DE2109194A1

DE2109194A1 - Drehdichtungseinnchtung zur Über tragung eines Mediums zwischen einem ortsfesten und einem drehenden Korper

Info

Publication number: DE2109194A1
Application number: DE19712109194
Authority: DE
Inventors: Michael Burke Newcastle upon Tyne Wood (Großbritannien)
Original assignee: International Research and Development Co Ltd
Current assignee: International Research and Development Co Ltd
Priority date: 1970-02-27
Filing date: 1971-02-26
Publication date: 1971-09-09
Also published as: CH538632A; SE382722B; US3731865A; GB1330144A

Description

Paienianwälie

Dipl-Ing. Wolfgang Reichel

6 Frcmkiuii a. M. 1

Parksiraße 13

6595

INTERNATIONAL* RESEMGH & DEVELOPMENT GOMPAIiY LIMITED Newcastle upon Tyne NE6 2YD, England

ürehdichtungseinrichtung zur Übertragung eines Mediums zwischen einem ortsfesten und einem drehenden Körper

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehdichtungseinrichtung zur Übertragung eines Mediums zwischen einem ortsfesten und einem drehenden Körper. Insbesondere steht die Erfindung, wenn auch nicht ausschließlich, im Zusammenhang mit solchen Mediumsübertragungseinrichtungen in Maschinen, in denen große Temperaturunterschiede zwischen dem Medium und den ortsfesten und/oder drehenden Teilen der Maschine vorhanden sind.

Bezeichnend für derartige Maschinen ist eine supraleitende elektrische Maschine, in der eine elektrische Wicklung aus supraleitendem Material, zum Beispiel einer Niobium-Titanlegierung hergestellt ist und auf einer Temperatur im Bereich von 4 ⁰K bis 20 ⁰K unter Verwendung eines Mediums gehalten wird, das zum Beispiel, flüssiges oder gasförmiges Helium sein kann.

In einer typischen Gleichstrommaschine dieser Bauart besteht die supraleitende Wicklung aus der Stator- oder Standerwicklung, die in einem regelbaren Kühlaggregat eingeschlossen

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ist, und der Läufer kann unter normaler Temperatur arbeiten. Bei Wechselstrommaschinen treten Schwierigkeiten auf, wenn man supraleitende Materialien verwenden möchte, die Wechselströme ohne merkliche Verluste weiterleiten.

Ein Weg zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten in einer Wechselstrommaschine besteht darin, supraleitendes Material in der Gleichstrom-Feldwicklung zu verwenden, welche bei Maschinen großer Ausgangsleistung, zum Beispiel Synchrongeneratoren, gewöhnlich auf dem Läufer befestigt ist. Eine Ausführungsform einer Wechselstrommaschine, in der eine Läufer-ffeldwicklung aus supraleitendem Material vorgesehen ist, ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P 20 28 158.7 der Anmelderin beschrieben.

Bei einer drehenden oder umlaufenden supraleitenden Feldwicklung ergibt sich jedoch wiederum das Problem, die Wicklung in einem drehenden Körper zu kühlen. Das Medium kann durch ein Kühlaggregat, das sich innerhalb des Läufers mitdreht, oder in einem stationären Kühlaggregat außerhalb des Läufers erzeugt und durch geeignete Verbindungsleitungen dem Läufer zugeführt werden.

Die Überführung des Mediums von einem ortsfesten Körper in einen rotierenden Körper kann weitere Probleme aufwerfen, da ja irgendeine Form einer Lrehdichtung verwendet werden muß, und es bereitet beträchtliche Schwierigkeiten, ein Dichtungsmaterial zu schaffen, das für die Verwendung unter tiefen Gefriertemperaturen geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, obige Schwierigkeiten und Mängel zu vermeiden und eine Drehdichtungseinrichtung zur Übertragung eines Mediums zwischen einem ortsfesten und einem drehenden Körper zu schaffen.

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Zur lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Urehdichtungseinrichtung zur Übertragung eines Mediums zwischen einem ortsfesten und einem drehenden Körper. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine vakuumisolierte Leitung in dem ortsfesten Körper, die an einer Öffnung in einer vakuumisolierten Viand endet, welche am ortsfesten Körper befestigt ist, und durch eine vakuumisolierte Leitung in dem drehenden Körper, die an einer Öffnung in einer vakuumisolierten Wand endet, v/elche an dem drehenden Körper befestigt ist, wobei die zwei Wände einander zugekehrt sind und einen Raum begrenzen, der durch eine Drehdichtung oder Drehdichtungen zwischen den ortsfesten und drehenden Körpern an einer Stelle verschlossen ist, die von den Öffnungen abgelegen ist und der Raum derart dimensioniert ist, daß die Strömung durch den Raum von den Öffnungen zu der Dichtung oder den Dichtungen stark verringert und dadurch ein beträchtlicher Temperaturunterschied zwischen den Dichtungen und dem Medium aufrechterhalten wird, das zwischen den öffnungen strömt.

Bei der Anwendung auf eine Maschine mit einer drehenden Welle, in die ein Medium einzuspeisen ist, wird eine vakuumisolierte Leitung für das Medium durch ein fixiertes Gehäuse geführt, das die VTelie umgibt, und der abgedichtete Raum ist ein ringförmiger Raum, der in dem Gehäuse zwischen zwei ringförmigen Wänden ausgebildet ist, nämlich einer inneren Wand, die an der Welle befestigt ist und sich mit dieser dreht, jedoch von der Welle durch einen Vakuumraum getrennt ist, und einer ortsfesten äußeren Wand, die an dem Gehäuse befestigt ist, jedoch durch einen Vakuumraum von dem Gehäuse getrennt ist.

In einem Ausführungsbeispiel ist das fixierte Gehäuse an Lagern auf der Welle befestigt und gegen eine Drehung blockiert.

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Die innere Wand kann eine Reihe von axial in Abstand voneinander angeordneten, in ümfangsrichtung verlaufenden Planschen oder Steuerbarrieren (Control fences) tragen, die sich in radialer Richtung bis nahe der äußeren Wand erstrecken, um den Strömungswiderstand des Mediums in dem abgedichteten Raum in Richtung der Drehachse zu vergrößern.

Der abgedichtete Raum kann an seinen Enden, die axial von den Mediumsleitungen abgelegen sind, durch Druckringdich^ tungen verschlossen werden, die auf fixierte Ringe auf der Welle aufliegen.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt einer Drehdichtungseinrichtung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer Übertragungsanordnung für ein Medium zwischen einem fixierten Gehäuse und der drehenden Welle eines Wechselstromgenerators, der eine supraleitende Läuferwicklung aufweist und

Pig. 2 einen schematischen Schnitt einer Anzahl von Dichtungseinrichtungen gemäß Pig. 1, die Einlasse und Auslässe für den Durchlauf des Mediums zum Läufer schaffen.

Bei der in den Zeichnungen dargestellten Anordnung wird eine Läuferwelle 1 von einem fixierten oder ortsfesten Gehäuse umgeben. In einem zwischen dem Gehäuse 2 und der Welle ausgebildeten Raum 3 sind zwei Wände angeordnet, und zw8r

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eine innere Wand 4 und eine äußere Wand 5, die zwischen sich einen ringförmigen Raum 6 "begrenzen. Die innere Wand 4, welche zum Beispiel aus rostfreiem Stahl bestehen kann, ist an ihren axial äußeren Enden an einem Bund 7 und 8 an der Welle 1 angeschv/eißt, sov/ie an einer vakuumisolierten Einlaßleitung 9c für ein Medium. Abstützringe 10 und 11 tragen die Wand 4 neben der Einlaßleitung 9c

Die äußere Wand 5 ist an ihren axial äußeren Enden zum Beispiel durch Verschv/eißen mit ortsfesten Teilen 12 und 13 verbunden, die am Gehäuse festgemacht sind. Die Wand 5 ist ferner mit einer Einlaßleitung 9a vereinigt. Abstützringe 14 und 15 tragen die Wand 5 neben der Leitung 9a. Der Raum 16 zwischen der Wand 4 und der Läuferwelle 1 und der Raum 17 zwischen der Wand 5 und den ortsfesten Teilen 12 und 13 bilden beide Vakuumräume. Vakuumräume 18 umgeben ferner die Einlaßleitungen 9a und 9c'

Ein durch die Leitung 9a eintretendes Medium strömt aus einer Öffnung in der Wand 5 in einen ringförmigen Kanal 9b, der die umlaufende Welle 1 umgibt, und von hier aus über eine Öffnung in der inneren Wand 4 in die Leitung 9c in der umlaufenden Welle. Der ringförmige Kanal 9b bildet einen Teil des Raumes 6 zwischen den Wänden 4 und 5, und das Medium tritt auf diese Weise in den Raum 6 ein. Die axial äußeren Enden des Raumes 6, die von den Einlaßleitun^ai 9a und 9c abgelegen sind, sind durch Drehdichtungen 19 und 20 verschlossen, die in der Form von Druckringen vorliegen, welche durch Federn 21 und 22 in Anlage mit Bunderweiterungen 7a bzw. 8a gepreßt werden. Die Drehdichtungen -19 und 20 arbeiten im wesentlichen unter Umgebungstemperatur und können demzufolge aus einem herkömmlichen Dichtungsmaterial, zum Beispiel Kohle, hergestellt werden.

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Um die Wärmeübertragung in da3 Medium zu verringern, ist es notwendig, die V/ärmekonvektion und Wärmeleitung im Raum 6 auf ein Minimum zu halten. Die Wärmeleitung kann dadurch stark reduziert werden, daß man die Dicken der Wände 4 und 5 auf ein Minimum hält. Die Wärmekonvektion wird dadurch sehr gering gehalten, daß man die Zirkulation des Mediums im Raum 6 auf ein Minimum hält. Dies kann erreicht werden durch axial beabstandete, in Umfangßrichtung verlaufende Plansche oder Wirbel-Steuerbarrieren 23 (Vortex control fences), die an der Oberfläche der V/and 4 befestigt werden. Diese Teile erstrecken sich in radialer Richtung bis nahe zur Oberfläche der Wand 5 und bilden tatsächlich getrennte Mediumstaschen oder -kammern entlang der axialen Länge des Raumes 6. Wenn m&n das Gehäuse 2 am Lager auf der Welle 1 befestigt, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, können die radialen Spielräume zwischen den Planschen 23 und der V/and 5 genau eingehalten werden.

Um den Einbau der Dichtungen und den Zugang zu diesen zu erleichtern, können die Bunderweiterungen 7a und 8a entfernbar ausgeführt sein, wie dies im Ausführungsbeispiel gezeigt ist, indem.die Bunderweiterungen oder Ringe konische Bohrungen aufweisen, welche auf konische Buchsen bzw. 25 passen. Die Buchsen können aus einem Werkstoff wie etwa Polytetrafluoräthylen bestehen. Die Bunderweiterungen oder Ringe sind in Einbaulage durch Arretiermuttern 26 und 27 gesichert.

In manchen Fällen kann es erwünscht sein, daß man zahlreiche Einlaß- und Auslaßleitungen für das Medium hat. In einem solchen Fall kann die Dichtungseinrichtung der Fig. 1 entlang der Läuferwelle wiederholt oder mehrfach angeordnet werden, wie dies schematisch in Fig. 2 gezeigt ist. In Fig. 2 sind die Lager, auf denen das Gehäuse auf der Welle

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gelagert ist, bei 28 gezeigt. Eine Drehung des Gehäuses wird durch eine Sperrzapfeneinrichtung 29 verhindert.

In der gezeigten Anordnung sind zwei Einlasse 30 und 31» sowie zwei Auslässe 32 und 33 vorhanden, die über Leitungen in der Läuferwelle mit Kühlkanälen im Läufer in Verbindung stehen.

Das in die Lauferwelle eintretende Medium könnte zur Erzeugung einer Zwischenkühlung verwendet und anschließend zur erneuten Abkühlung in das Kühlaggregat außerhalb des Läufers zurückgeführt werden, bevor es zur Kühlung der supraleitenden Wicklung eingesetzt wird.

Wenngleich in der beschriebenen Anordnung das Medium durch Leitungen strömt, die sich radial zu dem drehenden Körper erstrecken, ist es jedoch möglich, daß die Leitungen in den rotierenden Körper axial von, einem Ende desselben her eintreten, wobei in diesem Pail der Raum zwischen den vakuumisolierten Wänden ein zylindrischer Raum ist, der koaxial zu den Leitungen verläuft und sich von den Öffnungen, durch welche eine Mediumsübertragung stattfindet, zu einer einzigen Drehdichtung erstreckt, die axial von den Öffnungen beabstandet ist.

Obwohl die Erfindung speziell im Zusammenhang mit einer elektrischen Maschine beschrieben worden ist, kann sie jedoch zur Übertragung eines Mediums in praktisch jeder Anlage oder Vorrichtung verwendet werden, in der dieses Medium aus einem ortsfesten Körper in einen umlaufenden Körper oder umgekehrt zu übertragen ist. Wenngleich ferner die Erfindung speziell im Zusammenhang mit einem Medium beschrieben worden ist, kann sie jedoch auch im Zusammenhang mit heißen Medien angewendet werden, und zwar in Fällen, wo es erforderlich ist, die Wärmeübertragung von dem heißen Medium auf die ortsfesten und rotierenden Körper auf ein' Minimum zu halten.

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Claims

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Patentansprüche

M. Drehdichtungseinrichtung zur Übertragung eines Mediums zwischen einem ortsfesten und einem drehenden Körper, gekennzeichnet durch eine vakuumisolierte Leitung (9a) in dem ortsfesten Körper (2), die an einer Öffnung in einer vakuumisolierten Wand (5) endet, welche am ortsfesten Körper (2) befestigt ist, und durch eine vakuumisolierte Leitung (9c) in dem drehenden Körper (1), die an einer Öffnung in einer vakuumisolierten V/and

(4) endet, welche an dem drehenden Körper (1) befestigt ist, wobei die zwei Wände (4, 5) einander zugekehrt sind und einen Raum (6) begrenzen, der durch eine Drehdichtung oder Drehdichtungen (19, 20) zwischen den ortsfesten und drehenden Körpern an einer Stelle verschlossen ist, die von den Öffnungen abgelegen ist und der Raum (6) derart dimensioniert ist, daß die Strömung durch den Raum von den Öffnungen (Kanal 9b) zu der Dichtung oder den Dichtungen (19» 20) stark verringert und dadurch ein beträchtlicher Temperaturunterschied zwischen den Dichtungen und dem Medium aufrechterhalten wird, das zwischen den Öffnungen strömt.
2. Drehdichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch . gekennzeichnet , daß eine der Wände (4) Steuerbarrieren (23) trägt, die sich gegen die andere Wand

(5) erstrecken und quer zur Strömungsrichtung des Mediums zwischen den Öffnungen (Kanal 9b) und der Drehdichtung oder den Drehdichtungen (19» 20) liegen, um diese Strömung durch den Raum (6) zu begrenzen.

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3. Drehdichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (6) ringförmig ausgebildet ist.
4. Drehdichtung3einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der drehende Körper eine Welle (1) ist und der ortsfeste Körper aus einem Gehäuse (2) besteht, das die Welle umgibt, und der ringförmige Raum (6) koaxial zur Welle (1) verläuft.
5. Drehdichtungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die an der Welle (1) befestigte vakuumisolierte Wand (4) zahlreiche axial beabstandet e, radial verlaufende Plansche (23) trägt, die die Mediumsströmung durch den Raum (6) beschränken.
6. Drehdichtungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei axial in Abstand voneinander angeordnete Drehdichtungen (19 und 20) vorgesehen sind, von denen eine jede einen Druckring aufweist, der an einem fixierten Ring (7a, 8a) an der Welle (1) anliegt.

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