DE2340821A1 - Dynamoelektrische maschine mit druckeinrichtung fuer fluessiges kuehlmittel - Google Patents
Dynamoelektrische maschine mit druckeinrichtung fuer fluessiges kuehlmittelInfo
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Description
Frankfurt/Main T, 8. August 1973 Niddastraße52 Vo/Rg
Telefon (0611) 237220 Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M.
Bank-Konto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frank'urt/M
24O2-17-QE-1837-
GENERAL ELECTRIC COMPANY
1 River Road SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.
Dynamoelektrische Maschine mit Druckeinrichtung für flüssiges Kühlmittel
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf gasgekühlte, flüssigkeitsgekühlte dynamoelektrische Maschinen und insbesondere
auf Mittel zur temporären Erhöhung des statischen Druckes in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem bei überlastzuständen
der dynamoelektrischen Maschine.
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Bei großen dynamoelektrischen Maschinen können verschiedene Teile der Maschine durch ein komprimiertes gasförmiges Kühlmittel gekühlt
werden, das in dem gasdichten Gehäuse der dynamoelektrischen Maschine enthalten ist. Andere Teile der dynamoelektrischen
Maschine können weiterhin durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlt werden, das über diese Teile geleitet wird. Beispielsweise können
die Statorwicklungen hohle, elektrisch leitende Stäbe sein, durch die ein flüssiges Kühlmittel in einem geschlossenen System umgewälzt
wird. Ein derartiges System ist in der US-Patentschrift 3 348 081 beschrieben. Ein häufig verwendetes flüssiges Kühlmittel
ist Wasser. Dabei müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen sein, damit das flüssige Kühlmittel nicht verdampft oder "siedet".
Wenn das flüssige Kühlmittel siedet, blockiert es die Strömung des flüssigen Kühlmittels durch die Leitung, woraus ein weiteres
Sieden oder Verdampfen in der Leitung resultiert, so daß das Kühlsystem "durchgeht".
Bei einigen dynamoelektrischen Maschinen wird eine Schutzeinrichtung
verwendet, um Leckagen in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem abzutasten. Eine derartige Einrichtung ist in der US-Patentschrift
2 675 493 beschrieben. Hiernach wird der Druck des
flüssigen Kühlmittels niedriger gehalten als der Druck des gasförmigen Kühlmittels, so daß, falls ein Leck auftreten sollte,
das Gas in das flüssige 'Kühlmittel strömt, anstatt daß die Flüssigkeit in die dynamoelektrische Maschine fließt. Anschließend
wird das in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem mitgerissene Gas durch ein Gasüberwachungs- und Warnsystem abgetastet. Der offensichtliche
Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß im Falle eines Lecks die Beschädigung der dynamoelektrischen Maschine auf
ein Minimum reduziert wird.
£s ist bekannt, daß in dem vorstehend beschriebenen geschlossenen
Flüssigkeits-Kühlmittelsystem der Siedepunkt des flüssigen Kühlmittels (Wasser) erhöht werden kann, indem der statische Druck
über dem Flüssigkeits-Kühlsystem angehoben wird, um dessen Wärmeabfuhrvermögen zu steigern. Ein Nachteil der Erhöhung des statischen
Druckes in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem besteht darin,
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daß die Möglichkeit eines Fehlers in den Verbindungsstücken und
-schläuchen für die Flüssigkeitsleitung vergrößert wird. Ein anderer unerwünschter Effekt bei der Erhöhung des statischen Drukkes
in dem Flüssigkeits-Kühlsystem besteht darin, daß der Gesamtdruck der Kühlflüssigkeit den Druck des gasförmigen Kühlmittels
überschreiten kann, woraus ein Verlust des oben beschriebenen Leckage-Abtastsystems resultiert. Die Alternative würde darin zu
sehen sein, den Druck des gasförmigen Kühlmittels in dem Gehäuse der dynamoelektrischen Maschine zu erhöhen, aber auch dies kann
bekannte unerwünschte Konsequenzen haben.
Die Verwendung von Leckage-Abtastsystemen erfordert deshalb, daß
der gesamte Flüssigkeitsdruck des Flüssigkeits-Kühlmittelsystems, d. h. der statische Druck und der Pumpdruck, kleiner sein soll
als der Druck des gasförmigen Kühlmittels. Es ist jedoch nicht notwendig, das Flüssigkeits-Kühlsystem kontinuierlich hinsichtlich
von Leckagen zu überwachen, und es kann während Perioden transienter Überlastungen vorteilhaft sein, den statischen Druck
des flüssigen Kühlmittels temporär zu erhöhen, selbst wenn der Gesamtdruck des flüssigen Kühlmittels den Druck des gasförmigen
Kühlmittels übersteigt. Eine derartige Erhöhung des statischen Druckes des flüssigen Kühlmittels und desh&lb des Gesamtdruckas
kann zeitweilig das Leckage-Abtastsystem unterbrechen, sie will*,:β
aber zur Erzielung einer höheren Überlastkapazität in der dynamoelektrischen Maschine führen. Da die Erhöhung des statischen
Druckes nur temporär ist, erhöht sie nicht merklich die Wahrscheinlichkeit
eines Fehlers in den Verbindungsstücken und -schläuchen des Flüssigkeits-Kühlsystems und ermöglicht eine
Erhöhung der "Nennleistung"' der dynamoelektrischen Maschine, ohne daß die dynamoelektrische Maschine vergrößert werden muß.
Ferner kann bei Beendigung der transienten überlastzustände der normale Betriebsgesamtdruck in dem Flüssigkeits-Kühlsystem wiederhergestellt
werden und dadurch das Leckage-Abtastsystem seine Funktion wieder ausüben.
Ein etwas analoges System ist in der Deutschen Patentanmeldung P 23 37 487.0 vorgeschlagen worden. Demzufolge wird die Kühl-
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kapazität des Plüssigkeits-Kühlmittelsystems während transienter überlastzustände .temporär dadurch erhöht, daß die Menge des flüssigen
Kühlmittels in dem Plüssigkeits-Kühlmittelsystem als Reaktion auf eine Überlast-Abtasteinrichtung schnell vergrößert wird..
Die erhöhte Menge an flüssigem Kühlmittel wird von einem unter Druck gesetzten "Stoßbetriebstank" geliefert, der dem oben beschriebenen
Flüssigkeits-Kühlmittelsystem hinzugefügt ist.
In der US-Patentschrift 2 970 232 ist ein unter Druck gesetztes Plüssigkeits-Kühlmittelsystem für einen gasgekühlten, flüssigkeitsgekühlten
Generator beschrieben. In dieser Patentschrift ist allgemein beschrieben, daß eine Erhöhung des Druckes des
flüssigen Kühlmittels den "Siede"-punkt des flüssigen Kühlmittels in dem System heraufsetzt. Diese Patentschrift enthält jedoch
keine Leckage-Abtastvorrichtung, noch ist sie besonders auf transiente
überlastzustände gerichtet. Weiterhin betrifft sie hauptsächlich die Sicherstellung einer adäquaten Flüssigkeitskühlung
sowohl für einen Rotor- als auch einen Statorkern, die unterschiedliche Betriebsdrucke erfordern, um eine angemessene Kühlung
aufrecht zu erhalten.
In der US-Patentschrift 3 122 668 ist eine "Anordnung zur Anzeige einer Leckage zwischen Kühlsystemen von Turbo-Generatoren" beschrieben.
Gemäß dieser Patentschrift ist das flüssige Kühlmittel öl, das mit einem gasförmigen Kühlmittel gesättigt ist; ein Teil
der Erfindung besteht darin, daß das Plüssigkeits-Kühlmittelsystem zunächst unter Druck gesetzt wird, aber der Druck des gasförmigen
Kühlmittels immer den Druck des flüssigen Kühlmittels überschreitet. Weiterhin sind keine Mittel vorgesehen, um einen
Druckanstieg während transienter überlastzustände auszulösen.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Plüssigkeits-Kühlmittelsystem zu schaffen, das auf transiente
überlastzustände der dynamoelektrischen Maschine anspricht. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Überlastkapazität
einer dynamoelektrischen Maschine ohne Vergrößerung der Maschinengröße zu erhöhen.
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Weiterhin soll die Überlastkapazität einer dynamoelektrischen Maschine erhöht und trotzdem das vorgenannte Leckage-Abtastsystem
allgemein beibehalten werden.
Diese Aufgaben werden bei einer gasgekühlten, flüssigkeitsgekühlten
dynamoelektrischen Maschine erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß Mittel zum Abtasten transienter überlastzustände und andere Mittel vorgesehen sind* um den statischen Druck im Flüssigkeits-Kühlmittelsystem
als Reaktion darauf temporär zu erhöhen. Die Erhöhung des statischen Druckes in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem
erhöht den Siedepunkt des flüssigen Kühlmittels und vergrößert dadurch das Wärmeabfuhrvermögen des flüssigen Kühlmittels.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein für das flüssige Kühl--·
mittel vorgesehener Speicher- oder Vorratstank (Teil des Kühlsystems der dynamoelektrischen Maschine) mit einem Gasversorgungstank
verbunden, der seinerseits durch eine überlast-Abtasteinrichtung
getriggert wird. Bei Auftreten eines transienten Überlastzustandes wird Gas in den Flüssigkeits-Versorgungstank freigegeben
und dadurch der statische Druck des flüssigen Kühlmittels im gesamten Flüssigkeits-Kühlmittelsystem erhöht. Wenn eine Leckage-Abtastvorrichtung
in das Flüssigkeits-Kühlmittelsystem eingefügt ist, wird es temporär außer Funktion gesetzt. Bei Beendigung der
überlast wird der Druck des flüssigen Kühlmittels auf seinen normalen
stationären Wert zurückgeführt, indem das in den Versorgungstank für das flüssige Kühlmittel freigegebene Gas entlüftet
oder abgelassen wird. Anschließend ist die Leckage-Abtastvorrichtung wieder funktionsfähig.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt eine Seitenansicht von einer gasgekühlten, flüssigkeitsgekühlten dynamoelektrischen Maschine mit einer schematischen
Darstellung eines Flüssigkeits-Kühlmittelsystems, das
gemäß der vorliegenden Erfindung hinzugefügt ist.
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Die Zeichnung zeigt eine dynamoelektrische Maschine, wie bei- ·
spielsweise einen Turbinengenerator 11, mit einem gasdichten Gehäuse 12, in dem ein Statorkern 13 angeordnet ist. Der Statorkern ist mit einer axialen Bohrung 14 versehen, in der der Generatorrotor
15 angeordnet ist. Das Generatorgehäuse ist durch die Einführung eines gasförmigen Kühlmittels (gewöhnlich" Wasserstoff)
durch einen Gaseinlaß 16 gasgekühlt, der an dem einen Ende mit dem Innenraum des Generatorgehäuses in Verbindung steht und an
dem anderen Ende mit einer nicht gezeigten Gasversorgung verbunden
ist.
Hohle, elektrisch und fluidisch leitende Statorstäbö 17 sind in
axialer Richtung in den im Statorkern ausgebildeten Nuten angeordnet und enden an jedem Ende in Wickelköpfen 19· Die Wickelköpfe
sind ebenfalls fluidisch und elektrisch leitend und sind strömungsmäßig mit einem Einlaßring 21 und einem Auslaßring 23
für flüssiges Kühlmittel durch Schlauchverbindungen 24 verbunden.
Es stehen auch andere Plüssigkeits-Kühlmittelsysteme für den Statorkern zur Verfügung, die sich für die vorliegende Erfindung
eignen. Gasförmiges Kühlmittel wird durch das Generatorgehäuse durch zwei Gebläse bzw. Lüfter 25 umgewälzt, die auf dem Generatorrotor
befestigt sind, und das Gas wird durch Wärmetauscher 27 gekühlt, die an jedem Ende des Generatorgehäuses angeordnet sind.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Stand der Technik und kann durch bekannte Mittel variiert werden.
Plüssiges Kühlmittel (normalerweise Wasser) wird dem Generator in folgender Weise zugeführt, die durch die Strömungsrichtungspfeile
beschrieben und dargestellt ist. Ein Speichertank 31 für flüssiges Kühlmittel, der normalerweise zu zwei Drittel gefüllt ist,
wird durch eine Einlaßleitung 32 und ein Ventil 33 mit Wasser
versorgt, die mit einer nicht gezeigten Wasserversorgung in Verbindung steht. Das Wasser wird von dem Speichertank mittels einer
Pumpe 35 durch einen Wärmetauscher 37 gepumpt, der durch Flußwasser gekühlt sein kann. Anschließend können dann wasserreinigende
Elemente, wie beispielsweise Filter, Desionisierer oder Entmineralislerer, in das System eingefügt sein, wenn dies erfor-
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derIich ist. Schließlich tritt die gepumpte Kühlflüssigkeit in
die Einlaßseite des Generators ein, die mit dem Einlaßring 21 für das flüssige Kühlmittel in Verbindung steht. Am Auslaßende
des Generators wird das Wasser, das durch den Statorkern (Statorstäbe) und in den Auslaßring 23 geflossen ist, aus dem Generator
heraus zum Speichertank transportiert.
Ein bekanntes Leckage-Abtastsystem kann folgendermaßen aufgebaut
sein. Für den Betrieb ist es erforderlich, daß der Druck des gasförmigen Kühlmittels auf der Innenseite des Generatorgehäuses
höher ist als der Gesamtdruck des. flüssigen Kühlmittels. Eine Möglichkeit, den Gasdruck höher zu halten als den Flüssigkeits-Gesamtdruck,
besteht in der Anordnung eines Druckdifferenzreglers 39, der eine obere Kammer 39a und eine untere Kammer 39b umfaßt,
die durch eine Membran 41 getrennt sind, welche durch eine zusammengedrückte
Schraubenfeder 43 vorgespannt ist. Von dem Generatorgehäuse
wird gasförmiges Kühlmittel in die obere Kammer eingeführt, während flüssiges Kühlmittel von dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem
in die untere Kammer geleitet wird; dem Druck des gasförmigen Kühlmittels wirkt der konstante Federdruck, der auf
die Membran ausgeübt wird, und der Oesamt^ruck des flüssigen
Kühlmittels entgegen. Wenn der Flüssigkeits-Gesamtdruck zunimmt,
wird dadurch das Ventil 45, das mit dem Druckregler zusammenwirkt,
angehoben und flüssiges. Kühlmittel strömt heraus, das durch eine Rückleitschleife zum Speichertank zurückgeführt wird,
wodurch der Flussigkeits-Gesamtdruck abnimmt.
Der Speichertank 31 umfaßt ein Ventil 49 mit einem Verschlußteil
51, das derart angeordnet ist, daß es in Funktion tritt, wenn der Speichertank unter Druck gesetzt wird. Zusätzlich kann
eine nicht gezeigte Gasauslaßeinrichtung vorgesehen sein, die
mit dem Speichertank und der Entlüftung in Verbindung steht, um nötigenfalls komprimiertes Gas aus dem Speichertank entweichen
zu lassen. Ferner befindet sich in dem Speichertank ein Auslaß oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, der zu dem Gasüberwachungsund
Warnsystem führt. Wenn ein Leck auftritt, entweicht gasförmiges Kühlmitte? aufgrund der Druckdifferenzen in das Flüssig-
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keits-Kühlsystem und dann wird das mit Gas durchsetzte flüssige
Kühlmittel in dem Gasüberwachungs- und Warnsystem untersucht,
das schematisch in der Weise gezeigt ist, daß es den Plüssigkeits-Speichertank abtastet. Wenn das Leck festgestellt worden
ist, können Schritte zur Reparatur unternommen werden.
Im'Zusammenhang mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau einer
dynamoelektrischen Maschine umfaßt die vorliegende Erfindung ferner Mittel, um überlastzustände der dynamoelektrischen Maschine
festzustellen, und auf den festgestellten überlastzustand ansprechende Mittel, um den statischen Druck in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem
zu erhöhen und dadurch dessen Vermögen zu steigern, zusätzliche Wärme zu absorbieren und abzuweisen, ohne daß
ein Sieden in dem System entsteht. Das System kann durch mechanische Mittel unter Druck gesetzt werden, wie beispielsweise eine
Kolbenkraft, die auf das Plüssigkeits-Kühlmittelsystem wirkt. Das .bevorzugte Ausführungsbeispiel ist jedoch in Form eines Gastanks
55, der mit dem Speichertank in Verbindung steht. Während der Perioden eines fehlerhaften Betriebes setzt der Gastank den Vorratstank
unter'Druck und demzufolge wird der statische Flüssigkeitsdruck
an jedem Punkt in dem Flüssigkeits-Kühlmittelsystem um den gleichen Betrag erhöht. Da sich der Druck in gleicher
Weise über das gesamte System verteilt, braucht die Pumpkapazität nicht verändert zu werden.
Die Komprimierung des Gases kann bei Anzeige von transienten überlastzuständen in der dynamoelektrischen Maschine manuell
gesteuert werden, beispielsweise durch einen Operateur. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
erfolgt jedoch wiederum die Komprimierung des Flüssigkeits-Kühlmittelsystems
automatisch auf ein Signal von einer Abtasteinrichtung hin, die den überlastzustand abtastet. Eine derartige
Abtasteinrichtung kann temperaturempfindlich sein, wie beispielsweise eine Anzahl von Thermoelementen, die am Auslaßende von
jedem Stab angeordnet und durch ein Kästchen 57 niit der Inschrift
"Temp." bezeichnet sind. Die Thermoelemente liefern ein entsprechendes Signal an ein Ventilbetätigungsglied 59, das
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mit einem Steuerventil 61 auf dem Gastank verbunden ist. Die
Signalverbindungen sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Abtasteinrichtung kann auch elektrisch auf überströme an-,sprechen,
wie sie in einem Ankerstrom-Transformator 65 abgetastet
werden, von dem ein Signal zum Ventilbetätigungsglied 59 geschickt
wird.
Neben der Steuerung des Ventiles 6l auf dem Gastank 55 kann das
Ventilbetätigungsglied 59 auch zur Steuerung eines Ventiles 67 in der Rückleitschleife und des Verschlußgliedes 51 in der Entlüftung
49 des Speichertanks für das flüssige Kühlmittel benutzt
werden. Beim öffnen des Gastankventils 6l kann das Ventilbetätigungsglied
wirksam werden, um das Ventil 67 und das Verschluß-« element 51 zu schließen.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine sollte in Anbetracht der vorstehenden Beschreibung
und der Zeichnung klar sein. Um die Erfindung noch weiter darzustellen und zu erläutern, sei angenommen, daß die Kühlflüssigkeit
Wasser ist. Unter normalen, stationären Betriebsbedingungen tritt das Wasser aus der dynamoelektrischen Maschine bei etwas
mehr als Atmosphärendruck (1,03 kg/cm absoluter Druck) und 80 0C aus. Unter diesen Bedingungen siedet das Wasser bei 100 0C.
Wenn jedoch der Druck des Systems auf einen absoluten Druck von 2,75 kg/cm (39,2 psia) erhöht wird, siedet das Wasser bei 130 0C.
Da das Wasser bei 46 0C eintritt, würde dies eine Zunahme der
Überlastkapazität von etwa fl30 - 46 Λ 1 Ληη cc <z darstellen.
[lOO - 46 1J 1UU " 55 k
Das System gemäß der Zeichnung arbeitet unter normalen Bedingungen
so, daß der Gasdruck höher als der gesamte Flüssigkeitsdruck an irgendeinem Punkt ist, wie er durch den Druckregler 39
bestimmt wird. Wenn überlastzustände auftreten, wird dies durch die Temperaturabtastmittel (Thermoelemente) oder durch die elektrische
Abtasteinrichtung festgestellt, die den Ankerstromtransforrnator überwacht. Dann wird ein elektrisches Signal von einer
dieser Abtastvorrichtungen zum Ventilbetätigungsglied geschickt,
wodurch Gas den Speichertank für das flüssige Kühlmittel unter
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Druck setzt, während das Ventil 67 und die Entlüftung 49 geschlossen
werden. Unter diesen Bedingungen ist das Lecküberwachungssystem unterbrochen. Das System bleibt während des überlastzustandes
unter Druck gesetzt, und bei Wiederherstellung des normalen stationären Betriebes wird das komprimierende Gas von
dem System abgelassen und das Lecküberwachungssystem nimmt seine Punktion wieder auf.
Selbstverständlich sind im Rahmen der hier gegebenen technischen Lehren Abwandlungen des bevorzugten Ausführungsbeispieles möglich.
Derartige Abwandlungen können beispielsweise beinhalten, daß das System für einen flüssigkeitsgekühlten Rotor angepaßt wird oder
der Speichertank, wenn es erforderlich ist, und die dynamoelektrische Maschine von der gleichen Gasquelle unter Druck gesetzt
werden.
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Claims (7)
1. Dynamoelektrische Maschine mit einem gasdichten äußeren
Gehäuse, das mit einem gasförmigen Kühlmittel gefüllt ist, und mit Maschinenteilen, die flüssigkextsgekühlt sind,
wobei während normaler stationärer Betriebszustände der Druck des gasförmigen Kühlmittels größer als der Druck
des flüssigen Kühlmittels ist, gekennzeichnet durch Mittel (57J 65) zum Abtasten von überlastzuständen
in der dynamoelektrischen Maschine und mit den Abtastmitteln zusammenarbeitende Mittel (55, 59» 6l)>
durch die das flüssige Kühlmittel während Perioden transienter überlastzustände
temporär unter Druck setzbar ist.
2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß die Abtastmittel (57) temperaturempfindlich sind.
3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die temperaturempfindlichen
Abtastmittel eine Anzahl von Thermoelementen umfassen, die an dem Auslaßende für das flüssige Kühlmittel der
dynamoelektrischen Maschine argeordnet sind.
4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß die Abtastmittel (65) auf elektrischen Strom ansprechen.
5. Dynamoelektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,
daß ferner ein Plüssigkeits-Kühlmittelsystem mit einem Speichertank (31) für das flüssige Kühlmittel, einem
Wärmeaustauscher (37)» der mit dem Speichertank (31) für das flüssige Kühlmittel in V_erbindung steht, und einer
Pumpe (35) vorgesehen ist, die das flüssige Kühlmittel nach und von dem Speichertank, Wärmetauscher und den Maschinenteilen
pumpt.
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6. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 5> dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel, die das
flüssige Kühlmittel unter Druck setzen, einen Gasversorgungstank (55) umfassen, der mit dem Plüssigkeits-Speichertank
(31) in Verbindung steht und funktionsmäßig zu den Abtastmitteln gehörig ist.
7. Dynamoelektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet,
daß die flüssigkextsgekühlten Teile der dynamoelektrischen Maschine Statorstäbe (17) sind.
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