DE3700508C2

DE3700508C2 -

Info

Publication number: DE3700508C2
Application number: DE19873700508
Authority: DE
Inventors: Egon Dr.-Ing. 4330 Muelheim De Pannen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-01-09
Filing date: 1987-01-09
Publication date: 1992-06-11
Also published as: IN168559B; DE3700508A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gaskühlung des Wickelkopfbereiches von Rotorwicklungen dynamoelektrischer Maschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a device for gas cooling of the winding head area of rotor windings dynamoelectric machines according to the generic term of claim 1.

Aus der EP 01 60 887 A1 ist bereits eine Einrichtung mit einer verbesserten Gaskühlung des Wickelkopfbereiches von solchen Rotorwicklungen bekannt. Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus bzw. baut darauf auf. Die in der EP 01 60 887 A1 vorgeschlagene Kühlung bewirkt bereits eine deutliche Verbesserung der Temperaturverhältnisse im Wickelkopfbereich. Die dort vorgeschlagene Lösung ist jedoch dadurch begrenzt, daß in die relativ schmalen Zähne des Rotors nur relativ dünne Auslaßkanäle eingebracht werden können, welche als Drosselstellen den Kühlgasstrom in den Wickelkopf- Kühlkanälen begrenzen. Außerdem werden die Rotorwicklungen gerade in ihrem kritischsten Bereich, nämlich dem Eintrittsbereich in die Wicklungsnuten, nicht direkt gekühlt, da dort keines der vorgeschlagenen Kühlsysteme seine volle Wirkung entfalten kann. A device is already known from EP 01 60 887 A1 improved gas cooling of the winding head area known from such rotor windings. From this stand The present invention is based on or builds on technology on it. The one proposed in EP 01 60 887 A1 Cooling already brings about a significant improvement in Temperature conditions in the winding head area. These proposed solution is limited, however, in that only relatively in the relatively narrow teeth of the rotor thin outlet channels can be introduced, which as throttling points the cooling gas flow in the end winding Limit cooling channels. In addition, the rotor windings especially in their most critical area, namely the entry area into the winding slots, not directly cooled, since none of the proposed cooling systems can take full effect.

Aus der EP 01 66 990 A1 sowie der DE-AS 10 36 370 ist ersichtlich, aus dem Wickelkopfbereich einer Rotorwicklung Kühlgas durch Kanäle in den Teilleitern bis in die Wicklungsnuten hinein- und von dort durch radiale Kanäle herauszuführen.EP 01 66 990 A1 and DE-AS 10 36 370 show from the winding head area of a rotor winding Cooling gas through channels in the partial conductors up to the winding slots in and out through radial channels.

Aus der DE 29 12 592 A1 geht eine in Nuten eines Blechpaketes eingelegte Wicklung hervor, bei der in den Nuten neben der Wicklung Aussparungen zur Führung eines Kühlgases vorgesehen sind.DE 29 12 592 A1 describes a groove in a laminated core inserted winding, in the grooves next to the winding Recesses for guiding a cooling gas are provided.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine weitere Verbesserung der Kühlung des Wickelkopfbereiches einer Rotorwicklung, insbesondere im Übergangsbereich zu den Wicklungsnuten, zu schaffen.The object of the present invention is therefore a further improvement of the cooling of the winding head area a rotor winding, especially in the transition area to the winding slots.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Einrichtung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Durch die Schaffung von Auslaßkanälen entlang der einzelnen Teilleiter kann gerade der kritischste Bereich des Wickelkopfes intensiv gekühlt werden. Die Aussparungen an einzelnen Teilleitern nehmen ihren Anfang vor dem Eintritt der Rotorwicklungen in die Wicklungsnuten und setzen sich innerhalb der Wicklungsnuten fort, bis sie in radial verlaufende Aussparungen übergehen. Die so entstehenden Kühlkanäle liegen innerhalb der Wicklungsnuten und der Isolierstoffbeilagen. Der Querschnitt der Teilleiter wird durch die Aussparungen nur geringfügig geschwächt, was durch die verbesserte Kühlung ausgeglichen wird. Außerdem lassen sich die Aussparungen nötigenfalls so anordnen, daß keine zu starke Schwächung des Leiterquerschnittes auftritt.To solve this problem, a device according to the characterizing features of claim 1 proposed. By creating exhaust ducts along the single sub-conductor can be the most critical area of the winding head are cooled intensively. The cutouts on individual sub-leaders start before entering of the rotor windings in the winding slots and put continue inside the winding slots until they are in radial skip running recesses. The resulting Cooling channels are located inside the winding slots and Insulation inserts. The cross section of the partial conductors is only slightly weakened by the recesses, which is offset by the improved cooling. In addition, the cutouts can be made this way if necessary arrange that there is no excessive weakening of the conductor cross-section occurs.

Besonders günstig für die Gesamtkühlung des Wickelkopfbereiches ist es, daß die erfindungsgemäßen Auslaßkanäle strömungstechnisch parallel zu den an sich bekannten, ebenfalls als Auslaß dienenden Zahnkanälen geschaltet sind. Der Kühlgasstrom im Wickelkopfbereich ist dadurch deutlich erhöht, und die bisher störende Drosselwirkung der Zahnkanäle wird kompensiert.Particularly favorable for the overall cooling of the winding head area is that the invention In terms of flow, outlet ducts are parallel to those per se known tooth channels, also serving as an outlet are switched. The cooling gas flow is in the end winding area thereby significantly increased, and the previously disturbing Throttling effect of the tooth channels is compensated.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben und werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind entweder als alternative oder aber bevorzugt als additive Kühlmaßnahmen zu den Anordnungen gemäß dem Stand der Technik anzusehen.Further advantageous embodiments of the invention are specified in claims 2 to 5 and are based on the drawing explained in more detail. The invention Measures are either alternative or preferred as additive cooling measures according to the arrangements the state of the art.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigenAn embodiment of the invention is in the drawing shown, namely show

Fig. 1 perspektivisch im Ausschnitt die Rotorpartie eines Turbogenerators nach dem Stand der Technik mit der zusätzlichen erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 1 is a perspective cutout in the rotor section of a turbine generator according to the prior art with the additional means according to the invention,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines kurzen Stückes einer Rotorwicklung aus dem Übergangsbereich zwischen Wickelkopf und Wicklungsnuten, Fig. 2 is a perspective view of a short piece of a rotor winding in the transition region between the winding head and the winding slots,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch Fig. 2 entlang der Linie III-III unter teilweiser Einbeziehung der umgebenden Bauteile und Fig. 3 shows a longitudinal section through Fig. 2 along the line III-III with partial inclusion of the surrounding components and

Fig. 4 Ansichten von oben auf einzelne Teilleiter im in Fig. 2 dargestellten Bereich. Fig. 4 views from above of individual partial conductors in the area shown in Fig. 2.

Zu Fig. 1 muß zunächst festgestellt werden, daß die meisten Einzelheiten dieser Figur aus dem Stande der Technik gut bekannt sind, so daß hier auf eine ausführliche Erläuterung von Einzelheiten, die für die Erfindung nicht von Bedeutung sind, verzichtet wird. Die Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf den mit einem Kreis gekennzeichneten Bereich 20, den Übergangsbereich zwischen Wickelkopf und Nutenbereich, in welchem gemäß der Erfindung die Strömungsführung des Kühlgases verändert wird. Die neue Strömungsführung ist unabhängig von der genauen Ausbildung anderer Kühlungsmaßnahmen. So kommt es insbesondere auch nicht darauf an, wie die Strömungsführung im Wickelkopfbereich ansonsten gestaltet ist, beispielsweise zweiflutig oder vierflutig. With respect to FIG. 1, it must first be stated that most of the details of this figure are well known from the prior art, so that a detailed explanation of details which are not important for the invention is omitted here. The invention relates essentially to the area 20 marked with a circle, the transition area between the winding head and the slot area, in which the flow of the cooling gas is changed according to the invention. The new flow guide is independent of the precise design of other cooling measures. In particular, it does not matter how the flow guidance in the end winding area is otherwise designed, for example two-flow or four-flow.

Fig. 1 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus dem Rotorballen 1 mit Rotorzähnen 2, Wicklungsnuten 3 und Rotorwicklungen 4. Die Rotorwicklungen 4 sind im Bereich der Wicklungsnuten 3 von oberen und seitlichen Isolierstoffbeilagen 5, 6 umgeben. Nutenverschlußkeile 7 dienen zur Befestigung der Rotorwicklungen 4 in den Wicklungsnuten 3. Im Wickelkopfbereich, d. h. außerhalb der Wicklungsnuten 3, sind entlang der Spulenlängsseiten 8 Wickelkopfkühlkanäle 9 vorgesehen, welche z. B. durch geeignete Maßnahmen eine mäander- oder wellenförmige Kühlgasführung ermöglichen. Gemäß dem Stand der Technik gehen solche Wickelkopfkühlkanäle 9 in sogenannte Zahnkanäle 10, 11 über, durch welche das Kühlgas dann austreten kann. Diese Zahnkanäle stellen für die Kühlgasführung im Wickelkopfbereich Drosselstellen dar, da die relativ schmalen Rotorzähne 2 aus Festigkeitsgründen keine Bohrungen mit beliebig großem Querschnitt zulassen. Außerdem bewirken die Zahnkanäle 10, 11 zwar eine Kühlung der Zähne im Übergangsbereich, wegen der Isolierstoffbeilagen 6 jedoch nicht direkt der Rotorwicklungen 4, wodurch dort eine Wärmeabfuhr erschwert ist. Die vorliegende Erfindung sieht daher additiv zu den Zahnkanälen 10, 11 weitere Auslaßkanäle 16, 17 vor, welche, wie anhand der folgenden Figuren noch näher erläutert wird, durch Aussparungen in den Teilleitern der Rotorwicklungen 4 gebildet werden. Hierdurch strömt das Kühlgas gerade im Übergangsbereich direkt entlang der Rotorwicklungen 4, wo die meiste Wärme abzuführen ist. Bei additiver Verwendung der zusätzlichen Auslaßkanäle 16, 17, welche strömungstechnisch parallel zu den Zahnkanälen 10, 11 liegen, kann der Kühlgasstrom im Wickelkopfbereich außerdem erheblich erhöht werden, was zusätzlich die Kühlung verbessert. Ein weiteres Kühlsystem des Rotors, welches aus Radial-Kühlkanälen 14 besteht, welche durch einen Nutengrundkanal 13 mit Kühlgas versorgt werden, wird grundsätzlich durch die erfindungsgemäße Ausführung nicht beeinflußt. Es kann jedoch sinnvoll oder nötig sein, dieses Kühlsystem der Rotorwicklungen 4 durch Weglassen einiger Bohrungen 14 zugunsten des erfindungsgemäßen Systems zu reduzieren, um Festigkeitsprobleme oder zu große Verringerungen des Leiterquerschnittes zu vermeiden. Ansonsten bleibt aber die Aufteilung des Kühlgases im Wickelkopfbereich in Teilströme oberhalb und unterhalb eines isolierenden Abdeckungszylinders 18 unverändert. Fig. 1 shows in perspective a detail of the rotor body 1 with rotor teeth 2, 3 and rotor winding grooves windings 4. The rotor windings 4 are surrounded in the area of the winding slots 3 by upper and side inserts 5, 6 . Slot wedges 7 are used to fasten the rotor windings 4 in the winding slots 3 . In the end winding area, ie outside the winding slots 3 , 8 end winding cooling channels 9 are provided along the long sides of the coil. B. allow suitable meandering or wave-shaped cooling gas guidance by suitable measures. According to the prior art, such winding head cooling channels 9 merge into so-called tooth channels 10 , 11 , through which the cooling gas can then escape. These toothed ducts represent throttling points for the cooling gas guidance in the winding head area, since the relatively narrow rotor teeth 2 do not allow bores with an arbitrarily large cross section for reasons of strength. In addition, the toothed channels 10 , 11 bring about cooling of the teeth in the transition area, but not directly because of the insulating material supplements 6 of the rotor windings 4 , which makes heat dissipation more difficult there. The present invention therefore provides , in addition to the tooth channels 10, 11, further outlet channels 16, 17 which, as will be explained in more detail in the following figures, are formed by cutouts in the partial conductors of the rotor windings 4 . As a result, the cooling gas flows directly in the transition region directly along the rotor windings 4 , where most of the heat is to be removed. With additive use of the additional outlet channels 16, 17 , which are fluidically parallel to the tooth channels 10, 11 , the cooling gas flow in the winding head area can also be increased considerably, which additionally improves the cooling. Another cooling system of the rotor, which consists of radial cooling channels 14 , which are supplied with cooling gas through a groove base channel 13 , is fundamentally not influenced by the design according to the invention. However, it may be sensible or necessary to reduce this cooling system of the rotor windings 4 by omitting a few bores 14 in favor of the system according to the invention, in order to avoid strength problems or excessive reductions in the conductor cross section. Otherwise, the division of the cooling gas in the end winding area into partial flows above and below an insulating cover cylinder 18 remains unchanged.

Zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Auslaßkanäle dienen die Fig. 2, 3 und 4, in denen die Rotorwicklun gen 4, aufgebaut aus mehreren Teilleitern 41 bis 49, in verschiedenen Ansichten bzw. Schnitten ausschnitt weise dargestellt sind. Das dargestellte Ausführungs beispiel ist nur eines von vielen Möglichkeiten, die sich in Abhängigkeit von den Randbedingungen ergeben können. Grundsätzlich hängen Zahl, Form, Querschnitt und Anordnung der Aussparungen in den Teilleitern von Festig keitsüberlegungen, Grenzen der zulässigen Leiterquer schnitte, Fertigungsmöglichkeiten und geometrischen Ge gebenheiten ab.To illustrate the invention, the outlet channels Fig. 2, 3 and 4, in which the gene Rotorwicklun 4, made up of several subconductors 41 to 49, in various views and sections are shown as cutout serve. The illustrated execution example is only one of many possibilities that can arise depending on the boundary conditions. Basically, the number, shape, cross-section and arrangement of the recesses in the partial conductors depend on strength considerations, limits of the permissible conductor cross-sections, manufacturing options and geometric conditions.

Als Beispiel wurde ein aus neun Teilleitern 41 bis 49 aufgebauter Wicklungsstab ausgewählt, welcher mit zusätz lichen Auslaßkanälen in Form von geeigneten Aussparungen an einzelnen Teilleitern ausgestattet ist. Das vorliegende Ausführungsbeispiel sieht an jedem zweiten Teilleiter seitliche, in Längsrichtung verlaufende Aussparungen 21 bis 28 vor, welche teilweise unterschiedliche Längen ha ben. Diese Aussparungen münden in radialen Aussparungen 31, 32, 33, 34, welche die Verbindung zur Oberseite des Leiterstabes 4 herstellen. Querschnitte und Anzahl dieser Aussparungen bestimmen den maximalen Kühlgasstrom. Die Aussparungen beginnen vor der gestrichelt angedeuteten Grenze 50 des Wickelkopfbereiches, d. h. vor den Enden der Isolierstoffbeilagen 5, 6 im Anfangsbereich der Wicklungs nuten. Selbstverständlich müssen zur Vervollständigung der radialen Auslässe 31, 32, 33, 34, auch in der oberen Isolierstoffbeilage 5 und dem Nutenverschlußkeil 7,entsprechende Öffnungen 17 vorgesehen werden, welche in Fig. 3 dargestellt und in Fig. 4 gestrichelt angedeutet sind. In dem nicht von der erfindungsgemäßen Ausführung betroffenen restlichen Teil der Rotorwicklungen 4 wird die Kühlung gemäß dem Stand der Technik weiterhin von Radial-Kühlkanälen 14 übernommen, welche aus dem Nutengrundkanal 13 mit Kühlgas versorgt werden. Ob diese Radial-Kühlkanäle 14 sich in ihrem Auslaßbereich gabeln, wie in Fig. 1 gezeigt, oder jeweils in einer Auslaßöffnung, wie in Fig. 3 dargestellt enden, hängt von der Dimensionierung und anderen konstruktiven Einzelheiten ab und ist für die vorliegende Erfindung unerheblich.As an example, a winding rod made up of nine partial conductors 41 to 49 was selected, which is equipped with additional outlet channels in the form of suitable recesses on individual partial conductors. The present exemplary embodiment provides lateral, longitudinally extending cutouts 21 to 28 on every second partial conductor, which in some cases have different lengths. These recesses open into radial recesses 31 , 32 , 33 , 34 , which establish the connection to the top of the conductor bar 4 . Cross sections and number of these cutouts determine the maximum cooling gas flow. The recesses begin in front of the dashed border 50 of the winding head area, that is, before the ends of the insulating shims 5 , 6 in the beginning of the winding slots. Of course , corresponding openings 17 must be provided to complete the radial outlets 31, 32, 33, 34 , also in the upper insulating insert 5 and the slot lock wedge 7, which openings are shown in FIG. 3 and indicated by dashed lines in FIG. 4. In the remaining part of the rotor windings 4 , which is not affected by the embodiment according to the invention, the cooling according to the prior art is still carried out by radial cooling channels 14 , which are supplied with cooling gas from the basic slot channel 13 . Whether these radial cooling channels 14 bifurcate in their outlet area, as shown in FIG. 1, or each end in an outlet opening, as shown in FIG. 3, depends on the dimensions and other structural details and is irrelevant to the present invention.

Entscheidend ist, daß die vorhandenen Kühlsysteme nach dem Stand der Technik durch die erfindungsgemäßen Auslaßkanäle gerade so ergänzt werden, daß der kritische Übergangsbereich zwischen Wicklungskopf und Rotorwicklungen besonders gut gekühlt wird. Die Leistung einer so gekühlten Maschine wird nicht mehr durch die Temperatur in diesem kritischen Bereich begrenzt.It is crucial that the existing cooling systems after the prior art through the outlet channels according to the invention just like that be added that the critical transition area between Winding head and rotor windings are particularly well cooled becomes. The performance of such a machine cooled no longer due to the temperature in this critical area limited.

Claims

1. Device for gas cooling the winding head area of rotor windings ( 4 ) of dynamoelectric machines, in particular of turbogenerators, the winding head area having winding head cooling channels ( 9 ), which are preferably arranged in a meandering or undulating manner on the coil longitudinal sides ( 8 ) running axially outside the rotor bale ( 1 ) are characterized in that the winding head cooling channels ( 9 ) are connected to outlet channels ( 16, 17, 21 to 28, 31 to 34 ) which are inside the winding grooves ( 3 ) of the rotor body ( 1 ) through recesses and / or bores in the partial conductors ( 41 to 49 ) are formed, the outlet channels ( 16, 17, 21 to 28, 31 to 34 ) being connected in terms of flow technology in parallel to toothed channels ( 10, 11, 12 ) which also serve as the outlet.

2. Device according to claim 1, characterized in that the outlet channels are formed by lateral recesses ( 21 to 28 ) along one or more partial conductors ( 41 to 49 ) which merge into approximately radially extending recesses ( 31 to 34 ).

3. Device according to claim 2, characterized in that the radially extending recesses ( 31 to 34 ) open into corresponding recesses and bores in the inserts ( 5 ) and the slot wedges ( 7 ).

4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the outlet channels are formed by with respect to one or more axes of symmetry of the rotor windings ( 4 ) symmetrical or alternating recesses on individual partial conductors ( 41 to 49 ).

5. Device according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the outlet channels ( 16, 17, 21, 28, 31 to 34 ) the radial cooling channels ( 14, 15 ) connected to a groove base channel ( 13 ) which are known per se ) supplement or replace the rotor windings ( 4 ) in the winding head area.