DE3145804C2 - Rotor für einen Turbogenerator - Google Patents

Abstract

Rotor für einen Turbogenerator, bei dem die Rotorwicklung über zwei durch je einen gebohrten Leiterkanal geführte Zuführleitungen (8, 9) gespeist wird. Die beiden Leiterkanäle divergieren zueinander. Jeder Leiterkanal ist durch einen Wellenzapfen (4) sowie durch den gesamten oder durch einen Teil des genuteten Rotorabschnittes (2) gebohrt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Rotor ist bekannt aus der DE-OS 15 88 980.
• Bei herkömmlichen Rotoren für Turbogeneratoren (US-PS 31 31 321) gehört zu jeder mit der Rotorwicklung verbundenen Zuführleitung ein Abschnitt, der parallel zur axialen Längsachse des Rotors und in der Nähe dieser Achse verläuft, sowie ein erster radial verlaufender Abschnitt, der in einer radial gerichteten Bohrung untergebracht ist. Beide Abschnitte sind direkt elektrisch miteinander verbunden. Von dem radial gerichteten Abschnitt verläuft die elektrische Verbindung in Form eines in der Rotorwelle eingebetteten, axial verlaufenden Leiters weiter, der schließlich in einen weiteren radial nach außen gerichteten Abschnitt übergeht, welcher an die Rotorwicklung in einem Punkte angeschlossen ist, der von einer Wicklungskappe umschlossen ist. Wenn die Rotordrehzahl von Null auf ihren Höchstwert steigt, wird der Durchmesser der Wicklungskappe unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft erheblich, beispielsweise 5 mm, größer, und man kann davon ausgehen, daß der oben an zweiter Stelle genannte radiale Leiterabschnitt, so wie entsprechende Leiterteile anderer bekannter Rotoren, über ein flexibles Leiterelement mit der Rotorwicklung verbunden ist. Dieses Leiterelement wird auch von Schwingungen mit relativ kleiner Amplitude aber hoher Frequenz beeinflußt, und zwar von Schwingungen, die im wesentlichen durch eine Durchbiegung des genannten ersten Wellenzapfens, d. h. des Wellenzapfens, der nicht an die Antriebsturbine angeschlossen ist, verursacht werden.
• Aus der DE-OS 15 88 980 ist ein Turbogenerator bekannt, bei welchem die Zuführkanäle für die elektrischen Leitungen der Rotorwicklung aus schräg zur Rotorachse verlaufenden Kanälen bestehen, die sich durch einen Wellenzapfen erstrecken und vor dem aktiven, den magnetischen Fluß führenden Abschnitt des Rotors an der Oberfläche der Welle münden, d. h. im Bereich unterhalb der Wicklungskappe, die sich an der Rotorseite befindet, durch deren Zapfen der Kanal verläuft. Diese schrägen Kanäle werden dann verwendet, wenn der zentrale Bereich des Wellenzapfens für eine Kühlleitung zur Kühlung des Rotors in Anspruch genommen wird. Mit dem eigentlichen aktiven Teil des Rotors, der die Wicklungsnuten trägt, kommen die Leiterkanäle also nicht in Berührung. Da die Rotorwicklung oberhalb der Austrittsstelle des Leiterkanals liegt, sind auch hier radial gerichtete Verbindungen zur Rotorwicklung erforderlich. Auch bei dieser Anordnung bestehen Schwierigkeiten bei der Schaffung eines möglichst schwingungsfreien Anschlusses der Zuführleitungen an die Rotorwicklung.
• Aus der US-PS 16 83 676 ist ein Turbogenerator bekannt, bei dem die Zuführung der Leiter zur Rotorwicklung in axialer Richtung durch die magnetisch nicht aktive Rotorwelle erfolgt, und zwar durch einen zunächst achsialen und dann schräg nach außen verlaufenden Leiterkanal. Der magnetisch aktive Teil des Rotors wird an keiner Stelle von den Leiterkanälen berührt. Von dem Mündungspunkt der Leiterkanäle an der Welle werden die Zuführleitungen zu der radial weiter außen sitzenden Rotorwicklung über eine größere Strecke ohne seitliche Abstützung durch den freien Raum weitgehend radial verlaufend geführt. Eine feste Verankerung der Zuführleitungen mit dem Rotorkörper ist nicht vorhanden.
• Es hat sich gezeigt, daß des außerordentlich schwierig ist, eine genügend zuverlässige, flexible Verbindung zwischen der Rotorwicklung und ihrem Stromzuführsystem zu schaffen, und es hat sich gezeigt, daß in den obengenannten flexiblen Leiterelementen nach einer gewissen Betriebszeit Ermüdungsbrüche auftreten können. Bei einer völligen Auftrennung des Leiterelementes entsteht ein Lichtbogen, der zu einer starken Erhitzung der Wicklungskappe führt, die ihrerseits eine ernsthafte Betriebsstörung zur Folge haben kann.
• Es gibt auch Beispiele dafür, daß radiale Leitungskanäle dadurch, daß sie zu mechanischen Spannungskonzentrationen führen, Wellenbrüche verursacht haben.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welchem eine sehr schwingungsfeste Verbindung zwischen den Zuführleitungen und der Rotorwicklung möglich ist.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.
• Dadurch, daß bei der Erfindung die Zuführleitungen den aktiven Teil des Rotorkörpers durchlaufen, können sie unter geringer Neigung beziehungsweise parallel zur Rotorachse an die Rotorwicklung herangeführt werden. Sie können dabei in gleicher Weise wie die achsial verlaufenden Teile der Rotorwicklung festgepreßt werden, so daß sie an den Schwingungen des Rotorkörpers in gleicher Weise teilnehmen wie die Rotorwicklung. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß die Schwingungen der Rotorwicklung zu Deformationen der Zuführleitungen und der Anschlußvorrichtungen relativ zur Rotorwicklung führen.
• Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen die
• Fig. 1-4 in sehr vereinfachter Darstellung vier verschiedene Ausführungsformen eines Rotors gemäß der Erfindung,
• Fig. 5 in Seitenansicht einen Teil des in Fig. 1 gezeigten Rotors ohne Rotorwicklung und ohne Wicklungskappe,
• Fig. 6 den Rotor gemäß Fig. 5 in einer Seitenansicht in Richtung der in Fig. 5 angegebenen Pfeile VI,
• Fig. 7a und b einen Schnitt längs der Linie VII- VII in Fig. 1 für eine erste und eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung,
• Fig. 8 ein Detail des in Fig. 1 gezeigten Rotors im partiellen Axialschnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7a,
• Fig. 9 einen partiellen Schnitt längs der Linie IX-IX in Fig. 8, wobei die koaxial mit der Luftspaltfläche verlaufende Schnittfläche abgewickelt dargestellt ist, die
• Fig. 10-12 Schnitte längs den Linien X-X, XI- XI und XII-XII in Fig. 8.
• Die Fig. 5, 6, 7a, 8, 9, 10, 11 und 12 beziehen sich alle auf die erste Variante des in Fig. 1 gezeigten Rotors.
• In den Fig. 1 bis 4 bezeichnen 1, 1&min;, 1&min;&min; und 1&min;&min;&min; vier verschiedene Ausführungen eines Rotors nach der Erfindung. In sämtlichen Fällen besteht der Rotorkörper aus massivem Stahl und enthält einen im wesentlichen kreiszylindrischen Abschnitt 2 bzw. 2&min;, 2&min;&min;, 2&min;&min;&min;, welcher mit mehreren sich über seine ganze Länge axial erstreckender Wicklungsnuten versehen ist. Ein erster Wellenzapfen 4 bzw. 4&min;, 4&min;&min;, 4&min;&min;&min; und ein zweiter Wellenzapfen 5, bei denen es sich um integrierte Teile des Rotorkörpers handelt, gehen von je einem Ende des kreiszylindrischen Abschnittes 2 aus, wobei der zweite Wellenzapfen 5 mit einem Flansch 7 zum Anschluß an eine Turbine versehen ist. Die nicht dargestellten Wicklungsköpfe (Spulenenden) der Rotorwicklung sind an jedem Rotorende von einer Wicklungskappe 6 umschlossen, die auf dem zylindrischen Abschnitt 2 aufgeschrumpft ist.
• Im folgenden wird zunächst der in den Fig. 1, 5, 6, 7a, 8, 9, 10, 11 und 12 gezeigte Rotor näher beschrieben. Der Rotor 1 erhält den Magnetisierungsstrom entweder von einem nicht dargestellten, mit dem Wellenzapfen 4 mechanisch verbundenen Speiseaggregat oder über an diesem Wellenzapfen angebrachte Schleifringe. Der Magnetisierungsstrom wird der Rotorwicklung über zwei Zuführleitungen 8 und 9 zugeführt, welche den gesamten Wellenzapfen 4 sowie den gesamten zylindrischen Rotorabschnitt 2 durchlaufen und die elektrisch in der Nähe der am Wellenzapfen 5 befindlichen Wicklungsköpfe der Rotorwicklung angeschlossen sind. Die Zuführleitungen 8 und 9 sind in je einem in den Rotorkörper gebohrten Leiterkanal 10 bzw. 11 angeordnet. Diese Leiterkanäle sind auf je einer Seite einer zentralen Ausbohrung 26 (Fig. 5) angeordnet, die eine nicht gezeigte Einlaufleitung und eine nicht gezeigte Rückführleitung für Kühlwasser aufnimmt, das durch die Leiter der Rotorwicklung strömt. Die beiden Leiterkanäle divergieren in Richtung auf den Wellenzapfen 5. Die Projektionen der Kanäle auf eine Axialebene schneiden sich in einem Winkel von mindestens 7°, vorzugsweise mindestens 10°, wenn es sich um diejenige Axialebene handelt, in der sich ein maximaler Schnittwinkel ergibt. Der Teil des mit Wicklungsnuten versehenen zylindrischen Abschnitts 2 des Rotorkörpers, der von den Leiterkanälen 10 und 11 durchlaufen wird, hat eine axiale Länge von vorzugsweise 20 bis 70% der Nutenlänge.
• Der Rotor 1 hat zwölf Wicklungsnuten 13 und sechs Hilfsnuten in Form von Ausgleichsnuten 14, die in bekannter Weise dem Zweck dienen, den Unterschied zwischen den verschiedenden Trägheitsmomenten des Rotorquerschnittes zu reduzieren und dadurch gefährliche Resonanzfrequenzen des Rotors zu vermeiden. Die Nuten 13 und 14 haben dieselbe Breite und sind mit je einem Nutkeil verschlossen, der aus mehreren axial hintereinander angeordneten Teilkeilen 15 besteht. Jeder gebohrte Leiterkanal 10 und 11 mündet in je eine von zwei diametral oder nahezu diametral zueinander liegenden Ausgleichsnuten 14, wobei die Zuführleitungen 8 und 9 in ihrer jeweiligen Ausgleichsnut 14 weitergeführt werden. Der in einer Ausgleichsnut befindliche Teil einer Zuführleitung ist dabei längs eines überwiegenden Teils seiner Länge in gleicher Weise ausgeführt, wie der in dem gebohrten Kanal befindliche Leitungsteil, d. h. mit kreisförmigem Querschnitt mit zwei, zwischen zwei Leiterhälften festgeklemmten Kühlwasserrohren 16 und mit einer umschließenden isolierenden Schicht 17. Der kreisförmige Leitungsteil ist in der Nut 14 zwischen einem inneren Füllkörper 18 und einem äußeren Füllkörper 19 mit Hilfe einer an sich bekannten Druckvorrichtung festgeklemmt, die aus einem flachgedrückten Metallrohr 20 besteht das mit Epoxiharz gefüllt ist, welches unter einem Druck von mindestens 100 Bar fest geworden ist. Die beiden Füllkörper 19 und 19 bestehen aus massivem Stahl, und zwar der Füllkörper 18 aus magnetischem und der Füllkörper 19 aus unmagnetischem Stahl. Vier der sechs Ausgleichsnuten 14 haben in bekannter Weise längst der gesamten Nutenlänge eine konstante Nutentiefe und sind mit Füllkörpern aus Eisen gefüllt. Die übrigen beiden, je eine Zuführleitung aufnehmenden Ausgleichsnuten haben eine geringere Nutentiefe längs eines kürzeren Abschnittes der Nutenlänge, und zwar auf beiden Seiten des Punktes, an dem der gebohrte Leiterkanal in die Nut mündet.
• An dem mit dem Wellenzapfen 5 versehenen Ende des genuteten Rotorabschnittes 2 sind die Füllkörper 18 und 19 zum größten Teil ersetzt durch ein Lamellenpaket 21, das aus mehreren, aus Glasfaserlaminat hergestellten elektrisch isolierenden Lamellen besteht, und durch ein Bündel 22 (Fig. 8) aus kurzen Kupferschienen, welche dieselben Abmessungen wie die stromführenden, in den Wicklungsnuten liegenden Kupferschienen haben, und die Zuführleitung 8 hat einen rechteckigen Querschnitt und ungefähr dieselbe Breite wie diese Kupferschienen. Mit Hilfe einer T-förmigen Anschlußvorrichtung 23 ist der mit rechteckigem Querschnitt ausgeführte Teil der Stromzuführleitung 8 axial außerhalb des mit Nuten versehenen Rotorabschnittes hydraulisch an zwei zur Rotorwicklung gehörende, mit je einem Kühlkanal versehene Leiter 24 bzw. 25 angeschlossen. Die Durchflußrichtungen des Kühlwassers sind mit Pfeilen in Fig. 9 angedeutet. Die strichpunktierte Linie P-P gibt die Polmitte an. Der Leiter 24 ist nie stromführend, sondern hat lediglich eine rein hydraulische Aufgabe. Der Leiter 25 bildet das eine Ende einer Spulengruppe, die aus der Reihenschaltung aller sechs Rotorspulen besteht und an die die Stromzuführleitungen 8 und 9 angeschlossen sind, wobei die Zuführleitung 9 in einer der Ausgleichsnuten 14 angeordnet und auf gleiche Weise wie die Zuführleitung 8 an die Rotorwicklung angeschlossen ist.
• Dadurch, daß die Zuführleitungen 8 und 9 in den Wicklungsnuten in gleicher Weise festgepreßt sind wie die axial verlaufenden Teile der Rotorwicklung, nehmen sie an den Schwingungen des Rotorkörpers in gleicher Weise teil wie die Rotorwicklung, weshalb diese Schwingungen keine nennenswerten fluktuierenden Deformationen der Zuführleitungen oder der zwischen diesen und der Rotorwicklung angeordneten Anschlußvorrichtungen 23 verursachen.
• Das aus kurzen Kupferschienen bestehende Bündel 22 kann durch einen Füllkörper anderer Art ersetzt werden. Der Vorteil des Bündels 22 besteht jedoch darin, daß man mit diesem Verhältnisse erzeugt, die große Ähnlichkeit mit den Verhältnissen haben, die sich in einer Wicklungsnut geltend machen.
• Aus Fig. 8 geht hervor, daß der mit rechteckigem Querschnitt ausgeführte und im Lamellenpaket 21 angeordnete Teil der Zuführleitung 8 eine doppelte Krümmung aufweist. Es ist auch möglich, den in der Nut liegenden Leitungsteil mit gutem Resultat völlig gerade auszuführen.
• Wenn man den Rotor aus irgendeinem Grunde ohne axial verlaufende Ausgleichsnuten ausführen möchte, so kann man - wie in Fig. 7b gezeigt - statt der oben beschriebenen, in den Rotorkörper gebohrten Leitungskanäle 10 und 11 gebohrte Leiterkanäle 10&min; und 11&min; verwenden, welche ungefähr genauso lang wie die Kanäle 10 und 11 sind und von denen jeder in einer Wicklungsnut 13 mündet, wobei diese beiden Wicklungsnuten vorzugsweise diametral im Verhältnis zueinander liegen. Sowohl in dem in Fig. 7a als auch in dem in Fig. 7b gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die gebohrten Leiterkanäle derart, daß der zwischen ihnen auftretende Abstand seinen kleinsten Wert in dem von einem Rotorlager umschlossenen Teil des Wellenzapfens 4 hat. Dadurch wird die Gefahr verringert, daß die vom Strom in den Zuführungsleitungen erzeugten magnetischen Flüsse durch Induktion erhebliche elektrische Lagerströme verursachen.
• Bei dem in Fig. 2 gezeigten Rotor sind die Zuführungsleitungen 8&min; und 9&min; in gebohrten Leiterkanälen angeordnet, die in Längsrichtung durch den gesamten Wellenzapfen 4&min; und den gesamten genuteten Rotorabschnitt 2&min; verlaufen. Diese Konstruktion ist insofern komplizierter, als die zu bohrenden Leiterkanäle sehr lang werden. Andererseits sind jedoch die Ansprüche hinsichtlich der Präzision geringer als bei der Konstruktion gemäß Fig. 1, da die gebohrten Leitungskanäle nicht in einer Nut münden.
• Die Konstruktion gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 dadurch, daß sich die gebohrten Leiterkanäle nicht in der Projektion auf eine Axialebene kreuzen. In gleicher Weise unterscheidet sich die Konstruktion gemäß Fig. 4 von der gemäß Fig. 2.
• Außer den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen umfaßt die Erfindung auch Rotoren, bei denen die in den Leiterkanälen 10 und 11 angeordneten Zuführleitungen nach ihrer Einmündung in ihre ihnen zugeordneten axialen Nuten in diesen in einer Richtung verlaufen, die zu der in Fig. 8 gezeigten Richtung entgegengesetzt ist. Dabei sind die Zuführleitungen etwa in gleicher Weise an die Wicklung angeschlossen, wie in Fig. 8 gezeigt, jedoch an dem Rotorende, an welchem der Wellenzapfen 4 von dem mit Nuten versehenen Abschnitt 2 des Rotors ausgeht.
• Für den Fall, daß die Leiterkanäle so angeordnet sind, daß sie in eine Wicklungsnut münden, z. B. wie die in Fig. 7b gezeigten Leiterkanäle 10&min; und 11&min;, können die durch die Leiterkanäle verlaufenden Zuführleitungen, die in Fig. 7b mit 38 und 39 bezeichnet sind, längs der Wicklungsnut in der einen oder anderen Richtung geführt und in gleicher Weise wie die in Fig. 8 gezeigte Zuführleitung 8 an die Wicklung angeschlossen werden, oder die Zuführleitungen können in ihrer Wicklungsnut an die Rotorwicklung angeschlossen werden.
• Der im Zusammenhang mit den Fig. 1, 5, 6, 7a, 8, 9, 10, 11 und 12 beschriebene Rotor hat eine direkte Wasserkühlung. Ein Rotor nach der Erfindung kann jedoch ebensogut ohne Kühlkanäle in der Wicklung aufgebaut sein.
• Ein Rotor nach der Erfindung hat gewöhnlich 24 Wicklungsnuten. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist in den Figuren ein Rotor mit nur 12 Wicklungsnuten dargestellt.

Claims (9)

1. Rotor für einen Turbogenerator von mindestens 20 MVA, der im wesentlichen aus einem aus magnetischem Material hergestellten kreiszylindrischen Abschnitt (2; 2&min;; 2&min;&min;; 2&min;&min;&min;) mit mehreren axial verlaufenden Wicklungsnuten (13) und einer in diesen liegenden Rotorwicklung besteht, mit einem ersten (4; 4&min;; 4&min;&min;; 4&min;&min;&min;) und einem zweiten (5) von je einem Ende des aktiven Abschnittes ausgehenden Wellenzapfen, während Zuführleitungen (8, 9; 38, 39; 8&min;, 9&min;) für den Magnetisierungsstrom des Generators in zwei in den Rotorkörper (1; 1&min;; 1&min;&min;; 1&min;&min;&min;) gebohrten Leiterkanälen angeordnet sind, die einen überwiegenden Teil des ersten Wellenzapfens (4; 4&min;; 4&min;&min;; 4&min;&min;&min;) durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterkanäle (10, 11; 10&min;, 11&min;) mindestens einen Teil des aktiven zylindrischen Abschnittes (2; 2&min;; 2&min;&min;; 2&min;&min;&min;) durchlaufen und dabei in Richtung zum zweiten Wellenzapfen (5) hin divergieren.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitungen (8, 9; 38, 39; 8&min;, 9&min;) an die Rotorwicklung axial außerhalb des aktiven zylindrischen Abschnittes (2; 2&min;; 2&min;&min;; 2&min;&min;&min;) und in der Nähe des zweiten Wellenzapfens (5) angeschlossen sind.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiterkanal in eine axial verlaufende, mit Nutkeil versehene Nut (14; 13) des aktiven zylindrischen Abschnittes mündet und daß die beiden Zuführleitungen (8, 9; 38, 39) außer in den Leiterkanälen (10, 11; 10&min;, 11&min;) in je einer solchen Nut liegen.

4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitungen an die Rotorwicklung an dem am ersten Wellenzapfen (4; 4&min;&min;) befindlichen Ende des zylindrischen Abschnittes (2) angeschlossen sind.

5. Rotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden mit je einem Leiterkanal (10&min;, 11&min;) verbundenen Nuten im wesentlichen diametral zueinander liegende Wicklungsnuten (13) sind.

6. Rotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor außer den Wicklungsnuten (13) zwei im wesentlichen diametral zueinander liegende axial verlaufende Hilfsnuten (14) hat und daß die beiden Leiterkanäle (10, 11) an je eine dieser Hilfsnuten angeschlossen sind.

7. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Leiterkanälen (10, 11; 10&min;, 11&min;) durchlaufene Teil des aktiven zylindrischen Abschnittes (2) 20% der Gesamtlänge des aktiven Abschnittes (2) beträgt.

8. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den beiden divergierenden Leiterkanälen in ihrer Projektion auf diejenige Axialebene des Rotors, in welcher dieser Winkel am größten ist, mindestens 7° beträgt.

9. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den beiden divergierenden Leiterkanälen in ihrer Projektion auf diejenige Axialebene des Rotors, in welcher dieser Winkel am größten ist, mindestens 10° beträgt.