CH475663A - Elektrische Leiteranordnung für Rotoren und Statoren elektrischer Grossgeneratoren - Google Patents

Description

  Elektrische Leiteranordnung für Rotoren und     Statoren    elektrischer Grossgeneratoren    Die vorliegende     Erfindung    betrifft eine elektrische  Leiteranordnung für Rotoren und     Statoren    elektrischer  Grossgeneratoren, mit erzwungener Kühlung mittels  längs der Leiteranordnung verlaufender, von einem:       Kühlmittel    durchströmten Kühlkanälen.  



  In Generatoren für besonders hohe Stromstärken,  wie sie derzeit für Grosskraftwerke oder insbesondere  für Atomkraftwerke verlangt werden, muss     sowohl    die       Wechselstromwicklung    des     Stators    wie die Gleich  stromwicklung des Rotors durch     Flüssigkeits-    oder  Gasströme gekühlt werden, damit diese die zulässigen  Temperaturen nicht überschreiten.  



  Bei der Erwärmung der     Statorwicklung    muss man  den Anteil durch den Nutzstrom und anderseits denje  nigen durch die Wirbelströme unterscheiden, welche  durch das bewegte Magnetfeld in den Leitern erzeugt  werden. Die     Reduzierung    der letzteren ist bereits durch  den nach dem Erfinder benannten     Röbelstab    erreicht  worden, bei dem der Gesamtleiter aus einer Anzahl  voneinander     isolierter    Teilleiter, die speziell geformt  sind, gebildet ist.  



  Bei den heute benötigten Supergeneratoren muss  aber auch die durch den ausserordentlich     gesteigerten     Nutzstrom erzeugte Wärme durch eine künstliche Küh  lung     abgeführt    werden, um die: zulässigen Temperatur  grenzen in den     Leitern    nicht zu überschreiten. Dies  wird durch Kühlung der Leiter durch einen     Flüssig-          keits-    oder Gasstrom erreicht, wobei ein möglichst  guter Wärmeübergang vom Leiter an den Kühlstrom  erzielt werden soll.  



  Für die     Ausführung    des     Stators    kommen derzeit  zwei Bauarten in Betracht:  1. Es können die     Statornuten    so breit gehalten wer  den,     dass    zwei oder sogar drei     Röbelstäbe    und zwi  schen je zwei     Röbelstäben    die Kanäle für das Kühlmit  tel angeordnet werden.  



  2. Die     Statornuten    werden nur so breit gemacht,  um je einen     Röbelstab    aufzunehmen und die Parallel  schaltung von zwei oder mehr Leitern benachbarter  Nuten erfolgt ausserhalb des     Statorblechpaketes.       Bei den bisher bekannten Kühlkanälen     liess    sich  die durch das Kühlmittel     abführbare    Wärmemenge  auch bei gesteigerter     Durchflussmenge    des Kühlmittels  ohne Inkaufnahme anderer Nachteile kaum wesentlich  steigern.  



  In     meiner    Arbeit über den  Wärmeübergang an  einen turbulenten     Flüssigkeits-    oder Gasstrom , veröf  fentlicht in der  Zeitschrift für Angewandte Mathema  tik und Mechanik 1921   wurde     gezeigt,    dass man beim  Wärmeübergang von einem     Flüssigkeits-    oder Gas  strom an die Wandungen von Rohren oder an in die  Strömung eingetauchter Platten zwischen dem Wärme  übergang in der  Anlaufstrecke  mit hydrodynamisch  noch nicht ausgebildetem Zustand der Strömung und  dem weiteren Wärmeübergang nachdem der hydrody  namisch ausgebildete Zustand der sogenannten     Grenz-          schicht    erreicht ist, unterscheiden muss.

   In der Anlauf  strecke ist der Wärmeübergang im     Mittel    um etwa       50        %        grösser        als        in        dem        hydrodynamisch        ausgebildeten     Zustand, da die     Grenschicht    je nach ihrer Dicke sozu  sagen als Wärmeisolator wirkt.  



  Die vorliegende Erfindung stützt sich nun auf die  Erkenntnis, dass sich der Wärmeübergang zwischen  einer wärmeabgebenden Wand und einem diese Wand  bestreichenden Kühlmittel erheblich verbessern     lässt,     wenn man die bestrichene Fläche in eine Reihe von   Anlaufstrecken  aufteilt.  



  Gestützt auf diese Erkenntnis     wird    eine Leiteran  ordnung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen,  die dadurch gekennzeichnet ist,     dass    im Strömungs  querschnitt der Kühlkanäle quer zu deren Längsachse  verlaufende     Diskontinuitäten    in Form von Quer  schnittsveränderungen vorgesehen sind. Zweckmässig  wird der Abstand dieser     Diskontinuitäten    derart ge  wählt, dass ein Optimum des Wärmeüberganges     ge-          währleistet    ist, d. h. höchstens in solchen Abständen  der Kühlkanäle dazu benötigt, ihre Enddicke zu errei  chen.

   Die Länge der  Anlaufstrecken  oder dieser Ab  stände ist dabei u. a. abhängig von der Geschwindig-           keit,    der Wärmekapazität und von der Zähigkeit des  vorgesehenen Kühlmittels.  



  Dass bei der     erfindungsgemässen        Leiteranordnung     die übrigen, die     Wärmeübertragung    von Leitern zu  Kühlmittel begünstigenden     Massnahmen    getroffen wer  den können, versteht sich von. selbst.  



  So kann man ferner den Wärmestrom durch Mate  rial     möglichst    guter     Wärmeleitfähigkeit        führen    und ein  geschobene Strecken aus elektrischem Isoliermaterial,  welches stets eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit hat,  auf ein     Mindestmass    begrenzen. Auch soll     zweckmässig     ein Wärmeübergang     zwischen    verschiedenen metal  lischen Körpern soweit als möglich vermieden werden,  da jeder solche Wärmeübergang eine gewisse     Barrie-          renwirkung    für den Wärmestrom bedeutet.

   Diese Be  dingungen werden am besten dadurch erreicht, dass  das Kühlmittel soweit als möglich direkt an den elek  trischen Leitern, also den Wärmeerzeugern, entlang  strömt und damit die Zahl der Wärmeübergangsstellen  soweit als möglich reduziert wird.  



  Zur Erzielung einer möglichst grossen Temperatur  differenz zwischen dem zu kühlenden Körper und dem  Kühlmittel kann ferner soweit als möglich sowohl für  den     Stator    wie für den Rotor das bekannte Gegen  stromprinzip Anwendung finden.  



  Ausführungsbeispiele des     Erfindungsgegenstandes     sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläu  tert. Es     zeigt:          Fig.    1 eine graphische Darstellung der Wärmeab  gabe     in     
EMI0002.0019  
    als Funktion der Länge der vom Kühlmittel bestriche  nen Wand     in,    mm.  



       Fig.    2     einen    Schnitt durch eine aus zwei     Röbelstä-          ben    bestehende     Leiteranordnung,    wobei die Schnitt  ebene senkrecht zur Achse der beiden     Röbelstäbe    ge  legt ist,       Fig.3    im Schnitt bzw.

   in Draufsicht einen     Teil     einer Lamelle einer der     Röbelstäbe    der     Fig.    2,       Fig.4a,    b eine Draufsicht auf einen Teil zweier  einzelner     Lameller.    eines     Röbelstabes,          Fig.    5 eine     Draufsicht    auf     einen    Teil zweier     Röbel-          stäbe,    bei dem die Ausschnitte der Lamellen der       Fig.4a,    b bzw.

   von spiegelsymmetrischen Lamellen  sichtbar sind,       Fig.    6 eine Anordnung mit nur einem     Röbelstab,          Fig.    7, 8, 9 in Draufsicht     bzw.    im Schnitt Einzel  teile der Anordnung der     Fig.    6,       Fig.    10 eine     Ausführungsvariante    für die in     Fig.    6  vorgesehenen Kühlkanäle,       Fig.    11, 12, 14 in Draufsicht bzw.

   im Schnitt Ein  zelteile der Variante nach     Fig.    10, und       Fig.    14 einen Schnitt durch     eine    Gleichstrom füh  rende Leiteranordnung in einer     Rotornut.     



  Wie aus     Fig.    1 ersichtlich ist (Kurve links),     nimmt     die übertragene Wärmemenge von     einem        Maximalwert     zu Beginn der Berührung der zu     kühlenden    Wand durch  das Kühlmittel rasch ab, um sich     asymptotisch        einem     Wert a     min    zu nähern, (gestrichelt) der der bei ausge  bildeter Grenzschicht des Kühlmittels übertragenen  Wärmemenge entspricht.

   Zwingt man diese     Grenz-          schicht    in     regelmässigen    Abständen     (in        Fig.    1 beispiels  weise alle 60 mm) sich neu zu bilden, wiederholt sich  die     Anfangscharakteristik    der übertragenen Wärme  menge bei jedem Neubeginn der     Greuzschichtbildung.            In        Fig.    2 ist eine Leiteranordnung bestehend aus  zwei     Röbelstäben    im Querschnitt zu erkennen, von de  nen jeder aus     einzelnen,    voneinander elektrisch isolier  ten     Einzelleitern    oder Lamellen aufgebaut ist.

   Die bei  den     Röbelstäbe    sind in einem Abstand voneinander  angeordnet, wobei der     dazwischenliegende    Zwischen  raum längsseitig durch längsverlaufende Stege     in    meh  rere längsverlaufende     Kühlkanäle    (in der     Fig.2    sind  acht solche Kühlkanäle dargestellt) unterteilt     ist.     



  In die einander zugekehrten     Hälften    der beiden       Röbelstäbe,    welche aus den Lamellen der Breite a     -I-    b       zusammengesetzt        sind,    sind     parallel    zur     Generator-          achse    in den gewünschten     Abständen    Nuten einge  fräst, welche die     Abstandbänder    e aus     unmagnetischem     und rostfreiem Stahl aufnehmen.

   Dadurch werden die       Kühlkanäle    verlaufen, während die Teilleiter der       Röbelstäbe    in der bekannten Weise an den gewünsch  ten Stellen     in    den     Statornuten    auf- bzw. absteigen.  Dabei können die     Abstandbänder    e auf der einen oder  auf beiden Seiten (wie in     Fig.    2 angegeben) elektrisch  gegenüber den Leiterlamellen der     Röbelstäbe    isoliert  sein.  



       Abreiss-Nuten    für die periodische Zerstörung der       Grenzschicht    des kühlenden Mediums     sind,    wie     Fig.    3  bei c zeigt,     in    den     gewählten    Abständen d     in    diese  Lamellen eingestanzt. Sie bilden daher in den achspar  allelen Strecken der     Röbelstäbe    eine Nut senkrecht zur  Strömungsrichtung des Kühlmittels.  



       In    den auf- bzw. absteigenden Teilen der Leiter  stäbe wird die in den     einzelnen    Lamellen eingestanzte  Nut c durch die erzwungene Verschiebung der Biege  stellen der     einzelnen    Lamellen jeweils um einen klei  nen Betrag verschoben, so dass die so gebildete     Ab-          reissnut    für die Grenzschicht des Kühlmittels     in    einem  schiefen Winkel zur     Generatorachse    verläuft, was ihre  zerstörende Wirkung auf die Grenzschicht des Kühl  stroms jedoch nicht beeinträchtigt.  



  Mit i ist in     Fig.    2 die elektrische Isolation des Lei  ters     bezeichnet,    welche gleichzeitig auch die Aufgabe  der Abdichtung des Kühlstromes übernimmt, wobei ge  gebenenfalls eine für Flüssigkeiten oder Gase undurch  lässige Schicht     einlaminiert    werden kann. Die     Fig.    4a  und 4b stellen die Einzellamellen des     Röbelstabes    dar.       Fig.    5 zeigt den aus den beiden Einzellamellen zusam  mengesetzten Stab. Mit e ist der     allenfalls    an den Sei  ten verdickte Stahlsteg zur Aufnahme der gegenseitigen  Anzugskräfte bezeichnet, der auch zur Bildung der  Kühlkanäle gemäss     Fig.    2 dient.  



  Falls die     Statornuten    nur je einen     Röbelstab    auf  nehmen, so kann     man        einen    Teil der     Röbelstablamel-          len    durch Hohlstäbe ersetzen, wie es in     Fig.    6 darge  stellt ist; h bedeutet die normalen Lamellen,     hl    die  Hohlstäbe.

   Gemäss     Fig.    7 können     in    die geraden     Strek-          ken    der Hohlstäbe gerillte Kupferstäbe g gemäss     Fig.    8  eingeschoben sein, um das Abreissen der     Grenzschich-          ten    am Ende der     Anlaufstrecken    zu bewirken. Die  Buchstaben c und d haben die gleiche Bedeutung wie  früher beschrieben.

   Zur Fixierung dieser Stäbe g sind       in    den     Hohlstab,    wie     Fig.    8 zeigt, Einbuchtungen     ein-          gewalzt.    Zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen  den gerillten Stäben g und der Innenwand des Hohllei  ters können     in    dessen Wände periodisch Löcher k ge  bohrt werden, so dass die Stäbe g mit dem Hohlleiter  durch     Hartlötung,    wie bei f angedeutet, verbunden  werden können.  



       Eine    andere Ausführungsform der Hohlleiter zeigt       Fig.    10, welche den Vorteil hat, dass der Kühlstrom      wieder direkt die wärmeerzeugenden Leiter     berührt.          Fig.    11 stellt ein Kupferband dar, dessen Dicke der  Wandstärke des Hohlleiters entspricht. Die Bandbreite  ist     in    die     Abschnitte        s1,    q, r, q,     s2    und u     eingeteilt.    An  den gestrichelten Linien wird das Band abgekantet zur  Form der     Fig.    12, die ein bequemes Einführen des  Stempels der     Abkantpresse    ermöglicht.

   Nach dieser       Abkantung    wird das Blechstück der nunmehrigen       Fig.    12     zur    endgültigen Rohrform der     Fig.    10 auf der       Biegevorrichtung        (Fig.    12) zusammengebogen. Die  Buchstabenbezeichnung der     Fig.    11 entspricht derjeni  gen in     Fig.    10.  



  Im flachen Band     Fig.    11 sind Dellen q     eingedrückt,     deren Längen. der Anlaufstrecke d     (Fig.    9) entspricht  und deren Abstand die     Abreissnuten    c der gleichen       Fig.    9 ergibt.     In    die Dellen sind zur Verbesserung der  Wärmeleitung Kupferstücke t im     Hochfrequenzverfah-          ren    eingelötet. w in     Fig.    10 entspricht dem Hohlraum  des Hohlleiters, r entspricht dessen Basis;

       s1,        s2    und u  bilden die vierte Seite des Hohlleiters und können bei  n, falls erforderlich, in     Abständen    hartverlötet sein.  



  An den     Abbiegestellen    des Hohlstabes     erfolgt    die  Verbindung mit den geraden Stücken des Hohlleiters,  die ja in der Länge des Gesamtstabes bei weitem über  wiegen, durch gebogene Rohrstücke nach     Fig:13,     wobei die geraden Stücke     w1    so kurz als möglich ge  schnitten sind und die Biegestelle y entweder gebogen  oder durch ein     V-förmiges.        Blechstück        gebildet        ist.     



  Die Ausführungsform des Hohlstabes nach     Fig.    8  dürfte billiger, die Ausführung nach     Fig.    10 dagegen  wärmetechnisch bedeutend günstiger sein.  



  Gleichstromwicklungen des Rotors     sind    neuerdings  durch das Gegenüberstellen von U-förmigen Kupferlei  tern in den     Rotornuten    gebildet. Werden, wie in       Fig.    14 dargestellt, in die inneren Wandungen dieser       U-Leiter        Einfräsungen    m gemacht, deren Abstand ent  sprechend der Geschwindigkeit, der Zähigkeit und der       spez.    Wärme des     Kühlmittels    etwa der Anlaufstrecke  gleichkommt, so wird die     Grenzschicht        in    der Flüssig  keit oder dem Gas periodisch unterbrochen,

   so dass  man die vorerwähnte     Aneinanderreihung    von  Anlauf  strecken  auch bei den     Rotorleitern    der dargestellten  Art erzielt und daher der Wärmeübergang an das  Kühlmittel bei gleichem     Kühlmittel-Durchsatz    entspre  chend gesteigert ist.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Elektrische Leiteranordnung für Rotoren und Sta- toren elektrischer Grossgeneratoren, mit erzwungener Kühlung mittels längs der Leiteranordnung verlaufen der von einem Kühlmittel durchströmter Kühlkanälen, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsquerschnitt der Kühlkanäle quer zu deren Längsachse verlaufende Diskontinuitäten in Form von Querschnittsveränderun- gen vorgesehen sind. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Leiteranordnung nach Patentanspruch, mit meh reren, nebeneinander verlaufenden Röbelstäben, dadurch gekennzeichnet, dass die Röbelstäbe im Ab stand voneinander angeordnet und an den einander ge genüberliegenden Seiten mittels längs der Röbelstäbe verlaufenden Stegen (e) aus unmagnetischem Material gegeneinander abgestützt sind, wobei der zwischen den Röbelstäben einerseits und den Stegen andererseits vorhandene Zwischenraum die Kühlkanäle bilden, und wobei in den an die Kühlkanäle angrenzenden Seiten kanten der Lamellen (a + b)

   der Röbelstäbe in regel- mässigen Abständen quer zur Längsrichtung der Röbelstäbe verlaufende Quernuten (c) eingearbeitet sind. 2. Leiteranordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Kühlkanäle angrenzen den Lamellen (a + b) der Röbelstäbe breiter als die übrigen Lamellen (a) sind, wobei in die an die Kühlka näle angrenzenden Seiten der Röbelstäbe längsverlau fende Nuten mit einer der grösseren Breite (b) der Lamellen entsprechenden Tiefe zur Verankerung der Stäbe (e) eingefräst sind. 3.

   Leiteranordnung nach Patentanspruch, als einfa cher Röbelstab, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Lamellen des Röbelstabes als im Querschnitt vierek- kige, jeweils einen der Kühlkanäle umschliessende Hohlleiter ausgebildet sind, in denen mindestens zwei einander gegenüberliegende Wandungen an der dem Kühlmittel dargebotenen Fläche quer zur Längsrich tung des Hohlleiters verlaufende Nuten aufweisen (Fig. 6-9, Fig. 10). 4. Leiteranordnung nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des Hohlleiters und einander gegenüberliegend zwei quer genutete Kupfer bänder (g) angeordnet sind (Fig. 6-9). 5.

   Leiteranordnung nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter aus einem im längs zu einem Vierkantrohr aufgebogenen Leiterband (Fig. 10, 11) gebildet ist, in welchem in das Innere des Rohres vorspringende Dellen (q) eingepresst sind, wel <I>che</I> ihrerseits an der Rohraussenseite durch Kupfer stücke ausgefüllt sind. 6.

   Leiteranordnung nach Patentanspruch, beste hend aus einer Mehrzahl im Querschnitt U-förmiger voneinander isolierter Einzelleiter, die paarweise mit gegeneinander gerichteten Schenkeln aufeinanderge- schichtet sind, wobei der dabei entstehende Hohlraum den Kühlkanal bildet, dadurch gekennzeichnet, dass an der nach innen gekehrten Oberfläche der Einzelleiter in regelmässigen Abständen quer zur Längsrichtung des Leiters verlaufende Nuten eingearbeitet sind. 7. Leiteranordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (e) mindestens längs einer ihrer Seitenkanten elektrisch gegen die angren zenden Leiterlamellen der Röbelstäbe isoliert sind.