EP2118987A1 - Turbogenerator - Google Patents

Turbogenerator

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EP2118987A1
EP2118987A1 EP08708118A EP08708118A EP2118987A1 EP 2118987 A1 EP2118987 A1 EP 2118987A1 EP 08708118 A EP08708118 A EP 08708118A EP 08708118 A EP08708118 A EP 08708118A EP 2118987 A1 EP2118987 A1 EP 2118987A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
active region
bale
forgings
turbogenerator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08708118A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Staubli
Reinhard Joho
Ralf Rotzinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/26—Rotor cores with slots for windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/02—Details of the magnetic circuit characterised by the magnetic material
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/42—Means for preventing or reducing eddy-current losses in the winding heads, e.g. by shielding

Definitions

  • the present invention relates to the field of rotary electric machines. It relates to a turbogenerator according to the preamble of claim 1.
  • Turbogenerators are known for example from EP-A2-1 209 802. They comprise a rotor rotatably mounted about a rotor axis, which is surrounded concentrically by a stator. In the rotor, a DC-powered rotor winding is housed, which interacts with an AC stator winding in the stator in electromagnetic interaction.
  • the rotors of the turbogenerators are made of magnetizable, ferritic steels. In most Cases these rotors are made from a forged blank produced as a monoblock by appropriate processing.
  • rotor can be divided along the axis into a central rotor bale and at the ends of the rotor bale subsequent shaft ends, with which the rotor is rotatably mounted in respective rotor bearings.
  • the central area of the rotor bale is the (electromagnetically) active area of the rotor.
  • the rotor bale in the active region consists of a material which is readily magnetizable, in particular a first steel, and in that the end portions of the outside of the active region are Rotor bale and the subsequent shaft ends of a material with reduced magnetizability or of a non-magnetic material, in particular a second, such as austenitic steel exist.
  • An embodiment of the invention is characterized in that the rotor ball in the active area of one or more forgings (s) is that the out-of-range active end portions of the rotor bale and the shaft ends of one or more forgings (s), and that the magnetically different forgings are joined together in a material-bonding manner by a fusion welding process.
  • the different forgings can also be positively and non-positively connected to each other.
  • the forgings and powder metallurgy produced parts can be used, which are also bonded cohesively or positively and non-positively.
  • any combination of forgings and powder metallurgically produced pieces are conceivable for the rotor.
  • Another embodiment is characterized in that a rotor cap is shrunk onto each of the rotor bales at the ends, and that the rotor caps are shrunk in the region of the end portions of the rotor bale.
  • FIG. 1 in a greatly simplified representation of the longitudinal section through a turbogenerator, as is suitable for implementing the invention;
  • Fig. 2 shows the one end portion of the rotor of Fig. 1 for the known
  • Fig. 1 is a simplified view of the longitudinal section through a turbogenerator, as it is suitable for the realization of the invention reproduced.
  • the turbogenerator 10 includes a rotor 1 1 rotatably mounted about an axis 19 and a stator 12 concentrically surrounding the rotor 11. Both are in turn surrounded by a housing, which is omitted in Fig. 1 for the sake of simplicity.
  • the rotor 1 1 has as a central portion of a cylindrical rotor bale 13, the central part (portion between the dashed lines in Fig. 1) as the active region 23 causes the electromagnetic interaction with the stator 12.
  • a rotor winding 15 are housed in the rotor 11 and a stator winding 18 in the stator 13, which comprise in a known manner in corresponding grooves inserted winding conductors.
  • a stator winding 18 in the stator 13 which comprise in a known manner in corresponding grooves inserted winding conductors.
  • At the end faces of the rotor bale 13 and the stator 12 winding heads are formed.
  • the winding heads on the rotor bale 13 are held and protected by end caps on the rotor bale 13 shrunk rotor caps 16.
  • the rotor 1 1 is not - as shown in Fig. 2 - of a single material with the same same magnetic properties, ie, for example, from a good magnetizable steel, but of at least two materials with different magnetic properties: The rotor 1 1 - As shown in Fig.
  • a rotor parts 21, 22 constructed or assembled rotor formed in the active region 23 of forgings with good magnetizability and in the end portions of the rotor bale 13 (bale sections 20, cap seats of the rotor caps 16) and the Shaft ends 14 of forgings with reduced magnetizability or of a non-magnetic material, such as an austenitic steel exists.
  • a non-magnetic material such as an austenitic steel exists.
  • the joining of the magnetically different forgings is preferably carried out by a fusion welding, but can also be done by screw or the like.
  • the rotor parts 21, 22 in turn each consist of one piece or can be composed of several pieces.
  • the active region 23 of the rotor need not be identical to that of the stator 12. It is advantageously slightly smaller than this, as indicated in Fig. 1.
  • forgings and powder metallurgy produced parts can be used, which are also bonded cohesively or positively and non-positively.
  • any combinations of forgings and powder metallurgy produced pieces are conceivable for the rotor, wherein in the active region 23 of the rotor bale 13 forgings or powder metallurgy produced pieces of materials with good magnetization and in the end of the rotor bale 13 (bale sections 20, cap seats of the rotor caps 16) and the shaft ends 14 forgings or powder metallurgically produced pieces of materials with reduced magnetizability or from a non-magnetic material are used.
  • the pieces produced by powder metallurgy preferably consist of a steel produced by powder metallurgy, but may also be superalloys produced by powder metallurgy.
  • the field which penetrates the cap seat and always has a certain alternating component is reduced. There are therefore fewer electrical eddy current losses in the rotor cap seat.
  • the end of the stator is greatly relieved with respect to the axially entering field. This results in less eddy current losses in the stator in yoke and tooth.
  • the stator winding conductors are relieved in the region of the stator ends with respect to the passing field. This results in fewer eddy current losses in the stator winding conductor.
  • the non-magnetic and therefore large-area cross-sectional current-carrying bale material at the rotor end can serve for electrically conductive connection under the continuous damper wedges.
  • the local losses and temperatures in the forehead area are reduced. It is possible to have a higher limit power or an extended power range.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbogenerator (10) mit einem Rotor (11), welcher einen zylindrischen Rotorballen (13) umfasst, der an den beiden Enden jeweils in eine Wellenende (14) übergeht und in einem mittleren Abschnitt den elektromagnetisch aktiven Bereich (23) des Rotors (11) aufweist, wobei der Rotor (11) aus mehreren, in der Rotorachse (19) hintereinander angeordneten und miteinander verbundenen Rotorteilen zusammengesetzt ist. Bei einem solchen Rotor werden geringere Verluste und Temperaturen im Stirnbereich des Rotors und insgesamt eine höhere Grenzleistung bzw. ein erweiterter Leistungsbereich dadurch möglich, dass der Rotorballen (13) im aktiven Bereich (23) aus einem gut magnetisierbaren Werkstoff, insbesondere einem ersten Stahl, besteht, und dass die ausserhalb des aktiven Bereichs (23) befindlichen Endabschnitte des Rotorballens (13) und die Wellenenden (14) aus einem Werkstoff mit reduzierter Magnetisierbarkeit oder aus einem unmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem zweiten Stahl, bestehen.

Description

BESCHREIBUNG
TURBOGENERATOR
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der rotierenden elektrischen Maschinen. Sie betrifft einen Turbogenerator gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Turbogeneratoren sind beispielsweise aus der EP-A2-1 209 802 bekannt. Sie umfassen einen um eine Rotorachse drehbar gelagerten Rotor, der von einem Stator konzentrisch umgeben ist. In dem Rotor ist eine gleichstromgespeiste Rotorwicklung untergebracht, die mit einer Wechselstrom-Statorwicklung im Stator in elektromagnetische Wechselwirkung tritt. Die Rotoren der Turbogeneratoren werden aus magnetisierbaren, ferritischen Stählen hergestellt. In den meisten Fällen werden diese Rotoren aus einem als Monoblock erzeugten Schmiederohling durch entsprechende Bearbeitung hergestellt. Es ist aber auch denkbar, bei grossen Turbogeneratoren den Rotor aus mehreren Rotorteilen zusammenzufügen, wie dies beispielsweise in den Druckschriften CH-A-150 099 oder DE-PS-567 854 beschrieben ist. Der Rotor kann entlang der Achse unterteilt werden in einen zentralen Rotorballen und an den Enden des Rotorballens anschliessende Wellenenden, mit denen der Rotor in entsprechenden Rotorlagern drehbar gelagert ist. Der mittlere Bereich des Rotorballens ist der (elektromagnetisch) aktive Bereich des Rotors.
Auch bei gebauten bzw. aus mehreren Teilen zusammengesetzten Rotoren weist der Rotor wegen des für alle Rotorteile verwendeten gleichen Materials durchgehend die gleichen magnetischen Eigenschaften auf, die dann im Bereich des Ballenendes des Rotorballens bzw. im Bereich des Schrumpfsitzes der an den Enden des Rotorballens angeordneten Rotorkappen zu ungünstigen elektromagnetischen Verhältnissen führen, die sich in erhöhten Wirbelstromverlusten und einer erhöhten Temperaturbelastung bemerkbar machen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Rotor bzw. Turbogenerator zu schaffen, welcher die o.g. Nachteile der bekannten Rotoren bzw. Turbogeneratoren vermeidet und sich durch geringere Verluste und Temperaturen im Stirnbereich des Rotors und insgesamt durch eine höhere Grenzleistung bzw. einen erweiterten Leistungsbereich auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Rotorballen im aktiven Bereich aus einem gut magnetisierbaren Werkstoff, insbesondere einem ersten Stahl, besteht, und dass die ausserhalb des aktiven Bereichs befindlichen Endabschnitte des Rotorballens und die daran anschliessenden Wellenenden aus einem Werkstoff mit reduzierter Magnetisierbarkeit oder aus einem unmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem zweiten, beispielsweise austenitischen Stahl, bestehen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der Rotorballen im aktiven Bereich aus einem oder mehreren Schmiedestück(en) besteht, dass die ausserhalb des aktiven Bereichs befindlichen Endabschnitte des Rotorballens und die Wellenenden aus einem oder mehreren Schmiedestück(en) bestehen, und dass die magnetisch unterschiedlichen Schmiedestücke durch ein Schmelzschweissverfahren miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Alternativ dazu können die unterschiedlichen Schmiedestücke auch form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sein. Anstelle der Schmiedestücke können auch pulvermetallurgisch hergestellte Teile verwendet werden, welche ebenfalls stoffschlüssig oder form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Auch beliebige Kombinationen von Schmiedestücken und pulvermetallurgisch hergestellten Stücke sind für den Rotor denkbar.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf den Rotorballen an den Enden jeweils eine Rotorkappe aufgeschrumpft ist, und dass die Rotorkappen im Bereich der Endabschnitte des Rotorballens aufgeschrumpft sind.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einer stark vereinfachten Darstellung den Längsschnitt durch einen Turbogenerator, wie er zur Verwirklichung der Erfindung geeignet ist; Fig. 2 den einen Endbereich des Rotors aus Fig. 1 für den bekannten
Fall, dass der gesamte Rotor aus einem einzigen magnetisierbaren Material besteht; und
Fig. 3 in einer zu Fig. 2 vergleichbaren Darstellung den Endbereich eines
Rotors gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist in einer stark vereinfachten Darstellung der Längsschnitt durch einen Turbogenerator, wie er zur Verwirklichung der Erfindung geeignet ist, wiedergegeben. Der Turbogenerator 10 umfasst einen um eine Achse 19 drehbar gelagerten Rotor 1 1 und einen Stator 12, der den Rotor 11 konzentrisch umgibt. Beide sind ihrerseits von einem Gehäuse umgeben, das in Fig. 1 der Einfachheit halber weggelassen ist. Der Rotor 1 1 hat als zentralen Abschnitt einen zylindrischen Rotorballen 13, dessen Mittelteil (Abschnitt zwischen den gestrichelten Linien in Fig. 1 ) als aktiver Bereich 23 die elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Stator 12 bewirkt. Dazu sind im Rotor 11 eine Rotorwicklung 15 und im Stator 13 eine Statorwicklung 18 untergebracht, die in bekannter weise in entsprechende Nuten eingelegte Wicklungsleiter umfassen. An den Stirnseiten des Rotorballens 13 und des Stators 12 sind Wicklungsköpfe ausgebildet. Die Wicklungsköpfe am Rotorballen 13 werden durch endseitig auf den Rotorballen 13 aufgeschrumpfte Rotorkappen 16 gehalten und geschützt.
An den Enden geht der Rotorballen 13 jeweils über in ein Wellenende 14. Im Bereich der Wellenenden 14 sind üblicherweise Ventilatoren 17 zur Umwälzung eines gasförmigen Kühlmediums angeordnet. Mit den Wellenenden 14 ist der Rotor 1 1 in entsprechenden Lagern drehbar gelagert. Zugleich dienen die Wellenenden 14 der Verbindung zu antreibenden Turbomaschinen wie z.B. Gasturbinen. Gemäss der Erfindung besteht der Rotor 1 1 nicht - wie in Fig. 2 gezeigt - aus einem einzigen Werkstoff mit durchgehend gleichen magnetischen Eigenschaften, also z.B. aus einem gut magnetisierbaren Stahl, sondern aus wenigstens zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften: Der Rotor 1 1 ist — wie in Fig. 3 beispielhaft gezeigt - als aus Rotorteilen 21 , 22 gebauter bzw. zusammengesetzter Rotor ausgebildet, der im aktiven Bereich 23 aus Schmiedestücken mit guter Magnetisierbarkeit und in den Endbereichen des Rotorballens 13 (Ballenabschnitte 20, Kappensitze der Rotorkappen 16) und den Wellenenden 14 aus Schmiedestücken mit reduzierter Magnetisierbarkeit oder aus einem unmagnetischen Werkstoff, z.B. einem austenitischen Stahl, besteht. Derlei Werkstoffe sind dem Fachmann allgemein bekannt. Das Zusammenfügen der magnetisch unterschiedlichen Schmiedestücke erfolgt dabei vorzugsweise durch ein Schmelzschweissverfahren, kann aber auch durch Schraubverbindungen oder dgl. erfolgen. Es versteht sich dabei von selbst, dass die Rotorteile 21 , 22 ihrerseits jeweils aus einem Stück bestehen oder auch aus mehreren Stücken zusammengesetzt sein können. Der aktive Bereich 23 des Rotors muss nicht identisch mit dem des Stators 12 sein. Er ist vorteilhafterweise etwas kleiner, als dieser, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt.
Anstelle der oben beschriebenen Schmiedestücke können auch pulvermetallurgisch hergestellte Teile verwendet werden, welche ebenfalls stoffschlüssig oder form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Auch beliebige Kombinationen von Schmiedestücken und pulvermetallurgisch hergestellten Stücken sind für den Rotor denkbar, wobei im aktiven Bereich 23 des Rotorballens 13 Schmiedestücke bzw. pulvermetallurgisch hergestellte Stücke aus Werkstoffen mit guter Magnetisierbarkeit und in den Endbereichen des Rotorballens 13 (Ballenabschnitte 20, Kappensitze der Rotorkappen 16) und den Wellenenden 14 Schmiedestücke bzw. pulvermetallurgisch hergestellte Stücke aus Werkstoffen mit reduzierter Magnetisierbarkeit oder aus einem unmagnetischen Werkstoff, eingesetzt sind. Die pulvermetallurgisch hergestellten Stücke bestehen vorzugsweise aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Stahl, können aber auch pulvermetallurgisch hergestellte Superlegierungen sein.
Durch die erfindungsgemässe Aufteilung des Rotors in Abschnitte mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften werden die magnetischen Stirnfelder des Rotors und des Stators beeinflusst. Es ergeben sich dabei die folgenden Charakteristika und Vorteile:
Das Feld, welches den Kappensitz durchdringt und immer eine gewisse Wechselkomponente aufweist, ist verringert. Es gibt daher weniger elektrische Wirbelstromverluste im Rotorkappensitz. Das Ende des Stators wird bezüglich des axial eintretenden Feldes stark entlastet. Daraus resultieren weniger Wirbelstromverluste im Statorblech in Joch und Zahn. - Die Statorwicklungsleiter werden im Bereich der Statorenden bezüglich des durchsetzenden Feldes entlastet. Daraus resultieren weniger Wirbelstromverluste im Statorwicklungsleiter. Das unmagnetische und deshalb im Querschnitt grossflächig Strom tragende Ballenmaterial am Rotorende kann zum elektrisch leitenden Verbinden unter den durchgehenden Dämpferkeilen dienen.
Die lokalen Verluste und Temperaturen im Stirnbereich werden geringer. Es ist eine höhere Grenzleistung oder ein erweiterter Leistungsbereich möglich.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Turbogenerator
11 Rotor
12 Stator
13 Rotorballen
14 Wellenende
15 Rotorwicklung
16 Rotorkappe
17 Ventilator
18 Statorwicklung
19 Achse
20 Ballenabschnitt
21 ,22 Rotorteil
23 aktiver Bereich (Rotorballen)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Turbogenerator (10) mit einem Rotor (1 1 ), welcher einen zylindrischen Rotorballen (13) umfasst, der an den beiden Enden jeweils in ein Wellenende (14) übergeht und in einem mittleren Abschnitt den elektromagnetisch aktiven Bereich (23) des Rotors (1 1 ) aufweist, wobei der Rotor (1 1 ) aus mehreren, in der Rotorachse (19) hintereinander angeordneten und miteinander verbundenen Rotorteilen (21 , 22) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorballen (13) im aktiven Bereich (23) aus einem gut magnetisierbaren
Werkstoff, insbesondere einem ersten Stahl, besteht, und dass die ausserhalb des aktiven Bereichs (23) befindlichen Endabschnitte (20) des Rotorballens (13) und die Wellenenden (14) aus einem Werkstoff mit reduzierter Magnetisierbarkeit oder aus einem unmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem zweiten Stahl, bestehen.
2. Turbogenerator (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorballen (13) im aktiven Bereich (23) aus einem oder mehreren Schmiedestück(en) besteht, dass die ausserhalb des aktiven Bereichs (23) befindlichen Endabschnitte (20) des Rotorballens (13) und die Wellenenden (14) aus einem oder mehreren Schmiedestück(en) bestehen, und dass die unterschiedlichen Schmiedestücke durch ein Schmelzschweissverfahren miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
3. Turbogenerator (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorballen (13) im aktiven Bereich (23) aus einem oder mehreren Schmiedestück(en) besteht, dass die ausserhalb des aktiven Bereichs (23) befindlichen Endabschnitte (20) des Rotorballens (13) und die Wellenenden (14) aus einem oder mehreren Schmiedestück(en) bestehen, und dass die unterschiedlichen Schmiedestücke form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
4. Turbogenerator (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorballen (13) im aktiven Bereich (23) aus einem oder mehreren pulvermetallurgisch hergestellten Teil(en) besteht, dass die ausserhalb des aktiven Bereichs (23) befindlichen Endabschnitte (20) des Rotorballens (13) und die Wellenenden (14) aus einem oder mehreren pulvermetallurgisch hergestellten Teilen(en) bestehen, und dass die unterschiedlichen pulvermetallurgisch hergestellte Teile durch ein Schmelzschweissverfahren miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
5. Turbogenerator (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorballen (13) im aktiven Bereich (23) aus einem oder mehreren pulvermetallurgisch hergestellten Teil(en) besteht, dass die ausserhalb des aktiven Bereichs (23) befindlichen Endabschnitte (20) des Rotorballens (13) und die Wellenenden (14) aus einem oder mehreren pulvermetallurgisch hergestellten Teil(en) bestehen, und dass die unterschiedlichen pulvermetallurgisch hergestellten Teile form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
6. Turbogenerator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorballen (13) und die Wellenenden (14) jeweils aus einem oder mehrerer pulvermetallurgisch hergestellten Teilen oder Schmiedestücken in beliebiger Kombination bestehen.
7. Turbogenerator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Rotorballen (13) an den Enden jeweils eine
Rotorkappe (16) aufgeschrumpft ist, und dass die Rotorkappen (16) im Bereich der Endabschnitte (20) des Rotorballens (13) aufgeschrumpft sind.
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