DE1613402A1 - Fluessigkeitskuehlung der Daempferwicklungen von elektrischen Maschinen - Google Patents

Description

Dlpl.-Ing. Dipl. oee. publ. I)IETRICHLEWiNSKY _1Rn/n, PATENTANWALT I D I 4 H U 4

42 - Goitbordstr.81 11.7.1967

Telefon 561762

SociSte* GSnSrale de Constructions Electriques et I-Ie"caniques,

(ALSTHOM),
Paris lo^me, Avenue KlSber 38 (Frankreich)

„Flüssigkeitskühlung der Dämpferwicklungen von elektrischen Maschinen"

Französische Priorität vom 13. Juli 1966 und vom 24.März 1967 aus den französischen Patentanmeldungen iir. 2695 (Beifort) und Nr. 2743 (Beifort)

Bei einem asynchronen Anlauf eines synchronen oder asynchronen Elektromotors entsteht in der Dämpferwicklung eine thermische Energie, deren Umfang von der kinetischen Energie der anzulassenden Maschine und der Kraft des Widerstandsmoments abhängt.

Der auf das Widerstandsmoment zurückzuführende Erwärmungsanteil kann im allgemeinen durch eine zeitweilige Veränderung des Widerstandsmoments auf einen geringen Wert zurückgeführt werden. Handelt es sich um eine Wechselstromgeneratorturbine, bei der der Wechselstromgenerator als Antriebselement und die Turbine als Pumpe verwendet wird, so kann man beispielsweise eine Verringerung des Widerstandsmoments entweder durch eine Auskupplung des Wechselstromgenerators von der Turbine, durch eine Bypass-Verbindung der zu pumpenden Flüssigkeit oder durch eine Trockenlegung des Turbinenrades erwirken.

Der auf das Widerstandsmoment zurückzuführende Erwärmungsanteil kann hingegen nicht verringert werden, wenn es sich um Aggregate mit großen Trägheitsmassen handelt, wie dies haupt-

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sächlich bei hydraulischen Pumpstationen der Fall ist, wobei diese Erwärmung zu überhohen vierten führen würde, die die Möglichkeit eines asynchronen Anlaufs ausschließen näßten.

Die Möglichkeit, Wicklungen elektrischer Maschinen durch ständigen Flüssigkeitsumlauf zu kühlen, darf wohl als bekannt vorausgesetzt v/erden. Liegt diese Wicklung auf einem in -Dotation befindlichen Teil, so erfordert dieses Kühlverfahren ein von der Konstruktion her kompliziertes Gerät für den Zu- und Abfluß der Flüssigkeit.

Es ist Gegenstand der Erfindung, eine auf einfache Ueise durchzuführende und wirksame Kühlung der Dämpferwicklungen von elektrischen Haschinen im Augenblick des Anlaufes zu schaffen.

~Die Erfindung betrifft einen Rotor, dessen Dämpferwicklung eine thermische Verbindung zu den Kühlkanälen besitzt und zwar dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlflüssigkeitsbehälter im Zentralbereich des Rotors angeordnet ist und daß Behälter und Kühlkanalabschlüsse durch Verbindungsleitungen miteinander kommunizieren und zwar dergestalt, daß eine natürliche Flüssigkeitszirkulation zwischen Kanälen und Behälter beim Anlaufen der als Antriebselement wirkenden elektrischen Maschine stattfinden kann,

Handelt es sich um einen senkrecht angeordneten Rotor, so kann diese natürliche Umlaufbewegung unter Verwendung der Dämpferwicklungserwärmung nach dem Prinzip einer Uarmwasserheizung erfolgen. Die Verbindungsleitungen verbinden somit einerseits das obere Ende· der Kühlkanäle mit dem oberen Teil des Behälters, andererseits das untere Ende der Kühlkanäle mit dem unteren Teil des Behälters.

Zur Nutzbarmachung der natürlichen Kühlflüssigkeits-Zirkulation kann man sich ebenfalls der dynamischen Wirkungen bedie-

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nen, die beim Uralauf oder beim Anlaß Vorgang des Rotors entstehen, beispielsweise der kinetischen Energie, die aus der Differenz der Tangentialgeschwindigkeiten des Kühlflüssigkeitsbehälters und dieser Flüssigkeit selbst entsteht. Die Verbindungsleitungen münden demnach in den Behälter, wobei diese geneigt sind und mit den beiden Lnden der Kühlkanäle in Verbindung stehen.

um während der Beschleunigung des Rotors die Trägheitskraft der Kühlflüssigkeit für den natürlichen Umlauf dieser Flüssigkeit nutzbar zu machen, kann dieser Behälter zudem noch durch radial angeordnete Trennschotts in einzelne Kaminern eingeteilt werden. Die Verbindungs leitungen i.iun-Jen nach Durchdringung dieser Trennschotts in diese Kammern und zwar dergestalt, daß diejenigen der Verbindungsleitungen, die uit einem Ende dieser Kühlkanäle verbunden sind, an einer Saite dieser Trennschotts münden, die mit dem anderen Ende der ilühlkanälc verbundenen an dem anderen Ende dieser Schotts münden.

Die Rotorwelle der Maschine kann hohl sein und ein Teil dieses irellenholilraums kann diesen Behälter bilden.

ioiwendungsbeispiele der Erfindung sollen anhand der beiliegenden Schemata naher beschrieben werden.

fig. 1 zeigt in Schnittdarstellung einen Teil des senkrechten Motors r.iit löihlflüssigkeitszirkulation in der Dcl:.ipferwicklung unter liutzbarraachung des irarmwasserheizeffektes.

Fig. 2 und 3 zeigen in teilweiser Schnittdarstellung im Aufriß bzw. in Draufsicht nach Schnitt III-III einen Teil des Rotors nit KJhlflüssigkeitszirkulation in äer Dämpferwicklung, unter Einwirkung der relativen Tangentialgeschwindigkeit der in Flüssigkeitsbehälter enthaltenen Flüssigkeit und diesem Behälter selbst.

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Fig. 4 zeigt in teilweiser Schnittdarstellung und Oaufsicht einen Teil des Rotors mit Kühlflüssigkeitszirkulation in der Dämpferwicklung und zwar unter Einfluß der Trägheitskraft der Kühlflüssigkeit während der Beschleunigung des Rotors.

Im Beispiel der Fig. 1 trägt eine vertikale hohle Kelle 1 einen Rotor 2 mit Dämpferwicklungsschienen 3. Ein von den Schotts 4 und 5 im Innern der Hohlwelle 1 abgegrenzter Raum bildet den Kühlflüssigkeitsbehäter 6. In den Schienen 3 verlaufen die Kanüle 7, die unmittelbar als Kühlkanäle verwendet v/erden können, in denen man jedoch die Röhren 8 untergebracht het. Die unteren Enden dieser Röhren 3 münden in einen Sammelbehälter 9, die oberen Enden in den Sammelbehälter 10. Der Sammelbehälter 9 ist mit dem unteren Teil des Behälters 6 über die Leitungen 11 verbunden und der Sammelbehälter 10 ist mit dem oberen Teil des Behälters 6 über die Leitungen 12 verbunden.

Beginnt der Rotor umzulaufen, ohne daß eine Erwärmung in den Schienen 3 stattfindet, so findet im System keine Flüssigkeitsumwälzung statt und die in den Leitungen 11 und 12 durch die Zentrifugalkraft entstehenden Drücke heben sich auf. Erhitzen sich jedoch die Schienen 3 wie im Falle des Anlaufens des ilotors, so entsteht durch Konvektion ein Anstieg der erwärmten Flüssigkeit in den zum Sammelbehälter 10 führenden Röhren 8 und das Druckgefälle zwischen der Flüssigkeit der Leitungen 12 und der Flüssigkeit der Leitungen 11 schafft eine aktive Flüssigkeitsuiawälzung zwischen den Röhren 8 der Schienen 3 und dem Behälter 6. Eine Flüssigkeitsbewegung in entgegengesetzter Richtung würde in Abhängigkeit der Temperatur eine Druckveränderung nach sich ziehen, die der des Wassers entgegengesetzt wäre.

Sind die Verluste in den Schienen 3 ausreichend groß und verlaufen diese sehr rasch, um die Flüssigkeit in den Röhren

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gebietsweise zum Sieden zu bringen, so erzeugt die Dampfentwicklung in den Röhren 12 ein Wasserdampfgemisch wesentlich geringerer Dichte als dem der Flüssigkeit in den Leitungen 11, wodurch der Druckunterschied zwischen den Leitungen 11 und 12 beträchtlich zunimmt und die umwälzung erhöht wird. Der somit gebietsweise entstehende Dampf kondensiert im Behälter 6 und gibt seine Wärme an die im Behälter enthaltene Flüssigkeit ab, deren Durchschnittstemperatur damit zunimmt.

Die Anlage kann nunmehr so konzipiert werden, daß die Temperaturerhöhung der im Behälter 6 befindlichen Flüssigkeit unter JLM'ormaldruck nicht zum Erreichen des Siedepunktes ausreicht. Hierzu verwendet man einen großen Behälter mit Niederdruckschotts. Die Anlage kann ebenfalls für eine geringere Flüssigkeitsreserve ausgelegt werden, bei der unter Normaldruck die Siedetemperatur überschritten würde. Hierzu verv/endet man einen Behälter mit Schotts, die für eine höhere Temperatur ausgelegt sind. Schließlich kann eine wesentlich geringere Flüssigkeitsreserve vorgesehen werden und zwar unter Annahme einer Siedepunkts temper a tür der im Behälter enthaltenen Flüssigkeit und einer Abgabe des Dampfes an die Außenluft. Bei dieser Anordnung muß der 3ehälter in bestimmten Zeitabständen nachgefüllt warden.

Der Wert der Wärmeisolierung für eine solche Dämpferwicklung liegt somit wesentlich höher und gestattet den asynchronen Anlauf großer Trägheitsmassen, ohne daß sich das Aggregat hierbei übermäßig erwärmt.

Im Beispiel der Fig. 2 und 3 ist die Hohlwelle 1 entsprechend dem Zylinder 13 ausgeformt, der den Kühlflüssigkeitsbehälter 14 bildet. Die als Kühlkanäle für die Dämpferwicklung fungierenden Röhren 8 münden wie im Beispiel der Fig. 1 in die Sammelbehälter 9 und 10, die über die Leitungen 11 und 12 mit dem Behälter 14 in Verbindung stehen, Fig. 3 enthält das Selena für die Gegenneigung der Enden 15 der Leitungen 12 für den Sammelbehälter 10 und die Enden 16 der Leitungen für den Sammelbehäl-

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ter 9. Uird der Rotor in Drehung "versetzt, so versetzt die innere Fläche des Zylinders die Kühlflüssigkeit durch Reibung ebenfalls in Rotation. Da jedoch der Viskositätsbeiv/ert dieser Flüssigkeit verhältnismäßig gering ist, liegt ihre Winkelgeschwindigkeit wesentlich unter der des Zylinders 13. Die auf die Differenzwinkelgeschwindigkeit zwischen Kühlflüssigkeit und Eehalter zurückzuführende kinetiscae energie schafft somit einen überdruck in Leitung 11 und einen Jnterdruck in Leitung 12, was zu einer Xühlflüssi^keitszirkulation in den Röhren 3 führt.

In Fig. 4, auf der jeweils die gleichen Teile die gleichen Bezugsziffern v/ie in Fig. 3 tragen, ist ein Zylinder 13 dargestellt, der durch die radial verlaufenden Schotts 17 unterteilt ist, wobei die Enden 15 und 16 jeweils an beiden Seiten dieser Schotts einmünden. Bei einer Beschleunigung des Rotors fließt die Kühlflüssigkeit infolge ihrer eigenen irügheitskraft im Dämpfergehäuse v/ie in Fig. 3 dargestellt.Diese Trennschotts 17 können entweder auf der ganzen Höhe des Behälters 14 oder lediglich gegenüber den Enden 15 und 16 angeordnet sein.

Uie bereits in Fig. 2 dargestellt, erfolgt die Flüssigkeitsumwälzung in den Röhren 8 unter den dynamischen Wirkungen des Rotoranlaßvorgangs in gleicher Richtung wie in dem Falle, v/o es zu einer Erwärmung der Dämpferwicklungen kam, allerdings kann auch eine Umwälzung in Gegenrichtung vorgesehen werden.

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Claims (5)

11.7. 1967 SociStS Ge"n£rale de Constructions Electriques et ZleOaniques, (ALSTHOi 1) , Paris l'6Srae, 38, Avenue KlSber (Frankreich) Pa ten tans priiche:

1. Flüssigkeitskühlung der Dämpferwicklungen von elektrischen Maschinen rat Hilfe eines Rotors rait Dämpferwicklung, der rait den Kühlkanälen in warne leitender Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlflüssigkeitsbehälter (6) im Emittieren Bereich des Rotors (1) angeordnet und Verbindung sleitungen (11,12) den Behälter (6) und die Enden der Kühlkanäle (8) verbinden,woraufhin eine natürliche Flüssigkeitsumwälzung zwischen den Kanälen (8) und dem Behälter (6) beim Anlaufen des hierbei als Motor fungierenden Aggregats stattfindet.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Rotor (1) vertikal angeordnet ist, wobei die Verbindungsleitungen (11,12) einerseits das obere Ende der Kühlkanäle (8) an oberen Teil des Behälters (6), andererseits das untere Ende dieser Kühlkanäle (8) mit den unteren Teil des Behälters (6) verbinden.

3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verbindungsleitungen (11,12) in den Behälter (6) münden und mit den beiden Znden der Kühlkanäle (8) verbunden sind.

4. Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (6) durch radial verlaufende Trennschotts (4,5) begrenzt ist und die dort einmündenden Verbindungsleitungen (11,12)

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dort enden und diejenigen der Verbindungsleitungen (11,12), ■ die mit einem Ende der Kühlkanäle (8) verbunden sind,auf
der einen Seite dieser Schotts (4,5), die mit dem anderen
Teil der Kühlkanäle (8) verbunderm an der anderen Seite der Schotts (4,5) einmünden.

5. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) dieses Rotors hohl ist, wobei ein Teil dieser Welle (1) den Behälter (6) bildet.

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