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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Generatoren und insbesondere
eine Vorrichtung, die ein Lüftungsgas
um einen Statorflanschabschnitt eines Generators leitet.
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Stromgeneratoren
erzeugen während
des Elektrizitätserzeugungsprozesses
auch Wärme,
die von dem Generator abgeführt
werden muss. Viele bekannte Generatoren verwenden zum Abführen dieser
Wärme eine
Fluidkühlung.
In vielen bekannten Generatoren ist das Fluid ein Gas. Bekannte
gasgekühlte
Generatoren werden von belüfteten
Kühlsystemen
gekühlt,
die ein Kühlgas
durch Kanäle
zirkulieren lassen, die in verschiedenen Komponenten vorgesehen
sind, wie z. B. in einem Rotor und einem Statorkern.
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In
einigen bekannten gasgekühlten
Generatoren wird der Statorkern durch Stapelung vieler Lagen magnetischer
Statorbleche, die auch als Statorstanzteile bezeichnet werden, gebildet.
Die Statorblechpakete werden durch Statorflansche zusammengehalten,
die an gegenüber
liegenden Enden des Statorkerns angeordnet sind. Zwischen den gestapelten
Lagen magnetischer Statorbleche sind durch Vorsehen von Abstandshaltern
oder inneren Abstandsblöcken
in dem Kernstapel Lüftungskanäle definiert.
Die Kanäle
ermöglichen
einem Kühlgas, durch
den Statorkern hindurchzuströmen.
Die Abstandshalter sind derart angeordnet, dass sie eine Dichtheit
des Statorkerns während
der Montage und des Betriebs sicherstellen und ein Sperren oder
Behindern der Kühlgasströmung durch
den Statorkern vermeiden. Äußere Abstands blöcke sind
an den Endabschnitten des Statorkerns angeordnet und definieren
einen Durchgang oder Lüftungskanal,
der dem Kühlgas
ermöglicht,
zwischen den gestapelten Blechpaketen und dem Statorflansch zu strömen.
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Im
Betrieb ist der Statorflansch (bzw. sind die Statorflansche) Wärme ausgesetzt,
die infolge von elektromagnetischen Flüssen, die von einer Endwindung
abfließen,
und infolge axialer Flüsse
von dem Statorkern erzeugt wird. Materialbezogene Aspekte begrenzen
die maximale Temperatur, der der Statorflansch ausgesetzt werden
kann. Wenn eine ausreichende Kühlung
an dem Statorflansch nicht geschaffen wird, kann die benachbarte
Isolation versagen und eine Fehlfunktion des Generators verursachen. Somit
kann eine Flanschkühlung
erforderlich sein, damit die an dem Flansch erzeugte Wärme in ein Kühlmittel
abgeführt
werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein Stromverzweigungselement geschaffen.
Das Stromverzweigungselement ist in einem äußeren radialen Strömungskanal
eines Generators zwischen einem Endabschnitt eines Statorkerns und
einem Statorflansch angeordnet. Das Stromverzweigungselement enthält eine
spitz zulaufende Oberfläche,
die eine erste Strömung
mit einer ersten Geschwindigkeit, die in den äußeren radialen Strömungskanal
einströmt, in
wenigstens eine andere Strömung
wandelt, die eine andere Geschwindigkeit aufweist. Die wenigstens
eine andere Strömung
wird entlang wenigstens entweder der Außenfläche des Endabschnitts des Statorkerns
und/oder des Statorflansches geleitet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Generator geschaffen. Der
Generator enthält
einen Rotor und einen um den Rotor konzentrisch angeordneten Statorkern.
Der Statorkern enthält
mehrere gestapelte Bleche, die zumindest einen Endabschnitt aufweisen,
der eine äußere Oberfläche enthält. Der
Generator enthält
ferner einen Statorflansch, der so neben dem wenigstens einen Endabschnitt
des gestapelten Blechpakets montiert ist, dass ein äußerer radialer
Strömungskanal
definiert wird. Der Generator ist ferner mit einem Stromverzweigungselement
versehen, das eine spitz zulaufende Oberfläche aufweist, die eine erste
Strömung mit
einer ersten Geschwindigkeit, die in den äußeren radialen Strömungskanal
einströmt,
in wenigstens eine andere Strömung
mit einer anderen Geschwindigkeit wandelt. Die wenigstens eine andere
Strömung
wird wenigstens entweder entlang der äußeren Oberfläche des
Endabschnitts des Statorkerns und/oder entlang des Statorflansches
geleitet.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Kühlung von
Abschnitten eines Stromgenerators geschaffen, der einen Statorflansch,
einen Statorkern, der einen Endabschnitt enthält, und ein Stromverzweigungselement
aufweist, das zwischen dem Statorflansch und dem Endabschnitt des
Statorkerns positioniert ist. Das Verfahren enthält ein Leiten einer ersten Strömung mit
einer ersten Geschwindigkeit in einen äußeren radialen Strömungskanal
hinein, der zwischen dem Statorflansch und dem Endabschnitt des Statorkerns
definiert ist. Das Verfahren erfordert ferner ein Leiten der ersten
Strömung
zu dem Stromverzweigungselement, das die erste Strömung in
wenigstens eine andere Strömung
mit einer anderen Geschwindigkeit umwandelt. Die andere Strömung wird
beschleunigt und entlang wenigstens entweder des Endabschnitts des
Stators und/oder des Statorflansches geführt.
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Die
verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben eine verbesserte
Kühlung
an Abschnitten eines Generators, wie z. B. einem Statorflanschabschnitt
des Generators. Indem Temperaturen an dem Statorflansch reduziert
werden, werden Ausgangsleistung und Gesamteffizienz des Generators
erhöht,
ohne an benachbarten Komponenten die Isolation nachteilig zu beeinflussen.
Jedenfalls werden weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der verschiedenen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung aus der folgenden detaillierten Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
offensichtlicher, wenn diese in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen
wird, in denen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den
verschiedenen Ansichten bezeichnen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Endabschnitts eines gasgekühlten Generators,
der gemäß einer
Ausführunsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, teilweise im Querschnitt;
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Statorflanschabschnitts des gasgekühlten Generators
nach 1; und
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3 zeit
eine nach oben links blinkende perspektivische Ansicht eines Verzweigungsglieds, das
gemäß einer
Ausführunsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
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DETAILLIERTE BESCHBREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Indem
zuerst auf 1 Bezug genommen wird, ist dort
ein gemäß einer
Ausführunsform
der vorliegenden Erfindung aufgebauter Generator allgemein mit 2 bezeichnet.
Der Generator 2 enthält
einen Rotor 4, der mehrere Kühlgas- oder Lüftungskanäle enthält, von
denen einer bei 6 angezeigt ist. Der Rotor 4 erstreckt
sich in Umfangsrichtung um eine Welle 8, die von einem
Lager 10 an ihrem einen Endabschnitt 12 drehbar
gelagert ist. Natürlich
sollte es ohne weiteres verständlich
sein, dass die Welle 8 auch an einem gegenüber liegenden
Ende (nicht gezeigt) gelagert ist. An der Welle 8 ist neben
dem Rotor 4 eine Gebläseanordnung 14 montiert.
Wie genauer weiter unten beschrieben, erzeugt die Gebläseanordnung 14 eine
Kühlgasströmung.
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Der
Generator 2 enthält
ferner auch einen Statorkern 18, der aus mehreren Blechpaketen
gebildet ist, von denen zwei mit 20 und 21 gekennzeichnet sind.
Die Blechpakete 20 und 21 sind durch eine inneren
Abstandsblock (nicht gezeigt) zueinander im Abstand gehalten, der
einen inneren radialen Strömungsdurchgang
oder Lüftungskanal 26 bildet.
Natürlich
sollte es ohne weiteres verständlich
sein, Selbstverständlich
wird man rasch erkennen, dass der Statorkern 18 eine Anzahl
von gestapelten Blechpaketen enthält, die durch entsprechende
Abstandsblöcke
(nicht gezeigt) im Abstand zueinander angeordnet sind, die weitere
(ebenfalls nicht veranschaulichte) Lüftungskanäle erzeugen.
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In
jedem Fall enthält
der Statorkern 18 ferner einen Statorflansch 30,
der eine Dichtheit der mehreren Blechpakete sicherstellt. D. h.
die mehreren Blechpakete sind zwischen dem Flansch 30 und
einem gegenüber
liegenden Flansch (nicht gezeigt) dicht gepackt. In der veranschaulichten
Ausführungsform
enthält
der Flansch 30 einen Hauptkörperabschnitt 32,
der einen ersten Endabschnitt 33, einen zweiten Endabschnitt 34 und
einen Zwischenabschnitt 35 aufweist, die zusammen eine
innere Oberfläche 38 und
eine äußere Oberfläche 40 definieren. Es
ist ebenfalls gezeigt, dass der Flansch 30 einen Vorsprung 44 enthält, der
sich von der Außenfläche 40 aus
im Wesentlichen senkrecht nach außen erstreckt. Der Flansch 30 ist
durch eine äußere Abstandsblockanordnung 50 zu
einer äußeren Oberfläche 46 des
am äußersten
Ende angeordneten Blechpaketes 21 im Abstand angeordnet,
um einen äußeren radialen
Strömungskanal 52 zu
definieren, der eine erste effektive Strömungsquerschnittsfläche aufweist.
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Im
Betrieb treffen der elektromagnetische Fluss von einer Statorendwicklung 60 und
ein axialer Fluss von dem Statorkern 18 an dem Flansch 30 auf. Die
Flüsse
erzeugen eine signifikante Wärmemenge, die
die Temperaturen des Rotors 4, des Statorkerns 18,
der Statorendwicklung 60, des Statorflansches 30 sowie
auch anderer Komponenten des Generators 2 erhöhen. Um
diese Temperaturen zu reduzieren, ist der Generator 2 mit
einem Kühlgaslüftungssystem 64 ausgestattet.
Insbesondere zieht die Gebläseanordnung 14 einen
Gas- oder Luftstrom durch einen Kanal 70 ein, der sich
in Längsrichtung
zwischen dem Rotor 4 und dem Statorkern 18 erstreckt. Der
Gasstrom verlässt
die Gebläseanordnung 14 und
tritt einen Hochdruck-Heißgaskanal 72 ein,
bevor er durch einen Diffusor 74 hindurch und in einen
Wärmetauscher 76 hinein
strömt.
Von dem Wärmetauscher 76 aus
strömen
ein erster und ein zweiter Kühlgasstrom 78 und 79 zurück zu dem
Generator 2. Der erste Kühlgasstrom 78 strömt in einen
Niederdruck-Kaltgaskanal 80 hinein, bevor er in einen Lüftungskanal 84 hineinströmt, der
sich in Längsrichtung zwischen
dem Rotor 4 und der Welle 8 erstreckt. Der erste
Kühlgasstrom 78 durchströmt dann
die Lüftungskanäle 6 in
dem Rotor 4 und strömt
zurück
in den Kanal 70.
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Der
zweite Kühlgasstrom 79 teilt
sich in einen ersten Kühlstromanteil 96 und
einen zweiten Kühlstromanteil 98 auf.
Der erste Kühlstromanteil 96 strömt über dem
Statorkern 18 und durch den/die inneren radialen Strömungskanal/Strömungskanäle 26,
bevor er wieder in den Kanal 70 eintritt. Der zweite Kühlstromanteil 98 strömt in eine
Endwicklungsniesche oder -kammer 104 hinein, um die Statorendwicklung 60 zu
kühlen.
Genauer gesagt, wird der zweite Kühlstromanteil 98 bei
Eintritt in die Endwicklungskammer 104 durch eine Ablenkplatte 108 um die
Statorendwicklung 60 herum geleitet. Die Ablenkplatte 108 veranlasst
den zweiten Kühlstromanteil 98,
einen kreisförmigen
Pfad um die Statorendwindung 60 herum zu nehmen und die
gesamte aufgestaute Wärme
zu entfernen, bevor er durch die Bläseranordnung 14 zurück angesaugt
wird. Die zweite Kühlgasstrom 79 teilt
sich ferner in einen dritten Kühlstromanteil 130 auf,
der eine erste Geschwindigkeit aufweist und der, wie in 2 am
besten gezeigt, in den äußeren radialen
Strömungskanal 52 strömt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung, trifft der dritte Kühlstromanteil 130 des
zweiten Kühlgasstroms 79 auf
ein Stromverzweigungselement 134 auf, das den dritten Kühlstromanteil 130 in
einen ersten verzweigten Strömungsanteil 142,
der eine zweite Geschwindigkeit aufweist, und einen zweiten verzweigten
Strömungsanteil 144,
der eine dritte Geschwindigkeit aufweist, verzweigt oder aufspaltet. Der
erste verzweigte Strömungsanteil 142 strömt entlang
der äußeren Oberfläche 46 des
Blechpaketes 21, während
der zweite verzweigte Strömungsanteil 144 entlang
der inneren Oberfläche 38 des
Flansches 30 strömt.
Wie am besten in 3 veranschaulicht, enthält das Stromverzweigungselement 134 einen
Hauptkörperabschnitt 162,
der einen oberen spitz zulaufenden Abschnitt 166 und einen
unteren Abschnitt 168 aufweist. Der obere zugespitzte Abschnitt 166 enthält eine
erste und eine zweite geneigte oder abgeschrägte Fläche 169 und 170,
während
der untere Abschnitt 168 mit einer Strömungsablenkplatte 172 versehen
ist, die den zweiten verzweigten Anteil 144 um einen Spitzenabschnitt 178 des
Flansches 30 herum leitet.
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In
der veranschaulichten Ausführungsform ist
das Stromverzweigungselement 134 zwischen einem ersten
und einem zweiten äußeren Abstandsblockelement 180 und 184 positioniert,
die ein äußeres Abstandsblocksegment 190 bilden.
Um eine durch einen Punkt 200 definierte Achse vorragend, bildet
das äußere Abstandsblocksegment 190 die äußere Abstandshalterblockanordnung 50,
wobei die benachbarten äußeren Abstandsblocksegmentglieder,
wie z. B. die Elemente 180 und 184, einen entsprechenden äußeren radialen
Strömungskanal 52 bilden.
Wenn die äußere Abstandshalterblockanordnung 50 bei
dieser Einrichtung zwischen dem Statorkern 18 und dem Statorflansch 30 positioniert
ist, erzeugt das Stromverzweigungselement 134 einen ersten
Strömungskanal 210 der
eine zweite effektive Strömungsquerschnittsfläche aufweist
und sich entlang der äußeren Fläche 46 des
Blechpaketes 21 erstreckt, und einen zweiten Strömungskanal 212 mit einer
dritten effektiven Strömungsquerschnittsflächefläche, der
sich entlang der äußeren Fläche 40 des Flansches 30 erstreckt.
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Sowohl
der zweite als auch der dritte effektive Strömungsquerschnitt sind deutlich
kleiner als der erste effektive Strömungsquerschnitt des äußeren radialen
Strömungskanals 52.
Auf diese Weise sind die physikalischen Eigenschaften des ersten
und des zweiten verzweigten Strömungsanteils 142 und 144 im
Vergleich zu dem dritten Kühlstromanteil 130 wesentlich
verändert.
Dies bedeutet, dass die kleinere effektive Strömungsquerschnittsfläche eine
Erhöhung
der zweiten und der dritten Geschwindigkeiten des ersten und des
zweiten verzweigten Strömungsanteils 142 und 144 im
Vergleich zu der ersten Geschwin digkeit des dritten Strömungsanteils 130 herbeiführt. Die
Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit
steigert vorteilhafterweise die Wärmeübertragung zwischen dem Statorkern 18 und
dem ersten verzweigten Strömungsanteil 142 sowie
zwischen dem Flansch 30 und dem zweiten verzweigten Strömungsanteil 144 und
reduziert deutlich die Temperaturen. D. h., es wurde nachgewiesen,
dass das vorhandene Stromverzweigungselement 134 in Verbindung
mit dem unteren Abschnitt 168 und der Strömungsablenkeinrichtung 172 Temperaturen
an dem Statorflansch 30 um 60°C oder mehr reduziert.
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Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, ist ohne Weiteres
zu erkennen, dass verschiedene Änderungen
und/oder Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne
dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Z. B kann der Statorflansch,
der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
leicht durch andere Statorflansche mit verschiedenen Formen und
Größen ersetzt
werden. Außerdem
kann die gesamte Form und Geometrie des Stromverzweigungselementes 134 ohne
weiteres variiert werden. Allgemein soll die Erfindung lediglich
durch den Umfang der folgenden Ansprüche beschränkt sein.
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Ein
Kühlstromverzweigungselement 134 ist in
einem äußeren radialen
Strömungskanal 52 eines Generators 2 zwischen
einem Endabschnitt 46 eines Statorkerns 18 und
einem Statorflansch 30 angeordnet. Das Stromverzweigungselement 134 enthält einen
Hauptkörperabschnitt 162 mit
einer zugespitzten Fläche 169,
der eine erste Strömung 130 mit
einer ersten Geschwindigkeit, die in den äußeren radialen Strömungskanal 52 einströmt, in eine
zweite Strömung 142 mit
einer zweiten Geschwindigkeit und eine dritte Strömung 144 mit
einer dritten Geschwindigkeit aufspaltet. Die zweite Strömung 142 wird
entlang einer äußeren Fläche 46 des
Endabschnitts des Stators 18 geleitet, und die dritte Strömung wird
entlang des Flansches 30 geleitet.
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- 2
- Generator
- 4
- Rotor
- 6
- Lüftungskanäle (4)
- 8
- Welle
(Rotor)
- 10
- Lager
- 12
- Endabschnitt
(8)
- 14
- Gebläseanordnung
- 18
- Statorkern
- 20
- Statorbleche
- 21
- Statorbleche
- 26
- innerer
radialer Strömungskanal
(Lüftungskanal)
- 30
- Statorflansch
- 32
- Hauptkörperabschnitt
(30)
- 33
- erster
Endabschnitt (30)
- 34
- zweiter
Endabschnitt (30)
- 35
- Zwischenabschnitt
(30)
- 38
- innere
Oberfläche
(30)
- 40
- äußere Oberfläche (30)
- 44
- Vorsprung
(30)
- 46
- äußere Oberfläche (21)
- 50
- äußere Abstandsblockanordnung
- 52
- äußerer radialer
Strömungskanal
- 60
- Statorendwicklung
- 64
- Kühlgaslüftungssystem
- 70
- Kanal
- 72
- Hochdruck-Heißgaskanal
- 74
- Diffusor
- 76
- Wärmetauscher
- 78
- erster
Kühlgasstrom
- 79
- zweiter
Kühlgasstrom
- 80
- Niederdruck-Kaltgaskanal
- 84
- Lüftungskanal
- 96
- erster
Kühlstromanteil
(79)
- 98
- zweiter
Kühlstromanteil
(79)
- 104
- Endwicklungsnische/-kammer
- 108
- Ablenkplatte
- 130
- dritter
Kühlstromanteil
(79)
- 134
- Stromverzweigungselement
- 142
- erster
verzweigter Strömungsanteil
- 144
- zweiter
verzweigter Strömungsanteil
- 162
- Hauptkörperabschnitt
(134)
- 166
- oberer
spitz zulaufender Abschnitt
- 168
- unterer
Abschnitt
- 169
- erste
schräge/geneigte
Oberfläche
(166)
- 170
- zweite
schräge/geneigte
Oberfläche
(166)
- 172
- Strömungsablenkplatte/-einrichtung
- 178
- Spitzenabschnitt
(30)
- 180
- erster
Stab/Träger
- 189
- zweiter
Stab/Träger
- 190
- äußeres Abstandsblocksegment
- 200
- Rotationspunkt
- 210
- erster
Strömungskanal
- 212
- zweiter
Strömungskanal