DE2511104C3

DE2511104C3 - Kuhlanordnung für eine supraleitende Erregerwicklung

Info

Publication number: DE2511104C3
Application number: DE2511104A
Authority: DE
Inventors: Erich 4330 Muelheim Weghaupt
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1975-03-13
Filing date: 1975-03-13
Publication date: 1979-10-31
Also published as: SE407877B; AT336725B; US4013908A; SE7505903L; SU609495A3; CH591173A5; DE2511104A1; JPS51111605A; GB1477248A; ATA367975A; DE2511104B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für eine supraleitende Erregerwicklung im Läufer eines Turbogenerators mit konzentrischen Wicklungsspulen aus einer Vielzahl von Einzelwindungen, die in Nuten am Außenumfang eines massiven Tragzylinders eingelegt und durch einen aufgeschrumpften Stützzylinder gehalten sind, mit im Bereich der Wicklungsspulen verlaufenden radialen Kühlkanalen, die mit axial verlaufenden Kühlmittelverteil- und Kühlmittelsammelkanalen in Verbindung stehen, wobei die radial und axial verlaufenden Kühlkanäle mit flüssigem Helium gefüllt und auch im Wickelkopfbereich angeordnet sind.

Eine solche Kühlanordnung ist — bis auf die Merkmale der Kühlung im Wickelkopfbereich - durch die DE-OS 2J01 J43 bekannt. Dort sind allerdings oberhalb und unterhalb der einzelnen Wicklungsspulen sich in axialer Richtung erstreckende Kühlmittel?!!- und abführungskanäle vorgesehen, die über radiale Kanäle innerhalb der einzelnen Wicklungsspulen miteinander in Verbindung stehen. Hierbei ist es also erforderlich, die Nuten in radialer Richtung zu vergrößern, was zu einer unerwünschten Schwächung des Zahnqiierschnittes führt.

Aus Fig. 7 der Zeitschrift Revue generate de l'elcctricite«, Oktober l%9, Seite 972, ist für eine ebenfalls gasgekühlte Wicklung die Anordnung von radialen Kühlkanalen bekannt, die die Wicklungsspulen auf ihrem Umfang umhüllen. Wie nachstchnd noch erläutert, macht auch die Erfindung von diesem Merkmal Gebrauch, für das jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung kein selbständiger Schutz beansprucht wird.

Aus der FRPS 21 45 10.) ist ein Rotorkörper mit in diesen eingeschnittenen Wicklungsspulen für eine supraleitende Erregerwicklung bekannt, bei der die Spulen jedoch nicht konzentrisch, sondern spiralförmig verlaufen, so daß schon dadurch geschlossene Kühlkanäle für die einzelnen Spulen nicht möglich sind. Darüberhinaus ist dort in Fig. 3 gezeigt, daß zur Zu- und Abführung des Kühlmittels gesonderte Kühlkanäle am Nutgrund vorgesehen werden müssen, so daG sich dadurch die Tiefe der Nut erheblich vergrößert Durch

ίο die Erfindung soll demgegenüber eine derartige radiale Vergrößerung der Nuttiefe vermieden werden.

Aus der US-PS 27 24 064 ist ferner ein gasgekühlter Läufer für eine elektrische Maschine bekannt, wobei radiale Kühlkanäle in den Nutzähnen gezeigt sind, die jedoch über Bohrungen mit Sammelkanälen am Nutgrund radial innerhalb der einzelnen Wicklungsspulen in Verbindung stehen. Auch hierbei ist also eine radiale Vertiefung der Nuten erforderlich. Darüberhinaus wird das Kühlmittel bei dieser bekannten Konstruktion nicht im geschlossenen Kreislauf geführt, sondern strömt radial aus den Nuten in den Luftspalt ab. Die Erfindung geht davon aus, daß jedes Kühlsystem eine funktionsbedingte optimale Kühlleistung hat, die bei gegebenen Abmessungen auch durch einen forcierten Kühlmitteldurchsatz nicht mehr gesteigert werden kann. Deshalb ist ein Kühlsystem zu wählen, daß minimale Strömungsverluste und damit die größte effektive Kühlleistung aufweist. Dies ist von besonderer Bedeutung für Kühlsysteme für supraleitende Erreger-

JO wicklungen, da die üblicherweise verwendeten Supraleiter in einem sehr engen Temperaturbereich von ca. 3—4,2" Kelvin arbeiten und somit für den Kühlmittelweg vom Kälteaggregat über die Läuferzuleitung und die Wicklung bis zum Wicklungsaustritt nur eine Temperaturdifferenz von 1,2" Kelvin zur Verfügung stellt. 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

to liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung der eingangs genannten Art /u schaffen, die nicht nur eine optimale Kühlleistung bei minimalen Strömungsverlusten gewährleistet, sondern bei der auch eine unerwünschte Schwächung des Zahnquerschnittes durch Anordnung von Nutengrundkanälen vermieden ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Kühlanordnung der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kühlmittelvertcilkanäle und die Kiihlmittelsammelkanale in Umfangsrichtung des Läufers

so einander abwechselnd sowohl in den Zähnen zwischen den Nuten als auch in Füllstückcn zwischen den Spulenabschnitten des Wickelkopfes, die gesamte axiale Länge der ein/einen Wicklungsspulen überstreichend, verlaufen und über radiale Einschnitte am radial außenliegenden Ende der Zähne und der Füllstücke mit den radialen Kühlkanalen in Verbindung stehen, die die Wicklungsspulen umschließen.

Die mit der Erfindung er/ielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, dal) der Stromungswiderstand in

f>o den Kühlmittelverteil· und sammelkanälen sehr gering ist, da diese Kanäle einen relativ großen Ouerschnitt aufweisen können, ohne daß eine unerwünschte Schwächung des Zahnquerschnittes im Nutengrundbcreich in Kauf genommen werden müßte. Die Umströ-

M nuing der einzelnen Wicklungsspulen in radialer Richtung ergibt dabei einen sehr kurzen Kühlweg und M)HiIt nur einen minimalen Strömungsverlust, was der Kühlung der Wicklung zugute kommt. Aufgrund dieser

Eigenschaften ist mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem eine höhere Kühlleistung als mit der Axialkühlung erreichbar. Darüberhinaus wird eine ungestörte großflächige Wicklungsauflage innerhalb des gesamten Spulenverbandes erreicht. Jn der Hauptbeanspruihsrichtung, nämlich radial nach außen, liegen die einzelnen Windungen der Wicklungsspulen voll auf. Demzufolge gibt es auch keine Unterbrechungen in der Wicklungsisolation. Auflagenunterbrechung der Spulen besteht lediglich an den Seitenflanken und im Nutgrund. Da an diesen Stellen jedoch keine hohen mechanischen Beanspruchungen vorliegen, können diese Auflageunterbrechungen gut beherrscht werdea

Bevorzugt sind die Wicklungsspulen umhüllenden Kühlkanäle auf der Innenseite einer U-förmigcn Nutauskleidung eingelassen. Für das letzterwähnte Merkmal wird kein selbständiger Schutz beansprucht, da es im wesentlichen durch die FR-PS 21 21 981 bekannt ist.

Anhand einer schematischen Zeichnung s^;nd Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert Dabei zeigt

F i g. 1 einen Teilquerschnitt durch den Tragzylinder mit bewickelten Nuten und den Verlauf des Kühlmittels;

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

F i g. 3 eine Nutauskleidung mit den radialen Kühlkanälen in perspektivischer Ansicht und

Fig.4 eine Aufsicht auf eine Abwicklung eines Wickelkopfes mit der entsprechenden Kühlmittelfüiirung.

Wie aus dem in Fig. 1 gezeigten Querschnitt zu ersehen ist, weist der Läufer des Turbogenerators einen massiven Tragzylinder t 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 Nutverschlußkeile 4 verschlossen; diese übernehmen ίο jedoch keine Tragfunklion, sondern zur Halterung der Wicklung und Abstützung gegenüber den beim Betrieb auftretenden Fliehkräften ist auf den Tragzylinder 1 über seine gesamte Länge ein Stützzylinder 5 aufgeschrumpft, der alle auftretenden Kräfte aufnimmt.

Zur Kühlung der einzelnen Wicklungsspulen sind nunmehr in die Zähne 6 zwischen den einzelnen Läufernuten 2 radiale, zunächst nach außen offene Kühlmittelverteil- und Sammelkanäle 7 und 8 eingefräst, die mit entsprechenden Keilen 9 nach Fertigstellung verschlossen werden können. Nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei jedem Kühlmittelverteil· und samnielkanal 7 bzw. 8 zwei benachbarte Wicklungsspulen zugeordnet, wobei abwechselnd ein Kanal als ein der Zufuhr des Kühlmittels dienender Kühlmittelverteilkanal 8 und der nächste als ein der Abfuhr dienender Kühlmittclsammelkanal 7 ausgebildet sind. Der Kühlmittelführung ist dabei insbesondere auch aus der perspektivischen Darstellung nach Fig. 2 /u ersehen, wobei der genutete Tragzylinder 1 mit der f>o Nutisolation 10 und den Nutverschlußkeilen 4, jedoch ohne Wicklungsspulen } und ohne den die Fliehkräfte aufnehmenden Stütz/.ylindcr 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 Nuten ergeben. Diese Nutauskleidung 10 kann dabei — wie insbesondere aus F i g. 3 zu ersehen ist — aus zwei U-förmigen Nutisolationswinkeln 12 und 13 gebildet werden. Dabei verläuft der äußere Nutwinkel 12 über die gesamte Spuienlänge, während auf seiner Innenseite in kurzen axialen Abständen schmalere Nutwinkelstükke 13 beispielsweise aufgesetzt und gemeinsam ausgehärtet werden, so daß sie eine mechanische kompakte Einheit bilden. Mit diesem Verfahren lassen sich auf einfache Weise die radialen Kühlkanäle 11 mit großer Maßgenauigkeit herstellen.

Zur Verbindung dieser Kühlkanäle 11 und der Kühlmittelverteil- und sammelkanäle 8 bzw. 7 sind am äußeren Ende der Zähne 6 Einschnitte 14 vorgesehen, wie das insbesondere aus F i g. 2 zu ersehen ist. Diese Einschnitte werden dann durch den aufgeschrumpften Stützzylinder 5 abgedeckt. Zweckmäßigerweise sind dabei auch die Kanten der Nutverschlußkeile 4 bzw. der Keile 9 für die Kühlmittelverteil- und Sammelkanäle 8 und 7 an ihrei. Kanten mit entsprechenden Einschnitten 15 bzw. 16 versehen. Das über den Kühlmiltelverteilkanul 8 zuströmende kalte Kühlmittel strömt — wie durch die Pfeile angedeutet ist — zunächst radial nach außen und über die Einschnitte 14 in die radialen 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 Kühlmittelsammeikanal 7. Wie aus den eingezeichneten .Strömungspfeilen zu ersehen ist, strömt das Kühlmittel aus dem Kühlmittelverteilkanal 8 nach beiden Seiten zu den beiden benachbarten Nuten; in gleicher Weise nimmt ein Kühlmittelsammelkanal 7 auch das aufgewärmte Kühlmittel 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 F i g. 4 dargestellt. Dabei kann der Wickelkopf aus halbkreisförmigen Spulenabschnitten 20 gebildet sein, wodurch die in den Spulen/wischenräumen angeordneten Füllstücke 21 mit hoher Paßgenauigkeit eingefügt werden können. Die in den Zähnen 6 des Läufertragzylinders eingeschnittenen Kühlmittelsammel- und -verteilkanäle 7 und 8 sind nun in gleicher Weise in den Wickelkopffüllstücken 21 vorgesehen, über die die Spulenabschnitte 20 in vielen parallelen Zweigen mit Kühlmittel versorgt werden.

Das gesamte Kühlmittel des Läufers wird dabei im Wickelkopf zugeführt. Über in der Polmitte angeordnete Radialkanäle 22 gelangt das Kühlmittel zunächst in die Kühlmittelverteilkanäle 8 und wird nach Überströmen in die Kühlmittelsammelkanüle 7 am gegenüberliegenden Wickelkopl in gleicher Weise abgeführt.

Hierzu 2 Matt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlanordnung für eine supraleitende Erregerwicklung im Läufer eines Turbogenerators mit konzentrischen Wicklungsspulen aus einer Vielzahl von Einzelwindungen, die in Nuten am Außenumfang eines massiven Tragzylinders eingelegt und durch einen aufgeschrumpften Stützzylinder gehalten sind, mit im Bereich der Wicklungsspulen verlaufenden radialen Kühlkanalen, die mit axial verlaufenden Kühlmittelverteil- und Kühlmittelsammelkanälen in Verbindung stehen, wobei die radial und axial verlaufenden Kühlkanäle mit flüssigem Helium gefüllt und auch im Wickelkopfbereich angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelverteilkanäle (8) und die Kühlmittelsammelkanäle (7) in Umfangsrichtung des Läufers einander abwechselnd sowohl in den Zähnen (6) zwischen den Nuten (2) als auch in Füllstücken (21) zwischen den Spulenabschnitten (20) des Wickelkopfes, die gesamte axiale Länge der einzelnen Wicklungsspulen überstreichend, verlaufen und über radiale Einschnitte (14, 15, 16) am radial außenliegcnden Ende der Zähne (6) und der Füllstücke (21) mit den radialen Kühlkanalen in Verbindung stehen, die die Wicklungsspulen (3) umschließen.

2. Kühlanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wicklungsspulen (.1) umhüllenden Kühlkanälc (11) auf der Innenseite einer U-förmigen Nutauskleidung (10) eingelassen sind.