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Rotor für dynamoelektrische Maschinen, insbesondere für Turbogeneratoren,
mit einer Wicklung aus Längskühlkanäle aufweisenden Leitern Die Erfindung bezieht
sich auf einen Rotor für dynamoelektrische Maschinen, insbesondere für Turbogeneratoren
mit einer Wicklung aus Leitern, die Längskühlkanäle aufweisen und die in einer Anzahl
von Spulen angeordnet sind, wobei j ede Spule aus zwei durch Stirnverbindungen miteinander
verbundenen, einen vorgegebenen Nutenabstand voneinander aufweisenden, in den Nuten
liegenden Spulenseiten besteht.
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Eine der Grenzbedingungen bei der Herstellung von Turbogeneratoren
über 500 MW ohne wesentliche Gewichtserhöhung ist durch die Temperatur der Rotorkupferwicklungen
gegeben. Es ist bereits bekannt, Wasserstoff mit erhöhtem Druck direkt an die Rotorwicklungen
heranzubringen. Es ist auch bekannt, die Rotorwicklungen durch eine umlaufende Flüssigkeit,
z. B. Wasser, in Hohlleitern zu kühlen. Dabei wurde bisher das Wasser in die Hohlleiter
mit Hilfe von Rohrleitungen eingeführt, die unterhalb der Leiter und der Durchfiußwege
angeordnet sind, welche in radialer Richtung verlaufen und die Rohrleitungen mit
den Leitungen verbinden. Die Anordnung von Durchflußwegen erschwert die Auslegung
der Wicklung, und es ist schwierig, die Streugleichströme zu begrenzen, die in den
die Leiter speisenden Wassersäulen auftreten. Streugleichströme verursachen eine
elektrolytische Korrosion, die so weit wie möglich vermieden werden soll. Um ferner
die Widerstandshöhe zu verringern und den Temperaturanstieg im Wasser zu begrenzen,
ist es erforderlich, daß Wasser nur ein kurzes Stück durch die Leiter fließen kann.
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Die Hauptaufgabe der Erfindung wird somit darin gesehen, eine Einrichtung
zu schaffen, die die vorstehenden Forderungen erfüllt.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Leiter einer
jeden Spulenseite innerhalb der Nut so verdrillt sind, daß jeder Leiter längs der
Nut nacheinander am Grund der Nut zu liegen kommt und dort in eine innerhalb der
gleichen Nut benachbarte Schicht der betreffenden Spulenseite übertritt, daß Öffnungen
in jedem Leiter an der Übertrittstelle zur benachbarten Schicht am Nutengrund die
Leiterkanäle jeweils einer Spulenseite miteinander über jeweils eine jeder Spule
zugeordnete, axial zum Rotor in der Nähe der betreffenden Leiternuten der Spule
verlaufende Einlaß- bzw. Abgaberohrleitung verbinden, und daß eine Vorrichtung das
Kühlmittel von jeder Einlaßrohrleitung über die mit der betreffenden Einlaßrohrleitung
verbundenen Längskühlkanäle der Leiter der einen Spulenseite und die mit der Abgaberohrleitung
verbundenen Längskühlkanäle der Leiter der zugehörigen anderen Spulenseite der entsprechenden
Spule nach der Abgaberohrleitung umwälzt. Jede der eingangseitigen Einlaßrohrleitungen
kann mit einem Flüssigkeitszufuhrkanal verbunden werden, der durch die Rotorwelle
hindurch verläuft und in ähnlicher Weise kann jede abgabeseitige Rohrleitung mit
einem Flüssigkeitsabgabekanal innerhalb der Rotorwelle verbunden sein.
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Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf ein einfaches Beispiel
einer Nut am Rotorumfang, so daß der obere Leiter in radialer Richtung der äußerste
und der untere Leiter in radialer Richtung der innerste ist.
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Die Rohrleitungen sind vorzugsweise in Nuten unterhalb der Leiter,
d. h. radial innerhalb der Leiternuten, angebracht. Sie können aber auch zwischen
den Leiternuten vorgesehen sein.
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Im folgenden wird an Hand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung
in Verbindung mit den Figuren näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Rotorende, in dem die
Flüssigkeitszufuhr und die Austrittsleitungen dargestellt sind; F i g. 1 a zeigt
einen Längsschnitt durch eine Nut und stellt einen Schnitt durch A -A nach
F i g. 1 b dar; F i g. 1 b zeigt die Leiteranordnung in einer Nut und die Verdrillung
der Leiter; F i g. 1 c stellt schaubildlich und teilweise geschnitten den Schlauch
dar, der eine Rohrleitung bildet;
F i g. 2 zeigt einen Querschnitt
längs der Linie II-Il nach Fi g. 1 und stellt die Verbindung zwischen Wellenzufuhr
und Austrittsleitungen der entsprechenden unteren Nuten dar; F i g. 3 zeigt schaubildlich,
wie die Spulen elektrisch miteinander verbunden sind; F i g. 4 zeigt einen vergrößerten
Querschnitt einer Nut längs der Linie IV-IV aus F i g. 1 b; F i g. 5 zeigt eine
ähnliche Ansicht längs der Linie V-V nach F i g. 1 b; F i g. 6 zeigt einen Querschnitt
durch eine Austrittsschnecke und F i g. 7 eine Lötverbindung mit einer rohrförmigen
Kupplung.
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Nach F i g. 1 der Zeichnung fließt das Wasser von einem hochgelegenen
Behälter (nicht dargestellt) durch eine stationäre Zufuhrleitung 1, die durch das
Ende der Rotorwelle 2 verläuft; die äußere Oberfläche der Leitung ist bei 3 mit
einem Schraubgewinde versehen, so daß sie als Schraubenpumpe wirkt und der Kammer
4 den höchstmöglichen Druck zuführt, ohne daß ein zu hoher Rückflußverlust durch
den Ring zwischen dieser stationären Welle und dem rotierenden Teil auftritt. Dies
ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Wellenabdichtung, jedoch können auch
andere Wellenabdichtungen verwendet werden. Es empfiehlt sich aber, stets eine Anordnung
zu verwenden, die keine Reibabdichtung benötigt und somit keiner Abnutzung unterliegt.
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Wasser fließt dann von der Kammer 4 durch zwei diametral gegenüberliegende
radiale Rohrleitungen 5 in die diametral gegenüberliegenden Einlaßquadranten 6 eines
Ringes. Von den Einlaßquadranten des Ringes wird das Wasser auf jede Einlaßspulenhälfte
mit Hilfe von Rohrleitungen verteilt, die durch die Isolierschläuche 7 in den unteren
Einlaßnuten 8 dargestellt werden. Die Anordnung radialer Leitungen und eines Ringes
ist in F i g. 2 besonders deutlich dargestellt, und der Fluß des Wassers zu den
Spulen ist in F i g. 3 gezeigt.
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Aus den F i g. 1 und 3 läßt sich entnehmen, daß die Schlauchleitungen,
die die Rohrleitungen darstellen, von dem Ring aus durch die gesamte Länge der unteren
Nuten verlaufen und eine Verbindung mit jedem Leiter 9 an den Überschneidungen am
unteren Teil der Spule darstellen, wobei die Leiter in jeder Nut so angeordnet sind
wie im folgenden beschrieben wird. Alle benachbarten Spulenseiten, die mit einem
Pol verbunden sind, sind Einlaßstellen für das Wasser, sie werden mit einem der
Einlaßquadranten des Ringes verbunden; ebenso sind alle elektrisch diametral gegenüberliegenden
Spulenseiten Einlaßöffnungen.
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F i g. 3 zeigt ein Wicklungsschema, in dem jeweils drei Spulen mit
einem Pol verbunden sind. Um die Auslegung der Schaltung zu vereinfachen, ist jede
Spule nur mit sechs Windungen versehen, drei Windungen übereinander und zwei Schichten
nebeneinander, wie. in F i g. 3 dargestellt. Die Nutabschnitte in den F i g. 4 und
5 weisen sechzehn Windungen auf, acht untereinander und zwei nebeneinander. In F
i g. 3 zeigen die vollausgezogenen Linien die Hohlleiter in der Schicht, die in
der Nähe der Polachse für jede Spule vorgesehen ist, und die gestrichelten Linien
stellen die andere Schicht dar. In der F i g. 3 sind die Wassereinlaßanzapfungen
an den unteren überschneidungen der Einlaßspulenseiten durch große Buchstaben
A bis M und die entsprechenden Auslässe durch kleine Buchstaben angedeutet.
Hierbei ist zu beachten, daß jeder Einlaß zwei Kanäle speist, von denen jeder eine
getrennte Hälfte für den Ausgang in der anderen Spulenseite jeweils an benachbarten
überschneidungen besitzt. Auf diese Weise ist die Einlaßöffnung B durch den Kanal,
der vollausgezogen dargestellt ist, mit der Auslaßöffnung 6c und den Kanal, der
gestrichelt dargestellt ist, mit der Auslaßöffnung db verbunden. Die zwei parallelen
Pfade für das Wasser weisen etwas verschiedene Längen auf, entsprechend der Neigung
der Überschneidungen, der Längenunterschied ist jedoch gering im Vergleich zu der
Länge des Kanals, der etwa die Hälfte einer Wicklung beträgt, so daß er in bezug
auf den Temperaturanstieg des Wassers nicht ins Gewicht fällt.
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Der F i g. 3 läßt sich entnehmen, daß die Leiter der mittleren Spule
sich im Uhrzeigersinn, die in den anderen Spulen sich im Gegenuhrzeigersinn kreuzen.
Der Grund dafür läßt sich nach der Auslegung des Wasserkreislaufes für die kleinste
Spule erkennen, wenn festgestellt wird, daß der Auslaß fg einer der beiden Auslässe
für den Einlaß G an der nächsten Spule ist: Wenn nun alle Verdrillungen in der gleichen
Weise angeordnet wären, würde fg Wasser aus dem Eimaß L über einen Durchflußweg
erhalten, das zweimal durch die Wicklung läuft. Dies würde eine Wegstrecke und damit
einen Temperaturanstieg für diese Wegstrecke um das Doppelte der anderen Wegstrecken
ergeben. Eine gegensinnige Verdrillung jeweils zweier benachbarter Spulen ergibt
hingegen weitgehend gleiche Wegstrecken in der ganzen Wicklung, wobei jede Länge
die Hälfte einer Wicklung beträgt und einem einfachen Durchlaufkühlsystem entspricht,
in dem Wasser am einen Ende der Maschine eintritt und aus dem anderen Ende austritt,
nachdem es alle Leiter parallel durchlaufen hat. Eine große Anzahl von Schlauchverbindungen
in der Endwicklung, die unmöglich untergebracht werden und die die sehr hohen Drücke
in den äußeren Wicklungen nicht aushalten könnten, wird jedoch hierbei vermieden.
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Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, daß jede Spulenseite vorher
entsprechend der zugeordneten Eimaß- oder Auslaßrohrleitung und entsprechend der
Isolierung aufgebaut werden kann. Jeder vollständige Spulenleiter kann in die Wicklungsnuten
eingesetzt werden, wie in den F i g. 1 a, 1 b, 4 und 5 dargestellt, und die Leiter
können an den Endwicklungen elektrisch und hydraulisch, wie in F i g. 7, mit Hilfe
von verlöteten, rohrförmigen Kupplungen 33 gezeigt, verbunden werden.
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Ist das Wasser von dem einen Spulenleiter zum anderen gelangt, wird
es durch Öffnungen in den unteren Kreuzstellen in eine Ausgangsleitung abgegeben.
Das Wasser fließt von hier in einen von zwei Abgabequadranten 10 (F i g. 2), die
zusammen mit den Einlaßquadranten 6 den Ring bilden. Die Abgabequadranten sind von
den Einlaßquadranten durch Trennwände 11 getrennt. Die Abgabequadranten sind über
Austrittswege 1.2 mit einer ringförmigen Abgabeleitung 1.3 (F i g. 1) verbunden,
die die Speiseleitung 1 umgibt. Das Wasser fließt von dieser Austrittsleitung zu
einer Schnecke 14, von der ein Teil in F i g. 6 dargestellt ist, und von dort zu
einem Speicherbehälter unterhalb des Rotorpegels. Eine äußere Pumpe wälzt das Wasser
um und bringt es in den obenliegenden Tank.
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Bei dieser Anordnung ist die Höhe, in die Wasser durch die Wicklungen
gepumpt werden kann, ohne daß negative Drücke auftreten. festgelegt durch den Druck.
der durch Drehung des Rotors zwischen dem
Radius des Austrittsringes
13 und dem Radius der Einlaßkammer 4 in Verbindung mit dem ursprünglichen Druck
in der Kammer 4 erzeugt werden kann. Der ursprüngliche Druck in der Kammer 4 wird
vom obenliegenden Tank erzeugt, ihm wirkt die Schraubenpumpe der Einlaßleitung 1
entgegen. Ein höherer Druck ist erzielbar, wenn eine Abdichtung verwendet wird,
bei der Wasser in die Welle eintritt, dies würde jedoch wieder das Problem der Abnutzung
einer Abdichtung aufwerfen.
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Aus einem Vergleich der F i g. 1 und 2 ergibt sich, daß die Leitungen
5 und 12 beide vertikal in F i g. 1 gezeigt sind, wohingegen sie tatsächlich um
90° gedreht sind, wie in F i g. 2 dargestellt.
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Die Ausbildung der Isolierschläuche für die Rohrleitungen ist in den
F i g. 1 a und 1 c dargestellt. Der Schlauch hat einen am Radius der unteren Nut
herrschenden Druck auszuhalten, der in der Größenordnung von 70 kg/cm2 (1000 pst)
bei normaler Geschwindigkeit und etwa 105 kg/cm2 (1500 pst) bei erhöhter Geschwindigkeit
liegt. Das Schlauchmaterial soll in erster Linie widerstandsfähig gegen Wasser sein,
ferner so flexibel sein, daß es einer thermischen Ausdehnung der Wicklung nachgibt.
Geeignetes Material hierfür ist Polytetrafluoräthylen, wie durch das Bezugszeichen
15 angedeutet, es ist jedoch erforderlich, zur Verstärkung äußere Metallringe 16
vorzusehen, die durch schmale, kräftige Isolierbänder 17 getrennt sind. Des weiteren
ist es erforderlich, daß der Schlauch innere Verstärkungshülsen 18 aufweist, um
ein Zusammendrücken bei der Rotation zu verhindern, falls der Rotor bei bestimmter
Belastung ohne Wasser bei erhöhten Temperaturen laufen soll. Diese Hülsen müssen
aus einer kräftigen Isolation bestehen, die wasserunempfindliche Eigenschaften aufweist.
Ein geeignetes Material hierfür ist Polychlortrifluoräthylen, und die Enden der
Hülsen und Bänder können abgeschrägt sein, um den gesamten Schlauch eine höhere
Flexibilität zu verleihen. Ferner kann es erforderlich sein, obgleich die Auslegung
so vorgenommen wurde, daß lange Schläuche zur Reduzierung der Streuströme, insbesondere
der Ströme zwischen der Wicklung und dem Ring, vorgesehen sind, die durch die Quadranten
6 und 10 gebildet werden, von denen einige die halbe Rotorspannung an ihren Enden
aufweisen, einen Vorsprung am Ende des Einsatzes 7 vorzusehene, der als Überwachungsring
gegen Korrosion des wirksamen Teiles des Einsatzes unter dem gekröpften Ring 15
wirkt. Ein geeignetes Material für derartige Einsätze zur Verringerung der elektrolytischen
Beeinflussung stellt korrosionsbeständiger Stahl dar.
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Die elektrischen Leitungen für den Kollektor 20 (F i g. 1) können
in bekannter Weise durch die öffnungen im festen Teil der Welle greifen, wobei das
Wasser von einem Punkt a am Anfang des elektrischen Stromkreises austritt und durch
eine Auslaßkammer 10 des Ringes über einen Isolierschlauch geleitet wird, während
Wasser, das am Ende des elektrischen Stromkreises bei einem Punkt S (F i
g. 3) eintritt, durch eine Schlauchleitung von dem Einlaßquadranten 6 des
Ringes abgenommen wird. Andererseits können die Leitungen des Kollektors hohl ausgeführt
sein und dadurch wassergekühlt werden, daß geeignete Wasseranschlüsse am Kollektorende
der Drähte vorgesehen sind. Wassergekühlte Leitungen werden zweckmäßigerweise auch
dann angewendet, wenn der Kollektor Quecksilberkontakte besitzt, oder wenn die Erregermaschine
eine Wechselstromerregermaschine mit rotierenden Gleichrichtern, die auf der Welle
befestigt sind, darstellt. Massive oder wassergekühlte Leiter können, falls dies
erwünscht ist, den zylinderförmigen Raum an der zylindrischen Stoffbuchse 22 ausfüllen.
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Die Wasserleitungen, die Wasser den ringförmigen Einlaßqvadranten
6 und denn Ring selbst zuführen, sind von der Rotorwelle isoliert, um eine Isolierwiderstandsmessung
der Rotorhaupterdisolation 23 zu ermöglichen, ohne daß das Wasser vollständig abgelassen
werden muß.
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Wie in den F i g. 1 a und 1 b näher dargestellt, legen sich die Leiter
in der links dargestellten, nächstgelegenen Schicht von links nach rechts übereinander,
wenn sie ihre oberste Stelle, z. B. bei 24, erreicht haben, werden sie horizontal
in die nächste Schicht abgebogen und verlaufen dann wieder nach unten. In ähnlicher
Weise wird jeder Leiter in der weiteren Schicht, der das untere Ende der Nut erreicht,
horizontal in die nächste Schicht umgebogen. Auf diese Weise wird eine abwechselnde
Verdrillung der Leiter in der Nut erzielt, wobei jeder Leiter nacheinander die unterste
Stellung einnimmt.
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F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Verdrillungspunkt in der
Linie IV-IV nach F i g. 1 b, bei der der Leiter 25 in der Mittelstellung in der
Nut liegt. Die Längsleiterverbindung 26 ist mit der Rohrleitung 27 über die Öffnung
8 verbunden.
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Mit Ziffer 28 sind Abstandhalter auf entgegengesetzten Seiten des
Leiters 24 angedeutet. Am oberen Ende des Schlitzes wird ein Leiter 29 in ähnlicher
Weise verdrillt, jedoch in entgegengesetzter Richtung zum Leiter 25, und wird durch
Abstandhalter 30 in seiner Lage gehalten. Das Bezugszeichen 31 stellt die übliche
Verkeilung der Leiter im Schlitz dar.
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F i g. 5 zeigt eine ähnliche Ansicht längs der Schnittlinie
V-V der F i g. 1 b zwischen den Verdrillungspunkten. Somit besteht hier keine Verbindung
zwischen den Kanälen 26 und Rohrleitung.
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Abstandhalterungen 32 sind am oberen Ende und am unteren Ende der
Nut vorgesehen.