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Gaskühlung für elektrische Wechselstromgeneratoren, insbesondere Turbogenerator
Die Erfindung bezieht sich auf Wechselstromgeneratoren, insbesondere Turbogeneratoren,
großer Leistung. Es ist bekannt, daß die Leistung derartiger Generatoren ohne Steigerung
des Gewichtes und der Abmessungen um so mehr erhöht werden kann, als die Kühlung
der der Erwärmung ausgesetzten Teile der Maschine erhöht wird. Eine besonders wirksame
Kühlung und damit Maschinenausnutzung kann erreicht werden, wenn infolge direkter
Leiterkühlung aus den Wicklungen der Maschine ein wesentlicher Teil der Verlustwärme
unmittelbar aus den den elektrischen Strom führenden Leitern abgeführt wird. Wendet
man nun, wie dies bekannt ist, zur direkten Leiterkühlung der Läufer- und der Ständerwicklung
wie des Eisenpaketes ein und dieselbe Gasfüllung an, die etwa unter Atmosphärendruck
oder einem erhöhten Druck steht, so ergibt sich, daß der für die Erhöhung der Wärmeabfuhr
gewünschten Drucksteigerung der Gasfüllung vor allem der Umstand entgegen steht,
daß mit zunehmendem Gasdruck die Gasreibungsverluste in dem Luftspalt beträchtlich
ansteigen. Bei Anwendung niedriger Gasdrücke ergibt sich andererseits der Nachteil,
daß die Strömungsquerschnitte für die Kühlmittelkanäle innerhalb der Wicklung verhältnismäßig
große Abmessungen aufweisen.
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Es sind nun bereits Vorschläge bekanntgeworden, eine vollkommenere
Kühlung derartiger Maschinen auf dem Wege zu erreichen, daß für das Ständereisenpaket,
den Läufer und die den Läufer aufnehmenden Räume eine unter verhältnismäßig niedrigem
Druck stehende Gasfüllung angewendet ist, während der Ständerwicklung über an die
Wickelköpfe angeschlossene Kanäle ein flüssiges Kühlmittel in Form von Öl, Wasser
od. dgl. zugeleitet wird, welche flüssigen Medien, wie bekannt, eine verhältnismäßig
günstige ; Wärmeabfuhr von der Ständerwicklung möglich machen. Ein Nachteil dieser
bekannten Kühleinrichtungen besteht in der Anwendung verschiedener in verschiedenem
Aggregatzustand befindlicher Medien, wodurch sich besonders Maßnahmen für eine Sicherung
der Abdichtung sowie zur Trennung der verschiedenen Medien beim Auftreten von Undichtigkeiten
ergeben.
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Gegenstand der Erfindung ist eine den Nachteil der vorerwähnten Anordnungen
vermeidende Einrichtung zur Kühlung von Wechselstromgeneratoren, insbesondere Turbogeneratoren
mit direkter Leiterkühlung durch ein gasförmiges Kühlmittel, die sich dadurch auszeichnet,
daß getrennt voneinander innerhalb des Maschinengehäuses ein inneres Kühlsystem
für die Kühlung des Ständereisenkörpers und der äußeren Läuferteile durch ein unter
verhältnismäßig niedrigem Druck stehendes Kühlgas und ein äußeres, in sich geschlossenes,
mit dem gleichen, jedoch unter hohem Druck stehenden Kühlgas gefülltes Kühlsystem
vorhanden ist, in welches die Wicklungskühlkanäle des Ständers und des Läufers eingeschlossen
sind.
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Die erfindungsgemäße Anordnung weist den Vorteil auf, daß etwaige
Undichtigkeiten zwischen dem im wesentlichen die Wicklungskühlkanäle enthaltenden
Hochdruckkühlsystem und dem die Kühlung der Eisenteile ermöglichenden Niederdrucksystem
ohne jede Bedeutung sind und daß der Druck in dem Niederdrucksystem, innerhalb dessen
das Eisenpaket der Maschine sowie der Läufer angeordnet sind, insbesondere im Hinblick
auf die infolge Anwendung der direkten Leiterkühlung herabgesetzten Erwärmung der
Eisenteile so gering gehalten werden kann, -daß die auftretenden Gasreibungsverluste
besonders gering sind.
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Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Gasräume
des Hochdruck- und Niederdruckkühlsystems durch eine eine Pumpe aufweisende Ausgleicheinrichtung
verbunden, welche ermöglicht, aus dem Hochdruckkühlsystem in das Niederdruckkühlsystem
übergetretenes Kühlgas wieder in das Hochdruckkühlsystem zurückzupumpen. Hierbei
wird die Pumpe selbsttätig durch einen Druckregler gesteuert, der beispielsweise
auf das Druckverhältnis zwischen Hochdruck- und Niederdruckkühlsystem anspricht.
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Vorzugsweise kann die Erfindung in der Weise verwirklicht werden,
daß die Ständerwicklungskanäle und Läuferwicklungskanäle in Parallelschaltung in
das
Hochdruckkühlsystem eingeschaltet sind. Es empfiehlt sich in diesem Fall, den Läufer,
insbesondere wenn die Läuferwicklung in bekannter Weise aus unterteilten, die Kühlkanäle
einschließenden Leiterteilen aufgebaut ist, mit besonderen Dichtungsmitteln zu versehen,
um einen Durchtritt des Läuferkühlgases in den Luftspalt möglichst auszuschließen
oder zu begrenzen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand der Zeichnung näher
erläutert werden: Fig. 1 gibt einen vereinfachten schematischen Längsschnitt wieder,
der sich auf einen großen Turbogenerator bezieht; Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt
der in Fig. 1 bei 2 angedeuteten Läuferpartie an den inneren Enden der die Wickelköpfe
haltenden Kappen; Fig. 3 zeigt einen Teilquerschnitt durch eine Läufernut entsprechend
Schnitt III-III in Fig. 1; Fig. 4 schließlich gibt einen Querschnitt einer der Statorspulen
in der Ebene IV- IV der Fig. 1 wieder. Die in der Zeichnung wiedergegebene Maschine
besteht aus einem Stator 5 und einem Rotor 6 mit einem Luftspalt 7 zwischen ihnen.
Die Maschine hat ein gasdichtes Gehäuse 8, welches Stator 5 und Rotor 6 einschließt.
Das Gehäuse 8 besteht aus einem zylindrischen oder auch anders gestalteten Gehäusemantel
8A und zwei äußeren Stirnwänden SB und 8C. Die beiden Stirnwände 8B und 8C des Gehäuses
tragen Lager 9, in denen der Rotor 6 drehbar abgestützt ist. Soweit sich die Rotorwelle
über das Gehäuse hinaus erstreckt, sind die Lager 9 mit Flüssigkeitsdichtungen 10
versehen, welche einen gasdichten Abschluß zwischen Welle und Gehäuse sicherstellen.
Der Statorkörper 5 umfaßt das Statoreisenpaket 12 mit der Bohrung 13, den die Wicklungsleiter
aufnehmenden Nuten 14 an der Statorbohrung und radialen oder anders gestalteten
Kühlkanälen 15 in dem genannten Statoreisenpaket. Das Statoreisenpaket 5 trägt die
Wechselstromhochspannungswicklung, die in der Regel mehrere Phasen oder Wicklungszweige
aufweist. Die Wicklung besteht aus den Spulen 17; deren gestreckte, von Isolierhülsen
umgebene Teile in den entsprechenden Statornuten 14 liegen. Wenigstens die in den
Nuten liegenden Teile 18 der Statorwicklungen bestehen aus Bündeln von verhältnismäßig
schwach isolierten Leitern 19 (Fig. 4), welche zur Vermeidung von Wirbelströmen
in der üblichen Weise verdrillt sind. Die Spulen bzw. Spulenseiten enthalten ferner
in bekannter Weise durchgehende, an den Enden offene Innenkühlkanäle, denen gegenüber
die nur durch eine schwache Isolierung getrennten Leiter so angeordnet sind, daß
ein guter Wärmeaustausch möglich ist.
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Wie in Fig. 1 angedeutet ist, erstrecken sich .die Hauptisolierung
21 und die Kanäle 20 von einem Ende bis zum anderen Ende des Ständereisenpakets.
Die Spulenseiten der Statorwicklung 16 weisen sowohl innerhalb der Nuten wie in
den Wickelköpfen im wesentlichen die gleiche Ausbildung auf. Wie in Fig. 4 näher
zu ersehen ist, sind die Innenkühlkanäle 20 aus einem Bündel von Kanälen oder Röhren
aus einem Material gebildet, dessen elektrischer Widerständ groß ist, um die Wirbelstromverluste
in tragbaren Grenzen zu halten. Die Rohrkörper 20 weisen eine verhältnismäßig große
Wandstärke sowie geringe Abmessungen auf, was durch den verhältnismäßig hohen Druck
des durch die Kanäle 20 geführten Kühlmittels bedingt ist.
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Der Rotor 6 weist einen zylindrischen Läuferkern 23 mit den Läufernuten
24 auf. In den Nuten liegt die Gleichstromfeldwicklung 25, deren in bekannter Weise
zusammengesetzte Leiter aus zwei mit Nuten versehenen Leiterteilen bestehen. Die
Leiterteile sind dabei so übereinandergelegt, daß zwischen ihnen Innenkühlkanäle
27 entstehen, die sich über die ganze Rötörlänge erstrecken und einen guten Wärmeaustausch
zwischen dem Kühlmittel und den Leitern möglich machen. Geeignete Dichtungsmittel
sind vorgesehen, um eine Abdichtung der Läuferinnenkanäle an den offenen Enden zu
ermöglichen.
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Die Ausbildung einer Läufernut 24 mit den zusammengesetzten, Kühlkanäle
27 einschließenden Leitern 30 ist näher aus Fig.3 zu ersehen. Darin bedeutet noch
32 eine Dämpferwicklung, die in üblicher Weise unmittelbar unter dem Nutenabschlußkeil
33 der Läufernut vorgesehen ist. Zur Abdichtung sind aus temperaturwiderstandsfähigem
Material, z. B. Silikongummi, bestehende Dichtungen 34 vorhanden. Ferner werden
erfindungsgemäß, wie Fig. 2 näher erkennen läßt, noch ringförmige Enddichtungen
35 an den Enden der Dämpferwicklung 32 vorgesehen, um so eine gegen Druck widerstandsfähige,
gasdichte Verbindung gegenüber der Läuferkappe 36 an jedem Läuferende zu erzielen.
Weiter ist zur Sicherung der gasdichten Abdichtung der Läuferkanäle 27 jede Läuferkappe
36, wie in Fig. 1 wiedergegeben ist, mit einem Endring 37 versehen, der einen Kreisring
38 oder andere Mittel zur Erzielung eines gasdichten Abschlusses an dem Wellenende
40 des Läufers aufweist.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, sind an den Wellenenden des Rotors zwei
zylindrische Dichtungsteile 40 vorhanden, welche unmittelbar an den Endring 37 der
Feldwicklungen 25 angrenzen. Diese Dichtungsteile 40 schließen Durchtrittskanäle
42 ein, welche als Verlängerung der Feldwicklungskühlkanäle dienen.
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Das Gehäuse 8 ist zum Abschluß zusätzlich zu dem Umfangsteil 8A und
den beiden äußeren Stirnwänden 8 B und 8 C mit zwei innenliegenden Wandteilen 43
A, 43B versehen, welche innere Flüssigkeitsdichtungen 44 enthalten. Diese liegen
an entsprechenden zylindrischen Dichtflächen der Teile 40 des Läuferkörpers 6 an.
Diese beiden inneren Dichtungen 44 sind zusätzlich zu den üblichen äußeren Öldichtungen
10 vorgesehen. Auf diesem Wege bildet der Gehäuseraum innerhalb der beiden inneren
Flüssigkeitsdichtungen 44 einen abgeschlossenen Gasraum, innerhalb dessen der Läufer
6 umläuft, so daß die Gasreibungsverluste durch Anwendung eines niedrigen Gasdruckes
innerhalb der beiden inneren Dichtungen 44 gering gehalten werden können, während
ein wesentlich höherer Gasdruck außerhalb der genannten beiden inneren Gasdichtungen
in den beiden Endkammern 46A und 46B angewendet wird.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Gehäuse 8 mit am Umfang angeordneten
rohrförmigen oder ähnlich ausgebildeten Kanälen versehen, die innerhalb der äußeren
Gehäusewand 8A liegen und beide Endräume 46A Lind 46B verbinden.
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Die Enden der inneren Statorwicklungskanäle 20 am Ende jeder Spulenseite
münden in einen isolierenden Leitwandteil 48, der durch biegsame Isolierrohre 49
an die entsprechenden Hochdruckendkammern 46A und 46B an den Stirnseiten des Generators
angeschlossen ist. Allgemeiner ausgedrückt erstreckt sich die Erfindung auf jedes
Verbindungskanalsystem, das in den Wickelkopfräumen 50 zwischen dem Eisenpaket und
den inneren Stirnwänden 43A, 43 B des Gehäuses angeordnet ist, um die Enden. der
Statorwicklungskühlkanäle mit den Endkammern 46 A, 46B zwisehen
den
Wandteilen 43 A, 43 B und den- äußeren Wänden 8 B, 8 C zu verbinden.
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Für die Wicklungen wird -eine- Wasserstoffüllung oder auch eine Füllung
mit anderem Gas von relativ hohem Druck vorgesehen, welche ein Mölekulargewicht
kleiner als 14 hat und die beiden Endräume 46A und 46B, die am Umfang liegender.
Verbindungskanäle 47, die die beiden Wickelkopfräume 50 durchsetzenden Überleitkanäle
48, 49 an den Enden der Maschine sowie die Kanäle 42; Kühlkanäle 27 bzw. 20 der
Feldwicklung-25 und der Ständerwicklung 16 durchströmt. Zum Umwälzen des Kühlmittels
dient ein Hochdruckventilationssystem, welches einen auf dem Läufer befestigten
Zentrifugallüfter 52 oder eine andere geeignete Lüftertype umfaßt. -Dieser Lüfter.ist
in wenigstens einem der Wickelkopfräume, z. B. 46A; zwischen der inneren Stirnwand
43A und der äußeren Wand 8 B angeordnet. Das genannte Hochdruckventilationssystem
enthält auch in der Kammer 46 A einen Kühler 53 für das Hochdruckgas und einen Leitwandteil
54, der dicht an der inneren Stirnwand 43A der linksseitig gelegenen Kammer 46A
liegt. Der Wandteil 54 ist so angeordnet, - daß er die Endkammer 46A in zwei Räume
55 und 56 unterteilt. Der erste dieser Räume 55 ist als Ansaugeraum vorgesehen,
der mit den biegsamen Isolierrohren 49 der Statorkühlkanäle ebenso wie mit den Feldwicklungskanalverlängerungen
42 an dem einen Ende der Maschine in Verbindung steht. Der zweite Raum 56 enthält
den Lüfter 52 und grenzt an den Kühler 53 in der genannten Endkammer 46 A an. Der
Lüfterraum steht auch in Verbindung mit den Enden der Umfangsverbindungskanäle 47.
Man erkennt, daß durch den Hochdrucklüfter das unter hohem Druck stehende Gas durch
den Kühler von links nach rechts durch die am Umfang liegenden Kanäle 47 zu der
rechtsseitig neben der Maschine liegenden Endkammer 46B geführt wird. Letztere steht
wiederum mit den auf der rechten Seite gelegenen Kanalenden 49 der Statorwicklungskühlkanäle
20 sowie den Verlängerungen 42 der Läuferwicklungskanäle 27 in Verbindung. Von den
rechten Enden dieser im Ständer und Läufer gelegenen Kühlkanäle strömt das Hochdruckgas
zu dem vorerwähnten Ansaugeraum 55 der Endkammer 46A zurück, von wo es durch den
Lüfter 52 in der soeben erläuterten Weise wieder umgewälzt wird. Das Gas in dem
beschriebenen Hochdruckventilationssystem steht unter einem hohen Druck der Größenordnung
von 7 at (100 psig) bis zu einem Mehrfachen dieses Wertes, je nach dem Widerstand
der inneren Kühlkanäle 20 und 27 sowie der angrenzenden Teile. Durch Anwendung von
Hochdruck in dem gesonderten Wicklungsventilationssystem kann aus den Ständer- und
Läuferwicklungsleitern in besonders günstiger Weise Wärme in ; einem Maße abgeführt
werden, das nur durch die Druckfestigkeit des Kanalsystems bestimmt ist. Ein hoher
Energieverbrauch durch Druckabfall in dem Lüfter wird vermieden, indem eine relativ
niedrige Gasgeschwindigkeit in den Kühlkanälen 20 und 27 benutzt wird.
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Außerdem wird in den übrigen Gehäuseräumen eine unter verhältnismäßig
niedrigem- Druck stehende Füllung aus demselben Gas, insbesondere Wasserstoff, vorgesehen,
wie es zur Wicklungskühlung dient. Dieses Gas füllt im besonderen den Luftspalt
7 und die Kanäle des Statorblechpakets aus. Zusätzlich ist ein Niederdruckbelüftungssystem
vorhanden, um das unter niedrigem Druck stehende Gas umzuwälzen. Zu diesem Zwecke
dient der auf der Motorwelle befestigte Lüfter 58 an dem einen Ende, z: B, auf der
rechten: Seite der Maschine. Grundsätzlich könnten jedoch: auch auf- -beiden Seiten
der Maschine Lüfter angeordnet werden. Als Teil dieses Niederdrucksystems ist ferner-
eine Trennwand 59 vorhanden, die innerhalbder rechten Stirnwand 43B, getrennt von
dieser, angeordnet ist. Ein Kühler 60 für das Niederdruckgas ist in dem Raum zwischen
dieser Trennwand 59 und der rechten inneren Stirnwand 43B angeordnet.. Die Trennwand
59 begrenzt den Niederdrückgasstrom, welcher von dem Lüfter 58 gefördert wird, und
leitetihn durch den Kühler 60 in einen inneren ringförmigen Raum 61, der zwischen
dem Gehäuse 8A und einer inneren ringförmigen -Wand 62 vorhanden ist. Diese innere
ringförmige Wand 62 ist bei 63 mit Durchbrechungen versehen, um das Niederdruckgas
zu den radialen Ventilationsschlitzen 15 des Statorkerns 12 und ebenso zu den beiden
Wickelkopfräumen 50 zu führen. Das Niederdruckkühlgas wird sodann in den Luftspalt
7 und zu der Eintrittsseite des Lüfters 58 geführt, von wo das Gas beständig in
der vorerwähnten Weise umgewälzt wird.
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Es ist wohl bekannt, daß bei Maschinen, welche ein direktes Leiterkühlsystem
für die Stator- und-Rotorwicklung aufweisen, nur ein verhältnismäßig geringer Betrag
von Wärme in -den Stator- und Rotoreisenteilen erzeugt wird. Es kann daher. zur-
Wärmeabfuhr aus dem Läufer- bzw. Ständereisen, da ja die Wicklungsverluste direkt
abgeführt werden; ein verhältnismäßig niedriger Gasdruck außerhalb des Wicklungskühlsystems
angewendet werden, z. B. der Größenordnung von etwa 1 bis 5 at, wodurch sich der
weitere wesentliche Vorteil ergibt, daß die Gasreibungsverluste im Luftspalt gering
gehalten werden können. Es ist hierbei möglich, mit verhältnismäßig geringem Energieaufwand
das Niederdruckkühlmittel umzuwälzen.
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Die Erfindung hat den sehr großen Vorteil, die günstigsten Bedingungen
für die - Innenkühlung -der Statorwicklung 16 und der Rotorwicklung 25 zu schaffen,
ohne ein Gas hoher Dichtigkeit in den übrigen Gehäuseteilen, in denen der Rotor
6 umläuft, vorzusehen. Infolgedessen können die Gasreibungsverluste, die den Wirkungsgrad
der Maschine erheblich beeinträchtigen, äußerst gering gehalten werden. Dagegen
kann durch die Wahl eines unter hohem Druck stehenden Wicklungskühlmittels eine
Wärmeabfuhr aus den Wicklungsleitern erreicht werden, ohne daß hohe Gasgeschwindigkeiten
oder große Gasquerschnitte erforderlich sind. Auf diesem Wege werden einerseits
die Abmessungen der Maschine verringert, andererseits der Energieaufwand für das
Umwälzen des Kühlmittels auf kleine Werte herabgesetzt. Durch Anwendung ein und
desselben Gases sowohl in dem Hochdrucksystem wie in dem Niederdrucksystem wird
gleichzeitig der bedeutende, früher niemals erreichte Vorteil erzielt, daß ein kleiner
Leckverlust von dem Hochdruck- zu dem Niederdrucksystem ohne weitere Nachteile in
Kauf genommen werden kann, wobei es nur erforderlich ist, einen Kompressor oder
eine Pumpvorrichtung vorzusehen, um Gas von dem Niederdrucksystem zu dem Hochdruckraum
zurückzuführen. Zu diesem Zweck ist gemäß Fig. 1 eine Pumpe vorgesehen, die geeignet
ist, Gas aus dem Niederdrucksystem abzusaugen und in das Hochdruckkühlkanalsystem
hineinzudrücken. Es kann wünschenswert sein, diese Pumpe automatisch durch geeignete
Mittel zu steuern, um den gewünschten Gasdruck in dem Hochdruckkühlkanalsystem aufrechtzuerhalten
oder, wie in Fig. 1 gezeigt, um eine bestimmte
Druckdifferenz zwischen
den beiden Kühlsystemen mit Hilfe eines Druckreglers 64 herzustellen. Der Gasdruck
in dem Niederdrucksystem kann entweder von Hand oder automatisch hergestellt werden,
z. B. durch geeignete Steuerung der Wasserstoffzufuhr, wie schematisch bei H2 angedeutet
ist. Auf diesem Wege wird der Maschine eine Frischgasmenge als Ersatz zugeführt,
um den Leckverlust aus dem Gehäuse 8 in bekannter Weise auszugleichen.
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In Einzelheiten können' selbstverständlich gegenüber dem erläuterten
Ausführungsbeispiel Änderungen vorgesehen werden, z. B. kann die Form der Überleitkanäle
47 eine andere sein, als in Fig. 1 wiedergegeben ist. Ebenso ist es möglich, gegenüber
den Ausführungsbeispielen der Fig.3 und 4 eine andere Ausbildung der Leiter sowie
der innerhalb der Leiter vorhandenen Kühlkanäle anzuwenden.