DE2128142C3 - Geschlossene, gasgekühlte elektrische Maschine mit hoher Drehzahl mit einer Anordnung zur Einstellung des statischen Kühlgasdruckes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine geschlossene, gasgekühlte elektrische Maschine hoher Drehzahl mit einer Anordnung zur Einstellung des statischen Kühlgasdruckes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine derartige elektrische Maschine ist aus der DE-ASIO 11 506 bekannt.

Bei solchen Maschinen machen die Ventilations- und Luftreibungsverluste den größten Verlustanteil aus. Es ist bekannt, zur Kühlung elektrischer Maschinen ein Kühlgas zu verwendendes eine hohe Kühlwirkung und gleichzeitig einen niedrigen Ventilationsverlust hat, beispielsweise Wasserstoffgas. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, den Druck des Kühlgases so einzustellen, daß man dadurch ein kühltechnisches und ventilationstechnisches Optimum erreicht (ETZ-A, Bd. 86 [1965], Heft 11, Seiten 353 bis 360). Es ist aus der DE-AS 10 11506 bekannt, zu diesem Zweck den Kühlgasdruck bei Turbogeneratoren mittels eines unabhängigen Pumpenaggregats einzustellen. Dies hat jedoch zur Folge, daß bei einem Fehler in dem Pumpenaggregat die Maschine abgestellt oder die Belastung der Maschine wenigstens wesentlich reduziert werden muß. Diesen Nachteil hat man bis jetzt in Kauf genommen, da es als unmöglich erachtet wurde, den notwendigen Druck (2—5 atü) bei der gewöhnlichen Rotordrehzahl (100-1500 U/min) mittels einer Zentrifugalpumpe zu erreichen. Die Umfangsgeschwin digkeit war zu niedrig, und außerdem war dk Zentrifugalpumpe der einzig denkbare Pumpentyp wegen ihrer abntitzfreien Arbeitsweise. Der crziclbare Druck ist auf diese Weise auf ca. 0,005—0,03 aiü begrenzt

Aus der DE-OS 14 88 433 ist üs bekannt, den Rotor und den Stator der Maschine mittels einer im Luftspplt abgeordneten, zylindrischen Hülse voneinander zu trennen und die Hülse mit einem äußeren Kühlkreislauf zu versehen. Diese Lösung kommt hauptsächlich für relativ große Maschineneinheiten, beispielsweise größere Turbogeneratoren in Frage, bei denen der Aufwand für zusätzliche Ausrüstungen (Pumpen, Dichtungen, Regulierausrüstung usw.) im Verhältnis zur ganzen Maschine relativ niedrig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art auf

ti wenig aufwendige Weise die Ventilations- und Reibungsverluste zu vermindern und trotzdem eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

F i g. 1 zeigt in schematischer Weise eine Ausführungsform der Erfindung. Das Statorgehäuse 1 der Maschine ist ein hermetisch geschlossener Behälter, der nur an der Seite, wo der Wellenzapfen 2 sitzt. Verbindung mit der Umgebung 11 hat. Der Rotor 3 ist

jo mit zwei Lagerstellen 4 versehen. Um den einen Gasfluß durch das Radiallager 4 zu verhindern, ist dieses durch eine Bypassleitung 14 überbrückt. Die übrigen Teile der Maschine, wie Blechpakete. Wicklungen usw., sind nicht gezeigt, weil sie für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich sind.

An dem Ende des Statorgehäuses 1, wo der Wellenzapfen 2 sitzt, ist am Rotor 3 bzw. an der Welle eine rotierende Scheibe 7 angebracht. Die rotierende Scheibe 7 ist über einen axiaien Spalt 8 von einer stehenden Scheibe 9 getrennt, die an ihrer Außenkante hermetisch mit dem Statorgehäuse verbunden ist. An der Seite der rotierenden Scheibe 7, die gegen den Spalt 8 gerichtet ist, sind Nuten 10 vorgesehen, die jeweils Teile einer Spirale bilden. Derjenige Teil der Oberfläche der stationären Scheibe 9, der gegenüber den Nuten 10 auf der rotierenden Scheibe 7 liegt, ist glatt, so daß bei Rotation der Scheibe 7 eine Pumpenwirkung auftritt, die die Luft von der Umgebung 11 gegen das Innere der Maschine 12 pumpt.

Wenn die Nuien 10 auf der stationären Scheibe 9 anstatt auf der rotierenden Scheibe 7 angebracht wird, wird eine genau gleich große Pumpenwirkung erzielt.

Bei der Anwendung der Erfindung muß man auch einen anderen wichtigen Umstand berücksichtigen, nämlich den Axialdruck, der auf den Rotor einwirkt und auf den Druckunterschied zurückzuführen ist, der zwischen dem Inneren der Maschine 12 und der Umgebung U aufgebaut wird. Um dies zu kompensieren, muß gemäß der Erfindung ein Axiallager an bo demselben Wellenende angebracht werden, wo auch die rotierende Scheibe 7 und die feststehende Scheibe 9 angebracht sind.

Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn das Axiallager ein Spiralnutenlager ist, h^r> welches das Kühlgas als Schmiermittel benutzt und bei dem dessen Nuten 13 ebenfalls auf der rotierenden 7 oder stationären Scheibe 9 angebracht sind. Sowohl die Nuten 10 der Pumpe als auch die Nuten 13 des

Axiallagers können in einer Ebene liegen, wie dies die Fig. 1 und 2 verdeutlichen.

F i g. 3 zeigt die Druckverteilung auf der rotierenden Scheibe 7. Der Druck po der Umgebung wirkt auf eine Oberfläche entsprechend r\ ein. Das durch die Nuten 10 gebildete Pumpenmuster, das zwischen η und Γ2 angebracht ist, baut den Druck pi auf. Das durch die Nuten 13 gebildete Nutenmiister des Axiallagers, zwischen den Radien ri und Γ3 angebracht, arbeitet dem durch die Nuten 10 gebildeten Pumpenmuster entgegen, so daß der Druck an der Außenkante η der Scheibe auf pi reduziert ist Auf diese Weise wird der Arbeitsdruck im Inneren 12 der Maschine p\ sein. Die Drücke, die auf den Rotor 3 bzw. auf die Scheibe einwirken, geben eine resultierende Druckverteilung entsprechend Fi g. 3. Da die den schraffierten Flächen A und B entsprechenden Drücke mit ihren Wirkflächen gleich große Kräfte ergeben, ist das System in Gleichgewicht Die beiden Anordnungen der Nuten 10, 13 wirken zusammen sowohl als Pumpe als auch als Axiallager. Die Pumpwirkung stellt sich hauptsächlich in der Anlaufphase ein. Bei Nenndrehzahl hingegen Findet praktisch kein Gastransport mehr statt, die Wirkung der Anordnung ist im wesentlichen nur noch die eines Axiallagers.

Die Auslegung der Nuten läßt sich so treffen, daß der Spalt 8 praktisch konstant bleibt, d. h. der richtige Druck pi sich einstellt und keine Berührung zwischen den Scheiben auftritt.

Was den Druck pi anbelangt, soll dieser so eingestellt werden, daß er ein ventilationstechnisches Optimum gibt. Die Ventilationsverluste N bestehen aua zwei Komponenten. Die eine ist der Verlust, der auf die Wirkung des Rotors als Ventilator zurückgeführt werden kann und wie folgt ausgedrückt wird:

/V₁, = K_cx.

Die andere Komponente ist diejenige, die mit dem reinen Ober flächenwiderstand zu tun hat und wie folgt ausgedrückt wird:

/V₀ = ^fworin χ = pi/po, d.h. das Verhältnis des eingestellten Drucks pi zu dem atmosphärischem po und K_v bzw. K₀ Konstanten bedeuten. Der resultierende Verlust beträgt dann:

N = N₁.+ /V₀ =

Dieser mathematische Zusammenhang hat einen Minimalwert. Der Druck p_m der dem Minimalwert entspricht, hängt von dem gegenseitigen Verhältnis der zwei Verlustkomponenten ab. Bei den meisten Elektromaschinentypen ist p_m>po- Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, daß man Konstruktionen finden kann, wo Pm<Po ist. Auch in diesem Falle gilt das trfindungsgemäße Kühlsystem, nur die Arbeitsrichtung der Nuten 10,13 und auch des Axiallagers muß geändert werden. Die Erfindung gilt selbstverständlich auch in Verbindung mit anderen Kühlgasen als Luft.

Wenn die Maschine zwei Wellenenden hat, benötigt man entweder an beiden Wellenenden der Maschine ein Pumpensystem, das die gleiche Arbeitsrichtung im Verhältnis zu dem Inneren der Maschine hat, oder nur ein Pumpensystem an dem einen Wellenende und eine Dichtung zwischen dem Rotor und dem Statorgehäuse an dem anderen Wellenende.

Die rotierenden und stationären Scheiben können nicht nur ebene, sondern auch konische, sphärische oder andere rotationssymmetrische Arbeitsflächen aufwcisen.

Die Pumpenwirkung der Scheiben 7, 9 ist auf verhältnismäßig kleine Gasmengen pro Zeiteinheil begrenzt. Man muß deshalb damit rechnen, daß man auf diese Weise keine Kühlgaszirkulation erhalten kann, die groß genug ist, um sämtliche in Rotor 3 und dessen Umgebung auftretende Verlustwärme mitzunehmen. Es ist daher gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, eine bekannte, die Ventilationsverluste herabsetzende Hülse 5 mit einer glatten und rotationssymmetrischen inneren Oberfläche zwischen dem Rotor und dem Stator der Maschine mit einem gewissen Spiel zum Rotor anzuordnen, und mittels eines äußeren Kühlkreises 6 zu kühlen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Geschlossene, gasgekühlte elektrische Maschine hoher Drehzahl mit einer Anordnung zur Einstellung des statischen Kühlgasdruckes unabhängig vom Druck der Umgebung zur Verminderung der Ventilations- und Reibungsverluste des Rotors mittels einer Pumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe durch eine an dem Rotor (3) befestigte rotierende Scheibe (7) und eine an dem einen Ende des Maschinengehäuses befestigte stationäre Scheibe (9) gebildet ist, die einander durch einen engen radialen Spalt (8) getrennt gegenüberstehen und von denen jeweils mindestens eine der Scheiben an der der anderen Scheibe gegenüberliegenden Fläche Teile einer Spirale bildende erste Nuten (10) aufweist, daß im zentralen Bereich der stationären Scheibe (9) eine den Spalt mit der Umgebung (11) verbindende öffnung vorhanden ist, daß ein Axiallager an demselben Wellenende des Rotors (3), an dem auch die rotierende (7) und die unbewegliche Scheibe (9) angebracht sind, und ein vom Kühlgas unabhängiger zusätzlicher Kühlkreis (6) vorgesehen sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Axiallager ein durch das Kühlgas geschmiertes Spiralnutenlager ist und die rotierende (7) oder die stationäre Scheibe (9) mit zweiten Nuten (13) versehen ist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreis (6) ein äußerer Kühlkreis ist, der mit einer zwischen dem Rotor und dem Stator angeordneten, eine glatte rotationssymmetrische innere Oberfläche aufweisenden Hülse (5) verbunden ist.