DE69710220T2

DE69710220T2 - Schwingungssteuersystem für statorwicklungen

Info

Publication number: DE69710220T2
Application number: DE69710220T
Authority: DE
Inventors: S. Nilsson; M. Rowe; Don Yaffee
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1996-12-30
Filing date: 1997-11-24
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: KR20000062331A; TW363300B; CN1244309A; WO1998029935A1; EP0950279B1; ZA9711610B; DE69710220D1; JP2001507920A; EP0950279A1; US5798595A; JP3926396B2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwingungssteuersystem, um die charakteristische Frequenz der Wicklungen eines Stators ausreichend weit über der Arbeitsfrequenz der dynamoelektrischen Vorrichtung zu halten, an der die Wicklungen befestigt sind, um das Auftreten möglicherweise zerstörender Schwingungen zu vermeiden.
Bei einer elektrodynamischen Vorrichtung, wie etwa einem Turbinengenerator, weisen die Wicklungen des Stators, wie die meisten mechanischen Objekte, eine charakteristische Eigenfrequenz auf, bei der sie zum Schwingen neigen. Wenn diese charakteristische Frequenz in der Nähe der Eingabefrequenz von Schwingungen liegt, die während des Betriebs der Maschine auf die Wicklungen übertragen werden, so bauen sich in den Wicklungen möglicherweise schädliche Schwingungen auf. Dies kann zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Wicklungen und zu einem vorzeitigen Ausfall führen. Durch einen Ausfall der Wicklungen kann der Generator beschädigt werden, was zu einer teuren Außerbetriebszeit führen könnte und der Notwendigkeit, eine Wicklung zu ersetzen, was im allgemeinen recht teuer ist.
Herkömmlicherweise werden die Wicklungen eines Stators durch eine Wicklungsabstützungsstrebe, eine Unterlage und eine Wicklungsabstützungshalterung unter Druck gesetzt. Die Wicklungsabstützungsstrebe stützt die Statorwicklungen. Die Wicklungsabstützungshalterung ist an dem Statorkern befestigt. Die Wicklungsabstützungsstrebe wird dann von der Wicklungsabstützungshalterung weg und gegen die Endwicklungen gedrückt. Dann wird zwischen der Strebe und der Halterung eine Unterlage angeordnet, während die Wicklungsabstützungsstrebe immer noch gegen die Wicklungen zusammengedrückt ist. Die Kraft wird dann aufgehoben, und die Strebe bleibt wegen der Unterlage gegen die Wicklungen zusammengedrückt. Durch diese Druckkraft gegen die Wicklungen soll die charakteristische Frequenz der Wicklungen von der natürlichen Arbeitsfrequenz der Vorrichtung, an der sie befestigt ist, weg angehoben werden.
Beim Betrieb der dynamoelektrischen Vorrichtung bewegt sich die Wicklungsabstützungshalterung jedoch leider von der Wicklungsabstützungsstrebe weg. Es kommt zu dieser Bewegung, da sich der Stator, an der die Wicklungsabstützungshalterung befestigt ist, zusammenzieht. Wenn sich der Statorkern bei Betrieb zusammenzieht, bewegt sich die Wicklungsabstützungshalterung dann von den Wicklungen weg. Infolgedessen nimmt die von der Strebe auf die Wicklungen übertragene Druckkraft ab. Wenn diese Kraft abnimmt, sinkt die charakteristische Frequenz der Wicklungen und sie kann sich in einigen Fällen der Resonanzfrequenz der Vorrichtung annähern. Wenn es dazu kommt, können die Wicklungen, wie oben erläutert, im Lauf der Zeit als Ergebnis übermäßiger Schwingungen möglicherweise ausfallen. Falls eine höhere Kraft auf die Wicklungen aufrechterhalten werden kann, dann nähert sich die charakteristische Frequenz der Wicklungen nicht der Eigenfrequenz der Vorrichtung an. Außerdem wird, wenn die Frequenz ausreichend über der Eigenfrequenz der Vorrichtung gehalten wird, die Lebensdauer der Wicklungen verlängert und die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls minimiert.
Es folgt daraus, daß in dem Stand der Technik seit langem ein nicht zufriedengestellter Bedarf an einem System existiert hat, das ein Schwingungssteuersystem bereitstellt, um die charakteristische Frequenz der Statorwicklungen von der Eigenfrequenz der Vorrichtung, an der die Wicklungen befestigt sind, während des Betriebs der Vorrichtung wegzuhalten.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementsprechend in der Bereitstellung eines Schwingungssteuersystems, um die charakteristische Frequenz von Wicklungen eines Stators von der Eigenfrequenz der Vorrichtung, an der sie befestigt sind, wegzuhalten und dadurch die Schwingungen der Wicklungen zu minimieren, ihre Lebensdauer zu verlängern und einen Ausfall der Wicklungen zu verhindern.
Um die obigen und weitere Aufgaben der Erfindung zu erzielen, enthält ein Schwingungssteuersystem für die Wicklungen eines Stators in einer elektrodynamischen Vorrichtung eine Wicklungsabstützungsstrebe, die an dem Stator befestigt ist; einen Schubblock, der zwischen den Wicklungen und der Wicklungsabstützungsstrebe zusammengedrückt ist; eine zwischen dem Schubblock und der Wicklungsabstützungsstrebe angeordnete erste Feder zum Einstellen einer charakteristischen Frequenz der Wicklungen; einen neben einem Ende des Schubblocks positionierten und zwischen den Wicklungen und der Wicklungsabstützungsstrebe angeordneten ersten Stützring; und eine zwischen der Wicklungsabstützungsstrebe und dem ersten Stützring angeordnete zweite Feder.
Diese und zahlreiche weitere Neuheitsvorteile und -merkmale, die die Erfindung kennzeichnen, sind in den Ansprüchen, die hier beigefügt sind und einen Teil dieses Textes bilden, besonders hervorgehoben. Zum besseren Verständnis der Erfindung, deren Vorteile und der durch ihre Verwendung erzielten Aufgaben sollte jedoch auf die Zeichnungen verwiesen werden, die einen weiteren Teil des vorliegenden Texts bilden, und auf die beiliegende Beschreibung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines ersten Schwingungssteuersystems für Wicklungen eines Stators;
Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Schwingungssteuerstruktur des in Fig. 1 gezeigten Systems zeigt;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines zweiten Schwingungssteuersystems für Wicklungen eines Stators;
Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht eines Schwingungssteuersystems für Wicklungen eines Stators, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist; und
Fig. 6 ist ein Querschnitt entlang der Linie 6-6 von Fig. 5.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen in den Ansichten gleiche Bezugszahlen entsprechende Strukturen bezeichnen, und insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 3 enthält ein Schwingungssteuersystem 10 für die Wicklungen 14 eines Stators 60 in einer elektrodynamischen Vorrichtung, wie etwa in einem elektrischen Stromgenerator, eine Wicklungsabstützungsstrebe 12, die auf herkömmliche Weise an dem Stator 60 befestigt ist, einen zwischen den Wicklungen 14 und der Wicklungsabstützungsstrebe 12 angeordneten Schubblock 18 und einen zwischen dem Schubblock 18 und der Wicklungsabstützungsstrebe 12 angeordneten Steuermechanismus 16 zum Einstellen einer charakteristischen Frequenz der Statorwicklungen 14.
Wie aus den Fig. 1 und 3 hervorgeht, ist eine Glasunterlage 56 bevorzugt zwischen der Wicklungsabstützungsstrebe 12 und der Wicklungsabstützungshalterung 58, die an dem Stator 60 befestigt ist, positioniert. Die Glasunterlage 56 wird zum Installieren und Entfernen der Druckfederbaugruppe, die die Feder 50 enthält, entfernt. Wie oben erörtert und in der Technik bekannt, besteht die Funktion der Glasunterlage 56 darin, eine Kraft auf die Wicklungen 14 auszuüben, um ihre charakteristische Frequenz anzuheben.
Der Steuermechanismus 16 enthält mindestens eine Feder 39, die zwischen dem Schubblock 18 und der Wicklungsabstützungsstrebe 12 positioniert ist. Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten System sind die Federn 39 kegelförmige Federn. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, ist die Feder 39 in einem Raum positioniert, der teilweise durch ein in dem Schubblock 18 definiertes nach unten zeigendes Loch 22 und einen entsprechenden Hohlraum 24 definiert ist, der in der Wicklungsabstützungsstrebe 12 definiert ist. Die Feder 39 kann aber auch an einer Fläche des Schubblocks 18 anliegen, anstatt sich in ein Loch in dem Schubblock 18 zu erstrecken.
Wie ebenfalls aus Fig. 2 zu sehen ist, enthält der Steuermechanismus 16 weiterhin einen Stift 36, der sich von dem Schubblock 18 durch einen hohlen Kern der kegelförmigen Federn 39 und nach unten in Kontakt mit einem Boden 40 des in der Abstützungsstrebe 12 definierten Hohlraums 24 erstreckt. Der obere Teil des Stifts 36 ist bevorzugt an den Schubblock 18 gekittet und kann sich nach innen in den Schubblock 18 in einen Befestigungsring 42 erstrecken, um eine starke mechanische Verbindung zwischen dem Stift 36 und dem Schubblock 18 zu erleichtern.
Wie weiterhin aus Fig. 2 zu sehen ist, ist zwischen dem Schubblock 18 und der Wicklungsabstützungsstrebe 12 ein Spalt 28 definiert. Die Größe des Spalts 28 und die Länge des Schubstifts 36 relativ zu der vertikalen Abmessung des Raums, der durch das Loch 22 und den Hohlraum 24 definiert wird, bestimmen zusammen das Ausmaß der Ablenkung nach unten, die gegen den Druckeinfluß der Feder 39 gestattet ist. Die Größe der Druckkraft, die durch die Feder 39 über den Schubblock 18 auf die Statorwicklungen 14 ausgeübt wird, hängt von der Anzahl der Federn 39 und den Charakteristiken der Federn ab.
Bevor die Wicklungen in Dienst gestellt werden, wird die Strebe 12 mit einer nicht gezeigten Befestigungseinrichtung in Richtung der Wicklungen 14 zusammengedrückt. Dann wird die Unterlage 56 zwischen die Strebe 12 und die Halterung 58 eingeführt. Wie oben erörtert, kann sich der Stator 60 bei Betrieb möglicherweise zusammenziehen, wobei er dazu neigt, die Halterung 58 und die Strebe 12 von den Wicklungen 14 wegzuziehen. Ohne das Schwingungssteuersystem 10 nimmt die Kraft auf die Wicklungen 14 und ihre charakteristische Schwingungsfrequenz ab, wenn sich die Strebe 12 wegbewegt. Das Schwingungssteuersystem 10 verhindert, daß die Druckkraft abnimmt bzw. minimiert die Abnahme der Kraft und hält dadurch die charakteristische Frequenz der Wicklungen 14 über der Betriebsfrequenz der nicht gezeigten dynamoelektrischen Maschine, an der die Wicklungen 14 befestigt sind. Das System 10 erledigt dies wie folgt. Wenn sich die Halterung 58 und die Strebe 12 von den Wicklungen 14 wegbewegen, dehnen sich die zusammengedrückten Federn 39 aus und drücken mit einer Kraft nach oben gegen den Schubblock 18. Der Schubblock 18 überträgt dann diese Kraft auf die Wicklungen 14. Mit der ausgeübten Kraft wird die charakteristische Frequenz der Wicklungen 14 über der Arbeitsfrequenz gehalten.
Das Schwingungssteuersystem 10 kann auch einen Füllstoff 46, 48, der zwischen dem Schubblock 18, den Wicklungen 14, eine Füllstoffkappe 52, die an dem Schubblock 18 befestigt ist, angeordnet ist, eine dritte Schicht aus Füllmaterial 64, die zwischen dem Schubblock 18 und der Füllstoffkappe 52 angeordnet ist, enthalten. Wie aus den Fig. 1, 3-4 hervorgeht, übertragen der Füllstoff 46, 48, die Füllstoffkappe 52 und die dritte Schicht aus Füllstoff 64 die von dem Schubblock 18 ausgeübte Kraft auf die Wicklungen 14. Der Füllstoff 46, 48 kann aus einer ersten Schicht aus Füllmaterial 46 und einer zweiten Schicht aus Füllmaterial 48 bestehen. Die erste Schicht aus Füllmaterial 46 ist bevorzugt aus Dacron®-Filz oder einem ähnlichen Material hergestellt. Im Vergleich besteht die zweite Schicht aus Füllmaterial 48 aus einem Kautschukträger an dem Dacron®-Filz, wobei die Kautschukseite den Wicklungen 14 am nächsten liegt. Auch die dritte Schicht aus Füllmaterial 64 kann aus Dacron®-Filz oder einem ähnlichen Material hergestellt sein.
Ein zweites Schwingungssteuersystem ist in Fig. 3 und 4 gezeigt. Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, kann die Feder aber auch als eine gewellte Feder 50 ausgeführt sein, die zwischen dem Schubblock 18 und der Wicklungsabstützungsstrebe 12 positioniert ist. Die Wellenfeder 50 besteht bevorzugt entweder aus geformtem Epoxidharz oder Glasfaser. Bei dieser Ausführungsform hat der Hohlraum 24 in der Strebe 12 die Form eines Kanals, der über die Länge der Strebe 12 verläuft. Die Wellenfeder 50 ruht in diesem kanalförmigen Hohlraum 24.
Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, kann das System 10 auch Schubblockstifte 66 enthalten, die über einer Lippe 70 an beiden Enden des Schubblocks 18 angeordnet sind, und Anschläge 68 an beiden Enden des Hohlraums 24 der Wicklungsabstützungsstrebe 12. Bei dieser Ausführungsform wird der Schubblock 18 durch die Stifte 66 in dem Hohlraum 24 gehalten. Insbesondere sind die Stifte 66 an dem Hohlraum 24 über den Lippen 70 an den Enden des Schubblocks 18 befestigt. Infolgedessen ist der Schubblock 18 hinsichtlich seiner Bewegung in der Aufwärtsrichtung eingeschränkt.
In den Fig. 3 und 4 sind außerdem die Schubblockanschläge 68 an beiden Enden des Schubblocks 18 gezeigt. Die Anschläge 68 verhindern eine Bewegung der Wellenfeder 39 aus dem Hohlraum 24 heraus.
Das zweite System arbeitet ähnlich wie das erste System. Wenn das System 10 zusammengebaut wird, wird die Wellenfeder 39 in dem Hohlraum 24 zusammengedrückt. Sollte sich der Stator 60 bei Betrieb zusammenziehen, bewegen sich die Halterung 58 und die Strebe 12 von den Wicklungen 14 weg. Falls es dazu kommt, drückt die Wellenfeder 39 mit einer Kraft nach oben gegen den Schubblock 18, und die Kraft wird dann durch die Füllstoffschichten 46, 48 und 64 und die Füllstoffkappe 52 auf die Wicklungen 14 übertragen. Wenn diese Kraft auf die Wicklungen 14 ausgeübt wird, wird die Frequenz der Wicklungen 14 über der Arbeitsfrequenz der Maschine gehalten, an der sie befestigt sind.
Fig. 5 und 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform enthält das Schwingungssteuersystem 10 außerdem mindestens einen Stützring 72, 72' und kann auch ein Stützband 74 enthalten. Der Stützring 72 und das Stützband 74 sind in der Technik bekannt, und die vorliegende Erfindung bezieht sich auf sie nicht spezifisch, sondern vielmehr auf eine Art und Weise ihrer Verwendung mit einem Steuermechanismus 16 zum Minimieren der Schwingungen der Wicklungen 14.
Wie in der Technik bekannt ist, kann der Stützring 72 durch das Stützband 74 an die Wicklungen 14 gebunden sein. Das Band 74 ist insbesondere in mehreren Schichten um den Umfang der Wicklungen 14 und des Rings 72 gewickelt. Da das Band 74 bevorzugt aus einem mit Epoxidharz imprägnierten Glasgewebeverbundstoff hergestellt ist, wird das Band 74 an sich selbst befestigt und von Hand festgezurrt. Da die Struktur des Rings 72 und das Band 74 in der Technik wohlbekannt sind, wird sie in dieser Erörterung nicht weiter im einzelnen ausgeführt.
Im Stand der Technik wird der Ring 72 zwischen der Strebe 12 und den Wicklungen 14 zusammengedrückt. Bei Betrieb übt der Stützring 72 auf die Wicklungen 14 eine Kraft aus, um die Wicklungen 14 zu stützen. Wegen dieser Kraft werden die Schwingungen der Wicklungen 14 minimiert. Um diese Kraft zu übertragen, ist ein Füllstoff 76, der bevorzugt aus mit Epoxidharz behandelten Polyethylenterephthalatfasern oder einem ähnlichen Material hergestellt wird, zwischen dem Ring 72 und den Wicklungen 14 und dem Ring 72 und der Strebe 12 verteilt.
Wie oben beschrieben, zieht sich der Stator 60 während des Betriebs der dynamoelektrischen Maschine, an der er befestigt ist, zusammen. Wenn sich der Stator 60 zusammenzieht, bewegt sich die Strebe 12 mit ihm, wie oben beschrieben. Wenn es dazu kommt, wird auf die Wicklungen 14 weniger Druck ausgeübt. Dies kann dazu führen, daß die Schwingungen der Wicklungen 14 zunehmen und ihre charakteristische Frequenz abnimmt.
Um die Schwingungen zu minimieren, sind bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung zwischen dem Ring 72 und der Strebe 12 ein Steuermechanismus 16 und ein Schubblock 18 angeordnet. Der Steuermechanismus 16 enthält eine erste Feder 50, die zwischen dem Schubblock 18 und der Wicklungsabstützungsstrebe 12 angeordnet ist, und eine oder mehrere zweite Federn 39. Die Federn 39 sind bevorzugt kegelförmige Federn. Bei den Federn kann es sich um gewölbte Federscheiben aus Glasfaser vom Belleville®-Typ handeln. Wie in der bevorzugten Ausführungsform gezeigt, sind zwischen der Strebe 12 und dem Schubblock 18 zwei Federn 39 verteilt. Wie der Fachmann erkennt, kann die Anzahl der in dem System verwendeten Federn 39 verändert werden, um die erforderliche Kraft bereitzustellen. Wie der Fachmann erkennt, kann alternativ die von den Federn 39 ausgeübte Kraft durch Ändern der Ausrichtung der Federn 39 relativ zueinander verändert werden.
Diese Federn 39 werden zwischen dem Schubblock 18 und dem Ring 72 zusammengedrückt. Während sich die Strebe 12, wie oben beschrieben, von den Wicklungen 14 wegbewegt, üben die Federn 39 eine Kraft auf die Wicklungen 14 und die Strebe 12 aus. Durch diese von den Federn 39 ausgeübte Kraft werden die durch die Bewegung des Stators 60 und der Strebe 12 verursachten Schwingungen der Wicklungen 14 minimiert. Dadurch wird die charakteristische Frequenz der Wicklungen 14 aufrechterhalten.
Wie in Fig. 5 dargestellt, kann der Steuermechanismus 16 weiterhin einen Feststellstift 78 enthalten. Der Feststellstift 78 ist bevorzugt durch Kit oder durch ein ähnliches Befestigungsverfahren an einer Öffnung 80 in dem Schubblock 18 befestigt. Von der Öffnung 80 in dem Schubblock 18 erstreckt sich der Feststellstift 78 durch die Mitte der kegelförmigen Federn 39 und in eine Öffnung 82 in der Strebe 12. Bei Betrieb minimiert der Feststellstift die Bewegung der Federn 39 und hält sie zwischen der Strebe 12 und dem Schubblock 18 fest.
Es versteht sich jedoch, daß, auch wenn zahlreiche Charakteristiken und Vorteile der vorliegenden Erfindung in der obigen Beschreibung zusammen mit Einzelheiten der Struktur und Funktion der Erfindung dargelegt worden sind, die Offenbarung nur beispielhaft ist und Änderungen insbesondere im Hinblick auf die Form, Größe und Anordnung von Teilen innerhalb der Grundlagen der Erfindung in dem durch die beigefügten Ansprüche angegebenen vollen Ausmaß an Einzelheiten vorgenommen werden können.

Claims

1. Schwingungssteuersystem (10) für Wicklungen (14) eines Stators (60) in einer elektrodynamischen Vorrichtung, wobei das System folgendes umfaßt:

eine Wicklungsabstützungsstrebe (12), die an dem Stator befestigt ist;

einen Schubblock (18), der zwischen den Wicklungen (14) und der Wicklungsabstützungsstrebe (12) zusammengedrückt ist;

eine zwischen dem Schubblock (18) und der Wicklungsabstützungsstrebe (12) angeordnete erste Feder (50) zum Einstellen euer charakteristischen Frequenz der Wicklungen;

einen neben einem Ende des Schubblocks (18) positionierten und zwischen; den Wicklungen (14) und der Wicklungsabstützungsstrebe (12) angeordneten ersten Stützring (72); und

eine zwischen der Wicklungsabstützungsstrebe und dem ersten Stützring (72) angeordnete zweite Feder (39).

2. System nach Anspruch 1, wobei die zweite Feder (39) kegelförmig ist.

3. System nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Spalt, der zwischen einer Bodenfläche des Schubblocks und einer Deckfläche der Wicklungsabstützungsstrebe definiert ist.

4. System nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Füllstoff (46, 48), der zwischen den Wicklungen (14) und dem Schubblock (18) angeordnet ist.

5. System nach Anspruch 1, wobei die erste Feder (50) zwischen einem Loch in dem Schubblock (18) und einem Hohlraum in der Strebe (12) zusammengedrückt wird.

6. System nach Anspruch 1, wobei die erste Feder (50) eine Wellenfeder umfaßt.

7. System nach Anspruch 4, weiterhin mit einer Füllstoffkappe (52) und einer dritten Schicht (64) aus zusammendrückbarem Material zwischen dem Schubblock (18) und den Wicklungen (14).

8. System nach Anspruch 1, weiterhin mit einem zwischen den Wicklungen (14') und dem Schubblock (18) angeordneten Stützring (72') und einem zwischen der Wicklungsabstützungsstrebe (12) und dem zweiten Stützring (72') angeordneten dritten Feder (39');

wobei der erste und der zweite Ring auf entgegengesetzten Seiten des Schubblocks angeordnet sind.

9. System nach Anspruch 6, weiterhin mit der in einem Hohlraum (24) der Strebe (12) angeordneten Wellenfeder (50) und Anschlägen (68) an entgegengesetzten Längsenden der Strebe, um die Wellenfeder in dem Hohlraum zu halten.

10. System nach Anspruch 9, weiterhin mit Stiften (66), die seitlich über dem Hohlraum (24) verlaufen und sich an entgegengesetzten Längsenden des Hohlraums befinden, wobei die Stifte über eine Lippe (70) an beiden Endendes Schubblocks (18) befestigt sind, um die Bewegung des Schubblocks aus dem Hohlraum (24) heraus einzuschränken.