DE2915546C2 - Prüf- und Überwachungsvorrichtung für die Kühlmitteleinführungseinheit im Läufer einer kryogengekühlten elektrischen Maschine - Google Patents
Prüf- und Überwachungsvorrichtung für die Kühlmitteleinführungseinheit im Läufer einer kryogengekühlten elektrischen MaschineInfo
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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 (2)
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.
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