DE2654786A1

DE2654786A1 - Rotor fuer einen turbogenerator

Info

Publication number: DE2654786A1
Application number: DE19762654786
Authority: DE
Inventors: Kristian Dahl Dipl Ing Madsen
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1975-12-17
Filing date: 1976-12-03
Publication date: 1977-06-30
Also published as: SE7514259L; GB1564040A; FR2335980A1; US4152611A; SE395991B; JPS5273307A

Description

Rotor für einen Turbogenerator

Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Turbogenerator der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art. Ein solcher Rotor ist bekannt aus der DT-PS 1 077 774.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Rotor mit einfachen Mitteln in der Weise weiterzuentwickeln, daß sein Kühlsystem mit direkter Kühlung arbeitet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Rotor nach dem Oberbegriff des .Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat. Torteilhafte V/eiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannte

Die Dire>; tkühlung gemäß der Erfindung wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß man Konstruktionselemente, die bereits für andere Zwecke notwendig sind, für das Kühlsystem ausnutzt. Mit überraschend geringen Mehrkosten gelangt man durch die Konstruktion gemäß der Erfindung zu einem Generator, der bei gleichem Materialverbrauch mit einer bedeutend höheren Leistung betrieben werden kann, als dies bei den bekannten Generatoren möglich ist.

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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch das eine Ende eines Rotors gemäß der Erfindung längs der Linie I-I in Fig. 3,

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das gleiche Rotorende längs der Linie H-II in Fig. 3,

Fig. 3 einen Rotor gemäß der Erfindung im Schnitt längs der Linie IH-III in Fig. 2,

Fig. 4 den Magnetkern des Rotors in einer Endansicht, Fig. 5 eine axiale Schnittdarstellung einer von mehreren möglichen Expansionsanordnungen zur Vorspannung des den Rotor umgebenden Zylinders,

Fig. 6 einen Radialschnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5»

Fig. 7 im Axialschnitt eine andere Ausführungsform der Erfindung O

Die entsprechenden Schnitte durch das andere Ende der Rotoren ergeben sich durch. Spiegelsymmetrie aus den Fig. 1,2 und 7. Fig. 7 unterscheidet sich von den in den Fig. 1-6 gezeigten Ausführungsbeispielen hauptsächlich, dadurch, daß der den Rotorkörper kapselnde Zylinder mit seinen Enden in ringförmigen Nuten angeordnet ist, die in den Wellenzapfen und nicht in den unmagnetischen Zwischenstücken angebracht sind, wobei der kapselnde Zylinder aus unmagnepischem Material besteht.

In den Figuren bezeichnet 1 einen massiven eisernen Rotorkern, dessen axiale Länge mindestens das Dreifache seines Durchmessers

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beträgt. Der Rotorkern enthält zwei als Segmente eines Kreiszylinders ausgebildete Polabsehnitte 2 und ein zwischen diesen liegendes parallelepipedisches Teil 5, auf welchem die Magnetisierungswicklung 4 des Generators sitzt, die aus mehreren Windungen eines mit axialen Kühlkanälen 5 versehenen Leiters 6 besteht. An jedem Ende des Rotorkerns 1 ist ein Wellenzapfen 7 mit Schraubbolzen 8 und 8^r angeflanscht, wobei zwischen dem Rotorkörper und den jeweiligen Wellenzapfen je ein kreisförmiges Zwischenstück 9 aus unmagnetischem Material eingefügt ist. Jedes Zwischenstück 9 hat nahe seinem Umfange eine axial nach innen gerichtete kreisförmige Nut 10. In jede dieser Nuten ragt je ein Ende eines Kreiszylinders 11, der den Rotorkörper umgibt und dabei einen radial gerichteten Druck auf den Rotorkörper 1 sowie auf radial außerhalb der Rotorwicklung angeordnete Füllkörper 14 aus unmagnetischem Material ausübt. In jeder Ringnut 10 befinden sich zwei Dichtungsringe 12 und 13, die an der Innen- bzw. Außenseite des Kreiszylinders 11 dichten, wobei dieser zusammen mit den beiden Zwischenstücken 9 einen Behälter bildet, der zumindest bei einem inneren Druck, der unter 10 Bar liegt, druckdicht ist.

Um eine den hohen Zentrifugalkräften standhaltende sichere Befestigung der Rotorwicklung zu erreichen, ist der Kreiszylinder mit einer so hohen Vorspannung montiert, daß die axial verlaufenden Teile der Rotorwicklung auch bei höchster Rotordrehzahl einen bedeutenden Druck auf die radial davor liegenden Eisenflächen ausüben. Bei stillstehendem Rotor beträgt die Zugspannung in dem Kreiszylinder 11 mindestens JO i> der Fließgrenze des Zylindermaterials.

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Diese hohe Vorspannung wird mit Hilfe mehrerer Expansionsvorrichtungen 15 erreicht, die. vorzugsweise genauso lang sind wie der Rotorkern. Die Expansionsvorrichtungen 15 sind jeweils in einer axial verlaufenden Nut 16 im Rotorkörper angeordnet, vorzugsweise in Form eines für polymerisierendes Druckmittel 15' vorgesehenen Druckrohres, beispielsweise nach Art der DT-OS 2 411 933. Jede Nut 16 ist an ihrem einen Ende mit einem verhältnismäßig kurzen, gebogenen Kanal 17 versehen, in dem ein dünnes Einfüllrohr 18 für ein Rohr der Expansionsvorrichtung 15 verläuft. Die Endfläche des Rotorpols ist in Fig. 5 mit 1a bezeichnet. Statt der vorbeschriebenen Expansionsvorrichtung für den Kreiszylinder kann eine der beiden nachstehend beschriebenen Anordnungen verwendet werden.

Bei der einen alternativen Expansionsvorrichtung wird ein Zylinder benutzt, der mit einem Futter aus Blech, z.B. weichem Stahlblech, versehen ist, das an jedem Ende mittels einer druckdichten Ringnaht an den Zylinder festgeschweißt ist. Durch eine Bohrung in der Wand des Zylinders wird.härtbarer Kunststoff in den Spalt·zwischen den beiden Zylindern gepumpt und unter einem Druck von mindestens 100 Bar gehärtet.

Eine Vorspannung der Kapsel kann auch erzielt werden, ohne daß man zur Expansionsvorrichtung gehörende metallische Teile einbaut. Dies kann dadurch geschehen, daß das Zwischenstück 9 und der Wellenzapfen 7 zunächst provisorisch an dem fertig gewickelten Rotorkörper befestigt werden, worauf härtbarer Kunststoff durch einen Zuführ-

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kanal für Kühlflüssigkeit mit einem Druck von mindestens 100 Bar eingepumpt wird,, Nachdem der Kunststoff erstarrt ist und die Teile 7 und 9 demontiert wurden, werden Öffnungen in die leiterwände der axial außerhalb der Endflächen des Rotors liegenden Wicklungsabschnitte gebohrt, und die Kühlkanäle im Wellenzapfen, Zwischenstück und Rotorkörper werden aufgebohrt oder auf andere Art, z.B. durch Herausziehen eingelegter Schnüre, gereinigt»

Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wird Schmieröl als Kühlmittel verwendet. Das Öl wird mit einem Druck von 6 Bar einem Lager 19 zugeführt, das den Wellenzapfen umschließt, und strömt danach durch radiale Kanäle 20 in einen axialen Kanal im Wellenzapfen 21, der in einen axialen Kanal 22 in dem unmagnetischen Zwischenstück 9 übergeht,, In diesem Zwischenstück und der an diesem anliegenden elektrisch isolierenden Schicht 9' ist eine Verteilerkammer 23 vorhanden, von der aus mehrere axial verlaufende Bohrungen 24 eine hydraulische Verbindung mit sämtlichen axial außerhalb des Rotorkörpers liegenden Leiterabschnitten herstellen. Von diesen strömt das Öl durch die axial verlaufenden Leiter des Rotors und verläßt die Wicklung am anderen Ende des Rotors über eine Sammelkammer, welche dieselbe Form hat wie die Verteilerkammer 23 ,und gelangt über axiale und radiale Kanäle im Wellenzapfen in das andere Lager, von wo aus es über eine äußere Rohrleitung und eine Pumpe zurück zu dem ersten Lager •geführt wird. Die Pumpe erzeugt einen Druck von 6 Bar. Der Druckabfall im Rotor beträgt 3 Bar und in den beiden Lagern 3 Bar.

Außer dem oben beschriebenen Kühlkreis für die Wicklung hat der Rotor einen mit diesem Kühlkreis parallelgeschalteten zweiten

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Kühlkreis zur Kühlung des Zylinders 11 und des Rotorkerns 1. Am Übergang zwischen den axialen Kanälen 21 und 22 ist ein in einer Radialebene liegender scheibenförmiger Spalt 25 vorhanden, der über eine Anzahl im Zwischenstück 9 vorhandener Bohrungen 25' mit einer ringförmigen Kammer 26 in Verbindung steht, von der mehrere axial verlaufende Kühlkanäle 27 ausgehen.

Die auf das Zwischenstück 9 gerichtete Stirnfläche des Wellenzapfens hat eine ringförmige Erhöhung 28, die mit kleinen Toleranzen in eine entsprechende ringförmige Nut im Zwischenstück 9 paßt. Durch den Kühlflüssigkeitsstrom im Spalt 25 wird ein größerer Temperaturunterschied zwischen den beiden zu jeder Seite des Spalts 25 liegenden Teilen vermieden, so daß keine hohen mechanischen Spannungen zwischen der ringförmigen Erhöhung 28 und der entsprechenden Nut auftreten»

Der in Pig. 4 gezeigte Magnetkern besteht aus einem einzigen Schmiedestück. Die Gewindelöcher 29 sind für die Bolzen 8 vorgesehen die zusammen mit gleichen Bolzen an dem nicht gezeigten Rotorende die erforderliche mechanische Verbindung zwischen dem Rotorkern und den Wellenzapfen herstellen. Eine Verstärkung dieser Verbindung erreicht man dadurch, daß je eine an ihren Enden mit Gewinde versehene Verstrebung 30 in eine axiale Nut in den beiden Füllkörpern 14 angeordnet ist und mit Muttern in Richtung auf die Plansche der beiden Wellenzapfen angezogen wird«,

Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist der

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Rotorkern von einem Zylinder 31 umgeben. Da dieser aus unmagnetischem Material besteht, kann er mechanisch mit dem aus Stahl bestehenden Wellenzapfen 32 unmittelbar verbunden werden, ohne daß hierdurch der magnetische Streufluß zunimmt. Der Durchmesser des Wellenzapfens 32 des Rotors ist größer als der Außendurchmesser des Zylinders 31 und ist mit einer nahe dem Umfang liegenden, axial zum Rotorkörper gerichteten Ringnut 33 versehen, in deren eine Wand ein an der Innenseite des Zylinders anliegender Dichtungsring 34 liegt. Zwischen dem Wellenzapfen und dem Rotorkern liegt ein aus unmagnetischem Material bestehendes Zwischenstück 35· Der Zylinder 31 ist in axialer Richtung mit Gewindebolzen 36 versehen, wodurch man eine mechanische 'Verbindung zwischen dem Wellen™ sa.pfen 32 und dein Zylinder 31 erhält. Hierdurch wird eine erhöhte Steifigkeit des Rotors erreicht und die Durchbiegung des Rotors während des Betriebes vermindert. Der Wellenzapfen 32 hat zwei axiale Kanäle 37? die an die Rotorv/icklung angeschlossene Leitungen enthalten.

Die Erfindung kann auch in der Weise abgewandelt werden, daß die eine der beiden zylindrischen Wände der HTut 33 bzw. 10 sehr klein oder gar nicht vorhanden ist. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Rotor kann in gewissen Fällen die radial äußere Wand der !Tut 33 dank der Bolzen 36 fehlen. Es ist jedoch von Torteil, diese Wand beizubehalten, da sie sicherstellt, daß der Abstand des Zylinders von der den Dichtungsring tragenden Kutenwana an keiner Stelle zu groß wird.

Bei einer Maschine nach der Erfindung braucht die Zufuhr und Abfuhr

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des Kühlmittels nicht notwendigerweise über ein Rotorlager zu erfolgenc Es ist jedoch vorteilhaft, die beiden Lager für diesen

/in diesem Falle führt die Tatsache Zweck zu benutzen, denn ., daß der Rotor mittels eines

flüssigen Kühlmittels direkt gekühlt wird, nicht zu der Notwendigkeit, die Anzahl der Wellendichtungen zu erhöhen_β'

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Leerseite

Claims

Patentansprüche;

1 ο J Rotor für einen Turbogenerator mit einem Rotorkern, der zwei Polabschnitte und ein dazwischenliegendes, die Magnetisierungswicklung des Generators tragendes, im wesentlichen parallelepipedisches Teil enthält, mit je einem über ein Zwischenstück aus unmagnetischem Material an jedem Ende des Rotorkerns festgeflanschten Wellenzapfen und mit einem vorgespannten Zylinder, der den ganzen Rotorkern umschließt und dabei einen zumindest in radialer Richtung gleichmäßig verteilten Druck auf dessen Luftspaltfläche ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungswicklung (4) aus einem hohlen Leiter (6) gewickelt ist, daß mehrere axial außerhalb der Endflächen des Rotorkerns liegende Leiterabschnitte an dem einen Ende des Rotorkerns hydraulisch mit einem Zuflußkanal (21) und an dem anderen Ende mit einem Abflußkanal für Kühlflüssigkeit verbunden sind und daß die zum Rotorkern gerichteten Flächen der beiden Wellenzapfen (32) oder der Zwischenstücke (9, 35) mit je einer Ringnut (33» 10) versehen sind, von denen jede ein Ende des genannten vorgespannten Zylinders (11) aufnimmt«

2_e Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Ringnuten (33, 10) mit mindestens einem in die Nutenwand eingelassenen Dichtungsring (12, 13, 34) aus einem nachgiebigen Material versehen ist.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit Öl dient, welches einem Lager (19) an dem einen Rotorende zugeführt wird, daß der entsprechende Wellenzapfen (7, 32)

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mindestens einen radialen Kanal (20)hat, der vom Lager zu einem axialen Ölkanal (21) führt, der mit einer an dem zugehörigen Rotorende zwischen dem Rotorkörper und dem Zwischenstück vorhandenen Verteilungskammer (23, 38) für Öl in Verbindung steht, daß die Verteilerkammer über eine Vielzahl axial gerichteter Öffnungen (24) äirekt mit der Rotorwicklung (4) in Verbindung steht, welche Öffnungen aus Bohrungen in den axial außerhalb des Rotorkerns (1) liegenden Wicklungsabschnitt bestehen, und daß ein Ablaufsystem für das Öl zwischen der Wicklung und dem Lager am anderen Ende des Rotors angeordnet ist.

4o Rotor nach einem 'der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkern (1) mit einer Vielzahl axial verlaufender Kühlkanäle (27) versehen ist.

5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein radial außerhalb der Rotorwicklung liegender unmagnetischer Füllkörper (14-) mit einer Vielzahl axial verlaufender, auf den kapselnden Zylinder (11) gerichteter Kühlkanäle versehen ist.

6ο Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem vorgespannten Zylinder (11, 31) auf den Rotorkern (1) ausgeübte Druck über mindestens einen Körper (15¹) aus gehärtetem Kunststoff übertragen wird, der ein Teil einer Expansionsanordnung für den Zylinder ist.

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7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Druck mit Hilfe einer Vielzahl zwischen dem Zylinder (11, 31) und dem Rotorkern (1) angeordneter, axial gerichteter, mit Kunststoff gefüllter metallischer Druckrohre (15) übertragen wird.

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