CH625368A5

CH625368A5 -

Info

Publication number: CH625368A5
Application number: CH190178A
Authority: CH
Inventors: Jean-Paul Pouillange
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1978-02-22
Publication date: 1981-09-15
Also published as: FR2382641A1; US4207745A; DE7805539U1; FR2382641B1; GB1585516A; DE2807898A1; CA1082243A; SE7802336L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gungen unterworfen, was ihr jeweiliges Radialspiel im Bereich gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. ihrer Überlappungszone betrifft.

In rotierenden elektrischen Maschinen mit supraleitenden 65 Die Rückführung des gasförmigen Heliums bei Umge-Wicklungen dienen die Vorrichtungen für Heliumtransport im bungstemperatur bietet im allgemeinen keine Probleme; sie allgemeinen dazu, flüssiges Helium bei sehr tiefer Temperatur lässt sich koaxial und aussen an den für die Zufuhr von flüssi-(4,2 K) in einen Kryostaten einzuspritzen, um die sich dort gern Helium bestimmten Rohren, gegebenenfalls auch an den

3

625368

für die Rückleitung des gasförmigen Heliums bei sehr niedriger Temperatur vorgesehenen Rohren vollziehen.

Wie aus vorstehenden Ausführungen ersichtlich ist, sind die Radialspiele zwischen dem oder den feststehenden Rohren und dem oder den rotierenden Rohren gering. Nun kann aber das s Wellenende der rotierenden elektrischen Maschine, an dem die Transportvorrichtung angebracht ist, stark vibrieren, so dass zwischen dem oder den feststehenden Rohren Reibung entstehen kann. Solche Reibung kann auf die Dauer zu Perforationserscheinungen beim einen oder anderen Rohr führen und damit einen Vakuumabfall im Vakuumraum des solcherart perforierten Rohres verursachen. Solche Zwischenfälle würden sehr lange Ausfallzeiten für die Maschine zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die reibungsbedingte Perforierung der Rohre zu vermeiden und somit die 15 Betriebsicherheit der Heliumtransportvorrichtung zu erhöhen. Die Lösung dieser Aufgabe ist aus den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ersichtlich.

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung wird erreicht, dass infolge der Reibung hauptsächlich die Manschette abgenützt 20 wird. Das rotierende Rohr ist optimal geschützt. Das eher dem Verschleiss unterworfene feststehenden Rohr ist leichter ersetzbar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Mit der Ausführungs- 25 form nach Anspruch 2 ermöglicht man eine schnelle Montage und Demontage der zylindrischen Manschette, wobei der Anspruch 3 eine vorteilhafte Ausbildung der Befestigungsvorrichtung enthält. Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 sichert die Lage des bisher freien Endes der Manschette. 30

Die Ausführungsform nach Anspruch 5 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Manschette für Vorrichtungen, die zwei rotierende und zwei feststehende, koaxiale Rohre enthalten. Die Befestigung der Zylider miteinander ermöglicht eine schnelle Montage der Vorrichtung auch bei dieser komplizier- 35 ten Ausgestaltung der Vorrichtung für Heliumtransport. Die Weiterbildungen der Erfindung nach den Ansprüchen 6 und 7 zeigen zweckmässige Befestigungsmöglichkeiten der Teile der Manschette. Die Ausführungsform nach Anspruch 8 annulliert oder wenigstens vermindert die Rotationskomponente des aus 40 dem rotierenden Rohr austretenden und in das feststehende Rohr eindringenden Heliums.

Mit Bezug auf beiliegende Zeichnungen wird jetzt eine beispielsweise Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. «

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Teil einer Vorrichtung für den Transport von flüssigem Helium bei tiefer Temperatur gemäss vorliegender Erfindung. Die Vorrichtung ist auf einem Wellenende einer rotierenden elektrischen Maschine mit supraleitender Rotorwicklung montiert. 50

Fig. 2 zeigt im Längsschnitt eine zylindrische Manschette, die Teil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung für Heliumtransport ist.

In Fig. 1 zeigt die Bezugsziffer 1 ein Ende einer Hohlwelle einer rotierenden elektrischen Maschine mit supraleitender 55 Rotorwicklung, in das die Vorrichtung für den Heliumtransport gemäss vorliegender Erfindung eingebaut ist.

Die Vorrichtung für den Heliumtransport enthält ein erstes rotierendes Rohr 2 und ein erstes feststehendes Rohr 3 für die Zufuhr von flüssigem Helium, sowie ein zweites rotierendes t>o Rohr 4 und ein feststehendes Rohr 5 für die Rückführung von gasförmigem Helium bei sehr tiefer Temperatur. Alle diese Rohre bestehen aus doppelwandigen Rohrstutzen, wobei der Raum zwischen den beiden Rohrwandungen mit einem Hochvakuum gefüllt ist. Bei dem zweiten rotierenden Rohr 4 wird b5 die äussere Wand dieses Raumes durch das Ende 1 der Hohlwelle selbst gebildet.

Die beiden rotierenden Rohre 2 und 4 sind an ihren (hier nicht gezeigten) linken Enden mit dem (hier nicht gezeigten) Rotorkryostaten der rotierenden elektrischen Maschine mit supraleitender Rotorwicklung verbunden. Die Vakuumräume dieser zwei rotierenden Rohre 2 und 4 können mit der Vakuumkammer des Rotorkryostaten verbunden oder einzeln verschlossen werden.

Die zwei feststehenden Rohre 3 und 5 werden durch einen Aussenflansch 6 gehalten, der mit dem (hier nicht gezeigten) Gehäuse der rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist; sie sind an ihren (hier nicht gezeigten) rechten Enden an eine an sich bekannte (hier nicht gezeigten) Kältemaschine angeschlossen. Desgleichen können die Vakuumräume der beiden feststehenden Rohre 3 und 5 mit einer Vakuumpumpe verbunden oder einzeln verschlossen werden.

Wie Fig. 1 zeigt, ist das rotierende Rohr 4 koaxial um das rotierende Rohr 2 und das feststehende Rohr 5 koaxial um das feststehende Rohr 3 angeordnet. Die feststehenden Rohre 3 und 5 sind koaxial zu den rotierenden Rohren 2 und 4 angeordnet und mit geringem Radialspiel im Bereich der Überlappungszone zum Teil in die entsprechenden rotierenden Rohre 2 und 4 eingeschoben. Ausserdem überdeckt das feststehende Rohr 5 ebenfalls mit geringem Radialspiel im Bereich der Überlappungszone teilweise das rotierende Rohr 2.

Um die rotierenden und feststehenden Rohre in ihren Überlappungszonen zu schützen, ist gemäss vorliegender Erfindung eine Manschette 7 (besser ersichtlich in Fig. 2) vorgesehen, mit der die rotierenden und feststehenden Rohre 2,4,3,5 voneinander getrennt werden. Wie Fig. 2 zeigt, besteht die Manschette 7 aus drei koaxial angeordneten Zylindern 8,9 und 10. Ein Innenzylinder 8 und ein Mittelzylinder 9 sind an einem ihrer Enden durch ein erstes ringförmiges Distanzstück 11 miteinander verbunden. Desgleichen sind der Mittelzylinder 9 und ein Aussen-zylinder 10 am anderen Ende des Mittelzylinders 9 über ein zweites ringförmiges Distanzstück 12 miteinander verbunden.

An dem Ende des Aussenzylinders 10, das dem über das zweite Distanzstück 12 mit dem Mittelzylinder 9 verbundenen Ende gegenüber liegt, trägt der Aussenzylinder 10 eine abnehmbare Befestigungsvorrichtung 13, die mit einem am Ende 1 der Hohlwelle montierten Zusatzteil 14 der Befestigungseinrichtung 13 zusammenwirkt (siehe Fig. 1). Die Befestigungsvorrichtung 13,14 kann beispielsweise aus einem an sich bekannten Verriegelungssystem mit Bajonettverschluss bestehen, so dass die Manschette 7 einfach und rasch montiert und demontiert und zudem das Ende 1 der Hohlwelle in rotierende Bewegung versetzt werden kann.

Die Manschette 7 wird im Innern des Endes 1 der Hohlwelle montiert, bevor die feststehenden Rohre 3 und 5 in die entsprechenden rotierenden Rohre 2 und 4 eingeführt werden. Der Aussenzylinder 10 wird in das Innere des zweiten rotierenden Rohres 4 eingeführt und gleichzeitig decken der Mittelzylinder 9 und der Innenzylinder 8 den Endteil des ersen rotierenden Rohres 2 ab. Wie Fig. 1 zeigt, sind die entsprechenden linken Enden des Aussenzylinders 10 und des Innenzylinders 8 durch einen ersten Sockel 15 und einen zweiten Sockel 16 gestützt, die entsprechend im Innern des zweiten rotierenden Rohres 4 und im Innern des zweiten rotierenden Rohres 4 und im Innern des ersten rotierenden Rohres 2 befestigt sind.

Die Innenwand des zweiten rotierenden Rohres 4 wird durch zwei koaxial angeordnete Teile 4 a und 4b unterschiedlichen Durchmessers gebildet, deren angrenzenden Enden unter sich durch ein drittes ringförmiges Distanzstück 17 verbunden sind. Der erste Sockel 15 ist durch eine axiale Verlängerung des dritten ringförmigen Distanzstücken 17 gebildet. Zwischen dem ersten Sockel 15 und dem breiteren Teil 4b des zweiten rotierenden Rohres 4 bildet sich ein Zwischenraum, in dem die axiale Verlängerung 18 des zweiten ringförmigen Distanzstücks 12 liegt.

Die Innenwand des ersten rotierenden Rohres 2 beteht aus

625 368

4

zwei koaxial angeordneten Teilen 2a und 2b unterschiedlichen Durchmessers, deren angrenzende Enden unter sich durch ein viertes ringförmiges Distanzstück 19 verbunden sind. Der zweite Sockel 16 ist durch eine axiale Verlängerung des vierten ringförmigen Distanzstückes 19 gebildet. Zwischen der Verlängerung 16 und dem Rohr 2b bildet sich ein Zwischenraum, in den das freie Ende des Innenzylinders 8 der Manschette 7 zu liegen kommt.

Nach der Montage der Manschette 7 werden die feststehenden Rohre 3 und 5 ins Innere der Manschette 7 eingeführt und der Aussenflansch 6 am Gehäuse der rotierenden elektrischen Maschine befestigt. Wenn alle Elemente montiert sind (siehe Fig. 1), trennt der Innenzylinder 8 die Aussenwand des feststehenden Rohres 3 von der Innenwand des rotierenden Rohres 2, der Mittelzylinder 9 trennt die Aussenwand des rotierenden Rohres 2 von der Innenwand des feststehenden Rohres 5 und der Aussenzylinder 10 trennt die Aussenwand des feststehenden Rohres 5 von der Innenwand des rotierenden Rohres 4, und dies auf der ganzen axialen Strecke im Überlappungsbereich zwischen den feststehenden und rotierenden Rohren.

Die Zylinder 8,9 und 10 der Manschette 7 sind vorzugsweise aus weicherem Material als das Material der feststehenden und rotierenden Rohre 2,4,3,5 gefertigt. Mit einer solchen Manschette 7 können durch Reibung verursachte Perforationen in den rotierenden Rohren 2 und 4 vermieden werden. Ohne die Manschette 7 wären solche, durch Vibrationen erzeugte Reibungen zwischen den feststehenden und rotierenden Rohren 2,4,3,5 nicht zu verhindern. Die Manschette 7 selbst kann sich durch diese Reibung abnützen und perforieren; der Betrieb der Maschine braucht aber deswegen nicht unterbrochen zu werden. Mit Hilfe der Befestigungsvorrichtung 13, 14 kann die Manschette 7 einfach und rasch durch eine neue Manschette 7 ersetzt werden. Falls eines der beiden feststehenden Rohre 3 und 5 infolge Reibungswirkung zwischen ihm und der Manschette 7 perforiert würde, wäre dies weniger schwerwiegend als eine Perforation des einen oder anderen der beiden rotierenden Rohre 2 und 4, denn die feststehenden Rohre 3 und 5 können viel leichter ersetzt werden als die rotierenden Rohre 2 und 4. Perforation in den rotierenden Rohren 2 und 4 5 hätte einen langen Stillstand der Maschine zur Folge.

Die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Transportvorrichtung kann noch verbessert werden. Das gasförmige, bei sehr tiefer Temperatur aus dem rotierenden Rohr 4 austretende und in das feststehende Rohr 5 zurückkehrende Helium "o wird auch von einer durch die Rotation des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine bewirkte Rotationsbewegung in Bewegung gebracht. Das in das feststehende Rohr 5 eindringende gasförmige Helium wird infolge Reibung an der Innenwand des feststehenden Rohres 5 gebremst, wobei es sich auf 15 Kosten des thermodynamischen Wirkungsgrades der Gesamtanlage erhitzt. Um dies zu vermeiden, ist das zweite Distanzstück 12 als mit Schaufeln 20 bestücktes, mit der Manschette 7 drehbares Rad ausgebildet und gleichzeitig sind am Ende des zweiten feststehenden Rohres 5 feststehende Schaufeln 21 vor-20 gesehen. Die rotierenden Schaufeln 20 und die feststehenden Schaufeln 21 wirken zusammen und sind so gerichtet, dass die Rotationskomponente der Geschwindigkeit des aus dem rotierenden Rohr 4 austretenden und in das feststehende Rohr 5 eindringenden gasförmigen Heliums wirkungslos wird. 25 Die Erfindung ist in ihrer Anwendung für eine rotierende elektrische Maschine beschrieben worden, wo das gasförmige Helium, nachdem es die supraleitende Rotorwicklung gekühlt hat, bei sehr tiefer Temperatur abgeführt wird.

3o Jedoch ist die Erfindung auch für elektrische rotierende Maschinen anwendbar, bei denen das gasförmige Helium bei Umgebungstemperatur zurückgeführt wird. In diesem Fall enthält die Transportvorrichtung für die Zuführung des flüssigen Heliums nur ein einziges rotierendes Verbindungsrohr. In die-35 sem Falle wird sich die Manschette 7 auf einen einzigen Zylinder reduzieren.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

625368 2 PATENTANSPRÜCHE befindliche supraleitende Wicklung zu kühlen. Im weiteren die-

1. Vorrichtung für Heliumtransport zwischen einer statio- nen diese Vorrichtungen dazu, das sich im Kontakt mit der nären Kältemaschine und einem rotierenden Kryostaten einer supraleitenden Wicklung wiedererwärmte gasförmige Helium rotierenden elektrischen Maschine mit supraleitender Wiek- aus dem Kryostaten abzuführen und zwecks Wiederverflüssi-lung, mit zwei koaxial angeordneten Rohren (2,3) für die Füh- 5 gung in die Kältemaschine zurückzuleiten. In den auf thermi-rung von flüssigem Helium, wobei das eine der beiden Rohre schem und thermodynamischen Gebiet am wenigsten hoch ent-mit dem rotierenden Kryostaten verbunden ist, während das wickelten rotierenden elektrischen Maschinen dieser Art wird andere Rohr feststehend ist und mit einem Radialspiel in der das gasförmige Helium bei Umgebungstemperatur durch die Überlappungszone zum Teil in das rotierende Rohr hineinragt, Transportvorrichtung abgeführt. In einem solchen Fall ist der dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zylindrische Manschette io Einsatz einer Kältemaschine hoher Leistung mit grossem Ener-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 15 schem Gebiet hochentwickelten Maschinen enthält die Heli-dass die zylindrische Manschette (7) an einem ihrer Enden mit umtransportvorrichtung einen Auslass für gasförmiges Helium einer abnehmbaren Befestigungsvorrichtung ( 13) ausgerüstet bei sehr tiefer Temperatur (in Grössenordnung 6 K) und einen ist und dass am einen Ende (1) der Welle der rotierenden elek- Auslass für gasförmiges Helium bei Umgebungstemperatur, trischen Maschine ein Zusatzteil (14) der Befestigungsvorrich- Letzterer Auslass ist dazu bestimmt, der Kältemaschine das tung ( 13) angeordnet ist. 20 gasförmige Helium wieder zuzuführen, das zur Kühlung der

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, Stromzuführungen zur Erregerwicklung und deren Befesti-dass die abnehmbare Befestigungs Vorrichtung (13) mit dem gungsorganen benützt wird. In diesem Falle kann die Kältema-Zusatzteil ( 14) als ein Bajonettverschluss ausgebildet ist. schine auf sehr viel kleinere Leistung dimensioniert sein, da ihr

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, der grösste Teil des in den flüssigen Zustand abzukühlenden dass sie einen im Innern des rotierenden Rohres (2) befestigten 25 Heliums bereits bei sehr tiefer Temperatur zugeführt wird. Sockel ( 16) für das Ende der Manschette (7) enthält, das dem Die Tatsache, dass in der Nähe einer rotierenden elektri-Ende der Manschette (7) mit der abnehmbaren Befestigungs- sehen Maschine mit supraleitenden Wicklungen eine Kältema-vorrichtung ( 13) gegenüberliegt. schine aufgestellt werden muss und dass supraleitende Wick-

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit zwei weiteren koaxial lungen zwecks thermischer Isolation in Kryostaten einzu-angeordneten Rohren (4,5) für die Führung von gasförmigem 30 schliessen sind, beschränkt die Anwendbarkeit der Supraleiter Helium bei tiefer Temperatur, wobei das eine der beiden Rohre auf Maschinen mit grossen Drehmomenten wie Turbogenera-mit dem rotierenden Kryostaten verbunden ist, während das toren und Schiffsantriebsmotoren. Die von diesen Maschinen andere Rohr feststehend ist und mit einem Radialspiel in der geforderte Betriebssicherheit ist sehr hoch. Ein Versagen ihrer Überlappungszone zum Teil in das rotierende Rohr hineinragt, Heliumtransportvorrichtung könnte zu einem langfristigen dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Manschette (7) 35 Ausfall der Maschine führen. Die Vorrichtung für den Heliumeinen Innenzylinder (8), einen Mittelzylinder (9) und einen Aus- transport ist im allgemeinen an dem Wellenende der Maschine senzylinder ( 10) enthält, die sich axial in die Überlappungszo- montiert, welches kein mechanisches Drehmoment überträgt, nen der rotierenden und feststehenden Rohre (3,2,5,4) erstrek- im einfachsten Fall, d. h. wenn ein feststehender Kryostat ken, wobei der Mittelzylinder an einem Ende mit dem entspre- mit flüssigem Helium zu versorgen ist, wird das flüssige Helium chenden Ende des Aussenzylinders (10) und am entgegenge- 40 immer aus einem Flüssigheliumbehälter mittels eines Rohres setzten Ende mit dem entsprechenden Ende des Innenzylinders zum feststehenden Kryostaten übergeführt. Bei diesem Rohr

(8) verbunden ist. handelt es sich um einen doppelwandigen Rohrstutzen mit

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch Hochvakuum zwischen seinen zwei Wänden. Die Zufuhr des gekennzeichnet, dass die abnehmbare Befestigung (13) an dem flüssigen Heliums in einen rotierenden Kryostaten erfolgt auf Ende des Aussenzylinders (10) angeordnet ist, das demjenigen 43 ähnliche Weise, wobei jedoch zwei koaxial angeordnete Rohre gegenüberliegt, durch das er mit dem Mittelzylinder (9) verbun- verwendet werden, d. h. ein rotierendes Rohr, das mechanisch den ist. mit dem Rotor der rotierenden elektrischen Maschine verbun-

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch den ist und ein feststehendes Rohr, das mit dem Flüssighelium-gekennzeichnet, dass der Sockel (16) das gegenüberliegende behälter verbunden ist und zum Teil in das rotierenden Rohr Ende des Innenzylinders (8) stützt, das demjenigen gegenüber- 5« hineinragt. Im Überlappungsbereich der beiden Rohre entste-liegt, durch das der Innenzylinder (8) mit dem Mittelzylinder (9) hen unvermeidlicherweise Heliumverluste. Um diese Verluste verbunden ist. zu begrenzen, toleriert man nur ein geringfügiges Radialspiel

(7) enthält, die mit dem rotierenden Rohr (2) verbunden ist und giebedarf erforderlich, da sie imstande sein muss, das Helium sich in axialer Richtung zwischen den zwei Rohren (2,3) über von gasförmigen Zustand (bei Umgebungstemperatur) in den die gesamte Länge der Überlappungszone der beiden Rohre (2, flüssigen Zustand (bei einer Temperatur von ungefähr 4,2 K) 3) erstreckt. überzuführen. In den auf thermodynamischem und thermi-

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, zwischen dem feststehenden und dem rotierenen Rohr.

dass die Manschette (7) im Bereich der Verbindung zwischen dem jn hochentwickelten Maschinen, bei denen der grösste Teil Aussenzylinder ( 10) und dem Mittelzylinder (9) mit der Man- 55 des gasförmigen Heliums bei niedriger Temperatur zurückge-schette (7) rotierende Schaufeln (20) aufweist und das weitere führt wird, kann das auf sehr tiefer Temperatur liegende gasför-feststehende Rohr (5) feststehende Schaufeln (21) trägt. mige Helium mittels zweier Rohre zurückgeführt werden, von denen eines feststehend ist, während das andere rotiert. Die Rohre sind teilweise ineinandergeschoben und koaxial zu den eo für die Zufuhr des flüssigen Heliums verwendeten Rohren angeordnet. Zwei Rohre für die Rückleitung des gasförmigen Heliums bei sehr tiefer Temperatur sind auch ähnlichen Bedin-