Kühleinrichtung an einer elektromagnetischen Maschine Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlein richtung an einer elektromagnetischen Maschine, mit einem, flüssigen Kühlmittel.
Es sind bereits eine Reihe von Kühlsystemen für dynamoelektrische Maschinen bekannt. Bei den Hochleistungsgeneratoren wird seit einigen Jahren hauptsächlich Wasserstoff als Kühlmittel verwendet, wobei eine Reihe von Vorkehrungen getroffen wur den, um die Leistung derartiger Maschinen durch Erhöhung der Kühlwirkung des Wasserstoffes zu ver grössern. Eine der genannten Vorkehrungen besteht darin, die Dichte des Wasserstoffes durch erhöhten Druck zu vergrössern, um auf diesem Wege die ther mischen Eigenschaften des Wasserstoffes zu verbes sern. Durch diese Massnahme wird insbesondere die pro Volumeneinheit absorbierte bzw. abgeführte Wärmemenge vergrössert.
Seit einiger Zeit werden auch flüssige Kühlmittel vorgeschlagen. Es wurden hierbei mehrere flüssige Kühlmittel in Betracht ge zogen, einschliesslich geeigneter Petroleumöle, wie dielektrisches Askarel , Wasser usw. Mit dem Han delsnamen Askarel wird eine nicht brennbare Iso- lierflüssigkeit bezeichnet, welche aus Chlorwasser- stoffen besteht. Bei der Zersetzung derselben durch Lichtbogen entwickeln sich nur nicht explosive Gas mischungen.
Maschinen, deren Statorwicklungen durch ein isolierendes Öl gekühlt werden, sind bereits in Betrieb. Weiterhin wurde vorgeschlagen, das Kühl mittel in den Kühlkanälen verdampfen zu lassen, so dass sich die Wärmekapazität des Kühlmittels um die Verdampfungswärme erhöht.
Ein immer zur Verfügung stehendes Kühlmittel, das auch vom Standpunkt des thermischen Wirkungs grades aus gesehen sehr günstig ist, ist Wasser, wel ches neuestens verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht neben an deren flüssigen Kühlmitteln auch die Verwendung von Wasser, und zwar nicht nur zur Kühlung der Sta- torwicklung, sondern auch zur Kühlung der Rotor wicklung. Ein erheblicher Vorteil kann dann erreicht werden, wenn der Siedepunkt von Kühlflüssigkeiten., der gewöhnlich bei relativ niedrigen Drucken liegt, durch erhebliche Erhöhung des Flüssigkeitsdruckes erhöht wird.
Die Temperaturgrenze, bis zu -welcher die Isolationen und andere Materialien der Gene ratorwicklung verwendbar sind, liegt heute wesentlich über 100 C, das heisst über der Siedetemperatur des. Wassers bei atmosphärischem Druck. Wenn daher heute Wasser als Kühlmittel verwendet wird, wird die mögliche Höchsttemperatur nicht durch die Tempe raturstabilität der verwendeten Materialien begrenzt, sondern durch den Siedepunkt des Kühlmittels.
Es ist jedoch -bekannt, dass der Siedepunkt des Wassers durch Erhöhung des Druckes ebenfalls gesteigert wer den kann, so liegt beispielsweise der Siedepunkt des Wassers, bei einem Druck von 4,8 kg/cm2 bei 150 C; bei einem Druck von 7 kgjcm2 bei 164 C und bei einem Druck von 11 kg/cm2 bei 183 C.
Höhere Siedepunkte können durch eine weitere Druckerhöhung erreicht werden.
Bei grossen Generatoren wurde bisher nur der Stator mit .einem flüssigen Kühlmittel gekühlt. Zu sätzlich zu den Problemen, die bei der Kühlung des Stators gelöst werden müssen, müssen bei der Kühr lang des Rotors mittels einer Flüssigkeit weitere Schwierigkeiten überwunden werden. Weitere Pro bleme bei der Kühlung eines.
Rotors mit flüssigen Kühlmitteln sind durch die Zentrifugalkraft bedingt, die sehr stark an den: in den Kühlkanälen des Rotors fliessenden Kühlmitteln angreift, wohingegen über die Schwerkraft hinausgehende Kräfte an den den Stator kühlenden Flüssigkeiten nicht angreifen. Die Zentri fugalkraft bewirkt erhebliche Druckdifferenzen in den Kühlleitungen der Rotorwicklung, wodurch an an- deren Stellen der Leitung geringere Drucke erzeugt werden.
Eine Folge hiervon ist, dass die Flüssigkeit an einigen Stellen relativ leicht verdampft und Gas- einschlüsse entstehen. Wenn die Dichte der Flüssig- keit an den; verschiedenen Teilen des Kühlkanals des Rotors unterschiedlich gross ist, beispielsweise weil das Kühlmittel an einigen Stellen verdampft, besteht weiterhin die Gefahr, dass der Rotor eine gefährliche Unwucht erhält.
Ein weiterer Nachteil von Gasein schlüssen besteht darin, dass die Wärmeabfuhr an den betreffenden Stellen sehr schlecht ist, so d'ass un- gekühlte bzw. heisse Stellen entstehen, welche das thermische Gleichgewicht des Rotors stören können.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Kühleinrichtung an einer elektromagnetischen Ma- schine mit einem flüssigen Kühlmittel, welche da durch gekennzeichnet ist, dass Mittel vorgesehen sind, durch die das flüssige Kühlmittel den Kühlkanälen von einer Flüssigkeitsquelle mit dinem Druck zu geführt wird, der ausreicht, das.
Kühlmittel in allen Teilen der Leiterwicklungen im flüssigen Aggregats zustand zu halten.
Das Kühlsystem gemäss der vorliegenden Erfin dung soll- anschliessend anhand der beiliegenden Zeichnungen, die beispielsweise Ausführungsformen darstellen, näher erläutert werden, wobei die Fig. 1 und 2 je in schematischer Form ein Kühlsystem darstellen.
Bei der Kühlung einer grossen dynamoelektrischen Maschine können sowohl Rotor und- Stator als auch nur einer der beiden Teile gekühlt werden.
Fig. 1 zeigt ein Kühlsystem bei einer dynamoelek trischen Maschine, wie beispielsweise einem Hochlei= stungsgenerator, dessen Rotor schematisch bei 1 und dessen Stator schematisch bei 2 gezeigt ist. Der Sta- tor und Rotor sind mit einem Kühlleitungssystem be- kannter Bauart versehen, wobei die Flüssigkeit durch Kühlkanäle strömt.
Diese Kühlkanäle können ent weder durch die rohrförmigen: Leiter elektrischer Leiter gebildet oder in der Nähe der massiven elek trischen Leiter angeordnet sein. In letztem Fall müs sen die Kühlkanäle in gutem, wärmeaustauschendem Kontakt mit den massiven elektrischen Leitern stehen.
In der Zeichnung ist sowohl: für den Rotor als auch für den Stator je nur ein Kühlkreislauf ein gezeichnet; es können im Bedarfsfalle natürlich selbstverständlich mehrere Kühlkreisläufe vorgese hen werden. Der Kühlkreislauf des Rotors ist mit la, derjenige des Stators mit 2a bezeichnet.
Der Kühl kanal des Stators ist über. geeignete Verbindungslei tungen mit zwei Anschlussstücken 2b und, 2c ver bunden, wobei das Kühlmittel von dem Anschluss- körper 2b seinen Ausgang nimmt und zu dem An- schlusskörper 2c -strömt. An die Rotorwelle liegen zwei Dichtungsorgane 1b und ld an, wobei das Kühl mittel, beispielsweise Wasser,
dem Dichtungsorgan 1b durch eine Leitung 1c zugeführt und von dem Dichtungsorgan 1d mittels einer Leitung 1e abgeführt wird.
Wie aus den Pfeilen an den, Leitungen zu sehen ist, wird das Kühlmittel einem Speichertank 3 ent- nommen und einer Zirkulationspumpe 4 zugeführt. Das die Pumpe 4 verlassende Kühlmittel gelangt zu einem Wärmeaustauscher 5, wo die von dem Gene rator stammende Wärme auf ein: Sekundärkühlmittel übertragen wird, das die Wärme von dem System ab führt.
Von dem Wärmeaustauscher 5 gelangt das Kühlmittel zu dem Entionisierungsgerät 6, wo konti nuierlich alle mineralischen oder metallischen Ionen aus dem Kühlmittel entfernt werden. Das entioni- sierte Kühlmittel strömt nun durch ein Leitfähig- keitsmessgerät 7, welches das Entionisierungsgerät überwacht.
Im Anschluss an das Leitfähigkeitsmessgerät ge langt das Kühlmittel zu Filtern B. Es können hierbei zwei parallel zueinander liegende Filter vorgesehen werden, von denen jeder durch geeignete Ventile ab geschaltet werden kann, so dass während des konti nuierlichen Betriebes jeweils ein Filter ausgewechselt werden kann, während der andere Filter weiter arbei tet.
In ähnlicher Weise kann das Entionisierungs- gerä't 6 und der Kühler bzw. der Wärmeaustauscher 5 von einer Nebenschlussleitung überbrückt sein, etwa in der Art, wie dies 'in der Zeichnung gezeigt ist. Die parallel zu dem Kühler 5 liegende Nebenschlussleitung kann weiterhin dazu verwendet werden, die Kühlwir kung dieses Kühlers zu verändern.
Die von den Filtern $ kommende Leitung spaltet sich in die Leitungen 8a und 8b auf, wobei die Lei tung 8a das Kühlmittel zu dem Stator und die Lei tung 8b Kühlmittel zu dem Rotor leitet. In der Lei tung 8b befindet sich eine Zusatzpumpe 9, die eine nachfolgend erläuterte Aufgabe erfüllt. Das ge brauchte Kühlmittel fliesst von dem Rotor über die Dichtung 1d und die Leitung 1e ab, während das. ge brauchte Kühhnitte@ des: Stators über den Anschluss- körper 2c und die Abflussleitung 2d abgeführt wird.
Der Druck in dem Kühlkreis ist wesentlich höher als bei bisher verwendeten; Kühlsystemen. Der Kühl- mitteldruck ist in dem gesamten Rotor und Stator mindestens 2,4 bis 3,2 kg/cm2. Er kann jedoch Drucke bis zu 11 kg/cm2 und mehr erreichen. Die Bedeutung dieses hohen Druckes ist aus den folgen den Ausführungen zu ersehen.
Wenn das Wasser unter einem relativ geringen Druck stände, wäre die Maximaltemperatur des Kühlmittels die Siedetemperatur des Wassers, das heisst eine Temperatur, die nicht wesentlich über 100 C liegt. Derartige relativ niedrige Betriebstempe raturen sind jedoh unwirtschaftlich, da die heutigen lochentwickelten Isoliermaterialien, die gewöhnlich für Maschinen der genannten Art verwendet werden, Betriebstemperaturen von 120 bis 130 C und mehr zulassen.
Ein Hauptzweck besteht bei der Aufrecht erhaltung eines hohen Druckes darin, dem Kühlmittel einen derartigen Siedepunkt zu verleihen., dass die maximale Betriebstemperatur des Isoliermaterials oder eines anderen Materials, welches die Höchst- betriebs'temperatur begrenzt ausgenutzt wird.
Wenn der Druck auf der angegebenen Höhe gehalten wird, können hohe Betriebstemperaturen aufrechterhalten werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich Gas einschlüsse bilden, die die thermischen Eigenschaften des Kühlmittels verschlechtern und möglicherweise eine mechanische Umwucht zufolge der Dichteände- rung des Kühlmittels in den Kühlkanälen des Rotors hervorrufen.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird der ge wünschte Betriebsdruck des Kühlmittels wie folgt erzeugt: Der minimale Druck in dem gesamten Kühlmit- telsystem kann durch mehrere Wege aufrechterhalten werden. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, über der Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter 3 einen Raum frei zu lassen.
Dieser in Fig. 1 mit 3b bezeich nete Raum wird unter einem entsprechenden Druck gehalten, beispielsweise dadurch, dass dieser Raum über ein Ventil 3d mit einer Quelle von unter Druck stehendem Gas verbunden wird. Hierfür kann bei spielsweise ein, inertes Gas, z. B. Stickstoff, verwendet werden, oder auch Wasserstoff.
Der mit Gas gefüllte Raum stellt ein kompressibles Kissen dar, welches irgendwelche Druckschwankungen, die in dem flüs sigkeitsgefüllten Teil des Kühlmittelkreislaufes ent stehen können, elastisch absorbiert. Es ist ohne wei teres zu ersehen, dass durch entsprechende Einstel lung des Ventils 3d der Druck in dem Vorratsbehäl ter 3 frei gewählt werden: kann.
Wenn bei einem be- stimmten System verhindert werden soll, dass .sich das unter Druck stehende Gas in dem Vorratsbehälter mit dem flüssigen Kühlmittel mischt, kann zur Druck übertragung eine andere Anordnung verwendet wer den. Es ist dann ein bewegliches Organ vorgesehen, welches als ein in den Vorratsbehälter 3 ragender Balg 10 dargestellt ist.
Dieser Balg wird über die Lei tung 10a mit Luft oder einem anderen Gas oder mit Wasser, hydraulischem öl; oder einem anderen unter Druck stehenden Medium gefüllt. Dieses Medium wird mittels eines geeigneten Ventils 10b, welches in die Leitung 10a eingeschlossen ist, unter einem kon stanten Druck gehalten.
Es ist zu ersehen, dass eine Änderung des Druk- kes in dem Balg 10 eine Volumenänderung dieses Balges zur Folge hat, wodurch der Druck des flüssi- gen Kühlmittels in dem geschlossenen Vorratsbehäl ter 3 und in dem angeschlossenen Leitungssystem ent sprechend erhöht oder erniedrigt wird.
Das Kühlwasser wird durch die Pumpe 4 in dem Kühlleitungssystem gefördert. Das druckerzeugende System 3c, 3d oder das druckerzeugende System 10, 10a, 10b hält den gewünschten Minimaldruck in dem System aufrecht, während der durch die Pumpe 4 erzeugte Druck gerade ausreicht, die Reibungskräfte der Flüssigkeit während der Zirkulation durch das Leitungssystem zu überwinden. Die Aufgabe der Hilfspumpe 9 besteht darin, den Druck des durch den Rotor fliessenden Kühlmittels weiter zu erhöhen.
Diese Druckerhöhung ist erforderlich, um die sehr starken Zentrifugalkräfte zu überwinden, denen das Kühlmittel in den Kanälen des Rotors ausgesetzt ist, und die innerhalb des Rotorleitungssystems erheb- liehe Differenzdrucke erzeugen können, die die Ge fahr einer örtlichen Verdampfung des Küh!Imittels mit sich bringen.
Durch Erhöhung des Druckes des zu dem Rotor fliessenden Kühlmittels mittels der Hilfs pumpe 9 wird der Minimaldruck in den Rotorkanälen erhöht, womit auch die Neigung zum örtlichen Ver dampfen des Kühlmittels herabgesetzt ist. Der An lieferungsdruck des, zu dem, Rotor strömenden Kühl- mittels kann grössenordnungsmässig mehrmals so hoch sein wie der Druck des Kühlmittels des Stators.
Die Zeichnung zeigt mehrere druckregulierende Ventile und Nebenschlussleitungen, die die Aufgabe erfüllen, den gewünschten Druck in den Leitungen des Stators und des Rotors aufrechtzuerhalten-. In einer Nebenschlussl,eitung 8d, die die Zuflussleitung 8a zu dem S.tator und die Abflussleitung 3a mitein ander verbindet, befindet sich ein Ventil 8c.
Diese Ventil 8c erfüllt beispielsweise die Aufgabe, den Druck in dem Anschlussbehälter 2b auf einem Wert zwischen beispielsweise 4,8 und 8 kg/em9 zu hal ten.
In ähnlicher Weise befindet sich in einer Neben- schlussleitung 8f, welche die Zuführungsleitung 1c des Rotors und die Abflussleitung 3a miteinander verbindet, ein Druckregulierventil 8e, welches den Druck des zu dem Rotor fliessenden: Kühlmittels kon stant hält.
Das Ventil 8e kann beispielsweise so ein- gestellt sein, dass der Druck des zu dem Rotor fiie- ssenden Kühlmittels einen Wert zwischen 12 und 24 kg/em2 beibehält.
Zusätzlich zu den Ventilen 8e und 8c, welche den Druck des. Kühlmittels konstant halten, der zu dem Rotor bzw. dem Stator fliesst, können zusätz liche Steuerventile vorgesehen sein.
Es kann bei spielsweise ein Ventil 1 f in der Abflussleitung 1e des Rotärs vorgesehen sein und! ein entsprechendes Regulierventil 2e in der Abflussleitung 2d des Sta- tors. Diese Ventile halten den Druck des von dem Rotor bzw.
Stator abfliessenden Mediums konstant und erfüllen somit den Zweck, den vorgesehenen Minimaldruck in den Leitungen des Rotors bzw. Sta- tors aufrechtzuerhalten.
Bei der gezeigten Erläuterung dienen die Ventile l Fund 2e somit dem Zweck, den Druck in allen Teilen der Rotor- bzw. Statorleitungen über dem vor gesehenen Minimum zu halten, während die Steuer ventile 8c und 8e bewirken;
dass der Druck des zu- fliessenden Mediums zu den jeweiligen Kühlkanälen hoch genug ist, um die erforderliche Flussgeschwin- digkeit zur Erlangung der gewünschten Kühlwirkung aufrechtzuerhalten. Wenn der Druck, der an den ver schiedenen Stellen des gesamten Kühlsystems herrscht, wie dies erläutert wurde, konstant'gehalten wird, ist Gewähr dafür gegeben., dass die Flussgeschwindigkeit ausreicht,
um die gewünschten Temperaturen auf- rechtzuerhalten und weiterhin, dass der Druck hoch genug bleibt; um die Bildung von Dampf an allen Stellen der Kühlleitungen zu verhindern.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten System müssen der Vorratsbehälter und alle Speise- und Abflussleitun- gen oberhalb eines vorgesehenen Minimaldruckes ge- halten werden.
Bei einigen Anwendungen kann es jedoch vorteilhaft sein, das in Fig. 2 gezeigte System zu verwenden; welches ähnlich ist wie das in Fig. 1 gezeigte System, jedoch die folgenden Unterschiede aufweist. Bei -der Kühleinrichtung der Fig. 2 stehen der Vorratsbehälter 3b für das:
Kühlmittel, der Kühe ler 5, das Entionisierungsgerät 6 und der Filter 8 lediglich unier dem Druck, der erforderlich ist, um das Kühlmittel durch: die Leitungen zu fördern. Hin gegen, ist eine Pumpe 11 vorgesehen, die den erhöhten Druck für das Kühlmittel erzeugt, der für die Stator- kanäle erforderlich ist.
In gleicher Weise wie bei dem erstgenannten Beispiel ist eine Hilfspumpe 9 vorgesehen., die den erhöhten Druck für die Kühl kanäle in dem -Rotor erzeugt. Von den Unterschie den abgesehen, kann das in Fig. 2 gezeigte System gleich ausgebildet sein wie dasjenige gemäss Fig. 1.
Das in Fig.2 gezeigte System weist gegenüber demjenigen der Fig. 1 den Vorteil auf, dass nur die Kühlkanäle des Generators, also Stator- und Rotor kanäle, unter dem gewünschten erhöhten Druck ste hen, während die übrigen Leitungen unter einem wesentlich geringeren Druck stehen; der, wenn über haupt, nur wenig oberhalb Atmosphärendruck liegen muss.
Weiterhin kann eine Pumpe 12 vorgesehen sein, um nichtkondensierbarc Gase von dem Raum ober halb des Kühlmittelspiegels in dem Vorratsbehälter 3b abzusaugen. Der Vorratsbehälter 3b dient in die sem Fall auch zur Abtrennung von Luft oder anderen, bei den Betriebstemperaturen nicht kondensierbaren Gasen, die durch die Pumpe 12 entfernt werden. Die Entfernung dieser nicht kondensierbaren Gase trägt weiter dazu bei, die Bildung von Lufteinschlüssen zu verhindern.
Wenngleich bei den beschriebenen Beispielen Wasser als Kühlmittel verwendet wurde, können auch andere Kühlmittel herangezogen werden, wie bei spielsweise geeignete Äthylenglykole, flüssige Fluor kohlenstoffe oder flüssige Silikone.
Der in dem Rotor und dem Stator aufrechtzuer haltende Druck hängt von vielen- Faktoren ab; z. B. von der Bauweise oder Dimensionierung des Gene- rators. In den Kanälen: des S'tators muss der Druck lediglich hoch genug sein, um die Bildung von merk lichen Mengen von Dampf bei der gewünschten Be triebstemperatur zu. vermeiden.
Bei dem Rotor hin gegen ist weiterhin die Form der Kanäle massgebend, die Tourenzahl des Rotors sowie die Stärke der Zen- trifugalkräfte; diese Grössen müssen bei der Bestim mung des erforderlichen Minimaldruckes zur Ver hinderung der Dampfbildung für jeden Punkt sorg fähig in Betracht gezogen werden.
Der Druck in den Kanälen des Rotors kann ohne weiteres um den Fak tor 3 oder 4 grösser sein als der erforderliche Druck in den Leitungen des Stators?. Durch die gezeigten Mittel zur Aufrechterhaltung des Druckes. und die Regulierungsmittel kann der Druck in den. jeweiligen Kühlmittelzirkul'ationskreisen auf der gewünschten Höhe gehalten werden. Es sei noch darauf hingewiesen, dass nicht not wendigerweise Rotor und - Stator mit Kühlmittel kanälen versehen sein müssen.
Beispielsweise kann lediglich der Stator auf die beschriebene Weise mit einem flüssigen Kühlmittel gekühlt werden, während der Rotor in bisher bekannter Weise mit Wasserstoff gekühlt wird. Anderseits kann auch der Rotor mit einer Flüssigkeit gekühlt werden, während der Sta- tor durch ein bekanntes Wasserstoffsystem gekühlt wird.
Schliesslich sei noch darauf hingewiesen, dass die Hilfspumpe 9 in den Beispielen nach Fig. 1 und 2 nicht erforderlich ist, wenn die Kanäle in dem Rotor so entworfen bzw. angeordnet sind, dass die Zentri- fugalkräfte selbst den. zur Verhinderung der Dampf bildung erforderlichen überdruck erzeugen.