DE2050032A1

DE2050032A1 - Einrichtung fur die Erhöhung der Intensität der Gaskühlung von Laufern elek frischer Maschinen mit Laufern hoher Um fangsgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE2050032A1
Application number: DE19702050032
Authority: DE
Inventors: Mihaly Dipl Ing Budapest M Wallenstem
Original assignee: Ganz Villamossagi Muevek
Current assignee: Ganz Villamossagi Muevek
Priority date: 1969-12-30
Filing date: 1970-10-12
Publication date: 1971-07-08
Also published as: FR2072124B1; US3665230A; GB1333234A; FR2072124A1; CA946453A; CS159876B1; BE761057A; CH518027A; SE389238B

Description

Patentanwälte

Dipl. Ing. WaItGi Meissner München, den 12. Oktober 197o

Pip!, ing. horbert Tischer
Eure München

München 2, Tal 71

Ganz Ylllamossägl Müvek Budapest/Ungarn

EINRICHTUNG FÜR DIE ERHÖHUNG DER INTENSITÄT DER GASKÜHLUNG YON LAUFERIf ELEKTRISCHER MlSCHIIEIi MIT LÄUFERN HOHER DM-FANGSGES CHWIBDIGKEII

Yoa Standpunkt der Erhöhung der apezlflachen Leistung insbesondere bei rotierenden elektrischen Maschinen hoher Leistung» unter diesen in erster Reihe bei Eurbogeneratoren, ist eine grundlegende Frage die intensive Kühlung des L*ufers, die Abführung der im Ufcufer entstehenden Yerlustwärme bei möglichst kleiner Temperaturerhöhung der Wicklung*

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HTelcherimmer Art die Läoferkühlung auch sein mag, z.B. Indirekte Kühlung bloß auf der Kantelflache des LÄufers, oder direkte Leiterkühlung, ist es wichtig» daß das in der Zeiteinheit mit der Kühlfläche in Berührung stehende Kühlmittelnienge, bzw. die Strömungsgeschwindigkeit derselben bezogen auf dl· Kühlfläche je größer seij erstere um die Erwärmung des Kühlmittels selbst» letztere um den Oberflächen-Wärmeaprung auf einem möglichst niedrigen Wert au halten.

Die Torliegende Erfindung befaßt sich mit solchen elektrischen Maschinentypen, bei welchen die im. Läufer (in den geraden Abschnitten der in das Eisen eingebetteten Flcklung biw. im aktiven Elsenkörper des Läufers, insbesondere in der Oberflächenzone desselben) entstehende Yerlustwärme durch den (zwischen den Elsenkörpern des Ständers und des Läufers befindlichen) Luftspalt strömenden gasförmigen Kühlmittel abgeführt wird. Hierher gehören z.B. die luftgekühlten rasohlaufenden Maschinen, aber auch die "gap pick up" System Turbogeneratoren mit (unter erhöhtem Druck) wasserst off gekühl ten Läufern.

Bei diesen elektrischen Maschinen, wo die Kühlung des Läufers, gleichgültig ale indirekte Oberflächenkühlung, oder als direkte Leiterkühlung, von der Mantelfläche des Läufers her mit Hilfe des durch den Luftspalt strömenden Kühlmittels erfolgt, haben vom Standpunkt der Intensität der Kühlung die im Luftspalt aufolge der Läuferdrehung zustand ekommend en aasatrömungsverhältnisse eine große Bedeutung,

Die Erscheinung 1st bekannt, daß der mit hoher Umfangsgeschwindigkeit rotierend· Läufer dl· mit ihm In Berührung stehend· Qasteilohen mltaureißen bestrebt 1st* Durch dl· «wischen den Qasteilohen bestehend· Reibung» besteht das Beetreben des den Luftspalt ausfüllenden Gases auch im Luftspalt - von der Läuferoberfläche entfernend in sich ermäßigendem Maß· - mit dem Läufer au mitrotieren» während die Innenoberfläche des Ständereisenkörpers das Um-

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laufen des Gases im Luftspalt zu bremsen bestrebt iat. Die Gasgeschwlndlgkeltsrerteilung, die in einem willkürlich, gewählten Querschnitt entlang des Luftspaltumfanges zufolge der Läuferdrehung sich ausbildet, zeigt die Fig. 1. Die Figur zeigt die Gasgeschwlndigkeitsverteilung vom Ständer (Y_si.) gesehen, als auch vom Läufer her (Y₁,] gesehen, wobei Y_k die Umfangsgeschwindigkeit des Ifiufers 1st. Auf der Figur 1st das bekannte Yerteilungsbild zu sehen, wo das Kühlgas zwischen der entlang der Ständer-, bzw. der Lauferoberfläche sich ausbildende und hierzu zum Anhaften bestrebten Grenzschichten, in dem mittleren, den größten Teil derselben ausmachenden Querschnitt, mit der halben Umfangsgeschwindigkeit des Läufers (T_fc/₂5 i^m Luftspalt in der Drehrichtüng des Läufers umläuft. Ein ähnliches Bild wird erhalten, wenn die Erscheinung von de» Läufer her, in Bezug auf den Läufer betrachtet wird; das im größten Teil des Luftspaltes dem Drehsinn des Läufers entsprechend umlaufende Kühlgas bleibt um die Hälfte der Läuferumfangsgeschwindigkeit gegenüber der Läuferoberfläche zurück.

Zweck der Erfindung 1st den Ausfall zwischen der Umfangsgeschwindigkeit des Läufers und dem Kühlgas, bzw. die relative Geschwindigkeit zwischen der Mantelfläche des Läufers und dem Gas je mehr zu steigern; die sich zum Rotor anhaftende Grenzschicht je stärker zu vermindern, dieso mindestens stellenweise aufzubrechen, und ihre Ausbildung zu stören.

Zufolge der erhöhten Relativgeschwindigkeit zwischen der Läuferoberfläche und des Kühlgases, sinkt der Oberfläche-Wärmeabfall bei den Indirekt (an der Oberfläche) gekühlten Läufern, während bei den "gap pick up" System Läufern wächst die die Gasströmung verursachende Wirkung der bei den Läufern dieses Systems den Grund der Wirkungsweise bildenden, auf der Läuferoberfläche ausgebildeten öffnungen für das Einlenken, bzw. Absaugen des die Wicklung direkt kühlenden Gases. Bei solchen Läufern hat die

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Erhöhung der strömenden Gasaenge eine doppelte Bedeutung: die Erwärmung des mit der Wicklung in unmittelbarer Berührung stehenden Gasen ermäßigt sich, und durch die entstehende größere Gasgeschwindigkeit ermäßigt sich auch der Wärmeabfall an den Kühlflächen der unmittelbar gekühlten Wicklungen.

Bei iurbogeneratorea. hoher Leistung und hoher Ausnutzung» wo ein beträchtlicher Teil der sogenannten zusätsllchen Verlusten auf der Oberfläche des Läufereisenkörpere entsteht» sind die Torteile der Anwendung der Erfindung sowohl in der intensiveren Kühlung der Läuferoberfläche, ala auch in den Torteilen der Erhöhung der Intensität der unmittelbaren Leitkühlung im ⁿgap pick up^M System auszunützen.

Die Erfindung erreicht die obengeschilderten Ziele dadurch» daß entlang einiger Erzeugenden der Bohrungsfläche des Ständerelsenkörpers» an einigen zweckmäßig ausgewählten Stellen des Umfanges, in den Luftspalt einragende ι in die Iahe der Läuferoberfläche reiahende Hippen (air gap dam) angewendet (Fig. 2). Diese Bippen können aus einigen Zähnen des Ständerelsenkörpers» aus den die einzelnen Hüten absperrenden Keilen, oder aus an de« Ständereisenkörper befestigten, andere Zwecke nicht dienenden hervorragenden Bestandteilen ausgebildet werden«

Eine mögliche Ausftihrungsform. der Erfindung zeigt Fig. 3t wo entlang der einzelnen Erzeugenden der Elsenköyperbohrung, durch entsprechend« Ausbildung der die Ständerspulen befestigenden lutenkelle, die das Wesen der Erfindung bildende, in den Luftspalt hereinragende und In die Hähe der Läaferoberfläche relohende Rippen entstehen. Diese bestehen aus Elementen entsprechend der üblichen Lange der Nutenkeile, sie greifen In ale Keilnuten ein, die für die lutenkelle auegebildet sind, aber eHütaen eich zum Zweckt der mechanischen Teretärkung und für Ale Yerhlnderung γοη Schwingungen, auch an Fläohen der ffachbarsähne ab.

Für die zweckmäßige Anordnung der erfindungagemäßen Qaslenkungerlppen dient der obere Teil der Ständer-

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bohrung* damit beim Einlegen des Läufers in den Ständer keine Beschädigung vorkomme,

Pig. 4 atigt die Lage des Läufers bei» Einlegen in den Ständer mit Hilfe des größten Läuferdurchmessers, des äußeren Durchmesser© (D^) der die Wickelköpfe niederhaltenden Bandagekappen. Zwischen diesem und der Umrlßlinle der Standerbohrung (B^) bildet sich 4er auch auf der Figur dargestellte Baum (alt ^_n Sioherheltespalte)» in welchem die erfindungsgemäßen Gaalenkungsrlppen angeordnet werden können.

Im Zusammenhang mit der Anwendung der Erfindung muß die Wirkung dieses Systems auf die Belüftmg der ganzen, !faschine» des Ständers und des Läufers in Betracht gesogen werden.« Keinesfalls ist es erwünscht, daß die Anwendung der erfindungsgemäßen Gaslenkungerippen die in der Maschine umlaufende Gasmenge erheblich vermindere. Mit der erfindungsgemäßen Ausführung können am vorteilhaftesten bei den. Läufern des Syatems ^wgap pick up¹*, sowie bei den hierzu gehörigen Ständer*» unter den üblicherweise angewendeten Belttftuagesyatemen dl· sogenannten (entlang der Länge_a bzw· de« Umfang«* absatzweise angeordneten) Belüftungssysteme kombiniert werden,

SIn entlang der Länge absatzweise angeordnetes System wird eohematiach in 71g« J? gezeigt« Bei diesem System iat sowohl der Ständereisenkörptr» ale auch der Läufereisenkörper entlang der Länge der Maschin· in Abschnitte aufgeteilt· Xn diesen Abschnitten strömt abwechselnd das kalte Kühlgas über dl· Lüitungskanäl· des Ständereisenkörpers gegen den Luftspalt and tritt hler in dl· öffnungen auf der Laufβrobβrflaehe ein, während in den benachbarten Abschnitten strömt das erwärm te Kühlgas aus dta Läufer In den Luftspalt und entweicht τοη da über dl· Lüftungskanäle des Stttnd«r«is«nk$B9«r*· Dies« Abschnitt· pflegt man bei einigen Systemen voneinander noch durch auf dm Ständer, bzw» auf Ajk Läufer ajm*ordm*t«n_f ringförmigen, aneinander mit einem

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Spalt anschmiegenden Scheiben abzutrennen, um den Druck der Hauptventilatoren für di« je intensiver· Belüftung des Läufers nutzbar »u machen, bzw» dl· Termengung des kalten und warmen Gases zu vermindern«

Bei diesen, entlang der Länge absatawelsen Belüftungesystemen sind die erflndungagemäßen Luftlenkungsrippen vorteilhaft zu verwenden, sowohl bloi bei dea Eintritt-, ale auch bloß bei den Auatrittabaohnitten, am zweckmäßigsten jedoch an beiden Stellen, da die Erhöhung der relativen Gasgeschwindigkeit auf der Lauferoberfläche 1st sowohl bei den ^ Eintritts-* als auch bei den Austrittetiffnungen des «gap pick up¹» Systems vorteilhaft.

Sie erfindungegeaäßen axialen Bippen sind auch mit den bekannten ringförmigen Bippen zusaamemusetsen,

im vorteilhaftesten kann die vorliegende Erfindung bei dem Entlang des Umfanges absatzweisen (sogenannten tangential en) Belüftungssystem angewendet werden (flg. 6)· Hier 1st der Läufer nioht In Abschnitte aufgeteilt, sondern folgen siqh die Eintritts-' und Austritteöffnungen des "gap pick up« Systems auf der Lauferoberfläch· einander abwechselnd« Das kalte Kühlgas strömt über dl« Luftkanäle der entlang des Umfanges des Sändereisenkörpere ausgebildeten Eintrlttsabschnit- ^ te in den Luftspalt, etrömt la Luftspalt in Umfangerichtung " (und nicht in axialer Richtung!} weiter und entweicht dem Luftspalt über den anderen, dl· Austrlttsabechnltte des Ständereisens bildenden feil.

Sin großer Torteil dieses Belüftungssysteme iat_t daß in der Maschine - so auoh im Luftspalt - «in· sehr große Gaemeng· im Umlauf gehalten werden kann» Tom Standpunkt« das Läufers 1st ein anderer großer Torteil_t daß ein Teil d«s in den Luftspalt eingedrückten da··· - insbesondere bei der zweckmäßigen Anordnung der erfindungegemäßen Rippen - xu der Strömung entgegen der Drehrichtung des Läufers gezwungen werden kann. Dadurch, kann di· von diät Standpunkt der Kühlung d«a Läufers maßgebende relativ· Qeaohwindigkeit lwlechfn d«m Qm und der Lauferflach· noch weiter gesteigert werden»

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Claims

1» Rotlerende elektrische Maschine (insbesondere Turbogenerator) mit einem Läufer hoher Geschwindigkeit» deren Läufer durch gasförmigen in dem ihn umgebenden* bis zu der Ständerbohrungsfläche reichenden Raum, dem sogenannten Luftspalt im Umlauf gehaltenen Mittel, gleichwohl ob mittelbar auf der Läuferoberfläche, oder über die auf der Läuferoberfläche ausgebildeten öffnungen, aus diesem Raum in das Innere des Läufers führenden, und auch. In den zu kühlenden stromführenden Teilen fortsetzenden Kanälen strömenden aas durch. Wärmeübergäbe auf diesen inneren Kühlflächen gekühlt wird» * dadurch gekennaelch.net , daß die Bohrung des Ständerelsenkörpers an einigen ihrer Oberfläche, entlang Ihres Umfanges zweckmäßig ausgewählten Stellen, entlang der Erzeugenden, mit parallel zur Maschinenachse, d.h.. längsgerichteten, in die Nähe der Lauferoberfläche ragenden Rippen versehen ist.

2_e Die von dem Ständerelsenkörper in die Hähe der Läuferoberfläche ragenden Rippen nach. Anspruch. 1» dadurch. gekennzeichnet , daß die Rippen aus dem eigenen Material einzelner Zähne des Ständerelsenkörpers» oder aus anderem — nichtmagnetischem - Material als Verlängerungen derselben vorstehen.

3. Die von dem Ständereisenkörper in die Hähe der ( Läuferoberfläche ragenden Hippen nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet , daß die Rippen durch die Yerlängerung und enteprechende Ausbildung der die Ständerwicklung niederhaltenden, sogenannten !Tutenabschlußkelle entstehen«

4· BIe von dem Ständerelsenkörper in die Sähe der Läuferoberfläche ragen*en Hippen nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet , daß die Hippen an dem Ständereisenkörper befestigte, aus nichtmagnetischem Material bestehende Elemente sind.

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