DE2849602C2 - Anordnung zur Kühlung des Läufers einer elektrischen Maschine mit einer supraleitenden Feldwicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kühlung des Läufers einer elektrischen Maschine,

J5 insbesondere eines Turbogenerators, mit einer supraleitenden Feldwicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist bereits durch die älteren Anmeldungen nach den DEOS 28 30 887 oder 28 30 852 bekannt. Um Instabilitäten der Strömung in den Thermosiphon-Innenschleifen zu verhindern und insbesondere eine definierte Strömungsrichtung in den Innenschleifen zu erzielen, ist bei der bekannten Anordnung vorgesehen, daß die radialen Eintrittsäste jeweils ein Endstück aufweisen, welches in das am Außenumfang der Feldwicklung angeordnete Kühlmitlelverteilersystem hineinragt und gegenüber dem umgebenden Kühlmittel mittels einer Abschirmvorrichtung thermisch isoliert ist. Das Endstück ist dabei mit

w mindestens einer Austrittsöffnung versehen, deren Abstand zur Rotorachse größer ist als der Abstand der entsprechenden Eintrittsöffnungen der radialen Austnttsäste. Durch die Abschirmvorrichtungen der Endstücke und durch die von außen einfließende Wärme

« wird das Kühlmittel im Kühlmittelverteilersystem außerhalb der Endstücke schneller erwärmt als innerhalb. Dadurch soll das wärmere Kühlmittel in Richtung der auf dem kleineren Radius liegenden äußeren öffnungen der radialen Austrittsäste fließen und durch kaltes Kühlmittel aus den radialen Eintrittsästen ersetzt werden. Somit wird durch die von außen einfließende Wärme eine Strömung in den Innenschleifen mit definierter Strömungsrichtung angefacht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe

f>5 zugrunde, die Anordnung zur Kühlung des Läufers einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß schon allein infolge der Rotation des Läufers und unabhängig von anderen Einflüssen eine

vorkalulierbare gerichtete Strömung in den Innenschleifen erzwungen wird.

Pie Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale,

Zur Lösung der gestellten Aufgabe geht die Erfindung also aus von einem Thermosiphon-Kühlsystem für einen Generatorläufer, insbesondere Turbogeneratorläufer mit supraleitender Feldwicklung, und zwar einem solchen, das eint Vielzahl von Thermosjphon-Schleifen aufweist, die jeweils entsprechenden Kühlkanalabschnitten der Feldwicklung zugeordnet sind. Ein Thermosiphoii-Kühlsystem gestattet die Ausnutzung der Rotation zur Absenkung der Kühlmitteltemperatur innerhalb des Läufers um ca. 1 K. Dieser Effekt wird nun derart ausgenutzt, daß in allen Thermosiphon-Schleifen des Kühlsystems eine definierte Strömungsrichtung des Kühlmittels, insbesondere Helium, erzwungen wird. Die gerichtete Heliumströmung stellt sich erfindungsgemäß zunächst infolge der Rotation des Läufers und unabhängig von anderen Einflüssen, wie z. B. den elektrischen Verlusten in der supraleitenden Feldwicklung ein. Wenn man eine supraleitende Feldwicklung eines Generatorläufers, insbesondere Turbogencratorläufers, mit flüssigem Helium über viele, die ganze Wicklung erschließende Thermosiphon-Schleifen kühlen will, so ist dabei eine definierte Strömungsrichtung in jeder der einzelnen Schleifen notwendig, um unerwünschte Störeffekte in benachbarten Schleifen — wie z. B. eine Gegenströmung, die im ungünstigsten Fall zum jo Strömungsstillstand und somit zum Kühlungsausfall an dieser Stelle führen kann — zu verhindern. Da die supraleitende Feldwicklung im Normalfall kaum nennenswerte elektrische Verluste aufweist — geringe Verluste von wenigen Watt entstehen an Leiterverbin- J¹J dungssteilen und an den Erregerstromzu- und -ablettungen —, ist das erzielte Ergebnis überraschend, daß bei dem erfindungsgemäßen Thermosiphon-Schleifen-Kühlsystem sich das Verhalten der Thermosiphon-Schleifen im rotierenden Läufer im voraus kalkulieren läßt. Die bereits beim Hochfahren des Läufers erzwungene Strömung in den Innenschleifen wird durch die von außen einfließende Wärme und durch im erregten Zustand aus der Feldwicklung abzuführende elektrische Verluste zusätzlich noch unterstützt. Aus diesem Verhalten resultiert ein selbstregulierender KühleffekL je höher die örtlich auftretenden Verluste sind, um so stärker wird die gerichtete Strömung in den Innenschleifen angefacht.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in w den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt in schematischer Darstellung unter Fortlassung der für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Teile:

Fig. 1 in einem Axialschnitt stark vereinfacht den Läufer eines Turbogenerators mit supraleitender Feldwicklung, wobei der größte Teil der unteren Hälfte — da gleichzeitig zur oberen Hälfte — fortgelassen ist, eo

F i g, 2 eine Ausschnittsvergrößerung des Läufers nach F ig. 1,

F i g. 2a den Schnitt IHa-IIIaaus F i g. 3,

F i g. 3 eine lediglich zu Erläuterungszwecken dienende, aber im übrigen im Rahmen der vorliegenden μ Erfindung ungeeignete Ausführung einer offenen Thermosiphon-Schleife anhand eines Läufer-Sektorenausschnittes.

Fig,4 ein zweites Ausfflhrungsbeispiel fqr die Thermasiphpn-SchJeifen mit im Querschnitt rechteekförmigen Mischkarnmer-Abschnitten in entsprechender Darstellung zu Fig,3, jedoch unter Fortlassung des gleieha-tig zu Fig,3 ausgebildeten äußeren Läuferballenbereiches,

F i g, 4a den Schnitt gemäß IV9-IV3 aus F ί g, 4,

F i g, 5 ein drittes Ausführungsbeispiel in entsprechender Darstellung zu F i g. 3a bzw, 4a mit axial orientierten Mischkammerabschnitten sektor- bzw. trapezförmigen Querschnitts, die über den Innenumfang des Läufers verteilt sind, und

F i g. 5a den Schnitt längs der Linie Va-Va, verkleinert

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung dient zur Kühlung des Läufers R eines Turbogenerators, dessen zentrale Längsachse mit 1 bezeichnet ist, wobei die Lager zur drehbaren Lagerung des* Läufers R der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. In nicht näher ersichtlichen Nuten des Innenteils 2.1 des Läuferballens 2 ist die supraleitende Feldwicklung 3 mit ihren Wicklungsleitern 3.1 eingelegt Der tssnenteil 2.1 des Läuferballens 2 mit Feldwicklung 3 wird umgeben von einem als Kupferzylinder ausgeführten Innendämpfer 4, und die Teile 2.1 und 3 werden fliehkraftsicher gehalten und umgeben von dem aus unmagnetischem Stahl bestehenden, zylindrischen Außenteil 2.2 des Läuferballens 2, wobei, wie bei 23 angedeutet, die hohlzylindrische Hülle Z2a des Außenteils X2 auf die scheibenförmigen Stirnteile 2.2b aufgeschrumpft sein kann. Die zu kühlenden rotierenden Teile des Läufers R sind in einem Vakuum angeordnet, um die Wärmeeinleitung von außen so klein wie möglich zu halten. Deshalb ist ein alle Läuferteile einschließendes mitrotierendes Vakuumgehäuse 5 vorgesehen, das durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist und aus dem zylindrischen Ballenteil 5a sov/ie den Wellenstumpf teilen 56 besteht Durch den Drehpfeil 6 ist angedeutet, daß der Läufer R rotiert, durch die übrigen Pfeile h ist die Strömungsrichtung des zur Kühlung des Läufers verwendeten Heliums veranschaulicht wobei die punktierten Bereiche die gasförmige und die gestrichelten Bereiche die flüssige Phase des Heliums darstellen sollen. Durch den stark ausgezogenen strichpunktierten in sich geschlossenen Linienzug 7 ist ein zwischen dem Läuferballen 2 und dem äußeren Vakuumgehäuse 5 vorgesehener Bäreich bezeichnet, welcher den Kälteschild und den Metallzylinder des Außendämpfers enthält Der Läuferballen 2 ist mit dem Kälteschild über weitgehend wärmeisolierende Stege 2.0 verbunden. Dargestellt in dem Linienzug 7 ist, da für das Verständnis der folgenden Ausführungen ausreichend, lediglich der äußere, axial orientierte Kanalzweig 6a einer Helium-Außenschleife 52, au^f die weiter unten noch eingegangen wird. Der Heliumanschlußkopf 9 weist eine Eintrittskammer 9.1 und eine Austrittsksmmer 9.2 auf, die gegeneinander und nach außen durch entsprechende Wellendichtungen 10 bzw. 11 abgedichtet sind. Von der Eintrittskammer 9.1 gelangt das Phasengemisch des überwiegend flüssigen Heliums durch den zentralen Kanal 12 des als Ganzes mit 13 bezeichneten Weltenschaftes und die Drossel 14 in die im Innern des Läuferballens 2 zentral gelegene und mitrotierende Mischkammer 13, die das Phasengemisch des von außen zugeführten Heliums aufnimmt, wobei sich die gasförmige Phase des Heliums innerhalb eines zenti&ien, koaxial um die Wellenachse 1 gelegenen Dampfraumes 16 absetzt und konzentrisch dazu sich ein gegen die Begrenzungswände 15a der

Mischkammer 15 geschleuderter Flüssigkeitsring 17 ausbildet. Dieser Ring 17 aus flüssigem Helium dient, wie weiter unten noch erläutert, zur Versorgung eines ersten Kühlmittelstrorhes zur Kühlung der Feldwicklung 3. wogegen ein zweiter Kühlmittelstrom (der von dem zumindest teilweise verdampften Helium zur Kühlung des Kälteschildes vorgesehen ist) über die Außenschleife 52, ausgehend vom zentralen Dampfraum 16, geführt ist. und zwar über radial orientierte Schleifenteile 8rl des linken Maschinenendes, über die schon erwähnten axial orientierten Schleifenteile Sa innerhalb des Kälte- und Dämpferschildes 7. über wiederum radial orientierte Schleifcnteile 8r2 am anderen Maschinenende zu einem koaxialen Wellenkanal Sb und von hier zur Heliumaustrittskammer 9.2. Die Austrittskammer 9.2 führt zu einem — nicht dargestellten — äußeren Kälte-Aggregat, von dem das rückgekühlte Helium im Kreislauf zurück /ur F.intrittskammer 9.1 des Hcliumanschlußkopfes 9 geleitet wird. Der über die Außenschleife 52 geführte Heliumstrom enthält vorwiegend die gasförmige Phase.

Der erste Kühlmittelstrom Hc I ist nun über eine Vielzahl von zueinander parallelgeschalteten, offenen Thermosiphon-Innenschleifen 511. 512. 513 ... usw.. als Ganzes mit 5 t bezeichnet, geführt und zwar über entsprechende als Ganzes mit k bezeichnete Kühlkanä-Ie der Wicklung, die wie folgt unterteilt sind:

Radial orientierte Zuleitkanäic mit radialen Kühlmittclsäulen k 1 und Ableitkanäle mit radialen Kühlmittelsäulen k 2 axial orientierte äußere Kühlkanäle Ar 3 sowie innere Nutengrundkanäle Ar 4, ferner der besseren Übersicht wegen nur für eine Thcrmosiphon-Inncnschleife 511 dargestellte radial orientierte Kühlkanäle k 21. welche vom äußeren Kühlkanal k 3 jeweils eine Abzweigung zum inneren Nutengnindkanal A4 bilden, wobei letzterer mit den radialen Kühlmittclsäulen Λ6 der '\ustrittsbohrungen kommuniziert, wogegen die radiale Kühlmittelsäufen Ar 5 der Eintrittsbohrungen nicht mit dem Nutengrundkanal A: 4 kommunizieren, sondern in Umfangsrichtung um ein kleines Stück verschoben sind und damit eine fluchtende Verlängerung der radialen Kühlmittelsäulen Ar 1 bilden. Dement-,,-,cchcr.d v.r.i z~ .VjGcrvjrr.isr.g der Fe'^wir-U.ina τ unterhalb des Dämpferzylinders 4 auch in Umfangsrichtung verlaufende, aus F i g. I nicht ersichtliche Kanaltei Ie vorgesehen, so daß am Außenumfang der Feldwicklung 3 ein die gesamte Feldwicklung mit Helium überflutendes Verteilersystem gebildet wird. Dementsprechend sind die Thermosiphon-Innenschleifen 51 mi! den radialen Kühlmittelsäulen k 5. Ar t der radialen F.intrittsäste und radialen Kühlmittelsäulen Ar 2. k 6 der radialen Austrh.säste über die aktive, d.h. bewickelte Länge / und den Umfang des Läufers R verteilt. Den einzigen Thermosiphon-Innenschleifen 51. d.h. 511. 512 ... 5 15 sind nun jeweils Mischkammer-Abschnitte V/ I. Λ/2- Af 5 zugeordnet.die. wie ersichtlich.entsprechend der Anordnung der Thermosiphon-innenschlcifc S I über die axiale Länge und — weil es Ringkammern ^l:nd — auch über den Innenumfang des Läufers R ■ t-'..ili vind Sie sind konzentrisch um die zentrale !..ingsdchsi; t der zugleich L-inen zentralen kuhlmittet-/utuhrunsskanui bildenden Mischkammer 15 herum .ingeordnct. leder der Mischkammer-Abschnitte AfI. \/2 usw.. allgemein M genannt, weist, wie ersichtlich. jeweils einen achsfernen Schleifeneintrittspunkt E und einen achsnahen Schleifenaustrittspnnkt A der jeweiligen Innenschleife 5 1 auf.

F ι g. 2 zeigt zusätzlich, daß die Ableitkanäle mit der radialen Kiihlmittelsäule Ar2 beidscits des in der jeweiligen Leiternut 2.4 angeordneten Spulenleiterpaketes 3.2 innerhalb der Leiternut 2.4 verlaufen und in den Nutengrundkanal A: 4 münden. Ferner ist ersichtlich, daß der radial auswärts weisende Zuleitkanal mit der radialen Kühlmittelsäulc A: I jeweils im Zahnbereich 2.5 verläuft. Der an der Grenzfläche des angeschleuderten Flüssigkeitsringes 17 zum Verdampfungsraum 16 hin sich ausbildende Flüssigkeitsspiegel ist (s. Fig. I und 2) mit 17.1 bezeichnet und in F i g. 2 durch kleine Pfeile h verdeutlicht, welche den Übergang von der flüssigen zur gasförmigen Phase des ausdampfenden Heliums an der Grenzfläche symbolisieren. Fig. I und 2 zeigen ferner, daß beim ersten Alisführungsbeispiel nach Fig. I bis 2a zur Bildung der Mischkammer-Absehnittc M die Zentralbohrung des Läufers R durch jeweils koaxial zur Ro'.orlängsachsc I angeordnete, im Axialschnitt sieh etwa konisch verjüngende Ringnuten erweitert ist. wobei der Schleifenaustrittspnnkt A jeweils im Axialbereich der größten und der Schicifeneinirittspunkt F jeweils im Axialbercich der kleinsten lichten Weite des betreffenden Mischkammer-Abschnitis M angeordnet ist. Insbesondere sind die Mischkammer-Absehnittc /V/ von im Axialschnitt trapezförmigen Ringnuten gebildet. Die Wirkungsweise ergibt sich wie folgt (Fig. I): Das Helium wird von dem externen Heliumspeicher mit ca. 4.4 K und 1.2 bar über die F.intrittskammer 9.1 des Helium-Anschltißkopfcs 9 über die zentrale Wellenbohrung Slides rotierenden Wcllcnschaftcs 13 und. mittels loule-Thomson-Fntspannung, über die Drosselstelle 14 dem konzentrischen Raum 15 des rotierenden Läufers zugeleitet, in welchem das He-Phasengcmisch infolge der Läuferrotation einen sich über die gesamte aktive Läuferlänge 1 erstreckenden angcsehleudcrten Flüssigkeitsring 17 bildet. Bei gleichförmiger Daucrlasl (Normalbetrieb) des Generators stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen der flüssigen Phase im Raum 17 und der gasförmigen Phase des Heliums im Raum 16 ein. so daß der Radius R 2 des F'lüssigkeitsspiegels 17.1 weitgehend als konstant angenommen werden kann. Der Radius R 3 der Auslaßbohrungen 18 der Mischkammer 15 ist etwa gleich dem Radius R2. so daß iiKnr'.icijcnH unsfnrmipfx. Helium aus dem Verdampfung! raum 16 in die Außenschleifc 52 und von hier zur Auslaßkammer 9.2 des I leliumanschlußkopfcs 9 gelangt, wobei — wie ersichtlich — die Außenschleifen überwiegend axial aufgrund der großen Länge ihrer Zweige 8;i orientiert sind und sich über den gesamten Maschinenumfang erstrecken, so daß eine effektive Kühlung des die supraleitende Wicklung 3 bzw. den Läuferballen 2 umschließenden Kälte- und Dämpferschirms 7 erzielt wird, welch letzterer die voi, außen einfließende Wärme, versinnbildlicht durch den Strömungspfeil Q. aufnimmt und verhindert, daß größere Wärmemengen in die Wicklung 3 eindringen können. Durch die Wärmeaufnahme wird das Helium im Kälte- und Dämpferschirm 7 stark erwärmt, wodurch sich bei Rotation infolge des Gewichtsunterschiedes der Heliumsäulen in den radialen Kanälen 8r I und 8r2 und infolge der radialen Lage des Hcliumaustrittskanals Sb (zugehöriger Radius R I) eine kräftige Pumpwirkung einstellt (Selbstpumpeffekl des Läufers R). Infolgedessen wird im konzentrischen Verdampfungsraum 16 ein Unterdruck von etwa 0.3 bis 0.4 bar er/eugt. wodurch die He-Temperatur am Ausdampfspiegel 17.1 auf ca. 3.2 bis 3.4 K absinkt. Dieser bekannte Selbstpumpeffekt führt alleine noch nicht zum Anfachen einer vorkaikulierbaien gerichteten Strömung innerhalb der Innen-

schleifen 51 der Feldwicklung 3.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei zunächst angenommen, daß gemäß F i g. 3 eine thermisch und geometrisch symmetrische Schleife Si' mit der Symmetrieachse 18, den radialen Kanalabschnittcn k Γ, Ar 2' und dem in Umfangsrichlung verlaufenden Kanalabschnitt ky vorliege. Die Schleife werde vom konzentrischen Innenraum 15 aus von dem durch Rotation angeschleuderten Flüssigkeitsring 17 des Heliums beaufschlagt. Über die radial äußere Oberfläche des Innendämpfers 4 sei die Schleife 5 Γ von einer gleichmäßig auf die Außenfläche des lnn.ividämpfers wirkende Wärmequelle Q' beheizt. Aufgrund der Symmetrie der beiden Schleifenhälften ist bei Rotation [to = const.) die Fliehkraft der Fliissigkeitssäulen in den beiden Kanalabschnittcn k\\ kl' auf beiden Seiten gleich groß. Obwohl in beiden Kanalabschnittcn k Γ. kl' Zirkulationsströmungen infolge radialer Temperaturunterschiede auftreten können, führen diese jedoch ihrem Eintritts- und in ihrem Austritlsbereich erreicht. Die Stärke der Helium-Verdampfung am Flüssigkeitsspiegel 17.1 ist eine Funktion des vom Läufer R selbst erzeugten Unterdruckes. Beim Anlauf vom Stillstand auf Betriebsdrehzahl ändert sich der Unterdruck quadratisch mit der Drehzahl. Im Betrieb wird der Unterdruck außerdem von den anfallenden Verlusten beeinflußt. Infolge des Verdampfungswärmeentzugcs aus der Oberflächenschicht des Helium-Spiegels werden kalte Heliumteile erzeugt, die eine Gewichtszunahme erfahren und dadurch eine radial nach außen gerichtete Strömung und den vorbeschriebenen Mechanismus der Thcrmosiphon-Schlcifcnströmung auslösen bzw. anfachen. Die Anfachung erfolgt bereits beim Anfahren des Läufers (notwendige Bedingung) und ist vorerst unabhängig von elektrischen F.inflüssen.

2. Die von außen über die Stege 2.0 (örtliche mechanische Anschlußstellen) und durch Strahlung in die Wicklung 3 eingeleitete Wärme wird weitgehend

vnnärhu nirhl ·ι\\ n'tnpr lfontiniliprlirhpn ^rhleifnnslrö- in alpirhniäUif auf flip Ohprflärhp ftps I üufprhallpnt O iirwl -■- - . -.. .- — ....... ....................... — . _σ. - . - - ό — ·■■ — - - — _.......... ..... ......._v._uu....,., .. ......

mung nach dem Thcrmosiphonprinzip. oder wenn, dann zufällig, wobei die Strömungsriehlung nicht von vornherein definiert ist.

Zurückkommend auf Fig. I bis 2a ist zur Anfachung einer gerichteten Schleifenströmung in den Innenschleifen 5 1 sowie zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Kühlung der supraleitenden Feldwicklung 3 auf die folgenden Bemessungen und F-'unktionsabläufc hinzuweisen:

1. Die Mischkammerabschniltc M 1. M1 usw. weisen eine solche axiale Länge U und eine solche radiale Höhe /;/ auf (.iehe insbesondere F i g. 2), daß in die Kühlmittclsäulen λ 5. /el mündende Fangtaschen für solche Kühlmittclanteile gebildet sind, welche relativ zur Durchschnittstemperalur der flüssigen Phase des Heliums kalter sind und durch Ausdampfen des Heliums am Flüssigkeitsspiegel 17.1 entstehen. Diese kälteren Kühlmittelanteile sind spezifisch schwerer als die wärmeren und durchmischen sich innig mit den in den Mischkammer-Abschnitten /VfI. 2, 3 ... vorhandenen wärmeren Kühlmittelteilen, weil auf sie größere Fliehkräfte wirken. Durch die Gestaltung der Fangtrichter ist den Kühlmittelsäulen Jt 5 ein beträchtlich groüerer Wirkungsbereich i_A, eier Ausdampiiiache zugeordnet als z.B. den Kühlmitteisäulen k6 mit At .> (U i> Ui)- Damit ergibt sich über den radialen Bereich /;/ in den Austrittsästen ein anderer He-Zustand als im Fangtrichter M 1, 2, 3 ... Durch Gewichtsunterschiede resultieren He-Druckunterschiede zwischen den Kühlmittelsäulen Ar 5. k 1 einerseits und den Kühlmitteisäulen k 2. k 6 andererseits der jeweiligen Innenschleife SI. Da Helium einen sehr kleinen Strömungswiderstand aufweist, genügt bereits eine sehr kleine Druckdifferenz, um eine gerichtete Strömung in den relativ kurzen Thermosiphon-Innenschleifen 51 der Wicklung 3 zu erzielen. Das relativ kältere Helium wird also vom : adial äußersten Punkt £ der jeweiligen Kammer MI, .V/2 über die Eintrittsäste mit den Kühlmitteisäulen Ar 5 und Ar 1 nach außen transportiert. Nach Durchströmen der Axialkanäle λ 3 wird das Helium umgelenkt und durch die Austrittsäste mit den Kühlmitteisäulen Jt 2 und A-6 radial nach innen in den konzentrischen Verdampfungsraum 17 zurückgeführt, wobei — wie erwähnt — die Schleifenaustrittspunkte A an der radial innersten Stelle der Kammerkonfiguration angeordnet sind. Die für eine gerichtete Helium-Schleifenströmung erforderliche Druckdifferenz wird also durch unterschiedliche geometrische Gestaltung der Mischkammerabschnitte M in damit der Wicklung 3 verteilt. Da die Wicklung 3 von einer Vielzahl Thcrmosiphon-Innenschleifen .SI durchzogen ist, wird damit auch eine große Anzahl dieser Innenschleifen zur Wärmeabfuhr herangezogen, wobei diese von außen zur Wicklung 3 gelangende Wärme einen Strömungsverstärkenden Effekt auf die Thcrmosiphon-Schlcifcnströmung ausübt. Die beim Hochfahren des Läufers erzwungene Thcrmosiphon-Schleifenströmung wird also durch die von außen einströmende Wärme unterstützt, die im übrigen vorwiegend den Bereich der Anschlußstellen 2.0 der Wicklung 3 beeinflußt. Die äußere Wärmequelle Q hai — wie anhand der F-" ig. 3 erläutert — auf eine strömungslosc Schleife keine Wirkung, wohl aber eine fördernde Wirkung auf eine gerichtete Sehleifcnströmung. Während nämlich der kalte, radial nach außen gerichtete Heliumstrom von der äußeren Wärmequelle praktisch nicht beeinflußt wird, erfährt der nach innen gerichtete Heliumstrom eine Wärmezufuhr und damit eine Reduktion seines spezifischen Gewichtes.

3. Ein dritter auf die Thermosiphon-Schleifenströmung wirkender strömungsverstärkender Effekt wird sinngemäß dadurch ausgeübt, daß im erregten Zustand der Wicklung 3 elektrische Verluste aDgeiunri werden müssen. Aus diesem Verhalten resultiert ein selbstreguliercnder Kühleffekt. Ie höher die örtlich auftretenden Verluste sind (Wärmenester), um so stärker wird die jeweilige Thermosiphon-Innenschlcife in ihrer vorgegebenen Fließrichtung unterstützt.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. 4a sind im Axialschnitt im wesentlichen rechtcckförmige Ringnuten für die Mischkammer-Abschnittc M'vorgesehen (ersichtlich sind die Mischkammer-Abschnitte Ml', My und teilweise /V/4'). Hierbei sind die Kühlmitteisäulen k 5 für die Schleifeneintritte von der radial außenliegenden Ringwand c 1 ausgehend durch den Ballen hindurch zur Wicklung geführt und die Kühlmitlelsäulen Ar 6 für die Schleifenaustrittspunkte A innerhalb von zwischen den einander jeweils axial benachbarten Mischkammer-Abschnitten M' stehenbleibenden Ringansätzen a 1 von der Wicklung kommend radial einwärts zum betreffenden Mischkammer-Abschnitt geführt. Im übrigen ist der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels so wie bei demjenigen nach F i g. 1 bis 2a.

Beim dritten Ausführungsbeispiel nach F i g. 5,5a sind im Radialschnitt im wesentlichen trapez- oder sektorförmige Axialnuten für die Mischkammer-Abschnitte

M" vorgesehen. Hierbei sind die Kanäle mit den radialen Kühlmittelsäulen £5 für die Schleifeneintrittspunkte £von der radial außenliegenden Querwand c2 durch den Ballen hindurch zur Wicklung geführt, und die Kanäle mit den radialen Kühlmittelsäulen k6 für die Schleifenaustrittspunkte A sind innerhalb von zwischen den einander jeweils radial benachbarten Mischkammer-Abschnil'cn M"stehenbleibenden Axialstegen al radial einwäns zu den betreffenden Mischkammer-Abschnitten M" bzw. dem Dampfraum 16 geführt. Die Kammerkonfiguration nach Fig. 5 und 5a, deren MischkammerAbschnittc man auch als Axial-Mischkammern bezeichnen könnte, ist besonders gut zur Kühlung der Feldwicklung 3 in ihrem Wickelkopfbereich geeignet, wo nicht näher dargestellte, in Unifangsrichtung verlaufende Querleiter der Wicklung 3 angeordnet sind. Hierbei werden also die Thermosiphon-lnnenschleifen von jeweils zwei in Umfangsrich- tung zueinander beabstandeten Eintritts- und Austrittsästen und einem in Umfangsrichtung verlaufenden (aus F i g. 5, 5a nicht ersichtlichen) Schleifenteil gebildet. Die in F i g. 4, 4a bzw. den F i g. I bis 2a dargestellten Mischkammerkonfigurationen sind insbesondere zur Kühlung des axialen Spulenbereiches der Feldwicklung 3 geeignet, so wie es aus F i g. I erkennbar ist.

Der aus Fig. 1 ersichtliche Kupferzylinder des Innendämpfers 4 sorgt neben seinen elektrischen Eigenschaften auch für eine gute axiale und tangentiale Verteilung der über die Anschlußstellen 2.0 einfließenden Wärme. Hierdurch wird eine Vielzahl von Thermosiphon-Inncnsehlcifen zur Kühlung herangezogen, wodurch örtliche lleißpunkte weitgehend unterdrückt werden. Daneben wirkt der innendämpfer 4 als elektrischer Dämpfer, der das Eindringen von Wechsr¹-feldern in den Bereich der supraleitenden Feldwicklung 3 verhindert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Anordnung zur Kühlung des Läufers einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, mit einer supraleitenden Feldwicklung, die von mindestens einem Kälteschild umgeben ist, und mit einer mitrotierenden Mischkammer, die ein Phasengemisch eines von außen zugeführten Kühlmittels, insbesondere Helium, enthält und von der aus eine Entnahme eines ersten Stromes flüssigen Kühlmittels zur Kühlung der Feldwicklung und eines zweiten Kühlmittelstromes mit zumindest teilweise verdampftem Kühlmittel zur Kühlung des Kälteschildes vorgesehen ist, bei der eine Rückführung des ersten Kühlmittelstromes in mehreren, zueinander parallelgeschalteten Thermosiphon-Innenschleifen durch die in entsprechende Kühlkanalabschnitte unterteilte fCühlkanäle der Leiter der Feldwicklung in die Mischkammer erfolgt, bei der diese Innenschleifen m'n fhren radialen Ein- und Austrittsästen über die Länge und dem Umfang des Läufers bzw. der Feldwicklung verteilt sind und bei der eine Rückführung des durch den Kälteschild geleiteten zweiten Kühlmittelstroms in einer Thermosiphon-Außenschleife aus der Maschine heraus erfolgt, wobei zur Förderung des Kühlmediums durch diese Innen- und Außenschleifen der Selbstpumpeffekt des rotierenden Läufers ausgenutzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß den Innenschleifen (S 1) jeweils Mischkammer-Abschnitte (Mi, M 2 ...M) solcher axialer Länge (U) und solcher radialer Höhe (Ih) zugeordnet sind, daß -.i die Eintrittsäste mündende Fangtaschen Dr durch Ausdampfen am Flüssigkeitsspiegel (17.1) entstt iende, relativ zur Durchschnittstemperatur der flüssigen Phase kältere Kühlmittelanteile gebildet sind und durch die Gewichts- und Druckunterschiede der radialen Kühlmittelsäulen (Jt 5, kl; kl, Jt6) der jeweiligen innenschleife (Si) eine gerichtete Thermosiphon-Schleifenströmung anfachbar ist, wobei die Mischkammer-Abschnitte (M) entsprechend den Thermosiphon-lnnenschleifen (Si) über die axiale Länge (I) und den Innenumfang des Läufers (R) verteilt und konzentrisch um die zentrale Längsachse (1) der Mischkammer (15) des Läufers herum angeordnet sind und wobei jeder Mischkammer-Abschnitt (M) mindestens einen achsfernen Schleifeneintrittspunkt (E) und mindestens einen achsnahen Schleifenaustrittspunkt (A) einer Thermosiphon-Innenschleife (51) aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dad zur Bildung der Mischkammer-Abschnitte (M) (15) des Läufers (R) durch jeweils koaxial zur Längsachse der Mischkammer (15) abgeordnete, im Axialschnitt sich etwa konisch verjüngende Ringnuten erweitert ist, wobei der Schleifenaustrittspunkt (A) im Axialbereich der größten und der Schleifeneintrittspunkt (E) im Axialbereich der kleinsten radialen Weite des Mischkammer-Abschnilts ^angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer-Abschnitte (M) von im Axialschnitt trapezförmigen Ringnuten gebildet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch im wesentlichen rechteckförmige Ringnuten für die Mischkammer-Abschnitte (M'), wobei die

Kanäle (kS) für die Schleifeneintritte (E) von der radial außenliegenden Ringwand (el) durch den Ballen hindurch zur Wicklung (3) und die Kanäle (It 6) für die Scbleifenaustriue (A) innerhalb von zwischen den einander jeweils axial benachbarten Mischkammer-Abschnitten (M') stehenbleibenden Ringatisätzen (31) von der Wicklung (3) kommend radial einwärts zum betreffenden Mischkammer-Abschnitt (M')geführt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch im Radialschnitt im wesentlichen trapez- oder sektorförmige Axialnuten für die Mischkammer-Abschnitte (M") (Axial-Mischkammern), wobei die Kanäle (JtS) für die Schleifeneintritte (E) von der radial außenliegenden Querwand (el) durch den Ballen hindurch zur Wicklung (3) und die Kanäle (k 6) für die Schleifenaustritte (A) innerhalb von zwischen den einander jeweils tangential benachbarten Mischkammer-Abschnitten (M") stehenbleibenden Axialstegen (a 2) radial einwärts zum betreffenden Mischkammer-Abschnitt (M") geführt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammern im axialen Spulenbereich des Läufers (R) als Ring-Mischkammern (M, M') in Achsrichtung aufeinander folgend und im Wickelkopfbereich als Axial-Mischkammern (M") in Umfaitgsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind.