DE2915546C2

DE2915546C2 - Prüf- und Überwachungsvorrichtung für die Kühlmitteleinführungseinheit im Läufer einer kryogengekühlten elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE2915546C2
Application number: DE2915546A
Authority: DE
Inventors: Iosif Filippovitsch Leningrad Filippov; Vladimir Nikolaevitsch Novosibirsk Ponedelko; Jury Stepanovitsch Novosibirsk Popov; Aleksandr Valentinovitsch Leningrad Schukovsky; Aleksandr Alekseevitsch Novosibirsk Vinokurov; Igor Leonidovitsch Moskau/Moskva Zotov
Original assignee: SP K BYURO ENERGOKHIMMASCH
Current assignee: SP K BYURO ENERGOKHIMMASCH
Priority date: 1978-04-27
Filing date: 1979-04-18
Publication date: 1986-07-03
Also published as: SU756552A1; FR2424654A1; JPS6147054B2; GB2021745A; DE2915546A1; US4250744A; FR2424654B1; GB2021745B; JPS54152105A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Prüf- und Überwachungsvorrichtung für die Kühlmitteleinführungseinheit (Heliumkupplung) im Läufer einer kryogengekühlten elektrischen Maschine, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.

Die gattungsgemäße Prüf- und Überwachungsvorrichtung stellt ein Modell einer kryogengekühlten elektrischen Maschine dar und enthält alle Grundelemente einer solchen Maschine (vgl. S. 6, rechte Spalte, Abs. 2 des Konferenzberichts von P. A. Rios, B. B. Gamble, E. T. Laskaris: »Development of Coolant Circuit for Rotors of Superconducting Generators«, Conference on Technical Applications of Superconductivity. Alushta. UdSSR. 16. bis 19. Septemper 1975;. Sie ist daher verhältnismäßig kompliziert aufgebaut. Kompliziert ist auch die konstruktive Ausführung der Kühitnittelabführungseinheit Zur Abführung des Kühlmittels aus der innerhalb des Wärmeschildes untergebrachten Kühlmittelsammelkammer sind Kanäle vorgesehen, die innerhalb der Welle angeordnet sind. Der Zustand des Kühlmittels in der Kühlmittelsammelkammer wird nach dem Anteil seiner flüssigen Phase beurteilt, wozu am Modell eine Stromabnahmevorrichtung angebracht werden muß. Dies ist konstruktiv verhältnismäßig kompliziert, weil das eine Ende des Läufers mit dem Antrieb verbunden ist und am anderen Ende die Kühhnitteleinführungseinheit angeordnet und Kanäle zur Kühlmittelabfuhr aus der Kühlmittelsammelkammer ausgebildet sind.

Eine ähnliche Anordnung der Kühlmitteleinführungseinheit ist aus der US 40 82 967 bekannt, wobei ein unbewegliches Rohr zur Zufuhr von flüssigem Helium vorgesehen ist, das in ein drehbares zentrales Zuführungsrohr mündet, das mit einem Paar radialer Rohre mit offenen, für die / oleitung des Kühlmittels bestimmten Enden abschließt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prüf- und Überwachungsvorrichtung für die Kühlmitteleinführungseinheit im Läufer einer kryogengekühlten elektrischen Maschine zu schaffen, deren konstruktive Ausführung eine leichtere und einfache Messung des Verhältnisses von flüssiger zu gasförmiger Phase des Kühlmittels am Ausgang der Kühlmitteleinführungseinheil ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der galtungsgcmäßen Prüf- und Überwachungsvorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dabei gilt es aus der nachveröffentlichten DE-OS 28 03 229 als bekannt, die Kühlmitteleinführungscinheil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mil einem unbeweglichen und einem beweglichen Teil auszuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht auf die Prüfung und Überwachung solcher Kühlmitteleinführungseinheiten beschränkt.

Die erfindungsgp.mäße Vorrichtung ermöglicht es, das Verhältnis von flüssiger zu gasförmiger Phase am Ausgang der Kühlmitteleinführungseinheit einer kryogengekühlten elektrischen Maschine leicht und genau Zd bestimmen und die optimale Bauart der Einführungv einheit und deren Betriebszustäncle vor ihrem Einbau in die Maschine zu wählen, was eine rationellere und wirkungsvollere Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung der Elektromaschine begünstigt. Die Vorrichiung ist einfach bedienbar und hat einen im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen geringeren Preis.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Prüf- und Überwachungsvorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. F.s zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt einer Prüf- und Überwachungsvorrichtung für die Kühlmitteleinführungscinheit einer kryogengekühlten elektrischen Maschine und

Fig. 2den Schnitt U-Il in Fig. I.

Die Prüf- und Überwachungsvorrichtung enthüll einen Hohlläufer 1 (Fig. 1),der hermetisch abgedichiiM ist

und Mittel zur Aufrechterhaltung der Kryotemperatur in seinem Innern aufweist. Der Hohlläufer 1 ist in Lagern 2 montiert. Innerhalb des Hohlläufers 1 ist koaxial mit diesem von dem einen Ende die zu prüfende Kühlmilteleinführungseinheit 3 einer elektrischen Maschine angeordnet, die aus einem unbeweglichen Teil besteht, der aus koaxial und mit einem Spiel angeordneten Rohren — einem Mittenrohr 4 und einem dieses umfassenden Rohr 5 — ausgeführt ist. Die Kühlmitteleinführungseinheit 3 hat einen starr mit dem Hohlläufer 1 verbundenen beweglichen Teil, der sich aus einem dünnwandigen Rohr 6, dessen DurchmeEser dem des Rohres 5 gleich ist einem Wellrohr 7, einer Aufnahmekammer 8. einer Nadel 9, Kanälen tO zur Kühlmittelzufuhr an die supraleitende Erregerwicklung der Maschine, die an einem Tragelement 11 schraubenlinienförmig angeordnet sind, zusammensetzt. Das Mittenrohr 4 des unbeweglichen Teils der Kühlmitteleinführungseinheit 3 ist vakuumisoliert ausgeführt und mit Hilfe einer kryogenen Rohrleitung 12, die ein biegsames Glied 13 aufweist, durch das eine Ende mit einem Köhlmitteizufuhrbehälter 14 verbunden, der ein Dewarsches Gefäl darstellt Als Kühlmittel wird flüssiges Helium mit einer Temperatur von 4/K verwendet Durch das andere Ende ist das Mittenrohr 4 mit der Aufnahmekammer 8 der Kühlmitteleinführungseinheit 3 verbunden. Das dünnwandige Rohr 6, das Wellrohr 7 und ein Teil der Aufnahmekammer 8 umfassen das Mittenrohr 4, wobei dadurch ein gleichmäßiger Ringspalt gebildet wird. Im Spielraum zwischen dem Rohr 5 und der Wand des Hohlläufers 1 ist eine auf bekannte Weise ausgeführte Dichtung 15 zur Verhütung eines Entweichens von gasförmigem Helium vorgesehen. Die Kühlmitteleinführungseinheit 3 mündet in die Kühlmittelsammeikammer 16, die an einem Ende mit dem Tragelement 11 und den Kanälen 10 starr verbunden ist.

An dem anderen Ende des Hohlläufers 1 ist eine Kühlmittclabführungseinheit 17 angeordnet, die einen unbeweglichen Teil, der aus längs der Läuferachse koaxial und mu einem Spiel angeordneten Rohren 18 und 19 ausgeführt ist, und einen beweglichen Teil enthält, der ein dünnwandiges Rohr 20 und ein Wellrohr 21 aufweist. Alle diese Elemente der Kühlmittelabführungseinheit 17 sind ebenso wie in der Kühlmitteleinführungseinheit 3 ausgeführt Der bewegliche Teil der Kühlmittelabführungseinheit 17 ist mit Hilfe des dünnwandigen Rohres 20 durch das eine Ende mit den Wänden des Hohlläufers 1. durch das andere Ende über einen Hals 22 mit der Kühlmittelsammeikammer 16 verbunden. Das Mittenroiir 58 des unbeweglichen Teils der Kühlmittelabführungseinheit 17 steht mit Hilfe einer kryogenen Rohrleitung 23, die ein biegsames Glied 24 aufweist, durch das eine Ende mit einem Kühlmittelaufnahmebehäller 25, der ein Dewarsches Gefäß darstellt, in Verbindung. Das andere Ende des Mittenrohres 18 ist innerhalb der Kühlmittelsammeikammer 16 angeordnet. An diesem ist ein Entnahmeelement 26 zur stoßfreien Aufnahme der umlaufenden Flüssigkeit in das unbewegliche Mittenrohr 18 angebracht. Zwischen dem Rohr 19 des unbeweglichen Teils der Kühlmittelabführungseinheit 17 und der Wand des Hohlläufers 1 ist eine der Dichtung 15 ähnliche Dichtung 27 vorgesehen.

Zur Aufrcchterhaltung der Kryotemperatur innerhalb des Läufers wird sein Hohlraum bis zu einem Druck von etwa 1,3 · 10~^J Pa evakuiert. Dazu weist der Läufer 1 zwei Evakuierventile 28 auf. Zur Verminderung der Wärmeabstrairiung sind die Rohre 6, 20, die Aufnühmckainmer 8, das Tragelement 11 mit den Kanälen 10, die Kühlmittelsammelkammer 16, der Hals 22 mit Superisolation z. B. in Form eines (nicht dargestellten) dünnen, in einigen Schichten gelegten Moirefilmes überzogen.

Der bewegliche Teil der Kühlmitteleinführungseinheit 3 ist innerhalb des Hohlläufers 1 mit Hilfe von wenig wärmeleitenden Stützen 29 fixiert

Von beiden Enden ist der Hohlläufer 1 von Vakuumgehäusen 30 und 31 umfaßt, innerhalb derer sich wenigstens zwei Kammern zum Ableiten des gasförmigen Kühlmittels befinden. Die Vorrichtung weist vier solche Kammern auf. An dem einen Ende weist das Vakuumgehäuse 30 aneinander anstoßende Kammern 32 und 33 auf. Ober einen durch das Mittenrohr 4 mit dem Rohr 5, das dünnwandige Rohr 6, das Wellrohr 7 und einen Teil der Aufnahmekammer 8 gebildeten Ringspalt ist die Kammer 32 unmittelbar mit der Aufnahmekammer 8 verbunden. Die Kammer 33 ist zum Sammeln von Leckgas durch die Dichtung 15 bestimmt und ebenfalls über die betreffende Dichtung 15 und eirrri durch die Rohre 4,6, das Wellrohr 7 und einen Teil eier Kammer 8 gebildeten Spielraum mit der Aufnahmekammer 8 der Kühlmitteleinführungseinheit 3 verbunden. An dem anderen Ende des Läufers 1 weist das Vakuumgehäuse 3« Kammern 34 und 35 auf, die den Kammern 32 und 33 ähnlich sind. Über einen durch das Mittenrohr 18 mit dem Rohr 19, das dünnwandige Rohr 20, das Wellrohr 21 und den Hals 22 gebildeten Ringspalt steht die Kammer 34 mit der Kühlmittelsammelkammer 26 in Verbindung. Die Kammer 35 ist zum Sammeln von Leckgas durch die Dichtung 27 bestimmt und auch durch die Dichtung 27 und den erwähnten Ringspalt mit der Kühlmittelsammelkammer 26 verbunden. Zwischen den Kammern 33, 35 und den Enden des Hohlläufers 1 sind jeweils Dichtungen 36 und 37 angeordnet, die zur Verhütung von Leckagen des gasförmigen Heliums in die Umwelt bestimmt sind.

Die Vakuumgehäuse 30 und 31 sind zur genauen Ermittlung der Wärmemenge notwendig, die zum flüssigen Kühlmittel eindringt. Da ein Wärmeaustausch der vor, den Vakuumgehäusen 30 und 31 umfaßten Teile des Läufers 1 mit der Umwelt ausgeschlossen ist, dringt die Wärme nur über Wärmebrücken ein und läßt sich in Kenntnis der Temperatur an den Enden der Wärmebrücken leicht bestimmen.

Die Vakuumgehäuse 30 und 31 sind jeweils mit Stutzen 38 und 39 mit Ventilen 40 zum Anschluß an (nicht dargestellte) Vakuumpumpen versehen. Die Kammern 32,33,34,35 sowie der Kühlmittelzufuhrbehälter 14 und der Kühlmittelaufnahmebehälter 25 sind mit Stutzen 41, 42, 43, 44, 45 bzw. 45 mit Ventilen 47 versehen, deren jedes an ein entsprechendes Gerät zur Mengen-, Druck-, Temperaturmessung des gasförmigen Kühlmittels angeschlossen ist (nicht dargestellt).

Zur Mengenmessung des flüssigen Kühlmittels sind der Kühlmittelzufuhrbehälter 14 und de.· Kühlmittelauf nahmebehälter 25 jeweils mit einer entsprechenden Einrichtung zur Mengenmessung des Kühlmittels verbunden. Als Einrichtung zur Mengenmessung des Kühlmittels kann eine Waage 48 verwendet werden. Es ist auch möglich, die Menge des flüssigen Kühlmittels nach dem Volumenverfahren zu messen.

Der Hohlläufer 1 wird von einem Elektromotor 49 mit Drehzahlregelung mit Hilfe eines Keilriementriebs 50 angetrieben.

Die Bewegungsrichtung des Kühlmittels ist in F i g. 1 mit Pfeilen angedeutet.

Fig. 2 zeigt das Entnahmeelement 26, das in Form

eines gekrümmten Stutzens ausgeführt ist, dessen Eintrittsöffnung sich in der unmittelbaren Nähe von der Wand der Kühlmittelsammeikammer 16 befindet und entgegen der Drehrichtung des Hohlläufers 1 gewandt ist. Die Drehrichtung des Hohlläufers 1 ist in F i g. 2 mit einem Pfeil bezeichnet.

Der Zustand des Kühlmittels am Ausgang der Kühlmitteleinführungseinheit 3 wird wie folgt überwacht:

Das Kühlmittel — flüssiges Helium bei 4,2° K — wird aus dem Kühlmittelzufuhrbehälter 14(Fi g. 1) durch die to kryogene Rohrleitung 12 und das Mittenrohr 4 der Kühlmitteleinführungseinheit 3 der umlaufenden Aufnahmekammer 8 zugeführt, wo es von der Nadel 9 verwirbelt und gegen die Wände der Kammer 8 geschleudert wird. In der umlaufenden Aufnahmekammer 8 findet die Phasentrennung des Kühlmittels statt: unter dem Einfluß der Fliehkraft bildet die Flüssigphase eine Ringschicht an den Wänden der Kammer 8, und das durch Verdunstung entstandene gasförmige Kühlmittel füllt den zentralen Teil der Kammer 8. Das flüssige Kühlmittel wird durch die Kanäle 10 der Kühlmittelsammelkammer 16 zugeführt, und das gasförmige Kühlmittel strömt durch den Spielraum zwischen dem Mittenrohr 4 und dem Wellrohr 7, dem dünnwandigen Rohr 6, dem Rohr 5 in die Kühlmittelabführungskammer 32 ein. von wo es durch den Stutzen 41 dem Meßgerät 47 zugeführt wird. Dem Eindringen der Wärme zum flüssigen Kühlmittel durch das dünnwandige Rohr 6 und das Mittenrohr 4 wirkt der gasförmige Kühlmittelstrom im Ringspalt entgegen. Das durch die Dichtung 15 durchgedrungene Kühlmittel gelangt in die Kammer 33 und wird durch den Stutzen 42 ebenfalls dem Meßgerät zugeführt.

Nach dem Durchströmen durch die Kühlmitteleinführungseinheit 3 gelangt das flüssige Kühlmittel in die js Kuhimitteisamnieikammer 16, wo es ebenfalls in eine flüssige und eine gasförmige Phase getrennt wird. Das gasförmige Kühlmittel strömt durch den entsprechenden Ringspalt in die Kammer 34 zum Ableiten des gasförmigen Kühlmittels und die Kammer 35 ein, von wo es durch die Stutzen 43 und 44 den jeweiligen Meßgeräten zugeführt wird. Das flüssige Kühlmittel bildet eine umlaufende Ringschicht in der Kühlmittelsammelkammer 16, wird von dem Entnahmeelement 26 (F i g. 1, 2), dessen Eintrittsöffnung entgegen dem auflaufenden Kühlmittelstrom gerichtet ist. mitgerissen und dem Mittenrohr 18(Fi g. l)der Kühlmittelabführungseinheit 17 und durch die kryogene Rohrleitung 23 dem Kühlmitteiaufnahmebehälter 25 zugeführt. Die Flüssigkeitsbewegung in der Hauptleitung — Mittenrohr 18 — kryogene Rohrleitung 23 — erfolgt durch das Druckgefälle in der Kühlmittelsammelkammer 16 und dem Kühlmittelaufnahmebehälter 25 und die Ausnutzung des Staudrucks des umlaufenden Kühlmittelstromes in der Kammer 16 mit Hilfe des Entnahmeeiementes 26. Der Flüssigkeitsdruck wird in der Kühlmittelsammelkammer 16 durch die Fliehkraft erzeugt.

Die konstruktive Ausführung der Kühlmittelabführungseinheit 17 ermöglicht es, die gasförmige und flüssige Phase des Kühlmittels zur Bestimmung ihres Mengenverhältnisses am Ausgang der Kühlmitteleinführungseinheit 3 getrennt abzuführen. Die Menge des flüssigen Kühlmittels in dem Kühlmittelzufuhrbehälter 14 und dem Kühimitteiaufnahmebehäiter 25 wird mit Hilfe der Waage 48 bestimmt. Die Menge des bei der Verdunstung entstehenden gasförmigen Kühlmittels in der Kühlmittelsammelkammer 16. der Aufnahmekammer 8, den Behältern 14 und 25 wird mit Hilfe entsprechender Geräte, /.. B. Gaszähler, die an die Stutzen 41,42,43, 44, 45,46 angeschlossen sind, gemessen.

In Kenntnis dieser Größen sowie durch die Temperaturmessung z. B. mit Hilfe von (nicht dargestellten) Thermoelementen an den unbeweglichen Elementen der Einrichtung lassen sich die Vorgänge erfassen, die sich in der Kühlmitteleinführungscinheit 3 einer elektrischen Maschine abspielen. Durch Druckänderung in den Kühlmittelabführungskammcrn 32 und 34, dem Kühlmittelzufuhrbehälter 14 und Kühlmiitcluufnahmcbehälter 25, durch Änderung der Drehzahl des Hohlläufers 1 lassen sich verschiedene Betriebszustände der zu prüfenden Kühlmitteleinführungseinheit 3 einer kryogengekühlten elektrischen Maschine nachbilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Prüf- und Überwachungsvorrichtung für die Kühlmitteleinführungseinheit (Heliumkupplung) im Läufer einer kryogengekühlten elektrischen Maschine, wobei die Kühlmitteleinführungseinheit (3) für das flüssige Kühlmittel einen unbeweglichen Teil und einen beweglichen, mit dem Läufer der elektrischen Maschine starr verbundenen Teil aufweist, die in Form von zwei koaxial und mit einem Spiel angeordneten Rohren (4, 5) ausgebildet sind, wobei die Prüf- und Überwachungsvorrichtung aus einem drehbaren Hohlläufer (1) besteht, in dem die Kryotemperatur aufrechterhalten wird und innerhalb dessen an einem Ende gleichachsig mit dem Läufer die Kühlmitteleinführungseinheit (3) angeordnet ist, deren unbeweglicher Teil mit einem Kühlmittelzufuhrbehälter (14) und deren beweglicher Teil mit einer innerhalb des Hohiiäufers (i) befindlichen Kühlmittelsammelkammer (16) und einer Kühlmittelabführungseinheit (17) für das flüssige Kühlmittel in einen Kühlmittelaufnahmebehälter (25) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelabführungseinhfiit (17) an dem anderen Ende des Hohlläufers (1) angeordnet und mit einem beweglichen Teil, der mit dem Hohlläufer (1) starr verbunden ist, und einem unbeweglichen Teil in Form von zwei koaxial und mit einem Spiel gegeneinander an^'sordneten Rohren (18, 19) ausgeführt ist, wobei das Ende des Mitter>^rohres (18) sich innerhalb der Kühlmittelsammelkammer (16) befindet, und sich an diesem ein Entnahrr-eelement (26) befindet, welches in den achsfernen feil der Kühlmittelsammeikarnmer (16) reicht, wobei zwei in Vakuumgehäusen (30, 31) untergebrachte Kammern (32, 34) zur Abführung von gasförmig gewordenem Kühlmittel vorgesehen sind, die an beiden Enden des Hohlläufers (1) angeordnet sind, von denen die eine durch den Spielraum zwischen den Rohren (4,5) des unbeweglichen Teils der Kühlmitteleinführungseinheit (3) mit dem beweglichen Teil der Kühlmitteleinführungseinheit (3) und die andere durch den Spielraum zwischen den Rohren (18, 19) des unbeweglichen Teils der Kühlmittelabführungseinheit (17) mit der Kühlmittelsammelkammer (16) in Verbindung steht und wobei der Kühlmittelzufuhrbehälter (14) und der Kühlmittelaufnahmebehälter (25) jeweils mit einer Einrichtung (48) zur Mengenmessung des flüssigen Kühlmittels versehen sind.

2. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entnahmeelement (26) in Form eines gekrümmten Stutzens ausgeführt ist, dessen Eintrittsöffnung entgegen dem Kühlmittelstrom gewandt, ist.