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Verfahren zum Kühlen axial gerichteter, in die Nuten des Blechpaketes
des Läufers und/oder Ständers einer vollständig geschlossenen dynamoelektrischen
Maschine eingesetzter Leiter Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen axial
gerichteter, in die Nuten des Blechpaketes des Läufers und/oder Ständers einer vollständig
geschlossenen dynamoelektrischen Maschine eingesetzter Leiter mit einem Leichtgas,
bei welchem in den Kernnuten längs verlaufende, zum Kühlen der in den Nutenteilen
liegenden Leiter dienende Kanüle zur Anwendung kommen, und besteht im wesentlichen
darin, daß hierbei durch die Kanäle, eintretend in ihre Einlaß- und abströmend aus
ihren Auslaßstellen, je Minute und je Kilowatt aufgenommener Wärme wenigstens 7001
Kühlgas hindurchgeleitet werden, wobei das zwischen den beiden Stellen erforderliche
Druckgefälle durch ein Hochdruckgebläse erzeugt wird, das, wenn es bei atmosphärischem
Druck Wasserstoffgas fördert, einen Druck von wenigstens 200 mm Wassersäule liefert.
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Welche Bedeutung dem erfindungsgemäßen Kühlverfahren zukommt, auf
welche Überlegungen es sich gründet und welches demgegenüber die bisherigen Anschauungen
waren, nach denen in der Fachwelt das in Rede stehende Kühlproblem beurteilt wurde,
ist im folgenden näher dargelegt.
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Die höchste Leitung einer dynamoelektrischen Maschine, z. B. eines
mit Wasserstoff gekühlten Turbogenerators, wird durch die Kühlung der Maschine,
insbesondere durch die Kühlung des Läufers, begrenzt. Die Erfindung verwendet neuartige
und verbesserte Lüftungen, um die Kühlung der Maschine zu erhöhen. so daß entweder
die Leistung der Maschine steigt oder - bei vorgeschriebener Leistungdie Größe der
Maschine wesentlich vermindert werden kann.
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Die mit Wasserstoff gekühlten bekannten dynamoelektrischen Maschinen,
wie Turbogeneratoren, besitzen Schaufelräder, die mit Wasserstoff üblicher Reinheit
ein höchstes Druckgefälle von 50 bis 65 mm Wassersäule entwickeln und etwa 22501
je Minute ie kW von dem Wasserstoff aufgenommener Wärme durch die Maschine hindurchdrücken,
um die Temperaturerhöhung der Stromleiter unterhalb einer bestimmten Höchstgrenze
zu halten.
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Die axialen Kanäle, die den Wasserstoff in unmittelbare Berührung
mit den Stromleitern bringen, besitzen notwendigerweise eine kleine Querschnittsfläche
und große Länge. Dem Lüftungsgas setzen diese Kanäle daher einen großen Widerstand
entgegen. Die zum Umlauf des Wasserstoffs in dynamoelektrischen Maschinen bisher
verwendeten Schaufelflügel konnten den Wasserstoff nicht so schnell durch diese
axialen Kanäle hindurchdrücken, daß die Temperaturerhöhung des Wasserstoffs unter
einer bestimmten Höchstgrenze verblieb, und die Leistung des mit diesen Kanälen
ausgerüsteten Turbogenerators konnte daher bei Verwendung derartiger Schaufelflügel
nicht erhöht werden. Diese Höchsttemperatur, unterhalb der das in den axialen Kanälen
strömende Gas gehalten werden muß, beträgt nach den Richtlinien des »American Institute
of Electrical Engineers« etwa 95° C weniger der Temperaturdifferenz zwischen dem
Kupfer und dem kühlenden Gas. Die höchste Temperaturerhöhung würde also 75° C betragen,
wenn das Temperaturgefälle vorn Gas zum Kupfer 20° C beträgt. Der Gasbedarf würde
dann 7001 je Minute je kW von dem Gas aufgenommener Wärme sein. Beträgt der absolute
Druck 1 Atmosphäre, so gibt diese Menge an Wasserstoff oder Luft eine Temperaturerhöhung
des Gases von 75° C.
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Sobald der Gasstrom etwa 7001 je Minute je kW der in den Läuferkanälen
erzeugten Wärme erreicht, wird ein Schwellenwert überschritten, und die zulässige
Erzeugung der Läuferwärme kann ungefähr entsprechend dem Gasstrom erhöht werden.
Für einen unterhalb dieses Schwellenwertes liegenden Gasstrom würde die Gastemperaturerhöhung
an einer Stelle, an der das Gas aus dem Läufer abströmt, so hoch sein, daß die zulässige
Temperatur überschritten würde.
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Um nun den notwendigen Durchfluß von Kühlgas durch eine dynamoelektrische
Maschine, z. B. den erfindungsgemäßen, mit Wasserstoff gekühlten Turbogenerator,
zu
erhalten, sind sehr hohe Gasdruckgefälle erforderlich. Wird Luft als Kühlgas verwendet,
so ist der erforderliche Druckunterschied wenigstens achtmal so groß wie der bisher
entwickelte Druckunterschied. Wird Wasserstoff als Kühlgas verwendet, so muß der
erforderliche Druckunterschied von dem früher für gewöhnlich entwickelten höchsten
Druckunterschied von 50 bis 60 mm Wassersäule auf einen Druckunterschied von wenigstens
200 mm Wassersäule erhöht werden. Die Leistungsfähigkeit dieser Maschine kann also
dadurch erhöht werden, daß an Stelle der bisher üblichen Mindestmenge von 2250l
je Minute Kühlgas mit einem oberhalb des Schwellenwertes von 7001 je Minute durch
die Maschine strömenden Kühlgas gearbeitet wird.
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In der Zeichnung ist Fig. 1 ein Längsschnitt in teilweiser Ansicht
einer erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine, Fig. 2 ein um 90° gedrehter
Querschnitt nach Linie II-II der Fig. 1, wobei eine Gruppe von Statorblechen teilweise
weggebrochen ist, um die angrenzenden radialen Lüftungskanäle des Stators zu zeigen;
Fig. 3, 4 und 5 sind Querschnitte nach den Linien III-III, IV-IV und V-V der Fig.
1 von Leitern, die durch Nutenkeile in den Nuten des Läuferkernes der Maschine gesichert
sind; Fig. 6 ist eine Draufsicht eines für den Läufer bestimmten Nutenkeils, der
im Mittelteil des Läufers verwendet wird; Fig. 7 ist eine schaubildliche Ansicht
eines Teils der schematisch dargestellten Lüftungsanlage der in Fig. 1 Bargestellen
Maschine; Fig. 8 ist ein Schnitt durch einen Teil des in Fig. 2 gezeigten Statorkernes
mit einer Luftspaltabdeckung; Fig. 9 ist eine Draufsicht auf einen Teil der in den
Fig. 2 und 8 dargestellten Luftspaltabdeckung; Fig. 10 ist ein Querschnitt eines
Teils einer abgeänderten Kernwicklung, die in einer Läufernut liegt und aus Leitern
besteht, von denen jeder Leiter mehrere in Längsrichtung verlaufende Lüftungskanäle
aufweist; Fig. 11 ist eine Draufsicht auf eine Stirnverbindung oder einen Wickelkopf
der in Fig.10 dargestellten Wicklung; Fig. 12 ist eine Stirnansicht der Stirnverbindung
nach Fig. 11; Fig. 13 ist eine Draufsicht auf einen Teil eines gelochten Nutenkeiles,
der bei den in Fig. 10 dargestellten Leitern benutzt wird; Fig. 14, 15 und 16 sind
Querschnitte anderer Ausführungsformen von Nutenwicklungen; Fig. 17 ist eine Draufsicht
auf eine andere Ausführungsform einer gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine;
Fig. 18 ist ein Schnitt durch einen Teil der in Fig. 17 gezeigten Maschine; Fig.
19 ist ein Schnitt durch einen Teil der in Fig. 17 gezeigten Maschine mit einer
abgeänderten Gebläseanordnung; Fig. 20 ist ein Querschnitt nach Linie XX-XX der
Fig. 18 durch eine Nut der Statorwicklung, und Fig. 21 ist eine Ansicht einer Stirnverbindung,
wie sie in der Statorwicklung der in Fig. 18 dargestellten Maschine verwendet wird.
Die vollkommen eingekapselte dynamoelektrische Maschine, z. B. der in Fig. 1 dargestellte
Turbogenerator, besteht aus einem umlaufenden Feld oder einem Läufer, der auf einer
umlaufenden Welle 25 befestigt ist oder mit dieser Welle aus einem Stück besteht.
Die Welle 25 ist in zweckentsprechenden Lagern (nicht dargestellt) gelagert. Der
Läufer besitzt einen genuteten magnetischen Kern mit einer Feldwicklung. Die Lager
tragen den Läuferkern 26 axial gleichlaufend mit einem Stator, wobei zwischen Stator
und Läufer ein Luftspalt vorhanden ist.
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Der Stator oder Ständer ist von üblicher Form und besitzt eine Ankerwicklung
29, die von einem genuteten, aus Lamellen bestehenden magnetischen Kern 30 getragen
wird, der in einem feststehenden Aufbau sitzt.
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Der feststehende Aufbau enthält ein Zylindergehäuse 31, das den Statorkern
30 mittels eines zylindrischen Rahmens 32 trägt, der von dem Gehäuse 31 im Abstand
steht. Ringförmige Stirnplatten 33 sichern die Stirnseiten des Rahmens und des Gehäuses.
An den Stirnplatten 33 sind abnehmbare Stirnwände 34 befestigt, deren Mittelabschnitte
mit Wellendichtungen versehen sind. Die Stirnwände 34, die Ringplatten 33 und das
Gehäuse 31 bilden zusammengesetzt eine geschlossene Ummantelung für die Maschine.
Das Gehäuse wird für gewöhnlich mit einem zur Kühlung dienenden Gas, z. B. Wasserstoff
oder anderen leichten Gasen, gefüllt, jedoch kann hilfsweise auch Luft als Lüftungsgas
verwendet werden. Das Gas kann einen mittleren Druck haben, der gleich dem Außenluftdruck
ist, kann aber auch irgendeinen anderen Druckwert besitzen, z. B. 5 atü. Der Rahmen
32 besteht aus radial stehenden geschlitzten Tragplatten 36, die an der nach innen
zu liegenden Fläche des Rahmens befestigt sind und Längsschienen 37 tragen, auf
denen die Statorbleche sitzen. Die Bleche werden durch Klammern 38 in ihrer Stellung
gehalten. An den Endteilen des Rahmens sind zwischen den Stirnplatten und dem Statorkern
Prallwände 39 von tellerförmigem Querschnitt vorgesehen, die sich nach einwärts
zur Läuferwelle hin erstrecken, während ihre Mittelabschnitte axial einwärts gebogen
sind, um Gehäuse für die auf der Läuferwelle sitzenden Schaufelräder 40, 41 zu bilden.
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Der Rahmen besitzt Längskanäle 43, die in in den Tragplatten 36 vorgesehenen
Öffnungen eingesetzt sind und in diesen Platten getragen werden. Die Innenkanten
der Kanäle sind an den Längsschienen 37 befestigt. Die Kanäle 43 sind an ihren Stirnseiten
offen, so daß sie mit den zwischen den Prallwänden 39 und dem Statorkern befindlichen
Räumen durch Ausschnitte der Klammern 38 in Verbindung stehen. Die Kanäle 43 sind
auch an ihrer radial einwärts gelegenen Seite offen, um die Verbindung mit den in
Fig. 1 dargestellten radialen Lüftungsschlitzen 44, 45 herzustellen, wie aus Fig.
2 ersichtlich.
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Die Statorlamellen sind in Gruppen angeordnet, wobei zwischen den
Gruppen radiale Lüftungsschlitze 44, 45 vorgesehen sind. jeder Schlitz erstreckt
sich von dem Außenumfang des Kernes 30 zum Luftspalt hin und ist in Einlaßschlitze
46 und Auslaßschlitze 47 durch Abstandsstücke 48, 49 unterteilt, die an Bern angrenzenden
Blech befestigt sind. Die Einlaßschlitze 46 verbinden die Kanäle 43 mit dem Luftspalt,
während die Auslaßschlitze 47 den Luftspalt mit dem Raum verbinden, der zwischen
den angrenzenden Kanälen und dem Rahmen 32 vorhanden ist. Die Abstandsstücke 48
aller zweiten Lüftungsschlitze 44 sind mit Bezug auf eine radiale Linie in der einen
Richtung geneigt, während die Abstandsstücke aller anderen Lüftungsschlitze 45 in
entgegengesetzter Richtung geneigt sind. Dadurch wird eine spiralförmige Anordnung
der Abstandsstücke geschaffen, wobei die Spiralen in benachbarten radialen Lüftungsschlitzen
44, 45 in umgekehrter Richtung verlaufen,
so daß eine gleichmäßige
Kühlung um den Umfang des Statorkernes herum erfolgt.
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Das aus den Auslaßschlitzen 47 abströmende Lüftungsgas strömt in Umfangsrichtung
des Statorkernes zwischen dem Statorkern 30, den Kanälen 43 und dem Rahmen 32 hindurch
und strömt durch Längsreihen von Öffnungen 51 (Fig. 2) in den Rahmen 32 zu dem zwischen
dem Rahmen 32 und dem Gehäuse 31 liegenden Raum.
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Die in dem umlaufenden Lüftungsgas vorhandene Wärme wird durch übliche
Kühler 53,54 aufgenommen, die in Längsrichtung in den zwischen dem Gehäuse 31 und
dem Rahmen 32 liegenden Raum in der Bahn des umlaufenden Lüftungsgases liegen. Es
können vier Kühler von zwei Kühleinheiten 53, 54 verwendet werden, die an gegenüberliegenden
Seiten der Maschine aufgestellt sind, wobei eine Reihe von Öffnungen 51 in dem Zylinderrahmen
vorgesehen ist, die in den Raum führen, der zwischen den Kühlern 53.54 jedes Paares
sich befindet. Jede Kühlereinheit besteht aus mehreren längs gerichteten Rohren,
deren Enden in einem Kopfstück befestigt sind, das an den Stirnringen sitzt, um
ein Durchsickern von Gas aus der Maschine zu verhüten.
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Das Kühlen des Statorkernes beim Umlauf der Maschine erfolgt durch
die Schaufelräder 40, 41, die an gegenüberliegenden Enden des Läuferkernes auf der
Läuferwelle sitzen. Jedes Schaufelrad 40, 41 drückt das Lüftungsgas über die Stirnverbindungen
oder Wickelköpfe der Statorwicklung 29 in die Längskanäle 43 zum Umfang des Statorkernes,
dann radial einwärts durch die Einlaßschlitze 46 zum Luftspalt, dann entweder in
Umfangsrichtung oder axial zu den Auslaßschlitzen 47, dann durch diese Auslaßschlitze
47 radial nach auswärts und durch die Rahmenöffnungen 51 hindurch in den Raum, der
zwischen dem Gehäuse 31 und dem Rahmen 32 und zwischen zwei Kühlern 53, 54 sich
befindet. Das zwischen den Kühlern befindliche Lüftungsgas teilt sich und strömt
in entgegengesetzten Richtungen durch die Kühler 53, 54 hindurch. Das Lüftungsgas
teilt sich dann wieder, um in Axialrichtung den beiden Enden des Gehäuses zu und
dann radial einwärts durch die in dem Rahmen 32 befindlichen Öffnungen 57, 58 hindurch
in die Räume zu strömen, die zwischen den Stirnplatten 34 und den Prallplatten 39
liegen. Von hier strömt das Gas den Schaufelrädern 40, 41 zu, durch die es wieder
durch die Maschine hindurchgeführt wird.
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Um die Leistung der Läuferlüftung zu erhöhen, sind die in den Nuten
des Läuferkernes 26 befindlichen Läuferwicklungen 27 so ausgebildet und angeordnet,
daß sie axiale Lüftungskanäle darstellen, so daß das durch die Kanäle hindurchströmende
Lüftungsgas in unmittelbare Berührung mit dem Metall der Wicklungsleiter gebracht
wird. Die Stirnverbindungen oder Wickelköpfe 61 der Leiter 60 der axialen Läuferwicklungen
27 werden an jedem Stirnende durch einen Haltering 62 und eine Stirnplatte 63 festgehalten,
die gemeinsam mit der Welle 25 und der Stirnseite des Kernes umschlossene Räume
64, 65 begrenzen, in denen die Wickelköpfe 61 liegen. Wie später erläutert wird,
wird unter hohem Druck stehendes Lüftungsgas diesen umschlossenen Räumen 64, 65
zugeführt.
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Die Anordnung der Leiter 60 innerhalb der Läufernuten ist aus den
Fig. 3 bis 5 ersichtlich. Die Leiter liegen isoliert übereinander innerhalb der
geradwandigen Nuten. Jeder Leiter hat einen ungefähr trapezförmigen Querschnitt.
Die in jeder Nut liegenden benachbarten Leiter liegen umgekehrt, so daß die benachbarten
Leiter eines Paares mit den isolierten Wänden der Nut in Längsrichtung des Läuferkernes
erstreckende glattflächige axiale Lüftungskanäle 66 an gegenüberliegenden Seiten
der Nut begrenzen. Diese Kanäle münden an den Enden der Nuten in die umschlossenen
Räume 64, 65.
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Radiale Lüftungsschlitze 67 verbinden die axialen Lüftungskanäle 66
mit dem Luftspalt der Maschine. Die radialen Schlitze liegen zwischen den Stirnenden
der Läuferleiter und können über die ganze Länge des Kernes im Abstand voneinander
stehen oder, wie Fig. 1 zeigt, nur im Mittelabschnitt des Kernes vorgesehen sein.
Die radialen Schlitze 67 erstrecken sich durch die Seitenabschnitte der Leiter und
der Nutenkeile 68 hindurch. Außerdem sind diese Schlitze 67 auf gegenüberliegenden
Seiten der Nuten gestaffelt angeordnet.
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Das unter Druck stehende Lüftungsgas kann dem Läufer durch eine Hochdruckvorrichtung
zugeführt werden, beispielsweise durch das einen großen Durchmesser aufweisende
zweistufige Schleudergebläse 70, das an dem einen Ende der Maschine zwischen der
Stirnplatte 34 und dem Schaufelrad 40 auf der Welle 25 sitzt. Das Gebläse 70 besteht
aus dem Flügelrad 71 der ersten Druckstufe und dem Flügelrad 72 der zweiten Druckstufe
und außerdem aus damit zusammenarbeitenden feststehenden ringförmigen Verteilern
73, 74, wobei eine Rückleitung 75 von dem ersten Verteiler zum Einlaß des zweiten
Flügelrades 72 führt. Der Einlaß des ersten Flügelrades 71 liegt in der Mitte längs
der Welle 25 und neben dem Schaufelrad 40. Das aus dem Gebläse abströmende Liiftungsgas
verläßt den zweiten Verteiler 74 und wird durch eine geeignete Leitungseinrichtung
den an gegenüberliegenden Stirnenden der Maschine befindlichen Druckkammern 77,
78 zugeführt.
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Wie Fig. 7 zeigt, kann diese Leitungseinrichtung aus einem spiralförmigen
oder volutenförmigen Gehäuse 79 mit allmählich zunehmendem Querschnitt bestehen,
das an der einen Seite offen ist, um das Lüftungsgas aufzunehmen, das von dem zweiten
Verteiler 74 her durch den Ringraum 80 strömt. Der schmalste Abschnitt und der breiteste
Abschnitt des Gehäuses 79 sind durch Platten geschlossen, die durch einen Spalt
82 voneinander getrennt sind. Eine radial liegende Platte reicht über den Spalt
82 an der radial liegenden Außenwand des Gehäuses 79 weg, um denjenigen Abschnitt
des Ringraumes 80 zu schließen, der den Spalt überbrückt. Das Gehäuse 79 ist an
seinem breitesten Abschnitt mit einem radialen Ansatzrohr 81 versehen, das in einen
zwischen dem Rahmen 32 und dem Gehäuse 31 liegenden Stirnraum mündet. Dieser Raum
wird umschlossen durch das Gehäuse 31. den Rahmen 32, die Ringplatte 33, die Längsplatten
83, 84, 85 und durch ringförmige Plattensegmente 86, 87. Die Plattensegmente 86
haben Öffnungen, durch die die Kühler 53, 54 hindurchgreifen. Jeder Kühler besitzt
eine Sicherungsplatte 88; die sich gegen das Plattensegment 86 legt, um ein axiales
Durchströmen des Lüftungsgases zwischen den eingeschlossenen Endabschnitten und
den Hauptabschnitten der Kühler ziz verhindern. Dieser Endraum ist mit einem Kanal
90 verbunden, der in Längsrichtung zwischen dem Gehäuse 31 und dem Rahmen 32 liegt
und sich über die ganze Länge der Maschine zwischen den Stirnwänden 33 erstreckt.
An dem Gebläseende des Gehäuses ist ein Abzugskanal 91 mit dem Kanal 90 verbunden
und führt radial nach einwärts durch das Gehäuse 79 hindurch zur Druckkammer 77,
die vor, der Stirnplatte 34 und dem Gebläse 70 eingeschlossen ist. In gleicher Weise
liegt eine Druck
kammer 78 am anderen Ende der Maschine und wird
zwischen einer Prallwand 94 und der Stirnplatte 34 gebildet. Ein Abzugskanal
92 verbindet das angrenzende Ende des Kanals 90 mit der Druckkammer 78.
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Die Verbindungseinrichtung zur Verbindung der in dem Läufer vorhandenen
Lüftungskanäle 66 mit den Druckkammern 77,78 besteht aus in der Welle 25
vorgesehenen axialen Kanälen, die durch Nuten 93 gebildet werden, die an beiden
Enden der Maschine in der Welle vorgesehen sind. An einem Ende der Welle werden
die Nuten 93 von dem Lager für das Gebläse 70 und von dem Schaufelrad 40 umschlossen,
so daß die durch diese Nuten 93 gebildeten Kanäle nur in die Druckkammer 77 und
in den die Wickelköpfe enthaltenden Raum 64 münden. Am anderen Ende der Welle werden
die Nuten 93 von dem Lager für das Schaufelrad 41 umschlossen, so daß die durch
diese Nuten 93 gebildeten Kanäle nur in die Druckkammer 78 und in den die Wickelköpfe
enthaltenden Raum 65 münden.
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Beim Betrieb des Turbogenerators saugt das Gebläse 70 das Lüftungsgas
aus den Kühlern durch die Öffnungen 57, durch die das Lüftungsgas ebenfalls von
dem Schaufelrad 40 abgesaugt wird. Eine ringförmige Prallplatte 95 kann in der Nähe
der Prallwand 39 befestigt und in den zwischen dem Gebläse 70 und der Prallwand
39 befindlichen Raum radial angeordnet sein, um- zu verhüten, daß ein durch das
Gebläse erzeugter Saugzug den Fluß des Lüftungsgases zum Schaufelrad 40 hin stört,
und um ferner zu ermöglichen, daß das Lüftungsgas in entgegengesetzten Richtungen
durch das Schaufelrad 40 und das Gebläse 70 strömt. Das Lüftungsgas tritt in den
Einlaß des ersten Flügelrades 71 ein und wird dadurch in den Verteiler 73 gedrückt.
Vom Verteiler 73 strömt das Lüftungsgas durch die Rückleitung 75 zum Einlaß des
zweiten Flügelrades 72, das das Gas in den Verteiler 74 drückt. Vom Verteiler 74
strömt das Lüftungsgas durch den Ringraum 80 in das Spiralgehäuse 79, das zum Raum
80 hin offen ist, dann durch das Gehäuse 79 und das radiale Ansatzrohr 81 in den
Stirnraum, der die Endabschnitte zweier Kühler 53,54 enthält, dann in Umfangsrichtung
längs der ringförmigen Plattensegmente 86, 87 durch diese beiden Kühlerabschnitte
hindurch, die einen wesentlichen Teil der in dem Lüftungsgas enthaltenden Wärme
aufnehmen, und zwar die Wärme, um die das Lüftungsgas durch das in dem Gebläse stattfindende
Verdichten erhöht wurde. Aus den Endabschnitten der Kühler strömt dann das Lüftungsgas
nach den Einlässen zu den Kanälen 90 und 91, wo sich das Lüftungsgas in zwei Teilströme
unterteilt. Der eine Teilstrom des Lüftungsgases strömt radial einwärts durch den
Abzugskanal 91 zu der an dem einen Ende der Maschine gelegenen Druckkammer 77. Der
andere Teilstrom des Lüftungsgases strömt in Längsrichtung der Maschine durch den
Kanal 90 und dann durch den Abzugskanal 92 radial einwärts zu der am anderen Ende
der Maschine gelegenen Lüftungsdruckkammer 78 Das in den Druckkammern 77, 78 befindliche
Lüftungsgas hat einen verhältnismäßig hohen Druck gegenüber dem Druck des Lüftungsgases,
das dem Stator durch die Schaufelräder 40, 41 zugeführt wird. Das zum Kühlen der
Läuferleiter 60 dienende Gebläse 70 entwickelt das Fünffache des normalen Druckes,
der durch die zum Kühlen des Statorkernes dienenden Schaufelräder 40,41 erzeugt
wird. Wird Wasserstoff als Lüftungsgas verwendet, so entwickelt das Gebläse 70 ein
Druckgefälle von ungefähr 380 mm Wassersäule. Wird Luft als Lüftungsgas verwendet,
so verdichtet das Gebläse 70 die Luft auf etwa 1,3 ata oder auf ein Druckgefälle
von über 1/3 Atmosphäre.
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Unter einem solchen verhältnismäßig hohen Druck strömt das Lüftungsgas
aus den Druckkammern 77,78 axial durch die Wellennuten 93 in die umschlossenen Räume
64, 65, wo die Stirnverbindungen der Läuferwicklungen liegen, dann in die Einläse
der axialen Kanäle 66, die neben den Läuferleitern liegen, wobei das Gas mit sehr
hohen Geschwindigkeiten längs der Leiter und in unmittelbarer Berührung damit fließt,
und dann radial durch die radialen Läuferschlitze 67 zu den Ausströmstellen der
Schlitze in den Luftspalt der Maschine hinein. Das aus dem Läufer abströmende Lüftungsgas
strömt radial durch die Lüftungsschlitze 44, 45, die sich radial durch den Statorkern
erstrecken. Die Schaufelräder 40.41 können mit dem Gebläse 70 zusammenarbeiten,
um das den Läufer kühlende Lüftungsgas zusammen mit dem den Stator kühlenden Lüftungsgas
durch die in den Statorkern vorhandenen Lüftungsschlitze 44, 45 zu drücken. Die
Menge des durch den Läufer strömenden Lüftungsgases beträgt wenigstens 7001 je Minute
je kW zu entfernender Wärme, und die Temperaturerhöhung des Lüftungsgases beträgt
nicht mehr als 75° C. Wird Wasserstoff als Lüftungsgas verwendet, so muß das Gebläse
den Wasserstoff mit einem Druckgefälle von wenigstens 200 mm Wassersäule zwischen
den Einlässen und den Auslässen der Läuferkanäle zuführen. Die durch das Gebläse
70 entwickelten tatsächlichen Drücke erhöhen jedoch die Menge des Gasstromes und
lassen eine proportionale Erhöhung der aufzunehmenden kW zu.
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Das aus dem Rotor abströmende heiße Lüftungsgas kann eine Erwärmung
der Statorspulen verursachen und kann dem Fluß des Lüftungsgases durch die Statoreinlaßschlitze
46 zum Luftspalt entgegenwirken. Damit dieses aus dem Läufer stammende Lüftungsgas
keine merkbare Erwärmung der Statorspulen verursacht und dem radial nach einwärts
fließenden, aus dem Stator austretenden Lüftungsgas nicht entgegenwirkt, besonders
wenn das den Läufer verlassende Lüftungsgas nur auf einem kleinen Abschnitt des
Läufers austritt, kann eine koaxiale Abdeckung 96 im Abstand zu der inneren Umfangsfläche
des Statorkernes 30 vorgesehen sein, wie die Fig. 2, 8 und 9 zeigen. Diese Abdeckung
erstreckt sich über die Ausströmfläche des Läufers hinaus, wie Fig. 1 zeigt. Die
koaxiale Abdeckung 96 besteht aus Brücken 97, die aus beliebigem geeignetem Material
hergestellt werden können, z. B. aus geschichtetem Kunststoff. Die Brücken 97 werden
durch die angrenzenden Nutenkeile 98 des Stators getragen, die zu diesem Zweck entsprechend
geformt sind. Jede Brücke 97 besitzt eine in ihrer Mitte gelegene Längsrippe 99,
die an einen der Statorzähne anstößt. Längs der Abdeckung des Statorkernes strömt
das aus dem Stator kommende Lüftungsgas in die Einlaßschlitze 46 zum Luftspalt;
strömt dann nur axial in den zwischen den Brücken 97 und den Statorzähnen liegenden
Räumen zu einem in der Nähe liegenden Auslaßschlitz 47. Die Brücken sind mit Bohrungen
100 versehen, die nur mit den Auslaßschlitzen 47 in Ausrichtung liegen. Die Bohrurgen
100 liegen neben der Rippe 99 längs der führenden Seite derselben, gesehen in Drehrichtung
des Läufers, so daß die von dem Läufer ausströmenden heißen Lüftungsgase nicht auf
die Spulenseiten, sondern auf die Rippe 99 auftreffen und durch die Auslaßleitungen
47 geleitet werden, die zwischen zwei Abstandselementen 48,49 von den Spulenseiten
abgewendet
liegen. Die heißen Läufergase vermischen sich also sehr
wenig mit den in dem Statorkern befindlichen Kühlgasen für den Stator.
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Nach dein Austritt aus dem Statorkern vermischen sich die von den
Schaufelrädern 40, 41 und von dem Gebläse 70 stammenden Lüftungsgase, die in Umfangsrichtung
des Kernes, dann weiter radial durch die Rahmenöffnung 57 zwischen zwei Kühlern
53, 54, dann in Umfangsrichtung in entgegengesetzten Richtungen durch die Hauptabschnitte
dieser Kühler und dann durch die Öffnungen 57, 58 zurück zum Gebläse 70 und zu den
Schaufelrädern 40, 41 strömen, um wieder durch die Maschine hindurchzulaufen.
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Der Rotor des Turbogenerators kann einen Kern besitzen, der mit Nuten
und axial liegenden Leitern versehen ist, die in übereinandergestellten Lagen gestapelt
und über einen Teil ihrer Länge in die Nuten eingesetzt sind, wie die Fig. 10 bis
13 zeigen. Jeder dieser Leiter 103 besteht aus zwei übereinanderliegenden Kupferstreifen
104, deren Oberflächen sich berühren. Jeder Streifen hat in der Berührungsfläche
des Streifens mehrere Längsnuten, die beispielsweise durch Fräsen hergestellt sind
und die zusammenarbeiten, um mehrere axiale Kanäle 105 zu bilden. Jeder Streifen
hat also eine in Berührung mit dem Lüftungsgas stehende, sehr wesentlich erhöhte
Oberfläche im Vergleich zu einem einzelnen Kanal gleicher Querschnittsfläche. Die
Stirnverbindungen oder Wickelköpfe der Leiter 103 haben in den sich gegenseitig
berührenden Flächen quer liegende Nuten, durch die Querkanäle 106, 107 gebildet
werden, die die Längskanäle mit den Außenflächen jedes Stapels verbinden, der in
den unter den Halteringen 62 liegenden umschlossenen Räumen 64, 65 sich befindet.
Diese Querkanäle dienen zum Einführen von Belüftungsgas. Das Belüftungsgas strömt
in die Leiter durch die in den Wicklungsenden befindlichen Querkanäle 107 ein. Weiteres
Belüftungsgas strömt durch die Querkanäle 106 ein, die an der Stelle an den Leitern
vorgesehen sind, an der die Leiter in den Rotorkern eintreten. Zweckentsprechende
radiale Lüftungsöffnungen sind in dem Stapel von Läuferleitern zwischen den Enden
des Läuferkernes vorgesehen. Diese radialen Lüftungsöffnungen 109 treten durch einen
die Nut schließenden Keil 108 hindurch, stehen in Längsrichtung auf Abstand voneinander
und sind mit den in den Leitern befindlichen axialen Belüftungskanälen verbunden.
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Die Fig. 14 bis 16 zeigen andere Ausführungsformen der in den Nuten
liegenden Leiter, die verwendet werden können, um eine Wicklung mit axialen Lüftungskanälen
herzustellen, bei der das Lüftungsgas in unmittelbarer Berührung mit den Leitern
liegt. Diese Leiter 111, 112 und 113 haben axiale Kanäle, die zwischen den Leitern
und den geradwandigen Kernnuten sich befinden und in deren Wicklungsköpfe das Lüftungsgas
eintreten kann. Die Leiter 111 haben einen trapezförmigen Querschnitt. Die Leiter
112 haben V-förmige Seiten, die an die Wände der Nut anstoßen, so daß benachbarte
Leiter und die eine Wand der Nut einen zwischen diesen Teilen liegenden axialen
Lüftungskanal begrenzen. Die Leiter 111 besitzen zwei V-förmige Vorsprünge längs
gegenüberliegenden Seiten, durch die eine dazwischenliegende V-förmige Nut begrenzt
wird. Jeder Leiter 113 hat einen V-förmigen Einschnitt, der mit einer Wand der Nut
einen axialen Kanal begrenzt. Die nebeneinanderliegenden Leiter 113 begrenzen mit
der einen Wand der Nut einen dazwischenliegenden anderen Kanal, so daß eine mehrfache
Leiterfläche vorhanden ist, die von den Lüftungsgasen berührt wird.
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Das Verfahren, den Läufer einer dynamoelektrischen Maschine mittels
eines Druckgebläses für das Läuferkühlgas zu kühlen, kann auch für den Läufer und
für den Stator angewendet werden. Bei dem vollkommen eingeschlossenen gasgekühlten
Turbogenerator nach den Fig. 17 und 18 wird Druckgas dem Läufer 115 und auch dem
Stator 116 zugeführt. Der Läufer besteht aus einem Stück mit einer umlaufenden.
Welle 117 oder ist auf dieser Welle befestigt und enthält axiale Wicklungen 118
in einem genuteten Kern. Die Wicklungen 118 können Leiter enthalten, die so ausgebildet
und angeordnet sind, daß ein Lüftungsgas in axialer Richtung durch den Läuferkern
und in direkter Berührung mit dem Kupfer der Leiter strömt. Eine derartige Wicklung
kann die in den Fig. 3, 10 oder 14 bis 16 dargestellten Leiter enthalten, besitzt
vorzugsweise jedoch die in Fig. 3 dargestellten Leiter. Die Läuferleiter erstrecken
sich nach auswärts von dem Kern und bilden Wicklungsköpfe, die durch einen Haltering
und eine Stirnplatte 119 gehalten werden. Die Stirnplatte besitzt Eintrittsöffnungen
120 für das Lüftungsgas, das in offene axiale Lüftungskanäle der Wicklungsköpfe
eintritt. Vorzugsweise sind in den Leitern und in den Läufernutkeilen keine radialen
Lüftungskanäle vorgesehen. Das Lüftungsgas strömt längs der Leiter von dem einen
Ende des Kernes zum anderen Ende des Kernes.
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Der Stator 116 besteht aus einem genuteten Kern aus Lamellen mit einer
axialen Wicklung 114, die aus gekühlten Leitern, wie oben beschrieben, vorzugsweise
aber aus bandförmigen Leitern besteht, wie sie in den Fig. 20 und 21 dargestellt
sind. Die Bänder 121 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Nut gestapelt und sind
durch mehrere in Längsrichtung der Leiter sich erstreckende Metallrohre 122 hohen
Widerstandes auf Abstand voneinander gestellt. Diese Rohre 122 hohen Widerstandes
bestehen vorzugsweise aus Monel-Metall, dessen Ohmscher Widerstand 38mal so groß
ist wie der des Kupfers, so daß die Stärke der Rohre größer als die Tiefe verschiedener
Bänder sein kann, ohne daß in den Rohren unzulässige Wirbelstromverluste auftreten.
Die Stirnverbindungen, die die beiden in verschiedenen Nuten liegenden Leiter miteinander
verbinden, enthalten einen Halter 123, der die auf Abstand stehenden Endteile der
beiden Leiter aufnimmt und längs seiner Seiten mit den Bändern der Leiter verlötet
ist. Die Enden der Rohre 122 reichen in einen Fensterausschnitt des Halters 123
hinein, so daß das Lüftungsgas in die Rohröffnungen eintreten und durch die Rohre
von einem Ende der Maschine zum anderen Ende der Maschine hindurchströmen kann.
so daß eine gute Wärmeübertragung von den Bändern der Leiter stattfindet.
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Der Statorkern kann ebenfalls mit durch den geschichteten Kern hindurchgehenden
axialen Lüftungskanälen versehen sein, die aus übereinanderliegenden, in den Blechen
vorgesehenen Bohrungen bestehen, durch die Kanäle 124 gebildet werden, die zwischen
den Klemmfiingern an den Stirnseiten des Kernes münden und in der Nähe der Kernnuten
liegen, die die Statorwicklungen enthalten. Diese Kanäle leiten zwischen den Stirnseiten
der Maschine eine begrenzte Menge des zurre Kühlen des Stators dienenden Lüftungsgases.
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Um den Fluß des Lüftungsgases durch den Luftspalt hindurch zu begrenzen,
ist ein Ringteil 134 aus
beliebigem Material. beispielsweise aus
geschichtetem Kunstharz, auf dem Statorkern befestigt, wobei der Innenumfang jedes
Ringes 134 dicht an der Oberfläche des Halteringes für den Rotor sich befindet.
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Der Druckerzeuger besteht aus einem einstufigen Gebläse 125, das auf
der Welle an dem einen Ende der Maschine vorgesehen ist. Das Gebläse saugt Lüftungsgas
durch die in dem Maschinengehäuse befindlichen Kanäle 127, die mit den in Längsrichtung
der Maschine an gegenüberliegenden Seiten sich befindenden Kühlern 128 verbunden
sind. Das Gebläse besitzt einen Verteiler 126, der verdichtetes Lüftungsgas in eine
Druckkammer 132 leitet, die den an die Stirnseiten des Stators und des Läufers angrenzenden
Raum einnimmt. Von diesem Raum strömt das Lüftungsgas in die in der Statorwicklung
und der Läuferwicklung befindlichen axialen Kanäle sowie in den Luftspalt und die
in dem Statorkern befindlichen Kanäle und strömt dann mit hoher Geschwindigkeit
durch diese Kanäle hindurch zum anderen Ende der Maschine, wo die Kanäle 129 das
Lüftungsgas durch die Kühler zurück zum Gebläse leiten.
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Die Größen der Statorkanäle 124 sowie der durch die Rohre 122 gebildeten
Kanäle sind so bemessen, daß die durch diese Rohre durchströmenden relativen Mengen
an Lüftungsgas im wesentlichen die Ausdehnung zwischen den Leitern und dem Eisen
des Statorkernes ausschalten, wenn die Maschine nahe der üblichen Belastung arbeitet.
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Infolge des hohen Druckgefälles, das durch das Gebläse 130 erzeugt
wird, wird das Kerneisen durch die durch die Kernlamellen hindurchgehenden axialen
Kanäle wirkungsvoll gekühlt, ohne daß selbst bei den längsten Maschinen radiale
Schlitze verwendet werden müssen. Auf einer gegebenen Kernlänge läßt sich also eine
wesentlich größere Menge Kerneisen verwenden.
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Fig. 19 zeigt einen der Fig. 18 ähnlichen Turbogenerator mit einem
Gebläse 130, das das Lüftungsgas aus den axialen Lüftungskanälen des Stators und
des Läufers saugt. Das Gebläse 130 drückt das Lüftungsgas durch den Verteilerkanal
131 über die Kanäle 127 unmittelbar in die Kühler 128. Bei dieser Anordnung wird
das Lüftungsgas durch die Kühler 128 gedrückt, die die durch die Wirkung des Gebläses
erzeugte Wärme aus dem Gas aufnehmen. Von den Kühlern strömt das Gas in eine Druckkammer
133, die an dem dem Gebläse 130 gegenüberliegenden Ende der Maschine liegt, und
wird dann durch den Statorkern und den Läuferkern zurück zum Gebläse 130 gesaugt.
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Das Druckgebläse kann auch zum Kühlen des Stators und des Läufers
eines Turbogenerators verwendet werden, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Bei Ersatz
des in Fig. 19 dargestellten Stators für den in Fig. 1 dargestellten Stator drückt
das Druckgebläse das Lüftungsgas durch die axialen Statorkanäle von dem Gebläseende
der Maschine zum anderen Ende. Das Druckgebläse drückt auch das Lüftungsgas in beide
Enden des Läufers durch die axialen Läuferkanäle und die radialen Schlitze zum Luftspalt
und dann axial durch den Luftspalt zum anderen Ende der Maschine. Die Größe des
Luftspaltes an dem Gebläseende der Maschine ist durch einen Ring 134 begrenzt, der
den axialen Fluß des Lüftungsgases nach diesem Ende des Luftspaltes zu im wesentlichen
verhütet.