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Vorrichtung zum Ein- und Aus leitern von Kühlflüssigkeit bei einer
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elektrischen Maschine mit Flüssigkeits-Rotorkühlung Die Erfindung
bezieht sich auf elektrische Maschinen mit flüssigkeitsgekühltem Rotor, bei welchem
die Kühlflüssigkeit durch den Rotor hindurchzirkuliert. Genauer gesagt, betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zur Ein- und Aus leitern der Kühlflüssigkeit in eine
bzw. aus einer solchen Maschine.
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Es ist bekannt, daß eine Leistungssteigerung bei umlaufenden elektrischen
Maschinen davon abhängt, wie deren Temperaturzunahme verringert werden kann, d.
h., wie die Maschine wirksam gekühlt werden kann. Mit anderen Worten, die maximal
mögliche Leistung einer umlaufenden elektrischen Maschine wird durch ihre maximale
Temperatur bestimmt und folglich durch die Fähigkeit, die auftretende Verlustwärme
abzuleiten. Andererseits besteht starker Bedarf zur Leistungssteigerung bei elektrischen
Maschinen und insbesondere auch bqi Turbogeneratoren, um den Wirkungsgrad von Kraftwerken
steigern zu können. Für diesen Zweck wird Wasserstoffgaskühlung bei Turbogeneratoren
angewendet.
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Bei dieser Technik scheinen jedoch die Grenzen weiterer Leistungssteigerung
erreicht zu sein, so daß es nötig wird, weitere brauchbare Kühlverfahren zu entwickeln.
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Es ist deshalb vorgeschlagen worden, anstelle von Wasserstoffgas eine
fühlflUssigkeit, wie etwa Wasser, einzusetzen, mit der ein sehr guter Kühlwirkpngsgrad
erzielt werden kann.
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Hierbei wird die Kühlflüssigkeit durch den Ständer geleitet, um diesen
zu kühlen. Wenn diese Technik so zufriedenstellend weiterentwickelt werden könnte,
daß die Kühlflüssigkeit nicht nur durch den Ständer, sondern auch durch
den
Läufer hindurchgeltitet wird, ließe sich die}hö4 derartiger Maschinen erheblich
verbessen.
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Zum Erzeugen einer 60 Uz-Spannung läuft der Läufer eines Turbogenerators
mit der hohen Drehzahl von 36001/min.
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Das Hindurchtreiben der Kühlflüssigkeit durch die gewünschten Bahnen
in einem sich mit so hoher Drehzahl drehenden Bauteil stellt ein Problem dar, dessen
Lösung erhebliche Schwierigkeiten aufwirft. Dadurch wurde die wirtschaftliche Anwendung
von elektrischen Maschinen mit flüssigkeitsgekühlten Läufern verzögert.
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Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, mit der ein Kühlflüssigkeitsstrom durch
einen flübsigkeitsgekühlteS Rotor hindurchgeleitet werden kann und bei der die Erfindung
einsetzbar ist. Über ein Zulaufrohr 1 wird eine Kühlflüssigkeit, wie destilliertes
Wasser, mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Förderpumpe zugeführt und über eine öffnung
2a in den wohlraum 2b eines zylindrischen Einlaufrohres abgegeben, durch das der
Zuströmweg für die Kühlflüssigkeit gebildet wird. Mit allseitigem Abstands spalt
3b umgibt ein Flüssigkeitsablaufrohr 3 das Zuströmrohr 2. Als Kühlmittel wird destilliertes
Wasser bevorzugt, da die Rohre durch keinerlei Verunreinigungen korrodieren. Der
Abstdndsspalt 3b wird als Ablaufweg für die Kühlflüssigkeit verwendet. Das Ablaufrohr
3 besitzt eine oeffnung 3a, über die die Kühlflüssigkeit abgegeben wird.
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Das Ablaufrohr 3 und das Zulaufrohr 2 sind miteinander so verbunden,
daß sie eine gemeinsame Kühlflüssigkeitszu- und -abführung 4 bilden, wie es in der
Fig 2 dargestellt ist.
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Hieraus geht hervor, daß das Zulaufrohr 2 mehrere (im Falle der Fig.
2 die Zahl von sechs) auf der Außenwand vorstehende Rippen 2c trägt. Diese Rippen
2c dienen als Abstandshalter und Verbindung des Zulaufrohres 2 mit dem Ablaufrohr
3 und damit gleichzeitig als Versteifung, Das Zulaufrohr 2 mit den vorstehenden
Rippen 2c ist mit dem Ablaufrohr 3 z. B. durch Schrumpfsitz zu einem Stück vereinigt.
An dieser Rohrkonstruktion befindet sich ein Flansch 4a an einem
Ende,
der mit dem Flansch 5a der Rotorwelle mittels Bolzen oder dgl. verbunden ist. Auf
der Welle 5 des Rotors befindet sich die Rotorwicklung (nicht gezeigt). Es versteht
sich aus Fig. 1, daß der Zulaufpfad 5b und der Ablaufpfad 5c in der Rotorwelle 5
ausgebildet und mit dem Zulaufpfad 2b und dem Ablaufpfad 3b im Zu- und Abführrohr
4 so verbunden sind, daß das über den Zulaufpfad 5b nach dem Hindurchtreten durch
die Rotorwicklung in den Ablaufpfad 5c abgegeben wird. In der Fig. 1 ist der Kühlwasserstrom
durch Pfeile angedeutet. Die Abgabe der erhitzten Kühlflüssigkeit erfolgt über die
Öffnung 3a.
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Die gesamte Vorrichtung weist eipe erste Auslaßkammer 61 auf, die
die aus der öffnung 3a abgegebene Flüssigkeit aufnimmt. Die Kammer 61 ist ständig
mit Kühlflüssigkeit angefüllt, damit diese (destilliertes Wasser) nicht verunreinigt
werden kann, was dann möglich wäre, wenn sie mit Luft in Berührung käme. An die
erste Auslaßkammer 61 ist ein erstes Auslaßrohr 71 angeschlossen, über das die Kühlflüssigkeit
aus der Kammer 61 abgeführt wird. Auch im Auslaßrohr 71 kommt die Kühlflüssigkeit
nicht mit der ungebenden Luft in Berührung, so dß sie nach Abgabe ihrer Wärme in
einem Wärmetauscher oder dgl. über das Einlaßrohr 1 wieder zugeführt werden kann.
Mt 81 ist in Fig. 1 eine erste Labyrinthdichtung bezeichnet, die verhindert, daß
Kühlwasser vom Zulaufrohr 1 in die erste Auslaßkammer 61 eindringt. Ein derartiger
Leckfluß zwischen einem stillstehenden und einem sich drehenden Teil kann nicht
vollständig unterbunden werden, doch ist es auch nicht erforderlich, zur Verhinderung
dieses Leckflusses höchsten Aufwand zu treiben.
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In die Kammer 61 eingedrungende Leckflüssigkeit verursacht keine wesentlichen
Schwierigkeiten, da sie über das Auslaßrohr 71 wieder in den Kreislauf eingeführt
wird. Dennoch sollte die Lecflüssigkeitsmenge so klein wie möglich gehalten werden,
da andernfalls der dadurch auftretende Leistungsverlust den GeFamtwirkungsgrad mindert.
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Das umlaufende Rohr 4 wird von einer zweiten Labyrinthdichtung 82
umgeben, um Flüssigkeitsaustritt aus der ersten Auslaßkammer 61 zu verhindern. Eine
zweite Auslaßkammer 62 dient dazu, durch die zweite Labyrinthdichtung hindurchgelangte
Leckflüssigkeit aus der ersten Auslaßkammer 61 aufzunehmen. Im Gegensatz zur ersten
Auslaßkammer 61 ist die zweite Auslaßkammer 62 nicht vollständig mit Kühlflüssigkeit
angefüllt, so daß sie durch die Berührdng mit Luft verunreinigt werden könnte. Um
dies zu verhindern, wird über eine Zuführleitung 9 din Schutzgas, wi Stickstoff
oder Wasserstoff, in die zweite Auslaßkamme 62 eingeführt, so daß der Druck in der
zweiten Auslaßkammer 62 stets etwas über dem Atmosphärendruck liegt und folglich
keinerlei Luft in die zweite Auslaßkammer 62 eindringen und damit Kühlflüssigkeit
nicht verunreinigen kann. As kann deshalb auch die über ein zweites Abführrohr 72
aus der zweiten Auslaßkammer 62 abgeftihrte Kühlflüssigkeit über einen Wärmetauscher
und eine Förderpumpe in gleicher Weise wie die aus der ersten Auslaßkammer 61 abgeführte
Kühlflüssigkeit wieder in den Kreislauf eingeführt werden.
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In Fig. 1 wird außerdem eine dritte Labyrinth-Dichtung 83 gezeigt,
die verhindert, daß zwischen dem umlaufenden Rohrkörper 4 und der zweiten Auslaufkammer
62 Leckflüssigkeit austritt. Diese Leckflüssigkeit, die durch die Labyrinth-Dichtung
hindurchtritt, wird von einer dritten Auslaßkammer 63 aufgenommen, die über ein
Abgaberohr 73 die eingetretene Leckflüssigkeit abgibt. Die Menge der in die dritte
Auslaßkammer eingedrungenen Leckflüssigkeit ist wegen der zwei Labyrinth-Dichtungen
82 und 83 nur sehr gering. Die in die dritte Auslaßkammer 63 gelangende Kühlflüssigkeit
ist
deshalb gegenüber der Außenluft nicht abgeschirmt. Sie muß deshalb beseitigt werden
und kann nicht in den Kühlkreislauf wiedereingeführt werden. Dies kann nur dann
geschehen, wenn sie in einer Wasseraufbereitungsanlage wieder gereinigt wird.
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Die Rotorwelle 5 läuft in (nicht gezeigten) Lagern, doch können am
Zu- und Ablauf-Rohrkörper 4 wegen der ihn umgebenden Aus daß kammern keine Lager
angeordnet werden. Der Rohrkörper 4 muß deshalb freitragend an der Rotorwelle.5
befestigt sein. Daraus folgt nun, daß der Rohrkörper 4 Vibrationsschwingungen, vornehmlich
radiale, ausführt. Diese Vibrationsschwingungen sind deswegen unerwünscht, weil
sie die Abdichtwirkung zerstören.
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Bei zunehmender Länge des Rohrkörpers 4 steigt die Intensität der
Vibrationsschwingungen an. Man strebt deshalb an, den Rohrkörper 4 so kurz wie möglich
zu machen. Die oben beschriebene Vorrichtung weist jedoch drei Auslaßkammern auf,
so daß deshalb der Rohrkörper 4 wenigstens so lang wie diese drei Auslaßkammern
sein muß mit der Folge, daß erhebliche Vibrationsschwingungen auftreten. Außerdem
ist bei der beschriebenen Vorrichtung die erste Auslaßkamrier 61 mit Kühlflüssigkeit
angefüllt. Sie muß deshalb vollständig dicht verschlossen sein, und wegen der zwischen
der Kühlfiüssigkeit und dem Rohrkörper 4 auftretenden Reibung sind die Vrluste relativ
groß.
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Diese SchwierigReit kann dadurch vermieden werden, daß nur zwei Auslaßkammern
verwendet werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, und daß die beiden Auslaßkammern
mit Kühlflüssigkeit gefüllt gehalten werden. Eine in Fig. 3 mit 612 bezeichnete
Auslaßkammer ist durch das Zusammenlegen der Auslaßkammern 61 und 62 in Fig. 1 entstanden.
Eine Auslaßleitung 712 führt aus der Auslaßkammer 612 hieraus. Im übrigen unterscheidet
sich die Anordnung von der in Fig 1 dargestellten nicht. Die Auslaßkammer 612 ist
nicht vollständig mit Kühlflüssigkeit angefüllt sondern enthält statt dessen ein
Schutzgas wie Stickstoff oder Wasserstoff, das durch eine Gaszuführleitung 9, die
in die Auslaßkammer
612 mündet, zugeführt wird, damit die Kühlflüssigkeit
in der Auslaßkammer 612 nicht mit atmosphärischer Luft in Berührung kommt. Der Dr'uck
in der Auslaßkammer 612 wird höher als der Atmosphärendruck erhalten, damit keine
Luft eindringen kann. Damit kann die in der Auslaßkammer 612 enthaltene Kühlflüssigkeit
über das Auslaßrohr 712 in den Kühlkreislauf zurückgeführt werden, wie dies auch
im Falle der Anordnung nach Fig. 1 geschieht. Zwar sind die mit der Vorrichtung
nach Fig. 1 verbundenen Mängel beseitigt, doch ist das schwerwiegende Problem der
Kavitation vorhanden. Da der Druck in der Auslaßkammer 612 geringer als der Druck
in einer Kammer ist, die vollständig mit Kühlflüssigkeit abgefüllt ist, verteilt
sich die aus der öffnung 3a des Abgaberohrkörpers ausströmende Kühlflüssigkeit frei
in der Auslaßkamner 612, so daß in den Ausströmwegen 3b und 5c und in den Kühtkanälen
der Rotorwicklung (nicht gezeigt) Korrosion auftreten kann. Um dies zu verhindern,
ist bei der Vorrichtung nach Fig. 1 die Auslaßkammer 61 vollständig mit Kühlflüssigkeit
angefüllt. Man hat bisher angenommen, daß es unerläßlich ist, die Auslaßkammer vollrständig
mit Kühlflüssigkeit gefüllt zu halten, weil man meinte, anders dieser Schwierigkeit
nicht Herr werden zu können.
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Gemäß der Erfindung ist die Kühlflüssigkeits-Führungsvorrichtung so
gestaltet, daß die erste Auslaßkammer nicht vollständig mit Kühlflüssigkeit angefüllt
ist, worin sich die Vorrichtung von den herkömmlichen unterscheidet. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung weist dadurch nur zwei Auslaßkammern auf. Die Länge des Zu- und Ableitungsrohrkörpers
kann dadurch soweit herabgesetzt werden, daß die mit den Vibrationsschwingungen
auftretenden Schwierigkeiten beseitigt sind.
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Da die Auslaßkammer jedoch nicht vollständig mit Kühlflüssigkeit angefüllt
ist, ist es auch nicht mehr nötig, das Auslaßkammergehäuse vollständig dicht zu
schließen. Der oben angeführte Leistungsverlust aufgrund der Reibung zwischen Kühlflüssigkeit
und
Rohrkörper ist damit ebenfalls nicht mehr vorhanden oder reduziert.
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Gemäß der Erfindung wird die Kühlflüssigkeit aus dem Ableitrohr in
die Auslaßkammer über kleine Löcher abgegeben, die sich in einem Abgabering befinden,
wodurch der Widerstand gegen die Kühlflüssigkeitsabgabe.erhdht und damit das Problem
der Kavitation gelöst ist.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine herkömmliche Kühlflüssigkeitsleitvorrichtung;
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 einen axialen Längsschnitt
durch eine im Stand der Technik vorgeschlagene Kühlflüssigkeitsleitvorricntung;
und Fig. 4 wiederum einen axialen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
der Kühlflüssigkeitsleitvorrichtung nach den Prinzipien der Erfindung.
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Das bevorzugte Ausführungsbeisplel einer Kühlflüssigkeitsleitvorrichtung,
mit der diese in beiden Richtungen geleitet wird, ist in der Fig. 4 dargestellt.
Es unterscheidet sich von der in der Fig. 3 gezeigten und oben beschriebenen Einrichtung
nur dadurch, daß ein Abgabering 10 mit kleinen Löchern 10a vorgesehen ist.
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Der Abgabering 10 ist fest auf das Zulaufrohr 2 aufgesetzt, so daß
die engen Löcher 10a mit der öffnung 3a der Abgaberohrleitung 3 in Verbindung stehen.
Dadurch wird die aus der Abgaberohrleitung
3 ausströmende Kühlflüssigkeit
über die engen Löcher 10a in die Auslaßkammer 612 geleitet. Der Abgabering 10 hat
also die Wirkung einer Düsehverengung bei der Abgabe der Kühlflüssigkeit, was das
Auf treten von Kavitation, die bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 ein schwerwiegendes
Problem darstellt, wirksam verhindert. Da das Problem der Kavitation damit gelöst
ist, ist es nicht mehr erforderlich, die Auslaßkammer 612 mit Kühlflüssigkeit angefüllt
zu halten. Folglich kann die Zahl der Auslaßkammern auf zwei verringert werden,
so daß der ühlflüssigkeitszu-und -ableitrohrkörEer 4 kürzer gebaut werden kann,
als dies die Fig. 1 zeigt. Die gefhrlichen radialen Vibrationsschwingungen des Rohrkörpers
4 sind damit entscheidend verringert. Da es nicht mehr nötig ist, die Äuslaßkammer
612 mit Kühlflüssigkeit vollständig angefüllt zu halten, ist es ein leichtes, die
Auslaßkammer abzudichten, und es sind auch die mit der Reibung zwischen dem Rohrkörper
4 und der Kühlflüssigkeit zusammenhängenden Verluste beseitigt.
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Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind zwei Reihen enger
Löcher 10a im Ring 10 in Umfangsanordnung vorgesehen. Es können aber auch drei oder
mehr Reihen sein. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel haben die engen Löcher 1Oa
eine gegeneinander gerichtete Neigung, so daß die aus den Löchern austretenden Strahlen
aufeinandertreffen und dadurch versprüht werden. Dadurch wird verhindert, daß das
Gehäuse der Auslaßkammer 612 durch die auftreffenden scharfen Strahlen von Kühlflüssigkeit
abgenützt und zerstört wird. Wenn bei den verschiedenen Anwendungen der Erfindung
eine derartige Abnutzung nicht zu befürchten ist, ist es auch nicht erforderlich,
die engen Löcher schrägzustellen.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Flüssigkeitsabgabering
durch Aufschrumpfen fest mit dem Zulaufrohr 2 verbunden.
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Die Befestigung kann jedoch auch auf andere Weise erfolgen. Es ist
auch nicht erforderlich, daß das Abgaberohr 3 getrennte Teile sind. Sie können auch
als Einheit hergestellt sein.
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Bei der Beschreibung ist von destilliertem Wasser als Kühlflüssigkeit
die Rede. Das destillierte Wasser kann jedoch durch jede Kühlflüssigkeit ersetzt
werden, bei der die Rohrleitungen und die Rotorwicklung nicht korrodieren. Auch
kann die Erfindung außer bei Turbogeneratoren bei anderen elektrischen Generatoren
wie Wasserkraftgeneratoren oder bei elektrischen Motoren angewendet werden. Schließlich
ist es nicht zwingend, zur Verhinderung des Leckflusses der Kühlflüssigkeit Labyrinth-Dichtungen
zu verwenden. Andere, diesselbe Aufgabe erfüllende mechanische Dichtungen sind ebenfalls
einsetzbar.
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Mit der Erfindung wird also eine Vorrichtung zum Ein- und Ausleiten
von Kühlflüssigkeit in den flüssigkeitsgekühlten Rotor einer elektrischen Maschine,
vorzugsweise eines Turbogenerators, geschaffen. Ein Abgabering mit engen Löchern
oder Bohrungen wird dabei so angebracht, daß er das offene Ende der Äbflußleitung
der Kühlflüssigkeit aus der Rotorwelle überdeckt. Das offene Ende der Abfluß leitung
wird zur Aufnahme der aus ihr durch den Abgabering abgegebenen Kühlflüssigkeit von
einer ersten Auslaßkammer umschlossen. Eine zweite Auslaßkammer, die an einem Ende
an die erste Aunlaßkammer direkt anschließt, nimmt Kühlflüssigkeit auf, die durch
die Dichtung zwischen der ersten Auslaßkammer und dem Ausström-Rohrleitungskörper
austritt. In die erste Auslaßkammer wird ein Schutzgas eingedrückt, damit der Druck
in der Kammer höher als der Atmosphärendruck ist. Die erste Aus daß kammer ist nur
zum Teil mit Kühlflüssigkeit angefüllt.