DE3145804A1

DE3145804A1 - "rotor fuer einen turbogenerator"

Info

Publication number: DE3145804A1
Application number: DE19813145804
Authority: DE
Inventors: Tage 723 48 Västerås Persson
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1981-11-19
Filing date: 1981-11-19
Publication date: 1983-05-26
Also published as: DE3145804C2; US4890028A

Description

Rotor für einen Turbogenerator

Die Erfindung betrifft einen Turbogenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Rotor ist bekannt aus der US-PS 3 131 3?1.

Bei dem bekannten Rotor gehört zu jeder mit der Rotorwicklung verbundenen Zuführleitung ein Abschnitt, der parallel zur axialen Längsachse des Rotors und in der Nähe dieser Achse verläuft, sowie ein erster radial verlaufender Abschnitt, der in einer radial gerichteten Bohrung untergebracht ist. Beide Abschnitte sind direkt elektrisch miteinander verbunden. Von dem radial gerichteten Abschnitt verläuft die elektrische Verbindung in Form eines in der Rotorwelle eingebetteten, axial verlaufenden Leiters weiter, der schließlich in einen weiteren radial nach außen gerichteten Abschnitt übergeht, welcher an die Rotorwicklung in einem Punkte angeschlossen ist, der von einer Wicklungskappe umschlossen ist. Wenn die Rotordrehzahl von Null auf ihren Höchstwert steigt, wird der Durchmesser der Wicklungskappe unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft erheblich, beispielsweise 5 mm,größer, und man kann davon ausgehen, daß der oben an zweiter Stelle genannte radiale Leiterabschnitt, so wie entsprechende Leiterteile anderer bekannter Rotoren, über ein flexibles Leiterelement mit der Rotorwicklung verbunden ist. Dieses Leiterelement wird auch von Schwingungen mit relativ kleiner Amplitude aber hoher Frequenz beeinflußt, und zwar von Schwingungen, die im wesentlichen durch eine Durchbiegung des genannten ersten

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Wellenzapfens, d.h. des Wellenzapfens, der nicht an die Antriebsturbine angeschlossen ist, verursacht werden.

Es hat sich gezeigt, daß es außerordentlich schwierig ist, eine genügend zuverlässige, flexible Verbindung zwischen der Rotorwicklung und ihrem r.tromzuführsystem zu schaffen, und es hat sich gezeigt, daß in den obengenannten flexiblen Leiterelernenten nach einer gewissen Betriebszeit Ermüdungsbrüche auftreten können. Bei einer völligen Auftrennung des Leiterelementes entsteht ein Lichtbogen, der zu einer starken Erhitzung der Wicklungskappe führt, .die ihrerseits eine ernsthafte Betriebsstörung zur Folge haben kann.

Es gibt auch Beispiele dafür, daß radiale Leitungskanäle dadurch, daß sie zu mechanischen Spannungskonzentrationen führen, Wellenbrüche verursacht haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der die obengenannten Nachteile nicht auftreten.

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.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

die Figuren 1 - A in sehr vereinfachter Darstellung

vier verschiedene Ausführungsformen eines Rotors gemäß der Erfindung,

Figur 5 in Seitenansicht einen Teil des in

Fi/rur 1 gezeigten Rotors ohne Rotor

wicklung und ohne Wicklungskappe,

Figur 6 den Rotor gemäß Figur 5 in einer

Seitenansicht in Richtung der in

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IG.11

Figur 7a und b

Figur

Figur die Figuren

Figur 5 angegebenen Pfeile VI, einen Schnitt längs der Linie VII-VII in Figur 1 für eine erste und eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung,

ein Detail des in Figur 1 gezeigten Rotors im partiellen Ax.i nlr.cbniti längs Ocr· Linie VIIl-VIIl in Figur 7a ,

einen partiellen Schnitt längs der Linie IX-IX in Figur 8, wobei die koaxial mit der Luftspaltfläche verlaufende Schnittfläche abgewickelt dargestellt ist,

Schnitte längs den Linien X-X, XI-XI und XlI-XII in Figur 8.

Die Figuren 5, 6, 7a, 8, 9, 10, 11 und 12 beziehen sich al.ie 20 auf die erste Variante des in Figur 1 gezeigten Rotors.

In den Figuren 1 bis k bezeichnen 1, 1', Ί" und 1''' vier verschiedene Ausführungen eines Rotors nach der Erfindung. In sämtlichen Fällen besteht der Rotorkörper aus massivem

25 Stahl und enthält einen im wesentlichen kreiszylindrischen Abschnitt 2 bzw. 2', 2", 2''', welcher mit mehreren sich über seine ganze Länge axial erstreckender Wicklungsnuten versehen ist. Ein erster Wellenzapfen k bzw. 4' V, 4''' und ein zv/eiter Wellenzapfen 5, bei denen es sich um integrier-

30 te Teile des Rotorkörpers handelt, gehen von je einem Ende des kreiszylindrischen Abschnittes 2 aus, wobei der zweite Wellenzapfen 5 mit einem Flansch 7 zum Anschluß an eine Turbine versehen ist. Die nicht dargestellten Wicklungsköpfe (Spulenenden) der Rotorwicklung sind an jedem Rotorende von

35 einer Wicklungskappe 6 umschlossen, die auf dem zylindrischen Abschnitt 2 aufgeschrumpft ist.

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Im Folgenden wird zunächst der in den Figuren 1, 5, 6, 7a, 8, 9, 10, 11 und 12 gezeigte Rotor näher beschrieben. Der Rotor 1 erhält den Magnetisierungsstrom entweder von einem nicht dargestellten mit dem Wellenzapfen 4 mechanisch verbundenen Speiseaggregat oder über an diesem Wellenzapfen angebrachte Schleifringe. Der Magnetisierungsstrom wird der Rotorwicklung über zwei Zuführleitungen 8 und 9 zugeführt, welche den gesamten Wellenzapfen 4 sowie den gesamten zylindrischen Rotorabschnitt 2 durchlaufen und die elektrisch in der Nähe der am Wellenzapfen 5 befindlichen Wicklungsköpfe der Rotorwicklung angeschlossen sind. Die Zuführleitungen 8 und 9 sind in je einem in den Rotorkörper gebohrten Leiterkanal 10 bzw. 11 angeordnet. Diese Leiterkanäle sind auf je einer Seite einer zentralen Ausbohrung 26 (Fig. 5) angeordnet, die eine nicht gezeigte Einlaufleitung und eine nicht gezeigte Rückführleitung für Kühlwasser aufnimmt, das durch die Leiter der Rotorwicklung strömt. Die beiden Leiterkanäle divergieren in Richtung auf den Wellenzapfen 5. Die Projektionen der Kanäle auf eine Axialebene schneiden sich in einem V/inkel von mindestens 7°, vorzugsweise mindestens 10 , wenn es sich um diejenige Axialebene handelt, in der sich ein maximaler Schnittwinkel ergibt. Der Teil des mit Wicklungsnuten versehenen zylindrischen Abschnitts 2 des Rotorkörpers, der von den Leiterkanälen und 11 durchlaufen wird, hat eine axiale Länge von vorzugsweise 20 bis 70 % der Nutenlänge.

Der Rotor 1 hat zwölf Wicklungsnuten 13 und sechs Hilfsnuten in Form von Ausgleichsnuten 14, die in bekannter Weise dem Zweck dienen, den Unterschied zwischen den verschiedenen Trägheitsmomenten des Rotorquerschnittes zu reduzieren und dadurch gefährliche Resonanzfrequenzen des Rotors zu vermeiden. Die Nuten 13 und 14 haben dieselbe Breite und sind mit je einem Nutkeil verschlossen, der.aus mehreren axial hintereinander angeordneten Teilkeilen 15 besteht. Jeder gebohrte Leiterkanal 10 und 11 mündet in je eine von

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zwei diametral oder nahezu diametral zueinander liegende Ausgleichsnuten 14, wobei die Zuführleitungen 8 und 9 in ihrer jeweiligen Ausgleichsnut 14 weitergeführt werden. Der in einer Ausgleichsnut befindliche Teil einer Zuführleitung ist dabei längs eines überwiegenden Teils seiner Länge in gleicher Weise ausgeführt, wie der in dem gebohrten Kanal befindliche Leitungsteil, d.h. mit kreisförmigem Querschnitt mit zwei, zwischen zwei Leiterhälften festgeklemmten Kühlwasserrohren 16 und mit einer umschließenden isolierenden Schicht 17. Der kreisförmige Leitungsteil ist in der Nut 14 zwischen einem inneren Füllkörper 18 und einem äußeren Füllkörper 19 mit Hilfe einer an sich bekannten Druckvorrichtung festgeklemmt, die aus einem flachgedrückten Metallrohr 20 besteht, das mit Epoxiharz gefüllt ist, welches unter einem Druck von mindestens 100 Bar fest geworden ist. Die beiden Füllkörper 18 und 19 bestehen aus massivem Stahl, und zwar der Füllkörper 18 aus magnetischem und der Füllkörper 19 aus unmagnetischem Stahl. Vier der sechs Ausgleichsnuten 14 haben in bekannter Weise längst der gesamten Nutenlänge eine konstante Nutentiefe und sine¹ mit Füllkörpern aus Eisen gefüllt. Die übrigen beiden, je eine Zuführleitung aufnehmenden Ausgleichsnuten haben eine geringere Nutentiefe längs eines kürzeren Abschnittes der Nutenlänge, und zwar auf beiden Seiten des Punktes,an dem der gebohrte Leiterkanal in die Nut mündet.

An dem mit dem Wellenzapfen 5 versehene Ende des genuteten Rotorabschnittes 2 sind die Füllkörper 18 und 19 zum größten Teil ersetzt durch ein Lamellenpaket 21, das aus mehreren aus Glasfaserlaminat hergestellten elektrisch isolierenden Lamellen besteht, und durch ein Bündel 22 (Fig. 8) aus kurzen Kupferschienen, welche dieselben Abmessungen wie die stromführenden, in den Wicklungsnuten liegenden Kupferschienen haben, und die Zuführleitung 8 hat einen rechteckigen Querschnitt und ungefähr dieselbe Breite wie diese Kupferschienen. Mit Hilfe einer T-förmigen Anschlußvorrichtung 23 ist der mit rechteckigem Querschnitt ausgeführte Teil der

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Stromzuführleitung 8 axial außerhalb des mit Nuten versehenen Rotorabschnittes hydraulisch an zwei zur Rotorwicklung gehörende, mit je einem Kühlkanal versehene Leiter 2k bzw. 25 angeschlossen. Die Durchflußrichtungen des Kühlwassers sind mit Pfeilen in Figur 9 angedeutet. Die strichpunktierte Linie P-P gibt die Polmitte an. Der Leiter 2k ist nie stromführend, sondern hat lediglich eine rein hydraulische Aufgabe. Der Leiter 25 bildet das eine Ende einer Spulengruppe, die aus der Reihenschaltung aller sechs Rotorspulen besteht und an die die Stromzuführleitungen 8 und 9 angeschlossen sind, wobei die Zuführleitung 9 in einer der Ausgleichsnuten 14 angeordnet und auf gleiche Weise, wie die Zuführleitung 8 an die Rotorwicklung angeschlossen ist.

Dadurch, daß die Zuführleitungen 8 und 9 in den Wicklungsnuten in gleicher Weise festgepreßt sind wie die axial verlaufenden Teile der Rotorwicklung, nehmen sie an den Schwingungen des Rotorkörpers in gleicher Weise teil wie die Rotorwicklung, weshalb diese Schwingungen keine nennenswerten fluktuierenden Deformationen der Zuführleitungen oder der zwischen diesen und der Rotorwicklung angeordneten Anschlußvorrichtungen 23 verursachen.

Das aus kurzen Kupferschienen bestehende Bündel 22 kann durch einen Füllkörper anderer Art ersetzt werden. Der Vorteil des Bündels 22 besteht jedoch darin, daß man mit diesem Verhältnisse erzeugt, die große Ähnlichkeit mit den Verhältnissen haben, die sich in einer Wicklungsnut geltend machen.

Aus Figur 8 geht hervor, daß der mit rechteckigem Querschnitt ausgeführte und im Lamellenpaket 21 angeordnete Teil der Zuführleitung 8 eine doppelte Krümmung aufweist. Es ist auch möglich, den in der Nut liegenden Leitungsteil mit gutem Resultat völlig gerade auszuführen.

Wenn man den Rotor aus irgendeinem Grunde ohne axial ver-

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laufende Ausgleichsnuten ausführen möchte, so kann man wie in Figur 7b gezeigt - statt der oben beschriebenen, in den Rotorkörper gebohrten Leitungskanäle 10 und 11 gebohrte Leiterkanäle 10' und 11' verwenden, welche ungefähr genauso lang wie die Kanäle 10 und 11 sind und von denen jeder in einer Wicklungsnut 13 mündet, wobei diese beiden Wicklungsnuten vorzugsweise diametral im Verhältnis zueinander liegen. Sowohl in dem in Figur 7a als auch in dem in Figur 7b gezeigten Ausführungsbcispiel verlaufen die gebohrten Leiterkanäle derart, daß der zwischen ihnen auftretende Abstand seinen kleinsten Wert in dem von einem Rotorlager umschlossenen Teil des Wellenzapfens 4 hat. Dadurch wird die Gefahr verringert, daß die vom Strom in den Zuführungsleitungen erzeugten magnetischen Flüsse durch Induktion erhebliche elektrische Lagerströme verursachen,

Bei dem in Figur 2 gezeigten Rotor sind die Zuführleitungen 8' und 9^? in gebohrten Leiterkanälen angeordnet, die in Längsrichtung durch den gesamten Wellenzapfen 4" und den gesamten genuteten Rohrabschnitt 2' verlaufen. Diese Konstruktion ist insofern komplizierter, als die zu bohrenden Leiterkanäle sehr lang werden. Andererseits sind jedoch die Ansprüche hinsichtlich der Präzision geringer als bei der Konstruktion gemäß Figur 1_r da die gebohrten Leitungskanäle nicht in einer Nut münden.

Die Konstruktion gemäß Figur 3 unterscheidet sich von der gemäß Figur 1 dadurch, daß sich die gebohrten Leiterkanäle nicht in der Projektion auf eine Axialebene kreuzen. In gleicher Weise unterscheidet sich die Konstruktion gemäß Figur 4 von der gemäß Figur 2.

Außer den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen umfaßt die Erfindung auch Rotoren, bei denen die in den Leiterkanälen 10 und 11 angeordneten Zuführleitungen nach ihrer Einmündung in ihre ihnen zugeordneten axialen Nuten in diesen in einer Richtung verlaufen, die zu der in Figur 8 ge-

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zeigten Richtung entgegengesetzt ist. Dabei sind die Zuführleitungen etwa in gleicher Weise an die Wicklung angeschlossen, wie in Figur 8 gezeigt, jedoch an dem Rotorende, an welchem der Wellenzapfen k von dem mit Nuten versehenen Abschnitt 2 des Rotors ausgeht.

Für den Fall, daß die Leiterkanäle so angeordnet sind, daß sie in eine Wicklungsnut münden, z.B. wie die in Figur 7b gezeigten Leiterkanäle 10' und 11', können die durch die Leiterkanäle verlaufenden Zuführleitungen, die in Figur 7b mit 38 und 39 bezeichnet sind, längs der Wicklungsnut in der einen oder anderen Richtung geführt und in gleicher Weise wie die in Figur 8 gezeigte Zuführleitung 8 an die Wicklung angeschlossen werden, oder die Zuführleitungen können in ihrer Wicklungsnut an die Rotorwicklung angeschlossen werden.

Der im Zusammenhang mit den Figuren 1, 5, 6, 7a, 8, 9, 10, 11 und 12 beschriebene Rotor hat eine direkte Wasserkühlung. Ein Rotor nach der Erfindung kann jedoch ebensogut ohne Kühlkanäle in der Wicklung aufgebaut sein.

Ein Rotor nach der Erfindung hat gewöhnlich 24 Wicklungsnuten. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist in den Figuren ein Rotor mit nur 12 Wicklungsnuten dargestellt.

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Claims

* Patentanwalt und Rechtsanwalt
Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Joachim B ο e c k e r

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6 Frankfurt/Main 1

Rnlhcnntiplnli 2-0 Tolnlon: (0611) '2Θ2355 Toll» 4 1B9 0D6 lie» d

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PATENTANSPRÜCHE

/Rotor für einen Turbogenerator von mindetens 20 MVA, der im wesentlichen aus einem aus magnetischem Material hergestellten Rotorkörper und einer von diesem getragenen Rotorwicklung besteht, wobei der Rotorkörper aus einem kreiszylindrischen Abschnitt (2; 2'; 2"; 2^lft) mit mehreren axial verlaufenden Wicklungsnuten (13) und einem ersten (A; A⁵; V; A''') und einem zweiten (5) von je einem Ende des zylindrischen Abschnittes ausgehenden Wellenzapfen besteht, während Zuführleitungen (8, 9; 38, 39; 8', 9') für den Magnetisierungsstrom des Generators in zwei in den Rotorkörper (1; 1'; 1"; I¹'') gebohrten Leiterkanälen angeordnet sind, die einen überwiegenden Teil des ersten Wellenzapfens (A; A^?; A"; A''') durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterkanäle (10, 11; 10', 11'} mindestens einen Teil des zylindrischen Abschnittes (2; 2'; 2"; 2''') durchlaufen und dabei in Richtung zum zweiten Wellenzapfen (5) hin· divergieren.

2„ Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitungen (8, 9; 38, 39; 8', 9') an die Rotorwicklung axial außerhalb des zylindrischen Abschnittes (2; 2'; 2"; 2''') und in der Nähe des zweiten Wellenzapfens (5) angeschlossen sind .

3„ Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiterkanal in eine axial verlaufende mit Nutkeil versehene Nut (1A; 13) des zylindrischen Abschnitt mündet und daß die beiden Zuführleitungen (8, 9; 38, 39) außer in den Leiterkanälen (10, 11; 10', 11') in je einer solchen Nut

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- 2 liegen.

A. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitungen an die Rotorwicklung an dem am ersten Wellenzapfen (A; A") befindlichen Ende des zylindrischen Abschnittes (2) angeschlossen sind.

5. Rotor nach Anspruch 3 oder A, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden mit je einem Leiterkanal (10', 11') verbundenen Nuten im wesentlichen diametral zueinander liegende Wicklungsnuten (13) sind.

6. Rotor nach Anspruch 3 oder A, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor außer den Wicklungsnuten (13) zwei im wesentlichen diametral zueinander liegende axial verlaufende Hilfsnuten (IA) hat und daß die beiden Leiterkanäle (10, 11) an je eine dieser Hilfsnuten angeschlossen sind.

7. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Leiterkanälen (10, 11; 10' 11') durchlaufene Teil des zylindrischen Abschnittes (2) 20 bis 60 % von dessen Länge beträgt.

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