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Elektrische Maschine, insbesondere Turbogenerator, mit direkter Leiterkühlung
der Rotorwicklungen Durch die ständig wachsenden Forderungen der Elcktrizitätswirtschaft
nach höchstmöglicher Steigerung der Maschineneinheitsleistungen - insbesondere
bei Turbogeneratoren - wird naturgemäß der Erregerleistungsbedarf derart
hochgetrieben, daß die aus der restlosen Ausnutzung der Induktoren erwachsenden
Temperaturerhöhungen zu besonderen Maßnahmen hinsichtlich der Abführung der in den
Induktorwicklungen erzeugten Wärmernengen zwingen.
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Aus diesem Grunde wurden die Leiterquerschnitte zwecks direkter Kühlung
der Windungen über die Länge des aktiven Induktoreisens (Ballenbreite) als Hohlprofile
ausgebildet, was bereits eine beträchtliche Leistungssteigerung durch verbesserte
Wärineabfuhr aus den Leitern ermöglichte,. Die außerhalb der. Induktorballens liegenden
Wickelkopfpartien wurden zunächst ohne Gefährdung der für die Windungszwischenlagen
usw. verwendeten Isolationswerkstoffe bezüglich ihrer therinischen Inanspruchnahme
in massiver Leiterquerschnittsforin ausgeführt.
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Bei weiterer Erhöhung der elektrischen Ausnutzung der Induktoren waren
die stirnseitigen Wickelkopfbögen (d. h. auch die Querleiter) bei massivem
Querschnitt vielfach jedoch die thermisch am höchsten belasteten Windungsteile.
Es war daher folgerichtig, auch die Induktorwickelköpfe und insbesondere auch die
Querleiter durch Ausbildung ihrer Querschnitte in Hohlprofilforin direkt zu kühlen
und damit die gesamte Wärmeabfuhr aus dem Induktor zu verbessern. Diese Möglichkeiten
zur Steigerung der Induktorausnutzung wahrzunehmen, ist insbesondere dann notwendig,
wenn nunmehr auch zur direkten Leiterkühlung in der Statorwicklung übergegangen
werden soll. Hierdurch wird eine ganz -erhebliche Steigerung der Generatorleistung
erreicht, und dies ist der Weg, der zur größtmöglichen Steigerung der Maschineneinheitsleistung
führt.
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Nun ist aber der Induktor eines Turbogenerators durch die notwendig
hohe elektrische Ausnutzung und die hohen mechanischen Beanspruchungen M häufig
stark wechselnden Betriebsverhältnissen hinsichtlich seiner Laufeigenschaften und
der Lage seiner kritischen Drehzahlbemiche ein äußerst empfindliches Maschinenteil.
Je höher die gesamte Beanspruchung getrieben wird, desto größer ist die F-mpfindlichkeit
gegen jeden dieser Einflüsse. Derart, besonders in thermischer Hinsicht, hoch belastete
Induktoren werden vor allem in der Laufruhe äußerst anfällig sein, wenn nicht
durch geeignete Belüftungsnaßnahmen dafür gesorgt wird, Wärmestauungen restlos zu
unterbinden und an allen Stellen die in den Induktorwicklimgen erzeugten Wärmeinengen
unmittelbar und auf dem kürzesten Wege abzuführen.
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Der zunächst einfachste Fall -einer direkten Leiterkühlung im Induktor
sieht vor, die Windungen als profilierte Querschnitte, d. h. zum
- Beispiel T-, I- oder U-förmig auszubilden bzw. als Rechteck- oder Trapez-Hohlleiter
auszuführen, die auch als aus zwei Teilleitem in Längsrichtung durchgehend zusammengesetzte
Profilschienen mit einem oder mehreren Kühlkanälen verschiedenster Profilforin verarbeitet
sein können und hauptsächlich im aktiven Teil des Induktors wirksam sind. Sie werden
außerhalb des aktiven Eisenkerns zur Ausbildung der Wickelköpfe hochkant abgebogen,
wobei im vorderen Wickelkopfteil die in Umfangsrichtung konzentrisch verlaufenden
Spulenkopfbögen entweder als Massivleiterstücke eingesetzt sind oder die Hohlleiterkanäle
in diesem Bereich mittels eingebrachter Füllprofilstäbe ausgefüllt werden. Diese
Wickelkopfpartien werden demnach von der direkten Leiterkühlung nicht erfaßt.
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Eine weitere bekannte Ausführung sieht eine im Wickelkopfbereich eingeführte
Unterteilung der Kühlmittelströme etwa in Spulenkopfinitte. derart vor, daß an den
dort befindlichen Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen die zu den betreffenden Hohlleitem
hingeführten bzw. von diesen abgeführten Kühlmittelströme bei jeder Teilspule, auf
die Spulenkopfmitte bezogen, abwechselnd in Umfangsrichtung voncinander fort bzw.
zueinander hin verlaufen. Um eine Mischung des zuströmenden kalten Kühlmittels mit
dem abströmenden warmen Kühlmittel zu verhindern, sind die Räume für diese Eintrittsöffnungen
von den
Räumen für die Austrittsöffungen durch die Bildung von Kammern
mittels Zwischenwänden voneinander getrennt worden. In diesem Fall durchlaufen die
Kühlmittelströme nacheinander eine Wickelkopfbogenhälfte (Eintritt), den geraden
Teil e#iner Spulenseite und die axial gegenüberliegende Wickelkopfbogenhälfte (Austritt),
so, daß jeweils eine längsseitige Spulenhälfte vom Kühlmittel durchströmt wird.
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Bei einer anderen Einrichtung wird das Kühlmittel in Spulenkopf:mitte
durch eine separate Hohlleiterpartie nach links bzw. rechts über die betreffende
Wickelkopfhälfte in Richtung des anschließenden geraden Stabteiles der axialen Spulenseite
hingeführt, .tritt aber vor der Endpartie des Induktorballens aus dem Hohlleiterteil
seitlich heraus und wird sodann durch vorhandene Kanäle der Induktorzähne über besondere
Austrittsbohrungen in den Luftspalt zwischen Rotor und Statorblechkern ausgeblasen.
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Allen diesen Ausführungen ist gemeinsam, daß bei Einbeziehung der
Wickelköpfe in die direkte Leiterkühlung eine ganze Windung in zwei oder mehrere,
Kühlabschnitte unterteilt ist. Die Trennung der einzelnen Abschnitte erfolgt vorwiegend
durch besonders eingebrachte Trennstücke.
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Die diesen Vorschlägen gemeinsam anhaftenden Mängel bestehen aber
hauptsächlich darin, daß allzu leicht thermische Unwuchten bei derart ausgeführten
Induktoren entstehen, z. B. schon durch geringfügige Werkstattfehler, indem etwa
vergessen wird, die vorstehend erwähnten Trennstücke zu montieren, oder durch Verstopfung
von Leitern, so daß bei solchen störanfälligen Induktoren ein unstabiles Betriebsverhalten
auftreten kann. Diese Fehler können im Laufe der Bearbeitung und des Wickelns auftreten
und sind nur sehr schwer durch Kontrollen mit Sicherheit auszuschließen.
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Die Erfindung schlägt nun eine elektrische Maschine mit direkter Leiterkühlung
der Rotorwicklung vor, bei der die Kühlsysteme der in Nutenrichtung verlaufenden,
hohl ausgebildeten Längsleiter und der in Umfangsrichtung verlaufenden, hohl ausgebildeten
Querleiter durch rechtwinklige Verlötung der Längsleiter und der Querleiter voneinander
getrennt sind und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zuleitung des Kühl::nähtels
vom innersten Umfang der Wickelköpfe aus dem Bereich der Welle und seine Verteilung
auf die Kühlmitteleintrittsöffnungen in den einzelnen Querleitern, die, jeweils
in den rechtwinkligen Ecken neben den Verbindungsstellen mit den Längsleitern und
der in Drehrichtung auflaufenden Seite, der Wickelköpfe angeordnet sind, durch zwischen
die Querleiter und Längsleitex eingefügte Füllstücke erfolgt, während die Ableitung
des aus den Austrittsöffnungen der einzelnen Querleiter, die neben den rechtwinkligen
Verbindungsstellen an der ablaufenden Seite der Wickelköpfe angeordnet sind, ausströmenden
Kühlmittels nunmehr wieder gesammelt durch entsprechende Füllstücke zwischen
den Leitern zu ge, schlossenen Kühlmitteltransportkanälen erfolgt, die in Höhe des
am äußersten Umfang gelegenen Querleiters angebracht sind und den Kühlinittelstrom
zu den vorzugsweise im Induktorballen liegenden Absaugöffnungen leiten.
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Durch die Erfindung wird die Rotation des Läufers bewußt in doppelter
Hinsicht ausgenutzt. Zwischen der Spulenunterkante, an der das Kühlgas in das Kühlsystein
der Querleiter eintritt, und dem Kühlgasauslaß im Bereich des Luftspaltes liegt
das größte bei einer Induktorwicklung überhaupt denkbare statische Druckgefälle.
Die durch dieses DruckgefälIe erzeugte Gasströmung wird nun noch durch das Beharrungsvermögen
des Gases gegenüber dem rotierenden Läufer wirkungsvoll unterstützt. Das Ergebnis
ist eine sehr hohe Gasgeschwindigkeit in den Querleitern, die den Wärmeübergang
und damit die Kühlwirkung wesentlich verbessert.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich eine besonders
forcierte Kühlungsart für die Leiter der Wickelkopfpartion, der Wirkungsweise eines
Radial-Schleuderlüfterrades mit rückwärts verlaufenden Strömungskanalen ähnlich,
wodurch bei derartigen Schnelläufern eine höchstmögliche Kühlwirkung erzielt wird.
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Der Kühlmitteleintritt in die Wickelkopfleiter erfolgt vom Innendurchinesser
des Wickelkopfes am. Der Kühlmittelstrom erstreckt sich über die jeweg vorhandenen
Tellspulen und wird dort entsprechend der Anzahl der radialen Windungen in die.
übereinanderliegenden Querleiter aufgeteilt. In diesen verlaufen die Kühlgasströme
parallel und konzentrisch durch die betreffende Wickelkopfpartie bis zu äen Aussparungen
für den Kühlmittelaustritt, um von dort aus vereint abgeführt zu werden. Durch diese
Konstruktion erhalten sämtlich-- Querleiter dabei zwangräufig ein einheitliches
Druckgefälle, wie noch näher erläutert wird.
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Diese für die Rotorwickelköpfe außerordentlich wirksame Kühlungsart
wird noch in folgender Weise gefördert: Durch Aussparungen in den Füllstücken, die
zur Abstützung der Wickelköpfe erforderlich sind, werden Kühlmitteleinlaß- und -auslaßöffnungen
als Anschluß an die Hohlleiterkanäle der Wickelköpfe, geschaffen, Diese Füllstückaussparungen
sind beim KübImitteleintritt gegen die oberste Querleiterwindung, welche dazu massiv
ausgebildet sein kann, passend abgeschlossen. Umgekehrt sind sie beim Kühlmittelaustritt
gegen die unterste Wickelkopfwindung, die ebonfalls massiv ausgebildet sein kann,
nach unten hin abgeschlossen.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß die sehr intensive Hohlleiterkühlung
der Wickelköpfe nicht etwa durch parallele Spalteinffüsse, d. b. durch ein
Ansaugen von störendem Nebengas, beeinträchtigt wird.
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Es ist ersichtlich, daß die Kühlmittelbeaufschlagung eines jeden Hohlleiterquerschnittes
unabhängig von der unterschiedlichen radialen Lage einc& jeden Leiters im Wickelkopf
untereinander völlig gleich ist. Da der radiale Abstand aller Eintrittsöffnungen
der Wickelkopfleiter, wie bereits erwähnt, durchweg dem hmendurchmesser des Wickelkopfes
entspricht und der durch den Ballendurchmesser des Induktors ge-
gebene radiale
Abstand aller Kühlmittelaustritte festliegt, ergibt sich in der summarischen Betrachtung
auch für jeden einzelnen Wickelkopfleiter, gleich welcher radialen Lage, ein oben
bereits erwähntes konstantes Druckgefälle.
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Die Wirksamkeit der Wickelkopfkühlung wird noch dadurch erhöht, daß
der Kühlmittelstrom aus den Wickelkopfleitern über die Austrittsöffnungen Kühlmitteltransportkanälen
zugeführt wird, die als Verbindungskanäle zu den vorteilhaft in die Ballenden des
Induktorcisens eingearbeiteten Absaugöffnungen dienen. Diese Kühlmitteltransportkanale
werden aus Isolierrohren als geschlossenes Profil
formgepreßt. Sie
liegen zwischen den in Betracht kommenden Längsleiterstücken der Wickelköpfe und
schließen mit ihrer äußeren Fläche bündig mit dem Wickelkopf-Außendurchmesser ab.
Sie liegen also am größten Radialabstand und erfüllen somit die besten Voraussetzungen
für eine äußerste Ausnutzung der möglichen Druckhöhe und verlustfreie Weiterführung
der Kühlmittelteilströme zu den erwähnten Absaugöffnungen in den Induktorballenenden.
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Durch den Einsatz dieser Kühhuitteltransportkanäle wird jeder schädliche
Zutritt von Kühlmittehnengen aus dem übrigen freien Wickelkopfraum unterbunden,
womit der der Erfindung zugrunde, liegende Gedanke verwirklicht worden ist. Dieses
ist für die, praktische Bewährung des beschriebenen Kühlsystems hinsicht-]ich der
Betriebsbeanspruchung der Rotorwicklung aber von entscheidender Bedeutung.
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Die Erfindung sei an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert,
und zwar zeigt Fig. 1 ein-, perspektivische Ansicht der Wickelkopfpartie,
Fig. 2 eine Abwicklung eines Wickelkopfes, Fig. 3 einen Schnitt nach der
Linie A-B der Fig. 1,
Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie C-D der Fig.
1,
Fig. 5 und 6 ebenfalls Schnitte nach den LinienA -B und C-D,
jedoch mit Zu- bzw. Ableitung des Kühlmittels durch Querbohrungen in den Leitern.
Der Pfeil 1 bestimmt die Drehrichtung des Induktors. Das Kühlmittel für die
Längsstäbe 2 tritt bei 3
in diese ein und tritt in nicht näher dargestellen
Austrittsöffnungen im InduktorbaRen wieder aus. Die Längsstäbe 2 sind mit den Wickelkopfleitern
4 rechtwinklig verlötet. Die Eintrittsöffnungen 5 der Isolierstücke,
6 liegen neben den Verbindungstellen der Leiter 2 und 4 an dem inneren Umfang
des Wickelkopfes an dessen auflaufender Seite in Drehrichtung gesehen. Von der öffnung
5 im ausgesparten Füllstück 6 verteilt sich der Kühlmittelstrom auf
die einzelnen Wickelkopfleiter (Fig. 3) und durchströmt diese. Die aus den
Leitern der Wickelköpfe austretenden Kühlmittelströme (Fig. 4) werden durch Aussparungen
in den Füllstücken 6 den Austrittsöffnungen 7 zugeleitet. Die Austrittsöffnungen
7 sind am äußeren Umfang des Wickelkopfes auf dessen, in Drehrichtung gesehen,
ablaufender Seite angeordnet. Von den Austrittsöffnungen 7 gelangt der Kühlstrom
in kühlmitteltransportkanäle 8 und von da zu den Absaugöffnungen
9 im Induktorballen 10. Die Füllstücke 6 liegen an den massiv
ausgeführten oberen bzw. unteren Wickelkopfleitern dicht an, so daß schädliche Spaltwirkungen
nicht eintreten können.
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Die Austrittsöffnungen 7 sind bis zum obersten Querleiter 4
in radialer Richtung offen. Diese, öffnungen werden aber noch von der Wickelkopfisolation,
die zwischen der nicht dargestellten Wickelkopfkappe und den Wickelkopfleitern angeordnet
ist, abgedeckt und verschlossen, wie es in den Fig. 4 und 6
erkennbar ist,
so daß der Kühlstrom in radialer Richtung nicht durch diese Öffnungen austreten
kann.
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In Fig. 5 und 6 wird eine andere Ausführungsart der
Zu- bzw. Ableitung des Kühlmittels dargestellt, und zwar liegen die Zu- bzw. Ableitungskanäle
innerhalb der Wickelkopfleiter, wie dies bei der direkten Leiterkühlung in den Läuferwickelköpfen
an sich bekannt ist.