DE2459237A1

DE2459237A1 - Elektrische maschine vertikaler bauart

Info

Publication number: DE2459237A1
Application number: DE19742459237
Authority: DE
Inventors: Mihailo Dipl Ing Starcevic
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-11-19
Filing date: 1974-12-14
Publication date: 1976-05-20
Also published as: AT342143B; NO753828L; IT1048726B; GB1484982A; DE2459237C2; JPS5930023B2; NO141292C; NO141292B; FR2292365A1; ES442701A1; SE7512855L; ATA873175A; BR7500425A; CA1047589A; DE7441678U; US4060744A; FR2292365B1; SE424387B; CH578795A5; JPS5199208A

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. , Baden (Schweiz)

Elektrische Maschine vertikaler Bauart

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine vertikaler Bauart, deren Ständer und Fundament zwei konzentrische Ringe bilden, die mit speichenartigen Armen gleichmassig über den Umfang verbunden sind.

Beim Betrieb derartiger Maschinen, insbesondere langsamlaufender Wassergeneratoren können erhebliche, tangential und radial gerichtete Kräfte auftreten, die vom Fundament oder von dem mit diesem verbundenen Gehäuse aufgenommen werden müssen. Derartige Kräfte werden beispielsweise durch Erwärmen, durch das Drehmoment oder den magnetischen Zug beim Betrieb der Maschine verursacht.

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Elektrische Maschinen dieser Bauart werden heute in der Grössenordnung bis 600 MW gebaut und weisen damit Aussendurchmesser bis zu 20 m auf.. Der Luftspalt zwischen Rotor und Stator beträgt durchwegs 1/1000 des grössten Rotordurchmessers, womit die Problematik eindeutig angesprochen ist. Der magnetische Zug beispielsweise tendiert dazu, den Stator radial in elliptische Form zusammenzudrücken. Zur Aufrechterhaltung des Luftspalts muss der Ständer demnach in einem starren Gehäuse geführt werden, was zu erneuten Schwierigkeiten hinsichtlich Beherrschung der Wärmedehnungskräfte führt. Eine starre Abstützung des Stators kann dessen radiale Ausdehnung derart begrenzen, dass die Blechpakete bei thermischer Beanspruchung ausknicken.

Bei einer bekannten Lösung dieses Problems (US-PS 3.742.271 Whitney) wird vorgeschlagen, eine begrenzte Bewegung des Stators zuzulassen. Der Stator ist mit einer Mehrzahl von Trägern umgeben, welche je ein vertikales und ein radiales Glied aufweisen. Das vertikale Glied ist im Fundament verankert, das radiale Glied stützt sich im Betonring ab. Der Stator stützt sich am vertikalen Glied über elastische radiale und tangentiale Elemente ab.

Eine weitere bekannte Konstruktion (CH-PS 440 4 35 Mücke) erwähnt die Möglichkeit, zwischen Ständerblechpaket und

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Betongehäuse fachwerkartige Verstrebungen anzubringen, deren gehäuseseitige Knotenpunkte mittels Stellschrauben im Betonring verankert sind. Infolge von am Stator angreifenden Wärmedehnungskräften können in den Verstrebungen Druckspannungen auftreten, so dass auf die Stellschrauben radial nach aussen gerichtete Kräfte ausgeübt werden. Diese wirken sich im Beton als für diesen schädliche tangential gerichtete Zugspannungen aus. Um nun während des Betriebes der Maschine den Betonring nur auf Druck und das Ständerblechpaket nur auf Zug zu beanspruchen, sieht die Erfindung vor, dass der Betonring durch die gleichmässig über den Umfang des Ständerblechpaketes verteilten und unter Zugspannung stehenden Verstrebungsstäbe in Verbindung mit dem Stand des Blechpaketes ohne Verbund vorgespannt und durch die Verstrebungsstäbe auf Abstand zum Blechpaket gehalten ist. Nachteilig ist bei dieser Konstruktion einmal die unbedingt notwendige Vorspannung, welche nur mittels hydraulischer Einrichtungen zu erreichen ist sowie der grosse Raumbedarf für die Verstrebungen; Kühler können kaum noch angebracht werden und zudem wird die Zugänglichkeit zwecks Inspektion und Instandsetzung stark erschwert. Bei einer Statorerwärmung geht die Zugvorspannung in den Verstrebungen und im Blechpaket zurück; um nun zu verhindern, dass bei Betriebstemperatur die Vorspannung völlig abgebaut wird und sogar eine Druckbelastung aufkommt, werden die Verstrebungen mit grosser radialer Elastizität konzipiert, wo-

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durch die Einhaltung des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator problematisch wird.

Es sind noch weitere Lösungen bekannt, bei denen jedoch wie bei den vorgängig beschriebenen die Aufnahme der relativen Dehnungen der Bauteile entweder durch radiale Elastizität oder durch radiale Bewegungsfreiheit der Arme erzielt wird. Insbesondere bei grossen Maschinen, bei welchen die ringförmigen Elemente mit hoher Elastizität konzipiert werden, werden die Probleme auf die Ringsteifigkeit und die Konzentrizitat verlagert, was zu sehr teuren Lösungen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine starre Konstruktion zu schaffen, die axiale, radiale und tangentiale Kräfte übertragen kann, sowohl bei symmetrischer als auch bei asymmetrischer Belastung eine konzentrische Ringausdehnung ermöglicht und bei der nur geringe Dehnungskräfte auftreten.

Erfxndungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Arme Tangenten an der Mantelfläche eines gedachten koaxialen Zylinders sind, wobei dessen Durchmesser kleiner als jener des inneren Ringes ist, dass die gedachten, über die beiden Ringe hinaus geradlinig verlängerten Achsen von zwei in Umfangsrichtung benachbarten Armen sich nur innerhalb des inneren

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Ringes schneiden, und dass die Arme entsprechend der auf sie einwirkenden Belastung über die ganze wirksame Länge in der Längsrichtung unelastisch sind.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass eine völlig freie zentrische Ausdehnung aller Elemente ohne Verwendung von radialen elastischen Elementen, wie beispielsweise Federn, ermöglicht wird. Dies bedingt konstruktiv einfachere und kostenmässig billigere Konstruktionen.

Sind die Arme an mindestens einem der Ringe gelenkig verankert, so sind die von den Armen auf die Ringe wirkenden Wärmedehnungskräfte nahezu völlig eliminiert, wodurch sich eine leichtere Konstruktion der letzteren anbietet. Zudem bringt eine gelenkige Befestigung hinsichtlich Montage und Demontage der Bauteile gegenüber einer starren Befestigung beträchtliche Vorteile.

Besonders zweckmässig ist eine Anordnung, bei welcher die Arme in der Länge einstellbar sind. Man hat damit ein einfaches Mittel in der Hand, Anfangsexzentrizitäten schon bei der Montage auf ein Minimum zu reduzieren, was sich sehr günstig auf die Einstellung des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator auswirkt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Verankerungspunkte von mindestens

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einem der Ringe zwecks Versteifung mit Querstäben verbunden sind. Sind diese in der Länge einstellbar, so kann ohne weiteres eine beliebige Vorspannung auf die Ringe ausgeübt werden. Die sich somit als Fachwerk verhaltende Konstruktion ist ausserordentlich steif und leicht.

Im Folgenden ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1 einen axialen Teilschnitt durch eine elektrische Maschine vertikaler Bauart und den sie umgebenden Blechring.

Fig. 2 einen Teilquerschnitt der Anordnung nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie A-A

Fig. 3 einen axialen Teilschnitt wie in Fig. 1, jedoch mit anderer Ständerbauart

Fig. ·+ einen Teilquerschnitt der Anordnung nach Fig. 3 entlang der Schnittlinie B-B

Fig. 5 einen Teilquerschnitt einer Anordnung nach Fig. 3,

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jedoch mit anderer Gehäusekonstruktion

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Maschinenabstützung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.

Im Ausführungsbeispiel gemäss den Figuren 1 und 2 besteht der konzentrisch äussere Ring 1 aus der in der Regel als Betonring gebauten Generatorgrube. Der Ständer bildet den konzentrisch inneren Ring 2 und weist vornehmlich eine Statorwicklung 3 auf, sowie ein Blechpaket 4, welches über Pressplatten 5 axial zusammengepresst ist, sowie Führungskeile 6 mit Schwalbenschwanz-Querschnitt, welche der Einschichtung und Sicherung der Segmentbleche dienen. Ueber eine Tragkonstruktion 7 ist der Ständer auf dem Fundament 8 abgestützt, welches ausserdem den Betonring trägt. An den Führungskeilen 6 sind über mehrere Höhenlagen Laschen 9 befestigt, die sich auf ein Korsett 10 abstützen. Dieses besteht aus vertikalen Säulen 11 und diese miteinander verbindende Balken, welche in der Länge einstellbar sind und im Sinne der Erfindung die Querstäbe 12 darstellen. Die Verbindung des Ständers mit dem Betonring erfolgt über speichenartige Arme 13, deren jeweils 16 Stück am Umfang gleichmässig verteilt sind und die jeweils in mehreren Höhenlagen angeordnet sind. Sie bilden Tangenten an die Mantelfläche eines gedachten koaxialen Zylinders 19, dessen Durchmesser kleiner als der Aussendurchmesser

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des Korsetts 10 ist. Die Arme 13 sind an den Säulen 11 sowie an Profilsäulen 14, welche im Betonring eingegossen sind, durch eine nicht gezeigte Verschraubung verankert. In Längsrichtung sind die Arme 13 über die ganze tragende Länge als starr und entsprechend der Belastung als unelastisch anzusehen. Nicht gezeigt ist ferner, dass die Arme 13 in der Länge einstellbar sind, beispielsweise durch Zwischenlagen. Hierdurch ist es möglich, den Stator genau zu zentrieren und seine Kreisform einzustellen. Eine Zugvorspannung des Blechpaketes 4 wird, falls notwendig über die Balken des Korsetts 10 vorgenommen. Im Prinzip ist eine derartige Vorspannung überflüssig, da zumindest durch Statorerwärmung keine Drücke auf das Blechpaket H ausgeübt werden, weil dieses sich frei ausdehnen kann.

In kleinerem Ausmasse ist die Zugvorspannung dennoch zu empfehlen; durch die gleichmässig am Umfang verteilte und radial nach innen gerichteten magnetischen Zugkräfte wird im Blechpaket 4 eine tangentiale Zugspannung induziert, die mittels Vorspannung erheblich reduziert oder sogar völlig eliminiert werden kann.

Die Figuren 3 und 4 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Soweit die Teile mit denen in Fig. 1 und 2 übereinstimmen, sind sie mit denselben Bezugszeichen versehen.

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Das Blechpaket 4 des Ständers 2 wird mittels Spannbolzen 15, welche durch Löcher im Blechpaket 4- isoliert und sattsitzend hindurchgehen, axial zusammengepresst. Auf ein das Blechpaket 4· umgebendes Korsett wie in Fig. 1 kann bei dieser Lösung verzichtet werden, da ersteres^durch die Spannbolzen 15 und die rückseitig angebrachten schwalbenschwanzförmigen Führungskeile 6 zu einem kompakten Ring verbunden ist, eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Blechpaketes bildet das Verkleben der Blechsegmente. Die Arme 13 werden einerseits im Betonring wie in Fig. 1 befestigt, andererseits unmittelbar am Ständer 2, und zwar an den Führungskeilen 6 befestigt. Im gezeigten Beispiel sind sie in den Gelenken 22 verankert. Das Blechpaket 4 kann sich völlig frei ausdehnen, womit Querarme zum Vorspannen und Versteifen entfallen. Dementsprechend wird die vertikale Last über Säulen 17 auf das Fundament 8 übertragen. Diese Säulen leisten keinerlei Führung und sollen nur die sonst bei unmittelbarer Abstützung des Stators auf dem Fundament auftretende Reibung eliminieren.

Ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Fig. 5. Gleiche Teile wie jene in den Fig. 1-4 sind mit den gleichen Bezugs zeichen versehen und nicht näher beschrieben. Erfindungsunwesentliche Elemente sind bei der schematischen Darstellung weggelassen. Es handelt sich um eine freistehende Maschine, bei der kein Betonring vorhanden

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ist. Das Statorgehäuse stellt den Ring 1' dar und besteht aus radial angeordneten vertikalen Säulen 18, welche am unteren Ende im nicht gezeigten Betonfundament verankert sind, und am oberen Ende mit den Armen eines nicht gezeigten Lagersternes verbunden sind. Die Statorkonstruktion und die ständerseitigen Verankerungspunkte der Arme 13' entsprechen denjenigen in Fig. 3 und 4. Die Arme 13' sind in mehreren Höhenlagen entsprechend Fig. 4 angebracht und sind am radial äusseren Teil der Säulen 18 verschweisst. Diese Säulen können entweder Profilträger, Fachwerkträger oder eine gemischte Stahlbetonkonstruktion sein. Gegenüber bekannten Lösungen sowie jenen in den Fig. 1 - 4 kann die radiale Breite der Säulen 18 dank Ausnützung des ganzen verfügbaren Raumes wesentlich vergrössert werden; im vorliegenden Beispiel um das dreifache, wodurch sich bei etwa gleichbleibendem Säulengewicht eine etwa 9-fache Biegesteifigkeit ergibt. Bei derartigen Konstruktionen erübrigt sich das sonst übliche Leichstx-ahlbau - Maschinenhaus, welches ersetzt wird durch eine direkt an-den Säulen 18 angebrachte Stahlverschalung, welche die nötige Steifigkeit verleiht und im vorliegenden Beispiel die Querstäbe 12' bildet.

Die Wirkungsweise der Erfindung lässt sich anhand des Schemas in Fig. 6 erläutern. Die zwei konzentrischen Ringe und die Arme sind mit den gleichen Bezugs zeichen versehen wie die

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entsprechenden Teile in den Fig. 1 bis 5. Die Arme 13 sind Tangenten zum angedeuteten Zylinder^19. Vom Systemzentrum 20 ausgehend, ist R₁ der Radius vom Ring 2, R^ derjenige vom Ring, beide Radialen schliessen den Winkel ·$ ein. O^ bezeichnet den eingeschlossenen Winkel zwischen R. und dem betrachteten Arme 13, welcher die Länge L aufweist. Zur Vereinfachung sei der Winkel > eingeführt, welcher die arithmetische Summe von Λ und ß darstellt.

Betrachtet sei zunächst eine beispielsweise wärmebedingte, symmetrische Ausdehnung Δ L der Arme 13. Diese Längung wird in eine relative Drehung der beiden Ringe 1,2 umgesetzt, was sich am vorteilhaftesten in einer Aenderung des Winkel [θ ausdrücken lässt.

ifr ·

sin

Gemäss der Aufgabenstellung wird eine bei allen Belastungen

mögliche freie und konzentrische Ringausdehnung verlangt. Bei

einzelnen oder auch kombinierten Aenderungen von L, R₁ und

R. lässt sich folgende allgemein gültige Beziehung aufstellen:

A L Λ ^Ri A ^ra ' ^Cos

R₁ · sin¹^ R₃. . tg V R₁ · sin

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Diese Beziehung gilt für eine beidseitig gelenkige Verankerung der Arme 13.

Die quer zur Maschinenachse wirkenden Kräfte werden in Komponenten zerlegt, die in Richtung der Achsen der Arme wirken. Wie bei einem Fachwerk sind die Arme nur auf Zug oder Druck beansprucht, wodurch dem Gebilde eine grosse Starrheit verliehen wird.

Bei symmetrischer Belastung des Gebildes ist die Ausdehnung oder Schrumpfung der ringförmigen Teile konzentrisch. Bei asymmetrischer Belastung, beispielsweise einseitiger Erwärmung der Arme 13 könnte sich das Zentrum 20 des Gebildes exentrisch verschieben. Dem kann durch diverse Anpassungsmöglichkeiten abgeholfen werden, beispielsweise durch eine den auftretenden Kräften entsprechende Querschnxttsdimensxonierung, durch eine entsprechende Materialwahl, oder bei einzelnen Armen 13 durch eine Aenderung der Winkel ος und {5 mit entsprechender Abstimmung der Länge L.

Werden an einem der beiden Ringe, in Fig. M- beispielsweise am Ständer die Verankerungspunkte mit -Gelenken 15 versehen, welche naturgemäss keine Biegekräfte übertragen, so gehen keine von den Armen 13 verursachten Kräfte auf die Ringe 1,2 über.

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Sind die Arme fest an den Verankerungspunkten eingespannt, so erfahren sie eine leichte Biegung infolge der realtiven Drehung der Ringe. Die WinkeländerungM wird etwas geringer als bei gelenkiger Anordnung. Da die Arme wegen Knickgefahr vorzugsweise aus Profilen mit relativ grossen Trägheitsmoment bestehen, können die Enden voll ausgeführt werden, müssen jedoch ein möglichst kleines Trägheitsmoment um die Biegeachse aufweisen. Somit kann die Biegung auf die Enden der Arme lokalisiert werden. Eine besonders einfache Lösung, diese Enden biegeweich zu gestalten, besteht in der Verwendung von Hohlprofilen als Arme. Ueber die wirksame, tragende Länge weisen dieselben einen Querschnitt mit relativ hohen Trägheitsmoment auf; an den Verankerungspunkten wird der Querschnitt auf Flachform zusammengedrückt, wodurch der tragende Querschnitt der gleiche bleibt, das Trägheitsmoment um die Biegeachse jedoch stark verringert wird.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das in der Zeichnung Dargestellte beschränkt. So könnte im Beispiel der freistehenden Maschine selbstverständlich auch eine Statorkonstruktion gemäss Fig. 1 zur Anwendung gelangen. Desgleichen konnte die radiale Breite der Säulen 18 verkürzt werden, und die Verbindung der Arme 13* an der radial inneren Partie der Säule vorgenommen werden. Ebenso könnten in Abweichung der Anordnungen nach Fig. 1-4 die Arme am

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Aussenrand des Betronringes befestigt werden.

Bei allen gezeigten Konstruktionen ist dadurch, dass die relative Dehnung der verschiedenen Bauteile in eine realtive Drehung der ringförmigen Teile umgesetzt wird, eine völlig freie, konzentrische Ausdehnung der letzteren gewährleistet, und, was insbesondere den Fundamenthersteller interessiert, die Fundamentkräfte infolge Wärmedehnung sind völlig eliminiert.

Durch eine passende Wahl der Abmessungen und des Neigungswinkels U. der Arme kann die Drehschwingungs-Eigenfrequenz des Stators kleiner als die Netzfrequenz gewählt werden, wodurch eine wirksame Reduktion der auf das Fundament wirkenden Drehmomentes infolge Stosskurzschluss erzielt wird.

Die erfxndungsgemässen Ringe können von polygonaler- oder Kreisform sein, sofern die zum jeweiligen Ring gehörenden Verankerungspunkte auf einem Kreis liegen.

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Claims

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Patentansprüche

/l. Elektrische Maschine vertikaler Bauart, deren Ständer und Fundament zwei konzentrische Ringe bilden, die mit speichenartigen Armen gleichmässig über den Umfang verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (13,13') Tangenten an der Mantelfläche eines gedachten koaxialen Zylinders (19) sind, wobei dessen Durchmesser kleiner als jener des inneren Ringes (2) ist, dass die gedachten, über die beiden Ringe (1,1',2) hinaus gradlinig verlängerten Achsen von zwei in Umfangsrichtung benachbarten Armen (13,13') sich nur innerhalb des inneren Ringes (2) schneiden, und dass die Arme (13,13') entsprechend der auf sie einwirkenden Belastung über die ganze wirksame Länge in der Längsrichtung unelastisch sind.
2. Elektrische Maschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (13,13') an mindestens einem der Ringe (1,1',2) gelenkige Verankerungspunkte aufweisen.
3. Elektrische Maschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (13,13') in der Länge einstellbar sind.

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4. Elektrische Maschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerungspunkte der Arme (13, 13·) von mindestens einem der Ringe mit Querstäben (12, 12') verbunden sind.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, dass die Querstäbe (12Ί2) in der Länge einstellbar sind.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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