-
Beschreibung
-
Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere eine Einrichtung
zum Zuführen eines Kühlmittels zur umlauf enden- supraleitenden Wicklung einer elektrischen
Maschine mit Kryogenkühlung.
-
Diese Einrichtung findet bei elektrischen Maschinen - Motoren, Generatoren,
die in Atom-, Wärme- und sonstigen Kraftwerken eingesetzt werden, - sowie im Transport-
und im Flugwesen Anwendung. Die Erfindung kann auch in Weltraumkraftwerken und Energiespeichern
verwendet werden. Sie kann in Vorrichtungen zum Transport vom Kryogenströmungen
von der Strömungsquelle zu der strömungsnutzenden Vorrichtung, im besonderen für
ein Transportgerät, bei dem sich die Quelle und der Empfänger mit beträchtlicher
Geschwindigkeit relativ zueinander drehen, z B. in Anlagen zur Untersuchung kryogener
Flüssigkeiten im Fliehkraftfeld ausgenutzt werden.
-
Elektrische Maschinen mit umlaufender supraleitender Wicklung, die
sich im Läufer befindet, weisen ein Kryogensystem zur Kühlung dieser Wicklung auf.
Als Kühlmittel wird im Kühlsystem bis auf T = 4,20K abgekühltes flüssiges Helium
verwendet Ein Unterscheidungsmerkmal des Transports des flüssigen Mediums bildet
die Entstehungsmeglichkeit einer Zweiphasenströmung infolge Verdampfung eines Teils
der Flüssigkeit durch Reibung zwischen dem stationären Flüssigkeitsstrom und den
rotierenden Teilen der elektrischen Maschine.
-
Beim Transport des stationären Stromes aus flüssigem Helium zu den
Laufteilen der elektrischen Maschine führt die Zunahme der Reibung zur Erhöhung
des Dampfgehaltes im Gemisch zu einem Strömungswiderstand und als Folge davon zum
Temperaturanstieg des Kühlmittels.
-
All das hat eine Verminderung der Leistung und des Wirkungsgrades
der elektrischen Maschine zur Folge.
-
Bekannt ist eine Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr zur umlaufenden
supraleitenden Wicklung einer elektrischen Maschine mit Kryogenkühlsystem (US-PS
3 809 933).
-
Diese Einrichtung enthält ein längs der Achse der elektrischen Maschine
gelenkig befestigtes Rohr zum Einführen des stationären Kühlmittel stromes in den
Hohlraum der elektrischen Maschine. Das eine Ende dieses Rohres ist spielbehaftet
in einer drehbaren Kammer untergebracht. Diese Kammer ist in Bewegungsrichtung des
Kühlmittels erweitert ausgebildet. Die Kammer steht mit dem Hohlraum der elektrischen
Maschine in Verbindung, in dem sich ihre supraleitende Wicklung befindet.
-
Diese Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr ist jedoch wenig wirksam, weil
sich bei dem Transport des Kühlmittelstromes aus dem Rohr in die drehbare Kammer
infolge einer hohen relativen Auftreffgeschwindigkeit des Kühlmittelstromes und
der Oberfläche der Kammer eine erhebliche Dampfmenge im Kühlmittel bildet. Dabei
wird kein Dampf aus dieser Kammer entfernt. Das Vorhandensein einer großen Dampfmenge
im Kühlmittel führt zu einem Ungleichgewichtszustand des Kühlmittels, beeinträchtigt
letzten Endes die Bedingungen der Kühlmittelzufuhr zur supraleitenden Wicklung und
vermindert die zuzuführende Kühlmittelmenge.
-
Im Spielraum zwischen dem Rohr und der drehbaren Kammer bilden sich
außerdem konvenktive Kühlmittelwirbel aus, wodurch der Zustrom von Wärme zum Kühlmittel
zunimmt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
zur
Kühlmittelzufuhr zur umlaufenden supraleitenden Wicklung elektrischer Maschinen
zu schaffen, deren konstruktive Ausführung eine Abnahme der relativen Auftreffgeschwindigkeit
des Kühlmittel stromes und der Oberfläche der drehbaren Kammer gewährleistet.
-
Die gestellte Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebene
Erfindung gelöst.
-
Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Patentansprüche 2 und 3.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand -des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. In diesen zeigt Fig. 1 den Längsschnitt einer
elektrischen Maschine mit Kryogenkühlung; Fig. 2 die Einzelheit A der Fig. 1 in
vergrößertem Maßstab, die eine Einrichtung zur Kühlmittel zufuhr an die umlaufende
supraleitende Wicklung der elektrischen Maschine nach der Erfindung darstellt; Fig.
3 den Schnitt III-III der Fig. 2.
-
Bei der elektrischen Maschine mit Kryogenkühlung enthält die Einrichtung
zur Kühlmittelzufuhr zur umJaufenden supraleitenden Wicklung 1 (Fig. 1) ein Rohr,
das längs der Achse der elektrischen Maschine in einer mittig in der Welle 3 des
Läufers 4 an dem zu einem (nicht dargestellten) Antrieb entgegengesetzten Ende angebrachten
Öffnung gelenkig befestigt ist. Das Rohr 2 ist zum Zuführen des Kühlmittels 5 (flüssiges
Helium von 4,20K) in den Hohlraum der elektrischen Maschine zur supraleitenden Wicklung
1 bestimmt.
-
Das Ende des Rohres 2 ist spielbehaftet innerhalb einer drehbaren
Kammer 6 untergebracht. Die Kammer 6 ist gleichachsig mit dem Rohr 2 angeordnet
und in Bewegungsrichtung des Kühlmittels 5 erweitert ausgebildet. Der Bewegungssinn
des Kühlmittels 5 ist in der Zeichnung mit Pfeilen bezeichnet.
-
Innerhalb der Kammer 6 ist an der Stirnseite derselben, durch die
das Kühlmittel 5 austritt, eine Nadel 7 längs der Achse der elektrischen Maschine
befestigt. Die Länge der Nadel 7 ist so bemessen, daß ihre Spitze zumindest auf
gleicher Höhe mit dem Stirnende des Rohres 2 liegt. Der Hohlraum der Kammer 6 steht
mit dem Hohlraum des Läufers 4, in dem sich die supraleitende Wicklung befindet,
über längs Schraubenlinien angeordnete Kanäle 8 in Verbindung, die in der zu beschreibenden
Variante als zwei auf ein kegelstumpfförmiges Tragelement 9 aufgewickelte Rohre
ausgeführt sind. Das Tragelement 9 ist in der unmittelbaren Nähe der drehbaren Kammer
6 gleichachsig damit innerhalb der Welle 3 des Läufers 4 angeordnet und auf Stützen
10 gelagert, die aus wenig wärmeleitfähigem Werkstoff, z.B.
-
Keramik Al203, bestehen.
-
Die Welle 3 des Läufers 4 ist in Lagern 11 gelagert, die in den Stirnwänden
12 des hermetisch abgedichteten Gehäuses 13 der elektrischen Maschine untergebracht
sind, an dessen Innenfläche die Ständerwicklung 14 befestigt ist. Im Raum zwischen
der Außenfläche des Läufers 4 und des Gehäuses 13 wird Vakuum aufrechterhalten,
das die TGårmedämmung der supraleitenden Wicklung 1 bildet. Zur Aufrechterhaltung
des Vakuums sind in den Stirnwänden 12 auf der Seite der supraleitenden Wicklung
1 drehbare Vakuumdichtungen 15 untergebracht.
-
Zum Ableiten des verbrauchten Kühlmittels 5 ist der Hohlraum des Läufers
4 über Kanäle 16, die durch die Welle 3
des Läufers 4 verlaufen,
mit Gasaufnehmern 17 verbunden, die die Enden der Welle 3 umgeben.
-
Das Rohr 2 (Fig. 2) ist in Form von zwei dünnwandigen Röhrchen ausgeführt,
zwischen denen Vakuum aufrechterhalten wird. Die Kammer 6 ist erweitert ausgebildet.
Sie hat das Profil einer Lavaldüse. Das Stirnende des Rohres 2 liegt im engsten
Querschnitt. Das Ende des Rohres 2 hat ein Profil, das das der Kammer 6 nachbildet,
wodurch die Beständigkeit des Spielraumes mit der Kammer 6 gewährleistet wird. Die
Kammer 6 ist über eine Wärmeentkopplung, die ein Wellrohr 18, ein dünnwandiges Rohr
19 und eine Laufbüchse 20 enthält, starr an der Welle 3 befestigt. Der Raum zwischen
der drehbaren Kammer 6 und der Welle 3 ist evakuiert. Der Ringspalt zwischen dem
Rohr 2 und dem dünnwandigen Rohr 19 ist an der Eintrittsseite des Kühlmittels 5
mit einer regelbaren drehbaren Gleitringdichtung abgedichtet, die einen Laufring
21, einen Gegengleitring 22 und eine Feder 23 enthält.
-
Außerdem sind schleifende Dichtungen 24, die die Verschiebung des
Rohres 2 längs der Achse der elektrischen Maschine ermöglichen, in der Stirnwand
des Gasaufnehmers 17 ünd im Gegengleitring 22 vorgesehen.
-
Die Stirnwand 25 der Kammer 6 weist zwei ellipsenförmige Öffnungen
26 (Fig. 3) auf, durch die das Kühlmittel 5 von der Aufnahmekammer 6 den Kanälen
8 zum Zuführen des Kühlmittels 5 zur supraleitenden Wicklung 1 zugeführt wird.
-
Das Kühlmittel 5 wird der umlaufenden supraleitenden Wicklung 1 der
elektrischen Maschine wie folgt zugeführt.
-
Von einer (nicht dargestellten) Kältemaschine wird das flüssige Helium,
das eine Temperatur von 4,2ob hat, durch das Einführungsrohr 2 (Fig. 1, 2) im stationären
Strom unter einem dem Atmosphärendruck nahen Druck der drehbaren
Kammer
6 zugeführt. Zur Verminderung der Geschwindigkeit beim Auftreffen des stationären
Stromes des Kühlmittels 5 auf die rotierende Oberfläche der Kammer 6 wird er mittels
der umlaufenden Nadel 7 verdreht und an die Wände der Kammer 6 zurückgeworfen. Der
dabei gebildete Dampf sammelt sich mitten in der Kammer 6 an. Dabei füllt die flüssige
Phase des Kühlmittels 5 die Stirnseite der Kammer 6, indem sie die Öffnungen 26
(Fig. 3) vollständig überdeckt.
-
Der entstandene Dampf wird aufgrund des Druckgefälles durch den Ringspalt
zwischen der Kammer 6 und dem Rohr 2 (Fig. 1, 2) und der regelbaren Dichtung in
den Gasaufnehmer 17 abgesaugt.
-
Das flüssige Kühlmittel 5 wird durch die schraubenförmigen Kanäle
8 erfaßt und in den Innenraum des Läufers 4 befördert, wo die supraleitende Wicklung
1 angebracht ist. Das verbrauchte Kühlmittel 5 wird als Kaltdampf den Kanälen 16
der Welle 3 des Läufers 4 zugeführt und zu den an beiden Enden der Welle 3 angeordneten
Gasaufnehmern 17 abgeleitet.
-
Diese Ausführung der Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr an die umlaufende
supraleitende Wicklung bietet die Möglichkeit, ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen und
die Konstruktion der Einrichtung selbst zu vereinfachen. Von der Zuverlässigkeit
der Zuführungseinrichtung und ihrem Wirkungsgrad ist die störungsfreie Arbeit der
gesamten Maschine im ganzen sowohl im Normalbetrieb- als auch ihm Ubergangs-und
Startzustand abhängig. Die Zuverlässigkeit der beschriebenen Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr
stellt daher ein wichtiges Funktionskriterium der ganzen elektrischen Maschine dar.
-
Diese Ausführung der Einrichtung gestattet auch unter sonst gleichen
Bedingungen die Dampfbildung sowohl während des Transportes des stationären Stromes
zu den umlaufenden
Teilen der elektrischen Maschine als auch während
der unmittelbaren Beförderung des Kühlmittels zur supraleitenden Wicklung herabzusetzen.
Dadurch wird es möglich, die supraleitende Wicklung wirksamer abzukühlen und den
Kühlmittelverbrauch zum Aufrechterhalten des supraleitenden Zustandes der Wicklung
bei ein und derselben Leistung der elektrischen Maschine zu verringern. Die Verringerung
des Verbrauchs an Kühlmittel 5 erfolgt sowohl aufgrund der unbedeutenden Dampfbildung
an der übergangsstelle als auch durch den Abfall des Wärmezustromes zum Kühlmittel
in der gesamten Einrichtung. Dabei gelangt der gebildete Dampf nicht in die Kühlmittelzufuhrkanäle
der supraleitenden Wicklung und erhöht also nicht die Temperatur des Kühlmittels
und die der Wicklung selbst.
-
Die obigen Vorteile führen zur Herabsetzung der Aufwendungen zum Aufrechterhalten
des supraleitenden Zustandes in der Wicklung sowie zur Senkung der Betriebskosten
und somit zur Erhöhung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine im ganzen.