DE2807897C2 - Vorrichtung zur Aufrechterhaltung des Vakuums im Gehäuse eines rotierenden Kryostaten - Google Patents

Vorrichtung zur Aufrechterhaltung des Vakuums im Gehäuse eines rotierenden Kryostaten

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der GB-Z Proc. IEE, Vol. 120, 1973, S. 1256, ergibt.
Bekanntlich wird von einem Turbogenerator eine sehr hohe Betriebssicherheit verlangt. Die gleiche Betriebssicherheit wird von einem Turbogenerator mit supraleitenden Wicklungen erwartet. Man wird besonders darauf achten müssen, daß das Vakuum im doppelwandigen Gehäuse des Kryostaten mit der Rotorwicklung auf lange Dauer aufrechterhalten werden kann. Um dieses Vakuum aufrechtzuerhalten, wird man mit Sicherheit keine Sekundär-Vakuumpumpe, die zudem noch regelmäßig gewartet werden müßte, in den Rotor einbauen. Die Meinungen der Spezialisten zu diesem Problem sind geteilt: die einen ziehen es vor, die Vakuumkammer bei stillstehender Maschine auszupumpen und sie dann bis zum nächsten Stillstand der Maschine zu
ίο verschließen (vgL a. a. O. S. 222, Fig. 2); andere ziehen es vor, den rotierenden Kryostaten von außen her permanent auszupumpen (vgL CH-PS 5 73 182).
Die erstere Lösung bewährt sich vorzüglich bei Heliumbehältern. Es kommt vor, daß verschlossene Vakuumkammern über Jahre hinweg nicht ausgepumpt werden müssen. Bei Turbogeneratoren jedoch werden die Wände des Vakuumgehäuses durch Zentrifugalkraft und Vibrationen stark beansprucht, so daß es zu Rißbildungen in diesen Wänden kommen kann. Sofern es sich bei Leckverlusten nicht um Helium handelt und weil die Temperatur der Innenwand des Vakuumgehäuses sehr tief liegt, v/ird das in das Gehäuse einströmende Gas auf der Innenwand kondensieren (Kryopumpwirkung). Wenn es sich andererseits um Heliumverluste handelt, wird das Vakuum endgültig zusammenbrechen.
Um letztgenannter Situation vorzubeugen, bevorzugen manche Fachleute das System des permanenten Auspumpens. Dieses Vorgehen ist indessen nicht unbedenklich. In diesem Fall enthält das Vakuumgehäuse einen rotierenden Teil, einen feststehenden, mit der Vakuumpumpe verbundenen Teil und zwei rotierende Dichtungen zur Verbindung dieser beiden Teile (eine einzige Dichtung am Maschinenende wäre notwendig, aber dieser Bereich ist bereits durch die Helium-Transportvorrichtung belegt). Nun aber handelt es sich um ein Sekundär-Vakuum: der Pumpraum muß genügend groß sein, die Dichtungen oder Dichtungssysteme sind im Durchmesser ziemlich groß bemessen und die Umfangsgeschwindigkeit der Dichtungen ist hoch. Es ist zu befürchten, daß die Dichtwirkung auf Höhe der rotierenden Dichtungen nachläßt.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die mit einfachen Mitteln eine sichere Aufrechterhaltung des Vakuums in der Vakuumkammer ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst
Die Ventilklappe ermöglicht auf einfache Weise das Vakuum zu erneuern, wenn es unter eine vorbestimmte Grenze sinkt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 beschrieben. Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird eine vorteilhafte konstruktive Lösung der Ventilklappe und angrenzender Teile angegeben. Die Weiterbildungen, wie sie in den Ansprüchen 3 und 4 umschrieben sind, zeigen zwei zweckmäßige Möglichkeiten der Steuerung der Venlilklappe. Die Schaltdrehdichtungen nach Anspruch 5 ermöglichen ein sicheres Abdichten des Vakuumraumes.
Im folgenden wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an Hand einer Zeichnung beschrieben, die eine Vorrichtung gemäß Erfindung im Halb-Längsschnitt zeigt.
Die auf der Zeichnung dargestellte Vorrichtung enthält einen rotierenden Teil 1, in dessen Innern ein Hochvakuum aufrechterhalten werden soll. Der rotierende Teil 1 kann beispielsweise die Welle einer rotierenden
elektrischen Maschine sein, ζ. B. eines Turbogenerators mit supraleitender Rotorwicklung. Im weiteren enthält die dargestellte Vorrichtung einen feststehenden Teil 2, der den rotierenden Teil 1 koaxial umschließt und der beispielsweise als Wellengehäuse ausgebildet sein kann. Der rotierende Teil 1 ist mit einer Pumpöffnung 3 versehen. Der feststehende Teil 2 ist über einen Anschlußstutzen 4 mit einer (hier nicht gezeigten) HochvakuumDumpe verbunden. Zwei rotierende Dichtungen 5 gewährleisten die Dichtheit zwischen dem rotierenden Teil 1 und dem feststehenden Teil 2.
Der feststehende Teil 2 besteht aus zwei ungefähr zylindrischen Teilen 2a und 2b, die über einen in die Verbindungsfläche verlegten Dichtungsring 7 mittels Schrauben 6 miteinander verbunden sind.
Gemäß vorliegender Erfindung ist eine mit dem Teil 1 rotierende Ventilklappe 8 vorgesehen, die im Normalfall die Verbindung zwischen Vakuumpumpe und dem Vakuumraum im Innern des rotierenden Teils 1 unterbricht Die Ventilklappe 8 könnte so angeordnet sein, daß sie die Pumpöffnung 3 direkt abschließen würde. Da letztere in axialer Richtung des Teils 1 relativ groß dimensioniert ist, würde dies bedeuten, daß die Ventilklappe 8 in axialer Richtung auf relativ langem Wege verschoben werden müßte, um die Pumpöffnung 3 vollständig freigeben zu können. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher zwischen dem rotierenden Teil 1 und dem feststehenden Teil 2 ein ringförmiger Sammler 9 angeordnet, der so auf den Teil 1 montiert ist, daß er mit ihm dreht Die Dichtheit zwischen dem Sammler 9 und dem rotierenden Teil 1 ist durch zwei Dichtungsringe 10 gewährleistet die auf jeder Seite der Pumpöffnung 3 angeordnet sind. Im Sinne einer vereinfachten Konstruktion besteht der Sammler 9 vorzugsweise aus einem ersten Teil 9a und einer zylindrischen Innenwand 9b. Der Teil 9b ist mit einer ersten Öffnung 11 versehen, die direkt auf der Pumpöffnung 3 aufliegt Zwischen den Teilen 9a und 9b des Sammlers 9 bildet sich an dessen einem Ende eine zweite ringförmige öffnung 12.
Die Ventilklappe 8 ist ringförmig und wird beweglich in axialer Richtung des Teils 1 montiert. Die Ventilklappe 8 besteht zu diesem Zweck aus einem ersten zylindrischen Teil 8a, der in axialer Richtung zwischen zwei Kugelreihen 13 und 14 in der Aussparung des Tragkörpers 15 gleiten kann; der Tragkörper 15 ist in axialer Richtung vom Sammler 9 getrennt und während der Drehung fest mit dem rotierenden Teil 1 verbunden. Die Ventilklappe 8 enthält einen kronenförmigen Teil Sb, der auf seiner, dem Sammler 9 zugewandten Seite mit zwei konzentrisch angeordneten Dichtungsringen 16 und 17 versehen ist die gegen die Stirnseite 9c des Sammlers 9 zu beiden Seiten der zweiten öffnung 12 gedruckt werden und die öffnung 12 somit verschließen. Die Ventilklappe 8 wird durch mindestens eine Feder 18 in die auf der Zeichnung strichpunktiert angedeutete Schließstellung gedrückt. Die Feder 18 liegt teilweise im ersten zylindrischen Teil 8a der Ventilklappe 8 und stützt sich auf dem Grund einer Aussparung im Tragkörper 15 ah
Um die Ventilklappe 8 beliebig öffnen zu können, ist sie aus magnetisierbarem Material gefertigt; zudem ist im feststehenden Teil 2 eine Steuerspule 19 eingebaut. Sobald die Steuerspule 19 durch einen elektronischen Steuerkreis (hier nicht gezeigt) erregt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das der Kraft der Feder 18 oder der Feder 18 entgegenwirkt, die Ventilklappe 8 von der Stirnseite 9c des Sammlers 9 abhebt, auf diese Weise die zweite Öffnung 12 freigibt und die Pumpöffnung 3 mit dem Anschlußstutzen 4 verbindet
Die Steuerspule 19 könnte selbstverständlich auch auf dem rotierenden Teil 1 montiert sein.
Cemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine der zwei rotierenden Dichtungen 5 als eine Schaltdrehdichtung ausgeführt Dichtungen dieser Art sind bekannt Es handelt sich unf Dichtungen, die normalerweise durch eine Feder in ihrer inaktiven Position gehalten und beispielsweise durch elektromagnetische Kraft oder durch hydraulische oder pneumatische Einwirkung in aktive Position übergeführt werden können.
Die Vorrichtung gemäß Erfindung funktioniert auf foJgende Weise: Man nimmt an, daß der Vakuumraum durch die Ventilklappe 8 abgeschlossen sei. Wenn während des Betriebes das Vakuummeter ein Absinken des Unterdruckes im Vakuumraum anzeigt wird die Schaltung der Dichtungsringe 5 betätigt und die Vakuumpumpe in Betrieb gesetzt Da die auf beiden Seiten der Ventilklappe 8 vorhandenen Vakuumwerte vergleichbar sind, wird die Ventilklappe 8 durch Erregung der Spule 19 geöffnet und das Auspumpen des Vakuumraumes beginnt Sobald der Unterdruck im Vakuumraum einen genügend hohen Wert erreicht hat wird die Steuerspule 19 stromlos, die Ventilklappe 8 durch die Feder 18 wieder geschlossen, die Dichtungen 5 werden ausgeschaltet und die Pumpe wird stillgesetzt.
Solange das Vakuum seinen korrekten Wert beibehält wird die Abdichtung von den feststehenden Dichtungsringen 16 und 17 der Ventilklappe 8 an Stelle der Drehdichtungen 5 übernommen; dadurch läßt sich die Lebensdauer der letzteren erhöhen.
Wie aus den bisherigen Ausführungen hervorgeht bietet die Erfindung eine Lösung an, welche die Vorteile der zwei bekannten Extremlösungen dadurch ausgleicht indem sie deren Nachteile vermeidet.
Auf Wunsch kann man die Schaltdrehdichtungen durch Drehdichtungen von hoher Lebensdauer ersetzen, die sich im Dauerbetrieb wie bei früher bekannten Vorrichtung einsetzen lassen. Dadurch kann die Betriebssicherheit des Systems noch gesteigert werden, da zweifach abgedichtet wird (Ventilklappe und Drehdichtungen), solange der Unterdruck auf seinem geforderten Wert aufrechterhalten bleibt.
Statt der zweiten ringförmigen öffnung 12 kann man auch eine oder mehrere kreisförmige öffnungen in der Stirnseite 9c des Sammlers 9 vorsehen. Jede dieser Öffnungen kann mit einer Ventilklappe versehen werden, wobei die Klappen, sofern es mehrere sind, untereinander verbunden sind, damit sie gleichzeitig betätigt werden können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Verbindung einer Vakuumkammer eines rotierenden Kryostaten mit einer feststehenden, zur Aufrechterhaltung des Vakuums in der genannten Kammer bestimmten Hochvakuumpumpe, mit einem mit der Hochvakuumpumpe verbundenen feststehenden Teil mit einem konzentrisch zum feststehenden Teil angeordneten und mit einer Pumpöffnung versehenen rotierenden Teil und mindestens einer zwischen dem rotierenden und dem feststehenden Teil eingebauten Dichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Ventilklappe (8) enthält, die im rotierenden Teil (1) als ein Verschluß der Pumpöffnung (3) des rotiereaden Teils (1) angeordnet ist, und daß sie mit einer Steuereinrichtung (19, 18) der Ventilklappe (8) versehen ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ringförmigen zylindrischen Sammler (9) enthält, der zwischen dem feststehenden Teil (2) und dem rotierenden Teil (1) angeordnet und mit letzterem verbunden ist, daß dieser Sammler (9) in seiner zylindrischen Innenwand (9b) eine erste Öffnung (11) aufweist, die auf der Pumpöffnung (3) des rotierenden Teils (1) liegt, daß dieser Sammler (9) in einer seiner Stirnseiten (9c) eine zweite ringförmige öffnung (12) hat, daß die Ventilklappe (8) ringförmig ausgebildet und in axialer Richtung zum rotierenden Teil (1) beweglich montiert ist und daß diese Ventilklappe (8) schließlich einen kronenförmigen Teil (8b) enthält, der mit zwei konzentrisch angeordneten Dichtungsringen (16, 17) versehen ist, die gegenüber der Stirnseite (9c) des Sammlers (9) auf beiden Seiten seiner zweiten, ringförmigen öffnung (12) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe (8) durcYi mindestens eine Feder (18) in axialer Richtung gegen die Stirnseite (9c,} des Sammlers (9) gedrückt wird, wobei sich die Feder (18) gegen einen mit dem rotierenden Teil (1) fest verbundenen Tragkörper (15) abstützt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe (8) aus magnetisierbarem Werkstoff besteht und daß für ihre Steuerung vor der Stirnseite (9c) des Sammlers (9) eine feststehende, im feststehenden Teil (2) gelagerte Steuerspule (19) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine zwischen dem rotierenden Teil (1) und dem feststehenden Teil (2) eingebaute Dichtung (5) als eine Schaltdrehrichtung ausgeführt ist.
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