DE2511104A1

DE2511104A1 - Kuehlanordnung fuer eine supraleitende erregerwicklung

Info

Publication number: DE2511104A1
Application number: DE19752511104
Authority: DE
Inventors: Erich Weghaupt
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1975-03-13
Filing date: 1975-03-13
Publication date: 1976-09-30
Also published as: SU609495A3; SE407877B; JPS51111605A; GB1477248A; ATA367975A; CH591173A5; DE2511104B2; DE2511104C3; SE7505903L; AT336725B; US4013908A

Description

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Wiesenstraße 35

Unser Zeichen? PA 75 P 9451 BED

Kühlanordnung, für eine supraleitende Erregerwicklung

Die Erfindung "betrifft eine Kühlanordnung für eine supraleitende Erregerwicklung im Läufer eines Turbogenerators mit Wicklungsspulen aus einer Vielzahl von Einzelwindungen, die in Nuten am Außenumfang eines massiven Tragzylinders festgelegt und durch einen aufgeschrumpften Stützzylinder gehalten sind.

Eine derartige Anordnung ist bereits in dem älteren Patent ( P 25 03 428.0) vorgeschlagen worden. Danach sind zur Kühlung der einzelnen Wicklungsspulen an den Seitenwänden Isolierplatten angeordnet, die auf den den Spulen zugewandten Flächen zu den Spulen hin offene axial verlaufende Kühlnuten aufweisen. Infolge des langen Kühlweges und des wegen Platzmangels begrenzten Kühlkanalquerschnittes ergibt dieses System jedoch einen hohen Strömungswiderstand und bei gesteigerter Durchsatzmenge einen hohen Strömungsverlust. Dadurch ist die Kühlleistung eines derartigen Axial-Kühlsystems sehr begrenzt; es reicht zwar für den Normalbetrieb aus, da hierbei eine supraleitende Erregerwicklung nur sehr geringe elektrische Verluste aufweist; bei anormalen Betriebszuständen, wie Schieflast, Kurzschluß usw. entstehen jedoch erheblich höhere Verluste, nach denen das Kühlsystem zweckmäßigerweise auszulegen ist.

Da jedes Kühlsystem eine funktionsbedingte optimale Kühlleistung hat, die bei gegebenen Abmessungen auch durch einen forcierten Kühlmitteldurchsatz nicht mehr gesteigert werden kann, ist ein Kühlsystem zu wählen, das minimale Strömungsverluste und damit die größte effektive Kühlleistung aufweist. Dies ist von besonderer Bedeutung für Kühlsysteme für supraleitende Erregerwicklungen, da die üblicherweise verwendeten

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Supraleiter in einem sehr engen Temperaturbereich von ca. 3 bis 4,2° K arbeiten und somit für den Kühlmittelweg vom Kälteaggregat über die Lauf er zuleitung und die Wicklung bis zum Wicklungsaustritt nur eine Temperaturdifferenz von 1,2 zur Verfügung steht. Dabei wird die effektive Ausnutzung des Kühlsystems bereits durch eine Aufwärmung infolge hoher Strömungsverluste von nur wenigen zehntel Graden schon ganz erheblich reduziert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung zu schaffen, die eine optimale Kühlleistung bei minimalen Strömungsverlusten gewährleistet.

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art ist zur Lösung der genannten Aufgabe nach der Erfindung vorgesehen, daß in den Zähnen zwischen den Läufernuten und in den Füllstücken zwischen den Wicklungskopf spul en radiale Kühlmittelverteilkanäle angeordnet sind, die die einzelnen Wicklungsspulen über deren gesamte Länge umschließen und in Umfangsrichtung nach beiden Seiten mit die einzelnen Wicklungsspulen in radialer Richtung und am Nutgrund umhüllenden, parallel in gleicher Teilung verlaufenden Kühlkanälen in Verbindung stehen.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn die Kühlmittelverteilkanäle über den Umfang des Tragzylinders abwechselnd als Kühlmittelzuführungs- und als -abführungskanale ausgebildet sind. Ferner können die Kühlmittelverteilkanäle über radiale Einschnitte am Umfang des Tragzylinders und an den Kanten der Nutverschlußkeile mit den die Wicklungsspulen umhüllenden Kühlkanälen verbunden sein.

Durch eine derartige Kühlanordnung treten in den die Wicklungsspulen über ihre gesamte Länge umschließenden Kühlmittelverteilkanälen wegen des relativ großen zur Verfügung stehenden Querschnittes nur sehr geringe Strömungsverluste auf,

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während die radialen, die Wicklungsspulen umhüllenden Kühlkanäle zwischen zwei benachbarten Kühlmittelverteilkanälen nur relativ kurz sind und somit ebenfalls nur geringe Strömungsverluste verursachen.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:

S¹Ig. 1 einen Teilquerschnitt durch den Tragzylinder mit betri-ckelten Hüten und den Verlauf des Kühlmittels;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Tragzylinderabschnittes ohne aufgeschrumpften Stützzylinder und ohne eingelegte Wicklung zur besseren Darstellung der Kühlmittelströmung;

Fig. 3 eine Nutauskleidung mit den Kühlkanälen in perspektivischer Ansicht;

Fig. 4- eine Aufsicht auf eine Abwicklung eines Wickelkopfes mit der entsprechenden Kühlmittelführung und

Fig. 5 einen Teilquerschnitt durch den Bereich einer nut mit in die Kühlkanäle eingelegten lüllstreif en während des Imprägnier ens und Aushärtens der Wicklung,

Wie aus dem in Fig. 1 gezeigten Querschnitt zu ersehen ist, weist der Läufer des Turbogenerators einen massiven Tragsylinder 1 auf, in den in gleichmäßiger Teilung am Umfang radiale Nuten 2 zur Aufnahme der supraleitenden Erregerwicklung 3 eingefräst sind. Diese Läufernuten 2 sind zwar an ihrem offenen Ende durch Hutverschlußkeile 4- verschlossen; diese übernehmen jedoch keine Tragfunktion, sondern zur Halterung der Wicklung und Abstützung gegenüber den beim

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Betrieb auftretenden Fliehkräften ist auf den Tragzylinder 1 über seine gesamte Länge ein Stützzylinder 5 aufgeschrumpft₉ der alle auftretenden Kräfte auf nimmt«,

Zur Kühlung der einzelnen Wicklungsspulen sind nunmehr in die Zähne 6 zwischen den einzelnen Läufernuten 2 radiale, zunächst nach außen offene Kühlmittelverteilkanäle 7 und 8 eingefräst, die mit entsprechenden Keilen 9 nach Fertigstellung verschlossen werden können« Nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei jedem Kühlmittelverteilkanal zwei benachbarte Wicklungsspulen zugeordnet, wobei abwechselnd ein Kanal als KühlmittelZuführungskanal 8 und der nächste als Kühlmittelabführungskanal 7 ausgebildet sind* Die Kühlmittelführung ist dabei insbesondere auch aus der perspektivischen Darstellung nach Fig. 2 zu ersehen, wobei der genutete (Dragzylinder 1 mit der Nutisolation 10 und den Hukverschlußkeilen 4-, jedoch ohne Wicklungsspulen 3 und ohne den die Fliehkräfte aufnehmenden Stützzylinder dargestellt sind. Die Strömung des kalten Kühlmittels ist dabei durch ausgezogene Pfeile und die des aufgewärmten Kühlmittels durch gestrichelte Pfeile dargestellt.

Die nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel radial verlaufenden Kühlkanäle 11 zur eigentlichen Kühlung der Wicklungsspulen 3 sind dabei auf der Innenseite einer Nutauskleidung 10 eingeschnitten, so daß sich dadurch zu den Wicklungsspulen 3 hin offene Hüten ergeben. Diese Nutauskleidung 10 kann dabei - wie insbesondere aus Fig. 3 zu ersehen ist aus zwei IT-förmigen Nutisolationswinkeln 12 und 13 gebildet werden. Dabei verläuft der äußere Hutwinkel 12 über die gesamte Spulenlänge, während auf seiner Innenseite in kurzen axialen Abständen schmalere Hutwinkelstücke 13 beispielsweise aufgesetzt und gemeinsam ausgehärtet werden, so daß sie eine mechanische kompakte Einheit bilden. Mit diesem Verfahren lassen sich auf einfache Weise die Spulenkühlkanäle 11

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mit großer Maßgenauigkeit herstellen_o

Zur Verbindung dieser Kühlkanäle 11 und der Kühlmittelverteilkanäle 8 "bzw. 7 sind am äußeren Ende der Zähne 6 Einschnitte 14 vorgesehen, wie das insbesondere aus 3?ig. 2 zu ersehen ist. Diese Einschnitte werden dann durch den aufgeschrumpften Stützzylinder 5 abgedeckt. Zweckmäßigerweise sind dabei auch die Kanten der Hutverschlußkeile 4 bzw. der Keile 9 für die Kühlmittelverteilungskanäle 8 und 7 büo. ihren Kanten mit entsprechenden Einschnitten 15 bzw. 16 versehen. Das über den Kühlmittel Zuführungskanal 8 zuströmende kalte Kühlmedium strömt - wie durch die Pfeile angedeutet ist zunächst radial nach außen und über die Einschnitte 14 in die eigentlichen Kühlkanäle 11. Hier wird das Kühlmittel dann über den gesamten Umfang einer Wicklungsspule 3 geführt. Das aufgewärmte Kühlmittel- strömt dann in analoger Weise über weitere entsprechende Einschnitte in den Kühlmittelabführungskanal 7· Wie aus den eingezeichneten Strömungspfeilen zu ersehen ist, strömt das Kühlmedium aus dem Kühlmittelzufuhrungskanal 8 nach beiden Seiten zu den beiden benachbarten Hüten; in gleicher Weise nimmt ein Kühlmittelabführungskanal 7 auch das aufgewärmte Kühlmedium auf, das von den beiden benachbarten Wicklungsspulen stammt.

Die beschriebene Radialkühlung wird in entsprechender Weise auch in den Wickelköpfen des Läufers angewendet. Ein Ausführungsbeispiel ist schematisch in 3?ig. 4 dargestellt. Dabei kann der Wickelkopf aus halbkreisförmigen Spulen 20 gebildet sein, wodurch die in den Spulenzwischenräumen angeordneten Füllstücke 21 mit hoher Paßgenauigkeit eingefügt werden können. Die in den Zähnen 6 des Läufertragzylinders eingeschnittenen Kühlmittelzu- und -abführungskanäie 7 und 8 sind nun in gleicher Weise in den Wickelkopffüllstücken 21 vorgesehen, über die die Spulen 20 in vielen parallelen Zweigen mit Kühlmittel versorgt werden.

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Das gesamte Kühlmittel des Läufers wird dabei im Wickelkopf zugeführt. Über in der Polmitte angeordne Eadialkanäle 22 gelangt das Kühlmittel zunächst in die Kühlmittelzuführungskanäle 8 und wird nach Überströmen in die Kühlmittelabführungskanäle 7 ⁸^ gegenüberliegenden Wickelkopf in gleicher Weise abgeführt.

Bei der beschriebenen Anordnung und Ausbildung der Wicklung ist es besonders zweckmäßig, wenn die Wicklungsspulen nach Einlegen in die Nuten imprägniert und ausgehärtet werden, so daß die gesamte Wicklung zu einem mechanisch stabilen und festen Block verbunden wird. Zur Durchführung einer derartigen Tränkung der eingebauten Wicklung ist es jedoch erforderlich, alle Kühlkanäle vor dem Imprägnieren mit Füllteilen auszufüllen. Wie dazu aus Fig. 5 ^zu ersehen ist, sind die Kühlmittelzu- und -abführungskanäle 7 und- 8 mit Stahlleisten 25 ausgefüllt, wahrend in die radialen Kühlkanäle 11 vor Einlegen der Wicklungsspulen Stahllamellenbänder 26 eingesetzt werden können. Die aus mehreren dünnen Stahlstreifen bestehenden Lamellenbander 26 haben eine minimale Eigensteifigkeit und können nach dem Aushärtprozeß und nach dem Entkeilen aus den Nuten leicht herausgezogen werden. Vor dem Einsetzen der Stahlleisten 25 und der Stahllamellenbänder 26 sind diese sowie die Nutkeile 4- und 9 zweckmäßigerweise mit einem harzabweisenden Antihaftmittel zu bestreichen. Das Ausfräsen der Kanten der Nutverschlußkeile erfolgt dabei zweckmäßigerweise erst nach dem Aushärtprozeß und nach dem Entkeilen.

Durch die beschriebene Ausbildung und Anordnung der Kühl kanäle und der Führung des Kühlmittels ergeben sich die folgenden wesentlichen Vorteile: Da die Kühlmittelzu- und -abführungskanäle einen relativ großen Querschnitt aufweisen, ist der Strömungswiderstand in diesen Kanälen vernachlässigbar gering. Die Umströmung der einzelnen Wicklungsspulen in radialer Richtung ergibt dabei einen sehr kurzen Kühl weg und somit nur einen minimalen Strömungsverlust, was

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der Kühlung der Wicklung zugute kommt. Aufgrund dieser Eigenschaften ist mit diesem Kühlsystem auch eine höhere Kühlleistung als mit einer Axialkühlung erreichbar. Darüber hinaus wird mit einer derartigen Kühlmittelführung eine ungestörte großflächige Wicklungsauflage innerhalb des gesamten Spulenverbandes erreicht. In der Hauptbeanspruchungsrichtung, nämlich radial nach außen_s liegen die einzelnen Windungen der Wicklungsspulen voll auf. Demzufolge gibt es auch keine Unterbrechungen in der Wicklungsisolation. Auflagenunterbrechung der Spulen bestehen lediglich an den Seitenflanken und im lutgrund. Da an diesen Stellen jedoch keine hohen mechanischen Beanspruchungen vorliegen, können diese Auflageunterbrechungen gut beherrscht werden.

Durch die beschriebene Kühlanordnung ist ferner eine volle Yakuumtränkung und Aushärtung des gesamten Spulenverbandes nach Einlegen in den Sragzylinder möglich. Damit werden die Spulenwindungen zu einem festen, spielfreien Yerband zusammengebacken, was für die Betriebssicherheit der sehr empfindlichen Supraleiter von besonderer Bedeutung ist.

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Claims

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Patentansprüche

/ 1.JKühlanordnung für eine supraleitende Erregerwicklung im — Läufer eines Turbogenerators mit Wicklungsspulen aus einer Yi el zahl von Einzelwindungen, die in !Tut en am Außenumfang eines massiven Tragzylinders eingelegt und durch einen aufgeschrumpften Stützzylinder gehalten sind, dadurch gekennzeichnet«, daß in den Zähnen (6) zwischen den Läufernuten (2) und in den lüllstücken (21) zwischen den Wickelkopfspulen (20) radiale Kühlmittelverteilkanäle (7? 8) angeordnet sind, die die einzelnen Wicklungsspulen (3_S 20) über die gesamte Länge umschließen und in Umfangsrichtung nach "beiden Seiten mit die einzelnen Wicklungsspulen (3) in radialer Richtung und am Wutgrund umhüllenden, parallel mit Teilungsabstand verlaufenden Kühlkanälen (11) in Verbindung stehen.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelverteilkanäle über den Umfang des Tragzylinders (1) abwechselnd als Kühlmittelzu- (8) und als Kühlmittelabführungskanal (7) ausgebildet sind.
3. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wicklungsspulen (3) umhüllenden Kühlkanäle (11) auf der Innenseite einer U-förmigen Nutauskleidung (10) eingelassen sind.
4. Kühlanordnung nach Anspruch 1 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Kühlmittelverteilkanäle (7» 8) über radiale Einschnitte (14, 15» 16) am Umfang des Tragzylinders (1) und an den Kanten der Mutverschlußkeile (4-, 9) mit den die Wicklungsspulen (3) umhüllenden Kühlkanälen (11) verbunden sind.

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5· Kühl anordnung nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Imprägnierung und Aushärtung der in die Hüten (2) eingelegten Wicklungsspulen (3) alle Kühlkanäle (7, 8, 11) spielfrei mit Füllteilen (25, 26) ausgefüllt sind.

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