DE2252733A1

DE2252733A1 - Dynamomaschine

Info

Publication number: DE2252733A1
Application number: DE2252733A
Authority: DE
Inventors: Allan Charles Shartrand
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1972-10-27
Publication date: 1973-06-07
Also published as: JPS4864403A; FR2162053A1; GB1374875A; US3739208A; JPS5718413B2; DE2252733B2; IT971441B; DE2252733C3; CH544436A; FR2162053B1

Description

Pafentanwctlie

Dr.-Ing. Wilhelm Reiche! DipL-Ing. Wolfgang Reicliel

6 Frankfurt a. M. 1
Paiksiraße 13

7184".

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., V.St.A.

Dynamomaschine

Die Erfindung befaßt sich mit Dynamomaschinen mit einem gasgefüllten Gehäuse, mit einem mit radialen Kühlkanälen versehenen Statorkern und mit einem Rotor, der mit dem Statorkern einen mit Gas gefüllten Spalt bildet, der einen Teil aufweist, der durch Pumpwirkung"von dem gasgefüllten Spalt her gekühlt wird, und ferner einen Teil für die Endwindungen und der außerdem einen Ventilator zum Zirkulieren des Kühlgases aufweist. Sie bezieht sich insbesondere auf große gasgekühlte Dynamomaschinen mit einem eigenem Kühler, wobei diese Maschinen insbesondere als große Generatoren ausgeführt sind, bei denen der Statorkern durch radiale Kühlströme gekühlt wird und bei denen der Rotor durch Anwendung des '^lSpaltaüfnahme"-Verfahrens gekühlt wird.

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Seitdem die Leistungen von großen Dynamomaschinen, beispielsweise von turbinengetriebenen Generatoren bis auf 800 MV oder «ehr vergrößert worden sind, wurde es immer schwieriger, die Rotor- und Statorwicklungen und die anderen Teile solcher Haschinen in geeigneter Weise zu kühlen. Es wurden Einrichtungen entwickelt, um Flüssigkeiten und gasförmige Kühlmittel innerhalb der Windungsleiter fließen zu lassen, wie es beispielsweise in der US-PS 2 695 368 beschrieben ist. Wirksame Verfahren zur Kühlung der Rotorwindungen 4urch Kühlmittel, das vom Rotor durch Pumpwirkung aus eine» gasgefüllten Spalt aufgenommen wird, sind in der US-PS 3 348 081 beschrieben.

Verschiedene Teile der Rotorwicklung lassen sich jedoch nur schwierig einwandfrei kühlen und dies betrifft den Teil des Rotors mit den Endwindungen, die sich unter einem Halterungsring befinden, der die Windungen an ihrer vorgesehenen Stelle hält, und es betrifft auch einen Übergangsteil im Endteil des Rotorkörpers. Es wurden zwar Konstruktionen vorgeschlagen, durch die der Teil mit den Endwindungen und der Übergangsteil verbessert gekühlt werden können, jedoch hängen diese alle von dem Druckabfall ab, der zur Verfügung steht, um das Kühlgas durch die Endwindungen bzw. den Übergangsteil fließen zu lassen.

In der US-PS 1 672 680 ist eine Anordnung beschrieben, bei der das Kühlgas durch einen luftgekühlten Generator in umgekehrter Richtung wie bei den üblichen Anordnungen.fließt, wobei es die Kühler durchströmt bevor es durch die Teile der Haschine fließt, die gekühlt werden sollen. Gemäß dieser Patentschrift wird der Gaststrom in zwei Teile aufgeteilt, wobei ein Strömungsweg durch den Stator hindurch zu dem Luftspalt verläuft und der andere Strömungsweg durch den Rotorkörper zu dem Luftspalt hin verläuft. Diese Anordnung verwendet Luft und sie kühlt nicht die Windungen von innen, sondern es strömt lediglich Luft über den Rotorkörper und den Statorkern. Es lassen sich jedoch weit größere Drucke in Luft als in Wasserstoff erzeugen, das z.Zt. das am meisten verwendete gasförmige Kühl-

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mittel darstellt.

Eine andere bekannte Anordnung, bei der mehrstufige Hochdruckventilatoren verwendet, werden müssen, um die gewünschten Druckunterschiede zur Kühlung mit Hilfe¹ von Wasserstoffgas zu erreichen, ist in der US-PS 3 110 827 beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift -ist ein Rückfluß des Gases zum Kühler vorgesehen und das Kühlgas, das die Endwindung des Rotors durchströmt,, erfährt dabei einen größeren Druckabfall, da es durch zwei Abschnitte des Kühlers hindurch strömt, während der Stat.oranteil des Kühlgases einen niedrigeren Druckabfall erfährt, weil er nur durch einen Abschnitt des Kühlers hindurchströmt. Der verbleibende Druckanteil des Rotorkühlmittels ist dazu notwendig, das Gas durch die verteilten Kühldurchlässe in der Rotorwicklung hindurch zu bewegen.

Bei den oben erwähnten Anordnungen werden entweder Luft als Kühlmittel verwendet (wobei jedoch zu große Leistungsverluste durch Spaltreibung auftreten) oder es ist ein Hochdruckgebläse notwendig. Es wäre jedoch ein Aufbau erwünscht, bei dem hohe Druckabfälle an den Endwindungen des Rotors erzielbar sind, ebenso wie an dem Übergangskühlteil und zwar bei Maschinen, die nach dem "Spaltaufnahme"-Verfahren arbeiten, wobei die Rotorkühlung von der Pumpwirkung des Rotors abhängt und Niederdruckventilatoren verwendet werden können.

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kühler für eine Dynamomaschine vorzusehen, durch die die Kühlung der Endwindungen des Rotors und seines Übergangsteils verbessert werden kann. .

Diese Aufgabe wird bei einer Dynamomaschine der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß sich in dem Gehäuse zwei Kühlerabschnitte direkt hinter dem Auslaß des Ventilators zur Kühlung des von ihm abgegebenen Gases befinden, daß

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erste Leitungen das Gas des einen Kühlerabschnitts dem die Endwindungen aufweisenden Rotorteil zuführen» daß zweite Leitungen das Gas des anderen Kühlerabschnitts durch ausgewählte Kühl* kanäle im Stator dem gasgefüllten Spalt zuführen und daß der Durchflußweg durch den einen Kühlerabschnitt und die ersten Leitungen zur Bildung eines niedrigeren Druckabfalls in dem Gas angeordnet und bemessen ist, als er beim Durchfließen des Gases durch den anderen Kühlerabschnitt und die zweiten Leitungen auftritt, wodurch ein verbleibender Druckabfall zwischen dem Teil mit den Endwindungen und dem gasgefülltenSpalt anliegt, so daß das Kühlgas durch den Teil mit den Endwindungen hindurchbewegt wird.

Gemäß der Erfindung soll ferner eine verbesserte Kühlanordnung in einem Generator vorgesehen werden, der eine Kühlung nach einem "Spaltaufnahme"-Verfahren ermöglicht und dazu Niederdruckventilatoren verwendet. . . ^;

Gemäß der Erfindung wird die wirksame Kühlung dadurch erreicht, daß der Kühlfluß umgekehrt wird und dabei in zwei Teile aufgeteilt wird. Der eine Teil wird gekühlt und erhält dabei nur einen niedrigen Druckabfall, bevor er in den Rotorteil mit den Endwindungen gelangt. Der andere Teil wird gekühlt und erhält dabei einen relativ großen Druckabfall, bevor er den Statorkern kühlt und den gasgefüllten Spalt speist. Damit wird ein größerer Druckabfall an den Endwindungen des Rotors und an den Übergangskühlteilen möglich, wodurch eine wirksamere Kühlung entsteht.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt die einzige Figur einen Schnitt durch die obere Hälfte einer Dynamomaschine, und zwar nur deren eines Ende, wobei ihr anderes Ende in gleicher Weise ausgebildet ist.

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Nach der Zeichnung weist eine Dynamomaschine ein gasundurchlässiges Gehäuse 1 auf, indem sich Wasserstoff als Kühlgas befindet. Ein Statorkern 2 aus Lamellenblech ist in bekannter Weise aufgebaut, wobei die Lamellenbleche zu Paketen kurzer axialer Länge zusammengesetzt sind, in denen sich radiale Kühlkanäle 3 und 4 befinden> die mit Hilfe von·entsprechend angeordneten Abstandsteilen vorgesehen sind. Der Statorkern 2 weist Schlitze auf, in denen sich eine. Hauptankerwicklung 5befindet, die durch eine getrennte Flüssigkeitskühleinrichtung gekühlt wird,, die nicht Gegenstand der Erfindung ist.

In dem Statorgehäuse 1 befindet sich ein Rotor 6 mit einem Rotorkörper 7, der von dem Statorkern 2 durch einen gasgefüllten Spalt 8 getrennt ist. Der Rotor 6 weist auch an jedem Ende einen Windungsendteil 9 auf, der mit einem Halterungsring 10 versehen ist, durch den die Endwindungen an ihrer vorgesehenen Stelle gehalten werden. Ein Übergangsteil 7a am Ende des Rotorkörpers 7 nimmt Kühlgas vom Ende des Rotors auf. An dem Rotor ist ein Satz Ventilatorflügel 12 angebracht, in die Gas durch feststehende Flügel 13 eingeleitet wird.

Der Rotorkörper 7 des Rotors wird mit Hilfe von Gas gekühlt, welches von dem gasgefüllten Spalt 8, so wie es in der US-PS · 3 348 081 beschrieben ist, aufgenommen wird. Das Gas wird durch innere diagonale Kühldurchlässe in der Rotorwicklung zu einem axial, längs des gasgefüllten Spalts in einem bestimmten Abstand angeordneten Teil geleitet, wobei eine derartige Ausführungsform in der US-PS 2 986 664 beschrieben ist. Es befindet sich kein wesentlicher Druckunterschied zwischen, der inneren und der äußeren Zone längs des gasgefüllten Spalts 8.

Der-Windungsendteil 9 weist Innenrippen sowie durch die Endwindungen 11 hindurchgehende Kühldurchlässe auf, die über einen Auslaß 14 in den gasgefüllten Spalt führen. Eine geeignete derartige Anordnung ist in der US-PS 3 005 119 beschrieben.

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Das Kühlen des Übergangsteils 7a wird durch Gas in dem Bereich der Endwindung bewirkt, das durch einen Nebenschlitz (nicht dargestellt) zu dem gasgefüllten Spalt 8 weitergeleitet wird, wobei es sich dann mit dem Gas des Auslasses 1^, wie es schematisch durch einen gestrichelten Teil 7b dargestellt ist, vereinigt.

Eine zusätzliche Kühlung des Bereichs der Endwindungen 11 läßt sich mit Hilfe der zentrifugisch wirkenden Ventilatorflügel 15 erreichen, die sich am Ende eines Halterings 10 befinden und die mit den inneren Durchlässen der Kammer in dem Halterungsring verbunden sind. Ein geeigneter Aufbau ist in der US-PS 3 225 231 dargestellt.

Gemäß der Erfindung befindet sich ein Doppelkühler 16 in dem Gehäuse 1. Der Doppelkühler ist in zwei Abschnitte aufgeteilt, von denen der eine*Abschnitt 17 einen verhältnismäßig niedrigen Druckabfall beim Kühlen des durchströmenden Gases bewirkt, während der andere Abschnitt 18 einen relativ großen Druckabfall bewirkt. Dieser relative Unterschied in den Druckabfällen läßt sich in bekannter Weise erreichen, dadurch, daß beispielsweise die Kühlröhren in dem Abschnitt 18 dichter angeordnet werden als in dem Abschnitt 17, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, oder daß der Abschnitt 18 länger ausgebildet wird oder daß im Abschnitt 18 geeignete Begrenzungswände in Strömungsrichtung und in Gegenströmungsrichtung vorgesehen sind. Der Doppelkühler 16, der bei der dargestellten Ausführungsform als horizontaler Querkühler dargestellt ist, könnte auch vertikal oder in Längsrichtung angeordnet sein, wobei jedoch der besondere Aufbau des Kühlers bei der folgenden Beschreibung nicht so wesentlich ist. Die Abschnitte 17 und 18 sind zwar als Teile eines einzigen Kühlers dargestellt, so daß sich die Verbindungsrohre verein fachen, sie könnten jedoch auch voneinander getrennt sein und an verschiedenen Stellen im Strömungswog angeordnet sein.

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Verschiedene innere Ablenkbände und Strömungsleitrohre dienen zur Führung des Gases durch die gewünschten Strömungswege. Diese sind in der Zeichnung schematisch dargestellt, wobei bei den fertigen Maschinen die Strömung oft auf kreisförmigen Wegen durch geeignet angeordnete Ablenkwände und Öffnungen geleitet wird. Die genauen Einzelheiten solcher Anordnungen sind jedoch hier nicht so wesentlich.

Nach der Zeichnung ist ein erster Strömungsweg vorgesehen, der von dem Niederdruckabschnitt 17 des Kühlers durch ein oder mehrere Rohre 19 in eine Endkammer 20 verläuft, die zwischen einer Gehäuseendwand 21 und einer Strömungstrennwand 22 gebildet ist. Öffnungen 23 in der Rotorwelle führen durch innere in Längsrichtung verlaufende Durchlässe unter den Ventilatorflügeln 12 in den Endbereich der Endwindungen 11 innerhalb des Halterungsrings 10. Ein Teil dieses Gases kühlt den Übergangsteil 7a (siehe Flußteil 7b) und der andere Teil -dieses Gases kühlt die Endwindungen und strömt dann durch die Öffnung 14 nach außen. Diese beiden Ströme verlassenden gasgefüllten Spalt, sie fließen an einer den Strom begrenzenden Ablenkwand 25 vorbei und vereinigen sich mit dem übrigen Gas der zentrifugenartigen Flügel 15 an der Saugseite des Ventilators 12. Das Gas strömt dann durch einen Enddurchlaß 26, der zwischen Wänden 22 und 27 vorgesehen ist zum Kühler 16 zurück.

Der andere Gashauptstrom, der den Hochdruckabschnitt 18 des Kühlers verläßt, wird längs des Stators mit Hilfe von Rohren, beispielsweise den Rohren 28 und 29 verteilt und er wird auf abwechselnde Einlaßkammern 30, 31 aufgeteilt, die am Umfang des Statorkerns 2 angeordnet sind. Wegen der großen Zahl der parallelen Strömungswege bis zu dem gasgefüllten Spalt ist der Druckabfall von dem Kühler 18 bis zu dem gasgefüllten Spalt relativ gering. Andererseits befinden sich zwischen den am Umfang liegenden Einlaßkammern 30 und 31 Auslaßkammern 32 und 33, und es wird das von ihnen abgegebene Gas gesammelt und in

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Längsrichtung durch Rohre 34 und 35 zu einem Abschnitt 36, in dem sich die Statorendwindungen befinden, geleitet und anschließend zur Saugseite des Ventilators 12 gebracht. Von dort fließt dieser Strom wieder zurück zu dem Kühler 16.

Betriebsweise

Die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Anordnungen läßt sich am besten anhand der beiden Gasstromwege von einem pruckbereich in den nächsten beschreiben. Die Buchstaben A bis G werden dazu verwendet, die an die Druckzone, die an dem Ventilator 12 ge-

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bildet wird, angrenzenden Bereiche niedrigeren Drucks zu bezeichnen. Von dem Bereich A an dem Auslaß des Ventilators 12 strömt das gesamte Gas zu dem Bereich B am Einlaß der Kühlerabschnitte 17 und 18. Ein Teil des Gases erfährt in dem Abschnitt 17 von dem Bereich B nach dem Bereich C einen verhältnismäßig geringen Druckabfall und es fließt dann in den Enddurchlaß 20, durch den Rotorlängsdurchlaß 24 in einen Druckbereich D unter dem Halterungsring.

Der andere Teil des den Kühler durchströmenden Gases fließt durch den Abschnitt 18, er unterliegt dort beim Übergang in den Bereich E einem relativ großen Druckabfall B-E und er fließt dann in die Umfangskammern 30 und 31. Er fließt anschließend durch die radialen Kühlungsdurchlässe 3 in den Druckbereich F in dem gasgefüllten Spalt 8, wobei ein relativ geringer Druckabfall E-F auftritt. Nachdem das Gas in dem Spalt zur Kühlung des Rotors von diesem aufgenommen und in den Spalt zurückgeführt worden ist, fließt es durch den Druckbereich F radial nach außen in Durchlässe 4 und es wird in den Statorbereich G zurückgeführt, in dem im wesentlichen der gleiche Druck herrscht, wie an der Niederdruckseite des Ventilators. Ein Teil des Gases fließt auch von dem Spalt 8 an der begrenzenden Ablenkwand 25 vorbei in den Druckbereich G. Die Druckabfälle

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zwischen den Bereichen F und G sind relativ gering.

Man kann erkennen, daß ein großer statischer Druck D -■ F (zwischen den Bereichen D und F) verfügbar ist, durch den das Gas durch den Raum in dem Halterungsring und dann durch die Öffnung 14 bewegt wird, ferner durch die öffnungen des Übergangsteils (nicht dargestellt) und zwar zusätzlich zu irgend·* einem zusätzlichen Pumpdruck, der durch den Rotor selbst entwickelt wird. Ferner ist ein noch größerer Druckabfall D- G (zwischen den Bereichen D und G) verfügbar, durch den das Gas durch die Durchlässe in den Endwindungen, die zu .den Ventilatorflügeln führen, bewegt wird. Durch das Vorhandensein dieser Druckabfälle an den Windungsendteil und an dem Übergangsteil am Ende des Körpers werden unabhängig von der Kühlung des Hauptkörpers des Rotors (die nur durch die Punktwirkung des Rotors erreicht wird) eine wirksamere Kühlung des Windungsendteils erreicht. Dieser zusätzliche Druckabfall an den/kritischen Endwindungen und an dem Übergangsteil läßt sich mit Hilfe des Doppelkühlers bilden,. dadurch,; daß das Gas, welches durch den Kühlkreislauf für die Endwindung schließt, in einem getrennten Abschnitt gekühlt wird.

Ein größerer Druckabfall läßt sich in dem Kühlkreislauf, der den der Stator und den Luftspalt speist, dadurch erreichen, ν daß man Begrenzungen einführt oder daß man die Rohre 28 und 29 in geeigneter Weise bemißt. Die Begrenzungen zur Erhöhung des Druckabfalles könnten auch in den Einlassen der Kanäle 3 des Statorkerns vorgesehen sein. Vorzugsweise werden jedoch die Unterschiede in den Druckabfällen des Gases in dem Kühler . selbst vorgesehen.

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Claims

Patentansprüche

Dynamomaschine mit einest gasundurchlässigen, mit Kühlgas gefülltem Gehäuse, mit einem mit radialen Kühlkanälen versehenen Statorkern und mit einem Rotor, der mit dem Statorkern einen Gas gefüllten Spalt bildet, der einen Teil aufweist, der durch Pumpwirkung von dem gasgefüllten Spalt her gekühlt wird, und ferner einen Teil für die Endwindungen,und der außerdem einen Ventilator zum Zirkulieren des Kühlgases aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Gehäuse (1) zwei Kühlerabschnitte (17» 18) direkt hinter dem Auslaß des Ventilators (12) zur Kühlung des von ihm abgegebenen Gases befinden, daß erste Leitungen (19, 20) das Gas· des einen Kühlerabschnitts dem die Endwindungen aufweisenden Rotorteil (11) zuführen, daß zweite Leitungen (28, 29) das Gas des anderen Kühlerabschnitts (18) durch ausgewählte Kühlkanäle (30, 31) im Stator dem gasgefüllten Spalt zuführen und daß der Durchflußweg durch den einen Kühlerabschnitt und die ersten Leitungen zur Bildung eines niedrigeren Druckabfalls in dem Gas angeordnet und bemessen ist, als er beim Durchfließen des Gases durch den anderen Kühlerabschnitt und die zweiten Leitungen auftritt, wodurch ein verbleibender Druckabfall zwischen dem Teil mit den Endwindungen und dem gasgefüllten Spalt anliegt, so daß das Kühlgas durch den Teil mit den Endwindungen hindurchbewegt wird.

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2. Dynamomaschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablenkwand (25) in dem gasgefüllten Spalt vorgesehen ist und daß dritte Leitungen einen begrenzten Durchlaßweg von dem gasgefüllten Spalt an der"Ablenkwand vorbei zu der Saugseite des Ventilators vorsehen, wodurch ein noch größerer Druckabfall zwischen dem Teil mit den Endwindungen und der Saugseite des Ventilators auftritt, wodurch das Kühlgas durch den Teil mit den Endwindungen hindurchbewegt wird.
3· Dynamomaschine nach Anspruch 1, ■

dadurch gekennzeichnet, daß vierte Leitungen (32, 33» 34, 35) von dem gasgefüllten Spalt durch andere radiale Kühlungsleitungen in dem Stator zu der Saugseite des Ventilators führen.
4. Dynamomaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Kühlerabschnitt (17) derart angeordnet und bemessen ist, daß ein geringerer Druckabfall für das ihn durchströmenden Gases auftritt, als in dem zweiten Kühlerabschnitt (18).
5. Dynamomaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kühlerabschnitt (16) Kühlrohre aufweist, die weniger dicht nebeneinander angeordnet sind als die Kühlrohre, die in dem zweiten Kühlerabschnitt vorgesehen sind.

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6. Dynamomaschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die ersten Leitungen einen länglichen Durchlaß

(24) aufweisen, der durch den Rotor unter dem Ventilator läuft.

Rei/Pi.

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