EP0344464A1 - Schleifringanordnung für rotierende elektrische Maschinen - Google Patents

Abstract

Zur mechanischen und thermischen Entkopplung der Schleifringe (2) vom sie tragenden Laufradaussenkranz (1) eines Aussenkranzgenerators sind in Umfangsrichtung verlaufende Blattfedern (4) vorgesehen, die am einen Ende am Laufradaussenkranz (1), am anderen Ende an Tragelementen (7), welche die Schleifringe (2) tragen, befestigt sind. Auf diese Weise können sich die Schleifringe um mehr als 4 mm im Durchmesser dehnen, ohne dass deren Zentrizität und Stabilität der Verankerung beeinträchtigt wird.

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Schleifringanordnung für rotierende elektrische Maschinen mit grossem Rotordurchmesser, insbesondere Hydrogeneratoren, wobei die paarig angeordneten Schleifringe an einer zylinderischen Mantelfläche des Rotors neben den Rotorspulen befestigt sind.
• Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise durch den Aussenkranzgenerator des östereichischen Kraftwerkes Weinzödl, geliefert von der Firma Elin-Union AG, ergibt.
Technologischer Hintergrund und Stand der Technik
• Bei grossen Wasserkraftmaschinen, insbesondere Aussenkranzgene­ratoren - von der Literatur häufig mit "STRAFLO"-Generatoren bezeichnet - ist der Generator nicht wie bei konventionellen Rohrturbinengeneratoren in einer vom Triebwasser umströmten Birne untergebracht, sondern der Generator ist um das Turbinen­laufrad konzentrisch angeordnet und liegt zur Gänze ausserhalb der Triebwasserführung.
• Die Pole sind auf dem äusseren Ring des Laufradaussenkranzes der Turbine aufgeschraubt. Die Erregerstromzuleitung erfolgt über zwei einteilige Schleifringe, die unterwasserseitig am Aussenkranz angeflanscht sind. Zu diesem Zweck weist der Aus­senkranz eine flanschartige Erweiterung auf, an welche die bei­den Schleifringe mittels axial verlaufender Bolzen gegen den Aussenkranz und gegeneinander isoliert angeschraubt sind.
• Aufgrund der hohen Temperaturdifferenzen zwischen Aussenkranz, der etwa die Temperatur des Triebwassers annimmt und den Schleifringen, deren Betriebstemperatur bis 70°C betragen kann, treten bei den heute üblichen Aussenkranzdurchmessern zwischen typisch 3 und 6 m enorme Wärmedehnungen auf, die abhängig vom Schleifringmaterial zwischen 2 mm (bei Stahlschleifringen) und 4mm (bei Bronzeschleifringen) liegen. An die Befestigung der Schleifringe am Aussenkranz des Rotors werden daher sehr hohe Anforderungen gestellt.
• Aehnliche Probleme ergeben sich bei Erz- und Zementmühlen, all­gemein Drehrohrofen mit Direktantrieb, wo die Temperaturdiffe­renzen noch erheblich höher sein können. Hinzu kommt, dass die Temperaturverteilung in Umfangsrichtung des Drehrohrs aufgrund der geringen Drehzahl und des Einsatzgutes ungleichmässig ist.
Kurze Darstellung der Erfindung
• Ausgehend vom Bekannten liegt der Erfindung die Aufgabe zu­grunde, eine Schleifringanordnung für rotierende elektrische Maschinen mit grossen Rotordurchmessern anzugegeben, welche den unterschiedlichen Betriebsanforderungen, insbesondere den Wär­mebeanspruchungen, standhält, eine hervorragende Zentrizität zwischen Schleifring und Schleifringträger gewährleistet und darüber hinaus einfach und wirtschaftlich ist.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gekenn­zeichnet, dass die Schleifringe über Federelemente an der Man­ telfläche des Rotors mittelbar oder unmittelbar befestigt sind, wobei die Federelemente gegenüber der Radialen in Axial- und/­oder Umfangsrichtung geneigt sind.
• Auf diese Weise sind die Schleifringe vom Rotor mechanisch und thermisch entkoppelt.
• Die erfindungsgemässe Schleifringanordnung eigent sich insbe­sondere für Aussenkranzgeneratoren und Zement- oder Erzmühlen mit Direktantrieb.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veran­schaulicht; dabei zeigt
• Fig. 1 einen teilweisen Radialschnitt durch den Rotor eines Aussenkranzgenerators unmittelbar neben den Schleif­ringen mit in Umfangsrichtung verlaufenden Blattfedern;
• Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Schleifringanordnung gemäss Fig. 1;
• Fig. 3 eine Abwandlung von Fig. 1 mit symmetrisch einge­spannten Blattfedern;
• Fig. 4 eine weitere Abwandlung von Fig. 1 mit in Rotorlängs­richtung verlaufenden Blattfedern;
• Fig. 5 eine weitere Abwandlung von Fig. 1 mit paarig ange­ordneten, in Umfangsrichtung verlaufenden Blattfe­dern.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
• Auf dem Laufradaussenkranz 1 eines Aussenkranzgenerators sind paarig angeordnete Schleifringe 2,3 isoliert befestigt. Zur thermischen und mechanischen Entkopplung der Schleifringe 2,3 vom Laufradaussenkranz 1 sind annähernd in Umfangsrichtung aus­gerichtete und in eine Richtung weisende Blattfedern 4, im Bei­spielsfall je aus zwei Federblättern 4a,4b bestehend, vorgese­hen. Diese Blattfedern sind gleichmässig über den gesamten Um­fang des Laufradaussenkranzes verteilt. Die kranzseitigen Enden der Blattfedern 4 sind mit angeschweissten oder angeschraubten Klötzen 5, die mit Gewindebohrungen 6 versehen sind, auf das Laufrad 1 aufgeschraubt.
• Die schleifringseitigen Enden der Blattfedern 4 sind mit tra­pezförmigen Distanzelementen 7 verschraubt, welche in den Zwi­schenraum zwischen den beiden Schleifringen 2,3 hineinragen.
• Jedes Distanzelement 7 weist zwei axial verlaufende Bohrungen 8 auf, welche mit Bohrungen 9 gleichen Durchmessers in den beiden Schleifringen 2,3 fluchten. Durch die Bohrungen 8,9 sind mit einem Isolierrohr 10 versehene Bolzen 11 mit Gewinden an beiden Bolzenenden gesteckt. Isolierscheiben 12 bis 15 beidseits jedes Schleifrings 2,3 dienen zur elektrischen Isolation der Schleif­ringe 2,3 gegenüber den Distanzelementen 7 und damit des Lauf­radaussenkranzes 1. Die Verspannung der Schleifringanordnung erfolgt durch Metallscheiben 16, Tellerfederpaketen 17, Muttern 18 und Sicherungen 19 an beiden Bolzenenden.
• Aus Gründen der Vollständigkeit sind beidseits der Schleifringe Dichtungsanordnungen 22,23 eingezeichnet, welche den Schleif­ringraum gegenüber dem Äusseren abdichten.
• Die Montage der Schleifringanordnung gestaltet sich in groben Zügen wie folgt:
• Ausserhalb der Maschine werden die Schleifringe 2,3 samt Iso­lierringen, Distanzelementen und daran befestigten Blattfedern 4 und Klötzen 5 vormontiert. Danach wird die Schleifringanord­nung auf den Aussenkranz 1 aufgeschoben, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einer Montage-Hilfsvorrichtung ausgerichtet und zentriert. Denach werden die Klötze samt dem Laufradkranz 1 verschweisst.
• Die erfindungsgemässe Schleifringanordnung ist aufgrund der in Umfangsrichtung gerichteten Blattfedern in Axialrichtung sehr steif, weist eine gute Zentrierung auch bei unterschiedlichen Temperaturen auf und kann gleichwohl Wärmedehnungen frei fol­gen.
• Der Winkel α, den die freien Blattfederteile mit der Radialen einschliessen, liegt vorzugsweise zwischen 45° und 90°, im Grenzfall sind demnach die Blattfedern tangential ausgerichtet. Die obere Grenze, d.h. der kleinste Winkelwert richtet sich nach den jeweiligen Platzverhältnissen, sollte jedoch stets einen von Null verschiedenen Wert aufweisen.
• Anstelle einer Einspannung nach Fig. 1 können die Blattfedern 4 auch gemäss Fig. 4 eingespannt werden, wo jeweils die beiden Fe­derenden mit benachbarten Distanzelementen 7 verbunden sind; die Blattfedern 4 sind hingegen im mittleren Abschnitt mit den Klötzen 5 verschraubt. Diese Art der Einsparung ergibt eine we­sentlich höhere Steifigkeit in Radialrichtung, führt aber zu einer verstärken Belastung der Blattfedern 4.
• In der in Fig. 4 dargestellten Variante sind bei ansonsten gleichem Aufbau die Blattfedern in Axialrichtung angeordnet. Die analog Fig. 3 geformten Blattfedern 4 sind an den beiden Enden an Klötzen 5a,5b angeschraubt, die ihrerseits am Laufrad­aussenkranz 1 mittels Schrauben 20 auf angeschweisste Klötze 5a,5b geschraubt sind. Im mittigen Teil sind die Blattfedern 4 am Distanzstück 7 angeschraubt.
• Auch bei dieser Variante ist eine nur einseitige Einspannung analog Fig. 1 bzw. 2 möglich.
• Fig. 5 schliesslich zeigt eine Abwandlung von Fig. 1 mit paarig angeordneten, in Umfangsrichtung verlaufenden Blattfedern 4, die beidseits der Schleifringe angeordnet und analog Fig. 1 an Klötzen 5a,5b am Laufradaussenkranz 1 angeschraubt sind. Dabei entfällt das mittlere Distanzelement (Pos. 7 in Fig. 7) und ist ersetzt durch eine Distanzscheibe 21. Die Schleifringseitigen Enden der Blattfedern 4 sind an Tragelementen 7a,7b ange­schraubt.
• Bei allen Ausführungsformen ist es möglich, auf die Klötze 5 zu verzichten und die Blattfedern unmittelbar auf dem Laufradaus­senkranz 1 zu befestigen, z.B. aufzuschrauben.

Claims (5)

1. Schleifringanordnung für rotiertende elektrische Maschinen mit grossem Rotordurchmesser, insbesondere Hydrogenerato­ren, wobei die paarig angeordneten Schleifringe (2,3) an einer zylindrischen Mantelfläche (1) des Rotors neben den Rotorpolen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifringe (2,3) über Federelemente (4) an der Man­telfläche (1) mittelbar oder unmittelbar befestigt sind, wobei die Federelemente (4) gegenüber der Radialen in Axial- und/oder Umfangsrichtung geneigt sind.

2. Schleifringanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, dass die Federelemente (4) an ihren mantelseitigen Enden an der Mantelfläche (1), mit ihren schleifringseiti­gen Enden an Trag- und/oder Distanzelementen (7;7a,7b), welche zur Abstützung der Schleifringe (2,3) dienen, befe­stigt sind.

3. Schleifringanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, dass die Federelemente (4) an beiden Enden an der Mantelfläche (1) und im mittigen Abschnitt an einem Trag- und/oder Distanzelement (7) befestigt sind, an welchen Di­stanzelementen (7) die Schleifringe (2,3) abgestützt sind.

4. Schleifringanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­kennzeichnet, dass die Federelemente (4) mit der Radialen einen Winkel (α) grösser als 45° einschliessen.

5. Schleifringanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, dass die Federelemente als ein- oder mehrlagige Blattfedern (4;4a,4b) ausgebildet sind.

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