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Hohler Leiterstab für dynamoelektrische Maschinen Die Erfindung liegt
auf dem Gebiet der dynamoelektrischen Maschinen und. bezieht sich auf Verbesserungen
der Belüftungseinrichtung für die Wicklungen in mit Nuten versehenen Rotorkernen
großer Generatoren für Turbinenantrieb.
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Normalerweise besitzen Generatoren für große Leistungen einen äußeren,
feststehenden magnetischen Teil, an dessen innerem Umfang Nuten angebracht sind,
welche eine verteilte Statorwicklung enthalten, welche den Wechselstrom liefert,
wenn die Wicklung des zugehörigen Rotors erregt wird:. Dieser Rotorkörper besitzt
ebenfalls Nuten, in denen eine mit Gleichstrom erregte Feldwicklung untergebracht
ist. Der Rotor wird durch eine Dampfturbine oder durch ein andere Antriebsmaschine
angetrieben. Die von einem solchen Generator lieferbare Leistung hängt von dem Produkt
der Rotorwindungszahl und der Stromstärke in diesen Rotorwindungen ab und außerdem
von der Größe des magnetischen Flusses, der auf den Statur übergeht. Die Generatorleistung
läßt sich durch Erhöhung der Rotorerregung vergrößern, vorausgesetzt, daß die Statur-
und Rotorwicklungen und andere kritische Teile des Generators genügend gekühlt werden,
um einen Temperaturanstieg, bei dem die Isolation leiden, könnte, zu verhindern.
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Es ist bereits bekannt, hohle Leiterstäbe zu verwenden, durch welche
ein Kühlmittel hindurchgeleitet wird, um einen gefährlichen Temperaturanstieg zu
vermeiden. Die Leiterstäbe können zweiteilig hergestellt werden, wobei der eine
Teil durch Ziehen hergestellt wird und, eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen besitzt.
Eine solche Mehrzahl von verhältnismäßig engen Kanälen gibt offensichtlich die beste
Wärmeübertragung von den leitenden Kupferstäben auf das Kühlgas, erhöht aber gleichzeitig
den notwendigen Druck, um das Kühlmittel durch die Leiterstäbe hindurchzupressen.
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Die hohlen Leiterstäbe können nach zwei Methoden gekühlt werden.
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Bei dem einen Verfahren wird der Rotor mit Gas gekühlt, welches in
die Stäbe an den beiden Stirnflächen des Rotors eingeführt wird und: den Rotor axial
durchströmt, bis es in der Mitte des Rotors austritt. Bei langen Rotoren bedeutet
dies jedoch eine Wärmekonzentration in der Rotormitte, die einen recht hohen Ventilatordruck
und eine recht hohe Ventilatorantriebsleistung erforderlich machen kann.
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Bei dem anderen Verfahren wird zur Vermeidung dieser hohen Temperatur
in der Rotormitte, des hohen Ventilatordrucks und der hohen Ventilatorantriebsleistung
der mittlere Teil des Rotors durch Gas gekühlt, welches dem Luftspalt entnommen
wird und durch Ventilationskanäle den Wicklungen zugeleitet wird. Dann besteht nur
eine kurze Länge an jedem Rotorende, welche durch Gas gekühlt wird, das an den Stirnflächen
eingeführt wird und das nur über eine kurze axiale Länge nach innen strömt und ebenso
wie bei der ersten Kühlmethode den Rotor wieder verläßt.
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Das letztere Verfahren erfordert keinen hohen Ventilatordruck, und
die Ventilatorantriebsleistung ist daher viel niedriger. Wegen des geringen, durch
den Rotorumlauf erzeugten Druckes sind aber viele kurze Ventilationskanäle parallel
zueinander innerhalb der Wicklung erforderlich.
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Die einander entgegenlaufenden Erfordernisse nach optimaler Wirkung
bei von den Rotorstirnflächen her belüfteten und bei vom Luftspalt her belüfteten
Leiterstäben erschwert aber die geeignete Bemessung der Leiterstäbe für die Belüftung
vom Luftspalt her. Die Wirkung für die Belüftung von den Rotorstirnflächen her wird
beeinträchtigt, wenn man mit Rücksicht auf die Belüftung vom Luftspalt her möglichst
günstig dimensioniert.
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Ebenso entsteht eine Schwierigkeit in der geeigneten Bemessung für
die von den Rotorstirnflächen her belüfteten Stäbe, und zwar sowohl wenn nur die
Stabenden als auch wenn die ganzen Stäbe von den Stirnflächen her belüftet werden
sollen. Da der Gasdruck klein gehalten werden muß, ist es nötig, große Querschnifte
vorzusehen, bei denen die Kühlung n,- kurgemäß schlechter ist.
Außerdem
hat man die vielen kleinen Kühlmittelkanäle für Belüftung vom Luftspalt her bis
jetzt durch Ziehen oder durch maschinelle Bearbeitung der einen Stabhälfte hergestellt,
so daß nach Zusammenfügung der beiden Stabteile die vielen engen Kühllmittelkanäle
entstanden. Aus Herstellungsgründen können diese Kanäle aber eine gewisse Mindestgröße
nicht unterschreiten.
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Die Erfindung hat den Zweck, eine Stabkonstruktion anzugeben, bei
der die verschiedenen Querschnittsgrößen für Stirnflächenbelüftung und Luftspaltbelüftung
leicht erreichbar sind.
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Außerdem soll durch die Erfindung der bei der erwähnten maschinellen
Bearbeitung der einen Stabhälfte erreichbare Querschnitt der einzelnen Kühlmittelkanäle
noch verkleinert werden.
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Fig.1 zeigt perspektivisch einen Teil eines ge nuteten Rotors mit
Leiterstäben einer gemäß der Erfindung aufgebauten Rotorwicklung.
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Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch einen Leiterstab, der an seinen
beiden Enden durch Gas gekühlt wird, das von den Stirnflächen des genuteten Rotorkörpers
aus eingeblasen wird und axial nach innen strömt. In der Mitte wird der Stab durch
Gas gekühlt, welches vom Luftspalt her in den Rotor gelangt.
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Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung des Innern eines Leiterstabes,
der von einer Rotorstirnfläche her mit einem Kühlmittel gespeist wird.
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Fig.4 und 5 sind andere Ausführungsformen der Leiterstäbe nach Fig.
1, 2 und 3.
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Grundsätzlich besteht die Erfindung in einem hohlen Leiterstab mit
eingesetzten Gitterkörpern,deren Abmessungen längs des Innenraumes eines Leiterstabes
geändert werden können oder die stellenweise auch ganz fortgelassen werden können,
so daß für eine gegebene Menge von aktivem Leitermaterial an den verschiedenen Stellen
längs eines Stabes eine verschieden große Fläche mit dem. Kühlmittel in Berührung
kommt, und daher ein Optimum hinsichtlich des Kühlmittelflusses und der Temperaturverteilung
errecht werden kann. In Fig. 1 ist die Erfindung an -einem Teil des Rotors eines
großen Turbinengenerators dargestellt, der einen Eisenkern 1 enthält, der aus einem
großen Schmiedestück von etwa 3 m Länge und etwa 1 m Durchmesser bestehen kann.
Der Rotor besitzt in seiner Längsrichtung verlaufende Nuten 2, welche die Rotorwindungen
enthalten, die aus übereinandergeschichteten einzelnen Leiterstäben 3 bestehen und
in der üblichen Weise, beispielsweise über Schleifringe, gespeist werden. Die aufeinanderfolgenden
Stäbe sind durch eine verhältnismäßig dünne Windungsisolation 4 voneinander getrennt,
und in jeder Nut ist die Gesamtheit der Stäbe 3 und der dazwischenliegenden Isolationsschichten
4 mit einer zusammenhängenden, die Seitenwände und die Bodenfläche jeder Nut bedeckenden
Isolationsschicht 5 isoliert.
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Bei der Anordnung nach Fig. 1 besteht jeder Stab 3 aus zwei Hälften
6 und 7, wie in Fig. 3 dargestellt. Die untere Hälfte ist U-förmig und besitzt Flansche
6a. Die obere Hälfte 7 ist ebenfalls U-förmig ausgebildet und wird über die untere
U-förmige Hälfte 6 gelegt, wobei die beiden parallelen Schenkel 7a der oberen Hälfte
an den Flanschen 6a anliegen. Die beiden Hälften 6 und 7 schließen also einen Hohlraum
8 ein, der mit einem Kühlmittel zur Wärmeabführung aus den Kupferstäben gespeist
wird.
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In Fing. 1 ist zu sehen, wie das Kühlmittel dem Innenraum der Leiterstäbe
zugeführt wird, wenn man das Kühlmittel dem Luftspalt entnimmt. In den Rotorzähnen
sind nämlich diagonal verlaufende Eintritts- und Austrittskanäle 9 und 10 angebracht.
Diese Eintritts- und Austrittskanäle verlaufen schräg zur Oberfläche der Rotorzähne
zwischen den Wicklungsnuten. Jeder dieser Kanäle mündet an seinem äußeren Ende in
dem Luftspalt zwischen dem Rotor 1 und dem Stator und an seinem inneren Ende an
der Isolation 5. Um die Kühlluft den Leiterstäben 3 zuzuleiten, sind' Löcher 11
in die Isolation 5 eingestanzt, und die Leiterstäbe 6 sind, wie bei 12 dargestellt,
mit Ausschnitten versehen. Gemäß Fig. 2 ist eine Mehrzahl von diagonal verlaufenden
Eimlaßkanälen 9 vorhanden und in der Achsenrichtung längs jedes Rotorzahns um etwa
15 cm gegeneinander versetzt, wobei zwischen je zwei Öffnungen 9, also im Abstand
von etwa 7,5 cm, je ein Auslaßkanal 10 liegt.
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Bei der Anordnung nach Fig. 1 dient die durch die Kanäle 9 aus dem
Luftspalt zugeführte Luft zur Kühlung zweier Leiterstäbe. Dies ist jedoch nur eine
spezielle Ausführungsform, und man kann je nach der verfügbaren Luftmenge und je
nach dem in der Achsenrichtung gemessenen Abstand zwischen den Einlaßkanälen 9 und
den Auslaßkanälen 10 auch mehr als zwei Leiterstäbe kühlen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Kupfergitter 13 in den Innenraum 8 jedes
Leiterstabs eingefügt. Dieses Kupfergitter 13 bildet dann in dem Leiterstab eine
Reihe von Kanälen 13a, durch die das Kühlgas hindurchströmt. Diese Kanäle haben
nach Fig. 1 einen rechteckförmigen Querschnitt. Die Zahl dieser Kanäle bestimmt
die für den Wärmeübertritt verfügbare Oberfläche, da die Gitterbleche gewissermaßen
innere Kühlfahnen darstellen. Je größer die Zahl der Flächen 13b ist, um so größer
ist offensichtlich die Fläche, die zur Kühlung des Leiterstabs zur Verfügung steht,
und desto größer ist der Reibungswiderstand für die Kühlung. Die Gitterbleche können
in einem Stanz-, Zieh-oder Rollvorgang hergestellt werden, der verhältnismäßig billig
ist. Bei dieser konstruktiven Ausführung ist die untere Größe der Ventilationskanäle
13a nicht beschränkt, wie es früher der Fall war, als man die Kupferstäbe durch
Ziehen und durch nachträgliche maschinelle Bearbeitung hergestellt hat. Außerdem
kann man auf diese Weise die der Kühlluft dargebotene Fläche längs des Stabes bequem
ändern. Die Gitterbleche können durch Punktschweißung oder durch Löten befesitigt
werden odereinfach. in den Hohlstab eingelegt werden, wobei dann die Zentrifugalkraft
dazu dient, den nötigen Anpreßdruck zwischen Gitterblechen und Leiterstäben zu erzeugen,
bei dem ein genügend kleiner Wärmeübergangswiderstand eintritt.
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Bei der dargestellten Einrichtung wird die dem Luftspalt entnommene
Kühlluft in den Leiterstab eingeleitet und wird dann durch die Einsatzscheibe, 16
in die Kanäle 13a gelenkt. Durch einen entsprechenden Einsatz 18 wird die aus den
Kanälen austretende Kühlluft in den Auslaßkanal 10 geleitet. Die Kühlwege, die aus
dem Luftspalt, und die Kühlwege, die von der Rotorstirnfläche aus gespeist werden,
werden voneinander durch ähnlich ausgebildete Einsatzstücke 19,getrennt.
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Offenbar wird der Unterschied zwischen der Leiterstab.te.mperatur
in jedem Abschnitt und der mittleren Gastemperatur im gleichen Abschnitt umgekehrt
proportional der Wärmemenge sein, die von dem betreffenden Leiterstab an das Kühlmittel
abgegeben wird, undumgekehrt proportional dem Wärmeübertragungskoeffizien,ten, der
ein Maß dafür ist, wieweit das
Kühlmittel die mehr oder weniger
stagnierenden Randschichten mitnimmt, die sich an den Wärmeübertragungsflächen bilden
und den Wärmeübergang beeinträchtigen. Auch der zum Durchtritt des Kühlmittels durch
die Kanäle der Gitterbleche erforderliche Druck ist größer, wenn die lichte Querschnittsfläche
der Leiterstäbe unterteilt wird und eine größere übergangsfläche für den Wärmeübergang
geschaffen wird.
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Bisher hat man hohle Leiterstäbe im allgemeinen durch Ziehen oder
durch maschinelle Bearbeitung von zwei Stabhälften hergestellt, so daß nach dem
Zusammenbau dieser Hälften im Innern liegende Kanäle für das Kühlmittel entstanden.
Bei dieser Herstellung hatten die Kühlkanäle über die ganze Stablänge notwendigerweise
denselben Querschnitt.
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Wenn daher die Kühlkanäle so gewählt wurden, daß eine ausreichende
Wärmeübertragung an das Gas am Auslaßkanal stattfand, wo das Gas am wärmsten ist,
so besteht notwendig derselbe Kanalquerschnitt über die ganze Stablänge, so daß
ein höherer Druck und eine höhere Pumpleistung erforderlich wurden, um die erforderliche
Gasmenge durch den ganzen Leiterstab zu fördern. Wenn aber der erforderliche Druck
gegeben war, so nahm die Gasströmung unnötig ab, und es entstand eine höhere Spitzentemperatur.
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Die an den Stabenden gelegenen Abschnitte werden gemäß Fig. 2 von
der Stirnseite her belüftet. An den beiden Enden des Stabes, also etwa bei 17, wo
keine Gasauslaßöffnungen mehr vorhanden sind, sind im Stabinnern auch keine Gitter
eingebaut. Dadurch wird der zur Überwindung der Gasreibung erforderliche Druckabfa11
längs dieser Abschnitte 17 sehr klein. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Kupfer
der Leiterstäbe und dem Gas ist hoch, und daher entsteht eine Leitertemperatur an
dieser Stelle, die höher ist, als sie dann auftreten würde, wenn die Querschnittsunterteilung,
die an dem der Maschinenmitte zu liegenden Bereich der Endabschnitte 17 benutzt
wird, über die gesamte Länge der von außen gek'ühl'ten Endabschnitte vorhanden wäre
und dieselbe Gasmenge hindurchfließen würde. Da jedoch das Gas, welches an den Stirnflächen
des Rotors eingeführt wird, kühler ist, kann die höchste Temperatur längs des Leiterstabs
im Endabschnitt 17 kleiner oder gleich der Temperatur an der Kühlluftaustrittsstelle
gemacht werden, so daß die Belastbarkeit des Generators nicht erniedrigt wird. In
Wirklichkeit kann man sogar, da eine wirksamere Kühlgitteranordnung im Endabschnitt
17 in der Nähe seiner Auslaßstelle 28 benutzt werden kann und da an der Stirnseite
mehr Gas zugeführt werden kann, die höchste Temperatur im Endabschnitt 17 absenken
und die Belastbarkeit dies Generators noch erhöhen.
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In Fig. 2 und 3 ist ein Leiterstab ohne Kühlgitter am äußeren Ende
17 des Stabes dargestellt, mit einem Kühlgitter 14 von nur verhältnismäßig geringer
Kühlwirkung im anschließenden Teil und mit Gittern 20, 21 und 22 von sehr hoher
Kühlwirkung in der Nähe des Luftauslasses. Diese Möglichkeit der Abstufung der Kühlflächen
zur Schaffung einer gleichmäßigeren Stabtemperatur kann in so vielen Abschnitten,
wie sich wirtschaftlich rechtfertigen läßt. angewendet werden. Offensichtlich können
die Vorteile der Anordnung nach der Erfindung in sehr vielfacher Weise nutzbar gemacht
werden. Man kann nämlich die Spitzentemperatur senken, man kann den Gasdruck und
die Gasförderleistung vermindern, ferner die Generatorkapazität erhöhen oder beliebige
Kombinationen dieser Möglichkeiten wählen. Wenn die Wicklung nur von den Stirnseiten
des Rotors her belüftet wird, entstehst der große Vorteil, daß man den nötigen Ventilationsdruck
und die nötige Ventilationsleistung senken kann im Vergleich zu einer Anordnung,
bei welcher der Querschnitt der Einzelkanäle zwischen der Gaseinlaß- und der Gasauslaßstelle
überall gleich ist.
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Wenn man einen verteilten Wärmeübergang in der geschilderten Weise
durch. Einsetzen von Gittern schafft, so erreicht man auch eine gleichmäßigere Wicklungstemperatur.
Dies fährt wiederum zu einer Erhöhung der Generatorleistung, da man die Leitertemperatur
wieder bis auf den Wert in den Endabschnitten 17 steigern kann und der Temperaturunterschied
zwischen den Leitern und dem Rotoreisen erhöht wird, so daß wieder mehr Wärme durch
die Isolation 5 abfließen kann. Jede Wärmemenge, die vom Leiter auf diesem Wege
abgeführt wird, vermindert den Wärmeinhalt und die Temperatur des Gases und ermöglicht
eine Erniedrigung der Leitertemperatur an den heißesten Stellen.
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Obwohl die Eigenschaften und Vorteile der eingesetzten Kühlgitter
in Verbindung mit den von den Stirnflächen des Rotors her ,gekühlten Endabschnitten
eines im übrigen vom Luftspalt her gekühlten Rotors erläutert wurden, so sieht man
doch, daß die Verwendung von Kühlgittern auch bei einer lediglich durch Belüftung
von den Stirnflächen des Rotors gekühlten Bauart ohne Kühlung vom Luftspalt her
anwendbar ist.
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Die für die Endabschnitte beschriebene abgestufte Gitterkonstruktion
läßt sich auch in den vom Luftspalt her gekühlten Wicklungsabschnitten verwenden.
Jedoch ist der Kühlluftweg in diesen letzteren Abschnitten gewöhnlich so kurz, daß
bei Innenkühlung der Stäbe der Unterschied zwischen der maximalen und der mittleren
Temperatur innerhalb der genannten Wicklungsabschnitte klein bleibt. Auch ist die
Gasreibung auf diesem Wege nicht groß, so daß es praktischer ist, gleichbleibend
dieselbe Form der Gitter 13 über die ganzen vom Luftspalt her belüfteten Rotorabschnitte
zu verwenden.
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Bei den bisher benutzten Leiterstäben wurde eine Mehrzahl von in der
Stablängsrichtung verlaufenden Rippen durch maschinelle Bearbeitung oder durch Ziehen
des Stabes hergestellt und dadurch der Kühlluftquerschnitt in eine Anzahl von kleineren
Querschnitten zerlegt. Dabei war es jedoch sowohl beim Ziehen als auch beim nachträglichen
Bearbeiten nicht möglich, den Querschnitt der Einzelkanäle unter eine gewisse Größe
zu senken. Bei den Einsatzgittern nach der Erfindung braucht man lediglich gewünschte
Gitterlängen abzuschneiden und in den Leiterstab einzusetzen und spart jede maschinelle
Bearbeitung. Bei den Stäben mit Einsatzgitter kann daher mehr Kupfer in dem Stab
untergebracht und gleichzeitig eine größere Fläche für den Wärmeübergang geschaffen
werden.
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Die Fig. 3 veranschaulicht die vielseitige Verwendbarkeit -der Einsatzgitter.
Bekanntlich wird nämlich der Wärmeübergang zwischen dem Metall und' der Kühlluft
durch die sogenannten Grenzschichten von stagnierender oder langsam fließender Kühlluft
in der Nähe der Metalloberfläche vermindert. Es ist ferner bekannt, daß bei axial
durchströmten Küh=lkanälen die Dicke dieser Grenzschicht an der Einlaßseite gering
ist und mit der durchströmten Länge zunimmt, um dann eine gleichmäßige Dicke anzunehmen.
Der Wärmeübergang ist in dem kurzen anfänglichen Teil sehr viel besser als in dem
anschließenden Teil mit gleichmäßiger Grenzschichtd@icke. Durch Benutzung
von
verschiedenen Gitterformen kann man im Leiterinnern die Gitterkonfiguration wechseln
und dadurch die Grenzschicht wieder zerstören.
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Zu diesem Zweck werden, wie in Fig. 3 dargestellt, die Gitter 20,
21 und 22 hintereinandergeschaltet, deren Durchlaßöffnungen gegeneinander versetzt
sind. Dann trifft beispielsweise die Kühlluft aus den Querschnitten 14a auf die
Kanten des ersten Gitters 22 und führt die an den Flächen 22a haftende Luftmenge
ab. Ähnliche Vorgänge spielen sich beim Übergang auf die folgenden Gitter 21 und
20 ab, so daß auch dort die an den Wänden haftenden Luftschichten abgeführt werden.
Durch gegenseitige Versetzung der Gitter kann die Grenzschicht also verhältnismäßig
dünn gehalten werden, und der Wärmeübergang läßt sich somit verbessern. Da man die
Gitter ,dabei in der Strömungsrichtung sehr kurz bemessen kann, lassen sich durch
Stanzen oder Pressen die gegeneinander versetzten Gitter leicht herstellen.
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In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform eines Leiterstabes mit Einsatzgittern
dargestellt. Dieser Stab besteht aus zwei Hauptleitern 23 und 24 von ebenem Querschnitt
und einem Einsatzgitter 25 aus Kupfer. Die flachen Leiter 23 und 24 werden durch
Einfügung der Rechteckquerschnitte 26 gegeneinander abgestützt.
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Zur Fixierung .des Gitters 25 kann man sich einer Punktschweißung
bedienen. Die rechteckigen Stäbe 26 liegen zwischen den Rändern der flachen Stäbe
23 und 24, können aber auch, um die Gitter noch wirksamer gegen Deformierung zu
schützen, an anderen Stellen angebracht werden.
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In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei welcher
der Leiterstab aus einem U-förmigen Teil 29 und einem flachen Teil 30 besteht. Die
Gitter 31 sind im U-förmigen Teil 29 untergebracht und an ihm befestigt. Der Stab
30 kann dann durch Hartlöten mit dem U-förmigen Stab 29 verbunden werden.