DE4032944A1 - Gasgekuehlte elektrische maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gasgekühlte elektrische Maschine mit einem Rotor, einem Stator und einem den Stator umgebenden Gehäuse, mit einem oder zwei in einer Nut über­ einanderliegenden, aus gegeneinander isolierten Teilleitern aufgebauten Statorwicklungsstäben, welche Hohlleiter auf­ weist, durch welche in Maschinenlängsrichtung Kühlgas hin­ durchleitbar ist, Kanälen zur Zu- und Abfuhr des Kühlgases von bzw. zu einem im oder am Gehäuse angeordneten Kühler.

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der US-PS 39 78 359 ergibt.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

Bei der bekannten dynamoelektrischen Maschinen mit direkter Gaskühlung der Statorwicklung ist die Statorwicklung aus ge­ geneinander isolierten massiven Kupferleitern aufgebaut, zwischen welche Teilleiter Hohlleiter eingestreut sind. Diese Hohlleiter münden an beiden Maschinenenden im Wickelkopf in Isolierhauben, die zum Wickelkopfraum hin offen sind. Das gasförmige Kühlmedium, in der Regel Luft oder Wasserstoff, strömt - gefördert von einem Ventilator - an einem Maschinenende durch die Öffnungen in den Kappen in die Hohlleiter, verläßt diese am anderen Maschinenende wieder, strömt frei in den anderen Wickelkopfraum aus. Von dort aus wird das erhitzte Gas zusammen mit anderem Gas einem im oder am Maschinengehäuse angeordneten Kühler zugeführt, dort rückgekühlt und gelangt von dort aus durch Kanäle oder Lei­ tungen zwischen dem Statorblechkörper und dem Maschinenge­ häuse wieder an das eine Maschinenende.

Nachteilig bei einer derartigen Kühlungsanordnung ist, daß sich eine gleichmäßige oder zumindest zur Maschinenmitte symmetrische Kühlung der anderen Maschinenkomponenten wie Rotor oder Blechkörper nicht oder nur aufwendig erreichen läßt.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Maschinenlänge ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Wicklungsstab am Kühlgasaustritt eine gegenüber dem Wickel­ kopfraum abgeschlossene Gasausströmkammer zugeordnet ist, welche über einen Kanal (22; 23) unmittelbar an den oder die Kühler (7) angeschlossen ist.

Bei elektrischen Maschinen mit einem Druckerzeuger nur auf einer Maschinenseite sind die Gasausströmkammern auf einer Maschinenseite im Wickelkopfraum angeordnet und die Gasaus­ strömkammern sind einzeln oder in Gruppen zusammengefaßt über einen separaten Heißgaskanal unmittelbar an den oder die Kühler angeschlossen. Diese Ausführungsform führt zwar zu einer weniger gleichmäßigen Kühlung der Statorwicklungs­ stäbe in Maschinenlängsrichtung, beeinträchtigt jedoch die gleichmäßige Kühlung des Statorblechpaketes nicht.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, die sich sowohl für Maschinen mit einem Druckerzeuger nur auf einer Maschi­ nenseite als auch bei solchen mit Druckerzeugern auf beiden Maschinenseiten eignet, besteht darin, daß die Gasausström­ kammern von benachbarten und/oder in einer Nut übereinander­ liegenden Wicklungsstäben abwechselnd am jeweils entgegenge­ setzten Maschinenende liegen und die Gasausströmkammern ein­ zeln oder in Gruppen zusammengefaßt jeweils an den oder die Kühler angeschlossen sind.

Der Vorteil dieser zweiten Ausführungsform ist insbesondere darin zu sehen, daß nunmehr je zwei in Umfangsrichtung be­ nachbarte Wicklungsstäbe gegenläufig vom Kühlmedium durch­ strömt werden, wodurch sich gesamt gesehen eine homogene Temperaturverteilung in Maschinenlängsrichtung einstellt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, vorteilhafte Weiterbil­ dungen und Ausgestaltungen der Erfindung sowie die damit er­ zielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen gas­ gekühlten Turbogenerator mit direkt gekühlten, ge­ genläufig vom Kühlmedium durchströmten Statorwicklungs­ leitern;

Fig. 2 einen zu Fig. 1 analogen Längsschnitt durch densel­ ben Turbogenerator aber um eine Nut versetzt;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit Druckerzeugern an bei­ den Maschinenenden;

Fig. 4 einen zu Fig. 3 analogen Längsschnitt durch densel­ ben Turbogenerator aber um eine Nut versetzt;

Fig. 5 eine stark vereinfachte Draufsicht auf die Stirn­ seite des Stators eines Turbogenerators gemäß Fig. 1 bis 4;

Fig. 6 einen Ausschnitt einer stark vereinfachten Drauf­ sicht auf die Stirnseite eines Turbogenerators mit Ober- und Unterwicklungsstäben, die in Gegenrichtung durchströmt sind;

Fig. 7 die zu Fig. 6 entsprechende Ansicht auf den gegen­ überliegenden Wickelkopf des Turbogenerators;

Fig. 8 einen Ausschnitt einer stark vereinfachten Drauf­ sicht auf die Stirnseite eines Turbogenerators mit Ober- und Unterwicklungsstäben, die gleichfalls in Gegenrichtung durchströmt sind, wobei in Umfangs­ richtung benachbarte Stäbe und übereinanderlie­ gende Stäbe in Gegenrichtung durchströmt sind.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Der Turbogenerator nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 besteht im wesent­ lichen aus einem Rotor 1, einem Statorblechkörper 2 mit einer Statorwicklung mit Unterstäben 3a und Oberstäben 3b, die in Nuten des Statorblechkörpers 2 untergebracht und darin mittels Nutkeilen befestigt ist. Der Statorblechkörper 2 ist von einem Gehäuse 4 umgeben, das zwischen sich und dem Statorblechkörper 2 einen Ringraum freiläßt, der neben nicht dargestellten Abstützelementen für den Statorblechkör­ per 2 eine Vielzahl von Leitungen/Kanälen aufweist, welche die Verbindung zwischen den beiden Wickelkopfräumen, dem NS- Wickelkopfraum 5 und dem AS-Wickelkopfraum 6 und Kühlern 7 in der Maschinenmitte herstellen.

Die Topologie und Funktion dieser Leitungen und Kanäle wird später noch eingehend erläutert.

An dem der Wellenkupplung 8 gegenüberliegenden Maschinenende (NS-Seite) ist zwischen dem NS-Wickelkopfraum 5 und der Stirnseite des Gehäuses 4 eine Trennwand 9 vorgesehen. Diese Trennwand 9 separiert den Einströmraum 10 eines Radialventi­ lators 11 vom NS-Wickelkopfraum 5. Ein Kanal 12 im Ringraum zwischen Gehäuse 4 und Statorblechkörper 2 stellt die Ver­ bindung zwischen den Einströmraum 10 und den Kühlern 7 her. Auf der diametral gegenüberliegenden Maschinenseite ist im besagten Ringraum ein Überströmkanal 13 vorgesehen, der die Verbindung zwischen dem NS-Wickelkopfraum 5 und dem AS-Wickel­ kopfraum 6 herstellt. Dieser Überströmkanal 13 ist bei Maschinen, die auf beiden Maschinenseiten Ventilatoren be­ sitzen entbehrlich. Die Strömungsrichtung des Kühlmediums ist in beiden Fig. durch Pfeile veranschaulicht.

Aus Gründen der Vollständigkeit sind in den beiden Fig. schematisch die beiden Wellendichtungen 14 und 15 zwischen Rotorwelle 16 eingezeichnet. Ferner erkennt man axial ver­ laufenden Kanäle 17 und radial verlaufende Kanäle 18 im Sta­ torblechkörper 2, welche einerseits der Blechkörperkühlung dienen und andererseits das aus dem Rotor 1 bzw. Luftspalt 19 ausströmende Heißgas zu den Kühlern 7 leiten.

Während nun beim Stand der Technik nach der US-PS 39 78 359 alle Hohlleiter der Statorwicklung an beiden Enden offen sind und das vom Ventilator 11 geförderte Kühlmedium alle diese Hohlleiter in einer Richtung, also parallel, durch­ strömt, sind bei der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nun Maßnahmen getroffen, das Kühlmedium (in Um­ fangsrichtung gesehen) abwechselnd einmal vom NS-Wickelkopf­ raum 5 zum AS-Wickelkopfraum 6 bzw. vom AS-Wickelkopfraum 6 zum NS-Wickelkopfraum 5 zu leiten. Um dies zu erreichen, sind jeweils auf beiden Maschinenseiten bei jedem zweiten Wicklungsstab 3a, 3b dessen Hohlleiter 25 frei mit dem je­ weiligen Wickelkopfraum 5 bzw. 6 verbunden, d. h. die Hohl­ leiter 25 sind gegen diese Räume offen, während die restlichen Hohlleiter über flexible, isolierende Rohrleitungen 20a bzw. 20b an jeweils eine Ringkammer 21 angeschlossen sind. Diese Ringkammern 21 wiederum sind über Heißgaskanäle 22 bzw. 23 im Ringraum zwischen dem Statorblechkörper 2 und dem Gehäuse 4 unmittelbar mit den Kühlern 7 verbunden. Aus Gründen übersichtlicherer Darstellung wurde dabei bewußt in Fig. 1 die NS-seitige Ringkammer, in Fig. 2 hingegen die AS- seitige Ringkammer weggelassen.

In Fig. 1 strömt das vom Radialventilator 11 geförderte Kühl­ medium erst durch die gegenüber dem NS-Wickelkopfraum 5 of­ fenen Hohlleiter, dann durch die flexible Rohrleitungen 20a und 20b in die Ringkammer 21 im AS-Wickelkopfraum 6 und von dort aus durch die Heißgaskanäle 22 zurück zu den Kühlern 7. In Fig. 2 hingegen ist ersichtlich, wie das vom Radialven­ tilator 11 geförderte Kühlmedium nach Passieren des Über­ strömkanals 13 in den AS-Wickelkopfraum 6 gelangt, dort in die fort offenen Hohlleiter gelangt, diese über die flexiblen Rohrleitungen 20a und 20b auf der NS-Seite der Maschine verläßt, in die Ringkammer 21 im NS-Wickelkopfraum 5 ge­ langt und von dort aus über die Heißgaskanäle 23 zurück zu den Kühlern 7 zurückströmt.

Der Anschluß der flexiblen Rohrleitungen 20a, 20b an die Hohlleiter 25 von Unter- und Oberstab 3a bzw. 3b der Stator­ wicklung erfolgt mittels Anschlußarmaturen mit einer Aus­ strömkammer 24a bzw. 24b, wie sie im Zusammenhang mit flüs­ sigkeitsgekühlten Statorwicklungen seit langem bekannt sind, mit dem Unterschied, daß hier die perfekte Abdichtung ge­ genüber dem Wickelkopfraum 5 bzw. 6 eine eher untergeordnete Rolle spielt, da bei Gaskühlung geringe Leckagen an dieser Stelle kein Betriebsrisiko darstellen. Anstelle separater Ausströmkammern 24a, 24b für jeden Stab und separater Rohr­ leitungen 20a bzw. 20b kann aber auch beiden Stäben eine ge­ meinsame Ausströmkammer und demzufolge auch nur eine flexi­ ble, isolierende Rohrleitung zugeordnet sein.

Die Ringkammern 21 können wie im Beispielsfall als eigen­ ständige Bauteile ausgeführt werden. Eine andere, im Be­ darfsfall zu ergreifende Alternative besteht darin, die Ringkammern 21 in die Wand des Gehäuses 4 zu integrieren oder sie als Teil der Trennwand 9 auszubilden oder die Ring­ kammer 21 auf der NS-Seite an dieser Trennwand 9 zu befestigen.

Auch können die Ringkammern 21 in Umfangsrichtung in ein­ zelne Teilkammern unterteilt werden, denen jeweils eine An­ zahl von Statorwicklungsstäben zugeordnet ist, wobei jede dieser Teilkammern über eigne Heißgaskanäle mit den Kühlern 7 verbunden ist.

Anhand der Fig. 3 und 4, in welchen die gleichen Bauteile wie in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen ver­ sehen sind, ist veranschaulicht, daß sich das erfindungs­ gemäße Kühlungskonzept auch bei Maschinen anwenden läßt, die sowohl auf der AS- als auch auf der NS-Seite Ventilatoren haben.

Abgesehen von den NS- und AS-Heißgaskanälen 22 bzw. 23 ist der Aufbau der Maschine symmetrisch. Auf beiden Seiten ist ein Radialventilator 11 vorgesehen, dessen Einströmraum 10 über die Kanäle 12 mit den Kühlern 7 in der Maschinenmitte verbunden ist. Trennwände 9 separieren diese Räume vom NS- Wickelkopfraum 5 bzw. AS-Wickelkopfraum 6. In Fig. 3 strömt ein Teil des vom NS-seitigen Radialventilator 11 geförderten Kühlgases in die im Raum 5 offenen Hohlleiter und verläßt diese auf der AS-Seite über die flexiblen Rohrlei­ tungen 20, gelangt dann in die AS-seitige Ringkammer 21 und von da über den AS-Heißgaskanal 23 zurück zu den Kühlern 7. Der in Umfangsrichtung benachbarte Statorwicklungsstab 3 wird, wie aus Fig. 4 hervorgeht, in Gegenrichtung durch­ strömt.

Fig. 5 vermittelt in Form einer stark vereinfachten Drauf­ sicht auf die Stirnseite der Maschine die Anordnung und Ver­ teilung der jeweils alternierend durchströmten Statorwicklungs­ stäbe 3a, 3b mit den eingestreuten Hohlleitern 25, die zur Hälfte gegenüber dem Wickelkopfraum hin offen sind. Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Kühlgasführung gelten selbstverständlich auch für Statorwicklungen mit einer Wicklungslage.

Das Konzept der in Gegenrichtung durchströmten Statorwicklungs­ leiter bei einer aus Unter- und Oberstab bestehenden Statorwicklung läßt sich dahingehend abwandeln, daß gemäß Fig. 6 bzw. Fig. 7 die Unterstäbe 3a und die Oberstäbe 3b in Gegenrichtung durchströmt werden. Zu diesem Zweck sind in dem einen Wickelkopfraum allen Unterstäben 3a Ausströmkam­ mern 21a und im anderen Wickelkopfraum den Oberstäben 3b Ausströmkammern 21b zugeordnet, die jeweils über Rohrleitungen 20a bzw. 20b mit den Ringkammern 21 verbunden sind.

Eine weitere, in Fig. 8 dargestellte Variante besteht darin, Unterstäbe 3a und Oberstäbe in Umfangsrichtung benachbarter Stäbe wechselweise zu durchströmen, wobei in Umfangsrichtung benachbarte Stäbe 3a und übereinanderliegende Stäbe 3a und 3b in Gegenrichtung durchströmt sind. Zu diesem Zweck ist einem ersten Unterstab 3a eine erste Ausströmkammer 24a zu­ geordnet, die über eine Rohrleitung 20a mit der Ringkammer 21 verbunden ist. Bei den benachbarten Stäben ist demgegen­ über den Oberstäben 3b je eine Ausströmkammer 24b zugeordnet, die allesamt über die Rohrleitungen 20b mit der Ring­ kammer 21 verbunden sind. Das Anschluß-Schema auf der anderen Maschinenseite hat den gleichen Aufbau, entspricht also dem der Fig. 8, mit dem Unterschied, daß alles um eine Nut versetzt ist.

Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, besteht selbst­ verständlich die Möglichkeit, jeweils zwei oder drei in Um­ fangsrichtung benachbarte Statorwicklungsstäbe 3 bzw. Stab­ paare bezüglich des Kühlgases parallel zu schalten, so daß abwechselnd jeweils zwei bzw. drei benachbarte Stabpaare bzw. Stabtrippel antiparallel durchströmt werden.

In den vorstehenden Ausführungen wurde stets von Statorwicklungs­ stäben ausgegangen, wobei benachbarte Stäbe antiparallel durchströmt werden. Anhand der Fig. 1 soll nun erläutert werden, daß quasi in Vereinfachung des erfindungsgemäßen Kühlkonzepts und mit bescheidener Einbuße an Homogenität der Kühlung, auch eine Variante möglich ist, bei welcher alle Statorwicklungsstäbe 3a, 3b in derselben Richtung durchströmt werden. Für diese Variante bedarf es nur einer Ringkammer in dem dem Ventilator 11 gegenüberliegendem Wickel­ kopfraum 6 und eignet sich grundsätzlich nur für Maschinen mit einem Ventilator.

Claims (5)

1. Die Erfindung bezieht sich auf eine gasgekühlte elek­ trische Maschine mit einem Rotor (1), einem Stator und einem den Stator umgebenden Gehäuse (4), mit einer Stator­ wicklung mit einem oder zwei in einer Nut übereinander­ liegenden, aus gegeneinander isolierten Teilleitern aufgebauten Statorwicklungsstäben (3a, 3b), welche Hohl­ leiter (25) aufweist, durch welche mittels eines Druck­ erzeugers (11) in Maschinenlängsrichtung Kühlgas hin­ durchleitbar ist, mit Kanälen zur Zu- und Abfuhr des Kühlgases von bzw. zu einem im oder am Gehäuse angeordneten Kühler (7), dadurch gekennzeichnet, daß den Wicklungsstäben (3a, 3b) am Kühlgasaustritt eine gegen­ über dem Wickelkopfraum (6; 5) abgeschlossene Gasausströmkammer (24a, 24b) zugeordnet ist, welche über einen Kanal (22; 23) unmittelbar an den oder die Kühler (7) angeschlossen ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 mit einem Drucker­ zeuger (11) nur auf einer Maschinenseite, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gasausströmkammern (24a, 24b) auf der dem Druckerzeuger (11) abgewandten Maschinenseite im Wickelkopfraum (6) angeordnet sind und die Gasausströmkammern einzeln oder in Gruppen zu­ sammengefaßt über einen separaten Heißgaskanal (23) unmittelbar an den oder die Kühler (7) angeschlossen sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gaseinlässe und Gasausströmkammern (24) von in Umfangsrichtung benachbarten Wicklungs­ stäben und/oder übereinanderliegenden Wicklungs­ stäben (3a, 3b) abwechselnd einzeln oder zu mehreren am jeweils entgegengesetzten Maschinenende liegen und die Gasausströmkammern (24) einzeln oder in Gruppen zusammen­ gefaßt jeweils an den oder die Kühler (7) ange­ schlossen sind.

4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasausströmkammern (24a, 24b) über isolierende, flexible Rohrleitungen (20a, 20b) an eine Ringkammer (21) angeschlossen sind, die wiederum direkt mit den Kühlern (7) verbunden sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ringkammer (21) als eigenständiges Bauteil oder am Maschinengehäuse (4) oder einer Trenn­ wand (9) ausgebildet ist.