WO2021058788A1

WO2021058788A1 - Lüfterschaufel mit radialflügel

Info

Publication number: WO2021058788A1
Application number: PCT/EP2020/076984
Authority: WO
Inventors: Sebastian Apel
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2021-04-01
Also published as: DE102019214822A1

Abstract

Für den Lüfter einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, wird vorgeschlagen, auf der Druckseite der Lüfterschaufeln zusätzliche Radialflügel anzuordnen, wodurch das Verhältnis radialer Volumenstrom zu axialer Volumenstrom und damit diagonaler Volumenstrom je nach Anwendung frei gewählt werden kann. Der erfindungsgemäße Lüfter, der eine kompakte Bauform von neu konzipierten Maschinen gestattet, kann auch in Maschinen aus dem Bestand im Zuge eines Service nachgerüstet werden.

Description

Beschreibung

Lüfterschaufel mit Radialflügel

Die Erfindung betrifft einen Lüfter für rotierende elektri sche Maschinen, insbesondere Turbogeneratoren.

Aufgrund der Energiewende verschiebt sich der Kraftwerksmarkt zum Teil hin zu dezentraler Stromerzeugung mit kleineren und mittleren Kraftwerksgrößen. Somit kommen in diesen Kraftwer ken kleinere luftgekühlte Turbogeneratoren zum Einsatz.

Neuere Entwicklungen sind darauf gerichtet, die Maschinen leichter und kompakter zu bauen. Die Verkleinerung der Bau größe führt bei luftgekühlten Turbogeneratoren zu neuen Her ausforderungen unter anderem die Kühlung und die Ventilation betreffend.

Turbogeneratoren zeichnen sind durch eine sogenannte Turbo- stufe aus, die mit einem Lüfter auf dem Rotor gebildet ist. Dieser Lüfter pumpt die aus dem Kühler austretende Kaltluft KA axial in den Generator, um die Temperaturen des Rotors und des Stators so niedrig zu halten, dass bei der Maschine über die Lebensdauer kein Schaden auftritt. Dieser Lüfter weist eine variable Anzahl von Lüfterschaufeln LS auf. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Axiallüfter. Der Axiallüf ter bewegt dabei die anströmende Luft KA in axialer Richtung durch den Generator. Mit axialer Richtung ist die Richtung parallel zur Rotationsachse RA, aber auch Generatorachse ge meint. Im Regelfall befindet sich der sogenannte Wickelkopf (Verschaltung der Spulen) in Strömungsrichtung des Kühlgases hinter dem Lüfter, wodurch der Wickelkopf durch den Axiallüf ter hinreichend genug gekühlt werden kann. Bedingt durch kon struktive Änderungen und externe Vorgaben, kann sich die Po sition des Wickelkopfs verändern und sich in radialer Rich tung oberhalb des Lüfters befinden. Daraus resultiert, dass der Wickelkopf mit einem reinen Axiallüfter nicht mehr aus reichend gekühlt werden kann. Hierzu ist eine zusätzliche ra- diale Luftstromkomponente KDR erforderlich, die im Allgemei nen durch sogenannte Radiallüfter erzeugt wird. Im konkreten Fall ist eine Kombination aus Axiallüfter und Radiallüfter, ein sogenannter Diagonallüfter erforderlich.

Aufgrund der großen Außenradien und den hohen Umdrehungen bei Turbogeneratoren im Bereich von 50Hz und 60Hz und den damit verbundenen großen Belastungen aus den Fliehkräften sowie ei nem hohen geforderten Wirkungsgrad, gibt es derzeit keine praktikable Lösung für einen Diagonallüfter beziehungsweise eine Diagonallüfterschaufel an Turbogeneratoren.

Diagonallüfter findet man derzeit als technische Ausführungen nur in kleinen Industrieanwendungen, wo ganze Lüfter als Ven tilatoren oder Filterlüfter zum Einsatz kommen.

Folgende Ausführungen sind bekannt: a) Ausführung nach Fig 1 mit angewinkeltem Flansch, aber auch Lüfterfuß LF und angewinkelter Sperre SP. Der Radial- /Diagonalanteil wird durch die schrägen Bauteile LF, SP er zeugt. b) Ausführung mit angewinkelten Lüfterschaufeln nach Fig 2 und Fig 3 sowie zusätzlich durch eine teildurchlässige Sperre ST gemäß Fig 3. Der Radial-/Diagonalanteil wird durch die schrägen Lüfterschaufeln erzeugt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Axiallüfter für einen Turbogenerator derart weiterzubilden, dass er auch eine diagonale Komponente an Kühlgas liefert.

Das Problem wird durch einen Lüfter mit den Merkmalen des An spruchs 1 gelöst.

Die Erfindung stellt eine Lösung für einen Diagonallüfter be ziehungsweise Diagonallüfterschaufel dar, die an einem Turbo- generator unter den vorliegenden Randbedingungen zum Einsatz kommt.

Auf der Rückseite einer Lüfterschaufel LS ist ein zusätzli cher Steg, im Folgenden Radialflügel RF genannt, angesetzt. Dieser Radialflügel kann prinzipiell eine beliebige Form und ein beliebiges Profil haben. Die einfachste Form ist ein ge rader Radialflügel mit einem rechteckigen Profil. Fig 4 zeigt das Prinzip. Durch den schräg angestellten Radialflügel strömt die eingehende Luft KA nicht mehr nur axial KDA, son dern nun auch radial KDR beziehungsweise diagonal. Somit be sitzt diese axiale Lüfterschaufel durch die Modifikation nun auch radiale Lüftereigenschaften.

Vorteile:

- Der hohe Wirkungsgrad, vergleichbar mit dem hohen Wir kungsgrad eines reinen axialen Lüfters bleibt erhalten,

- das heißt, es gibt eine zusätzliche radiale Lüfterleis tung bei gleichbleibender Axialleistung,

- Strukturmechanisch umsetzbare Lösung für Schwermaschi nenbau/Generatorbau,

- Vorhandene Lüfter beziehungsweise Lüfterschaufeln können beliebig ausgetauscht werden, das heißt kompatibel mit älteren Lüfterschaufeln und somit servicetauglich ohne konstruktive Änderung von Maschinen im Bestand,

- kompaktere Bauform der Maschine aufgrund der deutlich verbesserten Kühlung realisierbar,

- keine nennenswerte Zusatzmasse notwendig - verschwindend gering,

- keine nennenswerten zusätzlichen Fliehkräfte - vernach lässigbar gering,

- das Verhältnis radialer Volumenstrom KDR zu axialer Vo lumenstrom KDA, das heißt Diagonaler Volumenstrom, kön nen je nach Anwendung frei variiert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben. Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figu ren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig 1 eine herkömmliche Ausführung mit angewinkeltem Lüfter fuß LF und angewinkelter Sperre SP,

Fig 2 eine herkömmliche Ausführung mit angewinkelten Lüfter schaufeln LS und Sperre SP,

Fig 3 eine herkömmliche Ausführung mit angewinkelten Lüfter schaufeln und teildurchlässiger Sperre ST,

Fig 4 eine erfindungsgemäße Ausführung mit Radialflügel RF auf der Rückseite der Lüfterschaufel,

Fig 5 nähere Einzelheiten eines in sich geraden Radialflü gels,

Fig 6 nähere Einzelheiten eines gebogenen Radialflügels,

Fig 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lüfters auf der Welle RA eines Turbogenerators von der Ansaugseite KA gesehen und

Fig 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lüfters auf der Welle eines Turbogenerators von der Druckseite KD gesehen.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Ele mente.

Auf die Rückseite einer Lüfterschaufel ist ein Radialflügel RF aufgebracht. Dieser Radialflügel beeinflusst die Ausbrei tung des abfließenden Volumenstroms KD.

Der Radialflügel weist einen Neigungswinkel gegenüber dem Lüfterradius LR auf derart, dass das abwärts der Strömung des Kühlgases liegende Ende des Radialflügels einen größeren ra dialen Abstand a zum Lüfterfuß LF aufweist, als das ange strömte Ende des Radialflügels.

Über die technischen Parameter des Radialflügels a, b, c und in Fig 5 kann die Aufteilung des axialen Volumenstrom V_a zum diagonalen Volumenstrom V_d eingestellt werden. Es ergibt sich V_a = f (a) und V = f (a, b, c, a). Das gleiche gilt bei nicht gerader Ausführung des Radialflügels in Fig 6. Dabei ergibt sich der diagonale Volumenstrom als Funktion des Ab standes a, des Radius r, des Umfangs u und des Winkels also zu V_d = f (a, c, r, u, a).

Auswirkungen :

- Neue Variante eines Diagonallüfters,

- Beliebiger, bedarfsabhängiger Einsatz in bestehende Pro- dukte - keine aufwändigen Neuentwicklungen notwendig,

- Kompaktere Bauformen möglich.

Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken an hand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.

Bezugszeichenliste

KA - Kühlgas Ansaugung

KD - Kühlgas Druckseite

KDA - Kühlgas Druckseite axial

KDR - Kühlgas Druckseite radial

LF - Lüfterfuß

LR - Lüfterradius

LS - Lüfterschaufel

RA - Rotationsachse

RF - Radialflügel

SP - Sperre

ST - Sperre teildurchlässig für Kühlgas - Neigungswinkel des Radialflügels gegen Lüfterradius a - Abstand zwischen Lüfterfuß und Radialflügel b - Länge des Radialflügels c - Tiefe des Radialflügels r - Radius des Radialflügels u - Umfang, Segment des Radialflügels x - Achse des Bezugssystems y - Achse des Bezugssystems z - Achse des Bezugssystems

Claims

Patentansprüche

1. Lüfter für eine rotierende elektrische Maschine, insbe sondere Turbogenerator, wobei der Lüfter eine Mehrzahl von Lüfterschaufeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Druckseite (KD) einer Lüfterschaufel (LS) ein Radial flügel (RF) angeordnet ist.

2. Lüfter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Radialflügel einen Neigungswinkel (ex) gegenüber dem Lüf terradius (LR) aufweist.

3. Lüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium ein Kühlgas aus der Gruppe Luft, Wasserstoff gegeben ist.

4. Lüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das abwärts der Strömung des Kühlgases liegende Ende des Ra dialflügels einen größeren radialen Abstand (a) zum Lüfterfuß (LF) aufweist, als das angeströmte Ende des Radialflügels.

5. Lüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Radialflügel von dem vom Kühlgas angeströmten Ende bis zu dem abwärts der Strömung des Kühlgases liegenden Ende ein in sich gerades Profil aufweist.

6. Lüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Radialflügel von dem vom Kühlgas angeströmten Ende bis zu dem abwärts der Strömung des Kühlgases liegenden Ende ein ge bogenes Profil mit einem Radius (r) aufweist.

7. Lüfter nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Radialflügels von dem vom Kühlgas angeströmten Ende bis zu dem abwärts der Strömung des Kühlgases liegenden Ende überlinear ansteigt.

8. Lüfter nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Radialflügels von dem vom Kühlgas angeströmten Ende bis zu dem abwärts der Strömung des Kühlgases liegenden Ende unterlinear ansteigt.