DE942338C - Einrichtung zur Kuehlung des Laeufers von wassergefuellten Unterwassermotoren mittels eines inneren Wasser-Kuehlkreislaufes - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Kühlung des Läufers von wassergefüllten Unterwassermotoren mittels eines inneren Wasser-Kühlkreislaufes Bei Unterwassermotoren, deren Läufer im Wasser arbeiten, entstehen außer durch die Läufer-Kupferverluste auch noch durch die hydraulische Reibung des Läufers im Wasser sehr erhebliche Wärmemengen, die das Wasser in dem zwischen Ständer und Läufer vorhandenen Spalt, der im folgenden kurz »Läuferspalt« genannt wird, stark erwärmen. Bei größeren Motoren reicht erfahrungsgemäß die Wärmeabfuhr durch das Ständerpaket hindurch an das den Motor umgebende kalte Wasser nicht aus, um die Erwärmung des Wassers im Läuferspalt genügend klein zu halten. Die Temperatur dieses Wassers muß nämlich niedriger als etwa 6o° bleiben, weil sich sonst Kalk oder ähnliche Substanzen aus dem Wasser abscheiden und an der Läuferoberfläche ansetzen. Wenn der Motor wassergeschmierte Gleitlager' besitzt, so nehmen diese ebenfalls die Temperatur des Wassers im Läuferspalt an und es ist sehr wichtig, diese Temperatur niedrig zu halten, um örtliche Verdampfungen des Schmierwassers zu verhindern. Bei größeren Motoren muß deshalb ein innerer Wasser-Kühlkreislauf vorgesehen werden, der die Wärmemengen aus dem Läuferspalt abführt. Meist ist das Innere des Motors zwecks Verhinderung des Eindringens von Unreinigkeiten gegen das umgehende Wasser möglichst abgeschlossen.. -Der Wasser-Kühlkreislauf .führt dann die Wärmemengen aus dem Läuferspalt ih einen mit dem Motorinneren in Verbindung stehenden Wärmetauscher, der sie weiter an das den Motor umgebende kalte Wasser abführt.
• Um das Wasser im Kühlkreislauf in Bewegung zu erhalten, muß ein Förderorgan vorgesehen werden. Bei einigen bekannten Ausführungen ist oberhalb oder unterhalb des Läufers ein Kreiselpumpenrad angeordnet, wobei aber folgende Schwierigkeiten entstehen. Messungen ergaben, daß der hydraulische Widerstand im Läuferspalt bei rotierendem Läufer mehrfach so groß wie bei ruhendem Läufer ist. Da ferner Unterwassermotoren möglichst kleinen Durchmesser und-daher sehr lange Läufer haben, ist ein verhältnismäßig großer Druck notwendig, um genügend Kühlwasser durch den langen Läuferspalt zu treiben. Ein Kreiselpumpenrad mit dem Durchmesser des Läufers, das leicht unterzubringen wäre, würde für lange Läufer zu wenig Druck erzeugen. Die Anordnung eines Kreiselpumpenrades mit entsprechend großem Durchmesser unterhalb oder oberhalb des ganzen Ständers oder einer mehrstufigen Kreiselpumpe ergibt komplizierte Konstruktionen.
• Der notwendige große Druck ist auch in anderer Hinsicht unangenehm. Wird das Kühlwasser von oben nach unten durch den Läuferspalt gedrückt, so tritt der große Druck oberhalb des Läufers auf und übt auf die obere Fläche des Läufers eine erhebliche Kraft nach abwärts aus, die zusätzlich zum Eigengewicht der rotierenden Teile und dem Axialschub der vom Motor angetriebenen Pumpe von der Axiallagerung aufgenommen werden muß. Wird das Kühlwasser von unten nach oben durch den.. Läuferspalt gedrückt, so entsteht analog eine erhebliche Kraft nach aufwärts, die unter Umständen größer sein, kann als das Eigengewicht und der Axialschub. Es muß dann entweder ein nach beiden Richtungen wirkendes Axiallager vorgesehen werden oder man muß die axialen Kräfte genau austarieren. Letzteres ist schwierig, weil der Axialschub der Pumpe einerseits im vorhinein nicht genau bestimmbar ist und sich anderseits mit .fortschreitender Abnutzung der Pumpe sehr stark vergrößert.
• Diese Schwierigkeiten treten nicht auf, wenn in bekannter Weise das den inneren Kühlkreislauf in Bewegung haltende Förderorgan in der Längsmitte des- Läufers angeordnet ist. Das Kühlwasser wird dann von der Mitte des Läuferspaltes aus nach oben und unten durch den Läuferspalt gedrückt.. Bei der bekannten Anordnung des Förderorgans oberhalb oder unterhalb des Läufers mußte die ganze notwendige Kühlwassermenge Q durch die ganze - Spaltlänge gedrückt werden, wozu der Druck p erforderlich war. Bei der Anordnung des Förderorgans in der Längsmitte des Läufers braucht nur die halbe Kühlwassermenge durch die halbe .Spaltlänge gedrückt werden, wozu ein Druck von p/8 ausreicht, weil sich der notwendige Druck ungefähr mit dem Quadrat der Durchflüßmenge und direkt proportional mit der durchflossenen Länge verkleinert. Dieser kleine Druck kann ohne weiteres durch die Kreiselwirkung eines Förderorgans mit Läuferdurchmesser erzeugt werden. Bei einer bekannten Ausführungsform des Förderorgans in der Längsmitte des Läufers wird zwischen den Blechen ein Spalt gelassen, der durch Distanzhülsen, die auf die Kupferleiter aufgeschoben sind, offengehalten wird. Dieser Spalt in Ver-Bindung mit den Hülsen wirkt ähnlich wie ein Kreiselpumpenrad, das die Kühlflüssigkeit durch Längsnuten in der Welle oder im Blechpaket ansaugt.. Diese Anordnung hat speziell folgenden Nachteil. Die Wandstärke der Distanzhülsen muß sehr klein gehalten werden, damit ein Zwischenraum für den Durchtritt des Wassers "verbleibt. Das Blechpaket kann deshalb bei der Herstellung nur mit sehr kleinen Kräften gepreßt werden und die Bleche bleiben locker. Es besteht auch immer die Gefahr, daß sich die Hülsen in die Bleche eindrücken und der Spalt in unkontrollierbarer Weise verengt wird.
• Bei anderen bekannten Ausführungsformen wird zwischen die Bleche ein geeignet geformtes Zwischenstück eingelegt, das die Bleche entsprechend abstützt und radiale Aussparungen besitzt, durch die die Kühlflüssigkeit gefördert wird.
• Bei all. diesen bekannien Ausführungsformen wird das Schichten des Läuferblechpaketes umständlich, wobei besonders die Herstellung der richtigen axialen Lage des Förderorgans Schwierigkeiten bereitet. Ferner ergehen sich dabei zwangläufig senkrecht zur Achse gerichtete Förderkanäle, in denen sich erfahrungsgemäß leicht Luftpfropfen festsetzen -können, die eine Unterbrechung der Förderung bewirken. Es muß nämlich immer damit gerechnet werden, daß beim Füllen des Motors vor dem Einsenken Luft im Inneren eingeschlossen wird, die dann im Betrieb in das Förderorgan gelangen kann.
• Bei einer anderen bekannten Ausführung werden senkrecht zur Achse Löcher direkt in den Läufer gebohrt, uni ein Gas oder eine Flüssigkeit in der Längsmitte des Läufers einzuleiten. Der Läufer kann dabei zwar normal geschichtet werden, aber das Festsetzen von Luftpfropfen in den senkrecht zur Achse gebohrten Löchern wird nicht vermieden. Diese Ausführung hat ferner den Nachteil, daß mehrere Läuferbleche durch die Bohrung radial über die ganze Breite aufgeschlitzt werden. Bei den hohen Drehzahlen von Unterwassermotoren können die auftretenden großen Fliehkräfte diese aufgeschlitzten Bleche sehr leicht aufbiegen und zum Streifen an der Ständerbohrung bringen. Dies wäre nur darin nicht zu befürchten, wenn die Läufernuten wie bei, gespritzten oder geschleuderten Läuferstäben aus Aluminium voll ausgefüllt sind und die Läuferbleche dadurch gehalten werden. Bei wassergefüllten Unterwassermotoren können aber zwecks Vermeidung von Anfressungen nur Läufer mit Kupferstäben verwendet werden. Um diese Kupferstäbe in die Läufernuten einschieben zu können, müssen die Bohrungen in den Blechen um etwa 0,5 mm größer gemacht werden als die Stäbe, und um dieses Spiel können sich die geschlitzten Bleche aufbiegen. Durch den bei der Herstellung des Läufers angewendeten axialen Drück werden die Bleche nicht gehalten, weil dieser bei der Erwärmung des Läufers infolge der größeren Ausdehnung der Kupferstäbe praktisch Null wird. Zwei oder mehrere Löcher müßten überdies axial versetzt gebohrt werden, um ein Zerfallen der Bleche in Sektoren zu verhindern.
• Alle diese Schwierigkeiten und Gefahren werden vermieden, wenn erfindungsgemäß als Förderorgan zwei oder mehrere direkt in das Eisenpaket gebohrte und von der Achse aus schräg nach aufwärts gerichtete Löcher benutzt werden. Versuche haben gezeigt, daß die Förderwirkung solcher Löcher vollkommen ausreicht, um genügend Kühlwasser auch durch einen sehr langen Läuferspalt zu drücken. Der Läufer kann bei der Ausführung gemäß der Erfindung ganz normal hergestellt werden und die Löcher können in den fertigen Läufer genau nach Anriß an der richtigen Stelle gebohrt werden. Durch die schräge Lage wird ferner die Festsetzung von Luftpfropfen mit Sicherheit verhindert. Auch die mechanische Festigkeit der Bleche gegen die Beanspruchung durch Fliehkräfte wird praktisch nicht merkbar herabgesetzt, weil durch die schräge Bohrung in jedem Blech nur ein elliptisches Loch entsteht, dessen radiale Erstreckung klein im Verhältnis zur Blechbreite gemacht werden kann.
• Der eingangs erwähnte Wärmetauscher kann oberhalb oder unterhalb oder auch geteilt zu beiden Seiten des Ständers angeordnet werden.
• In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Einrichtung in einer beispielsweisen Ausführungsform mit der üblichen Anordnung des Wärmetauschers unterhalb des Ständers dargestellt.
• Die Wege des Kühlwassers sind durch Pfeile angedeutet. Der Läufer I sitzt auf der Welle 2, die in Wasser geschmierten Gleitlagern 3 geführt ist. Die axiale Lagerung des Läufers und die Abdichtung der Welle 2 an der Austrittsstelle aus dem Gehäuse 6 sind nur schematisch angedeutet. Der Ständer ist in »halbnasser« Bauart dargestellt, bei der das Ständer-Eisenpaket 4 mitsamt der Ständerwicklung 5 durch das Gehäuse 6 gegen das den Motor umgebende Wasser und durch die wasserdichte Trennwand 7 gegen das Wasser im Motorinneren dicht abgeschlossen ist. Aus dem unterhalb des Ständergehäuses 6 angeordneten, mit Kühlrippen 8 versehenen Wärmetauscher 9 wird die Kühlwassermenge Q durch eine Wellenbohrung Io hindurch von den als Förderorgan dienenden Löchern II angesaugt und in den Läuferspalt I2 gedrückt. Die halbe Kühlwassermenge Q/2 fließt durch die untere Hälfte des Läuferspaltes I2 nach abwärts direkt in den Wärmetauscher 9 zurück, die andere Hälfte Q/2 fließt nach aufwärts und wird in an sich bekannter Weise durch in der Welle 2 vorgesehene, große Rückführnuten 13 wieder nach abwärts, ebenfalls in den Wärmetauscher 9 geleitet. Die Kompensation des hydraulischen Widerstandes in den Rückführnuten 13 erfolgt durch ein kleines Hilfskreiselrad 14, dessen Durchmesser so bemessen ist, daß unterhalb und oberhalb des Läufers I angenähert der gleiche Druck herrscht. Dies ist notwendig, damit beide Hälften des Läuferspaltes I2 angenähert von der gleichen Kühlwassermenge Q/2 durchflossen werden. Diese Bedingung braucht aber nur ungefähr eingehalten zu werden, weil sich bei den üblichen Abmessungen des Läuferspaltes eine sehr reichliche Kühlwassermenge Q eingestellt und auch die auf den Läufer ausgeübten axialen Kräfte niemals eine störend wirkende Größe erreichen können.
• Um Korrosionen durch den aus den Förderlöchern II austretenden Wasserstrahl, der intermittierend auf die innere Fläche der Trennwand 7 auftrifft, zu vermeiden, wird zweckmäßig gegenüber der Ausmündungsstelle dieser Löcher II ein Schutzring 15 aus verschleißfestem Werkstoff eingebaut.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Einrichtung in einem wassergefüllten Unterwassermotor zur Abführung der Wärmemengen, die durch die Kupferverluste im Läufer und durch die hydraulische Reibung des im Wasser laufenden Läufers entstehen, mittels eines inneren Wasser-Kühlkreislaufes an einem mit dem Motorinneren in Verbindung stehenden Wärmetauscher, der dann diese Wärmemengen weiter an das den Motor umgebende kalte Wasser abführt, wobei das den inneren Wasser-Kühlkreislauf in Bewegung haltende Förderorgan in der Längsmitte des Läufers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Förderorgan (II) zwei oder mehrere, direkt in das Läufereisenpaket gebohrte und von der Achse aus schräg nach aufwärts gerichtete Löcher (II) benutzt werden.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch I mit einseitig angeordnetem Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß jene Hälfte der Kühlwassermenge, die durch die dem Wärmetauscher abgewendete Läuferspalthälfte (I2) fließt, mittels Rückführnuten (I3) in der Welle (2) auf die Seite des Wärmetauschers zurückgeleitet wird, wobei ein Hilfskreiselrad (I4) den dabei in den Rückführnuten entstehenden Druckabfall ausgleicht, so daß auf beiden Seiten des Läufers (I) angenähert der gleiche Druck auftritt und durch beide Spalthälften die gleiche Kühlwassermenge fließt.
3. 3. Einrichtung nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständer-Eisenpaket oder an der zwischen Ständer und Läufer (i) befindlichen wasserdichten Trennwand (7) gegenüber der Ausmündungsstelle der als Förderorgan dienenden Löcher (i i) eiri Schutzring (i5) aus verschleißfestem Werkstoff eingebaut ist. Angezogene Druckschriften USA.-Patentschrift Nr. 2 055 480; britische Patentschrift Nr. 674 683; französische Patentschrift Nr. 661 673.