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Direkte Flüssigkeitskühlung der Hohlleiter in der Läuferwicklung eines
Turbogenerators Die Erfindung bezieht sich auf die Kühlung des Läufers eines Turbogenerators,
insbesondere auf die Verbesserung des Umlaufs einer Kühlflüssigkeit, die die Läuferwindungen
direkt kühlt und die mit speziellen isolierten Kühlmittelleitern verbunden ist,
damit die Wärmedehnungen der Läuferwicklungen nicht behindert werden.
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Der Ausnutzungsgrad eines großen Turbogenerators wird im wesentlichen
durch die Erwärmung der Läuferwicklung begrenzt, wenn nicht das Gewicht des Generators
vergrößert werden soll. Eine Vergrößerung des Erregerstromes zur Steigerung der
wirksamen Amperewindungszahl vergrößert ebenfalls im gleichen Maße die anfallende
Verlustwärme. Luft oder Wasserstoff wurde durch geeignete Kanäle im Läufer umgewälzt,
um so die Läufertemperatur auf einer vernünftigen Höhe zu halten. Die direkte Kühlung,
d. h. die unmittelbare Berührung des umgewälzten Kühlmittels mit den Leitern innerhalb
der Leiterisolation, ergab bereits eine verbesserte Kühlwirkung.
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Bekanntlich führen flüssige Kühlmittel die Verlustwärme besser ab
als Gase. Zur Verbesserung der Kühlwirkung wurde deshalb bei großen Turbogeneratoren
bei gesteigerter Leistung bereits die Flüssigkeitskühlung der Ständerwicklung verwendet.
Die Erfindung bezieht sich auf die direkt gekühlten Leiter der Läuferwicklung mit
Verbindungen zu inneren Kanälen, die von den Leitern innerhalb der Leiterisolation
gebildet werden, im Unterschied zu Vorschlägen, die eine Flüssigkeitskühlung des
Läufereisens betreffen. Durch die Anwendung der Flüssigkeitskühlung auf die Läuferwicklung
erwächst jedoch eine Anzahl neuer Schwierigkeiten, die bei der direkten Flüssigkeitskühlung
der Ständerwicklung nicht auftraten.
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Im Vordergrund steht das Problem der Beherrschung der Zentrifugalkräfte,
die bei rotierendem Läufer auf die Kühlflüssigkeit wirken. Die Fliehkräfte erzeugen
einen enormen Flüssigkeitsdruck, der mit dem radialen Abstand der Flüssigkeitssäule
von der Drehachse progressiv zunimmt. Der enorme Flüssigkeitsdruck schließt die
Verwendung von isolierenden Schlauchleitungen in der Nähe des Rotorumfangs aus.
Da die Gefahr von Undichtigkeiten der Flüssigkeitsanschlüsse mit dem Druck innerhalb
der Leiter und Leitungen ansteigt, sind die Anschlüsse in der Nähe des Läuferumfangs
gefährdeter als die in der Nähe der Drehachse. Isolierende Schlauchleitungen können
damit nur auf kleinen Radien verwendet werden. Ein Schritt auf dem Wege zur direkten
Kühlung der Läuferwicklung mit einer Flüssigkeit war der sogenannte geflutete Läufer,
in den die Wickelköpfe in die Kühlflüssigkeit eintauchten, die dann in axialer Richtung
durch von dem Läuferkupfer gebildete Kanäle floß. Ein isolierter Flüssigkeitsanschluß
an jeden Leiter wird zwar auf diese Weise vermieden, jedoch müssen jetzt gegen die
Fliehkräfte der ganze Läufer und die Wickelkopfräume an den Läuferenden vollständig
flüssigkeitsdicht ausgeführt werden. In der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
einzelner Flüssigkeitsanschlüsse zu den Hohlleitern beabsichtigt, so daß nur die
Leiterwandungen dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzt sind.
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Jedes System mit einzelnen isolierten Flüssigkeitsanschlüssen zu den
Kanälen der Hohlleiter muß die durch Erwärmung und Abkühlung verursachte Dehnung
und Zusammenziehung der Hohlleiter berücksichtigen. Deshalb müssen die Windungen
der Läuferwicklungen an den Stellen der Flüssigkeitsanschlüsse so festgelegt werden,
daß keine Wärmebewegung auftreten kann, die die Flüssigkeitsanschlüsse belasten
und Undichtigkeiten verursachen könnte. Die Flüssigkeitskanäle im Läufer und die
damit verbundenen Rohrleitungen und Rohrverzweigungen liegen auf dem Spannungspotential
des Läuferkörpers, während die Windungen auf dem Potential der Erregerspannung liegen,
so daß die Zuführung der Kühlflüssigkeit zu den Hohlleitern durch isolierende Verbindungen
erfolgen muß. Da verschiedene Kühlmittel außerdem
etwas leitend
sind, muß die Flüssigkeitssäule auch innerhalb der leitenden Verbindungen ausreichend
lang sein, damit durch Leckströme keine Leistungsverluste entstehen, zu denen im
wesentlichen der elektrolytische Austausch von Metallionen von einer zur anderen
Seite der isolierenden Zuleitungen beiträgt, wobei durch elektrolytische Zersetzung
der Kühlflüssigkeit beispielsweise Sauerstoff frei werden kann, der die Teile des
Kühlkreislaufs angreift. Die verwendete Kühlflüssigkeit sollte einen guten Wärmeübergang
gewährleisten und eine hohe spezifische Wärme sowie gute elektrische Eigenschaften
haben. Für Statorwicklungen wurde bereits erstionisiertes Wasser als Kühlmittel
vorgsechlagen. Hinsichtlich der spezifischen Wärme ist Wasser ein sehr wirksames
Kühlmittel, außerdem ist es überall verfügbar. Der Gefahr, daß das Wasser bei den
auftretenden Temperaturen und Druckunterschieden innerhalb des Läuferkörpers verdampft,
kann man durch einen genügend hohen Flüssigkeitsdruck begegnen.
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Die Erregerwicklung eines Turbogenerators besteht aus einer Anzahl
von in Serie geschalteten Leitern mit verhältnismäßig großem Querschnitt, die symmetrisch
um die Läuferpole angeordnet sind.
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Wenn es möglich wäre, die Kühlflüssigkeit nahe einer Wellenbohrung
der Erregerwicklung zuzuführen, sie durch die ganze Erregerwicklung zu leiten und
sie am anderen Ende nahe der Wellenbohrung abzuziehen, so könnten dadurch viele
Probleme, die durch die Isolation und den Kühlflüssigkeitsdruck erststehen, umgangen
werden. Die gesamte Kühlflüssigkeit flösse nacheinander durch alle Windungen der
Läuferwicklung, was jedoch entweder eine hohe Strömungsgeschwindigkeit mit starker
Erosionswirkung der Flüssigkeit innerhalb der Leiter oder vergrößerte Strömungsquerschnitte
in den Leitern bei vermindertem Kupferquerschnitt und erhöhten Ohmschen Verlusten
bedeuten würde. Außerdem wäre der Druckabfall im Kühlkreislauf sehr groß. Aus diesen
Gründen ist ein Kompromiß zu schließen zwischen der elektrischen Länge eines Leiters
und der Länge des Strömungsweges in den Leitern, d. h., die Strömungswege sollten
in parallele Gruppen aufgeteilt werden.
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Es sind schon Flüssigkeitskühlsysteme bekannt, bei denen Hohlleiter
im Läufer elektrischer Maschinen aus Verteslkammern über radial verlaufende Rohre
mit Kühlflüssigkeit versorgt werden. Ebenso bekannt ist es, ein Kühlmittel über
radiale Rohre, die am untersten Hohlleiter der Rotorwicklung ansetzen, den darüberliegenden
Hohlleitern zuzuführen. Aber alle diese Lösungen sind technisch noch nicht zufriedenstellend.
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Die vorliegende Erfindung erstrebt ein System, in dem das günstigste
Verhältnis zwischen der Länge der Strömungswege für das Kühlmittel und der Länge
der elektrisch in Reihe geschalteten Leiter frei wählbar ist, so daß die geringste
Anzahl von Gefahren der Umdichtigkeit ausgesetzten Flüssigkeitsanschlüssen entsteht.
Eine Hauptaufgabe der Erfindung liegt damit darin, eine gegenüber bekannten Anordnungen
wesentlich verbesserte direkte Flüssigkeitskühlung eines Läufers für einen Turbogenerator
zu finden.
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Die Einrichtungen für die Zuleitung und für die Ableitung der Kühlflüssigkeit
sollen so ausgebildet sein, daß jeder Spule der Läuferwicklung zwei Verteilkammern
zur Zu- und Abfuhr der Kühlflüssigkeit zugeordnet sind, die unmittelbar unterhalb
der untersten Leiter der Spulen angeordnet und gegen diese und gegeneinander elektrisch
isoliert sind und von denen Flüssigkeitsanschlüsse, gestaffelt in Richtung des Spulenverlaufes,
direkt zu jedem einzelnen Hohlleiter führen.
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Das erfindungsgemäße System der Zu- und Ableitung der Kühlflüssigkeit
kann den jeweiligen Gegebenheiten so angepaßt werden, daß bei einem möglichst geringen
Druckabfall das Verhältnis der Länge der Kühlflüssigkeitswege und der in Reihe geschalteten
Stromwege eine möglichst geringe Anzahl von Flüssigkeitsanschlüssen erfordert. Insbesondere
gestattet die Erfindung, je nach Bedarf, wahlweise den Anschluß von einer, zwei,
drei oder mehr Halb-Windungen an das die Flüssigkeit zu- und ableitende Verteilsystem.
Dabei ist das Verteilsystem so ausgebildet, daß die Wärmedehnungen der Wicklungen
auf dieses weitgehend wirkungslos bleiben. Die Flüssigkeitskühlung gemäß der Erfindung
läßt eine genügend große Windungszahl der Erregerwicklung zu, so daß anomal niedrige
Windungsspannungen und außergewöhnlich hohe Erregerströme und Läuferquerschnitte
nicht notwendig sind. Im Verteilersystem werden durch Zentrifugalkräfte entstehende
Beanspruchungen vermieden.
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Weitere Merkmale der Erfindung sollen nun an Hand von Figuren erläutert
werden. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines flüssigkeitsgekühlten
Turbogenerators mit den äußeren Kühlflüssigkeits-Versorgungseinrichtungen, Fig.
2 den vergrößerten Teillängsschnitt eines Läuferendes, Fig.3 einen Querschnitt durch
den Wickelkopfraum an einem Läuferende gemäß der Linie III-III in Fig. 1, wobei
der Deutlichkeit halber die Läufer-Wicklung fortgelassen wurde, Fig. 4 eine perspektivische
Ansicht eines Wickelkopfes, Fig.5 eine auseinandergezogene Darstellung, die den
Aufbau der Flüssigkeitsanschlüsse an die Hohlleiter zeigt, Fig. 6 einen normal dargestellten
Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5, Fig. 7 im Teilschnitt eine perspektivische
Ansicht einer Verteilerkammer, Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitssystems,
bei der die Kühlflüssigkeit mit einem der in den Fig. 4 bis 8 dargestellten Systeme
jeweils durch eine Halbwindung der Läuferwicklung geführt wird, Fig. 9 eine schematische
Darstellung eines abgeänderten Flüssigkeitssystems, das die Zuleitungen und Ableitungen
am gleichen Ende des Läufers hat und bei dem die Kühlflüssigkeit jeweils eine ganze
Windung durchläuft, Fig. 10 eine Darstellung eines Verteilsystems für einen Kühlflüssigkeitsverlauf
nach dem System der Fig. 9, Fig. 11 die schematische Darstellung eines Kühl-Systems,
bei dem für die Kühlflüssigkeit jeweils dxei Halbwindungen in Reihe geschaltet sind,
Fig. 12 die auseinandergezogene Darstellung eines abgeänderten Flüssigkeitsanschlusses
für ein System gemäß Fig. 11, Fig. 13 einen normal dargestellten Schnitt gemäß der
Linie XIII-XIII der Fig. 12, Fig. 14 einen Querschnitt durch eine Nut mit für einen
Flüssigkeitsanschluß gemäß Fig. 13 geeigneten Hohlleitern,
Fig.
15 die schematische Darstellung eines Kühlsystems mit einer Zu- und Ableitung der
Kühlflüssigkeit in der Mitte der Läufernuten, Fig. 16 eine perspektivische Darstellung
von Hohlleitern und einem Verteilsystem für ein Kühlsystem gemäß Fig. 15, Fig. 17
einen vergrößerten Querschnitt von übereinanderliegenden Hohlleitern gemäß der Linie
XVII-XVII der Fig. 16 und Fig.18 einen Teillängsschnitt gemäß der Linie XVIII-XVIII
der Fig. 16.
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Gemäß der Erfindung wird die Kühlflüssigkeit über Verteilkammern,
die unterhalb der untersten Leiter der Spulen angeordnet sind, und über in Richtung
des Spulenverlaufes gestaffelte Flüssigkeitanschlüsse direkt zu jedem einzelnen
Hohlleiter geführt. Das Verteilsystem für die Kühlflüssigkeit ist dabei so angeordnet
und befestigt, daß es zum Schutz der Flüssigkeitsanschlüsse gegen Zentrifugalkräfte
und Wärmedehnungen gesichert ist.
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In der Fig. 1 ist ein für die Flüssigkeitskühlung von Ständer und
Läufer geeignetes Kühlsystem schematisch dargestellt, wobei der Anschaulichkeit
halber Ventile, Druckregler und andere Elemente fortgelassen wurden. Im Generator
1 nimmt die Bohrung 2 a des Ständerblechpakets 2 den Läufer 3 auf. Der Läufer 3
besteht aus einem Läuferkörper 3 a und Wellenstummeln 3 b, die in Lagern 4 des Gehäuses
5 ruhen. Geeignete Wellendichtungen 6 schließen das Gehäuse 5 an den Wellenstummel
3 b gasdicht ab. Der Generator ist mit einer Antriebsmaschine, beispielsweise einer
Dampfturbine, gekuppelt. Die Pumpe 7, die als Strahlpumpe ausgebildet sein kann,
saugt verdampftes Leckwasser der Ständer- oder Läuferwicklung ab und vermindert
den Gasdruck innerhalb des Gehäuses, um die Gasreibungsverluste herabzusetzen. Die
Ständerwicklung 2 b und die hier nicht dargestellte Läuferwicklung werden von der
mit 8 bezeichneten Einrichtung mit Kühlflüssigkeit versorgt. Bekannte Ringkammern
9 und 10 besorgen durch radiale Öffnungen 13 und 14 die Zu- und Ableitung der Kühlflüssigkeit
zur und von dem hohlen Wellenstummel. Die Pumpe 16 saugt die Kühlflüssigkeit aus
dem Vorratsbehälter 15 an und drückt sie durch den Kühler 17, den Entionisierer
18 und das Filter 19. Das T-Stück 20 verteilt die Kühlflüssigkeit auf die Leitungen
21 und 22 für die Ständerwicklung 2 b und für die Läuferwicklung. Eine zusätzliche
Drucksteigerung in der Kühlflüssigkeit für den Läufer durch die Hilfspumpe 23 verhindert
die Verdampfung oder Kavitation in der Bohrung des Wellenstummels oder an anderen
Stellen, an denen die Strömung der Flüssigkeit sonst abreißen könnte oder an denen
sich Vakuumräume bilden könnten. Mit den Leitungen 24 und 25, durch die die Kühlflüssigkeit
zum Vorratsbehälter 15 zurückkehrt, nachdem sie durch die Wicklungen von Ständer
und Läufer geflossen ist, schließt sich der Kühlkreislauf.
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Die Pfeile 26 zeigen schematisch den Verlauf der Kühlmittelströmung
über eine Läuferlänge durch die Kanäle der Hohlleiter. Die Pfeile 27 deuten hier
den Rückweg der Kühlflüssigkeit durch eine zentrale Läuferbohrung an. Es werden
später noch Lösungen beschrieben, bei denen die Kühlflüssigkeit auch durch die Leiter
wieder zurückfließt.
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Die Einrichtung für die Verteilung der Kühlflüssigkeit von der Bohrung
im Wellenstummel auf das Verteilsystem, das jede Windung der Läuferwicklung versorgt,
ist innerhalb der Kappenringe 28 und der Flüssigkeitsverteilringe 29 angeordnet.
Die Kappenringe 28 halten ebenfalls in bekannter Weise die Wickelköpfe der Läuferwicklung.
Die Flüssigkeitsverteilringe 29 haben verschiedene, bei Läuferkonstruktionen bisher
noch nicht bekannte Funktionen.
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Die Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch einen
Wickelkopfraum. Der Sprengring 31 sichert den bei 30 auf den Läuferkörper 3 a aufgeschrumpften
Kappenring 28 gegen axiale Verschiebung. Am anderen Ende des Kappenringes 28 dient
der massive Ring 32 zur Sicherung. Dieser Ring enthält am Umfang verteilt Öffnungen
32a für den Abfluß etwa auftretender Leckflüssigkeit.
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Zum Flüssigkeitsverteilring 29 gehört ein zylindrischer Ansatz 33,
der mit seinem vorstehenden Teil 33 a in eine Ringnut 28 a des Kappenringes 28 greift,
so daß die bei 32a austretende Leckflüssigkeit in Kammern geschleudert wird, die
an der Innenseite des Ansatzes 33 a von einem in Umfangsrichtung verlaufenden Vorsprung
33 c und von Zwischenwänden 33b gebildet werden. Die Leckflüssigkeit kann sich nicht
gleichmäßig am Umfang verteilen. Sie wird vielmehr im Laufe der Zeit selbst bei
geringsten Leckflüssigkeitsmengen eine oder mehrere nebeneinanderliegende Kammern
füllen und damit für den rotierenden Läufer eine Unwucht bilden, die an den üblichen
Überwachungsinstrumenten, die die Maschinenschwingungen messen, als erhöhte Laufunruhe
erscheint. Die radiale Tiefe der Kammern wird so gewählt, daß die entstehende Unwucht
zwar einerseits durch eine Schwingungsmessung deutlich erkennbar ist, daß aber andererseits
die entstehenden Kräfte noch keine Zerstörungen hervorrufen können. Größere Mengen
von Leckflüssigkeit treten über den Rand der Kammern in die in Umfangsrichtung verlaufende
Ringnut 33 d und verteilen sich dort gleichmäßig, so daß keine weiteren Unwuchtkräfte
entstehen.
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Vorzugsweise wird eine flüssige und eine gasförmige Phase bildende
Flüssigkeit als Kühlmittel verwendet, wie z. B. entionisiertes Wasser mit seinen
guten thermodynamischen Eigenschaften, so daß der Generator im Zusammenwirken mit
der Vakuumpumpe 7 selbst dann noch eine gewisse Zeit Weiterbetrieben werden kann,
wenn sich durch Unwuchten schon die Notwendigkeit einer Überprüfung andeutet. Dazu
hält die Vakuumpumpe 7 den Gasdruck im Luftspalt so niedrig, daß die zugehörige
Sattdampftemperatur des verdampften Kühlmittels unterhalb der Temperatur des Sammelringes
33 liegt, so daß die angesammelte Leckflüssigkeit dort verdampft und leicht in der
Gasphase abgezogen werden kann. Um die Leckflüssigkeitsmenge überwachen zu können,
würde das vorzugsweise periodisch und nicht kontinuierlich geschehen. Während bei
der Entlüftung des Ständergehäuses im Luftspalt ein verminderter Druck herrscht,
könnte man Überschläge an der Hochspannungsständerwicklung dadurch vermeiden, daß
man die Belastung und die Spannung abschaltet.
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Der Verteilring 29 ist abgedichtet auf einem der Flüssigkeitsversorgung
dienenden und auf den Wellenstummel aufgeschrumpften hohlen Ring 34. Der hohle Ring
34 bildet eine Versorgungskammer 35, außerdem sind Stopfen 34a eingesetzt, die zur
Säuberung der Versorgungskammer 35 von durch Zentrifugalwirkung aus der Kühlflüssigkeit
herausgeschleuderten
Ablagerungen entfernt werden können. Das sich
radial erstreckende Rohr 36 versorgt die Kammer 35 von der Läuferbohrung aus.
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Ein ähnlicher Flüssigkeitsverteilring 29 ist am anderen Läuferende
angeordnet, wenn die Kühlflüssigkeit jeweils eine ungerade Anzahl von in Reihe geschalteten
Halbwindungen durchströmt. Verläßt die Kühlflüssigkeit bei der Reihenschaltung einer
geraden Anzahl von Halbwindungen jedoch den Läufer am gleichen Ende, an dem sie
zugeführt wird, so ist der dann einzige Flüssigkeitsverteilring 29 in dem Ringteil
34 in Zuleitungs- und Ableitungskammern unterteilt.
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Von der Kammer 35 aus gelangt die Kühlflüssigkeit durch Kanäle 34
b zu einem Ringraum 37, der eine Kammer 38 bildet. Eine Anzahl von auf dem Umfang
verteilten Rohren 39 verbindet den Ringraum mit isolierten Rohren 40, von denen
je eines zu den später zu beschreibenden Flüssigkeitsverzweigungen führt. Die Füllstücke
40 a aus Isoliermaterial stützen sich an dem massiven Ring 32 ab und halten die
Rohre 40 in ihrer Lage. An Stelle des Ringraums 37 können in länglichen Vertiefungen
der Welle unterhalb der Wickelköpfe axial ausladende und mit in Umfangsrichtung
verlaufenden Schläuchen verbundene Kästen liegen.
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Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt gemäß der Linie III-III in Fig.
1, in dem die Läuferwicklung der Anschaulichkeit halber nicht dargestellt wurde.
Die Ziffern 41 bezeichnen die Nuten für die Läuferwicklung im Läuferkörper 3 a.
42 sind die Pole. Die Ansätze 43 verlaufen in der gleichen Richtung wie die Pole
42 und sind an die Wellenstummel 3 b angewachsen. Da der Läuferkörper und die Wellenstummel
jedoch im allgemeinen aus einem Schmiedestück hergestellt werden, sind die Ansätze
43 ebenfalls an den Läuferkörper 3 a angewachsen und bilden einen Teil davon (Fig.
4). An ihren radial äußeren Enden bilden die Ansätze 43 Schrumpfflächen 43a mit
schmalen, in axialer Richtung verlaufenden Schlitzen 44, die die von dem Kappenring
28 eingeleiteten Beanspruchungen vermindern sollen. Die Ansätze 43 sichern die später
noch genauer zu beschreibenden Flüssigkeitsverzweigungen starr in einer Anzahl von
Nuten 45. Das beträchtliche Gewicht der Verzweigungseinrichtung belastet sehr stark
die Ansätze 43 und setzt sie großen Kräften aus. Die damit verbundenen Beanspruchungen
hebt der Kappenring 28 wieder auf. Im Vergleich zu dem gestrichelten Kreis 46 hat
der Kappenring 28 zunächst eine leicht elliptische Form, deren Hauptachse durch
die Ansätze 43 geht. Das Ausmaß der Verformung ist hier übertrieben dargestellt.
Die Fliehkraftbelastung durch die Leiter in den Nuten 41 läßt den Kappenring 28
mit zunehmender Läuferdrehzahl die Kreisform 46 annehmen, wobei die dann auf die
Ansätze 43 ausgeübten Kräfte die von den Verzweigungseinrichtungen erzeugten Beanspruchungen
der Ansätze 43 aufheben.
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Der in der Fig. 4 dargestellte Wickelkopf besteht aus den Längsleitern
47 und den in Umfangsrichtung abgebogenen Teilen 48, die bei 49 mit den zum Verteilsystem
für die Kühlflüssigkeit gehörenden Leitern 57 verlötet oder verschweißt sind. Die
Ziffer 50 bezeichnet einen Querschnitt durch die nächste Spule, in dem man die Kühlkanäle
51 in den Längsleitern 47 sieht. Zwischen den einzelnen Längsleitern 47 liegen Windungsisolationen
52, während die Spulenisolation 53 die ganze Spule umgibt. Die Nutenkeile 54 halten
die Spulen in den Läufernuten. Zu der Spule 50 gehört das in vereinfachtem Querschnitt
dargestellte Verteilsystem 55, das eine Verteilkammer 56 mit einem Vorratsraum 56a,
eine Anzahl von radial übereinanderliegenden und in Umfangsrichtung verlaufenden
Hohlleitern 57 und eine Anzahl von radialen Versorgungsrohren 58 enthält. Wie in
Fig. 2 dargestellt, wird jede Verteilkammer 56 durch eine Rohr 40 versorgt. Die
radial verlaufenden Zuleitungsrohre 58 sind von der Verteilkammer 56 und von den
Hohlleitern 57, durch welche sie verlaufen, isoliert. Einzelheiten darüber, wie
die Isolation ausgeführt wird, ohne die Flüssigkeitsdichtungen und die Flüssigkeitsströme
zu beeinträchtigen, werden später erläutert. Die Pfeile zeigen, wie die Kühlflüssigkeit
in die Verteilkammer 56 eintritt und sich auf die Rohre 58 verteilt, von denen jedes
in einem Hohlleiter 57 endet. An den Mündungsstellen der einzelnen Rohre 58 in den
jeweiligen Hohlleitern 57 teilen sich die Flüssigkeitsströme noch einmal und fließen
dann in beiden Richtungen der Hohlleiter 57.
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Das in der Fig. 4 dargestellte Verteilsystem eignet sich besonders
für eine Kühlung der Läuferwicklung jeweils in Halbwindungen. Am anderen Läuferende
wird dann eine dem Verteilsystem 55 ähnliche Anordnung zu treffen sein, in der die
Kühlflüssigkeit radial nach innen durch Rohre 58 und durch einen isolierten Schlauch
40 die Wicklung verläßt. Ein Nutenkeil 59 mit Schwalbenschwänzen 60 hält jedes Verteilsystem
55 in seiner Lage, wobei die Oberfläche 59 a des Nutenkeils 59 mit einer Biegung
mit der Oberfläche des Ansatzes 43 abschließt, während die untere Fläche 59 b gerade
verläuft wie die Höhlleiter 57. Die Isolation 61 isoliert das Verteilsystem 55 von
dem Ansatz 43.
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Die Fig. 5 zeigt in einer auseinandergezogenen Darstellung den Anschluß
der radial verlaufenden isolierten Zuleitungsrohre an die Hohlleiter. Es wurden
nur die beiden obersten Hohlleiter und die zugehörigen radialen Isolierrohre dargestellt,
die durch die Bohrungen 69 a in den Windungsisolierungen 69 und durch die zentrale
Bohrung 68 in der Durchführung 67 geführt sind. Wegen der niedrigem; Windungsspannungen
von 3 bis 5 Volt brauchen die Windungsisolationen 69 nur sehr dünn zu sein-, Jedes
Zuleitungsrohr besteht aus einem inneren Metallrohr 70, vorzugsweise aus rostfreiem
Stahl, da,'
mit dem zugehörigen Hohlleiter flüssigkeitsdicht hart verlötet
werden kann, und einem äußeren Isolierrobi 71 aus Isoliermaterial, beispielsweise
aus einem Hart papierrohe auf Phenolharzbasis, das nach der Hartlötung über das
innere Rohr geschoben werden kamt. Die Hohlleiter 65 und 66 bilden zentrale Längskanäle
72, die in einseitige Querbohrungen 73 münden. Das obere Ende der Querbohrung 73
ist bei 74 verbreitert und bildet einen Sitz für die Dur' rung 67. Die Verengung
75 der Querbohrung 73: nimmt das untere Ende der Durchführung 67 auf': Das Zuleitungsrohr
70, 71 wird durch die noch verbleibende Bohrung 76 unterhalb der Verengung ge7 Die
äußersten Enden 77 der einzelnen Metallrohre 70 münden in die Längskanäle der jeweilig:
Hohlleiter und sind dazu in den Bohrungen 78 hart verlötet oder verschweißt. Diese
Verbindung zwischen den Hohlleitern und den Zuleitungsrohren ruß absolut leckdicht
und mit Sicherheit den sehr hohen
Flüssigkeitsdrücken widerstehen
können, die besonders an den radial außen gelegenen Stellen auftreten. Nur Schweiß-
oder Hartlötverbindungen können den zu erwartenden Drücken von 150 bis 350 kg/qcm
widerstehen. Mit Rücksicht auf diese hohen Drücke müssen auch die Hohlleiter 65
eine ausreichende Wandstärke haben. Durch die Wahl eines auch an den ausgeglühten
Schweißstellen noch hoch beanspruchbaren Materials für die Rohre, wie beispielsweise
rostfreien Stahl, brauchen die Wandungen der Rohre nicht übermäßig stark zu sein,
da sich die darauf ausgeübten Kräfte auch noch an den Hohlleitern und an den Durchführungen
abstützen.
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Die Fig. 6 zeigt noch einmal eine Durchführung im Längsschnitt, deren
obere Teile 79 und 80 mit abgestuften Durchmessern in die abgestufte Querbohrung
des Hohlleiters passen und dort hart verlötet sind. Der untere Teil 81 sitzt mit
seinem Ende 82 in einer entsprechenden Bohrung im Hohlleiter. Da er einen geringeren
Durchmesser hat als die Querbohrung im Hohlleiter, bildet er einen Bypass für die
durch den Hohlleiter strömende Kühlflüssigkeit. Die Durchführung für den nächstunteren
Hohlleiter muß bereits zwei Zuleitungsrohre 70, 71 aufnehmen; sie kann, wie bei
67a gezeigt ist, aus einem Stück bestehen. Die Fig. 7 zeigt am unteren Ende der
Zuleitungsrohre den rechteckigen Verteilkasten 85 mit parallelen Seitenflächen 86
und 87, entsprechend den Wandungen der Nut 45 im Ansatz 43. Der aus einem Stück
bestehende Deckel 88 hat mehrere Öffnungen 88 a. Die Anzahl der Öffnungen 89 a im
Endteil 89 richtet sich nach den Eigenarten des jeweiligen Kühlsystems. Da die Verteilkammer
85 ebenfalls aus einem leitenden Material, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl besteht,
ist es notwendig, die mit den Hohlleitern verbundenen metallischen Zuleitungsrohre
70 isoliert durch die Öffnungen 88 a zu führen. Zu diesem Zweck dienen keramische
Buchsen 92, die über äußere und innere Löthülsen 93 und 94 mit der Verteilkammer
und den Zuleitungsrohren verlötet sind. Die keramischen Buchsen 92 können beispielsweise
aus einer Alluminiumoxydmasse bestehen, wozu als Material für die Löthülsen etwa
eine Nickeleisenlegierung mit ungefähr 42 % Nickelgehalt verwendet werden kann,
weil diese Legierung sich sowohl mit der keramischen Buchse wie auch mit dem rostfreien
Stahl der Verteilkammer hart verlöten läßt. Der Block 95 aus Isoliermaterial nimmt
in den Öffnungen 95 a die oberen Enden der keramischen Buchsen 92 auf und bildet
mit diesen zusammen die Isolation zwischen der Verteilkammer und dem untersten Leiter
96 der zugehörigen Spule. Die Isolierrohre 71 isolieren wieder die Zuleitungsrohre
70 von dem Leiter 96.
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Die Verteileinrichtungen, in den Fig. 5 bis 8 dargestellte Verzweigungssysteme,
können außerhalb der Maschine als fertige Baueinheit hergestellt und anschließend
in die Nut 45 des Läuferansatzes 43 eingesetzt werden, worauf dann die Hohlleiter
mit den Enden der einzelnen umgebogenen Längsleiter verschweißt oder hart verlötet
werden können.
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Es soll nun kurz der Zusammenbau eines in den Fig. 5 bis 7 dargestellten
Verteilsystems beschrieben werden. Zunächst werden alle Durchführungen 67 eingelötet,
wobei natürlich auf eine gute Abdichtung an den oberen und unteren Enden geachtet
werden muß. Als nächstes werden die Zuleitungsrohre 70 sicher flüssigkeitsdicht
in die Bohrungen 78 der einzelnen Hohlleiter eingesetzt. Die Spalte zwischen den
Zuleitungsrohren 70 und den Bohrungen werden mit Metallot ausgefüllt. Anschließend
werden, mit dem obersten Hohlleiter 65 anfangend, die Windungsisolation 69, das
Isolierrohr 71 und der nächste Hohlleiter 66 über das Zuleitungsrohr 70 geschoben.
Dieser Vorgang wiederholt sich bei den nächsten Leitern in entsprechender Weise.
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Der Verteilkasten 85 wird ohne die Grundplatte 90 zusammengesetzt.
Zunächst werden die schon vorher mit den Löthülsen 93 und 94 versehenen keramischen
Buchsen 92 in die Bohrungen 88 a des Verteilkastens 85 hart eingelötet. Alsdann
wird der Block 95 aufgesetzt, so daß der Verteilkasten über die Enden der Zuleitungsrohre
70 geschoben werden kann, die dann flüssigkeitsdicht in die inneren Löthülsen 94
eingelötet oder eingeschweißt werden. Nachdem nun noch die Zuleitungs- oder Ableitungsanschlüsse
und die Grundplatte 90 angeschweißt sind, ist das Verzweigungssystem fertig und
kann, bevor es in den Läufer eingebaut wird, einer Druckprobe unterworfen werden.
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Die Fig. 8 zeigt schematisch die beiden einem Läuferpol am nächsten
gelegenen Spulen. Die Pfeile deuten den Weg der Kühlflüssigkeit an. Die Klammern
103 und 104 deuten die Einlaß- und Auslaßverzweigungen an. Jede Windung der Spulen
101 und 102 hat Einlaßöffnungen 106 und 108 und Auslaßöffnungen 107 und 109. Die
Spulen 101 und 102 sind mit dem Leiter 105 elektrisch in Reihe geschaltet. Für die
Zuleitung und die Ableitung der Kühlflüssigkeit können die vorher beschriebenen
Verzweigungssysteme verwendet werden. Die bei einem Einlaßanschluß 108 zugeführte
Kühlflüssigkeit verteilt sich auf zwei Halbwindungen und tritt am anderen Läuferende
aus zwei nebeneinanderliegenden Auslaßanschlüssen wieder aus. Da bei dieser Parallelschaltung
der Flüssigkeitswege der geringste Druckabfall auftritt, ist hier auch nur eine
geringe Strömungsgeschwindigkeit und die kleinstmögliche Kühlfläche erforderlich,
wenn die Kühlflüssigkeit an einem Läuferende und nicht innerhalb der Läufernuten
zugeführt werden soll.
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Das abgewandelte Kühlsystem gemäß dem Schema der Fig. 9 benutzt ebenfalls
Verzweigungen in den Wickelköpfen der Läuferwicklung. Die Zuleitungen und Ableitungen
liegen jedoch an gleichen Läuferenden, so daß der Flüssigkeitsverteiler
29 am anderen Ende entfallen kann. Die Spulen 110 und 111 haben wiederum
Zuleitungsanschlüsse 112 und 114 und Ableitungsanschlüsse 113 und 115. Hier fließt
die Kühlflüssigkeit jeweils durch eine volle Windung. Die entgegengesetzten Strömungsrichtungen
in benachbarten Windungen bewirken eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die
ganze Wicklung, weil die Wärme der Leiterteile, die von schon erwärmter Kühlflüssigkeit
direkt nicht mehr so gut gekühlt werden, zum Teil durch die dünne Windungsisolation
von der kalten Kühlflüssigkeit im benachbarten Hohlleiter abgeführt wird. Die Kühlflüssigkeit
kann durch zwei in einer Nut 45 des Läuferansatzes 54 liegende, bereits beschriebene
Verzweigungssysteme zu- und abgeführt werden, wie auch eine Zu- und Ableitung mit
einer in zwei Abteilungen unterteilten Kammer denkbar ist.
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Die Fig. 10 zeigt ein solches Verzweigungssystem mit einem Zuleitungsrohr
120, einem Ableitungsrohr 121 und zwei durch die Zwischenwand 125 voneinander
getrennten
Vorratskammern 123 und 124. Die Einzelheiten der Isolierung werden nicht besonders
erläutert. Die radialen Zuleitungsrohre 126 und Ableitungsrohre 128 verbinden die
Hohlleiter 127 und 129 mit den Vorratskammern 123 und 124, wobei Zuleitungs- und
Ableitungsanschlüsse einander in radialer Reihenfolge abwechseln.
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Eine weitere Abwandlung zeigt die Fig.11 als Schema. An den hier dargestellten
Spulen 130 und 131 liegen die Zuleitungsanschlüsse 132 und 134 in jeder dritten
Windung an einem Läuferende und die Abteilungsanschlüsse 133 und 135 ebenfalls in
jeder dritten Windung am anderen Läuferende. Die wesentlich verringerte Anzahl von
Flüssigkeitsanschlüssen läßt einen kleineren Leiterquerschnitt und damit eine größere
Windungszahl je Spule zu. Zwischen zwei einen Flüssigkeitsanschluß enthaltenden
Windungen 137 liegen jeweils zwei Windungen 136 ohne Flüssig keitsanschluß. An den
Zuleitungsanschlüssen verzweigt sich die Kühlflüssigkeit; in jedem Zweig liegen
drei Halbwindungen hintereinander. Die bei weniger Flüssigkeitsanschlüssen mögliche
höhere Windungszahl erlaubt eine Erhöhung der Erregerspannung und damit eine Verminderung
des Erregerstromes, was aus betrieblichen Gründen manchmal wünschenswert ist.
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Die Fig. 12 zeigt ein für ein Kühlsystem gemäß Fig. 11 besonders geeignetes
Verzweigungssystem mit den oberen Spulenleitern 140 bis 143, das ohne Durchführungen
auskommt, obwohl das bereits früher beschriebene Verzweigungssystem auch hier verwendbar
wäre, wenn jeweils zwischen zwei Leitern mit Flüssigkeitsanschluß zwei Leiter ohne
Flüssigkeitsanschluß eingeschoben würden. Jeder Hohlleiter enthält zwei parallele
Kühlkanäle 145, die so weit voneinander entfernt sind, daß sie die radiale Bohrung
143 a nicht schneiden, die die aus dem Metallrohr 146 und dem Isolierrohr 147 bestehenden
radialen Zuleitungsrohre aufnimmt, wie der in Fig. 13 dargestellte Querschnitt gemäß
der Linie XIII-XIII der Fig. 12 zeigt. Die die Kühlkanäle 145 schneidende Bohrung
148 bildet mit dem auf dem Ansatz 152 flüssigkeitsdicht aufgelöteten Deckel 151
die Kammer 149, in deren Grundbohrung 150 zuvor das Metallrohr 146 dicht eingesetzt
wurde. Die Einsatzstücke 155 in Aussparungen an den Enden der Hohlleiter 140, 143
usw. und der in Umfangsrichtung abgebogenen Längsleiter 153 und 154 halten die Verbindung
zwischen den aneinander anzuschließenden Kühlkanälen offen, während die Hohlleiter
mit den Längsleitern verlötet oder verschweißt werden. Bei der hier dargestellten
Verzweigung entfallen die bei dem früheren Ausbildungsbeispiel notwendigen Durchführungen,
was einerseits eine beachtliche fertigungstechnische Vereinfachung und andererseits
die Herabsetzeng der möglichen Anzahl von Leckstellen bedeutet.
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Der in Fig. 14 dargestellte Querschnitt durch die übereinanderliegenden
Leiter in einer Nut des Läuferkörpers zeigt die aus der Mitte versetzten Kühlkanäle
156 und 157, die wegen der guten Kühlwirkung der Flüssigkeit nur einen verhältnismäßig
kleinen Querschnitt haben. Die Kühlflüssigkeit kühlt auch noch die massiven Teile
der oberhalb und unterhalb liegenden Leiter, so daß in der ganzen Wicklung eine
gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht wird. Die Kühlkanäle 156 und 157 sind
mit den Kühlkanälen 145 gleichachsig angeordnet. Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
waren die Verzweigungssysteme in Nuten von Läuferansätzen gegen axiale und radiale
Kräfte und Bewegungen vollständig gesichert. In den jetzt zu erläuternden, grundsätzlich
unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Fig. 15 bis 18 entfällt der bisher notwendige
Läuferansatz 43.
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Im Kühlsystem der Fig. 15, einer Abwicklung des Läufers mit den Spulen
160, 161 und 162 usw. um den Pol 163, liegen die Flüssigkeitsverzweigungen in der
Mitte der Läufernuten. Die einzelnen Spulen bestehen aus in den Nuten übereinanderliegenden
Längsleitern 164 und 165 und aus den Wickelköpfen 166 und 167, in denen auch die
hier nur bei zwei Spulen gepunktet dargestellten Verbindungen 160a und 161a die
einzelnen Spulen elektrisch in Reihe schalten. Durch die Verlegung der Einlaßverzweigungen
168, 169, 170 usw. und der Auslaßverzweigungen 171, 172, 173 usw. in die Notenmitte
sollen die Wärmedehnungen vermindert werden. Die durch die Linien 174 und 175 schematisch
angedeuteten Einlaß- und Auslaßkammern können ähnlich wie die Kammer 38 der Fig.
2 ausgebildet sein oder in axialer Richtung in Nuten der Läuferwelle liegen. Mit
den Verzweigungen der Spulen sind sie durch flexible Schläuche 176 und 177 verbunden,
die wiederum den früher beschriebenen Isolierschläuchen 40 der Fig. 2 und 4 gleichen
können. Die Pfeile 178 und 179 deuten den Anschluß der flexiblen Schläuche an die
Notenenden an.
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Jede Windung, beispielsweise der Spule 161, besteht aus zwei U-förmigen
Teilen 164, 166a; 167a und 165, 166b, 167b, die an den Punkten 180 und 181 miteinander
verbunden sind.
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In der Fig. 16 besteht eine solche Halbwindung 182 beispielsweise
aus dem Längsleiter 183 und den Wickelkopfteilen 184a und 184b mit einem Kühlkanal
185. Gleichartige Halbwindungen sind mit 186, 187, 188 bezeichnet. Die eventuell
noch auftretenden Wärmedehnungen der Längsleiter wirken sich zu den Läuferenden
hin aus und belasten somit nicht das Verzweigungssystem 189. Dieses Verzweigungssystem
besteht aus dem Sammelraum 192, in dem aus Formteilen 193 a und 193 b zusammengesetzten
Zwischenstück 193, das sich am Notengrund über die ganze Länge des Läuferkörpers
erstreckt und in dessen oberen Teil 193 a vor dem Zusammenfügen durch die Schweißeng
oder Hartlötung 198 in die Öffnungen 195 die Versorgungsrohre 190, 191 mit keramischen
Isolatoren 194 in früher beschriebener Weise eingesetzt werden. Die Versorgungsrohre
190, 191 münden wiederum in die Kanäle der einzelnen Längsleiter. Die Fig. 17, ein
Schnitt gemäß der Linie XVII-XVII in Fig. 16, zeigt wiederum Durchführungen 67,
die schon im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 beschrieben wurden.
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In Fig. 18, dem vergrößerten Längsschnitt engtsprechend der Linie
XVIII-XVIII in Fig. 16, ist das die Gewindeöffnung 202 enthaltende Übergangsstück
201 an das Verzweigungsteil 192 bei 203 stumpf und an den bei 200 abgeschnittenen
Hohlleiter °183 bei 204 angeschweißt und bildet die Kammer 205, an die der Isollexschlauch
40 für die Zu oder Ableitung der Kühlflüssigkeit angeschlossen ist.
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Die Erfindung erreicht den wesentlichen und nicht zu unterschätzenden
Fortschritt, daß von den Verzweigungssystemen für die Kühlflüssigkeit sämtliche
betriebsmäßigen Beanspruchungen, wie Fliehkräfte
oder Wärmespannungen,
vollständig ferngehalten werden. Das geschieht durch Anordnung der Verzweigungssysteme
einmal in verkeilten Nuten von besonderen Läuferansätzen und zum anderen durch Anordnung
in der Mitte der Läufernuten, so daß die Wärmespannungen sich nach beiden Seiten
hin ungehindert auswirken können, ohne die Verzweigungsanschlüsse zu belasten. Die
Verzweigungen erlauben eine Kühlung der Läuferwicklung jeweils in parallel geschalteten
Halbwindungen mit geringstem Druckabfall. Eine Abwandlung dieses Kühlsystems erlaubt
einen günstigen Kompromiß unter Berücksichtigung einer möglichst großen Betriebssicherheit
und unter Berücksichtigung der wünschenswerten elektrischen Eigenschaften der Läuferwicklung,
wobei der Kupferquerschnitt und der Querschnitt der Kühlkanäle entsprechend abgewandelt
werden.
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Obwohl die Kühlflüssigkeit, beispielsweise entionisiertes Wasser mit
hohem Reinheitsgrad, einen großen spezifischen Widerstand hat, können geringe Leckströme
zwischen Punkten unterschiedlichen Spannungspotentials fließen. Da das unter anderem
eine elektrolytische Korrosion zur Folge haben könnte, werden die Verteilkästen
in den Nuten des Läuferansatzes mit der Isolation 61 vom Läuferkörper getrennt.
Durch diese Maßnahme und durch die Verwendung von Isolierschläuchen als Zuleitung
zu den Verzweigungskästen werden Kriechströme nennenswerter Größe innerhalb der
Flüssigkeitssäulen vermieden. Haben die Schläuche Metalleinlagen, so müssen sie
mindestens über isolierende Endringe an die Verzweigungssysteme angeschlossen werden.
In der Nähe der Läuferwelle sind die Flüssigkeitsdrücke in den Schläuchen jedoch
im allgemeinen noch so niedrig, daß meistens noch ausschließlich organisches Isoliermaterial
verwendet werden kann. Berechnungen haben ergeben, daß ein verhältnismäßig niedriger
Flüssigkeitsdruck für die ausreichende Versorgung des Kühlsystems vollständig ausreicht,
der in jedem Falle wesentlich niedriger ist als der durch Zentrifugalkräfte entstehende
Flüssigkeitsdruck. Außerdem hat ein flüssigkeitsgekühlter Läufer wesentlich niedrigere
Ohmsche Verluste als ein entsprechender gasgekühlter Läufer, weil der Querschnitt
der Kühlkanäle kleiner und der Kupferquerschnitt entsprechend größer ist. Ohne übermäßige
elektrische oder hydraulische Verluste in Kauf nehmen zu müssen, können sogar vier
oder mehr Halbwindungen in dem Kühlsystem in Reihe geschaltet werden. Nur das Problem
der Erosionswirkung setzt hier eine obere Grenze. Die Strömungsgeschwindigkeit der
Kühlflüssigkeit in den Hohlleitern ist der Anzahl von Halbwindungen, die in Reihe
geschaltet gekühlt werden, proportional, während der Druckabfall längs des Flüssigkeitsweges
nur mit der Quadratwurzel der Anzahl von Halbwindungen zunimmt. Daraus geht hervor,
daß die Strömungsgeschwindigkeit sich einer zulässigen Grenze nähern kann, bevor
der Druckabfall übermäßig groß wird.
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Durch die Anordnung der Verzweigungssysteme auf möglichst geringem
radialem Abstand von der Drehachse werden die durch die enormen auftretenden Fliehkräfte
entstehenden Probleme auf fortschrittliche Weise gelöst. Die bei den hier vorgeschlagenen
Verzweigungssystemen auftretenden Kräfte lassen sich mit den zur Verfügung stehenden
Werkstoffen und Techniken sicher beherrschen, während sich doch andere Vorschläge
eben wegen der großen Beanspruchungen und der damit verbundenen geringen Betriebssicherheit
bisher kaum verwirklichen ließen. Bei dem Kühlsystem gemäß der Erfindung muß es
als großer Fortschritt und Vorteil gewertet werden, daß die einzelnen Elemente vor
dem Einbau in den Läufer zusammengefügt und auf ihre Betriebssicherheit überprüft
werden können. Die fertigungstechnischen Bedingungen, die bei der endgültigen Montage
im Läufer noch gestellt werden müssen, gehen nicht wesentlich über die Bedingungen
hinaus, die auch jetzt schon gestellt werden, wenn der Läufer ein einwandfrei funktionierendes
Kühlsystem haben muß.