DE2158456A1

DE2158456A1 - Einrichtung zur kuehlung eines elektrischen generators

Info

Publication number: DE2158456A1
Application number: DE2158456A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Jampen; Tadeusz Dipl Ing Zaba
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1971-11-08
Filing date: 1971-11-25
Publication date: 1973-05-17
Also published as: CH541890A; FR2159303B1; US3816751A; JPS4858305A; GB1415867A; FR2159303A1; SE391263B

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Einrichtung zur Kühlung eines elektrischen Generators

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung eines elektrischen Generators, der von einer Gasturbinengruppe■, die mindestens einen Verdichter aufweist, angetrieben und von Kühlgas durchströmt wird. ,

Es ist bekannt, elektrische Generatoren mit Luft zu kühlen, deren Druck gerade nur soviel über jenem der Umgebung liegt, um die Reibungsverluste am Strömungsweg überwinden zu können. Für diesen Zweck dient im allgemeinen ein in den Generator eingebauter Ventilator. Uebersteigt die Generatorleistung einen bestimmten Grenzwert, so müsste der Druck und dadurch die Dichte der Kühlluft im Generator gesteigert werden, um die notwendige Kühlleistung zu erzielen. Dadurch steigen aber die Ventilationsverluste im Generator wesentlich an, so dass bisher

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noch keine Generatorkühlung mit unter Druck stehender Luft ausgeführt wurde.

Es wird daher vielfach Wasserstoff als Kühlgas verwendet, der unter einem Ueberdruck bis zu mehreren Atmosphären steht. Er hat eine ähnliche Kühlwirkung wie die Luft, doch sind wegen seiner geringen Dichte die Ventilationsverluste weitaus kleiner. Eine Wasserstoffanlage bedeutet jedoch beträchtliche Baukosten, sie bedarf eines ständigen Unterhaltes und einer Kontrolle durch Bedienungspersonal. Hinzu kommt ferner ein erheblicher Aufwand für die Abdichtung des Generators sowie aller Leitungen und Armaturen wegen der Explosionsgefahr bei Mischung dieses Kühlgases mit der Luft. Bei Stillstand des Generators ist zudem die Wasserstoffleckage zu decken und die Oelpumpen für die Wellendichtungen, müssen in Betrieb bleiben. Um minimale Ventilations- und StrömungsVerluste zu erreichen, sollte der Gasdruck bei reduzierter Leistung gesenkt werden, was aber wegen des Wasserstoffverlustes beim Ablassen des Gases umständlich und teuer wird. Diese Nachteile sind schwerwiegend bei. Anlagen, welche nur kurzzeitig zur Spitzenlastdeckung eingesetzt werden. Diese Anlagen werden oft fernbedient, weshalb eine einfache Bauart erwünscht ist.

Bei Verwendung von Helium sind die Nachteile und der bauliche

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Aufwand ähnlich, es hat aber gegenüber dem Wasserstoff den Vorteil, dass es nicht brennbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen von einer Gasturbine getriebenen Generator auf möglichst einfache Weise und ohne besonderen baulichen Aufwand ausreichend zu kühlen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das vom Verdichter der Gasturbinengruppe geförderte Arbeitsmittel als Kühlgas des Generators verwendet wird, das unter Ueberdruck steht, welcher vom Verdichter hergestellt und aufrechterhalten wird. .

Dem Verdichter der Gasturbinengruppe fällt erfindungsgemäss die zusätzliche Aufgabe zu, das Kühlgas des elektrischen Generators auf den für eine wirksame Kühlung vorgesehenenDruck zu bringen. Das ist vor allem beim Anfahren der Anlage notwendig, weil üblicherweise während des Stillstandes das Kühlgas drucklos ist. Da der Druck im Verdichter u.a. von der Drehzahl abhängig ist, erstreckt sich die Druckaufladung des Generators beim Anfahren über eine gewisse Zeitspanne. Bei Leistungsänderungen ändert sich mit dem Druck im Verdichter auch der Druck des Kühlgases im Generator, was nur erwünscht ist, weil dadurch die Ventilationsverluste bei Teillast kleiner werden als beim Konstanthalten des hohen Druckes, der bei der Maximalleistung

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notwendig ist. Auch lässt sich der Druck des Kühlgases im Generator nach einer beliebigen Funktion in Abhängigkeit von der Generatorleistung regeln, wodurch die Ventilationsverluste nur so gross werden, als unbedingt nötig ist. Während des Betriebes sind, sieht man von den Drucksteigerungen im Verdichter und dem damit verbundenen Aufladen des Kühlgases ab, nur die geringen Leckgasmengen der Generatordichtungen zu decken. Die zusätzliche Belastung des Verdichters ist daher selbst beim Anfahren nur gering und es ist nicht nötig, ihn grosser zu dimensionieren, als es dem Bedarf der Gasturbine entspricht.

Wird der zu kühlende Generator von einer Gasturbine mit offenem Kreislauf angetrieben, so wird Luft als Kühlgas verwendet, die vom Verdichter der Gasturbinengruppe auf Druck gebracht wird. Die Ventilationsverluste steigen zwar ungefähr proportional mit dem Druck an, doch lässt sich wegen der guten Wärmeabfuhr durch die unter Druck stehende Luft der Generator viel höher belasten. Der Wirkungsgrad des Generators nimmt etwas ab, doch überwiegt der Leistungsgewinn die grösseren Verluste um ein Mehrfaches. Die Leckgasmenge kann leicht ersetzt werden, die Dichtungen des Generators können daher einfach gebaut werden und es ist keine Stillstandsdichtung nötig. Der Verdichter hält die Kühlluft auf einem vorbestimmten, gegebenenfalls leistungsabhängigen statischen Druck. Die Um-

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wälzung der Luft, die auf ihrem Strömungswege auch gekühlt wird, erfolgt durch in den Generator eingebaute Ventilatoren.

Bei einer Gasturbinengruppe mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmittels, wofür z.B. Kohlendioxyd, Wasserstoff oder Helium in Frage kommt, kann dieses als Kühlgas für den Generator verwendet und gleichfalls vom Verdichter der Gruppe unter Druck gehalten werden, ganz ähnlich wie es für die Luft als Kühlgas beschrieben wurde. Es ist sogar möglich, den Generator in einen Nebenkreislauf des Arbeitsmittels einzuschalten und ihn so vom Arbeitsmittel als Kühlgas durchströmen zu lassen, ohne dafür einen eigenen Umwälzventilator zu benötigen. Die Reibungsverluste am Strömungsweg des Kühlgases werden somit vom Verdichter der Gasturbinengruppe gedeckt. ^v

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und werden nachstehend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kühleinrichtung für eine Gasturbinengruppe mit offenem Kreislauf des Arbeitsmittels;

Fig. 2 eine Kühleinrichtung für eine Gasturbinengruppe mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsmittels;

Fig. 3 eine gleiche Eijiraxk*tmE"~wTe FigT 2, jedoch mit vom Arbeitsmittel durchströmten Generator.

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Nach Fig. 1 wird im Verdichter 1 die Verbrennungsluft verdichtet und gelangt über die Brennkammer 2 in die Gasturbine 3, wo die thermische Energie der Verbrennungsgase in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Die Gasturbine treibt ausser dem Verdichter auch den luftgekühlten elektrischen Generator U. Um seine Kühlluft beim Anfahren auf den nötigen Druck zu bringen und diesen während des Betriebes zu halten, ist der Generator 4 über die Verbindungsleitung 5 direkt mit dem Verdichter 1 verbunden. Der Kühler 6 ist in die Leitung 5 eingeschaltet, um die durch die Verdichtung erwärmte Luft abzukühlen, bevor sie dem Generator 4 zuströmt. In diesem ist zur Rückkühlung der Luft der Kühler 7 vorgesehen, der im geschlossenen Strömungsweg 8 der durch eingebaute Ventilatoren (nicht gezeichnet) umgewälzten Kühlluft liegt.

Die Verbindungsleitung 5 kann vom Auslass des Verdichters 1 oder von einer beliebigen Zwischenstufe desselben abgehen. Ist kein Drossel- oder Rückschlagventil in die Leitung 5 zwischengeschaltet, dann herrscht im Generator annähernd der selbe Druck wie an der Abzweigstelle. Bei konstanter Last werden über die Leitung 5 nur die Leckageverluste gedeckt. Bei variabler Last kann die Luft wechselweise in beiden Richtungen strömen. Wird bei Belastungszunähme eine höhere Leistung der Gasturbine gefordert, so steigt der Druck im Verdichter und somit auch im Generator 4. Bei sinkender Belastung wird

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der Druck im Verdichter tiefer und es kann Kühlluft vom Generator zum Verdichter rückströmen. Bei der Wahl der Abzweigstelle ist zu beachten, dass bei allen Betriebszuständen der Druck im Generator und somit auch an der Abzweigstelle hoch genug sein muss, um eine genügende Kühlleistung zu ergeben.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Verb--indungs leitung 5 von einer Stelle des Verdichters mit genügend hohem Druck abgehen zu lassen und ein Druckregelventil 9, beispielsweise ein Reduzierventil, in die Leitung 5 einzubauen. Der Druck im Generator wird dadurch auf einer konstanten Höhe gehalten, der so hoch sein muss, dass auch bei grösster Generatorleistung die Kühlwirkung noch ausreichend ist.. Nachteilig ist hierbei, dass bei Teillast der Druck zu hoch ist und somit die Ventilationsverluste zu gross sind.

Die beste Bemessung des Druckes der Kühlluft lässt sich erreichen, wenn das Druckregelventil 9 in der Verbindungsleitung 5 leistungsabhängig regelbar igt. Das kann sowohl von Hand aus als auch mit Hilfe des Leistungsmessers 10 erfolgen, der auf das Druckregelventil 9 einwirkt, was in Fig. 1 durch die gestrichelte Wirkleitung 11 angedeutet ist.

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Die Verbindungsleitung 5 kann an einem beliebigen Punkt in den geschlossenen Strömungsweg 8 der Kühlluft im Generator einmünden.

Fig. 2 zeigt eine Anlage, deren Gasturbinengrüppe im geschlossenen Kreislauf arbeitet. Das Arbeitsmittel durchströmt nacheinander den Niederdruckverdichter 12, den Kühler 13, den Hochdruckverdichter I¹+, den Wärmetauscher 15, in welchem es vorgewärmt wird, den Bauteil 16, der ein Reaktor oder ein Wärmetauscher zur Erwärmung des Arbeitsmittels sein kann, die Gasturbine 3, nochmals den Wärmetauscher 15 und den Nachkühler 22, worauf es wieder vom Niederdruckverdichter 12 angesaugt wird. Der elektrische Generator 4 sitzt mit der Gasturbine 3 und den beiden Verdichtern 12 und 14 auf der gleichen Welle. ·

Von der Zwischenleitung 17 des Arbeitsmittels zweigt nach dem Kühler 13 die Verbindungsleitung 5 ab, die zum Generator 4 führt und diesen somit auf dem gleichen Druck hält, der in der Zwisehenleitüng 17 herrscht.

Aus den gleichen Gründen, wie sie bei der Beschreibung der Fig. 1 dargelegt wurden, kann in die Verbindungsleitung 5 das Druckregelventil 9 eingeschaltet sein. In diesem Falle ist noch die vom Drosselventil 18 kontrollierte Rücklaufleitung

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vorgesehen, die von der Verbindungsleitung 5 nach dem Druckregelventil 9 abzweigt.und in die Ansaugleitung·20 des Niederdruckyerdichters 12 mündet. Stellt das Druckregelventil 9 auf einen konstanten Druck ein, dann bleibt das Drosselventil 18 während des Betriebes geschlossen. Es wird nur bei Stillsetzung der Anlage geöffnet, damit das Kühlgas zur Druckentlastung des Generators und zur Verminderung der Leckagevsrluste in den Kreislauf des Arbeitsmittels abströmen kann. Wird das Druckregelventil 9 leistungsabhängig geregelt, dann muss das " Drosselventil 18 gleichzeitig und im gleichen Sinne derart geregelt werden, dass es jeweils einen um einen geringen Betrag kleineren Druck als das Druckregelventil 9 einstellt. Die Betätigung des Drosselventils 18 erfolgt über die von der Wirkleitung 11 abzweigende Wirkleitung 21.

Auch bei der Anlage nach Fig. 2 kann die Verbindungsleitung 5 · an einem beliebigen Punkte in den geschlossenen Strömungsweg des Kühlgases im Generator 4 einmünden.

Fig. 3 zeigt die gleiche Anlage wie Tigy^fxxna unterscheidet sich von ihr nur durch die Führung^fes Kühlgases. Dieses wird vom Verdichter der Gasturbinepgruppe nicht bloss auf Druck gebracht und dann von einerlei gene n Ventilator des Generators umgewälzt, sondern eiri Teil des Arbeitsgases durchströmt in einem

geändert gemäß Elng eingegangen am ^

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Claims

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Patentansprüche

(1·/ Einrichtung zur Kühlung eines elektrischen Generators, der von einer Gasturbinengruppe, die mindestens einen Verdichter aufweist, angetrieben und von Kühlgas durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Verdichter (1, 12) der Gasturbinengruppe geförderte Arbeitsmittel als Kühlgas des Generators (4) verwendet wird, das unter Ueberdruck steht, welcher vom Verdichter (1, 12) hergestellt und aufrechterhalten wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet ,durch eine Verbindungsleitung (5) zwischen einem unter Verdichterdruck stehenden Bauteil (I₁ 12, 17) und dem. geschlossenen Strömungsweg (8) des Kühlgases.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Druckregelventil (9) in der Verbindungsleitung (5).
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckregelventil (9) leistungsabhängig regelbar ist.
5. Einrichtung nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch die Verwendung von Luft als Kühlgas*

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