ventilation bei dynamoelektrischen Maschinen. Insbesondere beschäftigt sioh die Erfindung mit einer geringe Windver-"luste aufweisender Ventilation bei. Wasserturbinengeneratoren, die mit einer relativ hohen Geschwindigkeit laufen.

Bisher war es bei großen Wasserturbinengeneratoren und bei. gewissen Motoren mit hohen Drehzahlen üblich, die gesamte Kühlluft gleichzeitig von beiden Enden des Rotors durch den Potor in das Zentrum zu leiten. Die Kühlluft drang dann durch sich radial erstreckende Lüftungsschlitze oder Öffnungen in dem Stator wieder nach außen. Eine solche Art der Ventilation hat jedoch den Nachteil, daß sie außerordentlich hohe Luftreibungsverluste mit sich bringt.

Wenn die normale Umfangsgeschwindigkeit des Rotors beispielsweise 60 m pro iSekunde ist und genügend Luft durch die Maschine geleitet wird, um die Erhöhung der Lufttemperatur auf 18° 0 zu begrenzen, so beträgt die zur Beschleunigung der Luft erforderliche Leistung ohne Berücksichtigung der Ventilatorgebläseverluste 10 # der Gresamtverluste der Maschine. Wenn die Luftgeschwindigkeit 85 m pro Sekunde

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ist, so steigen die Luftreibungsver.luste auf 20 fi der Gesamtverluste der Maschine.

Zu den zuvor erwähnten Verlusten kommt eine weitere Windverlustkomponente hinzu, die aus der relativen Geschwindigkeit der Polteile in Bezug auf die sie umgebende Luft daraus resultiert, daß diese Luft zwischen nebeneinanderliegenden Polen Wirbel bildet. Diese Wirbel verbrauchen einen beträchtlichen Teil der Energie innerhalb der Maschine.

* Eine andere Möglichkeit, einen Maschinenrotor zu kühlen, besteht in der Verwendung von unter Druck stehendem Wasser oder anderen Flüssigkeiten, die durch Kanäle in dem Rotor geleitet werden. Die Flüssigkeitskühlung ist außerordentlich effektiv. Jedoch erfordern flüssigkeitsgekühlte Rotoren schwierige und kostspielige Verbindungsstrukturen für die sich drehenden Elemente, d. h. für jene Elemerte, die mit dem Rotor verbunden sind. Die erwMhnten Verbindunpsstrukturen haben die Aufgabe, die stationären Elemente, wie beispielsweise die Pumpen und den Wärmeaustauscher, mit den sich drehenden Elementen an dem Rotor zu verbinden.

Erfindungsgemäß wird Kühlluft oder ein anderes Kühlgas von einem Ende des Maschinenrotors an den hervorstehenden Polteilen desselben vorbei direkt zu dem anderen Ende des Maschinenrotors geleitet. Die Durohtrittsflnche zwischen den Polen ist reduziert und/oder von dem Luftspalt zwischen dem Rotor und Stator getrennt. Durch die reduz-ierte Durchtrittsfläche wird die Luftgesohwindigkeit in diesen Bereich erhöht. Mit der Trennung des Durchtrittsbereiohes von dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor wird die Wirbelbildung verhindert. Auf diese Weise werden die LuftreibungBverluste in der Maeohine wesentlich reduziert, derart,

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daß eine maximale Leistung pro Rotorgewicht erzielt wird, die mit derjenigen von wassergekühlten Rotoren vergleichbar ist.

Es ist ein Axial- oder Zentrifugalgebläse verwendet, um die Kühlluft in den Rotor zu drücken. Ferner sind stationäre Leitschaufeln oder eine schaufellose Leitvorrichtung vorgesehen, welche dazu dienen, die Rotationskomponente der die Pole verlassenden Luft in Druckenergie umzuwandeln, welche dazu ausgenutzt wird, die Luft in einem geschlossenen Kreislauf zu dem Gebläse zurückzuführen. Die Leitfunktion der Schaufeln oder der schaufelloeen Leitvorrichtung sorgt gleichzeitig für die Erzeugung eines zusätzlichen Druckes, welcher die Druckanforderungen (und damit die Leistung) an das Gebläse erniedrigen.

Durch die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen können die Luftreibungsverluste in einer großen Rotationsmaschine auf ein Drittel reduziert werden. Das bedeutet, daß auch die Gesamtverluste in der Maschine um etwa 25 $ gesenkt werden. Damit wird der Wirkungsgrad der Maschine erhöht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

Pig. 1 einen Radialschnitt durch eine erfindungsgemäße ausgebildete Maschine}

Fig. 2 eine Teilansioht des Rotors der Maschine nach Fig. 1;

Fig. 3» 4 und 5 Teilansichten von drei anderen Ausführungsformen dee Rotors gemäß der Erfindungj

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Pig. 6 eine Ansicht von oben auf den in Fig. 5 dargestellten Rotorteil.

In Fig. 1 ist ein Radialschnitt einer vertikal angeordneten dynamoelektrischen Maschine 10 "beschrieben, welche aus einem Stator 12 und einem von dem Stator 1? umgebenen Rotor 14 besteht. Zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 befindet sich ein Luftspalt 15. Der Rotor sitzt auf einer Rotorwelle 16. Der Stator ist an einem Statorrahmen 17 innerhalb eines Gehäuses 18 befestigt. Der Rahmen 17 ist an dem Gehäuse 18 mit einer röhrenförmigen Kühlstruktur 19 befestigt, welche zwischen dem Rahmen und dem Gehäuse einen Durchgangsraum 20 freiläßt. Das Gehäuse wiederum ruht auf einem Fundament 21, welches eine Grube 22 umschließt. In der Grube 22 befindet sich eine mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit betriebene Turbine (nicht gezeigt), welche den Rotor über die Welle 16 antreibt.

Der Rotor 10 enthält eine Rahmenstruktur in Form von Spalten 24, die sich zwischen einer Nabe 25 und einem Radteil 26 erstrecken. Die Nabe und das Radteil sind in geeigneter Weise mit den Speichen verbunden. Die Nabe sitzt fest auf der Welle 16.

Das Radteil 26 weist eine Vielzahl von radial verteilten hervorstehenden Polteilen 27 auf, welche Feldwicklungen 2;^ tragen. Zwischen den Polteilen ist ein Abstand 29 vorgesehen.

Die Maschine ist ferner mit Teilungswänden 30 und 31 versehen, welche ringförmige bzw. ebene Einlass- und Auslasskanäle 32 und 33 bilden, durch die das Kühlmedium zu und von den Polen 28 in einer spater noch erläuterten

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Weise geleitet wird. Wie man aus Pig. 1 ersehen kann, sind die Teilungswände an dem Statorrahmen 17 befestigt. Die Teilungswände stehen durch den zwischen dem Rahmen und dem Gehäuse 18 befindlichen Durchtrittsraum 20 in Kühlmitt el-Verbindung.

In dem Einlasskanal 32 ist ein Gebläse 35 vorgesehen, welches in Pig. 1 nur angedeutet ist. Das Gebläse kann ein Axial-Strömungsgebläse sein, das mit Turbinenblättern arbeitet. Ein solches Gebläse ist beispielsweise in der U.S.-Patentschrift 3.110.827 beschrieben. Das Gebläse kann aber auch ein Zentrifugalgebläse sein, das mit sich über den Umfang in axialer Richtung erstreckenden Blättern versehen ist. Ein solches Gebläse ist beispielsweise in der U.S.-Patentschrift 3.271.607 beschrieben. Statt dessen oder zusätzlich hierzu können die Speichen 24 auch so ausgebildet sein, daß sie als Zentrifugalgebläse in der Maschine arbeiten.

Die Maschine 10 ist ferner mit einer ringförmigen Anordnung von gekrümmten stationären Schaufeln 36 versehen, welche an den Kühlmittelauetrittsenden der Polteile 27 angeordnet sind. In Pig. 1 ist nur eine einzige Schaufel dargestellt. Die Schaufeln sind gekrümmt und geneigt, um die durch die Rotation des Rotors 14 mit einer Rotationskomponente versehene Luft zu sammeln und zu dem Auslasskanal zu leiten. Von dem Auslasskanal wird die Luft dann wiederum zu dem Einlasskanal 32 und zu dem Gebläse 35 geführt. Die Schaufeln arbeiten ale Leiteinrichtung in dem Kanal 33. Der Kanal 33 selbst kann so ausgebildet sein, daß die in ihn von den Polen 27 eintretende Luft gesammelt und nach Art einer sohaufelloeen Leitvorrichtung weitergeleitet wird. In diesem Pelle wären die Schaufeln 36 überflüssig.

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Wenn die Maschine in Betrieb ist, werden die Pole 27 und die Wicklungen 28 des Rotors 14 auf folgende Weise wirksam (d.h. mit geringer Luftreibung) gekühlt. Bei der Rotation des Rotors setzt das Gebläse 35 die Luft oder ein anderes geeignetes Kühlgas innerhalb des Gehäuses 18 unter Druck, so daß die Luft durch die Zwischenpolräume 29 und duroh den Luftspalt 15 von einem Ende der Pole 27 zu dem anderen Ende strömt. Die Strömung erfolgt in Riohtung der in Fig. 1 dargestellten Pfeile. Die Luft tritt an dem Auslassende der Pole nächst den Schaufeln 36 und dem Kanal 33 aus und wird durch den Kühler 19 geleitet, wo die Wärme von der Kühlluft aus der Masohine entfernt wird. Von dem Kühler wird die Wärme wiederum dem Gebläse 35 zugeführt.

Wenn die Pole 27 mit einer hohen Umfangsgeschwindigkeit an den stationären Schaufeln 36 und an dem Kanal 33 vorbeirotieren, so hat die durch die Zwischenpolräume 29 geleitete Kühlluft eine hohe Rotationsgeschwindigkeitskomponente. Das bedeutet, daß die Kühlluft die Tendenz hat, innerhalb des rotierenden Rotors 14 selbst noch zu rotieren. Ohne die erwähnte Energieumwandlung in der Luftströmung ist die Energie für den beschriebenen Kühlprozess verloren.

Aus diesem Grunde enthält die Erfindung die -.''τογ kurz beschriebene Schaufelstruktur36. Die Sohaufeln sind schräg gestellt und in dem Kanal 33 angeordnet, so daß sie die Rotatlonskomponente der Luft in Druokenergie umwandeln können. Die Druokenergie wird dazu ausgenutzt, um die Luft der Einlassleitung 32 über den Durohgangsraum 20 wieder zuzuführen. Auf diese Weise werden dit Anforderungen an das Gebläse 35 hineiohtlioh des zu erzeugenden Druckes und der aufzubringenden Leistung erniedrigt, so

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daß das Gebläse entsprechend schwächer dimensioniert werden kann. Die Schaufeln sorgen dafür, daß die rotierende Luft gesammelt und wieder zurückgeleitet wird; außerdem führt das Vorhandensein zu einer Verminderung der Größe des Gebläses.

Tn der Maschine 10 kann der Stator 12 durch ein direktes Kühlflüssigkeitssystem gekühlt werden. Ein solches Kühl*- flüssigkeitssystem ist beispielsweise in der oben erwähnten U.S. -Patentschrift 3.¹10.827 beschrieben. In Pig. 1 stellen die nur sohemati sch angedeuteten Statorendanschlüsse 38 einen Teil eines solchen Flüssigkeitskühlsystems dar. Es kann statt dessen aber auch Luft oder ein anderes gasförmiges Kühlsystem zur Kühlung der Statorwicklung verwendet werden. Wenn die Statorwicklung 12 durch eine separate Kühlanordnung, beispielsweise durch das oben beschriebene Flüssigkeitskühlsystem gekühlt wird, ist es lediglich notwendig, genügend Luft durch die Zwischenpolräume zu leiten, um die von den Feldspulen 28 und durch die Eisenverluste in den Polen erzeugte Wärme zu entfernen. Diese Verluste betragen normalerweise 10 bis 20 $ der Gesamtverluste der Maschine. Es ist deshalb nur 20 "/> des normalen Volumens der Kühlluft erforderlich. Wenn diese 20 $ Volumen gerade durch Zwisohenpolräume mit normalen und durchschnittlichen Brθitenabmesθμngen geleitet werden, so beträgt die Axialgeschwindigkeit der Luft etwa 8 # der normalen Durchschnittsaxialgeschwindigkeit .

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ,jedoch der Querschnittsbereioh zwischen nebeneinanderliegenden Polen reduziert. Dementsprechend wird auch der gesamte Querschnittsbereich oder Zwischenraum 29 zwischen aneinandergrenzenden Polen vermindert. Diese Verminderung des zwischenpolaren Raumes führt zu einer Erhöhung der sich axial durch die Pole bewegenden Kühlluft auf einen Wert, der über 100 $ des Nor-

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malwertes ist, der für eine ausreichende Kühlung der Pole erforderlich ist. Diese Verminderung des Zwischenpolraumes wird gemäß der Ausführungsform in Pig. ?. dadurch erreicht, daß wechselweise Windungen der Wicklung 28 sich in den Zwischenpolraum ?.°i über die Kanten der Polendflansche hinaus erstreckt.

Die Zwischenpolräurae können auch dadurch in ihren Abmessungen reduziert werden, daß man die Polstücke 21 breiter gestaltet oder daß man in Maschinen mit relativ hohen Umfangsgeschwindigkeiten Spulenstützen 40 einführt, wie sie in Fig. 5 und 6 gezeigt sind. Die Spulenstützen sind an der Nabe 26 befestigt und lehnen sich an die Windungen der Wicklungen 28 an.

Wie man aus Pig. 6 ersehen kann, können die Stützen wechselweise entlang den Kanten der Spulen-Windungen in dem Zwischenpfclraum angeordnet werden. Die an den Stützen vorbeiströmende Luft, ist durch die Pfeile angedeutet. Bei Testversuchen, bei denen derartig wechselweise angeordnete Stützen verwendet wurden, wurde ein maximaler Luftdurchfluß mit einer adiquaten Luftturbulenz erreicht, welche zu einer guten Wärmeübertragung in den Zwischenpolriiumen führte.

Neben den oben beschriebenen Maßnahmen zur Verminderung der Luftreibungsverluste und zur Erhöhung des Wärmeübertragungs-Wirkungsgrades in dem Rotor 14» können mit der vorliegenden Erfindung die Luftreibungsverluste außerdem noch dadurch reduziert werden, daß die Zwischenpolraume 29 an dem Rotor gemäß den Fig. 3 bzw. 4 überbrückt werden.

Wenn der Rotor H rotiert und keine Mittel zur Trennung der Zwisohenpolräuroe 29 von dem Luftspalt 15 vorgesehen sind, so bilden sich durch die relative Geschwindigkeit der Pole

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BAD ORIGINAL

27 in Bezug auf die axial durch den Luftspalt strömende Luft Luftwirbel zwischen den Polen aus, welche einen beträchtlichen Wert der Energie in der Maschine verbrauben. Dieses Problem ist gelöst oder zumindestens wesentlich durch die Verwendung von Strukturen gemäß den Figuren 3 und 4 abgeschwächt.

In Fig. 3 ist eine isolierende oder nicht magnetische Zwischenwand 42 vorgesehen, welche eine flanschartige Erweiterung 43 im Bereich der Polspitzen aufweist. Die Zwischenwand 4? dient dazu, den Zwisohenpolraum 29 von dem Luftspalt 15 zu trennen. Die Zwischenwand ist in dem Zwischenpolraum angeordnet und an der Nabe 26 befestigt.

In Fig. 4 sind die Zwischenpolräume 29 von dem Luftspalt 15 durch ein breites Band aus nicht magnetischem Material 44 getrennt, welches um die Enden der Pole 27 gelegt ist und mit diesen in Kontakt steht. Bei Rotation des Rotors 14 verhindert das Band 44, daß die sich in den Zwischenpolräumen ausbildenden Luftwirbel in der oben beschriebenen Weise Energie verbrauchen. Der Flanschbereich 43 der Zwischenwand 42 in Fig. 3 erfüllt die gleiche Funktion. Außerdem dient die Zwischenwand 42 zur Reduzierung der Querschnittsfläche des Zwischenpolraumes, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in gleicher Weise erhöht wird, wie es im Zusammenhang mit den Ausführungsführungsformen gemäß den Figuren 2 und 5 beschrieben wurde.

Daduroh, daß man die Kühlluft in der oben beschriebenen Weise führt und trennt, können die Luftreibungsverluste in einer großen Masohine auf etwa ein Drittel des Wertes reduziert werden, der bei herkömmlichen Maschinen üblioh ist. Das wiederum führt zu einer Verminderung der Gesamtverluate der Maschine um 25 #.

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Bin anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt im Bereich der trägheitsarmen Maschinen, das sind Masohinen, deren Trägheit so niedrig ist, daß sie ein minimales Gewicht pro Leistungseinheit aufweisen. Das Leistungsvermögen des bisher beschriebenen Rotors 14 kann so weit erhöht werden, daß es an das eines wassergekühlten Stators angepasst istj diese Möglichkeiten bestehen insoweit, wie es die Trägheitsanforderungen zulassen, ohne daß der Rotor wassergekühlt werden muß. Eine Wasserkühlung des Rotors würde zu erhöhten Kosten und zu einer komplizierteren Verbindungsanordnung führen. Demnach kann gemäß der vorliegenden Erfindung das Leistungsvermögen eines luftgekühlten Rotors demjenigen eines wassergekühlten Rotors angenähert werden (dieser hat im wesentlichen die gleidi en Luftreibungsverluste) , wobei jedoch gleichzeitig der Vorteil zu beaohten ist, daß der luftgekühlte Rotor einfacher und ökonomischer aufgebaut ist. Außerdem ist die Wartung eines luftgekühlten Rotors weniger anspruchsvoll als die eines flüssigkeitsgekühlten Rotors.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die erfindungsgemäBt Gaskühlungsanordnung für Rotoren mit hervorstehenden Polen zu einer beträchtlichen Verminderung der Windreibungsverluetein der Maschine führt.

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Claims (11)

1. PATENTANSPRÜCHE

   1J Kühlgasführung bei elektrischen Maschinen mit bewickeltem Ständer und bewickelten, mit strömendem Gas, gegebenenfalls Luft, gekühlten ausgeprägten Läuferpolen, wobei die Ständerwicklung separat gekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas axial durch den Läufer (14) vom einen Ende desselben zum anderen hindurchgeführt ist.
2. 2. Kühlgasführung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Gasgeschwindigkeit der Läufer (14) mit Einrichtungen zur Begrenzung des Durehtrittsouerschnittes der axialen Strömung versehen ist.
3. 3. Kühlgasführung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Begrenzung des Strömungsquerschnittes aus Spulenstützen (40) bestehen, die am Läufer (14) befestigt und in den Pollücken (29) an die Feldwicklungen (28) anliegen.
4. 4. Kühlgasführung gemäß Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Spxilenstützen (40) benachbarter Pole (27) in Axialrichtung abwechselnd angebracht sind, um im Strömungsweg des-Gases eine für die Kühlung von Polen (27) und Wicklungen (28) geeignete Turbulenz zu erzeugen.
5. 5. Kühlgasführung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Begrenzung des Strömungsquerschnittes aus längs verlaufenden Trennwänden (42) in den Pollücken bestehen.

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6. 6. KUhlgasfUhrung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeiohnet durch eine die Pollücken (29) vom Luftspalt (15) trennende Abschirmung.
7. 7. Kühlgasführung gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Pollüoken (29) Uberbrüokende Mittel am Umfang des Läufers (14).
8. 8. Kühlgasführung gemäß den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzelohnet, daß die genannten Mittel an den Trennwänden (42) ausgebildet sind.
9. 9· Kühlgasführung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel von einem den Läufer (14) am Umfang entlang umschließenden Band (44) gebildet sind.
10. 10. Kühlgasführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende der Masohine (10), an dem die Luft vom Läufer (14) auetritt, ein Kranz von feststehenden Fahnen (36) angeordnet ist, die dafür angebracht und ausgebildet sind, die Rotationeenergie der Luft in Druokenergie in der austretenden Luft umsuwandeln, welche an die Ansaugseite des den Luftstrom erseugenden Gebläses (35) zurückgeleitet wird.
11. 11. Kühlgasführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9t daduroh gekennzeichnet, daß im Strömungeweg der vom Läufer (14) austretenden Luft sin flügelloser Diffusor angeordnet 1st, aus dem die Luft zur Ansaugseite des den Luftstrom erseugenden Gebläses (35) zurüokgeleitet wird.

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