CH451307A - Turbogeneratorläufer - Google Patents

Description

      Turbogeneratorläufer       Der bei 50 Hz mit 3000 Umdrehungen pro Minute  sich drehende Läufer ist der mechanisch am meisten  beanspruchte Bauteil von zweipoligen elektrischen     Wech-          selstrommaschinen,    den sogenannten Turbogeneratoren.  In den Nuten des     Läuferstahlblockes    befindet sich die  mit Gleichstrom erregte Wicklung. Die     grosse    mechani  sche Beanspruchung tritt im     Läuferblockmaterial    infolge  der eigenen Fliehkräfte des Läuferblockes sowie der  Fliehkräfte des in Eisen gebetteten Teils der Wicklung  auf.  



  Die Fliehkräfte der sich an den beiden Läuferblock  enden befindlichen Verbindungen der Wicklungen, der  sogenannten Wicklungsköpfe, werden von besonders die  sem Zweck dienenden Elementen, den meist aus anti  magnetischem Stahl hergestellten     Bandagekappen    aufge  nommen. Die mechanische Grundbeanspruchung der       Bandagekappen    entsteht durch ihre eigenen Fliehkräfte  sowie durch diejenigen der getragenen Wicklungsteile.  



  Ausser den     fliehkraftbedingten    Grundbeanspruchun  gen entstehen im Läufer noch beachtliche mechanische  Zusatzbeanspruchungen (die aus dem Läufereigenge  wicht verursachten Biegebeanspruchungen, die vom  Schmieden und der Wärmebehandlung zurückgebliebe  nen Spannungen, die fertigungsbedingten Beanspru  chungsüberschüsse und andere).  



  In gesteigertem Masse treten Beanspruchungsüber  schüsse in dem die Wicklungsköpfe fixierenden Bandage  kappensystem auf. Das Auftreten und die Grösse eines  Teils derselben hängt in hohem Masse von der konstruk  tiven Ausbildung ab. Die ungleichmässige Verteilung des  Wicklungsmaterials unter der     Bandagekappe    kann in  derselben eine zusätzliche Biegebeanspruchung hervorru  fen, die konstruktiv nur schwer zu beeinflussen ist. Die  aus der     Vorspannung    der     Bandagekappe    stammenden  Beanspruchungen dagegen können beim Entwurf schon  in einem gewissen Masse bestimmt werden, teilweise  durch die richtige Wahl der Lockerungsdrehzahl (bei der  sich die Kappe vom Sitz ablöst), teilweise durch die    Elastizität der miteinander in Berührung kommenden  Elemente.  



  Das Anbringen von Lüftungsbohrungen in der     Ban-          dagekappe    verursacht grosse örtliche Beanspruchungs  spitzen.  



  Bei     Turbogeneratorläufern    - besonders bei     Hochlei-          stungsmaschinen    - ist ein anderes grundlegendes Pro  blem die intensive Kühlung der Wicklung. Eine ge  bräuchliche Lösung besteht darin, dass das Kühlmedium       (z.B.    Luft, Wasserstoff oder ein anderes Gas) mit dem  Wicklungsmaterial unmittelbar, ohne     Dazwischenschal-          tung    eines Isoliermaterials oder eines anderen zur Wär  meleitung bestimmten Materials in Berührung gelangt.  Mit einer solchen sogenannten unmittelbaren Kühlung  kann man die in den Wicklungen entstehenden Verluste  mit der geringsten Übertemperatur ableiten.  



  Es sind mehrere Arten der unmittelbaren Leiterküh  lung bekannt. Sie weisen im allgemeinen die charakteri  stische Eigenschaft auf, dass die Kühlung der Wickelköp  fe weniger intensiv ist als diejenige des geraden, in Eisen  gebetteten Teils der Wicklung. Die Lösung besteht  nämlich meist darin, dass die Wickelköpfe als Hohlleiter  ausgebildet sind. In deren Kanäle dringt das Kühlgas  durch die in den Wickelköpfen ausgebildeten Öffnungen  oder Bohrungen ein und strömt dann in dem in Eisen  gebetteten Teil von dort wieder hinaus. Im langen  Kühlkanal ist die Erwärmung des Gases gross, so ist  demzufolge am     Ausströmungsort    die Wicklungstempera  tur auch hoch, es entsteht ein sogenannter      Hot-spot ,     ein heisser Punkt.

   Gewöhnlich ist es diese Erscheinung,  die der Belastbarkeit eines unmittelbar gekühlten Läufers  dieser Kühlungsart Schranken setzt.  



  Der andere Nachteil dieser Lösung ist, dass die  grösste Kanallänge der Hohlleiter im Interesse der Erzie  lung einer genügend grossen Gasmenge, bzw. Gasge  schwindigkeit den Querschnitt des Kanals und damit  auch den des Leiters bestimmt. Zu einem genügend  grossen Kanalquerschnitt gehört auch ein grosser Leiter-           querschnitt,    zu diesem aber bei der erreichbaren Strom  dichte ein starker Erregerstrom, bei Maschinen sehr  hoher Leistung 4000 bis 5000 Amperes. Die Herstellung  und Einleitung in die Wicklung von solch grossen  Strömen verursacht aber weitere Sorgen.  



  Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die  erwähnten Nachteile zu beseitigen und einen Turbogene  ratorläufer vorzuschlagen, welcher eine in     Radialnuten     liegende Wicklung und die     Wickelköpfe    niederhaltende       Bandagekappen    aufweist und dadurch gekennzeichnet ist,  dass auf mindestens einer Seite die Wickelköpfe auf  einem aus Isolierstoff gefertigten Zwischenstück und  dieses auf einem an der Stirnseite des     Läuferblockmittel-          teils    befestigten     Zentrierrohr    aufliegen, welches mit axia  len Kanälen versehen ist, wobei von diesen Kanälen  Öffnungen in die Zwischenräume zwischen den Wick  lungssträngen führen,

   welche Wicklungsstränge peripher  verlaufende Kanäle besitzen.  



  In dieser Weise wird erreicht, dass die Wickelkopf  kühlung von der Kühlung des in den Eisenkörper  gebetteten geraden Teils unabhängig ist. Gleichzeitig  werden aber die Kühlkanäle der     Wickelkopfleiter    selbst  in so kurze Abschnitte geteilt, dass die Kanäle     strö-          mungsmässig    alle miteinander parallele     Gasströmungswe-          ge    bilden. Auf diese Art kann der Querschnitt so kurzer  Kanäle und damit der Leiterquerschnitt viel kleiner als  gewöhnlich sein.

   Die Kühlung ist infolge der grossen  Gasmenge, der     grossen    Kühloberfläche und des guten       Wärmeübertragungskoeffizienten,    der durch die kurze       Kühlkanallänge    bedingt ist, sehr wirksam. Der Leiter  querschnitt ist frei wählbar, dadurch     kann    der Erreger  strom niedrig gehalten werden     (z.B.    bei 2000 A auch bei  Maschinen sehr grosser Leistung).  



  Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun an  hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, und  zwar zeigen:       Fig.    la bis     1d    verschiedene Möglichkeiten zur Anord  nung der     Bandagekappen,    der Wicklungsstränge und  eines     Zentrierringes,          Fig.    2 einen Wicklungsstrang in Teilansicht,       Fig.    3a einen     Axialschnitt    durch einen Teil des vorge  schlagenen     Turbogeneratorläufers    und       Fig.    3b einen Querschnitt entlang der Linie     A-A    in       Fig.    3a.  



  Auf den Abbildungen la bis     1d    sind die herkömmli  chen Anordnungsarten ersichtlich. Auf der Abbildung la  ist der sich an Welle 2 geschrumpfte     Zentrierring    4,  daran und an Block 1 ebenfalls geschrumpft die     Banda-          gekappe    3 ersichtlich.  



  Auf der Abbildung     lb    sieht man einen auf die Welle  2 geschrumpften     Zentrierring    4, die darauf geschrumpfte  aber sich nicht an den Block 1 anschliessende Bandage  kappe 3. Abbildung     1c    zeigt eine an den Läuferblock 1  geschrumpfte     Bandagekappe    3, wo der     Zentrierring    frei  fliegend ausgeführt ist.

   In der     Fig.        1d    ist die an den Block  1 und auf den     Zentrierring    4 geschrumpfte     Bandagekap-          pe    3 ersichtlich, wo der     Zentrierring    4 auf dem sich  ebenfalls an Block 1 anschliessenden     Zentrierrohr    5  aufsitzt.  



  Diese verschiedenen Lösungen sind als Folge der sich  immer mehr klärenden Kenntnisse jener Erscheinungen  zustande gekommen, dass sich nämlich die     Durchbiegung     des durch die Lagerreaktion belasteten Wellenendes an  der Stelle der steifen Verbindung auf die     Bandagekappe     überträgt und darin, bzw. an den Schrumpfstellen uner  wünschte, sich wiederholende     Zusatzbeanspruchungen     hervorruft. Die Bestrebungen laufen darauf hinaus, diese    Verbindung zu lockern, elastisch bzw. das     Bandagekap-          pensystem    von der Bewegung des Wellenendes ganz       unabhängig    zu machen.  



  Die vorgeschlagene Lösung erachtet es als überaus  wichtig, das     Bandagekappensystem    von der Welle unab  hängig zu machen und verwendet grundsätzlich die  Lösung nach     Fig.        1d,    wobei ein an die Stirnseite des  Läuferblocks 1 befestigtes     Zentrierrohr    5 die Wicklungs  köpfe sowie einen     Zentrierring    4 unterstützt, worauf das  vom Läuferblock weiter weg befindliche     Bandagekappen-          ende    aufgeschrumpft ist.  



  Wie aus     Fig.3a    und 3b ersichtlich, gelangt beim  vorgeschlagenen Läufer ein     Zentrierrohr    5 zur Anwen  dung, das das     Bandagekappensystem    von den Wellende  formationen unabhängig fixiert und gleichzeitig die unab  hängige Lüftung der Wicklungsköpfe ermöglicht und das  am Läuferblock 1 mit den Schrauben 9 befestigt ist. Auf  einem Isolierzwischenstück 10, das auf das     Zentrierrohr     5 aufgezogen ist, sind die aus Leitern 6 und     Windungsiso-          lationen    8 bestehenden Wicklungsköpfe gesetzt. An das       Zentrierrohr    5 schliesst sich der     Zentrierring    4 an.

    Darauf und auf den Läuferblock 1 ist die     Bandagekappe     3 geschrumpft. An der Stirnseite ist ein mit     Radialschau-          feln    versehener Lüfter 11 angeordnet, um das die Wickel  köpfe kühlende Gas zum Strömen zu bringen.  



  Die Lüftung der Wickelköpfe zeigt ebenfalls     Fig.    3a  und 3b. Das Kühlgas strömt in     Pfeilrichtung    in den  Kanälen 12 des     Zentrierrohres    5 unter die     Wickelköpfe.     Aus diesen Kanälen gelangt das Kühlgas durch die  Bohrungen 13 des     Zentrierrohres    5 und der     Isolierzwi-          schenlage    1     Ozwischen    die     einzelnen        Wickelkopfsäulen.     Die hier untergebrachten, aus Isoliermaterial verfertigten  Distanzstücke ermöglichen es dem Kühlgas, in die Lüf  tungskanäle 7 einzuströmen, die in den Leitern in  Querrichtung ausgebildet sind.

   Charakteristisch für diese  Kanäle ist die kurze Kanallänge und der Umstand, dass  die Kanäle die beiden Seiten der Leitersäule verbinden  und damit das Durchströmen des Kühlgases in     Querr-          richtung    ermöglichen.  



  Das in der Wicklungssäule in Querrichtung durchge  strömte Kühlgas gelangt auf der anderen Seite in einen  Raum, der durch die Bohrungen 15 des     Isolierzwischen-          stückes    10 mit jenen Kanälen 16 des     Zentrierrohres    5  verbunden ist, die durch die Bohrungen 17 des Zentner  ringes 4 unter der Saugwirkung des Lüfters 11 (Radial  lüfter) stehen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Turbogeneratorläufer, welcher eine in Radialnuten liegende Wicklung und die Wickelköpfe niederhaltende Bandagekappen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Seite die Wickelköpfe auf einem aus Isolierstoff gefertigten Zwischenstück (10) und dieses auf eine man der Stirnseite des Läuferblockmittelteiles (1) befestigten Zentrierrohr (5) aufliegen, welches mit axia len Kanälen (12) versehen ist, wobei von diesen Kanälen (12) Öffnungen (15) in die Zwischenräume zwischen den Wicklungssträngen (6, 8) führen, welche Wicklungssträn ge peripher verlaufende Kanäle (7) besitzen.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Turbogeneratorläufer nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass ein Teil der axialen Kanäle (12) entlang des Aussenmantels und ein anderer Teil entlang des Innenmantels des Zentrierrohres (5) geführt ist. 2. Turbogeneratorläufer nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Kanäle (12) des Zentrierrohres (5) auf die Stirnseite des Rohres hinausführen, während weitere Kanäle (12) in Offnungen (17) des Zentrierringes (4) münden, die zu einem Lüfter (11) führen.

   3. Turbogeneratorläufer nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der sich an die Kanäle (12) des Zentrierrohres (5) anschliessenden Öffnungen (17) des Zentrierringes (4) der Breite der Oberfläche desselben entspricht. 4. Turbogeneratorläufer nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrierrohr (5) aus einem Stück hergestellt ist.

   5. Turbogeneratorläufer nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Zentrierrohr (5) aus Metall oder aus Isoliermaterial bzw. deren Kombination verfertigte, dar auf befestigte Elemente axiale Kanäle (12) bilden. 6. Turbogeneratorläufer nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierzwischenstück (10) ein zusammenhängen des, aus Isolierstoff verfertigtes Rohr ist.

   7. Turbogeneratorläufer nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierzwischenstück (10) aus mehreren Teilen besteht und diese auf dem Zentrierrohr (5) befestigt sind.