DE2540634A1

DE2540634A1 - Fluessigkeitsgekuehlte dynamoelektrische maschine

Info

Publication number: DE2540634A1
Application number: DE19752540634
Authority: DE
Inventors: Emil Michael Fort; Robert John Kultzow; Mark H Schneider; Leonard Brian Simmonds
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-09-25
Filing date: 1975-09-12
Publication date: 1976-04-15
Also published as: FR2286535B1; BR7506182A; JPS598449Y2; BE833747A; GB1516998A; DE2540634C2; CA1024575A; FR2286535A1; SU710534A3; CH601941A5; JPS5142410U; SE7510676L; SE403012B; IN144307B; ES441252A1; US3950665A

Description

DiPL.-lNG. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

Dr.-lng. Ernst Stratmann

Düsseldorf, 10. Sept. 1975 45,310
7554

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschine

Die Erfindung betrifft flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschinen, wie z. B. Turbinengeneratoren und insbesondere solche Maschinen, die flüssigkeitsgekühlte Statorleiter aufweisen.

Große Turbinengeneratoren werden von innen her gekühlt, d. h. direkt gekühlt, wobei ein Kühlmittelfluidum durch Leitungseinrichtungen in Stator- und Rotorschlitzen zirkuliert wird. Die Leitungseinrichtungen stehen in direkter thermischer Beziehung zu den stromführenden Leitern innerhalb der Grundisolation. Dies stellt ein sehr wirksames Kühlsystem dar und hat es ermöglicht, die für große Generatoren maximal erreichbaren Kapazitäten stark zu erhöhen, ohne daß die zulässigen Grenzen der Generatorgröße überschritten wurden. Gewöhnlich wird Wasserstoff als Kühlfluidum bei diesen Maschinen benutzt, doch wird für die größten Generatoren zumindest in

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den Statorwicklungen vorzugsweise ein noch wirksameres Kühlmittel verwendet, wie beispielsweise Wasser.

Es ist günstig, wenn für flüssigkeitsgekühlte Statorwicklungen ein geschlossenes rezirkulierendes Kühlsystem verwendet wird, bei dem die Kühlflüssigkeit durch die inneren Hohlräume der Wicklungen und durch einen externen Kühler geleitet werden. Normalerweise werden bei derartig großen Maschinen verseilte Leiter verwendet, und wenn in den Statorwicklungen ein flüssiges Kühlmittel verwendet wird, werden einige der Seilstränge hohl ausgeführt, um als Durchführung für das Kühlmittel zu dienen. Die Enden der Leitungen der Wicklung sind durch Köpfe umschlossen, die mit den hohlen Strängen in Verbindung stehen und die in dem Kühlsystem so angeschlossen sind, daß Wasser von oder zu diesen hohlen Strängen fließt. Vorzugsweise sind die Köpfe Teil einer Verbindungseinrichtung, mit der gleichzeitig eine Verbindung für die Kühlflüssigkeit als auch für den elektrischen Strom für die Leiter hergestellt werden kann.

Bei dieser Konstruktionsart wird gewöhnlich die Hochspannungsisolation des Leiters gegenüber der Gehäusewand eine kurze Entfernung hinter dem Kopf an jedem Leiterende begrenzt. Dadurch soll verhindert werden, daß irgendwelches Wasser, das aus dem Kopf beispielsweise zwischen den Strängen austritt, entweicht und ±n Längsrichtung des Leiters in die Isolation eindringt, was möglicherweise zu Störungen führt. Es wurde jedoch gefunden, daß dieser unmittelbar am Kopf angrenzende Bereich an jedem Ende des Leiters gerade der Bereich von

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größter Belastung während des Betriebes ist, und Ermüdungsbrüche von Leitungssträngen in diesem Gebiet sind infolge der hohen Belastung und der ungewünscht starken Vibration, die hier auftreten kann, häufig vorgekommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschine zu schaffen, bei der diese Ermüdungsbrüche nicht mehr auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Hauptanspruchs aufgeführten Merkmale gelöst.

Die flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschine umfaßt erfindungsgemäß eine mechanische Stütze für die Leiter des flüssigkeitsgekühlten Stators. Mittels eines Kühlmittelsystems wird flüssiges Kühlmittel durch die Statorwicklungen hindurchgeschickt. Mehrere Leiter der Wicklung sind miteinander verbunden, um die Wicklung zu bilden, wobei jeder einzelne Leiter aus mehreren Strängen besteht. Mindestens einige der Stränge sind hohl, um als Kühlmitteldurchführungen zu dienen, während ein Kopfteil an jedem Ende eines derartigen Leiters über eine flüssigkeitsdichte Verbindung angeschlossen ist. Das Kopfteil liefert einen umschlossenen Raum, der mit den Kühlmitteldurchführungen in Verbindung steht und Einrichtungen aufweist, um den umschlossenen Raum mit dem Kühlmittelsystem in Verbindung zu bringen. Die Stränge eines jeden Leiters sind unmittelbar angrenzend zu dem Kopf in gegenseitiger 'Beziehung zueinander durch ausgehärtetes Kunstharzmaterial

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gestützt, das den Raum zwischen den Strängen ausfüllt. Jeder Leiter besitzt eine Grundwandisolierung, bestehend aus umwickeltem Isolationsband, das mit einem ausgehärteten Harzmaterial imprägniert ist, wobei die Grundwandisolierung bei jedem Leiter an einer Stelle endet, die von dem Kopf einen Abstand besitzt. Ein festes isolierendes Stützglied ist über jedem Leiter angrenzend zu dem Kopf angeordnet. Das Stützglied besteht aus mehreren Schichten eines isolierenden Materials. Jede Schicht liefert im wesentlichen eine vollständige hülsenartige Abdeckung des Leiters vom Kopf bis zur Grundwandisolierung, wobei das feste Isolationsstützglied ebenfalls mit einem ausgehärteten Harzmaterial imprägniert ist.

Es ist zweckmäßig, die Stränge, die angrenzend zum Kopf liegen, durch ein Epoxidharz fest miteinander zu verbinden, so daß die Leitungen als ganzer Stamm vibrieren, statt daß mehrere Stränge einzeln vibrieren. Die aufgrund der Vibration auftretenden Kräfte werden so gleichförmiger verteilt und die Möglichkeit eines Versagens stark verringert.

Um dieses gefährdete Gebiet noch weiter zu verfestigen und zu verstärken, wird eine feste Isolationsabdeckung auf den Leiter aufgebracht, die sich vom Kopf bis zur Grundwandisolation erstreckt. Sie ist aufgespleißt, um eine feste mechanische Verstärkung für den Leiter zu bilden und so die Möglichkeit eines Versagens weiter zu verringern.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten

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der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise in Längsrichtung geschnittene Ansicht eines Turbinengenerators mit einem Kühlsystem;

Fig. 2 eine Ansicht eines Wicklungsleiters der Maschine gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht eines Teils des isolierten Leiters der Fig. 2;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht des Leiterendes; und

Fig. 5 einen Querschnitt im wesentlichen längs der Linie V-V der Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen großen Turbinengenerator von üblicher Bauweise mit einem Flüssigkeitskühlsystem für die Statorwicklung. Ein derartiges System ist beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 3 634 705 offenbart.

Der Generator besitzt einen Statorkern 10, der durch Rahmenringe 12 im wesentlichen gasdicht an einem äußeren Gehäuse 13 gehalten

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wird. Der geschichtete Statorkern 10 besitzt eine zylindrische Bohrung und ist aus einzelnen Blechen aufgebaut, die zwischen Endplatten 14 eingeklemmt sind. Der Statorkern 10 besitzt Längsschlitze in seinem inneren Umfang zur Aufnahme einer Statorwicklung. Die Statorwicklung besteht aus mehreren Windungsleitern 16, die Halbspulen bilden, die an ihren Enden verbunden sind, um eine Statorwicklung irgendeiner gewünschten Art zu bilden. Ein Rotor 18 ist innerhalb der Bohrung des Statorkerns 10 angeordnet und wird durch Lageranordnungen in den Enden des Gehäuses 13 gehalten, die Spritzdichtungen umfassen, um ein Austreten von Gas längs der Rotorwelle zu verhindern. Die Lager und die Spritzdichtungen wurden nicht dargestellt, da sie nicht Teil der Erfindung sind. Der Rotor 18 ist mit einer Feldwicklung ausgestattet. Das Gehäuse 13 wird so gasdicht wie möglich hergestellt und mit einem Kühlgas gefüllt, vorzugsweise Wasserstoff, um die Rotorwicklung und den Statorkern zu kühlen.

Die Statorwicklung besteht aus den Leitern 16 und stellt eine von innen her gekühlte Konstruktion dar. Wie insbesondere in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, besteht jeder Leiter 16 aus mehreren Strängen 20. Die Stränge eines jeden Leiters sind in vier Stapeln angeordnet. Die Stränge 20 sind voneinander isoliert und überkreuzen einander, wobei eine Art der Überkreuzungstechnik verwendet wird, die es ermöglicht, die Stränge an den Enden eines jeden Leiters miteinander zu verbinden, ohne daß übermäßige Verluste auftreten. Um eine Zirkulation des flüssigen Kühlmittels durch die Wicklungsleiter zu

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ermöglichen, werden einige oder alle Stränge 20 hohl ausgeführt, damit diese als Kühlmitteldurchführungen verwendbar sind. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, ist jeder dritte Strang 71 in jedem der vier Stapel hohl, während die verbleibenden Stränge massiv sind. Natürlich können erforderlichenfalls auch alle Stränge hohl gemacht werden, oder hohle und massive Stränge können in gewünschter Proportion und gewünschter Anordnung gemischt werden. Zwei Wicklungsleiter 16 sind in jedem Schlitz des Statorkerns 10 angeordnet und die Endteile eines jeden Leiters sind außerhalb des Schlitzes so geformt, daß sie sich um den Kern herum in eine Stellung erstrecken, in der sie mit dem Ende eines anderen, in einem anderen Schlitz liegenden Windungsleiters in Verbindung treten, um so eine vollständige Spule zu bilden.

Die Statorwicklung wird durch Zirkulation einer Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, gekühlt, und zu diesem Zweck bilden die Leiter 16 Teile eines geschlossenen rezirkulierenden Systems. Ein derartiges Kühlsystem umfaßt einen Einlaßverteiler

24 an einem Ende des Statorkerns 10 und einen Auslaßverteiler

25 an dem entgegengesetzten Ende. Diese Verteiler bestehen aus jeweils einem Rohr, das sich um den Kernumfang herum erstreckt und in dem Gehäuse befestigt ist. Die Verteiler 24 und 25 sind mittels mehrerer isolierender Schläuche oder Röhren 26 mit den Enden der einzelnen Wicklungsleiter verbunden, wie weiter unten beschrieben wird. Das Kühlwasser für die Statorwicklung wird mittels einer externen Pumpe 28 durch die Wicklung hindurch getrieben. Die Pumpe führt

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das von der Maschine ausgegebene Wasser durch einen Kühler 30 und dann durch ein Eingangsrohr 31, das durch das Gehäuse 13 hindurchreicht und mit dem Einlaßverteiler 24 in Verbindung steht. Das am anderen Ende der Maschine abgegebene Wasser fließt durch den Auslaßverteiler 25 zu einem Ausgaberohr 32, das durch das Gehäuse 13 zur Pumpe 28 führt. Auf diese Weise wird ein geschlossenes rezirkulierendes System geschaffen, das von dem Kühlsystem für den Rotor und den Statorkern getrennt ist.

Jedes Ende eines jeden Wicklungsleiters 16 ist mittels eines Verbxndungsgliedes 34, das auch zur Herstellung des elektrischen Kontaktes mit dem Leiter verwendet werden kann, mit dem Kühlsystem verbunden. Jedes Verbindungsglied 34 umfaßt ein Kopfglied 36, das das Ende des Leiters umschließt. Das Kopfglied 36 ist im allgemeinen rechteckig mit einer sich verjüngenden äußeren Oberfläche, wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt ist, und liefert einen umschlossenen Raum, der mit den hohlen Strängen 21 des Leiters in Verbindung steht. Das Kopfglied 36 erstreckt sich über das Ende des Leiters hinaus, um den oben erwähnten umschlossenen Raum zu bilden, und wird durch einen Deckel 38 verschlossen, der über eine flüssigkeitsdichte Verbindung mit dem Kopf verlötet oder auf andere Weise befestigt ist. Ein Rohr 39 ist an dem Deckel 38 angelötet, um mittels eines Ellbogens 40 oder auf andere Weise eine Verbindung zu einem Rohr 42 herzustellen, das mit einem der isolierenden Röhren 26 des Kühlsystems in Verbindung steht. Eine Anschlußeinrichtung 43 kann ebenfalls

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auf dem Deckel 38 vorgesehen sein, um von der Spule 16 eine elektrische Verbindung zu einer angrenzenden Spule oder zu einem Anschlußkabel herzustellen. Der Kopf 36 ist an den Strängen 20 des Leiters 16 durch Löten oder auf andere Weise befestigt, um eine flüssigkeitsdichte Verbindung herzustellen.

Wie schon erwähnt wurde, wurde der Endteil des Leiters unmittelbar angrenzend zum Kopf 36 bisher nicht isoliert. Es ist nun ermittelt worden, daß dieser Bereich besonders anfällig gegenüber Versagen ist, weil hier eine besonders hohe Belastung und besonders starke Vibrationen auftreten können. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden derartige Störungen im wesentlichen dadurch vermieden, daß die Stränge miteinander verbunden werden und daß eine isolierende Verstärkung für den strangförmig aufgebauten Leiter in diesem Bereich geliefert wird. Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, sind die Stränge 20 mittels eines Epoxidharzes 45 miteinander verbunden. Z. B. kann das Ende des Leiters mit einer schrumpfbaren Hülse abgedeckt werden, die sich über den Kopf und den Endteil des Leiters erstreckt, wobei ein Kupferrohr in die Hülse eingeschoben wird. Die Hülse kann dann durch Anwendung von Hitze festgeschrumpft werden und durch das Kupferrohr ein geeignetes Harz eingespritzt werden, um die Räume zwischen den Strängen 20 über einen beim Kopf beginnenden geeigneten Entfernungsabschnitt zu füllen. Nachdem sich das Harz an Ort und Stelle befindet, kann es durch Hitzeanwendung ausgehärtet werden und die Umhülsung und das Kupferrohr entfernt werden. Dadurch erhält man eine feste Bindung zwischen den Strängen und zwingt

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die Spulenenden, als Ganzes zu vibrieren, statt daß eine Anzahl von Strängen getrennt voneinander vibrieren. Dadurch wird die Belastung und die Möglichkeit von Ermüdungsbrüchen der einzelnen Stränge stark vermindert.

Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung wird der Leiter 16 im Bereich zwischen dem Ende der Grundwandisolierung und dem Kopf 36 mechanisch gestützt und isoliert. Der aus Strängen bestehende Leiter 16 ist natürlich von der üblichen Hochspannungsgrundwandisolierung (Bodenisolierung) 46 umschlossen, die sich über den Teil der Spule erstreckt, der in einem Schlitz des Kerns 10 liegt, sowie über die Endteile bis zu wenigen Zentimetern entfernt von dem Kopf. Diese Isolierung

46 besteht aus der notwendigen Anzahl von Schichten aus mit Kunstharz imprägnierten Glimmerband. Der Endteil des Leiters 16 zwischen der Grundwandisolierung 46 und dem Kopf 36 wird von einer festen isolierenden Stütze 47 umkapselt. Wie insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Stütze 47 aus einer Anzahl von Schichten aus um den Leiter 16 herumgewickelten und mit Kunstharz imprägnierten isolierenden Material bestehen. Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform besteht die Stütze

47 aus nicht verwebtem Glasmaterial, das aus parallelen Fasern von mit einem Epoxidharz imprägnierten Glas besteht. Ein derartiges Material ist unter dem Handelsnamen SCOTCHPLY erhältlich, obwohl natürlich auch andere ähnliche Materialien verwendet werden können. Dieses Glasmaterial wird in Form einer Einzelumhüllung angewendet, statt in Form eines Bandes. D. h., daß die Breite des Materials ungefähr gleich der

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Entfernung zwischen dem Kopf und dem Ende der Grundwandisolierung 46 gewählt wird, so daß ein einziges Materialstück um den Leiter für jede Schicht herumgewickelt werden kann, so daß es keine Punkte elektrischer Schwäche gibt, wie sie zwischen angrenzenden Windungen eines Bandes auftreten können.

Um irgendwelche elektrisch schwachen Stellen dort zu vermeiden, wo die isolierende Stütze 47 an die Grundwand 46 angrenzt, ist es wünschenswert, die Stütze um die Grundwandisolierung herum zu spleißen. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß die aufeinanderfolgenden Schichten des Glasmaterials 48 und des Glimmerbandes 49 gemäß Fig. 3 ineinander gelegt werden, indem sie nacheinander aufgebracht werden, so daß sich die Form einer Spleißung 50 ergibt. Es wird also eine erste Umwicklung von Glasmaterial 48 an jedem Ende des Leiters 16 angebracht, die an diesem Ende an dem Kopf 36 anliegt, dann wird eine Schicht von Glimmerband 49 über die Gesamtlänge des Leiters 16 aufgebracht, wobei das Glasmaterial an jedem Ende um einen geeigneten Wert, wie z. B. 1 cm, überlappt wird. Dann wird eine andere Schicht von Glasmaterial 48 an jedem Ende aufgebracht, darauf eine weitere Schicht von Glimmerband 49 über die Länge des Leiters, die in ähnlicher Weise die Glasumhüllung überlappt. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis eine ausreichende Anzahl von Schichten aus Glas- und Glimmerband aufgebaut wurde. Nachdem die ersten wenigen Schichten von Glasmaterial aufgebracht sind, werden aufeinanderfolgende Schichten über den Kopf 36 hinaus erstreckt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, wobei jede Schicht etwas weiter über die

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Abschrägung hinausreicht und die nachfolgenden Schichten von Glimmerband sich entsprechend über die vorhergehende Schicht hinaus erstrecken. Das Glasmaterial ist vorzugsweise mit Epoxidharz imprägniert, bevor es auf den Leiter aufgebracht wird, und nachdem eine ausreichende Anzahl von Schichten aus Glas und Glimmer aufgebracht wurden, wird das Glasmaterial in irgendeiner Weise gepreßt oder geklammert, um es auf dem Leiter 16 festzulegen und dann durch Anwendung von Hitze ausgehärtet, wodurch sich eine feste massive isolierende Stütze 47 ergibt, die den Leiter 16 zwischen dem Kopf und dem Ende der Grundwandisolierung umschließt. Die Grundisolierung 46 kann dann in der gewöhnlichen Weise durch Imprägnierung mit einem geeigneten Harz und Aushärtung behandelt werden, um das Verfahren des Isolierens des Leiters 16 abzuschließen.

Im Vorhergehenden wurde somit eine Konstruktion beschrieben, die besonders geeignet ist für wassergekühlte Leiter von großen Turbinengeneratoren, bei denen die Endteile der Leiter mechanisch gestützt und verstärkt werden, um die Möglichkeit von Ermüdungsbrüchen in diesen Bereichen, die sich aufgrund von übermäßigen Belastungen oder Vibrationen ergeben, zu verhindern.

Patentansprüche;

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Claims

Pate ntansprüche

Flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschine, gekennzeichnet durch eine mechanische Stütze (47) für Leiter (16) eines flüssigkeitsgekuhlten Stators (10), durch eine Statorwicklung und ein Kühlsystem zum Hindurchführen eines flüssigen Kühlmittels, durch eine Vielzahl von Wicklungsleitern (16), die miteinander verbunden sind, um die Wicklung zu bilden, wobei jede Leitung (16) aus mehreren Strängen (20) besteht, wobei mindestens ein Strang (20) hohl ist, um als Kühlmitteldurchführung zu dienen, durch ein Kopfglied (36) an jedem Ende eines jeden Leiters (16), das mit dem Leiter über eine flüssigkeitsdichte Verbindung (34) verbunden ist, wobei das Kopfglied (36) einen umschlossenen Raum bildet, der mit den Kühlmitteldurchführungen in Verbindung steht, durch Einrichtungen, um den umschlossenen Raum mit dem Kühlmittelsystem zu verbinden, durch ausgehärtetes Kunstharzmaterial (45), das die Stränge (20) eines jeden Leiters (36) unmittelbar angrenzend zu dem Kopfglied (36) in gegenseitiger Verbindung stützt und den Raum zwischen den Strängen (20) füllt, durch eine Grundwandisolierung (46), die jeden Leiter (16) umgibt und aus mit einem gehärteten Kunstharzmaterial imprägnierten umhüllenden Band besteht und auf jedem der Leiter (16) an einer Stelle endet, die von dem Kopfglied (36) einen Abstand aufweist, durch ein festes isolierendes Stützglied (47) , das über jedem Leiter (16) angrenzend zu dem Kopfglied (36) angeordnet ist und aus einer Vielzahl von Schichten (48) eines isolierenden

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Materials besteht, wobei die Schichten (48) eine im wesentlichen vollständige büchsenartige Umhüllung für den Leiter (16) vom Kopfglied (36) bis zur Grundwandisolierung (46) bildet, wobei das feste isolierende Stützglied (47) mit einem ausgehärteten Kunstharzmaterial imprägniert ist.
2. Flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (48) von isolierendem Material des Stützgliedes (47) Ansätze aufweisen, die mit Schichten des Bandes (49) der Grundwandisolierung (46) überlappt sind.
3. Flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (49) der Grundwandisolierung (46) Glimmer umfaßt, und daß die Schicht (48) des isolierenden Materials des Stützgliedes (47) ein Glasfasermaterial sowie ein ausgehärtetes Kunstharzmaterial (45) zwischen den Strängen (20) angrenzend zu dem Kopfglied (36) umfaßt, wobei das ausgehärtete Kunstharzmaterial (45) , mit dem das Band (49) der Grundwandisolierung (46) imprägniert ist, und das ausgehärtete Kunstharzmaterial (45), mit dem die feste isolierende Stütze (47) imprägniert ist, ein Epoxidharz ist.
4. Flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwandisolierung (46) mehrere Schichten

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aus isoliErendem Band (49) und die isolierende Stütze (47) mehrere Schichten einer isolierenden Umhüllung (48) umfassen, wobei die Schichten des Bandes (49) und die Schichten der Umhüllung (48) an jedem Ende inineinander geschichtet sind, um eine Spleißung (50) zu bilden.

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