DE2326016C3 - Turbogenerator mit supraleitender Erregerwicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbogenerator mit supraleitender Erregerwicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Generator ist aus der DE-OS 20 28 158 bekannt. Um die supraleitende Erregerwicklung von Wärmeeinstrahlung von außen abzuschirmen, sind auf dem Tragzylinder noch zusätzliche metallische Zylinder angeordnet, deren Zwischenräume jeweils evakuiert sind. Das Kühlmittel wird dabei axial über die Welle zugeführt und auch axial wieder abgeführt. Da im Wellenbereich keine zusätzlichen Wärmeabschirmungen vorgesehen sind, ist an diesen Stellen die Wärmeeinstrahlung von außen besonders gefährlich, da dann das Kühlmittel leicht die Siedetemperatur überschreiten kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlmittelabführung derar* zu schaffen, daß Wärmeein-Strahlungen im Wellenbereich von außen zum Wicklungsbereich sicher vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Turbogenerator nach der Erfindung und

Fig.2 einen Längsschnitt durch den Läufer im vergrößerten Maßstab.

Der Turbogenerator nach F i g. 1 weist einen Ständer 10 mit einer herkömmlichen, normalleitenden Wicklung 12 auf. Der Läufer 14 ist durch den Luftspalt 16 beabstandet innerhalb des Ständers 10 angeordnet und weist eine supraleitende Erregerwicklung 18 auf. Als Kühlmittel wird dabei im allgemeinen flüssiges Helium mit einer Temperatur von 4,2° K verwendet, um die Leiter der Erregerwicklung im supraleitenden Zustand zu halten. Das Kühlmittel wird von einem externen Kühlsystem 20 zu einem axialen Einlaß 22 im erregerseitigen Wellenende geführt und strömt dann durch die Erregerwicklung 18 und ebenfalls durch die Erregerstromzuleitungen 24. Das Kühlmittel wird dann über einen Auslaß 26 im antriebsseitigen Wellenteil 39 abgesaugt und kann in das Kühlsystem 20 zurückgeführt werden.

Der Läufer 14 besteht dabei aus einem stabilen Tragzylinder 28 zur Übertragung des Drehmomentes, wobei die Erregerwicklung 18 auf der Innenseite dieses Tragzylinders 28 angeordnet ist. Der Erregerstrom wird über die Erregerstromzuleitungen 24 von einem Erreger 32 beispielsweise über Schleifring 24 oder rotierende Gleichrichter zugeführt.

Der Tragzylinder 28 geht in die Wellenenden 38 und 39 über, die ihrerseits in den Lagern 40 im abstützenden Gehäuse 42 der Maschine gehalten sind.

In Fig.2 sind im vergrößerten Maßstab die wesentlichen Teile des Läufers 14 dargestellt. Der eigentliche Tragzylinder 28 ist dabei noch von einem äußeren Zylinder 52 aus rostfreiem Stahl umgeben, der entsprechend den auftretenden Beanspruchungen sehr stabil ausgeführt ist. Da über diesen Zylinder eine erhebliche Wärmeeinstrahlung erfolgen kann, weil dieser Zylinder auf Raumtemperatur liegt, sind besondere Schutzmaßnahmen erforderlich, um die supraleitenden Eigenschaften der Erregerwicklung aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grunde ist der Tragzylinder 28 von einem doppelten Vakuum umgeben. Dabei ist zunächst konzentrisch zum Tragzylinder 28 ein Dämpferzylinder 58, beispielsweise aus Kupfer angeordnet, wobei der Zwischenraum 56 evakuiert ist. Ein zweiter evakuierter Raum 60 wird vom äußeren Zylinder 52 und den nicht abgeschirmten Teilen des Tragzylinders 28 gebildet Diese beiden evakuierten Räume 56 und 60, die über kleine Öffnungen miteinander in Verbindung stehen können, sowie der Dämpferzylinder 58, können wirkungsvoll die radial einwärts gerichtete Wärmeübertragung vom Zylinder 52 zur eigentlichen Erregerwicklung 18 abschirmen. Der innere Tragzylinder 28 muß jedoch notwendigerweise mit dem äußeren Zylinder 52 in fester Verbindung stehen und von ihm mitgetragen werden. Diese Verbindung wird über die radiale Wandung 62 des Tragzylinders 28 hergestellt. Damit ist jedoch eine Wärmeleitung über diesen Tragzylinder 28 von der auf Raumtemperatur liegenden Wand 62 möglich, die für die supraleitende Erregerwicklung gefährlich sein kann.

Um auch die Temperatur dieser äußeren Bauteile zu reduzieren, war es bisher üblich, das Kühlmittel nach seiner Zirkulation durch die Erregerwicklung in der Nähe der außenliegenden Teile des Läufers entlangzuführen und dann wieder aus der Maschine abzuleiten. Wegen der Konvektionsströmung des rotierenden Kühlmittels tritt hierbei jedoch die Gefahr eines Überschreitens des Siedepunktes dieses Kühlmittels auf, so daß besondere Vorkehrungen dagegen getroffen werden müssen. Die Konvektionsströmung kommt dadurch zustande, daß die aufgewärmten Kühlmittelan-

teile spezifisch leichter sind als die demgegenüber kälteren Kühlmittelanteile, so daß auf sie weniger große Fliehkräfte wirken und sie durch Austausch mit relativ schweren Kühlmitielanteilen in Zonen geringer Fliehkraft-Druckbeanspruchung gelangen können, wo der zugehörige Verdampfungspunkt der Temperatur niedriger liegt

Erfindungsgemäß ist daher eine besondere Anordnung für die Absaugung dieses Kühlmittels geschaffen, wobei in diesem Abströmbereich Konvektionsströmungen des Kühlmittels sicher vermieden werden. Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, verläuft die Kühlmittelrohrleitung 72 zur Ableitung des Kühlmittels aus der Erregerwicklung 18 direkt in die Läuferachse 74 und leitet das Kühlmittel zum Auslaß 26. Diese Kühlmittelleitung 72 ist im Abstand noch vom wicklungsfreien Bereich 54 des Tragzylinders 28 umgeben und von diesem durch einen evakuierten Raum 76 getrennt. In diesem evakuierter Raum 76 sind mehrere, sich radial zwischen Kühlmittelrohrleitung 72 und Tragzylinderabschnitt 54 erstreckende, gut wärmeleitende Stege 78 angeordnet, die jeweils fest mit dem Tragzylinderabschnitt 54 und der Kühlmittelrohrleitung 72 verbunden sind.

Diese Stege 78 können aus einzelnen speichenartigen Streben oder dünnen Scheiben bestehen und sind zweckmäßigerweise mit kleinen öffnungen versehen,

um einen Ausgleich der einzelnen Vakuumräume zu erhalten. Diese Stege 78 bestehen aus einem Material mit einem höheren thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten als das Material der Kühlmittelrohrleitung 72 oder des Tragzylinderabschnittes 54. Beispielsweise können die gut wärmeleitenden Stege 78 aus Kupfer und die Kühlmittelrohrleitung 72 sowie der Tragzylinderabschnitt 54 aus rostfreiem Stahl bestehen. Durch diese Stege 78 wird erreicht, daß die von der radialen, auf Raumtemperatur liegenden Wandung 62 über den Tragzylinderabschnitt 54 nach innen geleitete Wärme nicht bis zur supraleitenden Erregerwicklung 18 gelangt, sondern über die Stege 78 zur Kühlmittelrohrleitung 72 geführt und dort mit dem Kühlmittel abgeleitet wird.

Die Stege 78 weisen dabei — wie aus der Zeichnung zu ersehen ist — einen mittleren Bereich 79 von relativ geringem Querschnitt auf. Die Kopf- und Fußstücke 80 dieser Stege 78 weisen jedoch im Bereich der Kühlmittelrohrleitung 72 und des Tragzylinderabschnittes 54 einen größeren Querschnitt auf, um einen besseren Kontakt mit diesen Teilen und damit eine bessere Wärmeübertragung zu ermöglichen.

Durch die Anordnung wird also sicher verhindert, daß von außen einfallende Wärme bis zur supraleitenden Wicklung gelangt und dort eine Verdampfung des flüssigen Kühlmittels bewirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Turbogenerator mit supraleitender Erregerwicklung, die auf der Innenseite einer als Tragzylinder ausgebildeten Hohlwelle angeordnet ist und bei dem das Kühlmittel über eine axiale Bohrung in der Welle auf der Erregerseite zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel in dem antriebsseitigen Wellenende (39) durch eine axiale Bohrung (Auslaß 26) und in dem an die Wicklung angrenzenden Abschnitt (54) des Trsgzylinders (28) durch eine innerhalb eines von dem Tragzylinder (54) umschlossenen, evakuierten Raumes (76) angeordnete Kühlmittelrohrleitung (72) abführbar ist, die über mehrere gut wärmeleitende Stege (78) mit dem Tragzylinderabschnitt (54) in Verbindung steht.

2. Turbogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Stege (78) einen höheren thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten aufweist als das der Kühlmittelrohrleitung (72) und des Tragzylinders (54).

3. Turbogenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (78) in dem an die Kühlmittelrohrleitung (72) und den Tragzylinderabschnitt (54) angrenzenden Bereichen (Kopf- und Fußstücke 80) einen größeren Querschnitt als im mittleren Bereich (79) ihrer radialen Erstreckung aufweisen.

4. Turbogenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (78) aus dünnen Scheiben bestehen.

5. Turbogenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (78) aus einzelnen, speichenartigen Streben bestehen.