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Vorrichtung zum Herausleiten von Kühlflüssigkeit aus einer
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elektrischen Maschine mit flüssigkeitsgekühltem Rotor Die Erfindung
bezieht sich auf den flüssigkeitsgekühlten Läufer einer elektrischen Maschine, der
durch eine im Kreislauf umgewälzte Kühlflüssigkeit gekühlt wird. Genauer gesagt
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herausleiten der Kühlflüssigkeit aus
der Maschine.
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Es ist bekannt, daß eine Leistungssteigerung bei umlaufenden elektrischen
Maschinen davon abhängt, wie deren Temperaturzunahme verringert werden kann, d.
h., wie die Maschine wirksam gekühlt werden kann. Mit anderen Worten, die maximal
mögliche Leistung einer umlaufenden elektrischen Maschine wird durch ihre maximale
Temperatur bestimmt und folglich durch die Fähigkeit, die auftretende Verlustwärme
abzuleiten. Andererseits besteht starker Bedarf zur Leistungssteigerung bei elektrischen
Maschinen und insbesondere auch bei Turbogeneratoren, um den Wirkungsgrad von Kraftwerken
steigern zu können. Für diesen Zweck wird Wasserstoffgaskühlung bei Turbogeneratoren
angewendet.
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Bei dieser Technik scheinen jedoch die Grenzen weiterer Leistungssteigerung
erreicht zu sein, so daß es nötig wird, weitere brauchbare Kühlverfahren zu entwickeln.
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Es ist deshalb vorgeschlagen worden, anstelle von Wasserstoffgas eine
Kühlflüssigkeit, wie etwa Wasser, einzusetzen, mit der ein sehr guter Kühlwirkungsgrad
erzielt werden kann.
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Hierbei wird die Kühlflüssigkeit durch den Ständer geleitet, um diesen
zu kühlen. Wenn diese Technik so zufriedenstellend weiterentwickelt werden könnte,
daß die Kühlflüssigkeit nicht nur durch den Ständer, sondern auch durch
den
Läufer hindurchgeleitet wird, ließe sich die Kühlung derartiger Maschinen erheblich
verbessern.
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Zum Erzeugen einer 60 Hz-Spannung läuft der Läufer eines Turbogenerators
mit der hohen Drehzahl von 3600 /min.
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Das Hindurchtreiben der Kühlflüssigkeit durch die gewünschten Bahnen
in einem sich mit so hoher Drehzahl drehenden Bauteil stellt ein Problem dar, dessen
Lösung erhebliche Schwierigkeiten aufwirft. Dadurch wurde die wirtschaftliche Anwendung
von elektrischen Maschinen mit flüssigkeitsgekühlten Läufern verzögert.
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Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, mit der ein Kühlflüssigkeitsstrom durch
einen flüssigkeitsgekühlten Rotor hindurchgeleitet werden kann und bei der die Erfindung
einsetzbar ist. Uber ein Zulaufrohr 1 wird eine Kühlflüssigkeit, wie destilliertes
Wasser, mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Förderpumpe zugeführt und über eine öffnung
2a in den Hohlraum 2b eines zylindrischen Einlaufrohres abgegeben, durch das der
Zuströmweg für die Kühlflüssigkeit gebildet wird. Mit allseitigem Abstands spalt
3b umgibt ein Flüssigkeitsablaufrohr 3 das Zuströmrohr 2. Als Kühlmittel wird destilliertes
Wasser bevorzugt, da die Rohre durch keinerlei Verunreinigungen korrodieren. Der
Abstandsspalt 3b wird als Ablaufweg für die Kühlflüssigkeit verwendet. Das Ablaufrohr
3 besitzt eine Öffnung 3a, über die die Kühlflüssigkeit abgegeben wird.
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Das Ablaufrohr 3 und das Zulaufrohr 2 sind miteinander so verbunden,
daß sie eine gemeinsame Kühlflüssigkeitszu- und -abführung 4 bilden, wie es in der
Fig. 2 dargestellt ist.
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Hieraus geht hervor,- daß das Zulaufrohr 2 mehrere (im Falle der Fig.
2 die Zahl von sechs) auf der Außenwand vorstehende Rippen 2c trägt. Diese Rippen
2c dienen als Abstandshalter und Verbindung des Zulaufrohres 2 mit dem Ablaufrohr
3 und damit gleichzeitig als Versteifung. Das Zulaufrohr 2 mit den vorstehenden
Rippen 2c ist mit dem Ablaufrohr 3 z. B. durch Schrumpfsitz zu einem Stück vereinigt.
An dieser Rohrkonstruktion befindet sich ein Flansch 4a an einem
Ende,
der mit dem Flansch 5a der Rotorwelle mittels Bolzen oder dgl. verbunden ist. Auf
der Welle 5 des Rotors befindet sich die Rotorwicklung (nicht gezeigt). Es versteht
sich aus Fig. 1, daß der Zulaufpfad 5b und der Ablaufpfad 5c in der Rotorwelle 5
ausgebildet und mit dem Zulaufpfad 2b und dem Ablaufpfad 3b im Zu- und Abführrohr
4 so verbunden sind, daß das über den Zulaufpfad 5b nach dem Hindurchtreten durch
die Rotorwicklung in den Ablaufpfad 5c abgegeben wird. In der Fig. 1 ist der Kühlwasserstrom
durch Pfeile angedeutet. Die Abgabe der erhitzten Kühlflüssigkeit erfolgt über die
Öffnung 3a.
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Die gesamte Vorrichtung weist eine erste Auslaßkammer 61 auf, die
die aus der Öffnung 3a abgegebene Flüssigkeit aufnimmt. Die Kammer 61 ist ständig
mit Kühlflüssigkeit angefüllt, damit diese (destilliertes Wasser) nicht verunreinigt
werden kann, was dann möglich wäre, wenn sie mit Luft in Berührung käme. An die
erste Auslaßkammer 61 ist ein erstes Auslaßrohr 71 angeschlossen, über das die Kühlflüssigkeit
aus der Kammer 61 abgeführt wird. Auch im Auslaßrohr 71 kommt die Kühlflüssigkeit
nicht mit der umgebenden Luft in Berührung, so daß sie nach Abgabe ihrer Wärme in
einem Wärmetauscher oder dgl. über das Einlaßrohr 1 wieder zugeführt werden kann.
Mit 81 ist in Fig. 1 eine erste Labyrinthdichtung bezeichnet, die verhindert, daß
Kühlwasser vom Zulaufrohr 1 in die erste Auslaßkammer 61 eindringt. Ein derartiger
Leckfluß zwischen einem stillstehenden und einem sich drehenden Teil kann nicht
vollständig unterbunden werden, doch ist es auch nicht erforderlich, zur Verhinderung
dieses Leckflusses höchsten Aufwand zu treiben.
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In die Kammer 61 eingedrungende Leckflüssigkeit verursacht keine wesentlichen
Schwierigkeiten, da sie über das Auslaßrohr 71 wieder in den Kreislauf eingeführt
wird. Dennoch sollte die Leckflüssigkeitsmenge so klein wie möglich gehal-.
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ten werden, da andernfalls der dadurch auftretende Leistungsverlust
den Gesamtwirkungsgrad mindert.
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Das umlaufende Rohr 4 wird von einer zweiten Labyrinthdichtung 82
umgeben, um Flüssigkeitsaustritt aus der ersten Auslaßkammer 61 zu verhindern. Eine
zweite Auslaßkammer 62 dient dazu, durch die zweite Labyrinthdichtung hindurchgelangte
Leckflüssigkeit aus der ersten Auslaßkammer 61 aufzunehmen. Im Gegensatz zur ersten
Auslaßkammer 61 ist die zweite Auslaßkammer 62 nicht vollständig mit Kühlflüssigkeit
angefüllt, so daß sie durch die Berührung mit Luft verunreinigt werden könnte. Um
dies zu verhindern, wird über eine Zuführleitung 9 ein Schutzgas, wie Stickstoff
oder Wasserstoff, in die zweite Auslaßkammer 62 eingeführt, so daß der Druck in
der zweiten Auslaßkammer 62 stets etwas über. dem Atmosphärendruck liegt und folglich
keinerlei Luft in die zweite Auslaßkammer 62 eindringen und damit Kühlflüssigkeit
nicht verunreinigen kann. Es kann deshalb auch die über ein zweites Abführrohr 72
aus der zweiten Auslaßkammer 62 abgeführte Kühlflüssigkeit über einen Wärmetauscher
und eine Förderpumpe in gleicher Weise wie die aus der ersten Auslaßkammer 61 abgeführte
Kühlflüssigkeit wieder in den Kreislauf eingeführt werden.
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Eine dritte Labyrinthdichtung 83 verhindert Leckfluß zwischen der
zweiten Auslaßkammer 62 und dem umlaufenden Rohr 4.
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Eine Dichtflüssigkeit mit gegenüber dem Druck des Schutzgases etwas
höherem Druck wird über ein Flüssigkeitszuleitungsrohr 83a in den Mittelbereich
der Labyrinthdichtung 83 geleitet. Ein Teil der Dichtflüssigkeit strömt in die zweite
Auslaßkammer 62 über einen Labyrinthdichtungsabschnitt 83c, wie bereits ausgeführt,
wird die Kühlflüssigkeit vom zweiten Auslaßrohr 72 ohne erneute Reinigungsbehandlung
in den Kreislauf wieder eingeführt. Die Dichtflüssigkeit muß deshalb destilliertes
Wasser sein, praktisch dasselbe wie die Kühlflüssigkeit.
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Mit 63 ist in der Fig. 1 eine dritte Auslaßkammer bezeichnet, die
Dichtflüssigkeit aufnimmt, die durch den Labyrinthdichtungsabschnitt 83b hindurchgetreten
ist. Mit der dritten
Auslaßkammer 63 steht ein drittes Auslaßrohr
73 in Verbindung. Da das dritte Auslaßrohr 73 mit der Außenluft in Verbindung ist,
wird die Dichtflüssigkeit, die in die Kammer 63 hineingelangt, verunreinigt, muß
álso abgeführt und kann nicht in den Kreislauf zurückgeleitet werden. Es versteht
sich natürlich, daß sie sehr wohl einer Wasseraufbereitung unterzogen und dann in
den Kühlkreislauf eingeführt werden kann.
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Die Dichtflüssigkeit (destilliertes Wasser), die zur dritten Auslaßkammer
63 hin ausgetreten ist, wird also entweder beseitigt oder aufbereitet. Um die zuzuführende
Menge an destilliertem Wasser so gering wie möglich-und die Größe der Aufbereitungsanlage
so klein wie möglich zu halten, muß die Menge an Dichtflüssigkeit, die in die dritte
Auslaßkammer gelangt, möglichst gering gehalten werden.
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Ein Teil der herkömmlichen dritten Dichtung 83, nämlich der Abschnitt
83b zur Seite der dritten Auslaßkammer hin, ist eine Labyrinthdichtung. Es ist nötig,
die Länge dieses Dichtungsteils zu vergrößern, um die Menge der durch sie zur dritten
Auslaßkammer 63 hin austretenden Dichtflüssigkeit möglichst klein zu halten. Andererseits
können keine Lager für die Abstützung des Rohrkörpers 4 vorgesehen werden, da diese
sich wegen der Auslaßkammern verbieten, so daß der Rohrkörper 4 freitragend an der
Rotorwelle 5 befestigt ist.
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Die freitragende Konstruktion des Rohrkörpers 4 gibt Anlaß zu Vibrationsschwingungen,
die unerwünscht sind, weil sie die Dichtwirkung aufheben können. Die Vibrationsschwingungen
wachsen mit zunehmender Länge des Rohrkörpers 4, so daß dieser zweckmäßigerweise
so kurz wie möglich gehalten wird. Bei der bekannten Konstruktion tritt nun das
Problem auf, daß die Dichtwirkung nicht gesteigert werden kann, ohne daß die dritte
Dichtung an Länge zunimmt, was zwangsläufig auch eine Längenzunahme des Rohrkörpers
4 bedingt. Wenn die Länge der dritten Dichtung und damit die des Rohrkörpers 4 erhöht
wird,
steigen die unerwünschten Vibrationsschwingungen an.
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Es ist deshalb erforderlich, eine Vorrichtung zur Führung der Kühlflüssigkeit
zu schaffen, die sehr kompakt ist und nur sehr geringe Vibrationsschwingungen hat,
was sich dadurch erreichen läßt, daß die Dichtung 83b auf der Seite zur dritten
Auslaßkammer 63 hin durch eine kürzerbauende jedoch wirksamere Dichtung ersetzt
wird, mit der die in die dritte Auslaßkammer 63 austretende Leckflüssigkeitsmenge
herabgesetzt wird.
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Damit die Größe der Kühlwasseraufbereitungsanlage oder die Kapazität
der Zufuhr an destilliertem Wasser nicht gesteigert werden muß, werden Schraubengänge
in die Außenwandfläche der Ein- und Ausleitungs-Rohrkonstruktion eingeschnitten,
deren Richtung der Drehrichtung des Rohrkörpers entgegen verläuft, so daß durch
die Schraubengänge in Zusammenwirken mit der sie umgebenden feststehenden Fläche
85 bei hoher Drehzahl eine Pumpwirkung entsteht und dadurch die in die dritte Auslaßkammer
63 austretende Leckflüssigkeitsmenge herabgesetzt wird.
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Eine übliche Dichtung hat jedoch insofern einen Nachteil, daß, wenn
das Ein- und Auslaßrohr stillsteht oder seine Drehzahl stark herabgesetzt ist, die
Pumpwirkung nicht mehr ausreicht, so daß dann eine große Menge von Dichtflüssigkeit
in die dritte Auslaßkammer, die Luft enthält, abströmt.
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Tritt dies ein, dann muß die Kapazität der Aufbereitungsanlage für
die Dichtflüssigkeit nach der Leckmenge von Dichtflüssigkeit ausgerichtet werden,
die bei stillstehendem oder nur langsam umlaufenden Rohrkörper 4 auftritt, so daß
der Leckaustritt von Dichtflüssigkeit bei stillstehendem oder sich langsam drehendem
Rohrkörper für herkömmliche Dichtungen die Hauptschwierigkeit darstellt.
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Die genannte Schwierigkeit besteht nicht nur für eine Schraubengangdichtung,
sondern für jede Art Dichtung, deren Dichtwirkung durch Pumpeffekt bei Drehung hervorgerufen
wird, da der Dichteffekt verloren geht oder stark herabgesetzt wird,
wenn
der Rohrkörper angehalten wird oder nur sehr langsam umläuft.
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Aus der vorangehenden Beschreibung wird deutlich, daß eine Dichtung,
bei der Pumpwirkung aufgrund von Rotation zur Anwendung kommt, den Vorteil hat,
daß sie berührungslos ist und auch noch wirksam arbeitet, wenn sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten
herrschen und Vibrationen auftreten, daß jedoch die Abdichtwirkung in hohem Maße
abnimmt, wenn der Zu- und Auslaufrohrkörper angehalten wird oder sich nur langsam
dreht.
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Es liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe einer
kurzen Dichteinrichtung den Leckstrom von Kühlflüssigkeit aus einer Auslaßkammer,
die Kühlflüssigkeit aus einem Flüssigkeitszu- und -abführrohr erhält, zu vermeiden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Dichteinrichtung geschaffen, die
eine Schraubengangdichtung und ein dehnbares Dichtelement oder eine Gummidichtung
in Kombination enthält.
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Das dehnbare Dichtelement wird nach Maßgabe des Druckes eines in das
Innere hineingepumpten Gases ausgedehnt oder zusammengezogen. Der Gasdruck, der
dem dehnbaren Dichtelement zugefügt wird, wird entsprechend der Drehzahl der elektrischen
Maschine, an der die Erfindung eingesetzt wird, oder entsprechend der Leckflußmenge
geregelt.
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In besonderer Ausgestaltung wird das dehnbare Element so ausgebildet,
daß seine Breite größer als seine Dicke ist, um dadurch weiter die Leckflußmenge
zu verringern.
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Aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand
der Zeichnung wird die Erfindung ihrem Wesen nach und in Einzelheiten deutlich.
Es zeigen: Fig. 1 einen Längs schnitt durch eine herkömmliche Kühlflüssigkeitszu-
und -ableiteinrichtung;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie
II-II in Fig. 1; Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Kühlflüssigkeitszu- und -ablei£vorrichtung in erfindungsgemäßer Ausbildung;
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zu- und Ableitvorrichtung
im Längsschnitt; Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung nach der Erfindung; Fig. 6 , 7 und 8 Diagramme von charakteristischen
Kurven der eingesetzten Dichtungseinrichtungen; Fig. 9 Längs- und Querschnitt durch
ein'viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 10 eine abgewandelte Ausführungsform
der Dichtung im axialen Längsschnitt; Fig.11 ein spezieller Zustand des in Fig.
.10 gezeigten Dichtelementes bei Innendruck zufuhr; Fig.12 eine Schnittdarstellung
für die Beschreibung des Zustandes der Dichteinrichtung nach Fig. 10, wenn die Achse
der hindurchgeführten Welle verlagert ist; und Fig.13 ein Diagramm der Druckverteilung
bei gemäß Fig. 12 verlagerter Achse.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Figuren 3 bis 13 beschrieben und erläutert. Ein erstes Ausführungsbeispiel der
dritten Dichtung ist in der Vergrößerung in der Fig. 3 wiedergegeben, wo über eine
Zuführöffnung 831a Dichtflüssigkeit (destilliertes Wasser) mit einem Druck zugeführt
wird, der etwas höher als der Druck des Schutzgases in der zweiten Auslaßkammer
62 ist. Eine Labyrinthdichtung 831b dient dazu, den Leckfluß an Dichtflüssigkeit
in die zweite Auslaßkammer 62 herabzusetzen. Der Leckfluß in die zweite Auslaßkammer
62 kann in das Kühlsystem einbezogen werden, da diese Kammer ja mit Schutzgas angefüllt
ist.
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Es ist deshalb zulässig, daß der Leckfluß in die Kammer 62 ein gewisses
Ausmaß hat. Außerdem ist der Druckunterschied zwischen Dichtflüssigkeit und Druckgas
nur gering. Somit
kann eine Labyrinthdichtung von einfachem Aufbau
und hoher Zuverlässigkeit verwendet werden.
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In die Mantelfläche des oben bereits beschriebenen Zu- und Ableitungsrohres
4 sind in einer der Drehrichtung entgegengesetzten Richtung Schraubengänge 4b eingeschnitten,
die einer feststehenden umgebenden Oberfläche 832 gegenüberstehen, so daß dadurch
eine Pumpwirkung erzielt wird, wenn sich der Rohrkörper 4 dreht, und damit Leckfluß
von Dichtflüssigkeit in die dritte Auslaßkammer 63 vermieden wird.
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Ein ringförmiges Gummielement 833b umgibt den Rohrkörper 4.
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Über ein Gaszuführrohr 833a wird dem Gummielement 833b Druckgas zugeführt,
so daß es sich entweder an die Außenwand des Rohrkörpers 4 anlegt oder von ihr einen
Abstand hält. Bei der erfindungsgemäßen Dichtung ist vorgesehen, daß sich das ringförmige
Gummielement 833b an die Außenwand des Zu-und Ableitungsrohrkörpers 4 anlegt, um
einen Leckfluß von Dichtflüssigkeit in die dritte Auslaßkammer zu verhindern, wenn
der Rohrkörper 4 stillsteht oder sich nur mit geringer Drehzahl dreht, so daß dann
die Pumpwirkung stark.herabge= setzt ist. Der Spalt zwischen dem ringförmigen Gummielement
833b und der Mantelfläche oder Außenwand des Rohrkörpers 4 ist möglichst klein,
damit kaum ein Leckfluß von Dichtflüssigkeit in die dritte Auslaßkammer 63 gelangt.
Dreht sich der Rohrkörper dagegen mit hoher Drehzahl, dann entsteht aufgrund der
Schraubengänge 4b Pumpwirkung, so daß dann die feststehende Wand 832a ausreicht,
Leckfluß von Dichtflüssigkeit in die dritte Auslaßkammer 63 zu vermeiden.
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Auf diese Weise kann die Leckflußmenge im gesamten Drehzahlbereich
zwischen Stillstand und hoher Drehzahl sehr stark vermindert werden.
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Die Dichtung ist berührungslos, so daß ein gewisses Maß an Freiheit
für die axiale Stellung der umlaufenden Oberfläche gegenüber der stillstehenden
Oberfläche besteht. Die Dichtung
wird deshalb kaum durch Vibrationsschwingungen
und axiale thermische Ausdehnung des Zu- und Abführrohrkörpers beeinflusst.
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Bei der Beschreibung der Fig. 3 ist auf ein ringförmiges Gummidichtungselement
833b abgestellt worden, doch versteht es sich, daß auch ein dehnbares Kunstharzmaterial
anstelle von Gummi eingesetzt werden kann. Außerdem wurde die Beschreibung an einer
Ausführungsform vorgenommen, bei der drei Auslaßkammern vorgesehen sind. Die Erfindung
ist aber auch dann anwendbar, wenn nur zwei Auslaßkammern vorgesehen werden, wie
dies beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist.
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In der Fig. 4 ist eine Auslaßkammer 612 dargestellt, die eine konstruktive
Vereinigung der Auslaßkammern 61 und 62 aus Fig. -1 zu einer einzigen Einheit darstellt.
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In Fig. 4 ist eine Auslaßkammer 612 gezeigt, die durch Zusammenlegen
der Auslaßkammern 61 und 62 der Ausführungsform nach Fig. 4 als einzige Einheit
ausgebildet ist. Ein Auslaßrohr 712 steht mit der Auslaßkammer 612 in Verbindung,
und ein Gaszuführrohr 9 führt in die Kammer hinein. Die Auslaßkammer 612 ist nicht
vollständig mit Kühlflüssigkeit angefüllt. Über das Gaszuführrohr 9 wird deshalb
in die Auslaßkammer 612 ein Schutzgas mit einem Druck eingeleitet, der etwas höher
als der Atmosphärendruck ist, so daß keine umgebende Luft mit der.Kühlflüssigkeit
in Berührung kommen kann. Die aus dem Auslaßrohr 712 abgegebene Kühlflüssigkeit
kann somit wieder in das Kühlsystem eingeführt werden. Bei den Ausführungsbeispielen
gemäß den Figuren 3 und 4 werden in Kombination sowohl die Schraubengangdichtung
als auch die Gummidichtung eingesetzt, um den Leckfluß von Dichtflüssigkeit in die
dritte Auslaßkammer 63 so klein wie möglich zu halten. Wenn der Druck der der Gummidichtung
zugeführten Luft entsprechend der Drehzahl des Zu- und Abführrohrkörpers 4 gesteuert
wird, dann läßt sich der Leckfluß
weiter vermindern.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt die Fig.5.
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Die zweite Auslaßkammer 62 ist mit einem Schutzgas angefüllt, dessen
Druck etwas höher als der Atmosphärendruck ist. Das Schutzgas wird über die Gaszuführleitung
9 in die Kammer 62 eingeleitet. Wie Fig.5 zeigt, wird über eine Dichtflüssigkeitszuführleitung
831a die Dichtflüssigkeit mit einem etwas über dem des Schutzgases liegenden Druck
zugeführt. Schraubengänge 4b sind in die äußere Mantelfläche des Kühlflüssigkeitszu-
und -ableitrohrkörpers 4 in einer Richtung eingeschnitten, die der Drehrichtung
entgegengesetzt ist. Durch die Schraubengänge 4b im Zusammenwirken mit der feststehenden
Oberfläche 832a entstehende Pumpwirkung stellt für die Dichtflüssigkeit eine Dichtung
dar. Der Rohrkörper 4 ist außerdem von einer ringförmigen Gummidichtung 833b umschlossen.
Ihm kann ein Druckgas über eine Gasleitung 833a zugeführt werden, so daß sich die
Gummidichtung 833b verengt und ihren Spalt gegenüber dem Rohrkörper 4 auf einen
gewünschten Wert einstellt.
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Außerdem sind Ventile 87a und 87b vorgesehen, um den Druck des der
Gummiringdichtung 833b zugeführten Gases zu steuern.
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So kann beispielsweise das Ventil 87a mit einer Druckgaszuführung
und das Ventil 87b mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen. Durch eine Steuervorrichtung
88 werden die Ventile 87a und 87b gesteuert. Genauer gesagt wird der Öffnungsgrad
der Ventile 87a und 87b nach einem vorbestimmten Programm in Abhängigkeit von Signalen
gesteuert,-die von einem Drehzahlmesser 89 abgeleitet werden.
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Die Abdichtung aufgrund der Pumpwirkung, hervorgerufen durch die Schraubengänge
4b und die feststehende Wandfläche 832a (nachfolgend als Schraubengangdichtung bezeichnet),
wird erreicht, wenn die Drehzahl des Rohrkörpers einen bestimmten Wert erreicht
hat, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Die ringförmige Gummidichtung 833b wird
gegen die Umfangsfläche
des Rohrkörpers 4 gedrückt, wenn dieser
angehalten wird, so daß dadurch der Austritt von Leckflüssigkeit vollständig unterbunden
ist. Während der Drehung ist es jedoch nötig, daß zwischen der Außenwand des Rohrkörpers
4 und der Gummidichtung 833b ein Spalt verbleibt, der größer ist als der kleinste
Spalt, der bei der jeweiligen Drehzahl zum Schutz der Gummidichtung gegen Abnützung
oder Zerstörung vorgegeben ist. Mit zunehmender Drehzahl muß deshalb die Leckflüssigkeitsmenge,
die durch die Gummidichtung ausströmt, zunehmen, damit ausreichender Schutz für
die Gummidichtung besteht, damit sie nicht plötzlich erfaßt und beschädigt wird,
was in Fig. 6 angedeutet ist.
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In der Fig. 6 schneiden sich die charakteristische Kurve der Schraubengangdichtung
und die charakteristische Kurve der Gummidichtung in einem bestimmten Drehzahlpunkt.
Liegt die Drehzahl unterhalb dieses Drehzahlpunktes, dann ist die Dichtwirkung der
Schraubengangdichtung nicht ausreichend, während jedoch gleichzeitig die Dichtwirkung
der Gummidichtung genügt.
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Die Steuereinrichtung 88 rtegelL den ffnuncjyrd der Ventile 87a und
87b derart, daß abhängig von den Signalen des Drehzahlmessers 89 die Schraubengangdichtung
und die Gummidichtung kombiniert für den Geschwindigkeitsbereich eingesetzt werden,
in welchem die Dichtwirkung der Schraubengangdichtung nicht ausreicht, während bei
höheren Geschwindigkeiten nur mit der Schraubengangdichtung gearbeitet wird.
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Gemäß Darstellung der Fig. 7 wird der Öffnungsgrad der Ventile 87a
und 87b durch die Steuereinrichtung 88 so gesteuert, daß, wenn der Rohrkörper 4
stillsteht, die Gummidichtung an seiner Außenwand anliegt und damit keinerlei Leckfluß
auftreten kann. Bis die Drehzahl einen Wert nc erreicht hat, steuert die Steuereinrichtung
88 den Öffnungsgrad der Ventile 87a und 87b nach der Drehzahl, wodurch der Druck
des der Gummidichtung zugeführten Druckgases gesteuert und damit die
geringstmögliche
Leckmenge erreicht wird, während andererseits die Gummidichtung gegen Abnutzung
und Beschädigung geschützt ist. Erreicht die Drehzahl den Wert nc oder ist sie höher,
dann reicht die Dichtwirkung der Schraubengangdichtung aus, so daß' die Steuervorrichtung
88 dann die Ventile 87a und 87b so steuert, daß kein Druckgas mehr der Gummidichtung
zugeführt wird. Die Steuervorrichtung 88 steuert also die Ventile 87a und 87b nach
der Drehzahl so, daß der Druck des in der Gummidichtung enthaltenen Druckgases so
variiert, wie es in der unteren Hälfte der Fig. 7 dargestellt ist, Fig. 8 zeigt
ein Beispiel eines Steuervorganges, bei dem der Druck des der Gummidichtung zugeführten
Druckgases unverändert bleibt, während die Drehzahl im unteren Bereich unterhalb
des Wertes nc ist. In diesem Fall ist der Druck des Druckgases in der Gummidichtung
so bestimmt, daß die Gummidichtung bei der Drehzahl nc noch nicht erfaßt und dadurch
beschädigt wird.
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Bei langsamen Drehzahlen nimmt dann die Leckmenge gegenüber der Leckmenge
der Steuerung nach Fig. 7 zu. Allerdings ist der Steuervorgang durch die Steuervorrichtung
88 in diesem Fall einfacher, was von Vorteil sein kann.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Schraubengangdichtung
mit ihrer infolge der Drehung erzielten Pumpwirkung eingesetzt. Es kann jedoch irgendeine
Dichtvorrichtung verwendet werden, die bei Drehung durch einen Pumpeffekt wirksam
wird (nachfolgend wird dies als Drehungspumpeffekt bezeichnet).
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Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Dichtvorrichtung, die mit
dem Drehungspumpeffekt arbeitet, sich jedoch von einer Schraubengangdichtung unterscheidet.
Auf der Außenwand des Kühlflüssigkeitszu- und -ableitrohrkörpers 4 sind Flügel 4c
angebracht. Diese Flügel erzeugen bei Drehung eine Pumpwirkung, die den Durchtritt
von Leckflüssigkeit verhindert.
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Mit 833b ist'eine ringförmige Gummidichtung bezeichnet, während ferner
eine Gaszuführleitung 87, Ventile 87a und 87b;
eine Steuervorrichtung
88 und eine Drehzahlmeßeinrichtung 89 vorgesehen sind. Diese Bauteile sind denen
im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 vergleichbar. Die Steuereinrichtung 88 erhält
von der Drehzahlmeßeinrichtung 89 Signale. Es ist aber auch möglich, der Steuereinrichtung
Signale von einem Leckstromdetektor (nicht gezeigt) am Auslaß der Kammer 63 zuzuführen.
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Die Rotorwelle 5, an die der Zuführ- und Ableitrohrkörper 4 unmittelbar
angekoppelt ist, läuft- in Gleitlagern (nicht gezeigt), so daß der Rohrkörper 4
etwas floaten kann, und da außerdem der Rohrkörper 4 freitragend an der Rotorwelle
5 befestigt ist, kann er erhebliche Vibrationsschwingungen ausführen, wenn die Rotordrehzahl
im Bereich der Resonanzdrehzahl liegt. Es ist deshalb erforderlich, daß die ringförmige
Gummidichtung 833b derart den Bewegungen des Rohrkörpers 4 folgen kann, daß ein
kleines Spiel verbleibt. Ein gewöhnlicher ringförmiger Gummidichtungskörper kann
einer solchen .Bewegung des Rohrkörpers 4 nicht folgen.
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Wenn also nur ein geringes Spiel zwischen dem Rohrkörper 4 und der
Ringgummidichtung herrscht, kann die Dichtung berührt und'durch Abnutzung beschädigt
werden.
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Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform der ringförmigen Gummidichtung,
bei der die oben beschriebenen Schwierigkeiten ausgeschaltet sind. Bei dieser Gummidichtung
ist das Verhältnis von Breite zu Dicke aus nachfolgend erläuterten Gründen erhöht.
In Fig. 11 ist ein Zustand der ringförmigen Gummidichtung 86 (Fig. 10) unter Druck
gezeigt. Der im Druckgas herrschende Druck ist mit PG, der Druck in der abzudichtenden
Flüssigkeit mit PW und der Druck, mit der die Flüssigkeit auf eine Fläche 86a der
ringförmigen Gummidichtung einwirkt, mit PL bezeichnet. Der Druck PG ist gleichmäßig
über die äußere Fläche der Gummidichtung verteilt, während der Druck PW nur auf
die Hälfte der Innenfläche der Gummidichtung einwirkt, so daß sie dadurch
schief
verformt wird, wie dies die Fig. 11 zeigt. Aufgrund der dadurch entstehenden Neigung
kann der an der eigentlichen Dichtfläche 86a auftretende Druck PL durch eine Kurve
wiedergegeben werden, die über eine gerade Verbindungslinie zwischen PW und 0 hinüberreicht,
wie in Fig. 11 gezeigt.
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In Fig. 12 ist gezeigt, wie das Kühlflüssigkeitszu-. und -ableitrohr
4 eine um einen Wert e exzentrische Lage einnimmt. Dadurch vergrößert sich der Spalt
zwischen dem Rohrkörper 4 und der Dichtfläche 86a der Gummidichtung 86 in Fig. 12
in der unteren Hälfte, während er sich in der oberen Hälfte verringert. Auf diese
Weise ist die Druckverteilung auf die Dichtfläche 8&a in der oberen und in der
unteren Hälfte unterschiedlich, wie dies für PL1 und PL2 in Fig. 13 angedeutet ist.
Mit anderen Worten, der Druck PL1 bei verringertem Spalt zwischen dem Rohrkörper
4 und der Dichtoberfläche 86a ist größer als der Druck PL2 im größeren Spaltabschnitt.
Durch die Differenzkraft, die in Fig. 13 durch den waagerecht schraffierten Bereich
angezeigt ist, wird folglich die Ringdichtung 86 so gedrückt, daß die Dichtfläche
vom Rohrkörper 4 praktisch überall gleichen Abstand hat. Die Ringdichtung 86 gemäß
Fig. 10 folgt also der Bewegung des Rohrkörpers 4.
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Nach bekannten hydrodynamischen Grundsätzen wird der Integralwert
von PL ein Maximum, wenn die Beziehung h2/h1 7 2,2 für die Werte h1 und h2 am Spalt
der Fig. 11 gilt. Das günstigste Ergebnis läßt sich also durch folgendes Vorgehen
erreichen. Der kleinste Spalt, bei welchem die Abnutzung der ringförmigen Gummidichtung
bei der höchsten Drehzahl beginnt, wird bei Einsatz der Gummidichtung 86 zum Abdichten
der Flüssigkeit auf den Wert h1 gesetzt, und die Abmessungen der Gummidichtung werden
so bestimmt, daß sie unter dem Einfluß der Drücke PG und PW in diesem Zustand derart
schief gestellt ist, daß die Beziehung h2 2,2 h1 eintritt.
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Bei den beschriebeneS Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen,
daß als Kühlflüssigkeit destilliertes Wasser verwendet wird, doch sind auch andere
Kühlflüssigkeiten brauchbar, sofern die Rohrleitungen und die Rotorwicklung nicht
angegriffen werden. Außerdem wurde die Erfindung bisher in Verbindung mit einem
Turbogenerator beschrieben.
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Sie kann selbstverständlich auch auf Wasserkraftgeneratoren oder sonstige
umlaufende elektrische Maschinen, wie große Motoren, angewendet werden. Ferner ist
es nicht zwingend erforderlich, Labyrinthdichtungen an den Stellen der Dichtungen
81 und 82 vorzusehen, um den Leckfluß der Kühlflüssigkeit klein zu halten. Auch
andere, z. B. mechanische Dichtungen, sind brauchbar.
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Aus der Beschreibung wird deutlich, daß gemäß der Erfindung eine Schraubengangdichtung
unter Ausnutzung des Pumpeffektes und eine Gummidichtung, die in der Lage ist, einen
variablen Abstands spalt zwischen dem Zu- und Ableitrohrkörper und der Gummidichtung
zu erzeugen, in Kombination verwendet werden, um den Leckfluß von Dichtflüssigkeit
in die Auslaßkammer, in der atmosphärische Luft enthalten ist, klein zu halten.
Die Erfindung bietet also den Vorteil, daß der Leckstrom der Dichtflüssigkeit bei
sehr geringer Dichtungslänge klein ist, so daß die Länge der Welle und damit die
Vibrationsschwingung der Rohrleitung gering gehalten werden kann.
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Ferner wird gemäß der Erfindung der Druck des der Gummidichtung zugeführten
Druckgases nach Maßgabe der Drehzahl oder der Leckflüssigkeitsmenge gesteuert. Damit
wird es möglich, mit der erfindungsgemäßen Dichtung die Menge an Leckflüssigkeit
in allen Drehzahlbereichen vom Stillstand bis zur höchsten Drehzahl klein zu halten.
Nach den der Erfindung zugrundeliegenden Überlegungen wird das Vernältnis von Breite
zu Dicke der ringförmigen Gummidichtung erhöht mit dem Ergebnis, daß die ringförmige
Gummidichtung in zufriedenstellender Weise Bewegungen der Welle folgen kann. Auch
wenn sich die Welle, gegen die abgedichtet wird,
mit nur kleinem
Spalt gegenüber der ringförmigen Gummidichtung dreht, besteht doch nur sehr geringe
Gefahr, daß die Gummidichtung berührt wird und abnützt.
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Zusammenfassend wird also eine Vorrichtung zum Heraus leiten von Kühlflüssigkeit
aus dem flüssigkeitsgekühlten Rotor einer elektrischen Maschine geschaffen, deren
Dichteinrichtung den Leckaustritt von Kühlflüssigkeit aus einer Auslaßkammer, in
die die Kühlflüssigkeit aus der elektrischen Maschine hinein abgegeben wird, verhindert.
Die Dichteinrichtung besteht aus einer Kombination einer Schraubengangdichtung und
einer Gummidichtung. Die Gummidichtung ist so beschaffen, daß sie ein Kühlflüssigkeitszu-
und -ableitrohr umschließt, und daß sie durch den Druck eines ins Innere der Gummidichtung
eingeführten Gases derart ausgedehnt oder zusammengezogen werden kann, daß der Spalt
zwischen der Gummidichtung und dem Rohrkörper den Bedürfnissen angepaßt ist. Der
Gasdruck wird entsprechend der Drehzahl der Rotorwelle oder der Menge der austretenden
Leckflüssigkeit gesteuert.
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