DE2340821A1

DE2340821A1 - Dynamoelektrische maschine mit druckeinrichtung fuer fluessiges kuehlmittel

Info

Publication number: DE2340821A1
Application number: DE19732340821
Authority: DE
Inventors: Henry William Kudlacik
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-08-24
Filing date: 1973-08-11
Publication date: 1974-03-07
Also published as: CH560987A5; FR2199624A1; GB1398646A; US3822389A; FR2199624B3; JPS49132501A

Description

Dr. rer. nat. Horst Schüler PATENTANWALT

Frankfurt/Main T, 8. August 1973 Niddastraße52 Vo/Rg

Telefon (0611) 237220 Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frank'urt/M

24O2-17-QE-1837-

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Dynamoelektrische Maschine mit Druckeinrichtung für flüssiges Kühlmittel

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf gasgekühlte, flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschinen und insbesondere auf Mittel zur temporären Erhöhung des statischen Druckes in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem bei überlastzuständen der dynamoelektrischen Maschine.

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Bei großen dynamoelektrischen Maschinen können verschiedene Teile der Maschine durch ein komprimiertes gasförmiges Kühlmittel gekühlt werden, das in dem gasdichten Gehäuse der dynamoelektrischen Maschine enthalten ist. Andere Teile der dynamoelektrischen Maschine können weiterhin durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlt werden, das über diese Teile geleitet wird. Beispielsweise können die Statorwicklungen hohle, elektrisch leitende Stäbe sein, durch die ein flüssiges Kühlmittel in einem geschlossenen System umgewälzt wird. Ein derartiges System ist in der US-Patentschrift 3 348 081 beschrieben. Ein häufig verwendetes flüssiges Kühlmittel ist Wasser. Dabei müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen sein, damit das flüssige Kühlmittel nicht verdampft oder "siedet". Wenn das flüssige Kühlmittel siedet, blockiert es die Strömung des flüssigen Kühlmittels durch die Leitung, woraus ein weiteres Sieden oder Verdampfen in der Leitung resultiert, so daß das Kühlsystem "durchgeht".

Bei einigen dynamoelektrischen Maschinen wird eine Schutzeinrichtung verwendet, um Leckagen in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem abzutasten. Eine derartige Einrichtung ist in der US-Patentschrift 2 675 493 beschrieben. Hiernach wird der Druck des flüssigen Kühlmittels niedriger gehalten als der Druck des gasförmigen Kühlmittels, so daß, falls ein Leck auftreten sollte, das Gas in das flüssige 'Kühlmittel strömt, anstatt daß die Flüssigkeit in die dynamoelektrische Maschine fließt. Anschließend wird das in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem mitgerissene Gas durch ein Gasüberwachungs- und Warnsystem abgetastet. Der offensichtliche Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß im Falle eines Lecks die Beschädigung der dynamoelektrischen Maschine auf ein Minimum reduziert wird.

£s ist bekannt, daß in dem vorstehend beschriebenen geschlossenen Flüssigkeits-Kühlmittelsystem der Siedepunkt des flüssigen Kühlmittels (Wasser) erhöht werden kann, indem der statische Druck über dem Flüssigkeits-Kühlsystem angehoben wird, um dessen Wärmeabfuhrvermögen zu steigern. Ein Nachteil der Erhöhung des statischen Druckes in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem besteht darin,

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daß die Möglichkeit eines Fehlers in den Verbindungsstücken und -schläuchen für die Flüssigkeitsleitung vergrößert wird. Ein anderer unerwünschter Effekt bei der Erhöhung des statischen Drukkes in dem Flüssigkeits-Kühlsystem besteht darin, daß der Gesamtdruck der Kühlflüssigkeit den Druck des gasförmigen Kühlmittels überschreiten kann, woraus ein Verlust des oben beschriebenen Leckage-Abtastsystems resultiert. Die Alternative würde darin zu sehen sein, den Druck des gasförmigen Kühlmittels in dem Gehäuse der dynamoelektrischen Maschine zu erhöhen, aber auch dies kann bekannte unerwünschte Konsequenzen haben.

Die Verwendung von Leckage-Abtastsystemen erfordert deshalb, daß der gesamte Flüssigkeitsdruck des Flüssigkeits-Kühlmittelsystems, d. h. der statische Druck und der Pumpdruck, kleiner sein soll als der Druck des gasförmigen Kühlmittels. Es ist jedoch nicht notwendig, das Flüssigkeits-Kühlsystem kontinuierlich hinsichtlich von Leckagen zu überwachen, und es kann während Perioden transienter Überlastungen vorteilhaft sein, den statischen Druck des flüssigen Kühlmittels temporär zu erhöhen, selbst wenn der Gesamtdruck des flüssigen Kühlmittels den Druck des gasförmigen Kühlmittels übersteigt. Eine derartige Erhöhung des statischen Druckes des flüssigen Kühlmittels und desh&lb des Gesamtdruckas kann zeitweilig das Leckage-Abtastsystem unterbrechen, sie will*,:β aber zur Erzielung einer höheren Überlastkapazität in der dynamoelektrischen Maschine führen. Da die Erhöhung des statischen Druckes nur temporär ist, erhöht sie nicht merklich die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in den Verbindungsstücken und -schläuchen des Flüssigkeits-Kühlsystems und ermöglicht eine Erhöhung der "Nennleistung"' der dynamoelektrischen Maschine, ohne daß die dynamoelektrische Maschine vergrößert werden muß. Ferner kann bei Beendigung der transienten überlastzustände der normale Betriebsgesamtdruck in dem Flüssigkeits-Kühlsystem wiederhergestellt werden und dadurch das Leckage-Abtastsystem seine Funktion wieder ausüben.

Ein etwas analoges System ist in der Deutschen Patentanmeldung P 23 37 487.0 vorgeschlagen worden. Demzufolge wird die Kühl-

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kapazität des Plüssigkeits-Kühlmittelsystems während transienter überlastzustände .temporär dadurch erhöht, daß die Menge des flüssigen Kühlmittels in dem Plüssigkeits-Kühlmittelsystem als Reaktion auf eine Überlast-Abtasteinrichtung schnell vergrößert wird.. Die erhöhte Menge an flüssigem Kühlmittel wird von einem unter Druck gesetzten "Stoßbetriebstank" geliefert, der dem oben beschriebenen Flüssigkeits-Kühlmittelsystem hinzugefügt ist.

In der US-Patentschrift 2 970 232 ist ein unter Druck gesetztes Plüssigkeits-Kühlmittelsystem für einen gasgekühlten, flüssigkeitsgekühlten Generator beschrieben. In dieser Patentschrift ist allgemein beschrieben, daß eine Erhöhung des Druckes des flüssigen Kühlmittels den "Siede"-punkt des flüssigen Kühlmittels in dem System heraufsetzt. Diese Patentschrift enthält jedoch keine Leckage-Abtastvorrichtung, noch ist sie besonders auf transiente überlastzustände gerichtet. Weiterhin betrifft sie hauptsächlich die Sicherstellung einer adäquaten Flüssigkeitskühlung sowohl für einen Rotor- als auch einen Statorkern, die unterschiedliche Betriebsdrucke erfordern, um eine angemessene Kühlung aufrecht zu erhalten.

In der US-Patentschrift 3 122 668 ist eine "Anordnung zur Anzeige einer Leckage zwischen Kühlsystemen von Turbo-Generatoren" beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift ist das flüssige Kühlmittel öl, das mit einem gasförmigen Kühlmittel gesättigt ist; ein Teil der Erfindung besteht darin, daß das Plüssigkeits-Kühlmittelsystem zunächst unter Druck gesetzt wird, aber der Druck des gasförmigen Kühlmittels immer den Druck des flüssigen Kühlmittels überschreitet. Weiterhin sind keine Mittel vorgesehen, um einen Druckanstieg während transienter überlastzustände auszulösen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Plüssigkeits-Kühlmittelsystem zu schaffen, das auf transiente überlastzustände der dynamoelektrischen Maschine anspricht. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Überlastkapazität einer dynamoelektrischen Maschine ohne Vergrößerung der Maschinengröße zu erhöhen.

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Weiterhin soll die Überlastkapazität einer dynamoelektrischen Maschine erhöht und trotzdem das vorgenannte Leckage-Abtastsystem allgemein beibehalten werden.

Diese Aufgaben werden bei einer gasgekühlten, flüssigkeitsgekühlten dynamoelektrischen Maschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zum Abtasten transienter überlastzustände und andere Mittel vorgesehen sind* um den statischen Druck im Flüssigkeits-Kühlmittelsystem als Reaktion darauf temporär zu erhöhen. Die Erhöhung des statischen Druckes in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem erhöht den Siedepunkt des flüssigen Kühlmittels und vergrößert dadurch das Wärmeabfuhrvermögen des flüssigen Kühlmittels. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein für das flüssige Kühl--· mittel vorgesehener Speicher- oder Vorratstank (Teil des Kühlsystems der dynamoelektrischen Maschine) mit einem Gasversorgungstank verbunden, der seinerseits durch eine überlast-Abtasteinrichtung getriggert wird. Bei Auftreten eines transienten Überlastzustandes wird Gas in den Flüssigkeits-Versorgungstank freigegeben und dadurch der statische Druck des flüssigen Kühlmittels im gesamten Flüssigkeits-Kühlmittelsystem erhöht. Wenn eine Leckage-Abtastvorrichtung in das Flüssigkeits-Kühlmittelsystem eingefügt ist, wird es temporär außer Funktion gesetzt. Bei Beendigung der überlast wird der Druck des flüssigen Kühlmittels auf seinen normalen stationären Wert zurückgeführt, indem das in den Versorgungstank für das flüssige Kühlmittel freigegebene Gas entlüftet oder abgelassen wird. Anschließend ist die Leckage-Abtastvorrichtung wieder funktionsfähig.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Seitenansicht von einer gasgekühlten, flüssigkeitsgekühlten dynamoelektrischen Maschine mit einer schematischen Darstellung eines Flüssigkeits-Kühlmittelsystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung hinzugefügt ist.

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Die Zeichnung zeigt eine dynamoelektrische Maschine, wie bei- · spielsweise einen Turbinengenerator 11, mit einem gasdichten Gehäuse 12, in dem ein Statorkern 13 angeordnet ist. Der Statorkern ist mit einer axialen Bohrung 14 versehen, in der der Generatorrotor 15 angeordnet ist. Das Generatorgehäuse ist durch die Einführung eines gasförmigen Kühlmittels (gewöhnlich" Wasserstoff) durch einen Gaseinlaß 16 gasgekühlt, der an dem einen Ende mit dem Innenraum des Generatorgehäuses in Verbindung steht und an dem anderen Ende mit einer nicht gezeigten Gasversorgung verbunden ist.

Hohle, elektrisch und fluidisch leitende Statorstäbö 17 sind in axialer Richtung in den im Statorkern ausgebildeten Nuten angeordnet und enden an jedem Ende in Wickelköpfen 19· Die Wickelköpfe sind ebenfalls fluidisch und elektrisch leitend und sind strömungsmäßig mit einem Einlaßring 21 und einem Auslaßring 23 für flüssiges Kühlmittel durch Schlauchverbindungen 24 verbunden. Es stehen auch andere Plüssigkeits-Kühlmittelsysteme für den Statorkern zur Verfügung, die sich für die vorliegende Erfindung eignen. Gasförmiges Kühlmittel wird durch das Generatorgehäuse durch zwei Gebläse bzw. Lüfter 25 umgewälzt, die auf dem Generatorrotor befestigt sind, und das Gas wird durch Wärmetauscher 27 gekühlt, die an jedem Ende des Generatorgehäuses angeordnet sind. Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Stand der Technik und kann durch bekannte Mittel variiert werden.

Plüssiges Kühlmittel (normalerweise Wasser) wird dem Generator in folgender Weise zugeführt, die durch die Strömungsrichtungspfeile beschrieben und dargestellt ist. Ein Speichertank 31 für flüssiges Kühlmittel, der normalerweise zu zwei Drittel gefüllt ist, wird durch eine Einlaßleitung 32 und ein Ventil 33 mit Wasser versorgt, die mit einer nicht gezeigten Wasserversorgung in Verbindung steht. Das Wasser wird von dem Speichertank mittels einer Pumpe 35 durch einen Wärmetauscher 37 gepumpt, der durch Flußwasser gekühlt sein kann. Anschließend können dann wasserreinigende Elemente, wie beispielsweise Filter, Desionisierer oder Entmineralislerer, in das System eingefügt sein, wenn dies erfor-

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derIich ist. Schließlich tritt die gepumpte Kühlflüssigkeit in die Einlaßseite des Generators ein, die mit dem Einlaßring 21 für das flüssige Kühlmittel in Verbindung steht. Am Auslaßende des Generators wird das Wasser, das durch den Statorkern (Statorstäbe) und in den Auslaßring 23 geflossen ist, aus dem Generator heraus zum Speichertank transportiert.

Ein bekanntes Leckage-Abtastsystem kann folgendermaßen aufgebaut sein. Für den Betrieb ist es erforderlich, daß der Druck des gasförmigen Kühlmittels auf der Innenseite des Generatorgehäuses höher ist als der Gesamtdruck des. flüssigen Kühlmittels. Eine Möglichkeit, den Gasdruck höher zu halten als den Flüssigkeits-Gesamtdruck, besteht in der Anordnung eines Druckdifferenzreglers 39, der eine obere Kammer 39a und eine untere Kammer 39b umfaßt, die durch eine Membran 41 getrennt sind, welche durch eine zusammengedrückte Schraubenfeder 43 vorgespannt ist. Von dem Generatorgehäuse wird gasförmiges Kühlmittel in die obere Kammer eingeführt, während flüssiges Kühlmittel von dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem in die untere Kammer geleitet wird; dem Druck des gasförmigen Kühlmittels wirkt der konstante Federdruck, der auf die Membran ausgeübt wird, und der Oesamt^ruck des flüssigen Kühlmittels entgegen. Wenn der Flüssigkeits-Gesamtdruck zunimmt, wird dadurch das Ventil 45, das mit dem Druckregler zusammenwirkt, angehoben und flüssiges. Kühlmittel strömt heraus, das durch eine Rückleitschleife zum Speichertank zurückgeführt wird, wodurch der Flussigkeits-Gesamtdruck abnimmt.

Der Speichertank 31 umfaßt ein Ventil 49 mit einem Verschlußteil 51, das derart angeordnet ist, daß es in Funktion tritt, wenn der Speichertank unter Druck gesetzt wird. Zusätzlich kann eine nicht gezeigte Gasauslaßeinrichtung vorgesehen sein, die mit dem Speichertank und der Entlüftung in Verbindung steht, um nötigenfalls komprimiertes Gas aus dem Speichertank entweichen zu lassen. Ferner befindet sich in dem Speichertank ein Auslaß oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, der zu dem Gasüberwachungsund Warnsystem führt. Wenn ein Leck auftritt, entweicht gasförmiges Kühlmitte? aufgrund der Druckdifferenzen in das Flüssig-

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keits-Kühlsystem und dann wird das mit Gas durchsetzte flüssige Kühlmittel in dem Gasüberwachungs- und Warnsystem untersucht, das schematisch in der Weise gezeigt ist, daß es den Plüssigkeits-Speichertank abtastet. Wenn das Leck festgestellt worden ist, können Schritte zur Reparatur unternommen werden.

Im'Zusammenhang mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau einer dynamoelektrischen Maschine umfaßt die vorliegende Erfindung ferner Mittel, um überlastzustände der dynamoelektrischen Maschine festzustellen, und auf den festgestellten überlastzustand ansprechende Mittel, um den statischen Druck in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem zu erhöhen und dadurch dessen Vermögen zu steigern, zusätzliche Wärme zu absorbieren und abzuweisen, ohne daß ein Sieden in dem System entsteht. Das System kann durch mechanische Mittel unter Druck gesetzt werden, wie beispielsweise eine Kolbenkraft, die auf das Plüssigkeits-Kühlmittelsystem wirkt. Das .bevorzugte Ausführungsbeispiel ist jedoch in Form eines Gastanks 55, der mit dem Speichertank in Verbindung steht. Während der Perioden eines fehlerhaften Betriebes setzt der Gastank den Vorratstank unter'Druck und demzufolge wird der statische Flüssigkeitsdruck an jedem Punkt in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem um den gleichen Betrag erhöht. Da sich der Druck in gleicher Weise über das gesamte System verteilt, braucht die Pumpkapazität nicht verändert zu werden.

Die Komprimierung des Gases kann bei Anzeige von transienten überlastzuständen in der dynamoelektrischen Maschine manuell gesteuert werden, beispielsweise durch einen Operateur. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt jedoch wiederum die Komprimierung des Flüssigkeits-Kühlmittelsystems automatisch auf ein Signal von einer Abtasteinrichtung hin, die den überlastzustand abtastet. Eine derartige Abtasteinrichtung kann temperaturempfindlich sein, wie beispielsweise eine Anzahl von Thermoelementen, die am Auslaßende von jedem Stab angeordnet und durch ein Kästchen 57 niit der Inschrift "Temp." bezeichnet sind. Die Thermoelemente liefern ein entsprechendes Signal an ein Ventilbetätigungsglied 59, das

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mit einem Steuerventil 61 auf dem Gastank verbunden ist. Die Signalverbindungen sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Abtasteinrichtung kann auch elektrisch auf überströme an-,sprechen, wie sie in einem Ankerstrom-Transformator 65 abgetastet werden, von dem ein Signal zum Ventilbetätigungsglied 59 geschickt wird.

Neben der Steuerung des Ventiles 6l auf dem Gastank 55 kann das Ventilbetätigungsglied 59 auch zur Steuerung eines Ventiles 67 in der Rückleitschleife und des Verschlußgliedes 51 in der Entlüftung 49 des Speichertanks für das flüssige Kühlmittel benutzt werden. Beim öffnen des Gastankventils 6l kann das Ventilbetätigungsglied wirksam werden, um das Ventil 67 und das Verschluß-« element 51 zu schließen.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine sollte in Anbetracht der vorstehenden Beschreibung und der Zeichnung klar sein. Um die Erfindung noch weiter darzustellen und zu erläutern, sei angenommen, daß die Kühlflüssigkeit Wasser ist. Unter normalen, stationären Betriebsbedingungen tritt das Wasser aus der dynamoelektrischen Maschine bei etwas mehr als Atmosphärendruck (1,03 kg/cm absoluter Druck) und 80 ⁰C aus. Unter diesen Bedingungen siedet das Wasser bei 100 ⁰C. Wenn jedoch der Druck des Systems auf einen absoluten Druck von 2,75 kg/cm (39,2 psia) erhöht wird, siedet das Wasser bei 130 ⁰C. Da das Wasser bei 46 ⁰C eintritt, würde dies eine Zunahme der Überlastkapazität von etwa fl30 - 46 _Λ 1 _Ληη cc <z darstellen.

[lOO - 46 ¹J ^1UU " ⁵⁵ ^k

Das System gemäß der Zeichnung arbeitet unter normalen Bedingungen so, daß der Gasdruck höher als der gesamte Flüssigkeitsdruck an irgendeinem Punkt ist, wie er durch den Druckregler 39 bestimmt wird. Wenn überlastzustände auftreten, wird dies durch die Temperaturabtastmittel (Thermoelemente) oder durch die elektrische Abtasteinrichtung festgestellt, die den Ankerstromtransforrnator überwacht. Dann wird ein elektrisches Signal von einer dieser Abtastvorrichtungen zum Ventilbetätigungsglied geschickt, wodurch Gas den Speichertank für das flüssige Kühlmittel unter

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Druck setzt, während das Ventil 67 und die Entlüftung 49 geschlossen werden. Unter diesen Bedingungen ist das Lecküberwachungssystem unterbrochen. Das System bleibt während des überlastzustandes unter Druck gesetzt, und bei Wiederherstellung des normalen stationären Betriebes wird das komprimierende Gas von dem System abgelassen und das Lecküberwachungssystem nimmt seine Punktion wieder auf.

Selbstverständlich sind im Rahmen der hier gegebenen technischen Lehren Abwandlungen des bevorzugten Ausführungsbeispieles möglich. Derartige Abwandlungen können beispielsweise beinhalten, daß das System für einen flüssigkeitsgekühlten Rotor angepaßt wird oder der Speichertank, wenn es erforderlich ist, und die dynamoelektrische Maschine von der gleichen Gasquelle unter Druck gesetzt werden.

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Claims

-ii- 7340821 Ansprüche

1. Dynamoelektrische Maschine mit einem gasdichten äußeren Gehäuse, das mit einem gasförmigen Kühlmittel gefüllt ist, und mit Maschinenteilen, die flüssigkextsgekühlt sind, wobei während normaler stationärer Betriebszustände der Druck des gasförmigen Kühlmittels größer als der Druck des flüssigen Kühlmittels ist, gekennzeichnet durch Mittel (57J 65) zum Abtasten von überlastzuständen in der dynamoelektrischen Maschine und mit den Abtastmitteln zusammenarbeitende Mittel (55, 59» 6l)> durch die das flüssige Kühlmittel während Perioden transienter überlastzustände temporär unter Druck setzbar ist.

2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtastmittel (57) temperaturempfindlich sind.

3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die temperaturempfindlichen Abtastmittel eine Anzahl von Thermoelementen umfassen, die an dem Auslaßende für das flüssige Kühlmittel der dynamoelektrischen Maschine argeordnet sind.

4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtastmittel (65) auf elektrischen Strom ansprechen.

5. Dynamoelektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Plüssigkeits-Kühlmittelsystem mit einem Speichertank (31) für das flüssige Kühlmittel, einem Wärmeaustauscher (37)» der mit dem Speichertank (31) für das flüssige Kühlmittel in V_erbindung steht, und einer Pumpe (35) vorgesehen ist, die das flüssige Kühlmittel nach und von dem Speichertank, Wärmetauscher und den Maschinenteilen pumpt.

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6. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die das flüssige Kühlmittel unter Druck setzen, einen Gasversorgungstank (55) umfassen, der mit dem Plüssigkeits-Speichertank (31) in Verbindung steht und funktionsmäßig zu den Abtastmitteln gehörig ist.

7. Dynamoelektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigkextsgekühlten Teile der dynamoelektrischen Maschine Statorstäbe (17) sind.

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