DE2829555B2 - Vorrichtung zur Überleitung eines kryogenen Mediums - Google Patents

Vorrichtung zur Überleitung eines kryogenen Mediums

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Description

ring unter einem gewissen Druck auf der Dichtungsfläche schleifen. Dabei läßt sich ein größerer Verschleiß des Dichtungsringes nicht vermeiden. Dieser Verschleiß, der besonders hoch ist, wenn die Dichtung im trockenen Zustand betrieben wird, führt zu einer Begrenzung der Betriebszeit der Kupplung, da durch ihn die Abdichtungseigenschaften mit fortschreitender Betriebszeit verschlechtert werden, falls keiue entsprechende Nachführung des Trägerkörpers für den Dichtungsring vorgesehen ist Ferner bestehen solche Dichtungsringe im allgemeinen aus Materialien, die bei einer Abkühlung der Kupplung stärker schrumpfen als deren metallische Teile, so daß auch aus diesem Grund eine Verkürzung der Dichtungsringe auftritt. Eine nur mit verhältnismäßig hohem konstruktiven Aufwand herstellbare Nachführvorrichtung wäre nicht erforderlich, wenn man eine ganze Reihe von Gleitringdichtungen mit sich in achsenparalleler Richtung er; treckenden Dichtungsringen vorsehen könnte. Die Anordnung einer solchen Reihe in einer Kupplung ist jedoch sehr aufwendig.
Aus der US-Patentschrift 37 31 865 ist eine weitere Vorrichtung zum Überleiten eines kryogenen Mediums wie z. B. Helium von einer feststehenden auf eine rotierende Rohrleitung bekannt. Ein zwischen diesen beiden thermisch isolierten Rohrleitungen vorh.: ndener Zwischenraum ist nach außen über eine Gleitringdichtung abgeschlossen, die sich auf Raumtemperatur befindet. Um eine Strömung des kryogenen Mediums von dem Zwischenraum zu der Gleitringdichtung zu begrenzen, sind die entsprechenden Verbindungswege verhältnismäßig lang und haben aufgrund besonderer Einbauten einen hohen Strömungswiderstand. Zwar treten an dieser Dichtung praktisch keine Schrumpfungseffekte aufgrund einer Kühlung durch das kryogene Medium auf. Jedoch ist der Verschleiß an den Dichtungsringen verhältnismäßig groß. Darüber hinaus ist die bekannte Überleitungsvorrichtung ebenfalls konstruktiv aufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die bekannten Vorrichtungen zur Überleitung eines kryogenen Mediums so zu verbessern, daß die erwähnten Schwierigkeiten nicht oder nur in unwesentlichem Umfange auftreten. Insbesondere soll ihre Dichtlingsvorrichtung so ausgebildet sein, daß eine lange Betriebszeit ohne Beeinträchtigung der Abdichtungseigenschaft? η ermöglicht wird und zugleich bei Abkühlung auftretende Schrumpfungsunterschiede ausgeglichen werden.
Diese Aufgabe wird für eine Überleitungsvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dichtungsvorrichtung in dem nngförmigen Zwischenraum angeordnet ist und ihr auf der Außenseite des rotierenden Rohrstückes befestigies, sich im wesentlichen radial bezüglich der Rotationsachse erstreckendes Dichtungselement aus einem vorbestimmten Material so elastisch ausgebildet ist, daß seine radiale Ausdehnung bei Rotation des mit ihm verbundenen Rohrstückes um ein vorbestimmtes Maß vergrößert ist.
Die Vorteile dieser Gestaltung der Überleitungsvorrichtung bestehen insbesondere darin, daß sich die radiale Vergrößerung ihres mitrotierenden Dichtungseiementes in Abhängigkeit von der Rotation des mit ihm verbundenen Rohrstückes so vergrößern läßt, daß bei Abkühlung auftretende radiale Schrumpfungsunterschiede zumindest annähernd ausgeglichen werden. Man erhält so eine gute Abdichtung während des Betriebs der angeschlossenen Maschine.
Außerdem kann vorteilhaft die Dichtungsvorrichtung mehrere in Achsrichtung hintereinander angeordnete, auf dem rotierenden Rohrstück befestigte Dichtungselemente enthalten, die insbesondere als Dichtlippen gestaltet sein können. Mit dieser Maßnahme läßt sich der Strömungswiderstand auch bei einem geringfügigen Spalt zwischen jedem Dichtungselement und der zugeordneten Dichtfläche an der Innenseite des
ίο feststehenden Rohrstückes so erhöhen, daß dennoch eine ausreichende Abdichtung gewährleistet ist. Ein solcher Spalt kann zweckmäßig für besonders verschleißarme Dichtungsvorrichtungen vorgesehen werden.
Ferner kann vorteilhaft der achsferne, äußere Teil des Dichtungselementes eine nach innen offene Hohlrinne enthalten, in der ein Ballast angeordnet ist. Als Ballast können zweckmäßigerweise Bleikugeln vorgesehen sein. Mit einer geeigneten Wahl der Masse des Ballastes
2(i läßt sich eine vorbestimmte radiale Dehnungskraft aufgrund einer entsprechenden Fliehkraft auf jedes Dichtungselement ausüben.
Eine elastische Ausdehnung der Dichtungselemente aufgrund von Fliehkräften kann vorteilhaft dadurch
2-. erreicht werden, daß jedes Dichtungselement ein auf dem rotierenden Rohrstück befestigtes, achsnahes Teil und ein achsfernes, äußeres Teil enthält und daß diese Teile über ein dünnwandiges Übergangsteil in Form eines Kegelstumpfmantels verbunden sind.
in Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur eine Überleitungsvorrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
ir! In der Figur ist lediglich der obere Teil eines Längsschnittes durch eine Überleitungsvorrichtung dargestellt. Über diese Vorrichtung kann ein kryogenes Medium A, beispielsweise flüssiges Helium, von einer externen Kältemaschine an einem in der Figur nicht näher ausgeführten Anschlußkopf in den Rotor einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Turbogenerators, eingeleitet und dort einer supraleitenden Erregerwicklung zur Kühlung zugeführt werden. Die Flußrichtung des kryogenen Mediums A ist in der Figur
4r> durch einen Pfeil veranschaulicht. Die Überleitungsvorrichtung am Anschlußkopf der Maschine enthält ein rohrförmiges, feststehendes Leitungsrohr 2, dessen offenes Endstück 3 von einem Endstück 4 eines bezüglich einer gemeinsamen Achse 5 konzentrisch
r>o angeordneten Leitungsrohres 6 umgeben ist. In dieses als Hohlwelle gestaltete und mit den rotierenden Teilen des Rotors fest--verbundene Leitungsrohr 6, das beispielsweise aus einem unmagnetischen Stahl besteht, wird das kryogene Medium A überführt.
v-, Zwischen dem mitrotierenden Endstück 4 und dem feststehenden Endstück 3 ist ein ringförmiger Spalt 7 vorgesehen, um ein radiales Wellenspiel des Rotors zuzulassen. Über den Spaltraum 7 könnte das kryogene Medium nach außen gelangen. Um ein Austreten des
wi Mediums, beispielsweise als verdampftes Heliumgas, zu verhindern, ist der Spaltraum 7 mit einem Zwischenraum 9 gasdicht verbunden, in dem sich eine DicL'ungsvorrichtung 1() befindet. Diese*· Zwischenraum 9 ist zwischen der Außenseite 12 der mitrotieren-
tv> den Hohlwelle 6 und der Innenseite 14 eines mit dem feststehenden Leitungsrohr 2 verbundenen, dünnwandigen Hohlzylinder 15 ausgebildet. Die Innenseite 14 dieses z. B. aus einem korrosionsbeständigen, unmagne-
tischen Stahl bestehenden Hohlzylinders 15 ist zweckmäßig poliert. Der Hohlzylinder ist über ein nachgiebiges, statisch abdichtendes Element, beispielsweise mit einem dünnwandigen Metallbalg 17, an einer nur teilweise ausgeführten Trennwand 18 des Anschlußkop- ■> fes des Rotors befestigt. Der Hohlzylinder 15 kann sich somit etwa in radialer Richtung bewegen. Die Dichtungsvorrichtung 10 übernimmt dabei zusätzlich zu ihrer Dichtungsfunktion die Lagerung dieses Hohlzylinders. Auf ein besonderes, zentrierendes Lager zwischen κι dem Hohlzylinder 15 und der Hohlwelle 6 kann dann verzichtet werden.
Die Dichtungsvorrichtung 10 in dem ringförmigen, sich in achsenparalleler Richtung erstreckenden Zwischenraum 9 enthält mehrere in Achsrichtung hinterein- ι > ander angeordnete, als ringförmige Dichtlippen 20 gestaltete Dichtungselemente, die den Spaltraum 7 gegenüber einem Außenraum 22 abdichten. In diesem Außenraum kann beispielsweise ein Vakuum vorgesehen sein oder auch ein weiteres kryogenes Medium, :o beispielsweise Heliumgas, geführt werden.
Die Dichtlippen bestehen vorteilhaft aus einem Werkstoff, der bei kryogenen Temperaturen von beispielsweise 4 K einen verhältnismäßig kleinen Reibungskoeffizienten hat. Darüber hinaus kann die :> Reibung der Dichtlippen durch die Politur der Innenseite 14 des beispielsweise aus einem korrosionsbeständigen, unmagnetischen Metall bestehenden Hohlzylinders 15 weiter vermindert werden. Die Verschleißrate der Dichtlippen ist dann entsprechend gering. i<> Ferner hat der Werkstoff für die Dichtlippen vorteilhaft einen Elastizitätsmodul, der mit sinkender Temperatur nur wenig zunimmt und bei kryogenen Temperaturen noch eine Dehnbarkeit im elastischen Bereich hat, die ein Mehrfaches beim Abkühlen auftretenden Schrump- 3ϊ fung beträgt. Werkstoffe, die diese Forderungen erfüllen, sind beispielsweise besondere Polyimide sowie Polytetrafluoräthylene.
Gegebenenfalls können diesen Werkstoffen noch Füllmittel zur Verbesserung der Trockenlaufeigenschaf- ·»" ten der Dichtlippen auf dem Material des Hohlzylinders 15 beigemischt sein. Als Füllmittel sind beispielsweise Kohle, Graphit, Bronze oder Glas geeignet.
Beim Zusammenbau im noch warmen Zustand der Überleitungsvorrichtung werden eine Vielzahl von -<"> Dichtlippen 20 hintereinander auf der Hohlwelle 6 aufgereiht und zwischen zwei ringförmigen Halteelementen 24 und 25 eingespannt. Da im allgemeinen der Werkstoff der Dichtlippen einen im Vergleich zum Material der Hohlwelle 6 größeren Schrumpfungskoef- "'" fizienten hat, schrumpfen die Dichtlippen bei einer Abkühlung auf der Hohlwelle 6 auf. wodurch sie sich selbst halten. Die Dichtlippen können zusätzlich noch, insbesondere gegen Verdrehen, gesichert sein.
Aufgrund der radialen Schrumpfungsunterschiede zwischen den Dichtlippen 20 einerseits und den Materialien der Hohlwelle 6 und des Hohlzylinders 15 andererseits entsteht bei stillstehender Maschine bei einer Abkühlung zwischen den äußeren Dichtflächen 26 der Dichtlippen 20 und der Innenwand 14 des *>o Hohlzylinders 15 ein geringer Spalt der zu einer Verschlechterung der Abdichtungseigenschaften der Dichtungsvorrichtung 10 führt Die Schrumpfungsunterschiede liegen im allgemeinen zwischen 0,4 und 0,7%. Gemäß deir Erfindung sind jedoch besondere Maßnahmen vorgesehen, damit ein solcher Spalt bei Betrieb der Maschine, d. h. bei Rotation des Rotors, ausgeglichen oder zumindest wesentlich verringert werden kann.
Dies wird dadurch erreicht, daß sich die radiale Länge L der Dichtlippen 20 bei Rotation der Hohlwelle 6 um einen vorbestimmten Wert vergrößert. Die radiale Gesamtlänge jeder Dichtungslippe kann dann beispielsweise genau gleich dem Abstand zwischen den beiden konzentrischen Hohlzylindern 6 und 15 sein. Die Gesamtlänge kann jedoch auch geringfügig größer vorgesehen werden, so daß die zwischen den beiden Bauteilen sich erstreckenden Dichtlippen dann mit einer vorbestimmten Kraft an der Innenseite 14 des Hohlzylinders 15 anliegen.
Die vorbestimmte radiale Dehnung jeder Dichtlippe 20 bei Rotation läßt sich insbesondere dadurch erreichen, daß man den Materialquerschnitt des äußeren, der Innenseite 14 zugewandten Teils 28 der Dichtlippe verhältnismäßig klein hält. Zusätzlich kann dieser äußere Teil so gestaltet sein, daß eine nach innen offene Hohlrinne 29 entstanden ist. In dieser Hohlrinne läßt sich dann ein Ballast anordnen, der beispielsweise aus kleinen Bleikugeln 30 besteht. Dieser Ballast führt aufgrund der an ihm angreifenden zentrifugalen Kräfte zu einer radialen Dehnung der Dichtlippen. Diese Dehnung kann durch eine geeignete Wahl des Dichtlippenwerkstoffes bei der vorgesehenen Drehzahl der Hohlwelle 6 auf ein vorbestimmtes Maß festgelegt werden. Die radiale Dehnbarkeit der Dichtlippen 20 läßt sich vorteilhaft noch dadurch unterstützen, daß man zwischen ihren inneren, an der Hohlwelle 6 anliegenden Teilen 31 und ihren äußeren, mit dem Ballast 30 versehenen Teilen 28 jeweils ein dünnwandiges Übergangsteil 32 vorsieht, das die Form eines Kegelstumpfmantels hat. Eine radiale Dehnung an diesen Übergangsteilen 32 kann gegebenenfalls noch dadurch erleichtert werden, daß diese bei der Herstellung in einem Preßwerkzeug wellenförmig ausgeführt werden. Da sich die mit den konisch verlaufenden Übergangsteilen versehenen, ringförmigen Dichtlippen ineinanderstecken lassen, ist ihre Teilung kleiner als ihre radiale Baulänge. Zusätzlich werden durch die nächstfolgende Dicht'iippe die Bleikugeln 30 am Herausfallen gehindert. Die letzte Dichtlippe enthält zweckmäßig keinen Ballast.
Zusätzlich kann der abdichtende Außenrand des äußeren Teils 28 jeder Dichtlippe 20 als schmale Dichtleiste 33 gestaltet sein, die ein gewisses Maß von Verschleiß zuläßt. Mit zunehmendem Verschleiß verringert sich dann vorteilhaft der Querschnitt der Dichtlippe. Damit ist jedoch eine Erhöhung der Dehnung verbunden, so daß die Bildung eines freien Spaltes zwischen der Dichtlippe und der Innenwand 14 des Hohlzylinders verhindert wird. Dies kann auch zusätzlich noch durch eine entsprechende Gestaltung der Querschnittsform der Dichtleisten 33 beeinflußt werden. Beispielsweise können Dichtleisten mit dreieckförmigem Querschnitt vorgesehen sein.
Im Ausführungsbeispiel nach der Figur ist davon ausgegangen, daß über die Dichtungsvorrichtung 10 in achsenparalleler Richtung praktisch kein Temperaturgefälle besteht so daß eine annähernd gleiche, radiale Dehnung aller Dichtlippen 20 eintritt Eine derartige Festlegung der Dichtungsvorrichtung ist jedoch nicht erforderlich. Für den Fall, daß ein Temperaturgefälle von beispielsweise 100 bis 200 K vorgesehen ist kann nämlich durch eine entsprechende Anpassung der Massen des Ballastes in den einzelnen Dichtungslippen 20 auf einfache Weise das temperaturabhängige, unterschiedliche Schrumpfen der Dichtlippen ausgeglichen werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Überleitung eines kryogenen Mediums zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Leitungsrohr mit einer Dichtungsvorrichtung, die mindestens ein mit dem rotierenden Leitur.gsrohr verbundenes, mitrotierendes Dichtungselement enthält und die zur Abdichtung eines ringförmigen Zwischenraumes zwischen einem mit dem feststehenden Leitungsrohr verbundenen und einem mit dem rotierenden Leitungsrohr verbundenen Rohrstück dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsvorrichtung (10) in dem ringförmigen Zwischenraum (9) angeordnet ist und ihr auf der Außenseite (12) des rotierenden Rohrstückes (6) befestigtes, sich im wesentlichen radial bezüglich der Rotationsachse (5) erstreckendes Dichtungselement (Dichtungslippe 20) aus einem vorbestimmten Material so elastisch ausgebildet ist, daß seine radiale Ausdehnung (L) bei Rotation des mit ihm verbundenen Rohrstückes (Hohlwelle 6) um ein vorbestimmtes Maß vergrößert ist.
2. Überleitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsvorrichtung (10) mehrere in Achsrichtung hintereinander angeordnete, auf dem rotierenden Rohrstück (Hohlwelle 6) befestigte Dichtungselemente (Dichtungslippen 20) enthält.
3. Überleitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der achsferne, äußere Teil (28) des Dichtungselementes (Dichtungslippe 20) eine nach innen offene Hohlrinne (29) enthält, in der ein Ballast angeordnet ist.
4. Überleitungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der in Achsrichtung hintereinander angeordneten Dichtungselement (Dichtungslippen 20) auf unterschiedlichen Temperaturniveaus liegen und daß in den nach innen offenen Hohlrinnen (29) der Dichtungselemente jeweils der an das Temperaturniveau des jeweiligen Dichtungselementes angepaßte Ballast angeordnet ist.
5. Überleitungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ballast Bleikugeln (30) vorgesehen sind.
6. Überleitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens ein als Dichtlippe (20) gestaltetes Dichtungselement.
7. Überleitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (Dichtungslippe 20) ein auf dem rotierenden Rohrstück (Hohlwelle 6) befestigtes, achsnahes Teil (31) und ein achsfernes, äußeres Teil (28) enthält und diese Teile (28, 31) über ein dünnwandiges Übergangsteil (32) in Form eines Kegelstumpfmantels verbunden sind.
8. Überleitungsvon ichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das achsferne, äußere Teil (28) des Dichtungselementes (Dichtungslippe 20) an seinem Außenrand eine Dichtungsleiste (33) enthält.
9. Überleitungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen kleinen Materialquerschnitt des achsfernen, äußeren Teils (28) des Dichtungselementes (Dichtungslippe 20).
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überleitung eines kryogenen Mediums zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Leitungsrohr mit einer Dichtungsvorrichtung, die mindestens ein mit dem rotierenden Leitungsrohr verbundenes, mitrotierendes Dichtungselement enthält und die zur Abdichtung eines ringförmigen Zwischenraumes zwischen einem mit dem feststehenden Leitungsrohr verbundenen und einem mit dem rotierenden Leitungsrohr verbundenen Rohrstück
ίο dient
Zur Kühlung einer tiefzukühlenden, insbesondere supraleitenden, Wicklung im Rotor einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Turbogenerators, müssen Vorrichtungen zur Überleitung eines kryogenen
i"' Mediums zwischen dem Rotor und feststehenden Anschlußleitungen vorgesehen werden. Über diese Überleitungsvorrich»ungen wird das kryogene Medium, beispielsweise flüssiges oder gasförmiges Helium, der Erregerwicklung im Rotor zugeführt bzw. aus diesem wieder abgeleitet. Der Rotor der Maschine enthält deshalb einen entsprechenden Anschlußkopf, der mit einer solchen Überleitungsvorrichtung versehen ist, die auch als Kupplung bezeichnet wird. Die Gestaltung dieser Kupplung ist vor allem im Hinblick auf möglichst
ί' geringe thermische Verluste des Kühlmittelkreislaufes für die Erregerwicklung und im Hinblick auf kleine Leckraten des Kühlmittels besonders schwierig. Die Kupplungen müssen deshalb rotierende Dichtungen mit verhältnismäßig geringer Reibung haben, die das
i» Kühlmittel, insbesondere das flüssige Helium, einerseits gegen den Außenraum abdichten und die andererseits innerhalb des rotierenden Systems die Eingangs- gegen die Ausgangsseite abdichten. Die hierfür erforderlichen Dichtungsvorrichtungen müssen darüber hinaus radiale
J5 und axiale Wcllenspiele des Rotors zulassen und über längere Zeiten, beispielsweise einige Jahre, störungsfrei arbeiten.
Eine Überleitungsvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US-Patentschrift 40 56 745 bekannt.
4(1 Diese als Helium-Kupplung bezeichnete Vorrichtung enthält ein hohlzylindrisches, ortsfestes Gehäuse, in dessen Innenraum eine rohrförmige Zuführungsleitung hineinragt. Das offene Endstück dieses Zuführungsrohres ist von einem Endstück eines mit den rotierenden
4Γ) Teilen der Maschine fest verbundenen Leitungsrohres konzentrisch umgeben, so daß zwischen diesen beiden Rohren ein ringförmiger Spalt ausgebildet ist. Die konzentrische Lage der beiden Rohrstücke innerhalb des Gehäuses ist über hierfür vorgesehene Lager
r><> gewährleistet. Um ein Austreten des Heliums über den Spalt nach außen zu verhindern, ist an der Stirnseite des rotierenden Rohres ein ringförmiger Trägerkörper für einen in achsenparalleler Richtung ausgedehnten Dichtungsring vorgesehen. Dieser Dichtungsring
r>r> schleift auf einer sich in einer radialen Ebene erstreckenden, ringscheibenförmigen Dichtungsfläche eines mit dem feststehenden Gehäuse verbundenen Bauteils.
Die Dichtungsvorrichtung der bekannten Kupplung
" stellt somit eine Gleitringdichtung dar. Bei einer solchen Dichtung schleift ein sich im wesentlichen in achsenparalleler Richtung erstreckendes, mitrotierendes Dichtungselement auf einer in einer radialen Ebene verlaufenden, kreisringförmigen Dichtungsfläche. Um eine gute Abdichtung des zwischen den beiden konzentrisch zueinander angeordneten Rohrstücken ausgebildeten Zwischenraumes zu erreichen, muß bei der bekannten Maschine tier mitrotierende Üichtunes-
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