DE2807898A1 - Vorrichtung fuer heliumtransport zwischen einer stationaeren kaeltemaschine und einem rotierenden kryostaten einer rotierenden elektrischen maschine mit supraleitender wicklung - Google Patents

Vorrichtung fuer heliumtransport zwischen einer stationaeren kaeltemaschine und einem rotierenden kryostaten einer rotierenden elektrischen maschine mit supraleitender wicklung

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DE2807898A1 DE19782807898 DE2807898A DE2807898A1 DE 2807898 A1 DE2807898 A1 DE 2807898A1 DE 19782807898 DE19782807898 DE 19782807898 DE 2807898 A DE2807898 A DE 2807898A DE 2807898 A1 DE2807898 A1 DE 2807898A1
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Description

BBC Baden
Vorrichtung für Heliumtransport zwischen einer stationären Kältemaschine und einem rotierenden Kryostaten einer rotierenden elektrischen Maschine mit supraleitender Wicklung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In rotierenden elektrischen Maschinen mit supraleitenden Wicklungen dienen die Vorrichtungen für Heliumtransport im allgemeinen dazu, flüssiges Helium bei sehr tiefer Temperatur (4.2 K) in einen Kryostaten einzuspritzen, um die sich dort befindliche supraleitende Wicklung zu kühlen. Im weiteren dienen diese Vorrichtungen dazu, das sich im Kontakt mit der supraleitenden Wicklung wiedererwärmte gasförmige Helium aus dem Kryostaten abzuführen und zwecks Wiederverflüssigung in die Kältemaschine zurückzuleiten. In den auf thermischem und thermodynamischem Gebiet am wenigsten hoch enwickelten rotierenden elektrischen Maschinen dieser Art wird das gasförmige Helium bei Umgebungstemperatur durch die Transportvorrichtung abgeführt. In einem solchen Fall ist der Einsatz einer Kältemaschine hoher Leistung mit grossem Energiebedarf erforderlich, da sie imstande sein muss, das Helium vom gasförmigen Zustand (bei Umgebungstemperatur) in den flüssigen Zustand (bei einer Temperatur von ungefähr 4.2 K) überzuführen. In den auf thermodynamischem und thermischem Gebiet hochentwickelten Maschinen enthält die Helium-Transportvorrichtung einen Auslass für gasförmiges Helium bei sehr tiefer Temperatur (in Grössenordnung 6 K) und einen Auslass für gasförmiges Helium bei Umgebungstemperatur. Letzterer Auslass ist dazu bestimmt, der Kältemaschine das gasförmige Helium wieder zuzuführen, das zur Kühlung der Stromzuführungen zur Erregerwicklung und deren Befestigungsorganen benützt wird. In diesem Falle kann die
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Kältemaschine auf sehr viel kleinere Leistung dimensioniert sein, da ihr der grösste Teil des in den flüssigen Zustand abzukühlenden Heliums bereits bei sehr tiefer Temperatur zugeführt wird.
Die Tatsache, dass in der Nähe einer rotierenden elektrischen Maschine mit supraleitenden Wicklungen eine Kältemaschine aufgestellt werden muss und dass supraleitende Wicklungen zwecks thermischer Isolation in Kryostaten einzuschliessen sind, beschränkt die Anwendbarkeit der Supraleiter auf Maschinen mit grossen Drehmomenten wie Turbogeneratoren und Schiffsantriebsmotoren. Die von diesen Maschinen geforderte Betriebssicherheit ist sehr hoch. Ein Versagen ihrer Heliumtransportvorrichtung könnte zu einem langfristigen Ausfall der Maschine führen. Die Vorrichtung für den Heliumtransport ist im allgemeinen an dem Wellenende der Maschine montiert, welches kein mechanisches Drehmoment überträgt.
Im einfachsten FaIl3 d.h. wenn ein feststehender Kryostat mit flüssigem Helium zu versorgen ist, wird das flüssige Helium immer aus einem Flüssighelium-Behälter mittels eines Rohres zum feststehenden Kryostaten übergeführt. Bei diesem Rohr handelt es sich um einen doppelwandigen Rohrstutzen mit Hochvakuum zwischen seinen zwei Wänden. Die Zufuhr des flüssigen Heliums in einen rotierenden Kryostaten erfolgt auf ähnliche Weise, wobei jedoch zwei koaxial angeordnete Rohre verwendet werden, d.h. ein rotierendes Rohr, das mechanisch mit dem Rotor der rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist und ein feststehendes Rohr, das mit dem Flüssighelium-Behälter verbunden ist und zum Teil in das rotierende Rohr hineinragt. Im Ueberlappungsbereich der beiden Rohre entstehen unvermeidlicherweise Heliumverluste. Um
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diese Verluste zu begrenzen, toleriert man nur ein geringfügiges Radialspiel zwischen dem feststehenden und dem rotierenden Rohr.
In hochentwickelten Maschinen, bei denen der grösste Teil des gasförmigen Heliums bei niedriger Temperatur zurückgeführe wird, kann das auf sehr tiefer Temperatur liegende gasförmige Helium mittels zweier Rohre zurückgeführt werden, von denen eines feststehend ist, während das andere rotiert. Die Rohre sind teilweise ineinandergeschoben und koaxial zu den für die Zufuhr des flüssigen Heliums verwendeten Rohren angeordnet. Zwei Rohre für die Rückleitung des gasförmigen Heliums bei sehr tiefer Temperatur sind auch ähnlichen Bedingungen unterworfen, was ihr jeweiliges Radialspiel im Bereich ihrer Ueberlappungszone betrifft.
Die Rückführung des gasförmigen Heliums bei Umgebungstemperatur bietet im allgemeinen keine Probleme; sie lässt sich koaxial und aussen an den für die Zufuhr von flüssigem Helium bestimmten Rohren, gegebenenfalls auch an den für die Rückleitung des gasförmigen Heliums bei sehr niedriger Temperatur vorgesehenen Rohren vollziehen.
Wie aus vorstehenden Ausführungen ersichtlich ist, sind die Radialspiele zwischen dem oder den feststehenden Rohren und dem oder den rotierenden Rohren gering. Nun kann aber das Wellenende der rotierenden elektrischen Maschine, an dem die Transportvorrichtung angebracht ist, stark vibrieren, so dass zwischen dem oder den feststehenden Rohren Reibung entstehen kann» Solche Reibung kann auf die Dauer zu Perforationserscheinungen beim einen oder anderen Rohr führen und danit einen Vakuumabfall im Vakuumraum des solcherart perforierten Rohres verursachen. Solche Zwischenfälle würden
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sehr lange Ausfallzeiten für die Γ-iaschine zur Folge haben.
Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die reibungsbedingte Perforierung der Rohre zu vermeiden und somit die Betriebssicherheit der Heliumtransportvorrichtung zu erhöhen.
iiit der Vorrichtung nach der Erfindung wird erreicht, dass infolpre der Reibung hauptsächlich die Manschette abgenützt wird. Das rotierende Rohr ist optimal geschützt. Das eher dem Verschleiss unterworfene feststehende Rohr ist leichter ersetzbar.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Mit der Ausführungsform nach Anspruch 2 ermöglicht man eine schnelle Montage und Demontage der zylindrischen Manschette, wobei der Anspruch 3 eine vorteilhafte Ausbildung der Befestigungsvorrichtung enthält. Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 sichert die Lage des bisher freien Endes der Manschette.
Die Auεführungsform nach Anspruch 5 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Manschette für Vorrichtungen, die zwei rotierende und zwei feststehende, koaxiale Rohre enthalten. Die Befestigung der Zylinder miteinander ermöglicht eine schnelle Montage der Vorrichtung auch bei dieser komplizierter Ausgestaltung der Vorrichtung für Heliumtransport. Die Weiterbildungen der Erfindung nach den Ansprüchen 6 und
2j 7 zeigen zweckmässige Befestigungsnöglichkeiten der Teile der Manschette. Die Ausführungsform nach Anspruch 8 annulliert oder wenigstens vermindert die Rotationskomponente des aus dem rotierenden Rohr austretenden und in das feststehende Rohr eindringenden Heliums.
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Mit Bezug auf beiliegende Zeichnungen wird jetzt eine beispielsweise Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Teil einer Vorrichtung für den Transport von flüssigem Helium bei tiefer Temperatur gemäss vorliegender Erfindung. Die Vorrichtung ist auf einem Zeilenende einer rotierenden elektrischen Maschine mit supraleitender Rotorwicklung montiert.
Fig. 2 zeigt im Längsschnitt eine zylindrische Manschette, die Teil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung für Heliumtransport ist.
In Fig. 1 zeigt die Bezugsziffer 1 ein Ende einer Hohlwelle einer rotierenden elektrischen Maschine mit supraleitender Rotorwicklung, in das die Vorrichtung für den Heliumtransport gemäss vorliegender Erfindung eingebaut ist.
Die Vorrichtung für den Heliumtransport enthält ein erstes rotierendes Rohr 2 und ein erstes feststehendes Rohr 3 für die Zufuhr von flüssigem Helium, sowie ein zweites rotierendes Rohr 4 und ein feststehendes Rohr 5 für die Rückführung von gasförmigem Helium bei sehr tiefer Temperatur. . Alle diese Rohre bestehen aus doppelwandigen Rohrstutzen, wobei der Raum zwischen den beiden Rohrwandungen mit einem Hochvakuum gefüllt ist. Bei dem zweiten rotierenden Rohr 4 wird die äussere Wand dieses Raumes durch das Ende 1 der Hohlwelle selbst gebildet.
Die beiden rotierenden Rohre 2 und 4 sind an ihren (hier nicht gezeigten) linken Enden mit dem (hier nicht gezeigten)
Rotorkryostaten der rotierenden elektrischen Maschine mit ■ . 809836/0638
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supraleitender Rotorwicklung verbunden .Die Vakuumräume dieser zwei rotierenden Rohre 2 und A können mit der Vakuumkammer des Rotorkryostaten verbunden oder einzeln verschlossen v/erden.
Die zwei feststehenden Rohre 3 und 5 werden durch einen Aussenflansch 6 gehalten, der mit dem (hier nicht gezeigten) Gehäuse der rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist; sie sind an ihren (hier nicht gezeigten) rechten Enden an eine an sich bekannte (hier nicht gezeigte) Kältemaschine angeschlossen. Desgleichen können die Vakuumräume der beiden feststehenden Rohre 3 und 5 mit einer Vakuumpumpe verbunden oder einzeln verschlossen werden.
Wie Fig. 1 zeigt, ist das rotierende Rohr 4 koaxial um das rotierende Rohr 2 und das feststehende Rohr 5 koaxial um das feststehende Rohr 3 angeordnet. Die feststehenden Rohre 3 und 5 sind koaxial zu den rotierenden Rohren 2 und 4 angeordnet und mit geringem Radialspiel im Bereich der Ueberlappungszone zum Teil in die entsprechenden rotierenden Rohre 2 und 4 eingeschoben. Ausserdem überdeckt das feststehende Rohr 5 ebenfalls mit geringem Radialspiel im Bereich der Ueberlappungszone teilweise das rotierende Rohr
Um die rotierenden und feststehenden Rohre in ihren Ueberlappungszonen zu schützen, ist .gemäss vorliegender Erfindung eine Manschette 7 (besser ersichtlich in Fig. 2) vorgesehen, mit der die rotierenden und feststehenden Rohre 2, 1I, 3, 5 voneinander getrennt werden. Wie Fig. 2 zeigt, besteht die Manschette 7 aus drei koaxial angeordneten Zylindern 8, 9 und 10. Ein Innenzylinder 8 und ein Mittelzylinder 9 sind an einem ihrer Enden durch ein erstes ringförmiges Distanzstück 11 miteinander verbunden. Desgleichen sind der
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Mittelzylinder 9 und ein Aussenzylinder 10 am anderen Ende des Mittelzylinders 9 über ein zweites ringförmiges Distanzstück 12 miteinander verbunden.
An dem Ende des Aussenzylinders 1O5 das dem über das zweite Distanzstück 12 mit dem Mittelzylinder 9 verbundenen Ende gegenüber liegt, trägt der Aussenzylinder 10 eine abnehmbare Befestigungsvorrichtung 13, die mit einem am Ende 1 der Hohlwelle montierten Zusatzteil 14 der Befestigungseinrichtung 13 zusammenwirkt (siehe Fig. 1). Die Befestigungsvorrichtung 133 14 kann beispielsweise aus einem an sich bekannten Verriegelungssystem mit Bajonettverschluss bestehen«, so dass die Manschette 7 einfach und rasch montiert und demontiert und zudem durch das Ende 1 der Hohlitfelle in rotierende Bewegung versetzt werden kann,
Die Manschette 7 wird im Innern des Endes 1 der Hohlwelle montiert s bevor die feststehenden Rohre 3 und 5 in die entsprechenden rotierenden Rohre 2 und 4 eingeführt werden. Der Aussenzylinder 10 wird in das Innere des zweiten rotierenden Rohres 4 eingeführt und gleichzeitig decken der Mittelzylinder 9 und der Innenzylinder 8 den Endteil des ersten rotierenden Rohres 2 ab. Wie Fig. 1 zeigts sind die entsprechenden linken Enden des Aussenzylinders Io und des Innenzylinders 8 durch einen ersten Sockel 15 und einen zweiten Sockel 16 gestützte, die entsprechend im Innern des zweiten rotierenden Rohres 4 und im Innern des ersten rotierenden Rohres 2 befestigt sind»
Die Innenwand des zweiten rotierenden Rohres 4 wird durch zv/ei koaxial angeordnete Teile 4a und 4b unterschiedlichen Durchmessers gebildet s deren angrenzende Enden unter sich durch ein drittes ringförmiges Distanzstück 17 verbunden sind. Der erste Sockel 15 1st durch eine axiale Verlange- .
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rung des dritten ringförmigen Distanzstückes ,17 gebildet. Zwischen dem ersten Sockel 15 und dem breiteren Teil ^b des zweiten rotierenden Rohres 4 bildet sich ein Zwischenraum, in dem die axiale Verlängerung 18 des zweiten ringer fcrmigen Distanzstücks 12 liegt.
Hie Innenwand des ersten rotierenden Rohres 2 besteht aus swei koaxial angeordneten Teilen 2a und 2b unterschiedlichen Durchmessers j deren angrenzende Enden unter sieh durch ein viertes ringförmiges Distanzstück 19 verbunden sind. Der 2: weite Sockel Id ist durch eine axiale Verlängerung des vierten r-ingförniirsn Distansstückes 19 gebildete Zwischen cer Verlängerung 16 und dam Rohr 2b bildet sieh ein Zwischen= ι-?,απ3 ir. den das freie= Ende des Innensylindeps 8 der Mansehet is 7 "U liegen izozcA,
.;. 5 l~,z?-h dar Kontage as? Xiinsehstte 7 v/erden die feststehenden Rch^e 3 und 5 ins Inner3 der Manschefcts 7 eingeführt und d-si- Ausssnflanseh 6 am Gehäuse der rotierenden elektrischen r.'r:£cr.iiie Gefestigt= !^eiin alle Elemente montiert sind (siehs JL-:, I)- trennt dsr- liins-i-vlirids" ο die Aussenviand. des fest =
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Dis f'/Iindei- 6- 9 iü-ί- -0 ds:" I%n?cristts 7 sind "rorg aus reicherem Hatsria,! Els das Material der feststehenden und i-otiersnden Rohx:e 2- ^- 3 s 5 gefertigt <, Mit einer sol·
»- '-Ji & «:' -5) ΰ ? ti ^i ώ g
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-lichen Manschette 7 können durch Reibung verursachte Perforationen in den rotierenden Rohren 2 und 4 vermieden v/erden. Ohne die Manschette 7 wären solche, durch Vibrationen erzeugte Reibungen zwischen den feststehenden und rotierenden Rohren 2, Ί, 3j 5 nicht zu verhindern. Die Manschette 7 selbst kann sich durch diese Reibung abnützen und perforieren; der Betrieb der .Maschine braucht aber deswegen nicht unterbrochen zu vier dan. ?4it Hilfe der Befestigungsvorrichtung 13, 14 kann die Manschette 7 einfach und rasch durch eine neue Manschette 7 ersetzt werden. Falls eines der beiden feststehenden Rohre 3 und 5 infolge Reibungswirkung zwischen ihm und der Manschette 7 perforiert würde, wäre dies weniger schwerwiegend als eine Perforation des einen oder anderen der beiden rotierenden Rohre 2 und 43 denn die feststehenden Rohre 3 und können viel leichter ersetzt werden als die rotierenden Rohre 2 und 5· Perforation in den rotierenden Rohren 2 und 1J hätte einen langen Stillstand der Maschine zur Folge.
Di3 Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Transportvorrichtung kann noch verbessert werden. Das gasförmige, bei sehr tiefer Temperatur aus dem rotierenden Rohr 4 austretende und in das feststehende Rohr 5 zurückkehrende Helium wird auch von einer durch die Rotation des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine bewirkte Rotationsbewegung in Bewegung gebracht. Das in das feststehende Rohr 5 eindringende gasförmige Helium wird infolge Reibung an der Innenwand des feststehenden Rohres 5 gebremst, wobei es sich auf Kosten des thermodynamischen Wirkungsgrades der Gesamtanlage erhitzt. Um dies zu vermeiden, ist das zweite Distanzstück 12 als mit Schaufeln 20 bestücktes, mit der Manschette 7 drehendes Rad ausgebildet und gleichzeitig sind am Ende des zweiten feststehenden Rohres 5 feststehende Schaufeln 21 vorgesehen. Die rotierenden Schaufeln 20 und die feststehenden Schaufeln
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21 wirken zusammen und sind so gerichtet, dass die Rotationskomponente der Geschwindigkeit des aus dem rotierenden Rohr 4 austretenden und in das feststehende Rohr 5 eindringenden gasförmigen Heliums wirkungslos wird.
Es versteht sich von selbst, dass die Ausführungsform der vorstehend beschriebenen Erfindung ein Beispiel darstellt und dass zahlreiche Modifikationen angebracht werden können, ohne dass deswegen der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. In diesem Sinne ist die Erfindung in ihrer Anwendung für eine rotierende elektrische Maschine beschrieben worden, wo das gasförmige Helium, nachdem es die supraleitende Rotorwicklung gekühlt hat, bei sehr tiefer Temperatur abgeführt wird.
Jedoch ist die Erfindung auch für elektrische rotierende Maschinen anwendbar, bei denen das gasförmige Helium bei Umgebungstemperatur zurückgeführt wird. In diesem Fall enthält die Transportvorrichtung für die Zuführung des flüssigen Heliums nur ein einziges rotierendes Verbindungsrohr. In diesem Falle wird sich die Manschette 7 auf einen einzigen Zylinder reduzieren.
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Claims (1)

  1. 480/76
    BBG Aktiengesellschaft PL/dh
    Brown, Boveri & Cie.
    Baden (Schweiz) 2607898
    Patentansprüche
    1. Vorrichtung für Keliumtransport zwischen einer stationären Kältemaschine und einem rotierenden Kryostaten einer rotierenden elektrischen Maschine mit supraleitender Wicklung mit zwei koaxial angeordneten Rohren für die Führung von flüssigem Helium wobei das eine der beiden Rohre mit dem rotierenden Kryostaten verbunden ist, während das andere Rohr feststehend ist und mit einem Radialspiel in der Ueberlappungszone zum Teil in das rotierende Rohr hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zylindrische Manschette (7) enthält, die mit ■ dem rotierenden Rohr (2) verbunden ist und sich in axialer Richtung zwischen den zwei Rohren (2, 3) über die gesamte Länge der Ueberlappungszone der beiden Rohre (2, 3) erstreckt.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Manschette (7) an einem ihrer Enden mit einer abnehmbaren Befestigungsvorrichtung (13) ausgerüstet ist und dass an einen Ende (1) der Welle der rotierenden elektrischen Maschine ein Zusatzteil (14) der Befestigungsvox-richtung (13) angeordnet ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abnehmbare Befestigungsvorrichtung (13) mit dem Zusatzteil (l4) als ein Bajonettverschluss ausgebildet ist.
    M. Vorrichtung nach Anspruch 23 dadurch gekennzeichnet, dass sie einen im Innern des rotierenden Rohres (2) befestigten Sockel (16) für das Ende der Manschette (7) enthält, das dem Ende der Manschette (7) mit der abnehmbaren Befestigungsvorrichtung (13) gegenüberliegt.
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    5. Vorrichtung nach Anspruch 1, rait zwei weiteren koaxial angeordneten Rohren für die Führung von gasförmigem Helium bei tiefer Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Manschette (7) einen Innenzylinder (8), einen Mittelzylinder (9) und einen Aussenzylinder (Ij) enthält, die sich axial in die Ueberlappungszonen der rotierenden und feststehenden Rohre (3,2,5,4) erstrecken, wobei der Mittelzylinder an einem Ende mit de::i entsprechenden Ende des Aussenzylinders (10) und am entgegengesetzten Ende mit dem entsprechenden Ende des Innenzylinders (8) verbunden ist.
    6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die abnehmbare Befestigungsvorrichtung (13) an dem Ende des Aussenzylinders (10) angeordnet ist, das demjenigen gegenüberliegt, durch das er mit dem Mittelzylinder (9) verbunden ist.
    7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel (16) das Ende des Innenzylinders (8) stützt, das demjenigen gegenüberliegt, durch daa der Innenzylinder (8) mit dem Mittelzylinder (9) verbunden ist.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (7) im Bereich der Verbindung zwischen dem Aussenzylinder (10) und Mittelzylinder (9) mit der Manschette (7) rotierende Schaufeln (20) aufweist und dass das feststehende Rohr (5) feststehende Schaufeln (21) trägt.
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DE19782807898 1977-03-03 1978-02-24 Vorrichtung fuer heliumtransport zwischen einer stationaeren kaeltemaschine und einem rotierenden kryostaten einer rotierenden elektrischen maschine mit supraleitender wicklung Withdrawn DE2807898A1 (de)

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