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Einrichtung zur Verminderung der Ventilationsarbeit gasförmiger Kühlmittel.
Bei umlaufenden Maschinenteilen, welche von Gasen, beispielsweise Kühlluft, durchströmt werden, hat man bisher keinen besonderen Wert auf die Verhältnisse gelegt, unter denen der Austritt des Gases aus dem Läufer erfolgt, sondern begnügte sich im allgemeinen damit, das Gas in radialer Richtung möglichst ungehindert austreten zu lassen, indem man lediglich für ausreichende Querschnitte der Luftwege sorgte und plötzliche Richtungs- änderungen und sonstige Widerstände dieser Luftwege nach Möglichkeit vermied.
Im Nachfolgenden soll jedoch an Hand der Zeichnung gezeigt werden, dass gemäss der Erfindung derartige Einrichtungen bezüglich Leistung und Wirtschaftlichkeit ohne durchgreifende konstruktive Abänderungen erheblich verbessert werden können. Der Einfachheit halber soll im Folgenden nur von Luftkühlung die Rede sein, obwohl sich die Erfindung nicht auf solche beschränkt, sondern ebenso auch jedes andere Gas verwendet werden kann.
Fig. i stellt im Querschnitt, Fig. 2 im Längsschnitt den umlaufenden Teil einer beliebigen Maschine dar. Dieser Läufer soll beispielsweise mit Luft gekühlt werden. Zu diesem Zwecke sind, wie insbesondere auch die Fig. 2 zeigt, in dem Läuferkörper 1 Axialkanäle 2 vorgesehen, in die die Kühlluft, wie die Pfeile andeuten, von den Stirnseiten des Läufers her eintritt, während sie, wie Fig. i auf der rechten Hälfte zeigt, nach Durchströmen der Axialkanäle 3 ins Freie gelangt.
Die Richtung, unter der die Luft den Läufer tatsächlich verlässt, ist jedoch nicht ebenfalls radial, sondern ergibt sich aus folgender Überlegung : Untersucht man die Kräfte, unter deren Einwirkung ein aus dem Ausströmkanal eben austretendes Teilchen der Kühlluft steht, so wird man feststellen, dass dieses Teilchen zunächst unter der Einwirkung der Drehung des umlaufenden Teiles 1 eine Umfangsgeschwindigkeit annimmt, welche in tangentialer Richtung im Sinne der Drehrichtung wirkt und die nach Richtung und Grössenordnung durch die Komponente it, in Fig. i rechts gegeben sein mag.
Ferner wird das Kühlluftteilchen aber auch unter der durch die Umdrehung bewirkten Ventilation bestrebt sein, den radialen Ausströmkanal 3 in radialer Richtung zu verlassen, mit einer Geschwindigkeit, die nach Richtung und Grössenordnung durch die Komponente W2 der Fig. i rechts gegeben sein mag und als Relativgeschwindigkeit anzusehen ist, mit der die Kühlluft den radialen Auströmkanal 3 verlassen würde, wenn man bei stillstehendem Läufer die gleiche Luftmenge mit der gleichen Geschwindigkeit durch die Luftwege hindurchtreiben würde wie beim normalen Betrieb.
Der Grössenordnung nach wird a' im allgemeinen gleich lt2 sein, zu mindestens wird der Unterschied zwischen beiden, wenn nicht erhebliche
Widerstände in den Luftwegen des Läufers eine Drosselung bewirken, nur sehr gering sein, so dass die beiden Geschwindigkeiten für die nachfolgenden Betrachtungen ohne erheblichen
Fehler einander nahezu gleichgesetzt werden können. In der Zeichnung ist dementsprechend W2 nur um ein Geringes kleiner als it, gezeichet.
Unter dem gleichzeitigen Einflusse der Umfangsgeschwindigkeit ; und der Relativgeschwindigkeit W2 wird das austretende Luftteilchen eine absolute Geschwindigkeit annehmen, die nach Richtung und Grössenordnung durch die Resultierende gegeben ist.
Diese Resultierende C2 wird, solange die beiden Komponenten lt2 und W2 einen rechten oder einen spitzen Winkel bilden, stets grösser sein als jede der Komponenten. Würden die beiden Komponenten einen stumpfen Winkel miteinander bilden, so würde die Resul- tierende kleiner ausfallen, und zwar umso kleiner, je stumpfer der Winkel ist, unter dem die Komponenten U2 und W2 zueinander stehen.
Da die Umfangsgeschwindigkeit 112 im Sinne der Drehrichtung wirkt, müsste somit die Relativgeschwindigkeit W2 entgegengesetzt der Drehrichtung wirken.
Konstruiert man das Parallelogramm der Geschwindigkeiten für ein den schrägen
Austrittskanal 4 eben verlassendes Kühlluftteilchen in gleicher Weise wie es auf der rechten
Seite der Fig. i für den radial gerichteten Austrittskanal 3 geschehen ist, und zwar unter der Voraussetzung, dass Luftmenge, Umfangsgeschwindigkeit und Relativgeschwindigkeit der austretenden Kühlluft ihrer Grössenordnung nach gleich den entsprechenden Werten des ersten Falles sind, so ergibt sich das auf der linken Seite der Fig. i gezeichnete Diagramm.
In diesem Falle ist die Richtung der Umfangsgeschwindigkeit mu wie im ersten Falle tangential und im gleichen Sinne wirkend wie die Drehrichtung. Die Relativgeschwindigkeiit W2 erhält infolge der schräg, entgegengesetzt der Drehrichtung geneigten Lage des Ausström- kanals 4 die aus dem Diagramm ersichtliche nahezu tangentiale, dem Drehsinn entgegen- gesetzte Richtung. Aus den Komponenten ! und W2 ergibt sich in diesem Falle die
Resultierende c',.
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Wie die Figur ohne weiteres zeigt, ist die Resultierende c'2 auf der linken Seite der Fig. i ganz wesentlich kleiner als c2 auf der rechten Seite der Figur. Zum Vergleich sind die beiden Diagramme in Fig. 3 noch einmal, bezogen auf denselben Coordinaten-Anfangspunkt, herausgezeichnet. U2 stellt auch hier wieder die Umfangsgeschwindigkeit, W2 die in beiden Fällen der Grössenordnung nach gleiche Relativgeschwindigkeit und C2 und c'2 die entsprechenden Resultierenden dar.
Da bekanntlich die Ventilationsarbeit bei gleichem U2 propotional der in der Umfangsrichtung wirkenden Komponente der absoluten Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmittels ist und da im vorliegenden Fall jene Komponente um so kleiner wird, je kleiner die zugehörige Austrittsgeschwindigkeit ist, so sind in Fig. g die
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rechte Seite der Fig. i zeigt, bei gleicher Luftmenge, Luftgeschwindigkeit und gleichen Widerständen aufzuwenden wäre.
Aus der linken Seite der Fig. i folgt ohne weiteres, dass die Resultierende c's um so kleiner wird, je mehr sich die Richtung der Komponente a der durch ihren Anfangspunkt gelegten Tangente nähert. Es ergibt sich ferner, dass gleichzeitig hiermit die Richtung der Resultierenden c' sich mehr und mehr der radialen Richtung nähert. Diese Annäherung findet jedoch eine Grenze, die durch die konstruktiven Bedingungen bestimmt wird.
Diese theoretische Erkenntnis lässt sich erfindungsgemäss vorteilhaft zur Verminderung der Ventilationsarbeit bei umlaufenden Maschinenteilen der verschiedensten Art praktisch verwerten, Von den möglichen Anwendungsgebieten sollen im Nachfolgenden des Beispiels halber nur zwei erwähnt werden. So könnte man die in Fig. i dargestellte Anordnung beispielsweise so durchbilden, dass sie zur Kühlung einer Maschine mit umlaufendem Kolben benutzt werden kann.
Aber auch für die Kühlung elektrischer Maschinen ist die Anordnung mit besonderem Vorteil verwendbar. Fig. 4 zeigt ein solches Anwendungsbeispiel für den umlaufenden Feldmagneten einer elektrischen Maschine, bei der die Wicklung durch zahnförmige Spulenhalter, die mit verbreiterten'Füssen in Nuten des Läuferkörpers befestigt sind, gegen die Wirkungen der Fliehkraft festgehalten werden, wobei diese Spulenhalter sämtlich oder zum Teil mit axialen Kanälen zur Durchführung von Kühlluft versehen sind.
In Fig. 4 bedeutet 5 den Läuferkörper eines umlaufenden Feldmagneten der eben erwähnten Art. In demselben sind Nuten 6 vorgesehen, die von den Zähnen 7 beiderseitig begrenzt sind, In diese Nuten 6 sind die Füsse der Wicklungshalter 8 eingeschoben. Zwischen je zwei solchen Wicklungshaltern liegt, auf dem Zahn 7 aufruhend, je eine Seite der Spulen 9, die durch den zwischen die Wicklungshalterköpfe eingetriebenen Keil 10 fest gegen den als Widerlager dienenden Zahn 7 gepresst werden. Die Wicklungshalter 8 besitzen einen axialen Kanal 11 zur Durchleitung von Kühlluft, die diesem Kanal durch Vermittlung besonderer Luftzuführungskanäle 12 im Läuferkörper über in gewissen Abständen vorgesehene radiale Lüftungsschlitze zugeführt wird.
Die Abführung der Kühlluft aus dem AxialkÅanal 11 erfolgt durch einen Ausströmkanal 13, der infolge seiner Form und Lage der austretenden Kühlluft, wie die Pfeile andeuten, unter allmählicher Umlenkung eine der Drehrichtung entgegengesetzte, möglichst tangentiale Richtung erteilt.
Um in dem Wicklungshalter 8 den Axialkanal 11 und den Auströmkanal 13 leicht herstellen zu können, kann man zweckmässig das ganze Wicklungshalterpaket aus mehreren Teilen zusammensetzen, von denen die einen die in Fig. 5, die anderen die in Fig. 6 dargestellte Form aufweisen. Hierbei kann man die Anordnung entweder so treffen, dass der Ausströmkanal 13 im mittleren Teil des Wicklungshalterpakets oder aber an dessen Stirnseiten liegt. Letztere Anordnung kann man auch bei massiven, aus einem Stück bestehenden Wicklungshaltern anwenden, indem man den Ausströmkanal 13 aus einer oder beiden Stirnseiten des Wicklungshalterpakets beispielsweise durch Fräsen oder ein gleichwertiges Arbeitsverfahren herausarbeitet.
In vielen Fällen wird es überhaupt zweckmässig sein, diese Wicklungshalter aus gestanzten Blechen aufzuschichten, wobei auch hier ein Teil dieser Bleche die Form nach Fig. 5, ein anderer Teil diejenige nach Fig. 6 besitzt.
Liegt der Ausstiömkanal in der Mitte des Wicklungshalterpakets, so kann man die Kühlluft beispielsweise durch zwischen den einzelnen Wicklungshalterpaketen vorgesehene radiale Lüftungsschlitze in die Axialkanäle 11 eintreten lassen, während bei Anordnung der Ausströmkanäle an den Stirnseiten der Wicklungshalterpakete die Zuführung der Kühlluft zu den Axsialkanälen 11 beispielsweise von den Stirnseiten des Läufers her erfolgen könnte.
Wie schon erwähnt, ist jedoch auch dies nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche bei zweckmässiger Durchbildung nicht nur für die umlaufenden Teile beliebiger
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elektrischer Maschinen, sondern auch für die umlaufenden Teile von Maschinen irgend- welcher Art mit Vorteil verwendet werden kann.
Obwohl die in der Zeichnung dargestellten Figuren Ausführungsbeispiele zeigen, bei denen die Ausströmkanäle 4 bzw. 13 von vornherein in den in Frage kommenden Maschinenteilen durch Aussparung von Material vorgesehen sind, kann man die Anordnung auch derart abändern, dass man die Ausströmkanäle durch Einbau besonderer Teile, wie z. B. Distanzstücke, Führungen o. dgl., erst bildet. Fig. 7 zeigt in perspektivischer Ansicht ein derartiges Ausführungsbeispiel in etwas grösserem Massstabe. Dort ist an der Stirnseite eines Wicklungshalters 8, der in diesem Falle nicht aus Blechen geschichtet zu sein braucht, sondern auch aus einem massiven Stück hergestellt sein kann, ein Distanzstück 14 beigelegt oder mit dem Wicklungshalter verbunden.
Dieses Distanzstück hat eine mit dem Axialkanal des Wicklungshalters übereinstimmende Öffnung 11 in der Mitte, deren Rand derart hochgebogen ist, dass die Öffnung gewissermassen von einem Wall 15 umgeben ist. Im oberen Teil setzt-sich dieser Wall nach aussen in der Art fort, dass ein entgegengesetzt der Dreh-
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