Elektrischer Generator mit direkter Leiterkühlung der Ständer- und Läuferwicklung Bei elektrischen Generatoren, insbesondere Turbo generatoren gewinnt die direkte Leiterkühlung für Maschinen grosser Leistung zunehmende Bedeutung, weil es durch eine solche Kühlung ermöglicht wird, die Belastbarkeit der Wicklungsleiter ausserordentlich zu erhöhen.
Die Erfindung geht nun davon aus, dass bei Ma schinen mit direkter Kühlung der Ständerwicklung durch ein durch die Stäbe bzw. Leiter der Wicklung gekühltes flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel eine Begrenzung der Maschinenausnutzung durch den Läufer gegeben ist, selbst wenn durch die Leiter der Läuferwicklung ein gasförmiges Kühlmittel hindurch geführt wird. Massgebend ist hierfür, dass in dem Läufer aus konstruktiven Gründen der Querschnitt der Kühlkanä.le in erheblichem Masse beschränkt ist.
In den verhältnismässig langen Läuferkühlkanäle er gibt sich infolgedessen eine starke Anwärmung des gasförmigen Kühlmittels, wodurch die wirksame Tem peraturdifferenz, welche für die Wärmeabfuhr mass- gebend ist, bedeutend herabgesetzt ist. Eine weitere Folge der üblichen Ausbildung von Maschinen mit axialer Läuferkühlung besteht darin, dass die Lüfter- leistung stark erhöht wird und mit der dritten Potenz der Maschinenlänge etwa zunimmt, was zu verhältnis- mässig grossen vielstufigen, eine beträchtliche axiale Baulänge erfordernden Verdichtern fährt.
Gegenstand der Erfindung ist eine verbesserte Ausbildung der Kühlung derartiger Generatoren mit direkter Leiterkühlung der Ständer- und Läuferwick- lung,welche Wicklungen axiale Kühlkanäle aufweisen, welche Erfindung es ermöglicht, in einfacher Weise ohne wesentliche Änderungen der Läufer- und Stän- derausführung selbst eine wirksame Läuferbelüftung zu erzielen.
Erfind-ungsgemäss wird dies dadurch er reicht, dass Mittel vorhanden sind, um im Läufer gasförmiges Kühlmittel in mehreren parallelen Strömen durch ein vorzugsweise von der Maschinenwelle an getriebenes Gebläse durch in Achsrichtung neben einander liegende Abschnitte der Läuferwicklung hindurchzutreiben. Vorzugsweise wird hierbei die Anordnung derart getroffen, dass in dem Luftspalt- raum durch begrenzende ringförrnige Wandteile von einander getrennt Kühlmittelräume höheren und nie deren Druck-es vorhanden sind,
die über besondere Kanäle des Ständerblechpaketes bzw. die Endteile des Luftspaltes einerseits mit dem Druckraum hinter dem Lüfter, andererseits den Saugraum vor dem Lüfter der Maschine in Verbindung stehen und aus bzw. zu denen über radiale Kanäle in der Läuferwieldung und den Maschinenkeilen das Kühlmittel der Läufer- wicklungsabschnitte verläuft.
Es sind zwar bereits ähnliche Kühlsysteme bekannt geworden, bei welchen es durch Ausbildung des Läufers möglich gemacht wird, abschnittsweise den Läufer aus dem Luftspalt durch Kühlgasströme zu kühlen, die infolge besonderer Ausbildung des Läufers in den Zahnkopfteilen bzw. Keilen von dem Läufer selbst aus dem Luftspalt angesaugt und wieder an den Luftspalt abgegeben werden. Indessen erfordert d,iese bekannte Bauweise eine verwickelte Ausführung des Läufers infolge Anordnung der als Schaufeln wirkenden Kanäle, ohne dass eine eindeutige Beauf- schlagung des Läufers mit dem Kühlmittel wie beim Anmeldungsgegenstand sichergestellt ist.
Im folgenden soll die Erfindung näher anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden. Figur<B>1</B> zeigt einen Längsschnitt bzw. eine Seitenansicht eines erfindungsgemäss ausgebildeten Generators. Figur 2 gibt aussehnittsweise einen Querschnitt durch einen Teil von Läufer und Ständer wieder. Figur<B>3</B> zeigt vergrössert einen Längsschnitt bzw. einen Luftspalt- ausschnitt der Maschine. In Figur 4 ist ein Querschnitt durch die in Nuten liegende Läuferwicklung wieder gegeben.
In Figur<B>5</B> schliesslich ist noch ein weiterer Luftspaltaussehnitt für eine gegenüber Figur<B>3</B> ab gewandelte Ausführungsform wiedergegeben.
In Figur<B>1</B> bedeutet<B>1</B> den Ständereisenkern eines grossen für Turbinenantrieb ausgebildeten Generators. Dieser ist in einem Rahmenkörper 2 gehalten und von dem äusseren gasdichten Gehäuse<B>3</B> eingeschlossen. 4 sind radiale Kühlkanäle zwischen den Lamellen des Eisenkörpers. In Nuten<B>5</B> (Fig. 2) des Blechpaketes liegt die Wicklung, die aus Halbspulen oder Leiter stäben<B>6</B> aufgebaut ist. Die verdrillten Teilleiter der Halbspulen oder Stäbe<B>6</B> werden durch ein Kühlmittel gekühlt, das durch rohrförmige Kanäle<B>8</B> aus Wider standsmaterial hindurchgeführt ist, vgl. Figur 2. Die Kanäle<B>8</B> sind zwischen den Teilleiterreihen <B>7</B> an geordnet.
Zur Vermeidung von Wirbelströmen sind sowohl die Teilleiter wie die Kühlkanäle<B>8</B> vonein ander elektrisch isoliert. Die Kühlkanäle<B>8</B> erstrecken sich über die ganze Länge der Leiterstäbe oder Halb spulen.<B>9</B> bedeutet noch eine äussere Stabisolierung, die entsprechend der Wicklungsspannung gegen Ende bemessen ist.
Der Rotor<B>11</B> ist innerhalb der Bo-hrung des Eisen paketes<B>1</B> angeordnet und von letzterem durch den Luftspalt getrennt. 12 sind die in den Lagerschilden angeordneten Lager. Um das Maschinengehäuse gas dicht abzuschliessen, sind öldichtungen <B>13</B> vorgesehen. 14 sind die Nuten des Läuferkörpers, in denen die Feldwicklung<B>15</B> liegt. Die Leiter der Wicklung<B>15</B> sind achsparallel durch die Läufernuten geführt und in ihren Stirnkopfteilen <B>16</B> durch Läuferkappen<B>17</B> üblicher Ausbildung gegen Fliehkräfte gesichert. Die Läuferwicklung besteht aus einer Anzahl von isolierten Windungen.
Die Leiter sind aus<B>je</B> zwei im Quer schnitt U-förmig ausgebildeten Teilleitern<B>18</B> zusam mengesetzt, die mit ihren Schenkeln so aneinander gelegt sind, dass Längskanäle<B>19</B> zwischen den Leitern gebildet werden. Diese durchziehen sowohl den Läufer wie die Wickelköpfe. 20 sind etwa U-förmig gebogene Isolierkörper. Am äusseren Umfang sind die Nuten durch Keile 22 abgeschlossen, wobei zwischen diesen und den Nutenleitern noch kräftige streifenförmige Isolierschichten 21 eingeschaltet sind.
Die Kanäle<B>19</B> der Läuferwicklung sind<B>-</B> wie weiter oben näher erläutert wird<B>-</B> in geeigneter Weise mit radialen Anschlusskanälen versehen, die den Ein- und Austritt des gasförmigen Kühlmittels möglich machen.<B>23</B> bedeutet ein der Rotorwelle zugeordnetes Axialge- bläse. Indessen kann auch eine andere Gebläseart z. B. ein Rad-ialgebläse vorgesehen werden. In üblicher Weise hat die Gasfüllung der Maschine einen höheren statischen Druck, beispielsweise der Grössenordnung von<B>2,5 - 6</B> atü.
Wie vorher erwähnt war, wird es bei grösseren Maschinenleistungen schwierig, mit wachsender Ma schinenlänge eine ausreichende Gasmenge durch die langen Läuferkühlkanäle <B>19</B> von einem zum anderen Maschinen,ende oder von den Maschinenenden bis zur Maschinenmitte hindurchzudrücken, da die Läufer- kühlkanäle nur mit einem verhältnismässig kleinen Strömungsquerschnitt ausgeführt werden können.
Es wird daher dem Läufer in einer grösseren Anzahl von verhältnismässig kurzen axialen Abschnit- en das Kühlgas in Teilströmen durch das Gebläse<B>23</B> zugeführt, so dass die Leiter der Läuferwicklung über ihre in dem Läuferkörper liegende Länge betrachtet wiederholt mit frischem Kühlgas beaufschlagt werden. Hierdurch wird gewährleistet, dass innerhalb der Läuferwicklung wegen der begrenzten Länge der Läuferkanäle eine grössere Gasanwärmung und damit in grösserem Umfange voneinander abweichende Tem peraturen der Stäbe vermieden werden sowie die Belast barkeit wesentlich gesteigert wird.
Um die angestrebte zwangsläufige Kühlung sicherzustellen, wird der Luft spalt in eine Mehrzahl von ringförmigen Abschnitten unterteilt. Zu diesem Zwecke sind in dem Luftspalt Sperrwandteile von ringförmiger Ausbildung vorge sehen.
In den aneinander angrenzenden Luftspaltabschnit- ten werden verschiedene Gasdrücke herbeigeführt derart, dass das Kühlmittel aus den Abschnitten höheren Druckes über die in dem Läuferkörper vor handenen Radial- und Axialkanäle in die Abschnitte niederen Druckes strömen kann. In der Zeichnung bedeuten 24 die an dem Statorkern angebrachten ringförmigen Wände und<B>25</B> die am Umfang des Läuferkörpers vorgesehenen entsprechenden Sperr wände. Die ringförmigen Wandteile 24 und<B>25</B> können eine beliebige Ausbildung besitzen, wie im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert wird.
Sie sind in gleichen Radialebenen derart angeordnet, dass nur ein kleiner Luftspalt zwischen ihnen vorhanden ist. In dem Ausführungsbeispiel sind insgesamt fünf Kühl abschnitte vorgesehen, was die Anordnung von Sperr wänden 24,<B>25</B> an vier Stellen des Luftspaltes erfor dert.
Wie besonders Figur 4 näher erkennen lässt, wer den die Läuferkanäle durch die radialen Bohrungen <B>26</B> durch Keile 22 und Leiter<B>18</B> sowie die Längs kanäle<B>19</B> gebildet. Das Kühlgas verläuft in der durch Pfeile angedeuteten Weise von einem Abschnitt des Luftspaltes zu einem angrenzenden Abschnitt durch die Radialkanäle <B>26</B> und die Axialkanäle <B>19</B> der Rotorleiter. Diese Gasströmung wird dadurch her vorgerufen, dass abwechselnd Abschnitte des Luft spaltes mit der Hochdruckseite und andererseits die übrigen Abschnitte mit der Niederdruckseite des Gebläses verbunden sind.
Die notwendige Gasströmung in dem Maschinen gehäuse<B>3</B> wird durch entsprechende Leitwandteile herbeigeführt.<B>27</B> bedeutet einen in dem rechten Wickelkopfraum der Maschine angeordneten Wand teil, durch welchen der Lüftereintritt und der Läufer austritt voneinander getrennt sind. Das auf der Hochdruckseite des Gebläses austretende Gas wird zunächst durch den konischen Wandteil<B>28</B> dem Kühler<B>29</B> zugeführt. Aus dem Hochdruckraum<B>30</B> hinter dem Kühler kann das Gas einerseits über ein sich axial über den Ständerrücken der Maschine er streckendes Kanalsystem<B>31</B> einer Hochdruckzone<B>32</B> am gegenüberliegenden Maschinenende zugeführt werden.
Das Kühlgas von der Hochdruckseite<B>30</B> wird zum Teil durch die Kanäle<B>33</B> innerhalb des Gebläses dem Wickel-kopfraum <B>16</B> der Läuferwicklung zuge führt. Auf diesem Wege gelangt ein Teil der Kühlluft auf der Lüfterseite in die Läuferkanäle<B>19.</B> In ähnlicher Weise kann Kühlgas aus dem Druckraum<B>32</B> an dem gegenüberliegenden Maschinenende unter Führung durch den konischen Leitwandteil 34 dem Wickelkopf- raum <B>16</B> der Rotorwicklung auf der linken Maschinen seite zugeführt werden, von wo das Kühlmittel eben falls in die Kanäle<B>19</B> der Läuferwicklung eintritt.
Ausserdem wird das Hochdruckkü'hlgas durch Kanäle<B>35</B> des Kühlkanalsystems <B>31</B> einer Anzahl von Ringräumen zugeführt, die an der Aussenseite des Ständereisenkernes durch die Ringe 2 begrenzt sind. Wie die Figur erkennen lässt, werden die beiden den Stirnseiten des Eisenkörpers benachbarten Ringräume mit Hochdruckgas beaufschlagt. In den mittleren Ringraum kann jedoch aus dem Kanalsystem<B>31</B> Kühlgas nicht eingeführt werden. Das den Ringräumen in der angedeuteten Weise zugeführte Kühlgas gelangt sodann durch die radialen Kühlschlitze 4 des Blech paketes in den Luftspalt, wobei zunächst der Eisen körper der Maschine gekühlt wird.
Die Endzonen des Luftspaltes sind nach den Enden des Eisenkörpers zu offen. Sie münden in Zonen niederen Druckes im Wickelkopfbereich der Maschine. Die beiden Nieder- druckzonen <B>36</B> sind durch axial verlaufende Kanäle<B>37</B> des Gehäuses verbunden und stehen in direkter Ver bindung mit der Eintritts- oder Niederdruckseite des Gebläses<B>23.</B> Der mittlere Abschnitt des Luftspaltes ist ebenfalls durch radiale Kanäle 4 in dem Eisen körper mit dem mittleren Ringraum des Ständer- rahmens verbunden, der seinerseits durch Schlitze<B>38</B> oder Kanäle mit den erwähnten Niederdruckkanälen <B>37</B> verbunden ist.
In der Figur<B>1</B> ist durch Pfeile die Strömung des Kühlgases veranschaulicht, das aus den Luftspaltab- schnitten höheren Druckes durch die Läuferkanäle in solche niederen Druckes bzw. die Endabschnitte des Luftspaltes überströmt.
Von wesentlicher Bedeutung für das Kühlsystern ist die Unterteilung des Luftspaltes in Ringzonen durch ringförmige Sperrwandteile, die am Läufer und Ständer angeordnet sind. Diese ringförmigen Sperr- wandteile können eine verschiedenartige Ausbildung besitzen. Beispielsweise können die Sperrwandteile des Läufers durch Ringe aus nichtmagnetischen Ma terial gebildet werden, die durch Schrumpfen oder in anderer Weise an der Läuferoberfläche befestigt sind. Der Durchmesser dieser Läufersperrwandteile soll hierbei nicht geringer als der äussere Durchmesser der Kappen sein, um den Läuferausbau bequem zu ermög lichen.
Die ringförmigen, dem Ständer zugeordneten Sperrwandteile können ebenfalls als zusammenhängen der Ringkörper ausgebildet sein, der in irgendeiner Weise an dem Ständereisenkern befestigt ist. Eine abweichende vorteilhafte Ausführungsform ist in den Figuren 2 und<B>3</B> dargestellt. Hierbei besteht jeder der ringförmigen Sperrwandteile 24 aus einer Anzahl von Segmenten 40, die aneinander angrenzen und einen zusammenhängenden Sperrwandkörper bilden.
Jedes der Segmente 40 hat einen schwalbenschwanzförmigen Fuss- oder Halteteil 41, der damit verbunden ist und in entsprechende Nuten<B>5</B> des Ständerkörpers <B>1</B> ein- gepasst wird. Die Halteteile 41 können in den Nuten<B>5</B> verkeilt sein oder durch Verriegelungskörper 42 ge halten werden, wodurch gleichzeitig eine Sicherung der Befestigung ermöglicht wird. Die Segmente 40 können lösbar angeordnet werden, wobei sie durch Längsverschiebungen in den Nuten<B>5</B> bewegt werden. Wenigstens eines der Segmente am Ende des Kerns sollte auf dem angegebenen Wege lösbar sein, um Kufen für die Entfernung des Läufers anbringen zu können.
Die Rotorsperrwandteile <B>25</B> können eine ähnliche Konstruktion haben, wie in Figur 2 und<B>3</B> angedeutet ist. Sie bestehen dann ebenfalls aus einer Mehrzahl von hohlen Segmenten 43 mit schwalben- schwanzförmigen Füssen oder Halteteilen 44, die in Nuten 14 des Läufers passen und durch Keile oder sonst in geeigneter Weise befestigt werden, z. B. durch Verriegelungslaschen 45.
Der äussere Durchmesser der Läufersperrwand- teile muss wenigstens so gross wie der Durchmesser der Kappen<B>17</B> sein, um das Einschieben des Läufers in die Ständerbohrung bzw. die Entfernung daraus zu ermöglichen.
Figur<B>5</B> zeigt ein abweichendes Ausführungsbeispiel für die Gestaltung der ringförmigen Sperrwandteile. Bei diesem bestehen die Ständersperrwandteile aus ringförmigen Hohlkörpern 46 aus Gummi oder an derem elastischen Material (Silikongummi). Diese ringförmigen Sperrwandteile 46 können an schwalben- schwanzförmigen Halteteilen befestigt werden, die in den Statornuten <B>5</B> durch Keile 48 gesichert sind.
Normalerweise werden die mit Hohlräumen ausge führten Wandkörper 46<B>-</B> wie in der Figur gezeigt<B>-</B> mit Druckluft, einer geeigneten Flüssigkei-t oder einem plastischen Füllstoff angefüllt. Das Volumen kann durch Entfernen des Füllmittels wesentlich verringert werden, um den Ein- und Ausbau des Läufers zu erleichtern. Die Läufersperrwandteile können in die sem Fall in der gleichen Weise ausgebildet werden wie in Figur 2 und<B>3</B> dargestellt ist.
Die gezeigte Ständerwicklungskühlung wird da durch erreicht, dass den Kanälen<B>8</B> der Ständerwick- lung über die Sammelleitung<B>50</B> und Isolierrohre<B>52</B> ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel zugeleitet wird, welches über die Anschlussstücke<B>53</B> den Kanälen<B>8</B> der Spulen zuströmt. An dem lüfterseitigen Maschinenende fliesst das Kühlmittel über die An- schlussstücke <B>53</B> und Rohrkanäle 54 aus Isolierma terial in die ringförmige Sammelableitung<B>51</B> zurück.
Das Kühhnittel für die Ständerwicklung wird mittels einer äusseren Pumpe<B>55</B> umgewälzt, die das Kühl mittel von der Maschine durch einen Kühler<B>56</B> fördert.<B>57</B> und<B>58</B> sind noch Leitungen, durch welche das Kühlmittel den Sammelkanälen<B>50</B> bzw. <B>51</B> zu geführt bzw. abgeleitet wird. Wie schon erwähnt war, kann für den gesonderten Kühlkreis der Ständerwick- lung eine Flüssigkeit bzw. Wasser oder ein Gas von <B><I>50 -</I> 100</B> atü oder höherem Druck Anwendung finden.