-
BESCHREIBUNG
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sioh auf eine elektrische. Maschine
mit Flüssigkeitskühlung und insbesondere auf - eine elektrische Maschine mit Ständerkuhlung.
-
Die Erfindung kann vorwiegend für die Herstellung von leistungsfähigen
elektrischen Masohinen, insbesondere von Turbogeneratoren, verwendet werden.
-
E5 sind elektrische Maschinen mit Direktflüssigkeitskühlung des Kernes
und der Ständerwicklung bekannt (vgl. Titow, W.W. u.a.: "Turbogeneratory, rastschot
i konetrakzija" (Turbogeneratoren, deren Berechnung und Aufbau") Energie-Verlag,
Moskau, 1967, S. 200), in welchen die Eühlflüssigkeit in Kanälen umläuft, die in
einzelnen in Radial-bzw. Axialkanälen des Ständerkernes und der Wicklung angeordneten
Körpern (Rohren, Segmenten u.a.) ausgeführt sind.
-
Die Kühlungsbaugruppen solcher Maschinen haben einen komplizierten
Aufbau und sind wegen der in ihnen enthaltenen zahlreiohen Verbindungen unzuverlässig.
Einen unerläßlichen Bestandteil des Kühlmittelkreislaufs bildet ein Gebläse (Pumpe,
Verdichter u.ä.) Es ist ferner eine elektrische Maschine (vgl. US-PS Nr. 355032)
bekannt, welche einen Läufer und einen Ständer enthält, der vom Läufer mit einem
luftdichten Mantel abgetrennt ist, welcher geschlossene Zellen für Stirnteile der
Ständerwicklung bildet, die mittels Formkanä1mit Radial-- und Axialabsohnitten sowie
durch eine Außenrohrleitung für den Umlauf des Kühlmittels im Ständer miteinander
verbunden sind. In der AuBenrohrleitung sind ein Kühler und ein
Gebläse
(Pumpe oder Lüfter) angeordnet. Von dem für den s zwangläufigen Umlauf des Kühlmittels
bestimmten Gebläse wird eine gewisse Energiemenge verbraucht, wodurch der Wirkun6E-grad
der elektrischen Maschine gesenkt wird. Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit
der elektrischen Maschine durch Vorhandensein der Einrichtungen mit beweglichen
Bauteilen und -gruppen erheblich gesenkt.
-
daher Der Erfindung liegt/die Aufgabe zugrunde, eine elektrische
Maschine anzugeben, in welcher durch Ausnutzung von Energie der Xårmeverluste in
wirksamen Ständerteilen die erforderliche Kuh1wirkung an wirksamen und konstruktiven
Ständerteilen gesichert, der Energieaufwand für die Kühlung gesenkt und der Wirkungsgrad
der elektrischen Maschine bei hoher Zuverlässigkeit und einfacher Bedienung erhöht
werden kann.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer elektrischen Maschine,
welche einen Läufer, einen mit Kühlmittel gefüllten Stander mit Kanälen zum Durchströmen
des Kühlmittels sowie einen luftdichten Mantel enthält, der den Ständer vom Läufer
abtrennt und Zellen für Stirnteile der Ständerwicklung bildet, die mittels der genannten
Ständerkanäle sowie durch eine mit einem Kühler verbundene AuBenrohrleitung für
den Umlauf des Kühlmitteis im Ständer miteinander verbunden sind, die Außenrohrleitung
erfindungsremäß mindestens teilweise über dem Ständer verlegt ist, so daß ein aufsteigender
und ein absteigender Strang des Kreislaufs gebildet werden, der Kühler im oberen
Teil des absteigenden Stranges angeordnet ist und Flüssigkeit als Kühlmittel verwendet
wird.
-
Im aufsteigenden Strang des kreislaufs kann zweckmäßigerweise
ein
Heizkörper angeordnet werden, durch welchen der gerichtete Umlauf im Zeitpunkt des
Anlassens der elektrischen Maschine beschleunigt wird.
-
Es ist zweckmäßig, den Heizkörper im unteren Teil des aufsteigenden
Stranges des Kreislaufs in unmiLtelbarer Nähe vom Ständer anzuordnen. Damit wird
die wirkung des Heizkörpers auf den Umlauf des Sühlmittels erhöht.
-
Zu diesem Zweck ist es ferner vorteilhaft, den aufsteigenden Strang
des Kreislaufs mindestens teilweise. sowie den an diesem anliegender. Ständerteil
mit Wärme isolierung zu versehen.
-
Bei der er-indungsaemäßen elektrischen Maschine erübrigt sich der
Einsatz eines Gebläses im Kühlflüssigkeitskreislauf dank der Ausnutzung von Energie
der Wärmeverluste in wirksamen Ständerteilen, durch welche der Umlauf der Kühlflüssigkeit
infolge der Differenz der Sichten der erwärmten und der gekühlten Flüssigkeit verursacht
wird. Somit wird der Energieaufwand für die Kühlung des Ständers gesenkt, und die
Zuyerlässigkeit sowie der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend gnhand der
Zeichnung näher erläutert, in deren einiger Figur die erfindungsgemaße elektrische
Maschine mit Ständerkählung im Schnitt gezeigt.
-
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine enthält einen Läufer 1,
der von einem Ständer 3 durch einen luftdiohten Mantel 2 abgetrennt ist. Die Kühlung
des Läufers 1 wird unabhängig von der kühlung des Ständers 3 auf eine an sich bekannte
und geeignete Weise gesichert. Aus diesem Grunde
ist die Kühlanlage
des Läufers 1 in der Figur nicht dargestellt.
-
Nach einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung stellt
der luftdichte Mantel 2 einen im Ringspalt zwischen dem Läufer 1 und dem Ständer
3 angeordneten Zylinder dar, welcher eich aber die gesamte Länge des Gehäuses des
Ständers 3 erstreckt.
-
Der Ständer 3 weist üblicherweise einen Kern 4 und eine Stabwicklung
auf, deren Stirnteile 5 in der Figur gezeigt sind. Im Kern 4 des Ständers 3 sowie
in den Gicklungsstäben einschließlich der XicklungEstirnteile 5 sind Eanäle 6 zum
Durchströmen der Kühlflüssigkeit ausgeführt.
-
Es ist von Vorteil, die genannten Kanäle zur Herabsetzung des Strömungswiderstandes
als Axialkanäle auszuführen.
-
Der luftdichte Mantel 2 bildet, wie dies in der Figur gezeigt ist,
ringförmige Zellen 7 und 8 für Stirnteile 5 der Wicklung des Ständers 3, welche
von dem Gehäuse des Ständers 3, den Stirndeckeln, dem luftdichten Mantel 2 sowie
dem Endteil des Kernes 4 des Ständers 3 begrenzt sind. Die Zellen 7 und 8 sind mittels
der Kanäle 6 sowie durch eine mindestens teilweise über dem Ständer 3 verlegte AuBenrohrleitung
miteinander verbunden. Die Außenrohrleitung ist für den Umlauf der Kühlflüssigkeit
bestimmt und schließt den von den Zellen 7 und 8 für Stirnteile der Ständerwicklung,
den Kanälen 6, dem aufsteigenden Strang 9 sowie den absteigenden Strang 10 gebildeten
Kreislauf ab. Im oberen Teil des absteigenden Strange8 10 ist ein Kühler 11 angeordnet.
-
Der gesamte Raum des Ständers 3 sowie der Kreislauf werden mit Kühlflüssigkeit
gefüllt. 81s Kühlflüssigkeit wird
eine isolierstoff- und baustoffbezogene
inaktive Flüssigkeit mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand verwendet.
-
Zum Ausgleich der Wärmeausdehnung der Kühlflüssigkeit kann eine beliebige
an sich bekannte und geeignete Vorrichtung, beispielsweise ein Dehnungeauegleichgeiaß
12, eingesetzt werden.
-
Nach einer möglichen Ausführungsvariante der erfindung weist die
erfindungagemaBe elektrische Maschine einen Heizkörper 13 auf, der im aufsteigenden
Strang des Kreislaufs angeordnet und für die Beschleunigung des gerichteten Umlaufs
im Zeitpunkt des Anlassens der elektrischen Maschine bestimmt ist. Als Heizkörper
13 kann ein beliebiger ansich bekannter Erhitzer genügender Leistung eingesetzt
werden, wobei ein Heizleiter bevorzugt wird.
-
Es ist von Vorteil, den Heizkörper 13 im unteren Teil des aufsteigenden
Stranges des Kreislaufs in unmittelbarer Nähe vom Stander 3 anzuordnen, wie dies
in der Figur gezeigt ist.
-
Zur Erhöhung der Kreislaufwirkung sind der aufsteigende Strang sowie
der an diesen anliegende Teil des Ständers 3 mit Wärmeisolierung 14 versehen.
-
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, insbesondere
des Turbogenerators, besteht im folgenden. Da Kraftwerke heutzutage nach dem Baugruppenprinzip
gebaut werden, wird der Turbogenerator nur beim Anlassen der gesamten Baugruppe
angelassen. Das Anlassen wird in naohstehender Reihenfolge vorgenommen.
-
Zunächst wird die Kesselanlage und dann die Dampf
turbine
in Betrieb gesetzt. Kurz vor dem Anlassen der Turbine wird der Kühler 11 eingeschaltet.
Da die Temperatur der Kühlflüssigkeit über den gesamten Kreislauf gleich ist, ist
die Wichte der Kühlflüssigkeit gleich groß und der Druck in den Zellen 7 und 8 somit
gleich stark, weil die Druckstärke durch die Wichte der Kühlflüssigkeit und die
Höhe des aufsteigenden und des absteigenden Stranges9 bzw. 10 des Kreislaufs über
dem Gehäuse des Ständers 3 bestimmt wird. Unter diesen Bedingungen bleibt die Flüssigkeit
im Kreislauf unbeweglich. Nach dem Einschalten des Kühlers 11 wird die Flüssigkeit
im Kühlerraum gekühlt und durch den absteigenden Strang 10 abwärts gefördert, so
daß die eine höhere Temperatur aufweisende Flüssigkeit verdrängt wid. Im Ausmaß
des Abfalls der Flüssigkeitstemperatur im absteigenden Strang 10 nimmt der Druck
in der Zelle 8 zu. Die Kühlflüssigkeit strömt infolge der auftretenden Druckdifferenz
in den Zellen 7 und z aus der Zelle 8 in die Zelle 7 über. Nachdem der vorgegebene
Durchfluß der Kühlflüssigkeit in den Kanälen 6 des Ständers erreicht ist (der Durchfluß
wird durch die Differenz der Kühlflüssigkeitstemperatur im aufsteigenden und im
absteigenden Strang 9 bzw. 10 des Kreislaufs bestimmt und überwacht), wird die elektrische
Maschine eingeschaltet. Durch einen Teil der Wärmeverluste in wirksamen Teilen des
Ständers 3 wird die Kühlflüssigkeit in den Kanälen 6 des Ständers 3 erwärmt. Die
in den Kanälen 6 erwärmte Flüssigkeit strömt über die Zelle 7 durch den aufsteigenden
Strang 9 des Kreislaufs zum Kühler 11. Die erwähnte Temperaturdifferenz wird erhöht,
die Druckdifferenz in den Zellen und somit der Durchfluß in den Kanälen 6 des Ständers
nehmen zu. Dabei wird aber
der Anteil der Wärmeverluste an der
Erwärmung der Flüssigkeit in den Kanälen 6 ebenfalls vergrößert.
-
Durch zügige Beanspruchung der elektrischen Maschine wird der optimale
Nennbetrieb der ganzen Anlage gesichert.
-
Zur Beschleunigung des gerichteten Umlaufs der Kühlflüssigkeit in
den Kanälen 6 des Ständers 3 ist es zweckmäßig, den aufsteigenden Strang 9 mit einem
Heizkörper 13 zu versehen. Der Heizkörper wird zusammen mit dem Fühler 11 eingeschaltet
und ermöglicht es, die erforderliche Differenz der Flüssigkeitstemperatur im aufsteigenden
und im absteigenden Strang 9 bzw. 10 des Kreislaufs sohneller zu erreichen. Der
Heizkörper 13 wird abgeschaltet, wenn der stabile Nennbetrieb der elektrischen Maschine
erreicht ist. Der erwähnte Heizkörper 13 kann ferner für die Sicherung des auverlässigen
Wechselbetriebs der elektrischen Maschine eingesetzt werden. Dabei wird der Heizkörper
nötigenfalls abhängig von der Differenz der Flüssigkeitstemperatur im aufsteigenden
und im absteigenden Strang automatisch eingeschaltet. Zur Erhöhung der Wirksamkeit
ist es zweckmäßig, den Heizkörper 13 im unteren Teil des aufsteigenden Stranges
9 in unmittelbarer Nähe vom Ständer 3 anzuordnen. Die Länge des aufsteigenden Stranges
9 kann 5 bis 10 m, dessen Durchmesser 0,3 bis 0,5 m und der Unterschied zwischen
der Rohrwandungs- und der Umgebungstemperatur 50 bis 800C betrages.
-
Unter solchen Bedingungen ist der Wärmeaustausch genügend wirksam,
was zur Bildung von Sekundärwirbelung der durch den aufsteigenden Strang 9 aufwärts
strömenden Flüssigkeit führen kann. Infolge der erwähnten Wirbelung kommt es zur
Vergrößerung des Strömungswiderstandes, was seinerseits zu einiger
Herabsetzung
des Wirkungsgrades der Anlage beiträgt.
-
Es ist deshalb zweckmäßig, den aufsteigenden Strang 9 mit der 'ffiårmeisolierung
14 zu versehen. Aus demselben Grunde wird auch der an den aufsteigenden Strang anliegende
Teil des Genäuses des Ständers 3 wärmeisoliert.
-
Effektivität, Stabilität und Zuverlässigkeit der beschriebenen Anlage
wurden durch zahlreiche Untersuchungen bestätigt.
-
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine enthält also einen Läufer
1 und einen Ständer 3, der mit Flüssigkeit gefüllt wird und vom Läufer durch einen
luftdichten Mantel 2 abgetrennt -ist, welcher Zellen 7 und 8 für Stirnteile 5 der
Wicklung des Ständers 3 bildet. Im Ständer 3 sind Kanäle 6 zum Durchströmen der
Kühlflüssigkeit ausgeführt, durch welche die genannten Zellen miteinander verbunden
werden. Die mindestens teilweise über dem Ständer 3 verlegte Außenrohrleitung bildet
einen aufsteigenden sowie einen absteigenden Strang 9 bzw. 10 des Kreislaufs der
KühlElüssigkeit, von welchen jeder mit je einer der genannten Zellen yerbunden ist.
In, oberen Teil des absteigenden Stranges 10 ist ein Kühler 11 angeordnet, welcher
den durch die Differenz der Wichten der erwärmten und der gekühlten Flüssigkeit
bedingten Eigenkreislauf der Kühl-flüssigkeit abschließt.
-
Die Erfindung eignet sich besonders für die Herstellung yon leistungsfähigen
elektrischen Maschinen, insbesondere yon Turbogeneratoren.