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)