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Gasgekühlte dynamoelektrische Maschine Bei der neueren Entwicklung
von gasgekühlten dynamoelektrischen Maschinen, insbesondere bei wasserstoffgekühlten
Turbogeneratoren, bildet die Stromaufnahmefähigkeit der Leitungsdurchführungen und
der Verbindungsleiter zwischen den einzelnen Spulen eine obere Grenze für das weitere
Ansteigen des Leistungsfaktors der Maschine.
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Aus verschiedenen Gründen ist bei derartigen Maschinen die Hochdruckseite
des Kühlsystems auf der den Stromdurchführungen abgewandten Seite des Generatorgehäuses
vorgesehen, so daß die stromführenden Teile, welche die höchste Stromkonzentration
und damit die größte Erwärmung aufweisen, auf der Niederdruckseite des Kühlsystems
liegen. Nun erwärmt sich aber der Gasstrom während des Durchströmens des Generators
von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite, so daß die Kühlwirkung gerade an
den Stellen, die einer verstärkten Kühlung bedürfen, nicht mehr so groß ist wie
bei den auf der Hochdruckseite angrenzenden stromführenden Teilen.
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Dieses bei den Turbogeneratoren sehr prekäre Problem löst die Erfindung
in einfacher und neuartiger Weise.
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Die Erfindung betrifft eine gasgekühlte dynamoelektrische Maschine
mit einer Hochdruckkammer und einer Niederdruckkammer und Mitteln zur Aufrechterhaltung
einer unter dem Einfluß des Druckgefälles zwischen den beiden Kammern stattfindenden
Zirkulation des Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil des Gases
in an sich bekannter Weise von der Hochdruckkammer zur direkten Kühlung der stromführenden
Teile durch die Maschine, etwa durch den Luftspalt oder durch die in axialer Richtung
sich erstreckenden Statornuten, zur Niederdruckkammer fließt, während für die Durchführung
eines anderen Teiles des Kühlgases von der Hochdruckkammer in die Niederdruckkammer
besondere Umgehungsleitungen, wie Durchführungen, Kanäle od. dgl., vorgesehen sind,
die niederdruckseitig zur Erzeugung einer Innenkühlung der stromführenden Teile
dienen, wobei Mittel, z. B. Düsen, vorgesehen sind, die eine strahlförmige Einmündung
des Kühlmittels in das Innere hohler stromführender Leiterteile, z. B. der Verbindungsleitungen
zwischen den verschiedenen Spulen der einzelnen Phasen oder der Verbindungsleiter
zu den Leitungsdurchführungen, bewirken.
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Infolge der Umgehung der stromführenden Teile wird das durch die Umgehungskanäle
geleitete Gas nicht wesentlich erwärmt und gelangt mit seiner ursprünglichen Kühlwirkung
auf die Niederdruckseite. Diese ungeschwächte Kühlwirkung wird gemäß der Erfindung
noch dadurch erheblich verstärkt, daß der aus den Kanälen austretende Gasstrom z.
B. durch eine Düse strahlförmig zusammengefaßt wird und der so gebildete Strahl
in das Innere der hohl ausgebildeten Verbindungsleitungen hineingeblasen wird. Es
findet also sowohl eine Außenkühlung als auch eine Innenkühlung der stromführenden
Teile statt. Dies wirkt sich insbesondere auf die stromführenden Teile aus, in denen
sehr hohe Stromstärken auftreten, wie dies z. B. bei den Zuführungen zu den Stromabnahmeklemmen
des Generators und bei den Verbindungsleitungen der Spulen der einzelnen Phasen
der Fall ist. Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Kühlsystem eine erheblich
höhere Belastung des Generators ermöglicht als die bisher bekannten Systeme.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung. Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt
durch eine dynamoelektrische Maschine nach der Erfindung, Fig. 2 einen Längsschnitt
nach der Linie II-II von Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt nach der Linie III-III
von Fig. 1 in verkleinertem Maßstab, der den Rahmen der dynamoelektrischen Maschine
darstellt, wobei Stator und Rotor entfernt sind,
Fig.4 die Abwicklung
eines ringförmigen Teiles der dynamoelektrischen Maschine nach den Fig. 1 und 2
mit den Verbindungsleitungen zwischen den verschiedenen Spulen der einzelnen Phasen
sowie den Verbindungsleitungen zu den Leitungsdurchführungen der Ankerwicklung der
Maschine, Fig. 5 den Grundriß des Radiatorendes einer Leitungsdurchführung und einen
teilweisen Schnitt nach der Linie V-V von Fig. 1, Fig. 6 eine Endansicht, von der
ein Teil entfernt ist, so daß ein Schnitt des Radiatorendes der Durchführung nach
Fig. 5 sichtbar wird, und Fig. 7 eine Vorderansicht, von der ein Teil entfernt ist,
so daß der Schnitt des Radiatorendes der Durchführung nach Fig. 5 sichtbar wird.
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Wie aus den Zeichnungen zu ersehen, ist die dargestellte gasgekühlte
dynamoelektrische Maschine ein völlig geschlossener wasserstoffgekühlter Turbogenerator.
Dieser Turbogenerator besteht aus einem Rotor 10 und einem Stator 11, die in einem
Gehäuse eingeschlosen sind, welches gewöhnlich mit einem Kühlgas geringer Dichte,
wie z. B. Wassterstoff, gefüllt werden kann. Das Gas kann irgendeinen geeigneten
Druck aufweisen, wie z. B. von 0,03 kg/cm2 bis zu einigen Atmosphären, wenn es sich
um Wasserstoffgas handelt. Das Gehäuse besteht aus einer äußeren, zylindrischen
Umhüllung 8, welche mit glockenförmigen Endschildern 13, 14, die an gegenüberliegenden
Enden der Maschine angeordnet sind, verbunden ist.
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Eine drehbare Welle 15 erstreckt sich durch die Endschilder 13 und
14 hindurch und ist mit einer Wellendichtung versehen, die jedoch nicht dargestellt
ist. Die Welle 15 wird durch nicht dargestellte Lager gehalten. Ein Hochdruckgebläse
16, vorzugsweise ein Zentrifugalgebläse, ist auf der Welle 15 an einem Ende der
Maschine befestigt, um den Umlauf des Kühlgases durch die Maschine zu bewirken.
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Der Rotor 10 besteht aus einem zylindrischen, genuteten magnetischen
Kern mit einer Feldwicklung, deren Windungen vorzugsweise derart angeordnet sind,
daß axiale Kühlkanäle entstehen, durch welche das Kühlgas von einem Ende des Rotorkerns
zum anderen in direkte Berührung mit dem Metall der Leitungen gebracht wird.
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Der Stator 11 besteht aus einem genuteten lamellierten, ringförmigen
Kern, der durch einen Rahmen 18 gehalten wird, welcher zwischen festen Endringen
19 und 20 befestigt ist, die mit den gegenüberliegenden Enden der äußeren Umhüllung
8 aus einem Stück bestehen. Der Rahmen 18 besteht aus einer inneren, ringförmigen
Hülle, die innerhalb der äußeren Hülle 8 konzentrisch in bestimmtem Abstand zu dieser
angeordnet ist. Der Statorkern ist in der Mitte des Rahmens 18 befestigt.
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Der Statorkern hat eine axial verlaufende Ankerwicklung 21, deren
Leitungen derart angeordnet sind, daß das Kühlgas, das von einem Ende der Maschine
zum anderen Ende durch die axial verlaufenden Statornuten hindurchströmt, im wesentlichen
in direkte Berührung mit den Leitungen kommt. Der Luftspalt hat zwischen dem Stator
und dem Rotorkörper bildet ebenfalls einen Strömungsweg für den Kühlgasstrom von
einem Ende der Maschine zum anderen.
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Die Ankerwicklung 21 besteht aus einer Wechselstromwicklung und umfaßt
Spulen. die in mehreren Phasen miteinander verbunden sind.
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Leitungen 22 verbinden die verschiedenen Spulen der einzelnen Phasen,
und Verbindungsleiter 23 verbinden die Phasen der Statorwicklung 21 mit den entsprechenden
Anschlußklemmen außerhalb des Maschinengehäuses. Diese Anschlußklemmen bestehen
au Hochspannungsdurchführungen 25, welche durch die Außenhülle 8 hindurchgehen.
Jede Durchführung besteht aus einem stromleitenden Stab 26, dessen in radialer Richtung
außenliegendes Ende eine elektrische Anschlußklemme für die Ankerwicklung bildet
und dessen inneres Ende mit dem Verbindungsleiter 23 verbunden ist.
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Die Durchführungen, die Verbindungsleiter und die Verbindungsleitungen
zwischen den einzelnen Spulen sind erfindungsgemäß derart gestaltet und angeordnet,
daß sie von innen durch das Kühlgas gekühlt werden, das in Berührung mit dem Metall
kommt, um eine gesteigerte Stromaufnahmefähigkeit zu erzielen. Jede Durchführung
besteht aus einem Wärmetauscher oder Radiator 27, der aus Radiatorrippen 28 besteht,
die mit dem inneren Ende des Durchführungsstabes 26 gut wärmeleitend verbunden sind
oder mit ihm aus einem Stück bestehen. Wie aus den Figuren ersichtlich, haben die
Rippen 28 geringen Abstand voneinander und sind parallel zueinander angeordnet,
so daß sie von dem zwischen ihnen hindurchgedrückten Kühlgas bestrichen werden.
Die Rippen 28 werden durch ein leitendes Gehäuse29 eingeschlossen. Das Radiatorgehäuse
29 ist auf die Stäbe 26 aufgeschraubt und mit Öffnungen 30, 31 an gegenüberliegenden
Seiten desselben versehen, welche mit den zueinander parallelen Rippen gleichgerichtet
verlaufen. Die Öffnung 30 dient als Gaseinlaß für das Radiatorgehäuse, während die
Öffnung 31 als Gasauslaß für dasselbe dient.
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Die Verbindungsleiter 23 sind derartig gestaltet und angeordnet,
daß sich längs laufende Gaskanäle ergeben, welche das Kühlgas in direkte Berührung
mit den Leitungen bringen. Wie dargestellt, ist jeder Verbindungsleiter 23 hohl,
um einen derartigen Gaskanal zwischen dem Radiatoreinlaß 30 und dem Auslaß 33 am
anderen Ende des Leiters zu bilden. Das Gaseinlaßende des Verbindungsleiters ist
im Auslaß des Radiatorgehäuses befestigt. Das Gasauslaßende des Verbindungsleiters
ist unter Zwischenschaltung der Auslaßdüse 33 an einer Spule befestigt.
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Jede Verbindungsleitung 22 zwischen den verschiedenen Spulen einer
Phase ist ebenfalls hohl, um einen Ventilationskanal zu bilden, und weist einen
Gaseinlaß 34 auf, der von einem Gasauslaß 35 entfernt angeordnet ist und dazu dient,
einen Strom von Kühlgas aufzunehmen. Wie in Fig. 4 dargestellt, hat jede Verbindungsleitung
Gasauslässe 35 an ihren entgegengesetzten Enden und einen einzigen Gaseinlaß 34
zwischen den Gasauslässen.
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Wie in Fig.2 dargestellt, sind die Verbindungsleitungen 22, die Verbindungsleiter
23, die Radiatoren 27 für die Durchführungen 25 und alle Gaseinlässe sowohl als
auch die Gasauslässe in einer Gaskammer 40, in der ein verhältnismäßig geringer
Druck herrscht, angeordnet, welche den Endraum zwischen den Kernen und dem Gebläse
16 bildet. Der Einlaß des Gebläses 16 ist in dieser Niederdruckkammer angeordnet.
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Die Gaskammer41 für verhältnismäßig hohen Druck ist in dem Raum in
der Nähe des anderen Endes von Stator und Rotor angeordnet. Das Kühlgas, welches
aus dem Rotor des Gebläses 16 austritt, fließt durch einen ringförmigen Diffuser
42 in einen Röhrenkühler 43. Dieser Kühler ist außerhalb des Gehäuses 8 angeordnet
und erstreckt sich in Längsrichtung dazu. Gegenüberliegende Enden des Kühlers sind
mit gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 8 verbunden, so daß das Gebläse 16 das
Kühlgas hindurchdrückt, das im abgekühlten Zustand zu der Hochdruckkammer 41
am
anderen Ende der Maschine gelangt. Von dieser Hochdruckkammer 41 aus strömt das
Kühlgas in parallelen Wegen durch den Luftspalt und die Nuten, welche im Statorkern
11 und dem Rotorkern 10 und deren Wicklungen angeordnet sind, zurück zur Niederdruckgaskammer
40 und zum Gebläse 16.
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Erfindungsgemäß sind Umgehungsleitungen vorgesehen, um das Kühlgas
von der Hochdruckkammer 41 den Gaseinlässen 30 der Durchführungen und den Gaseinlässen
34 der Verbindungsleitungen unter v erhältnismäßig hohem Druck zuzuführen, von wo
es dann zuletzt in die Niederdruckkammer 40 gelangt. Diese Umgehungsleitungen bestehen
aus Profilen 44 von U-förmigem Querschnitt, welche in Längsrichtung am Außenumfang
der inneren Umhüllung 18 angeordnet sind, um mit dieser zusammen Kanäle 45 zu bilden,
die sich in Längsrichtung der Maschine erstrecken und an beiden Enden durch anliegende
feste Endringe 19, 20 verschlossen sind. Öffnungen, wie z. B. die Bohrungen 46,
welche an der inneren Hülse 18 angeordnet sind und in die U-förmigen Kanäle führen,
leiten das Kühlgas von der Hochdruckkammer 41 diesen Kanälen 45 zu. Am Gebläseende
der Maschine sind ähnliche Bohrungen 46 in der Umhüllung 18 so angeordnet, daß sie
auf die Kanäle 45 treffen, welche durch die U-förmigen Kanäle 44 gebildet werden.
Die zur Strahlerzeugung dienenden Mittel, die von den Gaseinlässen 30 des Radiators
und den Einlässen 34 der Verbindungsleitungen entfernt angeordnet sind, bestehen
aus kurzen Rohren 47, 48, die in die Bohrungen 46 am Gebläseende der Hülle 18 eingeschraubt
sind. Wie in Fig. 1 bis 4 dargestellt, enden die Rohre 47 für die Versorgung der
Durchführungsradiatoren mit Kühlgas in L-förmigen und T-förmigen Kupplungen. Eine
Strahldüse, wie z. B. ein Rohrnippel 49, ist an jeder der beiden L-förmigen Kupplungen
befestigt, und zwei derartige Strahldüsen 49 sind in jeder der zwei T-förmigen Kupplungen
befestigt.
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Das Kühlgas, welches durch die Kanäle 45 von der Hochdruckgaskammer
41 geleitet wird, wird durch diese sechs Strahldüsen 49 in der Niederdruckkammer
in Form von freien Strahlen von Kühlgas, welches quer durch einen Teil der Niederdruckkammer
fließt, den Gaseinlässen 30 des Radiators zugeführt. Jeder freie Gasstrahl, der
in den Radiator eintritt, strömt zwischen den Rippen 28 desselben hindurch und dann
durch die damit verbundenen Verbindungsleiter 23, um dann in der Nähe der Wicklung
auszutreten. Das Kühlgas nimmt von den Radiatorrippen und von den Verbindungsleitern
Wärme auf, so daß auf diese Weise die zulässige Stromaufnahmefähigkeit von Leiter
und Durchführung erhöht wird.
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Strahlrohre 48, die mit den Kanälen 45 verbunden sind, sind derart
angeordnet, daß sie freie Strahlen von Kühlgas in die Gaseinlässe 34 der Verbindungsleitungen
22 lenken, um zu bewirken, daß das Kühlgas durch diese Leitungen strömt. Das Kühlgas
strömt von den Einlässen 34 durch die Verbindungsleitungen zu den Gasauslässen 35
am entgegengesetzten Ende der Leitungen und den in der Nähe befindlichen Wicklungen.