DE2104665A1

DE2104665A1 - Schneilaufender Wechselstromgene rator

Info

Publication number: DE2104665A1
Application number: DE19712104665
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-02-11
Filing date: 1971-02-02
Publication date: 1971-08-19
Also published as: NO122708B; GB1316698A; US3663848A

Description

Kalman Nagy Lehoczky,

Bröholt Terasse 10, 3^24 Hyggen/Norwegen.

DIPL-ING. HARRY ROEVER

PATENTANWALT MANNHEIM-FEUDENHEIM AMBOGEN23 . TEL0621/7? 1124 ₀Q₀

Schneilaufender Wechselstromgenerator. oOo

Die vorliegende Erfindung betrifft Schnellaufende Wechselstromgeneratoren, insbesondere gasturbinenbetriebene Wechselstromgeneratoren. Gasturbinenbetrieb elektrischer Generatoren und Dynamos erfolgt heute in der Weise, dass die hohe Umdrehungszahl, 20.000 - 50.000 Umdrehungen pro Minute, der Gasturbine mit Hilfe eines Zahnradgetriebes auf ca. I.500 - 3·6θΟ Umdrehungen reduziert wird, was der Betriebsumdrehungszahl des angeschlossenen konventionellen Generators sowie einer Frequenz von 50 - 60 Hz entspricht. Diese Betriebsform besitzt mehrere Nachteile. Er- J stens wird der Friktionsverlust des Zahnradgetriebes den Totalwirkungsgrad des Systems herabsetzen. Zweitens repräsentieren das Zahnradgetriebe sowie der verhältnismässig langsamlaufende elektrische Generator ein bedeutendes Gewicht und eine bedeutende Bemessung und bedingen einen Preiszuschlag.

Die Erfindung bezweckt, eine Generatorkonstruktion.zu schaffen, die eine direkte Kopplung von Gasturbine und Generator , und Reduktion der Bemessungen und des Preises des Generators er-

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moglicht.

In erster Linie sind in diesem Zusammenhang zwei Probleme zu lösen. Das eine bilden die mechanischen Probleme, die von der hohen Umdrehungszahl herrühren, das andere ist die Kühlung.

Die hohe Umdrehungszahl ruft grosse Zentrifugalkräfte hervor, und dies bedeutet, dass der Rotordurchmesser reduziert werden muss. Hierzu kommt, dass die Rotorwicklung und ihre Isolation ein verhältnismässig sehr elastisches Element sind, welches unter Beeinflussung von Zentrifugalkraft und Wärmeausdehnungen zu grossen Verschiebungen des dynamischen Gleichgewichts des Rotors führen kann. Die eigentliche Verankerung der Wicklung kann auch grosse Probleme mit sich führen. Die engen Verhältnisse werden ausserdem kühltechnische Probleme zur Folge haben. Als eine Konklusion des Vorher stehenden geht man daher erfindungsgemäss von Generatortypen aus, die keine Rotorwicklung besitzen. Derartige Generatoren sind als homo- oder heteropolare Zwischenfrequenz-Generatoren bekannt und benutzt. Diese Generatoren haben ihre Magnetisierungswicklung im Stator, während die magnetischen Pole des Rotors von Ausnehmungen in dem Rotorkorper gebildet werden, der auf diese Art Zonen mit variierendem magnetischem Widerstand an der Oberfläche entlang erhalten wird. Dadurch, für Magnetisierungsspulen im Stator einzugehen, vermeidet man die mit Stromversorgung der rotierenden Magnetspulen, Schleppringen, rotierenden Gleichrichtern usw. verbundenen Probleme. Vieles lässt darauf hindeuten, dass die homopolare Ausführung mit einer ringförmigen Magnetisierungsspule, die den Rotor umgibt, vorzuziehen ist, da diese im Gegensatz zu der heteropolaren Ausführung ohne lamellierten Rotor ausgebildet werden kann. Lamellierung des Rotors

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ist nämlich ein grosser Nachteil mit Rücksicht auf mechanische Stärke und Stabilität.

Um die Verluste zu reduzieren, muss man versuchen, mit der niedrigst möglichen Frequenz zu arbeiten, und man muss daher auf Verwendung weniger Pole abzielen. Die homopolare Ausführung, die sich durch ihre grossere mechanische Stärke auszeichnet, besitzt jedoch einen anderen Nachteil, da die maximale axiale Länge des Eisenfelds beschränkt ist. Der totale magnetische Fluss muss nämlich axial durch den engen Rotorquerschnitt gepresst werden. Bei einer gegebenen Umdrehungszahl werden in dieser Weise sowohl der Rotordurchmesser als auch die Länge der Einheit und dadurch a auch die maximale Einheitsleistung beschränkt. Um dieses Problem zu vermeiden, kann man zwei oder mehrere Einheiten hintereinander mit gemeinsamer, durchgehender Welle und/oder Rotor und mit gemeinsamer durchgehender Statorwicklung benutzen, während zwei oder mehrere Magnetisierungsspulen benutzt werden, so dass der magnetische Fluss, der den Rotorquerschnitt axial passiert, begrenzt wird.

Bereits bei mir aus einer Einheit bestehenden Generatoren kann man grosse Probleme mit der mechansichen Stabilität des Rotors erwarten« Die Stabilität ist direkt von dem Durchmesser " der Welle bzw. des Rotors und dem Abstand zwischen den Lagern abhängig. Man kann nicht erwarten, dass solche langen zigaijenf ormigen Rotoren, wie sie hier in Frage stehen, unter der ersten kritischen Umdrehungszahl des Systems arbeiten können. Andererseits hat man einen verhältnismässig kleinen Spalt zwischen Rotor und Stator, und daher können keine grossen Ausschwenkungen akzeptiert werden. Um dieser Situation zu begegnen, wird der erf indungsgemässe Generator so ausgebildet« dass an dem Rotor entlang eine

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oder mehrere Lagerungssteilen gebildet werden, wobei der Lagergang dadurch gebildet wird, dass die respektiven Teile des Stators, das Statorblech und/oder die Wicklung mit einer nicht-magnetischen und/oder elektrisch isolierenden Fütterung ausgerüstet sind, die an dem Statorblech und/oder anderen starren Konstruktionselementen fest verankert ist, und wobei das Schmiermittel das Gas oder die Flüssigkeit ist, die sich in dem Zwischenraum zwischen Rotor und Stator befindet.

Was die kühltechnischen Verhältnisse betrifft, muss man in Betracht ziehen, dass die Generatoren in einem Frequenzbereich von 200 - 800 Hz arbeiten werden, und entsprechend wird der Anteil der Eisenverluste sowie der Zusatzverluste in der Statorwicklung auf einem verhältnismässig hohen Niveau liegen. Hinzu kommt eine kompakte Konstruktion mit hoher »agietischer und elektrischer Ausnutzung.

Um die bestmögliche Ausnutzung der Maschine zu gewährleisten, soll erfindungsgemäss Verdampfungskühlung benutzt werden. Verdampfungskühlsyst.eme arbeiten entweder mit ganz geschlossenen Kanälen, wie ein gewöhnliches Flüssigkeitskühlsystem, oder mit freier Zirkulation in dem Innern der Maschine. Mit Rücksicht auf die Grossenordnung und die Konstruktion der Maschine ist es das letztgenannte System, das besonderes Interesse besitzt. Bei Verdampfungskühlung ist es von Bedeutung, dass das statische Druckniveau auf einen Wert eingestellt werden kann, der dem gewünschten Kochpunkt entspricht. Deshalb kann es erforderlich sein, dass der Verdampfungskühlkreis von dem Gasraum (der Luft), der den Rotor umgibt, getrennt gehalten wird. Der Generator ist daher erfindungsgemäss so ausgebildet, dass die Fütterung, die den Lagergang bildet, in der Länge der Maschine verlängert und

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gasdicht an das Statorgehäuse und/oder die Lagerschilder angekoppelt ist, so dass der Druck um den Rotor herum von dem inneren Druckniveau des Statorgehäuses unbeeinflusst ist, und das Statorgehäuse ist auch der Umgebung des Generators gegenüber gasdicht versiegelt.

Erfindungsgemäss ist dergestalt ein schneilaufender Wechselstromgenerator des Gleichpoltyps und mit Magnet!sierungswicklung in dem Stator, insbesondere gas- oder dampfturbinenbetriebener Generator, derjenigen Art geschaffen, wobei zwei oder mehr Poleinheiten derselben Polarität hintereinander auf einer gemeinsamen, durchgehenden Welle und/oder Rotor vorgesehen sind und wobei die Poleinheiten eine gemeinsame durchgehende Statorwicklung besitzen können, und es werden zwei oder mehr Magnetisierungsspulen benutzt, und das, was den erfindungsgemässen Wechselstromgenerator kennzeichnet, ist die Kombination der teilweise an sich bekannten Merkmale: dass an dem Rotor entlang eine oder mehrere Lagerungsstellen gebildet sind, dass der Lagergang dadurch gebildet wird, dass die respektiven Teile des Stators, das Statorblech und/oder die Wicklung, mit einer nicht-magnetischen und/oder elektrisch isolierenden Fütterung versehen sind, die In J dem Statorblech und/oder anderen starren Kkii y£«0t verankert,:ist, daSi$--4Ä#^::Scte«i||^ Gas oder die Flüssigkeit ist, die sich in dem Zwischenraum zwischen Rotor und Stator befindet, dass Verdampfungskühlung benutzt wird, und dass der Verdampfungskühlkreis von dem den Rotor umgebenden Gasraum dadurch getrennt gehalten wird, daasdie den Lagergang bildende Fütterung in der Länge der Maschine verlängert ist und gasdicht an das Statorgehäuse und/oder die Lagerschilder gekoppelt ist, so dass der Druck um den Rotor herum von dem

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inneren Druckniveau des Statorgehäuses unbeeinflusst ist und das Statorgehäuse auch gegen die Umgebung des Generators gasdicht versiegelt ist.

Bei einer homopolaren Haschine sind die Pole im Verhältnis zueinander in der Axialrichtung verschoben. Dies bedeutet, dass die Nordpole und die Südpole in zwei verschiedenen Ebenen liegen. Bei einer zwei-poligen Maschine würde dies dazu führen, dass die ausgeprägten Pole um ca. l8O° voneinander gedreht und in einem mittleren Abstand, der etwas über eine Pollänge entspricht, liegen. Dies bedeutet ein vollständiges statisches Gleichgewicht, jedoch gleichzeitig ein enormes dynamisches Ungleichgewicht. Dies kann dadurch kompensiert werden, entsprechende Balanciergewichte oder Aussparungen auf dem Rotorkorper anzubringen. Dies ist jedoch nicht beständig möglich, entweder wegen Platzmangels oder aus dem Grunde, dass die Aussparung oder die Befestigung des Balancegewiehts eine mechanische Schwäche repräsentiert, die eine Quelle für Ermüdungsbrüche sein kann. Erfindungsgemäss ist der Wechselstromgenerator in zwei-poliger Ausführung vorteilhafterweise als Zwillingseinheit aufgebaut, z.B. wenn die Nordpole in gegenseitiger Fortsetzung liegen, während die Südpole in den beiden Einheiten auäusserst und vm l80° im Verhältnis sum Nordpol gedreht liegen.

. , / Ea %»% vorteilhaft, den Ve0he#2,Ä*f#^ei*i«H|^ bilden, dass er Axialkühlung besitzt, wobei das Kühlmittel in axialen Kanälen durch das Statorblech und/oder in der Statornut und/oder in den Kanälen der Wicklung zirkuliert. Um dies zu gewährleisten, kann man Locher und Aussparungen in dem Statorblech ausstanzen« Diese Locher können gegebenenfalls mit Rohren oder Belägen gefüttert werden, wenn das Kühlmittel Flüssigkeitsform

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besitzt. Was die Nuten für die Statorwicklung betrifft, kann die Wicklung so ausgebildet werden, dass die Wicklung die Nuten nicht vollständig füllt. Beispielsweise kann am Boden der Nut ein Raum für Kühlmittel reserviert sein. Dieser Raum kann mittels eines Rohrs, das an der Nut entlangläuft, abgegrenzt sein. Die Rohre und der Belag, die in der ausgestanzten Nut in dem Statorblech oder in der Nut placiert werden können, sollen das Statorblech nicht kurzschliessen, und deshalb müssen sie isoliert sein. Die Querschnittsform des Kanals und des Rohrs kann rund, viereckig oder anderer Form sein. Die Bildung von Kanälen in der Statorwicklung kann dadurch vorgenommen werden, dass man ein oder mehrere kleine Rohre zwischen den Teilleitern der Statorwicklung einsetzt.

Man erstrebt ferner, dass die Temperaturverteilung gleichmässig und symmetrisch sein soll. Dies ist sehr wichtig, damit man keine ungleichmässigen Temperaturausdehnungen und Wanderung von Konstruktionselementen erhält. Um dies zu gewährleisten, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass Kühlmittel symmetrisch im Verhältnis zu den Statorblechpaketpaaren zuzuführen. Beispielsweise kann das Kühlmittel an der Magnetisierungsspule zugeführt werden, und von dort aus kann das Kühlmittel in entgegen- | gesetzten Richtungen durch die Statorblechpakete fortsetzen, und die Ausströmung kann an beiden Enden der Maschinen stattfinden. Es ist auch möglich, das Entgegengesetzte zu tun, wenn sich die Kühlmittelzufuhr an beiden Enden und der Austrag in der Mitte befindet. In Zwillingsmaschinen.oder wenn sich mehrere Maschinen auf demselben Wellenstrang befinden, kann man es vorteilhaft erweise so arrangieren, dass der Raum an der Magnetisierungsspule eine gemeinsame Zufuhr- oder Ableitstelle für beide anstossenderi

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Einheiten ist. ®

Die Lagerkühlung kann auch einen Teil des Kühlmittelkreises bilden. Dies ist nahezu eine Selbstverständlichkeit, was den Lagergang/die Lagergänge mitten in der Maschine, beispielsweise an der Magnetisierungsspule, betrifft. Das Kühlmittel wird dann die Hülse (die den Lagergang bildet) von aussen kühlen.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die zwei Ausführungsbeispiele zeigen, näher erklärt.

Auf den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen halben Längsschnitt durch einen verdampfungsgekühlten, homopolaren vier-poligen erfindungsgemässen Generator. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Nordpole des Rotors, und Fig. 3 zeigt einen Ganzschnitt durch die Maschine in dem Südpolbereich. Fig. 4 zeigt einen halben Längsschnitt durch einen verdampfungsgekühlten, homopolaren zwei-poligen.erfindungsgemässen Zwillingsgenerator, wobei die Rotorquerschnitte in mehreren kennzeichnenden Schnitten gezeigt sind.

In dem Halbschnitt in Fig. 1 ist der Rotor mit 3 bezeichnet. Die Pole des Rotors sind mit 1 (N und S) bezeichnet. Der Rotor ist mittels Luftlager 2 in dem Statorgehäuse 9 mit dazugehörigen Lagerschildern 12 und I3 aufgelagert. Das Lagerschild 12 ist das Lagerschild, das der nicht gezeigten Gasturbine, die den Rotor 3 direkt betreibt, zugekehrt ist. Der zentrale Lagergang wird von einer Fütterung 4 gebildet, die sich über die gesamte Länge des Statorgehäuses erstreckt und gasdicht an die Lagerschilder 12, 13 gekoppelt ist.

In dem Statorgehäuse 9 sind die Statorwicklung 7 sowie die Magnetisierungsspulen 8 rorgesehen. Die Statorblechpakete sind mit 5 bezeichnet, und die Kühlkanäle in dem Statorblech sind

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mit 6 bezeichnet. 10 sind Pressplatten für das Statorblech.

Der Wechselstromgenerator besitzt Verdampfungskühlung, und für diesen Zweck ist in das Lagerschild I3 ein Kondensator I9 eingebaut. Der Rotor 3 ist an dem einen Ende mit einem Ventilator l6 versehen, und von diesem Ventilator führt ein Luftkanal I7 zu dem Kondensator. Der Kondensator I9 ist mit einem Luftaustrag l8 versehen, und ferner ist ein Durchgang 20 für Kühlmitteldampf von dem Statorgehäuse 9 ^unc* ^zu dem Kondensator vorgesehen. Ferner ist eine Leitung 21 vorgesehen, durch welche kondensiertes Kühlmittel von.dem Kondensator zum Statorgehäuse gehen kann. ' Fig. 4. z^p-gt einen Längsschnitt durch eine etwas andere

Ausführung, jedoch ist der wesentliche Unterschied allein die Zwillingsausführung des Rotors 3, und es sind in Fig. 4 daher dieselben Bezugszahlen wie in Fig. 1, 2 und 3 benutzt worden, jedoch mit Hinzufügung eines Indexzeichens. Im übrigen dürfte der Aufbau der Maschine in Fig. 4 deutlich aus der Zeichnung und aus der bereits gegebenen Beschreibung der Maschine in Fig. 1 hervorgehen.

Die Statorwicklung der Generatoren ist eine ein- oder mehrjfasige Wechselstromwicklung. Derartige Wicklungen sind aus vielen kleineren Teilleitern aufgebaut, die nach und nach ihren f Platz in der Nut wechseln, so dass ungleichmässige Stromverteilung »wischen den Teilleitern verhindert wird· -"·.,-,

Der Ström von den Generatoren liegt gewohnlich in dem Frequenzbereich 100 - 1.000 Hz. Der Strom kann entweder direkt von Wechselstromverbrauchern wie Motoren, wärmetechnischen Geräten usw. benutzt werden oder gleichgerichtet werden. Bei Betrieb, durch Gleichrichter wird der Generator eine Kennlinie erhalten, die sehr einer konventionellen Gleichstromkommutatormaschine gleicht. Man kann eine sehr stabile Spannungskennlinie gewähr-

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leisten mittels Compoundierung oder mittels Anwendung von Kondensator in den Phasenanzapfungen. Die Gleichrichtervorrichtung wird bei Fraktionsverwendungen besonders aktuell, da der Gleichstrom dem Motor oder den Motoren, die die Räder antreiben, zugeführt werden kann. Eine Kombination einer Gasturbine und des er- »

findungsgemässen Generators ist leichter und bemessungsmässig kleiner als ein entsprechendes dieselelektrisches Aggregat. Hinzu kommt, dass das Abgas bei einer Gasturbine reiner als bei einem gewöhnlichen Dieselmotor ist.

Die Zirkulation des Kühlgases (der Luft) durch den Kondensator der Verdampfungskühlung und durch die Maschine kann gegebenenfalls mittels fremder Gebläse besorgt werden· In dem Ausführungsbeispiel wird ein Gebläse oder ein Ventilator, montiert auf oder gebildet von dem Rotor des Generators, benutzt. Selbst wenn der Durchmesser des Ventilators von den grossen Zentrifugalbeanspruchungen bei einer derartigen Ausführung sehr beschränkt ist, erhält man dennoch einen sehr hohen Druck: einige tausend Millimeter Wassersäule, dank der grossen Umdrehungszahl. Dies ermöglicht es, mit sehr engem Stromungsquerschnitt, grossen Geschwindigkeiten und mit sehr günstigen WärmeÜbergangszahlen arbeiten zu können,.

Die von dem Rotorkörper kommenden Tentilationsverluste ,kSnn·« dadurch reduziert werden, dass die *tt*e«ret«n Lugeru«««*, die das Innere der Maschine gegen die Umgebung abgrenzen, ganz oder teilweise als Spiralnut lager ausgebildet werden, und das Spiralnutmuster kann so ausgeführt werden, dass es eine resultierende Pumpenwirkung gibt, die das Gas (die Luft) von der Umgebung des Rotors saugt, und dadurch wird der statische Druck reduziert. Der reduzierte statische Druck führt mit sich, dass das spezi-

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fischig: Gewicht des Gases (der Luft) reduziert wird, wodurch euch eine r¥erlustreduktion erzielt wird«

Andere Mitte/L zur Reduktion der Ventilationsverluste können sein» dass die Zwischenräume zwischen den ausgeprägten Polen mit einem nicht magnetischen Material ausgefüllt w;erdÄS, so dass die zylindrische Form des Rotors über die gesamte Länge beibehalten wird.

Die Magnetisierungswicklung/-wicklungen des Generators können aus Hohlleitern mit inwendiger Kühlmittelzirkulation hergestellt werden oder können aus Mediumzirkulation in den Zwischenräumen bestehen. Ebenfalls ist es möglich, Kühlleitungen und Kühlkörper gegenseitig zwischen die Teilspulen oder zwischen die Spule und das Statorblechpaket zu legen. In diesem Fall kann/ können der Kühlkanal/die Kühlkanäle und die Spule/Spulen die axiale Vorspannung, die sich in den Blechpaketen befindet, übertragen.

Dort, wo besondere Ansprüche an die Regelgeschwindigkeit gestellt werden, kann man einen Teil des magnetisierten Bereichs oder den ganzen magnetisierten Bereich des Statorgehäuses durch eine lameliierte oder eine Stahldraht-Bündel-Konstruktion ersetzen. Bei einer Konstruktion wie dieser ist die mechanische Stärke dann dadurch zu wahren, das versteifende Hülse, Rippen und | Schweisszonen um die Lamellierung oder das Stahldrahtbündel herum benutzt werden. In vielen Fällen wird das Statorgehäuse dann als eine äussere mechanische Bekleidung der aktiven magnetischen Komponenten wirken.

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Claims

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Patentansprüche
lJ Schneilaufender Wechselstromgenerator des Gleichpoltyps und mit Magnetisierungswicklung im Stator, insbesondere gas- oder dampfturbinenbetriebener Generator, .derjenigen Art, wobei zwei oder mehr Poleinheiten derselben Polarität hintereinander auf einer gemeinsamen, durchgehenden Welle und/oder Rotor vorgesehen sind und wobei die Poleinheiten eine gemeinsame durchgehende Statorwicklung besitzen können und zwei oder mehr Magnetisierspulen benutzt werden, gekennzeichnet durch die Kombination der teilweise an sich bekannten Merkmale: dass an dem Rotor entlang eine oder mehr Lagerungsstellen gebildet sind, dass der Lagergang dadurch gebildet wird, dass die respektiven Teile des Stators, das Statorblech und/oder die Wicklung, mit einer nicht-magnetischen und/oder elektrisch isolierenden Fütterung versehen sind, die in dem Statorblech und/oder anderen starren Konstruktionselementen fest verankert ist, dass das Schmiermittel in dem Lagergang ein Gas oder eine Flüssigkeit ist, die sich in dem Zwischenraum zwischen Rotor und Stator befindet, dass Verdampfungskühlung benutzt wird, und dass der Verdampfungskühlkreis von dem den Rotor umgebende/Gasraum dadurch getrennt gehalten wird, dass die den Lagergang bildende Fütterung in der Länge der Maschine verlängert ist und gasdicht an das Statorgehäuse und/oder die Lagerschilder gekoppelt ist, so dass der Druck um den Rotor herum von dem inneren Druckniveau des Statorgehäuses unbeeinflusst ist, und dass das Statorgehäuse auch gegen die Umgebung des Generators gasdicht versiegelt ist.
2« Wechselstromgenerator nach Anspruch 1 am*· in zwei-poliger
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Ausführung, dadurch gekennzeichnet, dass er als Zwillingeinheit aufgebaut ist, wobei beispielsweise die Nordpole in gegenseitiger Fortsetzung liegen, während die Siidpole der beiden Einheiten zuäusserst und um l80° im Verhältnis zum Nordpol gedreht liegen.
3· Wechselstromgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator für Axialldählung ausgelegt ist, wobei das Kühlmittel in axialen Kanälen durch das Statorblech und/oder in Statornuten und/oder in den Kanälen der Wicklung zirkuliert.
4· Wechselstromgenerator nach einem der vorhergehenden Anr sprüche, dadurch^gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Kühlmittels symmetrisch im Verhältnis zu den Statorblechpaketpaaren vorgesehen ist.
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