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Zur Kühlluftführung geeignete Polrad -Tragkonstruktion für eine dynamoelektrische
Maschine mit senkrechter Welle Die im folgenden beschriebene Erfmdung betrifft ein
Kühlsystem für elektrodynamische Maschinen, und zwar eine Ausbildung des Läufers,
durch die die Kühlung eines Wasserkraftgenerators verbessert wird.
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Wasserkraftgeneratoren, deren Antriebsturbine mit einem relativ geringen
hydraulischen Druckgefälle arbeitet, werden allgemein nüt senkrecht stehender
Welle ausgeführt. Obwohl der Wirkungsgrad eines derartigen Wasserkraftgenerators
bereits ungefähr 98% betragen kann, stellt der Verlust von 21/o der Leistung in
Anbetracht der außerordentlich großen abgegebenen elektrischen Leistung desselben
einen Leistungsverlust dar, der Bemühungen zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades
eines Wasserkraftgenerators durchaus rechtfertigt. Der erwähnte Leistungsverlust
ist in der Hauptsache auf die Erwärmung der elektrischen Maschine zurückzuführen,
wobei die Erwärmung wiederum aus den Hysterese-und Wirbelstromverlusten des aktiven
Eisens sowie aus den Widerstandsverlusten des Wicklungskupfers resultiert.
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Jede Erwärmung verringert jedoch die Lebensdauer der Isolation der
Wicklung und damit die Betriebsperiode des gesamten Wasserkraftgenerators, innerhalb
deren eine kontinuierliche Stromerzeugung erfolgen kann. Der Einbau von Belüftungs-
und anderen Kühleinrichtungen ermöglicht andererseits eine Leistungssteigerung des
Wasserkraftgenerators, ohne daß eine Temperatur der Wicklung erreicht wird, bei
der die Isolation derselben beschädigt werden würde. Bisher übliche Anordnungen
zur Kühlung eines Generators bestehen häufig aus relativ kleinen, radial fördernden
Lüfterflügeln, die entweder an der Stirnseite des Läufers oder der Pole so befestigt
sind, daß sie die geförderte Kühlluft gegen ein am Stator befindliches Umlenkblech
und von dort aus axial zwischen die einzelnen Pole des Polrades leiten. Das erwähnte
Umlenkblech hat im allgemeinen die Form eines ringförmigen Deckrandes, das sich
vom Ständer her über die Wickelköpfe und von dort in Richtung auf den Nabenkranz
des Polrades erstreckt, so daß ein halb geschlossenes Gehäuse gebildet wird, innerhalb
dessen durch die in radialer Richtung fördernden Lüfterflügel ein Druckgefälle aufrechterhalten
wird. Die Kühlluft strömt dabei ständig in den Zwischenraum der Pole und von dort
radial nach außen, um schließlich durch geeignete öffnungen des Ständereisens die
Maschine zu verlassen.
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Obwohl die eben geschilderteAnordnung zurKühlluftführung einen beachtlichen
Vorteil insofern aufweist, als das erwähnte ringförinige Deckband einen mechanisch
wirksamen Schutzschild für die Wickelköpfe bildet, so ist damit doch auch ein gewisser
Nachteil insofern verbunden, als durch dieses Deckband die für Wartungs- und Reparaturzwecke
gewünschte Zugänglichkeit beeinträchtigt wird.
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Es ist ferner bekanntgeworden, die Kühlluft radial durch öffnungen
im Jochring des Polrades zu leiten und dadurch die Wärmeabfuhr weiter zu verbessern.
Eine derartige Luftführung wird durch einen Radiallüfter bewirkt, wobei die obere
und die untere Seite des Armsternes des Polrades durch ringförmige, über den ganzen
Umfang reichende Staubleche abgedeckt sind, die sich vom Jochring aus radial nach
innen erstrecken. Verhältnismäßig kühle Luft wird so durch die Fliehkraft in die
Kanäle zwischen den ringförmigen Staublechen und dem Armstern gesaugt und von dort
nach außen durch die öffnungen im Jochring sowie anschließend über die Pole gedrückt.
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Um dafür zu sorgen, daß der eben beschriebene Luftstrom in radialer
Richtung auch durch die radialen öffnungen des Ständers geleitet wird, ohne daß
ein Teil davon in die axiale Richtung abweicht und so für die Kühlung verlorengeht,
ist bei dieser bekanntgewordenen Bauweise zwischen den Polschuhen eine Anzahl von
Lüfterflügeln angeordnet.
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Durch dieses Kühlsystem wird bereits eine gewisse Verbesserung der
Kühlung im Vergleich zu dem erstgenannten System erzielt, bei dem der Raum zwischen
Ständer
und Jochring durch stirnseite Abdeckringe verschlossen ist.
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Die üblichen Generatorkonstraktionen sind jedoch insofem mangelhaft,
als im Zentrum des Polrades kein ausreichend freier Raum zur Verfügung steht, um
so viel Luft -einzulassen, daß die mit Hilfe der Staubleche erreichte radiale Luftförderung
voll wirksam wird. Handelt es sich beispielsweise um eine Maschine mit durchgehender
senkrechter Welle und zwei Führungslagern, so können die stirnseitigen, ringförmigen
Staubleche zwar so angeordnet werden, daß ausreichende zentrale Einlaßöffnungen
für den Kühlluftstrom, der von beiden Stirnseiten des Polrades her in die Luftführungskanäle
desselben gelangt, zur Verfügung stehen, aber dieser ausreichende Kühllufteintritt
kann oftmals nur dadurch erkauftwerden, daß der axiale Abstand zwischen den beiden
Führungslagern und dem erforderlichen Traglager so groß wie nur irgendmöglich gemacht
wird. Dieser große axiale Abstand der Lager von den Polradstirnseiten bedingt eine
entschieden längere Welle, und die Folge ist eine hohe und wenig stabile Maschine.
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Wenn man andererseits zur sogenannten Schirm-Bauweise mit nur einem
Führungs- und einem Traglager übergeht, um die Gesamthöhe der Maschine zu verringern,
so wird die benötigte zentrale Lufteinlaßöffnung auf der einen Polradseite zum größten
Teil durch das benötigte Traglager abgedeckt, das unmittelbar an das Polrad angrenzend
angeordnet werden muß, um die Maschine dynamisch stabil zu machen.
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Unabhängig davon, ob das Polrad eine durchgehende Welle hat oder nach
der Schirm-Bauweise gestaltet ist, hat man bisher stets die Verbindung zwischen
dem Armstern des Polrades und der Welle über eine massive Nabe hergestellt. Derartige
Naben verringern nicht nur den bereits erwähnten, für den Lufteintritt zurVerfügung
stehendenBereich, sondern die sich im Bereich der Naben einander stark nähernden
Arme des Polrades beeinträchtigen die Zugänglichkeit zu den Verbindungsschrauben
zwischen Nabe und Armstern. Weiterhin ist es nachteilig, daß bei dieser bisher üblichen
Bauweise dann, wenn das Polrad ausgebaut werden soll, entweder die Verbindung zwischen
dem Polrad und der Welle vollständig gelöst werden muß oder aber daß das Traglager
so weit freigelegt werden muß, daß die Flanschringe der Welle, die zur Kupplung
zwischen derselben -und der Turbinenwelle benötigt werden, beim Herausheben des
Polrades durch die Ummantelung des Traglagers geführt werden können.
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Während also bei den bekannten Bauarten einzelne Konstruktionselemente
den zentralen Lufteinlaß des Polrades beeinträchtigen, zudem die Möglichkeiten zur
Steigerung der Eigenventilation des Polrades nicht voll ausgesehöpft werden und
auch der Frage des bequemen Ein- und Ausbaues von Maschinenteilen sowie der Wartung
zuwenig Aufmerksamkeit geschenkt worden ist, wird mit der nachstehend geschilderten
Erfindung der Zweck verfolgt, ein Kühlsystem für elektrodynamische Maschinen zu
schaffen, im Rahmen dessen die Konstruktionselemente der Maschine weitestgehend
zur Luftförderung und -führung herangezogen werden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine zur Kühlluftführung geeignete Polrad-Tragkonstruktion
für eine dynamoelektrische Maschine mit senkrechter Welle, deren Jochring zur Belüftung
durch Zentrifugalwirkung an einer aus mindestens zwei ringförtnigen Blechen sowie
dazwischen befestigten zahlreichen Stegen bestehenden Tragkonstruktion befestigt
ist. Erfindungsgemäß ist zwischen den im allgemeinen radial verlaufenden Stegen
und den Kreisringplatten, die eine geräumige zentrale Kreisringöffnung für den Zutritt
der Kählluft einschließen, eine Anzahl nicht radial gerichteter Stegabschnitte angeordnet,
die zusammen mit anderen radialen Stegabschnitten das Drehmoment übertragen, und
an einer der Kreisringplatten ist ein in die zentrale Kreisringöffnung hineinragender
ringförmiger Flansch vorgesehen, der mit einer auf der Hauptwelle sitzenden Drehscheibe
verschraubt ist, die innerhalb der zentralen Kreisringöffnung des Polrades eine
in axialer Richtung steife Nabe für die Befestigung des Polrades bildet.
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MitHilfe der erfindungsgemäß verwendeten flachen Drehscheibe, die
an Stelle der üblichen zylindrischen Polradnabe vorgesehen ist, wird eine auch in
axialer Richtung steife Nabenkonstruktion erzielt, die sowohl eine bequem zugängliche
Befestigung des Polrades an der Welle ermöglicht, als auch insbesondere einen ausreichenden
freien Raum für den benötigten zentralen Kühllufteintritt läßt. Von besonderem Vorteil
ist dabei, daß wenigstens einige der erwähnten, das Drehmoment übertragenden ringförmigen
Bleche des Polrades die Luftströmung von der zentralen Kreisöffnung des Polrades
her erleichtern, wodurch die Zentrifugalwirkung verstärkt und der gesamte Jochring
intensiv gekühlt wird. Im Hinblick auf die erfindungsgemäße flache Nabenstruktur
wirkt sich weiterhin die Leichtbauweise des aus mehreren Ringen hergestellten Polrades
besonders vorteilhaft aus. Da die Drehscheibe einen relativ großen Durchmesser haben
kann, werden die Umfangskräfte durch den einzigen Flansch des Polrades sicher aufgenommen.
Darüber hinaus kann die untere Fläche der Drehscheibe von dem Traglager aufgenommen
werden, während die Umfangsfläche in einem Führungslager gleitet, so daß das Polrad
abgestützt und zentriert wird.
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DasDrehmoment derTurbine wird über eineWelle, die in der Mitte der
Drehscheibe nüt derselben gekuppelt ist, auf die Drehscheibe und von dieser über
den Flansch sowie die ringförmigen Bleche auf den Jochring übertragen. Die Drehmomentübertragung
wird durch geeignete Platten unterstützt, die senkrecht auf dem Polradius stehen
und den Flansch mit den verschiedenen Ringen verbinden.
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Vorzugsweise werden die benötigten, senkrecht auf dem Arinstem stehenden
Platten dadurch geschaffen, daß entsprechende Abschnitte der den Jochring tragenden
Stege umgebogen und mit dem Flansch verbunden werden. Ein durchgehender Kragen senkrecht
stehender Platten kann auch dadurch hergestellt werden, daß einige der Ringe mit
dem Flansch verbunden werden.
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Die erwähnten umgebogenen Abschnitte der Stege werden nach einem weiteren
Erfindungsgedanken in Drehrichtung vorwärts gekrümmt, so daß sie außer als Platten
zur Drehmomentübertragung auch als gekrümmte Schaufeln eines Gebläses wirksam sind,
dessen Lufteinlaß in der zentralen Öffnung des Armsternes hegt. Das gesamte Polrad
wird so ein einziger großer Lüfter, der einen radialen Luftstrom durch die Öffnungen
des Jochringes auf die am Jochring befestigten Pole bläst, die damit intensiv gekühlt
werden.
Zum besseren VerstänAis sowohl der Ziele der Erfindung als
auch derWirkungsweise der erfindungsgemäßen Konstruktion wird auf die folgende Beschreibung
sowie die dazugehörige Zeichnung verwiesen.
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Fig. 1 gibt dabei ausschnittsweise im Längsschnitt die schematische
Darstellung des Polrades eines Wasserkraftgenerators in der Schirm-Bauweise mit
einer Umlaufkühlung wieder, Fig. 2 die perspektivische Ansicht des Polrades, Fig.
3 den Teilschnitt einer schematischen Darstellung der erfindungsgemäßenArmstemnabe
auf der Welle des Polrades, Fig. 4 den ausschnittsweisen schematischen Längsschnitt
des Polrades eines Wasserkraftgenerators in der Schirm-Bauweise in abgewandelter
Form mit einer Durcbzugsbelüftung und Fig. 5 schließlich die teilweise Draufsicht
auf das Polrad nach Fig. 4.
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Nach Fig. 1 ist der Ständer 1 eines Wasserkraftgenerators
über der Turbinengrube 2 für die Wasserturbine angeordnet. Die Turbinengrube 2 hat
gemauerte Wände 3. Der Ständer 1 besteht im wesentlichen aus dem Blechpaket
4, das in dem Rahmen 5
gehalten ist und die Wicklung 6 trägt. Der Rahmen
5
besteht aus bogenförmigen Teilen 7, die miteinander durch senkrechte
Rippen 8 und Keile 8a in Zell-Bauweise verbunden sind. Der Rahmen
5 ist dadurch steif genug, um das Blechpaket 4 zu tragen. Für die Lagerung
des Polrades 9 ist innerhalb des Ständers 1 ein Gerüst 10 aus
axial gerichteten Trägem angeordnet, das sich innerhalb der Turbinengrube 2 an den
festen Wänden 3 abstützt. In die Wände 3 sind zu diesem Zweck feste
Fundamentringe 11 eingelassen.
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Das feststehende Gerüst 10 trägt ein ringförmiges Traglager
12, das als Seginentspurlager ausgebildet ist und sich in dem ölbehälter13, der
zylindrische Wände 14 und 15 hat, befindet. Die Drehscheibe 16 liegt
auf dem Traglager 12 und ist mittels. der Schrauben 23
auf der Welle
17 befestigt. Sie könnte andererseits mit dem Flansch 18 der Welle
17 aus einem Stück geschmiedet werden. Die Welle 17 kann mit der Turbinenwelle,
die hier nicht gezeigt ist, aus einem Stück bestehen, oder aber es kann eine Zwischenwelle
mit einem unteren Flansch 18a vorgesehen werden, an dem die Turbinenweffe wie üblich
befestigt ist. Die erforderliche Zentrierung des Polrades 9 und seiner Welle
17 wird durch ein Führungslager 1.9 erzielt, das mit der als Gleitfläche
ausgebildeten Mantelfläche der Drehscheibe 16 zusammenwirkt.
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Der Arinstem des Polrades 9 besteht aus einer Anzahl von Stegen
20, die sich in radialer Richtung als Arme von der zentralen Kreisringöffnung
32 aus zwischen im wesentlichen parallel nebeneinanderliegenden Kreisringplatten
21 erstrecken. Obwohl hier nur zwei Kreisringplatten 21 gezeigt werden, die die
in Winkeln zueinander verlaufenden Stege 20 flankieren, als Leitbleche wirken und
die obere sowie die untere Stirnwand 42, 43 des Polrades bilden, können jedoch andererseits
bedarfsweise auch weitere derartige Kreisringplatten 21 zwischen den dargestellten
Kreisringplatten 21 vorgesehen werden. Die Kreisringöffnung 32 bildet so
einen Zugang im Zentrum des Polrades zwischen den verstärkten Innenkanten sämtlicher
Kreisringplatten 21.
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Die Polradbleche 4a sind mittels der Schrauben 23 b zu Teilblechpaketen
4 b zusammengefaßt und die Teilblechpakete 4 b durch eine Spannverbindung,
beispielsweise durch nicht dargestellte Keile, an den äußeren Enden der den Armstem
bildenden Stege 20 befestigt. Die lagenweise angeordneten Teilblechpakete 4
b tragen eine Anzahl von Polen 26, die in schwalbenschwanzförmigeNuten
derselben eingreifen.
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Mittels der Schrauben 23 a ist das Polrad 9 über seinen
Flansch 22 an der Drehscheibe 16 befestigt. Der Flansch 22 ist ein Teil einer
Kreisringplatte 21. Einzelheiten dieser Befestigung sind in Fig. 3 vergrößert
dargestellt, und zwar ist in der Schnittdarstellung der rechte Quadrant des Armstemes
fortgelassen worden, um die Darstellung der Nabenstembefestigung zu vereinfachen.
Danach sorgen radial verlaufende Bohrungen mit Doppelkeilen 24, die vor dem Auseinandernehmen
der Maschine zum Transport hergestellt werden, für eine einwandfreie Zentrierung
des Polrades 9 auf der Drehscheibe 16 während des späteren Zusammenbaues
am Montageort. Weil die Schrauben 23 a mit reichlichem Spiel durch
die Bohrungen 36 in dem Flansch 22 geführt sind, ist die übertragung des
Drehmomentes der Welle 17
ausschließlich durch die Doppelkeile 24 gesichert,
wobei selbstverständlich die Zugspannung der Schrauben 23a entsprechend ansteigt.
Man erkennt, daß die dargestellte Befestigung den schnellen Auf- und Ab-
bau
eines Generators ohne besondere Einpaßarbeiten erleichtert und die Schrauben 23a
weder im Flansch 22 noch in der Drehscheibe 16 noch in beiden verklemmt werden
können. Eine Erregermaschine 28,
die für die Gleichstromerregung der Wicklungen
der Pole 26 benötigt wird, ist mit der Drehscheibe 16
durch die Hohlwelle
30, die in die zentrale Kreisringöffnung 32 des Polrades
9 ragt, verbunden. Diese Kupplungswelle der Erregermaschine28 hat die Form
einer Pyramide, eines Kegels oder eines ähnlichen Gebildes mit ausreichender Verdrillungs-
und Biegungssteifigkeit. Es kann jedoch auch eine übliche massive Welle zur Kupplung
der Erregermaschine 28
benutzt werden. Der Ständer 1 der Erregermaschine
28 ist oberhalb des Polrades 9 in bekannter Weise, z. B. durch das
die Lufteintrittsöffnungen enthaltende Gerüst 31, abgestützt. Unterhalb des
Polrades 9 ist eineBremsfläche34, die mit irgendwelchen geeigneten Bremsanordnungen
35 zusammenwirkt, angeordnet, um bedarfsweise das Polrad schnell abbremsen
zu können.
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Fig. 2 zeigt das Polrad 9 eines Wasserkraftgenerators mit dem
erfindungsgemäßen Kühlluftfördersystem. Bei Verwendung der in dem Ausführungsbeispiel
gezeigten zentralen Kreisringöffnung 32 son die Drehmomentübertragung von
der Welle 17 und dem Flansch 22 her auf das Polrad 9 nicht nur über
die entsprechende ringförnüge untere Stirnwand 43, die auf dem Traglager 12 liegt,
erfolgen, sondem auch über sämtliche weiteren Kreisringplatten 21, die weiter von
dem Traglager 12 entfernt sind, beispielsweise die obere Stimwand 42 des Armkreuzes.
Durch die Erfindung wird die Drehmomentübertragung auf beide Kreisringplatten 21
durch die, gebogenen Ab-
schnitte 37 der Stege 20 übertragen, die als
senkrechte Platten 37 a nach Fig. 2 durch den Flansch 22 miteinander verbunden
sind. Diese Abschnitte 37 sind vorzugsweise in Richtung der Polraddrehung
gekrümmt, um so die Beschleunigung der Kühlluft nach außen zu unterstützen. Die
übrigen Abschnitte 39 der Stege 20 können im wesentlichen radial verlaufen,
wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dargestellt, sie können jedoch auch eine
andere Form erhalten,
die den mechanischen Kräften am besten Rechnung
trägt. Die notwendige Drehmomentübertragung von dem nach innen weisenden Flansch22
auf die weiteren Kreisringplatten21, z.B. auf die obere Stirnwand42 des Armkreuzes,
wird durch die gekrümmten Abschnitte 37 gesichert, wobei sämtliche Kreisringplatten
21 einen Anteil des Antriebsmomentes auf das Polradblech 4a übertragen. Die gekrümmten
Abschnitte 37 sind, soweit die Drehmomentübertragung betroffen ist, einemununterbrochenenKragen
gleichwertig.
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Dadurch, daß jede zentrale Überfüllung durch eine drehende Welle oder
einen ununterbrochenen drehmomentsteifen Kragen vermieden ist, stehen nicht nur
freie Lufteintrittsöffnungen 40 zu den spiralförmigen Kanälen 41, in die das Armkreuz
durch die Stege 20 und Kreisringplatten 21 aufgeteilt ist, zur Verfügung, sondern
dadurch wird außerdem die Steifigkeit des Annkreuzes gegen Verdrillung und andere
Belastungen erhöht. Eine ständige Drehmomentbeanspruchung wird auf die Stege 20
übertragen, weil die Wasserturbine ihr Drehrnoment der Welle 17 mitteilt,
während das Polrad 9 unter dem Einfluß der elektrodynamisehen Belastung steht.
Diese Beanspruchungen haben eine geringe Verdrehung zwischen den beiden unteren
und oberen Stirnwänden 42 und 43 des Polrades 9
zur Folge. Gekrümmte Polradarrne
sind derartigen Verdriflungsbeanspruchungen jedoch durchaus gewachsen, selbst wenn
sie aus dünnerem Material hergestellt sind als die vorher erwähnten, sich völlig
eben radial erstreckenden Polradarine.
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Die obere Stirnwand 42 ist entlang der Linie 44 nach Fig. 2 aufgeschnitten,
um die spiralförmigen Kanäle 41 und die ebenfalls spiralig gewölbten Stege 20 sowie
die den Lufteintritt seitlich begrenzenden Enden 45 dieser Stege 20, die außerdem
auch die vorher erwähnte zentrale Kreisringöffnung 32 begrenzen, deutlicher
zeigen zu können.
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Die einzelnen Polradblechpakete 46 sind in an sich bekannter Weise
so aufgebaut, daß, wie dies in Fig. 1
angedeutet wurde, eine Anzahl von Kühlluftkanälen
47 vorhanden ist, die radial durch die lagenweise geschichteten Polradbleche 4
a in die Räume 48 zwischen den einzelnen Polen 26 führen. Während
des Umlaufens des Polrades 9 strömt deshalb die Kühlluft aus der zentralen
Kreisringöffnung 32 in die Lufteintrittsöffnungen 40 und wird von dort aus
radial nach außen durch die spiralförmigen Kanäle 41 unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft
der innerhalb der Kanäle 41 rotierenden Luft sowie der Blaswirkung der spiraligen
Stege 20 gedrückt.
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Die Luft verläßt dann die zu Teilblechpaketen 4b zusammengefaßten
Polradbleche 4a durch die Kühlluftkanäle 47 und tritt dann bei 49 zwischen die Pole
26. Einige der Pole 26 sind in der Darstellung aus ihren zugehörigen
schwalbenschwanzförmigen Nuten 27 gelöst und fortgelassen worden, um den
Austritt der Luft aus den Kühlluftkanälen 47 besser darstellen zu Können. Die Strömungsrichtung
der Luft ist durch die Pfeile 49a angedeutet. Danach wird die Kühlluft gezwungen,
aus den Kühlluftkanälen 47 zu entweichen, die ähnlich geformt auch in dem Blechpaket
4 vorhanden sind (s. Fig. 1). Das benötigte Druckgef älle für diesen gewünschten
Strömungsverlauf wird auch durch zusätzliche Lüfterflügel 50 erzeugt, die
in axia- i ler Richtung fördern und an den ringförmigen Segmenten der Windhaube
56 so befestigt sind, daß sie die freien Räume 48 zwischen den Polen
26 stirnseitig abdecken. Auf diese Weise wird die erzielte aerodynamische
Wirkung (s. Pfeile 51 a) der Lüfterflügel 50
ungemindert
erhalten, und ein Austritt der vom Innern des Polrades 9 herkommenden Kühlluft
aus dem Spalt zwischen dem Pokad 9 und dem Ständer 1 ist verhindert.
Die Lüfterflügel 50 bestehen nach Fig. 2 aus gebogenen Blechen, deren Vorderkanten
in Richtung auf ihre konkaven Oberflächen abgebogen sind, so daß der zentrifugale
Kühlluftzustrom entlang dieser Vorderkanten abgelenkt wird, falls ein Teil desselben
in axialer Richtung entweichen will.
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Der gesamte Kühlluftstrom der im Kreislauf geführten Luft ist, wie
bereits erwähnt, in Fi 'g* 1 durch die Pfeile 51 angedeutet und kommt
von der oberen Stirnwand 42 des Polrades 9 her in die zentrale Kreisringöffnung
32, strömt von dort durch die spiralförmigen Kanäle 41, durch die Kühlluftkanäle
47 des Polrades 9 und des Ständerblechpaketes und von dort in nicht dargestellte
Rückkühler, um anschließend wieder zu dem Polrad 9 über die Wickelköpfe unterhalb
des Einlaßgitters zurückzukehren. Dieser im Kreislauf strömende Kühlluftstrom wird
ergänzt durch den kleinen Strom, der entsprechend den Pfeilen 51a stirnseitig in
die freien Räume zwischen den Polen infolge der diese freien Räume 48 abdeckenden
Lüfterflügel 50 axial nach innen gesaugt wird. Da große Wasserkraftgeneratoren
im wesentlichen Maschinen mit sehr niedriger Drehzahl sind, wird die geringe Vergrößerung
des Aufwandes an Belüftungseinrichtungen, wie ihn die Konstruktion des eben erwähnten
Axialgebläses darstellt, reichlich wettgemacht durch die höhere Belastbarkeit der
Maschine im Hinblick auf die verbesserte Kühlung derselben.
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Da unterhalb des Gerüstes 31 ein völlig ausreichender Strömungsquerschnitt
zur Verfügung steht, erübriaen sich besondere Anordnungen zur Einführung der von
außen kommenden Kühlluft, und der Kühlluftkreislauf bleibt eng mit der Maschine
verknüpft. Da der Kühlluftstrom im wesentlichen von oben her in die Maschine gelangt,
werden beispielsweise Kühlluftkanäle, wie sie an einer durchzugsbelüfteten Maschine
nötig sind und die die Kühlluft von der Turbinengrube 2 aus in das Polrad
9 leiten, nicht mehr benötigt, so daß sich die Bauweise der Wände
3 vereinfacht und Turbine sowie Generator näher zusammenrücken. Diese erfindungsgemäße
Konstruktion erlaubt sogar 4as Abfangen des Polradgewichtes auf der Ab-
deckung
der Wasserturbine, wobei lediglich auf die Zugänglichkeit der Wasserturbine zwecks
Wartung Rücksicht zu nehmen ist. Durch die geschilderte Erfindung wird also auch
in weiterer Hinsicht eine besondere Wirtschaftlichkeit erzielt. So verbilligt sich
einmal der Bau des Kraftwerksgebäudes, und zum anderen wird der Bedarf an geschmiedetem
Wellenmaterial eingeschränkt; denn die übliche Kupplungswelle zur Erregermaschine
28 ist durch die Hohlwelle 30 ersetzt, und als Welle 17 des
Generators kann die Turbinenwelle selbst dienen.
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Nach Fig. 1 besteht die wichtige Eigenschaft eines Schirmpolrades
darin, daß die Pole im wesentlichen unterhalb der Ebene des Arnisternes liegen,
so daß die Resultierende aus irgendwelchen elektromagnetisehen oder mechanischen
Kräften, die nicht im Gleichgewicht sind, unterhalb des Traglagers 12 verläuft und
die dynamische Stabilität der Maschine während des Betriebes nicht beeinträchtigt
wird. Die wesentliche Forderung der Schirm-Bauweise lautet also: Rücke das Polrad
9 und das Traglager 12 auf der Welle 17
möglichst
nahe zusammen und veringere dabei den vom Traglager 12 aus gemessenen Hebelarm der
Polradkräfte. Durch die Erfindung wird diese geforderte Verkürzung der zwischen
dem Traglager 12 und dem Polrad 9 liegenden Wellenlänge nicht nur durch die
Kupplung von Polrad 9 und Drehscheibe 16 bei 33
(s. Fig.
3) erreicht, sondern durch die Erfindung wird auch eine beträchtliche Durchmesservergrößerung
des Traglagers 12 und damit ebenfalls eine Erhöhung der Stabilität gegen das von
dem überhängenden Polrad resultierende Biegemoment erzielt.
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Der verhältnismäßig große Durchmesser des Traglagers 12 wird durch
die Verwendung der Drehscheibe 16 ermöglicht, die ihrerseits aus einer Stahlplatte
durch das Flammenschneiden geschnitten werden kann und deren Gestaltung nicht durch
irgendwelche schmiedetechnischen Erwägungen beeinträchtigt wird. Die einzjclnen
Bestandteile des Traglagers 12 und des Führungslagers 19 sind so angeordnet,
daß sie zwecks Wartung durch die äußere Wand 14 des ölbehälters 13 herausgenommen
werden können, so daß also auch in dieser Hinsicht die enge Verbindung zwischen
Generator und Turbine erlaubt ist und ein in axialer Richtung gedrängt gebauter
Generator geschaffen wird, der sogar dann noch stabil läuft, wenn er von der Welle
17 gelöst wurde, um als Phasenschieber zu arbeiten.
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Eine geringfügige Ergänzung der eben geschilderten Konstruktion ermöglicht
eine wertvolle Verstärkung der Kühlung der Erregermaschine 28, wobei lediglich
eine einfache Abdeckung 53 vorgesehen ist, in die von unten her Eintrittsöffnungen
54 führen. Diese Eintrittsöffnungen 54 lassen das Ansaugen eines Teiles der entsprechend
den Pfeilen 51 im Kreislauf geführten Kühlluft zu, wie dies durch die Pfeile
51 b gezeigt ist. Da der durch die Pfeile 51 b gekennzeichnete
abgeteilte Zweig des Kühlluftstromes im Kreislauf rückgekühlt ist, wird eine Verunreinigung
der Erregermaschine 28 durch den etwa von Frischluft mitgerissenen Staub
ausgeschaltet. Im anderen Fall könnte die erforderliche Belüftung der Erregermaschine
28 durch außenliegende öffnungen bei 54 a der Abdeckung
53
erfolgen.
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Obwohl mit der erfindungsgemäßen Konstruktion unter Zugrundelegung
einer Umlaufkühlung nach den Fig. 1 und 2 die besten Ergebnisse erzielt werden,
so ist doch auch der Fall zu berücksichtigen, daß die aus dem Ständer
1 kommende erwärmte Luft im Winter zur Heizung der Kraftwerksräume benötigt
wird und durch entsprechende Kanäle in dem oberen Teil des Generators abgeführt
wird. Es ist deshalb zweckmäßig, eine Durchlaufkühlung vorzusehen, bei der die Polradkühlluft
von den Kraftwerksräumen aus durch Eintrittsöffnungen 54 a in die Maschine
eintritt und dieselbe durch Kanäle verläßt oder aber die Kühlluft durch Kanäle sowohl
ein- als auch austritt.
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Soll ein Generator in Schirm-Bauweise in ein Wasserkraftwerk eingebaut
werden, dessen Belüftung von unten nach oben verläuft, wobei die Kühlluft in die
Turbinengrube 2 eintritt und durch das Polrad 9 sowie den Ständer
1 in das Kraftwerksgebäude entweicht, so kann die erfindungsgemäße Konstruktion
durch eine einfache Abwandlung, wie sie die Fig. 4 und 5
wiedergeben, auch
diesen Verhältnissen angepaßt werden. Da in einem von der Turbinengrube 2
her belüfteten Generator die oberhalb des Traglagers 12 liegenden Lufteintrittsöffnungen
40 nicht erforderlich sind, können die spiraligen Abschnitte 37 der Stege
20 durch einen durchgehenden Kragen aus untereinander gleichen Platte-n 37a ersetzt
werden, die senkrecht an den stützenden Stegen 20 um die zentrale Kreisringöffnung
32 herum befestigt sind und so die notwendige Drehmomentübertragung zwischen
dem nach innen weisenden Flansch 22 und der Kreisringplatte 21 an der oberen Stimwand
42 des Polrades 9
übernehmen. Die luftansaugende Wirkung der freien Abschnitte
37 der Stege 20 wird jetzt nach den Fig. 4 und 5 durch in ähnlicher
Weise spiralig gekrümmte Flügel 37b erzielt, die im unteren Bereich des Polrades
9 befestigt sind und den gewünschten Auftrieb der Kühlluft erzeugen. Die
hierfür benötigten Lufteintrittsöffnungen 40a werden nach Fig. 4 durch Entfernen
bestimmter Kragenabschnitte 52 (s. Fig. 1) aus der unteren Stirnwand
43 des Armstemes geschaffen. Die Richtung des Kühlluftstromes verläuft anschließend
im wesentlichen radial wie in dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel und ist
in Fig. 4 durch die Pfeile 51 c gekennzeichnet.
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Wie in den vorher geschilderten Ausführungsbeispielen der Erfindung
so wird auch hier die erforderliche Drehmoment:übertragung von dem mit der Drehscheibe
16 gekuppelten Flansch 22 auf die spiralig abgestützte Kreisringplatte 21
(nach dem Beispiel. gemäß Fig. 4 ist es die un#tere Stimwand 43 a) durch die Krümmungen
der spiraligen Elemente durchgeführt. Eine derartige spiralige Ausbildung der unteren
Stegabschnitte 25 a genügt, um eine völlig ausreichende Luftförderung
zu bewirken, un dies sogar dann, wenn sie an der dem Traglager 12 zugewandten Stirnwand
43 a des Polrades 9 befestigt sind, wie es Fig. 4 zeigt. In manchen
Fällen kann es zweckmäßig sein, gekrümmte Eintrittsschaufeln an der oberen Stimwand
42 des Polrades 9 oder auch an beiden Stirnwänden 42, 43 bzw. 43 a vorzusehen
und nicht nur an der unteren Stimwand 43 bzw. 43 a nach Fig. 44. Darüber hinaus
kann jede beliebige Anzahl von Kreisringplatten 21 zwischen den beiden den Armstem
abdeckenden Stimwänden 42 und 43 angeordnet werden, und auch der durchgehende Kragen,
den die senkrecht zu den Stegen 20 befestigten Platten 37a bilden, kann jede beliebige,
zur Drehmoinentübertragung geeignete Form aufweisen, also beispielsweise zylindrisch
(wie dargestellt) oder vieleckig ausgebildet sein.
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Selbstverständlich kann die Erfindung auch auf waagerecht angeordnete
Polräder angewendet werden, bei denen die Pole nicht unterhalb der Armsternebene,
sondern symmetrisch zu derselben angeordnet sind. Es ist ferner möglich, die erfindungsgemäße
Polradbelüftung auch bei Wasserkraftgeneratoren anzuwenden, deren Traglager sich
oberhalb des Polrades befindet, und in diesem Falle die Belüftung von der Polradunterseite
her durchzuführen. Um diese Belüftung zu ermöglichen, kann man ähnliche öffnungen
vorsehen, wie diejenigen, die nach Fig. 4 in der Kreisringplatte, die die untere
Stimwand 43 des Armsternes bildet, angebracht wurden, um die Kühlluft zu den Lufteintrittsöffnungen
40a gelangen zu lassen.
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Es hat sich gezeigt, daß die selbständige Drehscheibe 16, die
als Kupplungsglied zwischen dem Polrad 9 und der Welle 17 sowie der
Hohlwelle 30 dient, mit einer Auflagefläche ausgerüstet werden kann und daß
die Verwendung einer Stahlplatte zur Herstellung der selbständigen Drehscheibe
16 das früher für notwendig erachtete kostspielige Schmieden einer Drehscheibe
16 und darauffolgende Aufschrumpfen derselben auf den Flansch 18 der
Welle 17 bzw. das
Schmieden der Drehscheibe 16 aus
einem Stück mit dem Flansch 18 überflüssig macht. Dadurch braucht man nicht
wie bisher für jeden Generator einen besonderen Wellenschaft, sondern man kann nunmehr
jeweils eine Welle aus einem Besu#nd genormter Wellen aussuchen. Da das Traglager
12 jetzt nicht mehr unter dem oberen Flansch 18 zu liegen kommt, sondern
außerhalb des Flansches 18, kann der untere Flansch 18a vollständig durch
das nicht ausgebaute Traglager 12 hindurchgezogen werden, wenn die Welle
17 noch mit dem Polrad 9 verbunden ist und dieses beispielsweise zur
überholung ausgebaut wird. Da ferner die Abmessungen einer Drehscheibe, die aus
einer Stahlplatte gefertigt wird, durch Erwägungen hinsichtlich der vorhandenen
Möglichkeiten des Schmiedens nicht beeinflußt werden, stellen sich auch aus diesem
Grund die Kosten für eine solche Drehscheibe beachtlich niedrig. Der vergrößerte
Durchmesser, den eine Drehscheibe 16, die aus einer Stahlplatte hergestellt
ist, hat, erlaubt außerdem die Aufteilung der Schrauben 23, 23 a sowie des
Traglagers 12 über einen wesentlich größeren Abschnitt des Polradradius, als dies
bei bisher bekannten Konstruktionen möglich war. Dadurch werden die auf die Welle
wirkenden Biegemomente verringert, und der freie Raum für den Zugang zu den Befestigungen
sowie für Lufteinlaßöffnungen wird vergrößert, und schließlich lassen sich bei den
günstigen Platzverhältnissen handelsübliche Befestigungselemente ohne jede Sonderform
verwenden.
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Aus dem Vorangegangenen geht also hervor, daß die Erfindung auf zahlreiche,
verschieden gestaltete Polräder, wie sie üblicherweise in Wasserkraftgeneratoren
vorkommen, und zusätzlich auch auf das Polrad 9, das zur Erläuterung in der
vorliegenden Erfindung geschildert wurde, angewendet werden kann. Darüber hinaus
muß die hier geschilderte Erfindung nicht notwendigerweise auf Wasserkraftgeneratoren
beschränkt bleiben, sondern sie kann auch bei anderen Typen elektrodynamischer Maschinen
angewendet werden, wenn dies dort vorteilhaft erscheint.
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Obwohl die Zeichnung sowie die Beschreibung im lEnblick auf die bevorzugte
Ausführungsforin der Erfindung gestaltet sind und obwohl darüber hinaus die Erfindung
im Zusammenhang mit Wasserkraftgeneratoren der Schirm-Bauweise besonders vorteilhaft
ist, soll hier noch einmal betont werden, daß die Erfindung auch bei anderen Maschinen
mit vertikaler Welle ohne weiteres anzuwenden ist.
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Es sollte ferner durch die voranstehenden Ausführungen deutlich geworden
sein, daß die Erfindung ebenso vorteilhaft in zahlreichen Fällen in anderen langsam
laufenden Maschinen als Wasserkraftgeneratoren angewendet werden kann.
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Es liegt mithin durchaus im Rahmen der nachstehenden Ansprüche, daß
die Erfindung auch in anderer Weise verwirklicht wird, als im einzelnen beschrieben
ist.