DE102018207662B4 - Rotary machine with superconducting magnetic bearing and method for starting up a rotary machine with superconducting magnetic conductor - Google Patents

Rotary machine with superconducting magnetic bearing and method for starting up a rotary machine with superconducting magnetic conductor Download PDF

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Abstract

Rotationsmaschine (1) umfassendwenigstens ein supraleitendes Magnetlager (2) zur drehbaren Lagerung eines Rotors (3), sowieeinen ersten Kühlkreislauf (A) umfassend wenigstens ein Kühlmittel sowie einen ersten Kühlmittelverdichter (4) zum verdichten des Kühlmittels und eine erste Drossel (5) zum Entspannen des Kühlmittels,wobeider erste Kühlkreislauf (A) und das supraleitende Magnetlager (2) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass das supraleitende Magnetlager (2) unterhalb einer Sprungtemperatur Tc des Supraleiters kühlbar ist und der erste Kühlmittelverdichter (4) vom Rotor (3) der Rotationsmaschine (1) antreibbar ist undwobeidie Rotationsmaschine (1) einen zweiten Kühlkreislauf (B) umfasst, der über einen Wärmetauscher (6) mit dem ersten Kühlkreislauf (A) in Wirkverbindung steht, wobei eine Kältemenge vom ersten Kühlkreislauf (A) auf den zweiten Kühlkreislauf (B) übertragbar ist und der zweite Kühlkreislauf (B) eine Wärmemenge von dem supraleitenden Magnetlager (2) aufnehmen kann, so dass die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers (2) unterhalb der Sprungtemperatur Tdes Supraleiters gehalten werden kann und wobei ein dritter Kühlkreislauf (C) vorgesehen ist, wobei der dritte Kühlkreislauf (C) unabhängig vom ersten Kühlkreislauf eine Kältemenge bereitstellen kann, die ausreicht, die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers (2) unterhalb der Sprungtemperatur Tdes Supraleiters zu halten.Rotary machine (1) comprising at least one superconducting magnetic bearing (2) for rotatably supporting a rotor (3), and a first cooling circuit (A) comprising at least one coolant and a first coolant compressor (4) for compressing the coolant and a first throttle (5) for relaxing of the coolant, the first cooling circuit (A) and the superconducting magnetic bearing (2) being designed and arranged such that the superconducting magnetic bearing (2) can be cooled below a transition temperature Tc of the superconductor and the first coolant compressor (4) from the rotor (3) The rotary machine (1) is drivable and the rotary machine (1) comprises a second cooling circuit (B) which is operatively connected to the first cooling circuit (A) via a heat exchanger (6), with a quantity of cooling from the first cooling circuit (A) to the second cooling circuit (B) is transferable and the second cooling circuit (B) can absorb a quantity of heat from the superconducting magnetic bearing (2) n, so that the temperature of the superconducting magnetic bearing (2) can be kept below the step temperature T of the superconductor and a third cooling circuit (C) is provided, the third cooling circuit (C) being able to provide a sufficient amount of cooling independently of the first cooling circuit, to keep the temperature of the superconducting magnetic bearing (2) below the step temperature T of the superconductor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine nach Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 5.The invention relates to a rotary machine according to claim 1 and a method for starting a rotary machine according to the preamble of independent claim 5.

Rotoren von Rotationsmaschinen, wie bspw. Gas- oder Dampfturbinen werden bislang überwiegend mittels hydrodynamischer Gleitlager gelagert. Aufgrund der hydrodynamischen Lagerung des Rotors kommt es zu hohen Reibungsverlusten und damit zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der Rotationsmaschine. Aus diesem Grund werden bei kleineren Rotationsmaschinen zunehmend Magnetlagerungen eingesetzt. Bei den Magnetlagern handelt es sich meist um elektromagnetische Lager. Grundsätzlich bieten Magnetlager den großen Vorteil, dass sie im Wesentlichen eine reibungsfreie Lagerung des Rotors ermöglichen und damit zu einer wesentlichen Wirkungsgradsteigerung beitragen. Darüber hinaus kann auf die bei Gleitlagern erforderliche Ölversorgung der Lager verzichtet werden, wodurch ein hoher konstruktiver Aufwand entfällt. Die Ölfreilagerung bietet darüber hinaus insbesondere für Anwendungsfelder, wo eine Brandlast unter allen Umständen zu vermeiden ist, große Vorteile.Rotors of rotary machines, such as gas or steam turbines, have so far been mainly stored using hydrodynamic plain bearings. Due to the hydrodynamic bearing of the rotor, there are high friction losses and thus a reduction in the efficiency of the rotary machine. For this reason, magnetic bearings are increasingly being used in smaller rotary machines. The magnetic bearings are mostly electromagnetic bearings. Basically, magnetic bearings offer the great advantage that they essentially enable friction-free mounting of the rotor and thus contribute to a significant increase in efficiency. In addition, the oil supply to the bearings required for plain bearings can be dispensed with, as a result of which a high level of design complexity is eliminated. Oil-free storage also offers great advantages, particularly for fields of application where a fire load must be avoided under all circumstances.

Einem Einsatz von Magnetlagern bei größeren Rotationsmaschinen steht allerdings die derzeit noch begrenzte Tragfähigkeit der Magnetlager entgegen. Um die Tragfähigkeit der Magnetlager zu erhöhen, ist mit den derzeit vorhandenen Werkstoffen, eine Vergrößerung der Wirkfläche, d.h. des Durchmessers und/oder der axialen Länge des Magnetlagers notwendig. Damit vergrößern sich aber auch die Rotorenden, das Lagergehäuse und letztendlich die Maschinenhauptabmessungen, so dass die Gesamtkosten steigen und der Einsatz von konventionellen Gleitlagern durch elektromagnetische Lager, bspw. bei Retrofits/Serviceaufträgen unmöglich wird, weil dort die neue Maschine in einen bestehenden Bauraum eingepasst werden muss.However, the use of magnetic bearings in larger rotary machines stands in the way of the currently limited load-bearing capacity of the magnetic bearings. In order to increase the load-bearing capacity of the magnetic bearings, an enlargement of the effective area, i.e. of the diameter and / or the axial length of the magnetic bearing is necessary. However, this also increases the rotor ends, the bearing housing and ultimately the main machine dimensions, so that the total costs increase and the use of conventional plain bearings through electromagnetic bearings, e.g. for retrofits / service orders, becomes impossible because the new machine will be fitted into an existing installation space got to.

Um die Tragfähigkeit von Magnetlagern zu erhöhen, schlägt die nicht-vorveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2018 202 994 A1 der Anmelderin vor, supraleitende Magnetlager einzusetzen. Supraleitende Magnetlager sind auch bereits in der DE 10 2007 036 603 B4 und der DE 100 42 962 C1 offenbart. Die supraleitenden Magnetlager werden mit einem sehr starken Magnetfeld beaufschlagt während sie in den supraleitenden Zustand übergehen. Dieses Magnetfeld ist dann „eingefroren“ und hat eine magnetische Flussdichte BS, die um den Faktor 2 größer ist als die Flussdichte BA des konventionellen elektromagnetischen Lagers. Hiermit ist auch die spezifische Belastbarkeit des supraleitenden Magnetlagers deutlich größer als die des elektromagnetischen Lagers und die Baugröße der Magnetlageranordnung lässt sich somit im Vergleich zu einer Magnetlagerung mit Gleitlagern halten oder gar reduzieren. Um das für die Lagerung notwendige Magnetfeld aufrechtzuerhalten, muss das supraleitende Magnetlager allerdings ständig unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur Tc des Supraleiters betrieben werden. Hierzu bedarf es einer entsprechenden Kühlung. Bislang werden hierzu externe Kühlanlagen mit hohem Energiebedarf verwendet. Durch den hohen Energiebedarf der externen Kühlanlagen wird der Wirkungsgradvorteil der supraleitenden Magnetlager zum Teil wieder wettgemacht.In order to increase the load capacity of magnetic bearings, the unpublished patent application suggests DE 10 2018 202 994 A1 the applicant to use superconducting magnetic bearings. Superconducting magnetic bearings are also already in the DE 10 2007 036 603 B4 and the DE 100 42 962 C1 disclosed. The superconducting magnetic bearings are exposed to a very strong magnetic field while they change to the superconducting state. This magnetic field is then "frozen" and has a magnetic flux density B S that by a factor 2nd is greater than the flux density B A of the conventional electromagnetic bearing. This also means that the specific load capacity of the superconducting magnetic bearing is significantly greater than that of the electromagnetic bearing, and the size of the magnetic bearing arrangement can thus be maintained or even reduced in comparison to a magnetic bearing with plain bearings. In order to maintain the magnetic field required for storage, the superconducting magnetic bearing must, however, always be operated below the so-called crack temperature Tc of the superconductor. Appropriate cooling is required for this. So far, external cooling systems with high energy requirements have been used for this. The high energy requirements of the external cooling systems partially offset the efficiency advantage of the superconducting magnetic bearings.

Aus der DE 11 2015 003 519 T5 sowie der US 2008 / 0 245 082 A1 sind Kompressionskältemaschinen bzw. Verdichtermaschinen mit einem Rotor und einem Rotorantrieb bekannt, bei denen, ein Kühlmittelverdichter auf dem Rotor angebracht ist, welcher von einer Rotationsmaschine antreibbar ist, wobei der Rotor ein Magnetlager aufweist und das Magnetlager mittels des vom Kühlmittelverdichter verdichteten, über eine Drossel entspannten und im Kreislauf geführten Kühlmittels gekühlt wird.From the DE 11 2015 003 519 T5 as well as the US 2008/0 245 082 A1 Compression refrigeration machines or compressor machines with a rotor and a rotor drive are known, in which a coolant compressor is mounted on the rotor, which can be driven by a rotary machine, the rotor having a magnetic bearing and the magnetic bearing being relaxed via a throttle by means of the compressor compressed by the coolant compressor and cooled circulating coolant.

Durch die direkte Anordnung des Kühlmittelverdichters auf dem Rotor ergibt sich ein deutlich besserer Wirkungsgrad. Allerdings kann es während des Anfahrens der Rotationsmaschine bzw. im Turn- oder im Notbetrieb zu einer Unterversorgung mit Kühlmittel kommen, wodurch die Temperatur über die der sogenannten Sprungtemperatur TC des Supraleiters steigen kann.The direct arrangement of the coolant compressor on the rotor results in a significantly better efficiency. However, there may be an insufficient supply of coolant during the start-up of the rotary machine or in gymnastics or emergency operation, as a result of which the temperature can rise above the so-called transition temperature T C of the superconductor.

Ausgehend vom zuvor beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotationsmaschine mit wenigstens einem supraleitenden Magnetlager bereitzustellen, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine mit einem supraleitenden Magnetlager bereitzustellen.Starting from the prior art described above, it is an object of the present invention to provide a rotary machine with at least one superconducting magnetic bearing, which overcomes the disadvantages of the prior art. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a method for starting up a rotary machine with a superconducting magnetic bearing.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Rotationsmaschine durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 5 gelöst.The object is achieved with respect to the rotary machine by the features of independent claim 1 and with respect to the method by the features of independent claim 5.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.Further embodiments of the invention, which can be used individually or in combination with one another, are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Rotationsmaschine, umfasst wenigstens ein supraleitendes Magnetlager zur drehbaren Lagerung eines Rotors, sowie einen ersten Kühlkreislauf umfassend wenigstens ein Kühlmittel sowie einen ersten Kühlmittelverdichter zum verdichten des Kühlmittels und eine erste Drossel zum Entspannen des Kühlmittels, wobei der erste Kühlkreislauf und das supraleitende Magnetlager derart ausgebildet und angeordnet sind, dass das supraleitende Magnetlager unterhalb einer Sprungtemperatur TC des Supraleiters kühlbar ist und der erste Kühlmittelverdichter vom Rotor der Rotationsmaschine antreibbar ist und wobei die Rotationsmaschine einen zweiten Kühlkreislauf umfasst, der über einen Wärmetauscher mit dem ersten Kühlkreislauf in Wirkverbindung steht, wobei eine Kältemenge vom ersten Kühlkreislauf auf den zweiten Kühlkreislauf übertragbar ist und der zweite Kühlkreislauf eine Wärmemenge von dem supraleitenden Magnetlager aufnehmen kann, so dass die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers unterhalb der Sprungtemperatur Tc des Supraleiters gehalten werden kann und wobei ein dritter Kühlkreislauf vorgesehen ist, wobei der dritte Kühlkreislauf unabhängig vom ersten Kühlkreislauf eine Kältemenge bereitstellen kann, die ausreicht, die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers unterhalb der Sprungtemperatur Tc des Supraleiters zu halten.The rotary machine according to the invention comprises at least one superconducting magnetic bearing for rotatably supporting a rotor, and a first cooling circuit comprising at least one coolant and a first coolant compressor for compressing the coolant and a first throttle for relaxing the coolant, the The first cooling circuit and the superconducting magnetic bearing are designed and arranged in such a way that the superconducting magnetic bearing can be cooled below a transition temperature T C of the superconductor and the first coolant compressor can be driven by the rotor of the rotary machine, and the rotary machine comprises a second cooling circuit which is connected via a heat exchanger to the the first cooling circuit is operatively connected, wherein a quantity of cold can be transferred from the first cooling circuit to the second cooling circuit and the second cooling circuit can absorb a quantity of heat from the superconducting magnetic bearing, so that the temperature of the superconducting magnetic bearing can be kept below the transition temperature Tc of the superconductor, and wherein third cooling circuit is provided, the third cooling circuit being able to provide a quantity of cooling which is sufficient independently of the first cooling circuit and which is sufficient to keep the temperature of the superconducting magnetic bearing below the transition temperature Tc of To keep superconductors.

Durch die direkte Anordnung des ersten Kühlmittelverdichters auf bzw. am Rotor wird das Prinzip der direkt betriebenen Hauptölpumpe bei Gleitlagern auf das supraleitende Magnetlager übertragen. Durch den direkten Antrieb des ersten Kühlmittelverdichters durch den Rotor sind keine zusätzlichen Aggregate wie bspw. Servomotoren für den Kühlmittelverdichter erforderlich, wodurch der konstruktive Aufwand deutlich geringer ist und die Kosten für die Kühlung der supraleitenden Magnetlager sinken. Der Direktantrieb des Kühlmittelverdichters mittels des Rotors wirkt sich zudem positiv auf den benötigten Energiebedarf aus und sorgt dadurch für eine Wirkungsgradsteigerung beim supraleitenden Magnetlager.The principle of the directly operated main oil pump in plain bearings is transferred to the superconducting magnetic bearing through the direct arrangement of the first coolant compressor on or on the rotor. The direct drive of the first coolant compressor by the rotor means that no additional units, such as servomotors, are required for the coolant compressor, which means that the design effort is significantly lower and the costs for cooling the superconducting magnetic bearings decrease. The direct drive of the coolant compressor by means of the rotor also has a positive effect on the required energy requirement and thus increases the efficiency of the superconducting magnetic bearing.

Durch den zweiten Kühlkreislauf sind die eigentliche Kältemaschine und der Kühlkreislauf zum Kühlen des supraleitenden Magnetlagers voneinander getrennt und über den Wärmetauscher miteinander verbunden. Hierdurch ist es bspw. möglich, eine zweite redundante Kältemaschine auszubilden und an den zweiten Kühlkreislauf anzubinden.The actual cooling machine and the cooling circuit for cooling the superconducting magnetic bearing are separated from one another by the second cooling circuit and connected to one another via the heat exchanger. This makes it possible, for example, to design a second redundant refrigeration machine and to connect it to the second cooling circuit.

Der dritte Kühlkreislauf ermöglicht eine unabhängige Kühlung der supraleitenden Magnetlager, insbesondere während des Anfahrens der Rotationsmaschine bzw. im Turn- oder im Notbetrieb. Hierdurch ergibt sich eine deutlich erhöhte Betriebssicherheit der Rotationsmaschine.The third cooling circuit enables the superconducting magnetic bearings to be cooled independently, in particular while the rotary machine is starting up or in gymnastics or emergency mode. This results in a significantly increased operational reliability of the rotary machine.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der dritte Kühlkreislauf mit dem ersten und/oder zweiten Kühlkreislauf schalttechnisch derart verbunden ist, dass je nach Betriebszustand der Rotationsmaschine das supraleitende Magnetlager vom ersten und/oder zweiten und/oder dritten Kühlkreislauf kühlbar ist. Durch die Verschaltung der unterschiedlichen Kühlkreisläufe kann jeweils die optimale Kühlung des supraleitenden Magnetlagers gewährleistet werden. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der zweite Kühlkreislauf eine Kühlmittelpumpe umfasst, mittels derer das Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf umwälzbar ist. Durch die Kühlmittelpumpe kann die Wärmemenge die vom supraleitenden Magnetlager an das Kühlmittel abgegeben werden kann deutlich gesteigert werden.One embodiment of the invention provides that the third cooling circuit is connected to the first and / or second cooling circuit in such a way that, depending on the operating state of the rotary machine, the superconducting magnetic bearing can be cooled by the first and / or second and / or third cooling circuit. The optimal cooling of the superconducting magnetic bearing can be guaranteed by connecting the different cooling circuits. A further embodiment of the invention provides that the second cooling circuit comprises a coolant pump, by means of which the coolant can be circulated in the second cooling circuit. The amount of heat that can be released from the superconducting magnetic bearing to the coolant can be increased significantly by the coolant pump.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kühlmittelpumpe vom Rotor der Rotationsmaschine antreibbar ist. Hierdurch ergeben sich dieselben Vorteile wie beim direkt angetriebenen Kühlmittelverdichter, d.h. der konstruktive Aufwand wird deutlich verringert und die benötigte Energie zum Antreiben der Kühlmittelpumpe wird direkt über den Rotor bereitgestellt.A further embodiment of the invention provides that the coolant pump can be driven by the rotor of the rotary machine. This gives the same advantages as with the directly driven coolant compressor, i.e. the design effort is significantly reduced and the energy required to drive the coolant pump is provided directly via the rotor.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine nach Anspruch 5 zeichnet sich dadurch aus, dass während des Anfahrens der Rotationsmaschine und bis zum Erreichen des vorgegebenen Betriebspunktes das supraleitende Magnetlager zumindest teilweise durch den dritten Kühlkreislaufs gekühlt wird. Beim Anfahren der Rotationsmaschine kann der direkt angetriebene erste Kühlmittelverdichter unter Umständen noch nicht genügend Kühlmittel bereitstellen, um eine ausreichende Kühlung des supraleitenden Magnetlagers zu gewährleisten. Durch das zusätzliche Kühlen des supraleitenden Magnetlagers mittels des dritten Kühlkreislaufs wird die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers unter allen Umständen unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters gehalten, wodurch die Magneteigenschaft des Supraleiters erhalten bleibt.The method according to the invention for starting up a rotary machine according to claim 5 is characterized in that the superconducting magnetic bearing is at least partially cooled by the third cooling circuit while starting up the rotary machine and until the predetermined operating point is reached. When starting up the rotary machine, the directly driven first coolant compressor may not yet be able to provide enough coolant to ensure sufficient cooling of the superconducting magnetic bearing. The additional cooling of the superconducting magnetic bearing by means of the third cooling circuit keeps the temperature of the superconducting magnetic bearing below the step temperature T C of the superconductor under all circumstances, as a result of which the magnetic properties of the superconductor are retained.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:

  • - 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Rotationsmaschine mit einem ersten Kühlkreislauf;
  • - 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Rotationsmaschine mit zwei Kühlkreisläufen;
  • - 3 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Rotationsmaschine mit drei Kühlkreisläufen; und
  • - 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotationsmaschine mit drei Kühlkreisläufen.
Further advantages and refinements of the invention are explained in more detail below with reference to the figures. It shows:
  • - 1 a first embodiment of a rotary machine with a first cooling circuit;
  • - 2nd a second embodiment of a rotary machine with two cooling circuits;
  • - 3rd a first embodiment of a rotary machine according to the invention with three cooling circuits; and
  • - 4th an alternative embodiment of a rotary machine according to the invention with three cooling circuits.

Bei den Figuren handelt es sich um schematische Darstellungen, bei denen im Wesentlichen nur die zur Erfindung notwendigen Bauteile dargestellt sind. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.The figures are schematic representations, in which essentially only the components necessary for the invention are shown. Identical or functionally identical components are provided with the same reference symbols in all figures.

1 zeigt eine Rotationsmaschine 1, umfassend einen Rotor 3, welcher mittels supraleitender Magnetlager 2 drehbar gelagert ist. Zur Kühlung der supraleitenden Magnetlager 2 ist ein erster Kühlkreislauf A vorgesehen. Bei dem Kühlkreislauf A handelt es sich im Prinzip um eine Kompressionskältemaschine. Das flüssige Kühlmittel strömt über Rohrleitungen zunächst zum supraleitenden Magnetlager 2. Dort nimmt das Kühlmittel Wärme von dem supraleitenden Magnetlager auf und verdampft. Das gasförmige Kühlmittel wird anschließend im Kühlmittelverdichter 4 komprimiert und dabei auf ein höheres Temperatur- und Druckniveau angehoben. Im Anschluss an den Kühlmittelverdichter 4 gibt das Kühlmittel Wärme an die Umgebung ab und kondensiert dabei. Um die Kondensation zu verbessern ist ein zusätzlicher Kondensator 10 vorgesehen. In einer nachgeschalteten Drossel 5 (Expansionsventil) wird das kondensierte Kühlmittel auf ein niedrigeres Druckniveau entspannt und anschließend einem Ausgleichsbehälter 11 zugeführt. Von dort gelangt das flüssige Kühlmittel erneut zum supraleitenden Magnetlager 2. Der erste Kühlkreislauf A ist dabei so ausgelegt und ausgebildet, dass das supraleitende Magnetlager 2 stets unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters gehalten werden kann und so sichergestellt wird, dass die magnetische Wirkung des supraleitenden Magnetlagers 2 erhalten bleibt. Der Kühlmittelverdichter 4 wird dabei direkt vom Rotor 3 angetriebenen. Durch die direkte mechanische Kopplung des Kühlmittelverdichters 4 mit dem Rotor 3 sind keine zusätzlichen Servomotoren oder Antriebe für den Kühlkreislauf erforderlich. Hierdurch reduziert sich der konstruktive Aufwand erheblich wodurch die Kosten für die Rotationsmaschine sinken. Zudem können durch den direkt angetriebenen Kühlmittelverdichter 4 Antriebsenergien eingespart und damit der Wirkungsgrad der Rotationsmaschine 1 erhöht werden. 1 shows a rotary machine 1 , comprising a rotor 3rd which by means of superconducting magnetic bearings 2nd is rotatably mounted. For cooling the superconducting magnetic bearings 2nd a first cooling circuit A is provided. The cooling circuit A is in principle a compression refrigerator. The liquid coolant first flows through pipelines to the superconducting magnetic bearing 2nd . There, the coolant absorbs heat from the superconducting magnetic bearing and evaporates. The gaseous coolant is then in the coolant compressor 4th compressed and raised to a higher temperature and pressure level. Following the coolant compressor 4th the coolant releases heat to the environment and condenses in the process. To improve the condensation is an additional capacitor 10th intended. In a downstream choke 5 (Expansion valve), the condensed coolant is expanded to a lower pressure level and then an expansion tank 11 fed. From there, the liquid coolant reaches the superconducting magnetic bearing again 2nd . The first cooling circuit A is designed and designed so that the superconducting magnetic bearing 2nd can always be kept below the transition temperature T C of the superconductor, thus ensuring that the magnetic effect of the superconducting magnetic bearing 2nd preserved. The coolant compressor 4th is directly from the rotor 3rd driven. Through the direct mechanical coupling of the coolant compressor 4th with the rotor 3rd no additional servo motors or drives for the cooling circuit are required. As a result, the design effort is considerably reduced, which reduces the costs for the rotary machine. In addition, the directly driven coolant compressor 4th Drive energy saved and thus the efficiency of the rotary machine 1 increase.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Rotationsmaschine 1. Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 dadurch, dass ein zweiter Kühlkreislauf B vorgesehen ist. Die Kühlung der supraleitenden Magnetlager 2 erfolgt dabei durch den Kühlkreislauf B, welcher über einen Wärmetauscher 6 mit dem ersten Kühlkreislauf A in Wirkverbindung steht. Dabei wird eine Kältemenge vom ersten Kühlkreislauf A über den Wärmetauscher 6 auf den zweiten Kühlkreislauf B übertragen. Um das Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf B umzuwälzen und hierdurch die Wärmeabfuhr von den supraleitenden Magnetlager 2 zu erhöhen, ist eine Kühlmittelpumpe 7 vorgesehen. Die Kühlmittelpumpe 7 ist wie der erste Kühlmittelverdichter 4 auf dem Rotor 3 der Rotationsmaschine 1 angeordnet und wird von diesem direkt angetrieben, so dass wiederum auf zusätzliche Servomotoren oder Antriebe verzichtet werden kann. Somit ergibt sich eine konstruktiv einfache Ausgestaltung des Kühlkreislaufs B. Zudem ist der Energiebedarf deutlich geringer als bei Verwendung von zusätzlichen Antrieben, so dass der Wirkungsgrad der Rotationsmaschine 1 steigt. 2nd shows a second embodiment of a rotary machine 1 . The exemplary embodiment differs from the exemplary embodiment 1 in that a second cooling circuit B is provided. The cooling of the superconducting magnetic bearings 2nd takes place through the cooling circuit B, which via a heat exchanger 6 is in operative connection with the first cooling circuit A. A quantity of refrigeration from the first cooling circuit A through the heat exchanger 6 transferred to the second cooling circuit B. In order to circulate the coolant in the second cooling circuit B and thereby the heat dissipation from the superconducting magnetic bearings 2nd is a coolant pump 7 intended. The coolant pump 7 is like the first coolant compressor 4th on the rotor 3rd the rotary machine 1 arranged and is driven directly by this, so that additional servomotors or drives can be dispensed with. This results in a structurally simple configuration of the cooling circuit B. In addition, the energy requirement is significantly lower than when using additional drives, so that the efficiency of the rotary machine 1 increases.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotationsmaschine 1. Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zum Ausführungsbeispiel nach 2 dadurch, dass ein dritter Kühlkreislauf C vorgesehen ist, wobei der dritte Kühlkreislauf C unabhängig vom ersten Kühlkreislauf eine Kältemenge bereitstellen kann, die ausreicht, die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers 2 unterhalb der Sprungtemperatur Tc des Supraleiters zu halten. Die Kältemenge kann dabei bspw. mit einer weiteren Kompressionskältemaschine bereitgestellt werden, wobei diese nicht direkt vom Rotor angetrieben wird sondern über einen zusätzlichen Servomotor oder einen zusätzlichen Antrieb angetrieben wird. Die Kältemenge kann aber auch über andere Wege bspw. mittels flüssigen Stickstoffs bereitgestellt werden. Da der Kühlkreislauf C unabhängig vom Rotor 3 der Rotationsmaschine 1 betrieben werden kann, eignet sich der Kühlkreislauf C insbesondere zum Kühlen der supraleitenden Magnetlager 2 während des Anfahrens der Rotationsmaschine 1 sowie für den Turn-/Notbetrieb. Während des Anfahrens und im Turn-/Notbetrieb kann der Kühlmittelverdichter 4 noch nicht genügend Leistung erbringen, um die notwendige Kühlung für die supraleitenden Magnetlager 2 bereitzustellen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 sind steuerbare Ventile 8 zum Umschalten zwischen den Kühlkreisläufen B und C vorgesehen, so dass für die Kühlung größtenteils dieselben Leitungen verwendet werden können. Hierdurch wird der Aufwand für die Verrohrung auf ein Minimum reduziert. 3rd shows an embodiment of a rotary machine according to the invention 1 . The exemplary embodiment differs from the exemplary embodiment 2nd in that a third cooling circuit C is provided, the third cooling circuit C being able to provide a sufficient amount of cooling independent of the first cooling circuit, the temperature of the superconducting magnetic bearing 2nd to keep below the transition temperature Tc of the superconductor. The amount of refrigeration can be provided, for example, with a further compression refrigeration machine, which is not driven directly by the rotor but is driven by an additional servo motor or an additional drive. However, the amount of cold can also be provided in other ways, for example by means of liquid nitrogen. Because the cooling circuit C is independent of the rotor 3rd the rotary machine 1 can be operated, the cooling circuit C is particularly suitable for cooling the superconducting magnetic bearings 2nd while starting up the rotary machine 1 as well as for gymnastics / emergency operation. The coolant compressor can be activated during start-up and in turn / emergency mode 4th not yet provide enough power to provide the necessary cooling for the superconducting magnetic bearings 2nd to provide. According to the embodiment 3rd are controllable valves 8th provided for switching between the cooling circuits B and C, so that for the most part the same lines can be used for cooling. This reduces the piping effort to a minimum.

Im Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotationsmaschine nach 4 sind zwei getrennte Kühlkreisläufe B und C vorgesehen, so dass hier auf die umschaltbaren Steuerventile 8 verzichtet werden kann. Hierdurch nimmt der Aufwand für die Verrohrung zu. Jedoch lässt sich hierdurch der steuertechnische Aufwand verringern.In the embodiment of a rotary machine according to the invention 4th two separate cooling circuits B and C are provided, so that here the switchable control valves 8th can be dispensed with. This increases the piping effort. However, this can reduce the tax expenditure.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine nach einem der Ausführungsbeispiele 3 und 4 gestaltet sich derart, dass während des Anfahrens der Rotationsmaschine 1 und bis zum Erreichen eines als vorgegebenen Betriebspunktes das supraleitende Magnetlager 2 zumindest teilweise mittels des dritten Kühlkreislaufs C gekühlt wird. Beim Erreichen des vorgegebenen Betriebspunktes kann dann die gesamte Kühlung über den ersten und zweiten Kühlkreislauf A, B erfolgen und der Kühlkreislauf C kann abgeschaltet werden. Während des Turn- und Notbetriebs kann dann wieder die Kühlung zumindest teilweise über den Kühlkreislauf C erfolgen.The method according to the invention for starting a rotary machine according to one of the exemplary embodiments 3rd and 4th is designed in such a way that while the rotary machine is starting up 1 and until the superconducting magnetic bearing is reached as a predetermined operating point 2nd is at least partially cooled by means of the third cooling circuit C. When the predetermined operating point is reached, the entire cooling can then take place via the first and second cooling circuits A, B and the cooling circuit C can be switched off. During gymnastics and emergency operation, the cooling can then again take place at least partially via the cooling circuit C.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch die erfindungsgemäße Rotationsmaschine das Prinzip der direkt getriebenen Hauptölpumpen bei Rotationsmaschinen mit Gleitlagerung Verwendung findet. Durch die mechanische Kopplung der Kühlmittelpumpe bzw. des Kühlmittelverdichters an den Rotor der Rotationsmaschine kann auf zusätzliche Servomotoren und Antriebe verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Rotationsmaschine ermöglicht somit eine hohe Betriebssicherheit bei geringerem konstruktivem Aufwand und verringertem Energiebedarf.In summary, it can be stated that the principle of directly driven main oil pumps is used in rotary machines with slide bearings by the rotary machine according to the invention. The mechanical coupling of the coolant pump or the coolant compressor to the rotor of the rotary machine means that additional servomotors and drives can be dispensed with. The rotary machine according to the invention thus enables a high level of operational reliability with less design effort and reduced energy consumption.

Claims (5)

Rotationsmaschine (1) umfassend wenigstens ein supraleitendes Magnetlager (2) zur drehbaren Lagerung eines Rotors (3), sowie einen ersten Kühlkreislauf (A) umfassend wenigstens ein Kühlmittel sowie einen ersten Kühlmittelverdichter (4) zum verdichten des Kühlmittels und eine erste Drossel (5) zum Entspannen des Kühlmittels, wobei der erste Kühlkreislauf (A) und das supraleitende Magnetlager (2) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass das supraleitende Magnetlager (2) unterhalb einer Sprungtemperatur Tc des Supraleiters kühlbar ist und der erste Kühlmittelverdichter (4) vom Rotor (3) der Rotationsmaschine (1) antreibbar ist und wobei die Rotationsmaschine (1) einen zweiten Kühlkreislauf (B) umfasst, der über einen Wärmetauscher (6) mit dem ersten Kühlkreislauf (A) in Wirkverbindung steht, wobei eine Kältemenge vom ersten Kühlkreislauf (A) auf den zweiten Kühlkreislauf (B) übertragbar ist und der zweite Kühlkreislauf (B) eine Wärmemenge von dem supraleitenden Magnetlager (2) aufnehmen kann, so dass die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers (2) unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters gehalten werden kann und wobei ein dritter Kühlkreislauf (C) vorgesehen ist, wobei der dritte Kühlkreislauf (C) unabhängig vom ersten Kühlkreislauf eine Kältemenge bereitstellen kann, die ausreicht, die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers (2) unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters zu halten.Rotary machine (1) comprising at least one superconducting magnetic bearing (2) for rotatably supporting a rotor (3), and a first cooling circuit (A) comprising at least one coolant and a first coolant compressor (4) for compressing the coolant and a first throttle (5) to relax the coolant, the first cooling circuit (A) and the superconducting magnetic bearing (2) being designed and arranged in such a way that the superconducting magnetic bearing (2) can be cooled below a transition temperature Tc of the superconductor and the first coolant compressor (4) can be driven by the rotor ( 3) of the rotary machine (1) and the rotary machine (1) comprises a second cooling circuit (B), which is operatively connected to the first cooling circuit (A) via a heat exchanger (6), with a quantity of cooling from the first cooling circuit (A ) can be transferred to the second cooling circuit (B) and the second cooling circuit (B) absorbs a quantity of heat from the superconducting magnetic bearing (2) so that the temperature of the superconducting magnetic bearing (2) can be kept below the transition temperature T C of the superconductor and a third cooling circuit (C) is provided, the third cooling circuit (C) being able to provide a quantity of cooling independently of the first cooling circuit, which is sufficient to keep the temperature of the superconducting magnetic bearing (2) below the step temperature T C of the superconductor. Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kühlkreislauf (C) mit dem ersten und zweiten Kühlkreislauf (A, B) schalttechnisch derart verbunden ist, dass je nach Betriebszustand der Rotationsmaschine (1) das supraleitende Magnetlager (2) vom ersten und zweiten Kühlkreislauf (A, B) oder vom zweiten und dritten Kühlkreislauf (B, C) kühlbar ist.Rotary machine (1) after Claim 1 , characterized in that the third cooling circuit (C) is connected to the first and second cooling circuits (A, B) in terms of switching technology in such a way that, depending on the operating state of the rotary machine (1), the superconducting magnetic bearing (2) from the first and second cooling circuits (A, B) or from the second and third cooling circuits (B, C) can be cooled. Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf (B) eine Kühlmittelpumpe (7) umfasst, mittels derer das Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf (B) umwälzbar ist.Rotary machine (1) after Claim 1 or 2nd , characterized in that the second cooling circuit (B) comprises a coolant pump (7), by means of which the coolant can be circulated in the second cooling circuit (B). Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe (7) vom Rotor (3) der Rotationsmaschine (1) antreibbar ist.Rotary machine (1) after Claim 3 , characterized in that the coolant pump (7) can be driven by the rotor (3) of the rotary machine (1). Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine (1) nach einem der Ansprüche vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Anfahrens der Rotationsmaschine (1) und bis zum Erreichen eines vorgegebenen Betriebspunktes das supraleitende Magnetlager (2) zumindest teilweise mittels des dritten Kühlkreislaufs (C) gekühlt wird.Method for starting up a rotary machine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that during startup of the rotary machine (1) and until a predetermined operating point is reached, the superconducting magnetic bearing (2) is at least partially cooled by means of the third cooling circuit (C) becomes.
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