DE3700508A1 - Einrichtung zur gaskuehlung des wickelkopfbereiches von rotorwicklungen dynamoelektrischer maschinen - Google Patents
Einrichtung zur gaskuehlung des wickelkopfbereiches von rotorwicklungen dynamoelektrischer maschinenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Gaskühlung des Wickelkopfbereiches von Rotorwick
lungen dynamoelektrischer Maschinen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Aus der EP-A 01 60 887 ist bereits eine Einrichtung mit
einer verbesserten Gaskühlung des Wickelkopfbereiches
von solchen Rotorwicklungen bekannt. Von diesem Stand
der Technik geht die vorliegende Erfindung aus bzw. baut
darauf auf. Die in der EP-A 01 60 887 vorgeschlagene
Kühlung bewirkt bereits eine deutliche Verbesserung der
Temperaturverhältnisse im Wickelkopfbereich. Die dort
vorgeschlagene Lösung ist jedoch dadurch begrenzt, daß
in die relativ schmalen Zähne des Rotors nur relativ
dünne Auslaßkanäle eingebracht werden können, welche
als Drosselstellen den Kühlgasstrom in den Wickelkopf-
Kühlkanälen begrenzen. Außerdem werden die Rotorwick
lungen gerade in ihrem kritischsten Bereich, nämlich
dem Eintrittsbereich in die Wicklungsnuten, nicht direkt
gekühlt, da dort keines der vorgeschlagenen Kühlsysteme
seine volle Wirkung entfalten kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine
weitere Verbesserung der Kühlung des Wickelkopfbereiches
einer Rotorwicklung, insbesondere im Übergangsbereich
zu den Wicklungsnuten, zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Einrichtung gemäß
dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 vorgeschla
gen. Durch die Schaffung von Auslaßkanälen entlang der
einzelnen Teilleiter kann gerade der kritischste Bereich
des Wickelkopfes intensiv gekühlt werden. Die Aussparungen
an einzelnen Teilleitern nehmen ihren Anfang vor dem Ein
tritt der Rotorwicklungen in die Wicklungsnuten und setzen
sich innerhalb der Wicklungsnuten fort, bis sie in radial
verlaufende Aussparungen übergehen. Die so entstehenden
Kühlkanäle liegen innerhalb der Wicklungsnuten und der
Isolierstoffbeilagen. Der Querschnitt der Teilleiter
wird durch die Aussparungen nur geringfügig geschwächt,
was durch die verbesserte Kühlung ausgeglichen wird.
Außerdem lassen sich die Aussparungen nötigenfalls so
anordnen, daß keine zu starke Schwächung des Leiter
querschnittes auftritt.
Besonders günstig für die Gesamtkühlung des Wickelkopf
bereiches ist es, gemäß Anspruch 2 die erfindungsgemäßen
Auslaßkanäle strömungstechnisch parallel zu den an sich
bekannten, ebenfalls als Auslaß dienenden Zahnkanälen
zu schalten. Der Kühlgasstrom im Wickelkopfbereich kann
dadurch deutlich erhöht werden, und die bisher störende
Drosselwirkung der Zahnkanäle wird kompensiert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Ansprüchen 3 bis 6 angegeben und werden anhand
der Zeichnung näher erläutert. Die erfindungsgemäßen
Maßnahmen sind entweder als alternative oder aber bevor
zugt als additive Kühlmaßnahmen zu den Anordnungen gemäß
dem Stand der Technik anzusehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich
nung dargestellt, und zwar zeigen
Fig. 1 perspektivisch im Ausschnitt die Rotorpartie
eines Turbogenerators nach dem Stand der Technik mit der
zusätzlichen erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines kurzen
Stückes einer Rotorwicklung aus dem Übergangsbereich
zwischen Wickelkopf und Wicklungsnuten,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch Fig. 2 entlang der Linie
III-III unter teilweiser Einbeziehung der umgebenden
Bauteile und
Fig. 4 Ansichten von oben auf einzelne Teilleiter im
in Fig. 2 dargestellten Bereich.
Zu Fig. 1 muß zunächst festgestellt werden, daß die
meisten Einzelheiten dieser Figur aus dem Stande der Tech
nik gut bekannt sind, so daß hier auf eine ausführliche
Erläuterung von Einzelheiten, die für die Erfindung
nicht von Bedeutung sind, verzichtet wird. Die Erfindung
bezieht sich im wesentlichen auf den mit einem Kreis
gekennzeichneten Bereich 20, den Übergangsbereich zwischen
Wickelkopf und Nutenbereich, in welchem gemäß der Erfin
dung die Strömungsführung des Kühlgases verändert wird.
Die neue Strömungsführung ist alternativ oder additiv
zu bisher bekannten Strömungsführungen und unabhängig
von der genauen Ausbildung anderer Kühlungsmaßnahmen.
So kommt es insbesondere auch nicht darauf an, wie die
Strömungsführung im Wickelkopfbereich ansonsten gestaltet
ist, beispielsweise zweiflutig oder vierflutig.
Fig. 1 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus dem
Rotorballen 1 mit Rotorzähnen 2, Wicklungsnuten 3 und
Rotorwicklungen 4. Die Rotorwicklungen 4 sind im Bereich
der Wicklungsnuten 3 von oberen und seitlichen Isolier
stoffbeilagen 5, 6 umgeben. Nutenverschlußkeile 7 dienen
zur Befestigung der Rotorwicklungen 4 in den Wicklungs
nuten 3. Im Wickelkopfbereich, d. h. außerhalb der
Wicklungsnuten 3, sind entlang der Spulenlängsseiten 8
Wickelkopfkühlkanäle 9 vorgesehen, welche z. B. durch ge
eignete Maßnahmen eine mäander- oder wellenförmige Kühl
gasführung ermöglichen. Gemäß dem Stand der Technik gehen
solche Wickelkopfkühlkanäle 9 in sogenannte Zahnkanäle
10, 11 über, durch welche das Kühlgas dann austreten kann.
Diese Zahnkanäle stellen für die Kühlgasführung im Wickel
kopfbereich Drosselstellen dar, da die relativ schmalen
Rotorzähne 2 aus Festigkeitsgründen keine Bohrungen mit
beliebig großem Querschnitt zulassen. Außerdem bewirken
die Zahnkanäle 10, 11 zwar eine Kühlung der Zähne im
Übergangsbereich, wegen der Isolierstoffbeilagen 6 jedoch
nicht direkt der Rotorwicklungen 4, wodurch dort eine
Wärmeabfuhr erschwert ist. Die vorliegende Erfindung
sieht daher alternativ zu den Zahnkanälen 10, 11, vor
zugsweise aber additiv zu diesen Kanälen, weitere Aus
laßkanäle 16, 17 vor, welche,wie anhand der folgenden
Figuren noch näher erläutert wird, durch Aussparungen
in den Teilleitern der Rotorwicklungen 4 gebildet werden.
Hierdurch strömt das Kühlgas gerade im Übergangsbereich
direkt entlang der Rotorwicklungen 4, wo die meiste
Wärme abzuführen ist. Bei additiver Verwendung der zu
sätzlichen Auslaßkanäle 16, 17, welche strömungstechnisch
parallel zu den Zahnkanälen 10, 11 liegen, kann der Kühl
gasstrom im Wickelkopfbereich außerdem erheblich erhöht
werden, was zusätzlich die Kühlung verbessert. Ein wei
teres Kühlsystem des Rotors, welches aus Radial-Kühl
kanälen 14 besteht, welche durch einen Nutengrundkanal 13
mit Kühlgas versorgt werden, wird grundsätzlich durch
die erfindungsgemäße Ausführung nicht beeinflußt.
Es kann jedoch sinnvoll oder nötig sein, dieses Kühl
system der Rotorwicklungen 4 durch Weglassen einiger
Bohrungen 14 zugunsten des erfindungsgemäßen Systems
zu reduzieren, um Festigkeitsprobleme oder zu große
Verringerungen des Leiterquerschnittes zu vermeiden.
Ansonsten bleibt aber die Aufteilung des Kühlgases im
Wickelkopfbereich in Teilströme oberhalb und unterhalb
eines isolierenden Abdeckungszylinders 18 unverändert.
Zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Auslaßkanäle
dienen die Fig. 2, 3 und 4, in denen die Rotorwicklun
gen 4, aufgebaut aus mehreren Teilleitern 41 bis 49,
in verschiedenen Ansichten bzw. Schnitten ausschnitt
weise dargestellt sind. Das dargestellte Ausführungs
beispiel ist nur eines von vielen Möglichkeiten, die
sich in Abhängigkeit von den Randbedingungen ergeben
können. Grundsätzlich hängen Zahl, Form, Querschnitt und
Anordnung der Aussparungen in den Teilleitern von Festig
keitsüberlegungen, Grenzen der zulässigen Leiterquer
schnitte, Fertigungsmöglichkeiten und geometrischen Ge
gebenheiten ab.
Als Beispiel wurde ein aus neun Teilleitern 41 bis 49
aufgebauter Wicklungsstab ausgewählt, welcher mit zusätz
lichen Auslaßkanälen in Form von geeigneten Aussparungen
an einzelnen Teilleitern ausgestattet ist. Das vorliegende
Ausführungsbeispiel sieht an jedem zweiten Teilleiter
seitliche, in Längsrichtung verlaufende Aussparungen 21
bis 28 vor, welche teilweise unterschiedliche Längen ha
ben. Diese Aussparungen münden in radialen Aussparungen
31, 32, 33, 34, welche die Verbindung zur Oberseite
des Leiterstabes 4 herstellen. Querschnitte und Anzahl
dieser Aussparungen bestimmen den maximalen Kühlgasstrom.
Die Aussparungen beginnen vor der gestrichelt angedeuteten
Grenze 50 des Wickelkopfbereiches, d. h. vor den Enden der
Isolierstoffbeilagen 5, 6 im Anfangsbereich der Wicklungs
nuten. Selbstverständlich müssen zur Vervoll
ständigung der radialen Auslässe 31, 32, 33, 34, auch in
der oberen Isolierstoffbeilage 5 und dem Nutenverschluß
keil 7,entsprechende Öffnungen 17 vorgesehen werden,
welche in Fig. 3 dargestellt und in Fig. 4 gestrichelt
angedeutet sind. In dem nicht von der erfindungsgemäßen
Ausführung betroffenen restlichen Teil der Rotorwick
lungen 4 wird die Kühlung gemäß dem Stand der Technik
weiterhin von Radial-Kühlkanälen 14 übernommen, welche
aus dem Nutengrundkanal 13 mit Kühlgas versorgt werden.
Ob diese Radial-Kühlkanäle 14 sich in ihrem Auslaßbereich
gabeln, wie in Fig. 1 gezeigt, oder jeweils in einer Aus
laßöffnung, wie in Fig. 3 dargestellt enden, hängt von der
Dimensionierung und anderen konstruktiven Einzelheiten
ab und ist für die vorliegende Erfindung unerheblich.
Entscheidend ist, daß die vorhandenen Kühlsysteme nach
dem Stand der Technik durch die erfindungsgemäßen Aus
laßkanäle, insbesondere bei additiver Anwendung, gerade so
ergänzt werden, daß der kritische Übergangsbereich zwi
schen Wicklungskopf und Rotorwicklungen besonders gut ge
kühlt wird. Die Leistung einer so gekühlten Maschine wird
nicht mehr durch die Temperatur in diesem kritischen Be
reich begrenzt.
Claims (6)
1. Einrichtung zur Gaskühlung des Wickelkopfbereiches
von Rotorwicklungen (4) dynamoelektrischer Maschinen,
insbesondere von Turbogeneratoren, wobei der Wickelkopf
bereich Wickelkopf-Kühlkanäle (9) aufweist, die vorzugs
weise mäanderförmig oder wellenförmig an den außerhalb
des Rotorballens (1) axial verlaufenden Spulenlängsseiten
(8) angeordnet sind, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Wickelkopf-Kühlkanäle (9) mit
Auslaßkanälen (16, 17, 21 bis 28, 31 bis 34) verbunden
sind, welche innerhalb der Wicklungsnuten (3) des Rotor
ballens (1) durch Aussparungen und/oder Bohrungen in den
Teilleitern (41 bis 49) gebildet werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Auslaßkanäle (16, 17, 21
bis 28, 31 bis 34) strömungstechnisch parallel zu an sich
bekannten, ebenfalls als Auslaß dienenden Zahnkanälen
(10, 11, 12) geschaltet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auslaßkanäle durch
seitliche Aussparungen (21 bis 28) entlang eines oder
mehrerer Teilleiter (41 bis 49) gebildet werden, welche
in etwa radial verlaufende Aussparungen (31 bis 34)
übergehen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die radial verlaufenden
Aussparungen (31 bis 34) in entsprechende Aussparungen
und Bohrungen in den Isolierstoffbeilagen (5) und den
Nutenverschlußkeilen (7) münden.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Auslaß
kanäle durch in bezug auf eine oder mehrere Symmetrie
achsen der Rotorwicklungen (4) symmetrische oder alter
nierende Aussparungen an einzelnen Teilleitern (41 bis 49)
gebildet werden.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Auslaß
kanäle (16, 17, 21, 28, 31 bis 34) die an sich bekannten,
mit einem Nutengrundkanal (13) verbundenen radialen Kühl
kanäle (14, 15) der Rotorwicklungen (4) im Wickelkopf
bereich ergänzen oder ersetzen.
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