NO141292B - Elektrisk maskin av vertikal konstruksjon - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrorer en elektrisk maskin av vertikal konstruksjon, hvor stator og fundament danner to konsentriske ringer, som er forbundet med eikelignende armer, jevnt fordelt over omkretsen.

Ved drift av slike maskiner, især langsomt-gående vann-genera-torer, kan det opptre betydelige, tangensialt og radialt rette-de krefter, som må opptas av fundamentet eller huset som er forbundet med dette. Slike krefter forårsakes f.eks. av oppvarming, av dreiemomentet eller den magnetiske trekkraft under maskinens drift.

Elektriske maskiner av denne konstruksjon bygges i dag i en størrelsesorden på opp til 600 MW og får således ytre diameter-dimensjoner på opp til 20 m. Luftspalten mellom rotor og stator utgjor generelt 1/1000 av storste rotordiameter, hvilket klart antyder problematikken. Den magnetiske trekkraft tenderer f.eks. til å presse sammen statoren til en ellipseform. For at luftspalten skal opprettholdes, må statoren således fores i et stivt hus, hvilket medforer nye vanskeligheter, når det gjelder å kontrollere varmeekspansjonskreftene. En stiv avstotning av statoren kan begrense statorens radiale ekspansjon slik at blikkpakkene deformeres ved termiske påkjenninger.

Ved en kjent losning av dette problem (US patentskrift 3 742 271 Whitney) foreslås en begrenset bevegelse av statoren. Statoren er omgitt av et antall bærere, som hver omfatter et vertikalt og et radialt ledd. Det vertikale ledd er forankret i fundamentet, mens det radiale ledd avstotter seg i betongringen. Statoren avstotter seg mot det vertikale ledd, via elastiske, radiale og tangensiale elementer.

Ved en annen kjent konstruksjon (sveitsisk patent 440 435

Miicke) nevnes den mulighet at det mellom stator-blikkpakken og betonghuset anordnes fagverk-lignende forstagninger, hvis knu-tepunkter på hussiden er forankret i betongringen ved hjelp av stillskruer. Som folge av varmeekspansjonskrefter som påvirker statoren, kan det opptre trykkspenninger i forstagningene,

slik at det utoves radialt utadrettede krefter mot stillskrue-ne. Disse kreftene vil i betongen virke som tangensialt rette-de strekkspenninger som er skadelige for betongen. For at betongringen under maskinens drift bare skal utsettes for trykkspenninger og statorblikkpakken bare for strekkspenninger foreslås ifolge nevnte oppfinnelse at betongringen via forstagnings-stavene, som er jevnt fordelt over statorblikkpakkens omkrets og står under strekkspenning, er forspent i kontakt med blikk-pakkens stativ (Stand) uten forbindelse og ved hjelp av disse forstagningsstaver holdes på avstand fra blikkpakken. En ulem-pe ved denne konstruksjon er den nodvendige forspenning, som utelukkende kan oppnås med hydrauliske innretninger, likesom det store plassbehov for forstagningene. Det blir neppe mulig

å anordne kjolere, og dessuten blir tilgjengeligheten for in-spisering og reparasjon meget vanskeliggjort. Ved en statoroppvarming vil strekkforspenningen i forstagningene reduseres.

For at forspenningen ikke skal reduseres til null og det endog dannes en trykkbelastning ved driftstemperaturer, utfores forstagningene med stor radial elastisitet, hvilket gjor det pro-blematisk å få opprettholdt luftspalten mellom rotor og stator.

Det er kjent andre losninger, hvor konstruksjonsdelenes relative ekspansjon dog, likesom ved de omtalte losninger opptas en-ten ved radial elastisitet eller radial bevegelsesfrihet for armene. Særlig ved store maskiner, hvor de ringformede elemen-tene utfores med stor elastisitet, overfores problemene til ring-stivheten og konsentrisiteten, hvilket igjen forer til meget kostbare'losninger.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å tilveiebringe

en stiv konstruksjon, som kan overfore aksiale, radiale og tangensiale krefter, muliggjor en konsentrisk ringekspansjon, både ved symmetrisk og asymmetrisk belastning og hvor det bare opptrer ringe ekspansjonskrefter.

Ifolge oppfinnelsen loses denne oppgave ved at armene er tangenter på mantelflaten for en tenkt, koaksial sylinder, hvor dennes diameter er mindre enn den indre ringens, at de tenkte akser for to i omkretsretning nærliggende armer, hvilke tenkte akser er rettlinjet forlenget ut over de to ringene, ba-re skjærer hverandre innenfor den indre ringen, og at armene er uelastiske i lengderetning over hele den virksomme lengde.

Fordelen ved oppfinnelsen ligger spesielt i det forhold at det muliggjores en fullstendig fri, sentrisk ekspansjon av alle elementer uten anvendelse av radiale, elastiske elementer, som f.eks. fjærer. Dette gir konstruktivt enklere og produksjons-messig rimelige konstruksjoner.

Hvis armene er ledd-forankret på minst en av ringene, da er de varmeekspansjonskrefter som utoves av armene mot ringene, så å si fullstendig eliminert, slik at man kan velge en lettere konstruksjon av ringene. Dessuten byr en ledd-befestigelse på betydelige fordeler, sammenlignet med en stiv befestigelse, når det gjelder montering og demontering.

Særlig hensiktsmessig er en anordning, hvor armene er lengde-justerbare. Man har dermed et enkelt middel til rådighet for allerede ved monteringen å redusere begynnelses-eksentrisiteter til et minimum, hvilket får en meget gunstig virkning på inn-stillingen av luftspalten mellom rotor og stator.

Det er fordelaktig at forankringspunktene for minst en av ringene er forbundet med tverrstaver til avstivning. Hvis disse tverrstaver har regulerbar lengde, kan det uten videre utoves en valgfri forspenning på ringene. Konstruksjonen, som således virker som et fagverk, er særdeles stiv og lett.

I det folgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere under hen-visning til noen utforelseseksempler, som er gjengitt i tegningen, hvor

fig. 1 er et partielt aksialsnitt gjennom en elektrisk maskin med vertikal konstruksjon og den omgivende platering,

fig. 2 er et partielt tverrsnitt av anordningen ifolge fig. 1, etter snittlinjen A-A, .fig. 3 er et partielt aksialsnitt, som vist i fig. 1, men med en annen statorkonstruksjon, fig. 4 er et partielt tverrsnitt etter linjen B-B i anordningen ifolge fig. 3, fig. 5 er et partielt tverrsnitt av en anordning ifolge fig. 3, men med en annen huskonstruksjon, fig. 6 er en skjematisk gjengivelse av maskinens avstotning til belysning av oppfinnelsens virkemåte. Ved utforelseseksemplet ifolge fig. 1 og 2 består den ytre konsentriske ring 1 av generatorgruben (Generatorgrube), som van-ligvis er utfort som en betongring. Statoren danner den indre konsentriske ring 2 og omfatter spesielt en statorvikling 3, samt en blikkpakke 4, som via pressplater 5 er aksialt sammen-presset, samt foringskiler 6 med svalehaleformet tverrsnitt, hvilke tjener til laganordningen og sikringen av segmentplatene. Via en bærekonstruksjon 7 er statoren avstottet på fundamentet 8, som dessuten bærer betongringen. På fbringskilene 6 er det over flere hoydeplan festet lasker 9, som avstotter seg på et korsett 10. Dette består av vertikale soyler 11 og bjelker, som forbinder soylene med hverandre og er lengde-justerbare og som ifolge oppfinnelsen utgjor tverrstavene 12. Forbindelsen mellom statoren og betongringen opprettes via eikelignende armer 13, som i et antall av 16 er jevnt fordelt over omkretsen og anordnet i flere hoydeplan. De danner tangenter mot mantelflaten for en tenkt, koaksial sylinder 19, hvis diameter er mindre enn korsettets 10 ytre diameter. Armene 13 ermeden ikke vist skrueforbin-delse forankret i soylene 11, samt i prof il soyler. 14, som er inn-stopt i betongringen. I lengderetning må armene 13 over hele den bærende lengde betraktes som stive og uelastiske i forhold til belastningen. Det er ikke vist at armene 13 er lengdejusterbare, f.eks. ved mellomlegg. Det er derved mulig å sentrere statoren noyaktig og innstille dens sirkelform. En strekkforspenning av generatorblikket 4 kan, om nodvendig, opprettes via korsettets 10 bjelker. I prinsippet er en slik forspenning overflodig, idet det i det minste som folge av statoroppvarming ikke vil utoves trykk mot generatorblikket 4, fordi dette kan ekspandere fritt.

I mindre grad vil strekkforspenning like fullt være verd å an-befale. Som folge av de magnetiske strekkrefter som er jevnt fordelt på omkretsen og radialt innadrettet, vil det i generatorblikket 4 induseres en strekkspenning, som kan reduseres betydelig eller endog elimineres helt ved hjelp av forspenning.

Fig. 3 og 4 viser et annet utforelseseksempel ifolge oppfinnelsen. De her viste deler som svarer til deler i fig. 1 og 2, er gitt samme henvisningstall.

Statorens 2 blikkpakke 4 presses aksialt sammen med spennbolter 15, som forloper isolert og tettpasset gjennom huller i blikkpakken 4. Ved denne losning kan en korsett, som vist i fig. 1, og som omgir blikkpakken 4, unnværes, idet blikkpakken er forbundet til en kompakt ring av spennboltene 15 og de på baksiden anordnede, svalehaleformede foringskiler 6. En ytterligere for-bedring av blikkpakken oppnås ved sammenklebning av plateseg-mentene. Armene 13 er dels festet i betongringen, som vist i fig. 1, og dels direkte på statoren 2, dvs. på foringskilene 6. I det viste eksempel er de forankret i ledd 22. Blikkpakken 4 kan ekspandere fullstendig fritt, slik at tverrarmer til forspenning og avstivning kan falle bort. Folgelig vil den vertikale last overfores til fundamentet 8 via soyler 17. Disse soyler har ingen foringsfunksjon og skal bare eliminere den friksjon som ellers ville oppstå ved direkte avstotning av statoren på fundamentet.

Et særlig fordelaktig utforelseseksempel av oppfinnelsen er vist i fig. 5. Deler som svarer til deler vist i fig. 1-4, er gitt samme henvisningstall og er ikke nærmere omtalt. Elementer som ikke er vesentlige for oppfinnelsen er utelatt i den skje-matiske gjengivelse. Det dreier seg om en frittstående maskin, hvor det ikke foreligger noen betongring. Statorhuset danner ringen 1' og består av radialt anordnede, vertikale soyler 18, som med nedre ende er forankret i det ikke viste betongfundament og i ovre ende er forbundet med armene for en ikke vist lagrings-stjerne. Statorkonstruksjonen og armenes 13' forankringspunkter på statorsiden svarer til det som er vist i fig. 3 og-4. Armene 13' er anordnet i flere hoydeplan ifolge fig. 4 og er sveiset fast i den radialt ytre del av soylene 18. Disse soyler kan væ-re profilbærere, fagverksbærere eller en blandet stålbetong-konstruksjon. Overfor kjente losninger, likesom overfor de losninger som er vist i' fig. 1-4 kan soylenes 18 radiale bredde forstorres vesentlig takket være utnyttelse av hele den dispo-nible plass. Ved foreliggende eksempel er soylenes radiale bredde således tredoblet, slik at det ved omtrent samme soylevekt oppnås en omtrent 9-doblet boyefasthet. Ved slike konstruksjoner kan man unnvære det ellers vanlige maskinhus av lettstål, som erstattes av en stålforskalirig, anordnet direkte på soylene 18. Denne stålforskaling sorger for den nodvendige stivhet og utgjor i foreliggende eksempel tverrstavene 12'.

Virkemåten av foreliggende oppfinnelse kan forklares under hen-visning til skjemaet i fig. 6. De to konsentriske ringer og armene er forsynt med samme henvisningstall som tilsvarende deler i fig. 1-5. Armene 13 er tangenter til den antydede sylinder 19. Fra systemets sentrum 20 sett er R T radien for ringen 2, RA radien for ringen, begge radier omslutter en vinkel |J . 0£ betegner en vinkel som omsluttes mellom RA og den betraktede armen 13, som har lengden L. Til forenkling benyttes vinkelen ^ som utgjor den aritmetiske sum av°C og ^ .

Vi skal forst se på en f.eks. varmebetinget, symmetrisk utvidel-se L av armene 13. Denne forlengelse omsettes i en relativ dreining av de to ringene 1,2, som på den mest fordelaktige måte kan uttrykkes som en endring av vinkelen ^ .

Ifolge den stilte oppgave kreves en så fri og konsentrisk ringekspansjon som mulig ved alle belastninger. Ved enkelte eller kombinerte forandringer av L, Rj og RA kan folgende almengyldige forhold noteres:

Denne betegnelse gjelder for en tosidig leddforankring av armene 13.

De krefter som virker på tvers av maskinaksen akse, deles opp

i komponenter, som virker i retning av armenes akser. Som ved et fagverk utsettes armene utelukkende for strekk- eller trykk-påvirkning, slik at anordningen får stor stivhet.

Ved en symmetrisk belastning på anordningen er ekpansjonen eller krympingen av de ringformede deler konsentrisk. Ved en asymmetrisk belastning, f.eks. ensidig oppvarming av armene 13, kunne anordningens sentrum 20 forskyve seg eksentrisk. Dette kan avhjelpes ved forskjellige tilpasningsmuligheter, f.eks. ved en tverrsnittsdimensjonering som svarer til de opptredende krefter, et tilsvarende materialvalg eller ved enkelte armer 13 ved forandring av vinklene^ og ^ med tilsvarende tilpasning av lengden L.

Hvis det på en av de to ringene i fig. 1, f.eks. på statoren, anordnes ledd 15 i forankringspunktene, ledd som ikke overforer boyekrefter, vil det ikke passere krefter, forårsaket av armene 13, til ringene 1,2.

Er armene fastspent i forankringspunktene, vil de utsettes for en lett boyning, som folge av den relative dreining av ringene. Vinkelforandr ingen Ap blir noe mindre enn ved en leddanordnin<g>. Da armene på grunn av bruddfare (Knickgefahr) fortrinnsvis består av profiler med et forholdsvis stort treghetsmoment, kan endene gjores massive, men må ha et lavest mulig treghetsmoment om boyeaksen. Således kan boyningen lokaliseres til armenes ender. En særlig enkel losning for å gjore disse ender boyemyke, består av anvendelse av hulprofiler som armer. Over den virksomme, bærende lengde har disse et tverrsnitt med et forholdsvis stort treghetsmoment. I forankringspunktene presses tverr-snittet sammen til flat form, hvorved det bærende tverrsnitt forblir det samme, samtidig som treghetsmomentet om boyeaksen reduseres sterkt.

Oppfinnelsen begrenser seg selvsagt ikke til det som er vist i tegningen. Således kan det ved eksemplet med en frittstående maskin selvsagt også benyttes en statorkonstruksjon ifolge fig. 1. Likeledes kan den radiale bredde av soylene 18 forkortes og armenes 13' forbindelse kan opprettes med den radialt indre del av soylen. Avvikende fra anordningene ifolge fig. 1-4 kan armene også festes på betongringens ytterkant.

Ved alle viste konstruksjoner er det som folge av at den relative ekspansjon av de forskjellige konstruksjonsdeler omdannes til en relativ dreining av de ringformede deler, sikret en helt fri, konsentrisk ekspansjon av de sistnevnte. Samtidig er funda-mentkreftene som folge av varmeekspansjon fullstendig eliminert, hvilket er av spesiell interesse for konstruksjonen av fundamentet .

Ved et passende valg av dimensjonene og helningsvinkelen for armene kan statorens dreiesvingnings-egenfrekvens velges lave-re enn nettfrekvensen, slik at man oppnår en effektiv reduksjon av det dreiemoment som påvirker fundamentet som folge av stot-kortslutning.

Ringene ifolge oppfinnelsen kan ha polygonal eller sirkelform, såfremt de forankringspunkter som horer til de respektive ringer, ligger på en sirkel.

Claims (5)

1. Elektrisk maskin med vertikal konstruksjon, hvor statoren og fundamentet danner to konsentriske ringer, som er forbundet med eikelignende armer jevnt over hele omkretsen, karakterisert ved at armene (13,13') er tangenter på mantelflaten for en tenkt, koaksial sylinder (19), hvor sylinde-rens diameter er mindre enn den indre ringens (2), at de tenkte akser av to i omkretsretning nærliggende armer (13,13') som er rettlinjet forlenget ut over de to ringene (1,1',2), bare skjærer hverandre innenfor indre ring (2), og at armene (13,13') er uelastiske i lengderetning over hele den virksomme lengde.

2. Elektrisk maskin som angitt i krav 1, karakterisert ved at armene (13,13') hair ledd-rforankrings-punkter i minst en av ringene (1,1',2).

3. Elektrisk maskin som angitt i krav 1, karakterisert ved at armene (13,13') er lengdejusterbare.

4. Elektrisk maskin som angitt i krav 1, karakterisert ved at armenes (13,13') forankringspunkter for minst en av ringene er forbundet med tverrstaver (12,12').

5. Elektrisk maskin som angitt i krav 4, karakterisert ved at tverrstavene (12,12') er lengdejusterbare.