DE69806230T2

DE69806230T2 - Generatorläufer mit sperring zum reduzieren der zahnkopfsspannung

Info

Publication number: DE69806230T2
Application number: DE69806230T
Authority: DE
Inventors: L. Murphy
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: TW437143B; US5861698A; WO1998042061A1; KR20000070284A; JP3830979B2; PL335735A1; KR100525644B1; EP0968560A1; JP2001518279A; EP0968560B1; DE69806230D1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft Generatoren zur Erzeugung von Elektrizität und insbesondere Generatorläufer mit Sprengringen.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Generatorläufer weisen einen zylindrischen Läuferkörper auf, von dem sich zwei Wellen an jedem Läuferende erstrecken. Der Läufer ist winkelförmig in Zahnbereiche und Polbereiche geteilt. Die Zahnbereiche besitzen eine Reihe von Zähnen, die durch in den Läufer geschnittene Längsschlitze definiert werden. Die Schlitze enthalten Feldwicklungen und Keile zum Festhalten der Wicklungen gegen durch die Läuferdrehung erzeugte Zentrifugalkraft.
Auf Fig. 3 Bezug nehmend, erstrecken sich die Wicklungen 120 an jedem Ende des Läuferkörpers axial über die Läuferzähne 116 hinaus und sind dort unter Bildung von Wicklungsendwindungen gebogen. Da sich die Endwindungen in einem Bereich befinden, der keine Zähne 116 und Keile 119 aufweist, um der Zentrifugalkraft entgegenzuwirken, ist um die Endwindungen und um das Läuferende herum ein ringförmiger Sprengring 114 angeordnet, um die Endwindungen gegen Zentrifugalkraft festzuhalten. Der Sprengring 114 wird durch einen in einander gegenüberliegende Umfangsnuten 130a, 130b im Sprengring 114 bzw. im Läufer 112 passenden Sperring 110 mit einem radialen Schlitz 28, wie in Fig. 2 gezeigt, in Längsrichtung festgehalten. In Fig. 3 sind der Übersicht halber mit der vorliegenden Erfindung nicht in Zusammenhang stehende Teile, wie zum Beispiel Füllblöcke und Dämpferstäbe, weggelassen worden.
Bei Betrieb des Generators erwärmt sich der Läufer 112, insbesondere die Wicklungen und Endwindungen. Wärmeausdehnung bewirkt, daß die Endwicklungen axial nach außen gegen den Sprengring 114 drücken, wodurch eine als "Reibungskraft" bezeichnete, axiale, nach außen gerichtete Kraft entsteht. Da der Sperring 110 eine Längsbewegung des Sprengrings 114 bezüglich des Läufers 112 einschränkt, überträgt der Sperring 110 die Reibungskraft sowie andere Längskräfte mit der gleichen Richtung auf den Läufer 112. Da der in Fig. 2 gezeigte herkömmliche Sperring 110 über seinen ganzen Umfang eine ungefähr gleichmäßige Dicke und Härte besitzt, wird die Reibungskraft in etwa gleichmäßig auf die Zahnbereiche und Polbereiche des Läufers übertragen. Der Teil der Reibungskraft, der auf die Läuferzähne übertragen wird, ist problematisch, da die Zähne bereits einer hohen Radialspannung ausgesetzt sind, die von der Zentrifugalkraft von den Wicklungen und Keilen herrührt. Eine solche hohe Spannung hat zu Rißbildung in den oberen Zahnenden geführt.
Aus der Schrift DE 23 33 622A1 ist ein Läufer mit einer Sprengring- und Sperringanordnung bekannt.
Deshalb besteht Bedarf nach einem Generatorläufer mit einem Sperring, der die Längsreibungskraft im Zahnbereich des Läufers vermindert.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es wird ein Generatorläufer mit einem Sperring, der auf die Läuferzähne übertragene Längsreibungskraft vermindert, bereitgestellt. Der Sperring vermindert den auf den Läuferzahnbereich übertragenen Teil der Reibungskraft, indem er einen Großteil der Reibungskraft statt dessen auf den Läuferpolbereich überträgt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Sperring Aussparungsbereiche (das heißt Bereiche mit verminderter axialer Dicke) auf, die ungefähr winkelförmig auf Zahnbereiche des Läufers ausgerichtet sind. Sperringüberstandsbereiche (das heißt Bereiche mit im Verhältnis größerer axialer Dicke als die Aussparungsbereiche), die in den Abständen zwischen den Aussparungsbereichen angeordnet sind, sind ungefähr winkelförmig auf Läuferpolbereiche ausgerichtet. Wenn sich der Läufer auf einer normalen Betriebstemperatur befindet, drücken die Überstandsbereiche gegen die Läuferpolbereiche und wirken so der Längsbewegung des Sprengrings entgegen. Im Gegensatz zu dem Kontakt zwischen den Überstandsbereichen und den Polbereichen bilden die Überstandsbereiche und die Zahnbereiche einen Spalt dazwischen, wenn sich der Läufer auf einer normalen Betriebstemperatur befindet. Aufgrund dieses Spalts vermindert der Sperring die auf die Zähne übertragene Längsreibungskraft.
Das Aussparungsausmaß (das heißt, das Ausmaß der Verminderung der axialen Dicke) im Aussparungsbereich kann des weiteren so bemessen werden, daß statt eines Spalts ein leichter Kontakt zwischen den Aussparungsbereichen und den Zahnbereichen gestattet wird. Ein solcher leichter Kontakt würde einen Teil, wenn auch einen verminderten Anteil, der Reibungskraft auf die Zähne übertragen.
Bei einer anderen Ausführungsform wird statt eines Sperrings mit Aussparungs- und Überstandsbereichen ein Sperring bereitgestellt, der aus zwei getrennten Materialien mit unterschiedlicher Steifigkeit hergestellt ist. Insbesondere sind den Läuferzahnbereich berührende Bereiche des Sperrings aus einem Material hergestellt, das eine geringere Steifigkeit besitzt als das die Polbereiche berührende Sperringmaterial. Bei noch einer anderen Ausführungsform sind die Merkmale der ersten beiden Ausführungsformen miteinander kombiniert, indem Sperringaussparungsbereiche bereitgestellt werden, die aus einem Material hergestellt sind, das eine geringere Steifigkeit besitzt als das Material der Sperringüberstandsbereiche. Bei dieser letzteren Ausführungsform wird das Ausmaß der Aussparung so gewählt, daß ein leichter Kontakt zwischen den Aussparungsbereichen und den Läuferzahnbereichen gestattet wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Generatorläufers der die vorliegende Erfindung einsetzenden Art.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Sperrings.
Fig. 3 ist eine Ansicht eines an einen Motor montierten herkömmlichen Sperrings.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines Generatorläufers der die vorliegende Erfindung einsetzenden Art, wobei die Wicklungen, der Sprengring und der Sperring weggelassen sind.
Fig. 4A ist eine Teilansicht des oberen Zahnendes nach Fig. 4.
Fig. 5A, 5B und 5C sind perspektivische Ansichten des Sperrings gemäß mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6A, 6B und 6C sind Ansichten des im Läuferzahnbereich an den Läufer montierten Sprengrings nach mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist eine Ansicht des im Läuferpolbereich an den Läufer montierten Sprengrings gemäß mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung wird hier unter Verwendung eines speziellen Generatorläufers 12 dargestellt, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise zeigt Fig. 5A einen Sperring 10 mit vier Überstandsbereichen 34, die einem vierpoligen Generatorläufer 12 entsprechen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch bei Generatorläufern eingesetzt werden, die eine andere Polanzahl und eine andere Geometrie als die gezeigte aufweisen.
Nunmehr auf Fig. 1 Bezug nehmend, wird ein zweipoliger Generatorläufer 12 der die vorliegende Erfindung einsetzenden Art gezeigt. Die Fig. 4 und 5A bis 5C zeigen den Sperring 10, der einem vierpoligen Generator entspricht, der vier Zahnbereiche 24 und vier Polbereiche 26 aufweist. Jeder Zahnbereich 24 wird durch mehrere Längsschlitze 18 gebildet, die in den Abständen zwischen mehreren Zähnen 16 angeordnet sind. Die Zähne 16 und die Schlitze 18 überspannen in der Regel die Länge des Läufers 12. Herkömmlicherweise sind Keile 19 und Feldwicklungen 20 dicht anliegend in jedem der Schlitze 18 installiert. Endwindungen 22 der Wicklungen 20 an jedem Ende des Läufers 12 werden durch einen Sprengring 14 festgehalten. Ein Sperring 10 ist teilweise in einer Umfangsnut 30a im Sprengring 14 und teilweise in einer gegenüberliegenden Umfangsnut 30b im Läufer 12 angeordnet, wie in den Fig. 6A, 6B und 6C gezeigt.
Die vorliegende Erfindung wird durch drei Ausführungsformen davon beispielhaft dargestellt. Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den Fig. 5A, 6A und 7 dargestellt wird, weist der Sperring 10a vier Aussparungsbereiche 32 und vier Überstandsbereiche 34 auf. Die Überstandsbereiche 34 des Sperrings sind winkelförmig auf die Polbereiche 26 des Läufers ausgerichtet. Die Sperringaussparungsbereiche 32, die ungefähr die gleiche Bogenlänge wie die Läuferzahnbereiche 24 aufweisen, sind auch winkelförmig auf die Läuferzahnbereiche 24 ausgerichtet. Nach der Verwendung hier und in den beigefügten Ansprüchen bedeutet der Begriff "Aussparungsbereich" einen Bereich des Sperrings, der eine geringere Dicke aufweist als ein entsprechender "Überstandsbereich" des Sperrings.
Vorzugsweise beträgt die differentielle Axialdicke zwischen den Aussparungsbereichen 32 und den Überstandsbereichen 34 von 0,010 Zoll (0,254 mm) bis 0,15 Zoll (0,381 mm) für einen "vierpoligen Generatorläufer mit geschlossenem Schlitz" von 67 Zoll (1,70 m), wie er von der Firma Westinghouse Electric Corporation, Pittsburgh, PA 15222, geliefert wird. Diese differentielle Axialdicke kann variieren, wenn die vorliegende Erfindung bei anderen Generatoren mit anderen Läuferdurchmessern eingesetzt wird. Bei einem solchen Einsatz sind die Größen der differentiellen Axialdicken für Fachleute, die mit diesen anderen Generatoren mit anderen Durchmessern vertraut sind, offensichtlich.
Erneut auf die Fig. 5A, 6A und 7 Bezug nehmend, sind die Sperringaussparungsbereiche 32 der Außenseite des Läufers zugewandt. Wenn sich der Läufer 12 auf normaler Betriebstemperatur befindet, berühren die Überstandsbereiche 34 die Läuferpolbereiche 26, wie in Fig. 7 gezeigt. Während die Überstandsbereiche 34 gegen die Polbereiche 26 drücken, führt die differentielle Axialdicke zwischen den Aussparungsbereichen 32 und den Überstandsbereichen 34 zu einem Spalt 36 zwischen den Aussparungsbereichen 32 und den Läuferzahnbereichen 24, wie in Fig. 6A gezeigt. Des weiteren umfaßt die vorliegende Erfindung differentielle Axialdicken, die einen leichten Kontakt zwischen dem Zahnbereich 24 und dem Aussparungsbereich 32 gestatten. Insbesondere kann ein vermindertes Aussparungsausmaß (das heißt ein geringeres Differentialdickenmaß) vorgesehen werden, damit zwischen den Aussparungsbereichen 32 und den Zahnbereichen 24 kein Spalt 36 gebildet, sondern statt dessen ein leichter Kontakt dazwischen gestattet wird.
Auf die Fig. 5B, 6B und 7 Bezug nehmend, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, besteht der Sperring 10b aus zwei getrennten Metallen. Vier erste Sperringbereiche 40a sind aus einem Metall mit geringer Steifigkeit, zum Beispiel Aluminium, hergestellt. Die ersten Bereiche 40a sind ungefähr winkelförmig auf die vier Läuferzahnbereiche 24 ausgerichtet. Vier zweite Sperringbereiche 42a sind aus einem Material mit hoher Steifigkeit, zum Beispiel Stahl, hergestellt. Die zweiten Bereiche 42a sind ungefähr winkelförmig auf die vier Läuferpolbereiche 26 ausgerichtet. Da die ersten Bereiche 40a und die zweiten Bereiche 42a die gleiche axiale Dicke aufweisen (das heißt es ist keine Aussparung vorhanden), berühren die ersten Bereiche 40a die Läuferzahnbereiche 24, wenn sich der Läufer auf normaler Betriebstemperatur befindet.
Auf die Fig. 5C, 6C und 7 Bezug nehmend, wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die Merkmale sowohl von der ersten als auch von der zweiten Ausführungsform aufweist. Der Sperring 10c besitzt vier Aussparungsbereiche 40b, die aus einem ersten Material hergestellt sind, und vier Überstandsbereiche 42b, die aus einem zweiten Material hergestellt sind. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Material um ein Metall mit geringer Steifigkeit, zum Beispiel Aluminium, und bei dem zweiten Material um ein Metall mit hoher Steifigkeit, zum Beispiel Stahl. Die Aussparungsbereiche 40b sind ungefähr winkelförmig auf die vier Läuferzahnbereiche 24 ausgerichtet. Die Überstandsbereiche 42b sind ungefähr winkelförmig auf den Läuferpolbereich 26 ausgerichtet. Vorzugsweise ist die differentielle Axialdicke zwischen den Aussparungsbereichen 40b und den Überstandsbereichen 42b derart, daß zwischen den Aussparungsbereichen 40a und den Läuferzahnbereichen 24 ein leichter Kontakt besteht, wenn sich der Läufer 12 auf normaler Betriebstemperatur befindet. Die Abmessungen der Aussparungsbereiche 40b und 42b zur Bereitstellung eines solchen leichten Kontaktes für ein bestimmtes Generatormodell sind für Fachleute, die mit dem bestimmten Generatormodell vertraut sind, offensichtlich.
Es folgt eine Beschreibung der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung. Wenn der Läufer 12 eine normale Betriebstemperatur erreicht, drückt die Reibungskraft den Sprengring 14 in Längsrichtung nach außen gegen den Sperring 10a oder 10c. Infolgedessen drücken die Sperringüberstandsbereiche 34 oder 42b gegen die Läuferpolbereiche, während zwischen den Aussparungsbereichen 32 oder 40b und den Läuferzahnbereichen 24 ein Spalt entstanden ist. Durch Beseitigen des Kontaktes zwischen dem Sperring 10a oder 10c und den Zahnbereichen 24 verringert der Sperring die auf den Zahnbereich 24 übertragene Reibungskraft, wodurch Zahnspannung vermindert wird. Ausführungsformen, bei denen die Überstandsbereiche 32 oder 40b so bemessen sind, daß sie einen leichten Kontakt zwischen den Aussparungsbereichen 32 oder 40b und den Zahnbereichen 24 gestatten, verringern auf ähnliche Weise die Reibungskraft.
Der Sperring 10b gemäß der zweiten Ausführungsform verringert auf ähnliche Weise auf den Läuferzahnbereich 24 übertragene Reibungskraft. Wenn der Läufer 12 eine normale Betriebstemperatur erreicht, drücken die ersten Sperringbereiche 40a und die zweiten -bereiche 42a gegen die Läuferzahnbereiche 24 bzw. -polbereiche 36. Die ersten Bereiche 40a übertragen aufgrund der geringeren Steifigkeit des ersten Bereichs 40a im Vergleich zum zweiten Bereich 42a weniger Reibungskraft auf den Rotor 12 als die zweiten Bereiche 42b.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen speziellen Formen ausgestaltet werden, und demgemäß sollte auf die beigefügten Ansprüche, die den Schutzbereich der Erfindung aufzeigen, anstatt auf die vorhergehende Beschreibung Bezug genommen werden.

Claims

1. Kreisförmiger Sperring (10a, c) zur Begrenzung der Längsverschiebung eines Sprengrings (14) bezüglich eines Generatorläufers (12), wobei der Sperring (10a, c) mehrere Aussparungsbereiche (32) mit im Verhältnis verminderter axialer Dicke und mehrere Überstandsbereiche (34) mit im Verhältnis größerer axialer Dicke aufweist, wobei die mehreren Aussparungsbereiche (32) ungefähr winkelförmig auf Zahnbereiche (24) des Läufers (12) und die mehreren Überstandsbereiche (34) ungefähr winkelförmig auf Polbereiche (26) des Läufers (12) ausgerichtet sind, wobei der Sperring (10a, c) zumindest teilweise in einer Umfangsnut (30b) im Läufer und zumindest teilweise in einer Umfangsnut (30a) im Sprengring (14) angeordnet ist.

2. Sperring (10a, c) nach Anspruch 1, in dem mindestens ein radialer Schlitz (28) ausgebildet ist.

3. Sperring (10a, c) nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Aussparungsbereiche (32) und die mehreren Läuferzahnbereiche (24) beabstandet sind und so Spalte (36) dazwischen definieren, während sich der Läufer (12) auf normaler Betriebstemperatur befindet.

4. Sperring (10a, c) nach Anspruch 1, bei dem mindestens einer der mehreren Aussparungsbereiche (32) die Zahnbereiche (24) des Läufers (12) berührt, während sich der Läufer (12) auf normaler Betriebstemperatur befindet.

5. Sperring (10a, c) nach Anspruch 1, bei dem eine axiale Dicke jedes einzelnen der mehreren Überstandsbereiche (34) von 0,010 Zoll (0,254 mm) bis 0,015 Zoll (0,381) größer ist als eine axiale Dicke jedes einzelnen der mehreren Aussparungsbereiche (32).

6. Kreisförmiger Sperring (10b, c) zur Begrenzung der Längsverschiebung eines Sprengrings (14) bezüglich eines Generatorläufers (12), wobei der Sperring (10b, c) teilweise in einer Umfangsnut (30b) im Läufer (12) und teilweise in einer Umfangsnut (30a) im Sprengring (14) angeordnet ist und mehrere erste Bereiche (40a, b) und mehrere zweite Bereiche (42a, b) umfaßt, wobei die mehreren zweiten Bereiche (42a, b) ungefähr winkelförmig auf Polbereiche (26) des Läufers (12) ausgerichtet sind, wobei jeder einzelne der mehreren ersten Bereiche (40a, b) ungefähr winkelförmig auf den Zahnbereich (24) des Läufers (12) ausgerichtet ist, wobei jeder einzelne der mehreren ersten Bereiche (40a, b) aus einem ersten Material hergestellt ist und jeder einzelne der mehreren zweiten Bereiche (42a, b) aus einem zweiten Material hergestellt ist, wobei das zweite Material eine größere Steifigkeit besitzt als das erste Material.

7. Sperring (10b, c) nach Anspruch 6, bei dem das erste Material ein erstes Metall und das zweite Material ein zweites Metall umfaßt, wobei das zweite Metall eine größere Steifigkeit als das erste Metall besitzt.

8. Sperring (10b, c) nach Anspruch 6, in dem mindestens ein radialer Schlitz (28) ausgebildet ist.

9. Sperring (10b) nach Anspruch 6, bei dem jeder einzelne der mehreren zweiten Bereiche (42a) ungefähr die gleiche axiale Dicke wie jeder einzelne der mehreren ersten Bereiche (40a) aufweist.

10. Sperring (10c) nach Anspruch 6, bei dem die mehreren zweiten Bereiche (42b) eine größere axiale Dicke als die mehreren ersten Bereiche (40b) aufweisen.

11. Sperring (10c) nach Anspruch 10, bei dem die ersten Bereiche (40b) und die Zahnbereiche (24) voneinander beabstandet sind und so Spalte (36) dazwischen definieren, während sich der Läufer (12) auf normaler Betriebstemperatur befindet.

12. Sperring (10c) nach Anspruch 10, bei dem mindestens einer der mehreren ersten Bereiche (40b) die Zahnbereiche (24) des Läufers (12) berührt, während sich der Läufer (12) auf normaler Betriebstemperatur befindet.

13. Generatorsystem zur Erzeugung von Elektrizität, das einen im wesentlichen zylindrischen Läufer (12) mit zwei Enden umfaßt, wobei jedes der beiden Läuferenden folgendes aufweist:

mehrere Zahnbereiche (24), mehrere Polbereiche (26) und eine darum ausgebildete Umfangsnut (30b), wobei jeder einzelne der mehreren Zahnbereiche (24) mehrere Längszähne (16) und mehrere darin ausgebildete Längsschlitze (18) aufweist;

mehrere in den mehreren Schlitze (18) angeordnete Feldwicklungen (20), die nahe dem Läuferende Endwindungen (22) bilden;

einen kreisförmigen Ring (14) mit einer darin ausgebildeten Umfangsnut (30a), der um die Läuferendwindungen (22) herum angeordnet ist;

wobei die Sprengringnut (30a) nahe der Läufernut (30b) angeordnet ist; und

einen kreisförmigen Sperring (10b, c) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.