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Einrichtung zur Kühlung elektrischer Maschinen Bei elektrischen Maschinen
großer Leistung, insbesondere solchen mit gezahnten Läufern, bestehen bekanntlich
Schwierigkeiten, den Läufer genügend zu belüften. Durch die Raumbeschränkung für
die Anordnung von Kühlkanälen genügender Weite im Läuferkörper einerseits sowie
durch die gegebene Drehzahl und Auslegung der Stirnventilatoren andererseits ist
es ohne weiteres nicht möglich, die durch die Kühlkanäle des Läufers je Zeiteinheit
geförderte Luftmenge über ein bestimmtes Maß hinaus zu steigern, welches im allgemeinen
die zulässige Grenzleistung der Maschine bestimmt, während die Wärmeabfuhr aus dem
Ständer so reichlich ist, daß ihrethalben der Maschine noch eine weit höhere Leistungsabgabe
zugemutet werden könnte. Gelingt es also, bei gleichbleibender Größenauslegung der
Maschine eine stärkere Durchlüftung des Läufers zu erzielen, so ist damit auch die
Voraussetzung für eine zulässige stärkere Belastung der Maschine gegeben.
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Nun ist es eine bekannte Erscheinung, daß unter gewisser Voraussetzung
der Läuferkörper hoher Drehzahl selbst wesentlich zur Förderung der Luft beiträgt.
Dies ist z. B. der Fall, wenn die der Luftführung dienenden Kanäle eines zylindrischen
Läufers am Umfang Austrittsöffnungen besitzen. Dann wird die Luft dort am äußeren
Umfang abgeschleudert und ihr Austrittsdruck ist bestimmt durch die Umfangsgeschwindigkeit
der Austrittsstelle und den Druckabfall, den die Luft bis hierher durch den Widerstand
in den Längskanälen erfahren hat. Dieser Druckabfall kann unter Umständen so groß
sein, daß die Luft in axialer Richtung nicht bis zu den Austrittsöffnungen in der
Mitte der Läuferlänge gelangt, wodurch der Austrittsdruck hier vermindert und nur
eine ungenügende Luftmenge durch die Kühlkanäle gefördert
wird.
Da aber der Läuferdurchinesser eindeutig festgelegt ist, besteht bei zylindrischen
Läufern keine Möglichkeit; durch Drucksteigerung an den Austrittsöffnungen die durch
die Luftwege des Läufers geförderte Luftmenge zu erhöhen.
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Es sind auch Kühleinrichtungen bekannt, bei denen die axialen Luftkanäle
des Läufers auf seiner ganzen Länge am äußeren Umfang geschlossen sind, so daß die
Kühlluft den zylindrischen Läufer von einem Ende zum anderen durchströmt. Da aber
in solchen Fällen aus der Umfangsgeschwindigkeit des Läufers keine die Axialförderung
der Luft durch die Längskanäle begünstigende Radialkomponente zur Wirkung kommen
kann, ist der umlaufende Läuferkörper selbst an der Luftförderung nicht beteiligt,
und die axiale Bewegung der Luft geschieht ausschließlich durch die Ventilatoren,
von denen derjenige am Lufteintrittsende der Maschine drückend, derjenige am Luftaustrittsende
der Maschine saugend arbeiten muß. Man erkennt, daß hierbei ebensowenig günstigere
Kühlungsverhältnisse des Läufers erreichbar sind.
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Indessen wurde auch bei einer bekannten Kühleinrichtung für Läufer
elektrischer Maschinen vorgeschlagen, das Kühlmittel durch die nur an beiden Enden
offenen Belüftungskanäle hindurch mit Hilfe des umlaufenden Läufers selbst zu fördern,
indem man die Kühlmittelkanäle im Innern des Läuferkörpers mit dessen Drehachse
nicht gleichgerichtet, sondern divergierend, z. B. schraubenlinienartig, angeordnet
hat. Bei Läufern von Turbogeneratoren, bei denen die Kühlkanäle dicht an der Wicklung
entlang oder in den Zähnen, also nahe am Läuferumfang liegen, ist es jedoch ohne
weiteres nicht möglich, im Sinne jenes Vorschlages die Kanäle schraubenförmig durch
den Läuferkörper zu führen oder eine andere ausreichende Divergenz von der Achsrichtung
durch eine schräge Lage der Längskanäle im Läuferkörper zu gewinnen.
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Erfindungsgemäß wird bei Turbogeneratoren die Förderung des Kühlmittels
durch den Läufer hindurch vermöge einer in der Strömungsrichtung des Kühlmittels
ebenfalls divergierenden Lage der gegen den äußeren Umfang des Läuferkörpers abgeschlossenen
Längskanäle zusätzlich oder ausschließlich dadurch erreicht, daß der Läuferkörper
entsprechend der Divergenz seiner Längskanäle kegelförmig gestaltet ist. Die kegelförmige
bzw. konische Ausgestaltung von Läuferkörpern elektrischer Maschinen ist zwar an
sich bekannt, jedoch nicht für den hier bei Turbogeneratoren in Betracht kommenden
Kühlzweck, sondern zur Ausnutzung axialer Schubkräfte oder relativer Bewegungen
zwischen Läufer- und Ständerkörper, die im vorliegenden Fall gänzlich unerwünscht
sind und deshalb sogar durch geeignete Mittel, z. B. Bunde der Welle an den Lagern,
vermieden oder durch den Axialschub des Läufers der Antriebsmaschine ganz oder teilweise
ausgeglichen werden sollen.
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Die Zeichnung läßt die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erkennen.
Die in den Zähnen oder entlang der-Wicklung des Läufers für den Turbogenerator verlaufenden
Längskanäle c sind nicht parallel zur Drehachse, sondern zufolge der entsprechend
der Erfindung kegelförmigen Gestaltung des Läuferkörpers bzw. der Neigung seines
Kegelmantels zur Drehachse in Richtung vom einen zum anderen Läuferende ansteigend
durch den Läuferkörper geführt. Durch die im Zuge der Längskanäle zunehmende Umfangsgeschwindigkeit
entsteht in bekannter Weise eine radiale Förderkomponente für die Kühlluft in den
Längskanälen, wodurch der Läuferkörper selbst als Axialventilator arbeitet und den
Austrittsdruck der Kühlluft an den Enden der Kanäle erhöht. Dadurch wird in an sich
bekannter Weise die je Zeiteinheit durch die Längskanäle strömende Luftmenge gesteigert
und das Ziel erreicht, auf das es hier ankommt, nämlich den Läufer von Turbogeneratoren
intensiver als bisher zu durchlüften und so die Leistungsgrenze des Generators zu
steigern. Der Austrittsdruck richtet sich neben dem durch die Länge des Läufers
bedingten Druckabfall in den Längskanälen ganz besonders nach der Steigung der letzteren,
da der Druck im Verhältnis zur anwachsenden Umfangsgeschwindigkeit um ein Vielfaches
ansteigt, so daß unter Umständen der Druck der ausströmenden Luft höher sein kann
als der an der Eintrittsseite.
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Unter solchen Verhältnissen ist es auch möglich, wie das dargestellte
Ausführungsbeispiel in Fig. i zeigt, die von dein als Ventilator wirkenden Läuferkörper
geförderte Luftmenge von selbst nach dem Verlassen des Läufers auf der Rücklaufbahn
durch die Kühlwege des Ständers und den Luftspalt zu treiben, also in an sich bekannter
Weise in Hintereinanderschaltung Ständer und Läufer zu belüften, so daß der Eintrittstutzen
für die Kaltluft und der Austrittstutzen für die Warmluft in derselben Stirnhaube
liegen. Von den beiden an den. Enden angeordneten Ventilatoren dient der rechte
Radialventilator zur Umlenkung der vorn Läufer kommenden Kühlluft sowie zur weiteren
Erhöhung ihrer Geschwindigkeit und der linke saugende Axialventilator zur Unterstützung
der Förderung der Kühlluft. Erforderlichenfalls kann man entsprechend Fig. 2 neben
dem Radialventilator an der Luftaustrittseite des Läufers in bekannter Weise einen
zweiten Radialventilator
vorsehen, der unmittelbar vom Rückkühler
durch einen besonderen Ansaugestutzen zugeführte Kaltluft zusätzlich in den Stirnraum
dieses Maschinenendes drückt.
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Der Zweck, die Längskanäle ansteigend durch den Läufer zu führen,
läßt sich mit solchen Kegelabmessungen des Läufers erreichen, die gegenüber einem
Generator gleicher Leistung mit zylindrischem Läufer das gleiche oder annähernd
das gleiche Volumen des wirksamen Ständer- und Läufereisens ergeben, so daß die
äußeren Dimensionen der Maschine deshalb nicht größer werden. Man wird also bei
dem kegelförmigen Läufer im Vergleich mit einem zylindrischen Läuferkörper von gegebenem
Durchmesser den kleinen Durchmesser des Kegels kleiner und den großen größer als
den Durchmesser jenes zylindrischen Läuferkörpers wählen.