DE2635038A1

DE2635038A1 - Spruehduesenanordnung

Info

Publication number: DE2635038A1
Application number: DE19762635038
Authority: DE
Inventors: Donald Richard Basel
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-08-06
Filing date: 1976-08-04
Publication date: 1977-02-24
Also published as: GB1514087A; CA1071678A; IT1067940B; FR2320655A1; NL7606260A

Description

263503a

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 2. Aug. 1976

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh,- PaY VY Sf. Ä.

Sprühdüsenanordnung

.Die Erfindung betrifft eine Sprühdüsenanordnung zum Kühlen einer dynomoelektrischen Maschine, die einen Stator und einen Rotor besitzt, wobei der Rotor eine zentral angeordnete hohle Welle mit einer zentralen Rotationsachse sowie extern gehaltene Feldspule besitzt, wobei Rotor, Stator und Feldspulen Oberflächen besitzen, die während des normalen Betriebes Hitzeeinwirkungen ausgesetzt sind.

Insbesondere beschreibt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Sprühdüsenanordnung zur flächigen Sprühkühlung, ohne daß die Komponenten einer dynamoelektrischen Maschine beschädigt werden.

Bei Überschallflugzeugen ist das Kühlen einer dynamoelektrischen Maschine von geringer Wirkung, weil aufgrund des Luftstaus die Luft kein zufriedenstellendes Kühlmittel darstellt.

Es war daher notwendig, andere Kühleinrichtungen zu entwickeln, die von der Umgebung, in dem sich die arbeitende Maschine befindet, unabhängig ist.

Eine Lösungsversuch bestand darin, mittels Leitungsöl Kühlung

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Telefon (O211) 320858 Telegramme Custopat

vorzuehmen. Dynamoelektrische Maschinen wurden dadurch gekühlt, daß fliessendes öl durch Wege innerhalb der wärmeerzeugenden Elemente hindurchgeführt wurde. Die Kühlung mußte dadurch erreicht werden, daß die Wärme von den Wärmequellen über niedrige thermische Widerstände zu dem Öl geleitet wurde. Das Öl wiederum transportierte die Wärme zu entsprechenden Wärmesenken, wie beispielsweise zu dem Flugzeugtreibstoff oder auch bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten in die Luft. Jedoch war dieses Verfahren nicht besonders wirksam weil der hohe thermische Widerstand der elektrischen Isolation in den Maschinen eine ausreichende Wärmeleitung zu dem öl verhinderte. Auch erwies sich die Luft als unzureichende Wärmesenke, weil die spezifische Wärme von Öl wesentlich höher ist, als die von Luft.

Gegenüber der Ölleitungskühlung wurde eine Verbesserung dadurch erreicht, daß das Prinzip der ölsprühkühlung entwickelt wurde, bei der öl, das innerhalb einer hohlen Rotorwelle

2 enthalten ist, unter einem Druck von ungefähr 14 kg/cm durch Düsen hindurchgepreßt wird, die an der Rotorwelle angebracht sind. Das ölsprühverfahren war vorher bekannt und ist bereits anderweitig beschrieben, beispielsweise in einem Aufsatz von R. L. Gasparetti in der Zeitschrift "The Westinghouse Engineer", Mai 1969, der den Titel "The Westinghouse Oil Cooled Generator For The Integrated Drive Generator System", hatte. Auf diesen Aufsatz sei für weitere Hintergrundinformation verwiesen. Bei dem ölsprühkonzept richten die Düsen einen ölstrom auf die zu kühlenden Wicklungen. Da jedoch das öl bei seinem Kreislauf durch die Maschine Abfallteilchen aufnehmen kann, bestand stets die Gefahr, daß sich die Düsen verstopfen.

In der US-Patentschrift 3,659,125 vom 25. April 1972 des Erfinders der vorliegenden Erfindung ist bereits eine Düse zum Versprühen eines Fluidums von einem rotierenden Glied nach außen beschrieben, das innere Öffnungen besitzt, die sich nicht senkrecht zur Drehachse erstrecken, um ein Verstopfen der öffnungen durch Teilchen zu vermeiden, auf die die Zentri-

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fugalkraft einwirkt. Obwohl die ÜS-Patenschrift 3,659,125 das Problem der Verstopfung der Düsen löst, führte die Wirkung des direkt von der Düse ausströmenden Öles zur Isolationserosion, wodurch die Lebensdauer des Generators begrenzt und ein Beitrag zur Verunreinigung des ölsystems geleistet wurde.

Um das Erosionsproblem hinsichtlich der Isolierung zu lösen, beschreibt die US-Patenschrift 3,689,786 das Hineinführen des Kühlöls in komplizierte rotierende Verteilungsringe hinein. Die Kompliziertheit und die Kosten derartiger Anordnungen sind jedoch von großem Nachteil.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Sprühdüsenanordnung für eine dynamoelektrische Maschine zu schaffen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs in vorteilhafter Weise gelöst.

Die Erfindung besteht demgemäß aus einer verteilten Sprühdüsenanordnung, die zur Kühlung einer dynamoelektrischen Maschine dient, die einen Stator und einen Rotor besitzt, wobei der Rotor eine zentral angeordnete hohle Welle mit einer zentralen Drehachse sowie extern gehaltene Feldspulen aufweist. Rotor, Stator und Feldspulen besitzen Oberflächen, die Erhitzungserscheinungen während des normalen Betriebs ausgesetzt sind. Zumindest eine Düse ist vorgesehen, um die genannten Oberflächen zu kühlen. Sie ist so ausgeführt, daß sie sich auf einer radialen Linie von der durch die Welle laufenden Achse erstreckt, die eine Zentralbohrung zum Durchleiten eines Kühlmittels vom Inneren der Welle zum äußeren Ende der Düse aufweist. Die Anordnung ist dadurch charakterisiert, daß das äußere Ende eine Öffnung besitzt, die sich von der Bohrung zu einer Seite der Düse erstreckt, um das Kühlmittel von der Bohrung in nicht paralleler Richtung

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in die Nähe der Oberflächen zu bringen, um diese ohne Beschädigung zu kühlen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer die Erfindung enthaltenen dynamoelelktrischen Maschine;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht der Fig. 1 zur Darstellung der Düse ohne den verstopfungsfreien Einlaß;

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht der Fig. 1 zur Darstellung der Düse mit dem verstopfungsfreien Einlaß; und

Fig. 4 eine perspektivische, Teilansicht des Rotors zur Erläuterung des fächerartigen Sprühstrahls der Düse.

Fig. 1 zeigt eine dynamoelektrische Maschine der sprühölgekühlten Bauart, die die vorliegende Erfindung umfaßt. Die Maschine besteht aus einem rotierenden Bauteil 10, das eine Wand 11 besitzt, die eine Kammer umschließt. Ein Kühlmittel 12, das in dem rotierenden Bauteil 10 unter dem Druck von

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etwa 14 kg/cm enthalten ist, wird durch Düsen 13 in einer weichen fächerartigen- Weise auf die Rotorfeldspulen 14 verteilt. Die Feldspulen 14 sind auf einem Rotor 16 angeordnet, der innerhalb eines Stators liegt, der einen Kern 18 und Wicklungen 20 besitzt. Die bewegten Teile sind von der äußeren Umgebung durch ein Gehäuse 21 abgetrennt.

Fig. 2 erläutert die Düsenkonfiguration in größeren Einzelheiten. Düse 13 ist an die hohle Welle 10 angebracht und erstreckt sich in diese hinein. Das innere Ende 22 der Düse nimmt das Kühlmittel auf, während die Zentralbohrung 23 das Kühl-

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mittel zum äußeren Ende der Düse, dem Verteiler 24 leitet. Der Verteiler 24 besitzt eine Öffnung 26, die sich von der Zentralbohrung zur Seite der Düse erstreckt. Die Öffnung kann durch einen kreuzweise eingearbeiteten Schlitz der Düse 13 gebildet werden. Die Öffnung 26 ist vorzugsweise zumindest halbkreisförmig. Aufgrund des Kühlmitteldruckes verteilt der Verteiler 24 das Kühlmittel 12 in einer weichen fächerartigen Weise, wodurch eine Kühlung der Rotorfeidspulen 14, des Rotors 16 und der Statorwicklungen 20 ohne deren Beschädigung möglich wird. Die Flachheit des Sprühstrahls kann durch Abwinkein der Seiten der öffnung 26 geändert werden. Der Verteiler 24 verhindert, daß ein intensiver Kühlmittelstrom 12 in der Bohrung 23 auf einen örtlichen Bereich eines Bauteils auftrifft, wodurch ein Versagen dieses Bauteils wegen schwerwiegender Erosion vermieden wird. Der Verteiler verhindert jedoch nicht nur die erosive Zerstörung an den Bauteilen der dynamoelektrischen Maschine, sondern liefert auch eine bessere Kühlung durch Nässung größerer Flächen. Beispielsweise wurden bei Versuchen mit dieser Düse bei einem Flugzeuggenerator die Temperatur von heißen Wicklungspunkten von 3O5°C auf 265°C vermindert.

Obwohl Fig. 2 eine wünschenswerte Anordnung der Düse 13 darstellt, ist diese auch geeignet für die Verwendung eines sich nicht verstopfenden Einlasses, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Zusätzlich dazu, daß ein Einlaß in einer Richtung mit der Zentralbohrung liegt, sind noch mehrere Einlaßöffnungen und Durchführungen 30 vorgesehen, die zur Zentralbohrung 23 senkrecht liegen. Die Rotation der Welle wird dahin tendieren, Teilchen im Kühlmittel an den Einlaßöffnungen 30 vorbeizuspülen und dadurch die Wahrscheinlichkeit vermindern, daß ein Teilchen sich in einer Öffnung festsetzt und den Durchfluß des Kühlmittels blockiert. Weiterhin vermindert die Anwesenheit von mehreren derartigen Einlaßöffnungen 30 die Wahrscheinlichkeit der Blockierung der Düse.

Fig. 4 zeigt ein rotierendes Bauteil 10 mit darauf angebrachten

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Düsen 13. Pole 34 des Rotors 16, die Dämpferstablöcher und -schlitze 36 aufweisen, sind so angeordnet, daß die Rotorfeldspulen 14 um diese herumgewickelt sind. Aus Gründen der besseren Übersicht ist nur ein Pol 34 und eine Feldspule dargestellt. Die Feldspule ist teilweise weggebrochen. Ein Handhabungsring 38 umgibt die Rotorfeidspule 14. Im allgemeinen tritt das Kühlmittel aus den Düsen 13 in einer fächerartigen Weise aus, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, berührt die Pole und wird in verschiedene Richtungen abgelenkt und berührt die anderen erhitzten Oberflächen, wie beispielsweise die Rotorfeldspulen 14, andere Teile des Rotors 16 und die Statorwicklungen 20. Die Kombination von verteiltem Sprühstrahl und sekundärer Berührung schafft eine Nässung einer größeren Fläche, was zu erhöhter Kühlwirkung führt. Obwohl das Kühlmittel so dargestellt ist, daß es direkt auf einen Pol 34 auftrifft, kann unter bestimmten Umständen das Kühlmittel auch direkt auf die Rotorfeldspulen 14 oder andere Teile der Maschine auftreffen. Da jedoch die Düsen 13 einen verteilten fächerartigen Sprühstrahl erzeugen, wird diesen Teil kein Schaden zugefügt.

Patentansprücheι

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Claims

-η ν 'ä t e' η' t a η' s ρ r' ü c h e'

Verteilende Sprühdosenanordnung zur Kühlung einer dynamoelektrischen Maschine, die einen Stator und einen Rotor besitzt, wobei der Rotor eine zentral angeordnete hohle Welle mit einer zentralen Drehachse und extern gestützte Feldspulen besitzt und Rotor, Stator und Feldwicklungen während des normalen Betriebs Erhitzungserscheinungen ausgesetzte Oberflächen besitzen, mit zumindest einer Düse zur Kühlung dieser Oberflächen, wobei sich diese zumindest eine Düse auf einer radialen Linie von der Achse durch die Welle hindurch erstreckt und eine Zentralbohrung besitzt, um ein Kühlmittel von dem Inneren der Welle zum äußeren Ende der Düse zu leiten, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende der Düse (13) eine öffnung (26) besitzt, die sich von der Zentralbohrung (23) seitlich von der Düse (13) weg erstreckt, um das Kühlmittel in nicht paralleler Weise von der Bohrung (23) in die Nähe der Oberflächen zu richten, um diese ohne Beschädigung zu kühlen.
2. Sprühdüsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende (22) der Düse (13) mehrere Einlaßöffnungen (30) umfaßt, die sich in die Düse (13) hineinerstrecken, um das Kühlmittel aufzunehmen, wobei die Achse der Einlaßöffnungen (30) zur Achse der Zentralbohrung (23) einen von Null abweichenden Winkel besitzt.
3. Sprühdüsenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (30) zur Zentralbohrung (23) senkrecht liegen.
4. Sprühdüsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere derartige Düsen (13) im Abstand zu einander um den Umfang der Welle (10) herum angeordnet sind.

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2 Π ? S ί) 3
5. Sprühdüsenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (30) halbkreisförmig ist, so daß das Kühlmittel seitlich in fächerförmiger Weise verteilt wird.

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