DE2053663A1

DE2053663A1 - Vorrichtung zum Kühlen von Kollektorringen

Info

Publication number: DE2053663A1
Application number: DE19702053663
Authority: DE
Inventors: Fred Henry Schenectady; Barton Sterling Cheney Scotia; N.Y. Kindl (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-11-21
Filing date: 1970-10-31
Publication date: 1972-04-13
Also published as: GB1294719A; JPS5542471B1; FR2069763A5; CH525582A; US3579006A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zum Kühlen der Kollektorringe von dynamoelektrischen Maschinen, wie beispielsweise von großen Turbinengeneratoren, und betrifft insbesondere ein Flüssigkeitskühlsystem für derartige Ringe.

Der Erregerstrom für die rotierenden Feldwicklungen großer
Turbinengeneratoren wird normalerweise über Kohlebürsten zugeführt, welche im Schleifkontakt mit den rotierenden Kollektorringen der Turbinenwelle stehen. Ein Grenzfaktor, der die Lebensdauer der Bürsten bestimmt, ist die Stromdichte im
Schleifkontaktberdch, wobei es bekannt ist, daß die Stromdichte durch eine bessere Ringkühlung erhöht werden kann.

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In den US-Patenten 3 145 3l4 und 3 320 kkj wurde bereits vorgeschlagen, die rotierenden, elektrisch leitenden Ringe mittels einer Flüssigkeit zu kühlen, wobei die Ringe Durchlässe aufweisen, die ein Teil des gesamten geschlossenen Kühlsystems der Maschine sind. Geschlossene Kühlsysteme bei rotierenden Vorrichtungen sind jedoch in hohem Maße Dichtproblemen unterworfen.

Es wurde bereits in den älteren US-Patenten 3 249 775 und 3 296 470 vorgeschlagen, die Rotorwicklungen selbst durch eine Flüssigkeit zu kühlen, die mittels freier Strahlen in " rotierende Hohlräume gelangt. Diese Systeme sehen eine Vielzahl geschlossener Durchlässe im Innern der Kupferwicklung vor und die rotierenden Sammelkammern dienen mehr als Verteilungskammern, als daß sie irgendeine Kühlfunktion selbst ausüben.

Das Kühlen der Kollektorringe ist mit mehreren Schwierigkeiten behaftet, da der Durchmesser der Kollektorringe nicht vergrößert werden kann, ohne daß die Geschwindigkeit an den Bürstenschleif flächen erhöht werden würde. Es ist schwierig, die Kühlflüssigkeit durch die vielen elektrischen Verbindungen zu leiten, die vorgesehen werden müssen zwischen den Feldwick- | lungen im Innern des abgeschlossenen Gehäuses und den Kollektorringen, die außerhalb des Gehäuses angeordnet sind.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Kühlung der Kollektorringe bei einer dynamoelektrischen Maschine in einfacher Weise vorzunehmen. Hierbei soll die Zuführung und die Abführung der Kühlflüssigkeit für den Kollektorring auf einfache Weise erfolgen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Struktur zur Zufuhr und Sammlung von Flüssigkeit zwecks Kühlung eines Kollektorringes zu schaffen.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Kollektorringen mit überstehenden zylindrischen Teilen, deren äußere Oberflächen im Schleifkontakt mit Bürsten sind, wobei die überhängenden zylindrischen Teile radial verlaufende Dämme an den äußeren Enden aufweisen, so daß sich an den inneren Kollektoroberflächen drehende Kühlflüssigkeitskammern bilden. Erfindungsgemäß werden Flüssigkeitszufuhr- und -aufnahmeringe unterschiedlicher radialer Durchmesser vorgeschlagen, die von einer die Welle umschließenden Hülse getragen werden, welche die Flüssigkeit von und zu einem zentralen Rohranschluß infolge einer Eigenpumpwirkung leiten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

in Fig. 1 einen Horizontalschnitt eines Teils einer Welle einer dynamoelektrischen Maschine mit einem Flüssigkeitsanschluß und einem Kollektorring, wobei nur einer von zwei Ringen der Übersichtlichkeit halber dargestellt ist,

in Fig. 2 und Fig. 3 Teilschnitte längs der Linie II-II und III-III zur Darstellung der Einzelheiten der Flüssigkeitszufuhr- und Flüssigkeitssammelringe,

in Fig. ¹J und Fig. 5 zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt einen Teil einer Generatorwelle 1 mit einem darauf angeordneten Kollektorring 2, der durch eine Flüssigkeit gekühlt wird, die von einem zentralen Rohranschluß 3 zugeführt wird. Ein anderer Kollektorring (aus Raumgründen nicht gezeigt) ist an der anderen Seite des Rohranschlusses 3 angeordnet und identisch ausgebildet wie der Kollektorring 2,ausgenommen daß er hierzu spiegelbildlich ist.

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Die Welle 1 weist eine zentrale, isolierte Bohrung auf, welche zwei isolierte Leitungsstangen 4, 5 trägt, von denen jede elektrisch verbunden ist mit einem der beiden Kollektorringe mittels einem oder zwei sich radial erstreckenden Anschlußzapfen, wie beispielsweise dem Zapfen 6. Die Leitungsstangen 4, 5 sind ihrerseits getrennt gekühlt durch eine Flüssigkeit gemäß einer Konstruktion, wie sie beispielsweise beschrieben ist im US-Patent 3 393 333.

Der Kollektorring 2 umfaßt einen Nabenteil 2a, welcher auf der Welle befestigt und gegenüber der Welle mittels einer Isolierhülse 7 isoliert ist. Der Nabenteil 2a trägt einen sich zylindrisch erstreckenden, überhängenden Teil 2b, der in bekannter Weise an seiner äußeren Fläche mit Spiralnuten 2c versehen ist, welche die Bürstenschleifflächen 2d voneinander trennen. Die Bürstenumrisse sind durch die Bezugsziffer 8 gekennzeichnet. Die Konstruktion der Bürstenhalterung ist nicht gezeigt, jedoch wird hierfür vorzugsweise eine Anordnung verwendet, wie sie im US-Patent 3 387 155 beschrieben ist. Die beschriebene Konstruktion ist konventionell, außer daß der überhängende Kollektorringtell 2b sehr viel länger und dünner ist als bei Kollektoren bekannter Art.

Gemäß der Erfindung ist ein Formringteil 9 am Ende des überhängenden Kollektorteils 2b angeordnet, welcher sich radial nach innen in Richtung, der Welle 1 erstreckt und als Flüssigkeitsdamm dient, wobei sich eine rotierenden Flüssigkeitskammer 30 bildet. Der Ring 9 ist abnehmbar angeordnet, damit die Teile während des Zusammenbaus zusammengefügt werden können. Eine doppelwandlge Hülse 10 erstreckt sich axial längs der Welle in die Kammer 30 im Zwischenraum zwischen dem Damm und der Welle 1. Am Umfang angeordnete Zähne 10a sind an der Außenseite der Hülse über eine Strecke beidseits des Dammes 9 angeordnet, um Flüssigkeit von der Hülse 10 abzuleiten.

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Auf der Hülse 10 ist ein Flüssigkeitszufuhrring 11 und ein Flüssigkeitsaufnahmering 12 angeordnet. Der Flüssigkeitszufuhrring 11 befindet sich oberhalb der am Umfang der Hülse in Abständen angeordneten Flüssigkeitseinlässe 13. In ähnlicher Weise ist der Ring 12 angeordnet, der mit den am Umfang im Abstand angeordneten Auslässen Ik in Verbindung steht, welche in tezug auf die Einlasse 13 versetzt sind. Wechselweise angeordnete axial verlaufende Durchgänge 15 > 16 in der Hülse 10 stehen in Verbindung mit den Einlassen 13 bzw. Auslässen

Die axial verlaufenden Flüssigkeitszuleitungen 15 werden alle von einem Flüssigkeitseinlaß 17 des Rohranschlusses gespeist, der mit einer Flüssigkeitsquelle einer Kühlflüssigkeit über Mittel verbunden ist, durch die die Flüssigkeitsmenge eingestellt wird. In ähnlicher Weise wird die über die Durchgänge 16 zurückkehrende heiße Flüssigkeit durch den Rohranschluß 18 gesammelt und von dort durch einen Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) geleitet. Die Hülse 10 wird in ihrer Mitte durch zwei Ringe 19 getragen, und es sind Mittel vorgesehen, die es gestatten, die Ringe so einzustellen, daß die Hülse konzentrisch zur Welle 1 angeordnet ist. Eine gleiche Hülse erstreckt sich in entgegengesetzter Richtung vom Rohranschluß 3 und ist identisch aufgebaut wie die Hülse 10.

Der Aufbau des Zuführringes 11 und des Aufnahmerings 12 ist ähnlich. Der Ring 11 besteht aus zwei festen Ringen 11a und 11b, welche durch Formsegmente Hd voneinander getrennt sind und durch im Abstand angeordnete Nieten 20 zusammengehalten werden. Der Ring 12 besteht aus zwei festen Ringen 12a und 12b, welche durch Formsegmente 12c voneinander getrennt und durch Nieten 21 zusammengehalten werden. Der Querschnitt der Segmente der Ringe 11 und 12 ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Segmente Hc so geformt und im Abstand zueinander angeordnet sind, daß sich spiralig verlaufende Durchgänge 22 bilden, die eine Verlängerung der Einlasse 13 darstellen, die mit den axial verlaufenden Zu-

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leitungskanälen 15 In Verbindung stehen. Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die Segmente 12c in einem solchen Abstand zueinander angeordnet und in entgegengesetzter Richtung gekrümmt, so daß sich gekrümmte Auslaßkanäle 23 bilden, die mit ihren inneren Enden mit den Auslässen m und den axialen Durchlässen 16 in Verbindung stehen. Die Segmente lic und 12c dienen dazu, die wechselweise angeordneten axialen Durchlässe voneinander zu trennen und die Zugänge zu den wechselweise angeordneten, axial verlaufenden Durchgängen zu bilden, wie dies den Abbildungen zu entnehmen ist. Um die Eigenpumpwirkung der Flüssigkeit zu erleichtern, erstrecken sich die Segmente 12c des Aufnahmerings 12 nach außen über die festen Tragringe 12a und 12b, die an jeder Seite angeordnet sind, hinaus, wie dies deutlicher die Fig. 1 zeigt. Außerdem weist der Aufnahmering 12 einen größeren Durchmesser auf als der Zufuhrring 11, durch den ausreichend Flüssigkeit zugeführt wird, so daß der resultierende Flüssigkeitsdruck zu einem selbstfördernden System führt.

Die gekühlte Flüssigkeit fließt vom Einlaßanschluß 17 in beiden Richtungen durch die verschiedenen axial verlaufenden Flüssigkeitsdurchlässe 15 und gelangt tangential in die topfförmige Kammer 30 über die entsprechend geformten Auslässe 20. Die Flüssigkeit bedeckt die freie Oberfläche im Innern des Kollektorteiles 2b und kühlt den Kollektorring, so daß eine größere Stromübertragung über die Bürsten möglich ist. Die Flüssigkeit wird durch den Ring 12 über die entsprechend geformten Auslaßdurchlässe 23 ausgeschaufelt, wobei diese Durchlässe in entgegengesetzter Richtung gekrümmt sind wie die Einlasse 22, so daß die Flüssigkeit durch die axialen Durchgänge 16 zum Auslaßrohranschluß gelangt. Der Unterschied im Durchmesser zwischen dem Zufuhrring und dem Aufnahmering ergibt . einen Druck, hervorgerufen infolge der Zentrifugalkraft und bewirkt, daß die Anordnung eine Eigenpumpwirkung aufweist.

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Es Ist ein Merkmal von dynamoelektrischen Maschinenrotoren, daß der Rotor (und die angeordneten Kollektorringe) infolge der Wärmeausdehnung einer beträchtlichen axialen Verschiebung ausgesetzt sind, wobei der Rohranschluß 3 und die Hülse 10 stationär sind. Wenn die Welle 1 und der Kollektorring 2 sich infolge der thermischen Ausdehnung des Rotors bewegen, können die Ringe 11 und 12 über das Innere der freien Flüssigkeitsoberfläche ohne irgendwelche Behinderung^andern.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 4, wobei der Kollektorring 31 einen zentralen Nabenteil 31a und zwei überhängende Endteile 31b und 31c aufweist. Die Ringe 32 und 33 sind Jeweils an einem Ende angeordnet und es bilden sich zwei im Abstand voneinander angeordnete Flüssigkeitskammern 34 und 35, die über Löcher 36 Im Nabenteil miteinander In Verbindung stehen.

Eine Flüssigkeitseinlaßhülse 37 mit einem Zufuhrring 38 mit einem schmaleren Durchmesser verläuft unter dem radialen Ring 32 an einem Ende. Am anderen Ende befindet sich die Flüssigkeitsauslaßhülse 39 und ein daran angeordneter Aufnahmering 40 von größerem Durchmesser, welcher In die Flüssigkeitskammer 35 hineinragt.

Wie zuvor, erhält man durch die unterschiedlichen Durchmesser der Ringe 38 und 40 eine selbstpumpende Wirkung von der einen Kammer zur darauffolgenden.

Die FIg. 5 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform, bei der der Kollektorring 41 mit einem Nabenteil 4la versehen ist und überstehende Teile 4lb und 4lc aufweist.

An demjenigen Ende, wo der Anschluzapfen 6 angeordnet ist, dichtet ein radialer Ring 42 die Flüssigkeitskammer 43 ab. Am anderen Ende bilden die rotierenden Ringe 44 und 45 eine rotierende Flüssigkeitseinlaßkammer 46 und eine Auslaßkammer

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47. Eine einzige Hülse 48 trägt sowohl den Flüssigkeitszufuhrring 49 mit einem kleineren Durchmesser und den Flüssigkeitsaufnahmering 50 mit einem größeren Durchmesser.

Es ist zu vermerken, daß die sich drehenden Flüssigkeitskammern 46, 43, 47 miteinander in Verbindung stehen über die Durchlässe 51 und 52, die sich nach rückwärts und vorwärts axial durch den Nabenteil 41 erstrecken und die Kammern 43, 46 und 47 miteinander verbinden, so daß eine vollständige Kühlung des Kollektorrings sichergestellt ist.

Die Flüssigkeitszufuhrringe und die Flüssigkeitsaufnahmeringe der Ausführungsform nach Fig. 4 und 5 können entsprechend geformte Durchlässe aufweisen, wie sie bei der Anordnung nach Fig. 1 bis 3 gezeigt sind.

Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel und zwei weitere Ausführungsformeη der Erfindung dargestellt wurden, ist es klar, daß einer oder der andere der Ringe 11 und 12 entfallen können. Beispielsweise kann anstelle des Ringes 11 die Flüssigkeit direkt vom Auslaß 13 zugeführt werden als freier Strahl in den umschlossenen Raum 30. Umgekehrt kann der Ring 12 entfallen und hierfür ein kurzer Damm 9 vorgesehen werden, welchen die Flüssigkeit überfließen kann, die sodann außen durch eine geeignete Sammelvorrichtung aufgefangen wird. Die im bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigte Anordnung zeigt jedoch sowohl den Zufuhr- als auch den Aufnahmering in einer einfachen Ausführungsform mit einem Minimum an Verspritzen und unerwünschtem Austreten der Flüssigkeit.

Die Erfindung ermöglicht eine Kühlungsvorrichtung des Kollektorringes , die einfach aufgebaut ist und die nicht abhängt vom Kühlsystem für die Rotorwicklungen selbst. Eine erhöhte Stromdichte und Lebenszeit der Bürsten wird durch die gezeigte Konstruktion ermöglicht.

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Claims

— Q —

Ansprüche

Γΐ.)Kühlvorrichtung zum Kühlen von isolierten Kollektorringen bei einer dynamoelektrischen Maschine, wobei die Kollektorringe mit der Welle verbunden und elektrisch an Leitungen angeschlossen sind, die in der Welle verlaufen, mit mindestens einem axial verlaufenden, überhängenden Kollektorringteil, dessen äußere Oberfläche als Schleiffläche mit den Bürsten dient, mindestens einem rotierenden Ring, der am überhängenden Teil angeordnet und sich von dort radial nach innen erstreckt und als Flüasigkeitsdamm dient, gekennzeichnet durch Flüssigkeitszufuhrmittel (11, 13, 15 )₃ die einen stationären Ring (11) schmaleren Durchmessers aufweisen, durch den ein gekühlter Flüssigkeitsstrom in das Innere des überhängenden Kollektorteiles (2b) gelangt, und Flüssigkeitssammelmittel (12, 14, 16), die einen stationären Ring (12) größeren Durchmessers aufweisen, der so angeordnet ist, daß er vom Innern dieses überhängenden Kollektorringteiles Flüssigkeit sammelt.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeitszufuhrmittel einen Hülsenteil (10) aufweisen, der zwischen dem Damm (9) und der Rotorwelle (1) verläuft und axial verlaufende Durchlässe (15, 16) aufweist, einen Zufuhrring (11) besitzt, der sich radial nach außen über den inneren Durchmesser des Damms (9) erstreckt, wobei dieser Zufuhrring (11) tangential verlaufende Auslässe (22) aufweist, die mit den axial verlaufenden Durchlässen (15) der Hülse (10) in Verbindung stehen.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeitssammelmittel einen Hülsenteil (10) aufweisen, der zwischen dem Damm (9) und der Rotorwelle (1) verläuft und axial

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- ίο -

verlaufende Durchlässe (15, 16) aufweist, einen Aufnahmering (12) trägt, der sich radial nach innen über den inneren Durchmesser des Damms erstreckt, wobei der Aufnahmering (12) entsprechend geformte Aufnahmedurchlässe (23) aufweist, die mit den axialen Durchlässen (16) der Hülse in Verbindung stehen.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei überhängende Kollektorringteile (31b, 31c, 4lb, 4lc) sich in entgegengesetzter Richtung von einem zentralen Nabenteil (31a, 4la) aus erstrecken und axiale Durchlässe aufweisen, und wobei diese Flüssigkeitszufuhrmittel (37, 38, 49) an einer Seite des Nabenteils und die Flüssigkeitssammelmittel (39, 40, 50) an der anderen Seite des Nabenteils angeordnet sind.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter rotierender Ring (45) an der Innenseite des überhängenden Kollektorringteiles (4lc) angeordnet ist und einen zweiten Flüssigkeitsdamm bildet, wodurch die erste und zweite rotierende Flüssigkeitskammer (46 und 47) voneinander getrennt sind, wobei der Kollektorkörper axiale Durchlässe (51, 52) von einem Ende des Kollektors zum anderen Ende aufweist, die die erste und zweite Kammer miteinander verbinden, und wobei die stationären Ringe (49, 50) der Flüssigkeitszufuhrmittel und der Flüssigkeitssammelmittel sich in die erste bzw. zweite Flüssigkeitskammer erstrecken.

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