-
LÄUFER EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE Die Erfindung bezieht sich auf
das Gebiet des Elektromaschinenbaus, insbesondere auf die Konstruktion der Läufer
von elektrischen Maschine der en Wicklung aus Rohren -Hohlrohrleitern - ausgeführt
ist, durch die eine Kühlflüssigkeit durchgeleitet wird Der Bau von elektrischen
Hochleistungsmaschinen, darunter auch der Turbogeneratorbau, entwickelt sich in
der Richtung einer Steigerung der Einzelleistung. Die Leistungssteigerung eilt in
der Praxis einer Vergrößerung des aktiven Volumens des Turbogenerators weit voraus,
und dies bedeutet, daß die Ausnutzung der Maschine und' in der Folge auch die elektromagnetische
Auslastung deren aktiver Teile,
insbesondere der Läuferwicklung,
erhöht werden. Die Vergrößerung der Einzelleistung des Turbogenerators ist also
mit der Notwendigkeit einer Intensivierung der Arbeit des kühlsysteme der elektrischen
Maschine, insbesondere in Bezug auf deren Läuferwicklung, verbunden.
-
lis der Turbogeneratorbau in den Anfängen steckte, erfolgte die Kühlung
der Läuferwicklung durch in der Maschine umlaufende Luft, die die Wärme von der
Wicklung durch Eisen und Isolation der Maschine abnahm, es ging also um eine sogenannte
indirekte Luftkühlung der Läuferwicklung. Die Leistung der Turbogeneratoren mit
derartiger Kühlung erreichte 100 MW, jedoch erwies sich, wie die Erfahrngen Zeigten,
die Ausführung der Läuferwicklung des Turbogenerators mit einer indirekten Luftkühlung
angefangen von der Leistung 30 MW, als unzweckmäßig. Im weiteren wurde daher bei
den Turbogeneratoren mit einer Leistung von 30 bis 150 MW zur Kühlung der Läuferwicklung
an Stelle der lAift Wasserstoff als ein eine bessere Kühlwirkung (einen im Vergleich
zu der Luft höheren Wärmeabgabekoeffizienten) aufweisendes Gas eingesetzt. Auf diese
Weise kam es zur indirekten Wasserstoffkühlung der Läuferwicklung, d.h. zur Wärmeableitung
über Eisen und Isolation der kaschine, jedoch bereits mit Hilfe des in der Maschine
umlaufenden Wasserstoffes.
-
Mit weiterer Leistungssteigerung der Maschine +
(über
150 MW) entstand die Notwendigkeit einer noch größeren Intensivierung der Kühlung
der Läuferwicklung, deren Sinn auf eine unmittelbare Annäherung des Kühlmittels,
W des Wasserstoffes, an die blankenindungen der Wicklung, in Umgehung von Eisen
und Isolation, hinauslief. Der Wasserstoff begann das Wickelkupfer unmittelbar zu
berühren. Derartige Kühlung wurde daher als unmittelbare Wasserstoffkuhlung der
Läuferwicklung bezeichnet. Deren Vorteil besteht im Vergleich zur indirekten Kthiung
darin, daß bei der Wärmeübertragung Temperaturunterschiede im Eisen und in der Isolation
der Maschine ausgeschlossen werden. Die unmittelbare Wasserstoffkühlung der Läuferwicklung
des Turbogenerators erwies sich als derart effektiv und bewährte sich so gut, daß
man dazu überging, darartige Turbogeneratoren mit einer Leistung von 50 bis zu 1000
MW zu bauen.
-
Jedoch entsteht bereits beim Bau von Turbogeneratoren mit einer Leistung
von 800 MW die Notwendigkeit einer noch größeren. Kühlwirkung in Bezug auf die Läuferwicklung.
-
Zur Zeit werden daher Untersuchungen durchgeführt und sogar experimentelle
Turbogeneratoren gebaut, bei denen, zur Kühlung der Läuferwicklung als Kühlmittel
Wasser eingesetzt wird.
-
Im Vergleich zum Wasserstoff liegen der Wärmeabgabekoeffizient und
die Wärmekapazität des Wassers wesentlich höher.
-
Da aber ein Auftreffen des Wassers auf die Isolation und auf aktives
Eisen der Maschine im Unterschied zum Gas unsulässig
ist, so ging
man zur Herstellung von Läuferwicklungen aus Kupferrohren (Hohlrohrleitern) über,
innerhalb deren das Ktihlwasser - eine unmittelbare Wasserkühlung der Wicklung -
zirkulierte.
-
Die Schwierigkeiten aber, auf die die Konatrukteure, Technologen,
Producktionsarbeiter und das Bedienungapersonal bei der Entwicklung und Einführung
von Maschinen mit derartigen Läufern stoßen, gaben keine Möglichkeit, die erforderliche
Technologiegerschtheit bei deren Herstellung und die Zuverlässigkeit im Betrieb
zu erreichen, was vorläufig nur eine Einzelfertigung von Turbogeneratoren mit einer
Wasserkühlung der Läuferwicklung bedingt.
-
Die Hauptschwierigkeiten entstehen bei der Verwirklichtung der Wasserzufuhr
in die Hohlräume der Wicklungsleiter, da es notwendig ist, eine derartige Isolierung
des Systems der Wasserzuführung zu sichern, die einen elektrischen Durchschlag der
Wicklung und die Möglichkeit der Entstehung elektrolytischer Prozesse ausschlieSt.
-
Da an den Stellen der Wasserzuführung durch die bei der Drehung des
Läufers (mit einer Geschwindigkeit bis zu 3000 U/min) entstehenden Fliehkräfte große
Wasserdrucke (bis 200 atm) erzeugt werden, bereitet eine hermetische Abdichtung
der Zuleitungen große Schwierigkeiten.
-
Es ist ebenfalls notwendig, eine Übertragung von Welle lenschwingungen
auf die Wasserzuleitungen zur Verhinderung
deren Zerstörung sowie
einer Störung deren hermetischer Abdichtung auszaischließen, was eine komplizierte
Aufgabe darstellt. Es ist auch erforderlich, einen bequemen Zugang zu den Wasserzuleitungen
bei deren Montage, Demontage und Reparatur zu sichern.
-
Diese Schwierigkeiten treten bei der Leistungssteigerung des Turbogenerators
noch mehr in Erscheinung, da es notwendig ist, dessen Läufer intensiver abzukühlen.
Im Zusammenhang damit sieht man sich gezwungen, die Anzahl der Wasserkreisläufe
zu vergrößern, da sonst eine Erhöhung des Wasserdurchflusses zu einer übermäßigen
Vergrößerung des hydraulischen Widerstandes der gesamten.
-
würde Kühlleitung der Wicklung führen, was einen derartigen Wasserdruck
innerhalb dieser hervorrufen würde, der den Wasserdruck unter der Wirkung von Fliehkräften
um ein Vielfaches übertrifft, und dies wurde die Aufgabe der hermetischen Abdichtung
der Wasserzuleitung zur Wicklung praktisch unlösbar machen.
-
Auf solche Weise erwies es ach als notwendig, mehr parallele Kühlschaltungen
für die Läuferwicklung eines Turbogenerators, d.h. eine Abkühlung mit Wasserverteilung
auf eine jede Windung und selbst Halbwindung der Wicklung, zu schaffen.
-
Die Praxis der Entwicklungsarbeit zeigt, daß es zur
Schaffung
des Läufers des Tubogenerators mit einer sehr fach parallelen Kühlschaltung für
dessen Wicklung am zweckmäßigsten ist, die Wicklungsschaltung mit einer Schleifen-(bzw.
Wellen-) anordnung der Wickelköpfe zu verwenden, weil sich in diesem Fall jede Windung
und Halbwindung der Wicklung als leicht zugänglich erweisen.
-
Die bei den Läufern der Turbogeneratoren als Regel verwendete Wicklung
mit einer konzentrischen Anordnung der Wickelköpfe erweist sich wegen einer schlechten
Zugänglichkeit jeder Windung und Halbwindung für eine hydraulische Mehrparallelschaltung
als wenig geeignet.
-
Bei einer Wasserkühlung der Länferwicklung des Turbogenerators wird
das Kühlwasser zuerst den Kanälen der Lönferwelle zugeführt, und erst aus den Kanälen
gelangt es in die Wicklung. Der Abfluß des Wassers geschieht in umgekehrt er Reihenfolge:
das die Wicklung abkühlende Wasser kommt in die Kanäle der Welle und wird aus diesen
abgeführt.
-
Zwischen den Kanälen der Welle und der Wicklung muß also eine hydraulische
Verbindung bestehen. Bei einer mehrparalleion Kühlschaltung der Läiiferwicklung
erwies es sich als bequer, für solch eine Verbindung einen Wassersammler einzusetzen.
-
Urspünglich wurden bei der Herstellung von Läufern mit Wasserkühlung
der Wicklung bei einer verhältnismäßig geringen Anzahl hydraulischer Parallelzweige,
beispielsweise
mit einer Wasserverteilung auf je zwei hydraulisch
hinterteinandergeschaltete Spulen, auf ein Spule oder eine Hauspule, Konstruktionen
ohne Verwendung eines Wassersammlers geschaffen, obwohl selbst in diesem Fall die
Rolle des Wassersammlers die entsprechenderweise ausgeführten Kanäle der Welle oder
ein auf die Welle fest aufgesetzter und über seine Kammern mit den Kanälen in der
Welle kommunizierender Ring übernahmen. Wenn aber im ersten Fall die Wasserzuführung
(bzw. -abführung) erschwert ist, weil eine große Anzahl von Zu- und Ableitungen
im Schaft der Läuferwelle auf Grund des Raummangels praktisch nicht untergebracht
werden kann, so wird im zweiten Fall der auf der Welle fest sitzende Wassersammler
die Weklenschwingungen auf die Wasserzuleitungen der Wicklung übertragen, die wegen
des Raummangels in Form von Kompensatoren dieser Schwingungen keineswegs ausgeführt
werden können.
-
Die schweizerische Firma B.B.C. (s. "The Brown Bovery Review", 1966,
N.9, S. 501 bis 511) hat eine Konstruktion des Turbogenerators mit einem Kühlsystem
für dessen Läuferwicklung entwickelt, ole seitens der Wasserzuführung bzw. -abführung
schleifenartig ausgeführt worden ist. Hierbei ist der Wassersammler in Form eines
von der Stirnseite des Wickelkopfes an einem freitragend angeordneten Bandagenring
befestigten Zylinders hergestellt. Der Wassersamuiler weist ei -nen durch radiale
Zwischenwände in zwei Druck- und bflnßkammern
getrennten ringförmigen
Hohlraum auf, wobei die Kammern mit den Kanälen im Schaft des Wasscrsammlers unmittelbar
kommunizieren, über die die Kammern mit der Wicklung mittels deren Windungen befestigter
Stutzen in Verbindung stehen.
-
Der Wassersammler setzt sich aus zwei Teilen zusammen, zu deren.
hermetischer Abdichtung zwei ringförmige Einlagen vorgesehen sind. Pu'r den Zutritt
zu den Längakanälen des Wassersammlers, wo die Isolier- und Dichtungsteile untergebracht
sind, ist bei einer Reparatur eine Demontage des Wassersammlers erforderlich, was
eine Störung der hermetischen Abdichtung nach sich zieht.
-
Eine Demontage des Wassersamilers ist ebenfalls für den Zutritt zu
den Dichtungen von Radialrohren notwendig, über die die hydraulische Verbindung
zwischen den Kammern des Wassersamlers und der Läuferwelle zustande kommt Gemäß
der schweizerischen Patentschrift N.447353 HOZK9/16 vom Jahre 1967 kommt die hydraulische
Verbindung zwischen den Kammern des Wassersammlers und der Läuferwelle mit Hilfe
von innerhalb der Welle in einem Abstand von der Welle verlaufenden Radialrohren
und einem Zentralrohr zustande.
-
Nachteilig ist bei dieser Konstruktion die Notwendigkeit der Demontage
und Störung der hermetischen Abdichtung des Wassersammlers, falls ein Zutritt zu
den im
Wassersammler untergebrachten Isolier und Dichtungsteilen
erforderlich wird.
-
Die Ausnutzung der auf der Welle sitzenden Radialrohre und des Zentralrohrs
zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Wassersammler und der Welle schafft
große Schwierigkeiten bei der hermetischen Abdichtung der Rohre voneinander und
der Ausbildung von zur Verhinderung der Übertra -gung von Wellenschwingungen auf
die Rohre notwendigen Abständen zwischen da Rohren und der Welle.
-
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile
zu vermeiden.
-
Der Erfindung liegt eine derartige konstruktive Lösung für die Zu-
und Abführung der Flüssigkeit von der Läuferwicklung der Maschine zugrunde, die
einen freien Zugang ,zu den Isolierun und Dichtungsteilen des Wassersammlers sowie
eine bequemerß Montage der die Kammern des Wassersammlers mit den Kanälen der Welle
verbindenden Rohre sichert.
-
Dies wird dadurch erreicht, daß der Läufer der elektrischen Maschine
Kanäle innerhalb der-Welle, eine Wicklung aus Hohlleitern, durch die eine Kühlflüssigkeit
durchgeleitet wird, und einen an der Bandage des Wickelkopfes befestigten Wassersammler
mit Druck- und AbfluBkammern, die mit den Eohlleitern der Wicklung mit Hilfe von
Längskanälen des Wassersammlers kommunizieren, enthält, wobei die Längskanäle des
Wassersammlers erfindungsgemäß bis an dessen
Stirnfläche reichen,
die zugleich die Stirnfläche des Läufers darstellt, und mit den genannten Kammern
des Wassersammlers mit Hilfe von Radialkanälen kommunizieren, während dessen Druck-
und Abflußkammern zwischen den Längskanälen und der der Läuferwelle zugewandten
Oberfläche des Wassersammlers liegen und die geöffneten Löcher der Längskanäle auf
der Stirnfläche des Wassersammlers durch abnehmbare Elemente abgeschlossen sind.
-
Es ist zweckmäßig, das abnehmbare Element in Form einer Verschlußschraube
auszuführen.
-
Es ist zweckmäßig, daß die Druck- und Abflußkammern mit den Kanälen
innerhalb der Welle mit Hilfe von längsgerichteten Rohren komuizieren, deren ein
es Ende am Wassersammler und das andere am Fuße des aktiven Eisens der Länferwelle
befestigt ist.
-
Es ist ebenfalls zweckmäßig, daß die genannten Rohre in die Nuten
der Läuferwelle eingelassen werden.
-
Die vorliegende Konstruktion des Läufers der elektrischen Maschine
kann nach der vorliegenden Erfindung eine weite Verwendung bei den Turbogeneratoren
mit einer Leistung von 2000 äW und sogar mehr finden, wobei einehohe Betriebszuverlässigkeit
und eine einfache Herstellung bei der Produktion sichergestellt werden. Die Vorprüfungen
und Porschungen unter Benutzung von Modellen und Versuchsaustern ergaben positive
Resultate.
-
Die Erfindung soll nachstehend an Hand einer Beschrei -bung unter
Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert werden, wo zur Eindeutigkeit
der Darlegung eine konkrete spezielle Fachsprache gebraucht wird, die Erfindung
wird jedoch keinesfalls auf übliche Fachausdrücke beschränkt, und es muß im Auge
behalten werden, daß jeder Fachausdruck alle äquivalenten Elemente umfaßt, die eine
ähnliche Arbeitsweise besitzen und zur Lösung derselben Aufgaben, wie auch die vorliegende
Erfindung, verwendet werden.
-
Es muß auch im Auge behalten werden, daß die anderen Ziele und Vorteile
der vorliegenden Erfindung, außer den vorstehend erwähnten, nachfolgend bei der
Darlegung der Beschreibung und der Betrachtung von Zeichnungen erläutert werden.
Wobei es zeigt Fig.1 einen Längaschnitt durch den Teil des Ie fers der
| elektrischen Maschine seitens der Zu- und AbführunJgaus den |
| Hohlräumen der Wicklung der Kühlflüssigkeit mit einem Wasser- |
sammler, dessen Druck- und Abflußkammern in verschiedenen Querebenen liegen; Fig.2
einen Längsschnitt durch den Wassersammler, dessen Druck- und Abflußkammern in einer
und derselben Querebene liegen; Fig.3 einen querschnitt durch den Wassersammler,
dessen Druck- und Abflußkammern in einer und derselben .Querebene liegen (einen
Schnitt III-III nach Fig.2).
-
Bei einer der möglichen Varianten hat der Läufer 1 (Fig.1) der elektrischen
Maschine eine aus voneinander durch Zwischenlagen 3 isolierten blanken Hohlleitern
2 ausgeführte Wicklung. Die Leiter 2 der Wicklung sind in aas aktive Eisen 4 des
Laufers 1 eingebettet und ragen zum Teil daraus hervor. An je zwei Leitern 2 des
aus dem aktiven Eisen 4 hervorragenden Wicklungsteils sind mit dem Wassersammler
6 über die Längskanäle 7 verbundene Stutzen 5 befestigt. Der Wassersammler 6 ist
an einem freitragenden Bandagenring 8 angeordnet, der mit seiner Seite 9 am aktiven
Eisen 4 des Läufen befestigt und vor Längsbewegungen durch eine Mutter 10 und einen
Keil 11 zurückgehalten wird. Der Wassersammler 6 weist außer den Längskanälen 7
auch eine Druckkammer 12 und eine Abflußkammer 13 auf, die in Form von ringförmigen
Hohlräumen ausgeführt sind. Die Druckkammer 12 und die Abflußkammer 13 kommunizieren
mit den Längskanälen 7 über in den Radialebenen des Wasserswnmlers 6 liegende Kanäle
14.
-
Die Druckkammer 12 und die Abflußkammer 13 kommunizieren mit den
Kanälen 15 der Welle 16 des Läufers 1 mittels längsgerichteter Rohre 17, deren ein
Ende 18 in einen der Kanäle 15 der Welle 16 am Fuß 19 des Kernes aus aktivem Eisen
4 und das andere Ende 20 in ein mit der Druckkammer 12 oder der Abflußkammer 13
kommunizierendes Loch 21 des Wassersammlers 6 hineinkommt.
-
Die beiden Enden 18 und 20 jedes der Rohre 17 sind durch Einlagen
22 und 23 abgedichtet. Die Längskanäle 7 reichen bis an die Stirnfläche 24 des Wasserssmmlers,
die ebenfalls als Stirnfläche des Läufers auftritt, und die durch diese Kanäle gebildeten
Löcher sind durch Verschlußschrauben 25 und 26 abgedeckt. Darüber hinaus gibt es
im Wassersammler ein durch eine Verschlußschraube 27 abgedecktes Loch.
-
Der beschriebene Wassersammler wird für eine Läuferwicklung mit abwechselnden
Druck- und Abfluß-Leitungsenden dem eingesetzt. Falls die ausvaktiven Eisen des
Läuferkernes herausragenden Druck- und Abfluß-Leitungsenden zu Bündeln zusammengefaßt
sind, von denen jedes lediglich aus Druck, oder Abfluß-Leitungsenden besteht, wird
ein Wassersammler 6a (Fig.2) eingesetzt, der sich von dem vorstehenden dadurch unterscheidet,
daß die Druckkammern 12a und die Abflußkammern 13a (Fig.3) in einem ringförmigen
Hohlraum 28 des Wassersammlers 6a (Fig.2) liegen, der durch radiale Zwischenwände
29 (Fig.3) in die Kammern 12a und 13a bildende Teile getrennt ist.
-
Die Kühlflüssigkeit für die Leiter 2 (Fig.1) der Wicklung des Läufers
1 gelangt aus den Kanälen 15 der Welle 16 in die Rohre 18 und daraus in die Druckkammer
12 (Fig.1) oder 12a (i'ig.3) und kommt durch die Kanäle 14 (Fig.1) oder die Kanäle
14a (Fig.2) in die Kanäle 7 (Fig.1) oder die
Kanäle 7a (Fig.2).
Dann gelangt die Kühlflüssigkeit durch die ,Stutzen 5 (Fig.1) in die Leiter 2 der
Wicklung des Läufers 1. Der Ablauf der Kühlflüssigkeit gescnieht in ähnlicher Weise.
-
Der Zugang zu den Isolier- und Dichtungsteilen des Wassersalnmlers,
die in dessen Kanälen untergebracht sind, erfolgt durch ein einfaches Abschrauben
der Verschlußschrauben 25, 26, 27.