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Flüssigkeitsgekühlter Rotor eines Turbogenerators Die Erfindung bezieht
sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Rotor eines Turbogenerators mit beidseitig
angeordneten Wickelkopfkappen und Zentrierringen; die zur Achse des Rotors hin offene
Kammern bilden, in denen die Kühlflüssigkeitszu- oder -abführung zu den Hohlleitern
und/oder Kühlkanälen der Rotorwicklung erfolgt, und bei dem die Kühlflüssigkeit
lediglich unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft durch die Hohlleiter und/oder Kühlkanäle
strömt und bei dem die Kühlflüssigkeitszuführung über einen ortsfest angeordneten
Zulauf erfolgt.
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Bei einer bekannten Anordnung dieser Art liegt die zur Welle hin offene
Ringkammer, der die Kühlflüssigkeit zugeführt wird, dicht an der Rotorwelle; die
in wesentlich größeren radialen Abständen von der Rotorwellenachse liegenden Kühlkanäle
in den Leitern sind über radiale Zuleitungen an die Ringkammern angeschlossen. In
entsprechender Weise sind auf der Abflußseite ebenfalls längere radiale Leitungen
zwischen den Kühlkanälen und der abflußseitigen Ringkammer vorgesehen, deren mittlerer
Teil so nahe an der Wellenachse wie der Spiegel des Flüssigkeitsringes in der Zuführringkammer
liegt. Die Wickelköpfe sind nicht in die Flüssigkeitsringe eingelassen, so daß sie
den Gleichgewichtsabweichungen zwischen dem Innendruck und dem Außendruck unterworfen
sind und eine Zerstörungsgefahr auftreten kann. Infolge der Anordnung der Radialkanäle
sind Abdichtungen an den Leitern erforderlich, wodurch die Möglichkeit eines Herausleckens
von Kühlflüssigkeit und damit einer unregelmäßigen Kühlung und von Gleichgewichtsabweichungen
am Rotor auftreten kann. Dabei ist eine Beeinflussung des Flüssigkeitsumlaufs in
den Radialkanälen durch etwaige Leckverluste möglich, so daß ein genaues Druckdifferenzverhältnis
zwischen den beiden Flüssigkeitsringräumen schwer einstellbar ist.
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In einer anderen bekannten Anordnung ist eine dichte Hülse im Spalt
zwischen dem S,tator und dem Rotor vorgesehen, und die Kühlflüssigkeit strömt in
Längskanälen, die um die in den Nuten liegenden Leiter oder in Hohlräumen in den
Leitern angebracht sind, wobei der Zustrom und der Abfluß der Kühlflüssigkeit über
Kanäle erfolgt, die in der Rotorwelle angeordnet sind.
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Nach einer weiteren Anordnung erfolgen der Zustrom und der Abfluß
des Kühlmittels ebenfalls über in der Rotorwelle angeordnete Kanäle, die unterschiedliche
Durchmesser aufweisen, damit eine Zentrifugalwirkung zum besseren Flüssigkeitsdurchlauf
erreicht wird. Dabei befinden sich die Wickelköpfe außerhalb des Rotorkörpers und
werden nicht durch Flüssigkeit, sondern durch Gas gekühlt.
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Schließlich durchströmt in einer anderen Anordnung die Kühlflüssigkeit
unter Einwirkung einer Zentrifugalkraft im Rotorkörper angebrachte Kanäle, wobei
die Flüssigkeit direkt in eine im Rotor vorgesehene Ringkammer eintritt und die
Zentrifugalkraft durch eine am Ausgang der Kanäle angeordnete Zentrifugalpumpe erzeugt
wird. Es handelt sich hierbei jedoch um eine Gleichstrommaschine ohne direkte Leiterkühlung
mittels Flüssigkeitsumlaufs.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs
genannten Art so weiterzuentwickeln, daß die Anbringung von Radialkanälen und die
damit verbundenen Schwierigkeiten bei Leckverlusten vermieden werden und daß gleichzeitig
auch die Zerstörungsgefahr infolge Gleichgewichtsabweichungen zwischen dem Innendruck
und dem Außendruck an den Wickelköpfen ausgeschaltet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst,
daß der Zulauf sowie die Hohlleiter und/oder Kühlkanäle innerhalb der Nuten in die
von den Wickelkopfkappen und den Zentnerringen gebildeten Kammern frei münden, daß
der Zentnerring der Kammer für die Kühlflüssigkeitszuführung einen kleineren Innendurchmesser
aufweist als der Zentrierring der Kammer für die Kühlflüssigkeitsabführung, daß
der Rotor von einer im
Luftspalt zwischen Rotor und Stator angeordneten,
feststehenden und dicht abschließenden Isolierhülse umgeben und daß für Kühlflüssigkeitsabführung
der den Rotor durchströmenden Flüssigkeit eine die Isolierhülse durchsetzende Ausflußöffnung
vorgesehen ist.
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In der Zeichnung sind mehr oder weniger schematisch eine spezielle
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sowie Abwandlungen dieser
Vorrichtung veranschaulicht, die nun beschrieben werden. Es zeigt F i g. 1 eine
schematische Darstellung des Rotors und seiner Kühlvorrichtung, F i g. 2 die Spule
eines Poles des Rotors, F i g. 3 einen in vergrößertem Maßstab gezeichneten Querschnitt
durch eine Nut des Rotors, F i g. 4 eine Stirnansicht der Spule eines Rotorpoles,
F i g. 5 und 6 Teildarstellungen zu F i g. 1 und 2, die eine abgewandelte Bauart
der Flüssigkeitszuführung zeigen, F i g. 7 in größerem Maßstab ein hohles Verbindungsstück
zweier in den Nuten befindlichen Leiterstücke, F i g. 8 bis 10 Querschnitte durch
je eine Nut mit um die Leiter angeordneten Kühhnittelkanälen, F i g. 11 einen Turbogenerator
im Schnitt und eine Schema-Darstellung des Kühlflüssigkeitskreislaufes, F i g. 12
einen ähnlichen Schnitt wie F i g. 1, der eine abgewandelte Bauweise der Austrittskammer
der Flüssigkeit zeigt, F i g. 13 eine im größeren Maßstab ausgeführte Teildarstellung
aus F i g. 12, F i g. 14 eine Abwicklung längs des kreisförmigen Schnittes XIV-XIV
der F i g. 13.
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F i g. 1 zeigt den aus Stahl bestehenden Rotor 1, an dessen beiden
Enden je eine im wesentlichen als zylindrischer Mantel ausgebildete Wickelkopfkappe
2, 3 befestigt ist, die die außerhalb des Rotorballens liegenden Teile der Wicklung
am Umfang abstützt.
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Die Wicklung kann von beliebiger Art sein. In F i g. 2 ist beispielsweise
eine Wicklung mit drei konzentrischen Spulen je Pol dargestellt, die in Reihe geschaltet
sind. Jede Spule weist zwei Nutteile 4 a auf, die in das Eisen des Rotors eingebettet
sind und sich bis unter die Mäntel der Wickelkopfkappen 2 und 3 erstrecken. Sie
sind untereinander an ihren Enden durch Wickelköpfe 4 b verbunden. Die Zahl der
Leiter je Spule kann beliebig sein.
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Gemäß der Erfindung sind zwei Kammern 5, 6 auf der einen bzw. anderen
Seite des Rotors 1 vorgesehen, und zwar innerhalb der Wickelkopfkappen 2, 3. Zu
diesem Zweck tragen die Wickelkopfkappen 2, 3 Zentrierringe 2 a bzw. 3 a, wobei
der Innendurchmesser des Zentrierringes 2 a kleiner als derjenige des Zentrierringes
3 a ist. Die Kammer 5, deren Ringquerschnitt größer als derjenige der Kammer 6 ist,
wird durch den festen Zulauf 7 mit unter geringem Druck stehender Flüssigkeit gespeist.
Der Zulauf ist mit einer Reihe von Austrittsöffnungen versehen, die gegen die Innenfläche
des Mantels der Kammer gerichtet sind.
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Die beiden Ringkammern 5 und 6 stehen miteinander in Verbindung. Gemäß
einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist diese Verbindung zwischen den beiden
Kammern 5, 6 durch in den die Nutteile 4 a der Rotorspulen bildenden Leitern angeordnete
Kanäle hergestellt.
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In F i g. 3 ist im Schnitt und in größerem Maßstab der Nutteil 4 a
einer Spule mit fünf Hohlleitern von trapezförmigem Querschnitt gezeigt. Diese Nutteile
sind in bekannter Weise unter Zwischenlage einer U-förmigen Isolierung 8 und von
Querisolierungen 9 in die Nut des Rotors 1 eingebettet, wobei die Nut durch einen
Keil 10 geschlossen ist. Jeder Hohlleiter bildet einen Kühlkanal 4 c von rechteckigem
Querschnitt. Die beiden Nutteile 4 a einer Spule sind an ihren Enden untereinander
durch Wickelköpfe 4 b verbunden, die aus vollen Leiterstücken bestehen, welche mit
den Hohlleitern hart verlötet und durch Isolierungen 11 voneinander getrennt sind
(F i g. 4).
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Der so aufgebaute Rotor ist von einer starren Isolierhülse 12 (F i
g. 1) umgeben, wie sie bei Maschinen großer Leistung vorhanden sein kann, die zwischen
Rotor und Stator einen beträchtlichen Luftspalt aufweisen. Diese dichtend an den
Lagerschilden des Generators befestigte Hülse ergibt einen dichten Abschluß des
Rotors gegenüber dem Stator. Die Isolierhülse weist auf der Seite der Ringkammer
6 eine Ausflußöffnung 13 für die Kühlflüssigkeit auf.
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Die Kühlung des Rotors geschieht in folgender Weise: Bei mit normaler
Drehzahl umlaufendem Rotor verteilt sich die von dem Zulauf 7 zugeführte Kühlflüssigkeit
zufolge der Zentrifugalkraft in der Kammer 5, die sie weitgehend ausfüllt. Durch
den dabei in der Kammer 5 entstehenden Fliehkraft-Druck wird die Flüssigkeit gezwungen,
durch die Hohlleiter des Rotors zur Kammer 6 hinzuströmen, aus der sie austritt,
sobald in dieser Kammer ein durch die radiale Höhe des Zentrierringes 3 a bestimmtes
Flüssigkeitsvolumen erreicht ist. Da wegen der größeren radialen Höhe des Zentrierringes
2 a der Ringquerschnitt der Kammer 5 größer als derjenige der Kammer 6 ist, nimmt
der Druck am Eingang der Hohlleiter bis zu dem Augenblick zu, in dem die Kammer
5 mit Flüssigkeit gefüllt ist; der Druck erreicht auf diese Weise einen Wert, der
höher als derjenige des Gegendruckes am Ausgang der Hohlleiter ist. Es ergibt sich
so ein erzwungener Durchlauf der Flüssigkeit von der Kammer 5 zur Kammer 6.
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Die aus der Kammer 5 austretende Flüssigkeit wird ebenso wie ein eventueller
Überschuß der der Kammer 5 zugeführten Flüssigkeit von der Isolierhülse 12 aufgefangen
und durch die Ausflußöffnung 13 abgeführt.
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Die Zirkulation der Flüssigkeit durch den Rotor erfolgt in völlig
symmetrischer Weise und in direkter Berührung mit den Leitern. Die Nutteile 4 a
der Hohlleiter sind außerhalb des Rotors dem gleichen inneren und äußeren Druck
unterworfen, wodurch jede Gefahr des Platzens dieser Leiter vermieden ist. Gegebenenfalls
an den Abstützstellen der Kappen oder unter den Keilen der Nuten eintretende Leckverluste
sind ohne Bedeutung, da sie von der Isolierhülse 12 aufgefangen werden.
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Die Wickelköpfe aus massivem Leitermaterial werden durch ihre Berührung
mit der Flüssigkeit in den Kammern 5 und 6 gekühlt. Man kann ihre Kühlung verbessern,
indem man ihnen verhältnismäßig große Querschnitte gibt, so daß der gesamte Verlust
infolge der Joule'schen Wärme verringert und die Erwärmung selbst verringert wird.
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Gemäß einer z@veiten Ausführungsform der Erfindung wird die Berührung
zwischen der Flüssigkeit
und den Wickelköpfen 4 b durch eine erzwungene
Zirkulation der Flüssigkeit verbessert.
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Zu diesem Zweck ist, wie es F i g. 5 und 6 zeigen, eine zylindrische
Zwischenwand 14 an den radial innenliegenden Seiten der Wickelköpfe 4 b angesetzt.
Diese Zwischenwand weist gegenüber den zwischen den Wickelköpfen 4 b befindlichen
Zwischenräumen und nahe der Achse des betreffenden Poles Durchxrittsöffnungen 15
auf, durch welche die der Zentrifugalkraft ausgesetzte Flüssigkeit gezwungenermaßen
in den radial außenliegenden Teil der Kammer 5 eintritt und durch die sie aus dem
radial außenliegenden Teil der Kammer 6 abfließt. Bei der Strömung der Flüssigkeit
von den Durchtrittsöffnungen 15 zu den Enden der Nutteile 4 a der Wicklung (F i
g. 5) kühlt die Flüssigkeit die Wickelköpfe 4 b in der Kammer 5. Dasselbe ergibt
sich für die Kammer 6 bei der umgekehrten Strömung der Flüssigkeit.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird die Kühlung
der Wickelköpfe 4 b dadurch verbessert, daß diese auch als Hohlleiter ausgebildet
sind.
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Ein solcher Hohlleiter ist im vergrößerten Maßstab in F i g. 7 dargestellt,
die in teilweise geschnittener Darstellung den vom Hohlleiter selbst gebildeten
Kühlkanal 4 d zeigt und mit vier Kühlmitteleintrittsöffnungen 16 versehen ist, die
sich paarweise gegenüberliegen und sich in der Nähe der entsprechenden Polachse
befinden.
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Gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung ist der Durchlauf
der Flüssigkeit zwischen den beiden Kammern nicht mehr durch Hohlleiter, sondern
durch in dem Rotor 1 angeordete Kühlkanäle gewährleistet, die in den Nuten längs
der aus vollem Material hergestellten Leiter verlaufen, wie es F i g. 8 bis 10 zeigen.
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In F i g. 8 ist im Schnitt der Nutteil 4 a eines Massivleiters gezeigt,
der mittels zweier U-förmiger Isolationen 17 an seiner oberen und unteren Schmalseite
isoliert ist. Die Nut ist zu beiden Seiten des Massivleiters derart ausgespart,
daß zwei Kühlkanäle 18 gebildet werden.
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In F i g. 9 ist eine ähnliche Anordnung gezeigt, wobei der Nutteil
4 a aus zwei schmalen Massivleitern besteht, die durch eine Längsisolation 19 voneinander
getrennt sind.
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F i g. 10 läßt eine Anordnung erkennen, bei der der Nutteil 4 a einer
Spule aus vier, durch Querisolationen 20 voneinander getrennten Massivleitern besteht.
Der Nutenraum ist derart ausgebildet, daß sich zu beiden ; Seiten eines jeden Leiters
seitliche Kühlkanäle 21 ergeben.
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Im Falle der von den Nutwandungen und den Massivleitern gebildeten
Kühlkanälen wird die Kühlung der Wickelköpfe 4 b auf die in F i g. 5 und 6 ; gezeigte
Weise mittels zylindrischer und konzentrisch angeordneter Zwischenwände 14 durchgeführt,
die mit Durchtrittsöffnungen 15 versehen sind.
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Der Kühlflüssigkeitskreislauf ist schematisch in F i g. 11 gezeigt,
die den generellen Aufbau eines gemäß der Erfindung gekühlten Turbogenerators zeigt.
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Der mit zwei Wickelkopfkappen 2 und 3, Zentrierringen 2 a und
3 a sowie Wicklungen 4 ausgestattete Rotor 1 ist in zwei Lagern 22
gelagert, die in den an dem Gehäuse 24 des Stators 25 befestigten Lagerschilden
23 angeordnet sind. Die Dichtungselemente 26 dichten den nach außen vorstehenden
Teil der Welle ab. Die in dem Stator konzentrisch angeordnete Isolierhülse 12 ist
unter Zwischenschalten je eines elastischen Balges 27 an den Lagerschilden 23 befestigt.
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Der Flüssigkeitszulauf 7 ist an dem einen Lagerschild 23 neben der
Kammer 5 befestigt. Die aus der Kammer 6 austretende Flüssigkeit trifft auf zwei
Schirme 28 und 29 auf, die zur Verringerung der kinetischen Energie und Überleitung
in die Ausfiußöffnung 13 dienen.
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Zum Flüssigkeitsumlauf gehört vor allem ein Vorratsbehälter 30, der
zur Aufnahme der durch die Ausflußöffnung 13 ausgetretenen Flüssigkeit dient, und
weiterhin gehört zum Kühlsystem eine Flüssigkeits-Umlaufpumpe 31, ein Kühler 32,
eine Zuführungsleitung 33 für die Flüssigkeit, die für die Aufrechterhaltung eines
bestimmten Flüssigkeitsspiegels in dem Vorratsbehälter 30 dient, sowie ein Filter
34, ein Apparat 35 zur Demineralisierung und Entionisierung der Flüssigkeit, sowie
ein Kontrollapparat 36 zur Überprüfung der spezifischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit.
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Im Falle einer Maschine großer Leistung mit hoher Drehzahl kann die
Umfangsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, die durch die zentrale Öffnung des die zweite
Kammer begrenzenden Zentrierringes 3 a austritt, einen sehr hohen Wert erreichen,
was einerseits zu einem Verlust an kinetischer Energie innerhalb der festen, die
Flüssigkeit aufnehmenden Schirmes 29 führt und andererseits wegen des Durchwirbelns
der Flüssigkeit die Gefahr der Emulsionsbildung entstehen läßt, ein Effekt, der
den normalen Abfluß der Flüssigkeit aus dem Generator durch die Entleerungsöffnungen
gefährden kann.
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Die Ausführungsform nach F i g. 12 bis 14 gestattet es, die nachteiligen
Wirkungen der hohen Umlaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit in erheblichem Maße zu
verringern oder sogar auszuschalten.
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F i g. 12 und 13 zeigen, daß der Zentrierring 3 a mit einer eine Ringkammer
3 c bildende Umfangsnut versehen ist, die mit der Innenseite des Zentrierringes
3 a über eine Reihe von radialen Kanälen 3 d verbunden ist, deren Profil in F i
g. 14 gezeigt ist. Die Rippen 3 e, die die Kanäle 3 d voneinander trennen, bilden
die Abstützbasis des Schirmes 3 b, der in dem Zentrierring 3 a zentriert
und an demselben mittels nicht dargestellter Schrauben oder Schraubenbolzen befestigt
ist.
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In die Ringkammer 3 c münden axial verlaufende Kanäle 3 f, deren jeder
sich in der radialen Symmetrieebene eines der Kanäle 3 d befindet und die bis in
einen Vorsprung 3 g verlängert sind, der am Zentrierring 3 a angeordnet ist. Jeder
Kanal 3 f steht mit dem Außenraum des Rotors 1 durch eine schräge Ausgangsöffnung
3 h in Verbindung, die derart gebohrt ist, daß sie in einem der Drehrichtung entgegengesetzten
Sinne ausgerichtet ist, wie dies aus F i g. 14 hervorgeht, in der die Drehrichtung
durch den Pfeil F dargestellt ist.
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Die Strömung der Flüssigkeit nach deren axialen Durchlauf durch den
Rotor zwecks Kühlung der Wicklung verläuft in folgender Weise: Sobald der Flüssigkeitsring,
der der Einwirkung der Zentrifugalkraft unterliegt, einen Innendurchmesser erreicht
hat, der kleiner als der Innendurchmesser des Schirmes 3 b ist, wird er in axialer
Richtung durch den Ring 3 a aufgehalten, und die Flüssigkeit strömt zufolge der
zunehmenden Zentrifugalkraft durch die radialen Kanäle 3 d zur Ringkammer 3 c,
die
sich unter steigendem Druck füllt und aus welcher die Flüssigkeit durch die Kanäle
3 f und die Austrittsöffnungen 3 h austritt. Diese Ausströmung der Flüssigkeit ist
durch die gestrichelten Pfeile f in F i g. 13 und 14 angedeutet.
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Durch geeignete Wahl der Anzahl von Kanälen 3 f und durch geeignete
Einstellung des Querschnitts der Austrittsöffnungen 3 h der Kanäle 3 f in Abhängigkeit
von der Strömungsmenge der Flüssigkeit bei einer bestimmten Drehzahl kann man eine
Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit erhalten, die sehr angenähert gleich der
entsprechenden Umfangsgeschwindigkeit ist.
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Die Verluste an kinetischer Energie werden auf diese Weise zu Null
oder sehr gering, und der kleine Wert der gegebenenfalls vorhandenen Restgeschwindigkeit
der Flüssigkeit schaltet jede Gefahr der Emulsionsbildung aus.
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Es kann ein Ablenkvorsprung 3 m, der fest mit dem Zentrierring 3 a
verbunden ist, vorgesehen sein, um die Entleerung der Flüssigkeit durch den Schirm
29 zu begünstigen (F i g. 12).
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Das den Rippen 3 e, die die Kanäle 3 d voneinander trennen, gegebene
Profil, das beispielsweise schraubenförmig ist, kann die zentrifugale Strömung der
Flüssigkeit in die Ringnut 3 c begünstigen.
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In Vorstehendem ist die übliche Versteifung der verschiedenen Windungen
einer Wicklung untereinander und gegenüber dem Rotor vernachlässigt worden. Diese
Versteifungen können mit den erforderlichen Durchlässen versehen sein, um die Flüssigkeitsströmung
nicht zu hindern.
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Die Kühlung des Rotors durch eine umlaufende Flüssigkeit stellt kein
Hindernis dar für die Einleitung eines Gases, vorzugsweise Wasserstoffes, ins Innere
der den Rotor umgebenden dichten Hülse, wobei das Gas zur Verringerung der Reibungsverluste
bestimmt ist. Da dieses Gas nicht in den Kühlkreislauf gelangt, würde keine Vorrichtung
zur Kühlung oder für die Zirkulation erforderlich sein; der Druck braucht kaum größer
als der Atmosphärendruck zu sein.
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Die Kühlflüssigkeit kann C51 oder Wasser sein, wie es gewöhnlich für
ähnliche Zwecke bei Transformatoren oder bei den Ständerwicklungen von Turbogeneratoren
verwendet wird, wobei die üblichen Vorsichtsmaßnahmen entsprechend der Art der verwendeten
Flüssigkeit zu beachten sind.
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Für die Kühlung des Stators kann man ein beliebiges der bekannten
Verfahren benutzen, die speziell für Turbogeneratoren anwendbar sind, bei denen
Stator und Rotor durch eine dichte Isolierhülse voneinander getrennt sind.