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Diese
Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische Maschinen und speziell
auf ein Mittel zum Verbessern der Wärmeübertragungsrate in Kühlkanälen, die
verwendet werden, um den Statorkern solcher Maschinen zu ventilieren.
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Wie
von Fachleuten in der Entwicklung elektrischer Generatoren allgemein
verstanden wird, ist die Leistung der heutigen Maschinen zur Stromerzeugung
durch die physische Größe eingeschränkt, welche
zu verringern ist, um auch die Kosten zu verringern. Die Entwickler
sind sich ferner der Größen- und
Gewichtsbegrenzungen bewusst, welche durch den inländischen
und ausländischen
Landverkehr auferlegt werden.
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Es
wird ebenfalls allgemein verstanden, dass magnetische und ohmsche
Verluste im Innern des Stators Wärme
erzeugen, welche abgeleitet werden muss, um einen elektromagnetischen
Ausfall zu vermeiden, und diese Verluste eine ernste Beschränkung der
Leistung einer Maschine der gegebenen physischen Abmessung darstellen.
Die hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit
von gasförmigem Wasserstoff
wurde in der Vergangenheit erfolgreich von den Herstellern ausgenutzt,
die versucht haben, die Bedürfnisse
ihrer Kunden nach erhöhter
Leistung zu erfüllen,
im Rahmen der Beschränkungen
der physischen Transportverpackung und Wärmebelastung. Für die Kunden,
die nicht willens sind, die zusätzlichen
Kosten und die Komplexität
der Wasserstoffkühlung
zu tolerieren, müssen
die Hersteller Mittel entwickeln, um den Anstieg in der Wärmebelastung zu
handhaben, welche einhergehen mit ihren Anstrengungen, den Maschinen einer
gegebenen physischen Abmessung zusätzliche Leistung zu entlocken.
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Der
aktuelle Stand der Technik wird von einem radialen Kanal repräsentiert,
der durch Trennen der Statorkernblechlamellen gebildet wird, indem
im Innern Distanzstücke
radial angeordnet werden, wie in 1 dargestellt
und an anderer Stelle beschrieben. Ein gasförmiger Fluidfluss wird angeregt,
von einer Sammelfläche
hinter dem Statorkern zu dem Rotor-/Statorluftspalt in eine radial
nach innen gerichtete Richtung weiterzuströmen (eine radial nach außen gerichtete
Strömungsrichtung
ist ebenfalls möglich). Diese
radialen Kanäle
sind in sogenannten Einheiten angeordnet; eine Einheit umfasst mehrere
Blechlamellen (in einem Beispiel siebzig), die übereinander geschichtet sind.
Die Einheiten sind durch die radial ausgerichteten Innendistanzstücke getrennt,
die gemeinsam mit den nebeneinander liegenden Blechlamellen der
nebeneinander liegenden Einheiten die radialen Belüftungskanäle definieren.
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Der
Fluidfluss in den Kernblechlamelleneinheiten gleicht ohmsche und
magnetische Verluste durch konvektive Wärmeübertragung aus. Fachleute werden
diese Konfiguration als allgemeine Praxis erkennen und zudem erkennen,
dass dieser Fluss in fluiddynamischem Sinne in dem Zahnbereich des Kanals
(radial innen) turbulent sein wird. Die Erfinder haben keine Kenntnis über vorherige
Anstrengungen zum Steigern der Wärmeübertragung
in dem Statorkernkanal mithilfe eines turbulenzsteigernden oder eines
oberflächensteigernden
Gerätes.
Die Erfinder haben keine Kenntnis von irgendeiner anderen Anwendung
von Turbulatoren für
die Statoren von Turbowechselstromgeneratoren; obwohl die Verwendung
von Turbulatoren zum Steigern der Kühlraten in den Innenfluss durchgängen von
Düsenflugzeugmotorturbinenschaufeln
bekannt ist.
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Die
Erfindung hat eine bedeutende Anwendung in der Steigerung der Stromausgabefähigkeit von
Wechselstromgeneratoren einer gegebenen physischen Abmessung, die
in einer Verringerung der Herstellungskosten pro MW je Ausgabe resultiert.
Alternativ erlaubt die Erfindung eine Verringerung in der physischen
Abmessung von Maschinen einer gegebenen Größe, die gleichermaßen in einer Kostenersparnis
resultiert. Eine dritte mögliche
Anwendung der Erfindung liegt in der Verringerung von störendem Kühlflusspumpverlust
und Luftwiderstandsverlust, was zu einer Verbesserung der Gesamteffizienz
und einer Verringerung des wahrgenommenen Geräuschpegels führt. Die
Erfindung bringt nur eine geringe Modifikation des bestehenden Statorkerndesigns
mit sich und erfordert keine neuen Komponenten. Die Erfindung hat
eine direkte Anwendung auf eine große Gruppe dynamoelektrischer
Maschinen, die eine gasförmige
Luft- oder Wasserstoffströmung
(und möglicherweise
die Strömung
anderer Gase wie z.B. Helium) zum Kühlen einsetzen.
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In
den hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsformen umfasst die Erfindung
eine Mehrzahl Protuberanzen, nachstehend als Turbulatoren bezeichnet,
aber in der Technik der Wärmeübertragung auch
als Rippen oder Nocken bekannt, welche sich in die Statorkernkühlkanäle erstrecken.
Diese sind zum Beispiel bekannt aus dem Dokument PATENT ABSTRACTS
of Japan, vol. 005, No. 055 (E-052), 16. April 1981 (1981-06-16),
JP 56006635A (TOSHIBA CORP),
23. Januar 1981 (1981-01-23). Die Hauptfunktion des Turbulators
ist es, das Maß an
turbulentem, fluiddynamischem Mischen zwischen erwärmten Fluid
neben der Kanalwand und relativ küh lem Fluid nahe der Kanalmittellinie
zu erhöhen.
Das gesteigerte Mischniveau bringt kühleres Fluid mit der Kanalwand
in Kontakt und erzeugt ein größeres Potential
für die
Wärmeübertragung.
Ein zweites Merkmal des Wirbelkanals ist ein Anstieg in der Oberfläche, die
dem konvektiven Kühlgas
ausgesetzt wird. Ein drittes Merkmal ist die Bildung von Flächen örtlicher
fluiddynamischer Trennung und erneuter Befestigung, an denen eine örtliche
Steigerung der Wärmeübertragung
auftritt, in dem Kanal in der Nähe
des Turbulators.
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Die
hier beschriebene Erfindung erfüllt
somit die vorstehend erwähnten
Anforderungen durch gesteigerte Raten der Wärmeabfuhr aus der Ankerwicklung
des Generators von elektrischen Turbowechselstromgeneratoren mit
großer
Leistung. Die Erfindung erfüllt
außerdem
den zunehmend wichtigen Bedarf nach Bestandskontrolle, da im Ergebnis
der Erfindung keine neuen Komponenten in den Generator eingeführt werden.
Schließlich
erfüllt
die Erfindung den Bedarf nach breiter Anwendbarkeit über eine
gesamte Produktlinie, da sie in Verbindung mit jedem gasförmigen oder
flüssigen
Kühlmedium,
das derzeit verwendet oder von den Fachleuten zur künftigen Anwendung
erwartet wird, angewendet werden kann.
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Somit
strebt diese Erfindung nach einer wesentlichen Verringerung im Temperaturabfall
zwischen den Stator-Leiter-Windungen und der Kaltgastemperatur für einen
gegebenen Aufwand im störenden
Kühlflusspumpverlust.
Diese größere Leistungsfähigkeit
kann ausgenutzt werden, um Generatoren mit größerem Output für eine gegebene
physische Abmessung zu entwickeln. Alternativ erlaubt die Erfindung
eine Verringerung von störendem
Kühlflusspumpverlust
und Luftwiderstandsverlust, die zu einer Verbesserung der Effizienz
und einer Verringerung von Lärm
für eine
gegebene Größe und eine
physische Abmessung führt.
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Diese
Erfindung bietet dem Kunden ebenfalls einen erhöhten Output für eine gegebene
Maschinengröße, insbesondere
in Fällen,
in denen die Leistung einer Einheit nahe am Übergangspunkt zwischen den
Kühltechnologien
liegt. Zum Beispiel kann diese Erfindung die Anwendung einer luftgekühlten Maschine
mit einer Größe ermöglichen,
die sonst eine wasserstoffgekühlte
Maschine erfordern würde. Das
ist ein kommerziell ansprechender Aspekt, da viele Kunden versuchen,
die zusätzlichen
Kosten, Sicherheitsvorkehrungen und Komplexität des Wasserstoffkühlens zu
vermeiden. Als zweites Beispiel kann diese Erfindung die Anwendung
einer wasserstoffgekühlten
Maschine mit einer Größe ermöglichen,
die sonst ein flüssigkeitsgekühltes Statorstangendesign erfordern
würde.
In diesem Fall werden die Kosten und die Komplexität eines
Tanks mit entionisiertem Wasser vermieden.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sie ein völlig passives
Verfahren zum Erhöhen
der Wärmeübertragung
darstellt, das keine chemischen Zusätze, akustischen Eingaben oder
andere aktive Auslöseimpulse
erfordert. Die Erfindung wird besonders einfach hergestellt und
erfordert lediglich einen einfachen Längsschneide- und Formvorgang als
eine der Stufen zum Bilden der Blechlamellen in einer Stanzmaschine.
Die Erfindung erfordert keine exakten Toleranzen, um wie erwartet
zu funktionieren. Schließlich
ist die Erfindung auf die gesamte Produktlinie anwendbar, sowohl
für luftgekühlte als auch
wasserstoffgekühlte
Maschinen und ist in der Tat auf jedes flüssige oder gasförmige Kühlmedium anwendbar.
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In
einem ersten Aspekt der Erfindung sind die Turbulatoren in dem Joch
oder dem radial äußeren Bereich
einer der zwei Blechlamellen gebildet, die einen entsprechenden
Kühlmitteldurchgang
bilden. Die Turbulatoren sind in jedem der radialen Kanäle radial
voneinander beabstandet. Die Turbulatoren erstrecken sich im Allgemeinen
senkrecht zur Fließrichtung
und erstrecken sich ungefähr
20% von der Kanalhöhe
(d. h. die Abmessung zwischen den nebeneinander liegenden Blechlamellen,
wie von den Innendistanzstücken
definiert) in den Kanal.
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In
einer Ausführungsform
in Bezug auf die Erfindung sind ähnliche
Turbulatoren vorwiegend in den Zahnbereichen der entsprechenden
Blechlamelle gebildet, die sich lediglich partiell in den Jochbereich
erstrecken.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist jeder Turbulator von einem Paar Kanten gebildet,
die in einer im Wesentlichen V-förmigen
Anordnung ausgerichtet sind. Die Turbulatoren sind lediglich in
dem Jochbereich bereitgestellt, könnten aber auch in dem Zahnbereich
bereitgestellt werden.
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In
einer Ausführungsform
in Bezug auf die Erfindung ist jeder Turbulator von einer einzelnen Rippe
oder Kante gebildet, die an dem Kühlmittelfluss ausgerichtet
ist, wobei sich die Turbulatoren radial durch den Joch- und den
Zahnbereich erstrecken. Diese Anordnung verursacht weniger Druckabfall
bezüglich
der Turbulatoren, die schräg
an dem Fluss montiert sind.
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In
allen beschriebenen Ausführungsformen wird
ein Anstieg in der Wärmeübertragung
erwartet aufgrund der Rau heit, die nicht nur mit den Turbulatoren
an sich verbunden ist, sondern auch mit dem Hohlraum in der Kanaloberfläche, der
durch die Bildung der Rippe oder des Turbulators aus der Blechlamelle
entsteht.
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In
jedem Fall wird die Kante oder die Rippe, die den gesamten oder
einen Teil eines Turbulators bildet, ausgeschnitten und anschließend aus
der Ebene der Blechlamelle in einem Winkel hinausgebogen, der von
ungefähr
30° bis
90° reicht,
bei einem bevorzugten Bereich von ungefähr 30° bis 45°.
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Somit
bezieht sich die Erfindung in ihren breiteren Aspekten auf ein dynamoelektrisches
Maschinenstatorkernbauteil, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
nebeneinander liegende Einheiten aus geschichteten Blechlamellen
von einer Mehrzahl sich radial erstreckender Distanzstücke getrennt
sind und jedes nebeneinander liegende Paar Distanzstücke gemeinsam
mit den nebeneinander liegenden axial beabstandeten Blechlamellen
einen radialen Kühlkanal
definiert, wobei die Verbesserung eine Mehrzahl Turbulatorelemente
in jedem Kühlkanal
umfasst und sich jedes Turbulatorelement von einer Seite der nebeneinander
liegenden axial beabstandeten Blechlamellen in den Kanal erstreckt.
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Die
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Figuren
beschrieben, in denen:
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1 eine
partielle Seitenansicht eines herkömmlichen Statorkernblechlamellenbauteils
ist;
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2 eine
Schnittansicht eines Distanzstückes
ist, welches in dem in 1 dargestellten Bauteil enthalten
ist;
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3 eine
partielle Seitenansicht eines Statorkernblechlamellenbauteils in
Bezug auf die Erfindung ist;
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3A eine
vergrößerte partielle
Perspektive eines in 3 dargestellten Turbulators
ist;
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4 eine
partielle Seitenansicht eines Statorkernblechlamellenbauteils in
Bezug auf die Erfindung ist;
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4A ein
vergrößertes Detail
aus 4 ist;
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4B ein
Schnitt entlang der Linie 4B-4B in 4A ist;
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5 eine
partielle Seitenansicht eines Statorkernblechlamellenbauteils gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist;
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5A eine
partielle Perspektive eines in 5 dargestellten
Turbulators ist; und
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6 eine
partielle Seitenansicht eines Statorkernblechlamellenbauteils gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Mit
Bezug auf 1 wird ein Abschnitt eines herkömmlichen
Statorkernblechlamellenbauteils 10 dargestellt. Das Bauteil
kann ungefähr
70 einzelne Blechlamellen in einer Einheit 12 umfassen.
Mit Ausnahme des nachstehend Er wähnten
sind diese Blechlamellen typischerweise 0,014 bis 0,018 Zoll dick
und eine Einheit aus Blechlamellen ist ungefähr 1 bis 3 Zoll dick. Eine
Mehrzahl Innendistanzstücke oder
Stangen 16 ist an der äußersten
Blechlamelle 14 der Einheit befestigt und erstreckt sich
radial entlang des Jochbereichs 18 der Kernblechlamelle
und längere
Distanzstücke
oder Stangen erstrecken sich nicht nur radial entlang des Jochbereichs 18,
sondern auch entlang des radial nach innen gerichteten Zahnbereichs 20.
Die Blechlamelle, an welche die Innendistanzstücke geschweißt sind,
ist dicker als die übrigen
Blechlamellen in der Einheit und typischerweise 0,025 Zoll dick.
Die Innendistanzstücke 16 weisen eine
im Allgemeinen I-Strahlenform im Querschnitt auf (siehe 2),
wobei die flache Seite nebeneinander liegende Statorkernblechlamelleneinheiten
verbindet, um dadurch eine Mehrzahl sich radial erstreckende Kühlmitteldurchgänge oder
-kanäle
zwischen den nebeneinander liegenden Distanzstücken zu definieren. Abhängig von
der speziellen Kühlmittelanordnung
kann der Kühlmittelfluss
radial nach innen oder radial nach außen erfolgen. Typischerweise weisen
die Innendistanzstücke
eine Höhe
von ungefähr
0,250 Zoll auf, die anschließend
die Höhe
des Kühlmitteldurchgangs
definieren. Die Breite der Distanzstücke beträgt ebenfalls ungefähr 0,250
Zoll.
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Mit
Bezug auf 3 wird nun eine partielle Seitenansicht
eines Bauteils in Bezug auf die Erfindung dargestellt. Die Statorkernblechlamelleneinheit 22 gleicht
im Allgemeinen der in 1 dargestellten darin, dass
durch sich radial erstreckende Distanzstücke 24 und zwei nebeneinander
liegende Blechlamellen der nebeneinander liegenden Blechlamelleneinheiten
radial ausgerichtete Kühlmitteldurchgänge gebildet
werden. 3 stellt auch den Ort und die Ausrichtung
einer Mehrzahl Turbulatoren 26 im Innern der sich radial
erstreckenden Kühlkanäle dar. Daher
wird deutlich, dass sich die Turbulatoren 26 in regelmäßig beabstandeten
Intervallen in Radialrichtung befinden und im Allgemeinen der Krümmung des
Statorkernbauteils in Umlaufrichtung folgen. Es wird außerdem beobachtet,
dass die Turbulatoren 26 lediglich in dem Jochbereich 28 und
nicht in dem Zahnbereich 30 des Statorkernblechlamellenbauteils auftreten.
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Mit
Bezug auf 3A wird deutlich, dass die Turbulatoren 26 lediglich
in der einzelnen Blechlamelle 32 der vielen Blechlamellen 32, 32a, 32b, 32c, ...
in der Einheit gebildet sind, die eine Wand des Kühlkanals
bildet. In dieser Ausführungsform
kann der Turbulator 26 eine Breite von 0,380 Zoll aufweisen
und ist bezüglich
der Ebene des Blechlamellenbauteils im 90°-Winkel ausgerichtet. Es wird
jedoch anerkannt werden, dass die Turbulatoren in einem Winkel von
zum Beispiel zwischen 30 oder 45° bezüglich der
Ebene der Blechlamelle gebildet werden können, wie nachstehend in Verbindung
mit 4B beschrieben. Diese Turbulatoren sind durch
Rippen oder Kanten gebildet, die aus der Blechlamelle ausgestanzt
und anschließend
so gebogen werden, dass sie sich in den Kühlmitteldurchgang erstrecken. Das
erfolgt natürlich
vor der Montage der entsprechenden Einheit. Die Blechlamelle, in
der die Turbulatoren gebildet sind, weist eine Dicke von 0,025 Zoll auf,
während
die anderen Blechlamellen 32a, b, c, etc. in der Einheit
eine Wanddicke von 0,014 Zoll aufweisen. Wie in der herkömmlichen
Praxis gibt es ungefähr
70 Blechlamellen in jeder Einheit. Das Verhältnis zwischen dem radialen
Abstand der Turbulatoren (z. B. ungefähr 0,375 Zoll) zur Höhe der Turbulatoren (z.
B. ungefähr
0,25 Zoll) beträgt
vorzugsweise unge fähr
15, kann aber auch zwischen ungefähr 5 und 20 betragen.
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Es
ist zu beachten, dass keine Punktschweißverbindungen erforderlich
sind, um die Turbulatoren anzubringen. Das vermeidet nicht nur den zusätzlichen
Herstellungsschritt des Punktschweißens, sondern schließt auch
die Möglichkeit
aus, dass sich der Turbulator von der Kanaloberfläche löst und um
den Generator wandert, der starken Magnetfeldern unterliegt. Die
Turbulatoren könnten
jedoch direkt an die Blechlamellen, die den Kanal umfassen, geschweißt werden.
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Das
Innendistanzstück 26 weist
einen im Allgemeinen rechwinkligen Querschnitt und eine Höhe von annähernd 0,125
Zoll auf. Bei Turbulatoren mit einer Höhe von ungefähr 0,025
Zoll erstrecken sich die Turbulatoren ungefähr 20% der Höhe des Durchgangs
oder ungefähr
10% des hydraulischen Durchmessers des Kanals in den Kühlmitteldurchgang.
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Gemäß der herkömmlichen
Praxis besteht die Blechlamelle 32, die die Wand des Kühlmitteldurchgangs
bildet, im Allgemeinen aus Kohlenstoffstahl, während die übrigen Blechlamellen 32a,
b, c, etc. in der Einheit aus Siliziumstahl gebildet sind. Hier ist
jedoch zu beachten, dass die Auswahl der Materialien und der Materialdicken
gemäß dieser
Erfindung im Allgemeinen nicht über
die gleichen Abmessungen/Parameter wie in der Anordnung aus dem
Stand der Technik variiert, wie zum Beispiel in 1 dargestellt.
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Mit
Bezug auf die 4, 4A und 4B wird
nun ein anderes Blechlamellenbauteil in Bezug auf die Erfindung
dargestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Turbulatoren 34 in
einer Blechlamelle 36 vorwiegend in den Zahnbereichen 38 gebildet
sind, sich aber partiell in den Jochbereich 40 erstrecken.
Die Turbulatoren sind wieder in radialen Durchgängen zwischen radial angeordneten
Innendistanzstücken 42 gebildet,
wie von nebeneinander liegenden Blechlamellen nebeneinander liegender
Einheiten definiert. Der radiale Abstand zwischen den Turbulatoren
und die Art und Weise, in der die Turbulatoren gebildet sind, ähneln ansonsten
der vorstehend bereitgestellten Beschreibung in Verbindung mit den 3 und 3A.
Eine Veränderung liegt
allerdings darin, dass die Turbulatoren 34 aus der Blechlamelle 36 ausgestanzt
sind, so dass sich der Turbulator in einem Winkel von 30° bis 45° bezüglich der
eigentlichen Blechlamelle erstreckt. Das erfolgt hauptsächlich,
um den Schneide- und Stanzvorgang, in dem die Turbulatoren gebildet
werden, zu vereinfachen. Der maximale Vorsprung des Turbulators 34 in
den Kühlmitteldurchgang
beträgt
wieder 0,025 Zoll.
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Mit
Bezug auf 5 und 5A wird
eine Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
die Turbulatoren 44 in einer entsprechenden Blechlamelle 46 einer
entsprechenden Blechlamelleneinheit gebildet sind durch ein Paar
Kanten 48, die ausgerichtet sind, um im Wesentlichen V-förmige Wirbelerzeuger
zu bilden. Der Pfeil zeigt die normale Ausrichtung der Turbulatoren bezüglich des
Flusses an, aber die Ausrichtung kann verändert werden. Der radiale Abstand
zwischen den Turbulatoren 44 ist größer als bei den Turbulatoren 34 und
spiegelt die radiale Komponente der V-Form wieder. Andernfalls ähnelt die
allgemeine Anordnung der Turbulatoren in dem Jochbereich der Statorkernblechlamelle
zwischen nebeneinander liegenden Distanzstücken 50 der in den 3 und 3A dargestellten
Anordnung. In diesem Beispiel wird jedoch der Stanzmaschinenvor gang
eingesetzt, um ein Paar Elemente auszuschneiden und zu biegen, um
die vorstehend erwähnte
wesentliche V-Form zu bilden. Von dieser Ausführungsform kann erwartet werden, dass
sie sogar einen weiteren Anstieg in der Wärmeübertragung ermöglicht aufgrund
der Rauheit, die mit dem größeren Hohlraum 51 in
der Kanaloberfläche verbunden
ist, der aus der Bildung der Rippe oder des Turbulators aus der
Blechlamelle resultiert.
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Mit
Bezug auf 6 wird noch eine andere Anordnung
der Turbulatoren dargestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
sich nicht nur die Turbulatoren 52 radial entlang der Statorkernblechlamelle 54 einer
entsprechenden Blechlamelleneinheit sowohl in den Zahn- als auch
in den Jochbereich 56 bzw. 58 erstrecken, sondern
die Turbulatorausrichtung so verändert
wurde, dass sich die Kanten parallel zu den Distanzstücken 60 und
parallel zur Fließrichtung
erstrecken.
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Es
ist zu erwähnen,
dass in jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Turbulatoren
dargestellt werden, wie sie sich von lediglich einer Seite der entsprechenden
Kühlkanäle erstrecken.
Die Turbulatoren könnten
sich jedoch auch von beiden Seiten der Kanäle erstrecken, entweder in ausgerichteter
oder versetzter Beziehung in Radialrichtung.
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Das
Testen der mit Turbulatoren versehenen Kühlmittelkanäle, die der in den 4, 4A und 4B dargestellten
bevorzugten Anordnung gleichen, zeigt, dass die Wärmeübertragungsleistung
an der mit Turbulatoren versehenen Wand ungefähr zweimal so gut ist wie die
in den Kühlmitteldurchgängen mit
gleichmäßigem Fluss.