DE2360830C3

DE2360830C3 - Geschlossene elektrische Maschine

Info

Publication number: DE2360830C3
Application number: DE19732360830
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Rjasanov, Vjatscheslav Georgievitsch; Gusev, Vjatscheslav Vasilevitsch; Nowosibirsk (Sowjetunion)
Filing date: 1973-12-06
Publication date: 1977-11-10

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine geschlossene elektrische Maschine mit einem die Maschine umschließenden und in das Maschinengehäuse eingebauten Wärmetauscher, der aus parallel zur Längsachse der elektrischen Maschine angeordneten Rohren besteht, die von einem Kühlmittel durchströmt und von einem Innenkühlgasstrom mit einer Komponente in Umfangsrichtung umströmt sind, und mit in axialer Richtung verlaufenden, jeweils abwechselnden Verteilungs- und Aufnahmekammern für den Innenkühlgasstrom, welche sowohl mit dem Innenraum der elektrischen Maschine als auch mit dem Wärmetauscher Verbindung haben. Eine solche Maschine ist aus der Monographie »Fragen der Projektierung von Turbogeneratoren« von E. G. Korn ar, Moskau und Leningrad 1955, Seite 214 bekannt.

Kühlsysteme dieser Art werden insbesondere für elektrische Maschinen großer Leistung verwendet. Problematisch ist dabei die Erzielung eines gedrängten Aufbaus bei ausreichender Kühlung des im Inneren zirkulierenden Kühlgasstroms.

Gegenüber Maschinen, deren Wärmetauscherrohre vom Innenkühlgasstrom längs derselben umströmt werden und die deswegen keinen günstigen Wärmeübergang erreichen, hat die vorstehend beschriebene bekannte Ausbildung aufgrund der Komponente der Innenkühlgasströmung in Umfangsrichtung den Vorteil der größeren Effektivität des Wärmctauschs zwischen den Medien. Nachteilig ist hier jedoch, daß die Verteilunes- und Aufnahmekammern /wischen den in einzelne Sektionen zusammengefaßten Wärmetauscherrohren vorgesehen sind, so daß ein großer Teil des Umfangsraums nicht genutzt ist. Der Strömungsquerschnitt der Verteilungs- und Aufnahmekammern zwischen den Rohrsektionen ist längs der Maschinenachse konstant, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des Innenkühlgasstroms sich längs der Kammern vom Maximalwert bis auf Null ändert, was ebenfalls eine Verringerung des Wirkungsgrades mit sich bringt. Es kommt hinzu, daß die sektionsweise Unterteilung der Rohre größeren Fertigungsaufwand mit sich bringt, als es ein sektionsloser Wärmetauscher mit gleichmäßig über den Umfang verteilten Rohren erfordert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es mithin, eine elektrische Maschine der vorausgesetzten Bauart so auszubilden, daß bei kompakter Bauweise und guter Effektivität des Wärmetauschs eine sektionslose Bauweise des Wärmetauschers Verwendung finden kann. Die Unispülung der Wärmetauscherrohre mit dem lnnenküh.lgas soll auf ihrer gesamten Erstreckung mil

(>o weitgehend konstanter optimaler Geschwindigkeit erfolgen.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen elektrische!¹. Maschine nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Verteilungs- und die Aumahmekammern radial außen durch eine mit Abstand zum Ständerblechpaket angeordnete und sieh von der einen zu der anderen Gehäusestirnwand erstreckenden Hülse radial innen durch das Ständerblechpaket sowie an

Stirnseiten anstoßende zylindrische Trcnn- ^"iind in Umfangsrichtung durch wenigstens zwei ι "nesachse der Maschine einen Winkel einschlies- *Γ Radialirennwände begrenzt sind, wobei die Ver- ■Ληβ. der Kammern mit dem Wärmetauscher durch u "axialer Richtung erstreckende schlitzförmige ⁵ hnitte in der Hülse hergestellt ist. η dieser vorgeschlagenen Ausbildung umspült der nWihleasstrom die Wärmetauscherrohre gleich-¹^a, und mit einer Komponente in Umfangsrichu/nhei die Strömungsgeschwindigkeit selbst noch tung,woü paralell fließende Ströme

^daV°ⁿfgim wiid, d. h. von der Anzahl der Ver-"i ines und Aufnahmekammern auf dem Umfang.

Pf ist zweckmäßig, wenn jeweils benachbarte Ra-,<· !trennwände unter Bildung einer V-Form zunlnder angeordnet sind, wobei die in der Hülse Teeführten schlitzförmigen Ausschnitte jeweils in Γ*, ängssymmetrieebene der Verteilungs- und Aufnanmekammern Hegen können. Dadurch ergeben bei einfachem Aufbau genngsimoghche Stro-

s_tweit_erhin zweckmäßig, im Wärmetauscher -Versteirungsrippen anzuordnen, die in den gen Ausschnitten,

Fig. 9 eine weitere Ausführung der elektrischen Maschine mit einem ins Gehäuse eingebauten und aus einzelnen Sektionen ausgeführten Kühler, F i ε. 10 den Querschnitt nach der Linie X-X von Fig. 9,

Fig. 11 einen Ausschnitt einer Radialtrennwand, Fig. 12a, b und c Ausführungen von Segmenten der zylindrischen Hülse.

ίο Die elektrische Maschine gemäß Fig. 1 enthält ein Gehäuse 1, ein im Gehäuse 1 befestigtes Ständerblechpaket 2 mit einer Wicklung 3, einem System von Kühlkanälen 4 und Preß-Platten 5; eine Welle 6 mit Läuferblechpaket 7, einer Wicklung 8, einem System von Kühlkanälen 9, einem Innenlüfter 10 und einem Außenlüfter 11; Lagerschilde 12 mit Lagern 13 und ein Gehäuse 14 des Außenlüfters 11.

Der zwischen dem Außengehäuse 15, den Stirnwänden 16 und dem Ständerblechpaket 2 liegende :o Innenhohlraum des Gehäuses 1 wird von der zylindrischen Hülse 17 in zwei Bereiche eingeteilt, wobei die zylindrische Hülse 17 von einer Stirnwand 16 bis zur anderen Stirnwand 16 reicht und sowohl ganzteilig, als auch aus mehreren Segmenten ausgeführt

Ständerbiecnpanei «»uv-v,»^ -·- --■ --

wände so zwischen benachbarten Versteifungsrippen angeordnet sind, daß die Verteilungs- und die Aufnahmekammern zwischen diesen und den Radialü-ennwänden gebildet sind. Dabei können die schlitzförmigen Ausschnitte in der zylindrischen Hülse unmittelbar an den Längs-Versteifungsrippen hegen.

Fs ist schließlich zweckmäßig, wenn die Radialtrennwände die schlitzförmigen Ausschnitte sowie die Längs-Versteifungsrippen zwischen dem Außengehäuse und dem Ständerblechpaket symmetrisch zur mittleren Querebene der Maschine angeordnet sind.

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig 1 eine elektrische Maschine mit ins Gehäuse eingebautem Wärmetauscher gemäß der Erfindung nungen der Stirnwände 16 eingewalzt sind. Die Rohre 19 sind im Querschnitt gleichmäßig über den Umfang der Maschine verteilt.

Im Gehäuse 1 sind Längs-Versteifungsrippen 20 angeordnet, welche den Wärmetauscherbereich 18 in Sektionen 21 teilen. Für die Beblasung der Sektionen 21 mit dem zu kühlenden Gas weist die zylindrische Hülse 17 in Längsrichtung neben den Versteifungsrippen 20 ausgeführte schlitzförmige Ausschnitte 22' und 22" auf, wobei die Ausschnitte 22' zum Einführen des zu kühlenden Gases in die Sektionen 21 und die Ausschnitte 22" zum Abführen des zu kühlenden Gases aus den Sektionen 21 dienen.

In der zwischen der zylindrischen Hülse 17 und dem Ständerblechpaket 2 liegenden Ringzone 23 sind Verteilungskammern 24 und Aufnahmekammern 25 ausgeführt, die durch Radialtrennwände 26 getrennt sind, welche geneigt zur Längsachse der elektrischen Maschine stehen und zwischen den benachbarten Längs-

sind. Die Radial

gen Ausscnninen y\\\ mlihuh_B uv.., ^ .w.~„

Fig. 2 gesehen mitabgenommenem Ständerblechpaket und entfernten zylindrischen Trennwänden), Fig. 4 die Ansicht gemäß Fig. 3 in perspektivischer Darstellung,

Fig. 5 eine Ausführung der elektrischen Maschine ohne Anwendung von Längs-Versteifungsrippen (Querschnitt),

Fig. 6 die Ansicht in Richtung des Pfeiles B von Fig. 5 in abgewickelter Darstellung (Ständerblechpaket und zylindrische Trennwände sind abgenommen),

Fig. 7 eine Ausführung der elektrischen Maschine mit symmetrischem Kühlungssysiem (Längsschnitt),

Fig. 8 die Ansicht des in der elektrischen Maschine nach Fig. 7 ausgeführten Systems von Radialtrennwänden, Längs-Versteifungsrippen und schlitzförmikammern 24 mit den Sektionen 21 nur über die schlitzförmigen Ausschnitte 22' Verbindung haben und die Aufnahmekammern 25 mit den Sektionen 21 nur über die schlitzförmigen Ausschnitte 22'' Verbindung haben.

Da das Ständerblechpaket 2 in der Axialrichtung kürzer als die erforderliche Länge der Verteilungskammern 24 und der Aufnahmekammern 25 ist, sind

an den Stirnseiten des Ständerblcchpakcts zylindrisch*. Trennwände 27 eingebaut, die zusammen mit de Außenfläche des Stünderblcchpakets 2 die Ring/om 23 begrenzen. Die zylindrischen Trennwände 27 habet außerdem die Aufgabe, die Wickelkopfzone der Stan

,·,·, derwicklung 3 aerodynamisch günstig zu umgrenzen Zu demselben Zweck sind mit den zylindrische! Trennwänden 27 auch ringförmige Trennwände 2 und 29 verbunden. Die ringförmigen Trennwände 2

und 29 sind in der Axialrichtung in einem Abstand von den Stirnwänden 16 angeordnet, so daß die Verteilungskammern 24 und die Aufnahmekammern 25 mit dem Innenhohlraum 30 der elektrischen Maschine in Verbindung stehen.

An ihren Stoßstellen sind die beschriebenen Gchäusebauelemente vorwiegend durch Schweißung starr verbunden, nur die Rohre 19 sind in die Öffnungen der Stirnwände 16 eingewalzt, und die zylindrischen Trennwände 27 sind in die Ausdrehung des Gehäuses 1 unter Spannung eingesetzt. Dadurch kann nötigenfalls das Ständerblechpaket 2 aus dem Gehäuse 1 ausgebaut werden.

Im Betrieb der Maschine wird das Kühlmittel (die Umgebungsluft) vom Außenlüfter 11 an einer Stirnwand des Gehäuses 1 in die Rohre 19 eingeblasen, durchströmt diese bis zur anderen Stirnwand des Gehäuses I und tritt dort wieder aus, wie dies mit Pfeilen 31 angedeutet ist.

Das innen zirkulierende zu kühlende Gas (Pfeile 32) gelangt aus den Aufnahmekammern 25 in den Innenhohlraum 30 der elektrischen Maschine, passiert das System der Ständer-Kühlkanäle 4 und das System der Läufer-Kühlkanäle 9 und wird vom Lüfter 10 in die Verteilungskammern 24 gepreßt, wobei der Gasstrom in mehrere Parallelströmungen entsprechend der Anzahl der Kammern 24 geteilt wird. In den Verteilungskammern 24 bewegt sich das zu kühlende Gas in der Richtung der schlitzförmigen Ausschnitte 22' und gelangt in gleichmäßigen Strömen durch die ganze Länge der schlitzförmigen Ausschnitte 22' in die Kühlersektionen 21, fließt in einem gegenüber den Rohren 19 gleichmäßigen Strom in Umfangsrichtung, worauf es durch die schlitzförmigen Ausschnitte 22" in die Aufnahmekammern 25 eintritt, und beim Austritt aus diesen Kammern im Innenhohlraum 30 der elektrischen Maschine wieder einen ungeteilten Strom bildet.

Die Bewegung des zu kühlenden Gases ist mit den Pfeilen 32 sowie mit den Zeichen Θ und Θ angegeben, wobei das Zeichen ® die Bewegungsrichtung in die Zeichenebenc hinein und das Zeichen Θ die Bewegung aus der Zeichenebenc hervor bezeichnet. Da der Geschwindigkeitsvektor des zu kühlenden Gases in den Verteilungs- und Aufnahmekammern 24, 25 gleichzeitig eine axiale und eine Umfangskomponente (Fig. 3) aufweist, sind in Fig. 2 auch die Zeichen ©-»-und·*-© benutzt, die eine gleichzeitige Bewegung in die Zcichcnebcne hinein sowie nach rechts bzw. links andeuten.

In Fig. 1 bis 3 ist eine Ausführung der elektrischen Maschine mit Längs-Vcrstcifungsrippcn 20 dargestellt, deren Radial- und Axialabmcssungen maximal sind, d. h., die Längs-Vcrstcifungsrippcn 20 stoßen an das Außengehäuse 15 und das Ständerblechpaket 2 bzw. an die beiden Stirnwände 16 an. Dabei ist jede Sektion 21 zusammen mit ihren entsprechenden Kammern 24 und 25 strömungsniiißig vollkommen von den benachbarten Sektionen 21 zusammen mit ihren entsprechenden Kammern 24 und 25 getrennt. Dabei kann eine beliebige gan/c, auch ungerade Zahl von Sektionen oder nur eine Sektion vorgesehen sein.

Hs sind Ausführungen der Längs-Vcrslcifungsrippen 20 mit verkürzten Abmessungen in radialer oder axialer Richtung möglich, wenn diese Maßnahme technologische oder sonstige ökonomische Vorteile bringt und die Festigkeit des Gehäuses 1 ausreichend bleibt. I's sei dr.rauf hingewiesen, daß das beschriebene System zur Erzeugung der Bewegung des zu kühlenden Gases im Innenhohlraum des Gehäuses 1 im Prinzip auch ohne Längs-Versteifungsrippen ausgeführt werden kann.

Bei der Ausführung der elektrischen Maschine ohne Versteifungsrippen oder mit verkürzten Längs-Versteifungsrippen muß die Symmetrie der benachbarten Radialtrennwände in bezug auf die schlitzförmigen Ausschnitte gewährleistet sein, was durch V-förmige ίο Anordnung der benachbarten Radialtrennwände erreicht wird.

Aus F i g. 5 und 6 ist ersichtlich, daß die V-förmige Anordnung der Radialtrennwände 26 das Überströmen des zu kühlenden Gases in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömung aus den Verteilungskammern 24 in die Aufnahmekammern 25 über den Wärmetauscherbereich 18 bewirkt. Dabei müssen die Versteifungsrippen in der. Längs-Symmetrieebenen der Verteilungs- und Aufnahmekammern stehen.
In F i g. 7 und 8 ist eine Ausführung der elektrischen Maschine mit ins Gehäuse eingebautem Wärmetauscher und mit einem symmetrischen Kühlsystem, d. h. mit zwei Innenlüftern 10 und zwei zu kühlenden Gasströmungen dargestellt.

In diesem Falle wird das System der schlitzförmigen Ausschnitte 22' und 22" sowie der Radialtrennwände 26 symmetrisch in bezug auf die mittlere Querebene der elektrischen Maschine ausgeführt, um das Überströmen des zu kühlenden Gases von der linken zur rechten Hälfte der elektrischen Maschine in der Ringzone 23 oder im Wärmetauscherbereich 18 in einer längs der Rohre 19 gerichteten Strömung zu verhindern. Diese Gehäusebauart einer elektrischen Maschine kann nicht nur bei gleichmäßig verteilten Wärmetauscherrohren, sondern auch bei Wärmetauschern mit irgendwie in Gruppen zusammengefaßten Rohren verwendet werden.

Bei der in Fig. 9 und 10 dargestellten elektrischen Maschine bilden die Rohre beispielsweise die Sektionen 33 eine z. B. wassergekühlten Wärmetauschers, deren Herstellung gesondert von der elektrischen Maschine erfolgt und die ins Gehäuse 1 durch Durchbrüchc in der Stirnwand 16 eingebaut werden. Die Sektionen 33 bestehen aus parallel zur Längsachse der elektrischen Maschine angeordneten und von außen beripptcn Rohren 34, Flanschen 35, Deckeln 36 zur Zuführung des Kühlmittels sowie aus Abdichtungswänden 37. Für den Einbau der Sektionen 33 sind im Gehäuse 1 Führungen 38 vorgesehen.
Der Zusammenbau des Gehäuses der in Fig. 1 gi> zeigten elektrischen Maschine verläuft etwa folgendermaßen: Zuerst werden die Längs-Vcrslcifungsrippen 20 und die beiden Stirnwände 16 verschweißt, darauf werden das Außengehäuse 15, die aus einzelnen 5s Segmenten ausgeführte zylindrische Hülse 17 und die Radialtrcnnwändc 2f angeschweißt. Dann baut man die Rohre 1» ein, worauf in der angegebenen Reihenfolge das Ausglühen des Gehäuses und die Bearbeitung der Stirnwände 16, der Längs-Vcrstcifungsrippcn 20 ix> und der Radialtrcnnwiindc 26 zum Einsetzen des Ständcrblechpakcts 2 und der zylindrischen Trennwände 27 erfolgt.

Man kann feststellen, daß an die Form der Radialtrcnnwändc 26 und an die Genauigkeit beim Aus-Os schneiden dieser Trennwände aus einer Metallplatte keine besonderen Anforderungen gestellt zu werden brauchen. I's ist auch nicht unbedingt notwendig, die Radialtrcnnwand 26 schraubenförmig zu verbiegen;

sie kann auch ein flaches Werkstück darstellen, dessen längere Kanten durch zwei elliptische Kurven gebildet werden. Die Zulässigkeit dieser Form der Trennwand 26 ist leicht zu erklären, wenn man beachtet, daß die Radialtrennwand 26 eigentlich einen Teil der zur Längsachse der elektrischen Maschine geneigt stehenden Ebene darstellt, die zwischen zwei zur Achse der elektrischen Maschine parallel angeordneten zylindrischen Flächen liegt, welche durch die zylindrische Hülse 17 (Fig. 1) und die Außenfläche des Ständerkernpakets 2 gegeben sind.

Durch einfache Berechnung kann weiterhin nachgewiesen werden, daß bei einer Anzahl von 4 bis 6 Sektionen 21 das Rohstück für die Radialtrennwand 26 eine Form von längeren Seiten haben kann, die nicht nur elliptische Kurven, sondern durch Kreisbögen begrenzt wird, wobei auch ein Tür das Anschweißen ausreichend genaues Anliegen der Radialtrennwände 26 an die zylindrische Hülse 17 sichergestellt wird.

In Fig. 12a, b und c sind mögliche Formen von Segmenten für die Herstellung der zylindrischen Hülse 17 gezeigt. Die in Fig. 12b und c dargestellten Segmente ergeben eine bessere Befestigung an die Längs-Versteifungsrippen.

Die beschriebenen Ausführungen der elektrischen Maschine zeichnen sich durch folgende wesentliche Vorteile hinsichtlich der Anordnung der Gehäusebauelemente aus: Die die Verteilungs- und Aufnahmekammern ausmachende Ringzone ergibt praktisch keine Vergrößerung der Radialabmessung des Gehäuses und kann in der Regel ohne Schwierigkeiten zwischen den Wärmetauscherrohren und dem Ständerblechpaket angeordnet werden, da die Kühlerrohre sich ohnehin nicht unmittelbar über dem Ständerblechpaket befinden können, sondern auf einem Durchmesser liegen müssen, der größer als der Durchmesser des Flansches des Lagerschilds ist, welcher seinerseits wegen der Bolzenverbindung des Lagerschilds 12 mit den Stirnwänden 16 größer als der Außendurchmesser des Ständerblechpakets ist.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

/i Patentansprüche:

1. Geschlossene elektrische Maschine mit cm die Maschine umschließenden und in das N.uschinengehäuse eingebauten Wärmetauscher, der aus parallel zur Längsachse der elektrischen Maschine angeordneten Rohren besteht, die von einem Kühlmittel durchströmt und von einem Innenkühlgasstrom mit einer Komponente in Umfangsrichtung umströmt sind, und mit in axialer Richtung verlaufenden, jeweils abwechselnden Verteilungs- und Aufnahmekammern für den Innenkühlgasstrom, welche sowohl mit dem Innenraum der elektrischen Maschine als auch mit dem Wärmetauscher Ver- i; bindung haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungs- (24) und die Aufnahmekammern (25) radial außen durch eine mit Abstand zum Ständerblechpaket (2) angeordnete und sich von der einen zu der anderen Gehäusestirnwand (16) erstreckende Hülse. (17) radial innen durch das Ständerblechpaket (2) sowie an dessen Stirnseiten anstoßende zylindrische Trennwände (27) und in Umfangsrichtung durch wenigstens zwei zur Längsachse der Maschine einen Winkel einschließende Radialtrennwände (26) begrenzt sind, wobei die Verbindung der Kammern (24, 25) mit dem Wärmetauscher (1.8) durch sich in axialer Richtung erstreckende schlitzförmige Ausschnitte (22', 22") in der Hülse (17) hergestellt ist.

2. Geschlossene elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils benachbarte Radialtrennwände (26) unter Bildung einer V-Form zueinander angeordnet sind.

3. Geschlossene elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Hülse (17) ausgeführten schlitzförmigen Ausschnitte (22' und 22") jeweils ir. der Längssymmetrieebene von Verteilung- und Aufnahmekammern (24, 25) Hegen (Fig. 6).

4. Geschlossene elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch im Wärmetauscher (18) angeordnete Längs-Versteifungsrippen (20), die in den Längssymmetrieebenen der Verteilungs- und Aufnahmekammern (24, 25) liegen (Fig. 3, 4).

5. Geschlossene elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsversteifungsrippen (20) sich vom Außengehäuse (15) bis zum Ständerblechpaket (2) erstrecken und die Radialtrennwände (26) so zwischen benachbarten Versteifungsrippen (20) angeordnet sind, daß die Verteilungs- und die Aufnahmekammern (24, 25) zwischen diesen und den Radialtrennwänden (26) gebildet sind.

6. Geschlossene elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzförmigen Ausschnitte (22' und 22") in der zylindrischen Hülse (17) unmittelbar an den Längs-Versteifungsrippen (20) liegen.

7. Geschlossene elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialtrennwände (26), die schlitzförmigen Ausschnitte (22' und 22") sowie die Längs-Versteifungsrippen (20) zwischen dem Außengehäuse (15) und dem Ständerblechpaket (2) symmetrisch zur mittleren Querebene der Maschine angeordnet sind (Fig. 8).