DE2230998A1

DE2230998A1 - Isolier-rohrverbindungsstueck, insbesondere zur isolierenden verbindung von kuehlfluessigkeitsleitungen bei fluessigkeitsgekuehlten rotoren von dynamoelektrischen maschinen

Info

Publication number: DE2230998A1
Application number: DE2230998A
Authority: DE
Inventors: Jacob Chottiner; Harold M Philofsky; Sui-Chun Ying
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-07-08
Filing date: 1972-06-24
Publication date: 1973-01-18
Also published as: IT962480B; US3718830A; SE393233B; GB1387020A; JPS543305U; CH554100A; JPS548326Y2; CA930787A; BE785956A; FR2151836A5; ES404440A1

Description

Augsburg, den 20. Juni 1972

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15 222,

V.St.A.

Isolier-Rohrverbindungsstück, insbesondere zur isolierenden Verbindung von Kühlflüssigkeitsieitungen bei flüssigkeitsgekühlten Rotoren von dynamoelektrischen

Maschinen

Die Erfindung betrifft ein Isolier-Rohrverbindungsstück, insbesondere zur isolierenden Verbindung von Kühlflüssigkeitsleitungen bei flüssigkeitsgekühlten Rotoren von dynamoelektrischen Maschinen, welches ein Rohr aus hitze- und wasserbe-

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ständigem Kunststoff mit Bünden aus Metall aufweist.

Große Turbogeneratoren sind gewöhnlich innengekühlt oder direkt gekühlt. Bei dieser Bauart wird eine Kühlmittelströmung durch Kanäle in den Stator- und Rotorn. en geleitet, welche in direktem Wärmeaustausch mit den stromführenden Leitern innerhalb der Nutbodenisolierung stehen. Diese Bauart weist ein sehr wirksames Kühlystem auf und hat es ermöglicht, die Höchstleistungen großer Generatoren ohne Überschreiten der zulässigen physikalischen Grenzen weitgehend zu vergrößern. Als Kühlmittel wird bei diesen Maschinen gewöhnlich Wasserstoff verwendet, der das gasdichte Gehäuse ausfüllt und mittels eines auf der Rotorwelle befindlichen Gebläses durch Kanäle in den Stator- und Rotorwicklungen und durch geeignete Leitungen im Statorkern getrieben wird.

Die erforderlichen Spitzenleistungen bei großen Generatoren haben sich jedoch weiterhin vergrößert, so daß es notwendig ist, die Kühlung dieser Maschinen noch weitergehend zu verbessern. Eine wesentliche Verbesserung der Kühlung kann durch Verwenden von wirkungsvolleren Kühlmitteln, beispielsweise Flüssigkeit, erzielt werden. Demgemäß wird bei Statoren eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, durch Kanäle in der Statorwicklung geleitet und dadurch eine wesentliche Ver-

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besserung der Kühlung erreicht. Eine noch weitere beträchtliche Verbesserung der Kühlung kann dadurch erzielt werden, daß auch der Rotor flussigkeitsgekühlt wird, indem eine geeignete Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, durch Kanäle in den Rotorwindungen geleitet wird.

Bei flüssigkeitsgekühlten Rotoren wird das Kühlmittel vorzugsweise durch die Rotorwelle eingeleitet und von der aus in die einzelnen Kanäle der Leiter der Rotorwicklung verteilt. Da diese elektrischen Leiter infolge der Erregerspannung stromdurchflossen sind, müssen die Kanäle, durch welche die Kühlflüssigkeit in die Windungen hineinströmt, jeweils ein Isolierstück zur Isolation der elektrischen Windungen gegen die geerdeten Teile des Rotors aufweisen. .Dieselbe Forderung besteht bei wassergekühlten Statoren, bei welchen Wasser über Rohrverzweigungen verteilt und durch einzelne Isolierverbindungen in die Spulen der Statorwicklung hineingeleitet wird, wobei sich bei Statoren Kunststoffschläuche mit Endstücken aus Metall für diesen Zweck bewährt haben. Als am besten geeignetes Material für diesen Zweck wurde Polytetrafluoräthylen wegen seiner Wasserunempfindlichkeit und seiner ausgezeichneten Hitzebeständigkeit bei den normalerweise erreichten höchsten Betriebstemperaturen ermittelt. Dieses Material ist unter dem Handelsnamen Teflon erhältlich und wird im folgenden der Einfachheithalber so

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genannt. Die bei Statoren verwendeten Teflonschläuche arbeiten bei relativ niedrigem Druck, der gewöhnlich weniger als 7 kp/cm beträgt, und brauchen keinen besonderen mechanischen Beanspruchungen zu widerstehen. Unter diesen Umständen haben sich diese Teflonschläuche bewährt und erreichen bei normalem Betrieb eine lange Lebensdauer.

Bei Verwendung in einem Rotorkühlsystem sind die Isolier-Rohrverbindungsstücke jedoch ganz anderen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Infolge der hohen Drehzahl des Rotors können die Wasserdrücke, welchen die Verbindungsstücke widerstehen müssen, sehr hoch sein. Diese Drücke betragen bei normalen

Bedingungen mindestens 72 kp/cm und können unter manchen Umständen bis zu 140 kp/cm betragen. Da diese Verbindungsstücke am Umfang des Rotors oder in der Nähe des Umfangs angeordnet sind, sind sie während des Betriebes sehr großen Fliehkräften ausgesetzt, und sie müssen auch bei Temperaturen you mindestens 95 ⁰C ihre mechanische Festigkeit und ihre Widerstandsfähigkeit gegen die inneren Wasserdrücke behalten. Da der Generator periodisch angehalten und wieder angelassen werden kann, müssen die Verbindungsstücke auch bei derartigen Wechselbeanspruchungon eine lange Lebensdauer aufweisen und es ist notwendig, daß sie die gewünschten Eigenschaften über einen Zeitraum von vielen Jahren hinweg während tausender von Arbeitszyklen beibehalten. Versuche haben ergeben, daß die

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üblichen Teflonschläuche, wie sie bei wassergekühlten Statoren verwundet werden, sich nicht für eine Verwendung unter den ganz besonderen Bedingungen eignen, denen sie bei Rotoren ausgesetzt sind. Verschiedene andere AusCührungsformen von Isolier-Rohrverbindungsstücken zur Verwendung in flüssigkeitsgekühlten Rotoren sind bereits in der US-PS 3 131 321, in der'US-PS 3 255 298 und in der US-PS 3 50¹I- 207 vorbeschrieben worden.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Isolier-Rohrverbindungsstück so auszubilden, daß es den hohen Temperaturen und den großen Fliehkräften sowie den Kühlflüssigkeitsdrücken widerstehen kann, welchen es während der Lebensdauer eines Rotors ausgesetzt ist.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein Isolier-Rohrverbindungsstück, insbesondere zur isolierenden Verbindung von Kühlflüssigkeitsleitungen bei flüssigkeitsgekühlten Rotoren von dynamoelektrischen Maschinen der eingangs dargelegten Art gemäß der Erfindung durch einen Mantel aus kunstharzgetränktem Glasfasergewebe gekennzeichnet, welcher das genannte Rohr und die Bünde umschließt und so ein im wesentlichen starres, lecksicheres Isolier-Rohrverbindungsstück bildet.

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Wegen seiner bekannten Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Hitze und seinen ausgezeichneten Eigenschaften hinsichtlich der hier gestellten Forderungen wird vorzugsweise ein Teflonrohr verwendet. Die Bünde sind vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Das Glasfasergewebe ist genügend dick auf das ganze Rohr aufgewickelt und steht axial über die metallenen Bünde über. Eine derartige Anordnung weist die geforderten Isolationseigenschaften und Beständigkeit gegen Hitze und Feuchtigkeit auf und kann bei der oben genannten Verwendung den erschwerten Bedingungen während einer langen Lebensdauer standhalten, auch bei Wechselbeanspruchungen bei relativ hohen Temperaturen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen

Teil eines flüssigkeitsgekühlten Rotors, und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein

Isolier-Rohrverbindungsstück nach der Erfindung.

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In Pig. 1 ist nur der zur Erläuterung der Erfindung notwendige Teil des Rotors gezeichnet. Der Rotor weist einen Rotorkörper 10 auf, der am Umfang in der üblichen Weise mit Nuten zur Aufnahme einer Rotorwicklung 11 versehen ist. Die Rotorwicklung 11, welche die Feldwicklung eines Generators bildet, kann in jeder geeigneten Weise in den Rotornuten angeordnet sein, damit sie die gewünschte Anzahl von magnetischen Polen bildet; gewöhnlich sind es zwei oder vier Pole bei Maschinen dieser Bauart. Die Rotorwicklung besteht aus Kupferleitern 12, welche durch die Nuten des Rotorkörpers und in den Krümmungsbereichen 1J> im allgemeinen am Umfang des Rotorkörpers entlang verlaufen. Diese Krümmungsbereiche 13 sind axial vor dem eigentlichen Rotorkörper gelegen und werden durch die üblichen schweren Halteringe 14 gegen die auftretenden Fliehkräfte gehalten. VJie man in Fig. 1 bei den Krümmungsbereichen IJ sieht, sind die einzelnen Leiter 12 der Wicklung hohl bzw. weisen in ihrer Mitte Kanäle auf, durch Vielehe eine Kühlflüssigkeit strömt. Für den Rotor kann jedes geeignete oder gewünschte Kühlsystem und jede gewünschte elektrische Schaltungsart Anwendung finden.

Der Rotor weist einen Wellenteil 15 auf, der ein Teil des Rotorkörpers 10 ist und axial aus diesem hervorragt. Durch den VJellenteil 15 erstreckt sich eine axiale Bohrung l6, welche

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der üblichen Bauweise entsprechend durch den gesamten Rotor verlaufen kann. Eine Kühlflüssigkeit, Vorzug,, ^ise Wasser, wird durch den Wellenteil 15 in den Rotor hineingeleitet und strömt durch einen ringförmigen Kanal in die Bohrung 16 hinein. Dieser ringförmige Kanal 17 umgibt axial verlaufende elektrische Leiter l8, welche durch die Bohrung hindurch verlaufen und zusammen mit üblichen, nicht gezeichneten radial verlaufenden Leitern eine elektrische Verbindung zu der Wicklung 11 herstellen. Die elektrischen Leiter 18 sind auf geeignete Weise gegen den ringförmigen Kanal 17 und außerdem durch eine Isolation I9 gegeneinander isoliert. Das durch den ringförmigen Kanal 17 eingeleitete Wasser strömt durch radial verlaufende Kanäle 20 in eine ringförmige, auf dem Umfang des Wellenteiles I5 angeordnete Verteilungskammer 21. Vorzugsweise wird der ringförmige Kanal I7 von zwei konzentrischen Röhren aus korrosionsbeständigem Material wie beispielsweise rostfreiem Stahl gebildet, die radial verlaufenden Bohrungen 20 sind mit dem selben Material ausgekleidet. Die Verteilungskammer 21 ist vorzugsweise ebenfalls aus rostfreiem Stahl oder aus einem anderen geeigneten korrosionsbeständigen Material hergestellt.

Das in"die Verteilungskammer 21 einströmende Wasser wird mittels einer Vielzahl von Kanälen in die einzelnen elektri-

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sehen Leiber 12 der Rotorwicklung hineinverteilt. Diese Kanäle können jeweils ein kurzes Metallrohr 22 enthalten, welches aus Kupfer oder rostfreiem Stahl hergestellt sein kann und von der Verteilungskammer 21 zu einem Isolier-Rohrverbindungsstück 23 führt, welches die Rotorwicklung gegen die geerdeten Teile des Rotors isoliert. Isolierte Rohrzwischenstücke 24 aus Kupfer oder rostfreiem Stahl verbinden jeweils die Isolier-Rohrverbindungsstücke mit den elektrischen Leitern 12. Die Rohrzwischenstücke 24 können in jeder geeigneten Weise ausgeführt sein und können gemäß Fig. 1 in Nuten in der Rotoroberfläche angeordnet sein und mittels Federn und Keilen 25 in diesen Nuten festgehalten werden. Die Rohrzwischenstücke 24 sind jeweils an den Krümmungsbereichen IJ mit den elektrischen Leitern 12 der Rotorwicklung verbunden und führen diesen Kühlwasser zu. Das auf diese V/eise in die Rotorwicklung eingeleitete V/asser strömt durch die elektrischen Leiter hindurch zur anderen Stirnseite des Rotors hin und kann durch ähnliche Rohrzwischenstücke in eine Sammelkammer hineingeleitet und durch die "Wellenbohrung oder auf eine andere geeignete V/eise wieder aus dem Rotor herausgeleitet werden.

Es ist einzusehen, daß ein wesentlicher Bestandteil eines solchen Kühlsystems das Isolier-Rohrverbindungsstück 2>

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ist, welches die Kühlflüssigkeit aus der Verteilungskammer durch das betreffende Rohrzwischenstück hindurch in eiric;n elektrischen Leiter der Wicklung hineinleitet und welches imstande sein muß, den elektrischen Leiter gegen die geerdete Rotorwelle zu isolieren. Es ist auch offensichtlich, daß, do. das Isolier-Rohrverbindungsstück 23 notwendigerweise am Umfang oder nahe am Umfang des Rotors angeordnet ist, dasselbe im Betrieb den sehr großen Fliehkräften wie auch Viechseibeanspruchungen bei relativ hohen Temperaturen ausgesetzt ist, und deshalb völlig andere Betriebsbedingungen aushalten muß als die oben beschriebenen Rotorverbindungssstücke. Das Isolier-Rohrverbindungsstück 2j5 muß deshalb derart ausgebildet und angeordnet sein, daß es diesen schwierigen Bedingungen in befriedigender Weise standhalten kann. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform werden die Isolier-Rohrverbiridungsstücke 27> durch einen Ring aus Isoliermaterial in ihrer Lage am Umfang des Rotorwellenteiles 15 festgehalten; sie können jedoch auch in Nuten oder zwischen Zähnen des Wellenteiles angeordnet sein, wobei auf den Ring 26 aus Isoliermaterial oder über die Zähne noch stählerne Halteringe 27 aufgezogen sind. Die Isolier-Rohrverbindungsstücke müssen selbstverständlich so ausgebildet sein, daß sie ungeachtet einer Halterung, die für sie vorgesehen sein kann, den starken Kräften widerstehen können, denen sie ausgesetzt sind. Die gezeichnete besondere Anordnung stellt

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lediglich ein Beispiel dar, es kann auch jede andere gexvünschte mechanische Halterung für die Isolier-Rohrverbindungsstücke vorgesehen sein.

Ein Isolier-Rohrverbindungsstück gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 im einzelnen dargestellt. Dieses Isolier-Rohrverbindungsstück 23 weist ein Kunststoffrohr 30 auf, welches aus jedem geeigneten hitze- und feuchtigkeitsbeständigen Material hergestellt sein kann, vorzugsweise aber aus den oben genannten Gründen aus Teflon hergestellt ist, da sich dieses Material für diesen Anwendungszweck als am besten geeignet erwiesen hat. An den Enden des Rohres 30 sind jeweils Metallbünde Jl vorgesehen. Gemäß der Zeichnung v/eisen die Metallbünde Jl jeweils einen Muffenteil 32, der über das Kunststoffrohr 30 geschoben und in dieses eingepreßt oder auf andere Weise sicher an demselben befestigt ist, und einen rohrförmigen Ansatz 33 als Anschlußstück auf. Die Bünde 33 sind vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt, es kann aber auch jedes andere geeignete korrosionsbeständige Material verwendet werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Tefionrohr 30 mit einer geflochtenen Umhüllung 34 gezeichnet, welche aus mit Kunstharz getränktem Nylon hergestellt sein kann, da derartige geflochtene Umhüllungen gewöhnlich von den Herstellern von Teflonröhren auf dieselben aufgebracht werden.

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Wie bereits beschrieben, haben sich Teflonröhren mit Metallbünden für manche Anwendungszwecke als geeignet erwiesen, beispielsweise bei wassergekühlten Statoren, für den Einsatz in einem Rotorkühlsystem der beschriebenen Bauart besitzen sie für sich allein jedoch keine zufriedenstellenden Eigenschaften. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein verstärktes Isolier-Rohrverbindungsstück vorgesehen, bei welchem ein geeigneter Mantel auf das Rohr ^ aufgebracht ist. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise zuerst eine geeignete Oberfläche hergestellt. Unter den Muffenrändern der Metallbünde 5I etwa noch vorhandene Hohlräume werden mit einem geeigneten Kunstharz ausgefüllt, beispiels-" weise mit Epoxidharz. Dann wird eine innere Schicht aus Isoliermaterial 35 ^auf die Oberfläche des Rohres ^O aufgebracht. Diese innere Schicht 35 besteht vorzugsweise aus Glasfasergewebe und ist auf die geflochtene Oberfläche des Rohres JO und die Oberfläche der Muffenteile 32 der Bünde 3I gewickelt, so daß alle Hohlräume zwischen den äußeren Enden der Muffenteile 32 ausgefüllt sind und eine geglättete zylindrische Oberfläche gebildet ist. Es können auch andere geeignete Isoliermaterialien zum Ausfüllen der Unregelmäßigkeiten und Herstellen einer geglätteten zylindrischen Oberfläche Verwendung finden, wie beispielsweise kunstharzgetränktes Glasfasergewebe oder Dacron.

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Danach wird ein äußerer Gewebemantel 36 aufgebracht, indem mit geeignetem Kunstharz, beispielsweise Epoxidharz getränktes Glasfasergewebe aufgewickelt wird, so daß ein Mantel 36 aufgebaut wird, welcher das ganze Isolier-Rohrverbindungsstück umschließt und gemäß der Zeichnung axial über die Bünde 3I übersteht. Das Glasfasergewebe kann unter Zug und unter einem geeignetem Winkel oder senkrecht zur Achse und so lange aufgewickelt werden, bis eine ausreichende Dicke erreicht worden ist. Das vollständige Isolier-Rohrverbindungsstück wird dann während der notwendigen Zeit auf eine geeignete Temperatur erhitzt, so daß das Kunstharz aushärten kann, mit welchem das Gewebe getränkt ist und so ein im wesentlicher, starres, lecksicheres Isolier-Rohrverbindungsstück hergestellt wird. Versuche haben ergeben, daß ein derartiges Isolier-Rohrverbindungsstück bei dem vorgesehenen Anwendungszweck bei flüssigkeitsgekühlten Rotoren allen anderen bekannten Anordnungen weit überlegen ist. Dieses neue Isolier-Rohrverbindungsstück ist imstande, den relativ hohen Temperaturen und den hohen inneren Drücken, denen es im Betrieb ausgesetzt·ist, über einen längen Zeitraum ebenso zu widerstehen wie den hohen Fliehkräften, die im Betrieb auftreten.

Die Erfindung beinhaltet also ein neues und verbessertes Isoller-RohrverbiridungsstUck für den Einsatz bei Kühlsystemen

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von flUssigkeitsgekühlten Rotoren bei großen dynamoelektrischen Maschinen. Das neue Isolier-Rohrverbindungsstüek ist besonders für diesen Anwendungszweck geeignet, es kann jedoch ebenso bei anderen Anwendungsfällen eingesetzt werden, bei denen ähnliche schwierige Bedingungen gegeben sind. Es ist auch selbstverständlich, daß, obwohl gewisse besondere Materialien als bevorzugt genannt worden sind, auch andere Materialien verwendet werden können, wenn die Umstände sie als geeignet erscheinen lassen. So kann beispielsweise das Kunststoffrohr 30 anstatt aus Teflon auch aus einen anderen geeigneten Material wie beispielsweise Nylon oder Polyäthylen hergestellt sein, wenn dessen Eigenschaften für die Bedingungen des jeweiligen Anwendungsfalles geeignet sind. In gleicher V/eise kann jedes geeignete duroplastische Kunstharz zum Tränken des Glasfasergewebes des Mantels 36 verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

l.ylsolier-Rohrverbindungsstück, insbesondere zur isolierenden Verbindung von Kühlflüssigkeitsleitungen bei flüssigkeit sgekühlten Rotoren von dynamoelektrischen Maschinen, welches ein Rohr aus hitze- und wasserbeständigem Kunststoff mit Bünden aus Metall aufweist, gekennzeichnet durch einen Mantel (56) aus kunstharzgetränktem Glasfasergewebe, welcher das genannte Rohr (30) und die Bünde (Jl) umschließt und so ein im wesentlichen starres, lecksicheres Isolier-Rohrverbindungsstück bildet.
2. Isolier-Rohrverbindungsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Rohr (j5O) aus Polytetrafluoräthylen besteht.
3. Isolier-Rohrverbindungsstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Glasfasergewebe straff um das genannte Rohr (j50) gewickelt ist und axial über die metallenen Bünde (3I) übersteht, und daß das Glasfasergewebe mit einem duroplastischen Kunstharz getränkt ist, v;elehes. gehärtet ist.
4. Isolier-Rohrverbindungsstück nach einem der Ansprüche

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bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine innere Schicht (55) aus Isoliermaterial das genannte Rohr (j50) und die Bünde (31) umschließt und so eine geglättete zylindrische Oberfläche bildet und daß das Glasfasergewebe straff auf diese innere Schicht gewickelt ist.
5. Anwendung eines Isolier-Rohrverbindungsstückes nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei einem flüssigkeitsgekühlten Rotor einer dynamoelektrischen Maschine mit einem Kühlsystem, bei welchem Kühlflüssigkeit durch die elektrischen Leiter (12) der Rotorwicklung (11) geleitet wird, und welches eine ringförmige Kühlmittelkammer (21) auf dem Rotor und eine Vielzahl von Kühlmittelleitungen (24) zwischen dieser Kammer und den Windungen der Rotorwicklung aufweist, wobei diese Kühlmittelleitungen ,jeweils ein derartiges Isolierrohrverbindungsstück (23) enthalten.

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