Der stationäre Temperaturverlauf bei direkter Leiterkühlung

Abstract

Unter direkter Leiterkühlung versteht man die Wärmeabfuhr von stromführenden Leitern an das Kühlmittel bei weitgehender Vermeidung von Wärmewiderständen durch feste Körper zwischen dem Leiter und dem Kühlmittel. Bei elektrischen Generatoren ist die Hochspannungsisolation ein besonders großer Wärmewiderstand und sofern die Stromwärme über das Eisen abgeführt wird, bedeutet auch dies einen zusätzlichen Widerstand für den Wärmefluß. Die Ausschaltung von Wärmebarrieren durch feste Körper bei direkter Leiterkühlung ermöglicht die Abfuhr erhöhter Wärmestromdichten im Vergleich zur Kühlung in herkömmlicher Art und Weise. Bei direkter Leiterkühlung vereinfacht sich die Berechnung der Temperaturverteilung insofern, als die Wärmeabgabe nur über wenige Körper an das Kühlmittel erfolgt. In fast allen Fällen kann der Wärmedurchgang durch die Hochspannungsisolation der Ständerwicklung gegenüber dem Wärmefluß an das in gutem Wärmekontakt mit dem Leiter stehende Kühlmittel vernachlässigt werden.

Im Läufer, wo der durch die Nutisolation gebildete Wärmewiderstand wesentlich kleiner ist, kann der Wärmestrom über den Ballen an die Läuferoberfläche eine gewisse Bedeutung erlangen, insbesondere wenn die Kühlung im Spalt der Maschine intensiv ist.

Bei direkter Leiterkühlung genügt zur Berechnung des Temperaturverlaufs im allgemeinen neben der Kenntnis der Strömung des Kühlmittels, dessen Wärmekapazität, die Wärmeabgabezahl und die Randbedingungen. Auf dem Anwendungsgebiet der elektrischen Großgeneratoren wird das Kühlmittel sowohl bei Gaswie auch bei Flüssigkeitskühlung in einer erzwungenen Strömung geführt. Über die Bestimmung des Reibungskoeffizienten für den bei Gaskühlung auftretenden Strömungswiderstand bei direkt gekühlten Maschinen liegen Veröffentlichungen vor [2], die in guter Übereinstimmung mit den schon früher für die Rohrströmung gewonnenen Werten sind. So kann also bei gegebener Druckdifferenz an den Enden der Kanäle die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels berechnet werden. Die Wärmeabgabezahl ermittelt man bei gegebenen Kanalabmessungen und bekannter Strömungsgeschwindigkeit nach denNusseltschen Potenzformeln genügend genau.

Mit diesen Grundlagen ist es möglich, den Temperaturverlauf in Leiter und Kühlmittel zu bestimmen. Die vorliegende Arbeit behandelt folgende Aufgaben:

Übersicht. Herleitung der allgemeinen Lösung für den Temperaturverlauf bei Kühlung durch einen Kühlstrom und konstanten Verlusten im Leiter; a) Kühlung des Leiters in einem Abschnitt oder in mehreren Abschnitten und entgegengesetzten Kühlströmen. b) Kühlung in mehreren Abschnitten, Kühlströme gleich gerichtet—2. Berücksichtigung der linearen Abhängigkeit der Verluste von der Leitertemperatur—3. Der Einfluß zusätzlicher Wärmeabgabe bei direkter Leiterkühlung (direkte und indirekte Kühlung des Leiters)—4. Kühlung durch zwei Kühlströme gleicher Richtung, aber verschiedener Geschwindigkeit (Parallelströmung)—5. Kühlung durch zwei Kühlströme entgegengesetzter Richtung, aber gleicher Geschwindigkeit (Antiparallelströmung).