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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines flüssigkeitsgekühlten Transformators mit mindestens einem konzentrisch um einen Eisenkern gewickelten Wicklungskörper, der mit vertikal verlaufender Mittelachse in einem aus Stahlblech bestehenden Trafokessel angeordnet ist und mindestens einen ihn in Längsrichtung durchziehenden, etwa vertikal verlaufenden Strömungskanal für das durch Erwärmung an den stromdurchflossenen Wicklungen des Wicklungskörpers nach oben strömende Kühlmittel aufweist.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen flüssigkeitsgekühlten Transformator mit mindestens einem konzentrisch um einen Eisenkern gewickelten Wicklungskörper, der mit vertikal verlaufender Mittelachse in einem aus Stahlblech bestehenden Trafokessel angeordnet ist und mindestens einen ihn in Längsrichtung durchziehenden, etwa vertikal verlaufenden Strömungskanal für das durch Erwärmung an den stromdurchflossenen Wicklungen des Wicklungskörpers nach oben strömende Kühlmittel aufweist.
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Bei den üblichen flüssigkeitsgekühlten Transformatoren sind die Wicklungskörper mit senkrechter Längsachse hintereinander in einem mit Öl befüllten Trafokessel aus verschweißten Stahlblechen im Abstand zu den Kesselwänden angeordnet und werden in dieser Position durch einen Spannrahmen gehalten.
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Die Wicklungskörper bestehen aus konzentrisch um einen Eisenkern gewickelten, mit Öl imprägniertem Papier gegeneinander isolierten Kupferwicklungen, wobei z. B. bei einem Dreiphasenwechselstromtransformator mit drei Spannungsebenen für jede Phase drei Wicklungen, nämlich die Oberspannungs-, Unterspannungs- und die Tertiärwicklung vorhanden sind. Diese Wicklungen sind entlang eines gemeinsamen Kernschenkels übereinander konzentrisch angeordnet und durch einen Ringspalt von einander getrennt, der den Wicklungskörper in Längsrichtung durchzieht. Die isolierten Wicklungsdrähte sind darüber hinaus in der Regel zum benachbarten Draht auch horizontal beabstandet, so daß die Wicklungen in Längsrichtung der Wickelkörper und quer dazu durchströmt werden können.
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Dieser Aufbau der Wicklungskörper, die auf sog. Wickeldornen hergestellt werden, ist für eine ausreichende Kühlung der Wicklungen durch das Kühlmittel, in der Regel einem speziellen, schwer entflammbaren Trafoöl, wichtig. Das Öl strömt am unteren Ende der Wicklungskörper und gegebenenfalls seitlich zwischen den Wicklungsdrähten in den Ringspalt, strömt unter Erwärmung nach oben und tritt am oberen Ende der Wicklungskörper aus.
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Die Erwärmung der Wicklungen ist unvermeidlich und wird durch die elektrischen Verluste, insbesondere die ohm'schen Widerstandsverluste, hervorgerufen.
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Die im aktiven Teil des Trafos entstehende und vom Trafoöl aufgenommene Wärmemenge muß über eine entsprechende Kühlung des Öls wieder abgeführt werden, um eine Überhitzung und damit Zerstörung des Trafos zu vermeiden.
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Dazu können z. B. an die Kesselwände angeflanschte Radiatoren verwendet werden, in die das heiße Trafoöl im oberen Kesselbereich, gegebenenfalls mit Hilfe von Pumpen, eintritt, den Radiator unter Abkühlung durchströmt und im unteren Kesselbereich wieder in den Kessel zurückgeführt wird.
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Eine reine Kesselkühlung wird bei den sog. Wellwandkesseln angestrebt, bei denen die Kesselwandoberfläche durch in die Kesselwände gefaltete, senkrecht verlaufende Wellen stark vergrößert ist. Durch die vergrößerte Oberfläche soll die Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung verbessert werden.
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Auch sind zur Verbesserung der Kühlung Gebläsebatterien im Einsatz, die große Luftmengen gegen die Kesselwände blasen. Diese zusätzlichen Kühlgeräte können die Wärmeabgabe durch die Kesselwände deutlich verbessern, sind jedoch durch ihre Schallemisionen problematisch und verbrauchen zusätzliche Energie.
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Die geschilderten Kühlverfahren haben jedoch nur einen geringen Einfluß auf das Temperaturprofil im Trafokessel, das etwa linear verläuft und von unten nach oben ansteigt.
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Wie aus der Trafotechnik bekannt ist, bildet sich bei den beschriebenen Transformatoren am oberen Ende der Wicklungen ein Bereich des s. g. Heißpunktes oder „Hot Spot's”, da die Leiterbündel im inneren der Wicklungskörper heißer werden als das die Randzonen umspülende Öl.
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In diesem Bereich kommt es zu einer verstärkten Alterung des Isoliermaterials, was unter Umständen zum Ausfall bzw. zur Zerstörung des Trafos führen kann.
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Nach einer empirisch ermittelten Gesetzmäßigkeit verdoppelt sich die Lebensdauer eines Trafos, wenn die durchschnittliche Temperatur des Heißpunktes bei gleicher Leistung des Trafos um 6 bis 10 Grad Celsius gesenkt werden kann.
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Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines flüssigkeitsgekühlten Transformators bzw. einen flüssigkeitsgekühlten Transformator zu schaffen, bei dem die Wärmeabgabe durch die Kesselwände verbessert und die durchschnittliche Betriebstemperatur niedriger ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das am oberen Ende des Wicklungskörpers aus dem Strömungskanal austretende, erwärmte Kühlmittel mittels einer sich zwischen der äußeren Umfangsfläche des Wicklungskörpers und der Kesselwandung erstreckenden Strömungsbarriere in einen Kühlkanal geleitet wird, der durch die Kesselwandung und eine in Richtung zum Wicklungskörper gesehen hinter der Kesselwandung angeordnete Strömungsleitplatte gebildet wird, der mindestens eine im unteren Bereich des Kessels vorgesehene Öffnung zum Austritt des abgekühlten Kühlmittels aufweist.
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Weiterhin wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Transformator gelöst, bei dem eine sich zwischen der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Wicklungskörpers und der Kesselwandung erstreckende Strömungsbarriere vorgesehen ist, wobei sich zwischen der Kesselwandung und der äußeren Umfangsfläche des Wicklungskörpers ein Kühlkanal erstreckt, der von der Kesselwandung und einer Strömungsleitplatte gebildet wird, wobei der Kühlkanal mindestens eine Eintrittsöffnung für das erwärmte Kühlmittel oberhalb der Strömungsbarriere und mindestens eine Austrittsöffnung für das abgekühlte Kühlmittel unterhalb der Strömungsbarriere aufweist.
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Beim eingangs geschilderten Aufbau der bekannten Transformatoren strömt nur ein sehr geringer Teil des erhitzten, aus den oberen Enden der Wicklungskörper austretenden und sich im oberen Bereich des Kessels ansammelnden Trafoöls an den Kesselwänden nach unten, so daß sich beim Betrieb des Trafos das erwähnte lineare Temperaturprofil ergibt. Entsprechend schlecht ist die Wärmeabgabe durch die Kesselwand an die Umgebungsluft durch Konvektion bzw. Strahlung.
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Die Ursache für die geringe Strömung im Kesselwandbereich liegt in der gegen Null gehenden Strömung in der Grenzschicht zur Kesselwandung aufgrund der Wandreibung und, insbesondere bei Wellwandkesseln, in den engen Strömungsquerschnitten in den senkrecht verlaufenden Taschen, die durch die gefalteten Wellen gebildet werden.
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Vielmehr strömt ein großer Teil des heißen Öls durch die Zwischenräume zwischen den oberen Wicklungen praktisch ohne Abkühlung zurück in den Ringspalt, da in diesem Bereich die Strömungsgeschwindigkeit des aufsteigenden Öls am größten und demzufolge der Druck am niedrigsten ist.
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Ein weiterer Teil des Öls strömt im Bereich der Umfangsflächen der Wicklungskörper ohne wesentliche Abkühlung nach unten, wo es an der Unterseite wiederum in den Ringspalt zwischen den Wicklungen eintritt.
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Diese Strömungsausbildung mit der damit verbunden schlechten Abkühlung des Trafoöls ergibt sich aus der analogen Anwendung des Strömungsgesetzes von Hagen-Poiseuille, wonach der Volumenstrom pro Zeiteinheit in vierter Potenz vom freien Strömungsquerschnitt abhängt, der entlang der Umfangsflächen der Wicklungskörper wesentlich größer ist als in den Taschen der Wellen.
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Erfindungsgemäß wird nun der freie Strömungsquerschnitt im Bereich der Wicklungskörper durch die Strömungsbarriere so weit verringert, daß das erhitzte Öl in radialer Richtung zu den Kesselwänden strömt und dort in einen sich parallel zur Kesselwand erstreckenden Kühlkanal geleitet wird, der durch die Strömungsleitplatte und die Innenseite der Kesselwand gebildet wird. Dort strömt das heiße Öl unmittelbar an der Kesselwand unter Abkühlung nach unten und tritt aus der unteren Öffnung des Kühlkanals aus, um nachfolgend wiederum von unten nach oben unter Erwärmung durch die Wicklungen zu strömen.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Wärmeabgabe der Kesselwände drastisch verbessert. Insbesondere im oberen Bereich des Trafos werden die relevanten Temperaturen des aktiven Trafoteils bzw. des Trafoöls deutlich gesenkt, so daß die Lebensdauer des Trafos verlängert ist bzw. seine Leistung erhöht werden kann.
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Die Strömungsleitplatte wird bei Glattwandkesseln im Abstand zur inneren Kesselwand befestigt, während sie bei Wellwandkesseln unmittelbar an der inneren Kesselwand angeordnet sein kann, so daß praktisch das gesamte heiße Öl durch die Taschen bzw. Kühlkanäle zwischen den Wänden der jeweiligen Welle unter Wärmeabgabe nach unten strömt und von dort über die untere Austrittsöffnung zu den unteren Enden der Wicklungskörper geführt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformators besteht die Strömungsleitplatte aus einem sandwichartigen aufgebauten Blechverbund, bei dem zwischen zwei äußeren Platten eine mittlere Schicht aus einem viskoelastischen Kunststoff vorgesehen ist. Durch die Schall, insbesondere Körperschall dämpfenden Eigenschaften des viskoelastischen Kunststoffes können die unter der Bezeichnung „Netzbrummen” bekannten Geräuschemissionen des Trafos deutlich vermindert werden.
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Die für die Ausbildung der Strömungsbarriere geeigneten Materialien sind beständig gegen das heiße Trafoöl und elektrisch nicht leitend.
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So kann z. B. ölgetränktes Pressholz, ein Faserverbundwerkstoff aus Papier und einem Phenol-Formaldehyd-Kunstharz (Pertinax) oder ein Kunststoff verwendet werden. Daneben können auch schwammartige Schaumstoffe, Watte, Vliese, Filze, Gummi- oder Kautschukdichtlippen oder ein Verbund derartiger Werkstoffe zur Bildung der Strömungsbarriere verwendet werden.
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Auch Schwimmkörper mit geeigneter Größe, die z. B. gegen eine als obere Begrenzung wirkende Siebplatte gedrückt werden, sind zur Verringerung des Strömungsquerschnitts bzw. Erhöhung des Strömungswiderstandes geeignet.
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Es sei erwähnt, daß die Strömungsbarriere zumindest auf der Seite der Wicklungskörper nicht dichtend gegen die äußeren Umfangsflächen der Wicklungskörper anliegen muß. Ihre Aufgabe besteht vielmehr darin, die Strömungsquerschnitte zwischen den Umfangsflächen der Wicklungskörper und der Strömungsleitplatte soweit zu verringern, daß ein hinreichend großer Volumenstrom des heißen Öls zu den kesselwandseitigen Kühlkanälen geleitet wird.
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Bei der Verwendung von Pressholz- oder Pertinaxplatten werden diese vor dem Einsetzen passend zugeschnitten, wobei der jeweilige Pressrahmen zur Fixierung der Wicklungskörper und die Herausführung der Wicklungsenden berücksichtigt werden müssen. Zu große freie Querschnitte können in einfacher Weise z. B. mit Schaumstoffstücken mit hinreichender Wirkung verschlossen werden.
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Mit seinen den Kesselwänden benachbarten Endseiten wird die Strömungsbarriere am oberen Ende der Strömungsleitplatte mit dieser verbunden, wobei die Strömungsleitplatte und die Strömungsbarriere auch einstückig ausgebildet sein können.
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Die Strömungsleitplatte kann, ebenso wie die Strömungsbarriere, in seitliche Führungen der Kesselwände eingeschoben werden, wobei die Eintrittsöffnung am oberen Ende und die Austrittsöffnung am unteren Ende des Kühlkanals nicht verschlossen werden dürfen.
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Durch die erfindungsgemäße Umleitung des Öls in den Kühlkanal bzw. die Taschen der Wellen werden zum ersten Mal große Mengen von heißem Öl zur Kesselwandung bzw. den Wellen geführt, so daß der Wärmeübergang an die Kesselwände bzw. die infrarote Wärmeabstrahlung der Kesselwände an die Umgebung vergleichsweise hoch ist.
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Um zu verhindern, daß sich benachbarte Wellen mit der bei der senkrecht zur Wellenoberfläche austretenden bzw. auftreffenden Strahlung gegenseitig beaufschlagen, was eine Verschlechterung der Kühlung bewirkt, wird bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, benachbarte Wellen umzubiegen, so daß sich die äußeren Enden der jeweiligen Wellen annähern bzw. gegeneinander anliegen und die beiden Wellen nicht mehr parallel zueinander stehen.
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Die Erfindung ist insbesondere für flüssigkeitsgekühlte Transformatoren mit Glattwandkesseln, Wellwandkesseln oder Trafokesseln einsetzbar, die z. B. zwei Wellwandseiten und zwei glatte Wände aufweisen. Selbstverständlich können die Kessel auch zusätzliche Radiatoren haben oder mit Hilfe von Gebläsen verstärkt gekühlt werden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung am Beispiel eines Dreiphasenwechselstromtrafos veranschaulicht und wird anhand der Zeichnungsfiguren im Einzelnen erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen horizontalen Schnitt durch einen ölgekühlten, dreiphasigen Leistungstransformator in einer Draufsicht und
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2 einen vertikalen Schnitt durch den Transformator gemäß 1 entlang der Richtung A-A.
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Der in 1 schematisch dargestellte Transformator 1 besteht im wesentlichen aus drei Wicklungskörpern 2, 3, 4, die mit vertikal verlaufender Längsachse in einem aus Stahlblech bestehenden Trafokessel 5 angeordnet und mittels eines nicht im Einzelnen gezeigten Spannrahmens im Kessel 5 positioniert und fixiert sind.
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Der Spannrahmen weist vier vertikal verlaufende Streben 6 auf, die jeweils seitlich zu den beiden äußeren Wicklungskörpern 2 und 4 verlaufen.
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Die Wicklungskörper 2, 3 und 4 bestehen im Einzelnen aus einem Eisenkern 7, der aus Dynamoblechen zusammengesetzt ist und den Kern 7 konzentrisch umgebenden Wicklungen 8, 9 und 10, die die Oberspannungs- Unterspannungs- und Tertiärwicklung darstellen.
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Zwischen den beiden äußeren Wicklungen 9, 10 und der inneren Wicklung 8 befindet sich ein Ringspalt 11, der die Wicklungskörper 2, 3, 4 jeweils in Längsrichtung durchzieht und am unteren bzw. am oberen Ende der Wicklungskörper 2, 3, 4 mündet.
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Der Kessel 5, der die in dem Spannrahmen angeordneten Wicklungskörper 2, 3 und 4 aufnimmt, ist mit Trafoöl gefüllt, das in dem offenen Ringspalt 11 aufgrund der ohmschen Verluste der Wicklungen erwärmt wird und daher die Wicklungskörper 2, 3, 4 von unten nach oben durchströmt.
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Der Kessel 5 weist zwei seitliche Wände 12, 13 und zwei Stirnwände 14 und 15 auf, wobei die seitlichen Wände 12, 13 aus Wellwandelementen mit einer Vielzahl von Wellen 16 bestehen, die in vertikaler Richtung verlaufen und im Inneren taschenartige Kühlkanäle 17 für das Trafoöl aufweisen.
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Am oberen Ende der Wicklungskörper 2, 3, 4 sind zwei sich horizontal erstreckende Strömungsbarrieren 18 und 19 vorgesehen, die die vergleichsweise großen, freien Strömungsquerschnitte im Bereich der Umfangsflächen der Wicklungskörper 2, 3, 4 versperren, so daß das am oberen Ende aus den Wicklungskörpern austretende, erwärmte Öl zwangsweise zu den Strömungskanälen 20, 21 geleitet wird, die sich zwischen den Innenwandungen der Wellwände 12, 13 und den Strömungsleitplatten 22 und 23 erstrecken und auch die Kühlkanäle 17 umfassen.
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In den Strömungskanälen 20, 21 bzw. in den Kühlkanälen 17 strömt das erhitzte Trafoöl unter intensiver Wärmeabgabe an die Seitenwände 12, 13 nach unten und tritt dort, wie der Zeichnungsfigur 2 zu entnehmen ist, aus den horizontalen verlaufenden Schlitzen 24 und 25 am unteren Ende der Strömungsleitplatten 22 bzw. 23 aus und strömt abgekühlt zum unteren Ende der Wicklungskörper 2, 3, 4 bzw. zu den sie durchziehenden Ringspalten 11.
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Zeichnungsfigur 2 zeigt einen nicht maßstabsgerechten schematischen, vertikalen Schnitt durch den Kessel 5 und den mittleren Wicklungskörper 3 in Höhe der Richtungspfeile A-A gemäß 1.
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Dieser Zeichnungsfigur ist die konzentrische Anordnung der Wicklungen 8, 9 und 10 zu entnehmen, die um den Eisenkern 7 gewickelt sind und die zwischen der inneren Wicklung 8 und der mittleren Wicklung 9 den, den Wicklungskörper in Längsrichtung durchziehenden, Ringspalt 11 aufweisen.
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Es sei erwähnt, daß die Strömungsleitplatten 22 und 23 dicht vor den Innenseiten der Wellwände bzw. direkt an den Innenseiten befestigt werden sollten, um eine gute Durchströmung der vergleichsweise engen Kühlkanäle 17, in der Beschreibung auch Taschen genannt, in den Wellen 16 zu gewährleisten.
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Nur dann ist ein guter Wärmeübergang vom Öl an die Kesselwände bzw. von dort an die Umgebungsluft möglich.
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Die aus den Wicklungen herausgeführten Wicklungsenden, die mit der Ableitung verbunden sind, werden aus Gründen einer übersichtlichen zeichnerischen Darstellung nicht gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Transformator
- 2
- Wicklungskörper
- 3
- Wicklungskörper
- 4
- Wicklungskörper
- 5
- Kessel
- 6
- Strebe
- 7
- Eisenkern
- 8
- Wicklung
- 9
- Wicklung
- 10
- Wicklung
- 11
- Ringspalt, Strömungskanal
- 12
- Seitliche Wand
- 13
- Seitliche Wand
- 14
- Stirnwand
- 15
- Stirnwand
- 16
- Welle
- 17
- Kühlkanal, Tasche
- 18
- Strömungsbarriere
- 19
- Strömungsbarriere
- 20
- Strömungskanal
- 21
- Strömungskanal
- 22
- Strömungsleitplatte
- 23
- Strömungsleitplatte
- 24
- Schlitz, Austrittsöffnung
- 25
- Schlitz, Austrittsöffnung
