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Blektromaschinenläufer mit 'einer axialabschnittaweise mittels Gas
gekühlten Wicklung Die Erfindung bezieht sich auf einen Blektromaschinen läufer
mit einer Wicklung, deren aktiver Teil in Längs nuten des Läufers verlegt ist und
die über Innenkanäle ihrer Leiter axialabschnittaweise mittels Gas gekühlt ist.
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Es ist ein Turbogeneratorläufer dieser Art bekanntg bei dem
jede seiner beiden axialen Hälften im- Ganzen zwei axial aufeinanderfolgende Innenkanal-Kühlabschnitte
auf weist.
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Der eine Kühlabschnitt reicht von den Umfangsteilen des Wickelkopfes
der betreffenden axialen Läuferhälfte bis in den aktiven Teil der Wicklung hinein.
Die Wickelkopf unfangsteile weisen Kühlgaseintrittskanäle auf,die in
die
Innenkanäle münden. Die Innepkanäle stehen, vom Wickelkopf aus gesehen hinter-der
ihn umgebenden, auf dem Ende des Läuferballens sitzenden Induktorkappe über Kühlgaaaustrittakanäle,
die durch Nutverschlußkeile führen, mit dem Luftspalt in Verbindung. Das Kühlgas'tritt
also aus dem dem Wiakelkopf benachbarten Raum in die Kühlgas eintrittskanäle ein,
durchströmt die Innenkanäle und ver läßt diese über die Kiihlgaaaustrittakanäle
in den Luftspalt hinein.
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Dieser Kühlabschnitt dient also der Kühlung den Wickel -kopfes und
des ihm unmittelbar benachbarten Teils des aktiven Teiles der Wicklung.
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Pür den anderen Kühlabschnitt sind Nutgrundkanäle, die am Wickelkopfraum
beginnen, als Kanäle zur Zuführung den Kühlgases zu den Innenkanälen dieses Kühlabschnitts
vorgesehen. Diese Nutgrundkanäle stehen an dem dem Wickelkopf näheren Ende dieses
M labschnittes über Kühlgasübertrittskanäle mit diesen Innenkanälen-in Verbindung.
Vom Wickelkopf aus gesehen kurz vor der axialen Läufermitte stehen die Innenkanäle
des Kühlabschnitts ebenso wie die Innenkanäle des erstgenannten Kühlabschnitte über
Kühlgasaustrittakanäle genannter Art mit dem Luftspalt in Verbin-#ung. Das Kühlgas
tritt also aus den vom Wickelkopf um -gebenen Raum in die Nutgrundkanäle
ein, durchströmt diese, dann die Kühlgasübertrittskanäle und darauf die Innen -kanäle
und verläßt diese über die Kühlgaaaustrittakanäle
in den Luftspalt
hinein.
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Dieser andere Kühlabschnitt dient-also der Kühlung prak -tisch des
ganzen übrigen Teils des aktiven Teils der Wicklung.
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Zwei Innenkanal-Kühlabschnitte genügen nun aus bekannten GrÜnden nicht
mehrg wenn die Nennleistung des Generators steigt. Für diesen Fall ist bekannt,
daß anstelle des ge -
nannten anderen Kühlabschhitts zwei axial aufeinanderfol
-gende Kühlabschnitte dieser Art vorgesehen sindg jede axi ale Generatorhälfte also
im Ganzen drei Innenkamal-Kühlab schnitte aufweist. Für den mittleren Kühlabschnitt
gilt dann das, was oben für den anderen KÜhlabschnitt ausgeführt ist. Die Innenkanäle
des nahe der axialen Läufermitte ge -legenen, dritten Kühlabschnitts erhalten ihr
Kühlgas aus axialen Verlängerungen der genannten Nutgrundkanäle, und nachdem
die Innenkanäle des dritten Kühlabschnitts von dem Kühlgas durchstrÖmt worden sind,
verläßt es diese an dem dem Wickelkopf fernen Ende dieses Kühlabschnitte, das nahe
der axialen LäÜfermitte liegt, ebenfalls über Kühlgaaaus -trittakanäle genannter
Art in den Luftspait hinein.
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Für Grenzleistungsmaschinen jedoch genügen diese drei Kühlabschnitte
in jeder der beiden axialen Läuferhälften nicht mehr.
Bei Verwendung
von Nutgrundkanälen ergibt sich der Nachteil der Schwächung des zentralen Querschnitts
des aktiven Läu -ferteils und/oder Vergrößerung des Außendurchmessers dieses Läuferteils.
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Ferner sind bei Turbogeneratoren in den Läuferzähnen vor gesehene
Kühlgaskanäle bekennt, die am Wickelkopfraum beginnen und kurzhinter der Induktorkappe
in den Luftspalt münden.* Das Kühlgas strömt hier an den Wickelkopfteilen außen
vorbei, um-diese zu kühlen, und das so erwärmte Gas strömt dann durch diese Kühlgaskanäle
hindurch in den Luftspalt hinein. Die Kühlgaskanäle haben jeweil's runden Quer schnitt
oder sind jeweils eine Läuferlänganut rechteckigen 4uerschnitte. Im letztgenanntexi
Fall ist also der Läufer -
zehn radial von außen geschlitzt oder genutet.
Schon ein einz ger Kühlgaskanal runden ##uerschnitts je Läuferzahn schwächt aber
diesen Läuferzahn sehr. Dies ist von Nach -teilg weil der Läuferzahn radial nach
außen auf Zug beansprucht ist. Auch kann durch diesen Kühlgaskanal
hindurch nur wenig Kühlgas aus dem Wickelkopfraum abgeführt werden. Durch zwei oder
mehr Kanäle runden Querschnitts je Zahn könnte dieser Nachteil zwar vermindert werden,
jedoch würde der Zahn noch mehr geschwächt. Der eine Kühlgankanal je Zahn stellt
ferner eine Kerbe dar, so daß Spannungsspitzen auftreten. Noch mehr Spannungsspitzen
treten bei mehr als einem Kühlgaskanal je Zahn auf. - Ähnliche Nachteile
tretenbei dem geschlitzten Zahn auf.
Aufgabe gemäß der Erfindung
istg bei dem anfangs genannten Elektromaschinenläufer mindestens einen zusätzlichen
Innenkanal-Kühlabschnitt zu schaffen und/oder Schwächung des zentralen Querschnitts
des aktiven Läuferteils und/oder Vergrößerung des Außendurchmessers dieses Läuferteils
durch Kühlgaszuführungskanäle zu vermeiden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlageng
daß für einen im Bereich des aktiven Teils be -findlichen Innenkanal-Kühlabschnitt
als Kühlgaazuführunge -kanäle Nutseitenkanäle vorgesehen sind, die am Wickelkopf
-raum beginnen.
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So kann z.B. eine axiale Hälfte des aktiven Läuferteils im
Ganzen vier axial aufeinanderfolgende Innenkanal-Kühl -
abschnitte aufweisen,
und zwar von der axialen Läufermitte aus gesehen zwei, für die als Kühlgaazuführungskanäle
ge -
nannte Nutgrundkanäle vorgesehen sind, dann als zusätz
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liehen Innenkanal-Kühlabschnitt einen$ für den als Kühlgaszuführungskanäle
diese Nutseitenkanäle vorgesehen'aindv und am Ende des aktiven Läuferteils einen,
dessen Innenkanäle das Kühlgas voin Wickelkopf erhalten. Auch kann eine axiale
Hälfte des aktiven Läuferteils im Ganzen nur die beiden oben zuletzt genannten Kühlabschnitte
aufweisen* Insbesondere wird also die Erfindung bei einen Läufer angewendet, der
einen anfangs genannten bekannten Inneakanal-Kühlabschnitt aufweist, der von den
Wickelkopfunfangsteilen bis in den aktiven Teil den Läufern hinein reicht
und kUhlga4durch -
strömt ist. - Das Kühlgas verläßt
genannte Kühlabschnitte erwärmt insbesondere in den Luftspalt hinein, wofür genannte
Kühlgaaaustrittakanäle vorgesehen sind.
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Durch den bzw. die zusätzlichen Kühlabschnitte kann man einen hinreichend
gleichmäßigen Verlauf der Temperatur der Wicklungsleiter über die axiale Länge des
Läufers und/oder mit mehr Kühlabschnitten und Ausnutzung der zulässigen Kühlabschnittaerwärmung
eine größere axiale Länge des Läufers, also der Maschine, und damit eine größere
Leistung der Ma schine erhalten bzw. bei gleichbleibenden Abmessungen infolge höherer
Erregerströme die Leistung steigern. Ferner kann der aktive Teil des Läufers
so ausgelegt werden, daß Nutgrundkanäle nicht zu weit raclial nach innen reichen
bzw. sein Außendurchmesser nicht zu groß ausgeführt zu 'werden braucht. Durch die
Erfindung können auch örtliche Über -temperaturen, die die Leiterisolation schädigen
könneng vermieden werden.
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Meist ist das von Wickelkopfraum begrenzte Ende des aktiven
Läuferteils relativ heiß, soweit nicht besondere Maßnahmen vorgesehen worden. Das
durch die genannten Nutseitenkanäle strömende Kühlgan aber kühlt diesen Läuferteil.
Daß dadubch das Kühlgas vorgewärzt aus diesen Nutzeitenkanälen in die Innenkanäle
gelangt» wird in Einblick auf diese zusätzliche Kühlung diesen heißen Läuferteils
in Kauf genommen. Die zu kilblende Iänge den Senannten den Wickelkopf mit
umfassen-den Innenkanal-Kühlabschnitte liegt praktisch fest, da die
axiale
Länge und die in Umfangsrichtung gemessene Länge des WickeIkopfes festliegen. Die
axialen Längen des anderen Kühlabschnitts bzw. der anderen Kühlabschnitte jedoch
kann bzw. können geändert werden. So kann, wenn die Kühlgaseintrittstemperatur des
über die Nutseitenk#näle versorgten Kühlabschnitts zu hoch werden sollte, die axiale
Länge dieses Kühlabschnitts kleiner ausgelegt werden.
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Durch Verwendung der Nutseitenkanäle sind die im Zusammen hang mit
den genannten bekannten Läuferzahnkanälen er -wahnten Nachteile vermindert oder
beseitigt. Die Nutseitenkanäle weisen einen vergleichsweise mindestens ebenso großen,
meist größeren Ein- und Durchströmquerschnitt auf, wobei aber die durch die Kanäle
runden Querschnitte oder den Schlitz im Zahn bedingten Spannungsspitzen entfallen,
Es kann durch die Nutseitenkanäle eine sehr große KÜhlgaämenge aus dem Wickelkopfraum
abgeführt werden.
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Die in der Läufernut befindlichen Leiter sind zum Nutsei tenkanal
hin insbesondere unisoliert, so daß das Kühlgas direkt am Kupfer entlangströmt und
von denleitern relativ viel Wärme aufnimmt. Die Leiter können aber auch von Iso
-lierung =geben sein.
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Es können die Nutseitenkanäle über Kühlgaaaustrittakanäle #mit
dem Luftspalt in Verbindung stehen. Diese Kühlganaus -trittakanäle und die KÜhlgaaaustrittskanäle
den-ersten
Kühlabschnitts können axial gesehen an derselben Stelle
angeordnet sein. Die-einen können aber axial auch etwas vor oder etwas hinter den
anderen angeordnet sein.
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Die Erfindung verbessert die Kühlung des Läute re und erlaubt eine
höhere Ausnutzung desselben. Sie bringt ferner eine große Beweglichkeit in der Anpassung
an die jeweiligen Erfordernisse bezüglich dieser Kühlung.
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Es bringt besondere Vorteile, wenn die Nutseitenkanäle durch
etwa parallelwandige Läuferzähne und die Wicklungs leiter gebildet sind. Diese Bauart
ist mit gleichen Vor teilen allgemein anwendbar, d.h. unabhängig von der Lage der
Kühlgaseintritte und Kühlgasaustritte bzw. Kühlgasübertritte der Nutseitenkanäle
und auch ohne Übertritt des Kühlgases aus den Nutseitenkanälen in Innenkanäle. Die
Vorteile dieser Bauart sind folgende: Der jeweils zwischen den Nutgründen zweier
Nuten befindliche Zahnfuß, in- dem die durch die Zentrifugalkraft hervorgerufene
Zugepannung und die Flußdichte am größten sind und der somit einen Engpaß darstelltg
ist genauso breit wie bei einer Bauart ohne Nutseitenkanäle. Dieser Engpaß ist also
nicht geschwächt. Radial außerhalb des Zahnfußes ist der überflüssige Zahn -werkstoff
durch die Nutseitenkanäle ersetzt" die sich also zum Luftspalt hin erweitern. Durch
den Wegfall des Über -
flüssigen Zahnwerkstoffes ist auch die Zentrifugalkraft
des Zahnes kleiner. Ferner ist vom radial innerhalb des
Zahnfußes
befindlichen Gebiet bis zum Zahnaußenumfang eine Vergleichmäßigung der Spannung
averteilung vorhanden. Es ist von Vorteil, wenn den am Wickelkopfraum beginnenden
Nutseitenkanälen Wickelkopf-Kühlgaskanäle strömungsmäßig vorgeschaltet sindv die
von Füllstücken, die mit den Läuforzähnen fluchten, und den Wicklungsleitern gebildet
sind. Dies ergibt eine stärkere Kühlung der Wickelköpfe, weil das Kühlgas definierte
Kühlgaskanäle an den Wicklungslei -
tarn durchströmt. Auch diese Bauart ist
wie die mit den etwa parallelen Läuferzähnen in dem dort angegebenen Sinne allgemein
anwendbar. Die Püllstücke sind insbesondere so gegtaltetg,daß sie mit den Wicklungeleitern
die Kaltgas -
Eintritte radial innen bilden. Die Füllstücke können in diesem
Sinne radial nach innen zugespitzt sein. Die Kalt-Säe-Eintritte bzw. die Zuspitzungen
befinden sich inabe sondere nur in dem Gebiet, wo die sich in Läuferlängsrichtung
erstreckenden Teile der Wickelköpfe fern dem aktiven Teil des Läufers beginnen.
Es kann aber auch der Kaltgas -
Eintritt über die ganze Länge dieser
Wickelkopfteile bzw. der Füllstücke erfolgen, wozu denn die Füllstückd über
ihre ganze Länge zugespitzt gestaltet sein können. Um eine gute Festlegung
der Füllstücke zwischen den Wickelkopf -
teilen zu erhalten# können die Füllatücke
so gestaltet sein# daß ei* teilweise an den Wicklungsleitern anliegen und dort,
wo sie nicht anliegen, mit den Wicklungeleitem-die Wickel -kopf-Kühlgaskanäle bilden.
Die
vorgenehalteten, durch die Füllstücke und die Wick -lungsleiter gebildeten Kühlgaskanäle
eignen sich sehr gut dazu, die unterschiedliche Erwärmung des Wickelkopfes, die
sich durch seine verschieden großen Spulenlängen er -
gibt, zu vergleichmäßigen,
indem nämlich bei den längsten Spulen diese Kühlgaskanäle vorgesehen werden bzw.
diese Zusatzkühlung vorgesehen wird, bei den anderen jedoch nicht. Auch können Zwischenstufen
vorgesehen sein.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Läufers gemäß
der Erfindung dargestellt. Fig.1 zeigt schematisch eine axiale Hälfte eines langen
Induktors eines Turbogene rators mit vier Innenkanal-Kühlabschnitten in einem Längsschnitt.
Fig.2 zeigt Nutseitenkanäle in einem (4uerschnitt clurch den Läufer. Fig.3 zeigt
ein Füllstück zwischen zwei Längstellen einen Wickelkopfes in einen Läuferquerschnitt.
Fig.4 zeigt ein Füllstück anderer Bauart zwischen Länge -
teilen einen Wickelkopfes
in zwei Läuferquerschnitten IV-IV und IVI-IVI (ziehe Fig.5). Fig.5 zeigt das Füllstück
gemäß Zig.4 in einen Längsachnitt V-V (siehe Fig.4). Fig.6 zeigt ein Füllstück
noch anderer Bauart in einem Länge schnitt der Art wie der Längsschnitt V-V. Fig.7
zeigt einen querschnitt VII-VII gemäß Fig.6-0 Die Induktorhälfte gemäß Fig.1
besteht in wesentlichen aus dir zugehörigen Ulfte einen Ballons 22, einer Welle
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-einer Wicklung - mit Wicklungestäben 21 -. und einer Kappe 24-
Die
Teilleiter 35 der Wicklung weisen Innenkanäle 36 auf (siehe Fig.2)-..
Die vier Innenkanal-Kühlabschnitte sind mit 10 bis 13 bezeichnet.
Sie reichen zusammen von den Wickelkopfumfangstellen bis zur Induktormit11,e 14.
Die Kühlgasströme - es kann sich um Wasserstoff-oder Luft handeln
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sind durch die Pfeile angedeutet. Der Kühlabschnitt 10
weist Kühlgaseintritte
15 am Wickelkopf auf, und zwar an seinen-sich in Umfangsrichtung erstreckenden
Teilen. Die Kühlgaaaustritte des Kühlabschnitts 10 in den Luftspalt
16
sind mit 17 bezeichnet. Der Kühlabschnitt 10 reicht also
von den Wickelkopfumfangsteilen bis in den aktiven Teil der Wicklung hinein und
ist auch von diesen Teilen bis in den aktiven Teil der Wicklung hinein vom Kühlgas
durchströmt. Er reicht hier bis kurz hinter die Kappe 24. Die axial aufeinanderfolgenden,
strömiing.-smäßig parallelgeschalteten Kühlabschnitte 12 und 13 erhalten
ihr Kühlgas aus Nutgrund -kanälen 18, deren Kühlgaseintritte 20 sich am Wickelkopf'-raum
19 befinden, d.h. am Ende des Ballens 22; die Pfeile zeigen die Parallelschaltung.
Die zugehörigen Kühlgasaus -tritte in d en Luftspalt 16 sind durch
die Pfeile 29 und 30
angedeutet@ Zwischen den KÜhlabschnitten
10 und 12 ist ein zusätzlicher Kühlabschnitt 11 geschaffeng wodurch
die Küh - 1-abschnitte 12 und 13 kÜrzer als ohne den Kühlabschnitt
11
ausfallen. Die dicken Pfeile'zeigen den Kühlgasstrom-durch den Kühlabschnitt
11 an. Das betreffende Mlgas tritt in Kühlgaakanäle ein, die sich zwischen
den in Längsrichtung verlaufenden Teilen des Wickelkopfes befinden, durchstrÖmt
diese Wickelkopf-Kühlgaskanäle, tritt denn durch Kühlgas -
eintritte
25 am Wickelkopfraum 19, d.h. am Ende des Ballens 22, hindurch in
Nutseitenkanäle 31 (siehe Fig.2) ein, durchströmt diese und kühlt dabei zusätzlich
das thermisch hoch beanspruchte Ende des Ballens 22, durchströmt denn nicht
besonders dargestellte Kühlgaaübertrittakanäle (siehe den Pfeil 26)9 über
die die Nutseitenkanäle 31 mit den Wicklungeleiter-Innenkanälen verbunden
sind, und darauf diese Innenkanäle (siehe den Pfeil 27), um diese durch Kühlgasaustritte
hindurch in den Luftspalt 16 hinein zu -
verlassen (siehe den Pfeil.28).
Die durch die Pfeile 17, 289
29 und 30 angedeuteten Kühlgaaaustritte
bzw. Kühlgaaaus -trittskanäle durchdringen die Nutverschlußkeile 31.
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Aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie sich die Nutseitenkanäle
31
zum Luftspalt 16 hin erweitern. Der Zahn 32 hat zueinander
parallele Seitenwände 33 und 34. Zwischen dem Nutseiten -kanal
31 und dem Wicklungsstab 21 ist nur kurz vor dem Nutgrund Isolation vorgesehen,
und zwar in Form eines Isola -tionsschuhes 50, in dem also die am.weitesten
radial innen liegenden Teilleiter 35 eingebettet sind. Die Nut, in der" -sich
der Wicklungestab 21 befindet, ist am Nutgrund so breit wie der Wicklungestab 21
und diese Isolation (50).
Die Nut erweitert sich zum Luftspalt 16 hin.
Die Seiten -
wände 339 34 können auch so verlaufen, daß zwischen ihnen
und den am weitesten radial innen liegenden Teilleitern 35
oder ihrer genannten
Isolation bis zum Nutgrund ein aus --
geprägter Abstand vorhanden ist.
Gemäß
Fig.3-sind die Längsteile des Wickelkopfes mit 3#7 bezeichnet. Das Fülls-tück,38
ist an dem dem Ballen 22-fernen Ende radial nach-innen zugespitzt, so daß Kaltgas-Eintritte-gebildet
sind - siehe di.e-Pfeil,e 39 -.-Die Wickelkopf-Kühlgaskanäl.6 sind
mit 49 bezeichnet. Gemäß
Fig..4 ist das Füllstück mit - 40 bezeichnet.
ßo liegt- -mit seinen Teilozi 41-bis 44.an den Teilleitern 35 an- Die Kühlgaskanäle
sind mit.-45 Die breid-en-,Kilh>Igankanäle, gemäß # Fig. 6 un&
7 haben den Küh-Iga&3kanälen- 45, gegenüber eine andere Form und sind
mit 46-beseichnet. Das Püllstück#ist mit 4? bezeichnet. Die Pfeile gemäß Fig.-5
und 6 geben die Strömungsrichtung.des Kühlgases in diesem Wickelkopfgebiet
an. An den Stellen 48 ist Gummi oder Kunststoff zur Abdichtung vorgesehen.