DE315791C - - Google Patents

Description

Bei umlaufenden Maschinenteilen, welche von Gasen, beispielsweise Kühlluft, durchströmt werden, hat man bisher keinen besonderen Wert auf die Verhältnisse gelegt, unter denen der Austritt des Gases aus dem Läufer erfolgt, sondern begnügte sich im allgemeinen damit, das Gas in radialer Richtung möglichst ungehindert austreten zu , lassen, indem man lediglich für ausreichende Querschnitte der Luftwege sorgte und plötzliche Richtungsänderungen und sonstige Widerstände dieser Luftwege nach Möglichkeit vermied. .

Im folgenden soll jedoch an Hand der Zeichnung gezeigt werden, daß gemäß der Erfindung derartige Einrichtungen bezüglich Leistung und Wirtschaftlichkeit ohne durchgreifende konstruktive Abänderungen erheblich verbessert werden können. Der Einfachheit halber soll im folgenden nur von Luftkühlung die Rede sein, obwohl sich die Erfindung nicht auf solche beschränkt, sondern ebenso auch jedes andere Gas verwendet werden kann.

Fig. ι stellt im Querschnitt, Fig. 2 im Längsschnitt den umlaufenden Teil einer beliebigen Maschine dar. Dieser Läufer soll beispielsweise mit Luft gekühlt werden. Zu diesem Zwecke sind, wie insbesondere auch die Fig. 2 zeigt, in dem Läuferkörper 1 Achsialkanäle 2 vorgesehen, in die die Kühlluft, wie die Pfeile andeuten, von den Stirnseiten des Läufers her eintritt, während sie, wie die Fig. 1 auf der rechten Hälfte zeigt, nach Durchströmen der Achsialkanäle durch radial gerichtete Ausströmkanäle 3 ins Freie gelangt.

Die Richtung, unter der die Luft den Läufer tatsächlich verläßt, ist jedoch nicht ebenfalls radial, sondern ergibt sich aus folgender Überlegung: Untersucht man die Kräfte, unter deren Einwirkung ein aus dem Ausströmkanal eben austretendes Teilchen der Kühlluft steht, so wird man feststellen, daß dieses Teilchen zunächst unter der Einwirkung" der Drehung des umlaufenden Teiles 1 eine Umfangsgeschwindigkeit annimmt, welche in tangentialer Richtung im gleichen Sinne wie die Drehrichtung wirkt und die nach Richtung und Größenordnung durch die Komponente U₂ in Fig. 1 rechts gegeben sein mag. Ferner wird das Kühlluftteilchen aber auch unter der durch die Umdrehung bewirkten Ventilation bestrebt sein, den radialen. Ausströmkanal 3 in radialer Richtung zu verlassen mit einer Geschwindig-" keit, die nach Richtung und Größenordnung durch die Komponente W₂ der Fig. 1 rechts gegeben sein mag und als Relativgeschwindigkeit bezeichnet wird. Sie ist gleich derjenigen. Geschwindigkeit, mit der die Kühlluft den radialen Ausströmkanal 3 verlassen würde, wenn man bei stillstehendem Läufer die gleiche Luftmenge mit der gleichen Geschwindigkeit durch die Luftwege hindurchtreiben würde wie beim normalen Betrieb. Der Größenordnung nach wird W₂ im allgemeinen gleich M₂ sein, zum mindesten wird.

der Unterschied zwischen beiden, wenn nicht erhebliche Widerstände in den Luftwegen des Läufers eine Drosselung bewirken, nur sehr gering sein, so daß die beiden Geschwindig'-keiten für die nachfolgenden Betrachtungen ohne erheblichen Fehler einander nahezu gleich gesetzt werden können. In der Zeichnung ist dementsprechend W₂ nur um ein geringes kleiner als U₂ gezeichnet.

ίο Unter dem gleichzeitigen Einfluß der Umfangsgeschwindigkeit Ji₂ und der Relativgeschwindigkeit W₂ wird das austretende Luftteilchen eine absolute Geschwindigkeit annehmen, die nach Richtung und Größenordnung durch die Resultierende C₂ gegeben ist.

Diese Resultierende C₂ wird, solange die

beiden Komponenten M₂ und W₂ einen rechten oder einen spitzen Winkel bilden, stets größer sein als jede der Komponenten. Würden die beiden Komponenten einen stumpfen Winkel miteinander bilden,. so würde die Resultierende kleiner ausfallen, und zwar um so kleiner, je stumpfer der Winkel ist, unter dem die Komponenten . M₂ und W₂ zueinander stehen.

Da die Umfangsgeschwindigkeit U₂ im Sinne der Drehrichtung wirkt, müßte somit die Relativgeschwindigkeit W₂ entgegengesetzt der Drehrichtung wirken.

Konstruiert man, wie auf der rechten Seite der Figvi, auch für diesen Fall das Parallelogramm der Geschwindigkeiten für ein den schrägen Austrittskanal 4 eben verlassendes Kühlluftteilchen, und zwar unter der Voraussetzung, daß Luftmenge, Umfangsgeschwindigkeit und Relativgeschwindigkeit der austretenden Kühlluft ihrer Größenordnung nach gleich den entsprechenden Werten des ersten Falles sind, so ergibt sich das auf der linken Seite der Fig. 1 gezeichnete Diagramm. . In diesem Falle ist die Richtung der Umfangsgeschwindigkeit M₂ wie im ersten Falle tangential und im gleichen Sinne wirkend wie die Drehrichtung. Die Relativgeschwindigkeit W₂ erhält infolge der schräg, entgegengesetzt der Drehrichtung geneigten Lage des Ausströmkanals 4 die aus dem Diagramm ersichtliche, nahezu tangentiale, dem Drehsinn entgegengesetzte Richtung. Aus den Komponenten M₂ und W₂ ergibt sich in diesem Falle die. Resultierende c'₂.

Wie die Figur ohne weiteres zeigt, ist die Resultierende c'₂ auf der linken Seite der Fig. ι ganz wesentlich kleiner als C₂ auf der rechten Seite der Figur. Zum Vergleich sind die beiden Diagramme in Fig. 3 noch einmal, bezogen auf denselben Koordinaten-Anfangspunkt, herausgezeichnet,. M₂ stellt auch hier wieder die Umfangsgeschwindigkeit, W₂ die in beiden Fällen der Größenordnung nach gleiche Relativgeschwindigkeit und C₂ und c'₂ die entsprechenden Resultierenden dar. Da bekanntlich die Ventilationsarbeit bei gleichem U₂ proportional der in der Umfangsrichtung' wirkenden Komponente der abso- ^C5 luten Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmittels ist und da im vorliegenden Fall jene Komponente um so kleiner wird, j e kleiner die zugehörige Geschwindigkeit ist, so sind in Fig. 3 die Strecken A-B und A-C ein direktes Maß für den Arbeitsaufwand. Da. in

dem dargestellten Falle -τ~ΐ· — ~— ist, ist ' ⁶ A-B_: 4,15

hier die Ventilationsarbeit, welche bei der in Fig. ι links dargestellten Schräglage der Austrittskanäle 4 aufzuwenden ist, nur 18 Prozent derjenigen Ventilationsarbeit, welche bei radialer Richtung der Austrittskanäle 3, wie sie die rechte Seite der Fig. 1 zeigt, bei. gleicher Luftmenge, Luftgeschwindigkeit und gleichen Widerständen aufzuwenden wäre.

Aus der linken Seite der Fig. 1 folgt ohne weiteres, daß die Resultierende c'₂ um so kleiner wird, je mehr sich die Richtung der Komponente W₂ der durch ihren Anfangspunkt gelegten Tangente nähert. Es ergibt sich ferner, daß gleichzeitig hiermit die Richtung der Resultierenden c'₂ sich mehr und mehr der radialen Richtung nähert. Diese Annäherung findet jedoch eine Grenze, die durch die konstruktiven Bedingungen bestimmt wird.

Diese theoretische Erkenntnis läßt sich erfindungsgemäß vorteilhaft zur Verminderung der Ventilationsarbeit bei umlaufenden Maschinenteilen der verschiedensten Art praktisch verwerten. Von den möglichen Anwendungsgebieten sollen im folgenden des Beispiels halber nur zwei erwähnt werden. So könnte man die in Fig. 1 dargestellte Anordnung beispielsweise so durchbilden, daß sie zur Kühlung einer Maschine mit umlaufendem Kolben benutzt werden kann.

Aber auch für die Kühlung elektrischer Maschinen ist die Anordnung mit besonderem Vorteil verwendbar. Fig. 4 zeigt ein solches Anwendungsbeispiel für den umlaufenden Feldmagneten einer elektrischen Maschine, bei der die Wicklung durch zahnförmige Spulenhalter, die mit verbreiterten Füßen in Nuten des Läuferkörpers befestigt sind, gegen.die Wirkungen der Fliehkraft festgehalten werden, wobei diese Spulenhalter sämtlich oder zum Teil mit achsialen Kanälen zur Durchführung von Kühlluft versehen sind! Läuferanordnungen dieser oder ähnlicher Art zeigen beispielsweise die Patentschriften 180448 und 285029.

In Fig. 4 bedeutet 5 den Läuferkörper eines umlaufenden Feldmagneten der oben erwähnten Art. ■ In demselben sind Nuten 6 vorgesehen, die von den Zähnen 7 beidersei-

tig begrenzt sind. In diese Nuten 6 sind die Füße der Wicklungshalter 8 eingeschoben. Zwischen je zwei solchen Wicklungshaltern liegt auf dem Zahn 7 auf ruhend je eine Spulenseite 9, die durch den zwischen die Wicklungshalterköpfe eingetriebenen Keil 10 fest gegen den als Widerlager dienenden Zahn 7 gepreßt werden. Die Wicklungshalter 8 besitzen einen achsialen Kanal 11 zur Durchleitung von Kühlluft, die diesem Kanal durch \^rermittlung besonderer Luftzuführungskanäle 12 im Läuferkörper über in gewissen Ab-. ständen vorgesehene, radiale Lüftungsschlitze zugeführt wird. Die Abführung der Kühlluft aus dem Achsialkanal n erfolgt durch einen-Ausströmkanal 13, der infolge seiner Form und Lage der austretenden Kühlluft, 'wie die Pfeile andeuten, unter allmählicher Umlenkung eine der Drehrichtung entgegengesetzte, möglichst tangentiale Richtung erteilt.

Um in dem Wicklungshalter 8 den Achsialkanal 11 und den Ausströmkanal 13 leicht herstellen zu können, kann man zweckmäßig das ganze Wicklungshalterpaket aus mehreren Teilen zusammensetzen, von denen die einen, die in Fig. 5, die anderen die in' Fig. 6 dargestellte Form aufweisen. Hierbei kann man die Anordnung entweder so treffen, daß der Ausströmkanal 13 im mittleren Teil des AVicklungshalterpakets oder aber an dessen Stirnseiten liegt. Letztere Anordnung kann man auch bei massiven, aus einem Stück bestehenden Wicklungshaltern anwenden, indem man den Ausströmkanal 13 aus einer oder beiden Stirnseiten des Wicklungshalterpakets beispielsweise durch Fräsen oder ein gleichwertiges Arbeitsverfahren herausarbeitet. In vielen Fällen wird es überhaupt zweckmäßig sein, diese Wicklungshalter aus gestanzten Blechen aufzuschichten, wobei auch hier ein Teil dieser Bleche die Form nach Fig. 5, ein anderer Teil diejenige nach Fig·. 6 besitzt.

Liegt der Ausströmkanal in der Mitte des Wicklungshalterpakets, so kann man die Kühlluft beispielsweise durch zwischen den einzelnen Wicklungshalterpaketeri vorgesehene radiale Lüftungsschlitze in dieAchsialkanäle 11 eintreten lassen, während bei An-Ordnung der Ausströmkanäle an den Stirnseiten der Wicklungshalterpakete die Zufüh-■ rung der Kühlluft zu den Achsialkanälen 11 beispielsweise von den Stirnseiten des Läufers her erfolgen könnte.

Wie schon erwähnt, ist jedoch auch dies nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche bei zweckmäßiger Durchbildung nicht nur für die umlaufenden Teile beliebiger elektrischer Maschinen, sondern auch für die umlaufenden Teile von Maschinen irgendwelcher Art mit Vorteil verwendet werden kann.

Obwohl die in der Zeichnung dargestellten Figuren Ausführungsbeispiele zeig"en, bei denen die Ausströmkanäle 4 bzw. 13 von vornherein in den in Frage kommenden Ma-. schinenteilen durch Aussparung von Material vorgesehen sind, kann man die Anordnung auch, derart abändern, daß man die Ausström-, kanäle durch Einbau besonderer Teile, wie z. B. Distanzstücke, Führungen o. dgl. erst 70 bildet. Fig. 7 zeigt in perspektivischer. Ansicht ein derartiges Ausführungsbeispiel in etwas größerem Maßstabe. Dort ist an der Stirnseite eines Wicklungshalters 8, der in diesem Falle nicht aus Blechen geschichtet zu sein braucht, sondern auch aus einem massiven Stück hergestellt sein kann, ein Distänzstück 14 beigelegt oder mit dem Wicklungshalter verbunden. Dieses Distanzstück hat eine mit dem Achsialkanal des Wicklungshalters übereinstimmende Öffnung 11 in der Mitte, deren Rand derart hoch gebogen ist, daß die Öffnung gewissermaßen von einem Wall 15 umgeben ist. Im oberen Teil setzt sich dieser Wall nach außen, in der Art fort, daß ein entgegengesetzt der Drehrichtung geneigter Auströmkanal 13 entsteht, wie ihn die Fig. 4 zeigt. Das Distanzstück kann sowohl in einem Stück gegossen oder aus Blech gestanzt sein oder es kann aus mehreren Stücken durch Lötung oder Schweißung zusammengesetzt werden. Statt den Ausströmkanal für das Kühlmittel im Distanzstück auszubilden, kann man auch statt oder außer diesen letzteren besondere Fülirungsstücke einbauen, welche entweder für sich allein oder in Verbindung mit den Distanzstücken das austretende Kühlmittel in der im Anspruch 1 gekennzeichneten Weise leiten. ' Die kon-' struktive Durchbildung des Luftaustrittka- 10.0 nals an sich ist naturgemäß auf sehr verschiedene Weisen möglich und ist für den Geltung'sbereich der Erfindung unerheblich.

Claims (6)

1. Patent-Ansprüche ·

   i. Anordnung zur Verminderung der 'Ventilationsarbeit strömender Gase bei umlaufenden Maschinenteilen, insbeson- · dere von elektrischen Maschinen, bei welch letzteren das strömende Gas als Kühlmittel verwendet, bei seinem Austritt aus achsialen, im Kern, in Zähnen oder . in besonderen Spulenhaltern des Läufers angebrachten Kanälen derart geleitet wird, daß die in der Umfangsrichtung wirkende Komponente der absoluten Geschwindigkeit des austretenden Kühlmittels möglichst klein wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe dieser Kanäle nach dem äußeren Umfang hin, aber entgegengesetzt dem Drehsinn gerichtet sind. .
2. 2. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeit des austretenden Gases nach Richtung· und Größenordnung so bemessen wird, daß die resultierende 'Geschwindigkeit möglichst radial gerichtet ist.
3. 3. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 1 bei elektrischen Maschinen, deren Läufer massive, auswechselbare, achsial durchbohrte Wicklungshalter, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe für das Kühlmittel aus einer oder beiden Stirnseiten des Wicklungshalters durch Fräsen oder gleichwertige Arbeitsverfahren herausgearbeitet sind.
4. 4. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 1 bei elektrischen Maschinen, deren Läufer auswechselbare, achsial durchbohrte Spulenhalter aufwei- j sen, dadurch gekennzeichnet, daß diese | aus mehreren Teilen zusammengesetzt sind, von denen nur eine gewisse Anzahl mit Auslassen der im Anspruch 1 gekennzeichneten Art versehen ist.
5. 5. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 1 für elektrische Maschinen, bei denen ein Teil der Spulenhalter oder alle aus Blechen oder Scheiben aufgeschichtet und mit achsialen Kanälen zur Führung des Kühlmittels versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der erwähnten Bleche oder Scheiben Auslässe der im Anspruch 3. gekennzeichneten Art erhält.
6. 6. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe aus den Achsialkanälen durch besonders geformte Endbleche oder durch besonders eingebaute Führungsstücke, allein oder in Verbindung mit den bei Dynamomaschinen üblichen Distanzstücken gebildet werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.