DE2635038A1

DE2635038A1 - SPRAY NOZZLE ARRANGEMENT

Info

Publication number: DE2635038A1
Application number: DE19762635038
Authority: DE
Inventors: Donald Richard Basel
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-08-06
Filing date: 1976-08-04
Publication date: 1977-02-24
Also published as: GB1514087A; NL7606260A; CA1071678A; IT1067940B; FR2320655A1

Description

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DiPL-ING. KLAUS NEUBECKERDiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9Patent attorney
4 Düsseldorf 1 Schadowplatz 9

Düsseldorf, 2. Aug. 1976Düsseldorf, Aug. 2, 1976

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh,- PaY VY Sf. Ä. Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, - PaY VY Sf. Ä.

SprühdüsenanordnungSpray nozzle assembly

.Die Erfindung betrifft eine Sprühdüsenanordnung zum Kühlen einer dynomoelektrischen Maschine, die einen Stator und einen Rotor besitzt, wobei der Rotor eine zentral angeordnete hohle Welle mit einer zentralen Rotationsachse sowie extern gehaltene Feldspule besitzt, wobei Rotor, Stator und Feldspulen Oberflächen besitzen, die während des normalen Betriebes Hitzeeinwirkungen ausgesetzt sind.The invention relates to a spray nozzle assembly for cooling a dynomoelectric machine having a stator and a rotor, the rotor being a centrally located one has a hollow shaft with a central axis of rotation and an externally held field coil, with rotor, stator and field coils Have surfaces that are exposed to heat during normal operation.

Insbesondere beschreibt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Sprühdüsenanordnung zur flächigen Sprühkühlung, ohne daß die Komponenten einer dynamoelektrischen Maschine beschädigt werden.In particular, the present invention describes an improved one Spray nozzle arrangement for surface spray cooling without the components of a dynamo-electric machine to be damaged.

Bei Überschallflugzeugen ist das Kühlen einer dynamoelektrischen Maschine von geringer Wirkung, weil aufgrund des Luftstaus die Luft kein zufriedenstellendes Kühlmittel darstellt.In the case of supersonic aircraft, the cooling of a dynamo-electric machine is of little effect because of the air congestion the air is not a satisfactory coolant.

Es war daher notwendig, andere Kühleinrichtungen zu entwickeln, die von der Umgebung, in dem sich die arbeitende Maschine befindet, unabhängig ist.It was therefore necessary to develop other cooling devices that were dependent on the environment in which the working machine was located is independent.

Eine Lösungsversuch bestand darin, mittels Leitungsöl KühlungOne attempted solution was to use line oil for cooling

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Telefon (O211) 320858 Telegramme CustopatTelephone (O211) 320858 telegrams Custopat

vorzuehmen. Dynamoelektrische Maschinen wurden dadurch gekühlt, daß fliessendes öl durch Wege innerhalb der wärmeerzeugenden Elemente hindurchgeführt wurde. Die Kühlung mußte dadurch erreicht werden, daß die Wärme von den Wärmequellen über niedrige thermische Widerstände zu dem Öl geleitet wurde. Das Öl wiederum transportierte die Wärme zu entsprechenden Wärmesenken, wie beispielsweise zu dem Flugzeugtreibstoff oder auch bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten in die Luft. Jedoch war dieses Verfahren nicht besonders wirksam weil der hohe thermische Widerstand der elektrischen Isolation in den Maschinen eine ausreichende Wärmeleitung zu dem öl verhinderte. Auch erwies sich die Luft als unzureichende Wärmesenke, weil die spezifische Wärme von Öl wesentlich höher ist, als die von Luft.to undertake. Dynamo-electric machines were cooled by that flowing oil through paths within the heat generating Elements was passed through. The cooling had to be achieved by removing the heat from the heat sources via low thermal resistances were passed to the oil. The oil in turn transported the heat to the corresponding heat sinks, like for example the jet fuel or even at low airspeeds in the air. However it was this method is not particularly effective because of the high thermal resistance of the electrical insulation in the machines prevented sufficient heat conduction to the oil. The air also proved to be an insufficient heat sink, because the specific The heat of oil is much higher than that of air.

Gegenüber der Ölleitungskühlung wurde eine Verbesserung dadurch erreicht, daß das Prinzip der ölsprühkühlung entwickelt wurde, bei der öl, das innerhalb einer hohlen RotorwelleCompared to oil line cooling, an improvement was achieved in that the principle of oil spray cooling was developed was, in the case of the oil, which is inside a hollow rotor shaft

2 enthalten ist, unter einem Druck von ungefähr 14 kg/cm durch Düsen hindurchgepreßt wird, die an der Rotorwelle angebracht sind. Das ölsprühverfahren war vorher bekannt und ist bereits anderweitig beschrieben, beispielsweise in einem Aufsatz von R. L. Gasparetti in der Zeitschrift "The Westinghouse Engineer", Mai 1969, der den Titel "The Westinghouse Oil Cooled Generator For The Integrated Drive Generator System", hatte. Auf diesen Aufsatz sei für weitere Hintergrundinformation verwiesen. Bei dem ölsprühkonzept richten die Düsen einen ölstrom auf die zu kühlenden Wicklungen. Da jedoch das öl bei seinem Kreislauf durch die Maschine Abfallteilchen aufnehmen kann, bestand stets die Gefahr, daß sich die Düsen verstopfen.2 is contained, under a pressure of approximately 14 kg / cm Nozzles is pressed through, which are attached to the rotor shaft. The oil spray process was known before and already is otherwise described, for example in an article by R. L. Gasparetti in The Westinghouse Engineer ", May 1969, entitled" The Westinghouse Oil Cooled Generator For The Integrated Drive Generator System ", would have. Please refer to this article for further background information. With the oil spray concept, the nozzles set one up oil flow onto the windings to be cooled. However, since the oil can pick up waste particles during its cycle through the machine, there was always the risk that the nozzles would become clog.

In der US-Patentschrift 3,659,125 vom 25. April 1972 des Erfinders der vorliegenden Erfindung ist bereits eine Düse zum Versprühen eines Fluidums von einem rotierenden Glied nach außen beschrieben, das innere Öffnungen besitzt, die sich nicht senkrecht zur Drehachse erstrecken, um ein Verstopfen der öffnungen durch Teilchen zu vermeiden, auf die die Zentri-In U.S. Patent 3,659,125, dated April 25, 1972, by the inventor of the present invention, there is already a nozzle for spraying a fluid outwardly from a rotating member having internal openings which do not extend perpendicular to the axis of rotation in order to avoid clogging of the openings by particles on which the centrifugal

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fugalkraft einwirkt. Obwohl die ÜS-Patenschrift 3,659,125 das Problem der Verstopfung der Düsen löst, führte die Wirkung des direkt von der Düse ausströmenden Öles zur Isolationserosion, wodurch die Lebensdauer des Generators begrenzt und ein Beitrag zur Verunreinigung des ölsystems geleistet wurde.fugal force acts. Although the ÜS patent specification 3,659,125 solving the problem of nozzle clogging, the effect of the oil flowing directly from the nozzle led to insulation erosion, which limited the service life of the generator and a contribution to pollution of the oil system has been made.

Um das Erosionsproblem hinsichtlich der Isolierung zu lösen, beschreibt die US-Patenschrift 3,689,786 das Hineinführen des Kühlöls in komplizierte rotierende Verteilungsringe hinein. Die Kompliziertheit und die Kosten derartiger Anordnungen sind jedoch von großem Nachteil.To solve the insulation erosion problem, U.S. Patent 3,689,786 describes the lead-in of the cooling oil into complicated rotating distribution rings. The complexity and cost of such arrangements however, are of great disadvantage.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Sprühdüsenanordnung für eine dynamoelektrische Maschine zu schaffen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist.The object of the present invention is to provide an improved spray nozzle arrangement for a dynamo-electric machine to create that does not have the disadvantages mentioned above.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs in vorteilhafter Weise gelöst.The invention is solved in an advantageous manner by the features of the main claim.

Die Erfindung besteht demgemäß aus einer verteilten Sprühdüsenanordnung, die zur Kühlung einer dynamoelektrischen Maschine dient, die einen Stator und einen Rotor besitzt, wobei der Rotor eine zentral angeordnete hohle Welle mit einer zentralen Drehachse sowie extern gehaltene Feldspulen aufweist. Rotor, Stator und Feldspulen besitzen Oberflächen, die Erhitzungserscheinungen während des normalen Betriebs ausgesetzt sind. Zumindest eine Düse ist vorgesehen, um die genannten Oberflächen zu kühlen. Sie ist so ausgeführt, daß sie sich auf einer radialen Linie von der durch die Welle laufenden Achse erstreckt, die eine Zentralbohrung zum Durchleiten eines Kühlmittels vom Inneren der Welle zum äußeren Ende der Düse aufweist. Die Anordnung ist dadurch charakterisiert, daß das äußere Ende eine Öffnung besitzt, die sich von der Bohrung zu einer Seite der Düse erstreckt, um das Kühlmittel von der Bohrung in nicht paralleler RichtungThe invention accordingly consists of a distributed spray nozzle arrangement, which is used to cool a dynamo-electric machine that has a stator and a rotor, the rotor having a centrally located hollow shaft with a central axis of rotation and externally held field coils having. The rotor, stator and field coils have surfaces that show signs of heating during normal operation are exposed. At least one nozzle is provided in order to cool the surfaces mentioned. It is done so that it extends on a radial line from the axis passing through the shaft, which has a central bore for passing a coolant from the interior of the shaft to the outer end of the nozzle. The arrangement is thereby characterizes that the outer end has an opening which extends from the bore to one side of the nozzle, around the coolant from the bore in a non-parallel direction

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in die Nähe der Oberflächen zu bringen, um diese ohne Beschädigung zu kühlen.bring them close to the surfaces in order to avoid damaging them to cool.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigt:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment which is shown in the drawings. It shows:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer die Erfindung enthaltenen dynamoelelktrischen Maschine;Fig. 1 is a sectional view of a dynamo-electrical machine embodying the invention;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht der Fig. 1 zur Darstellung der Düse ohne den verstopfungsfreien Einlaß;FIG. 2 shows an enlarged sectional view of FIG. 1 to show the nozzle without the non-clogging one Inlet;

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht der Fig. 1 zur Darstellung der Düse mit dem verstopfungsfreien Einlaß; und3 shows an enlarged sectional view of FIG. 1 to show the nozzle with the non-clogging one Inlet; and

Fig. 4 eine perspektivische, Teilansicht des Rotors zur Erläuterung des fächerartigen Sprühstrahls der Düse.4 shows a perspective, partial view of the rotor to explain the fan-like spray jet the nozzle.

Fig. 1 zeigt eine dynamoelektrische Maschine der sprühölgekühlten Bauart, die die vorliegende Erfindung umfaßt. Die Maschine besteht aus einem rotierenden Bauteil 10, das eine Wand 11 besitzt, die eine Kammer umschließt. Ein Kühlmittel 12, das in dem rotierenden Bauteil 10 unter dem Druck vonFig. 1 shows a dynamo-electric machine of the spray oil-cooled type embodying the present invention. the Machine consists of a rotating component 10, the one Wall 11 has which encloses a chamber. A coolant 12, which is in the rotating component 10 under the pressure of

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etwa 14 kg/cm enthalten ist, wird durch Düsen 13 in einer weichen fächerartigen- Weise auf die Rotorfeldspulen 14 verteilt. Die Feldspulen 14 sind auf einem Rotor 16 angeordnet, der innerhalb eines Stators liegt, der einen Kern 18 und Wicklungen 20 besitzt. Die bewegten Teile sind von der äußeren Umgebung durch ein Gehäuse 21 abgetrennt.2
about 14 kg / cm is contained is distributed to the rotor field coils 14 through nozzles 13 in a soft fan-like manner. The field coils 14 are arranged on a rotor 16 which lies within a stator which has a core 18 and windings 20. The moving parts are separated from the external environment by a housing 21.

Fig. 2 erläutert die Düsenkonfiguration in größeren Einzelheiten. Düse 13 ist an die hohle Welle 10 angebracht und erstreckt sich in diese hinein. Das innere Ende 22 der Düse nimmt das Kühlmittel auf, während die Zentralbohrung 23 das Kühl-Figure 2 illustrates the nozzle configuration in greater detail. Nozzle 13 is attached to the hollow shaft 10 and extends get into this. The inner end 22 of the nozzle receives the coolant, while the central bore 23 the cooling

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mittel zum äußeren Ende der Düse, dem Verteiler 24 leitet. Der Verteiler 24 besitzt eine Öffnung 26, die sich von der Zentralbohrung zur Seite der Düse erstreckt. Die Öffnung kann durch einen kreuzweise eingearbeiteten Schlitz der Düse 13 gebildet werden. Die Öffnung 26 ist vorzugsweise zumindest halbkreisförmig. Aufgrund des Kühlmitteldruckes verteilt der Verteiler 24 das Kühlmittel 12 in einer weichen fächerartigen Weise, wodurch eine Kühlung der Rotorfeidspulen 14, des Rotors 16 und der Statorwicklungen 20 ohne deren Beschädigung möglich wird. Die Flachheit des Sprühstrahls kann durch Abwinkein der Seiten der öffnung 26 geändert werden. Der Verteiler 24 verhindert, daß ein intensiver Kühlmittelstrom 12 in der Bohrung 23 auf einen örtlichen Bereich eines Bauteils auftrifft, wodurch ein Versagen dieses Bauteils wegen schwerwiegender Erosion vermieden wird. Der Verteiler verhindert jedoch nicht nur die erosive Zerstörung an den Bauteilen der dynamoelektrischen Maschine, sondern liefert auch eine bessere Kühlung durch Nässung größerer Flächen. Beispielsweise wurden bei Versuchen mit dieser Düse bei einem Flugzeuggenerator die Temperatur von heißen Wicklungspunkten von 3O5°C auf 265°C vermindert. means to the outer end of the nozzle, the manifold 24 directs. The manifold 24 has an opening 26 which extends from the Central bore extends to the side of the nozzle. The opening can be opened through a cross-shaped slit of the Nozzle 13 are formed. The opening 26 is preferably at least semicircular. Due to the coolant pressure the manifold 24 distributes the coolant 12 in a soft fan-like manner, thereby cooling the rotor field coils 14, of the rotor 16 and the stator windings 20 without damaging them becomes possible. The flatness of the spray jet can be changed by angling the sides of the opening 26. The distributor 24 prevents an intense flow of coolant 12 in the bore 23 on a local area of a Component impacts, thereby avoiding failure of this component due to severe erosion. The distributor However, it not only prevents the erosive destruction of the components of the dynamo-electric machine, but also delivers also better cooling by wetting larger areas. For example, tests with this nozzle have shown in an aircraft generator reduced the temperature of hot winding points from 305 ° C to 265 ° C.

Obwohl Fig. 2 eine wünschenswerte Anordnung der Düse 13 darstellt, ist diese auch geeignet für die Verwendung eines sich nicht verstopfenden Einlasses, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Zusätzlich dazu, daß ein Einlaß in einer Richtung mit der Zentralbohrung liegt, sind noch mehrere Einlaßöffnungen und Durchführungen 30 vorgesehen, die zur Zentralbohrung 23 senkrecht liegen. Die Rotation der Welle wird dahin tendieren, Teilchen im Kühlmittel an den Einlaßöffnungen 30 vorbeizuspülen und dadurch die Wahrscheinlichkeit vermindern, daß ein Teilchen sich in einer Öffnung festsetzt und den Durchfluß des Kühlmittels blockiert. Weiterhin vermindert die Anwesenheit von mehreren derartigen Einlaßöffnungen 30 die Wahrscheinlichkeit der Blockierung der Düse.Although FIG. 2 shows a desirable arrangement of the nozzle 13 is also suitable for the use of a non-clogging inlet as shown in FIG is. In addition to having an inlet in one direction with the central bore, there are also several inlet openings and feedthroughs 30 are provided which are perpendicular to the central bore 23. The rotation of the shaft will tend to To wash particles in the coolant past the inlet ports 30 and thereby reduce the likelihood of a particle lodges in an opening and blocks the flow of coolant. Furthermore, the Presence of several such inlet ports 30 increases the likelihood of blockage of the nozzle.

Fig. 4 zeigt ein rotierendes Bauteil 10 mit darauf angebrachtenFig. 4 shows a rotating component 10 with attached thereto

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Düsen 13. Pole 34 des Rotors 16, die Dämpferstablöcher und -schlitze 36 aufweisen, sind so angeordnet, daß die Rotorfeldspulen 14 um diese herumgewickelt sind. Aus Gründen der besseren Übersicht ist nur ein Pol 34 und eine Feldspule dargestellt. Die Feldspule ist teilweise weggebrochen. Ein Handhabungsring 38 umgibt die Rotorfeidspule 14. Im allgemeinen tritt das Kühlmittel aus den Düsen 13 in einer fächerartigen Weise aus, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, berührt die Pole und wird in verschiedene Richtungen abgelenkt und berührt die anderen erhitzten Oberflächen, wie beispielsweise die Rotorfeldspulen 14, andere Teile des Rotors 16 und die Statorwicklungen 20. Die Kombination von verteiltem Sprühstrahl und sekundärer Berührung schafft eine Nässung einer größeren Fläche, was zu erhöhter Kühlwirkung führt. Obwohl das Kühlmittel so dargestellt ist, daß es direkt auf einen Pol 34 auftrifft, kann unter bestimmten Umständen das Kühlmittel auch direkt auf die Rotorfeldspulen 14 oder andere Teile der Maschine auftreffen. Da jedoch die Düsen 13 einen verteilten fächerartigen Sprühstrahl erzeugen, wird diesen Teil kein Schaden zugefügt.Nozzles 13. Poles 34 of rotor 16, the damper rod holes and -slots 36 are arranged so that the rotor field coils 14 are wrapped around this. For the sake of clarity, there is only one pole 34 and one field coil shown. The field coil has partially broken away. A handle ring 38 surrounds the rotor field coil 14. Generally the coolant emerges from the nozzles 13 in a fan-like manner Manner, as shown in Fig. 4, touches the poles and is deflected in different directions and touches the other heated surfaces such as the rotor field coils 14, other parts of the rotor 16, and the stator windings 20. The combination of dispersed spray and secondary contact creates wetting of a larger one Surface, which leads to an increased cooling effect. Although the coolant is shown hitting a pole 34 directly, Under certain circumstances, the coolant can also be applied directly to the rotor field coils 14 or other parts of the machine hit. However, since the nozzles 13 produce a distributed fan-like spray, this part will not be damaged added.

Patentansprücheι Claims ι

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Claims

-η ν -η ν 'ä t e' η 't a η' s ρ r 'ü c h e'

Distributing spray can assembly for cooling a dynamo-electric machine that includes a stator and has a rotor, the rotor having a centrally located hollow shaft with a central axis of rotation and has externally supported field coils and rotor, stator and field windings during normal Have surfaces that are exposed to operational heating phenomena, with at least one nozzle for cooling these surfaces, these having at least one nozzle on a radial line from the axis extends through the shaft and has a central bore to draw coolant from the interior of the shaft to the outer end of the nozzle, characterized in that the outer end of the The nozzle (13) has an opening (26) which extends from the central bore (23) to the side of the nozzle (13) extends away to the coolant in a non-parallel manner from the bore (23) to the vicinity of the surfaces to cool them without damaging them.

2. Spray nozzle arrangement according to claim 1, characterized in that that the inner end (22) of the nozzle (13) comprises a plurality of inlet openings (30) which are in extending in the nozzle (13) to receive the coolant with the axis of the inlet ports (30) to the axis of the central bore (23) has an angle other than zero.

3. Spray nozzle arrangement according to claim 2, characterized in that that the inlet openings (30) are perpendicular to the central bore (23).

4. Spray nozzle arrangement according to claim 1 or 2, characterized characterized in that several such nozzles (13) are spaced from one another around the circumference of the shaft (10) are arranged around.

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2 Π ? S ί) 32 Π ? S ί) 3

5. Spray nozzle arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the opening (30) is semicircular so that the coolant is laterally is distributed in a fan-shaped manner.

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