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Turbogenerator mit einer gemeinsamen Gaskühlung für Rotor und Stator
in geschlossenem Kreislauf Bei Turbogeneratoren mit Gaskühlung in geschlossenem
Kreislauf ist es bekannt, für die Kühlung des Rotors und des Stators Gasströme vorzusehen,
die mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch die Maschine getrieben werden, um
für die Kühlung des Rotors eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases anwenden
zu können, als dies im Stator notwendig ist. Es sind sowohl Anordnungen bekannt,
bei denen die beiden Gasströme durch einen gemeinsamen, auf der Rotorwelle angebrachten
Ventilator oder Kompressor erzeugt werden, als auch solche, bei denen zur Erzeugung
der beiden Gasströmungen je ein oder mehrere besondere Ventilatoren auf der Maschinenwelle
vorgesehen sind.
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Bei allen diesen Anordnungen ist es im allgemeinen notwendig, zur
Erzeugung hoher Strömungsgeschwindigkeiten im Rotor mehrstufige Ventilatoren oder
Kompressoren anzuwenden. Diese Anordnungen haben den Nachteil, daß sie die Baulänge
der Maschine vergrößern, besonders wenn Wasserstoff als Kühlgas benutzt wird, bei
dem wegen seines geringen spezifischen Gewichtes eine verhältnismäßig große Zahl
von Kompressorstufen zur Erzielung eines genügenden Druckes nötig ist.
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Ferner ist es auch bekannt, Turbogeneratoren mit je einem getrennten
gasdicht abgeschlossenen Raum für den Stator und den Rotor zu bauen. Die Kühlung
des Stators und des Statorraumes erfolgt in einem geschlossenen Kreislauf mittels
einer außerhalb der Maschine angeordneten Gasfördereinrichtung. Der Rotorraum wird
mittels einer Vakuumpumpe außerhalb der Maschine unter Unterdruck gehalten, und
der Rotor selbst ist noch mit einer getrennten Innenkühlung versehen. Eine solche
Kühlanordnung besitzt aber den Nachteil, daß der Aufwand für die verschiedenen außerhalb
der Maschine erforderlichen Fördereinrichtungen sehr groß ist und außerdem die ganze
Anlage sehr viel Platz beansprucht.
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Für die Kühlung elektrischer Maschinen mittels eines gasförmigen Kühlmittels
ist es ferner auch bekannt, das Kühlgas durch einen außerhalb der Maschine angeordneten
Verdichter im geschlossenen Kreislauf umzuwälzen, wobei innerhalb der Maschine das
Kühlgas durch im Statorblechpaket untergebrachte Röhren strömt. Diese Röhren sind
ferner mit düsenartigen Öffnungen versehen, die gegen die Wicklungsstäbe des Stators
gerichtet sind. Parallel zu diesem Luftkreislauf ist noch ein zweiter Kühlluftkreis
geschaltet, in dem die Luft durch Ventilatoren innerhalb der Maschine umgewälzt
wird, wobei der gleiche Kühler wie für den ersten Luftkreis für die Abfuhr der Wärme
benutzt wird. Die durch den Verdichter geförderte unterkühlte Luft wird zweckmäßig
an die Stellen geführt, wo die Wärme erzeugt wird, z. B. in die Wicklungsnuten und
bei Kollektormaschinen an den Kollektor. Bei dieser bekannten Anordnung handelt
es sich aber um eine solche, die nicht für eine wirksame Kühlung des Rotors und
des Stators eines Turbogenerators mittels zweier Teilgasströme geeignet wäre.
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Gegenstand der Erfindung ist nunmehr ein Turbogenerator mit einer
gemeinsamen Gaskühlung für den Rotor und Stator mittels eines außerhalb des Maschinengehäuses
angeordneten Gasförderers und auf der Maschinenwelle befestigten Ventilatoren für
die Umwälzung des Kühlgases, wobei die Nachteile der bisher bekannten Kühlanordnungen
dieser Art vermieden werden. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß
das Gas für die Rotorkühlung aus mindestens einer Öffnung im mittleren Abschnitt
des Maschinengehäuses über eine Rohrleitung angesaugt und nach einer die jeweils
erforderliche Strömungsgeschwindigkeit bewirkenden Druckerhöhung durch den Gasförderer
an beiden Enden des Rotors in die Rotorwelle umgebende Ringräume geführt wird, von
wo aus es durch axiale Kanäle im Rotor zu in den Luftspalt einmündende Öffnungen
dieser Kanäle strömt, um durch radiale Kühlschlitze im Stator wieder zu den Ansaugöffnungen
zu gelangen, und daß das Gas für die Statorkühlung durch an der Rotorwelle befestigte
Ventilatoren dem Statorraum entnommen und dem. Luftspalt zugeführt wird, von wo
aus es über radiale Schlitze im Stator wieder in den Statorraum gelangt.
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Bei der letztgenannten Anordnung können die in bekannter Weise im
Innern der Maschine vorzusehenden
Kühler verhältnismäßig klein
bemessen werden, da sie im wesentlichen nur die Wärmeverluste des Stators abzuführen
haben.
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Bekanntlich ist es erwünscht, Turborotoren, besonders solche großer
Abmessungen, unabhängig von der Belastung auf konstanter Temperatur zu halten, um
Relativverschiebungen zwischen Kupferleiter und Eisen durch die verschiedenen Wärmedehnungen
beider Stoffe nach Möglichkeit zu vermeiden. Hierzu ist es notwendig, die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlgases im Rotor der jeweiligen Strombelastung des Rotors anzupassen. Diese
Möglichkeit ist bei den erwähnten bekannten Anordnungen nicht gegeben, sie läßt
sich aber bei der erfindungsgemäßen Anordnung eines besonderen Gasförderers außerhalb
des Generators in einfacher Weise erreichen, indem der von diesem bewegte Gasstrom
regelbar gestaltet wird.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In der Figur bedeutet 1 den Stator, 2 den Rotor einer erfindungsgemäß
gekühlten Maschine. Für die Kühlung des Stators sind an beiden Enden der Rotorwelle
Ventilatoren 3 vorgesehen, welche in an sich bekannter Weise einen Gasstrom durch
den Luftspalt 4 der Maschine und durch radiale Schlitze im Stator und schließlich
durch den Raum zwischen Stator und Gehäuse 5 erzeugen, der in Kühlern 6 gekühlt
wird. Für die Bewegung des hauptsächlich den Rotor kühlenden Gasstromes ist ein
Gasförderer 7 vorgesehen, der insbesondere ein Kompressor beliebiger Bauart sein
kann und durch einen Motor 8, gegebenenfalls aber auch durch direkte oder indirekte
Kupplung mit der Generatorwelle angetrieben wird. Durch eine Rohrleitung 9 wird
durch eine oder mehrere Öffnungen 10 im Mantel der Maschine, vorzugsweise etwa in
der Mitte desselben, Gas aus der Maschine angesaugt und nach einer die erforderliche
Strömungsgeschwindigkeit bewirkenden Druckerhöhung im Gasförderer durch den Kühler
11 getrieben. Aus dem Gasförderer gelangt das Gas durch die Rohrleitungen 12, 13
in an beiden Enden der Rotorwelle angeordnete und die Welle umgebende Ringräume
14, von wo aus es durch axiale Kanäle im Rotor zu in den Luftspalt mündenden Öffnungen
dieser Kanäle strömt, um durch radiale Kühlschlitze im Stator wieder zu den Ansaugöffnungen
10 zu gelangen.
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Die Ringräume 14 sind gegen den übrigen Innenraum der Maschine durch
labyrinthartige Dichtungen 15 abgedichtet, so daß der zur Kühlung des Rotors vorgesehene
Gasstrom sich erst nach dem Durchströmen des Rotors mit dem übrigen im Innenraum
vorhandenen Gas mischen kann. Um die Geschwindigkeit, mit der dieser Gasstrom den
Rotor durchströmt, unabhängig von der Gasumwälzgeschwindigkeit im Stator verändern
zu können, ist in der Rohrleitung 12 eine Drosselvorrichtung 16 vorgesehen. Statt
der Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit dieses Gasstromes durch eine Drosselvorrichtung
kann diese auch durch eine Veränderung der Drehzahl des Gaförderers bzw. der diesen
antreibenden Kraftmaschine erfolgen; es können auch beide Mittel gleichzeitig angewendet
werden.
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Steht das Gas - vorzugsweise Wasserstoff - in der Maschine unter einem
verhältnismäßig hohen Druck, beispielsweise 3 ata, so braucht der Gasförderer doch
nur eine verhältnismäßig kleine Druckerhöhung zu erzeugen, beispielsweise eine Druckerhöhung
von 3 auf 3,1 ata, um die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit im Rotor zu bewirken.
Damit auch die Wellendichtungen des Gasförderers nur für diese Druckdifferenz ausgelegt
werden müssen, kann nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Gasförderer
zusammen mit seiner Antriebsmaschine in ein gasdichtes Gehäuse 17 eingebaut werden,
in dem vorzugsweise angenähert der gleiche Druck herrscht, wie im Generatorgehäuse,
so daß Leckverluste an dem Kompressor oder seinen Wellendichtungen praktisch vollständig
vermieden werden: Um auch Leckverluste im Kühler zu vermeiden, kann zweckmäßigerweise
auch dieser mit in das gasdichte Gehäuse eingebaut werden.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung können die Saugseite
und die Druckseite des Gasförderers durch eine Umgehungsleitung 18 mit einer Verschlußklappe
19 verbunden sein, die im normalen Betrieb geschlossen ist und beim Aufhören des
Förderdruckes, z. B. beim Aussetzen des Gasförderers, sich selbsttätig öffnet. Auf
diese Weise wird in einem solchen Falle beim Aussetzen des Gasförderers immer noch
eine gewisse Gasströmung mittels der für die Statorkühlung vorgesehenen Ventilatoren
durch die geöffnete Klappe 19 und die Rotorkanäle aufrechterhalten.
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Unabhängig hiervon kann in bekannter Weise eine weitere Verbindung
zwischen der Saugseite und der Druckseite des Gasförderers mit einem Überdruckventil
vorgesehen werden, um zu verhindern, daß bei starker Drosselung des Gasstromes durch
die Drosselvorrichtung 16 der Druck auf der Druckseite des Gasförderers unerwünscht
hohe Werte annimmt.
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Die Betätigung der Drosseleinrichtung 16 und/oder der Verstellvorrichtung
für die Drehzahl des Gasförderers kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
durch geeignete Regeleinrichtungen bekannter Art selbsttätig in Abhängigkeit von
einer durch die Belastung des Generators beeinflußten Größe geregelt werden. Als
solche Größe kann beispielsweise der Belastungsstrom oder der Erregerstrom des Generators
oder die Temperatur des Rotors dienen.
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Die Erfindung ist nicht an das beschriebene Ausführungsbeispiel gebunden.
Zum Beispiel sind Änderungen in der Reihenfolge von Gasförderer 7, Kühler 11 und
Drosseleinrichtung 16 möglich. Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, den
Kühler für die Rotorverluste an oder in der Maschine anzuordnen.