DE1097019B

DE1097019B - Cooling device for the stator winding of a dynamo-electric machine with direct liquid cooling of the conductor

Info

Publication number: DE1097019B
Application number: DEP18845A
Authority: DE
Inventors: William Douglass Horsley
Original assignee: CA Parsons and Co Ltd
Current assignee: CA Parsons and Co Ltd
Priority date: 1956-07-06
Filing date: 1957-07-04
Publication date: 1961-01-12

Description

Kühleinrichtung für die Ständerwicklung einer dynamoelektrischen Maschine mit direkter Flüssigkeitskühlung der Leiter Es ist bekannt, daß ein die Ausgangsleistung größerer dynamoelektrischer Maschinen, wie beispielsweise Turbogeneratoren, hauptsächlich begrenzender Faktor der durch die Ohmverluste hervorgerufene Temperaturanstieg ist, der durch den Stromfluß durch die Leiter der Wicklungen entsteht.Cooling device for the stator winding of a dynamo-electric machine with direct liquid cooling of the conductors It is known that an output power larger dynamo-electric machines, such as turbo-generators, mainly the limiting factor is the temperature rise caused by the ohmic losses, caused by the flow of current through the conductors of the windings.

Um diese Wärme abzuführen, wird nach einem bekannten Verfahren ein Kühlmittel durch die zu diesem Zweck hohl ausgebildeten Leiter geführt. Hierbei besteht das Hauptproblem darin, das Kühlmittel in die hohlen Leiter an einem Ende einzuspeisen und am anderen Ende zu sammeln. Dieses Problem taucht vor allem bei Verwendung eines nicht isolierenden flüssigen Kühlmittels, z. B. Wasser, auf, aber auch bei Verwendung eines normalerweise isolierenden Kühlmittels, z. B. Öl, weil dieses elektrisch leitende Verunreinigungen aufnehmen kann, beispielsweise beim Durchlauf durch einen Wärmeaustauscher. Schon geringere Undichtigkeiten im System, die vor allem bei der Einspeisung in die hohlen Leiter oder beim Sammeln des Kühlmittels aus den Leitern auftreten können, führen dann zu Kurzschlüssen.In order to dissipate this heat, a known method is used Coolant passed through the conductors, which are hollow for this purpose. Here The main problem is getting the coolant into the hollow conductor at one end feed in and collect at the other end. This problem arises above all Use of a non-insulating liquid coolant, e.g. B. water, on, but even when using a normally insulating coolant, e.g. B. Oil because this can absorb electrically conductive impurities, for example when Passage through a heat exchanger. Even minor leaks in the system, especially when feeding into the hollow conductor or when collecting the coolant can occur from the conductors, then lead to short circuits.

Dieser Nachteil wird durch die Kühleinrichtung für die Ständerwicklung einer dynamoelektrischen Maschine beseitigt, bei der in bekannter Weise die in Nuten des Blechpaketes liegenden Leiter durch eine Kühlflüssigkeit direkt gekühlt sind, wobei deren Stirnverbindungen sich an beiden Seiten des Blechpaketes über dieses hinaus erstrecken. Hierzu sind die Leiter, wie an sich bekannt, hohl ausgebildet und so angeordnet, daß die Kühlflüssigkeit jeweils aus einem Kasten an einem Ende in die Leiterkanäle eintritt und in einen Kasten am anderen Ende austritt, wobei nur die Enden der Leiter in die aus elektrisch isolierendem Werkstoff bestehenden Kästen eingeführt sind und die Durchführungsöffnungen für die Leiter an der Rückwand der Kästen mit Hilfe von Dichtscheiben abgedichtet sind, welche nur die Stirnverbindungen hindurchtreten lassen.This disadvantage is caused by the cooling device for the stator winding a dynamo-electric machine eliminated in the known manner in the grooves the conductor lying on the laminated core are directly cooled by a cooling liquid, their end connections on both sides of the laminated core via this extend beyond. For this purpose, the conductors are designed to be hollow, as is known per se and arranged so that the cooling liquid comes from a box at one end enters the conductor channels and exits a box at the other end, wherein only the ends of the conductors in those made of electrically insulating material Boxes are inserted and the openings for the ladder on the rear wall the boxes are sealed with the help of sealing washers, which only the end connections let pass through.

Es ist zwar bekannt, den ganzen Wicklungskopf so in Kästen aufzunehmen, daß nur die Enden jeder Wicklung einer Phase vom Kühlmittel umspült werden. Abgesehen davon, daß diese Ausbildung zu sehr großen materialaufwendigen Kästen führt, kann dieser Vorschlag auch die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe nicht lösen, weil das Problem, das flüssige Kühlmittel in die Leiter ohne Leckverluste einzuspeisen und ebenso wieder am anderen Ende der Wicklung zu sammeln, hierbei nicht auftritt. Andere bekannte Vorschläge, nach denen in eine gemeinsame Kammer die Leiterenden bzw. Stirnverbindungen so hineinragen, daß das in die Kammern eingeleitete Kühlmittel von hier aus durch die hohlen Leiter geht, sind bei Anwendung eines flüssigen Kühlmittels unbrauchbar, weil infolge Fehlens der Phasentrennung Kurzschlüsse zu befürchten sind.It is known to take the entire end winding in boxes in such a way that that only the ends of each winding of a phase are washed by the coolant. Apart from that from the fact that this training leads to very large material-intensive boxes, can this proposal does not solve the problem underlying the invention, because the problem of feeding the liquid coolant into the conductors without leakage and also to collect again at the other end of the winding, does not occur here. Other known proposals, according to which the ends of the ladder should be in a common chamber or end connections protrude so that the coolant introduced into the chambers from here going through the hollow conductor are when using a liquid coolant unusable because short circuits are to be feared due to the lack of phase separation are.

Bei der Kühleinrichtung nach der Erfindung dagegen sind Kurzschlüsse zwischen den Phasen der Wicklungen, ganz gleich, ob es sich um ein isolierendes oder nicht isolierendes Kühlmittel handelt, auf jeden Fall ausgeschlossen. Außerdem sind die Stirnverbindungen nicht nur dicht in die sie aufnehmenden Kästen eingeführt, sondern auch leicht zugänglich angeordnet, so daß sie in einfacher Weise; ohne daß die Kästen entfernt werden müssen, gewartet und überprüft werden können. Ein weiterer. Vorteil wird darin gesehen, daß die handlichen vorgefertigten Kästen zunächst mit den Leiterenden verbunden werden können, so daß man das Ganze vor Vereinigung mit dem Ständer formen und fertigstellen kann. Da die Kästen bzw. deren Wände auch einen verhältnismäßig großen Teil der erforderlichen Leitungen und Kanäle eingeformt enthalten, vermeidet man dabei auch die bei bisher bekannten Anordnungen notwendigen zahlreichen und kompliziert verlegten, das Kühlmittel zu den Leitern führenden Kanäle. Da man auf diese Weise auch eine gute Stützung der Stirnverbindungen erhält, erlaubt die verhältnismäßig große Steifigkeit des Systems die Anwendung einfacher Dichtungen, die bewährt und zuverlässig sind, da sie möglichen Schwingungen weniger ausgesetzt-sind, die- durch elektromagnetische Kräfte in den Wicklungen oder aus anderen Gründen entstehen können.In the case of the cooling device according to the invention, however, there are short circuits between the phases of the windings, regardless of whether it is an insulating one or non-insulating coolant is excluded in any case. aside from that the end connections are not only tightly inserted into the boxes that hold them, but also easily accessible so that they can be easily; without the boxes need to be removed, serviced and checked. Another. The advantage is seen in the fact that the handy prefabricated boxes initially come with the ends of the ladder can be connected so that the whole thing can be connected with the stand can shape and finish. Since the boxes or their walls also have a Contain a relatively large part of the required lines and ducts molded in, one also avoids the numerous necessary with previously known arrangements and intricately laid channels leading the coolant to the conductors. Since you in this way also a good support of the end connections is obtained, which allows relatively high rigidity of the system the use of simple seals, the proven and are reliable as they can vibrate are less exposed to the electromagnetic forces in the windings or for other reasons.

Die Erfindung ist- in .den Zeichnungen dargestellt und unter Bezugnahme auf-diese beschrieben. Es zeigt Fig. 1 die Stirnverbindungen der Leiter des Ständers eines Turbogenerators mit einem bogenförmigem Kasten nach der-Erfindung im Schnitt, Fig. 2 einen vergrößerten .Schnitt durch Kasten und Leiter nach Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt durch einen Kasten allein, Fig. 4 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Kastens, gesehen in Pfeilrichtung @l`näch Fig. 3, Fig. 5 einen etwa waagerechten Schnitt durch den Kasten nach Fig. 2, aber nur einen Leiter zeigend, Fig. 6 ein System für die Speisung mit unter Druck stehendem Wasserstoff als-Dichtfluidum, Fig.7 ein System der Speisung der Ständerleiter mit einem Kühlmittel, Fig. 8 eine Anordnung,- .bei der die Stirnverbindungen von _einem Stützträger aufgenommen sind, der am Gehäuse befestigt ist, Fig. 9 eine Stirnansicht eines Wechselstromgenerators nach Fig. 8. -Bei einem Turbogenerator nach Fig.1, dessen Ständerwicklung mit einem flüssigen Kühlmittel, beispielsweise destilliertem Wasser, und dessen Läuferwicklung und Läufer mit Wasserstoff gekühlt sind, enthält das Gehäuse 1 ein Ständerblechpaket 2, in dessen Nuten hohle Leiter 3 liegen, deren Enden elektrisch leitend durch Leiterbügel 4 verbunden sind.The invention is illustrated in the drawings and with reference on-this described. It shows Fig. 1 the end connections of the ladder of the stator a turbo generator with an arched box according to the invention in section, Fig. 2 shows an enlarged .Section through the box and ladder according to Fig. 1, Fig. 3 a Section through a box alone, FIG. 4 a view of the box according to the invention, seen in the direction of the arrow @ l` after Fig. 3, Fig. 5 an approximately horizontal section through the box of Fig. 2, but showing only one conductor, Fig. 6 shows a system for the supply with pressurized hydrogen as a sealing fluid, Fig. 7 a system the supply of the stator conductors with a coolant, FIG. 8 an arrangement, - which the end connections are received by a support beam attached to the housing 9 is an end view of an alternator according to FIG. 8. -In a turbo generator according to Fig.1, the stator winding with a liquid Coolant, for example distilled water, and its rotor winding and rotor are cooled with hydrogen, the housing 1 contains a stator core 2, in the grooves of which are hollow conductors 3, the ends of which are electrically conductive through conductor clamps 4 are connected.

Die so gebildeten Stirnverbindungen sind in mehreren; beim gezeigten Beispiel sechs Kästen 5 aufgenommen, die aus - einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise gegossenem Harz auf Epoxydbasis, bestehen und einen bogenförmigen Abschnitt eines Ringraumes darstellen. Die Rückwand eines Kastens weist die Durchführungsöffnungen für die Stirnverbindungen einer Phase und die Vorderseite eine flüssigkeitsdicht aufgesetzte Deckplatte 6 auf. Außerdem sind an jedem Kasten ein oder mehrere Befestigungsflansche angeordnet.The end connections thus formed are in several; when shown Example six boxes 5 included, which are made of - an electrically insulating material, for example, cast epoxy-based resin, and an arch-shaped one Represent section of an annulus. The rear wall of a box has the feed-through openings for the end connections of a phase and the front a liquid-tight attached cover plate 6. There are also one or more mounting flanges on each box arranged.

Jede Stirnverbindung ist in einer Muffe 7 aufgenommen, die durch eine Öffnung der Kastenrückwand gesteckt ist und die durch die Leiterbügel 4 hindurchgeht und deren Ende mit einem Gewinde für die Befestigungsmuttern 7a für die Leiterbügel versehen ist.Each end connection is received in a sleeve 7 by a Opening of the box rear wall is inserted and which goes through the ladder bracket 4 and its end with a thread for the fastening nuts 7a for the ladder bracket is provided.

Die Kästen werden durch Stützbänder 8 gehalten, die am Teil 9 des Ständergehäuses befestigt sind.The boxes are held in place by support straps 8 attached to part 9 of the Stand housing are attached.

Um ein Lecken des Kühlmittels aus den Kästen 5 an den Einführungsstellen der Leiter in die Kästen zu verhindern, sind Dichtmittel vorgesehen, die aus kompressiblen, zwischen jeder- Muffe und dem Kasten auf die in den Fig. 2 und 5.. gezeigte Art angeordneten Dichtscheiben 10 und -11 bestehen. Dabei wird die Dichtscheibe 11 in ihrer Lage durch eine Dichtmutter 12 gehalten.To avoid leakage of the coolant from the boxes 5 at the points of introduction To prevent the ladder from entering the boxes, sealants are provided, which are made of compressible, between each sleeve and the box in the manner shown in Figures 2 and 5 .. arranged sealing washers 10 and -11 exist. The sealing washer 11 is in their position held by a sealing nut 12.

Der Außendurchmesser des den nackten Leiter bedeckenden Muffenendes ist -so gewählt, daß in dem durch die Dichtscheiben 10 . und 11 begrenzten Raum zwischen der Öffnung in der Kastenrückwand und der Muffe ein Ringspalt 13 bleibt, in den Wasserstoff unter Druck -über Kanäle 14; die die die Muffen- umgebenden Räume verbinden; eingeführt wird (Fig. 3 und 4).The outer diameter of the sleeve end covering the bare conductor is selected so that in the area provided by the sealing disks 10 . and 11 limited space between the opening in the rear wall of the box and the sleeve, an annular gap 13 remains, into which hydrogen under pressure - via channels 14; which connect the spaces surrounding the sleeves; is introduced (Figs. 3 and 4).

Der Dichtungswasserstoff mit einem den - des flüssigen Kühlmittels übersteigenden Druck wird in die Kanäle 14. durch Verbindungsleitungen 15 eingespeist (Fig. 4 bis 6), die miteinander durch Übergangsleitungen 16 verbunden und von einer Speiseleitung 17 gespeist werden, die mit einem der Kästen verbunden ist.The sealing hydrogen at a pressure exceeding that of the liquid coolant is fed into the channels 14 through connecting lines 15 (FIGS. 4 to 6) which are connected to one another by transition lines 16 and fed from a feed line 17 which is connected to one of the boxes .

Auf diese Weise wird ein statischer Druck im Ringspalt 13 aufrechterhalten, der den Durchtritt von flüssigem Kühlmittel verhindert. Etwaiger auf der Leiterseite der Kästen entweichender Dichtungswasserstoff mischt sich ohne nachteilige Wirkung mit dem Wasserstoff im Generatorgehäuse. Ein Lecken von Wasserstoff in das Kühlmittel könnte bei größeren Mengen nachteilig werden; da aber der Wasserstoff' dazu neigt, sich am höchsten Punkt des Systems für das flüssige Kühlmittel zu sammeln, ist es möglich, eine fortlaufend die Menge des jeweils dort vorhandenen Wasserstoffs anzeigende Vorrichtung vorzusehen: -Fig. ö zeigt die Verbindungswege für den unter Druck stehenden Dichtungswasserstoff, wobei eine gleiche oder ähnliche Anordnung an jedem Ende der Ständerwicklung vorhanden ist.In this way, a static pressure is maintained in the annular gap 13, which prevents the passage of liquid coolant. Maybe on the ladder side The sealing hydrogen escaping from the boxes mixes with no adverse effect with the hydrogen in the generator housing. A leak of hydrogen into the coolant could be disadvantageous with larger quantities; but since the hydrogen tends to It is to collect at the highest point of the system for the liquid coolant possible, a continuously indicating the amount of hydrogen present there Device to be provided: -Fig. ö shows the communication paths for the pressurized one Sealant, with an identical or similar arrangement at each end of the Stator winding is present.

Das destillierte Kühlwasser oder ein anderes Kühlmittel wird den Kästen 5 durch ein System zugeführt, das in Fig. 7 dargestellt ist. Zunächst wird das Kühlmittel Verteilerkanälen 18 zugeführt, von denen es durch Leitungen oder Röhren 19 auf die einzelnen Kästen verteilt wird. Das Kühlmittel fließt dann durch die hohlen Leiter und tritt m eine gleiche Anzahl von Kästen am anderen Ende der Ständerwicklung ein, von denen es durch Mittel, die den in Fig. 7 dargestellten gleichen, gesammelt und einem Wärmeaustauscher zugeleitet wird, in dem es die in den Leitern aufgenommene Wärme abgibt, bevor es wieder in den Kreislauf der Verteilerkanäle 18 zurückfließt.The distilled cooling water or some other coolant is used in the boxes 5 through a system shown in FIG. First is the coolant Distribution channels 18 supplied, of which it is through lines or tubes 19 to the individual boxes is distributed. The coolant then flows through the hollow conductors and if there is an equal number of boxes at the other end of the stator winding, from which it is collected by means similar to those shown in Fig. 7 and is fed to a heat exchanger in which it is received in the conductors Gives off heat before it flows back into the circuit of the distribution channels 18.

Die Kästen der einzelnen Kühlabschnitte körnen mit abwechselnden Ein- und Auslässen an beiden Enden des Generators versehen sein, um eine gleichmäßigere Kühlung sicherzustellen.The boxes of the individual cooling sections can be granulated with alternating and outlets may be provided at both ends of the generator for a more uniform Ensure cooling.

Die Speisung des Systems mit dem Dichtmittel, z. B. dem Wasserstoff, kann zweckmäßig der Wasserstoffspeisung des - Generators entnommen werden. Selbstverständlich ist die Verwendung destillierten Wassers als Kühlmittel und die von Wasserstoff als Dichtmittel nur beispielsweise angegeben.The feeding of the system with the sealant, e.g. B. the hydrogen, can expediently be taken from the hydrogen feed of the generator. Of course is the use of distilled water as a coolant and that of hydrogen given as a sealant only as an example.

Die Kästen müssen nicht; wie im Beispiel der Fig. 1 dargestellt, am Gehäuse des Ständers befestigt sein, sondern können auch außerhalb desselben liegen, so daß sie ohne Abnahme des Gehäusedeckels zugänglich sind. Eine Anordnung dieser Art stellen die Fig.8 und 9 dar;- bei denen die Stirnverbindungen einer Phase in einem aus zwei Hälften bestehenden Stützträger 20 gehalten sind, die mittels Schrauben 21 -miteinander verschraubt und an einer Endplatte 22 des Blechpaketes befestigt sind. Die Kästen 5 liegen in der Abschlußwand 23 des Gehäuses und sind jeweils in explosionssicheren Kammern 24 gelegen, die mit der Abschlußwand 23 aus einem Stück bestehen. Das Kühlmittel wird durch Rohrleitungen in die Kästen geleitet bzw. aus diesen entfernt; wie bei 25 dargestellt. Im Innenraum 26 des Generators befindet sich ein Kühlgas, beispielsweise Wasserstoff.The boxes don't have to; as shown in the example of FIG. 1, on Housing of the stand be attached, but can also be outside of the same, so that they are accessible without removing the housing cover. An arrangement of these 8 and 9 represent; - in which the end connections of a phase in a support beam 20 consisting of two halves are held by means of screws 21 screwed together and attached to an end plate 22 of the laminated core are. The boxes 5 are in the end wall 23 of the housing and are each in Explosion-proof chambers 24 located with the end wall 23 in one piece exist. The coolant is fed into and out of the boxes through pipes removed this; as shown at 25. Located in the interior 26 of the generator a cooling gas, for example hydrogen.

Die Ausbildung der Kästen 5 .ist die gleiche, wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Der Zutritt ist durch Entfernen der Deckel 27 und der aus isolierendem Material bestehenden Deckplatte 6 möglich.The design of the boxes 5 .is the same as in FIGS. 1 to 3 shown. Access is by removing the cover 27 and the insulating cover Material existing cover plate 6 possible.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Cooling device for the stator winding of a dynamo-electric machine with in- grooves of the laminated core lying, conductors directly cooled by a coolant, the end connections of which are on both sides of the laminated core extend beyond this and their ends are housed in separate boxes provided for each phase of the winding, characterized in that the conductors, as known per se, are hollow and are arranged so that the cooling liquid comes from a box at one end enters the conductor channels and exits a box at the other end, wherein only the ends of the conductors in those made of electrically insulating material Boxes are inserted and the openings for the ladder on the rear wall the boxes are sealed with the help of sealing washers, which only the end connections let pass through.

2. Cooling device according to claim 1, characterized in that that each box (5) is an arcuate portion of an annular space, the Back wall the sealed openings for the end connections of a Phase and the front side of which has a cover plate (6) placed on it in a liquid-tight manner and on which one or more mounting flanges are arranged.

3. Cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the passage openings for the end connections through channels (14) for a sealing these duct openings Sealing fluid are connected to each other.

4. Cooling device according to claim 1 to 3, characterized in that each end connection is received in a sleeve (7) which is inserted through an opening in the rear wall of the box, the outer diameter of the sleeve end covering the bare conductor is chosen so that between the opening and sleeve an annular gap (13) remains for the sealing liquid, and the in the Box protruding end of the sleeve thread for the sealing nuts (12) and for the fastening nuts (7 a) for the ladder bracket (4).

5. Cooling device according to claim 1 to 4, characterized in that the boxes (5) by means of support straps (8) on the stand or fastened in explosion-proof chambers (24,27) in the end wall (23) of the machine are.

6. Cooling device according to claim 1 to 5, characterized in that the end connections of a phase are held in a support beam (20) which consists of two halves screwed together with screws (21) which are attached to an end plate (22) of the laminated core . Considered publications: German Patent Specifications No. 736 648, 948 714; Austrian Patent No. 82 417; Swiss patent 310 332.