Verblockungselement für Rotorwickelköpfe bei Turbogeneratoren mit Läuferkappe mit radialen Ventilationsbohrungen

Die Erfindung betrifft ein Verblockungselement für die Rotor kopfwicklung eines Turbogenerators.

Der drehende Teil eines Kraftwerksgenerators dient der Erzeu gung eines Erregerfeldes. Hierzu wird die vom Rotor beher bergte Erregerwicklung mit Gleichstrom beaufschlagt. Aus dem Stromfluss durch die Wicklung (zum Beispiel Kupfer) entsteht Wärme. Diese schlägt sich in erhöhten Temperaturen nieder, welche die Ausnutzbarkeit der Maschine limitiert. Vor allem luftgekühlte Generatoren mit direkt wassergekühlter Ständer wicklung sind durch die Temperaturen in der Rotorwicklung li mitiert. Dies hat zur Entwicklung von Rotorkappen (Läuferkap pen) geführt, welche mit radialen Bohrungen versehen sind.

Diese ermöglichen es nun, dass der Rotorwickelkopf von einer direkten, radial gerichteten Strömung konvektiv gekühlt wird. Dies verbessert das Wärmeabfuhrvermögen um ein Vielfaches. Dies zieht jedoch 2 große Nachteile mit sich:

1) Der erhöhte Volumenstrom durch die Läuferkappe vermindert den Volumenstrom durch die Nutgrundkanäle, welcher zur Küh lung des Aktivteils des Rotors benötig wird.

2) Durch den großen Volumenstrom, der radial aus der Kappe austritt, wird eine Art Barriere zum Luftspalteintritt hin geschaffen, sodass der Ständeraktivteil (zum Beispiel das Blechpaket) nicht mehr gutgekühlt wird.

Eine Verkleinerung der radialen Bohrungen drosselt zwar den Volumenstrom und mindert somit die oben beschriebenen Proble me, jedoch verschlechtern sich die Kühlbedingungen sehr deut lich.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Ausnutzbarkeit eines Turbogenerators zu verbessern. Das Problem wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass das Kühlgas bei Läuferkappen mit radialen Bohrungen ineffizient genutzt wird.

Die Erfindung schafft ein Verblockungselement für Turbogene ratoren, das über eine Einlassöffnung (auf kleinem Radius) und eine Auslassöffnung (auf höchstem Radius) verfügt. Die Auslassöffnung knüpft an die Bohrung durch die Läuferkappe an. Das Element verfügt vorzugsweise über eine Kanalführung, welche das Kühlfluid gezielt an den wärmegenerierenden Kör pern entlangführt, beispielsweise geschlängelt / meanderför- mig .

Die Erfindung sieht ein Verblockungselement (Glas/Plastik) vor, welches durch eingebrachte Gasführungskanäle das Kühlgas gezielt an den zu kühlenden Bauteilen (Wicklung) entlang führt. Das Element ist vorgesehen für eine Anordnung zwischen den Leitern im Rotorwickelkopf. Das gezeigte Beispiel bezieht sich auf eine Platzierung zwischen den Tangentialleitern. Der Einsatz zwischen den Axialleitern ist ebenfalls möglich.

Durch ein solches Element wird der Strömungswiderstand er höht, was eine Reduzierung des Volumenstroms nach sich zieht und somit die oben beschriebenen Problemstellungen löst. Wei terhin wird der strömende Gasfluss optimal an der Wicklung langeführt, was die konvektive Kühlung pro Volumenstrom deut lich verbessert. Ein Merkmal der Erfindung ist es, dass sich die Einlassöffnung des Kanals unten (auf kleinem Radius) und die Auslassöffnung oben (auf höchstem Radius) befinden.

Im Vergleich zur gängigen Rotor-Pumping /Thermo-Siphon Küh lung, verbessert sich das Wärmeabfuhrvermögen sehr deutlich (zum Beispiel Faktor 2,5), wenn diese Elemente eingesetzt werden und mit radialen Ventilationsbohrungen der Rotorkappe kommunizieren . Der Einsatz solcher gelochten Rotorkappen in Verbindung mit den vorgestellten Verblockungselementen mit Kanalstruktur, stellt sowohl für das Neuanlagen-, als auch für das Service geschäft eine Möglichkeit zur zusätzlichen Leistungssteige rung von Turbogeneratoren dar.

Die geplante Verwendung dieser gelochten Läuferkappen unter liegt wie eingangs geschildert dem Problem des hohen Volumen stromkonsums. Dies wird durch die Erfindung gelöst. Für Gene ratoren mit gelochten Rotorkappen zeichnen sich folglich zwei Vorteile ab:

- Bessere Kühlung des Rotor-Aktivteils

- Starker Abbau der Gasschranke am Luftspalteintritt

Durch den vergleichsweise kleineren Volumenstrom, ist die be nötigte Förderleistung des Rotors auch verringert, hieraus folgt ein verbesserter Wirkungsgrad für Maschinen mit geloch ter Läuferkappe.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figu ren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig 1 ein erfindungsgemäßes Verblockungselement 1 mit einem meanderförmigen Kühlkanal 2 auf der Seite, welcher dem Tan gentialleiter zugewandt ist und

Fig 2 eine Rotorkappe mit radialen Bohrungen 5

Die Bezeichnung radial, tangential und axial bezieht sich auf die Ausrichtung der Teilleiter bezüglich der Rotationsachse des Läufers.

Verblockungselemente werden in die Räume zwischen Teilleitern eines Rotorwickelkopfes eingefügt und stabilisieren die Teil leiter gegenseitig. Die Teilleiter können durch Tangential leiter oder Axialleiter gegeben sein. Ein Verblockungselement mag den zwischen zwei Teilleitern aufgespannten Raum nahezu vollständig ausfüllen. Die Verblockungselemente sind aus elektrisch isolierendem Material, wie zum Beispiel Glas, Plastik, Kunststoff oder Keramik, ausgeführt.

In der Ausführungsform nach Fig 1 weist das Verblockungsele ment annähernd Quaderform auf und ist beidseitig mit einer meanderförmigen Kühlkanalstruktur auf den der Wicklung/den Teilleitern zugewandten Oberflächen versehen, welche den Be reich oberhalb des Rotorschaftes mit der Bohrung in der Läu ferkappe hydraulisch verbindet. Der Kühlkanal (die Vertie fung) mag im Querschnitt eine halb-elliptische Form aufwei sen .

Durch die Pumpwirkung (beziehungsweise die Fliehkräfte) wird, wie auch ohne das Element, das Kühlfluid, wie zum Beispiel Gas, Luft, Wasserstoff, radial nach außen gefördert. Das zu sätzliche Element erfüllt drei Aufgaben:

1) Hydraulische Verbindung der Gebiete der Räume unterhalb der Läuferkappe (und unterhalb des Rotorwickelkopfes) mit dem Gebiet oberhalb der Läuferkappe (durch Kanäle) ,

2) Drosselung des Volumenstroms durch Widerstandserhöhung,

3) Führung des Volumenstroms des Kühlfluids an die zu kühlen den Komponenten durch Kühlkanäle an der Oberfläche des Teil leiters/Elements, welche halboffen sind.

Es ist leicht ersichtlich, dass durch die Verblockung deut lich weniger Volumenstrom tritt (beispielsweise lediglich 6%) . Im Vergleich zu einem sehr gängigen Kühlmechanismus (keine Verblockung und keine Bohrungen in der Läuferkappe) dem sogenannten Rotor-Pumping (auch: Thermo-Siphon) zeichnen sich starke Verbesserungen ab.

Trotz des reduzierten Volumenstroms, ist durch die Verblo ckung eine Erhöhung der Wärmeübergangszahl auf das über 2,5- fache möglich. Ohne diese Erfindung, wäre die Wärmeübergangs zahl sogar 3-mal so hoch, jedoch würde dann der fast 20-fache Volumenstrom benötigt. Dies hätte dann die oben angegebenen Nachteile zur Folge. Mögliche Fertigungsmöglichkeiten sind neben dem Fräsen auch das Drucken oder andere Additive Verfahren. Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken an hand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren .

Bezugs _Z eichen

1 - Verblockungselement

2 - Vertiefung, Kanal für Kühlfluid 3 - Einlass an kleinem Radius

4 - Auslass an großem Radius

5 - Bohrung