DE2724250C2 - Rückströmungsgekühlte elektrische Maschine - Google Patents

Description

— daß die Führungsschaufeln (37) durch einen äußeren Haltering (62) getragen und an ihren radial inneren Enden an einem inneren Stützring (70) befestigt sind.

— daß dei äußere Haltering (62) an einem Lüfterdüsenring (40) lösbar befestigt ist, der seinerseits mit dem Stator (1) verbunden ist,

— daß der Lüfter (30) radial außen von einem lösbaren, am Stator (1) befestigten Reibring (82) eng umgeben ist,

— daß die Führungsschaufelanordnung und der Lüfterdüsenring (40) aus einem nichtmagnetischen, nichtstromleitenden Material hergestellt ist und daß stromabwärts von dem Lüfter (30) zwischen äußerem Haltering (62) und Wandteil (43) des Gasströmungskanals (34) ein StromführungsriEg (95) befestigt ist.

2. Elektrische Maschine nach Ä.ospruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschaufclanordnung und der Reibring (82) aus zahlreichen Bogcnabschnittcn aufgebaut sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschaufcianordnung und der Reibring (82) an dem Strömungsführungsring (95) durch zahlreiche metallische, nichtmagnetische Befestigungselemente befestigt sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lüfterdüsenring (40) und die Führungsschaufelanordnung aus einem nichtmetallischen Material gebildet sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Reibring (82), der Haltering (62) und der Luftdüsenring (40) durch metallische, nicht magnetische Bolzen (85) miteinander verbunden sind, die in metallische, nichtmagnetische Einsätze (86) des Luftdüsenrings (40) eingreifen und die im Reibring (82) und im Haltering (62) durch metallische, nichtmagnetische Durchführungen (84) geführt werden.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Befestigungsteile aus rostfreiem Stahl oder Chrom-Kupfer hergestellt sind.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß zahlreiche Lüfterstufen und eine gleiche Anzahl von Führungsschaiifclanordnun gen vorgesehen sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine rückströmungsgekühlte elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige elektrische Maschine ist aus der DE-

5 OS 22 52 733 bekannt.

Dort wird in einem Rückströmungs-Kühlsystem Kühlgas von dem Ende des Gasspaltes über feststehende Schaufeln hinweg in den Lüfter gezogen und durch diesen zu einem Gaskühlw gepumpt, der übliche -weise

ίο im oberen Abschnitt der Maschine angeordnet ist Von dem Gaskühlcr wird die Strömung des Kühlgases geteilt, wobei ein Teil in das Innere von einem Endabschnitt des Rotors und der Rest in Kühlkanäle geleitet wird, die in den Blechen des Statorkernes angeordnet sind.

Im Betrieb erzeugen diese großen Turbinengeneratoren, die eine Leistung von 1000 MVA haben können, relativ große Streuflüsse in den Endbereichen. Dieser Streufluß wird sowohl von dem Rotor als auch den Wikkelköpfen der Ankerstäbe im Stator erzeugt und weist axiale Komponenten auf. die in die Endabschnitte der Maschine einzudringen versuchen und eine unerwünschte Wirbelstromerwärmung bewirken. In rückströmungsgekühlten Turbinengeneratoren hat das vom Ende des Gasspaltes in den Lüfter gezogene Kühlgas häufig eine Drehgeschwindigkeitskomponente, die dem Kühlgas durch die Potation des Rotors gegeben ist. Deshalb sind zahlreiche Führungsschaufeln, die unmittelbar stromaufwärts von dem Lüfter angeordnet sind, vorgesehen, damit der Lüfter diese Drehkomponente in einen ausnutzbaren statischen Druck drehen kann, wodurch das Leistungsvermögen des Lüfters verstärkwird. Der durch die Maschine erzeugte Streufluß neigt jedoch dazu, eine Wirbelstromerwärmung in allen magnetisch empfindlichen metallischen Komponenten zu induzieren, die in den Führungsschaufeln und irgendeiner Befestigungsanordnung dafür verwendet werden. Diese induzierte Erwärmung in den Führungsschaufeln und ihren Befestigungsanordnungen S"einflußt in nachteiliger Weise das Kühlsystem der dynamoelektrischen Maschine und senkt dadurch deren Ausgangsleistung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine rückströmungsgekühlte elektrische Maschine der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß die Führungsschaufei- und Lüfteranordnung bei verbesserter mechanischer Festigkeit durch Streuflüsse höchstens unwesentlich crwiirmt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Untcransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß nur wenig Wärme durch Streuflüsse erzeugt wird. Trotzdem ist die Befestigungsan-Ordnung beständig gegenüber einer Materiaischwächung oder Beschädigung durch Schwingungs- oder Strömungsdruckkräfte, die auf sie einwirken. Die Verbindung der Führungsschaufeln innerhalb der inneren und äußeren Halte- bzw. Stützringe sorgt für eine hohe

Mi Festigkeit.

Auch die zahlreichen Bolzen. Durchführungen. Buchsen und Befestigungszapfen, die /um Haltern des äußeren Haltcringcs und des Reibbandes an dem Lüflerdüsenring vorgesehen sind, sorgen für hohe Festigkeit und

to eine gleichbleibende Ausrichtung der Bauteile. Die Buchsen in dem äußeren Schaufclhaltenng und Reibband bewirken keine nachteiligen Wirkungen aufgrund von MaierialentsDanmini'. wenn die Teile /.usammengc-

ichraubt werden.

Die Führungsschaufeln und die Befestigungsanordlung können leicht montiert und gewartet werden aufgrund eines segmeniierten Aufbaues der verschiedenen Ri ng teile, die in der Befestigungsanordnung verwendet werden. Sie sorgen auch für eine einfache Montage und Demontage der schwalbenschwanzförmigen Lüfterblätter.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht von einem Ende einer rückströmungsgekühlten elektrischen Maschine, in der eine verbesserte Führungsschaufel- und Befestigungsanordnung mit einem Lüfter und einer Führungsschaufelanordnung verwendet ist

F i g. la ist eine vergrößerte Ansicht von einem Teil in Fig.l.

Fig.2 ist eine Ansicht entlang; der Linie 2-2 in Fig. la.

Fig.3 ist eine Teilansicht entlang der Linie 3-3 in F i g. 1 a.

F i g. 4 ist eine Ansicht von einem vergrößerten Teil in Fig. 1 und zeigt Einzelheiten der Befestigung des Strömungsführungsringes an dem Reibring.

F i g. 5 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht der in F i g. 4 gezeigten Anordnung.

F i g. 6 ist eine vergrößerte Ansicht von einem Teil eines Generators und entspricht F i g. 1 a, stellt aber ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, das zahlreiche Lüfter- und Führungsschaufelanordnungen verwendet

F i g. 1 zeigt einen Endabschnitt von einer rückströmungsgekühlten elektrischen Maschine mit einem Stator 1, dessen Bleche in durch Kühlgaskanäle 8 getrennten Paketen 5 angeordnet sind. Das entgegengesetzte Ende der elektrischen Maschine ist im wesentlichen identisch und braucht deshalb hier nicht näher erläutert zu werden. In dem Stator 1 ist ein Rotor 10 angeordnet, der ein^n Haupt- bzw. Ballenabschniu 12 und einen Wickelkopfbereich 14 aufweist. Die Generatorfeldwicklung ist in dem Rotor angeordnet und kann direkt gekühlt werden durch Gas, das von dem Rotor aus dem Spalt 17 aufgenommen und durch die Kühlkanäle hindurch gepumpt wird, die in den Wicklungen maschinell ausgsbildet sind und in Löcherr 20' in der Außenfläche des Rotors enden. Ein Ring 23 ist auf das Ende des Rotors aufgeschrumpft, um die Wickelköpfe der Feldspulen zu umschließen.

Ein Lüfter 30 ist 3uf einem Lüfterstützring 31 befestigt, der am Ende des Rotors befestigt ist und Kühlgas in Richtung der Pfeile 32 vom Spalt 17 zu den Kühlern, die im oberen Abschnitt der Maschine angeordnet sind, über einen geeigneten Kanal 34 und dann durch Kühlkanäle 8 im Stator 1 pumpt. Weiterhin wird Gas von den Kühlern zu einem geeigneten Kanal 35 geleitet, wie es durch die Pfeile 36 angegeben ist. Dieses Gas tritt in das Rotorende über einen Kanal 38 unter dem Lüfterring 31 ein. Ein Teil dieses Gases tritt dann in den Spalt 17 ein. Im Betrieb strömt Gas, das durch den Lüfter 30 aus dem Spalt 17 abgezogen ist, über den Ring 23, der der axialen Hauptströmung eine Drehgeschwindigkeitskomponente erteilt. Es sind Führungsschaufeln, von der eine bei 37 gezeigt ist, verwendet, damit der Lüfter diese Drehgeschwindigkeitskomponente in einen ausnulzbaren statischen Druck drehen kann, wodurch die Leistungsfähigkeit des Lüfters 30 »nd des gesamten Kühlsystcms der Maschine verbessert wird. Diese Führungsschaufel werden auch dazu verwendet, die Strömung unter einem gleichförmigen Winkel auf die Lüfterschaufeln zu richten In der Vergangenheit sind metallische Führungsschaufelanordnungen verwendet worden. Der in den Endbereichen des Stators und des Rotors erzeugte Streufluß kann jedoch die Zirkulation von Wirbelströmen in irgendwelchen metallischen Teilen bewirken, die in den Enden der Maschine angeordnet sind. Diese zirkulierenden Wirbelströme bewirken eine wesentliche ίο Erwärmung in den Endbereichen der Maschine, wodurch das Kühlsystem nachteilig beeinflußt und die Gesamtleistung der Maschine gesenkt wird.

Um die in den Endbereichen der elektrischen Maschine hervorgerufene Erwärmung auf ein Minimum zu reduzieren, sind nicht-metallische, nicht-magnetische zusammengesetzte Führungsschaufeln und eine zusammengesetzte Befestigungsanordnung dafür vorgesehen, wie sie in den F i g. 1,1 a, 2 und 3 gezeigt sind. Die in der elektrischen Maschine gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendete Führungsschaufel- Befestigungsanon.-^iing umfaßt einen im allgemeinen ringförmigen Lüf terdüse^.ring 40, der durch geeignete Befestigungselemente, wie beispielsweise Bolzen in metallischen Hülsen bzw. Buchsen, von denen ein Satz bei 45 gezeigt ist, an einem Wandteil 43 befestig' ist. Das Wandteil 43 bildet eine Wand des Kanales 34. Eine gegenüberliegende Wand des Kanales 34 ist durch ein Teil 48 gebildet Der Lüfterdüsenring 40 weist radial innere und äußere Flansche 51 bzw. 54 auf. Um jede in diesem Bereich der elektrischen Maschine entwickelte Erwärmung zu eliminieren, ist der Lüfterdüsenring 40 aus einem elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt, wie beispielsweise einem Glasfibermaterial. Ein äußerer Haltering 62 ist neben dem inneren Flansch 51 angeordnet und weist eine schwalbenschwanzförmige Vertiefung 65 auf, die einen passenden, schwalbenschwanzförmigen äußeren Endabschnitt 67 der Führungsschaufel 37 aufnimmt Um eine Erwärmung dieses Halteringes 62 zu vermeiden un>i trotzdem für eine hohe Festigkeit der Schaufel 37 zu sorgen, ist der äußere Haltering 62 aus elektrisch nicht-leitenden, harzimprägnierten Glasfasern gebildet, und zwar nach einem von vielen bekannten Verfahren.

Der innere Führungsschaufel-Stützring 70, der mit radialem Abstand außen von dem Lü'terstützring 31 angeordnet ist, hält die Führungsschaufeln 37 ausgerichtet und sorgt für mechanische Festigkeit und Stabilität der Führungsschaufelanordnung. Ferner weist er eine schwalbenschwanzförmigii Vertiefung 76 auf, die die radial inneren schwalbenschwanzförmigen Endabschnitte, von denen eine* bei 78 gezeigt ist, der Führungsschaufeln 37 aufnimmt. Um eine Erwärmung aufgrund des Streuflusses in dem inneren Stützring 70 zu vermeiden, kann dieser Ring beispielsweise aus Glasfasermaterial gebildet sein. Für eine zusätzliche Festigkeit sind die Führungsschaulein 37 mit der. Stützrmgen an deren schwalbenschwanzförmigen Vertiefungen durch einen geeigneten Zement verbunden. Ein derartiger Zement kann ein wäi-r-chärtbares Harz sein, das bei einer Tem-W) peraiur oberhalb der Maschinenbetriebstemperatur ausgehärtet ist, wodurch eine gute Anhaftung unter Betriebsbedingungen sichergestellt ist.

Im Betrieb der elektrischen Maschine wird ein Teil des Kühlgases aus dem Spalt 17 abgezogen, strömt über den Ring 23 unJ tritt über die Führungsschaufeln 37 in den Lüfter 30 ein. Ein Teil des Kühlgascs kommt auch von der Rückseite des Kernes. Der rotierende Ring 23 erteilt einem Teil des in den Lüfter gezogenen Gases

ΔΙ L"t ZOU

cine Drehgeschwindigkeitskomponente. Um den Kühlgasstrom in den Lüfter in einen richtigen Winkel vom FuDpunkt bis zur Spitze zu drehen, haben die Führungssehaufeln 37, wie es am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist. vorzugsweise einen nicht-konstanten stromlinienförmigen Abschnitt 80 vom Fußpunkt bis zur Spitze. Diese Schaufeln, die sich zahlenmäßig auf 100 oder mehr belaufen, können beispielsweise aus einem elektrisch nicht-leitenden Material ausgeformt sein, beispielsweise aus Diallylphthalatharz, das mit zerhacktem Glas verstärkt ist. Die Führungsschaufeln 37 ermöglichen, daß der Lüfter einen brauchbaren statischen Druck cntwikkelt, wahrend gleichzeitig der Lüfterwirkungsgrad verbessert wird.

Um eine Dichtung mit den l.üfterblattcrn 30 zu bilden, ist neben dem äußeren Schaufelhaltcring 62 ein Reibring 82 angeordnet. Der Reibring 82 kann in dem gleichen Vorgang gebildet werden, bei dem der äußere Schaiifelhaltering fi2 grhildpt wird Dr-r Ri-ihring Ki kann aber auch getrennt hergestellt werden. Ferner kann der Reibring 82 aus den gleichen elektrisch nicht-Jcitenden Fäden bzw. Fasern hergestellt werden, wie der äußere Haltering 62, wodurch eine Erwärmung in dem Reibring vermieden wird. In dem Reibring 82 werden nach seiner Fertigung Riffelungen 8.3 maschinell hergestellt, die eine Dichtung mit den äußeren Kanten der Lüfterblätter 30 bilden.

Um den äußeren Haltering 62 und den Reibring 82 auf dem Lüfterdüsenring 40 anzubringen, ist der innere Flansch 51 des Lüfterdüsenrings 40 durchbohrt und an zahlreichen in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen geschlitzt. In diese Bohrungen und Schlitze sind passende metallische Gewindebuchsen, von denen eine bei 84 gezeigt ist, eingebaut, wobei ein geeigneter Zement verwendet ist. Der äußere Schaufelhaltering 62 und der Reibring 82 sind an mit den Bohrungen im Innenflansch 51 fluchtenden Stellen durchbohrt und darin sind metallische Buchsen 86 durch einen Zement befestigt, um geeignete Befestigungsglieder aufzunehmen, wie beispielsweise Bolzen, von denen einer bei 85 gezeigt ist. die diese Abschnitte der Führungsschaufelanordnung zusammenhalten. Die Durchführungen 84, Bolzen 85 und Buchsen 86 sind vorzugsweise aus einem nicht-magnetischen Material gebildet, wie beispielsweise nichtmagnetischem rostfreiem Stahl und Chrom-Kupfer. Sowohl die Durchführungen als auch die Buchsen sind mit einem geeigneten Zement befestigt. Ein derartiger Zement kann ein wärmehärtbares Harz sein, das bei einer Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur des Generators ausgehärtet ist. Um den äußeren Hallering 62 und den Reibring **2 mit dem Innenflansch 51 des Lüfterdüsenringes 40 in einer fluchtenden Ausrichtung zu halten, können in diesen Teilen zusätzliche Bohrungen zur Aufnahme von unmagnetischen Haltezapfen vorgesehen sein.

Die Verwendung metallischer, nicht-magnetischer Durchführungen, Bolzen und Buchsen, wie sie hier beschrieben ist. stellt ein wichtiges Merkmal der elektrischen Maschine gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der F.rfindung dar. Aus der Vermeidung \on magnetisch empfindlichen Materialien in dem Aufbau der Führungsschaufclanordnung wird ein großer Vorteil gezogen. Die Verwendung von beispielsweise ausgeformten oder verlegten Glasfibcrtcilen sorgt für eine nicht-magnetische Struktur, die genauso effektiv wie eine metallische magnetische Struktur arbeitet, und eliminiert eine Erwärmung aufgrund von Wirbelströmen. Jedoch muß die nicht-metallische Struktur eine ausreichende mechanische Festigkeit und Stabilität h.ibcn, um in der Umgebung eines von einer Turbine angetriebenen Generators zu arbeiten. Eine zu vermeidende Gefahr ist die Möglichkeit der Entspannung bzw. »Relaxation« der Abmessungen der nichtmetallischen Mate rialien. so daß nach einer Belastung der Verbindungsteile, wie beispielsweise Holzen, das nicht-metallische Material sich entgegen der Druckbeanspruchung < >entspannen« könnte und nicht mehr fest verbunden ist. Gerade

ίο um diese Gefahr zu vermeiden, sind die Bolzen 85 mit Chrom-Kupferdurchführungen und Buchsen aus rostfreiem Stahl verbunden, so daß die Verbindungsbclastung überall von Metall zu Metall geht und dadurch jede mögliche »Entspannung« und der damit verbünde

i^r> nc Verlust an mechanischer Festigkeit vermieden wird.

Für eine leichte Montage und Wartung kann der äußere Schaufclhallcring 62 und der Reibring 82 in zahlreiche Bogcnsegmente geschnitten sein, die im zusam-Γηρηυρςρϊ/ιρη /n*.i:inH HipkP Tpilr hilHpn Dip Ipirhtp

Hcrausnchmbarkeit des Reibringes aus der Lüfterdüse gestattet eine radiale Herausnahme der schwalbenschwanzförmigcn Lüfterblätter. wobei der Reibring eine ausreichende radiale Tiefe einnimmt, um die l.üfierbliittcr aus dem Schwalbenschwanz in dem Lüfterring herauszuheben.

Um für einen glatten Übergang der Strömung des Kühlgases vom Lüfter 30 zum oberen Abschnitt des Kühlkan; *■:$ 34 zu sorgen, ist ein Strömungsführungsring 95 am oberen Ende des Reibrings 82 vorgesehen

3u und an dicsemTeil und an dem äußeren Flansch 54 des Lüfterdüsenringes 40 durch Bolzen in metallischen Buchsen 45 befestigt. Um jede Erwärmung darin zu vermeiden, ist der Strömungsführungsnng 95 aus einem elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt, wie z. B.

j5 einem ausgeformten Glasfasermaterial. Für eine leichte Montage und Wartung kann er in zwei getrennte Bogentcilc unterteilt sein, die im zusammengesetzten Zustand den Ring bilden. Wenn zahlreiche Lüfterabschnitte verwendet werden, denen jeweils ihr eigener Reib-

4» ring zugeordnet ist, ist der Strömungsführungsring 95 an dem äußeren oder stromabwärtigen Reibring befestigt.

Fig.4 und 5 zeigen die Art und Weise, in der der Strömungsführungsring 95 an dem Reibring 82 befestigt ist. Der Strömungsführungsring 95 und der Reibring 82 sind an zahlreichen, in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen durchbohrt, um im zusammengesetzten Zustand zahlreiche gebohrte U-förmige Kanäle und Löcher zu bilden, von denen eines bei 100 gezeigt ist. Dann werden

w elektrisch nicht-leitende Bänder 105 aus Gewebematerial, wie beispielsweise Glasgewebe, um den Strömungsführungsring 95 und den Reibring 82 innerhalb der Kanäle 100 herumgewickelt, wobei diese Teile zusammengedrückt werden. Der Strömungsführungsring 95 ist weiterhin mit zahlreichen Querkanälen versehen, von denen einer bei 110 gezeigt ist. die einen rechtwinkligen Querschnitt haben und in der Stirnfläche des Führungsringes ausgebildet sind, die an dem Reibring 82 anliegt. Elektrisch nicht-leitende Bänder 115 aus Gewebemate-

eo rial sind um die Bänder 105 innerhalb des Kanals 110 herumgewickelt, um die Bänder 105 unter Zugspannung zu setzen, wodurch der Slrömungsführungsring 95 in einen noch festeren Eingriff mit dem Reibring 82 gedrückt wird. Diese Form des Wickeins und Verspannens

b5 (»wrap and frap«) ist in der US-PS 34 37 859 beschrieben. Die Bänder 105 werden als die Wickelbänder bezeichnet, während die Bänder 115 als Zugbänder bezeichnet sind. Beide Bänder können mit einem aushärt-

baren Harz getränkt sein, das im ausgeharteten Zustand eine sehr feste Verbindung zwischen diesen zwei Teilen im Hinblick auf eine mögliche große Strömungsdruckbelastung aufgrund des aus dem Lüfter 30 austretenden Gases und der Strömung entlang der Ströniungsfüh- => rung und der Schwingungskräfte sicherstellt, die aus dem normalen Betrieb der Maschine resultieren.

'«erstehend wurden zwar Ausführungsbeispiele mit einer einstufigen Führungsschaufelanordnung und einem entsprechenden Lüfter beschrieben, es können aber auch vielstufige Lüfter verwendet werden, indem einfach die Stützringe und der Lüfterreibring entsprechend dupliziert und diese Teile axial fluchtend unmittelbar stromaufwärts von jeder folgenden Lüfterstufe angeordnet werden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in F i g. 6 gezeigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

20

30

35

45

50 H

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60

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Rückströmungsgekühlte elektrische Maschine mit einem Stator, der zonenweise abwechselnd von Kühlluft und erwärmter Kühlluft radial durchströmt ist, und einem Rotor, der mit dem Stator einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kühlgasspalt bildet und an den stromabwärts von einer feststehenden Führungsschaufelanordnung ein Lüfter befestigt ist. der Kühlgas vom Gasspalt axial nach außen und durch einen glatten Gasströmungskanal zu einer Kühleinrichtung und von dort zum Stator und zum Rotor zurückleitet, dadurch gekennzeichnet,