DE2806576C2

DE2806576C2 - Turbogenerator mit supraleitender Erregerwicklung

Info

Publication number: DE2806576C2
Application number: DE2806576A
Authority: DE
Inventors: Pierre Dipl.-Phys. Dr. 8752 Alzenau Flecher; Hansjörg Dipl.-Ing. Dr. Graz Köfler
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1978-01-24
Filing date: 1978-02-16
Publication date: 1987-01-22
Also published as: DE2806576A1; SE7900565L; CH627314A5; DE7804603U1; FR2415212A1; US4339680A; FR2415212B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbogenerator gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1. Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der CH-Zeitschrift Bull. SEV 64 (1973) 17, 18. August, S. 1040 ff., ergibt.
In der vorgenannten Publikation ist u. a. aus S. 1043 ein Turbogenerator mit supraleitender Erregerwicklung und mit rotierendem Kryostaten dargestellt und beschrieben. Die Erregerwicklung wird durch flüssiges Helium gekühlt. Der die Erregerwicklung tragende Innenrotor ist innerhalb eines Aussenzylinders angeordnet und im Zwischenraum wird ein hohes Vakuum erzeugt. Die Befestigung des Innenrotors und die Übertragung des Drehmomentes an die Wellenenden, die sich an Raumtemperatur befinden, erfolgt über dünne Übergangsstücke, die zusätzlich mit He-Gas gekühlt werden. Im Vakuumzwischenraum zwischen dem Innenrotor und dem Außenzylinder befindet sich noch ein dünner Strahlungszylinder, der als zusätzlicher elektrothermischer Schild die vom Außenzylinder ausgestrahlte Wärme aufnimmt und den Rest der magnetischen Felder, die durch den äußeren Dämpferzylinder hindurchdrängen, auf ein für den Supraleiter erträglichen Betrag abdämpft. Auf der Nichtantriebs-Seite der Welle befinden sich der Heliumübertrager, Schleifringe und innerhalb der Welle mit Heliumgas gekühlte Erregerstromzuleitungen. Zur Aufrechterhaltung des Isolationsvakuums ist ein externes Pumpsystem verwendet, das mittels rotierender Vakuumdichtungen mit den Vakuumräumen des Rotors verbunden ist. Diese rotierenden Vakuumdichtungen müssen sehr sorgfältig ausgeführt werden. Sie sind trotzdem störungsanfällig und man muß mit deren Verschleiß rechnen. Das externe Pumpsystem weist wegen eines verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrades einen hohen Energieverbrauch auf und ist ebenfalls störanfällig.
Die vorstehenden Überlegungen gelten sinngemäß auch für den aus der GB-PS 14 55 818 bekannten Turbogenerator mit supraleitender Erregerwicklung.
Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Turbogenerator mit supraleitender Erregerwicklung eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines Vakuums zu schaffen, die konstruktiv einfach, betriebssicher und energiesparend ist.
Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß die erfindungsgemäße Einrichtung keine rotierenden Vakuumdichtungen braucht. Die Pumpwirkung ist rein physikalisch und ist gegeben, solange der Generator betriebsfähig ist bzw. solange die Temperatur der Sorptionspumpe unterhalb etwa 20 k liegt. Die Konstruktion ist sehr einfach und die Tätigkeit der Einrichtung verursacht praktisch keinen Energieverbrauch.
Derartige Sorptionspumpen sind an sich bekannt (s. z B. Lueger: Bd. 16, "Lexikon der Verfahrenstechnik", Stuttgart 1970, S. 460 oder DE-AS 12 43 324). Sie bestehen aus einem vakuumdichten, ausheizbaren und kühlbaren abgeschlossenen Metallgefäß, das mit einem körnigen Sorptionsmittel (Zeolith, Aktivkohle usw.) gefüllt ist.
Bei einer Anordnung der Sorptionspumpe zwischen dem kalten Teil des Rotors und der warmen Welle ist es vorteilhaft, wenn die Sorptionspumpe mit einer Flüssigheliumkühleinrichtung versehen ist. Diese Maßnahme sichert eine hohe Funktionsfähigkeit. Man kann die Kühlung der Sorptionspumpe entweder in denselben Kreislauf des flüssigen Heliums einschalten, in dem die Kühlkanäle der supraleitenden Wicklung liegen, oder einen Teil des zugeführten Heliums abzweigen. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Kühleinrichtung ein tiefgekühlter Teil des Rotors, der in direktem wärmeleitenden Kontakt mit der Sorptionspumpe angeordnet ist. Es ist dabei zweckmäßig, wenn die Sorptionspumpe mit einem Strahlungsschutz versehen ist. Damit wird die Sorptionspumpe vor unerwünschten Einflüssen der übrigen, in der Nähe sich befindenden Teile des Rotors (Erregerstromleitungen, warme Heliumrückleitungen) geschützt. Nach einer Ausgestaltung ist der Strahlungsschutz durch koaxiale Strahlungsschutzrohre mit labyrinthartig angeordneten Ausnehmungen und/oder Öffnungen gebildet. Diese Ausführungsform ist konstruktiv sehr einfach und gestattet, die Verbindung zwischen den Vakuumräumen zu optimieren.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sorptionspumpe ringförmig ausgebildet. Diese Form ermöglicht, die Sorptionspumpe in den Rotor anzuordnen, ohne die Konstruktion des Rotors wesentlich zu ändern, weil bei den bestehenden Typen der Gegeratoren mit supraleitender Erregerwicklung in den Übergangsstücken zwischen dem Rotorkörper und den Wellenenden zylindrische oder konische Vakuumräume schon aus Isolationsgründen vorhanden sind.
Es empfiehlt sich, das Sorptionsmittel in getrennten Kammern anzuordnen, deren Wände wenigstens teilweise durch Siebe gebildet sind. Die Lage des Sorptionsmittels wird fixiert und dessen gute Verteilung gesichert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Sorptionspumpe mit einer Heizvorrichtung versehen, die durch wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizkörper gebildet ist. Mit dieser Heizvorrichtung kann man das Sorptionsmittel erwärmen (z. B. auf 50 K), womit es regeneriert wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Nichtantriebs- Seite eines Rotors mit supraleitender Erregerwicklung.
Fig. 2 den Teilschnitt II-II aus Fig. 1,
Fig. 3 den Teilschnitt III-III aus Fig. 2 und
Fig. 4 den Teilschnitt IV-IV aus Fig. 3.
Gemäß Fig. 1 enthält ein Rotor 1 eines Turbogenerators einen Innenrotor 2, in dem eine supraleitende Wicklung 3 angeordnet ist. Der Innenrotor 2 ist mit einem Aussenzylinder 4 umhüllt. Zwischen dem Innenrotor 2 und dem Aussenzylinder 4 befindet sich ein dünner Strah -lungszylinder 5. Eine Welle 6 ist mittels eines Übergangsstückes 26 mit dem Innenrotor 2 und dem Aussenzylinder 4 verbunden. Zwischen dem Innernrotor 2 und dem Strahlungszylinder 5, zwischen dem Strahlungszylinder 5 und dem Aussenzylinder 4 und im Inneren des Innenrotors 2 sind Vakuumräume 7. In dem Übergangsstück 26 zwischen dem Innenrotor 2 und der Welle 6 ist ein Vakuumraum 8, in dem eine Sorptionspumpe 9 angeordnet ist. Die Sorptionspumpe ist in Fig. 1 nur vereinfacht als ein Ring mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. Eine Kühleinrichtung 10 der Sorptionspumpe 9 ist an eine Heliumleitung 11 angeschlossen. Das flüssige Helium fließt aus der Kühleinrichtung 10 durch Verbindungskanäle 13 in Kühlkanäle 12 der supraleitenden Wicklung 3.
In Fig. 2 ist der Teilschnitt II-II durch den oberen Teil der Sorptionspumpe 9 aus Fig. 1 gezeigt. Zwischen zwei Flanschen 14 ist ein Distanzrohr 15 befestigt.
Zwei Strahlungsschutzrohre 16 sind zwischen den inneren Rändern der Flansche 14 angeordnet. Koaxial mit den Strahlungsschutzrohren 16 liegt ein zylindrisches Sieb 18. Zwischen dem Distanzrohr 15 und dem zylindrischen Sieb 18 sind im wesentlichen radial ausgerichtete flache Siebe 19 befestigt, die paarweise mit Distanzblechen 20 verbunden und mit Führungsstücken 21 fixiert sind. Zwischen den flachen Sieben 19, den Flanschen 14, dem zylindrischen Sieb 18 und dem Distanzrohr 15 sind Kammern 25 entstanden, die mit nur teilweise dargestelltem Sorptionsmittel 24 (Zeolith) gefüllt sind. Die Flansche 14 sind mit Schrauben 23 zusammengehalten.
Der in Fig. 3 gezeigte Teilschnitt III-III aus Fig. 2 zeigt dieselben Teile, die schon als Teile der Fig. 2 beschrieben worden sind. Ringförmige Heizkörper, die in die Flansche 14 eingebaut sind, sind durch die Zahl 22 gekennzeichnet. In dieser Figur wie auch in Fig. 4, die den Schnitt IV-IV aus Fig. 3 darstellt, sind noch Ausnehmungen 17 in einem Strahlungsschutzrohr 16 gezeigt.
An Stelle von einer ringförmigen Sorptionspumpe könnte eine zylindrische Verwendung finden. Es können auch z. B. zwei Sorptionspumpen verwendet werden, je eine an jedem Ende des Rotors, oder nur eine an der Antriebsseite des Rotors. Die Kühleinrichtung der Sorptionspumpe kann auch beidseitig angeordnet sein und/oder die Soprtionspumpe auf der äußeren oder inneren Oberfläche kühlen. Im letztgenannten Fall müßten selbstverständlich die auf der Innenseite der Pumpe angeordneten koaxialen Sieb- und Strahlungsschutzrohre durch analoge, auf einer Flanke der Pumpe axial nebeneinander angeordnete kreisringförmige Platten ersetzt werden. Der Erfindungsgegenstand kann auch für andere Ausführungsformen der Generatoren verwendet werden.

Claims

1. Turbogenerator mit supraleitender Erregerwicklung, in desser Rotor sich Vakuumräume zur thermischen Isolation befinden, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotor (1) wenigstens eine Sorptionspumpe (9) angeordnet ist, die mit den Vakuumräumen (7, 8) direkt mittels Verbindungsöffnungen verbunden ist, und die mit Kühleinrichtungen (10) und einer Heizvorrichtung (22) versehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (10) der Sorptionspumpe eine Flüssigheliumkühleinrichtung ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionspumpe (9) mit einem tiefgekühlten Teil des Rotors im direkten wärmeleitenden Kontakt angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung ein tiefgekühlter Teil des Rotors (1) ist, der im direkten wärmeleitenden Kontakt mit der Sorptionspumpe (9) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlungsschutz der Sorptionspumpe durch koaxiale Strahlungsschutzrohre (16) mit labyrinthartig angeordneten Ausnehmungen (17) und/oder Öffnungen gebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionspumpe (9) ringförmig ausgebildet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorptionsmittel (24) in getrennten Kammern (25) angeordnet ist, deren Wände wenigstens teilweise durch Siebe (18, 19) gebildet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (22) durch wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizkörper gebildet ist.