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Kühlanordnung für die mit Hohlleitern ausgerüstete Erregerwicklung
von Turbogeneratoren Bei Turbogeneratoren großer Leistung werden die Leiter der
Erregerwicklung des Läufers als Hohlleiter ausgeführt, und das Kühlmittel (insbesondere
Wasserstoff) wird durch den Innenraum dieser Hohlleiter hindurchgepreßt. Der Eintritt
des Kühlmittels in die Läuferwicklung erfolgt in den meisten Fällen von beiden Stirnseiten
her durch Hochdrucklüfter, die das Kühlmittel unter die Kappen drücken, von wo es
dann durch Eintrittsöffnungen an den Wickelköpfen in die Hohlleiter eintritt und
längs des Läuferballens entweder durch Öffnungen an den Nutenverschlußkeilen oder
an den Seiten der Erregerwindungen durch die Zähne zwischen den Nuten in den Luftspalt
austritt. Alle diese Anordnungen haben jedoch den Nachteil, daß das Kühlmittel beim
Austritt aus dem Leiter die Leiterisolation entweder an der Nutwandung oder von
Leiter zu Leiter in der Nut durchbrechen muß, wodurch die Isolationsfestigkeit der
gesamten Erregerwicklung geschwächt wird, da dann zwischen dem Läufereisen und dem
in geringem Abstand befindlichen Erregerkupfer oder zwischen zwei Windungen des
Erregerkupfers nur der schmale Querschnitt des Isolationsmaterials als Oberflächenwiderstand
an den Durchbruchstellen vorhanden ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es auch bei einer an
sich eine Niederspannungswicklung darstellenden Erregerwicklung eines Turbogenerators
mit direkter Leiterkühlung darauf ankommt, daß eine Unterbrechung der durchgehenden
Isolation, wie sie bei den bekannten Anordnungen notwendig ist, vermieden werden
muß. Infolge der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels besteht nämlich
die Gefahr, daß die Isolation beschädigt wird, so daß ein zeitraubendes und kostspieliges
Nachtarieren des Turboläufers erforderlich wird. Außerdem setzen sich Fremdkörper
und Schmutzteile an diesen Öffnungen ab, die schließlich die Isolation leitend überbrücken.
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Diese Schwierigkeiten umgeht die Erfindung dadurch, daß sowohl die
Eintritts- als auch die Austrittsöffnungen der innerhalb der Wicklungsisolation
verlaufenden, im Läuferballen durchgehenden Kühlkanäle jeweils an den stirnseitigen
Enden der Hohlleiter der Wicklungsstäbe und/oder an den in Umfangsrichtung der Maschine
verlaufenden Teilen der Wickelkopfhohlleiter angebracht werden. Um bei dieser Anordnung
eine ungleiche Erwärmung des Turboläufers zu vermeiden, sieht die Erfindung weiter
vor, die Kühlkanäle der Hohlleiter aufeinanderfolgender Nuten nach dem an sich bekannten
Gegenstromprinzip zu belüften. Die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen der Hohlleiter
aufeinanderfolgender Nuten liegen also auf verschiedenen Stirnseiten des Turboläufers.
Durch die vorgesehene Belüftung nach dem Gegenstromprinzip wird erreicht, daß der
zwischen den Nuten befindliche Läuferzahn die Temperaturerhöhung in der einen Nut,
die durch das relativ warm abströmende Kühlmittel verursacht wird, durch Übertragung
dieser Wärme auf die benachbarte Nut, in der frisches kaltes Kühlmittel strömt,
weitgehend ausgleicht.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele der
Zeichnung näher erläutert. Zunächst zeigt Fig. 1 den Querschnitt eines Turboläufers,
wobei die Erregerwicklung für Jeden Magnetpol in, vier benachbarten Nuten untergebracht
ist; Fig. 2 zeigt die Anordnung der Hohlleiter in diesen Nuten, Fig. 3 eine Draufsicht
auf die Anordnung des Wickelkopfes der Erregerwicklung mit den am Wickelkopf angeordneten
Ein- und Austrittsöffnungen für das Kühlmittel; Fig. 4 zeigt einen axialen- Schnitt
an dem Wickelkopf der Fig. 3 und den anschließenden Teilen des Läufers und der Welle,
und Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf die Teile 26, 27 der Fig. 4.
Wie
aus Fig. 2 zu ersehen, sind die Hohlleiter dadurch hergestellt, daß zwei benachbarte,
voneinander nicht isolierte Nutleiter 1 und 2 einander zugekehrte, in Richtung der
Leiter verlaufende muldenförmige Ausnehmungen besitzen, wodurch ein gemeinsamer
kanalförmiger Hohlraum 3 geschaffen wird. Die beiden Leiter 1 und 2 sind ringsherum
von Isolationsmaterial umgeben, wobei das an die Nutwandung angrenzende Isolationsmaterial
in erster Linie aus dem Nutkasten besteht, während die Isolation zwischen zwei Hohlleitern
durch eingelegte Streifen oder auch durch die Umwicklung der beiden Teile 1 und
2 eines Hohlleiters gebildet sein kann. Fig. 3 zeigt nun die Draufsicht auf den
Wickelkopf, in den die einzelnen Hohlleiter rechts von der die Stirnseite des Läuferballens
andeutenden strichpunktierten Linie eintreten. Wie aus Fig. 4 und 2 ersichtlich,
sind je Nut sechs Hohlleiter übereinander angeordnet, die im Wickelkopf in axialer
Richtung durch größere, vom Kühlgas ausgefüllte Zwischenräume voneinander getrennt
sind. Die einzelnen Hohlleiter besitzen im Wickelkopf mehrere seitliche Öffnungen
4, durch die das Kühlmittel ein- oder austreten kann. Diese seitlichen Öffnungen
sind nur an den Teilen der Wickelkopfleiter angebracht, die in der Umfangsrichtung
verlaufen, da hier die Abstände zwischen den verschiedenen Nuten zugeordneten benachbarten
Hohlleitern am größten sind, so daß das Kühlmittel in diesen Abstandsräumen (in
Fig. 4 mit A für den Kühlmittelaustritt und E für den Kühlmitteleintritt bezeichnet)
ohne größeren Druckverlust zu den einzelnen Öffnungen 4 gelangen und in diese ein-
oder austreten kann. Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, tritt das Kühlmittel
an den Stirnverbindungshohlleitern 11 und 13 in diese ein, während es in den dazwischengeschalteten
Stirnverbindungsbügeln 12 und 14 aus den Hohlleitern austritt. Dementsprechend ergeben
sich, wie aus den eingezeichneten Pfeilen der Fig. 3 zu ersehen ist, an den benachbarten
Nuten entgegengesetzte Strömungsrichtungen für das Kühlmittel.
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Für die Zuleitung des Kühlmittels sind an den äußeren Stirnseiten
der Läuferkappen 15 abschließende Stirnplatten 16 vorgesehen, die die Welle 17 mit
einer Ringöffnung 18 umschließen. Durch diese Ringöffnung tritt das Kühlmittel unter
die Läuferkappe. Zu diesem Zwecke befindet sich auf der Welle ein zweistufiger Kompressor
mit den beiden schematisch angedeuteten umlaufenden Teilen 19 und 20 und dem Leitapparat
21. Dieser Kompressor preßt das Kühlmittel über ein die Welle umschließendes Verbindungsrohr
22 in den Ringraum 18, von wo es gemäß den eingezeichneten Pfeilen zu der inneren
Mantelfläche des Wickelkopfes gelangt und dort durch freie Öffnungen 23 und 24 in
radialer Richtung nach außen umbiegt und zu den Eintrittsöffnungen 4 an den einzelnen
Hohlleitern gelangt.
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Das den Läuferballen verlassende, in den Wickelkopf eintretende Kühlmittel
gelangt von den Austrittsöffnungen an den Hohlleitern ebenfalls zunächst in die
Zwischenräume A zwischen den einzelnen Hohlleiterbügeln 13 und 14 bzw. 11 und 12.
Von hier strömt es in radialer Richtung zu Öffnungen 25 in der Läuferkappe 15 und
gelangt durch diese in den Raum außerhalb der Wickelkappe. Diese Öffnungen 25 sind
in bekannter Weise als radiale Bohrungen an der Wickelkappe angebracht.
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Damit sich die Austrittsströmung des Kühlmittels und die in den Wickelkopf
eintretende Strömung unter dem Wickelkopf nicht gegenseitig hindern, sind die von
den beiden Kühlströmen erfüllten Räume voneinander getrennt. Zu diesem Zweck sind
an der inneren Mantelfläche der Wickelköpfe aus Isolationsmaterial bestehende Abdeckplatten
26 und 27 vorgesehen, die den Grundriß gemäß Fig. 5 aufweisen und die die Austrittsräume
A nach der Welle zu abschließen, so daß das aus den Hohlleitern austretende Kühlmittel
nur noch durch die Bohrungen 25 in der Läuferkappe nach außen fließen kann. Wie
aus Fig. 5 ersichtlich, lassen diese Abdeckplatten an der inneren Mantelfläche des
Wickelkopfes die in der Umfangsrichtung verlaufenden Öffnungen 23 und 24 frei, durch
die -wie bereits erwähnt - das zuströmende Kühlmittel in die Eintrittsräume E gelangt.
Gemäß Fig. 5 besitzen die Abdeckplatten 26 und 27 U-förmigen Grundriß und schließen
den gesamten Zwischenraum zwischen zwei benachbarten und verschiedenen Nuten angehörtgen
Wickelkopfleitern unterhalb des Wickelkopfes ab. Die Abdeckplatten können zu ihrer
Befestigung z. B. nach der Welle zu mit Ansätzen versehen sein, über die sie sich
auf der Welle abstützen.
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Wie schon erwähnt, liegt der Vorteil der neuen Anordnung insbesondere
darin, daß innerhalb des Ballens an keiner Stelle der Wicklung die Isolation für
die Lüftung durchbrochen wird. Außerdem erfolgt der Einbau der Nutisolation (Isolierkästen)
in genau gleicher Weise wie bei der normalen Ausführung, wobei die Nutenkästen über
ihre ganze Länge und Nutenhöhe unter vollem Preßdruck stehen, so daß an keiner Stelle
eine Verformung des Nutenkastens möglich ist.