Einrichtung zum Kühlen des Induktors von Turbogeneratoren. Je länger der Induktor eines Turbogene rators ist, um so schwieriger wird es mit den bisher bekannten Kühlungseinrichtun gen, die ganze axiale Länge des Induktors gleichmässig zu kühlen. Die pro Flächenein heit der Spule und pro C Temperatur sprung abgegebene Wärme im Induktor innern wird dann kleiner und da die Erwär mung der Luft grösser und mithin der zur Verfügung stehende Temperatursprung klei ner wird, so tritt eine starke Reduktion der zulässigen Stromdichte ein. Im folgenden wird eine Einrichtung beschrieben, die eine günstige Kühlung der Induktorspulen und des gesamten Induktors bewirkt.
Die Einrichtung vorliegender Erfindung ist auf den beiliegenden Zeichnungen in bei spielsweisen Ausführungsformen veranschau- liebt: Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine be wickelte Induktornut. In jeder Nute sind zwei Spulenseiten 1 und 2 vorgesehen, die sich satt an die Wände der trapezförmigen Nute anlegen und in der Mitte einen trapez- förmigen Luftraum 3 übrig lassen.
Die Lüf tung dieses Mittelraumes geschieht vom Luftspalt aus durch Kanäle in den Keilen, wobei vom Statorrücken eine genügende Menge frische Luft dem Luftspalte zuge führt wird, was ja mit bekannten Mitteln leicht zu erreichen ist.
Der aus unmagneti- schem Stahl hergestellte Keil 4 besitzt Aus sparungen 5, die im Sinne der durch den Pfeil angegebenen Drehrichtung geneigt sind und die den Zweck verfolgen, Luft in die Mitte der Nute hereinzudrücken. An einer andern Stelle hat der Keil Aussparungen von der Form 10 in Fig. 2, die gegen die Drehrich tung geneigt sind und die Luft aus dem Nuteninnern heraussaugen.
Der Aufbau der Spulen und die Verkei- lung erfordern noch einige zusätzliche Be merkungen. Am besten werden die Windungen der Spulen 1 und 2 nicht einzeln hereingelegt, sondern es werden hartgepresste und hart gebackene Halbformspulen benutzt, deren Stirnverbindungen einzeln verschweisst wer den. Die Fig. 8a und 8b zeigen eine einfache Art der Verbindung dieser Halbformspulen untereinander. Ein jeder Leiter wird aus zwei Teilleitern hergestellt, die von oben gesehen die Form der Fig. 8b und von der Seite die Form der Fig. 8a ha ben.
Die beiden Teilleiter haben ungefähr gleich Querschnitt, sind miteinander ent weder verschweisst oder vernietet und am Ende gegeneinander versetzt, so dass sie mit dem halben Querschnitt aus der Spulenebene herausragen und ausserhalb, der Spule be quem verschweisst werden können. Die Ver kleinerung des Querschnittes auf die Hälfte am Ende lässt sich auch bei einem ungeteil ten Leiter durch Abschrägen oder Absetzen der Enden erreichen. Auf diese Weise kön nen die einzelnen Halbspulen vorher gepresst und gebacken werden, um dann in die Nut eingesetzt zu werden. Hierauf erst werden die Leiter der Halbformspule mit den ent sprechenden Leitern der zugehörigen Halb formspule verschweisst.
Um die Spulen an die Seitenwände der Nuten anpressen zu können, sind in verhält nismässig kleinen Abständen Füllstücke 8 (Fig. 3) aus Hartpapier oder Mikanit oder isolierten Aluminiumstücken vorgesehen, die den gleichen Querschnitt wie der in Fig. 1 gezeigte Luftraum 3 haben und die nach Hereinlegen der beiden Spulen nach dem Nutenboden gepresst oder geschlagen werden. Der Raum zwischen zwei Füllstücken bildet eine Luftkammer, die zur Belüftung sowohl Aussparungen der Form 5 (Fig. 1), als auch der Form 10 (Fig. 2) bedarf.
Es können auch Füllkörper genommen werden, die in achsialer Richtung luftdurchlässig sind, also etwa ein Füllkörper nach Fig. 4, der achsiale Nuten 11 besitzt.
Der Keil sitzt vorteilhafterweise nicht unmittelbar auf den Spulenseiten, sondern auf einer Unterlage 6 (Fig. 1), die in der Mitte zahlreiche Luftlöcher besitzt. Einige dieser Luftlöcher dienen auch gleichzeitig dazu, die Füllkörper gegen Verschiebungen zu sichern; beispielsweise dadurch, dass die Füllkörper an der obern Fläche Erhebungen. 9 (Fig. 3) haben, die in die Luftlöcher des Zwischenlineals hereinragen. Um das Her einpressen des Keils zu erleichtern, wird die obere Fläche des Zwischenlineals und die untere des Keils mit geringem Anzug aus geführt.
Am Nutenboden wird bekanntlich aus mechanischen Gründen der Abschluss der Nut nicht rechteckig gemacht, sondern mit allmählichem tbergang, wobei dann oft ein Stützkörper eingelegt wird. Der verbleibende freie Raum wird ebenfalls zur Ventilation herangezogen und Aussparungen 11 in die sem Stützkörper ermöglichen es der Luft, direkt in den Raum 3 zu gelangen.
Auch das Induktoreisen wird vorteilhaf- terweise in gleicher Weise gekühlt. Fig. 5 zeigt eine unbewickelte Nut, die in der Hauptsache der Belüftung des Induktor eisens dient. Der Keil besitzt wiederum Aussparungen, die an der Oberfläche ent weder gegen die Drehrichtung oder mit ihr geneigt sind und Luft in die Nut hereinpres- sen oder heraussaugen. Die Keile sind ent weder aus magnetischem oder aus unmabane- tischem Material.
Wenn eine starke Dämp- ferwicklung gewünscht wird, so ist es vor teilhaft, diese Keile aus Kupfer herzustel len und den Querschnitt besonders gross zu wählen, da durch die beschriebene Einrich tung die Kühlung der Kupferkeile besonders wirksam gemacht werden kann. Die innere Fläche dieser Kühlnuten kann-durch Riffe lung sehr wirksam gemacht werden.
Die unmagnetischen Keile der unbewik- kelten und diejenigen der bewickelten Nuten können auch über die magnetische Ober fläche herausragen, so dass sich dann die Ausgestaltung der Keilnuten noch wirk samer machen lässt. Fig. 6 zeigt einen sol chen Keil.
In achsialer Richtung sind die an die Stirnverbindungen angrenzenden Teile der effektiven Induktorlä nge günstiger gestellt als die in der Mitte gelegenen, da, frische Luft von den beiden Seiten der Nuteniuitte 3 zugeführt -erden kann. Es ist also vor teilhaft, an den beiden Enden die Füllkör per durchbrochen nach Fig. 4 anzuwenden und die Keilaussparungen 5 erst in einiger Entfernung von den Endflächen anzuwenden.
Die Aussparungen können auch teilweise im Keil und teilweise im Induktorzahn lie gen, wie es Fig. 7 zeigt. Auch lässt sich ein Induktor der in der Fachwelt unter dem Namen AEG-Bauart bekannten Ausführung anwenden, bei welcher in einer Nut nur eine einzige Spule liegt, die gepresst und ge backen worden ist, und bei welcher zwischen den Nutenwänden und der Spule Lufträume ühriggeblieben sind.
In diese Lufträume kann also durch wie beschrieben ausgebil dete Aussparungen im Induktorzahn und Keil Luft vom Luftspalte hereingepresst und Herausgezogen werden, wobei auch hier die Luft gezwungen wird, zunächst achsial der Spule zii folgen, bevor sie den Luftraum wieder verlässt.
Bei der Ausführung des Keils nach Fig. 6 bruncht nicht die gesamte Länge des Keils über die Oberfläche des Induktors heraus zuragen, sondern es genügt hierfür eine die :Iiasparung um wenige Masseinheiten über treffende Länge. Auch lässt sich das Her überragen über die Induktoroberfläche be schränken auf solche Aussparungen, welche die Luft in die Induktornut hereinpressen sollen.
Bei den unbewickelten I\Tuten nach Fig. 5 wird man vorteilhafterweise den innern Teil der Influl@torlänge, welcher durch Luft vom Luftspalte her gekühlt werden soll, gegen über den beiden äussern Teilen, die von den Stirnseiten her gekühlt werden sollen, durch Füllkörper abdichten.
Die Ausnutzung des Induktors lässt sich noch steigern, wenn der Querschnitt der Spu- lenseiten nicht rechteckig ist, sondern trapez- förmig. Der am Nutenfenster gelegene Teil der Induktorleiter wird dann einen wesent- lieh grösseren Querschnitt bekommen, als in Fig. 1 vorgesehen.
Der in der Fig. 1 dargestellte Luftraum wird also entweder rechteckig oder er ver bleibt trapezförmig, aber mit einer wesent lich kleineren obern gante. Diese letztere Anordnung ist deshalb vorzuziehen, weil ja an einzelnen Stellen Füllstücke hereingelegt werden sollen (Fig. 3), die aber besser einen etwas trapezförmigen Querschnitt erhalten.
In den Stirnverbindungen soll der Quer schnitt der Spulenseite zweckmässig wieder rechteckig werden, und zwar kann die Lei terbreite so gross werden, wie die grösste Lei terbreite in der Nut, oder sogar noch grösser, besonders dann, wenn Aluminium als Wick lungsmaterial benutzt wird.
Bei der be schriebenen Einrichtung besteht ja die Mög lichkeit, das Innere der Induktornut sehr wirksam zu kühlen, und zwar wesentlich wirksamer wie die Stirnverbindungen. Da es aber nun wünschenswert ist, an allen Stellen der Induktorwicklung eine möglichst gleich mässige Temperaturerhöhung zu erhalten, ist die Anderung des Leiterquerschnittes in den Stirnverbindungen begründet.
Bei Benut zung von Kupferwicklung würde aber diese Vergrösserung aus andern Gründen Bedenken hervorrufen, denn bei den Grossturbogenera- toren ist die Kompensation der Zentrifugal kräfte in den Stirnverbindungen ein äusserst schwieriges Problem, das man unter Um ständen sogar durch Verkleinerung des Lei terquerschnittes in den Stirnverbindungen gegenüber dem Querschnitt im Nutenteil zu lösen versucht bat. Hier verschafft aber die Benutzung der Aluminiumwicklung Abhilfe, weil die Wirkung der Zentrifugalkräfte hier bei. ja wesentlich kleiner ist als bei der Kup ferwicklung.
Die Herstellung der Spule mit verschiedenem Querschnitt in den Stirnver bindungen und im Nutenteil kann beispiels weise dadurch geschehen, dass die Spule zu nächst in der üblichen M- reise mit gleichem Querschnitt ausgeführt wird, und dass dann nachträglich der Querschnitt in dem Nuten teil abgefräst wird.
Dabei muss für einen allmählichen Übergang vom Querschnitt in der Nut zu dem Querschnitt der Stirnver bindung Sorge getragen werden. Wenn aber Halbformspulen benutzt werden, so kann na türlich der Querschnitt eines Leiters schon im voraus den richtigen Wert bekommen und im letzteren Falle kann sogar ein kleiner Nachteil, der bei der zuletzt erwähnten Wicklungsart mit in Kauf genommen wer den muss, beseitigt werden.
Es kann näm lich durch Veränderung der Dicke des Lei ters die Stromdichte in dem im Nutengrunde gelegenen Teil genau oder annähernd so gross genommen werden, wie für den im Nutenfenster gelegenen Leiter.
Werden keine Halbformspulen benutzt, oder wird auf das vorherige Pressen und Backen der Halbformspulen verzichtet, so dass die Leiter einzeln in die Nut eingeführt werden können, so ist es möglich, die Spule innen zu belüften, ohne sie mechanisch in zwei Teile zu teilen. Beispielsweise können aus den Leitern der Spulen selbst runde, rechteckige oder längliche Schlitze ausge stanzt werden (Fix. 9), die dann die Stelle des trapezförmigen Hohlraumes der Fig. t einnehmen.
Es kann auch erreicht werden, dass zwei aufeinanderfolgende Schlitze in der obern Hälfte der Spule voneinander ge trennt sind, am untern Teil der Spule aber zusammenhängen, so dass die Luft gezwun gen ist, im einen Schlitz nach unten zu flie ssen, um im andern Schlitz nach oben zu fliessen. Dazu ist nur erforderlich, dass der eine Schlitz mit einer in der Drehrichtung geneigten Öffnung im Keil und der andere Schlitz mit einer entgegengesetzt gerichteten, gegenüber der ersten in achsialer Richtung versetzten Öffnung verbunden ist. Die Spule kann auch an den Seiten Aussparungen er halten, etwa nach Fig. loa und 10b.
Bei letzterer Anordnung ist es sogar möglich, die Luft auf der einen Seite nach unten und auf der andern Seite nach oben fliessen zu lassen, wie Fig. 11 zeigt. Bei der Bauart mit ein gesetzten Zähnen können die Zähne Aus sparung nach Fig. 12 erhalten, wodurch die Luft gezwungen wird, zu beiden Seiten eines Zahnes nach unten zu fliessen und zu beiden Seiten eines andern Zahnes nach oben.
In diesem Falle muss man die Schwal- benschwanznut, in welcher der Induktor zahn befestigt ist, mit grösserem achsialen Luftquerschnitt versehen und in geeigneten achsialen Abständen diese Luftkanäle mit einander verbinden, so dass die Luft in ach- sialer Richtung weitergeführt wird. Es kann auch, wie Fig. 13 zeigt, die Luft an einer Seite des Zahnes nach unten und mit Hilfe von Aussparungen auf der andern Seite des Zahnes nach oben fliessen.
In diesem Falle, wie auch bei den Bei spielen der Fig. 10 und 11 wird man dafür sorgen, dass die Aussparungen in den Zäh nen oder Leitern, oder auch die Verschrän kung der Leiter (Fix. lob) so angeordnet werden, dass diese Aussparungen oder Ver schränkungen, in axialer Richtung des In- duktors gesehen, durch entsprechende An ordnung der Aussparungen oder Verschrän kungen abwechselnd von ein- und ausströ mender Luft bestrichen werden.
Zu diesem Zwecke werden vorteilhaft die Keile oder eingesetzten Induktorzähne, in axialer Rich tung gesehen, aus einzelnen Stücken zusam mengesetzt, deren axiale Länge dem Ab stand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aussparungen oder Verschränkungen ent spricht. Diese kurzen Keilstücke erhalten zweckmässig die entsprechenden Aussparun gen für das Ein- und Ausströmen der Luft zwecks einfacher Bearbeitung jeweils an ihrem Ende.
Um der Luft überall einen kleinen Widerstand für das Durchstreichen der Nut in axialer Richtung entgegenzuset zen, wird die Nut bei Ausführungen gemäss Fig. 9 und 10 auch in ihrem untern Teil zwischen Spule und Nutengrund einen genü gend grossen, freien Querschnitt erhalten.
Device for cooling the inductor of turbo generators. The longer the inductor of a turbo generator, the more difficult it is with the previously known cooling devices to evenly cool the entire axial length of the inductor. The heat emitted per surface unit of the coil and per C temperature jump inside the inductor is then smaller and since the heating of the air is greater and the available temperature jump is smaller, there is a strong reduction in the permissible current density. In the following, a device will be described which effects a favorable cooling of the inductor coils and the entire inductor.
The device of the present invention is illustrated in the accompanying drawings in exemplary embodiments: FIG. 1 shows a section through a wound inductor groove. In each slot, two coil sides 1 and 2 are provided, which fit snugly against the walls of the trapezoidal slot and leave a trapezoidal air space 3 in the middle.
The ventilation of this central space is done from the air gap through channels in the wedges, with a sufficient amount of fresh air being supplied to the air gap from the stator back, which is easy to achieve with known means.
The wedge 4 made of non-magnetic steel has recesses 5 which are inclined in the sense of the direction of rotation indicated by the arrow and which have the purpose of forcing air into the center of the groove. At another point, the wedge has recesses of the shape 10 in Fig. 2, which are inclined against the direction of rotation and suck the air out of the inside of the groove.
The structure of the coils and the wedging require a few additional remarks. The turns of the coils 1 and 2 are best not put in individually, but hard-pressed and hard-baked half-form coils are used whose end connections are individually welded to whoever. 8a and 8b show a simple way of connecting these half-form coils to one another. Each conductor is made from two sub-conductors which, viewed from above, have the shape of FIG. 8b and from the side the shape of FIG. 8a.
The two sub-conductors have approximately the same cross-section, are either welded or riveted to one another and offset from one another at the end so that half the cross-section protrudes from the coil plane and can be conveniently welded outside the coil. The reduction of the cross-section to half at the end can also be achieved with an undivided conductor by chamfering or stepping the ends. In this way, the individual half-coils can be pressed and baked beforehand in order to then be inserted into the groove. Only then are the conductors of the half-form coil welded to the corresponding conductors of the associated half-form coil.
In order to be able to press the coils against the side walls of the grooves, filler pieces 8 (Fig. 3) made of hard paper or micanite or insulated aluminum pieces are provided which have the same cross-section as the air space 3 shown in FIG. 1 and which are relatively small after inserting the two bobbins they can be pressed or beaten towards the bottom of the groove. The space between two filler pieces forms an air chamber which, for ventilation, requires recesses in both the mold 5 (FIG. 1) and the mold 10 (FIG. 2).
It is also possible to use filling bodies which are permeable to air in the axial direction, that is to say, for example, a filling body according to FIG. 4, which has axial grooves 11.
The wedge is advantageously not seated directly on the coil sides, but on a base 6 (FIG. 1), which has numerous air holes in the middle. Some of these air holes also serve to secure the packing against displacement; for example by the fact that the filling bodies have elevations on the upper surface. 9 (Fig. 3) that protrude into the air holes of the intermediate ruler. In order to make it easier to press in the wedge, the upper surface of the intermediate ruler and the lower surface of the wedge are drawn out with little tension.
As is known, for mechanical reasons, the end of the groove is not made rectangular at the bottom of the groove, but rather with a gradual transition, in which case a support body is often inserted. The remaining free space is also used for ventilation and recesses 11 in this support body allow the air to get directly into room 3.
The inductor iron is also advantageously cooled in the same way. Fig. 5 shows an unwound groove, which mainly serves to ventilate the inductor iron. The wedge, in turn, has recesses which are inclined either against the direction of rotation or with it on the surface and which press or suck air into the groove. The wedges are either made of magnetic or non-mechanical material.
If a strong damper winding is desired, it is advantageous to produce these wedges from copper and to choose a particularly large cross-section, since the described device can make the cooling of the copper wedges particularly effective. The inner surface of these cooling grooves can be made very effective by corrugation.
The non-magnetic wedges of the unwound grooves and those of the wound grooves can also protrude beyond the magnetic surface, so that the design of the keyways can then be made even more effective. Fig. 6 shows such a wedge.
In the axial direction, the parts of the effective inductor length adjoining the end connections are more favorably positioned than those in the middle, since fresh air can be fed in from both sides of the slot 3. It is therefore before geous to apply the Füllkör by broken through according to FIG. 4 and the wedge recesses 5 only to use some distance from the end faces.
The recesses can also lie partially in the wedge and partially in the inductor tooth, as FIG. 7 shows. It is also possible to use an inductor of the design known in the technical field under the name AEG-Bauart, in which there is only a single coil in a groove that has been pressed and baked, and in which air spaces have remained between the groove walls and the coil .
Air from the air gap can be pressed in and withdrawn into these air spaces through recesses in the inductor tooth and wedge as described, whereby the air is also forced to initially follow the coil zii axially before it leaves the air space again.
In the embodiment of the wedge according to FIG. 6, the entire length of the wedge does not protrude beyond the surface of the inductor, but rather an Iias saving by a few units of measurement over a suitable length is sufficient. The protrusion beyond the inductor surface can also be restricted to such recesses which are intended to press the air into the inductor groove.
In the case of the unwound tubes according to FIG. 5, the inner part of the inflator length, which is to be cooled by air from the air gap, is advantageously sealed against the two outer parts, which are to be cooled from the end faces, by packing .
The utilization of the inductor can be increased if the cross-section of the coil sides is not rectangular, but trapezoidal. The part of the inductor conductor located on the slot window will then have a substantially larger cross-section than provided in FIG.
The air space shown in Fig. 1 is either rectangular or it remains trapezoidal ver, but with a wesent Lich smaller upper gante. This latter arrangement is to be preferred because filler pieces are to be inserted at individual points (FIG. 3), but they are better given a somewhat trapezoidal cross-section.
In the end connections, the cross-section of the coil side should be appropriately rectangular again, and indeed the width of the conductor can be as large as the largest width of the conductor in the groove, or even larger, especially if aluminum is used as the winding material.
In the case of the device described there is the possibility of cooling the interior of the inductor groove very effectively, much more effectively than the end connections. However, since it is now desirable to obtain a temperature increase that is as uniform as possible at all points of the inductor winding, the change in the conductor cross-section in the end connections is justified.
When using copper winding, however, this enlargement would raise concerns for other reasons, because with the large turbo generators, the compensation of the centrifugal forces in the end connections is an extremely difficult problem, which can even be countered by reducing the cross-section of the conductor in the end connections the cross section in the groove part tried to solve bat. Here, however, the use of aluminum winding provides a remedy, because the effect of centrifugal forces here. is much smaller than with the copper winding.
The production of the coil with different cross-sections in the end connections and in the groove part can be done, for example, in that the coil is initially designed in the usual M-travel with the same cross-section, and that the cross-section is then subsequently milled off in the groove part.
Care must be taken to ensure a gradual transition from the cross section in the groove to the cross section of the end connection. But if half-form coils are used, the cross-section of a conductor can of course get the correct value in advance and in the latter case even a small disadvantage that has to be accepted with the last-mentioned type of winding can be eliminated.
Namely, by changing the thickness of the conductor, the current density in the part located in the bottom of the slot can be taken exactly or approximately as large as for the conductor located in the slot window.
If half-form coils are not used, or if the previous pressing and baking of the half-form coils is dispensed with so that the conductors can be inserted individually into the slot, it is possible to ventilate the coil inside without dividing it mechanically into two parts. For example, round, rectangular or elongated slots can be punched out from the conductors of the coils themselves (Fix. 9), which then take the place of the trapezoidal cavity in FIG.
It can also be achieved that two consecutive slots are separated from each other in the upper half of the coil, but are connected at the lower part of the coil, so that the air is forced to flow down in one slot to flow in the other slot to flow upwards. For this it is only necessary that the one slot is connected to an opening in the wedge that is inclined in the direction of rotation and the other slot is connected to an opening in the opposite direction and offset in the axial direction with respect to the first. The coil can also hold recesses on the sides, for example according to Fig. Loa and 10b.
With the latter arrangement it is even possible to let the air flow down on one side and up on the other side, as FIG. 11 shows. In the type with a set of teeth, the teeth can get recess according to Fig. 12, whereby the air is forced to flow down on both sides of a tooth and up on both sides of another tooth.
In this case, the dovetail groove in which the inductor tooth is fastened has to be provided with a larger axial air cross-section and these air ducts have to be connected to one another at suitable axial distances so that the air is carried on in the axial direction. As FIG. 13 shows, the air can also flow downwards on one side of the tooth and upwards with the aid of recesses on the other side of the tooth.
In this case, as in the case of FIGS. 10 and 11, it will be ensured that the recesses in the teeth or ladders, or the entanglement of the ladder (Fix. Lob) are arranged so that these recesses or crossings, seen in the axial direction of the inductor, are alternately coated with incoming and outgoing air by arranging the recesses or crossings accordingly.
For this purpose, the wedges or inserted inductor teeth, seen in the axial direction Rich, are composed of individual pieces, the axial length of which stands from between two successive recesses or entanglements. These short wedge pieces appropriately receive the corresponding Aussparun conditions for the inflow and outflow of air for the purpose of easy processing in each case at their end.
In order to counteract the air everywhere with a small resistance for crossing the groove in the axial direction, the groove in the embodiments according to FIGS. 9 and 10 is given a sufficiently large, free cross-section in its lower part between the coil and the groove base.