DE2830852C3 - Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine - Google Patents

Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine mit einer supraleitenden Erregerwicklung und einer achsnahen, mitrotierenden Mischkammer, die ein Phasengemisch eines von außen zugeführten Kühlmittels enthält, und mit einem am Außenumfang der Erregerwicklung angeordneten Kühlmittclverteilersystem, und mit zwischen dem Kühlmittelverteilersystem und der Mischkammer durch die Wicklungsteile der Erregerwicklung verlaufenden Kühlkanälen sowie mit entsprechenden Kühlmittelverbindungsleitungen außerhalb der Erregerwicklung, wobei im Betriebszustand eine Strömung des Kühlmittels durch die Kühlkanäle aufgrund eines Selbstpump-Effektes erfolgt.
Eine derartige Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine mit supraleitender Erregerwicklung ist Gegenstand einer zeitlich gleichrangigen Patentanmeldung (DE-OS 28 30 887). Dort ist eine Kühleinrichtung beschrieben, bei der im Betriebszustand eine Kühlmittelströmung durch die Erregerwicklung aufgrund eines sogenannten Selbstpump-Effektes erfolgt. Dieser Effekt wird beispielsweise bei der aus der Dissertation von A. Bejan: »Improved thermal Design of the Cryogenic Cooling System for a Superconducting Synchronous Generator«, Ph. D. -Thesis, Massachusetts Institute of Technology (USA), Dezember 1974, Seiten bis 159 bekannten Kühleinrichtung ausgenutzt. Bei dieser Kühleinrichtung wird das zur Kühlung der Erregerwicklung erforderliche Kühlmittel von einer Kältemaschine aus unter Zwischenschaltung eines Joule-Thomson-Ventils in teilweise flüssigem Zustand und mit auf unter 105 Pa vermindertem Druck über eine rotierende Kupplung zentral durch die Rotorwelle geführt und in eine dort vorhandene achsnahe Mischkammer eingeleitet. In der Mischkammer befindet sich dann e>n Zweiphasengemisch aus flüssigem und gasförmigem Kühlmittel. Aufgrund der bei Rotation auf dieses Zweiphasengemisch einwirkenden Zentrifugalkräfte werden der Kühlmitteldampf in achsnahen und die Kühlmittelflüssigkeit in achsfernen Bereichen der Mischkammer angelagert. Von der Mischkammer aus wird ein Kühlmittelstrom mit flüssigem Kühlmittel über radiale Kanäle in ein Kühlmittelbad gepumpt, in dem die supraleitende Erregerwicklung angeordnet ist und die Verlustleistung der Wicklung an das Kühlmittel abgegeben wird. Die dabei aufgenommene Wärmemenge bewirkt eine Temperaturerhöhung und teilweise Verdampfung des Kühlmittels, das dann über weitere radiale Kanäle wieder zurück in die Mischkammer geleitet wird. Bei der bekannten Maschine erfolgt eine bezüglich der Rotorachse im wesentlichen achsenparal-IeIe Kühlmittelströmung durch die Erregerwicklung.
Die erforderliche Pumpwirkung zur Ausbildung der Strömung des Kühlmittels wird durch einen auf Dichteunterschieden beruhenden Selbstpump-Effekt hervorgerufen. Aufgrund von zentrifugalen Kräften
6Γ) wird nämlich das Kühlmittel in den radial verlaufenden Leitungen nach außen hin beschleunigt, isentrop verdichtet und so in das die Erregerwicklung kühlende Bad gepumpt. Außerdem erwärmt es sich dort aufgrund
auftretender Verlustleistungen oder durch Wärmeübertragung von außen, und seine Dichte nimmt dementsprechend ab. Dadurch entsteht zwischen den radialen Zuführungs- und Rückleitungen eine hydrostatische Druckdifferenz. Es bildet sich also längs der Wicklung zwischen der Einspeise- und der Austrittsstelle des Kühlmittels ein Druckgefälle aus, das zu einer Konvektionsströmung führt und eine Rückleitung" des Kühlmittels über die Abführungsleitungen in die achsnahe Mischkammer bewirkt (vgL »Cryogenics«, Juli 1977, Seiten 429 bis 433 und DE-OS 25 30 iOO). Der sich so ergebende Kühlkreislauf durch die Erregerwicklung wird auch alsThermosyphon-Schleife bezeichnet.
Zur Führung eines Kühlmittels durch die supraleitende Wicklung eines Rotors ist es aus der DE-OS 23 Oi 343 bekannt, in den die einzelnen Spulenteile der Wicklung enthaltenden Nuten jeweils am Nutengrund einen axial verlaufenden Sammelkanal und oberhalb eines die einzelnen Spulenteile in den Nuten fixierenden Nutkeils einen Spalt vorzusehen, der mit d^m jeweiligen Sammelkanal verbunden ist. Bei dieser Kühleinrichtung ist jedoch nur eine Kühlmittelströmung von den äußeren Spalten nach inntn zu den Sammelkanälen vorgesehen. Eine weitere Kühlmittelverbindungsleitung zwischen den Spalten und den Sammelkanälen fehlt, so daß ein Kühlkreislauf in Thermosyphon-Schleifen aufgrund eines Selbstpump-Effektes nicht möglich ist. Außerdem muß bei der bekannten Kühleinrichtung das Kühlmittel forciert durch die Strömungskanäle gefördert werden.
Aus der DE-OS 25 11 104 ist eine weitere Kühleinrichtung für eine supraleitende Rotorwicklung bekannt, bei der aus radial sich erstreckenden Kühlmittelverteilerkanälen entnommenes kaltes Kühlmittel durch Kühlkanäle geleitet und als wärmeres Kühlmittel in weitere radiale Kühlmittelverteilerkanäle überführt wird. Die Kühlkanäle, die längs der Innenseiten der Nutenwände verlaufen, sind U-förmig gestaltet. Da die an den Anfang und die an das Ende der Kühlkanäle angeschlossenen Kühlmittelverteilerkanäle untereinander nicht direkt verbunden sind, können sich auch bei dieser Kühleinrichtung keine Thermosyphon-Schleifen ausbilden. Deshalb ist auch bei dieser Kühleinrichtung eine forcierte Kühlung erforderlich.
In einer Thermosyphon-Schleife, wie sie sich hingegen bei einer Kühleinrichtung der eingangs genannten Art ausbilden kann, stellt sich jedoch eine bevorzugte Strömungsrichtung nicht ohne weiteres ein. Dies führt insbesondere di;nn zu Schwierigkeiten, wenn durch die Erregerwicklung des Rotors einer Maschine eine im wesentlichen radiale Strömung vorgesehen sein soll. Insbesondere während der Abkühlungsphase einer solchen Erregerwicklung kann nämlich Kühlmittel von der Mischkammer aus auch direkt in die Küh'kanäle der Wicklung gelangen und diese von innen nach außen durchströmen.
Da die äußeren Teile der Erregerwicklung wärmer als die inneren Teile sind, die Dichte des Kühlmittels jedoch entsprechend abnimmt, versucht das erwärmte Kühlmittel wieder in den Kühlkanälen zurückzufließen. Es besteht dann die Gefahr, d.\l? die äußeren Teile der Erregerwicklung aufgruiiu üer sich innerhalb der Kühlkanäle ausbildenden Instabilitäten nur unzureichend gekühlt werden. Die Erregerwicklung kann dann also nur sehr langsam und somit entsprechend unwirtschaftlich abgekühlt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Kühleinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine wirtschaftliche Abkühlung und im sich anschließenden Betriebszustand eine ausreichende Kühlung der Erregerwicklung ermöglicht ist Im Betriebszustand soll insbesondere der sogenannte Selbstpump-Effekt ausge-
nutzt werden können und in den Kühlkanälen durch die Wicklung eine ungehinderte Kühlmittelströmung von außen nach innen gewährleistet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest einige der an das Kühln.ittelverteilersystern angeschlossenen Kühhnittelverbindungsleitungen jeweils ein in das Kühlmittelverteilersystem hineinragendes Endstück haben, das gegenüber dem Kühlmittel in dem Kühlmittelverteilersystem mittels einer Abschirmvorrichtung thermisch isoliert ist und an dem mindestens eine Kühlmittelaustrittsöffnung vorgesehen ist, deren vorbestimmter Abstand zur Rotorachse großer ist als der Abstand der entsprechenden Kühlmitteleintrittsöffnungen der an das Kühlmittelverteilersystem angeschlossenen Kühlkanäle durch die
2ü Wicklungsteile der Erregerwicklung.
Diese Gestaltung der Kühleinrichtung hat insbesondere den Vorteil, daß die in das Kühlmittelverteilersystem eingeleitete Wärme das Kühlmittel außerhalb der Endstücke der Kühlmitteiverbindungsleitungen und außerhalb deren Abschirmvorrichtungen schneller erwärmt als innerhalb. Dadurch fließt das wärmere Kühlmittel stets ir Richtung der auf dem kleineren Radius liegenden äußeren Öffnungen der Kühlkanäle und wird durch kaltes Kühlmittel aus den Kühlmittelverbindungsleilungen ersetzt. Es wird somit von vornherein in den Kühlkanälen der Erregerwicklung eine Strömung des Kühlmittels von außen nach innen bewirkt. Diese Strömungsrichtung stimmt dabei mit der Richtung der Konvektionsströmung überein, wie sie sich durch eine in den Supraleitern erzeugte Verlustleistung einstellen würde.
Um eine Wärmeeinwirkung von außen auf das kalte, in das Kühlmittelverteilersystem durch die Kühlmitteiverbindungsleitungen geförderte Kühlmittel unmitteibar an den Austrittsöffnungen der Kühlmittelverbindungsleitungen zu verhindern, kann das Endstück der Kühimittelverbindungsleitung vorteilhaft mit seitlichen Austrittsöffnungen versehen sein. Das an diesen Öffnungen austretende Kühlmittel erhält so bereits bei Austritt eine Strömungskomponente in Richtung des Kühlmittelverteilersystems. Bei einer Erwärmung des ausgetretenen Kühlmittels ist dann ein Zurückfließen in die Kühlmittelverbindungsleitungen durch diese Austrittsöffnungen praktisch nicht mehr möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Kühleinrichtung nach der Erfindung ist die Abschirmvorrichtung zur thermischen Abschirmung des Endstückes der Kühlmittelverbindungsleitung nach innen offen nach Art eines Topfes ausgeführt, dessen hohlzylindrisches Seitenteil das Endstück in einem vorbestimmten Abstand umgibt. Mit einem solchen Abschirmelement kann die Vorzugsrichtung der Strömung in den Thermosyphon-Schleifen noch verstärkt werden, da eine Wärmeeinwirkung auf das in das Kühlmittelverteilersystem geförderte kalte Kühlmittel erst dann auftreten kann, wenn dieses Kühlmittel bereits in das Kühlmittelverteilersystem gelangt ist und in Richtung auf die Einlaßöffnungen der Kühlkanäle in den Wi^klungsteilen der Erregerwicklung fließt.
t>5 Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 schematisch ein Schnitt durch einen Teil eines
Rotors mit einer Kühleinrichtung gemäß der Erfindung veranschaulicht ist.
F i g. 2 zeigt schematisch einen weiteren Schnitt durch diesen Rotor.
Aus Fig. 1 ist die Führung eines Kühlmittels durch eine Erregerwicklung im Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, ersichtlich. In der Figur ist nur der an der Nichtantriebsseite gelegene Teil des Rotors mit einer entsprechenden Kühleinrichtung nach der Erfindung als Längsschnitt veranschaulicht. Die in der Figur nicht näher ausgeführten Rotorteile können beispielsweise Teilen einer Maschine entsprechen, die aus der DE-OS 24 39 719 bekannt ist.
Die zu kühlenden rotierenden Teile des konzentrisch um eine Achse 2 gelagerten Rotorkörpers 3 der Maschine sind von Vakuumräumen 4, 5 und 6 umgeben. Diese Räume liegen innerhalb eines hohlzylindrischen Gehäuseteiles 8 und eines stirnseitigen, scheibenförmigen Gehäuseteiles 9 eines entsprechenden mitrotierenden Vakuumgehäuses, das sich auf oder über Raumtemperatur befindet. Das scheibenförmige Stirnteil 9 des Vakuumgehäuses ist zugleich Teil eines nicht näher ausgeführten Anschlußkopfes des Rotors. Der Rotorkörper 3 ist auf seiner Außenseite mit Nuten 11 versehen, in die Windungen der Erregerwicklung 12 eingebracht sind. Diese Wicklungsteile der Erregerwicklung sind durch Keile 13 innerhalb der Nuten 11 gehalten. Die Leiter der Wicklung 12 enthalten supraleitendes Material, so daß als Kühlmittel Helium vorgesehen ist. Die sich im Betriebszustand der Maschine einstellenden Strömungsrichtungen der einzelnen Kühlmittelströme sind durch Pfeile veranschaulicht.
Ein mit Ao bezeichnetes Kühlmittel, vorzugsweise normalsiedendes Helium mit einem Druck von 1,2 χ 105 Pa und einer Temperatur von 4,4 K, wird einer in der Figur nicht dargestellten Kühlmittelversorgungseinrichtung entnommen und an einer Heliumkupplung über eine in Achsnähe in den Rotor hineinragende, feststehende Zuführungsleitung 15 in einen an der Stirnseite 17 des Rotorkörpers 3 liegenden, mitrotierenden Vorraum 18 eingeleitet. An diesen Vorraum ist mindestens eine bezüglich der Rotorachse 2 radial verlaufende Kühlmitteleinspeisungsleitung 20 angeschlossen, über die das Kühlmittel in ein am Außenumfang der Erregerwicklung 12 angeordnetes Kühlmittelverteilersystem 21 eingeleitet wird. Von diesem Kühlmittelverteilersystem aus, das aus netzartig miteinander verbundenen, achsenparallel und in Umfangsrichtung des Rotors verlaufenden Kühlmittelleitungen besteht, gelangt eis=; Kühlmittel über Einlaßöffnungen 23 am äußeren Nutenrand in Kühlkanäle 24, die im wesentlichen radial bezüglich der Rotorachse 2 durch die in den Nuten 11 angeordneten Teile der Erregerwicklung 12 verlaufen. Das zum Nutengrund gelangte Kühlmittel wird dann über radiale Kühlmittelrohre 25 in eine im Inneren des Rotors angeordnete Mischkammer 27 eingeleitet.
In der Mischkammer 27 befindet sich im Betriebszustand der Maschine ein Zweiphasengemisch von flüssigem Kühlmittel A\ und gasförmigem Kühlmittel B\. Bei Rotation erfolgt unter Einfluß zentrifugaler Kräfte eine Phasentrennung, so daß sich das schwerere flüssige Kühlmittel Ay konzentrisch um das gasförmige Kühlmittel B\ anlagert
Zur Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung 12 ist ein Kreislauf vorgesehen, in dem ein Selbstpump-Effekt ausgenutzt wird. Hierzu sind zwischen dem Kühlmittelverteilersystem 21 am Außenumfang der Erregerwicklung 12 und der Mischkammer 27 radial angeordnete Kühlniittelverbindungsleitungen 29 vorge-
sehen, die in zwischen benachbarten Nuten Il liegenden, zahnartigen Zwischenkörpern 30 des Rotorkörpers 3 verlaufen. Über diese Kühlmittelverbindungsleitungen 29 wird bei Rotation kaltes flüssiges Kühlmittel A1 aus der Mischkammer 27 in das
ιυ Kühlmittelverteilersystem 21 gefördert. Von da aus gelangt es dann in die angeschlossenen Kühlkanäle 24 innerhalb der supraleitenden Wicklung 12. Aufgrund der Wärmeeinleitung von außen wird nämlich das Kühlmittel in den Kühlmiltelleitungen des Kühlmittelverteilersystems 21 erwärmt. Außerdem erwärmt es sich auch durch die in den Wickiungsteiien der Erregerwicklung 12 entstehenden Verlustleistungen. Die damit verbundene Reduzierung der Dichte des Kühlmittels bewirkt eine Verminderung seines hydrostatischen Druckes gegenüber dem hydrostatischen Druck des kalten Kühlmittels in den Verbindungsleitungen 29. Dadurch strömt das Kühlmittel über die Kühlkanäle 24 und die Kühlmittelrohre 25 radial nach innen in die Mischkammer 27 zurück und gibt die aufgenommene Wärme durch Verdampfung ab. Die bei einem derartigen Kühlsystem sich ergebenden Kühlkreisläufe durch die Erregerwicklung stellen deshalb sogenannte Thermosyphon-Schleifen dar (vgl. DE-OS 25 30 100).
Die im Betriebszustand in die Mischkammer 27
w einströmende, verdampfte Kühlmittelmenge wird über ein Abgasrohr 32 nach außen abgeleitet. Auch hierbei kann ein Selbstpump-Effekt zum Absaugen des gasförmigen, mit B2 bezeichneten Kühlmittels ausgenutzt werden. Ein entsprechender Absaug-Effekt ist beispielsweise in der Zeitschrift »Cryogenics«, Juli 1977, Seiten 429 bis 432 beschrieben. Die abgeführten Kühlmittelmengen B2 werden durch von außen zugeführtes flüssiges Kühlmittel Ao regeneriert.
Aufgrund des bei der Kühleinrichtung nach der Erfindung ausgenutzten Selbstpump-Effektes zum Absaugen des Kühlmittels B2 stellt sich dabei vorteilhaft ein Unterdruck in dem Abgasrohr 32 ein, der unter 105 Pa liegt. Dieser Unterdruck herrscht auch in der Mischkammer 27 und führt dort zu einer Temperaturabsen-5 kung, wenn für die Zuführung des Heliums A0 von außen bestimmte Maßnahmen erfüllt sind. Im allgemeinen wird das Helium mit Hilfe eines im Helium-Zuführungssystem befindlichen Joule-Thomson-Ventil bereits mit vermindertem Druck und entsprechend reduzierter Temperatur zugeführt. Gemäß dem in F i g. 1 angedeuteten Ausführungsbeispiel wird dagegen das Helium mit einem Druck von mindestens !O5 Pa in den Vorraum 18 eingespeist, der von der Mischkammer 27 aber druckmäßig getrennt ist Von diesem Vorraum aus strömt das Helium über die Kühlmitteleinspeisungsleitung 20 radial nach außen in das Kühlmittelverteilersystem 21. Die Kühlmitteleinspeisungsleitung 20 ist hierbei als Wärmetauscher 39 ausgebildet so daß die durch die Druckerhöhung entstehende Kompressionswärme an aus der Mischkammer entnommenes kälteres Helium A2 abgeführt wird. Damit kann die ansonsten bei einer adiabatischen Kompression stattfindende Temperaturerhöhung des zugeführten Heliums weitgehend vermieden werden. Auf diese Weise kann der Unterdruck in der Mischkammer 27 auch ohne Joule-Thomson-Entspannung aufrechterhalten werden. Im Betriebszustand muß in den Thermosyphon-Schleifen eine feste Strömungsrichtung des Kühlmittels
durch die Wicklung gewährleistet sein. Falls nämlich das Kühlmittel nicht von außen nach innen durch die Wicklung strömt, können die bei transienten Vorgängen in den Supraleitern entstehenden Verluste zu einer zumindest zeitweisen Blockierung der Strömung durch die Erregerwicklung 12 und so zu Instabilitäten führen, die eine rasche Abführung der Verluste aus der Wicklung gefährden. Tritt nämlich das kältere Kühlmittel aus der Mischkammer 27 zunächst über die Kühlmittelrohre 25 in die Kühlkanäle 24 der Erregerwicklung 12 ein, d.h. durchläuft das Kühlmittel diese Kühlkanäle von innen nach außen, so wird es sich, soweit in der Wicklung Verluste auftreten, im allgemeinen bereits in den Kanälen erwärmen. Da das wärmere Kühlmittel aber zur Rotorachse 2 hin zurückzufließen bestrebt ist, kann es so zu einem Stillstand des Kühlmittelkreislaufes in der Wicklung kommen. Eine ausreichende Kühlung der Wicklungsteile ist dann nicht mehr gewährleistet. Aus diesem Grunde sind für die Kühleinrichtung gemäß der Erfindung besondere Gestaltungsmerkmale vorgesehen, aufgrund derer das aus der Mischkammer 27 entnommene, zunächst kalte Kühlmittel A\ stets erst in die Leitungen des Kühlmittelverteilersystems 21 gelangt und von dort aus dann in radialer Richtung nach innen durch die Erregerwicklung fließt. Diese Gestaltungsmerkmale betreffen die achsfernen Enden der Kühlmittelverbindungsleitungen 29. Diese Enden sind in F i g. 2 näher veranschaulicht.
In F i g. 2 ist ein Querschnitt durch den Rotor nach Fig. 1 dargestellt. Mit Fig. 1 übereinstimmende Teile sind in der Figur mit cLii gleichen Bezugszeichen versehen. Die Schnittebene ist in die in Fig. 1 mit H-II bezeichnete, radiale Ebene gelegt, in der mehrere Kühlmittelverbindungsleitungen 29 verlaufen. Das flüssige, kalte Kühlmittel A] soll in einer Thermosyphon-Schleife von der achsnahen Mischkammer 27 zunächst über diese Kühlmittelverbindungsleitungen 29 in das am Außenumfang der Erregerwicklung 12 befindliche Kühlmittelverteilersystem 21 eingeleitet werden, von dem in der Figur einige in achsenparalleler Richtung verlaufende Verteilerkanäle 44 ausgeführt sind. Dann soll das Kühlmittel an den äußeren Einlaßöffnungen 23 in die gestrichelt eingezeichneten Kühlkanäle 24 in den Nuten 11 eintreten und längs der Erregerwicklung 12 nach innen zum Nutengrund fließen und von dort aus über die Kühlmittelverteilerrohre 25 in die Mischkammer 27 zurückgelangen. Damit sich diese Strömungsrichtung in den Thermosyphon-Schleifen einstellt, ragen die äußeren Endstücke 46 der Kühlmittelverbindungsleitungen 29 über die achsnahen Bodenteile 47 der Kühlkanäle 44 radial um einen vorbestimmten Betrag nach außen. Diese Endstücke 46 sind an ihren äußeren Enden durch ein Abschirmelement 48 abgeschlossen und haben unterhalb ihres Abschlusses seitliche Austrittsöffnungen 49, durch die das Kühlmittel Ax in die Verteilerkanäle 44 eintreten kann. Die Endstücke 46 sind ferner vorteilhaft mit einem Mantel 50 aus einem thermisch gut isolierenden Material umgeben, um so das in ihnen zugeführte Helium A\ gegenüber dem Helium in den Verteilerkanälen 44 thermisch zu trennen. Der Mantel 50 stellt somit eine thermische Abschirmvorrichtung dar. Gegebenenfalls kann auch das ganze Endstück 46 aus einem entsprechenden Isoliennaterial bestehen. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß erst das aus den Öffnungen 49 bereits ausgetretene, kalte Kühlmittel durch die von wärmeren Teilen des Rotors ausgehende Wärme erwärmt wird und somit in Richtung der Einlaßöffnungen 23 an den Nuten 11 und nicht innerhalb der Verbindungsleitungen 29 radial nach innen strömt.
Eine weitere in Fig.2 dargestellte Methode zur Festlegung dieser Vorzugsrichtung der Strömung in den Thermosyphon-Schleifen besteht darin, daß die Endstücke 52 der Kühlmittelverbindungsleitungen 29 jeweils in ein thermisches Abschirmelement 53 münden, das topfartige Gestalt hat und aus einem thermisch schlecht leitenden Material besteht. Das Abschirmelement ist an der radial außenliegenden Innenwand 54 des Verteilerkanals 44 befestigt. Da das äußere Ende 55 des Endstücks 52 offen ist, tritt an ihm das kalte Helium A\ aus dem Endstück 52 aus. Das Abschirmelement 53 enthält ein über der öffnung 55 des Endstückes 52 angeordnetes, beispielsweise scheibenförmiges Bauteil 57, das über den Außenumfang der öffnung 55 hinausragt. Am Außenrand dieses scheibenförmigen Bauteils 57 ist vorteilhaft ein Hohlzylinder 58 aus demselben Material befestigt, der sich radial um eine vorbestimmte Länge- nach innen erstreckt und den äußeren Teil des Endstückes 52 umschließt. Das aus der öffnung 55 austretende kalte Kühlmittel A\ gelangt dann zunächst in einen ringförmigen, nach außen thermisch isolierten Raum 59 und wird dort bereits in eine radial nach innen gerichtete Strömungsrichtung gezwungen, ohne daß es von außen eingestrahlte Wärme aufnehmen kann. Nachdem das Kühlmittel am unteren Rand des topfförmigen Abschirmelementes 53 ausgetreten ist, verteilt es sich in den Verteilerkanälen 44 des Kühlmittelverteilersystems 21 und ersetzt das von dort in die Kühlkanäle 24 abfließende, erwärmte Helium. Die ringförmige öffnung dieses unteren Randes stellt dann die eigentliche Austrittsöffnung 60 für das kalte Kühlmittel dar. Zumindest bis zur Höhe dieses unteren Randes des Abschirmelementes 53 ist das Endstück 52 mit einem Mantel 61 aus thermisch gut isolierendem Material umgeben, um eine Erwärmung des in dem Endstück fließenden kalten Kühlmittels Ax durch wärmeres, in den Kühlkanälen 44 befindliches Kühlmittel zu verhindern. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht also die thermische Abschirmvorrichtung aus dem Abschirmelement 53 und dem Mantel 61.
Auf das hohlzylindrische Bauteil 58 des Abschirmelementes 53 kann gegebenenfalls verzichtet werden, wenn das scheibenförmige Bauteil 57 ausreichend groß ausgeführt wird und das Endstück 52 vollständig mit einem Mantel aus thermisch isolierendem Material umschlossen ist oder aus diesem Material besteht.
Das topfartige Abschirmelement 53 kann ferner auch
so an dem Endstück 52 befestigt sein. Für den Fall, daß dessen scheibenförmiges Bauteil 57 direkt an dem äußeren Ende des Endstückes 52 anliegen soll, sind seitliche Austrittsöffnungen für das Kühlmittel wie bei dem Endstück 46 vorzusehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung nach der Erfindung beträgt der radiale Abstand der Austrittsöffnungen 49 bzw. des unteren Randes 60 zur Rotorachse hin 40,5 cm. Er ist um 0,5 cm größer als der entsprechende Abstand des Bodenteiles 47 der Kühlmittelverteilerleitungen 44 und damit der Einlaßöffnungen 23 zur Achse hin. Die Temperaturerhöhung am Außenumfang der Wicklung 12 soll gegenüber der Temperatur des in den Endstücken 46 bzw. 52 befindlichen Heliums bei einem plötzlichen Erwärmungsvorgang, d. h. bei Veriusterzeugung, beispielsweise 0,5 K betragen. Es entsteht dann infolge von Dichteunterschieden entlang der Abstandsdifferenz zwischen den Austrittsöffnungen 49 bzw. 60 und den
Einlaßöffnungen 23 ein Pumpdruck, der die Strömung anfacht. Die Kühlkanäle haben jeweils eine Länge von 16 cm, eine Querschnittsfläche von 0,05 cm2 und einen hydraulischen Durchmesser von 0,167 cm. Es ergibt sich dann eine abführbare Wärme pro Kühlkanal von etwa 0,65 Watt. Ein 2000 MVA-Generator kann etwa 15 000
10
Windungskühlkanäle enthalten. Für die angesetzte Temperaturerhöhung von 0,5 K beträgt dann die gesamte abführbare Wärmeleistung etwa 10 kW. Eine von außen in das Kühlmittelverteilersystem eindringende Verlustleistung, beispielsweise bei Stoßkurzschlüssen oder Pendelvorgängen, liegt in dieser Größenordnung.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine mit einer supraleitenden Erregerwicklung und einer achsnahen, mitrotierenden Mischkammer, die ein Phasengemisch eines von außen zugeführten Kühlmittels enthält, und mit einem am Außenumfang der Erregerwicklung angeordneten Kühlmittelverteilersystem, und mit zwischen dem Kühlmittelverteilersystem und der Mischkammer durch die Wicklungsteile der Erregei wicklung verlaufenden Kühlkanälen sowie mit entsprechenden Kühlmittelverbindungsleitungen außerhalb der Wicklungsteile, wobei im Betriebszustand eine Strömung des Kühlmittels durch die Kühlkanäle aufgrund eines Selbstpump-Effektes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der an das Kühlmittelverteilersystem (21) angeschlossenen Kühlmittelverbindungsleitungen (29) jeweils ein in das Kühlmittelverteilersystem (21) hineinragendes Endstück (46; 52) haben, das gegenüber dem Kühlmittel in dem Kühlmittelverteilersystem (21) mittels einer Abschirmvorrichtung (Mantel 50; Abschirmelement 53, Mantel 61) thermisch isoliert ist und an dem mindestens eine Kühlmittelaustrittsöffnung (49; 60) vorgesehen ist, deren vorbestimmter Abstand zur Rotorachse (2) größer ist als. der Abstand der entsprechenden Kühlmitteleintrittsöffnungen (23) der an das Kühlmittelverteüersystem (21) angeschlossenen Kühlkanäle (24) durch die Wicklungsteile der Erregerwicklung (12).
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet daß die Abschirmvorrichtung einen das Endstück (46, 52) zumindest teilweise umschließenden Mantel (50; 61) enthält.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmvorrichtung ein Abschirmelement (48) enthält, das an dem Endstück (46) befestigt ist.
4. Kühleinrichtung nach Ansprucn 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmvorrichtung ein Abschirmelement (53) enthält das in einem vorbestimmten Abstand von dem Endstück (52) angeordnet ist.
5. Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement (53) ein flaches Bautei! (57) enthält dessen Außenrand seitlich über das Endstück (52) hinausragt
6. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß das Abschirmelement (53) nach innen offen nach Art eines Topfes ausgeführt ist, dessen hohlzylindrisches Seitenteil (58) das Endstück (52) in einem vorbestimmten Abstand umgibt.
7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (50; 61) und das Abschirmelement (53) aus einem thermisch gut isolierenden Material bestehen.
8. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (46) der Kühlmittelverbindungsleitung (29) mit seitlichen Austrittsöffnungen (49) versehen ist.
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