Einrichtung mit einer"in einem Gehäuse angeordneten elektri¬ schen Wicklung, einer Durchführung sowie einem Verbindungs- stück

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, umfassend eine in einem Gehäuse angeordnete elektrische Wicklung, eine elek¬ trisch leitfähige, aus dem Gehäuse herausführende und mit dem Gehäuse starr verbundene elektrische Durchführung sowie ein Verbindungsstück, über das die Wicklung mit der Durchführung elektrisch verbunden ist, wobei im Betrieb die Wicklung rela¬ tiv zum Gehäuse einer Beanspruchung durch eine mechanische Schwingung mit einer vorgegebenen Frequenz ausgesetzt ist.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine solche Ein¬ richtung, bei der das Gehäuse und die Wicklung zu einer elek¬ trischen Synchronmaschine, insbesondere einem Turbogenerator, gehören.

In einem elektrischen Generator hat die erwähnte Wicklung üb¬ licherweise eine im wesentlichen kreisringzylindrische Ge¬ stalt mit einem inneren Raum, in welchem ein Rotor um eine Achse drehbar angeordnet ist. Dieser Rotor erzeugt ein sta- tionäres Magnetfeld, welches die Wicklung durchsetzt und durch Drehen des Rotors gedreht wird. Hierdurch wird in der Wicklung ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, und dieses Wechselfeld induziert in der Wicklung eine elektrische Span¬ nung, welche ihrerseits in einem an die Wicklung angeschlos- senen elektrischen Verbraucher einen elektrischen Strom her¬ vorruft. Umgekehrt ist es auch möglich, elektrische Energie aus einer entsprechenden Quelle mit einer einem Generator äh¬ nelnden Maschine in mechanische Energie umzuformen, wobei die mechanische Energie von dem sich drehenden Rotor abgegeben wird. Geschieht das Drehen des Rotors mit einer vorbeεtimm- ten, zeitlich im wesentlichen konstanten Drehzahl, so spricht man von einer elektrischen Synchronmaschine. Ein Beispiel für

eine solche Synchronmaschine ist ein Turbogenerator, welcher mechanische Energie, die von einer Turbine geliefert wird, umformt in elektrische Energie, welche in ein öffentliches Stromversorgungsnetz eingespeist wird. Die Drehfrequenz des Turbogenerators entspricht dabei der Nennfrequenz des Strom¬ versorgungsnetzes oder einem Bruchteil dieser Nennfrequenz; dies ist abhängig davon, wieviele Paare an magnetischen Polen der Rotor trägt. Üblich sind Turbogeneratoren mit zwei oder vier magnetischen Polen auf dem Rotor.

Das magnetische Wechselfeld, dem die Wicklung ausgesetzt ist, führt zu einer mechanischen Belastung der Wicklung, denn wenn durch Induktion in der Wicklung elektrischer Strom fließt, so erzeugt dieser seinerseits ein Magnetfeld, welches mit dem von dem Rotor erzeugten magnetischen Wechselfeld Wechsel- wirkt. Dabei ergeben sich oszillierende mechanische Kräfte, welche in der Wicklung mechanische Schwingungen hervorrufen. Diese Kräfte werden noch verstärkt, wenn, wie dies üblich ist, die Wicklung in ein ferromagnetischeε Joch eingebettet ist. Das magnetische Wechselfeld führt dann zu einer mechani¬ schen Beanspruchung des gesamten Joches, woraus sich unter Umständen eine verstärkte betriebliche Beanspruchung der Wicklung ergibt. Diese mechanische Beanspruchung ist übli¬ cherweise gekennzeichnet durch eine vorgegebene Frequenz, welche der doppelten Drehfrequenz des Rotors entspricht; ist die Maschine eine Synchronmaschine, so ist diese Frequenz also fest vorgegeben.

Da das Gehäuse, welches die Wicklung umgibt, üblicherweise fest verankert ist, werden die mechanischen Schwingungen nicht in wesentlichem Umfang auf das Gehäuse übertragen, son¬ dern zwischen dem Gehäuse und der Wicklung aufgefangen und abgebaut. Dies geschieht hauptsächlich über Stützen, die die Wicklung gegen das Gehäuse abstützen.

Auch spezielle Leitungen, mit welchen die Wicklung an einen Verbraucher oder ein Stromverεorgungsnetz angeschlossen wer-

den soll, müssen zwischen der Wicklung einerseits und mit dem Gehäuse starr verbundenen Durchführungen andererseits, welche jeweils eine Leitung isoliert durch das Gehäuse hindurchfüh¬ ren, die mechanischen Schwingungen abbauen. Zu diesem Zweck enthalten diese Leitungen Verbindungsstücke, wobei ein sol¬ ches Verbindungsstück jeweils zwischen der Wicklung und einer Durchführung angeordnet ist. Dieses Verbindungsstück enthält ein elastisches Band oder dergleichen, welches die Schwingun¬ gen abbaut. Eine Ausführungsform für ein solches Verbindungs- stück ist ersichtlich aus der DE 44 34 341 AI. Eine Ausfüh¬ rungsform für eine Durchführung ist der DE 44 34 072 AI ent¬ nehmbar.

In der CH 486 147 ist ein Turbogenerator großer Leistung mit direkt gekühlter Statorwicklung und ebenfalls direkt gekühl¬ ten Ableitungen beschrieben. Zwischen den aus Hohlleitern be¬ stehenden, aus dem Statorgehäuse führenden Ableitungen der Statorwicklung und den entsprechenden Durchführungsklemmen am Statorgehäuse ist eine flexible Verbindung vorgesehen, die aus mehreren spiralförmigen, parallel geschalteten, stromlei¬ tenden Rohrstücken gebildet ist. Diese Rohrstücke sind sowohl ableitungsseitig als auch durchführungsseitig an einem jewei¬ ligen Anschlußkopf angeschlossen. Die Anschlußköpfe sind gleichzeitig als Verteilkammern für Kühlwasser ausgebildet. Ein der flexiblen Verbindung zugrundeliegender Zweck ist es, daß thermisch bedingte Bewegungen der Ableitungen von den Durchführungen ferngehalten werden. Mechanische Belastungen durch vom Turbogenerator hervorgerufene Schwingungen treten außerhalb des Statorgehäuses nicht mehr auf.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der ein¬ gangs genannten Art anzugeben, deren Belastbarkeit für den angestrebten Verwendungszweck gegenüber den Einrichtungen des Standes der Technik wesentlich erhöht ist und die eine gegen- über den Einrichtungen des Standes der Technik wesentlich

verbesserte Belastbarkeit gegenüber den zu erwartenden Bean¬ spruchungen durch Schwingungen aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient erfindungsgemäß eine Einrich- tung, umfassend eine in einem Gehäuse angeordnete elektrische Wicklung, eine elektrisch leitfähige, aus dem Gehäuse heraus¬ führende und mit dem Gehäuse starr verbundene elektrische Durchführung sowie ein Verbindungsstück, über das die Wick¬ lung mit der Durchführung elektrisch verbunden ist, wobei die Wicklung relativ zum Gehäuse einer betrieblichen Beanspru¬ chung durch eine mechanische Schwingung mit einer vorgegebe¬ nen Frequenz aussetzbar ist, a) wobei das Verbindungsstück aus mehreren Teilen zusammenge¬ setzt ist; b) wobei das Verbindungsstück als im wesentlichen homogene Feder ausgebildet ist; c) und wobei eine jede erste Verbindungsstelle zwischen zwei Teilen des Verbindungsstücks hinsichtlich der mechanischen Schwingung versteift ist.

Bei dieser Einrichtung wird die geforderte Flexibilität zur Vermeidung unzulässiger mechanischer Spannungen aufgrund von Wärmedehnungen und mechanischen Schwingungen ohne Einsatz von flexiblen Bändern oder dergleichen erreicht. Durch die Aus- bildung des Verbindungsstücks als im wesentliche homogene Fe¬ der, d.h. als Bauelement, welches funktioneil vergleichbar ist einer Blattfeder oder Spiralfeder, ist das Verbindungs¬ stück als Ganzes elastisch. Weiterhin werden durch den Aufbau des Verbindungsstücks aus mehreren Teilen beim Zusammenbauen allfällig vorkommende Maßabweichungen ausgleichbar. Außerdem ist jede erste Verbindungsstelle zwischen den mindestens zwei Teilen des Verbindungsstücks hinsichtlich der mechanischen Schwingung versteift, damit sich dort keine Resonanz aufbauen kann, wenn das Verbindungsstück im Betrieb der Wicklung der mechanischen Schwingung ausgesetzt ist.

Vorzugsweise ist das Verbindungsstück in der Einrichtung an einer jeweiligen zweiten Verbindungsstelle einerseits mit der Wicklung und andererseits mit der Durchführung verbunden, wo¬ bei zumindest zwei Verbindungsstellen, ausgewählt aus der Gruppe umfassend die erste Verbindungsstelle und die zweiten Verbindungsstellen, eine maßtolerante Verbindung in einer je¬ weiligen Verbindungsebene ermöglichen, und wobei die Verbin¬ dungsebenen schief, vorzugsweise rechtwinklig, zueinander an¬ geordnet sind. Diese Weiterbildung der Einrichtung ermöglicht es, Maßtoleranzen in drei Dimensionen auszugleichen. Das Ver¬ bindungsstück kann damit im wesentlichen spannungsfrei zwi¬ schen die Wicklung und die Durchführung eingefügt werden. Me¬ chanische Belastungen dieses Verbindungsstücks treten somit nur noch durch Wärmedehnungen, wenn die Wicklung sich während ihres Betriebs erwärmt, und durch die besagte mechanische Schwingung auf.

Das Verbindungsstück hat außerdem vorzugsweise eine S-förmig geschwungene Form, da diese Form besonders nachgiebig ist und einer eventuellen Wärmedehnung folgen kann, ohne daß dabei mechanische Spannungen in wesentlicher Höhe aufgebaut werden.

Vorzugsweise ist das Verbindungsstück durch eine steife Ab- stützung der ersten Verbindungsstelle gegen das Gehäuse oder gegen die Wicklung hinsichtlich der mechanischen Schwingung versteift. Durch eine solche steife Abstützung ist sicherge¬ stellt, daß sich an der ersten Verbindungsstelle keine über¬ mäßig starke Resonanz aufbauen kann, wenn das Verbindungs¬ stück der mechanischen Schwingung ausgesetzt wird. Dies kommt der Belastbarkeit und der Lebensdauer des Verbindungsstücks zugute.

Das Verbindungsstück besteht vorzugsweise aus Kupfermaterial, wobei vorzugsweise ein Kupfermaterial in Frage kommt, welches auch sonst für Leitungszwecke in der Energietechnik verwendet wird.

Die Teile des Verbindungsstücks sind an der ersten Verbin¬ dungsstelle vorzugsweise durch Schrauben miteinander verbun¬ den. Schrauben kommen auch vorzugsweise an der zweiten Ver¬ bindungsstelle, an welcher das Verbindungsstück mit der Wick- lung und/oder der Durchführung verbunden ist, zum Einsatz. Bevorzugt ist dabei jede Schraube durch ein Langloch geführt und ermöglicht somit eine maßtolerante Verbindung.

Das Verbindungsstück ist vorzugsweise so ausgestaltet, daß es bezüglich der mechanischen Schwingung keine wesentliche Ener¬ giespeicherfähigkeit hat. Damit wird dem Entstehen einer Re¬ sonanz entgegengewirkt. Dieses Merkmal ist folgendermaßen zu verstehen: Ein schwingungsfähiges System, welches zu einer Resonanz fähig ist, ist generell gekennzeichnet dadurch, daß es Schwingungsenergie, die ihm zugeführt wird, zu speichern vermag. Ein stationärer Zustand eines schwingungsfähigen Sy¬ stems ist naturgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die von dem System dissipierte Energie gleich der dem System zugeführten Energie ist. Die Amplitude dieses stationären Zustandes er- gibt sich aus der Summe der zugeführten Energie und der Ener¬ gie, welche das schwingungsfähige System speichert. Diese ge¬ speicherte Energie kann durchaus ein großes Vielfaches der pro Periode der Schwingung zugeführten Energie sein. Die Energiespeicherfähigkeit eines schwingungsfähigen Systems ist somit ein Maß für die Fähigkeit des Systems, eine Resonanz auszubilden. Eine wesentliche Energiespeicherfähigkeit im obigen Sinne liegt dann vor, wenn das Verbindungsstück mehr als diejenige Energie zu speichern vermag, welche dem Verbin¬ dungsstück während einer vollen Periode der Schwingung zuge- führt wird.

Das Gehäuse und die Wicklung der Einrichtung gehören vorzugs¬ weise zu einer elektrischen Synchronmaschine, insbesondere einem Turbogenerator. Der Turbogenerator hat dabei Vorzugs- weise eine Leistung von mehr als 10 MVA, insbesondere mehr als 100 MVA.

Ausführungsbeispiele der Erfindung gehen aus der Zeichnung hervor. Im einzelnen zeigen:

FIG 1 eine perspektivische Darstellung eines Verbin- dungsStücks und

FIG 2 sowie FIG 3 Ausschnitte eines Auεführungsbeispiels der Einrichtung.

Figur 1 zeigt ein Verbindungsstück 1, welches aus einem S- förmig geschwungenen ersten Teil 2 und einem L-förmig geboge¬ nen zweiten Teil 3 zusammengesetzt wird. Beide Teile 2 und 3 bestehen aus Kupfermaterial, wie es üblicherweise in der Energietechnik Verwendung findet. Der erste Teil 2 und der zweite Teil 3 liegen an einer ersten Verbindungsstelle 4 auf¬ einander. Sie werden dort miteinander verschraubt. An den En¬ den des Verbindungsεtücks 1 vorgesehen sind zweite Verbin¬ dungsstellen 5, wo das Verbindungsstück 1 mit einer nicht dargestellten Wicklung bzw. einer nicht dargestellten Durch- führung verschraubt wird, vergl. Figuren 2 und 3. Für die

Versehraubungen vorgesehen sind Rundlöcher 6 im ersten Teil 2 sowie Langlöcher 7 im zweiten Teil 3 an der ersten Verbin¬ dungsstelle 4. Außerdem sind Langlöcher 7 an beiden zweiten Verbindungsstellen 5 angebracht. Die Langlöcher 7 erlauben es, an den Verbindungsstellen 4 und 5 maßtolerante Verbindun¬ gen herzustellen, ohne daß es beim Einbau einer Verbiegung der Teile 2 und 3 bedarf. Somit ergibt sich eine besonderε εpannungsarme Anordnung. Mit Spannungen ist lediglich auf¬ grund von Wärmedehnungen oder Schwingungen zu rechnen. Die jeweiligen Langlöcher 7 an den zweiten Verbindungsstellen 5 liegen in einer jeweiligen Verbindungsebene 5A bzw. 5B. Die Verbindungsebenen 5A und 5B schließen miteinander einen Win¬ kel α von etwa 90 ^° ein. Insgesamt weist das Verbindungsstück 1 eine S-förmig geschwungene Form auf und ist damit in der Lage, Wärmedehnungen so auszugleichen, daß allenfalls geringe mechanische Spannungen auftreten. Abweichend von der Darstel¬ lung in Figur 1 können mehr als zwei Rundlöcher 6 und Langlö-

eher 7 an der ersten Verbindungsstelle vorgesehen sein, vergl. Figuren 2 und 3.

Wie ein solches Verbindungsstück 1 mechanische Belastungen durch Schwingungen auffängt, wird nunmehr anhand der Figuren 2 und 3 erläutert.

Figur 2 und Figur 3 zeigen verschiedene Ansichten von Aus¬ schnitten einer Einrichtung, umfassend eine Anzahl von Ver- bindungsstücken 1, wie soeben beschrieben, eine Wicklung 8, die der Übersicht halber jeweils nur teilweise dargestellt ist, Durchführungen 9 und ein Gehäuse 10, mit dem die Durch¬ führungen 9 jeweils starr verbunden, nämlich fest verschraubt sind. Jede Durchführung 9 dient dazu, eine Leitung isoliert durch das Gehäuse 10 hindurch zu der Wicklung 8 zu führen. Jedes Verbindungsstück 1 hat einen in beschriebener Weise zweiteiligen Aufbau und ist S-förmig geschwungen.

Während des Betriebs tritt in der Wicklung 8 eine mechanische Schwingung mit einer vorgegebenen Frequenz auf; diese Fre¬ quenz entspricht dem Doppelten der Drehfrequenz des (nicht dargestellten) Rotors, der ein die Wicklung 8 durchsetzendes, rotierendes magnetisches Feld ausbildet. Im Falle eines Tur¬ bogenerators zur Einspeisung von Energie in ein öffentliches Versorgungsnetz beträgt diese Frequenz 50 Hz, 60 Hz, 100 Hz oder 120 Hz, je nachdem, ob die Frequenz des öffentlichen Versorgungsnetzes 50 oder 60 Hz beträgt, und ob der Rotor vier oder zwei Magnetpole aufweist. Die Amplitude der mecha¬ nischen Schwingung ist im Regelfall nicht sehr hoch; in einem Turbogenerator üblicher Bauart ist mit einer Amplitude von nur etwa 100 μτ zu rechnen. Kritisch kann diese Amplitude für ein Verbindungsstück 1 sein, da dieses Verbindungsstück 1 elektrisch isoliert sein muß und im Regelfall eine ver¬ gleichsweise beträchtliche freie Länge hat. Als Größenordnung für die Länge sei hier ein Wert von einem Meter genannt.

Im Hinblick auf die Schwingung besonders kritisch ist die er¬ ste Verbindungsstelle 4, an welcher die beiden Teile 2, 3 des Verbindungsstücks 1 miteinander verbunden sind. Um die erste Verbindungsstelle 4 besonders zu versteifen und damit zu ver- hindern, daß sich dort eine mechanische Schwingung mit einer problematisch hohen Amplitude aufbaut, ist die erste Verbin¬ dungsstelle 4 mit einer steifen Abstützung 11, 12 versehen. Diese ist gebildet aus einer mit dem Verbindungsstück 1 an der ersten Verbindungsstelle 4 verbundenen Lasche 11 sowie aus Traversen 12, mit denen alle Laschen 11 mechanisch fest verbunden sind. Die Traversen 12 sind ihrerseits starr mit dem Gehäuse 10 oder der Wicklung 8, vorzugsweise mit dem Ge¬ häuse 10, verbunden. An der ersten Verbindungsstelle 4 ist das Verbindungsstück 1 mit der Lasche 11 über Schrauben 13 und Muttern 14 verschraubt, in bereits angedeuteter Weise. Ebenfalls verschraubt ist das Verbindungsstück 1 mit der Durchführung 9, vergl. die Muttern 15. Eine Verbindung zwi¬ schen dem Verbindungsstück 1 und der Wicklung 8 erfolgt eben¬ falls über Schrauben (in den Figuren 2 uznd 3 der Übersicht halber nicht dargestellt) oder z.B. durch Löten.

Die Wicklung 8 ist in Figur 2 und Figur 3 nur teilweise dar¬ gestellt. Aus den Figuren 2 und 3 erkennbar ist eine Ringlei¬ tung, welche mit denjenigen Teilen der Wicklung 8, die be- trieblich einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt ist, in

Verbindung steht. Die Konstruktion, der Aufbau und die Funk¬ tion dieser Teile ist allgemein bekannt, so daß sich an die¬ ser Stelle eine detaillierte Erläuterung und eine detail¬ lierte Darstellung erübrigen.

Von großer Bedeutung ist die jeweilige Auslegung des Verbin¬ dungsstücks 1 als homogene Feder, d.h. als Körper, welcher im wesentlichen in seiner Gesamtheit zu der gewünschten Feder- Wirkung beiträgt. Eine homogene Feder kann in an sich geläu- figer Weise dargestellt werden als Blattfeder, Spiralfeder oder Rohrfeder, um einige gebräuchliche Beispiele zu nennen. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß sich mechaniεche Be-

laεtungen über das gesamte Verbindungsstück 1 verteilen und sich nicht auf isolierte Bestandteile des Verbindungsstücks 1, beispielsweise besonders vorgesehene elastische Bänder, konzentrieren. Auf diese Weise wird eine lokale Überbelastung des Verbindungsstücks 1 sicher vermieden. Hierzu leistet auch eine Auslegung des Verbindungsstücks 1 dahingehend, daß die Speicherfähigkeit des Verbindungsstücks 1 für mechanische Energie in Form von Schwingungen auf einen funktioneil unwe¬ sentlichen Wert begrenzt wird, einen Beitrag. Dadurch ist ausgeschlossen, daß das Verbindungsstück 1 als Ganzes oder teilweise im Rahmen der zu erwartenden betrieblichen Bean¬ spruchung in Resonanz geraten und dabei unzuträglich bean¬ sprucht werden könnte. Dadurch sind eine hohe Betriebssicher¬ heit sowie eine lange Gebrauchsdauer des Verbindungsstücks 1 in der Einrichtung gewährleistet.