DE2608291A1

DE2608291A1 - Gasgekuehlter generator-rotor mit erhoehter ventilation

Info

Publication number: DE2608291A1
Application number: DE19762608291
Authority: DE
Inventors: Walter Ball Giles
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-03-10
Filing date: 1976-02-28
Publication date: 1976-09-23
Also published as: ES445952A1; JPS51125806A; US3995180A; CH607421A5; FR2304204A1; IT1054878B; FR2304204B1; IN145384B; CA1056893A

Description

Gasgekühlter Generator-Rotor mit erhöhter Ventilation

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf gasgekühlte dynamoelektrische Maschinen und insbesondere auf einen Generator mit Verbesserungen in dem Bereich, wo die aufsteigenden diagonalen Kühlgaskanäle in den Spalt zwischen den Rotor und den Stator austreten. Große Turbinengeneratoren und andere ähnliche dynamoelektrische Maschinen sind in ihrer Leistung durch die Fähigkeit des Kühlsystems begrenzt, die Wärme von dem Rotor abzuführen. Wie in der US-PS 3 348 081 angegeben ist, kann das Kühlsystem durch

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radiale Kanäle in dem Stator, einen Spaltaufnahmerotor zum Schöpfen von Wasserstoff als Kühlgas aus dem Luftspalt für eine Umwälzung durch Innenkanäle in dem Rotor und durch Lüfter bzw. Gebläse und Wärmetauscher gebildet werden, um eine Kühlmittelströmung zur Ventilation der Maschine zu erzeugen. Es bestehen große Spielräume von etwa 7,5 bis 10 cm zwischen dem Stator und dem Rotor und demzufolge ist ein Versuch, eine Lüfter- oder Gebläsekomprimierung zum Antrieb der kühlenden Wasserstoffströmung durch den Rotor zu verwenden, durch eine übermäßige Leckage in diesem Spielraum vereitelt. Es können auch radiale Teilleitbleche verwendet werden, um die axiale Leckage von einer Rotorauslaßzone zu einer Rotoreinlaßzone zu begrenzen.

In der ÜS-PS 3 906 265 ist eine ähnliche Maschine gezeigt, bei der ein oder mehrere honigwabenartige Statoreinsätze mit einer großzelligen Honigwabenleitstruktur zur Bildung von radialen Kanälen für die Kühlströmung auf dem Stator angebracht sind und sich in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor einer gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine erstrecken, wie beispielsweise eines Generators der vorstehend beschriebenen Art. Vorteilhafterweise sind zahlreiche honigwabenartige Einsatzsektoren benachbart zu einander in dem Spalt angebracht, um in Umfangsrichtung eine im wesentlichen kontinuierliche Struktur zu bilden. Die honigwabenartige Leiteinrichtung ist in doppelter Weise wirksam als axiale Leitelemente zum Begrenzen der axialen Leckage des Kühlmittels, insbesondere zwischen den Kühlzonen^,und als in ümfangsrichtung wirkende Leitelemente zum Herbeiführen einer Materialverminderung der Wirbelströmung in dem Spalt. Da die relative Geschwindigkeit des Gases in bezug auf die Rotoreinlaß- und Auslaßkanäle erhöht ist, werden höhere Pumpdrucke für das Kühlmittel durch den rotierenden Rotor für die verbesserte Rotorkühlung realisiert. Die verminderte axiale Leckage und der nahezu vollständige Abschluß des Luftspaltes in ümfangsrichtung führt zu einer verbesserten Zonenkomprimierung und Ausnutzung der Lüfter oder Gebläse, die das Kühlmittel umwälzen. In der vorgenannten US-PS 3 906 265 ist weiterhin ein Rotor angegeben,

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bei dem die Wicklungen mit radialen anstatt mit diagonalen Kanälen versehen sind, die die axialen Kanäle innerhalb des Rotors für eine Zirkulation des Kühlmittels von einem Einlaß- zu einem Auslaßkanal verbinden. Die Verwendung von diagonalen Durchlässen hat sich als äußerst vorteilhaft erwiesen und die vorliegende Erfindung dient zur Verbesserung der Kühlung derartiger Maschinen.

In einem gäsgekühlten Generator oder einer anderen dynamoelektrischen Maschine sind die in-Rotornuten angebrachten Wicklungen mit zahlreichen Durchlässen für die Strömung eines Kühlgases von dem Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator, diagonal nach unten durch die Wicklungen hindurch und dann diagonal zurück zum Spalt versehen. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo sich zwei aufsteigende Kanäle an einem geteilten Auslaßkanal zum Luftspalt verbinden, wird die Trennung dadurch beibehalten, daß ein vollständiger getrennter Auslaßkanal für jeden aufsteigenden Durchlaß vorgesehen ist, um die Strömung des Kühlgases durch den Rotor hindurch und in den Luftspalt hinein zu verbessern.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 ist eine zusammengesetzte Drauf- und Seitenansicht und zeigt teilweise im Schnitt einen großen, wasserstoffgekühlten Generator mit einer verbesserten Kühlung gemäß der Erfindung.

Figur 2 ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht, in der einige Teile weggebrochen und andere im Schnitt gezeigt sind und stellt einen Teil des Stators, einen mit einer typischen Leitanordnung versehenen Spalt und einen Teil der Länge eines Rotors dar mit diagonalen Durchlässen zwischen paarigen Einlaßkanälen und Auslaß-

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kanälen von axial angrenzenden Reihenanordnungen von abwechselnden Einlaß- und Auslaßkanälen.

Figur 3 ist eine perspektivische Sprengbildansicht von der Verbindungsstelle von zwei Auslässen an einem bekannten Auslaßkanal.

Figur k ist eine perspektivische Sprengbildansicht von dem gleichen Teil eines Generators, wie er in Figur 3 gezeigt ist, bei dem aber die Trennung der zwei Auslässe an Zwillingsauslaßkanälen gemäß der Erfindung beibehalten ist.

Figur 5 ist eine Teilquerschnittsansicht von einer radialen Statornut und zeigt ferner die beibehaltene Trennung, wie sie in Figur ¹I gezeigt ist.

In der schematischen Darstellung eines großen gasgekühlten elektrischen Generators gemäß Figur 1 ist die untere Hälfte der Zeichnung um 90° gedreht in bezug auf die obere Hälfte, um die Komponenten des Kühlsystems deutlicher darzustellen. Der Generator umfaßt ein luftdichtes Gehäuse 11, das einen laminierten Statorkern 12 trägt und Lager 13 aufweist, die einen Rotor IH für eine Rotation lagern. Der Statorkern 12 ist aus Lamellen bzw. Blechen zusammengesetzt, die zur Bildung einer großen Anzahl radialer Kühlkanäle 15 zusammengebaut sind, die in axialer Richtung entlang dem Statorkern und auch in ümfangsrichtung beabstandet sind. Die Statorwicklungen 16 werden durch eine Flüssigkeit gekühlt, die durch Isolierschläuche 17 zugeführt und für eine Kühlung in einem nicht-gezeigten externen System umgewälzt wird. In dargestellter Weise ist eine Anzahl von Trennwänden 18 zwischen dem Gehäuse und dem Statorkern angeordnet, die das Gehäuse in Kammern unterteilen und zur Trennung des kalten, radial nach innen strömenden Kühlgases von dem erhitzten, radial nach außen strömenden Kühlgas dienen, wie es durch die Strömungspfeile angegeben ist. Der Stator wird dadurch axial in Zonen unterteilt, so daß

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sich Gruppen von radialen Statorkanälen 15a, die nach innen strömendes Gas führen, mit Gruppen von radialen Statorkanälen 15b abwechseln, die nach außen strömendes Kühlgas führen. Der Wasserstoff oder ein anderes Kühlgas wird mittels Nfaierdrucklüfter an jedem Ende des Rotors durch das Gehäuse und durch Wärmetauscher 19 umgewälzt. Alternativ können Niederdruck-Statorgebläse vorgesehen sein.

Der Rotor 14 ist ein Spaltaufnahmerotor mit Kühlung durch Schöpfen eines gasförmigen Kühlmittels aus dem "Luft"-Spalt 21 durch schaufelähnliche Einlaßaufnehmer oder Kanäle 22 und durch Ausstoßen des Kühlmittels in den Spalt zurück durch Auslaßkanäle oder Löcher 23. Die Rotoreinlaßaufnehmer 22 und Auslaßkanäle sind axial.in Gruppen angeordnet, um abwechselnde Einlaßzonen und Auslaßzonen 25 zu bilden. In jeder Einlaßzone fluchten die Rotoreinlässe 22 axial mit einer Gruppe radialer Statorkanäle 15a, die kaltes nach innen strömendes Gas führen, während die Rotorauslässe 23 in jeder Auslaßzone axial mit einer Gruppe radialer Statorkanäle 15b fluchten, die erhitztes, nach außen strömendes Gas führen. Eine derartige Zonenkühlung ist erforderlich in großen Generatoren mit einer Länge von etwa 6 bis 9 m. Das Gas bewegt sich in Längsrichtung entlang dem Rotor zwischen jedem Einlaßkanal 22 und einem entsprechenden Auslaßkanal 23 an jeder Seite mit Hilfe von Strömungsdurchlässen, die diagonal nach unten zum Boden der Rotornut und dann wieder diagonal nach außen durch versetzte Löcher hindurch verlaufen, die in den Rotorwicklungen ausgebildet sind.

Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß die Rotorwicklungen 26 durch geschichtete axial verlaufende Leiter 35 gebildet sind, die in zahlreichen in Umfangsrichtung beabstandeten, axial verlaufenden, radialen Nuten 36 angeordnet sind. Ein Teil von einer dieser Rotorwicklungen innerhalb einer radialen Nut ist aufgebrochen, um die diagonalen Strömungsgänge 27 darstellen, die das Kühlgas in axialer Richtung zwischen einem Paar beabstandeter Einlaßkanäle 22 und einem Auslaßkanal 23 zu leiten.

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In der Praxis gehört zu jedem Aufnahmeeinlaßkanal 22 in jedem Keil 40 eine unmittelbar darunterliegende Strömungsteilerstruktur (oder Gleitblock) 38, um das einströmende Kühlmittelgas in zwei nach unten und dann nach oben verlaufende diagonale Durchlässe aufzuspalten, die auf entsprechende Weise mit Auslaßkanälen 23 an jeder Seite der bestimmten Einlaßzone verbunden sind. Die schaufeiförmigen Einlasse 22 sind im wesentlichen bündig mit der Rotoroberfläche und derart geformt, daß sie die relative Bewegung zwischen dem Rotor und dem Kühlmittel im Spalt 21 in eine Drucksäule umwandeln, um das Gas mittels einer Rotorpumpwirkung durch die Wicklung zu drücken. Aufgrund der Rotordrehung wird in dem Ringspalt zwischen dem Stator und dem Rotor eine Wirbelströmung hervorgerufen. In einem großen Generator beträgt die Breite des Spaltes 21 typischerweise 10 cm und gestattet, daß der fertige Rotor während der Endmontage der Maschine longitudinal in den fertigen Stator geschoben wird. Um die axiale Leckage des Kühlgases in einem derartig großen Spielraum und insbesondere das Mischen des heißen ausgestoßenen Kühlmittels mit dem kalten Eingangskühlmittel zu vermindern und um für eine verbesserte und wirkungsvollere Ventilation des Generators oder einer anderen dynamoelektrischen Maschine zu sorgen, können ein oder mehrere honigwabenartige Statoreinsätze 30 vorgesehen sein, die durch den Statorkern 12 getragen werden und sich, in den Spalt 21 hinein erstrecken. Die honigwabenartigen Statoreinsätze 30 werden nach der Montage des Rotors an der Maschine montiert und können in Umfangsrichtung fortlaufend oder im wesentlichen fortlaufend sein, wodurch sje den effektiven Spaltspielraum wesentlich verkleinern. Jeder Statoreinsatz 30 wird von einer bogenförmigen oder gewölbten durchlöcherten Platte 31 gebildet, an deren Innenfläche eine großzellige wabenartige Leitstruktur 32 befestigt ist. Das übliche billig herzustellende sechsseitige Honigwabenmaterial ist bevorzugt, es können jedoch auch andere geeignete Querschnitte verwendet werden. Die Größe der Löcher in der Lochplatte 31 ist nicht kritisch, so lange ein Strömungskanal für das Kühlgas In radialer Richtung durch jede Honigwabenzelle hindurch besteht. Die Lochplatte 31 und die Waben-

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Zellenstruktur 32 sind aus einem geeigneten nicht-magnetischen metallischen Material oder einem nicht-metallischen Material hergestellt, wie beispielsweise Aluminium, unmagnetischem Stahl, einem geeigneten Kunststoff oder Fiberglas. Ein oder mehrere in Längsrichtung verlaufende Trägerteile oder Führungskanäle 3^ sind an der äußeren Oberfläche der Lochplatte 31 befestigt und erleichtern die Befestigung des Honigwabeneinsatzes, indem er in entsprechend geformte Rillen in der Innenfläche des Statorkernes 12 geschoben wird. Wenn mehrere honigwabenartige Statoreinsätze oder Sektoren für eine gegebene Maschine vollständig montiert sind, ist ein nahezu umfassender ümfangsabSchluß des Spaltes 21 erreicht.

Die US-PS 3 3¹Je O8l beschreibt eine alternative Maßnahme für die honigwabenartigen Statoreinsätze 30 in der Form von radialen Teilleitanordnungen.

In den Fällen der dargestellten Ausführungsbeispiele für sowohl die Maschine gemäß der US-PS 3 3^8 081 als auch die Maschine gemäß der US-PS 3 906 265 vereinigen zwei aufsteigende diagonale Durchlässe ihre Ventilationsströme in einem einzigen gemeinsamen Auslaßloch. Diese Zusammenmischung der Strömungen schafft eine Wirbel- oder zyclonartige AusgangsStrömungsstruktur, die einen erheblichen Druckverlust erzeugt. Dieser bekannte Aufbau ist in Figur 3 gezeigt, wobei zwei diagonale Ausgangsströmungsdurchlässe 27 in Richtung aufeinander durch die Wicklungen 26 zu einem Kriech- bzw. Gleitblock 38 aufsteigen, der mit einer radialen öffnung 39 versehen ist, in der zwei vorher getrennte Strömungen, die durch die radial innere Seite eintreten, zu einer Wirbelströmung zusammengefaßt werden, die durch die radial äußere Seite austritt und über die einzige Auslaßöffnung 23 nach außen in den Spalt 21 strömt.

Im Gegensatz dazu leitet erfindungsgemäß jeder der zwei diagonalen Strömungsgänge 27, die in Richtung aufeinander aufsteigen, ihre entsprechenden einzelnen Strömungen durch getrennte

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Öffnungen 39a, 39b, die durch den Gleitblock 39 hindurchführen, und dann durch entsprechende einzelne Auslaßöffnungen 23a, 23b in den Spalt 21. Um bei dem gezeigten Aufbau die erforderlichen Modifikationen am Rest der Maschine auf einem Minimum zu halten, sind die Öffnungen 39a und 39b mit Winkelabstand zueinander auf einer gemeinsamen axialen Strecke entlang dem Rotor angeordnet, und die Auslaßöffnungen 23a bzw. 23b liegen direkt radial über den Öffnungen 39a und 39b.

Jeder Gleitblock 38 erstreckt sich über die Länge der radialen Nut 36, in der er aufgenommen ist, und bildet eine Isolierung zwischen dem äußeren Metallkeil 40, der als ein Halter wirkt und die Beanspruchung durch die Rotation des Rotors aufnimmt, und dem Kupfer der Wicklungen 35· Die Teile 40 werden als "Keile" bezeichnet, da sie große gewinkelte, nach außen vorstehende Wülste 41 entlang ihren im Winkel gegenüberliegenden Kanten aufweisen, die in entsprechende Rillen 42 passen, die in jeder radialen Nut entlang der Nutlänge neben ihrem Mund ausgebildet sind,

Beispielsweise kann in einem Rotor mit einem Durchmesser von etwa 100 cm jede radiale Nut eine Tiefe von etwa 7,5 bis 12,5 cm haben und es können mehrere abwechselnde Gruppen von Einlassen und Ausläßen 23 vorgesehen sein.

Jeder Einlaß 22 ist mit zwei diagonalen Durchlässen 27 -verbunden, die auf entsprechende Weise erstens durch einen Auslaß 23a in einer Gruppe von Auslaßmitteln, die in axialer Richtung von der den bestimmten Einlaß 22 enthaltenden Einlaßzone 24 beabstandet ist, und zweitens durch einen Auslaß 23b in einer Gruppe von Auslaßmitteln austreten, die in der entgegengesetzten axialen Richtung von der gleichen Einlaßzone 24 beabstandet sind. In gleicher Weise bedient jede Auslaßeinrichtung 23, die aus paarigen einzelnen Auslässen 23a, 23b besteht,zwei diagonale Durchlässe, die an zwei axial getrennten Einlassen 22 ausgehen, welche in Einlaßgruppen auf axial gegenüberliegenden Seiten der Auslaßzone 25 angeordnet sind, die die bestimmte Auslaßeinrichtung 23

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enthält. Diese Anordnung gilt für alle Einlasse und Auslässe außer den Einlassen an den zwei gegenüberliegenden Rotorenden, die jeweils mit einem einzelnen diagonalen Durchlaß 27 verbunden sind.

Die äußeren Oberflächen der Keile können auf Wunsch in der Nähe der Austritte der Auslaßöffnungen 23a, 23b von jeder Auslaßeinrichtung in besonderer Weise geformt sein. Die Anordnung dieser Auslaßöffnung im Winkelabstand gestattet, daß die zusammengesetzte Querschnittsfläche der Öffnungen etwas vergrößert wird, ohne daß während der Rotation eine unzulässige Beanspruchung auf die Keile 40 ausgeübt wird. Beispielsweise ist eine einzelne Auslaßöffnung 23 gemäß Figur 3 mit einem Durchmesser von 14,3 mm (9/16 Zoll) in Figur 4 durch zwei Auslaßöffnungen 23a und 23b mit einem Durchmesser von 12,7 mm (0,5 Zoll) ersetzt. In diesem typischen Ausführungsbeispiel beträgt die Querschnittsfläche

ία 2

ο ο

von jedem Durchlaß 27 96,8 mm (0,15 Zoll ) und die Querschnittsfläche von jeder Auslaßöffnung 23a und 23b beträgt 126 mm' (0,196 Zoll²). Diese plötzliche Vergrößerung der Fläche beim Übergang von den Durchlässen 27 zu den einzelnen Auslaßöffnungen 23a, 23b sorgt für eine plötzliche Expansion des austretenden Gases und gestattet eine gewisse Rückgewinnung der kinetischen Energie.

Im Vergleich mit dem bekannten, in Figur 3 gezeigten Aufbau zeigt der einen Zwillingsauslaß aufweisende Aufbau gemäß Figur 4 mit den in dem vorstehenden Beispiel gegebenen Dimensionen Einsparungen von 0,7 dynamischen bzw. statischem Druck (Staudruck).

Der statisch/statische Druckverlust für einen diagonalen Durchlaß beträgt etwa 2,6 dynamischen Druck auf der Basis der Fläche des diagonalen Durchlasses oder etwa 1,78 dynamischen Druck auf der Basis der Auslaßfläche. Dies kann zusammen mit dem 1,0 dynamischen Druckverlust, der bei einem Auslaß der bekannten Bau-

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art gemäß Figur 3 gemessen wird, von 2,78 auf 2,08 dynamischen Druck vermindert werden, was einen Strömungsanstieg von 12 % ergibt, der allein durch Umschalten von dem bekannten Aufbau gemäß Figur 3 auf den erfindungsgemäßen Aufbau gemäß Figur 4 erreicht wird. Dadurch wird also eine etwa 12 ?ige Vergrößerung der Ventilationsströmung geschaffen.

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Claims

Ansprüche

1.)Dynamoelektrische Maschine mit einem luftdichten Gehäuse, in dem ein Statorkern, ein mit dem Statorkern einen Luftspalt bildenden Rotor und Mittel zum Umwälzen und Kühlen des Gases innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, gekennzeichnet durch zahlreiche Einlasse (22), die entlang wenigstens zwei axial beabstandeten und in Umfangsrichtung auf dem Rotor (14) verlaufenden Einlaßzonen (24) angeordnet sind zum Schöpfen von Gas aus dem Luftspalt (21) bei einer Drehung des Rotors, zahlreiche Auslässe (23), die entlang wenigstens einer in Umfangsrichtung auf dem Rotor verlaufenden Auslaßzone (25) zum Ausstoßen des Gases in den Luftspalt, wobei eine Auslaßzone (25) zwischen zwei axial beabstandeten Einlaßzonen (24) angeordnet ist, und durch innerhalb des Rotors verlaufende Strömungsgänge (27), die die Einlasse (22) mit den Auslässen (23) verbinden und an den Einlassen geschöpftes Gas durch die Innenteile des Rotors hindurch zu den Auslässen transportieren, die jeweils zwei getrennte Gasauslaßkanäle (23a, 23b) aufweisen und mit zwei Strömungsgängen (27) verbunden sind, wobei jeder der zwei Strömungsgänge mit einem getrennten Gasauslaßkanal (23a, 23b) verbunden ist.

2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14) zahlreiche axial verlaufende, im Winkel beabstandete radiale Nuten (36), in denen isolierte Rotorwicklungen (26) angeordnet sind, am Mund von jeder Nut angeordnete Keile (40), die zwischen den Planken am Mund einer entsprechenden Nut angeordnet sind, und eine Gleitblockisolation (38) aufweist, die radial zwischen den Wicklungen und dem Keil in jeder Nut angeordnet ist, und daß die Auslaßkanäle (23a, 23b) und die Kanäle für die Einlasse (22) in den Keilen gebildet sind und die Strömungsgänge (27) von den Einlassen axial und radial nach innen durch die Gleitblockisolation und die Wicklungen hindurch und in Richtung auf die Unterseite der Nut verlaufen und sich anschließend

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axial und radial nach außen durch die Wicklungen und die Gleitblockisolation hindurch erstrecken, wobei jeder Strömungsgang (27) für sich allein mit einem einzelnen Auslaßkanal (23a, 23b) in Verbindung steht.

3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Wicklungen die Form von geschichteten, axial verlaufenden elektrischen Leitern (35) haben.

4. Dynamoelektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ferner zahlreiche axial beabstandete radiale Statorkanäle (15) bildende Mittel zum Leiten von Kühlmittel zum und vom Luftspalt (21) und Leiteinrichtungen (30-3²O vorgesehen sind, die sich teilweise vom Stator weg durch den Luftspalt hindurch zum Rotor erstrecken.und die Gasströmung zwischen den Statorkanälen (15) und den Einlaß- und Auslaßzonen (24, 25) richten.

5. Dynamoelektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Keil (¹IO) zwei Auslässe (23) im Winkel zueinander angeordnet sind.

6. Verfahren zum Kühlen einer dynamoelektrischen Maschine mit einem Luftspalt zwischen einem Rotor und einem Statorkern, dadurch gekennzeichnet, daß Gas aus dem Luftspalt geschöpft wird, das Gas als eine Vielzahl einzelner Strömungen nach innen durch die Rotorwicklungen hindurch in kombinierten axialen/radialen Richtungen und dann durch die Wicklungen nach außen in kombinierten axialen/radialen Richtungen geleitet wird und jede einzelne Strömung aus dem Rotor über einen getrennten Gasauslaßkanal zum Luftspalt ausgestoßen wird.

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