DE4011450A1 - Mit einem kuehlgas kuehlbarer rotor fuer eine dynamoelektrische grossmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine dynamoelektrische Großmaschine, insbesondere einen Rotor für einen Turbogenerator mit einer elektrischen Nennleistung oberhalb von etwa 10 MVA, insbesondere etwa oberhalb 50 MVA, der mittels eines Kühlgases zwangsweise kühlbar ist.

Bereits bekannt ist die Zwangskühlung eines Rotors, bzw. der auf dem Rotor angebrachten Rotorwicklung aus elektrischen Leitern, mittels eines Kühlgases, das in Innenbereiche des Rotors eingeblasen und durch im wesentlichen radial verlaufen­ de, vorzugsweise unmittelbar durch die Rotorwicklung nach außen führende, Kühlkanäle wieder aus dem Rotor herausgeführt wird. Üblicherweise weist der Rotor einer dynamoelektrischen Maschine einen axialsymmetrischen, in der Regel zylindrischen Rotorballen auf, der mit Nuten zur Aufnahme der Rotorwicklung versehen ist und an beiden axialen Enden Rotorwellenzapfen zur Lagerung und zum Anschluß an eine Turbine usw. aufweist. Die Rotorwicklung besteht aus in den Nuten des Rotorballens befindlichen Innenab­ schnitten sowie aus Außenabschnitten, die außerhalb des Rotor­ ballens über den Rotorwellenzapfen angeordnet sind und die "Wickelköpfe" der Rotorwicklung bilden, wobei jeweils ein Außen­ abschnitt zwei Innenabschnitte miteinander verbindet. Da die Außenabschnitte im wesentlichen freistehend sind, müssen zu ihrer Kühlung besondere Einrichtungen vorgesehen werden; hierzu kennt der Stand der Technik eine Vielzahl von Möglichkeiten. Problemzonen bei der Kühlung der Rotorwicklung sind die Über­ gangsstellen zwischen Außenabschnitten und Innenabschnitten. Üblicherweise sind die Wickelköpfe abgedeckt mit Kappen, die auf den Rotorballen geschoben werden und die Wickelköpfe gegen die beim Betrieb auftretenden Kräfte abstützen. Sofern diese Kappen nicht, was im Hinblick auf die mechanische Belastbarkeit durchaus nachteilig wäre, mit Öffnungen für irgendwelche Kühl­ kanäle versehen werden sollen, ist die Kühlung der Rotorwicklung an den Stellen, an denen sie aus dem Rotorballen austritt, also an den Übergangsstellen zwischen Außen- und Innenabschnitten, problematisch.

In der DE-A 16 13 196 wird vorgeschlagen, in die Seiten der die Rotorwicklung bildenden elektrischen Leiter Kanäle einzufräsen und Kühlgas aus dem Raum zwischen Außenabschnit­ ten und Rotorwellenzapfen zu den Innenabschnitten und in radial durch diese verlaufende Auslaßkanäle zu führen; insbe­ sondere wird vorgeschlagen, einige der elektrischen Leiter an ihren Außenseiten mit längs verlaufenden Ausnehmungen zu versehen, die nach dem Einlegen in die Nut achsenparallel verlaufende Kühlgaskanäle bilden. Als nachteilig an dieser Lösung ist jedoch hervorzuheben, daß die erreichbaren Durch­ flußquerschnitte nur gering sind, so daß die Kühlleistung des durch diese Kanäle strömenden Gases erheblich eingeschränkt wird. Auch verlaufen die Kanäle nicht vollständig innerhalb der Rotorwicklung, was zu einer weiteren Reduzierung der Kühl­ wirkung führen muß.

Ein weiteres Konzept zur Kühlung der Übergangszonen zwischen Außen- und Innenabschnitten einer Rotorwicklung ist in der EP-A 01 60 887 beschrieben. Es wird vorgeschlagen, den Rotor­ ballen an seinen Enden, also in der Nähe der Übergangszonen mit Kühlgaskanälen zu versehen und somit für diesen Bereich eine indirekte Kühlung der Rotorwicklung zu schaffen. Auch die­ ser Ansatz kann nicht als vorteilhaft bezeichnet werden, da zunächst die Kühlleistung auf Grund der indirekten Kühlung beschränkt ist und im übrigen auch nur geringe Durchflußquer­ schnitte erzielbar sind. Darüber hinaus wird die Festigkeit des Rotorballens durch die notwendigen Aussparungen für die Kühl­ kanäle ungünstig beeinflußt.

Eine Kombination beider Möglichkeiten wird in der DE-A 37 00 508 vorgeschlagen, jedoch schöpft auch die Kombination beider Vorschläge des Standes der Technik die Möglichkeiten einer Leistungssteigerung nicht voll aus. Der Aufwand zur Fertigung eines solchen Rotors ist recht hoch, und die immerhin verbes­ serte Kühlwirkung muß u. U. mit Nachteilen im Hinblick auf die Festigkeit des Rotors wie auch im Hinblick auf die zur Führung des elektrischen Stromes durch die Rotorwicklung zur Verfügung stehenden Leiterquerschnitte erkauft werden.

Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor mit einer direkt zwangsgekühlten Rotor­ wicklung zu schaffen, bei dem mit geringstmöglichem Aufwand eine hinter der Kühlung der Außen- und der Innenabschnitte nicht zurückbleibende Kühlung der Übergangsbereiche zwischen diesen möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein mit einem Kühlgas kühlbarer Rotor für eine dynamoelektrische Großmaschine angegeben, der um eine Achse drehbar ist und folgende Bestand­ teile beinhaltet:

• a) einen Rotorballen, der bezüglich der Achse etwa axial­ symmetrisch ist und eine Umfangsfläche mit einer Mehrzahl von im wesentlichen radial-axial verlaufenden Nuten hat, deren jede einen Nutengrund aufweist;
• b) eine Rotorwicklung mit Innenabschnitten, deren jeder inner­ halb einer Nut unter Belassung eines Nutengrundkanals zwi­ schen dem Innenabschnitt und dem Nutengrund angeordnet ist, und Außenabschnitten, deren jeder außerhalb des Rotorballens liegt und in zwei Innenabschnitte an jeweils einer Übergangs­ stelle übergeht;
• c) einen Rotorwellenzapfen an jedem axialen Ende des Rotorballens, der unter den Außenabschnitten aus dem Rotorballen ragt, wobei zwischen den Außenabschnitten und dem Rotorwellenzapfen mindestens ein Kühlgasraum liegt, der mit dem Kühlgas beaufschlagbar ist, und wobei die Nutengrundkanäle mit dem Kühlgasraum kommunizieren;
• d) jedem Außenabschnitt zugeordnet eine Einrichtung zur Förderung des Kühlgases um und/oder durch den Außen­ abschnitt, die mit dem Kühlgasraum kommuniziert;
• e) jedem Innenabschnitt zugeordnet eine Mehrzahl erster Kühl­ kanäle, die mit dem Nutengrundkanal und Öffnungen in der Umfangsfläche kommunizieren;
• f) jeder Übergangsstelle zugeordnet mindestens einen zweiten Kühlkanal, der in dem zugehörigen Außenabschnitt eine Mündung in den Kühlgasraum aufweist, durch die Übergangs­ stelle in den Innenabschnitt geführt ist und mit mindestens einer Öffnung in der Umfangsfläche kommuniziert.

Wesentliches Element der Erfindung ist, an jeder Übergangs­ stelle mindestens einen Kühlkanal unmittelbar aus dem Kühl­ gasraum durch den Außen- und Innenabschnitt zu führen, so daß für den Bereich der Übergangsstelle eine direkte Kühlung der Rotorwicklung erzielt wird. Dadurch, daß diese somit geschaf­ fenen zweiten Kühlkanäle nicht von den Nutengrundkanälen der Nuten ausgehen, wie dies der Fall ist für die Kühlkanäle der Innenabschnitte, sondern unmittelbar von jeweils einem Kühl­ gasraum, wird die Drosselung der durch die zweiten Kühlkanäle fließenden Kühlgasströme auf ein Mindestmaß reduziert; darüber hinaus ergibt sich durch das Vorhandensein der zweiten Kühlka­ näle keine Reduzierung der Kühlgasströme durch die ersten Kühl­ kanäle, da diese Ströme im wesentlichen bestimmt sind durch die Drosselwirkung der Nutengrundkanäle. Das Einbringen der zweiten Kühlkanäle in die Rotorwicklung bedeutet natürlich, daß deren Querschnitt im Bereich jeder Übergangsstelle um ein gewisses Maß reduziert werden muß; jedoch wird jeder zweite Kühlkanal mit dem vollen Druck des Kühlgases aus dem Kühlgasraum beauf­ schlagt, und entsprechend ist der Massendurchsatz recht hoch. Mithin kann der Querschnitt des zweiten Kühlkanals so klein bemessen werden, daß zur Führung des elektrischen Stromes durch die Übergangsstelle ein ausreichend hoher Querschnitt ver­ bleibt.

Die Weiterentwicklung der zur Herstellung der elektrischen Lei­ ter einer Rotorwicklung eingesetzten Fertigungsmethoden erlaubt es inzwischen, von der Forderung nach im wesentlichen streng radial verlaufenden ersten Kühlkanälen Abstand zu nehmen; durchaus denkbar und wirtschaftlich einsetzbar sind Gestaltun­ gen, bei denen die ersten Kühlkanäle nicht mehr streng radial, sondern mit einem gewissen Winkel zur radialen Richtung aus­ geführt sind, und darüber hinaus ist auch die Anordnung der ersten Kühlkanäle in der Nut keinen fertigungstechnischen Beschränkungen mehr unterworfen. In jedem Fall empfiehlt es sich aber zur Beibehaltung einer möglichst regelmäßigen Vertei­ lung der Kühlleistung, daß die Mündungen der ersten Kühlkanäle in den Nutengrundkanal, und auch die in der Umfangsfläche des Rotorballens befindlichen Öffnungen der ersten Kühlkanäle, einzeln oder in Gruppen, z. B. paarweise, in im wesentlichen gleichbleibenden Abständen voneinander angeordnet sind. Die zweiten Kühlkanäle verlaufen, da sie Außenabschnitte und auch Innenabschnitte durchqueren, notwendigerweise schräg; besonders vorteilhaft ist es, die Gestalt der ersten Kühlkanäle der Ge­ stalt der zweiten Kühlkanäle dahingehend anzupassen, daß eine möglichst gleichmäßige Kühlung der Rotorwicklung über ihre gesamte Ausdehnung erzielt wird.

In günstiger Weiterbildung der Erfindung wird die Rotorwicklung gebildet aus einer Vielzahl aufeinandergeschichteter elektri­ scher Leiter, wobei erste Kühlkanäle und zweite Kühlkanäle ge­ bildet sind aus zumindest teilweise überlappenden Ausstanzungen in den Leitern. Die Leiter können als relativ flache Bänder ausgeführt werden, in die Ausnehmungen zur Bildung von Kanälen o. dgl. mittels Stanzen einfach einbringbar sind; durch Einsatz programmgesteuerter Stanzeinrichtungen können Aussparungen in aufeinander zu schichtenden Leitern derart miteinander korre­ liert werden, daß durch die Stapelung Kanäle praktisch beliebi­ ger Gestalt gebildet werden. Ein besonders günstiger Effekt wird bei schräg verlaufenden Kanälen dann erzielt, wenn die Ausstanzungen unabhängig von der vorgesehenen Richtung des zu bildenden Kanals etwa senkrecht zur Verlaufsrichtung der elektrischen Leiter, mithin etwa senkrecht zu der Achse des Rotors, eingebracht sind; in den Wänden der schräg verlaufenden Kanäle entstehen dann treppenartige Ausformungen, die zu Verwirbelungen der durch die Kanäle geführten Kühlgasströme, und damit unmittelbar zu Verbesserungen des Wärmetransports führen.

Wie bereits erwähnt, ist mit der Auslegung der durch die Rotorwicklung führenden Kühlkanäle ein Kompromiß zu schließen zwischen der durch die Kanäle führbaren Kühlgasmenge und der hinzunehmenden Verringerung des zum Transport des elektrischen Stroms zur Verfügung stehenden Leiterquerschnitts. Entsprechend ist es wenig vorteilhaft, eine Mehrzahl von zweiten Kühlkanälen für jede Übergangsstelle vorzusehen. In der Tat ist es am gün­ stigsten, jeder Übergangsstelle lediglich einen zweiten Kühl­ kanal zuzuordnen, wobei die Form dieses Kühlkanals den jeweili­ gen Erfordernissen anpaßbar ist. Um den bestmöglichen Wärme­ übergang zu erreichen, stehen alle erwähnten Gestaltungen zur Verfügung.

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele; im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen radialen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgestatteten Rotor;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Rotorballen senkrecht zur Drehachse;

Fig. 3 einen radialen Schnitt durch einen im Sinne einer Weiterbildung der Erfindung ausgerüsteten Rotor.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß aufge­ bauten Rotor in einer Ebene, die die Achse 1, um die der Rotor drehbar ist, enthält. Der Rotor besteht aus einem Rotorballen 2 mit in Richtung der Achse 1 daran anschließenden Rotorwellenzap­ fen 11. In den Rotorballen 2 sind im wesentlichen radial ver­ laufende Nuten 4 (s. Fig. 2) eingebracht, die mit elektrischen Leitern 6 zur Bildung der Rotorwicklung ausgefüllt sind. Die Ro­ torwicklung weist dabei Innenabschnitte 7 auf - dies sind die in dem Rotorballen 2 befindlichen Segmente - sowie Außenabschnitte 9, die außerhalb des Rotorballens 2 verlaufen und wobei jeweils ein Außenabschnitt 9 zwei Innenabschnitte 7 miteinander verbin­ det. Die elektrischen Leiter 6 füllen die Nuten 4 nicht voll­ ständig aus; im Inneren jeder Nut 4 verbleibt ein Nutengrund­ kanal 8, der zur Förderung von Kühlgas bestimmt ist. Die Nuten 4 sind mittels Nutverschlußkeilen 20 und ggf. zwischen Nutver­ schlußkeilen 20 und Innenabschnitten 7 eingefügten Zwischenla­ gen 21 verschlossen. Die Kühlung eines Innenabschnittes 7 er­ folgt durch Kühlgas, das in den Nutengrundkanal 8 eingeblasen wird, von dort in Mündungen 17 erster Kühlkanäle 13 eintritt und durch die elektrische Leiter 6 hindurch zu Öffnungen 14 in der Umfangsfläche 3 (siehe Fig. 2) des Rotorballens 2 geführt wird, wo es ausströmt und durch entsprechende Fördereinrichtun­ gen abgesaugt werden kann. Mittel zur Kühlung der Außenabschnit­ te 9 sind in Fig. 1 nicht dargestellt; für Möglichkeiten dazu wird auf die zitierten Schriften zum Stand der Technik verwiesen. Zwischen Außenabschnitt 9 und Rotorwellenzapfen 11 ist ein Kühlgasraum 12 gebildet, in dem dem Rotor zugestelltes Kühlgas zunächst gesammelt wird. Jeder Nutengrundkanal 8 mündet in einen Kühlgasraum 12 und führt so Kühlgas durch den Rotor­ ballen 2 ab. Die Außenabschnitte 9 sind zum Außenumfang des Rotors hin mittels einer Kappe 19 abgedeckt, die auf den Rotor­ ballen 2 geschoben ist. Diese Kappe 19 sichert - über nicht dargestellte Stützen - die Außenabschnitte 9 gegen beim Betrieb des Rotors auftretende Fliehkräfte. Die Rotorkühlung ist am prob­ lematischsten an der Übergangsstelle 10 zwischen Innenabschnitt 7 und Außenabschnitt 9, also an der Stelle, an der die Rotor­ wicklung aus dem Rotorballen 2 austritt, denn das dem Außenab­ schnitt 9 kühlende Kühlgas muß vor Erreichen der Übergangsstelle 10 abgeleitet werden, und ein erster Kühlkanal 13 steht dort nicht zur Verfügung. Dementsprechend wird gemäß der Erfindung ein zweiter Kühlkanal 15 vorgesehen, der eine Mündung 16 un­ mittelbar in den Kühlgasraum 12 aufweist, durch den Außenab­ schnitt 9 und die Übergangsstelle 10 hindurch in den Innenab­ schnitt 7 führt und dort an wenigstens einer Öffnung 14 in der Umfangsfläche 3 Rotorballens 2 endet. Dieser zweite Kühlkanal 15 gestattet einen relativ großen Kühlgasfluß durch die Über­ gangsstelle 10 hindurch und gewährleistet somit eine effiziente Kühlung der Rotorwicklung in ihrem kritischsten Bereich.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Rotorballen 2, der senkrecht zu der Achse 1 (s. Fig. 1) gelegt ist. Darge­ stellt sind zwei Nuten 4, die in die Umfangsfläche 3 des Rotorballens 2 in im wesentlichen radialer Richtung einge­ bracht sind. In den Nuten 4 ist die Rotorwicklung aus einer Vielzahl aufeinandergeschichteter elektrischer Leiter 6 ge­ bildet. Die Nuten 4 werden durch diese nicht vollständig aus­ gefüllt, sondern zwischen den elektrischen Leitern 6 und den Nutengründen 5 verbleiben Nutengrundkanäle 8, durch die beim Betrieb des Rotors Kühlgas strömt. Verschlossen sind die Nuten 4 mittels Nutverschlußkeilen 20 und zwischen diesen und den elektrischen Leitern 6 angeordneten Zwischenlagen 21, die z. B. aus federndem Material bestehen und für einen festen Sitz der elektrischen Leiter 6 sorgen. In einer der Nuten 4 ist ein erster Kühlkanal 13 dargestellt, der durch die elektrischen Leiter 6, die Zwischenlage 21 und den Nutverschlußkeil 20 ver­ läuft und den Nutengrundkanal 8 mit einer Öffnung 14 in der Umfangsfläche 3 des Rotorballens 2 verbindet.

Fig. 3 zeigt schließlich einen weiteren axial-radialen Schnitt durch einen Rotor gemäß der Erfindung. Wiederum besteht der Rotor aus einem Rotorballen 2 mit daran in Richtung der Achse 1 anschließenden Rotorwellenzapfen 11. Dargestellt ist ein Teil einer Rotorwicklung aus elektrischen Leitern 6, die teilweise in Nuten 4 (vgl. Fig. 1 u. 2) übereinandergeschichtet sind. In den elektrischen Leitern 6 gebildet sind ein erster Kühlkanal 13 und ein zweiter Kühlkanal 15, wobei der erste Kühl­ kanal 13 aus dem Nutengrundkanal 8 und der zweite Kühlkanal 15 aus dem Kühlgasraum 12 zu jeweils einer Öffnung 14 am Außen­ umfang des Rotors führt. Der erste Kühlkanal 13 und der zweite Kühlkanal 15 sind gebildet aus teilweise überlappenden Ausstan­ zungen 18 der elektrischen Leiter 6. Diese Ausstanzungen 18 sind, unabhängig von der Verlaufsrichtung des ersten Kühl­ kanals 13 und des zweiten Kühlkanals 15, etwa senkrecht in die elektrischen Leiter 6 eingebracht. Somit ergibt sich eine gewisse Verwirbelung des Kühlgases, das durch den ersten Kühlkanal 13 und den zweiten Kühlkanal 15 transportiert wird, und es wird eine Verbesserung des Wärmetransportes erreicht.

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine dynamoelektrische Großmaschine, insbesondere einen Rotor für einen Turbogenera­ tor mit einer elektrischen Leistung oberhalb von etwa 10 MVA, insb. etwa oberhalb 50 MVA, der eine Rotorwicklung aufweist, die mittels eines Kühlgases zwangsweise kühlbar ist, wobei die Kühlung der Rotorwicklung in dem Bereich, in dem sie aus dem Rotorballen austritt, in besonders günstiger Weise erfolgt, so daß eine insgesamt höhere thermische Beanspruchung des Rotors möglich ist.

Claims (5)

1. Mit einem Kühlgas kühlbarer Rotor für eine dynamoelektrische Großmaschine, der um eine Achse (1) drehbar ist und folgende Bestandteile beinhaltet:

• a) einen Rotorballen (2), der bezüglich der Achse (1) etwa axialsymmetrisch ist und eine Umfangsfläche (3) mit einer Mehrzahl von im wesentlichen radial-axial verlaufenden Nuten (4) hat, deren jede einen Nutengrund (5) aufweist;
• b) eine Rotorwicklung, mit Innenabschnitten (7), deren jeder innerhalb einer Nut (4) unter Belassung eines Nutengrundka­ nals (8) zwischen dem Innenabschnitt (7) und dem Nutengrund (5) angeordnet ist, und Außenabschnitten (9), deren jeder außerhalb des Rotorballens (2) liegt und in zwei Innenab­ schnitte (7) an jeweils einer Übergangsstelle (10) übergeht;
• c) einen Rotorwellenzapfen (11) an jedem axialen Ende des Rotorballens (2), der unter den Außenabschnitten (9) aus dem Rotorballen (2) ragt, wobei zwischen den Außenabschnitten (9) und dem Rotorwellenzapfen (11) mindestens ein Kühlgasraum (12) liegt, der mit dem Kühlgas beaufschlagbar ist, und wo­ bei die Nutengrundkanäle (8) mit dem Kühlgasraum (12) kommu­ nizieren;
• d) jedem Außenabschnitt (9) zugeordnet eine Einrichtung zur Führung des Kühlgases um und/oder durch den Außenabschnitt (9), die mit dem Kühlgasraum (12) kommuniziert;
• e) jedem Innenabschnitt (7) zugeordnet eine Mehrzahl erster Kühlkanäle (13), die mit dem Nutengrundkanal (8) und Öffnungen (14) in der Umfangsfläche (3) kommunizieren;,
• f) jeder Übergangsstelle (10) zugeordnet mindestens einen zweiten Kühlkanal (15), der in dem zugehörigen Außenab­ schnitt (9) eine Mündung (16) in den Kühlgasraum (12) auf­ weist, durch die Übergangsstelle (10) in den Innenabschnitt (7) geführt ist und mit mindestens einer Öffnung (14) in der Umfangsfläche (3) kommuniziert.

2. Rotor nach Anspruch 1, wobei für jede Nut (4):

• a) die ersten Kühlkanäle (13) Mündungen (17) in den Nuten­ grundkanal (8) aufweisen, die im wesentlichen in gleichbleibenden Abständen voneinander angeordnet sind;
• b) die zugehörigen Öffnungen (14) in der Umfangsfläche (3) einzeln oder paarweise im wesentlichen in gleichblei­ benden Abständen voneinander angeordnet sind.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei:

• a) die Rotorwicklung aus einer Vielzahl aufeinandergeschich­ teter elektrischer Leiter (6) besteht;
• b) jeder erste Kühlkanal (13) und jeder zweite Kühlkanal (15) gebildet ist aus zumindest teilweise überlappenden Ausstanzungen (18) der elektrischen Leiter (6) .

4. Rotor nach Anspruch 3, wobei die Ausstanzungen (18) etwa senkrecht zu der Achse (1) in die elektrischen Leiter (6) ein­ gebracht sind.

5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Übergangsstelle (10) ein einziger zweiter Kühlkanal (15) zuge­ ordnet ist.