DE102006002173A1

DE102006002173A1 - Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere Generator

Info

Publication number: DE102006002173A1
Application number: DE102006002173A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Schwery; Richard Michael Dr. Zickermann
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-08-09
Also published as: CA2636691A1; CN101375487B; EP1974440A1; US20080309177A1; JP2009524380A; US7741740B2; CN101375487A; WO2007082877A1

Abstract

Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere gasgekühlter Generator, wenigstens umfassend einen Rotor (1), einen Stator (2), ein den Stator umgebendes Gehäuse (3), aus Teilleitern aufgebaute Statorwicklungsstäbe, welche an den Stirnseiten des Stators in einen Wickelkopfraum (5) austreten und deren Enden dort elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, weiterhin umfassend im wesentlichen radiale Schlitze oder Kanäle innerhalb sowohl des Rotors (1) wie auch des Stators (2), durch welche ein gasförmiges Kühlmittel hindurchleitbar ist, wobei ein Teilstrom (8) des aus dem Rotor (1) austretenden oder von einem Ventilator erzeugten Kühlmittels der Kühlung der in dem Wickelkopfraum (5) angeordneten Komponenten, insbesondere Wickelköpfe (6), Verbinder (7) und Ableiter (7), dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbinder (7) und Ableiter (7) im Wirkungsbereich wenigstens einer strömungsleitenden Einrichtung (9; 10) für das Kühlmittel (8) angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine gasgekühlte elektrische Maschine, vorzugsweise einen gasgekühlten Generator, gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Die Erfindung ist insbesondere zur Erzielung einer verbesserten Kühlung der Komponenten im Wickelkopfraum eines luftgekühlten Generators anwendbar.
Stand der Technik
Gattungsgemässe elektrische Maschinen umfassen in der Regel einen Rotor, einen Stator sowie ein den Stator umschliessendes Gehäuse. In Nuten übereinander angeordnete, aus gegeneinander isolierten Teilleitern aufgebaute Statorwicklungsstäbe sind in einem Statorblechkörper angeordnet, an dessen Stirnseiten sie in einen Wickelkopfraum austreten. Dort sind sie in radialer Richtung und in Umfangsrichtung abgebogen und an ihren Enden elektrisch und mechanisch zu einer Wicklung verbunden. Der Wickelkopfraum nimmt die Statorwickelköpfe sowie die Verbinder und Ableiter auf.
Bei elektrischen Maschinen mit indirekt gekühlter Statorwicklung wird ein gasförmiges Kühlmittel, in der Regel Kühlluft, im Bereich der Rotornabe in den Rotor eingeleitet. Durch Schlitze im Rotorkranz tritt es in den Luftspalt aus, um im wesentlichen radial verlaufende Kanäle des Stators zu dem Zwecke der Kühlung der Statorwicklung zu beaufschlagen. Ein Teilstrom des Kühlmittels wird axial in Richtung auf den Wickelkopfraum umgelenkt zur Kühlung der dort angeordneten Komponenten. Alternativ kann dieser Teilstrom auch von einem stirnseitig auf dem Rotor montierten Ventilator oder einem im Bereich der Wickelköpfe angeordneten Fremdventilator bereitgestellt werden.
Bei modernen Hochleistungsmaschinen stellt eine zuverlässige Kühlung der Verbinder und Ableiter ein zunehmende Herausforderung dar. Während der in die Wicklungsnuten eingebettete Teil der Wicklung gezielt gekühlt wird, sind die freiliegenden Wicklungsteile in dem Wickelkopfraum, insbesondere die Verbinder und Ableiter, der Gefahr einer zu hohen Erwärmung ausgesetzt. Aufgrund ihrer Lage quasi im Windschatten der Wickelköpfe ist eine definierte Kühlung der Verbinder und Ableiter nur schwierig zu realisieren. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in dieser Region ist niedrig und der Kühlmittelstrom ungleichmässig verteilt, die Strömungsparameter insgesamt also nur schwer zu beherrschen.
In 1 ist die Kühlgasführung in einem luftgekühlten Generator nach dem Stand der Technik in schematisierter Weise wiedergegeben.
Zur Kühlung der Komponenten in dem Wickelkopfraum (5) wird ein Teilstrom (8) des aus dem Rotor (1) ausströmenden Kühlmittels in axiale Richtung umgelenkt und in Richtung der Stirnseiten des Statorblechkörpers (2) zu den Wickelköpfen (6) hingeleitet. Dort erfährt das Kühlmittel wiederum eine Umlenkung in radiale Richtung und durchströmt zunächst die Wickelköpfe (6), um anschliessend die radial weiter aussen angeordneten Verbinder (7) und Ableiter (7) zu beaufschlagen. Über Öffnungen (12) im Statorgehäuse (3) wird das Kühlmittel abgeführt und je nach Kühlungsart der elektrischen Maschine abgeleitet oder einem Kühler zugeführt.
Druckverluste und Strömungsablenkungen beim Durchströmen der Wickelköpfe bewirken eine ungleichmässige Beaufschlagung der nachgeordneten zu kühlenden Komponenten und eine vergleichsweise niedrige Strömungsgeschwin digkeit mit der zwangsläufigen Folge der Gefahr einer zumindest lokal ungenügenden Kühlung dieser Komponenten.
Eine theoretisch mögliche Erhöhung des Volumenstroms an Kühlmittel in diesem Bereich erbringt keine wesentliche Verminderung dieses Problems.
Bei elektrischen Maschinen mit direkt gekühlter Statorwicklung treten die geschilderten Probleme praktisch nicht auf, da das durch die Hohlleiter strömende Kühlmittel eine ausreichende Kühlung der Leiterstäbe bewirkt.
Massnahmen für eine direkte Kühlung der Leiterstäbe sind jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlmittelführungskonzept einer gasgekühlten elektrischen Maschine, insbesondere eines luftgekühlten Generators, bereitzustellen, welches eine zuverlässige Kühlung der Komponenten des Wickelkopfraums, insbesondere der Verbinder und Ableiter, gewährleistet und dabei mit einem geringen Aufwand erstellt oder nachgerüstet werden kann.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den in den unabhängigen Ansprüchen näher definierten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung geben die abhängigen Ansprüche wieder.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, bei einer gasgekühlten elektrischen Maschine im Bereich der Wickelköpfe strömungsleitende Einrichtungen anzuordnen mit dem Ziel der Einstellung definierter Strömungsverhältnisse, um das Kühlmittel gezielt den der Gefahr einer erhöhten Erwärmung ausgesetzten Komponenten zuzuführen.

Die Verwirklichung dieses Konzepts kann in vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, indem die zu beaufschlagenden Komponenten, insbesondere die Verbinder und Ableiter, innerhalb einer Verschalung in Form voneinander beabstandeter radial innerer und radial äusserer Verschalungselemente angeordnet sind. Die radial voneinander beabstandeten Verschalungselemente bilden einen Strömungskanal aus, in welchem das Kühlmittel unter definierten Bedingungen geführt werden kann.

Mittels dieser Massnahme gelingt es, die zu kühlenden Komponenten definierten Strömungsbedingungen auszusetzen und insbesondere eine erhöhte Geschwindigkeit des Strömungsmittels zu erzeugen und damit eine zuverlässige Kühlung eben dieser Komponenten zu gewährleisten.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Verbinder und Ableiter mit einer radial inneren, im wesentlichen senkrechten Wand und einer radial äusseren, im wesentlichen senkrechten Wand zu umgeben, wobei beide Wände mit dem Statorgehäuse mechanisch verbunden sind.

Die Einstellung klarer Strömungsverhältnisse in dem ausgebildeten Strömungskanal bedingt eine entsprechende Anordnung von Ein- und Austrittsöffnungen für das Kühlmittel. Nach einer Ausführungsart enden die vom Statorgehäuse abgewandten Wandenden frei, sind also oben offengelassen. Damit ist eine Öffnung für eine definierte Zuströmung des Kühlmittels zu den Verbindern und Ableitern geschaffen. Über Austrittsöffnungen in dem Statorgehäuse wird das verbrauchte Kühlmedium in an sich bekannter Weise abgeführt.

In einer ergänzenden und besonders bevorzugten Ausführungsform dient das radial äussere Verschalungselement abschnittsweise oder vollständig als Aussenwand der Verbinder und der Wickelkopfabdeckung.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass das Kühlmittel geführt wird und dadurch im Bereich der Verbinder und Ableiter klare Strömungsverhältnisse und erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten geschaffen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche oder einander entsprechende Elemente figurieren unter demselben Bezugszeichen.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die 1 und 2 geben in stark schematisierter Weise das Wesen der Erfindung wieder.
1 gibt dabei anhand einer Schnittdarstellung den grundsätzlichen Aufbau eines luftgekühlten Generators wieder und zeigt dessen Luftführungskonzept gemäss dem Stand der Technik.
Der den Rotor (1) umgebende Stator (2) umfasst einen aus voneinander distanzierten Teilblechkörpern aufgebauten Statorblechkörper, der, analog dem Rotorkranz aus segmentierten Blechen aufgebaut ist und radial verlaufende Kühlschlitze zwischen benachbarten Teilblechkörpern aufweist. Der Statorblechkörper ist von einer Statortragkonstruktion umgeben, welche sich einerseits auf dem Fundament abstützt und andererseits mit dem Tragstern verbunden ist, welcher die vertikalen und horizontalen Kräfte von den Lagern her aufnimmt und in die Tragkonstruktion einleitet.
In diesem Zusammenhang sei auf die einleitenden Anmerkungen in der Darlegung des Standes der Technik verwiesen.
2 zeigt einen Ausschnitt eines solchen Generators im Bereich der Wickelköpfe, ausgerüstet nach dem erfindungsgemässen Konzept einer verbesserten Kühlmittelführung. Auf dem Statorgehäuse (3) sind dabei im wesentlichen senkrecht und im wesentlichen parallel zueinander, wobei dies nicht zwingend ist, eine radial innere Wand (9) und eine radial äussere Wand (10) derart angeordnet, dass sie die Verbinder (7) vollständig umschliessen. Da die Verbinder (7) in einer Mehrzahl unterschiedlicher horizontaler Ebenen angeordnet sind, in dem gewählten Ausführungsbeispiel sind es fünf übereinander liegende Ebenen, besitzen die Verschalungselemente (9; 10) eine dementsprechend angepasste axiale Ausdehnung, um die Verbinder (7) und Ableiter (7) umfassend zu umschliessen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart enden die beabstandeten Verschalungselemente (9; 10 in ihrem vom Statorgehäuse abgewandten Ende frei. Das heisst, der um die Verbinder (7) gebildete Kanal ist nach oben hin offen.
Eine derartige Gestaltung verhindert eine unkontrollierte bzw. ungleichmässige Beaufschlagung der Verbinder und Ableiter mit dem gasförmigen Kühlmittel. Nach Durchströmung der Wickelköpfe wird das Kühlmittel zunächst an einer unmittelbaren und unkontrollierten Beaufschlagung der Verbinder (7) und Ableiter (7) gehindert. Vielmehr bewirkt das innere Verschalungselement (9) eine axiale Ablenkung der Kühlmittelströmung (8) entlang seiner Oberfläche hin zu ihrem freien, vom Stator abgewandten Ende. Als Folge der herrschenden Druckverhältnisse erfolgt dort eine Strömungsumlenkung in den von den Verschalungselementen (9; 10) gebildeten Kanal. Infolge des begrenzten zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitts zwischen den Verschalungselementen (9; 10) erfolgt eine Bündelung und Beschleunigung der Kühlmittelströmung. Die Folge ist ein intensive und kontrollierte Kühlung der beaufschlagten Komponenten. Kühlmittelströme von geringer Geschwindigkeit mit einer unkontrollierten Beaufschlagung der im Windschatten der Wickelköpfe (6) liegenden Verbinder (7) und Ableiter (7) ist nunmehr ausgeschlossen.
Eine derartige Gestaltung mit frei endenden Verschalungselementen (9; 10) ist sehr einfach und preiswert erstellbar oder nachrüstbar. Sie ist indes nicht zwingend. Alternativ bietet es sich an, durch geeignete konstruktive Massnahmen in dem Eintrittsquerschnitt zwischen den Verschalungselementen (9; 10) eine optimale Beaufschlagung der zu kühlenden Komponenten mit dem Kühlmittel zu unterstützen. So ist es denkbar, die Verschalungselemente (9; 10) unterschiedlich lang auszubilden, beispielsweise das radial innere Element (9) kürzer auszubilden und/oder diesen Bereich mit Strömungsleiteinrichtungen, wie Strömungsleitblechen, auszustatten, um die Richtung des einströmenden Kühlmittels (8) oder dessen Massenstromverteilung über den Strömungsquerschnitt in einer gewünschten Weise zu beeinflussen. Dies kann eine Vergleichmässigung oder ggf. auch eine gezielte Verungleichmässigung des einströmenden Kühlmittels bezwecken, stets im Hinblick auf eine optimale Beaufschlagung der zu kühlenden Komponenten.

1: Rotor
2: Stator
3: Statorgehäuse
4: Wickelkopfabdeckung
5: Wickelkopfraum
6: Wickelkopf
7: Verbinder, Ableiter
8: Teilstrom des gasförmigen Kühlmittels
9: radial inneres Verschalungselement
10: radial äusseres Verschalungselement
11: Einströmungsquerschnitt
12: Abzugsöffnung für das Kühlmittel im Statorgehäuse

Claims

Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere gasgekühlter Generator, wenigstens umfassend einen Rotor (1), einen Stator (2), ein den Stator umgebendes Gehäuse (3), aus Teilleitern aufgebaute Statorwicklungsstäbe, welche an den Stirnseiten des Stators in einen Wickelkopfraum (5) austreten und deren Enden dort elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, weiterhin umfassend im wesentlichen radiale Schlitze oder Kanäle innerhalb sowohl des Rotors (1) wie auch des Stators (2), durch welche ein gasförmiges Kühlmittel hindurchleitbar ist, wobei ein Teilstrom (8) des aus dem Rotor (1) austretenden oder von einem Ventilator erzeugten Kühlmittels der Kühlung der in dem Wickelkopfraum (5) angeordneten Komponenten, insbesondere Wickelköpfe (6), Verbinder (7) und Ableiter (7), dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbinder (7) und Ableiter (7) im Wirkungsbereich wenigstens einer strömungsleitenden Einrichtung (9; 10) für das Kühlmittel (8) angeordnet sind.
Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere gasgekühlter Generator, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbinder (7) und Ableiter (7) von wenigstens einem radial inneren und wenigstens einem radial äusseren Verschalungselement (9; 10) umgeben sind.
Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere gasgekühlter Generator, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschalungselemente (9; 10) in Form zweier voneinander beabstandeter im wesentlichen senkrecht auf dem Statorgehäuse (3) angeordneter, umlaufender Wände ausgebildet sind.
Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere gasgekühlter Generator, nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschalungselemente (9; 10) mit dem Statorgehäuse (3) mechanisch verbunden sind.
Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere gasgekühlter Generator, nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschalungselemente (9; 10) an ihren vom Statorgehäuse (3) abgewandten Enden einen freien Einströmungsquerschnitt (11) für das Kühlmittel (8) offenlassen.
Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere gasgekühlter Generator, nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschalungselemente (9; 10) eine unterschiedliche axiale Länge aufweisen.
Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere gasgekühlter Generator, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das radial innere Verschalungselement (9) kürzer ausgebildet ist als das radial äussere Verschalungselement (10).
Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere gasgekühlter Generator, nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschalungselemente (9; 10) an ihren vom Statorgehäuse (3) abgewandten Enden mit Strömungsleiteinrichtungen ausgestattet sind.
Gasgekühlte elektrische Maschine, insbesondere gasgekühlter Generator, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äussere Verschalungselement (10) zumindest abschnittsweise gleichzeitig als Aussenwand der Wickelkopfabdeckung (4) dient.
Verfahren zur Kühlung der Verbinder (7) und/oder Ableiter (7) einer gasgekühlten elektrischen Maschine, insbesondere eines gasgekühlten Generators, gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom (8) des gasförmigen Kühlmittels im Bereich des Wickelkopfraums (5) zwischen eine radial innere und eine radial äussere strömungsbegrenzende Kontur eingeleitet und dabei beschleunigt wird, so dass die Verbinder (7) und/oder Ableiter (7) von einer ausgerichteten Kühlmittelströmung erhöhter Geschwindigkeit beaufschlagt werden.
Verfahren zur Kühlung der Verbinder ( ) und Ableiter ( ) einer gasgekühlten elektrischen Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Kühlmittel (8) im Bereich des Wickelkopfraums (5) umgelenkt wird und in einer im wesentlichen parallel zur Rotationsachse gerichteten Strömung in Richtung auf das Statorgehäuse die Verbinder (7) und/oder Ableiter (7) beaufschlägt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch Öffnungen (12) des Statorgehäuses (3) abgezogen wird.