DE2503428A1

DE2503428A1 - Supraleitende erregerwicklung fuer laeufer eines turbogenerators

Info

Publication number: DE2503428A1
Application number: DE19752503428
Authority: DE
Inventors: Erich Weghaupt
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1975-01-28
Filing date: 1975-01-28
Publication date: 1976-07-29
Also published as: SU650525A3; US4060743A; FR2299754A1; JPS51100205A; AT340524B; ATA354675A; DE2503428B2; SU587889A3; SE7505833L; GB1477104A; CH595006A5; SE407879B; DE2503428C3; FR2299754B1

Description

KRAi¹TWEHK UNION AKTIENGESELLSCHAFT 4-330 Mülheim-Ruhr,

Wiesenstraße 35

Unser Zeichen: YPA 75 P 9302 BRD

Supraleitende Erregerwicklung für den Läufer eines Turbogenerators

Die Erfindung "betrifft eine supraleitende Erregerwicklung für den Läufer eines Turbogenerators und besteht aus einer Vielzahl von Einzel windungen, die in einem. Wicklungs-Tragzylinder festgelegt ist.

Eine derartige Erregerwicklung ist aus der DT-OS 2 117 192 bekannt; danach ist die Wicklung in Nuten gewickelt, die in der äußeren Oberfläche des Tragzylinders vorgesehen sind, und wird durch Halterungshülsen aus nichtmagnetischem Material in den Nuten gehalten. Der Querschnitt der Leiter und der der Nuten ändert sich dabei über den Umfang des Läufers derart, daß sich eine sinusförmige Flußverteilung ergibt. Die Kühlung der Wicklung erfolgt durch gesonderte Kühlrohre auf der Innenseite des Tragzylinders, so daß hierbei nur eine indirekte Kühlung möglich ist.

Eine derartige Wicklung in unterschiedlich großen Nuten und mit jeweils unterschiedlichem Wicklungsquerschnitt ergibt jedoch beim Betrieb des Läufers durch die auftretenden Fliehkräfte eine elliptische Verformung des Läufers, die zu Störungen führen kann. Darüber hinaus ist aber auch der Einbau und die feste Halterung einer supraleitenden Erregerwicklung mit großen Schwierigkeiten verbunden, da die Supraleiter aus einer Vielzahl haardünner Filamente aus einer Speziallegierung bestehen, die in einer Matrix, z. B. aus Kupfer eingebettet sind. Im Gegensatz zu normalen Leitern wirken am Supraleiter infolge der hohen Strombelastung außer den Fliehkräften noch hohe Stromkräfte, die von den einzelnen Leitern der Wicklung ohne Schaden aufgenommen werden müssen. Darüber

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hinaus muß die Wicklung eines supraleitenden Läufers zur Reduzierung der Lötstellenzahl aus möglichst vielen, durchgehend gewickelten Windungen bestehen. Demzufolge muß die Wicklung ohne Vorbearbeitung direkt in den Tragzylinder eingewickelt werden. Infolge des Zwanges zum direkten Einwickeln leidet selbstverständlich die Fertigungsgenauigkeit und damit wiederum die exakte und spielfreie Befestigung der Spulen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine supraleitende Erregerwicklung zu schaffen, die einfach hergestellt und spielfrei in den Nuten gehalten werden kann und bei der außerdem eine Verformung des Läufers im Betrieb durch unterschiedliche Fliehkräfte nicht auftritt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die gleichmäßig am Umfang des Wicklungstragzylinders verteilten Nuten jeweils gleiche Abmessungen aufweisen und eine Nutfüllung jeweils gleicher Abmessung und gleichen Gewichtes enthalten. Die Nutfüllung kann dabei zum Teil aus Supraleitern und zum Teil aus Kupferfülleitern bestehen, wobei der Anteil an Supraleitern zur neutralen Zone hin zunimmt. Durch diese Ausbildung wird ein völlig rotationssymmetrischer Fliehkraftbelag erzielt, der eine elliptische Verformung des Wicklungsträgers ausschließt.

Um möglichst wenig Lötstellen in der in die konisch zulaufenden Nuten eingebetteten Wicklung zu erhalten, ist es ferner zweckmäßig, daß die Wicklungsspule einer Nut aus mehreren, jeweils mehrere Windungen umfassenden Teilspulen besteht und daß die Leiter einer Teilspule gleiche, jedoch von Teilspule zu Teilspule sich ändernde Profilform gleicher Querschnittsfläche aufweisen.

Zur direkten Kühlung der Wicklungsleiter ist es ferner zweckmäßig, wenn zwischen den Nutleitern und den Nut seitenwand en Isolierplatten angeordnet sind, die auf den den Leitern zuge-

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wandten Flächen zu den Leitern offene Kuhlnuten aufweisen.

Zur Festlegung der Wicklung sind die Hüten zweckmäßigerweise durch Nutkeile verschlossen, die mit den Nutzähnen ein über den Umfang kraft schlüssiges Gewölbe "bilden. Zur eigentlichen Halterung der Wicklung kann auf den Tragzylinder und die mit den Nutkeilen verschlossenen Nuten ein sich' über die gesamte axiale Länge des Tragzylinders erstreckender Stützzylinder aufgeschrumpft sein.

Zur Herstellung eines festen Leiterverbandes kann die in den Tragzylinder eingelegte und mit den Nutkeilen gesicherte Wicklung mit Harz vakuumgetrankt und warm ausgehärtet werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn beim Wickeln und Tränken der Wicklung an Stelle der mit Kühlkanälen versehenen Isolierplatten glatte Stahlplatten gleicher Abmessung in die Nuten eingesetzt sind, deren Oberflächen mit harzabstoßenden Mitteln imprägniert sind. Dadurch wird während des Tränkvorganges eine Verstopfung der offenen Kühlnuten vermieden.

An Hand einer schematischen Zeichnung ist der Aufbau eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Läufer eines Turbogenerators;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Sektor des die. Wicklung aufnehmenden Tragzylinders;

Fig. 3 eine fertig bewickelte und getränkte Nut im Querschnitt und

Fig. 4 eine bewickelte Nut vor der Tränkung. ;

Nach Fig. 1 ist der äußere, als Hohlzylinder ausgebildete Läuferkörper 1 am turbinenseitigen Ende 2 geschlossen und am

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erregerseitigen Ende 3 über eine nicht näher dargestellte Kupplung mit der Erregerwelle vakuumdicht verflanscht. Der Innenraum 4 des Läuferkörpers 1 ist evakuiert. In dem Innenraum 4 befinden sich von außen nach innen drei konzentrisch zueinander angeordnete Stahlzylinder 5» 6 und 7 mit der dazwischen angeordneten Dämpferwicklung 8. Diese drei Stahlzylinder 5» 6 und 7 mit der Dämpferwicklung 8 sind über Anlenkpunkte 9 und 10 hohen Wärmewiderstandes mit dem äußeren Läuferkörper 1 verbunden. Die eigentliche Wicklung 12 - wie insbesondere aus Fig. 2 zu ersehen ist - ist in Nuten am Außenumfang eines Wicklungstragzylinders 13 eingebettet, über den ein Stützzylinder 14 aufgeschrumpft ist. Die beiden Zylinder 13 und 14 sind an ihren Stirnseiten über Deckel 15 kraftschlüssig miteinander verbunden und mit Kappen 60 verschlossen, so daß sich ein geschlossener und vom evakuierten Innenraum 4 getrennter Wicklungsraum ergibt.

Diese die Wicklung haltenden Zylinder 13 und 14 sind über einen Federzylinder 16 und entsprechende Anlenkpunkte 17 und 18 mit den drei Zylindern 5» 6 und 7 verbunden. Der aus den Zylindern 5» 6 und 7 und der Dämpferwicklung 8 bestehende Dämpf r erfüllt gleichzeitig die Funktion eines Kälteschirmes. Alle Spalte zwischen den einzelnen Zylindern sind evakuiert.

Die Dämpferwicklung 8 ist über Kühlkanäle 19 gekühlt, die von einem über konzentrische Kanäle 20 und 21 und über Ver-"bindungsschlauche 22 zugeführten Kühlmittel durchströmt werden.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, weist der Tragzylinder 13 eine gleichmäßig am Umfang verlaufende JNutteilung auf. sämtliche Nuten 30 haben dabei gleiche Abmessungen und eine Nutfüllung gleichen Gewichtes. Entsprechend dem geforderten magnetischen Flußverlauf sind jedoch nicht alle Nuten voll mit Supraleitern gefüllt, sondern die Zahl der Supraleiter 31

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nimmt; nach, rechts zur neutralen Zone hin zu. Die nicht mit Supraleitern 31 ausgefüllten Nuträume werden mit gewöhnliclien Eupferleitern 32 als Fülleiter ausgefüllt. Damit wird ein völlig rotationssymmetrischer Fliehkraftbelag erzielt, der eine elliptische Verformung des Wicklungsträgers im Betrieb ausschließt. Die eigentliche Halterung der Wicklungen in den Hüten 30 erfolgt durch einen Stützzylinder 14-, der auf den Tragzylinder 13 und. die geschlossenen Hüten 30 aufgeschrumpft wird.

Das genaue Hutbild einer gefüllten Hut zeigt Fig. J. Zur besseren elektrischen Ausnützung ist die Hut 30 konisch ausgeführt. Sämtliche Leiter 31 weisen dabei etwa gleiche Querschnittsfläche auf. Die Teilleiterabmessungen sind dabei so weit wie möglich vereinheitlicht. Infolge der Hutkonizität müssen jedoch unterschiedliche Teilleiterprofile gewählt werden, um eine gute Füllung der Hut zu erhalten. Um jedoch möglichst wenig Lötstellen zu erhalten und möglichst viele Leiter fortlaufend in die Hut einwickeln zu können, sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Teilspulen mit unterschiedlichem Profil gewählt. Die obersten drei Teilleiterschichten bilden dabei die Teilspule S^ und die jeweils radial nach innen folgenden Schichten die Teilspulen So bis S^ mit jeweils einheitlichem Profil der Teilleiter. Aufgrund der Profilgleichheit über eine bestimmte Huthöhe ergeben sich zwischen den zwei Teilleiterreihen schwertförmige Zwischenräume 33 bis 36, die mit einer Isolation ausgefüllt werden. Bei der dargestellten Profilunterteilung sind damit für eine Hut nur wenige Lötstellen innerhalb einer Spule an den Übergangsstellen der Teilspulen erforderlich. Die dargestellte Hut ist jedoch nicht ganz mit Supraleitern 31 gefüllt, sondern am Hutgrund sind vier Kupferfülleiter entsprechend der Darstellung nach Fig. 2 eingelegt.

Die Kühlung der Wicklung erfolgt an den Seitenflächen der Leiter. Dazu sind zwischen den Leitern 31 und den Hutwänden

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Isolierplatte!! 40 eingeschoben, die auf den den Supraleitern 3Ί zugewandten !"lachen zu den Leitern offene Kühlnuten aufweisen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die KfiTVlinrfcen. axial verlaufend ausgebildet; es ist aber auch eine radiale oder in beliebig anderer Richtung verlaufende Führung denkbar. Durch, diese Eühlnuten 41 wird das flüssige Helium geleitet, so daß die Leiter direkt gekühlt werden. Eine Kühlung im Bereich der Kupferfiilleiter ist jedoch nicht erforderlich, so daß in diesem Bereich die Isolierplatten 40 keine Kühlnu— ten aufweisen.

Wie bereits ausgeführt wurde_t muß die Wicklung in den Nuten völlig spielfrei und stramm eingepaßt sein. Bei Nichterfüllung dieser Bedingung könnte es zur Beschädigung und im ungünstigsten Fall sogar zum Ausfall der Supraleiter kommen. Um diese Forderungen zu erfüllen, sind die folgenden konstruktiven und fertigungstechnischen Haßnahmen vorgenommen, die an Hand der Bewicklung und Tränkung einer Nut erläutert werden, sollen.

Wie dazu aus Fig. 4 zu ersehen ist, werden zum Wickeln in die Nuten zunächst anstatt der mit Kühlkanal en versehenen Isolierp/latten 40 Stahlplatten 42 gleicher Abmessungen, jedoch ohne Kühlkanäle eingelegt. Diese Stahlplatten 42 erhalten eine Oberflächenbehandlung in Form eines Schutzbelages, die das Haften und Festkleben von Harzen bei der Wicklungstränkung verhindern. Die Kupferfülleiter 32 und die Teilleiter 51 weiden einzeln von unten nach oben in die Nut 50 eingewickelt und verlötet. Nach dem Fertigwickeln werden die Nuten 50 noch nach Bedarf mit Füllstreifen ausgefüllt und mit dünnen Nutkeilen 45 aus Stahl stramm verkeilt. Diese Keile 45 haben keine tragende Funktion,, sondern dienen vorwiegend zum Festhalten der Wicklung nach dem Einbau. Die eigentliche Abstützung der Wicklung erfolgt im Betrieb durch den Stützzylinder 14 nach Fig. 2.

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Der fertig gewickelte -und verkeilte Tragzylinder 13 wird nunmehr in einer Vakuumtränkanlage unter Luftausschluß mit Epoxidharz imprägniert und warm ausgehärtet. Dadurch entsteht ein fester und in sich verbackener Spulenverband. Darüber hinaus werden sämtliche nach dem Wickeln noch vorhandenen Spalte vollständig mit Harz ausgefüllt. Damit wird völlige Spielfreiheit der Teilleiter gegeneinander sowie auch der kompletten Spule in der Nut erreicht.

In diesen Tränk- und Härtungsprozeß können auch die Spulenwickelköpfe einbezogen werden, deren Hohlräume ebenfalls vorher mit Pormstücken ausgefüllt werden.

Nach dem Imprägnier- und Aushärtvorgang werden die Nutkeile 43 wieder entfernt. Im Anschluß daran werden die Stahlplatten 42 gezogen und die mit den Kühlnuten 41 versehenen Isolierplatten 40, die beispielsweise aus einem Glasseidenharzgewebe bestehen können, zügig und spielfrei eingepaßt. Danach werden die Nutkeile 4-3 wieder stramm eingetrieben. Nach dem Verschließen der Nuten wird dann der Tragzylinder 13 gemeinsam mit den Nutkeilen 4-3 auf Paßmaß überdreht und der bereits erwähnte Stützzylinder 14- aufgeschrumpft.

Mit dem beschriebenen Wicklungsträger, der aus dem Tragzylinder 13 "und dem Stützzylinder 14- besteht, lassen sich somit die Nutzähne 44- relativ dünn ausführen, so daß ein großes Nutvolumen möglich ist. Diese Konstruktion gewährleistet, daß die im Betrieb und beim Schleudern auftretenden hohen Spulenfliehkräfte vorwiegend von dem glatten, festigkeitsmäßig vorteilhaft ausgebildeten Stützzylinder 14- aufgenommen werden, während die Nutzähne 44- und die schmalen Keile 43 "nur eine geringe Beanspruchung erfahren.

Außer den Radialkräften entstehen jedoch auch in jeder Nut nicht unerhebliche tangentiale Stromkräfte, die die Zähne 44 des'Tragzylinders 13 auf Biegung beanspruchen. Die Nutzähne

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dürfen sich, andererseits keinesfalls an der Nachbar spule abstützen und auf die Supraleiter drücken. Daher haben die aus Stahl bestehenden Nutkeile 43 die zusätzliche Aufgabe, für die Zähne 44 radial außen ein Widerlager zu bilden. Um diese Aufgabe zu erfüllen, sind diese Keile derart einzupassen, daß die Nutzähne 44 und die Keile 43 über den Umfang ein kraftschlüssiges Gewölbe bilden.

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Claims

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1.JSupraleitende Erregerwicklung im Läufer eines Turbogenerators, die aus einer Vielzahl von Einzelwindungen besteht und in einem Wicklungsträgzylinder festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (31) in. axial verlaufenden Nuten (50) am Außenumfang des massiven Tragzylinders (13) eingebettet ist und daß die gleichmäßig am Umfang des Wicklungstragzylinders (13) verteilten Nuten (30) jeweils gleiche Abmessungen aufweisen und eine Nutfüllung jeweils gleicher Abmessung und gleichen Gewichts enthalten.

2. Supraleitende Erregerwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutfüllung zum Teil aus Supraleitern (31) ¹^Hd. zum Teil aus Kupferfüll ei tern (32) besteht.

3. Supraleitende Erregerwicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Supraleitern (31) zur neutralen Zone hin zunimmt.

4. Supraleitende Erregerwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsspule einer Nut (30) aus mehreren Teilspulen (S^....S.) besteht und daß die Leiter (31) einer Teilspule (S.....S.) gleiche, jedoch von Teilspule zu Teilspule sich ändernde Profilform gleicher Querschnittsfläche aufweisen.

5. Supraleitende Erregerwicklung nach Anspruch 1 j dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Nutleitern (31) und den Nutseitenwänden (30) Isolierplatten (40) angeordnet sind, die auf den den Leitern zugewandten Flächen zu den Leitern offene Kühlnuten (41) aufweisen.

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6. Supraleitende Erregerwicklung nach einem der Ansprüche

1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (30) durch Nutkeile (43) verschlossen sind, die mit den Nutzähnen (44) ein über den Umfang kraftschlüssiges Gewölbe bilden.

7. Supraleitende Erregerwicklung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Tragzylinder (13) und. die mit den Nutkeilen (43) verschlossene Nuten (30) ein sich über die gesamte axiale Länge des Tragzylinders (13) erstreckender Stützzylinder (14) aufgeschrumpft ist.

8. Supraleitende Erregerwicklung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Tragzylinder (13) eingelegte und mit Nutkeilen (43) gesicherte Wicklung mit Harz vakuumgetränkt und warm ausgehärtet ist.

9. Supraleitende Erregerwicklung nach Anspruch 5 und. 8,

dadurch gekennzeichnet, daß beim Wickeln und Tränken der Wicklung an Stelle der mit Kühlkanälen (41) versehenen Isolierplatten (40) glatte Stahlplatten (42) gleicher Abmessungen in die Nuten (30) eingesetzt sind, deren Oberflächen mit harzabstoßenden. Mitteln imprägniert sind.

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