DE2803229C3

DE2803229C3 - Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr zu der umlaufenden supraleitenden Wicklung einer elektrischen Maschine mit Kryogenkuhlung

Info

Publication number: DE2803229C3
Application number: DE2803229A
Authority: DE
Inventors: Garij Michailovitsch Chutoretskij; Josif Filippovitsch Filippov; Gennadij Stepanovitsch Gorbunov; Jurij Stepanovitsch Popov; Jurij Vasiljevitsch Skatschkov; Aleksandr Alekseevitsch Vinokurov
Original assignee: LENINGRADSKOE PROIZVODSTVENNOE ELEKTROMASCHINOSTROITELNOE OBEDINENIE ELEKTROSILA LENINGRAD; SPECIALNOE KONSTRUKTORSKOE BJURO ENERGOCHIMMASCH NOWOSIBIRSK
Current assignee: LENINGRADSKOE PROIZVODSTVENNOE ELEKTROMASCHINOSTROITELNOE OBEDINENIE ELEKTROSILA LENINGRAD; SPECIALNOE KONSTRUKTORSKOE BJURO ENERGOCHIMMASCH NOWOSIBIRSK
Priority date: 1978-01-25
Filing date: 1978-01-25
Publication date: 1980-10-30
Also published as: FR2417879A1; FR2417879B1; DE2803229B2; DE2803229A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr zu der umlaufenden supraleitenden Wicklung einer elektrischen Maschine mit Kryogenkühlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine derartige Einrichtung ist aus US-PS 38 09 933 bekannt.

Diese Einrichtung findet bei elektrischen Maschinen — Motoren, Generatoren, die in Atom-, Wärme- und sonstigen Kraftwerken eingesetzt werden — Anwendung.

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 =4,2° K abgekühltes flüssiges Helium verwendet. Ein Unterscheidungsmerkmal des Transports des flüssigen Mediums bildet die Entstehungsmöglichkeit 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.

Die aus der US-PS 38 09 933 bekannte Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr zur umlaufenden supraleitenden Wicklung einer elektrischen Maschine mit Kryogenkühlung enthält ein längs der Achs? der elektrischen Maschine gelenkig befestigtes Rohr zum Einführen des stationären Kühlmittelstromes 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

ίο 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 Kühimittelslromes und der Oberfläche der Kammer eine erhebliche Dampfmenge im Kühlmittel bildet. Dabei wird kein Dampf aus dieser Kammer entfernt. Das Vorhandensein einer großen

2ü Dampfmenge im Kühlmittel führt zu einem Ungleichgewichtszustand des Kühlmittels, beeinträchtigt letzten Endes die Bedingungen der Kühlmittelzufuhr zur supraleitenden Wicklung und vermindert die zuzuführende Kühlmittelmenge.

2ϊ Im Spielraum zwischen dem Rohr und der drehbaren Kammer bilden sich außerdem konvektive Kühlmittelwirbel aus, wodurch der Zustrom von Wärme zum Kühlmittel zunimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

in Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr zur umlaufenden supraleitenden Wicklung elektrischer Maschinen zu schaffen, deren konstruktive Ausführung eine Abnahme der relativen Auftreffgeschwindigkeit des Kühlmittelstromes und der Oberfläche der drehbaren Kammer

J"> gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

, Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3.

4(i Aus der DE-OS 23 42 391 ist es bekannt, die Kanäle zur Zuführung des Kühlmittels bei einer Kryogenkühlung innerhalb des Läufers als Rohre auszuführen und an einem Tragkörper zu befestigen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der

■i^r> Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In diesen zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt einer elektrischen Maschine mit Kryogenkühlung;

F i g. 2 die Einzelheil A der Fig. 1 in vergrößertem

w Maßstab, die eine Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr an die umlaufende supraleitende Wicklung der elektrischen Maschine nach der Erfindung darstellt;
F i g. 3 den Schnitt Ill-Ill der F i g. 2.
Bei der elektrischen Maschine mit Kryogenkühlung

« enthält die Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr zur umlaufenden supraleitenden Wicklung 1 (Fig. 1) ein Rohr 2, 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

M) Ende angebrachten Öffnung gelenkig befestigt ist. Das Rohr 2 ist zum Zuführen des Kühlmittels 5 (flüssiges Helium von 4,2° K) in den Hohlraum der elektrischen Maschine zur supraleitenden Wicklung 1 bestimmt.

Das Ende des Rohres 2 ist spielbehaftet innerhalb

ι,. iner 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 bis an die stirnseitige öffnung des Rohres 2 reicht. 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 Tragelemem 9 aufgewickelte Rohre ausgeführt sind. Das Trageiement 9 ist in der unmittelbaren Nähe der drehba-.en Kammer 6 gleichachsig damit innerhalb der Welle 3 des Läufers 4 angeordnet und auf H Stützen 10 gelagert, die aus wenig wärmeleitfähigem Werkstoff, z. B. Keramik Al₂O₃, 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 Wärmedämmung 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 jo 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 3^r> 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 St'rnwand des Gasaufnehmers 17 und im Gegengleitring 22 vorgesehen.

Die Stirnwand 25 der Kammer 6 weist zwei ellipsenförmige öffnungen 26 (F i g. 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. wi

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 4,2" K 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 Auftreifen 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 (F ig. 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 ak 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 im Übergangs- 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 /u 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Kühlmittelzufuhr zu der umlaufenden supraleitenden Wicklung einer elektrischen Maschine mit Kryogenkühlung, die ein längs der Achse der elektrischen Maschine gelenkig befestigtes Rohr zum Einführen des stationären Kühlmittelstromes enthält, dessen eines Ende spielbehaftet in einer drehbaren Kammer untergebracht ist, die sich in Bewegungsrichtung des Kühlmittels erweitert und die mit dem die supraleitende Wicklung aufnehmenden Hohlraum der elek:rischen Maschine in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (6) eine Nadel (7) aufweist, die längs der Achse der elektrischen Maschine angeordnet und innerhalb der drehbaren Kammer (6) an der Stirnseite derselben befestigt ist, durch die das Kühlmittel (5) austritt, wobei die Länge der Nadel (7) so bemessen ist, daß ihre Spitze zumindest bis an die stirnseitige Öffnung des Rohres (2) reicht, und daß die drehbare Kammer (6) über mindestens zwei Kanäle (8) zum Zuführen des Kühlmittels (5) mit dem Hohlraum der elektrischen Maschine verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (8) zum Zuführen des Kühlmittels (5) längs Schraubenlinien angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (8) zum Zuführen des Kühlmittels (5) als Rohre ausgebildet sind und daß in unmittelbarer Nähe der drehbaren Kammer (6) gleichachsig mit ihr ein Tragelement (9) für die Rohre angeordnet ist.