Im Vergleich zu einem Dampfturbinengenerator weist ein Wasserkraftgenerator folgende Merkmale auf:
(1) Die Drehzahl ist gering. Begrenzt durch die Förderhöhe des Wassers, liegt die Drehzahl im Allgemeinen unter 750 U/min, und einige erreichen nur wenige Dutzend Umdrehungen pro Minute.
(2) Die Anzahl der Magnetpole ist groß. Da die Drehzahl niedrig ist, muss die Anzahl der Magnetpole erhöht werden, um elektrische Energie mit 50 Hz zu erzeugen, damit sich das Magnetfeld der schneidenden Statorwicklung weiterhin 50 Mal pro Sekunde ändern kann.
(3) Die Anlage ist groß und schwer. Einerseits ist die Drehzahl niedrig; andererseits muss im Falle eines Lastabwurfs der Anlage die Notabschaltzeit der Leitschaufeln lang sein, um einen durch starken Wasserschlag verursachten Rohrbruch zu vermeiden. Dies führt jedoch zu einem zu starken Drehzahlanstieg der Anlage. Daher muss der Rotor ein hohes Gewicht und eine hohe Massenträgheit aufweisen.
(4) Im Allgemeinen wird eine vertikale Achse verwendet. Um den Flächenbedarf und die Anlagenkosten zu reduzieren, verwenden große und mittelgroße Wasserkraftgeneratoren in der Regel eine vertikale Welle.
Wasserkraftgeneratoren lassen sich je nach Anordnung ihrer rotierenden Wellen in vertikale und horizontale Typen unterteilen; vertikale Wasserkraftgeneratoren können je nach Position ihrer Drucklager in hängende und schirmförmige Typen unterteilt werden.
(1) Hängender Wasserkraftgenerator. Das Axiallager ist mittig oder im oberen Bereich des oberen Rotorrahmens angebracht, was einen stabilen Betrieb und eine einfache Wartung ermöglicht, jedoch ist die Bauhöhe groß und die Investitionskosten für die Anlage hoch.
(2) Schirmgenerator. Das Axiallager ist im Mittelkörper oder im oberen Bereich des unteren Rotorrahmens angeordnet. Große Wasserkraftgeneratoren mit mittlerer und niedriger Drehzahl werden aufgrund ihrer großen Abmessungen üblicherweise in Schirmbauweise ausgeführt, um die Anlagenhöhe zu reduzieren, Stahl einzusparen und die Investitionskosten zu senken. In den letzten Jahren wurde die Konstruktion mit auf dem oberen Deckel der Wasserturbine montiertem Axiallager weiterentwickelt, wodurch die Anlagenhöhe weiter reduziert werden kann.
2. Hauptkomponenten
Ein Wasserkraftgenerator besteht im Wesentlichen aus Stator, Rotor, Axiallager, oberen und unteren Führungslagern, oberem und unterem Rahmen, Belüftungs- und Kühlvorrichtung, Bremsvorrichtung und Erregervorrichtung.
(1) Stator. Er ist ein Bauteil zur Erzeugung elektrischer Energie und besteht aus Wicklung, Eisenkern und Gehäuse. Da der Stator von großen und mittelgroßen Wasserkraftgeneratoren einen sehr großen Durchmesser aufweist, wird er in der Regel aus Segmenten für den Transport zusammengesetzt.
(2) Rotor. Er ist ein rotierendes Bauteil, das ein Magnetfeld erzeugt und aus einer Halterung, einem Laufring und Magnetpolen besteht. Der Laufring ist ein ringförmiges Bauteil aus fächerförmigem Eisenblech. Die Magnetpole sind außerhalb des Laufrings angeordnet, der als Leiter des Magnetfelds dient. Ein Rotorstrang, bestehend aus großen und mittelgroßen Rotoren, wird vor Ort montiert, erhitzt und anschließend auf die Hauptwelle des Generators aufgesetzt. In den letzten Jahren wurden rotorwellenlose Konstruktionen entwickelt, bei denen die Rotorhalterung direkt am oberen Ende der Turbinenhauptwelle befestigt ist. Der größte Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass sie die Qualitätsprobleme großer Guss- und Schmiedeteile aufgrund der Größe der Einheit löst. Darüber hinaus reduziert sie das Gewicht und die Hubhöhe des Rotors, wodurch die Anlagenhöhe verringert und somit die Wirtschaftlichkeit beim Kraftwerksbau verbessert wird.
(3) Axiallager. Es handelt sich um ein Bauteil, das das Gesamtgewicht des rotierenden Teils der Einheit und den axialen hydraulischen Schub der Turbine trägt.
(4) Kühlsystem. Wasserkraftgeneratoren nutzen üblicherweise Luft als Kühlmedium für Stator, Rotorwicklung und Statorkern. Kleinere Generatoren verfügen oft über offene oder Rohrbelüftung, während größere und mittelgroße Generatoren meist geschlossene Umluftbelüftung einsetzen. Zur Verbesserung der Kühlleistung nutzen einige Hochleistungsgeneratoren eine interne Kühlung der Wicklungen. Dabei werden Hohlleiter direkt durch das Kühlmedium geführt, wobei Wasser oder ein neuartiges Medium als Kühlmedium dient. Stator- und Rotorwicklungen werden intern mit Wasser gekühlt. Diese Wasserkühlung wird als doppelte Wasserkühlung bezeichnet. Werden Stator-, Rotorwicklung und Statorkern mit Wasser gekühlt, spricht man von vollständiger Wasserkühlung. Werden Stator- und Rotorwicklungen teilweise mit Wasser gekühlt, spricht man von halber Wasserkühlung.
Eine weitere Kühlmethode für Wasserkraftgeneratoren ist die Verdunstungskühlung. Dabei wird ein flüssiges Medium zur Verdunstungskühlung in den Leiter des Generators eingeleitet. Die Verdunstungskühlung bietet den Vorteil, dass die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmediums deutlich höher ist als die von Luft und Wasser. Dadurch können Gewicht und Größe der Anlage reduziert werden.
(5) Die Erregervorrichtung und ihre Entwicklung sind im Wesentlichen die gleichen wie bei thermischen Kraftwerken.
Veröffentlichungsdatum: 01.09.2021
