DE2459237C2

DE2459237C2 - Elektrische Maschine vertikaler Bauart

Info

Publication number: DE2459237C2
Application number: DE2459237A
Authority: DE
Inventors: Mihailo Dipl.-Ing. Mellingen Aargau Star&ccaron;evi&ccaron;
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-11-19
Filing date: 1974-12-14
Publication date: 1982-07-22
Also published as: GB1484982A; FR2292365B1; SE7512855L; NO141292B; SE424387B; AT342143B; CH578795A5; US4060744A; ES442701A1; FR2292365A1; NO753828L; ATA873175A; JPS5930023B2; DE7441678U; BR7500425A; CA1047589A; IT1048726B; JPS5199208A; DE2459237A1; NO141292C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine vertikaler Bauart gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine elektrische Maschine dieser Gattung ist aus der CH-PS 4 40 435 bekannt.

Beim Betrieb derartiger Maschinen, insbesondere langsamlaufender Wasserkraftgeneratoren 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.

Elektrische Maschinen dieser Bauart werden heute in der Größenordnung bis 600MW 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 Abslüzung des Stators kann dessen radiale Ausdehnung derart begrenzen, daß die Blechpakete bei thermischer Beanspruchung ausknicken.

Bei einer bekannten Lösung dieses Problems (US-PS 42 271) wird 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 tangential Elemente ab.

Bei der Konstruktion nach der CH-PS 4 40 435 ist, um während des Betriebes der Maschine den Betonring nur auf Druck und das Ständerblechpaket nur auf Zug zu

!0 beanspruchen, vorgesehen, 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 Yerstrebungsstäbe auf Abstand zum Blechpaket gehalten ist. Bei dieser Konstruktion ist eine Vorspannung notwendig, welche nur mittels hydraulischer Einrichtungen zu erreichen ist Bei einer Statorerwärmung geht die Zugvorspannung in den Verstrebungen und im Blechpaket zurück.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Maschine der gattungsgemäßen Art die Abstützung des Ständers gegenüber dem ihn umgebenden Fundament, die Übertragung radialer und tangentialer Kräfte bei symmetrischen Belastungen und eine konzentrische Ringausdehnung zu ermöglichen, ohne c?aß große, durch Vorspannung hervorgerufene Dehnungskräfte auf das Fundament und/oder den Ständer einwirken.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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 Wärmedehnungsv.r>fte nahezu völlig eliminiert, wodurch sich eine leichlere Konstruktion der letzteren anbietet. Zudem bri.igt 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 rp^;ndestens einem der Ringe zwecks Versteifung mit Querstäben verbunden sind. Sind diese in der Länge einstellbar, so kann ohne die Arme vorzuspannen, 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 an Hand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt F i g. I einen axialen Teilschnitt durch eine elektrische Maschine vertikaler Bauart und den sie umgebenden Betonring,

F i g. 2 einen Teilquerschnitt der Anordnung nach Fig. I entlang der Schnittlinie A-A,

F i g. 3 einen axialen Teilschnitt wie in Fig. I, jedoch mit anderer Ständerbauart,

F i g. 4 einen Teilquerschnitt der Anordnung nach F i g. 3 entlang der Schnittlinie B-B,

Fig.5 einen Teilquerschnitt einer Anordnung nach F i g. 3, jedoch mit anderer Gehäusekonstruktion,

F i g. 6 eine schematische Darstellung der Maschinenabstützung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung. ·

Im Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 1 und 2 besteht der konzentrische äußere Ring 1 aus der in der Regel als Betonring gebauten Generatorgrube. Der Ständer bildet den konzentrischen inneren Ring 2 und weist eine Statorwicklung 3 auf, ein Blechpaket 4, welches über Preßplatten 5 axial zusammengepreßt ist, sowie Führungskeile 6 mit Schwalbenschwanz-Querschnitt, welche der Einschichtung und Sicherung der Segmentbleche dienen. Über eine Tragkonstruktion 7 ist der Ständer auf dem Fundament 8 abgestützt, welches außerdem den Betonring 1 trägt An den Führungskeilen 6 sind in verschiedenen Höhen Laschen 9 befestigt, die sich auf ein Korsett 10 abstützen. Dieses besteht aus vertikalen Säulen 11 und diese miteinander verbindenden Balken, welche in der Länge einstellbar sind und Querstäbe 12 darstellen. Die Verbindung des Ständers mit dem Betonrin^ 1 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 des Korsetts 10 ist. Die Arme 13 sind an den Säulen 11 sowie an Profilsäulen 14, welche im Betonring 1 eingegossen sind, durch eine nicht gezeigte Verschraubung verankert. In ihrer Längsrichtung sind die Arme 13 über die ganze tragende Länge als starr und unelastisch anzusehen. Nicht gezeigt ist ferner, daß die Arme 13 in der Länge einstellbar sind. Hierdurch ist es möglich, den Statorring 2 genau zu zentrieren und seine Kreisform einzustellen. Eine Zugvorspannung des Blechpaketes 4 wird, falls notwendig über die Balken des Korsetts 10 vorgenommen.

In kleinerem Ausmaße ist die Zugvorspannung zu empfehlen; cjrch die gleichmäßig am Umfang verteilten und radial nach innen gerichteten magnetischen Zugkräfte wird im Blechpaket 4 nämlich eine tangentia-Ie Zugspannung erzeugt, die mittels Vorspannung erheblich reduziert oder sogar völlig eliminiert werden kann.

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

Das Blechpaket 4 des Ständerrings 2 ist mittels Spannbolzen 15, welche durch Löcher im Blechpaket 4 isoliert sind 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 schwalbenschwanzförmigen Führungskeile 6 zu einem kompakten Ring verbunden ist. Eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Blechpaketes 4 bildet das Verkleben der Blechsegmente. Die Arme 13 werden einerseits im Betonring 1 wie in Fig. I befestigt, andererseits unmittelbar am Ständerring 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. Demetifiprechend wird die vertikale Last über Säulen 17 auf das Fundament 8 übertragen. Diese Säulen leisten keinerlei 1 Jhrung und sollen nur die sonst bei unmittelbarer Abstützung des Stators auf dem Fundament auftretende Reibung eliminieren.

Ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel dar Erfindung zeigt Fig.5. Gleiche Teile wie jene in den F i g. 1 bis 4 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht näher beschrieben. Erfindungsunwesentliche Elemente sind bei der schematischen Darstellung weggelassen. Dabei handelt es sich um eine freistehende Maschine, bei der kein Betonring vorhanden ist Der äußere Ring Γ ist als Statorgehäuse anzusehen und besteht aus Säulen 18, welche am unteren Ende im nicht gezeigten Betonfundament verankert 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.3 angebracht und sind am radial äußeren Teil der Säulen 18 verschweißt Diese Säulen können entweder Profilträger, Fachwerkträger oder eine gemischte Stahlbetonkor'-iruktion sein. Bei derartigen Konstruktionen erübrigt sich das sonst übliche Leichtstahlbau-Maschinengehäuse, welches ersetzt wird durch eine direkt an de:n Säulen 18 angebrachte Stahl verschalung welche die nötige Steifigkeit verleiht und im vorliegenden Beispiel die Querstäbe 12' bildet.

Die Wirkungsweise der Erfindung läßt sich an Hand des Schemas in F i g. 6 erläutern. Die zwei konzentrischen Ringe und die Arme mit den gle'chen Bezugszeichen versehen wie in den F i g. 1 bis 5. Die Arme 13 sind Tangenten zum angedeuteten Zylinder 19. Vom Systemzentrum 20 ausgehend, ist Ri der Radius vom inneren Ring 2, Ra derjenige vom äußeren Ring, beide Radien schließen den Winkel β ein. α bezeichnet den eingeschlossenen Winkel zwischen R_A und dem betrachteten Arme 13, welcher die Länge L aufweist. Zur Vereinfachung sei der Winkel y eingeführt, welcher die arithmetische Summe von α und β darstellt.

Betrachtet sei zunächst eine beispielsweise wärmebedingte symmetrische Ausdehnung AL der Arme 13. Di· se Längenänderung wird in eine relative Drehung der beiden Ringe 1,2 umgesetzt, was sich am vorteilhaftesten in einer Änderung dec Winkels^ ausdrücken läßt.

AL

R_t ■ siny

Gemäß 'der Aufgabenstellung wird eine bei allen Belastungen mögliche freie und konzentrische Ringausdehnung verlangt Bei einzelnen oder auch kombinierten Änderungen von L. R/ und R_A läßt sich folgende allgemein gültige Beziehung aufstellen:

Aß =

AL

AR₁

R,- sin γ R₁- tgy

Δ R₄ ■ cosg
Ri ■ sin;:

Diese Beziehung gilt für eine beidrdtig 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 13 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.

Werden an einem der beiden Ringe, in Fig. 4 beispielsweise am Ständer, die Verankerungspunktc mit

Gelenken 22 versehen, welche naturgemäß keine Biegekräfte übertragen, so gehen keine von den Armen 1.3 verursachten Kräfte auf die Ringe 1,2 über.

Sind die Arme 13 fest an den Verankerungspunkten eingespannt, so erfahren sie eine leichte Biegung infolge der relativen Drehung der Ringe 1,2. Die Winkeländerung Δβ wird etwas geringer als bei gelenkiger Anordnung. Da die Arme wegen Knickgefahr Vorzug? weise aus Profilen mit relativ großen Trägheitsmoment bestehen, können die Enden voll ausgeführt werden, nüssen jedoch ein möglichst kleines Trägheitsmoment um die Biegeacl^e aufweisen. Somit kann die Biegung auf die Enden der Arme lokalisiert werden, Eine besonders einfache Losung, diese Finden biegeweich /u gestalten, besteht in der Verwendung von Hohlprofilen .ils Arme, liber tire wirksame, tragende Länge weisen dieselben einen Querschnitt mit relativ hohem Trägheitsmoment auf; an den Verankerungspiinkten wird der Querschnitt auf Flachform zusammengedrückt; wodurch der tragende Querschnitt der gleiche bleibt, ι das Trägheitsmoment um die Biegeachse jedoch stark verringert wird.

Durch eine passende Wahl der Abmessungen und des Neigungswinkels λ der Arme kann die Drehsehwingungs-Eigenfrequenz des Stators kleiner als die

in Netzfrequenz gewählt werden, wodurch eine wirksame Reduktion der auf das Fundament wirkenden Drehmomentes infolge StdHkiir/sehltiß erzielt wird.

Die Ringe I, 2 können von polygonaler oder Kreisform sein, sofern die zum leweiligei' Ring

Ii gehörenden Verankerungspunkle auf i-inem Kreis liegen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnu: -jen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Maschine vertikaler Bauart, deren Ständer und Fundament zwei konzentrische Ringe bilden, die mit speichenartigen Armen gleichmäßig über den Umfang verbunden sind, wobei die Arme Tangenten an die Mantelfläche eines gedachten koaxialen Zylinders sind, dessen Durchmesser kleiner als jener des inneren Ringes ist, dadurch gekennzeichnet, daß die über die beiden Ringe (1, V, 2) hinaus geradlinig verlängerten Achsen von zwei in Umfangsrichtung benachbarten Armen (13, 13') sich nur innerhalb des inneren Ringes (2) schneiden, daß die Arme derart angeordnet und ausgebildet sind, daß die relative Dehnung von innerem (2) oder äußerem Ring (1, V) oder der Arme (13, 13') selbst in eine relative Drehung der beiden Ringe (1, Γ, 2) umgesetzt wird, und daß die arme (13,13') 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, V, 2) gelenkige Verankerungspunkte aufweisen.

3. Elektrische Maschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (13, 13') in der Länge einstellbar sind.

4. Elektrische Maschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungspunkte der A Tie (13,13') von mindestens einem der Ringe mit Querstäben (12, 12Ί verbunden sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß riie Querstäbe (12', 12) in der Länge einstellbar sind.