Gasgekühlte elektrische Vorrichtung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine gasgekühlte elektrische Vorrichtung, insbesondere einen gasgekühlten Generator. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Kühlung einer derartigen elektrischen Vorrichtung.

Stand der Technik

Als Generatoren ausgebildete elektrische Vorrichtungen umfassen in der Regel einen Rotor, einen Stator, sowie ein den Stator umschließendes Gehäuse. In Nuten übereinander angeordnete, aus gegeneinander isolierten Teilleitern aufgebaute Statorwicklungsstäbe sind dabei in einem Statorkörper, insbesondere in einem Statorblechkörper, angeordnet, an deren Stirnseiten sie in einen Wickelkopfraum ragen. Dort sind sie in radialer Richtung und in Umfangsrichtung abgebogen und an ihren Enden elektrisch und mechanisch zu einer Wicklung verbunden. Der Wickelkopfraum nimmt dabei die Statorwickelköpfe sowie wie die Verbinder und Ableiter auf. Bei elektrischen Vorrichtungen mit indirekt gekühlter Statorwicklung wird ein gasförmiges Kühlmittel, in der Regel Kühlluft, im Bereich der Rotornabe in den Rotor eingeleitet. Durch Schlitze im Rotorkranz tritt es in einem Luftspalt aus, um im wesentlichen radial verlaufende Kanäle des Stators

zum Zwecke der Kühlung der Statorwicklung zu beaufschlagen. Ein Teilstrom des Kühlgasstromes wird axial in Richtung auf den Wickelkopfraum umgelenkt und zur Kühlung der dort angeordneten Komponenten, insbesondere der Verbinder und der Ableiter, verwendet. Alternativ kann dieser Teilstrom auch von einer stirnseitig auf dem Rotor montierten Lüftungseinrichtung, insbesondere einem Ventilator oder einem im Bereich der Wickelköpfe angeordneten Fremdventilator bereitgestellt werden. Besonders bei modernen Hochleistungseinrichtungen stellt dabei eine zuverlässige Kühlung der Verbinder und Ableiter eine zunehmende Herausforderung dar. Während der in die Wicklungsnuten eingebettete Teil der Wicklung gezielt gekühlt wird, sind die freiliegenden Wicklungsteile in dem Wickelkopfraum, insbesondere die Verbinder und Ableiter, der Gefahr einer zu hohen Erwärmung ausgesetzt. Aufgrund ihrer Lage, quasi im Windschatten der Wickelköpfe, ist eine definierte Kühlung der Verbinder und Ableiter nur schwierig zu realisieren. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgasstromes in dieser Region ist zudem niedrig und der Kühlgasstrom ist ungleichmäßig verteilt, so dass die Strömungsparameter insgesamt nur schwer zu beherrschen sind.

Druckverluste und Strömungsablenkungen beim Durchströmen der Wickelköpfe bewirken darüber hinaus eine ungleichmäßige Beaufschlagung der nachgeordneten zu kühlenden Komponenten und die vergleichsweise niedrige Strömungsgeschwindigkeit mit der zwangsläufigen Folge der Gefahr einer zumindest lokal ungenügenden Kühlung dieser Komponenten. Eine theoretisch mögliche Erhöhung des Volumenstroms des Kühlgasstromes in diesem Bereich erbringt keine wesentliche Verminderung dieses Problems.

Bei elektrischen Vorrichtungen mit direkt gekühlter Statorwicklung hingegen treten die geschilderten Probleme nicht auf, da das durch Hohlleiter strömende Kühlgas eine ausreichende Kühlung der Leiterstäbe bewirkt. Maßnahmen für

eine derartige direkte Kühlung der Leiterstäbe sind jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden.

Darstellung der Erfindung

Hier setzt die Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet, beschäftigt sich mit dem Problem, ein Kühlgasführungskonzept einer gasgekühlten elektrischen Vorrichtung, insbesondere eines luftgekühlten Generators, bereitzustellen, welches eine zuverlässige Kühlung der Komponenten eines Wickelkopfraumes, insbesondere der Verbinder und Ableiter, gewährleistet und dabei mit einem geringen Aufwand erstellt und/oder nachgerüstet werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer gasgekühlten elektrischen Vorrichtung im Bereich deren Wickelköpfe strömungsleitende Leiteinrichtungen anzuordnen mit dem Ziel der Einstellung definierter Strömungsverhältnisse, um das Kühlgas gezielt den der Gefahr einer erhöhten Erwärmung ausgesetzten Komponenten zuführen zu können. Hierdurch soll eine bisher unkontrollierte Kühlgasströmung nunmehr kanalisiert und zielgerichtet den im Wickelkopfraum angeordneten Komponenten zugeführt werden und dadurch eine zuverlässige Kühlung der Komponenten, verbunden mit einer erhöhten Lebensdauer derselben, erreicht werden.

Zweckmäßig weist die Leiteinrichtung wenigstens ein radial außerhalb und wenigstens ein radial innerhalb der Verbinder und der Ableiter gelegenes Leitelement auf. Die beiden beabstandet zueinander angeordneten Leitelemente bilden dabei einen Kühlgaskanal, welcher es erlaubt, die zu kühlenden Komponenten definierten Strömungsbedingungen auszusetzen und insbesondere eine erhöhte Geschwindigkeit des Kühlgasstromes zu erzeugen, wodurch eine zuverlässige Kühlung eben erwähnter Komponenten gewährleistet werden kann.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung bilden die Leitelemente an ihren vom Statorgehäuse abgewandeten Enden einen Einlass für den Kühlgasstrom. Die Einstellung klarer Strömungsverhältnisse in dem ausgebildeten Strömungskanal, welcher durch die beiden Leitelemente gebildet wird, bedingt eine entsprechende Anordnung von Ein- bzw. Austrittsöffnungen für das Kühlgas. Durch den definierten Einlass, gebildet durch die Leitelemente, wird zugleich ein definierter Einlassquerschnitt gebildet und dadurch eine exakt festgelegte Kühlgasströmung bzw. eine definierte und zuverlässige Kühlung der im Wickelkopfraum angeordnete Komponenten erreicht.

Generell bestehen die Vorteile der Erfindung darin, dass der Kühlgasstrom nunmehr gezielt geführt wird und dadurch im Bereich der Verbinder und Ableiter klare Strömungsverhältnisse und erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten geschaffen werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen dabei, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine Detaildarstellung der elektrischen Vorrichtung im Bereich eines

Wickelkopfs mit einem erfindungsgemäßen Konzept einer verbesserten Kühlgasführung

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch eine elektrische Vorrichtung nach dem

Stand der Technik, bei welcher ein erfindungsgemäßes Konzept nach Fig. 1 angewendet werden kann.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Entsprechend Fig. 2 weist eine elektrische Vorrichtung 13, insbesondere ein Generator, einen Rotor 1 sowie einen diesen umgehenden Stator 2 auf, wobei der Stator 2 ein aus voneinander distanzierten Teilkörpern, insbesondere Teilblechkörpern, aufgebauten Statorkörper, insbesondere einen Statorblechkörper, umfasst, der, analog einem Rotorkranz, aus segmentierten Teilen, insbesondere Blechen, aufgebaut ist und radial verlaufende Kühlschlitze zwischen benachbarten Teilblechkörpern aufweist. Der Statorblechkörper ist von einer Statortragkonstruktion umgeben, welche sich einerseits auf einem nicht gezeigten Fundament abstützt und andererseits mit einem Tragstern verbunden

ist, welcher die vertikalen und horizontalen Kräfte von den Lagern her aufnimmt und in die Tragkonstruktion einleitet.

Darüber hinaus weist die Vorrichtung 13 einen Wickelkopfraum 5 mit einer Wickelkopfabdeckung 4 auf, wobei im Wickelkopfraum 5 Komponenten 7, insbesondere Verbinder 7 und Ableiter 7, angeordnet sind. Zur Kühlung dieser Komponenten 7 im Wickelkopfraum 5 wird ein Kühlgasstrom 8, insbesondere ein Teilstrom 8 des aus dem Rotor 1 ausströmenden Kühlgases in axiale Richtung umgelenkt und in Richtung der Stirnseiten des Stators 2 zu den Wickelköpfen 6 hingeleitet. Dort erfährt der (Teil-)Kühlgasstrom 8 wiederum eine Umlenkung in radialer Richtung und durchströmt zunächst die Wickelköpfe 6, um anschließend die radial weiter außen angeordneten Verbinder 7 und Ableiter 7 zu umströmen. Im weiteren Verlauf wird das Kühlgas über öffnungen 12 im Statorgehäuse 3 abgeführt bzw. abgezogen und je nach Kühlungsart der elektrischen Vorrichtung 13 abgeleitet oder einem Kühler zugeführt. Um die Druckverluste und Strömungsablenkungen beim Durchströmen der Wickelköpfe 6 zu vermeiden, die eine ungleichmäßige Beaufschlagung der nachgeordneten zu kühlenden Komponenten 7 und eine vergleichsweise niedrige Strömungsgeschwindigkeit mit der zwangsläufigen Folge der Gefahr einer zumindest lokal ungenügenden Kühlung dieser Komponenten 7 bewirken, sind zumindest die Verbinder 7 und die Ableiter 7 im Wirkungsbereich wenigstens einer den Kühlgasstrom 8 leitenden Leiteinrichtung 14 angeordnet, die wenigstens ein radial außerhalb der Komponenten 7 gelegenes Leitelement 10 sowie wie im wenigstens ein radial innerhalb der Komponenten 7 gelegenes Leitelement 9 aufweist. Die beiden Leitelemente 9, 10 sind dabei vorzugsweise in Form zweier voneinander beabstandeter und sich in Umfangsrichtung ringförmig erstreckender Wände ausgebildet und bilden zusammen eine kanalartige Führung für den (Teil-) Kühlgasstrom 8.

An ihrem dem Statorgehäuse 3 zugewandten Ende sind die Leitelemente 9, 10 mechanisch mit demselben verbunden. Das radial innere Leitelement 9 und das radial äußere Leitelement 10 sind dabei derart am Statorgehäuse 3 angeordnet, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu diesem und parallel zueinander, dass sie die Komponenten 7, insbesondere die Verbinder 7 und die Ableiter 7, vollständig umschließen. Da die Verbinder 7 in einer Mehrzahl unterschiedlicher Ebenen, hier horizontaler Ebenen, angeordnet sind - in dem gewählten Ausführungsbeispiel sind es fünf übereinander liegende Ebenen - besitzen die Leitelemente 9, 10 eine dementsprechend angepasste axiale Ausdehnung, um die Verbinder 7 und die Ableiter 7 umfassend zu umschließen. Generell können dabei die Leitelemente 9, 10 eine unterschiedliche Axialerstreckung aufweisen, insbesondere kann das radial innere Leitelement 9 eine geringere Axialerstreckung aufweisen als das radial äußere Leitelement 10.

An ihren vom Statorgehäuse 3 abgewandten Enden bilden die beiden Leitelemente 9, 10 einen Einlass 11 für den Kühlgasstrom 8. Der um die Komponenten 7 herumgebildete Kanal ist dabei gemäß Fig. 1 nach oben hin offen.

Eine derartige Gestaltung verhindert eine unkontrollierte bzw. ungleichmäßige Beaufschlagung der Verbinder 7 und Ableiter 7 mit dem gasförmigen Kühlmittel. Nach Durchströmung der Wickelköpfe 6 in radialer Richtung wird der Kühlgasstrom 8 zunächst an einer unmittelbaren und unkontrollierten Beaufschlagung der Komponenten 7 gehindert. Hierbei bewirkt das innere Leitelement 9 eine axiale Ablenkung des Kühlgasstromes 8 entlang seiner Oberfläche hin zu seinem freien, vom Stator 2 abgewandten Ende. Als Folge der herrschenden Druckverhältnisse erfolgt dort eine Strömungsumlenkung in den von den Leitelementen 9, 10 gebildeten Kanal. Infolge des begrenzten zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitts 11 zwischen den Leitelementen 9,

10 erfolgt eine Bündelung und eine Beschleunigung der Kühlgasströmung, was zur Folge hat, dass die Komponenten 7 intensiv und kontrolliert mit Kühlgas beaufschlagt werden. Kühlgasströme von geringer Geschwindigkeit mit einer unkontrollierten Beaufschlagung der im Windschatten der Wickelköpfe 6 liegenden Verbinder 7 und Ableiter 7 sind somit ausgeschlossen.

Die Gestaltung mit frei endenden Leitelementen 9, 10 ist dabei sehr einfach und preiswert erstellbar und/oder nachrüstbar. Sie ist indes nicht zwingend. Alternativ bietet es sich auch an, durch geeignete konstruktive Maßnahmen in dem Einlass

11 zwischen den Leitelementen 9, 10 eine optimale Beaufschlagung der zu kühlenden Komponenten 7 mit dem (Teil-)Kühlgasstrom 8 zu unterstützen. So ist es beispielsweise denkbar, die Leitelemente 9, 10, wie oben erwähnt, unterschiedlich lang, d.h. mit einer unterschiedlichen Axialerstreckung, auszubilden, wobei beispielsweise das radial innere Leitelement 9 kürzer ausgebildet ist. Denkbar ist auch, dass in diesem Bereich der Leitelemente 9, 10 Strömungsleiteinrichtungen, wie beispielsweise Strömungsleitbleche, angeordnet sind, um die Richtung des einströmenden Kühlgasstromes 8 oder dessen Massenstromverteilung über den Strömungsquerschnitt 11 in einer gewünschten Weise zu beeinflussen. Dies kann insbesondere eine Vergleichmäßigung oder gegebenenfalls auch eine gezielte Verungleichmäßigung des einströmenden Kühlgases bewirken, wobei stets eine optimale Beaufschlagung der zu kühlenden Komponenten 7 erreicht werden soll.

Generell kann das radial äußere Leitelement 10 zumindest abschnittsweise eine Außenwand der Wickelkopfabdeckung 4 bilden. Wie Fig. 1 weiter zeigt, sind die dem Statorgehäuse 3 zugewandten Enden der beiden Leitelemente 9, 10 fest mit dem Statorgehäuse 3 verbunden, wobei der Kühlgasstrom 8 durch öffnungen 12 im Statorgehäuse 3 abgezogen werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 13 lässt sich somit eine genau definierte Kühlgasströmung erzeugen und dadurch eine bedarfsgerechte Kühlung der Komponenten 7, insbesondere der Verbinder 7 und/oder der Ableiter 7, erreichen, wodurch insbesondere die Lebensdauer der Vorrichtung 13 erhöht werden kann.

Bezugszeichenliste

Rotor Stator Statorgehäuse Wickelkopfabdeckung Wickelkopfraum Wickelkopf Komponenten, Verbinder, Ableiter Teilstrom/Kühlgasstrom radial inneres Leitelement radial äußeres Leitelement Einlass/Einströmungsquerschnitt Abzugsöffnung für das Kühlgas im Statorgehäuse 3 elektrische Vorrichtung Leiteinrichtung