DE3700508A1 - Einrichtung zur gaskuehlung des wickelkopfbereiches von rotorwicklungen dynamoelektrischer maschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gaskühlung des Wickelkopfbereiches von Rotorwick­ lungen dynamoelektrischer Maschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP-A 01 60 887 ist bereits eine Einrichtung mit einer verbesserten Gaskühlung des Wickelkopfbereiches von solchen Rotorwicklungen bekannt. Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus bzw. baut darauf auf. Die in der EP-A 01 60 887 vorgeschlagene Kühlung bewirkt bereits eine deutliche Verbesserung der Temperaturverhältnisse im Wickelkopfbereich. Die dort vorgeschlagene Lösung ist jedoch dadurch begrenzt, daß in die relativ schmalen Zähne des Rotors nur relativ dünne Auslaßkanäle eingebracht werden können, welche als Drosselstellen den Kühlgasstrom in den Wickelkopf- Kühlkanälen begrenzen. Außerdem werden die Rotorwick­ lungen gerade in ihrem kritischsten Bereich, nämlich dem Eintrittsbereich in die Wicklungsnuten, nicht direkt gekühlt, da dort keines der vorgeschlagenen Kühlsysteme seine volle Wirkung entfalten kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine weitere Verbesserung der Kühlung des Wickelkopfbereiches einer Rotorwicklung, insbesondere im Übergangsbereich zu den Wicklungsnuten, zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Einrichtung gemäß dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 vorgeschla­ gen. Durch die Schaffung von Auslaßkanälen entlang der einzelnen Teilleiter kann gerade der kritischste Bereich des Wickelkopfes intensiv gekühlt werden. Die Aussparungen an einzelnen Teilleitern nehmen ihren Anfang vor dem Ein­ tritt der Rotorwicklungen in die Wicklungsnuten und setzen sich innerhalb der Wicklungsnuten fort, bis sie in radial verlaufende Aussparungen übergehen. Die so entstehenden Kühlkanäle liegen innerhalb der Wicklungsnuten und der Isolierstoffbeilagen. Der Querschnitt der Teilleiter wird durch die Aussparungen nur geringfügig geschwächt, was durch die verbesserte Kühlung ausgeglichen wird. Außerdem lassen sich die Aussparungen nötigenfalls so anordnen, daß keine zu starke Schwächung des Leiter­ querschnittes auftritt.

Besonders günstig für die Gesamtkühlung des Wickelkopf­ bereiches ist es, gemäß Anspruch 2 die erfindungsgemäßen Auslaßkanäle strömungstechnisch parallel zu den an sich bekannten, ebenfalls als Auslaß dienenden Zahnkanälen zu schalten. Der Kühlgasstrom im Wickelkopfbereich kann dadurch deutlich erhöht werden, und die bisher störende Drosselwirkung der Zahnkanäle wird kompensiert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 6 angegeben und werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind entweder als alternative oder aber bevor­ zugt als additive Kühlmaßnahmen zu den Anordnungen gemäß dem Stand der Technik anzusehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 perspektivisch im Ausschnitt die Rotorpartie eines Turbogenerators nach dem Stand der Technik mit der zusätzlichen erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines kurzen Stückes einer Rotorwicklung aus dem Übergangsbereich zwischen Wickelkopf und Wicklungsnuten,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch Fig. 2 entlang der Linie III-III unter teilweiser Einbeziehung der umgebenden Bauteile und

Fig. 4 Ansichten von oben auf einzelne Teilleiter im in Fig. 2 dargestellten Bereich.

Zu Fig. 1 muß zunächst festgestellt werden, daß die meisten Einzelheiten dieser Figur aus dem Stande der Tech­ nik gut bekannt sind, so daß hier auf eine ausführliche Erläuterung von Einzelheiten, die für die Erfindung nicht von Bedeutung sind, verzichtet wird. Die Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf den mit einem Kreis gekennzeichneten Bereich 20, den Übergangsbereich zwischen Wickelkopf und Nutenbereich, in welchem gemäß der Erfin­ dung die Strömungsführung des Kühlgases verändert wird. Die neue Strömungsführung ist alternativ oder additiv zu bisher bekannten Strömungsführungen und unabhängig von der genauen Ausbildung anderer Kühlungsmaßnahmen. So kommt es insbesondere auch nicht darauf an, wie die Strömungsführung im Wickelkopfbereich ansonsten gestaltet ist, beispielsweise zweiflutig oder vierflutig.

Fig. 1 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus dem Rotorballen 1 mit Rotorzähnen 2, Wicklungsnuten 3 und Rotorwicklungen 4. Die Rotorwicklungen 4 sind im Bereich der Wicklungsnuten 3 von oberen und seitlichen Isolier­ stoffbeilagen 5, 6 umgeben. Nutenverschlußkeile 7 dienen zur Befestigung der Rotorwicklungen 4 in den Wicklungs­ nuten 3. Im Wickelkopfbereich, d. h. außerhalb der Wicklungsnuten 3, sind entlang der Spulenlängsseiten 8 Wickelkopfkühlkanäle 9 vorgesehen, welche z. B. durch ge­ eignete Maßnahmen eine mäander- oder wellenförmige Kühl­ gasführung ermöglichen. Gemäß dem Stand der Technik gehen solche Wickelkopfkühlkanäle 9 in sogenannte Zahnkanäle 10, 11 über, durch welche das Kühlgas dann austreten kann. Diese Zahnkanäle stellen für die Kühlgasführung im Wickel­ kopfbereich Drosselstellen dar, da die relativ schmalen Rotorzähne 2 aus Festigkeitsgründen keine Bohrungen mit beliebig großem Querschnitt zulassen. Außerdem bewirken die Zahnkanäle 10, 11 zwar eine Kühlung der Zähne im Übergangsbereich, wegen der Isolierstoffbeilagen 6 jedoch nicht direkt der Rotorwicklungen 4, wodurch dort eine Wärmeabfuhr erschwert ist. Die vorliegende Erfindung sieht daher alternativ zu den Zahnkanälen 10, 11, vor­ zugsweise aber additiv zu diesen Kanälen, weitere Aus­ laßkanäle 16, 17 vor, welche,wie anhand der folgenden Figuren noch näher erläutert wird, durch Aussparungen in den Teilleitern der Rotorwicklungen 4 gebildet werden. Hierdurch strömt das Kühlgas gerade im Übergangsbereich direkt entlang der Rotorwicklungen 4, wo die meiste Wärme abzuführen ist. Bei additiver Verwendung der zu­ sätzlichen Auslaßkanäle 16, 17, welche strömungstechnisch parallel zu den Zahnkanälen 10, 11 liegen, kann der Kühl­ gasstrom im Wickelkopfbereich außerdem erheblich erhöht werden, was zusätzlich die Kühlung verbessert. Ein wei­ teres Kühlsystem des Rotors, welches aus Radial-Kühl­ kanälen 14 besteht, welche durch einen Nutengrundkanal 13 mit Kühlgas versorgt werden, wird grundsätzlich durch die erfindungsgemäße Ausführung nicht beeinflußt. Es kann jedoch sinnvoll oder nötig sein, dieses Kühl­ system der Rotorwicklungen 4 durch Weglassen einiger Bohrungen 14 zugunsten des erfindungsgemäßen Systems zu reduzieren, um Festigkeitsprobleme oder zu große Verringerungen des Leiterquerschnittes zu vermeiden. Ansonsten bleibt aber die Aufteilung des Kühlgases im Wickelkopfbereich in Teilströme oberhalb und unterhalb eines isolierenden Abdeckungszylinders 18 unverändert.

Zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Auslaßkanäle dienen die Fig. 2, 3 und 4, in denen die Rotorwicklun­ gen 4, aufgebaut aus mehreren Teilleitern 41 bis 49, in verschiedenen Ansichten bzw. Schnitten ausschnitt­ weise dargestellt sind. Das dargestellte Ausführungs­ beispiel ist nur eines von vielen Möglichkeiten, die sich in Abhängigkeit von den Randbedingungen ergeben können. Grundsätzlich hängen Zahl, Form, Querschnitt und Anordnung der Aussparungen in den Teilleitern von Festig­ keitsüberlegungen, Grenzen der zulässigen Leiterquer­ schnitte, Fertigungsmöglichkeiten und geometrischen Ge­ gebenheiten ab.

Als Beispiel wurde ein aus neun Teilleitern 41 bis 49 aufgebauter Wicklungsstab ausgewählt, welcher mit zusätz­ lichen Auslaßkanälen in Form von geeigneten Aussparungen an einzelnen Teilleitern ausgestattet ist. Das vorliegende Ausführungsbeispiel sieht an jedem zweiten Teilleiter seitliche, in Längsrichtung verlaufende Aussparungen 21 bis 28 vor, welche teilweise unterschiedliche Längen ha­ ben. Diese Aussparungen münden in radialen Aussparungen 31, 32, 33, 34, welche die Verbindung zur Oberseite des Leiterstabes 4 herstellen. Querschnitte und Anzahl dieser Aussparungen bestimmen den maximalen Kühlgasstrom. Die Aussparungen beginnen vor der gestrichelt angedeuteten Grenze 50 des Wickelkopfbereiches, d. h. vor den Enden der Isolierstoffbeilagen 5, 6 im Anfangsbereich der Wicklungs­ nuten. Selbstverständlich müssen zur Vervoll­ ständigung der radialen Auslässe 31, 32, 33, 34, auch in der oberen Isolierstoffbeilage 5 und dem Nutenverschluß­ keil 7,entsprechende Öffnungen 17 vorgesehen werden, welche in Fig. 3 dargestellt und in Fig. 4 gestrichelt angedeutet sind. In dem nicht von der erfindungsgemäßen Ausführung betroffenen restlichen Teil der Rotorwick­ lungen 4 wird die Kühlung gemäß dem Stand der Technik weiterhin von Radial-Kühlkanälen 14 übernommen, welche aus dem Nutengrundkanal 13 mit Kühlgas versorgt werden. Ob diese Radial-Kühlkanäle 14 sich in ihrem Auslaßbereich gabeln, wie in Fig. 1 gezeigt, oder jeweils in einer Aus­ laßöffnung, wie in Fig. 3 dargestellt enden, hängt von der Dimensionierung und anderen konstruktiven Einzelheiten ab und ist für die vorliegende Erfindung unerheblich.

Entscheidend ist, daß die vorhandenen Kühlsysteme nach dem Stand der Technik durch die erfindungsgemäßen Aus­ laßkanäle, insbesondere bei additiver Anwendung, gerade so ergänzt werden, daß der kritische Übergangsbereich zwi­ schen Wicklungskopf und Rotorwicklungen besonders gut ge­ kühlt wird. Die Leistung einer so gekühlten Maschine wird nicht mehr durch die Temperatur in diesem kritischen Be­ reich begrenzt.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Gaskühlung des Wickelkopfbereiches von Rotorwicklungen (4) dynamoelektrischer Maschinen, insbesondere von Turbogeneratoren, wobei der Wickelkopf­ bereich Wickelkopf-Kühlkanäle (9) aufweist, die vorzugs­ weise mäanderförmig oder wellenförmig an den außerhalb des Rotorballens (1) axial verlaufenden Spulenlängsseiten (8) angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wickelkopf-Kühlkanäle (9) mit Auslaßkanälen (16, 17, 21 bis 28, 31 bis 34) verbunden sind, welche innerhalb der Wicklungsnuten (3) des Rotor­ ballens (1) durch Aussparungen und/oder Bohrungen in den Teilleitern (41 bis 49) gebildet werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auslaßkanäle (16, 17, 21 bis 28, 31 bis 34) strömungstechnisch parallel zu an sich bekannten, ebenfalls als Auslaß dienenden Zahnkanälen (10, 11, 12) geschaltet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßkanäle durch seitliche Aussparungen (21 bis 28) entlang eines oder mehrerer Teilleiter (41 bis 49) gebildet werden, welche in etwa radial verlaufende Aussparungen (31 bis 34) übergehen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die radial verlaufenden Aussparungen (31 bis 34) in entsprechende Aussparungen und Bohrungen in den Isolierstoffbeilagen (5) und den Nutenverschlußkeilen (7) münden.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auslaß­ kanäle durch in bezug auf eine oder mehrere Symmetrie­ achsen der Rotorwicklungen (4) symmetrische oder alter­ nierende Aussparungen an einzelnen Teilleitern (41 bis 49) gebildet werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auslaß­ kanäle (16, 17, 21, 28, 31 bis 34) die an sich bekannten, mit einem Nutengrundkanal (13) verbundenen radialen Kühl­ kanäle (14, 15) der Rotorwicklungen (4) im Wickelkopf­ bereich ergänzen oder ersetzen.