DE2337487B2

DE2337487B2 - Dynamoelektrische Maschine

Info

Publication number: DE2337487B2
Application number: DE2337487A
Authority: DE
Inventors: David Mac Cleggan Scotia N.Y. Willyoung (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-07-31
Filing date: 1973-07-24
Publication date: 1980-05-22
Also published as: DE2337487C3; JPS4958303A; CA958746A; GB1398507A; CH559984A5; DE2337487A1; US3755702A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine dynamoelektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches I. Eine derartige dynamoelektrische Maschine ist aus der DE-OS 18 01 054 bekannt. so

Insbesondere bei großen Generatoren muß jedes Maschinenbauteil für einen sicheren Betrieb auch bei ungünstigsten Bedingungen ausreichend gekühlt sein. Beispielsweise ist bei einem flüssigkeitsgekühlten Generatoranker jeder Ankerleiter aus vielen getrennt « isolierten Hohlleitern aufgebaut, die hydraulisch parallel geschaltet Flüssigkeit führen. In ähnlicher Weise sind die Ankerleiter, die die gesamte Wicklung bilden, hydraulisch gewöhnlich ·η mehreren parallelen Gruppen verbunden, die häufig zahlenmäßig gleich der «> Gesamtzahl der Ankerleiter in der Wicklung sind. Bei einer derartigen direkt gekühlten Wicklung muß bekanntlich darauf geachtet werden, daß ein Verdampfen oder Sieden in irgendeinem hydraulischen Kreis niemals auftreten kann, da der dabei entstehende Dampf b^r> die Kühlflüssigkeitsströmung in drastischer Weise reduzieren würde, wodurch ein weiteres Verdampfen oder Sieden und eine nahezu vollständige Strömungsblockierung in dem Strang oder Ankerstab in der Wicklung auftreten würde. Eine zusätzliche Gefahr bei einer derartigen Situation besteht darin, daß sich in den isolierenden Hochspannungs-Auslaßschläuchen Dampf sammeln kann, die Flüssigkeitssäule unterbrochen werden und hohe dielektrische Beanspruchungen über dem dampfgefüllten Abschnitt des Schlauches auftreten können, wodurch die Gefahr eines örtlichen Lichtbogens entsteht, der den Schlauch zerstören könnte.

Eine Dampfbildung in den flüssigkeitsgekühlten Leitern oder Schläuchen könnte selbstverständlich dadurch unterdrückt werden, daß der Flüssigkeit- Kühlkreis kontinuierlich unter Druck gesetzt wird. Dies ist jedoch keine wünschenswerte oder zufriedenstellende Lösung, da die mechanischen Beanspruchungen auf die Leiter oder Schläuche erhöht und Brüche hervorgerufen werden können.

Eine weitere Überlegung bei der Auslegung einer flüssjgkeitsgekühlcen Ankerwicklung betrifft die stationäre Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die durch die hohlen Kupferleiter hindurchfließt. Eine überhöhte Geschwindigkeit, die über eine längere Zeit aufrecht erhalten wird, führt jedoch zu einer erosiven Zerstörung der Wände des hohlen Kupferleiters.

Es ist schließlich aus der eingangs genannten DE-OS 18 01 054 bekannt, den Druck im Kühlkreislauf während kritischer Phasen des Betriebes, insbesoi.dere während des Anfehrens der Maschine gegenüber dem Normaldruck so zu erhöhen, daß an der Stelle des geringsten Druckes kein Sieden bzw. Verdampfen der Kühlflüssigkeit auftritt. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß die kritischen Phasen nicht im einzelnen festgestellt werden und die Einrichtung zur Druckerhöhung bei einer relativ schnellen Folge von kritischen Phasen nicht funktionsfähig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dynamoelektrische Maschine mit Flüssigkeitskühlsystem der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß die Druckerhöhung im Kühlflüssigkeitssystem in Abhängigkeit vom Auftreten kritischer Betriebsbedingungen gesteuert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Steuereinrichtung bei allen auftretenden und abgetasteten Überlastzuständen betätigt wird und für eine zusätzliche Kühlung sorgt. Nach jeder Betätigung wird der Behälter für die Kühlflüssigkeit sofort wieder gefüllt, so daß er auch bei kurzzeitig aufeinander folgenden Überlastzuständen betriebsbereit ist. Die Steuereinrichtung kann auch ohne Überlastzustand selektiv betätigt werden, um durch die stoßartige Kühlmittelzufuhr die Leitungen des Flüssigkeitskühlsystems von Fremdteilchen zu reinigen.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Figur zeigt teilweise schematisch ein Ausführungsbeispiel einer flüssigkeitsgekühlten, gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine. Die gestrichelten Linien stellen elektrische Verbindungen dar.

Die dargestellte gasgekühlte, flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschine 11, die beispielsweise ein Turbinengenerator sein kann, enthält ein gasdichtes Gehäuse 15, einen Statorkern 19 mit einer Rotorbohrung 21 und einen Rotor 25. Um den Innenumfang des

Kernes 19 herum angeordnete Nuten enthalten eine mehrphasige Ankerwicklung 22 mit Spulenseiten 22a und Wickelkopfabschnitten 22b und 22c, wie es allgemein bekannt ist Die dynamoelektrische Maschine ist sowohl gasgekühlt als auch flüssigkeitsgekühlt Das gasförmige Kühlmittel wird durch einen Gaseinlaß 29 eingeführt, der von einem nicht gezeigten Versorgungstank mit Gas (gewöhnlich Wasserstoff) gespeist werden kann, wie es in der Zeichnung angedeutet ist Der Gasdruck innerhalb des Gehäuses 11 wird durch eine nicht gezeigte Druckregeleinrichtung auf einem festen Wert gehalten und liegt typischerweise mehrere Atmosphären über Atmosphärendruck, um die Wärmetransporteigenschafien des Gases zu vergrößern. Dieses Kühlgas wird mittels auf der Welle angebrachter Lüfter 23 durch wärmeerzeugende Teile der dynamoelektrischen Maschine, wie beispielsweise Rotor oder Statorkern, gedrückt und dann durch Wärmetauscher 24 hindurchgeleitet, um Wärme von der dynamoelektrischen Maschine abzuführen.

Das Flüssigkeits-Kühlsystem ist schematisch durch eine Rohrleitungsanordnung dargestellt Die Pfeile geben die Strömungsrichtung des flüssigen Kühlmittels an. An dem einen Ende des Generators ist ein Einlaß-Verteilerring 31 für das flüssige Kühlmittel vorgesehen, der die Kühlflüssigkeit einer Einspeisung in und durch die mehrphasige Ankerwicklung leitet mittels elektrisch isolierender Einlaßschläuche 26 und Auslaßschläuche 27 und eines Auslaß-Verteilerringes 35. In diesem Ausführungsbeispiel, das für flüssigkeitsgekühlte, gasgekühlte Turbinengeneratoren typisch ist, m ein isolierender Einlaßschlauch 26 und ein isolierter Auslaßschlauch 27 normalerweise mit jeder Ankerwicklungsspule in den entsprechenden Wickelkopfabschnitten 226 und 22c verbunden, so daß alle Spulen hydraulisch parallel arbeiten, obwohl viele Spulen elektrisch in Reihe geschaltet sein können, um die richtige Ausgangsspannung und mehrphasige Ausgangsleistung zu erhalten.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nicht dargestellt ist, können Teile des Statorkernes 19 durch Flüssigkeit entweder allein oder zusätzlich zu den Ankerwicklungen 22 gekühlt werden. Zahlreiche auf dem Umfang im Abstand angeordnete Flüssigkeitskreise, die hydraulisch parallel arbeiten, sind auch in diesem Fall erforderlich mit dem gleichen Risiko der hydraulischen Instabilität zwischen parallelen Strömungskreisen oder die Möglichkeit einer drastischen Herabsetzung der Kühlmittelströmung in einigen Kreisen aufgrund von Dampfbildung, das in der Ankerwicklung 22 gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht Deshalb ist die Anwendung der Erfindung auch in einem derartigen Ausführungsbeispiel vorteilhaft

Das flüssige Kühlmittel fließt von dem AuslaP-Verteilerring 35 in einen Vorratstank 39, der üblicherweise etwa Vi mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Ein Gasüberwachungs- und Warnsystem kann mit dem Vorratstank oberhalb des Flüssigkeitsspiegels verbunden sein, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, um so das Gas to (Wasserstoff) zu überwachen, das im Falle einer Leckage im Flüssigkeitssystem innerhalb des Generatorgehäuses 15 in den Flüssigkeitsstrom mitgerissen wird und dann in den Raum oberhalb des flüssigen Kühlmittels in dem Vorratstank austritt. Gasüberwachungs- und Leckageabtastsysteme sind allgemein bekannt und ein Beispiel ist in der US-PS 26 75 493 beschrieben. Der Vorratstank kann mittels einer Entlüftung 41 zur Atmosphäre geöffnet wsrden.

Die Kühlflüssigkeit kann von dem Vorratstank mittels einer Hauptpumpe 45 über einen Wärmetauscher 49 und dann durch ein Regulierventil 51 geleitet werden, das die Kühlflüssigkeitseinspeisung in den Einlaß-Verteüerring 31 und den Statorkern 19 darstellt Ferner können ein geeignetes Filter 52, Entmineralisierer, Deionisierer usw. enthalten sein, falls dies erforderlich ist Dies bildet den »normalen« Strömungsumlauf des flüssigkeitsgekühlten, gasgekühlten Generators.

Die Einrichtung, durch die das normale Verhältnis von Flüssigkeits- zu Gasdrucken aufrechterhalten wird, wird durch einen Druckdifferenzregler 55 gebildet, von dem ein oberer Abschnitt 55a gasförmiges Kühlmittel (Wasserstoff) enthält, das von dem Generatorgehäuse abgelassen wird; ein unterer Abschnitt 556 des Reglers 55 enthält flüssiges Kühlmittel, das aus dem Flüssigkeits-Kühlsystem abgelassen wird. Eine durch eine Feder vorgespannte Membran 55c trennt die Flüssigkeit und das Gas und ist auch an einem Ventil 59 befestigt das durch Heben der Membran betätigt werden kann, um überschüssiges flüssiges Kühlmittel zum Vorratstank zurückzuleiten, wodurch unter normalen Betriebsbedingungen ein Flüssigkeitsdruck aufrechterhalten wird, der kleiner als der Gasdruck ist. In Verbindung mit dem Ventil 59 ist eine Rückleitschleife 61 vorgesehen. Die Ableitung von überschüssiger Kühlflüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Kühlsystem gestattet die Aufrechterhaltung des gewünschten Druckes des flüssigen Kühlmittels.

Um während kritischer Betriebszustände für eine Druckerhöhung im Flüssigkeitskühlsystem zu sorgen, ist ein unter Druck stehender Behälter 65 vorgesehen, der mit einer Kühlflüssigkeitsmenge gefüllt ist, die zur Bewältigung der ungünstigsten vorhersehbaren Oberbeiastung ausreicht. Der Behälter wird dadurch gefüllt daß Kühlflüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Kühlsystem mittels einer steuerbaren Hilfspumpe 71 stromaufwärts von dem Behälter 65 in eine Zusatzschleife 67 gepumpt wird. Zwischen dem Behälter 65 und der Hilfspumpe 71 ist ein Regulierventil 75 angeordnet. Unter normalem stationärem Betrieb des Generators wird der Inhalt des Vorratsbehälters 65 unter hohem Druck gehalten, das Regulierventil 75 ist geschlossen und die Hilfspumpe 71 ist abgeschaltet. Die Hilfspumpe wird durch einen Drucksensor und ein Betätigungselement 72 in Abhängigkeit vom Druck im Behälter 65 gesteuert.

Bei normalen Druckverhältnissen ist die Kühlflüssigkeit im Behälter 65 an einem Eintritt in das Flüssigkeitskühlsystem durch ein Schaltventil 79 gehindert, das stromabwärts von dem Behälter zwischen dem Flüssigkeitskühlsystem und dem Behälter angeordnet ist. Das Schaltventil schließt, wenn der Spiegel der Kühlflüssigkeit unter die Niedrigwert-Abschaltschleife 81 abfällt.

Das Schaltventil 79 wird durch eine selektiv auslösbare Steuereinrichtung mit einer Ventilbetätigung 85 geöffnet, das ein durch eine Magnetspule betätigter Mechanismus sein kann, der auf ein elektrisches Signal anspricht. Mit der Ventilbetätigung können drei Eingangssignale liefernde Leiter »accund «ere verbunden sein.

Der Leiter »a« verbindet elektrisch einen Temperatursensor 87 mit der Ventilbetätigung. Der Temperatursensor kann eine Anzahl von Thermoelementen enthalten, die zur Abtastung der höchsten Temperatur in irgendeinem der Auslaßschläuche 27 des Flüssigkeitskühlsystems für die Statorstäbe angeordnet sind. Dies

ergibt im allgemeinen ein Temperatursignal, das höchst empfindlich ist gegenüber irgendwelchen vorübergehenden Temperaturerhöhungen, die in der flüssigkeitsgekühlten Ankerwicklung 22 auftreten können.

Der Leiter »b« verbindet elektrisch die Ventilbetätigung 85 mit einem Ankerstromtransformator 91, der an den Phasenwicklungsklemmen angeordnet ist, oder mit irgendeiner anderen den Ankerstrom erfassenden Vorrichtung. Im Falle einer Überbelastung wird ein Signal vom Transformator zum Ventilstellglied geliefert, wodurch das Schaltventil 79 geöffnet wird.

Der Leiter »c« verbindet die Ventilbetätigung mit einer als Timer 95 bezeichneten Zeitsteuerung, die derart eingestellt sein kann, daß die Ventilbetätigung in regelmäßigen Intervallen betätigt wird, um das Flüssigkeitskühisystem zu reinigen. Die Zeitsteuerung kann in Verbindung mit entweder stromabhängigen oder temperaturabhängigen Vorrichtungen oder beiden verwendet werden.

Unter normalen Betriebsbedingungen sind also das Regulierventil 75 und das Schaltventil 79 geschlossen, während das Regulierventil 51 geöffnet bleibt. Damit kann Kühlflüssigkeit von dem Vorratstank 39 über das geöffnete Regulierventil 51 in die dynamoelektrische Maschine gepumpt und von dort zum Vorratstank 39 zurückgeleitet werden. Unter diesen Bedingungen überschreitet der Druck des gasförmigen Kühlmittels den Druck an allen Punkten in dem aktiven Flüssigkeitskühlsystemkreis, wobei die Relation durch den Druckdifferenzregler 55 in Verbindung mit dem Ventil 59 und der Rückleitschleife 61 aufrechterhalten wird. Wenn in dem Flüssigkeitskühlsystem innerhalb des Gehäuses irgendwelche Leckagen auftreten sollten, gelangt Gas ir die Flüssigkeit, und dieser Umstand kann durch ein bekanntes Lecküberwachungs- und Warnsystem abgetastet werden.

Wenn entweder der Temperatursensor 87 oder der Ankerstromtransformator 91 eine Überbelastung der dynamoelektrischen Maschine abtastet, signalisiert dieser der Ventilbetätigung 85, das Schaltventil 79 zu öffnen, wodurch ein Strömungsstoß des flüssigen

ίο Kühlmittels durch das Flüssigkeitskühlsystem hervorgerufen wird. Dieser schließt automatisch das Regulierventil 51, da die Drucksäule des Strömungsstoßes die Drucksäule der normalen Kühlflüssigkeitsströmung übersteigt. Sobald der Flüssigkeitsspiegel in dem Behälter 65 unter das Niveau der Abschaltschleife 81 fällt, schließt das Schaltventil 79 und das Regulierventil 51 kann sich wieder öffnen und wieder die normalen Druckverhältnisse von Kühlflüssigkeit zu Kühlgas herstellen. Der Behälter 65 wird sofort wieder gefüllt und unter Druck gesetzt durch die Hilfspumpe 71, die während des Stoßbetriebes in Betrieb gesetzt wird, wenn der Druck im Behälter 65 unter seinen vorgeschriebenen Wert abfällt, wodurch Kühlflüssigkeit durch das Regulierventil 75 fließt und das Schaltventil 79 schließt Die Hilfspumpe 71 wird abgeschaltet wenn der vorgeschriebene normale Druck im Behälter 65 erreicht ist Der Strömungsstoßbetrieb kann auch unter normalen Bedingungen in regelmäßigen Zeitabständen vorgenommen werden, indem die Zeitsteuerung (Timer 95) entsprechend eingestellt wird. Dabei werden irgendwelche Fremdteilchen aus dem System herausgespült

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Dynamoelektrische Maschine mit durch ein Flüssigkeitskühlsystem im geschlossenen Kreislauf direkt flüssigkeitsgekühlten Maschinenteilen, mit > einem flüssigkeitsgefüllten Behälter, der Ober ein in Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit gesehen vor den Maschinenteilen angeordnetes Schaltventil mit dem Flüssigkeitskühlsystem verbindbar ist und der unter einem gegenüber dem Flüssigkeitskühlsystem erhöhten Druck steht, wobei das Schaltventil während vorübergehender kritischer Betriebszustände der Maschine den Behälter mit dem Flüssigkeitskühlsystem verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (79) durch eine selektiv auslösbare Steuereinrichtung betätigbar ist und daß der Behälter (65) über eine in Abhängigkeit vom Behälterdruck steuerbare Hilfspumpe (71) mit dem Flüssigkeitskühlsystem leitungsmäßig verbunden ist

2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung auf Überlastbedingungen der dynamoelektrischen Maschine anspricht.

3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung auf erhöhte Temperaturen der dynamoelektrischen Maschine anspricht.

4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung Ju einen aus mindestens einem Thermoelement aufgebauten Temperatursensor (87) enthält.

5. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung auf den durch einen Transformator (91) erfaßten Ankerstrom der dynamoelektrischen Maschine anspricht.

6. Dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Zeitsteuerung (95) enthält, die bei Bedarf zu Reinigungszwecken einschaltbar ist.