DE10052426A1

DE10052426A1 - Schnelllaufende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10052426A1
Application number: DE2000152426
Authority: DE
Inventors: Ralf Jakoby
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2000-10-23
Publication date: 2002-05-02
Also published as: WO2002035686A1; AU2002210807A1

Abstract

Eine schnelllaufende elektrische Maschine, insbesondere in Form eines Asynchronmotors, umfasst einen mittels einer Rotorwelle (11) drehbar gelagerten Rotor (10) mit einem Rotoraktivteil (12), der über zwischen Rotorwelle (11) und dem Außenumfang des Rotoraktivteils (12) angeordnete, axiale Kühlkanäle (17, 18) gekühlt wird, denen von wenigstens einer Stirnseite des Rotors (10) ein gasförmiges Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, zugeführt wird. DOLLAR A Bei einer solchen Maschine wird eine verbesserte Kühlung dadurch erreicht, dass die stirnseitige Zufuhr des Kühlmediums über wenigstens einen in den Rotor (10) integrierten Gasleitring (25) erfolgt, der in radialer Richtung wirkende Leit- und Beschleunigungsmittel (20) umfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der schnelllaufenden elek trischen Maschinen. Sie betrifft eine schnelllaufende elektrische Maschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Die Kühlung schnellaufender elektrischer Maschinen, insbesondere Asynchron motoren, die am Rotoraussendurchmesser Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 300 m/s erreichen können, stellt hohe Anforderungen an die Auswahl eines geeig neten Kühlkonzepts, wie auch an die Auslegung der Einzelkomponenten. Die abzuführende elektrische Verlustleistung erreicht in der Regel auch im Rotor Werte, welche eine interne Kühlung erfordern. Eine Wärmeabfuhr allein über den Luftspalt zwischen Rotor und Stator und über die Stirnflächen des Rotors ist zur Einhaltung der durch die jeweilige Isolationsklasse bestimmten Temperatur grenzwerte oftmals nicht ausreichend. Eine Sonderstellung nehmen hierbei Ma schinen ein, welche mit einem unter hohem Druck stehenden Medium gekühlt werden können. Hier sind beispielsweise Motoren zum Antrieb von Pipelinekom pressoren zu nennen, welche in die Erdgasleitung integriert sind und vom Förder medium (Methan) unter einem Druck zwischen 40 und 70 bar durchströmt werden. In diesem Fall kann u. U. auf eine Kühlung des Rotorinneren verzichtet werden.

Bei Anwendungen, die eine Durchströmung des Rotors erfordern, sind zwei ge gensätzliche Bedingungen zu erfüllen, welche insbesondere bei Rotorumfangs geschwindigkeiten im transsonischen Bereich von entscheidender Bedeutung sind. Einerseits ist durch die Zufuhr eines ausreichenden Kühlmittelmassenstroms stets eine zuverlässige Wärmeabfuhr zu gewährleisten.

Demgegenüber steht die Forderung nach einer Begrenzung der Ventilationsver luste, die proportional zum Massenstrom und zur zweiten bzw. dritten Potenz der Rotorumfangsgeschwindigkeit sind und die den Gesamtwirkungsgrad der Ma schine signifikant beeinträchtigen können. Die Eintritts- bzw. Austrittsverluste des Kühlmediums, wie auch die aerodynamischen Verluste im Rotor selbst können hierbei ein Vielfaches der für die stationären Maschinenkomponenten aufzuwen denden Ventilationsleistung betragen. Der Ventilationsbedarf der rotierenden Komponenten kann beispielsweise durch einen externen Ventilator erzeugt wer den. Dieser ist bei hochdrehenden Maschinen ohne zusätzliche Maßnahmen am Rotor zur Begrenzung der Verluste sehr groß zu dimensionieren und stellt somit eine sehr teure und aufwendige Lösung dar.

Bei selbst- wie auch bei fremdventilierten elektrischen Maschinen ist der Eintritt in den Rotor üblicherweise sehr einfach gestaltet. Die Luft wird entweder durch axiale, zylindrische Eintrittsöffnungen in das Rotorinnere geleitet oder es wird der Strömung durch radiale, gerade Streben ein Vordrall zur Reduzierung der Eintrittsverluste aufgeprägt. Diese Art der Luftführung generiert bei sehr großen Um fangsgeschwindigkeiten hohe Eintrittsverluste.

Es ist deshalb in der Druckschrift DE-A1-196 53 839 bereits vorgeschlagen wor den, bei einem Turbogenerator mit direkter Gaskühlung zur optimalen Anströmung des Rotors auf dem Rotor eine zweistufige Axialbeschaufelung anzubringen, wel che zur Umlenkung der Strömung verwendet wird. Da die bekannte Axialbe schaufelung innerhalb der Rotorkappenplatte direkt auf dem Aussenumfang der Rotorwelle angeordnet ist, reicht sie jedoch nicht aus, um das Kühlmedium auf eine Umfangsgeschwindigkeit zu bringen, die in etwa gleich der Umfangsge schwindigkeit der aussenliegenden axialen Kühlkanäle des Rotoraktivteils ist, so dass Eintrittsverluste in diesem Bereich nicht zu vermeiden sind.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine schnelllaufende elektrische Maschine zu schaffen, welche sich bei der Kühlung des Rotors durch reduzierte Verluste im Kühlkreislauf auszeichnet.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die stirnseitige Zufuhr des Kühlmediums über wenigstens einen in den Rotor integrierten Gasleitring erfolgen zu lassen, der in radialer Richtung wirkende Leit- und Beschleunigungsmittel umfasst. Durch diese radial wirkenden Leit- und Beschleunigungsmittel wird das Kühlmedium un ter näherungsweiser Beschleunigung auf die Rotorumfangsgeschwindigkeit nach aussen geleitet und kann dann mit geringen Verlusten in die axialen Kühlkanäle eintreten. Zugleich wird durch die Leit- und Beschleunigungsmittel der Druck im Kühlmedium erhöht, so dass sich der Rotor bei geeigneter Auslegung selbst venti liert oder sogar einen Drucküberschuss erzeugt, der in nachfolgenden Kompo nenten genutzt werden kann.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die in radialer Richtung wirkenden Leit- und Beschleunigungsmittel eine radiale Be schaufelung. Ein derartiger Gasleitring, der ähnlich wirkt, wie das Verdichterlauf rad eines Turboladers, bringt bei vergleichsweise einfachem Aufbau bereits eine deutliche Verringerung der Verluste und einen merklichen Druckaufbau.

Eine weitere Verbesserung lässt sich erreichen, wenn in Strömungsrichtung vor der radialen Beschaufelung zusätzlich eine axiale Beschaufelung angeordnet ist.

Der Aufbau des Gasleitringes lässt sich vereinfachen, wenn gemäss einer ande ren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die in radialer Richtung wirkenden Leit- und Beschleunigungsmittel radiale Streben oder geteilte radiale Streben um fassen.

Wenn die Maschine so aufgebaut ist, dass der Rotoraktivteil stirnseitig durch Pressplatten zusammengehalten wird, sowie Kurzschlussscheiben aufweist, wel che ausserhalb der Pressplatten angeordnet sind, ist es besonders günstig, wenn der Gasleitring zwischen einer der Pressplatten und der entsprechenden Kurz schlussscheibe angeordnet ist, und wenn eine vorhandene zusätzliche axiale Be schaufelung zwischen der entsprechenden Kurzschlussscheibe und der Rotor welle angeordnet ist.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in einem schematisierten Längsschnitt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors einer elektrischen Maschine nach der Erfindung mit einem Gasleitring, welcher nur eine radiale Be schaufelung umfasst;

Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung die eine Stirnseite des Ro tors gemäss Fig. 1 mit der radialen Beschaufelung des Gasleitrin ges, der ohne Deckscheibe wiedergegeben ist;

Fig. 3 eine zu Fig. 2 vergleichbare Darstellung eines Rotors mit einem zwischen Pressplatte und aussenliegender Kurzschlussscheibe angeordnetem Gasleitring mit getrennter axialer und radialer Be schaufelung;

Fig. 4 der Rotor nach Fig. 3 mit weggelassener Kurzschlussscheibe;

Fig. 5a-e im schematisierten Längsschnitt verschiedene Ausgestaltungen des Gasleitringes nach der Erfindung (Teilfiguren 5(b) bis 5(e)) im Vergleich zu einem Rotor ohne Leiteinrichtung (Teilfigur 5(a)); und

Fig. 6 die berechnete Druckerzeugung für die in Fig. 5 dargestellten 5 Rotoreintrittskonfigurationen, wobei für die Varianten gemäss Fig. 5(d) und 5(e) je zwei verschiedene Schaufelwinkel angenommen worden sind.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die nachfolgend erläuterte Erfindung ist für alle Kühlkonzepte geeignet, welche eine stirnseitige Zufuhr der Kühlluft zum Rotor beinhalten. Dies betrifft sowohl asymmetrische Rotorkühlkonzepte mit einseitiger Kühlluftzufuhr wie auch symme trische Konzepte mit beidseitiger Einspeisung. Zur Veranschaulichung ist in Fig. 1 exemplarisch ein asymmetrisch gekühlter und axial durchströmter Rotor 10 einer schnelllaufenden elektrischen Maschine im schematisierten Längsschnitt dargestellt. Der Rotor 10 umfasst eine Rotorwelle 11, auf der ein Rotoraktivteil 12 ange ordnet ist. Der Rotoraktivteil 12 ist von beiden Stirnseiten her durch verschraubte Pressplatten 13, 14 zusammengehalten, auf deren Innenseite jeweils eine Kurz schlussscheibe 15, 16 angeordnet ist. Durch den Rotoraktivteil 12 laufen zwischen Rotorwelle und dem Aussenumfang des Rotoraktivteils in axialer Richtung meh rere axiale Kühlkanäle 17, 18.

Die Kühlluft (oder allgemeiner: das gasförmige Kühlmedium) tritt auf der linken Seite durch eine Eintrittsöffnung 21 in einen Gasleitring 25 ein, der als mit einer radialen Beschaufelung 20 versehenes, in den Rotor integriertes und nach aussen von einer Deckscheibe 19 begrenztes Laufrad ausgebildet ist. Nachdem die Kühlluft im Gasleitring beschleunigt und nach aussen umgelenkt worden ist, durchströmt sie den Rotoraktivteil 12 in den axialen Kühlkanälen 17, 18 und tritt auf der rechten Seite wieder aus dem Rotoraktivteil 12 aus. Die Wirkungsweise des Gasleitrings 25 besteht einerseits in einer möglichst gleichförmigen Beschleu nigung des Strömungsmediums (Kühlmediums) auf die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 10, so daß hierdurch die Relativgeschwindigkeit von Fluid und Rotor verringert wird. Die auftretenden Druckverluste sind in der Regel proportional zum Quadrat dieser Geschwindigkeitsdifferenz und werden auf diese Weise minimiert. Eine weitere sehr wichtige Eigenschaft des Gasleitrings 25 ist die Erhöhung des Drucks im Strömungsmedium, so dass sich der Rotor 10 bei geeigneter Auslegung selbst ventiliert oder sogar einen Drucküberschuss erzeugt, der in nachfolgenden Komponenten genutzt werden kann.

Die konstruktive Gestaltung des Gasleitrings 25 aus Fig. 1 ist mit dem Verdichter laufrad eines Turboladers vergleichbar; allerdings findet im Gegensatz hierzu kein unmittelbares Ausströmen aus der Laufbeschaufelung in ein stationäres Bauteil statt, sondern das Fluid strömt in die axialen Kühlkanäle 17, 18 im Rotor 10 ein.

In Fig. 2 ist eine mögliche Bauform (rein radiale Form) des Gasleitrings 25 darge stellt. Zur besseren Visualisierung der (radialen) Beschaufelung 20 ist die Deck scheibe 19 zur Kapselung des Laufrads weggelassen. Als weitere mögliche Bauform ist die (nicht dargestellte) diagonale Ausführung zu nennen, bei der in nerhalb einer einzigen Beschaufelung eine axiale Zuströmung und eine radiale Abströmung verwirklicht ist. Je nach Ausführung der Maschine kann jedoch auch eine rein axiale Schaufelreihe 22 gefolgt von einer rein radialen Schaufelreihe 20 eine sinnvolle Lösung sein (Fig. 3, 4). Dies ist insbesondere bei Maschinen mit einer außen liegenden Kurzschlussscheibe 15' der Fall (Fig. 3). Hier kann der Be reich unterhalb der Kurzschlussscheibe (des Kurzschlussrings) 15' für die axiale Beschaufelung 22 und der Ringraum zwischen Kurzschlussscheibe 15' und Pressplatte für die radiale Beschaufelung 20 genutzt werden.

Die Wirksamkeit der Erfindung wurde im Rahmen einer Studie unter Verwendung eines 3D-Strömungssimulationsprogramms (Fluent UNS) untersucht. Die Studie beinhaltete die Berechnung von verschiedenen Eintrittskonzepten, so daß auf die ser Basis eine direkte Bewertung der einzelnen Gasleitringvarianten auch im Ver gleich mit anderen Konzepten erfolgen kann. Die untersuchten Konfigurationen sind in Fig. 5(a)-(e) dargestellt. Dies sind eine

- Referenzanordnung ohne Leiteinrichtungen (Fig. 5(a))
- ein Gasleitring 25 mit geraden, radialen Streben 23 (Fig. 5(b),
- ein Gasleitring 25 mit geteilten und gegeneinander versetzten, geraden Stre ben 24 (Fig. 5(c),
- ein Gasleitring 25 mit rein radialer Beschaufelung 20 (Fig. 5(d); mit zwei ver schiedenen Schaufelwinkeln), sowie
- ein Gasleitring 25 mit axialer und radialer Beschaufelung 22 bzw. 20 (Fig. 5(e); mit jeweils zwei verschiedenen Schaufelwinkeln).

Die Ergebnisse der Studie gelten für eine Drehzahl von 12000 U/min und einen Rotoraußendurchmesser von 460 mm und sind in Fig. 6 in einem Balkendiagramm zusammenfassend dargestellt. Die statische Druckdifferenz zwischen einem ringförmigen Eintrittsplenum und dem Austrittsquerschnitt am Ende der Ro torkühlkanäle (17, 18 in Fig. 1) ist für die untersuchten Konfigurationen für einen jeweils konstanten Kühlluftmassenstrom abgebildet. Die Balken (A) und (C) bezie hen sich dabei auf eine Konfiguration gemäss Fig. 5(e) mit zwei unterschiedlichen Schaufelwinkeln, die Balken (B) und (D) beziehen sich auf eine Konfiguration ge mäss Fig. 5(d) mit zwei unterschiedlichen Schaufelwinkeln, der Balken (E) bezieht sich auf die Konfiguration gemäss Fig. 5(a) ohne Leiteinrichtung, und die Balken (F) und (G) beziehen sich auf die Konfigurationen gemäss Fig. 5(c) bzw. 5(b) mit radialen geteilten oder ungeteilten Streben 24 bzw. 23.

Aus Fig. 6 ist erkennbar, dass für eine Anordnung ohne rotierende Leiteinrichtun gen (Balken (E)) ein Vordruck von ca. 17000 Pascal benötigt wird, um den erfor derlichen Massenstrom durch den Rotor 10 zu leiten. Zum Vergleich sei an dieser Stelle angefügt, daß die üblicherweise eingesetzten Fremdventilatoren eine Druckdifferenz von 3000-6000 Pascal erzeugen.

Bei allen übrigen Varianten ist der statische Druck im Austrittsquerschnitt gering fügig höher (Varianten mit geraden Streben; Balken (F) und (G)) bzw. signifikant höher (Balken (B) und (D) mit radialer Beschaufelung und Balken (A) und (C) mit radialer und axialer Beschaufelung) als im Eintrittsquerschnitt außerhalb des Ro tors. Die beste beschaufelte Konfiguration (A) erzeugt beispielsweise einen sechsfachen Drucküberschuß im Vergleich zu dem Laufrad mit geraden und ge teilten Streben (F). Dies bedeutet letztendlich, daß der Rotor 10 bei geeigneter Gestaltung des Gasleitrings 25 als sich selbst ventilierende Komponente ausge legt werden kann und sogar in der Lage ist, einen Drucküberschuß zu erzeugen. Dies kann erhebliche Vorteile für das Gesamtsystem bewirken, da ein eventuell vorhandener Fremdventilator wesentlich kleiner dimensioniert werden kann oder mitunter auch entfallen kann wenn der Rotor 10 zum Druckaufbau beiträgt.

Zusammenfassend kann daher festgehalten werden, daß bei schnelllaufenden Rotoren 10 von elektrischen Maschinen ein beschaufeltes und in den Rotor 10 integriertes Laufrad sehr gut geeignet ist, um die bei der Zuführung von Kühlluft entstehenden Druckverluste durch eine weitgehend homogene Beschleunigung des Fluids auf die Rotorumfangsgeschwindigkeit zu minimieren. Darüber hinaus wird die Drehbewegung des Rotors 10 für einen Druckaufbau im Strömungsme dium genutzt, so daß sich hierdurch ein sehr effizientes Gesamtsystem ergibt.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Rotor

11

Rotorwelle

12

Rotoraktivteil

13

,

14

Pressplatte

15

,

16

Kurzschlussscheibe

15

' Kurzschlussring (aussenliegend)

17

,

18

axialer Kühlkanal

19

Deckscheibe

20

radiale Beschaufelung

21

Eintrittsöffnung (ringförmig)

22

axiale Beschaufelung

23

radiale Strebe

24

radiale Strebe (geteilt)

25

Gasleitring

Claims

1. Schnelllaufende elektrische Maschine, insbesondere in Form eines Asynchronmotors, welche Maschine einen mittels einer Rotorwelle (11) drehbar gelagerten Rotor (10) mit einem Rotoraktivteil (12) umfasst, der über zwischen Rotorwelle (11) und dem Aussenumfang des Rotoraktivteils (12) angeordnete, axiale Kühlkanäle (17, 18) gekühlt wird, denen von wenigstens einer Stirnseite des Rotors (10) ein gasförmiges Mühlmedium, insbesondere Kühlluft, zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitige Zufuhr des Kühlmediums über we nigstens einen in den Rotor (10) integrierten Gasleitring (25) erfolgt, der in radialer Richtung wirkende Leit- und Beschleunigungsmittel (20, 23, 24) umfasst.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung wirkenden Leit- und Beschleunigungsmittel eine radiale Beschaufelung (20) umfassen.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Strö mungsrichtung vor der radialen Beschaufelung (20) eine axiale Beschaufelung (22) angeordnet ist.

4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung wirkenden Leit- und Beschleunigungsmittel radiale Streben (23) umfas sen.

5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung wirkenden Leit- und Beschleunigungsmittel geteilte radiale Streben (24) umfassen.

6. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung wirkenden Leit- und Beschleunigungsmittel eine einzige diagonal ausgebildete Beschaufelung umfasst, bei der eine axiale Zuströmung und eine radiale Abströmung verwirklicht ist.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung wirkenden Leit- und Beschleunigungsmittel (20, 23, 24) innerhalb des Gasleitringes (25) von einer Deckscheibe (19) umgeben sind.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotoraktivteil (12) stirnseitig durch Pressplatten (13, 14) zusammenge halten wird, sowie Kurzschlussscheiben (15, 16) aufweist, welche innerhalb der Pressplatten (13, 14) angeordnet sind, und dass der Gasleitring (25) ausserhalb einer der Pressplatten (13, 14) angeordnet ist.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotoraktivteil (12) stirnseitig durch Pressplatten (13, 14) zusammenge halten wird, sowie Kurzschlussscheiben (15') aufweist, welche ausserhalb der Pressplatten (13, 14) angeordnet sind, und dass der Gasleitring (25) zwischen einer der Pressplatten (13, 14) und der entsprechenden Kurzschlussscheibe (15') angeordnet ist.

10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasleit ring (25) eine axiale Beschaufelung (22) umfasst, und dass die axiale Beschaufe lung (22) zwischen der entsprechenden Kurzschlussscheibe (15') und der Rotor welle (11) angeordnet ist.