PatentDe  


Dokumentenidentifikation EP1067292 15.02.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 1067292
Titel Regelbare Kühleinrichtung für Turbogeneratoren
Anmelder ABB (Schweiz) AG, Baden, Aargau, CH
Erfinder Jung, Michael, 79761 Waldshut-Tiengen, DE
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 04.07.2000
EP-Aktenzeichen 008105835
EP-Offenlegungsdatum 10.01.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2001
IPC-Hauptklasse F04D 27/02

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbogeneratoren. Insbesondere betrifft sie eine regelbare Kühleinrichtung für Turbogeneratoren.

Stand der Technik

Im allgemeinen Strömungsmaschinenbau wird zur Regelung von Ventilatoren, Verdichtern und Pumpen u.a. auf das Mittel der Leitschaufelverstellung zur Betriebspunktregelung zurückgegriffen. Diese Regelmethode kommt häufig bei drehzahl-konstanten Antrieben zur Anwendung und zeichnet sich vor allem durch die Beibehaltung eines hohen Maschinen-Wirkungsgradniveuas im Regelbereich aus, da mittels Schaufelverstellung direkt auf die Aerodynamik Einfluss genommen werden kann.

Auf dem Gebiet des Elektromaschinenbaus hingegen gibt es herkömmlich keine Regelungsmassnahmen, die eine Kühleinrichtung, insbesondere einen Kühlkreis einer indirekt gekühlten, sich selbst ventilierenden Maschine betreffen. Hier wird der Kühlkreis z.B. bei einem Turbogenerator einmalig auf den Nennlastpunkt der Maschine eingestellt.

Gasgekühlte Turbogeneratoren und insbesondere die luftgekühlten Ausführungen benötigen zur Förderung des zirkulierenden Kühlgases einen nicht unerheblichen Anteil der von der Antriebseinheit (Gasturbine, Dampfturbine) bereitgestellten mechanischen Wellenleistung. Da dieser nicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wird die zum Antrieb des Ventilators oder etwa des eigenventilierenden Rotors verwendete Energie den Generatorverlusten zugerechnet.

In luftgekühlten Turbogeneratoren grosser Leistung (> 250 MVA) können die sogenannten Ventilationsverluste dabei etwa 50% der Gesamtverluste ausmachen, wobei wiederum die Hälfte der Ventilationsverluste allein aus dem Antrieb der Ventilatoren resultiert. Die restlichen 50% der Gesamtverluste sind in erster Näherung elektrischer Natur.

Da die Kühleinrichtung, insbesondere der Kühlkreis eines Generators in der Regel für den Vollastfall maximaler Bauteilerwärmung ausgelegt wird, ist selbiger für Teillastbetriebszustände der Maschine vollkommen überdimensioniert. So wird eine Maschine bei reduzierter Leistung (Teillast) und damit auch verringerten elektrischen Verlusten unnötigerweise mit dem Vollastspezifischen Kühlvolumenstrom versorgt und ist infolgedessen thermisch unzureichend ausgenutzt. Da der Kühlkreis weiterhin unter Vollastbedingungen arbeitet und damit verbunden 50% der Volllastgesamtverluste (= Ventilationsverluste) von einer Änderung des Betriebszustandes unabhängig sind, weisen insbesondere die luftgekühlten Generatoren hoher Nennleistung schlechte Teillastwirkungsgrade auf.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 4 446 610 A1 sowie dem korrespondierenden US-Patent Nr. 5 634 327 ist für eine Gasturbogruppe eine Anpassung auf einen Teillastbetrieb bekannt. Hierbei erfolgt eine Verstellung von Verdichter-Leitschaufeln zur Reduzierung eines Massenstroms bei Absenkung der Last, um einen maximierten Teillast-Wirkungsgrad zu erhalten. Dazu wird diese Anpassung bei der Gasturbogruppe durchgeführt, indem die Eintritts-Temperaturen in beiden Turbinen bei zu einer 50%igen Reduktion der Nennlast abgesenkt werden und anschliessend die Verdichter-Leitschaufeln verstellt werden, bis die Last unter 50% fällt. Während der Verstellung der Verdichter-Leitschaufeln wird die Eintritts-Temperatur in die erste Turbine konstant gehalten, während die in die zweite Turbine abgesenkt wird. Nach Beendigung der Verstellung der Verdichter-Leitschaufeln wird dann zunächst bei der zweiten Turbine und phasenverschoben bei der ersten Turbine eine weitere Absenkung der Eintritts-Temperaturen in die Turbinen vorgenommen.

Jedoch wurde auf dem Gebiet der Turbogeneratoren eine Teillastanpassung nicht realisiert und auch nicht angedacht, da eine vergleichbare Anpassung der Kühleinrichtung, insbesondere des Kühlkreises zu aufwendig erschien.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine regelbare Kühleinrichtung für Turbogeneratoren zu schaffen, der eine einfache Anpassung der Kühlleistung an den Teillastbetrieb und damit eine Reduzierung der Ventilationsverluste erzielt.

Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Somit wird mittels des erfindungsmässen regelbaren Kühleinrichtung für Turbogeneratoren durch Reduktion der Ventilationsverluste bei Teillastbetrieb eine Energieeinsparung erreicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

  • Fig. 1 eine erfindungsgemässe regelbaren Kühleinrichtung mit einem Ventilator mit vorgeschaltetem, verstellbaren Vorleitrad,
  • Fig. 2 eine Strömungskinematik bei einem Ventilatorlaufrad mit erfindungsgemäss vorgeschaltetem Vorleitrad,
  • Fig. 3 ein symmetrisches Tropfenprofil mit einer Drehachse im Bereich der Profilnase,
  • Fig. 4 ein Drallkennfeld eines Ventilators mit einer Vorleitschaufelregelung für eine konstante Drehzahl und
  • Fig. 5a bis 5f verschiedene erfindungsgemässe Anordnungen der verstellbaren Vorleitschaufel in der regelbaren Kühleinrichtung.

In den Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen identische Elemente.

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

Bei der erfindungsgemässen regelbaren Kühleinrichtung für Turbogeneratoren erfolgt die Lösung der Teillastwirkungsgradproblematik mittels einer Regelung der Kühleinrichtung, insbesondere des Kühlkreises in Abhängigkeit vom allgemeinen Generatorlastzustand.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird durch Eingriffe von aussen - insbesondere auch bei laufender Maschine - die Generatorventilation derart beeinflusst, dass der Kühlvolumenstrom dem angemessenen, lastabhängigen Bedarf entspricht.

Dabei wird bei der erfindungsgemässen regelbaren Kühleinrichtung als effektives Mittel zur Regulierung des Kühlvolumenstromes ein sogenanntes verstellbares Vorleitrad VLE 1 beispielsweise stromauf der Ventilatorbeschaufelung bzw. des Ventilatorlaufrades 2 angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt. 10 bezeichnet die Aussenverschalung der Kühleinrichtung. Durch eine Verstellung des Vorleitrad-Schaufelwinkels wird der ansonsten drallfreien Ventilatorzuströmung ein Vordrall aufgeprägt, der zu einer Änderung des geförderten Volumenstromes V sowie der Eulerarbeit a führt.

Fig. 2 zeigt die Kinematik der Strömung bei einem Ventilatorlaufrad 2 mit vorgeschaltetem, verstellbarem Vorleitrad 1. Hierbei ist sowohl eine drallfreie Variante D als auch jeweils eine Variante mit Gegen- bzw. Mitdrall GD bzw. MD gezeigt. In Fig. 2 bezeichnet ϕGD Durchflusszahl bei Gegendrall, ϕD Durchflusszahl bei Designbedingungen und ϕMD Durchflusszahl bei Mitdrall, ψn,GD Druckzahl bei Gegendrall, ψn,MD Druckzahl bei Designbedingungen und ψMD Druckzahl bei Mitdrall. Die Druckzahl ψ ist jeweils proportional der Eulerarbeit a bzw. des Druckaufbaus ΔP, während ϕ proportional dem Volumenstrom V ist. Durch Umstaffelung US der Vorleitbeschaufelung 1 kann, wie gezeigt, je nach Staffelungsrichtung ein Gegen- bzw. Mitdrall GD bzw. MD erzeugt werden.

Insbesondere wird durch die Vorleitrad-Verstellung auch die aufgenommene Ventilatorleistung, die gleich dem Generatorverlust ist, signifikant beeinflusst.

Wenn die Vorleitbeschaufelung 1 gemäss Fig. 3 als symmetrisches Tropfenprofil ausgeführt wird, so kann je nach gewählter Staffelungsrichtung der Vorleitbeschaufelung ein Gegendrall GD (Drallkomponente CU entgegen einer Rotationsrichtung U des Laufrades gerichtet) oder ein Mitdrall MD (Drallkomponente CU in Rotationsrichtung U des Laufrades gerichtet) erzeugt werden. Während ersterer zu einer Erhöhung des Druckaufbaus ΔP sowie des geförderten Volumenstromes V im Ventilatorlaufrad 2 führt, reduziert die Mitdrall-Variante selbige Kennfeld-Parameter. Ein Gegendrall-Betrieb des Ventilators 2 ist daher sicherlich für Generator-Überlastbetriebsfälle interessant, der Mitdrall-Betrieb bietet hingegen eine effiziente Regelungsmöglichkeit des Kühlkreises im Generator-Teillastbetrieb. Nur durch die Variation des Vorleitrad-Staffelungswinkels entsteht also bei konstanter Laufschaufelstellung und - drehzahl ein sogenanntes Drallkennfeld. Dieses ist in Fig. 4 dargestellt und kann in vergleichbarer Form auch durch das im Generatorenbau bekannte Umstaffeln des Laufrades erreicht werden. Letztere, beispielsweise aus dem "Fluidenergiemaschinen", Band II, von Fister, erschienen im Springer Verlag, bekannte Massnahme ist jedoch im Gegensatz zur erfindungsgemässen Vorleitrad-Umstaffelung während des Betriebes und ohne ein Öffnen des Maschine nicht möglich.

Der Kühlkreiswiderstand KW des Generators kann in guter Näherung als lastunabhängig betrachtet werden und ist durch eine typische Widerstandsparabel im Ventilator-Drallkennfeld beschreibbbar, wie in Fig. 4 gezeigt. Durch die Möglichkeit der Vorleitrad-Umstaffelung gibt es erfindungsgemäss fortan nicht nur einen Arbeitspunkt, d.h. den Schnittpunkt zwischen der Ventilatorkennlinie D und der Widerstandscharakteristik KW von Ventilator und Kühlkreis, sondern eine Arbeitslinie, die dem Verlauf der Widerstandsparabel im stabilen Bereich des Drallkennfeldes entspricht. Die Arbeitslinie deckt dabei ein gewisses Volumenstromspektrum ab, innerhalb dessen ein lastabhängig geforderter Kühlvolumenstrom mittels Vorleitrad-Umstaffelung eingeregelt werden kann. Hier bezeichnet 20 Linien konstanter Vorleitrad(VLE)Staffelung.

Darüberhinaus ist die erfindungsgemässe Vorleitrad-Beschaufelung abgesehen von der Betriebspunktregelung ein Instrument zur Feineinstellung und Optimierung des Kühlkreises auch unter Nennlastbedingungen.

Die erfindungsgemässe Vorleitbeschaufelung kann in allen erdenklichen Ventilator- und Luftführungsanordnungen integriert werden. In den Fig.en 5a bis 5f sind bevorzugte, beispielhafte Ausführungsformen veranschaulicht. Jedoch ist noch eine Vielzahl weiterer Varianten denkbar.

Die bevorzugten Ausführungsformen werden im folgenden kurz dargestellt und ihre besonderen Vorteile werden erläutert.

In Fig. 5a ist ein Kombination eines verstellbaren Vorleitrads 1 mit einem Einzellaufrad 2 gezeigt. Diese Kombination beschreibt die Basisausführung.

Weiterhin ist auch eine Kombination des erfindungsgemässen verstellbaren Vorleitrads 1 mit einer Ventilatorstufe 2, 3 möglich, wie in Fig. 5b dargestellt. Bei dieser Kombination wird hinter das verstellbare Vorleitrad 1 in gewissem Abstand eine Ventilatorstufe 2, 3 bestehend auf einem Laufrad 2 und einem Nachleitrad 3 geschaltet. Diese Variante zeichnet sich durch einen hohen Stufenwirkungsgrad aus.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5c ist im Gegensatz zu den vorstehenden Ausführungsformen das verstellbare Vorleitrad 1 unmittelbar vor dem Einzellaufrad 2 positioniert. Auf diese Weise wird eine kompakte Bauweise erreicht.

Alternativ kann aber auch, wie in Fig. 5d gezeigt, das verstellbare Vorleitrad 1 direkt vor der Ventilatorstufe 2, 3 angeordnet werden. Mittels dieser Anordnung werden die Vorteile aus den Ausführungsformen gemäss Fig. 5b und 5c vereinigt.

Zudem ist es aus möglich, das verstellbare Vorleitrad 1 bei einem Reverskühlungskonzept anzuwenden, bei dem das aufgeheizte Kühlgas vom Ventilator aus dem Generator ausgesaugt wird. Dies ist zur Verdeutlichung in Fig. 5e gezeigt.

Schliesslich kann auch eine Kombination des verstellbaren Vorleitrads 1 mit einem Radialventilator 4 realisiert werden, der in Generatoren mit hohem Druckdifferenzbedarf bei kleiner Kühlgasmenge zum Einsatz kommt.


Anspruch[de]
  1. Kühleinrichtung für Turbogeneratoren mit:
    • einer Luftführungsanordnung (2; 3) zur Führung und Förderung eines zirkulierenden Kühlgases in einem Kühlraum und
    • einer Vorleitradanordnung (1) mit verstellbarer Beschaufelung zur Erzeugung eines Mit- bzw. Gegendralls im Kühlgasstrom abhängig von der Einstellung der Beschaufelung.
  2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, wobei

    die Vorleitradanordnung (1) in der Strömungsrichtung des Kühlgases vor der Lüftungsanordnung (2; 3) angeordnet ist.
  3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei

    die Lüftungsanordnung (2) ein Ventilator umfasst.
  4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, wobei

    der Ventilator aus einem Einzellaufrad besteht.
  5. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, wobei

    die Lüftungsanordnung (2, 3) eine Ventilatorstufe umfasst.
  6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, wobei

    die Ventilatorstufe aus einem Laufrad und einem Nachleitrad besteht.
  7. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, wobei

    das Vorleitrad (1) unmittelbar vor der Lüftungsanordnung (2) angeordnet ist und

    die Lüftungsanordnung (2) ein Einzellaufrad umfasst.
  8. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, wobei
    • das Vorleitrad (1) unmittelbar vor der Lüftungsanordnung (2, 3) angeordnet ist und
    • die Lüftungsanordnung (2, 3) eine Ventilatorstufe umfasst.
  9. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, wobei

    die Kühleinrichtung eine Revers-Kühlungsanordnung ist.
  10. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, wobei

    der Ventilator ein Radialventilator ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com