DE2446220A1

DE2446220A1 - Elektrischer fluessigkeitskontakt, insbesondere fuer eine elektrische unipolarmaschine mit horizontaler welle

Info

Publication number: DE2446220A1
Application number: DE19742446220
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr Ing Massar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-25
Filing date: 1974-09-25
Publication date: 1976-04-08
Also published as: DE2446220C3; JPS5160903A; FR2286524A1; GB1477953A; DE2446220B2

Description

Elektrischer Flüssigkeitskontakt, insbesondere für eine elektrische Unipolarmaschine mit horizontaler Welle

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Flüssigkeitskontakt zwischen einem rotierenden ringförmigen Teil und ^;einem gegenüberstehenden, ebenfalls ringförmigen stehenden ,Teil, bestehend aus einem von unter Druck stehender metalli-

scher Flüssigkeit gefüllten mittleren Ringspalt, der auf jeder Seite durch einen radial gerichteten oder schrägstehenden seitlichen Ringspalt begrenzt ist, wobei .an den Seiten Mittel zur Abdichtung gegen ein Austreten der Flüssigkeit vorgesehen sind.

Ein derartiger, insbesondere für eine elektrische Unipolarmaschine mit horizontaler Welle geeigneter elektrischer Flüssigkeitskontakt ist aus der DT-AS 1 246 102 bekannt. Bei dieser bekannten. Anordnung sind an den Seiten des Flüssigkeitskontaktes sowohl am stehenden Teil als auch am rotierenden Teil ringförmige Rippen angeordnet, die nach Art. einer Labyrinthdichtung ineinandergreifen. Dadurch soll das seitliche Austreten der metallischen Flüssigkeit verhindert werden. Labyrinthdichtungen enthalten aber einen Spalt, so daß - insbesondere bei Stillstand - doch noch ein Teil der metallischen Flüssigkeit aussickert, zumal bei den für eine Unipolarmaschine großer Leistung notwendigen sehr großen Durchmessern der Ringspalte des Flüssigkeitskontaktes erhebliche Druckunterschiede zwischen den oben und .unten befindlichen Teilen des Ringspaltes auftreten, die zu einer zusätzlichen Belastung der seitlichen Dichtungen führen. Wenn die Unipolarmaschine jedoch als Motor eingesetzt und mit wechselnden Drehzahlen und Drehrichtungen betrieben werden soll, muß die Abdichtung des Ringspaltes gegen ein Austreten der Flüssigkeit auch bei Stillstand der Maschine wirksam sein.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer elektrischen Unipolarmaschine mit horizontaler Welle eine seitliche Abdichtung des Flüssigkeitskontaktes zu finden, die einfach aufgebaut und auch bei Stillstand mit Sicherheit wirksam ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung ein elektrischer Flüssigkeitskontakt der eingangs beschriebenen Art so ausgebildet, daß die metallische Flüssigkeit in den seitlichen Ringspalten rotiert und ihre Rotationsgeschwindigkeit dem jeweiligen Flüssigkeitsdruck, der mit der Höhe über dem Tiefstpunkt des rotierenden ringförmigen Teiles veränderlich ist, durch entsprechende Veränderung des Durchtrittsquerschnitts in den seitlichen Ringspalten proportional angepaßt ist. Die Abdichtung des mittleren Ringspaltes wird also durch den jeweils in dem seitlichen Ringspalt rotierenden Flüssigkeitsring bewirkt, der infolge der dabei auftretenden Fliehkraft in die radial am weitesten außenliegenden Teile der seitlichen Ringspalte gedrängt wird. Man erreicht somit eine sichere Abdichtung des mittleren Ringspaltes auch bei relativ großen Spaltweiten, ohne daß sich feste Stoffe berühren. Gemäß der Erfindung ist nun die bei der Rotation der Flüssigkeitsringe auftretende Zentrifugalkraft dem jeweiligen Flüssigkeitsdruck im seitlichen Ringspalt längs des Umfangs angepaßt, indem die Rotationsgeschwindigkeit durch entsprechende Veränderung des Durchtrittsquerschnitts geändert wird. Diese Querschnittsveränderung des rotierenden Flüssigkeitsringes zwischen dem höchsten und dem tiefsten Punkt der seitlichen Ringspalte an dem ringförmigen rotierenden Teil wird so vorgenommen, daß unten der engste Durchtrittsquerschnitt vorhanden ist und entsprechend die größte Rotationsgeschwindigkeit. Diese ist so gewählt, daß sie dem höchsten auftretenden Flüssigkeitsdruck im seitlichen Ringspalt noch sicher das Gleichgewicht hält. Infolge dieser über dem Umfang des Ringspaltes veränderlichen Rotationsgeschwindigkeiten ver-

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ändern sich auch entsprechend die Reibungsverluste, die von der dritten Potenz der Rotationsgeschwindigkeit abhängig sind. Hohe Reibungsverluste treten nur im untersten Teil des Flüssigkeitskontaktes auf und sie nehmen mit steigender Höhe des Ringspaltes sehr rasch auf kleine Werte ab, so daß die insgesamt auftretenden Reibungsverluste weit niedriger sind als bei einem Flüssigkeitskontakt, in welchem die metallische Flüssigkeit mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit längs des ganzen Umfanges rotiert.

Gemäß der weiteren Erfindung wird die Rotation der Flüssigkeit in den seitlichen Ringspalten durch eine oder mehrere außerhalb der seitlichen Ringspalte angeordnete Umwälzpumpen erzeugt, über die ein Teil der in den seitlichen Ringspalten umlaufenden Flüssigkeit geleitet ist. Diese führt der an einer geeigneten Stelle herausgeführten Flüssigkeitsteilmenge durch Druckerhöhung die erforderliche Energie zu, um die Rotation mit der gewünschten konstanten Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten und somit die Reibungsverluste zu decken. Die Abzweigung der Flüssigkeitsteilmenge und ihre Rückführung in den seitlichen Ringspalt wird mit Vorteil im Bereich hoher Rotationsgeschwindigkeiten vorgenommen, d. h. im unteren Teil des Flüssigkeitskontaktes. Bei der Wiedereinführung der durch die Umwälzpumpe beschleunigten Flüssigkeitsteilmenge in den rotierenden Flüssigkeitsring im Bereich hoher Geschwindigkeiten wird im wesentlichen nur die kinetische Energie des Flüssigkeitsringes gesteigert und nicht dessen Höhe beeinflußt, was konstruktive Schwierigkeiten ergeben würde.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand des in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen elektrischen Flüssigkeitskontakt gemäß der Erfindung für eine Unipolarmaschine mit horizontaler Welle. Fig. 2 zeigt im Schema den gesamten Umfang des elektrischen Flüssigkeitskontaktes von der Seite gesehen,

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entsprechend einem Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1. In Fig. 3 ist die Seitenansicht des in Fig. 2 dargestellten seitlichen Ringspaltes gezeigt.

Der Flüssigkeitskontakt einer elektrischen Unipolarmaschine mit horizontaler Welle, die z. B. als Schiffsmotor mit wechselnden Drehzahlen und Drehrichtungen betrieben wird, besteht im wesentlichen aus einem mittleren Ringspalt 1. Auf jeder Seite des mittleren Ringspaltes 1 ist ein radial gerichteter seitlicher Ringspalt'2 angeordnet, der von einem Radius ausgeht, der kleiner als der kleinste Radius des mittleren Ringspaltes ist, und zu einem Radius führt, der größer als der Radius ist, bei welchem die schrägstehenden Verbindungskanäle 3 zwischen dem seitlichen Ringspalt 2 und dem mittleren Ringspalt 1 in den letzteren eingeleitet werden. Der mittlere Ringspalt 1 und die seitlichen Ringspalte 2 sind von einer unter Druck stehenden elektrisch gut leitenden metallischen Flüssigkeit ausgefüllt. Dadurch ist der Kontakt zwischen dem rotierenden ringförmigen Teil 4 und dem diesen umgebenden, ebenfalls ringförmigen stehenden Teil 5 der Unipolarmaschine hergestellt.

Zur Abdichtung des Flüssigkeitskontaktes gegen einen seitlichen Austritt der metallischen Flüssigkeit rotiert die Flüssigkeit jeweils in den seitlichen Ringspalten 2 im Sinne der in Fig. 2 eingezeichneten Pfeile. An der Stelle 6 in der Nähe des unteren Punktes längs des Umfanges des seitlichen Ringspaltes 2 wird ein Kanal 7 von dem Ringspalt 2 abgezweigt, der zu einer Umwälzpumpe 8 führt. Ein Teil der im Ringspalt umlaufenden metallischen Flüssigkeit wird also über den Kanal 7 der Umwälzpumpe 8 zugeleitet, in welcher sie auf einen höheren Druck gebracht wird. Danach fließt die Flüssigkeit, gegebenenfalls nach Durchlauf durch nicht dargestellte Rückkühler und Reiniger, über den Kanal 9 wieder in den Ringspalt 2 zurück. Auf diese Weise werden die in den Ringspal-

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ten 2 auftretenden Reibungsverluste ausgeglichen, damit die Rotation des Flüssigkeitsringes mit den gewünschten Geschwindigkeiten unverändert aufrechterhalten werden kann. Die Ab-.zweigung der Kanäle 7 und 9 von dem Ringspalt 2 ist jeweils tangential gerichtet ausgebildet, damit bei dem Übertritt eines Teils der metallischen Flüssigkeit in diese Kanäle möglichst wenig Verluste entstehen.

:Im Ringspalt 2 weist durch die variable Bemessung des Durch- !trittsquerschnlttes für die metallische Flüssigkeit, der von loben nach unten kleiner wird, die Rotationsgeschwindigkeit jeweils unterschiedliche Werte auf, die den in den verschiedenen Höhenlagen unterschiedlichen Werten des Flüssigkeitsdruckes proportional sind. Am untersten Punkt 10 des Ringspaltes 2 ist die Rotationsgeschwindigkeit am größten und so gewählt, daß die durch sie hervorgerufene Zentrifugalkraft dem hier größten Flüssigkeitsdruck im Ringspalt 2 noch sicher das Gleichgewicht hält.

Die Veränderung des Durchtrittsquerschnitts längs des Ringspaltes 2· wird durch eine Veränderung der Spaltweite erzielt. Fig. 3 zeigt, daß die Spaltweite linear mit der Höhe über dem Tiefstpunkt 10 des Ringspaltes 2 zunimmt. Diese Ausführung ist besonders zweckmäßig, weil dabei die radiale Höhe der rotierenden Flüssigkeit im Ringspalt 2, von geringen Unterschieden an den Abzweigungsstellen abgesehen, praktisch an jeder Stelle des Unifanges des Ringspaltes 2 konstant ist.

3 Figuren

4 Ansprüche

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Claims

VPA 74/8330 Patentansprüche

1. Elektrischer Flüssigkeitskontakt zwischen einem rotierenden ringförmigen Teil und einem gegenüberstehenden, ebenfalls ringförmigen stehenden Teil, bestehend aus einem von unter Druck stehender metallischer Flüssigkeit gefüllten mittleren Ringspalt, der auf jeder Seite durch einen radial gerichteten oder schrägstehenden seitlichen Ringspalt begrenzt ist, wobei an den Seiten Mittel zur Abdichtung gegen ein Austreten der !Flüssigkeit vorgesehen sind, insbesondere für eine elektrische Unipolarmaschine mit horizontaler Welle, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Flüssigkeit in den seitlichen Ringspalten (2) rotiert und ihre Rotationsgeschwindigkeit dem jeweiligen Flüssigkeitsdruck, der mit der H₀-he über dem Tiefstpunkt (10) des rotierenden ringförmigen Teiles (4) veränderlich ist, durch entsprechende Veränderung des Durchtrittsquerschnitts in den seitlichen Ringspalten (2) proportional angepaßt ist.

2. Elektrischer Flüssigkeitskontakt, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der Flüssigkeit in den seitlichen Ringspalten (2) durch eine oder mehrere außerhalb der seitlichen Ringspalte angeordnete Umwälzpumpen (8) erzeugt wird, über die ein Teil der in den seitlichen Ringspalten (2) umlaufenden Flüssigkeit geleitet ist.

3. Elektrischer Flüssigkeitskontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den seitlichen Ringspalten (2) die Abzweigung (6) für den der Umwälzpumpe (8) zugeführten Flüssigkeitsanteil und die Rückführung nach Durchtritt durch die Umwälzpumpe (8) in der Zone mit hoher Rotationsgeschwindigkeit liegt.

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4. Elektrischer Flüssigkeitskontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung des Durchtrittsquerschnitts in den seitlichen Ringspalten (2) durch kontinuierliche Veränderung der Spaltweite, erfolgt.

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