CZ301811B6

CZ301811B6 - Synchronní stroj a zpusob jeho chlazení

Info

Publication number: CZ301811B6
Application number: CZ20023593A
Authority: CZ
Inventors: Hunter Boardman@William; James Chila@Ronald
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2010-06-30
Also published as: US6680549B2; US20030080636A1; KR20030038395A; EP1309074A3; KR100926853B1; DE60235683D1; JP2003204643A; CZ20023593A3; EP1309074B1; JP4212336B2; EP1309074A2; RU2298276C2

Abstract

Synchronní stroj (50) obsahuje rotor (54) s plným jádrem, mající vinutí (66) rotoru, a stator (52) souosý s rotorem (54) a mající statorová vinutí (60), magneticky vázaná s vinutím rotoru (54), pricemž stator (52) má chladicí pruchody (100) probíhající smerem ven z vnitrní obvodové plochy statoru (52), pricemž vnitrní obvodová plocha statoru (52) je oddelena od rotoru (54) prstencovou mezerou (57). Synchronní stroj dále obsahuje ventilacní systém (82) statoru uzpusobený zavádet chladicí plyn do prstencové mezery (57) a chladicích pruchodu (100) statoru (52). Vinutí rotoru (54) je kryogenne chlazené supravodivé vinutí, a prstencová mezera (57) má po své délce promenlivou šírku. Pri zpusobu chlazení se zavádí chladicí plyn do prstencové mezery (57), a z prstencové mezery (57) se chladicí plyn vede do chladicích pruchodu (100) statoru (52), pricemž chladicí pruchody (100) mají otvory pri prstencové mezere (57) a rozmístené po délce prstencové mezery (57). Rotor (54) chladí kryogenním chlazením supravodivého vinutí (66) rotoru, zatímco stator (52) se chladí zavádením chladicího plynu z prstencové mezery (57), která má po své délce promenlivou šírku.

Description

Synchronní stroj a způsob jeho chlazení

Oblast techniky

Vynález se týká supravodivých synchronních elektrických strojů s ventilačním systémem s prouděním tekutiny pro chlazení statoru stroje.

Dosavadní stav techniky

Při způsobu výroby elektrické energie vytvářejí generátory teplo, které musí být z generátoru rozptýleno. Teplo vzniká v generátorech primárně v důsledku ventilace a tření, toku elektrického proudu, a Časově proměnlivých elektrických polí v magnetických strukturách. Třecí teplo vzniká, když se rotor otáčí při vysoké rychlosti generátoru. Podobně také dochází k ohřevu, když proud prochází rotorovými a statorovými vinutími, která se vzájemně otáčejí v magnetických polích generátoru. Ztráty v magnetickém obvodu vznikají, když se magnetická pole v permeabilních materiálech mění s časem, jako například ve statorovém jádru a rotorových pólech synchronního generátoru.

Generátory jsou běžně vybaveny chladicími systémy pro přenos tepla ze statoru a rotoru pryč z generátoru. V běžných synchronních strojích, jako v generátorech a motorech, které nepoužívají supravodivé materiály, se používají plynové ventilační systémy. Tyto plynové ventilační systémy těsně spojují chlazení statoru a rotoru. Ventilační systém chladí jak rotor, tak i stator tím, že nutí chladicí plyn procházet kanály pro průchod plynu v rotoru a statoru. Běžně chladicí systémy používají proudy chladicího plynu statorem a rotorem s dopředným a zpětným prouděním.

Ve ventilačním schématu s dopředným prouděním (obr. 1) proudí chladicí plyn sekcemi rotoru a statoru v sérii, což vytváří těsné spojení mezi chladicím systémem rotoru a statoru. Ve ventilač30 ním schématu se zpětným prouděním proudí chladicí plyn statorem a rotorem paralelně a proudy se potom směšují ve vzduchové mezeře stroje, což také vede ke spojení chlazení statoru a rotoru.

Vzhledem ke spojení chlazení rotoru a statoru musely být běžné ventilační systémy konfigurovány pro zajištění přiměřeného chlazení jak statoru, tak i rotoru. Pro zajištění chlazení rotoru musí být uskutečněny určité kompromisy v běžném ventilačním systému s ohledem na chlazení statoru a naopak. U ventilačního systému, který musí zajistit chlazení jak statoru, tak i rotoru, může být obtížné optimalizovat chlazení jak statoru, tak i rotoru. Nicméně se ve velkých energetických generátorech v průmyslu a veřejných službách ventilační systémy běžně uzpůsobují pro chlazení jak statoru, tak i rotoru.

V supravodivém synchronním stroji pracuje magnetizační vinutí rotoru při kiyogenních teplotách pomocí kryogenně chladicího systému, který má svůj samostatný chladicí okruh. Studené kryogenní chladivo se dodává do rotoru přenášecí spojkou. Kryogenní chladivo se nechá obíhat chladicím okruhem na rotoru, kde odebírá teplo ze supravodivých vinutí, a vrací se jako ohřáté chla45 divo rotorem a přenášecí spojkou do stacionárního chladicího systému. Tento kryogenní chladicí systém poskytuje účinné chlazení rotoru v supravodivém stroji.

EP 0 825 706 popisuje supravodivý rotor mající skříň 14 $ vnitřní stěnou 16 obklopující dutinu 18 s vakuem, v níž je uloženo supravodivé vinutí 22, a prstencovitě uspořádanou vrstvu 28 z tepelně vodivého materiálu, mající směrem ven obracenou plochu 30 a směrem dovnitř obracenou plochu 32 obklopující vinutí 22, a chladicí trubici 34 obsahující kryogenní tekutinu 36, která se dotýká časti směrem ven obrácené plochy 30 plechu 28. Rotor dále obsahuje prstencovitý kryt 38. Chladicí trubice 34 a směrem dovnitř obrácená plocha 42 prsténcovitého krytu 38 spolu kryjí v podstatě celou ven obrácenou plochu 30 plechu 28.

- i CZ 301811 B6

Patentový spis US 4 164 126 popisuje kryogenní kapalné chladivo pro chlazení rotoru supravodivého generátoru, které se ukládá na vnitrním povrchu otáčejícího se kanálu procházejícího rotorem a tvoří prstenec kapaliny obklopující jádro z páry. Kapalné chladivo z otáčející se trubi5 ce je vedeno do dvou radiálních trubek v rotoru a po výstupu z rotoru se rozstřikuje na povrch lázně chladivá omývající vinutí rotoru. Odpařované chladivo se vrací z rotoru v samostatných proudech od hnacího konce a sběračového konce a umožňuje chlazení hnacího konce a sběračového konce, které může být vyrovnáváno nezávislým řízením průtoku vracejících se proudů.

io Žádný z těchto dvou spisů neuvádí ventilační systém statoru. Ani jeden ze spisů nepopisuje polohu vnitřního obvodu statoru vzhledem k rotoru a nepopisuje tedy oddělení vnitrního obvodu od rotoru prstencovou mezerou.

Podstata vynálezu

Vynález přináší synchronní stroj, obsahující rotor s plným jádrem, mající rotorové vinutí (vinutí rotoru), dále stator souosý s rotorem a mající statorová vinutí, magneticky vázaná s vinutím rotoru, přičemž stator má chladicí průchody probíhající směrem ven z vnitrní obvodové plochy stato20 ru, přičemž vnitřní obvodová plocha statoru je oddělena od rotoru prstencovou mezerou, a dále obsahující ventilační systém statoru uzpůsobený zavádět chladicí plyn do prstencové mezery a chladicích průchodů statoru, přičemž vinutí rotoru je kryogenně chlazené supravodivé vinutí, a prstencová mezera má po své délce proměnlivou šířku.

Na rozdíl od běžných strojů, kde chladicí systémy statoru a rotoru jsou spojeny s jedním ventilačním systémem, mohou být chladicí systémy kryogenně chlazeného rotoru a plynem chlazeného statoru zcela nezávislé. Kryogenní chladicí systém pro supravodivý rotor nechladí stator. Stator takového supravodivého synchronního stroje má samostatný chladicí systém statoru.

Srovnáme-li například řešení dle vynálezu $ výše zmíněnými EP 0 825 706 a US 4 164 126, ani jeden ze spisů nepopisuje polohu vnitřního obvodu statoru vzhledem k rotoru a nepopisuje tedy oddělování vnitřního obvodu od rotoru prstencovou mezerou, mající proměnlivou šířku po délce prstencové mezery. Vynález tak přináší tu výhodu, že má samostatné chladicí systémy pro stator a rotor, zatímco řešení podle svou uvedených patentů nikoliv.

Byl vyvinut ventilační systém statoru pro supravodivý synchronní stroj. Stator supravodivého synchronního stroje je chlazen ventilačním systémem se zpětným prouděním. Chladicí plyn, jako vzduch nebo vodík, je odtahován ze vzduchové mezery a čerpán skrz difuzor, výměník tepla a jádro statoru zpět do vzduchové mezery. Vzduchová mezera má proměnlivou šířku po své axiální délce pro optimalizaci ventilačního proudění do statoru. Proměnlivosti vzduchové mezery je možno dosáhnout tvarováním vnějšího povrchu válcového rotoru.

Běžný synchronní stroj může být dodatečně vybaven supravodivým rotorem. Podobně může být běžný ventilační systém statoru a rotoru pozměněn tak, aby fungoval pouze jako ventilační sys45 tém statoru, jak je zde popisován. Rotor je připojen ke kryogennímu chladicímu systému. Ventilační systém statoru může mít dopředný nebo zpětný proud chladicího plynu. Navrhované chladicí systémy statoru jsou nezávislé na typu uspořádání supravodivých rotorů a mohou být použity jak pro supravodivé rotory se železným, tak i se vzduchovým jádrem.

V jednom provedení je vynález synchronní stroj, obsahující rotor připojený k chladicímu systému rotoru, stator uložený okolo rotoru a oddělený od rotoru prstencovou mezerou mezi rotorem a vnitřním povrchem statoru, mající proměnlivou šířku po své délce, a dále ventilační systém statoru, nezávislý na chladicím systému rotor, přičemž ventilační systém statoru nutí chladicí plyny proudit prstencovou mezerou.

- 2 Ci. JU1O11 uu

V jiném provedení je vynález supravodivý elektromagnetický stroj obsahující rotor napojený na chladicí systém rotoru, stator okolo rotoru a oddělený od rotoru prstencovou mezerou mezi rotorem a vnitřním povrchem statoru, přičemž prstencová mezera má po své délce proměnlivou šířku, a dále ventilační systém statoru, nezávislý na chladicím systému rotoru, přičemž ventilační systém rotoru tlačí chladicí plyny prstencovou mezerou.

V dalším provedení navrhuje vynález supravodivý elektromagnetický stroj, obsahující rotor s pevným jádrem, mající kryogenně chlazené supravodivě vinutí rotoru, stator souosý s uvedeným rotorem a mající statorová vinutí, magneticky vázaná s uvedeným supravodivým vinutím rotoru, přičemž statorová vinutí jsou uspořádána okolo uvedeného rotoru, přičemž stator má chladicí průchody vycházející z vnějšího obvodu statoru na vnitřní obvod statoru, přičemž uvedený vnitřní obvod statoru je oddělen od rotoru prstencovou vzduchovou mezerou, přičemž mezera má po své délce proměnlivou šířku, přičemž rotor je chlazený kryogenní chladicí tekutinou, a při15 čemž supravodivý elektromagnetický stroj dále obsahuje ventilační systém statoru, dodávající chladicí plyn na vnějšímu obvod statoru a do uvedených průchodů statoru.

Podle jednoho provedení synchronního stroje podle vynálezu má prstencová mezera největší šířku ve středu své délky.

Podle jiného provedení synchronního stroje podle vynálezu má prstencová mezera větší šířku ve středu své délky než na svém konci.

Podle dalšího provedení synchronního stroje podle vynálezu se Šířka prstencové mezery postup25 ně zvětšuje od konce směrem ke středu své délky.

Prstencová mezera v synchronním stroji může být také zčásti vymezována obvodovou plochu štítu, uloženého zevně na jádrové sekci rotoru, přičemž obvodová plocha štítu je nakloněná vzhledem k ose otáčení rotoru. Nakloněná obvodová plocha štítu má přitom s výhodou kužeto30 vitý tvar.

Vnitřní obvodová plocha statoru, vymezující prstencovou mezeru, je podle dalšího znaku vynálezu nakloněná vzhledem k ose otáčení rotoru.

Rotor synchronního stroje má podle dalšího znaku vynálezu vnější povrch, nakloněný vzhledem k jeho ose otáčení, který je složený ze segmentů vymezujících jednotlivé úseky celkové proměny šířky mezery po délce rotoru.

Vynález přináší způsob tvarování mezery mezi rotorem a statorem v synchronním elektromagne40 tickém stroji, přičemž se při způsobu vytvoří stator mající válcovou dutinu pro vsunutí rotoru, přičemž stator obsahuje chladicí kanály, ústící do uvedené dutiny, vytvoří se válcová plocha na rotoru, která tvoří vnitřní cylindrickou plochu uvedené mezety, a plocha rotoru se vytvaruje do sklonu pro vymezování mezery, která má po své délce proměnlivou tloušťku.

Vynález dále navrhuje způsob chlazení synchronního stroje, majícího rotor se supravodivým rotorovým vinutím (vinutím rotoru) a stator s ventilačním systémem statoru, přičemž stator je oddělený od rotoru prstencovou mezerou, přičemž se při způsobu zavádí chladicí plyn do prstencové mezery, a z prstencové mezery se chladicí plyn vede do chladicích průchodů statoru, přičemž chladicí průchody mají otvory při prstencové mezeře a rozmístěné po délce prstencové mezery, přičemž podle vynálezu se rotor chladí kryogenním chlazením supravodivého rotorového vinutí, zatímco stator se chladí zaváděním chladicího plynu z prstencové mezery, která má po své délce proměnlivou šířku. Stator se přitom s výhodou chladí zaváděním chladicího plynu z prstencové mezery, která má největší šířku ve středu své délky, přičemž šířka prstencové mezery se zvětšuje po své délce nelineárně.

-3CZ 301811 B6

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení $ odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr. 1 schematický řez ukazující čtvrtinu generátoru, zná5 zorňující běžný chladicí systém s dopředným prouděním, obr. 2 schematický řez synchronním elektromagnetickým strojem, majícím supravodivý rotor, obr. 3 schematický řez čtvrtinou supravodivého generátoru, majícího plný rotor se vnějším povrchem nakloněným vzhledem k jeho ose, a uzavřený ventilační systém statoru, obr. 4 boční pohled na polovinu segmentovaného statoru a rotoru, mající povrch nakloněný vzhledem k jeho ose, a obr. 5 diagram závislosti ventilačío ního průtoku na poloze statorové trubice pro různá chladicí uspořádání.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje běžný generátor 8, mající běžný ventilační systém JO s dopředným prouděním, v němž chladicí plyn (šipky 12) proudí rotorem J4 a/nebo vzduchovou mezerou 16 rotoru a potom statorem 18. Chladicí plyn může být vzduch, vodík i nějaký jiný chladicí plyn. Chladicí plyn proudí radiálními průchody 20 pro plyn v rotoru a podobnými radiálními průchody 21 pro plyn ve statoru v řadě (sérii), která vytváří těsné spojení mezi proudy chladicího plynu v rotoru a statoru.

Když chladicí plyn proudí v běžném ventilačním systému 10 rotorem, předává se teplo v rotoru do plynu. Teplota chladicího plynu stoupá k teplotě vinutí rotoru. Zahřátý plyn vystupuje z rotoru do vzduchové mezery 16 a směšuje se s chladicím plynem, který přímo vstoupil do vzduchové mezery 16. Tato směs chladicích plynů z vzduchové mezery vstupuje do průchodů 21 statoru. Když se chladicí plyny pohybují statorem, teplo z horkých vinutí statoru se předává do chladicích plynů a je ze statoru odnímáno, když zahřáté plyny vystupují ze statoru.

Z vnějšího obvodu statoru procházejí v běžném ventilačním systému zahřáté chladicí plyny prs30 tencovými kanály 22, které obklopují stator a směrují horké plyny k výměníkům 24 tepla. Horké plyny se chladí ve výměnících 24 tepla, proudí recirku lačním i kanály 26 a jsou čerpány zpět do rotoru a vzduchové mezeiy ventilátorem 28. Chladicí plyny jsou také hnány skrz rotor a do mezery 16 odstředivými silami v rotoru. Některé z chladicích plynů, vystupujících z ventilátoru 28, jsou kromě toho směrovány pro chlazení koncových závitů 30 vinutí statoru.

V běžném chladicím systému je část proudu chladicích plynů (šipka 12), čerpaná ventilátorem, vtahována do rotoru odstředivými silami působícími na plyny procházejícími průchody 20 rotoru. Zahřáté plyny rotoru vystupují z průchodů na povrchu rotoru do vzduchové mezery 6 mezi rotorem a statorem. Ventilační systémy se zpětným prouděním, jaké jsou popsány v patentovém spisu US 5 633 543, je přiváděn chladicí plyn jak do statoru, tak i rotoru.

Obr. 2 znázorňuje příkladný synchronní generátorový stroj 50 mající stator 52 a supravodivý rotor 54. I když je stroj 50 je znázorněn jako generátor, může být také uspořádán jako elektromotor. V generátoru obsahuje rotor magnetizační vinutí 66, s nímž je vsazen do válcové dutiny

56 statoru pro rotor. Mezi vnějším obvodem rotoru a válcovým povrchem statoru, vymezujícím válcovou dutinu 56, v níž je vloženo jádro 64 rotoru, je vytvořena prstencová mezera 57. Když se rotor otáčí ve statoru, magnetické pole generované rotorem a vinutím rotoru se otáčí ve statoru a vytváří elektrický proud ve vinutích statoru 60. Tento proud je vydáván generátorem jako elektrický výkon (energie).

Rotor 54 má v podstatě podélně probíhající osu 62 a v podstatě plné jádro 64. Plné jádro 64 rotoru má vysokou magnetickou permeabilitu a je obvykle vyrobeno z feromagnetického materiálu, jako je železo. V supravodivém stroji s nízkou výkonovou hustotou se používá jádro rotoru pro

-4CZ, JUIO1I DU snižování magnetomotorické síly (MMF) a tím i pro minimalizaci množství drátu supravodivého (SC) vinutí, potřebného pro vytvoření vinutí.

Rotor 54 nese nejméně jedno podélně uspořádané vysokoteplotně supravodivé vinutí (vinutí s vysokoteplotní supravodivostí, high-temperature superconducting coil winding, HTS vinutí) 66 ve tvaru „závodní dráhy“ (racetrack). HTS vinutí může mít alternativně sedlový tvar nebo jakýkoli jiný tvar, který je vhodný pro konkrétní tvarové řešení HTS rotoru. HTS vinutí se chladí kryogenní tekutinou, dodávanou do rotoru vnějším zdrojem chladicí tekutiny. Chladicí systém 75 pro rotor 54 a jeho HTS vinutí 66 je nezávislý a izolovaný od chladicích systémů pro jiné složky io generátoru 50, jako na ventilačním systému 82 (obr. 3) pro stator 52.

Rotor má hřídel 68 sběračového konce a hřídel 70 hnacího konce, které nesou jádro 64 rotoru a které jsou podporované ložisky 72. Koncové hřídele mohou být připojeny k vnějším zařízením. Například má hřídel 68 sběračového konce přenašeči spojku 74 pro přenos kryogenní tekutiny ke zdroji 75 kryogenní chladicí tekutiny, použité pro chlazení supravodivého vinutí rotoru. Příkladný zdroj kryogenní chladicí tekutiny je popsán v patentu USA č.......(v současné době patentová přihláška USA, č.09/854 943 z 15, 5.2001) s názvem „Cryogenic cooling regrigeration systém for rotor having a high temperature superconducting field winding and a method“.

Přenášecí spojka 74 pro přenos tekutiny obsahuje stacionární segment, připojený ke zdroji kryogenní chladicí tekutiny a otáčivý segment, který poskytuje chladicí tekutinu k HTS vinutí. Hřídel 68 sběračového konce také zahrnuje sběrač 76 pro elektrické připojení k otáčejícímu se supravodivému vinutí. Hřídel 70 hnacího konce rotoru může být poháněn spojkou 78 turbíny,

Obr. 3 znázorňuje řez jednou čtvrtinou generátoru 50 (viz podélnou osu 62 rotoru), majícího stator větraný chladicím ventilačním systémem 82 s dopředným prouděním. Chladicí systém dodává chladicí plyn, například okolní vzduch nebo vodík, ke statoru. Chladicí systém statoru je nezávislý a je izolovaný od kryogenního chladicího systému, který dodává kryogenní chladicí tekutinu do rotoru,

Ventilační systém 82 statoru obsahuje ventilátory 84 pro chladicí plyn, které jsou upevněné ke koncovému hřídeli nebo hřídelům (68 a 70) rotoru. Ventilátory 84 se otáčejí s rotorem pro přivádění chladicího plynu (Šipky 86) do prstencové mezery 57 mezi jádrem 64 rotoru a dutinou 56 statoru 2. Chladicí plyn je vháněn ventilačním systémem 82 do vzduchové mezery 57. Ventilátor vtahuje chladicí plyn z kanálu 88 pro plyn, který může přijímat plyn z přetlakové komory/difiizoru 90, uspořádané okolo statoru generátoru. Alternativně (nebo přídavně) vtahuje ventilátor nový vzduch z vnějšku generátoru.

Přetlaková komora 90 přijímá ochlazený plyn z jednoho nebo více výměníků 92 tepla. Výměníky tepla odebírají teplo z plynu vystupujícího z průchodů 100 statoru a komor 94 statoru. Výměníky tepla chladí plyn tak, aby mohl být recirkulován pro chlazení statoru. Horký plyn z průchodů 100 statoru vstupuje do komor 94 statoru, obklopujících vnější obvod statoru. Komory mají válcovou vnější stěnu 95, která obvodově obklopuje stator a má otvory pro výměníky tepla. Komory mohou také obsahovat prstencové přepážky 96, vybíhající radiálně směrem ven ze statoru. Tyto přepážky rozdělují zahřátý vzduch z průchodů 100 statoru na výměníky 92 tepla.

Teplo je odebíráno z vinutí 60 statoru, když chladicí plyn prochází chladicími průchody 100. Průchody statoru mohou být uspořádány ve statoru pro optimalizaci chlazení vinutí statoru. Například může být frekvence chladicích kanálů podél osy statoru a/nebo průřezová plocha prů50 chodů zvolena tak, aby se rovnoměrně rozdělovalo chlazení ve statoru nebo se jinak optimalizovalo chlazení statoru.

Ventilační systém 82 může být uzavřený plynový systém, v němž chladicí plyn, například vodík nebo vzduch, cirkuluje statorem, výměníkem tepla a přetlakovou komorou pro chlazení statoru.

-5CZ 301811 B6

Chladicí systém může být také otevřený, kde čerstvý chladný vzduch se kontinuálně vtahuje do mezery rotoru a statoru ventilátorem 84.

Ve ventilačním systému 82 s uzavřenou smyčkou pro stroj se supravodivým rotorem se chladicí plyn jako vzduch nebo vodík nechává obíhat z výměníku nebo výměníků tepla 92 ventilátory 84 a vzduchovou mezerou 57 do chladicích průchodů 100 statoru pro odebírání tepla z vinutí statoru, a zpět k výměníku tepla. Chladicí systém určený pouze pro stator zjednodušuje ventilační systém, ve srovnání s běžnými ventilačními systémy, které měly dvě dráhy proudění statorem a rotorem.

io

Chladicí systém 82 statoru je také použitelný pro synchronní stroje, například generátory a motory, kde je běžný rotor nahrazen supravodivým rotorem, V takovém případě může být ventilační systém s kombinovaným prouděním rotorem a statorem původního stroje převeden na systém s dopředným prouděním pouze pro stator, se vzduchovou mezerou proměnlivé šířky, jak je zná15 zorněno na obr. 3, 4 nebo 5, nebo na systém se zpětným prouděním pouze pro stator, který také obsahuje mezeru proměnlivé šířky.

Vzduchová mezera 57 mezi supravodivým rotorem a statorovým jádrem je válcovitá oblast, pres niž chladicí plyn proudí před vstupem do průchodů 100 statoru. Chladicí plyn vstupuje do vzdu20 chove mezery od opačných konců 102 mezery na koncích jádra statoru a jádra rotoru. Plyn je čerpán do vzduchové mezery ventilátory 84.

Proud chladicího plynu vzduchovou mezerou 57 (a tedy do průchodů 100 statoru) je ovlivňován tvarem vzduchové mezery, Například může úzká vzduchová mezera zmenšovat průtok vzducho25 vou mezerou a zvyšovat zpětný tlak (protitlak) na vstupu 102 do mezery. Úzká vzduchová mezera může také snižovat dynamický tlak a tedy zmenšovat objem proudění vstupujícího do průchodů statoru v úzké části vzduchové mezery. Naopak může široká vzduchová mezera umožňovat zvýšený průtok a snižovat zpětný tlak (protitlak) na vstupu 102 do mezery. Široká mezera může zvyšovat dynamický tlak a zvyšovat objem proudění vstupujícího do kanálů statoru v oblasti široké části vzduchové mezery. Měnění šířky (tloušťky) vzduchové mezery mezi vstupem 102 a středem 104 zajišťuje určitou míru kontroly objemu a dynamického tlaku chladicích plynů v otvorech do každého průchodu 100 statoru.

Proměnlivostí Šířky (viz sklon 105) vzduchové mezery 57 tak, že má (například) relativně tlusté části při středu 104 rotoru a relativně tenké části při vnějších koncích 102 jádra rotoru nebo naopak, je možné ovládat tlak a průtok chladicího plynu vzduchovou mezerou. Například může být proudění vzduchu vzduchovou mezerou 57 ovládáno tak, že kompenzuje ztráty proudění třením, k nimž dochází, když chladicí plyny proudí vzduchovou mezerou od konce 102 (nebo obou konců) jádra rotoru směrem ke středu 104 rotoru. Vhodným měněním Šířky vzduchové mezery, ve sklonu 105, může být proudění chladicího plynu do každého z průchodů 100 statoru po délce statoru relativně rovnoměrné (nebo může mít jiné žádoucí průtokové parametry na vstupech do průchodů statoru).

Proměnlivost šířky 105 po délce vzduchové mezery 57 může být dosažena sklonem vnitřního válcového obvodu jádra statoru, které tvoří vnější obvod vzduchové mezery. Alternativně může být zajištěna proměnlivost průřezu vzduchové mezery také tvarováním vnějšího povrchu válcového elektrického magnetického (EM) štítu 106 na jádře supravodivého rotoru (viz obr. 3). EM štít je na vnějším obvodě jádra rotoru. Proměnlivost průřezu vzduchové mezery může být dále zajištěna kombinací tvarování vnitřního obvodu jádra statoru a vnějšího obvodu jádra rotoru.

Vytvoření vnitřního obvodu 56 jádra statoru ve sklonu může být relativně složité vzhledem k tomu, že každý segment jádra statoru by měl být obroben nebo vystřižen na jeho vnitřním obvodě pro vytváření požadované nakloněné plochy. Kromě zvyšující se složitosti sestavování segmentů jádra statoru do jádra statoru, kde vymezuje každý segment jádra statoru jedinečnou část

-6VZ. JU1O11 DO povrchu vzduchové mezery, vznikají obtíže s vedením náhradních dílů pro segmenty jádra rotoru nebo pro opravu vadných jader statoru na místě použití, I když vytvoření vnitřního obvodu jádra statoru ve sklonu je jednou z možností pro vytvoření vzduchové mezery s kónicky proměnlivým průřezem, může být v řadě případů použití vhodné vytvářet ve sklonu EM štít na jádře rotoru.

Obr. 4 znázorňuje řez EM Štítem 106, majícím vnější povrch nakloněný vzhledem k ose otáčení rotoru. Naklonění je složeno ze segmentů pro dosažení rovnoměrného chladicího proudění průchody statoru. Segmentované vytvoření naklonění má šikmé úseky ve sklonu po délce plochy štítu. Naklonění probíhá od vzájemně opačných konců 102 jádra rotoru ke středu 104 jádra.

io

EM štít 106 na jádře 64 supravodivého rotoru je kovový plošný dílec tvarovaný ve válci tak, že obaluje vnější povrch rotoru. Zatímco obvykle je EM štít válec jednotné tloušťky s hladkým vnějším povrchem, je v daném provedení vnější povrch 108 EM štítu tvarován tak, že vytváří vzduchovou mezeru proměnlivého průřezu. Štít může být tvarován zesílením nebo ztenčením štítu na vhodných místech po délce rotoru. Alternativně může být EM štít tvarován přidáváním prstenců okolo jádra rotoru tak, že jsou osazovány pod nebo nad štítem ve vhodných polohách po délce jádra rotoru.

Sklon EM štítu (a tedy proměnlivost tloušťky vzduchové mezery) může být lineární (viz 105 na obr. 3) nebo se může měnit po délce mezery (viz obr. 4). Jak je znázorněno na obr. 4, zrychluje se sklon EM štítu v blízkosti střední části 104 jádra rotoru, takže se ve středu délky vytváří relativně Široká vzduchová mezera 108. Široká vzduchová mezera ve střední části jádra rotoru zmenšuje zpětný tlak (protitlak) chladicího plynu na vstupu do vzduchové mezery a umožňuje, aby více chladicího plynu proudilo do těch průchodů statoru, které ústí do střední části délky vzdulí chove mezery.

Obr. 5 znázorňuje diagram 120 průtoku 126 chladicího plynu kanály 128 statoru pro různé tvary proměnlivosti tloušťky vzduchové mezery. Několik provedení vzduchové mezery s proměnlivou tloušťkou bylo podrobeno dvourozměrné výpočtové analýze dynamiky tekutin (CFD). Použilo se ventilační schéma dopředného toku s jednorázovým průchodem, při kterém je proud vzduchu zaváděn ventilátory do vzduchové mezery a z ní do jádra statoru. Radiální průchody 100 jádra statoru byly předpokládány jako rovnoměrně rozmístěné (viz čísla u 128) podél osy jádra rotoru. I když pro CFD analýzu byly stanoveny tyto parametry, mohou být při praktickém použití průchody 100 statoru rozmístěny nerovnoměrně podél osy jádra rotoru a mohou mít i nestejné prů35 řezové plochy pro podporování rovnoměrného proudění chladicí tekutiny statorem nebo mít jiné žádoucí parametry proudění statorem. Dále může být použito ventilační schéma s chladicím plynem uváděným do oběhu ventilačním systémem.

Jak je znázorněno v diagramu na obrázku 5, segmentovaná vzduchová mezera 122 (v níž je střední část vzduchové mezery širší než části mezery blízké koncům jádra rotoru) poskytuje relativně rovnoměrný průtok všemi průchody statoru. Vzduchová mezera 124 představující základní čáru má po délce vzduchové mezery 57 jednotnou šířku.

Jak je znázorněno v diagramu, mění se podstatně průtok 126 podle polohy průchodů 128 statoru po délce jádra statoru. Pro vzduchovou mezeru 124 základní čáry mají průchody 100 na koncích jádra rotoru (průchody č. 1 až 10, a 41 až 49) a ve střední části (průchody č. 24 až 26) relativně nízký průtok. Naproti tomu mají u této vzduchové mezery statorové průchody uprostřed dílčích sekcí (průchody Č. 10 až 20 a 30 až 35) relativně vysoký průtok chladicího plynu. Vzhledem k nerovnoměrnému průtoku chladicího plynu v průchodech nemusí docházet u statoru se základní vzduchovou mezerou k rovnoměrnému chlazení statoru.

Pro dosažení požadovaného průtoku chladicího plynu průchody statoru mohou být použity jiné vzduchové mezery s proměnlivou šířkou. Chladicí průtok, vyplývající z lineárně proměnlivé vzduchové mezery, je reprezentován 30% zmenšením průřezu 130 a 60% zmenšením průřezu

-7CZ 301811 B6

132. Tyto vzduchové mezery s lineárně se měnící šířkou jsou široké na koncích jádra rotoru a nejtenčí uprostřed rotoru. Vzduchová mezera s lineárně se měnící šířkou je schematicky znázorněna na obr. 3. Procentuelní zmenšení (30 a 60 %) reprezentuje relativní šířku vzduchové mezery u středu 104 jádra rotoru ve srovnání s konci 102 mezery.

Jak je znázorněno v diagramu, vykazují vzduchové mezery s 30% a 60% lineárním zmenšením šířky mezery zvýšený zpětný tlak (protitlak) na vstupu do mezery, a to vzhledem ke zmenšené šířce ve středu mezery. Zvyšující se lineární sklon od 0 přes 30 k 60 % však progresivně snižuje výchylky průtoku mezi průchody statoru.

I když vynález byl popsán ve spojení s tím, co je v současné době uvažováno jako nejpraktičtější a nej výhodnější provedení, rozumí se, že vynález není omezen na popsané provedení, ale naopak je uvažován jako kryjící různé obměny a ekvivalentní uspořádání, zahrnutá v duchu a rozsahu patentových nároků.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Synchronní stroj (50), obsahující:

rotor (54) s plným jádrem, mající rotorové vinutí (66); stator (52) souosý s rotorem (54) a mající statorová vinutí (60), magneticky vázaná s vinutím rotoru (54), přičemž stator (52) má chladicí

25 průchody (100) probíhající směrem ven z vnitřní obvodové plochy statoru (52), přičemž vnitřní obvodová plocha statoru (52) je oddělena od rotoru (54) prstencovou mezerou (57), a ventilační systém (82) statoru uzpůsobený zavádět chladicí plyn do prstencové mezery (57) a chladicích průchodů (100) statoru (52), vyznačený tím, že vinutí (66) rotoru (54) je kryogenně chlazené supravodivé vinutí, a

30 prstencová mezera (57) má po své délce proměnlivou šířku.
2. Synchronní stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že prstencová mezera (57) má největší šířku ve středu (104) své délky.

35
3. Synchronní stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že prstencová mezera (57) má větší šířku ve středu (104) své délky než na svém konci (102).
4. Synchronní stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že šířka prstencové mezery (57) se postupně zvětšuje od konce (102) směrem ke středu (104) své délky.
5. Synchronní stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že prstencová mezera (57) je zčásti vymezována obvodovou plochou štítu (106), uloženého zevně na jádrové sekci rotoru (54), přičemž obvodová plocha štítu (106) je nakloněná vzhledem k ose otáčení rotoru (54).

45
6. Synchronní stroj podle nároku 5, vyznačený tím, že nakloněná obvodová plocha štítu (106) má kuželovitý tvar.
7. Synchronní stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že vnitřní obvodová plocha statoru (52), vymezující prstencovou mezeru (57), je nakloněná vzhledem k ose otáčení rotoru (54).
8. Synchronní stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že rotor (54) má vnější povrch, nakloněný vzhledem k jeho ose otáčení, který je složený ze segmentů vymezujících jednotlivé

-8CL JUIO11 UU úseky celkové proměny šířky mezery po délce rotoru (54).
9. Způsob chlazení synchronního stroje (50), majícího rotor (54) se supravodivým rotorovým vinutím (66) a stator (52) s ventilačním systémem (82) statoru, přičemž stator (52) je oddělený

5 od rotoru (54) prstencovou mezerou (57), přičemž se při způsobu zavádí chladicí plyn do prstencové mezery (57), a z prstencové mezery (57) se chladicí plyn vede do chladicích průchodů (100) statoru (52), přičemž chladicí průchody (100) mají otvory při prstencové mezeře (57) a rozmístěné po délce prstencové mezery (57), vyznačený tím, že se rotor (54) chladí kryogenním chlazením supravodivého vinutí (66) ío rotoru, zatímco stator (52) se chladí zaváděním chladicího plynu z prstencové mezery (57), která má po své délce proměnlivou šířku.
10. Způsob chlazení podle nároku 9, vyznačený tím, že stator (52) se chladí zaváděním chladicího plynu z prstencové mezery (57), která má největší Šířku ve středu své délky, přičemž
15 šířka prstencové mezery (57) se zvětšuje po své délce nelineárně.