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Kühleinrichtung für elektrische Leiter in Hohlwellen elektrischer
Maschinen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die direkte Kühlung elektrischer
Leiter in hohlen Wellenteilen elektrischer Maschinen, wie beispielsweise der Schleifringzuleitungen
in den hohlen Wellenschenkeln von Turbogeneratoren.
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Die wirksame direkte Kühlung der Wicklungen elektrischer Maschinen,
beispielsweise mit Wasserstoffgas, erlaubt eine höhere Ausnutzung der Maschine.
Für Grenzleistungsturbogeneratoren bedeutet das eine Steigerung des Erregerstromes,
womit aber bei gleichem Leiterquerschnitt für die von der intensivierten direkten
Wicklungskühlung nicht erfaßte Schleifringzuleitung im Wellentunnel eine wesentlich
stärkere Erwärmung durch ohmsche Verluste verbunden ist. Dieser Erwärmung begegnet
man zunächst mit einer Vergrößerung der Leiterquerschnitte, doch ist dem bald eine
Grenze gesetzt durch den verfügbaren Tunnelquerschnitt und die Mindeststärke der
Isolation zwischen den Leitern und zwischen Leiter und Hohlwelle.
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Eine weitere Steigerung -des Erregerstromes setzt die Kühlung der
in der Hohlwelle liegenden Leiter voraus, denn der Isoliermantel zwischen den Leitern
und der Hohlwelle leitet die Verlustwärme nur schlecht ab.
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Bisher sind Einrichtungen bekannt, bei denen zur Vermeidung von Kondenswasserbildung
ein Luftstrom durch Kanäle geführt wird, deren Begrenzung auf der einen Seite die
Tunnelwandung und auf der anderen Seite die Isolierstofprofilstreifen bilden, die
den Leiter verhältnismäßig geringen Querschnitts in seiner Lage halten und gegen
die Welle isolieren. Zur Vermeidung von Kondenswasserbildung mag diese Einrichtung
ausreichen, an eine Kühlung der Leiter. ist nicht gedacht, weil dafür bei den geringen
Leiterquerschnitten und Strombelastungen kein Bedarf besteht.
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Eine andere Einrichtung sieht bei größeren Leiterquerschnitten schon
mehrere Kühlkanäle vor, die durch die Leiter und die Isolierung zwischen den Leitern
oder zwischen Leiter und Hohlwelle begrenzt werden. Für die Kühlgasströmung sind
die Kühlkanäle der beiden Leiter hintereinandergeschaltet. Das frische Kühlgas tritt
an einem Leiterende in die, zu einem Leiter gehörenden Kühlkanäle ein. Am Ende dieses
Leiters verteilen sich die aus den Kühlkanälen dieses einen Leiters austretenden
erwärmten Kühlgasströme auf andere Kühlkanäle dieses Leiters und auf die genau wie
bei dem einen Leiter angeordneten Kühlkanäle des anderen Leiters und fließen in
diesen zum eintrittsseitigen Leiterende zurück. Die vom Kühlgas in den Kanälen dieses
anderen Leiters zurückzulegenden Wege sind verschieden lang, wodurch die Kühlgasströme
in den Kanälen unterschiedliche Reibungswiderstände zu überwinden haben. Durch die
längeren Kühlgaskanäle, die dadurch entstehen, daß das Kühlgas, am eintrittsseitigen
Ende angelangt, noch einmal in anderen Kanälen zu den in axialer Richtung weiter
zur Leitermitte hin gelegenen Austrittsöffnungen zurückströmt, wird außerdem weniger
Kühlgas fließen als durch die kürzeren Kühlkanäle.
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Die Kühlkanäle der einzelnen Leiter kommen also mit Kühlgas unterschiedlicher
Temperatur in Berührung. Das Gas erwärmt sich zunächst in den Kanälen eines Leiters
und kühlt diesen gut und strömt dann durch die Kanäle des anderen Leiters, wobei
es wegen des geringen Temperaturunterschiedes zwischen Gas und Leiter von diesem
weniger Wärme abführt.
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In den einander entsprechenden Kühlkanälen der beiden Leiter fließen
infolge andersartiger Druckverhältnisse in der Zeiteinheit unterschiedliche Kühlgasmengen.
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Der Nachteil dieser Anordnung ist also eine verschieden starke Kühlung
der Leiter. Bei hoher Strombelastung der den Wellentunnel fast vollständig ausfüllenden
Leiter führt eine solche thermische Unbalance zu Störungen der Laufruhe der Maschine
und damit zu einer Beeinträchtigung der Betriebssicherheit.
Die
Erfindung beseitigt- alle diese Nachteile, indem sie vorsieht, daß das Kühlmittel
längs seines ganzen axialen Weges durch mindestens zum Teil von den Leitern gebildete
Kühlkanäle strömt, die infolge einmaliger Umlenkung mehr als die einfache Länge
eines Leiters ausmachen, wobei einander entsprechende Teile der Leiter von Kühlmittel
gleicher Temperatur beaufschlagt werden. Die einander entsprechenden Kühlkanäle
der durch Isoliermaterial getrennten Leiter sind parallel geschaltet. Da alle einander
entsprechenden Kühlkanäle gleich lang sind, weist das Kühlmittel längs der einander
entsprechenden Teile der Leiter innerhalb der Kühlkanäle das gleiche Druckgefälle
auf. Nach einem Merkmal der Erfindung tritt das Kühlmittel zu einem Ende in die
Kühlkanäle ein und verläßt diese nach Durchlaufen nahezu am gleichen Ende. Jedes
Kühlmittelteilchen legt in den Kühlkanälen einen Weg zurück, der etwa zweimal so
groß ist wie eine Leiterlänge. Nachdem die Kühlmittelteilehen in zu den einzelnen
Leitern gehörigen parallel geschalteten und nach einem erfindungsgemäßen Merkmal
in unmittelbarer Achsnähe gelegenen Kühlkanälen für die Kühlmittelzuführung einmal
mindestens eine Leiterlänge zurückgelegt haben, werden sie, am Ende des Leiters
angekommen, umgelenkt und strömen in den achsfernen Kühlkanälen für die Kühlmittelabführung
wieder zum eintrittsseitigen Leiterende zurück, wo sie die Kühlkanäle verlassen.
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Diese Auslaßöffnungen sind vorzugsweise über Ringkammern und Kanäle
mit Austrittsöffnungen verbunden, an denen das Kühlmittel die Kühleinrichtung verläßt
und die einen möglichst großen radialen Abstand von der Wellenachse haben.
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Die Eintrittsöffnungen, von denen aus das Kühlmittel den Kühlkanälen
für die Kühlmittelzuführung zufließt, werden so nahe zur Wellenachse gelegt, wie
dieses konstruktiv möglich ist. Der so erzielte große radiale Abstand zwischen Eintritts-
und Austrittsöffnungen sichert einen hohen Förderdruck für das Kühlmittel und trägt
so zu einer intensiven Kühlung bei.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen die Figuren.
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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht zweier durch ein Isoliermaterial
getrennter Leiter. Das die Leiter von der Welle isolierende Isoliermaterial und
die Hohlwelle selbst sind der Deutlichkeit halber nicht dargestellt; Fig. 2 ist
ein Querschnitt durch die Hohlwelle am eintrittsseitigen Leiterende bei A; Fig.
3 ist ein Querschnitt durch die Hohlwelle am eintrittsseitigen Leiterende bei B;
Fig. 4 ist ein Querschnitt durch die Hohlwelle etwa bei C.
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In Fig. 1 deuten Pfeile die Kühlmittelströme an. Das Kühlmittel tritt
an einem Leiterende in die parallel geschalteten, einander entsprechenden achsnahen
Kühlkanäle 10 ein, die durch die Leiter 11 selbst sowie durch das zwischen diesen
liegende Isoliermateria112 gebildet werden. Nachdem das Kühlmittel die Kühlkanäle
10 bis zum anderen Leiterende durchströmt und beide Leiter gleichmäßig gekühlt hat,
tritt es aus diesen aus und verteilt sich in gleichen Mengen auf die einander entsprechenden
achsferneren Kühlkanäle 13, die von den Leitern 11 und dem Isoliermaterial 14 (Fig.
2 bis 4) begrenzt werden. In diesen wiederum parallel geschalteten Kühlkanälen 13
für die Kühlmittelabführung strömt das Kühlmittel zum eintrittsseitigen Ende der
Leiter 11 zurück und kühlt dabei alle Leiter ebenfalls gleichmäßig ab.
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In der Fig. 1 werden die achsnahen Kühlkanäle für die Kühlmittelzuführung
durch Aussparungen im Isoliermaterial 12 gebildet; die Fig. 2 bis 4 deuten an, daß
die Kühlkanäle auch durch Aussparungen im Isoliermaterial und im Leiter entstehen
können.
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Nach einem Merkmal der Erfindung erfordert die Lenkung der Kühlmittelströme
einen äußerst geringen Aufwand an Füll- oder Trennstücken. So verschließen am eintrittsseitigen
Ende der Leiter 11 Füllstücke 15 die Kühlkanäle 13 gegen den Außenraum. Durch
öffnungen 16 im Isoliermaterial 14 zwischen den Leitern
11 und der Hohlwelle 17 treten die Kühlmittelströme aus den Kühlkanälen
13 aus und vereinigen sich in dem in die Hohlwelle 17 eingearbeiteten
Ringraum 18. Die radialen Kanäle 19, von denen eine beliebige Anzahl
vorhanden sein kann, liegen in einer Lüfterscheibe und verbinden den Ringraum
18
mit den an deren äußerstem Umfang gelegenen Austrittsöffnungen
20.
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Der radiale Abstand der Austrittsöffnungen von der Wellenachse ist
etwa doppelt oder mehrfach so groß wie der der Eintrittsöffnungen. Auf diese Weise
haben Eintritts- und Austrittsöffnungen einen großen radialen Abstand voneinander,
ein Maß für den auf das Kühlmittel wirkenden Förderdruck. Je größer also dieser
Abstand, um so größer ist die pro Zeiteinheit durch die Kühlkanäle fließende Kühlmittelmenge
und um so besser ist somit auch die Kühlung der Leiter.