Turbogenerator mit Gaskühlung in geschlossenem Kreislauf Bei Turbogeneratoren mit Gaskühlung in ge schlossenem Kreislauf ist es bekannt, für die Küh lung des Rotors und des Stators Gasströme vorzu sehen, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch die Maschine getrieben werden, um für die Kühlung des Rotors eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases anwenden zu können, als dies im Stator notwendig ist.
Es sind sowohl Anordnungen bekannt, bei denen die beiden Gasströme durch einen gemein samen, auf der Motorwelle angebrachten Ventilator oder Kompressor erzeugt werden, als auch solche, bei denen zur Erzeugung der beiden Gasströmungen je ein öder mehrere besondere Ventilatoren auf der Maschinenwelle vorgesehen sind.
Bei allen diesen Anordnungen ist es im all gemeinen notwendig, zur Erzeugung hoher Strö mungsgeschwindigkeiten im Rotor mehrstufige Ven tilatoren oder Kompressoren anzuwenden. Diese Anordnungen haben den Nachteil, dass sie die Bau länge der Maschine vergrössern, besonders wenn Was serstoff als Kühlgas benutzt wird, bei dem wegen seines geringen spezifischen Gewichtes eine ver hältnismässig grosse Zahl von Kompressorstufen zur Erzielung eines genügenden Druckes nötig ist.
Erfindungsgemäss wird dieser Nachteil bei einem Turbogenerator mit Gaskühlung in geschlossenem Kreislauf und getrennten Gaswälzungsvorrichtungen für die Stator- und Rotorkühlung dadurch vermie den, dass ein ausserhalb der Maschine angeordneter Gasförderer für die Gasströmung durch den Rotor vorgesehen ist. Zur Rückkühlung des durch den Gasförderer bewegten Gasstromes kann dabei ein besonderer Kühler vorgesehen sein, der zweckmässig ausserhalb der Maschine angeordnet wird.
Bei der letztgenannten Anordnung können die in bekannter Weise im Innern der Maschine vorzusehenden Kühler verhältnismässig klein bemessen werden, da sie im wesentlichen nur die Wärmeverluste des Stators abzu führen haben.
Bekanntlich ist es erwünscht, Turborotoren, be sonders solche grosser Abmessungen, unabhängig von der Belastung auf konstanter Temperatur zu halten, um Relativverschiebungen zwischen Kupferleiter und Eisen durch die verschiedenen Wärmedehnungen bei der Stoffe nach Möglichkeit zu vermeiden. Hierzu ist es notwendig, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases im Rotor der jeweiligen Strombelastung des Rotors anzupassen. Diese Möglichkeit ist bei den er wähnten bekannten Anordnungen nicht gegeben; sie lässt sich aber bei der erfindungsgemässen Anordnung eines besonderen Gasförderers ausserhalb des Genera- tors in einfacher Weise erreichen, indem der von die sem bewegte Gasstrom regelbar gestaltet wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Figur bedeutet 1 den Stator, 2 den Rotor eines Turbogenerators. Für die Kühlung des Stators sind an beiden Enden der Rotorwelle Ventilatoren 3 vorgesehen, welche in an sich bekannter Weise einen Gasstrom durch den Luftspalt 4 der Maschine und durch radiale Schlitze im Stator und schliesslich durch den Raum zwischen Stator und Gehäuse 5 erzeugen, der in Kühlern 6 gekühlt wird.
Für die Bewegung des hauptsächlich den .Rotor kühlenden Gasstromes ist ein Gasförderer 7 vorgesehen, der insbesondere ein Kompressor beliebiger Bauart sein kann und durch einen Motor 8, gegebenenfalls aber auch durch direkte oder indirekte Kupplung mit der Generator welle angetrieben wird. Durch eine Rohrleitung 9 wird durch eine oder mehrere Öffnungen 10 im Man tel der Maschine, vorzugsweise etwa in der Mitte desselben, Gas aus der Maschine angesaugt und nach einer die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit be- wirkenden Druckerhöhung im Gasförderer durch den Kühler 11 getrieben.
Aus dem Gasförderer gelangt das Gas durch die Rohrleitungen 12, 13 in an beiden Enden der Rotorwelle angeordnete und die Welle um gebende Ringräume 14, von wo aus es durch axiale Kanäle im Rotor zu in den Luftspalt mündenden Öffnungen dieser Kanäle strömt, um durch radiale Kühlschlitze im Stator wieder zu den Ansaugöffnun gen 10 zu gelangen.
Die Ringräume 14 sind gegen den übrigen Innen raum der Maschine durch labyrinthartige Dichtun gen 15 abgedichtet, so dass der zur Kühlung des Ro tors vorgesehene Gasstrom sich erst nach dem Durch strömen des Rotors mit dem übrigen im Innenraum vorhandenen Gas mischen kann. Um die Geschwin digkeit, mit der dieser Gasstrom den Rotor durch strömt, unabhängig von der Gasumwälzgeschwindig- keit im Stator verändern zu können, ist in der Rohr leitung 12 eine Drosselvorrichtung 16 vorgesehen.
Statt der Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit dieses Gasstromes durch eine Drosselvorrichtung kann diese auch durch eine Veränderung der Drehzahl des Gasförderers bzw. der diesen antreibenden Kraft maschine erfolgen; es können auch beide Mittel gleich zeitig angewendet werden.
Steht das Gas - vorzugsweise Wasserstoff in der Maschine unter einem verhältnismässig hohen Druck, beispielsweise 3 ata, so braucht der Gas förderer doch nur eine verhältnismässig kleine Druck erhöhung zu erzeugen, beispielsweise eine Druck erhöhung von 3 auf 3,1 ata, um die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit im Rotor zu bewirken.
Damit auch die Wellendichtungen des Gas förderers nur für diese Druckdifferenz ausgelegt wer den müssen, kann der Gasförderer zusammen mit sei ner Antriebsmaschine in ein gasdichtes Gehäuse 17 eingebaut werden, in dem vorzugsweise angenähert der gleiche Druck herrscht, wie im Generatorgehäuse, so dass Leckverluste an dem Kompressor oder seinen Wellendichtungen praktisch vollständig vermieden werden. Um auch Leckverluste im Kühler zu ver meiden, kann zweckmässigerweise auch dieser mit in das gasdichte Gehäuse eingebaut werden.
Die Saugseite und die Druckseite des Gasför derers können durch eine Umgehungsleitung 18 mit einer Verschlussklappe 19 verbunden sein, die im nor malen Betrieb geschlossen ist und beim Aufhören des Förderdruckes, z. B. beim Aussetzen des Gasför derers, sich selbsttätig öffnet. Auf diese Weise wird in einem solchen Falle beim Aussetzen des Gasför derers immer noch eine gewisse Gasströmung mittels der für die Statorkühlung vorgesehenen Ventilatoren durch die geöffnete Klappe 19 und die Rotorkanäle aufrechterhalten.
Unabhängig hiervon kann in bekannter Weise eine weitere Verbindung zwischen der Saugseite und der Druckseite des Gasförderers mit einem über druckventil vorgesehen werden, um zu verhindern, dass bei starker Drosselung des Gasstromes durch die Drosselvorrichtung 16 der Druck auf der Druck- Seite des Gasförderers unerwünscht hohe Werte an nimmt.
Die Betätigung der Drosseleinrichtung 16 und,'oder der Verstellvorrichtung für die Drehzahl des Gas förderers kann durch geeignete Regeleinrichtungen bekannter Art selbsttätig in Abhängigkeit von einer durch die Belastung des Generators beeinflussten Grösse geregelt werden. Als solche Grösse kann bei spielsweise der Belastungsstrom oder der Erreger strom des Generators oder die Temperatur des Rotors dienen.
Die Erfindung ist nicht an das beschriebene Aus führungsbeispiel gebunden. Zum Beispiel sind Ände rungen in der Reihenfolge von Gasförderer 7, Kühler 11 und Drosseleinrichtung 16 möglich. Unter Um ständen kann es auch zweckmässig sein, den Kühler für die Rotorverluste an oder in der Maschine an zuordnen.
Turbogenerator with gas cooling in closed circuit In turbo generators with gas cooling in ge closed circuit, it is known to provide for the cooling of the rotor and stator gas flows that are driven through the machine at different speeds in order to cool the rotor at a higher flow rate to be able to use the cooling gas than is necessary in the stator.
Arrangements are known in which the two gas flows are generated by a common fan or compressor mounted on the motor shaft, as well as those in which one or more special fans are provided on the machine shaft to generate the two gas flows.
In all of these arrangements, it is generally necessary to use multistage fans or compressors in order to generate high flow velocities in the rotor. These arrangements have the disadvantage that they increase the construction length of the machine, especially when hydrogen is used as a cooling gas, in which a relatively large number of compressor stages is necessary to achieve sufficient pressure because of its low specific weight.
According to the invention, this disadvantage is avoided in a turbo generator with gas cooling in a closed circuit and separate gas circulation devices for stator and rotor cooling in that a gas conveyor arranged outside the machine is provided for the gas flow through the rotor. For recooling the gas flow moving through the gas conveyor, a special cooler can be provided, which is expediently arranged outside the machine.
In the latter arrangement, the cooler to be provided in the interior of the machine in a known manner can be made relatively small, since they essentially only have to lead to the heat loss of the stator.
As is well known, it is desirable to keep turbo rotors, especially those of large dimensions, regardless of the load at a constant temperature in order to avoid relative displacements between the copper conductor and iron due to the various thermal expansions in the substances if possible. To do this, it is necessary to adapt the flow rate of the cooling gas in the rotor to the current load on the rotor. This possibility is not given in the known arrangements he mentioned; however, with the arrangement according to the invention of a special gas conveyor outside the generator, it can be achieved in a simple manner by designing the gas flow moved by the latter to be controllable.
The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiment shown in the drawing.
In the figure, 1 denotes the stator, 2 the rotor of a turbo generator. For cooling the stator, fans 3 are provided at both ends of the rotor shaft, which in a known manner generate a gas flow through the air gap 4 of the machine and through radial slots in the stator and finally through the space between the stator and housing 5, which in coolers 6 is cooled.
For the movement of the gas flow mainly cooling the rotor, a gas conveyor 7 is provided, which in particular can be a compressor of any type and is driven by a motor 8, but optionally also by direct or indirect coupling with the generator shaft. Gas is sucked out of the machine through a pipeline 9 through one or more openings 10 in the man tel the machine, preferably approximately in the middle of the machine, and after a pressure increase in the gas conveyor that causes the required flow rate, is driven through the cooler 11.
From the gas conveyor, the gas passes through the pipes 12, 13 into annular spaces 14 arranged at both ends of the rotor shaft and surrounding the shaft, from where it flows through axial channels in the rotor to openings of these channels opening into the air gap, in order to pass through radial cooling slots in the stator to get back to the suction openings 10.
The annular spaces 14 are sealed against the rest of the interior of the machine by labyrinthine seals 15, so that the gas flow provided for cooling the rotor can only mix with the remaining gas in the interior after flowing through the rotor. In order to be able to change the speed at which this gas stream flows through the rotor independently of the gas circulation speed in the stator, a throttle device 16 is provided in the pipe 12.
Instead of changing the flow rate of this gas flow through a throttle device, this can also be done by changing the speed of the gas conveyor or the engine driving it; both means can be used at the same time.
If the gas - preferably hydrogen, is under a relatively high pressure in the machine, for example 3 ata, the gas conveyor only needs to generate a relatively small pressure increase, for example a pressure increase from 3 to 3.1 ata, to achieve the required flow rate to effect in the rotor.
So that the shaft seals of the gas conveyor only have to be designed for this pressure difference, the gas conveyor can be installed together with its drive machine in a gas-tight housing 17, in which preferably approximately the same pressure prevails as in the generator housing, so that leakage losses on the Compressor or its shaft seals can be practically completely avoided. In order to avoid leakage losses in the cooler, it can also be expediently built into the gas-tight housing.
The suction side and the pressure side of the gas conveyor can be connected by a bypass line 18 to a shutter 19, which is closed in normal operation and when the delivery pressure ceases, for. B. when suspending the Gasför those, opens automatically. In this way, when the gas conveyor is suspended, a certain gas flow is still maintained through the open flap 19 and the rotor ducts by means of the fans provided for stator cooling.
Independently of this, a further connection between the suction side and the pressure side of the gas conveyor with an overpressure valve can be provided in a known manner in order to prevent the pressure on the pressure side of the gas conveyor from being undesirably high when the gas flow is severely throttled by the throttle device 16 assumes.
The actuation of the throttle device 16 and 'or the adjusting device for the speed of the gas conveyor can be controlled automatically by suitable control devices of a known type as a function of a variable influenced by the load on the generator. The load current or the excitation current of the generator or the temperature of the rotor can serve as such a variable.
The invention is not tied to the exemplary embodiment described. For example, changes in the sequence of gas conveyor 7, cooler 11 and throttle device 16 are possible. Under certain circumstances it can also be useful to assign the cooler for the rotor losses on or in the machine.