DE1538803C - Turbogeneratorlaufer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweipoligen Turbogeneratorläufer mit einer in Nuten des Läuferballens angeordneten Wicklung, deren an den Stirnseiten des Läuferballens befindliche Wickelköpfe zwischen einer radial außenliegenden Wickelkopfkappe und einem an der Stirnseite des Läuferballens befestigten, radial innenliegenden Zenfrierrohr angeordnet sind, das axial verlaufende, stirjhseitig und radial nach innen offene Einlaßkanäle und allseitig geschlossene Auslaßkanäle für das Kühlgas aufweist, welche Einlaß- und Auslaßkanäle über erste und zweite Öffnungen in dem Zentrierrohr mit Räumen zwischen den Wickelköpfen in Verbindung stehen und welche Auslaßkanäle über Bohrungen in einem zwischen der Wickelkopfkappe und dem Zentrierrohr angeordneten, den gesamten Wickelkopfraum in axialer Richtung abschließenden Zentrierring an einer den größtmöglichen Durchmesser aufweisenden Stelle des Zentrierringes nach außen münden.. -

Bei Turbogeneratoren dieser Art, die beispielsweise für 50 Hz und eine Drehzahl von 3000 U/min ausgelegt sind, tritt eine sehr hohe mechanische Beanspruchung durch Fliehkräfte auf, die auf den Läuferblock und seine Einzelteile wirken. In den Nuten des Läuferstahlblocks befindet sich die mit Gleichstrom erregte Wicklung. Eine meist aus antimagnetischem Stahl verfertigte Wickelkopfkappe nimmt die Fliehkräfte der an den Läuferblockenden befindlichen Verbindungen, das heißt der Wicklungsköpfe, auf. Zusätzliche Beanspruchungen rühren vom Läufer-Eigengewicht, von nach der Wärmebehandlung des Schmiedens zurückgebliebenen mechanischen Spannungen und anderen Fertigungsbedingungen her.

Durch konstruktive Maßnähmen kann man die Verteilung der Beanspruchungen im Wickelkopfkappensystem beeinflussen, sofern das Wicklungsmaterial darunter hinreichend gleichmäßig angeordnet ist. Herkömmliche Ausgestaltungen sind in den F i g. 1 a bis Id dargestellt. Bei der Ausführung gemäß Fig. la geht der Läufer 1 in eine Welle 2 über, auf die ein Zentrierring 4 aufgeschrumpft ist. Eine Wickelkopfkappe 3 ist sowohl auf dem Läufer 1 als auch auf den Zentrierring 4 aufgeschoben. Die Anordnung nach Fig. Ib unterscheidet sich hiervon dadurch, daß sich die Wickelkopf kappe 3 nicht an den Läufer 1 anschließt. Bei der Konstruktion nach Fig. Ic trägt die auf den Läufer 1 aufgeschrumpfte Wickelkopfkappe 3 den mit ihr, nicht jedoch mit der Welle 2 verbundenen Zentrierring 4. Schließlich zeigt Fig. Id eine Ausführung, wobei die Wickelkopfkappe 3 sowohl auf den Läufer. 1 als auch auf den Zentrierring 4 aufgeschrumpft ist, welch letzterer zusätzlich mit dem Läufer 1 durch ein Zentrierrohr 5 verbunden ist. Diese verschiedenen Ausgestaltungen lassen die Tendenz erkennen, an Stelle einer starren Verbindung des durch die Lagerreaktion belasteten, Biegungen erfahrenden Wellenendes mit der Wickelkopfkappe eine lockere bzw. elastische Verbindung vorzusehen oder das Wickelkopfkappensystem von der Bewegung des Wellenendes ganz unabhängig zu machen. Letzteres ist bei der erfindungsgemäß benutzten Lösung nach Fig. Id der Fall. Das an der Stirnseite des Läuferblocks 1 befestigte Zentrierrohr 5 stützt hierbei den Zentrierring 4 ab» auf den das axial äußere Ende der Wickelkopfkappe 3 aufgeschrumpft ist, während deren axial inneres Ende mit dem Läuferblock 1 fest verbunden ist.

Bei in dieser Weise gegen mechanische Überbeanspruchungen geschützten Turbogeneratorläufern von Hochleistungsmaschinen ist eine intensive Kühlung der Wicklung außerordentlich wichtig. Vorzugsweise wird das Kühlmedium, das aus Luft, Wasserstoff odereinem anderen Kühlmedium, bestehen kann, unmittelbar an das Wicklungsmaterial herangebracht. Bei" den bisher bekannten Kühleinrichtungen für Rotoren gasgekühlter Turbogeneratoren, in denen das Gas über an dem Zentrierrohr angeordnete Zu- und Abluftkanäle zu- und abgeführt wird, kam aber das in die Zwischenräume zwischen die einzelnen Wickelköpfe einströmende Kühlgas nur mit der seitlichen Oberfläche der Wickelköpfe in Berührung. Um eine Trennung zwischen Zu- und Abluft in diesen Zwischenräumen zu erreichen, mußten darin zum Teil aufwendige Einbauten vorgesehen werden. Außerdem gelangte jeweils immer nur die in den Zwischenräumen an der Außenseite befindliche Kühlluft mit den Wicklungen in Berührung, während die sich im

ao mittleren Teil der Zwischenräume befindende Kühlluft nur in geringem Maße an der Kühlung beteiligt war. Beispielsweise ist bei der Kühleinrichtung nach der deutschen Patentschrift 1 046 172 lediglich eine strömungsmechanisch wenig günstige Kühlung der .·

as Spulehköpfe an den Außenflächen der Leiter vor- *· gesehen, die keinerlei Öffnungen aufweisen, so daß ihre Kühlung von derjenigen der Leiter des Nutenteils gänzlich unabhängig ist. Die thermische Belastbarkeit des Läufers ist bei dieser Ausführungsform entsprechend gering. Entsprechendes gilt für die Anordnungen gemäß der schweizerischen Patentschrift 376 996 und der österreichischen Patentschrift 225 274, bei denen zwar unterhalb der Spulenköpfe der Rotorwicklung ein zylindrischer Innenschirm in Einlaß- und Auslaßkammern für das Kühlgas aufgeteilt ist, wobei aber die Kühlung der Wickelköpfe wenig wirksam ist, weil die Wicklungsleiter nur von außen gekühlt sind, das heißt auf verhältnismäßig kleiner Oberfläche und nicht im Inneren.

Aus der deutschen Patentschrift 1032 382 ist ferner bereits eine Kühlanordnung für Turbogeneratoren bekannt, deren Erregerwicklung mit Hohlleitern ausgerüstet ist. Dies ermöglicht eine größere Oberfläche und damit eine Erhöhung des Kühleffektes. Die einzelnen Kühlabschnitte sind aber hintereinander angeordnet und müssen demzufolge nacheinander durchströmt werden. Durch zusätzlich einseitig angeordnete Seitenöffnungen kann zwar das Kühlmittel jeweils entweder austreten oder eintreten, eine Umspülung der Wicklungen mit frischem, stets neugekühltem Kühlmittel ist jedoch nicht möglich. Dies trifft auch für die Anordnung nach der USA.-Patentschrift 3 225 231 zu, deren Wicklungsleiter im Inneren lange Kühlkanäle aufweisen, die an einigen untergeordneten Stellen und mit großen Abständen zueinander Queröffnungen aufweisen. Letztere bilden aber nur zusätzliche Ein- und · Auslässe, die einander im Normalfalle nicht gegenüberstehen und so die Längsströmung zu und von den Stirnseiten der Hohlleiter nicht generell beeinflussen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit minimalem Aufwand einen gegen mechanische Überbeanspruchungen gesicherten Turbogeneratorläufer zu schaffen, der eine optimale Kühlung der Wickelköpfe unabhängig von derjenigen des Nutenteils gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Turbogeneratorläufer der eingangs erwähnten Art erfin-' dungsgemäß vorgesehen, daß die Einlaßkanäle und

die Auslaßkanäle einander in Umfangsrichtung abwechseln sowie in axialer Richtung über die ersten und zweiten Öffnungen in dem Zentrierrohr jeweils mit einem der auf beiden Seiten der jeweiligen Wickelköpfe befindlichen Räume in Verbindung stehen und daß ferner die zu den Auslaßkanälen gehörigen zweiten öffnungen gegenüber den zu den^ßnlaßkanälen gehörigen ersten öffnungen versetzt Angeordnet sind und daß schließlich längs der gesamten Länge jedes Wicklungsleiters in gleichmäßigen Abständen eine Vielzahl von quer zur Längsachse desselben verlaufenden Leiterkanäle angeordnet sind, die jeweils die zu beiden Seiten des jeweiligen Wickelkopfes liegenden Räume verbinden.

Bei dem erfindungsgemäßen Turbogeneratorläufer tritt das Kühlgas durch öffnungen im Zentrierrohr in den Zwischenraum auf der einen Seite des jeweiligen Wickelkopfes ein, fließt dann durch Querkanäle in den Leitern in den auf der anderen Seite des Wickelkopfes liegenden Zwischenraum und verläßt dort über ao öffnungen, die gegenüber den vorgenannten Einlaßöffffungen versetzt angeordnet sind, diesen auf der anderen Seite des Wickelkopfes gelegenen Zwischenraum wieder. Durch diese Kühlgasführung wird auf sehr kurzem Wege eine intensive Durchwirbelurig des »5 Kühlgases erreicht, so daß der gesamte Kühlgasstrom sich in gleichem Maße an der Kühlung beteiligt. Ferner ist durch die teilweise direkte Leiterkühlung gegenüber den bekannten Kühleinrichtungen im vorgeschlagenen Fall die Kühlung der Wickelköpfe in noch vielmehr stärkerem Maße wirksam. Dabei ist der Aufwand für die zusätzliche, teilweise direkte Kühlung sehr gering. Der Läufer nach der Erfindung gestattet einen extrem hohen Durchsatz von Kühlgas, das den Wickelkopf gänzlich unabhängig von dem Nutenteil kühlt. Zusammen mit der sehr ausgedehnten Kühloberfläche, die sowohl das Äußere als auch das Innere jedes Leiters umfaßt, und mit dem durch die kurzen Querkanäle bedingten hohen Wärmeübertragungskoeffizienten wird auf diese Weise eine optimale Kühlung gewährleistet. Die Leiter können z. B. in Form je eines glatten und eines gerippten Bandes ausgebildet sein.

Der Leiterquerschnitt ist frei wählbar, so daß der Erregerstrom selbst bei Einheiten sehr großer Leistung verhältnismäßig niedrig gehalten werden, z. B. bei etwa 2 kA, und die Grenzleistung von Turbogeneratoren mit Wasserstoffkühlung auf etwa 1 GW pro Einheit gesteigert werden kann.

Sind im Mantel des Zentrierrohres Einlaß- und Auslaßkanäle ausgebildet, so kann eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin bestehen, daß die Einlaßkanäle am Innenmantel und die Auslaßkanäle am Außenmantel des Zentrierrohres angeordnet sind. Mithin wechseln Einlaß- und Auslaßkanäle in regelmäßiger Folge am Innen- und am Außenmantel des 'Zentrierrohres ab, was stark zu einer verbesserten Wärmeabfuhr beiträgt.

Zweckmäßig ist das Zentrierrohr aus einem Stück hergestellt. Darauf befestigte, aus Metall, aus Isoliermaterial oder aus deren Kombination bestehende Elemente können die Einlaß- oder Auslaßkanäle bilden bzw. enthalten.

Es ist auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Zentrierrohr mit einem Zwischenstück in Form eines einstückigen Isolierstoffrohres versehen ist. Ein solches Zwischenstück kann auch aus mehreren Isolierstoffteilen bestehen.

Ein besonders einfacher Aufbau und eine wenig aufwendige Fertigung ergeben sich, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Wicklungsleiter der Wickelköpfe aus je einem glatten und einem gerippten Band zusammengesetzt und voneinander durch Isolierlagen getrennt sind. Dank dieser Ausbildung läßt sich ein genügend großer Kanalquerschnitt auch bei großem Leiterquerschnitt erzielen, was wiederum zur Herabsetzung der Stromdichte und damit der Wärmekonzentration beiträgt.

Durch die Erfindung sind somit gleichzeitig die drei grundlegenden Probleme eines Turbogeneratorläufers hoher Leistung gelöst, nämlich die Anbringung bzw. Unterstützung der Wickelköpfe unabhängig von den Bewegungen der Welle, die optimale Kühlung der Wickelköpfe unabhängig von dem in Eisen eingebetteten Wicklungsteil und der Betrieb mit einem verhältnismäßig niedrigen Erregerstrom.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung. Darin zeigt ".;·■· .

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Schrägansicht eines Wicklungskopfes eines erfindungsgemäßen Turbogeneratorläufers, ■ - ■ *i

F i g. 3 a einen Axial- bzw. Längsschnitt der Außenteile eines erfindungsgemäßen Turbogeneratorläufers und ^; '

F i g. 3 b einen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 3a. '

Wie man aus F i g. 2 erkennt, ist ein Wickelkopf eines Turbogeneratorläufers nach der Erfindung aus Wicklungsleitern 6 und Windungsisolationen 8 zusammengesetzt. Sowohl die geraden als auch die gebogenen Abschnitte der Wickelköpfe sind mit einer Vielzahl von quer zur Längsachse der Wicklungsleiter 6 verlaufenden Leiterkanälen versehen. Diese kurzen Leiterkanäle 7 verbinden jeweils die zu beiden Seiten des betreffenden Wickelkopfes liegenden Räume und ermöglichen damit das Durchströmen des Kühlgases in Querrichtung. Eine konstruktiv besonders einfache Lösung besteht darin, jeweils Paare von Wicklungsleitern 6 zu benutzen, von denen einer als glattes und der andere als geripptes Band ausgebildet ist.

Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Turbogeneratorläufers geht aus den Fig. 3a und 3b hervor. An dem mit der Welle 2 verbundenen Läuferblock 1 ist ein Zentrierrohr 5 mittels Schrauben 9 befestigt. Auf das Zentrierrohr 5 ist ein Isolierzwischenstück 10 aufgezogen, das die einzelnen Wickelköpfe 6,8 trägt. , An das Zentrierrohr 5 schließt sich — in Axialrichtung außen — der Zentrierring 4 an. Auf diesen und auf'den Läuferblock 1 ist die Wickelkopfkappe 3 aufgeschrumpft. An der Stirnseite der Anordnung ist ein mit Radialschaufeln versehener Lüfter 11 angeordnet, um das Kühlgas für die Wickelköpfe 6, 8 zum Strömen zu bringen.

Der Verlauf der Kühlgasströmung ist in den Fig. 3a und 3b durch Pfeilrichtungen angedeutet. Man erkennt, daß das Kühlgas durch Einlaßkanäle 12 im Zentrierrohr 5 unter die Wickelköpfe 6, 8 strömt. Über Bohrungen 13 sowie über erste öffnungen 15 im Zehtrierrohr 5 und der Isolierzwischenlage 10 gelangt das Kühlgas zu den Räumen auf beiden Seiten der einzelnen Wickelköpfe 6, 8. Dort angeordnete, beispielsweise aus Isoliermaterial bestehende Distanzstücke ermöglichen es dem Kühlgas, in die Leiter-

kanäle 7 ein- und damit durch den Wickelkopf 6, 8 in Querrichtung hindurchzuströmen. Von den nunmehr erreichten Räumen gelangt das Kühlgas durch Bohrungen 13 des Isolierzwischenstücks 10 und öffnungen 15' des Zentrierrohres 5 zu Auslaßkanälen 16, die über Bohrungen 17 im Zentrierring 4 unter der Saugwirkung des Radiallüfters Jl stehen. Man erkennt, daß die zu den AusIaßkJmäTen 16 gehörigen zweiten öffnungen 15' im Zentrierrohr 5 gegenüber den zu den Einlaßkanälen 12 gehörigen ersten öffnungen 15 in Axialrichtung versetzt angeordnet sind.

Claims (7)

Patentansprüche: .

1. Zweipoliger Turbogeneratorläufer mit einer in Nuten des Läuferballens angeordneten Wick-

. lung, deren.an den Stirnseiten des Läuferballens befindliche Wickelköpfe zwischen einer radial außenliegenden Wickelkopf kappe und einem an der Stirnseite-des Läuferballens befestigten, radial innenliegenden Zentrierrohr angeordnet sind, das axial verlaufende, stirnseitig und radial nach innen offene Einlaßkanäle und allseitig geschlossene Auslaßkanäle für das Kühlgas aufweist, welche Einlaß- und Auslaßkanäle über erste und' ,zweite öffnungen in dem Zentrierrphr mit Rau-, .„' men..zwischen den Wickelköpfen, in Verbindung stehen und welche Auslaßkanäle über Bohrungen in einem zwischen der Wickelkopfkappe und dem Zentrierrohr angeordneten, den gesamten Wickelkopfraum in axialer Richtung abschließenden Zentrierring an einer den größtmöglichen Durchmesser aufweisenden Stelle des Zentrierringes nach außen münden, dadurch gekennzeichne t, daß die Einlaßkanäle, (12) und die Auslaßkanäle (16) einander in Umfangsrichtung abwechseln sowie in axialer Richtung über die

. ersten und zweiten öffnungen (15,15') in dem Zentrierrohr (5) jeweils mit einem der auf beiden Seiten der jeweiligen Wickelköpfe befindlichen Räume in Verbindung stehen und daß ferner die zu den Auslaßkanälen (16) gehörigen zweiten öffnungen (15') gegenüber den zu den Einlaßkanälen (12) gehörigen ersten öffnungen (15) versetzt angeordnet sind und daß schließlich längs der gesamten Länge jedes Wicklungsleiters (6) iri gleichmäßigen Abständen eine Vielzahl von quer zur Längsachse desselben verlaufenden Leiterkanäle (7) angeordnet sind, die jeweils die zu beiden Seiten des jeweiligen Wickelkopfes liegenden Räume verbinden (F i g. 3 a und'3 b).

2. Turbogeneratorläufer nach Anspruch 1, mit im Mantel des Zentrierrohres ausgebildeten Einlaß- und Auslaßkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkanäle (12) am Innenmantel und die Auslaßkanäle (16) am Außenmantel des Zentrierrohres (5) angeordnet sind (F i g. 3 b).

3. Turbogeneratorläufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierrohr (5) aus einem Stück hergestellt ist (Fig. 3 a und 3b).

4. Turbögeneratorläufer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Zentrierrohr (5) befestigte, aus Metall, aus Isoliermaterial oder aus deren Kombination'" bestehende Elemente die Einlaß- oder Auslaßkanäle (12,16) bilden oder enthalten.

5. Turbogeneratorläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierrohr (5) mit einem Zwischenstück (10) in Form eines einstückigen Isolierstoffrohres versehen ist (F i g. 3b). ν

6. Turbogeneratorläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierrohr (5) ein Zwischenstück aus mehreren Isolierstoff-Teilen trägt.

7. Turbogeneratorläufer nach einem der Ansprüche. 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsleiter (6) der Wickelkörper aus je einem glatten und einem .gerippten Band zusammengesetzt und voneinander durch Isolierlagen (8) getrennt sind (Fig. 2). ^

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