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Die Erfindung betrifft eine Läuferkappe für einen elektrischen Generator. Die Erfindung betrifft auch einen Läufer mit einer solchen Läuferkappe. Die Erfindung betrifft ferner einen solchen Generator. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar bei schnelllaufenden Turbogeneratoren.
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EP 1 628 382 B1 offenbart einen Rotor oder Läufer für einen Generator, insbesondere einen Turbogenerator großer Leistung. Der Läufer weist in einem Läuferballen axial verlaufende Nuten mit eingelegten Leiterstäben auf, die in den Nuten mittels Keilen radial abgestützt und an den Enden des Läuferballens jeweils in einem Läuferwickelkopf untereinander elektrisch verbunden sind, wobei die Läuferwickelköpfe jeweils durch eine über das Ende des Läuferballens geschobene Läuferkappe abgedeckt sind, und wobei in den Nuten jeweils zwischen dem obersten Leiterstab und dem Keil ein elektrisch isolierender Deckkanal angeordnet ist, an welchen außerhalb des Läuferballens eine zwischen dem Läuferwickelkopf und der Läuferkappe angeordnete Kappenisolation anschließt. Ferner sind die Deckkanäle an den Enden des Läuferballens mit axial gestuften Enden ausgeführt so, dass die Kappenisolation einen Ring oder eine Mehrzahl von Kappenisolationssegmenten umfasst, welche zum Läuferballen hin so ausgeführt sind, dass sie auf die axial gestuften Enden der Deckkanäle passen, und dass die Läuferkappe direkt über die Kappenisolation geschoben ist. Die Läuferkappe besteht typischerweise aus einem hochlegierten Stahl, z.B. dem stickstofflegierten Spezialstahl P900 der Firma der Energietechnik Essen mit der Werkstoffnummer/DIN-Code: 1.3816, ASTM A 289, Class C.
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Durch die Entwicklung immer größerer Turbogeneratoren besteht der Wunsch nach einer Läuferkappe mit einer besonders hohen Festigkeit, ausreichenden Formungseigenschaften, einer Möglichkeit einer Nichtmagnetisierbarkeit, einer Korrosionsbeständigkeit und einem geringen Gewicht. Dabei besteht bisher der Nachteil, dass das Schmieden und Nachbearbeiten von Läuferkappen sehr zeitaufwendig ist und die verwendeten hochlegierten Stähle hohe Material- und Fertigungskosten aufweisen. Zudem kann es aufgrund einer eingeschränkten Verfügbarkeit der für die Läuferkappen verwendeten speziellen Stähle zeitweise zu Lieferengpässen kommen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Läuferkappe für einen elektrischen Generator bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Läuferkappe für einen elektrischen Generator, wobei die Läuferkappe zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff besteht.
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Diese Läuferkappe weist den Vorteil auf, dass sie zumindest teilweise (nämlich dort, wo sie den faserverstärkten Kunststoff aufweist) eine deutlich geringere Dichte (z.B. von ca. 1,5 bis 1,6 g/cm3) aufweist als hochlegierter Stahl (ca. 7,8 g/cm3) und damit ein erheblich geringeres Gewicht aufweist. So können Eigenfliehkräfte der Läuferkappe deutlich reduziert werden, welche bei typischen Schleuderdrehzahlen von ca. 3000 bis 3600 U/min bis zu 50% der resultierenden Spannungen im in der Läuferkappe ausmachen. Zudem besitzt der faserverstärkte Kunststoff eine signifikant höhere spezifische Festigkeit, insbesondere Zugfestigkeit, sowie einen signifikant höheren spezifischen E-Modul. Dadurch kann beispielsweise eine Wandstärke verringert werden, was ein Gewicht noch weiter reduziert. Ferner weist faserverstärkter Kunststoff einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch die Läuferkappe bei erhöhter Temperatur auf den Läufer festgezogen wird. Dadurch kann im Betrieb eine durch die Zentrifugalkraft erzeugte Dehnung der Läuferkappe durch den Temperaturschrumpf deutlich unterdrückt werden, was einen sicheren Sitz der Läuferkappe unterstützt. Bei der jetzigen Läuferkappe aus Stahl dehnt sich hingegen die Läuferkappe mit steigender Temperatur zusätzlich aus. Auch ist faserverstärkter Kunststoff hochgradig korrosionsbeständig. Noch ein weiterer Vorteil liegt darin, dass faserverstärkter Kunststoff standardmäßig unmagnetisch ist. Dennoch können sich bei einer elektrischen Leitfähigkeit der Fasern gewünschte elektrische Dämpfungseigenschaften ergeben. Die Läuferkappe kann durch die Verwendung des faserverstärkten Kunststoffs flexibel und vielgestaltig geformt werden. Produktionskosten und Produktionszeiten können ebenfalls deutlich reduziert werden, da ein aufwändiger Schmiedeprozess und Nachbearbeitungsprozess entfällt. Zudem können Materialkosten bei einer Substitution eines hochlegierten Stahls durch den faserverstärkten Kunststoff deutlich reduziert werden. Faserverstärkter Kunststoff ist ausreichend und ohne Schwierigkeiten verfügbar.
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Der faserverstärkte Kunststoff kann auch als ein Kunststoffmatrix/Faser-Kompositmaterial bezeichnet werden.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Fasern mindestens eine Vorzugsrichtung aufweisen. So kann eine besonders hohe Festigkeit in Richtung besonders hoher Beanspruchungen erreicht werden, was eine Wahrscheinlichkeit eines Versagenseintritts, z.B. aufgrund einer Rissbildung, vermindert und eine Lebensdauer erhöht.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Vorzugsrichtung insbesondere zumindest im Wesentlichen eine Umfangsrichtung der Läuferkappe umfasst. So können insbesondere mechanische Beanspruchungen, insbesondere Zugspannungen, welche auf einer durch Fliehkräfte verursachten Umfangsausdehnung beruhen, berücksichtigt werden. Unter einer Umfangsrichtung kann insbesondere eine Richtung eines sich ändernden Azimutwinkels in Bezug auf eine Drehachse oder Längsachse der Läuferkappe verstanden werden.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die mindestens eine Vorzugsrichtung genau eine Vorzugsrichtung umfasst, die Fasern also zumindest lokal unidirektional ausgerichtet sind. Dadurch kann eine besonders hohe Festigkeit in dieser Vorzugsrichtung erreicht werden.
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Die Fasern können insbesondere als (lose) unidirektionale Fasern, als Fasergewebe und/oder als Fasergelege vorliegen oder bereitgestellt worden sein.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Fasern Kohlefasern aufweisen oder sind. Kohlefasern weisen den Vorteil auf, dass sie hochfeste Matrix/Faser-Kompositmaterialien ermöglichen, preiswert sind, weit verfügbar sind, sich bei der Herstellung einfach handhaben lassen und zudem elektrisch leitfähig sind.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Fasern Keramikfasern aufweisen. Keramikfasern weisen den Vorteil einer besonders hohen Zugfestigkeit und Dehnbarkeit als auch Hochtemperaturbeständigkeit auf.
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Die Keramikfasern können insbesondere oxidische Keramikfasern sein, insbesondere Aluminiumoxid-Fasern oder Siliziumdioxid-Fasern. Die Keramikfasern können alternativ oder zusätzlich nichtoxidische Keramikfasern sein, insbesondere Siliziumkarbid-Fasern.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Fasern Borfasern aufweisen. Diese weisen eine extrem hohe Festigkeit und Steifigkeit auf.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Fasern Aramidfasern aufweisen. Aramidfasern zeichnen sich durch eine sehr hohe Festigkeit, eine hohe Schlagzähigkeit, eine hohe Bruchdehnung, eine gute Schwingungsdämpfung sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber Säuren und Laugen aus. Sie sind darüber hinaus sehr hitze- und feuerbeständig.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Fasern in einer Kunststoffmatrix aus Harz, insbesondere Epoxidharz, eingebettet sind. Epoxidharz ist als Matrixmaterial für Fasern gut bekannt und beherrschbar. Epoxidharz ist ferner von hoher Festigkeit und chemischer Beständigkeit. Jedoch sind auch andere Kunststoff, insbesondere duroplastische Kunststoffe, einsetzbar.
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Die Läuferkappe kann bezüglich ihres faserverstärkten Kunststoffs beispielsweise mittels einer Filament-Umwicklung ("Filament-Winding"), mittels Spritzpressens (auch als "Resin Transfer Molding"; RTM bezeichnet) und/oder mittels einer Prepreg-Technologie hergestellt werden. Diese Herstellungsverfahren ermöglichen eine flexible und effiziente Herstellung von Bauteilen.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Läuferkappe vollständig aus dem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass die Läuferkappe an ihrer Innenseite einen als Auflagefläche vorgesehenen Einlegering ("Inlay") aufweist. Ein Material des Einlegerings weist insbesondere einen niedrigeren elektrischen Widerstand auf als der faserverstärkte Kunststoff. Dadurch kann verhindert werden, dass bei einer Schieflast des Läufers in der Läuferkappe fließende hohe Ströme zu übermäßig hohen Temperaturen in der Läuferkappe führen.
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Die Läuferkappe wird also so an dem Läufer befestigt, dass der faserverstärkte Kunststoff zumindest teilweise über den Einlegering an dem Läufer aufliegt. Insbesondere ist der Einlegering dazu vorgesehen, auf Läuferzähnen des Läufers aufzuliegen. Die Innenseite des Einlegerings liegt also frei, während die Außenseite den faserverstärkten Kunststoff kontaktiert.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der Einlegering aus Metall besteht. Dadurch ist ein besonders preiswerter und elektrisch gut leitender Einlegering aus Metall bereitstellbar, insbesondere da an das Metall keine hohen mechanischen Anforderungen gestellt zu werden brauchen. Gleichzeitig ergeben sich durch den Einsatz des Einlegerings Verbesserungen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der Läuferkappe und hinsichtlich einer Vereinfachung in der Anwendung.
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Es ist eine spezielle Ausgestaltung, dass der Einlegering aus Stahl mit einem niedrigen Legierungsanteil besteht. Dieser ist besonders preiswert und weist einen ausreichend geringen spezifischen elektrischen Widerstand auf.
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Es ist eine spezielle Ausgestaltung, dass der Einlegering aus Kupfer oder einer Legierung damit besteht. Kupfer weist einen besonders niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand auf.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass der Einlegering zumindest an seiner an dem faserverstärktem Kunststoff anliegenden Außenseite mit einer hochgradig elektrisch leitfähigen Schicht, insbesondere aus Silber, versehen ist. So kann ein elektrischer Kontakt zwischen dem Läufer und dem Einlegering der Läuferkappe verbessert werden. Dadurch wiederum können die dämpfenden Eigenschaften der Läuferkappe besonders effektiv eingestellt werden.
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Es ist eine für eine einfache und sichere Montage der Läuferkappe vorteilhafte Ausgestaltung, dass der Einlegering an seiner Innenseite (also insbesondere in seiner Auflagefläche mit dem Läufer) ein Gewinde (d.h. ein Gewinde im engeren Sinne oder ein Gewindegang) aufweist. Dadurch kann die Läuferkappe einfach aufgeschraubt werden.
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Es ist eine für eine einfache Befestigung der Läuferkappe auch bei einem engen Sitz des Gewindes vorteilhafte Ausgestaltung, dass das Gewinde ein konisches Gewinde ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Läuferkappe zur Herstellung einer Bajonettverbindung eingerichtet sein.
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Alternativ zu dem innenseitigen Einlegering kann z.B. ein außenseitiger Einlegering verwendet werden. Auch mag der faserverstärkte Kunststoff beispielsweise dünne Metalldrähte o.ä. aufweisen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Läufer für einen elektrischen Generator, insbesondere Turbogenerator, mit mindestens einer Läuferkappe wie oben beschrieben. Der Läufer weist die gleichen Vorteile auf wie die Läuferkappe und kann analog ausgestaltet sein.
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Es ist eine für den Fall, dass der Einlegering an seiner Innenseite ein Gewinde aufweist, vorteilhafte Ausgestaltung, dass sich ein zu dem Gewinde des Einlegerings passendes Gegengewinde auf Auflageflächen von Läuferzähnen des Läufers befindet. Dieses Gegengewinde (Gewindegang oder Gewinde) kann beispielsweise hergestellt werden durch ein materialabtragendes Verfahren oder durch ein Aufkleben, Aufschrauben, Aufschweißen oder Auflöten von Gewindeführungen auf die Auflageflächen der Läuferzähne.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Läuferkappe mittels einer zusätzlichen oder alternativen Fixierung in Form einer zweiten Verschraubung (insbesondere Kontermutter) an dem Läufer befestigbar ist.
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Zusätzlich kann der Läufer die Läuferkappe zur Herstellung einer Bajonettverbindung mit der Läuferkappe eingerichtet.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Läuferkappe zu ihrer Montage an dem Läufer zunächst abgekühlt und folgend auf den Läufer aufgeschrumpft worden ist. Dabei wird ausgenutzt, dass faserverstärkter Kunststoff zumindest in Faserrichtung einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, sich also mit sinkender Temperatur ausdehnt. Folglich wird sich insbesondere eine Läuferkappe geeignet ausdehnen, bei der die Fasern im Wesentlichen in Umfangsrichtung ausgerichtet sind. In dem gekühlten Zustand kann die aus dem faserverstärkten Kunststoff bestehende Läuferkappe bzw. deren Grundkörper auf den Läufer (und ggf. auf den Einlegering) geschoben werden. Durch eine folgende Erwärmung wird die Läuferkappe bzw. deren Grundkörper auf den Läufer aufgeschrumpft. Dieses Verfahren kann auch als eigenständig erfinderisch angesehen werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen elektrischen Generator, insbesondere Turbogenerator, mit mindestens einem Läufer oder mit mindestens einer Läuferkappe wie oben beschrieben. Der Generator weist die gleichen Vorteile auf wie die Läuferkappe und der Läufer und kann analog ausgestaltet sein.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Die Fig. zeigt in Schrägansicht einen Teil eines Läufers 1 eines Turbogenerators T in einem Viertelsektorschnitt um eine Längsachse L im Bereich einer Läuferkappe 2. Die Läuferkappe 2 sitzt im Bereich ihrer Stirnseite F auf einem Ende eines Läuferballens 3 auf und umgibt mantelförmig einen Wickelkopf 4.
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Die Läuferkappe 2 besteht aus einem Grundkörper 5 aus faserverstärktem Kunststoff und einem an ihrer Stirnseite F angeordneten Einlegering 6 aus Metall. Der Einlegering 6 weist folglich einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand auf als der Grundkörper 5 aus dem faserverstärkten Kunststoff.
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Der faserverstärkte Kunststoff des Grundkörpers 5 ist ein kohlefaserverstärktes Epoxidharz, d.h. ein Kompositmaterial mit in einer Epoxidmatrix angeordneten Kohlefasern. Die Kohlefasern sind im Wesentlichen unidirektional ausgerichtet, nämlich hier im Wesentlichen entlang einer Umfangsrichtung U der Läuferkappe 2, wie durch den doppelseitigen Pfeil angedeutet.
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Eine Innenseite 7 des Einlegerings 6 (z.B. aus niedriglegiertem Stahl oder aus Kupfer) dient als Auflagefläche auf den Läufer (außer der Läuferkappe 2), und zwar typischerweise auf Läuferzähnen 8 des Läufers 1. Der Einlegering 6 kann beispielsweise bei der Herstellung des Grundkörpers 5 mit dem kohlefaserverstärkten Kunststoff belegt werden oder damit umwickelt werden. An seiner Innenseite 7 weist der Einlegering 6 ein Gewinde 9 auf, das sich im Eingriff mit einem an den Auflageflächen der Läuferzähne 8 befindlichen Gegenwinde 10 befindet. Zur einfachen Befestigung sind das Gewinde 9 und das Gegengewinde 10 konisch ausgebildet.
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Für einen verbesserten elektrischen Übergang zwischen Einlegering 6 und dem Grundkörper 5 ist der Einlegering 6 an seiner an dem Grundkörper 5 anliegenden Außenseite 11 mit einer Silberschicht 12 versehen.
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Der Grundkörper ist an seiner Innenseite zweifach gestuft ausgebildet, um einen Anschlag zur präzisen Positionierung des Einlegerings 6 bereitzustellen. Der Einlegering 6 ist einfach gestuft ausgebildet, um eine präzise Anlage an dem Läuferballen 3 zu ermöglichen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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