Kühlmittelanschlusskopf zur Zu- und Abfuhr des Kühlmittels am flüssigkeitsgekühlten Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators Die Weiterentwicklung der Turbogeneratoren zeigt die Tendenz zu einer ständigen Erhöhung der Leistung. Die praktische Verwirklichung der Tendenz verlangt aber ein sehr wirksames Kühlsystem für den Stator und den Läufer. Es ist daher unumgänglich, bei den Generatoren grosser Leistung anstatt der für die bisher gebauten Einheiten ausreichende Gas kühlung, die ausserordentlich wirksame Flüssigkeits kühlung für den Stator und Induktor vorzunehmen.
Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, gewährleisten bei Anwendung der direkten Hohlleiterkühlung ausser- ordentlich hohe Kühlleistungen.
Die Verwirklichung der Flüssigkeitskühlung wirft sehr grosse konstruktive und fertigungstechnische Pro bleme auf. Die Erfindung betrifft ausschliesslich das Problem der Zu- und Abführung der Kühlflüssigkeit an dem rotierenden Läufer.
Zu- und Abführung der Kühlflüssigkeit erfolgt zweckmässig am erregerseitigen Läuferwellenende. Von der Ankupplung eines Erregermaschinensatzes wird bei Generatoren grosser Leistung abgegangen, so dass das Wellenende für einen sogenannten Kühlmittelan- schluss zur Verfügung steht. Die Zu- oder Abführung des Kühlmittels in den Läufer erfolgt meist durch eine Zentralbohrung und der Rücklauf oder Zulauf des Kühlmittels durch einen um die Zentralbohrung an geordneten Ringkanal.
An das freie Wellenende wird ein Kühlmittelanschlusskopf angeflanscht, der als Bindeglied zwischen den rotierenden und den festste- henden Teilen der Kühlmittelführung dient. Ein schwerwiegendes Problem ist die Abdichtung des Kühlmittelkreislaufes nach aussen, dem umso mehr Bedeutung zukommt, als das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, nicht leitend, d. h. also chemisch rein sein muss.
Die Abdichtung des Kühlkreislaufes ist beson ders dort schwierig, wo feststehende und rotierende Teile sich berühren, nämlich im Kühlmittelanschluss- kopf. Die Abdichtung gegen die äussere Atmosphäre erfolgt dort über eine bekannte Wellendichtung bei spielsweise eine axial wirkende Wellendichtung. Da diese Axialwellendichtung geschmiert werden muss, müssen Mittel gefunden werden, die verhindern, dass das Schmiermittel mit dem Wasser des Kühlkreislaufes in Berührung kommt, wenn man verhindern will, dass das Wasser ständig durch das Schmiermittel verun reinigt wird.
Denkbar ist auch eine Schleifdichtung ohne Schmierung, wenn die Abmessung und Umfangs geschwindigkeiten der Dichtstellen es zulassen. Ebenso ist es möglich, Wasser als Schmiermittel zu verwenden. In jedem Falle aber muss verhindert werden, dass das Schmiermittel mit dem Kühlmittel in Berührung kommt. Bei der Verwendung von Wasser muss ausser dem dafür gesorgt werden; dass dieses nicht mit der Atmosphäre in Verbindung kommt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Kühlmittelanschlusskopf, in dem eine oder mehrere Schutzgaskammern zwischen der Ein- und/oder der Austrittsstelle des Kühlmittels und einer Abdichtung gegen die äussere Atmosphäre vorgesehen sind, wobei die Schutzgaskammern von der Ein- und/oder Austrittsstelle durch Spalt- oder Schleifdichtungen getrennt sind und von denen we nigstens eine Schutzgaskammer als Sammelraum für die durch die Spalt- oder Schleifdichtung durchtretende Kühlflüssigkeitsmenge zum Zweck der Rückspeisung in den Kühlkreislauf der Maschine dient.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die Ver- lustlosigkeit des Kühlkreislaufes, die durch die Rück Speisung der Leckflüssigkeitsmengen erreicht wird. Die einmal vorgenommene Füllung des Kühlkreislaufes beispielsweise mit aufbereitetem Wasser bedarf keiner ständigen Ergänzung, zumal es bei der Rückspeisung nicht mit der Atmosphäre in Verbindung kommt und in seinen Eigenschaften keine Verschlechterung auf tritt. Es werden also erhebliche Aufbereitungskosten eingespart.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung im Querschnitt dargestellt. Bild 1 zeigt einen Kühlmittelanschlusskopf, der aus einem an die Läuferwelle 1 angeflanschten Wellenstummel 2 be steht, in dem sich eine zentrale Zulaufbohrung 3 und ein konzentrisch um die Zulaufbohrung 3 angeordneter Rücklaufringkanal 4 befindet. Der Wellenstummel 2 ist von dem Gehäuse 5 des Anschlusskopfes umschlos sen, an dessen vorderem Teil ein Abfluss 6 für die Kühlmittelableitung vorgesehen ist.
Der Rücklaufring- kanal 4 mündet in einen Sammelringkanal 8, von dem aus die Kühlflüssigkeit durch die Ableitung 6/abge- führt wird. Der Gehäuseraum zwischen dem Gehäuse 5 und dem Wellenstummel 2 ist in zwei Teilkammern 10 und 14 aufgeteilt. Die Abdichtung der Kammer 10 ge genüber dem Sammelringkanal 8 erfolgt in dem Aus führungsbeispiel durch eine berührungslose Spaltbuchs endichtung.
Die an die Sammelringkammer 8 an- schliessenden Kammern 10 und 14 werden mit einem Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, beaufschlagt. Die Schutzgaskammern 10 und 14 werden durch eine Zwi schenwand 12 und eine Kammringdichtung 11 von einander getrennt. Die Abdichtung der zweiten Schutz gaskammer 14 gegen die Atmosphäre erfolgt an dem rotierenden Wellenbund 26 mit einer an sich bekann ten, im Generatorenbau vielfach verwendeten Öl- oder Flüssigkeitsdichtung 15.
Diese Dichtungen haben den Vorteil, dass sie über den ganzen Drehzahlbereich, auch bei Turnbetrieb und bei einer Drehzahl von n = Null, betriebssicher arbeiten und ausserdem die axiale Wel lenverschiebung, die hauptsächlich durch die Aufhei- zung und Abkühlung der Turbinenwelle beim Anfah ren und Stillsetzen entsteht, ohne Schwierigkeit auf nehmen.
Das Gehäuse 5 des Kühlmittelanschlusskopfes wird direkt an das Lagergehäuse 16 des Turbogenerators angeschlossen. Die Schutzgaskammern 10 und 14 wer den über eine Zuleitung 23 und einen Differenzdruck regler 21 mit Schutzgas versorgt. Der Regler 21 steht über die Impulsleitung 22 mit der Sammelringkammer 8 für die Kühlflüssigkeit und über die Impulsleitung 25 mit der Schutzgaskammer 10 in Verbindung und regelt den Gasdruck in den Schutzgaskammern in Ab- hängigkeit von dem Flüssigkeitsdruck in der Sammel- ringkammer B.
Der Druck in der Schutzgaskammer wird durch den Differenzdruckregler etwas niedriger als der Kühlflüssigkeitsdruck im Raum 8 gehalten. Dadurch wird ein Eindringen von Schutzgas in den Kühlflüssig keitskreislauf mit Sicherheit vermieden. Über die Lei tung 13 werden die Schutzgaskammern 10 und 14 mit Schutzgas versorgt. Die Schutzgasleitung 13 führt vom Regler 21 durch die zwischen beiden Schutzgaskam mern 10 und 14 liegende Trennwand 12 in die Mitte der Kammringdichtung 11.
Von dort aus strömt das Gas axial durch die Kammringdichtung 11 in die Kammern 14 und 10. Über die Leitungen 17 und 18 und die Ventile 19 und 20 wird ständig eine kleine Menge Schutzgas aus den Kammern 10 und 14 ab gelassen, so dass stets ein gewisser Gasstrom durch die Axialwellendichtung 11 strömt.
Durch die Spaltbuchsendichtung 9 tritt infolge des geregelten kleinen Differenzdruckes nur eine geringe Menge Wasser aus dem Sammelringkanal 8 in die erste Schutzgaskammer 10. Ein weiteres Durchsickern der Leckwassermenge durch die Kammringdichtung 11 wird infolge des ständig entgegengesetzt durch die Kammringdichtung 11 strömenden Schutzgases ver mieden. Das in der Schutzgaskammer 10 anfallende Wasser wird durch die Leitung 27 wieder dem Kühl kreislauf zugeführt.
Das von der Axialwellendichtung 15 in die Schutzgaskammer 14 eindringende Schmier mittel wird durch den aus der Kammringdichtung 11 austretenden Schutzgasstrom ebenfalls daran gehindert, in die erste Schutzgaskammer 10 durchzusickern. Es sammelt sich in der Schutzgaskammer 14 und wird durch die Leitung 24 ab- und dem Schmiermittelkreis- lauf wieder zugeführt.
Um die Abdichtung zwischen der Sammelringkammer 8 und der Schutzgaskammer 10 zu erleichtern, wird die Sammelringkammer 8 im allgemeinen mit dem Druck der Ein- oder Austritts stelle der Kühlflüssigkeit zu beaufschlagen sein, je nachdem, welcher der an beiden Stellen herrschenden Drücke der niedrigere ist. Von dieser Regel wird man nur dann abweichen, wenn andere Erfordernisse, bei spielsweise regeltechnischer Art, den höheren Druck in der Sammelringkammer 8 wünschenswert erscheinen lassen.
Voraussetzung dafür ist allerdings bei der in Fig. 1 beschriebenen Ausführung, dass der höhere Druck noch mit der nachfolgenden Schutzgasdichtung beherrscht werden kann. Gegebenenfalls kann es sich aber auch als notwendig erweisen, besonders bei gros sen Druckdifferenzen zwischen der Ein- und Austritts stelle, diese beiden räumlich voneinander zu trennen, wobei dann allerdings eine wahlweise Beaufschlagung nicht mehr ohne weiteres möglich ist.
Fig. 2 zeigt demgegenüber eine vorteilhafte Weiter bildung der Erfindung, die es ermöglicht, auch grosse Druckdifferenzen zwischen der Ein- und Austrittsstelle der Kühlflüssigkeit sicher zu beherrschen, ohne dabei den obengenannten Beschränkungen in der wahlweise Beaufschlagung der Sammelringkammer 8 mit dem Druck der Ein- oder Austrittsstelle unterworfen zu sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist zwischen der Sammelringkammer 8 und der Schutz gaskammer 10 noch eine Ausgleichskammer 28 ange ordnet, die über eine Ausgleichsleitung 30 mit dem Austrittsraum 7 verbunden ist, in dem in diesem Falle der niedrigere Druck herrschen soll, während die Sammelringkamer 8 mit dem höheren Druck beauf- schlagt sein soll.
Die Ausgleichsleitung 30 sorgt dafür, dass in der Ausgleichskammer 28 immer der gleiche Druck herrscht wie im Austrittsraum 7, wie hoch auch der Druck in der Sammelringkammer 8 sein mag.
Soll aber der Raum 7 mit dem höheren Druck beaufschlagt werden, so genügt es, ein nicht darge stelltes, in der Ausgleichsleitung 30 eingebautes Ventil zu schliessen, um zu gewährleisten, dass auch in diesem Falle in der Ausgleichskammer 28 wiederum der niedrigere Druck herrscht.
Der in den bisherigen Ausführungsbeispielen be schriebene Kühlmittelanschlusskopf ist während des Betriebes der Maschine völlig betriebssicher.
Um aber auch bei Stillstand der Maschine eine sichere Abdichtung des Kühlkreislaufes gegenüber der äusseren Atmosphäre zu gewährleisten, bedarf es noch einer zusätzlichen Dichtung, die nur bei Stillstand der Maschine in Funktion tritt.
Es wäre nämlich unzweckmässig, wenn bei län geren Stillstandsperioden der elektrischen Maschine die Funktion der Betriebsdichtung aufrechterhalten bleiben müsste, was den Betrieb der Dichtöl- und Schutzgas versorgungsanlagen auch bei Stillstand erforderlich machen würde. Ausserdem müssen die Kühlwege der Maschine gegen die Atmosphäre auch im Stillstand derart abdichtbar sein, dass man ein Vakuum inner halb der Kühlwege erzeugen kann. Ein solches Vakuum ist unbedingt erforderlich, wenn die Anlage mit Kühlflüssigkeit aufgefüllt werden soll. Diese Dicht aufgabe kann aber von der Betriebsdichtung keines falls erfüllt werden.
Das in den Fig. 3 und 4 be schriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt eine Möglichkeit, den Kühlkreislauf auch beim Still stand der Maschine absolut sicher zu dichten. Zu der Betriebsdichtung 15 und den Schutzgaskammern 10 und 14 in Fig. 1 und 2 ist gemäss dem Ausführungs beispiel in Fig. 3 in dem Kühlmittelanschlusskopf eine weitere Dichtung vorgesehen, die die Abdichtung des Kühlkreislaufes gegenüber der Atmosphäre während des Stillstands der Maschine vornimmt.
Diese zusätz liche Stillstandsdichtung ist im Bereich der Spaltbuchse 9 zwischen der Schutzgaskammer 10 und dem Sammel- ringkanal 8 in Fig. 1 bzw. der Ausgleichskammer 28 in Fig. 2 angeordnet.
Diese Stillstands- und Evakuierungsdichtung ent spricht im Prinzip einem federbelasteten Ringventil. Die ringförmige Dichtfläche 32 besteht aus einem Weichgummiwulst, der sich in axialer Richtung als Gummibalg 36 fortsetzt, dessen Ende mittels eines Führungsringes 31 am Gehäuse 5 befestigt ist. Die Dichtfläche 32 wird mit Federn 33 an einen Bund 34 des Wellenstummels 2 gedrückt. Bei Stillstand der Maschine ist die Dichtung geschlossen und der mit Kühlflüssigkeit gefüllte Sammelringkanal 8 bzw. die Ausgleichskammer 28 ist sicher gegen die Spaltbuchse 9 und die anschliessende Schutzgaskammer 10 abge dichtet.
Bei dem in Abb. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Stillstand- und Evakuierungsdichtung ist der ring förmige Dichtungskörper 32, mit einem Führungsring 38 auf der Spaltbuchse 9 in axialer Richtung ver schiebbar gelagert.
Der aus Weichgummi bestehende Dichtungskörper 32 ist grösstenteils in Metall gefasst, wodurch eine hohe Stabilität des Dichtungskörpers erreicht wird. Bei der Hubbewegung des Ventils wird nur der rückwärtige, als Membran 36 ausgebildete Teil des Gummibalges verformt. Die Hubbegrenzung erfolgt durch den zwi schen zwei Ringen 44 und 45 sich bewegenden Bund 39. Die Grösse des Hubes ist den betrieblichen Ver hältnissen angepasst. Der Raum hinter der Membrane 36 it über eine Ausgleichsbohrung 40 mit der Schutz gaskammer 10 verbunden. Ausserdem ist der Gum mibalg hinter dem Führungsring 38 mit einer Dicht lippe 41 versehen.
Durch Erhöhung des Wasserdruckes im Raum 8 entsteht bei entsprechender Abstimmung der vom Wasser benetzten Flächen eine Axialkraft, die die Federkraft der Federn 33 überwindet und die Dicht fläche vom Wellenbund 34 abhebt. In diesem Augen blick wird der Raum 42 mit Kühlwasser gefüllt, so dass sich auch hier infolge des grossen Strömungswi derstandes der nachgeschalteten Spaltbuchse 9 der gleiche Druck wie im Raum 9 ausbildet. Die Dicht lippe 41 übernimmt nun die Abdichtung der Kühl flüssigkeit gegen den Raum hinter der Membrane 36.
Da dieser Raum über die Ausgleichsbohrungen 40 von der Schutzgaskammer 10 mit geringerem Druck be- aufschlagt wird, erfolgt die volle Aussteuerung der Dichtung in die Endlage durch den im Raum 8 bzw. 28 und 42 antsehenden Wasserdruck. Bei voller Aus steuerung der Stillstandsdichtung schmiegt sich die Membrane 36 vollkommen an die besonders geformte Wand 43 der Spaltbuchse 9 an.
Somit wird durch die Anordnung der Dichtlippe 41 und der Ausgleichs bohreng 40 ein stabiles Betriebsverhalten; der Still stands- und Evakuierungsdichtung erreicht, was sonst infolge der nachgeschalteten Spaltbuchse 9, wodurch auch der Raum 42 den vollen Flüssigkeitsdruck an nimmt, nicht möglich wäre.
Die Abdichtung mit dem Weichgummiwulst ist zwar sehr wirksam, die Berührung mit dem Wellen bund 34 darf jedoch ausschliesslich nur bei Stillstand der elektrischen Maschine erfolgen. Aus diesem Grun de ist eine Steuerung der Dichtung notwendig, die in einfacher Weise durch Veränderung des Flüssigkeits druckes im Raume 8 bzw. 28 und entsprechende Ab stimmung der Ventilfedern 33 erfolgen kann.
Erfin dungsgemäss sind die Ventilfedern so ausgelegt, dass die Stillstandsdichtung einwandfrei abdichtet, .solange nur der geodätische Druck des Kühlmittels allein im Raume 8 bzw. 28 zur Wirkung kommt. Zur Erzeugung der für das Abheben der Still standsdichtung notwendigen Druckhöhe im Raume 8 bzw. 28 beim Anfahren der elektrischen Maschine gibt es zwei Möglichkeiten, deren Anwendung von den jeweiligen Gegebenheiten des gesamten Kühlkreislau fes abhängt. Zweckmässigerweise wird der Kühlkreis lauf von einem höher gelegenen Kühlflüssigkeitsbe- hälter 37 versorgt.
Die Umwälzung der Kühlflüssig keit erfolgt durch eine Pumpe 35, die entweder als fremd angetriebene Pumpe im Kühlkreislauf angeord net wird, oder das Pumpenrad wird gleich am Wellen stummel 2 des Anschlusskopfes angebaut, wodurch der Antrieb direkt von der elektrischen Maschine erfolgt. Der direkte Antrieb weist selbstverständlich die grösste Betriebssicherheit auf und ist auf jeden Fall anzustre ben. Mit einer direkt angetriebenen Pumpe ist es jedoch nicht möglich, bereits vor dem Anlauf der elektrischen Maschine im Kühlkreislauf Druck zu erzeugen. In einem solchen Falle, der wegen der hohen Betriebs sicherheit im allgemeinen vorzuziehen ist, kann natür lich die Pumpe nicht zur Steuerung der Stillstands dichtung herangezogen werden.
Dafür wird das im Kühlflüssigkeitssammelbehälter 37 aufgebrachte Schutz gaspolster, das ohnehin zur Vermeidung von Einwir kungen der Atmosphärenluft auf die Kühlflüssigkeit benötigt wird, zur Steuerung der Stillstandsdichtung ausgenutzt. Als Schutzgas wird ein inertes Gas, für Wasser als Kühlmittel' vorzugsweise Stickstoff, verwen det. Das Abheben der Stillstandsdichtung erfolgt vor dem Anfahren der elektrischen Maschine durch Auf bringen eines erhöhten Stickstoffdruckes im Kühlwas serbehälter. Dadurch wird natürlich auch der Kühl wasserdruck im Raume 8 bzw. 28 grösser als der geodätische Druck, so dass die Stillstandsdichtung ein wandfrei abhebt.
Wird die Maschine stillgesetzt, so bleibt die Still standsdichtung solange abgehoben, bis der Schutz gaspolsterdruck im Flüssigkeitsbehälter 37 wieder auf Atmosphärendruck gebracht worden ist. Bei Atmos phärendruck im Kühlflüssigkeitsbehälter stellt sich im Raum 8 bzw. 28 wieder der geodätische Druck ent sprechend der Höhe des Flüssigkeitssammelbehälters ein, so dass die Federn 33 die Stillstandsdichtung so fort schliessen.
Bei einem Kühlflüssigkeitskreislauf mit einer fremd angetriebenen Pumpe hebt die Stillstandsdichtung durch Einschalten der Pumpe 35 sofort ab, da durch die Pumpe der Druck im Raum 8 bzw. 28 über den geodätischen Druck hinaus gesteigert wird, so dass er die Federkraft der Stillstandsdichtung überwindet. Erst bei abgehobener Stillstandsdichtung wird die elek trische Maschine angefahren. Soll die Maschine still- gesetzt werden, so bleibt die Dichtung solange geöffnet, bis der Wellenstummel 2 ausgelaufen ist. Dann wird auch die Pumpe abgeschaltet, so dass sich die Still standsdichtung wieder schliesst.
Die Erfindung ermöglicht es, mittels einer einfachen Steuerung, die keines grossen technischen Aufwandes bedarf, die äusserst wirksame Gummibalgdichtung als Stillstands- und Evakuierungsdichtung zu verwenden. Ohne die beschriebenen Massnahmen wäre die Anwen dung einer Gummibalgdichtung nicht möglich, da sie keine Gleiteigenschaften aufweist und bei Berührung des rotierenden Wellenbundes 34 sofort zerstört wer den würde.
Die Abdichtung mit einem Weichgummi wulst ist bei Stillstand absolut betriebssicher und technisch leicht beherrschbar, so dass selbst dei langen Stillstandsperioden mit Sicherheit keine Leckwasserver- luste auftreten. Auch beim Evakuierungsvorgang zeigt die Gummibalgdichtung eine ausgezeichnete Dichtwir kung, wodurch ein hohes Vakuum erreicht werden kann.
Coolant connection head for supplying and removing the coolant on the liquid-cooled rotor of an electrical machine, in particular a turbo generator. The further development of turbo generators shows the tendency towards a constant increase in performance. The practical realization of the trend, however, requires a very effective cooling system for the stator and the rotor. It is therefore unavoidable, in the case of generators with high power, instead of the gas cooling sufficient for the units built up to now, to undertake the extremely effective liquid cooling for the stator and inductor.
Liquids, especially water, ensure extremely high cooling capacities when using direct waveguide cooling.
The realization of liquid cooling raises very large constructive and manufacturing problems. The invention relates exclusively to the problem of supplying and removing the cooling liquid on the rotating rotor.
The coolant is fed in and removed from the rotor shaft end on the exciter side. In the case of generators with a high output, the coupling of an exciter set is dispensed with, so that the shaft end is available for a so-called coolant connection. The supply or discharge of the coolant into the rotor is usually carried out through a central bore and the return or supply of the coolant through an annular channel arranged around the central bore.
A coolant connection head is flanged to the free shaft end, which serves as a link between the rotating and stationary parts of the coolant duct. A serious problem is the sealing of the coolant circuit from the outside, which is all the more important because the coolant, for example water, is non-conductive, i.e. non-conductive. H. so it has to be chemically pure.
The sealing of the cooling circuit is particularly difficult where fixed and rotating parts touch, namely in the coolant connection head. The seal against the outside atmosphere takes place there via a known shaft seal, for example an axially acting shaft seal. Since this axial shaft seal has to be lubricated, means must be found to prevent the lubricant from coming into contact with the water in the cooling circuit if one wants to prevent the water from being constantly contaminated by the lubricant.
A sliding seal without lubrication is also conceivable if the dimensions and circumferential speeds of the sealing points allow it. It is also possible to use water as a lubricant. In any case, however, it must be prevented that the lubricant comes into contact with the coolant. When using water, this must also be ensured; that this does not come into contact with the atmosphere.
The invention solves this problem with a coolant connection head in which one or more protective gas chambers are provided between the inlet and / or outlet point of the coolant and a seal against the external atmosphere, the protective gas chambers being separated from the inlet and / or outlet point by gap or sliding seals are separated and of which at least one protective gas chamber serves as a collecting space for the amount of cooling liquid passing through the gap or sliding seal for the purpose of feeding it back into the cooling circuit of the machine.
An essential advantage of the invention is the loss of the cooling circuit, which is achieved by feeding back the quantities of leakage fluid. Once the cooling circuit has been filled with treated water, for example, there is no need for constant supplementation, especially since it does not come into contact with the atmosphere when it is fed back and there is no deterioration in its properties. So it saves considerable processing costs.
Some exemplary embodiments of the invention are shown in cross section in the drawing. Figure 1 shows a coolant connection head which consists of a shaft stub 2 flanged to the rotor shaft 1, in which there is a central inlet bore 3 and a return ring channel 4 arranged concentrically around the inlet bore 3. The shaft stub 2 is enclosed by the housing 5 of the connection head, on the front part of which an outlet 6 is provided for the coolant discharge.
The return ring channel 4 opens into a collecting ring channel 8, from which the cooling liquid is discharged through the discharge line 6 /. The housing space between the housing 5 and the shaft stub 2 is divided into two sub-chambers 10 and 14. The sealing of the chamber 10 ge compared to the collecting ring channel 8 takes place in the exemplary embodiment from by a contactless gap box end seal.
The chambers 10 and 14 adjoining the collecting ring chamber 8 are exposed to a protective gas, for example nitrogen. The protective gas chambers 10 and 14 are separated by an inter mediate wall 12 and a comb ring seal 11 from each other. The sealing of the second protective gas chamber 14 from the atmosphere takes place on the rotating shaft collar 26 with an oil or liquid seal 15 which is known per se and is widely used in generator construction.
These seals have the advantage that they work reliably over the entire speed range, even in turn operation and at a speed of n = zero, and also the axial shaft displacement, which is mainly caused by the heating and cooling of the turbine shaft when starting and stopping arises without difficulty taking on.
The housing 5 of the coolant connection head is connected directly to the bearing housing 16 of the turbo generator. The protective gas chambers 10 and 14 who supplied the via a supply line 23 and a differential pressure regulator 21 with protective gas. The regulator 21 is connected to the collecting ring chamber 8 for the cooling liquid via the pulse line 22 and to the protective gas chamber 10 via the pulse line 25 and controls the gas pressure in the protective gas chambers as a function of the liquid pressure in the collecting ring chamber B.
The pressure in the protective gas chamber is kept slightly lower than the coolant pressure in space 8 by the differential pressure regulator. In this way, the penetration of protective gas into the cooling liquid is definitely avoided. The protective gas chambers 10 and 14 are supplied with protective gas via the device 13. The protective gas line 13 leads from the regulator 21 through the partition 12 located between the two protective gas chambers 10 and 14 into the center of the comb ring seal 11.
From there, the gas flows axially through the comb ring seal 11 into the chambers 14 and 10. Via the lines 17 and 18 and the valves 19 and 20, a small amount of protective gas is constantly released from the chambers 10 and 14, so that a certain amount is always released Gas stream flows through the axial shaft seal 11.
Due to the regulated small differential pressure, only a small amount of water passes through the split bushing seal 9 from the collecting ring channel 8 into the first protective gas chamber 10. Further leakage of the leakage water through the comb ring seal 11 is avoided due to the protective gas constantly flowing in the opposite direction through the comb ring seal 11. The water accumulating in the protective gas chamber 10 is fed back through the line 27 to the cooling circuit.
The lubricant penetrating from the axial shaft seal 15 into the protective gas chamber 14 is also prevented from seeping into the first protective gas chamber 10 by the protective gas flow emerging from the comb ring seal 11. It collects in the protective gas chamber 14 and is removed through the line 24 and fed back into the lubricant circuit.
In order to facilitate the seal between the collecting ring chamber 8 and the protective gas chamber 10, the collecting ring chamber 8 will generally be subjected to the pressure of the inlet or outlet point of the cooling liquid, depending on which of the pressures prevailing at both points is the lower. You will only deviate from this rule if other requirements, for example of a technical control type, make the higher pressure in the collecting ring chamber 8 appear desirable.
The prerequisite for this, however, in the embodiment described in FIG. 1 is that the higher pressure can still be controlled with the subsequent inert gas seal. If necessary, however, it may also prove necessary, particularly in the case of large pressure differences between the inlet and outlet, to physically separate these two from one another, although an optional application is then no longer readily possible.
Fig. 2 shows an advantageous further education of the invention, which makes it possible to safely control large pressure differences between the inlet and outlet point of the cooling liquid, without the above-mentioned restrictions in the selective exposure of the collecting ring chamber 8 with the pressure of the inlet or To be subject to exit point.
In the embodiment according to FIG. 2, a compensation chamber 28 is arranged between the collecting ring chamber 8 and the protective gas chamber 10, which is connected via a compensating line 30 to the outlet chamber 7, in which in this case the lower pressure should prevail, while the collecting ring chamber 8 should be subjected to the higher pressure.
The compensation line 30 ensures that the pressure in the compensation chamber 28 is always the same as in the outlet space 7, however high the pressure in the collecting ring chamber 8 may be.
However, if the space 7 is to be subjected to the higher pressure, it is sufficient to close a valve built into the compensation line 30, not shown, to ensure that the lower pressure again prevails in the compensation chamber 28 in this case.
The coolant connection head described in the previous exemplary embodiments is completely reliable during operation of the machine.
However, in order to ensure that the cooling circuit is reliably sealed off from the outside atmosphere even when the machine is at a standstill, an additional seal is required that only functions when the machine is at a standstill.
It would be inexpedient if the function of the operating seal had to be maintained during longer periods of standstill of the electrical machine, which would make the operation of the sealing oil and protective gas supply systems necessary even when the machine is not running. In addition, the cooling paths of the machine must be able to be sealed off from the atmosphere even when the machine is at a standstill in such a way that a vacuum can be created within the cooling paths. Such a vacuum is essential if the system is to be filled with coolant. However, this sealing task cannot be fulfilled by the operating seal.
The embodiment of the invention described in FIGS. 3 and 4 shows a way to seal the cooling circuit even when the machine was at a standstill. For the operating seal 15 and the protective gas chambers 10 and 14 in FIGS. 1 and 2, a further seal is provided in the coolant connection head according to the embodiment in FIG. 3, which seals the cooling circuit from the atmosphere while the machine is at a standstill.
This additional standstill seal is arranged in the area of the split bushing 9 between the protective gas chamber 10 and the collecting ring channel 8 in FIG. 1 or the compensation chamber 28 in FIG.
This standstill and evacuation seal corresponds in principle to a spring-loaded ring valve. The annular sealing surface 32 consists of a soft rubber bead, which continues in the axial direction as a rubber bellows 36, the end of which is fastened to the housing 5 by means of a guide ring 31. The sealing surface 32 is pressed against a collar 34 of the shaft stub 2 with springs 33. When the machine is at a standstill, the seal is closed and the collecting ring channel 8 filled with cooling liquid or the compensation chamber 28 is securely sealed against the gap bushing 9 and the subsequent protective gas chamber 10.
In the embodiment of the standstill and evacuation seal shown in Fig. 4, the ring-shaped seal body 32 is mounted with a guide ring 38 on the split bushing 9 in the axial direction slidably ver.
The sealing body 32, which consists of soft rubber, is for the most part set in metal, as a result of which a high stability of the sealing body is achieved. During the stroke movement of the valve, only the rear part of the rubber bellows, designed as a membrane 36, is deformed. The stroke is limited by the collar 39 moving between two rings 44 and 45. The size of the stroke is adapted to the operational conditions. The space behind the membrane 36 is connected to the protective gas chamber 10 via a compensating bore 40. In addition, the rubber bellows is provided with a sealing lip 41 behind the guide ring 38.
By increasing the water pressure in space 8, with appropriate coordination of the surfaces wetted by the water, an axial force is created which overcomes the spring force of the springs 33 and lifts the sealing surface from the shaft collar 34. At this moment, the space 42 is filled with cooling water, so that the same pressure as in the space 9 is formed here as a result of the large flow resistance of the downstream split bushing 9. The sealing lip 41 now seals the cooling liquid against the space behind the membrane 36.
Since this space is pressurized with lower pressure by the protective gas chamber 10 via the compensating bores 40, the seal is fully actuated into the end position by the water pressure in space 8 or 28 and 42. When the standstill seal is fully controlled, the membrane 36 hugs the specially shaped wall 43 of the split bush 9.
Thus, through the arrangement of the sealing lip 41 and the compensating bore 40, a stable operating behavior; the standstill and evacuation seal achieved, which would otherwise not be possible due to the downstream split bushing 9, whereby the space 42 also assumes the full liquid pressure.
The seal with the soft rubber bead is very effective, but contact with the shaft collar 34 may only take place when the electrical machine is at a standstill. For this reason, a control of the seal is necessary, which can be done in a simple manner by changing the liquid pressure in the space 8 or 28 and appropriate tuning from the valve springs 33.
According to the invention, the valve springs are designed in such a way that the standstill seal seals properly, as long as only the geodetic pressure of the coolant alone in space 8 or 28 comes into effect. To generate the pressure head necessary for lifting the standstill seal in space 8 or 28 when starting the electrical machine, there are two options, the application of which depends on the particular circumstances of the entire Kühlkreislau fes. The cooling circuit is expediently supplied from a higher-lying coolant tank 37.
The cooling liquid is circulated by a pump 35, which is either net angeord as an externally driven pump in the cooling circuit, or the pump wheel is attached to the shaft stub 2 of the connection head, which drives it directly from the electrical machine. The direct drive naturally has the greatest operational safety and should definitely be sought. With a directly driven pump, however, it is not possible to generate pressure in the cooling circuit before the electrical machine starts up. In such a case, which is generally preferable because of the high operational reliability, the pump can of course not be used to control the standstill seal.
For this purpose, the protective gas cushion applied in the coolant reservoir 37, which is required in any case to prevent the atmospheric air from affecting the coolant, is used to control the standstill seal. An inert gas, preferably nitrogen for water as a coolant, is used as the protective gas. The standstill seal is lifted off before the electrical machine starts up by applying an increased nitrogen pressure in the cooling water container. As a result, of course, the cooling water pressure in space 8 or 28 is greater than the geodetic pressure, so that the standstill seal lifts off perfectly.
If the machine is stopped, the standstill seal remains lifted until the protective gas cushion pressure in the liquid container 37 has been brought back to atmospheric pressure. At atmospheric pressure in the coolant container, the geodetic pressure is set again in space 8 or 28, corresponding to the height of the liquid collecting container, so that the springs 33 close the standstill seal immediately.
In the case of a coolant circuit with an externally driven pump, the standstill seal lifts immediately when the pump 35 is switched on, since the pump increases the pressure in space 8 or 28 beyond the geodetic pressure, so that it overcomes the spring force of the standstill seal. The electric machine is only started when the standstill seal is lifted. If the machine is to be shut down, the seal remains open until the stub shaft 2 has run out. Then the pump is also switched off so that the standstill seal closes again.
The invention enables the extremely effective rubber bellows seal to be used as a standstill and evacuation seal by means of a simple control which does not require any great technical effort. Without the measures described, the application of a rubber bellows seal would not be possible because it has no sliding properties and would be destroyed immediately if the rotating shaft collar 34 were touched.
The sealing with a soft rubber bead is absolutely reliable and technically easy to control when the machine is at a standstill, so that even during long periods of standstill there is definitely no leakage of water. Even during the evacuation process, the rubber bellows seal shows an excellent sealing effect, which means that a high vacuum can be achieved.