DE1032841B

DE1032841B - Turbo generator with a common gas cooling for rotor and stator in closed circuit

Info

Publication number: DE1032841B
Application number: DEB37255A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Eugen Wiedemann
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1955-09-21
Filing date: 1955-09-21
Publication date: 1958-06-26
Also published as: CH336120A

Description

Turbogenerator mit einer gemeinsamen Gaskühlung für Rotor und Stator in geschlossenem Kreislauf Bei Turbogeneratoren mit Gaskühlung in geschlossenem Kreislauf ist es bekannt, für die Kühlung des Rotors und des Stators Gasströme vorzusehen, 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 gemeinsamen, auf der Rotorwelle angebrachten Ventilator oder Kompressor erzeugt werden, als auch solche, bei denen zur Erzeugung der beiden Gasströmungen je ein oder mehrere besondere Ventilatoren auf der Maschinenwelle vorgesehen sind.Turbo generator with shared gas cooling for rotor and stator in closed circuit For turbo generators with gas cooling in closed Circuit it is known to provide gas flows for cooling the rotor and the stator, which are driven through the machine at different speeds use a higher flow rate of the cooling gas to cool the rotor than is necessary in the stator. Both arrangements are known in which the two gas flows through a common one, attached to the rotor shaft Fan or compressor are generated, as well as those in which to generate of the two gas flows each have one or more special fans on the machine shaft are provided.

Bei allen diesen Anordnungen ist es im allgemeinen notwendig, zur Erzeugung hoher Strömungsgeschwindigkeiten im Rotor mehrstufige Ventilatoren oder Kompressoren anzuwenden. Diese Anordnungen haben den Nachteil, daß sie die Baulänge der Maschine vergrößern, besonders wenn Wasserstoff als Kühlgas benutzt wird, bei dem wegen seines geringen spezifischen Gewichtes eine verhältnismäßig große Zahl von Kompressorstufen zur Erzielung eines genügenden Druckes nötig ist.In all of these arrangements it is generally necessary to Generation of high flow velocities in the rotor multi-stage fans or Compressors apply. These arrangements have the disadvantage that they reduce the overall length the machine, especially when hydrogen is used as the cooling gas a relatively large number because of its low specific weight of compressor stages is necessary to achieve sufficient pressure.

Ferner ist es auch bekannt, Turbogeneratoren mit je einem getrennten gasdicht abgeschlossenen Raum für den Stator und den Rotor zu bauen. Die Kühlung des Stators und des Statorraumes erfolgt in einem geschlossenen Kreislauf mittels einer außerhalb der Maschine angeordneten Gasfördereinrichtung. Der Rotorraum wird mittels einer Vakuumpumpe außerhalb der Maschine unter Unterdruck gehalten, und der Rotor selbst ist noch mit einer getrennten Innenkühlung versehen. Eine solche Kühlanordnung besitzt aber den Nachteil, daß der Aufwand für die verschiedenen außerhalb der Maschine erforderlichen Fördereinrichtungen sehr groß ist und außerdem die ganze Anlage sehr viel Platz beansprucht.Furthermore, it is also known that turbo generators each have a separate one to build gas-tight closed space for the stator and the rotor. The cooling the stator and the stator space takes place in a closed circuit by means of a gas delivery device arranged outside the machine. The rotor space will kept under negative pressure by means of a vacuum pump outside the machine, and the rotor itself has a separate internal cooling system. Such But cooling arrangement has the disadvantage that the effort for the different outside the machine required conveyors is very large and also the whole System takes up a lot of space.

Für die Kühlung elektrischer Maschinen mittels eines gasförmigen Kühlmittels ist es ferner auch bekannt, das Kühlgas durch einen außerhalb der Maschine angeordneten Verdichter im geschlossenen Kreislauf umzuwälzen, wobei innerhalb der Maschine das Kühlgas durch im Statorblechpaket untergebrachte Röhren strömt. Diese Röhren sind ferner mit düsenartigen Öffnungen versehen, die gegen die Wicklungsstäbe des Stators gerichtet sind. Parallel zu diesem Luftkreislauf ist noch ein zweiter Kühlluftkreis geschaltet, in dem die Luft durch Ventilatoren innerhalb der Maschine umgewälzt wird, wobei der gleiche Kühler wie für den ersten Luftkreis für die Abfuhr der Wärme benutzt wird. Die durch den Verdichter geförderte unterkühlte Luft wird zweckmäßig an die Stellen geführt, wo die Wärme erzeugt wird, z. B. in die Wicklungsnuten und bei Kollektormaschinen an den Kollektor. Bei dieser bekannten Anordnung handelt es sich aber um eine solche, die nicht für eine wirksame Kühlung des Rotors und des Stators eines Turbogenerators mittels zweier Teilgasströme geeignet wäre.For cooling electrical machines using a gaseous coolant It is also known that the cooling gas is arranged outside the machine To circulate the compressor in a closed circuit, with the Cooling gas flows through tubes accommodated in the stator core. These tubes are also provided with nozzle-like openings which against the winding bars of the stator are directed. A second cooling air circuit is parallel to this air circuit switched, in which the air is circulated by fans inside the machine the same cooler as for the first air circuit for the dissipation of the heat is used. The supercooled air conveyed by the compressor becomes appropriate led to the places where the heat is generated, e.g. B. in the winding slots and for collector machines to the collector. In this known arrangement acts but it is one that is not effective for cooling the rotor and the stator of a turbo generator would be suitable by means of two partial gas flows.

Gegenstand der Erfindung ist nunmehr ein Turbogenerator mit einer gemeinsamen Gaskühlung für den Rotor und Stator mittels eines außerhalb des Maschinengehäuses angeordneten Gasförderers und auf der Maschinenwelle befestigten Ventilatoren für die Umwälzung des Kühlgases, wobei die Nachteile der bisher bekannten Kühlanordnungen dieser Art vermieden werden. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das Gas für die Rotorkühlung aus mindestens einer Öffnung im mittleren Abschnitt des Maschinengehäuses über eine Rohrleitung angesaugt und nach einer die jeweils erforderliche Strömungsgeschwindigkeit bewirkenden Druckerhöhung durch den Gasförderer an beiden Enden des Rotors in die Rotorwelle umgebende Ringräume geführt wird, von wo aus es durch axiale Kanäle im Rotor zu in den Luftspalt einmündende Öffnungen dieser Kanäle strömt, um durch radiale Kühlschlitze im Stator wieder zu den Ansaugöffnungen zu gelangen, und daß das Gas für die Statorkühlung durch an der Rotorwelle befestigte Ventilatoren dem Statorraum entnommen und dem. Luftspalt zugeführt wird, von wo aus es über radiale Schlitze im Stator wieder in den Statorraum gelangt.The invention is now a turbo generator with a common gas cooling for the rotor and stator by means of an outside of the machine housing arranged gas conveyor and fans attached to the machine shaft for the circulation of the cooling gas, with the disadvantages of the previously known cooling arrangements this type should be avoided. This is achieved according to the invention in that the gas for the rotor cooling from at least one opening in the middle section of the machine housing is sucked in via a pipeline and after one each required flow rate causing pressure increase through the gas conveyor is guided at both ends of the rotor into the annular spaces surrounding the rotor shaft, from where from it through axial channels in the rotor to openings opening into the air gap these channels flow through radial cooling slots in the stator back to the intake openings to arrive, and that the gas for the stator cooling through attached to the rotor shaft Fans removed from the stator and the. Air gap is fed from where from it reaches the stator chamber again via radial slots in the stator.

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 abzuführen haben.In the latter arrangement, in a known manner in the To be provided inside the machine Cooler relatively small be dimensioned as they essentially only dissipate the heat losses from the stator to have.

Bekanntlich ist es erwünscht, Turborotoren, besonders solche großer Abmessungen, unabhängig von der Belastung auf konstanter Temperatur zu halten, um Relativverschiebungen zwischen Kupferleiter und Eisen durch die verschiedenen Wärmedehnungen beider 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 erwähnten bekannten Anordnungen nicht gegeben, sie läßt sich aber bei der erfindungsgemäßen Anordnung eines besonderen Gasförderers außerhalb des Generators in einfacher Weise erreichen, indem der von diesem bewegte Gasstrom regelbar gestaltet wird.As is well known, it is desirable to use turbo rotors, especially large ones Dimensions to maintain a constant temperature regardless of the load in order to Relative displacements between the copper conductor and iron due to the various thermal expansions Avoid both substances if possible. For this it is necessary to adjust the flow velocity of the cooling gas in the rotor to adapt to the current load on the rotor. These Possibility is not given in the aforementioned known arrangements, it leaves but with the inventive arrangement of a special gas conveyor outside of the generator can be achieved in a simple manner by the gas flow moved by it is designed to be controllable.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.In the following the invention is illustrated with reference to the drawing Embodiment explained in more detail.

In der Figur bedeutet 1 den Stator, 2 den Rotor einer erfindungsgemäß gekühlten Maschine. 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 Generatorwelle angetrieben wird. Durch eine Rohrleitung 9 wird durch eine oder mehrere Öffnungen 10 im Mantel der Maschine, vorzugsweise etwa in der Mitte desselben, Gas aus der Maschine angesaugt und nach einer die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit bewirkenden 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 umgebende 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 Ansaugöffnungen 10 zu gelangen.In the figure, 1 denotes the stator, 2 denotes the rotor according to the invention refrigerated machine. Both ends of the rotor shaft are used to cool the stator Fans 3 are provided, which in a manner known per se a gas flow through the air gap 4 of the machine and through radial slots in the stator and finally through the space between stator and housing 5, which is cooled in coolers 6 will. For the movement of the gas flow, which mainly cools the rotor, a Gas conveyor 7 is provided, which in particular can be a compressor of any type can and by a motor 8, but optionally also by direct or indirect Coupling is driven with the generator shaft. Through a pipe 9 is through one or more openings 10 in the jacket of the machine, preferably about in the middle of the same, gas sucked out of the machine and after one the required Flow rate causing pressure increase in the gas conveyor through the cooler 11 driven. The gas passes from the gas conveyor through the pipes 12, 13 in annular spaces arranged at both ends of the rotor shaft and surrounding the shaft 14, from where it passes through axial channels in the rotor to openings opening into the air gap these channels flow through radial cooling slots in the stator back to the intake openings 10 to arrive.

Die Ringräume 14 sind gegen den übrigen Innenraum der Maschine durch labyrinthartige Dichtungen 15 abgedichtet, so daß der zur Kühlung des Rotors vorgesehene Gasstrom sich erst nach dem Durchströmen des Rotors mit dem übrigen im Innenraum vorhandenen Gas mischen kann. Um die Geschwindigkeit, mit der dieser Gasstrom den Rotor durchströmt, unabhängig von der Gasumwälzgeschwindigkeit im Stator verändern zu können, ist in der Rohrleitung 12 eine Drosselvorrichtung 16 vorgesehen. Statt der Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit dieses Gasstromes durch eine Drosselvorrichtung kann diese auch durch eine Veränderung der Drehzahl des Gaförderers bzw. der diesen antreibenden Kraftmaschine erfolgen; es können auch beide Mittel gleichzeitig angewendet werden.The annular spaces 14 are through to the rest of the interior of the machine labyrinth-like seals 15 sealed so that the intended for cooling the rotor Gas flow only after flowing through the rotor with the rest of the interior can mix existing gas. To the speed with which this gas flow the Rotor flows through, change regardless of the gas circulation speed in the stator To be able to, a throttle device 16 is provided in the pipeline 12. Instead of the change in the flow rate of this gas flow through a throttle device this can also be achieved by changing the speed of the conveyor belt or the conveyor belt driving engine take place; It is also possible to use both remedies at the same time will.

Steht das Gas - vorzugsweise Wasserstoff - in der Maschine unter einem verhältnismäßig hohen Druck, beispielsweise 3 ata, so braucht der Gasförderer doch nur eine verhältnismäßig kleine Druckerhöhung zu erzeugen, beispielsweise eine Druckerhöhung von 3 auf 3,1 ata, um die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit im Rotor zu bewirken. Damit auch die Wellendichtungen des Gasförderers nur für diese Druckdifferenz ausgelegt werden müssen, kann nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Gasförderer zusammen mit seiner 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 vermeiden, kann zweckmäßigerweise auch dieser mit in das gasdichte Gehäuse eingebaut werden.If the gas - preferably hydrogen - is under one in the machine The gas conveyor needs a relatively high pressure, for example 3 ata to generate only a relatively small pressure increase, for example a pressure increase from 3 to 3.1 ata in order to bring about the required flow velocity in the rotor. So that the shaft seals of the gas conveyor are only designed for this pressure difference must be, according to a further embodiment of the invention, the gas conveyor be installed together with its drive machine in a gas-tight housing 17, in which there is preferably approximately the same pressure as in the generator housing, so that leakage losses on the compressor or its shaft seals are practically complete to be avoided: In order to avoid leakage losses in the cooler, it is advisable to use this can also be built into the gas-tight housing.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung können die Saugseite und die Druckseite des Gasförderers durch eine Umgehungsleitung 18 mit einer Verschlußklappe 19 verbunden sein, die im normalen Betrieb geschlossen ist und beim Aufhören des Förderdruckes, z. B. beim Aussetzen des Gasförderers, sich selbsttätig öffnet. Auf diese Weise wird in einem solchen Falle beim Aussetzen des Gasförderers immer noch eine gewisse Gasströmung mittels der für die Statorkühlung vorgesehenen Ventilatoren durch die geöffnete Klappe 19 und die Rotorkanäle aufrechterhalten.According to a further embodiment of the invention, the suction side and the pressure side of the gas conveyor through a bypass line 18 with a shutter 19, which is closed during normal operation and when the Delivery pressure, e.g. B. when the gas conveyor is suspended, opens automatically. on in such a case this is still the case when the gas conveyor is suspended a certain gas flow by means of the fans provided for stator cooling maintained by the open flap 19 and the rotor ducts.

Unabhängig hiervon kann in bekannter Weise eine weitere Verbindung zwischen der Saugseite und der Druckseite des Gasförderers mit einem Überdruckventil vorgesehen werden, um zu verhindern, daß bei starker Drosselung des Gasstromes durch die Drosselvorrichtung 16 der Druck auf der Druckseite des Gasförderers unerwünscht hohe Werte annimmt.Independently of this, a further connection can be made in a known manner between the suction side and the pressure side of the gas conveyor with a pressure relief valve be provided in order to prevent that when the gas flow is severely throttled through the throttle device 16, the pressure on the pressure side of the gas conveyor is undesirable assumes high values.

Die Betätigung der Drosseleinrichtung 16 und/oder der Verstellvorrichtung für die Drehzahl des Gasförderers kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch geeignete Regeleinrichtungen bekannter Art selbsttätig in Abhängigkeit von einer durch die Belastung des Generators beeinflußten Größe geregelt werden. Als solche Größe kann beispielsweise der Belastungsstrom oder der Erregerstrom des Generators oder die Temperatur des Rotors dienen.The actuation of the throttle device 16 and / or the adjustment device for the speed of the gas conveyor can according to a further embodiment of the invention by suitable control devices of a known type automatically depending on a variable influenced by the load on the generator. as such a variable can, for example, be the load current or the excitation current of the generator or serve the temperature of the rotor.

Die Erfindung ist nicht an das beschriebene Ausführungsbeispiel gebunden. Zum Beispiel sind Änderungen in der Reihenfolge von Gasförderer 7, Kühler 11 und Drosseleinrichtung 16 möglich. Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, den Kühler für die Rotorverluste an oder in der Maschine anzuordnen.The invention is not bound to the exemplary embodiment described. For example, there are changes in the order of gas conveyor 7, cooler 11 and Throttle device 16 possible. Under certain circumstances it can also be useful to use the To arrange coolers for the rotor losses on or in the machine.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Turbo generator with a common gas cooling system for the rotor and stator by means of a gas conveyor arranged outside the machine housing and fans attached to the machine shaft for circulating the cooling gas, characterized in that the gas for rotor cooling comes from at least one opening in the central section of the The machine housing is sucked in via a pipeline and, after a pressure increase causing the required flow rate in each case, is guided by the gas conveyor at both ends of the rotor into the annular spaces surrounding the rotor shaft, from where it flows through axial channels in the rotor to openings of these channels opening into the air gap to get back to the suction openings through radial cooling slots in the stator; and that the gas for the stator cooling is taken from the stator chamber by fans attached to the rotor shaft and fed to the air gap, from where it is returned to the stator space via radial slots in the stator.

2. Turbo generator according to claim 1, characterized characterized in that a cooler for the gas flow moving through the gas conveyor in the Generator is arranged.

3. Turbo generator according to claim 1, characterized in that that the gas conveyor with its prime mover built into a gas-tight housing is.

4. turbo generator according to claim 3, characterized in that the cooler for the gas flow moving through the gas conveyor is built into the gas-tight housing is.

5. turbo generator according to claim 1, characterized in that in the pipelines an adjustable throttle device between generator and compressor and cooler is provided.

6. turbo generator according to claim 1, characterized in that the The speed of the gas conveyor or its prime mover can be changed.

7. Turbo generator according to claim 1, characterized in that the setting of the throttle device and / or changing the speed of the gas conveyor as a function of a by the load on the machine influenced size is automatically adjustable. B. Turbo generator according to claim 1, characterized in that the suction and pressure side of the gas conveyor are connected by a bypass line with a closure flap, which in the normal Operation is closed and automatically when the delivery pressure ceases opens. Considered publications: German patent specifications No. 448 803, 896 086.