DE2923496A1 - METHOD AND DEVICE FOR REFILLING HELIUM INTO THE ROTOR OF A SUPRAL-CONDUCTING GENERATOR - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR REFILLING HELIUM INTO THE ROTOR OF A SUPRAL-CONDUCTING GENERATOR

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Description

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KERNFORSCHUNGSZENTRUM Karlsruhe, den 25.Mai 1979 KARLSRUHE GMBH PLA 79 24 Ga/strNUCLEAR RESEARCH CENTER Karlsruhe, May 25, 1979 KARLSRUHE GMBH PLA 79 24 Ga / str

Verfahren und Einrichtung zum Nachfüllen von Helium in den Rotor eines supraleitenden GeneratorsMethod and device for refilling helium into the rotor of a superconducting generator

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Beschreibung:Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Nachfüllen von flüssigem Helium aus einem unter Umgebungsdruck stehenden Helium-Vorratsbehälter in ein bei Unterdruck siedendes Heliumbad des Rotors eines supraleitenden Generators, wobei ein Teil des Heliums bei der Überführung in Dampfphase übergeht und die flüssige Phase im Abstand zur Rotationsachse in das Heliumbad eingespeist wird.The invention relates to a method and a device for refilling liquid helium from an under ambient pressure standing helium storage container in a helium bath of the rotor of a superconducting generator boiling at negative pressure, whereby a part of the helium changes into the vapor phase during the conversion and the liquid phase at a distance from the axis of rotation is fed into the helium bath.

Zur Erzielung hoher Zuverlässigkeit beim Betrieb elektrischer Maschinen mit rotierender supra]ei bender Erregerwicklung erscheint es erforderlich, die Einspeisung des flüssigen Heliums so vorzunehmen, daß ein ungestörter Betrieb auch bei einer Störung an der Kälteanlage gewährleistet ist. Diese "Entkopplung" der elektrischen Maschine von der Kälteanlage wird in einfacher Weise durch einen zwischengeschalteten Vorratsbehälter für flüssiges Helium gewährleistet. Der Druck in diesem Vorratsbehälter liegt zweckmäßigerweise bei Atmosphärendruck oder -zur Vermeidung von Verunreinigung des flüssigen Heliumsaus der ungebundenen Atmosphäre - bei geringem Überdruck.To achieve high reliability in the operation of electrical machines with rotating supra] ei bender excitation winding appears it is necessary to supply the liquid helium in such a way that an undisturbed operation even in the event of a malfunction is guaranteed at the refrigeration system. This "decoupling" the electrical machine from the refrigeration system is easily handled by an intermediate storage tank for liquid Helium guaranteed. The pressure in this storage container is expediently at atmospheric pressure or to avoid it of contamination of the liquid helium from the unbound atmosphere - at low overpressure.

Die supraleitende Rotorwicklung wird - zur Erzielung einer hohen Stromdichte - zweckmäßigerweise mit Helium gekühlt, das unter vermindertem Druck von einigen Zehntel bar siedet und somit eine Siedetemperatur von T<4.2. K hat. Dieser Unterdruck im Rotor kann in einfacher Weise durch zweckmäßige Führung des Abgasstromes aufrechterhalten werden (das Abgas verläßt nach Aufnahme der Verlustwärme den Rotor bei Umgehungsdruck. Zusätzliche Pumpen sind zur Erzielung eines Unterdrucks im kalten Teil des Rotors nicht erforderlich).To achieve a high current density, the superconducting rotor winding is expediently cooled with helium, which is below boils under reduced pressure of a few tenths of a bar and thus a boiling temperature of T <4.2. K has. This negative pressure in the rotor can be maintained in a simple manner by appropriate guidance of the exhaust gas flow (the exhaust gas leaves after Absorption of heat loss by the rotor at bypass pressure. Additional Pumps are not required to achieve a negative pressure in the cold part of the rotor).

Es ist bereits vorgeschlagen worden (A.Bej an, "Improved Thermal Design of the Cryogenic Cooling System for a Superconducting Synchroneous Generator", Thesis, MIT (1974) rUS-PS 4.o56..745)It has already been suggested (A.Bej an, "Improved Thermal Design of the Cryogenic Cooling System for a Superconducting Synchroneous Generator ", Thesis, MIT (1974) rUS-PS 4.o56..745)

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das ankommende Helium durch ein Drosselventil auf den im Rotor vorliegenden Unterdruck zu entspannen (Joule-Thomson-Entspannung) . Das Ventil muß entsprechend dem im Rotor benötigten Heliumstrom aktiv geregelt werden.to relax the incoming helium through a throttle valve to the negative pressure present in the rotor (Joule-Thomson relaxation) . The valve must be actively regulated according to the helium flow required in the rotor.

Bei anderen Vorschlägen (US-PS 4,o85,529 und 4,o82,967) wird davon ausgegangen, daß das in den Rotor einströmende Helium infolge der thermischen Verluste in der Transferleitung einen relativ großen Gasanteil hat. Die rotierende Einspeiseleitung wird so ausgebildet, daß sich - zumindest in dem radial verlaufenden Teil der Einspeiseleitung - Flüssigkeit und Gas räumlich trennen. Der Druckverlauf in dieser Leitung ist durch die rotationsbedingte Kompression des Dampfes gegeben. Diese Leitung mündet an der Stelle in die bei Unterdruck siedende Flüssigkeit, wo deren hydraulischer Druck gleich dem in der Darrpfsäule ist. Dieses Nachfüllsystem ist selbstregelnd, solange der Dampfanteil nicht zu gering wird. Um auch bei großem Heliumstrom sicheren Betrieb zu gewährleisten, wird erwogen, durch eine Heizung in der Transferleitung bei Bedarf den erforderlichen Dampfanteil zu erzeugen.In other proposals (US-PS 4, o85,529 and 4, o82,967) assumed that the helium flowing into the rotor as a result of the thermal losses in the transfer line has a relatively large proportion of gas. The rotating feed line is designed so that - at least in the radially extending Part of the feed line - spatially separate liquid and gas. The pressure curve in this line is through the rotation-related compression of the steam given. This line ends at the point in the liquid boiling under negative pressure, where their hydraulic pressure is the same as that in the column of intestines. This refill system is self-regulating as long as the The proportion of steam is not too low. In order to ensure safe operation even with a large helium flow, consideration is given to by a heater in the transfer line to generate the required proportion of steam if required.

Ein anderes Verfahren ist in "Cryogenics 17,429 (1977) beschrieben. Hierbei wird eine Flüssigkeit durch eine radiale Einspeiseleitung eingeführt und an der Stelle in das bei Unterdruck siedende Helium eingespeist, wo gleiche hydraulische Drücke VQrliegen. Der Radius, bei dem die Einspeisung erfolgt, ist größer als bei Einspeisung eines Dampf-Flüssigkeitsgemisches. Bei einem 5o-Hz-Rotor muß er z.B. größer als ο,33 m sein. Ein weiterer Nachteil ist, daß durch die radiale Einspeiseleitung nur reine Flüssigkeit gefördert wird.Another method is described in "Cryogenics 17,429 (1977). In this case, a liquid is introduced through a radial feed line and at the point in the underpressure Boiling helium is fed in, where the hydraulic pressures are equal. The radius at which the feed takes place, is greater than when a vapor-liquid mixture is fed in. For a 50 Hz rotor, it must be greater than ο.33 m, for example. Another disadvantage is that only pure liquid is conveyed through the radial feed line.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Nachfüllverfahren und Einrichtungen hierzu zu bieten, die eine Nachfüllung eines unter vermindertem Druck siedenden rotierenden Heliumbades unabhängig vom Dampfteil des einzuspeisenden Heliums und auch unabhängig von der Größe des zu versorgenden Rotors ermöglichen.The object on which the invention is based is to provide a refilling method and devices for this purpose which have a Refilling of a rotating helium bath boiling under reduced pressure regardless of the steam part of the to be fed Helium and also regardless of the size of the rotor to be supplied.

O300n£ö/'0539O300n £ ö / '0539

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Merkmalen der Ansprüche 1-und 2beschrieben. Die Merkmale des Anspruches 3 geben eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung wieder.The solution to this problem is described in the features of claims 1 and 2. The features of claim 3 give an advantageous development of the invention Establishment again.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 und 2 näher beschrieben, wobei die Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Generators darstellteThe invention is described in more detail below with reference to an exemplary embodiment by means of FIGS. 1 and 2, the Fig. 1 shows the schematic structure of a generator

Das flüssige Helium strömt durch die feststehende mit einem Vakuummantel Io isolierte Leitung 1 (Fig.l) aus einem nicht näher dargestellten Helium-Vooratstank, der unter dem Druck P (p -J^ 1 bar) steht, und mündet in einen mit dem Rotor 9 verbundenen Phasenseparator 2. Der Phasensepaiator 2 besteht im wesentlichen aus einem Verzweigungsstück 11 für verschiedene Rohrleitungen 4 und 12 mit mindestens einem Ausgang 3 an der Peripherie. Infolge der Rotation um die Rotationsachse 8, zu der der Phasenseparator 2 konzentrisch steht, wird der in der Versorgungsleitung 1 anfallende Dampfanteil von der Flüssigkeit getrennt, so daß die Flüssigkeit 13 sich an der Peripherie ansammelt. (Bei hinreichend hoher Drehzahl findet die Separation auch bei horizontal liegender Rotorachse 8 statt. Z.B. ist die Zentrifugalbeschleunigung bei der Betriebsdrehzahl eines Synchrongenerators von 5o Hz bereits an einem Abstand von 1 cm loo mal größer als die Erdbeschleunigung).The liquid helium does not flow through the fixed line 1 (Fig.l), which is insulated with a vacuum jacket Io Helium storage tank shown in more detail, which is under the pressure P (p -J ^ 1 bar) and opens into one connected to the rotor 9 Phase separator 2. The phase separator 2 consists of essentially of a branch piece 11 for various pipes 4 and 12 with at least one outlet 3 on the Periphery. As a result of the rotation about the axis of rotation 8, to which the phase separator 2 is concentric, the one in the supply line becomes 1 accumulating vapor fraction separated from the liquid, so that the liquid 13 collects at the periphery. (If the speed is high enough, the separation also takes place when the rotor axis 8 is horizontal Centrifugal acceleration at the operating speed of a synchronous generator of 50 Hz already at a distance of 1 cm loo times greater than the acceleration of gravity).

Die Flüssigkeit wird durch die Leitung 4 und/oder 12 in das zu versorgende Heliumbad 5 - mit einer Oberfläche im Abstand R zur Achse 8 - geführt, welches in der Nähe der Drehachse 8 bei dem Druck P1,der kleiner als ρ ist, siedet. Der im Phasenseparator anfallende Dampf wird durch die Koaxial-Außenleitung-6 aus dem Rotor 9 bzw. Phasenseparator 2 herausgeführt. Der Radius Ro des Dampfraumes 11 in dem Phasenseparator 2 wird durch den Niveauregler 7 bei einem vorzugebenden Wert gehalten. Das Flüssigkeitsniveau in dem Phasenseparator 2 muß aktiv geregelt werden. Derartige Niveauregler 7 sind hinreichend bekannt. Als Niveauregler 7 dienen z.B. temperaturabhängige Meßfühler (Kohlewiderstandsthermometer oder supraleitende Detektoren). Der Niveauausgleich kann entweder durch Druckänderung im Heliumspeicher oder durch DruckändeiuiA*? U"^ Gi4socufi^^i-folgen. Es handelt sich hierbei um die gleiche Technik wie bei nicht-rotierendenThe liquid is fed through the line 4 and / or 12 into the helium bath 5 to be supplied - with a surface at a distance R from the axis 8 - which boils near the axis of rotation 8 at the pressure P 1 , which is less than ρ . The vapor occurring in the phase separator is led out of the rotor 9 or phase separator 2 through the coaxial external line 6. The radius Ro of the vapor space 11 in the phase separator 2 is kept at a value to be specified by the level controller 7. The liquid level in the phase separator 2 must be actively controlled. Such level regulators 7 are well known. Temperature-dependent measuring sensors (carbon resistance thermometers or superconducting detectors), for example, serve as level regulators 7. The level compensation can be done either by changing the pressure in the helium storage tank or by pressure changes. U "^ Gi4socufi ^^ i -follow. This is the same technique as with non-rotating

Systemen.Systems.

In dem nachzufüllenden Bad 5 stellt sich die Phasengrenze Rl so ein, daß an der Einspeisestelle 14 der Leitung 4 und 12 der gleiche hydraulische Druck vorliegt wie in dem Heliumbad 5.In the bath 5 to be refilled, the phase boundary Rl is set so that at the feed point 14 of the line 4 and 12 of the the same hydraulic pressure is present as in the helium bath 5.

In Fig. 2 ist angegeben, wie sich die Drücke in der radialen Leitung 4 und 12 (es ist auch eine zylindrische Zuführungskeitung iriög-· lieh) und in dem Heliumbad- 5 in Abhängigkeit vom Abstand R zur Rotationsachse 8 und in Abhängigkeit von den Radien der Phasengrenzen R und R, verändern. Das Beispiel beschreibt typische Verhältnisse in einem großen supraleitenden Turboläufer 9 mit 5o Hz Drehzahl und 1 m Durchmesser. Im Zentrum des Rotors 9 wird ein Druck von o,41 bar, wie er sich z.B. infolge des Selbstpumpeffektes im Abgaskreis einstellen kann, angenommen.In Fig. 2 it is indicated how the pressures in the radial line 4 and 12 (there is also a cylindrical feed line iriög- · borrowed) and in the helium bath 5 as a function of the distance R to the axis of rotation 8 and as a function of the radii of the phase boundaries R and R, change. The example describes typical conditions in a large superconducting turbo runner 9 with 50 Hz speed and 1 m diameter. In the center of the rotor 9 there is a pressure of 0.41 bar, e.g. as a result of the Self-pumping effect in the exhaust gas circuit can be assumed.

Die strichlinierte Kurve (a) beschreibt den Druckverlauf von po = 1 bar und die ausgezogene (b)Kurve für den Druck P1 =o,41 bar. Die anderen Kurven beschreiben die Drücke in den Flüssigkeiten, die sich außerhalb der Radien R und R, an diese Dampfräume anschließen. Diese Kurvenscharen geben an, in welchen Grenzen die Radien R , R, und R2 variiert werden können.The dashed curve (a) describes the pressure curve of p o = 1 bar and the solid (b) curve for the pressure P 1 = 0.41 bar. The other curves describe the pressures in the liquids that adjoin these vapor spaces outside the radii R and R. These families of curves indicate the limits within which the radii R, R and R 2 can be varied.

Um zu zeigen, in welchem Bereich die Dampf- und Einspeiseradien variieren können, sind in Fig. 2 drei Beispiele angegeben. Es wird jeweils gefordert, daß sich im Heliumbad ein Dampfradius von R, = o,l m einstellt. Wenn die Einspeisung an den StellenTo show the range in which the steam and feed radii can vary, three examples are given in FIG. It it is required in each case that a vapor radius of R, = 0.1 m is established in the helium bath. When the feed is at the points

R2A= O/2 m' R2B~ °'35 m oder R2C~ °'45 m erf°lgt> muß das Niveau im Phasenseparator auf die Radien R Λ, R oder R n einge- R 2A = O / 2 m ' R 2B ~ °' 35 m or R 2C ~ ° '45 m er f ° lgt> the level in the phase separator must be adjusted to the radii R Λ , R or R n .

α./τ. Oil Ov^α. / τ. Oil Ov ^

regelt werden.be regulated.

Bei der Rechnung, die zu dem in Fig. 2 dargestellten Ergebnis führt, muß berücksichtigt werden, daß sich der thermodynamische Zustand des Heliums bei der Kompression infolge der ZentrifugalIn the calculation that leads to the result shown in FIG leads, it must be taken into account that the thermodynamic State of helium during compression due to centrifugal force

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beschleunigung stark ändert. Dem Helium wird in der Einspeiseleitung 4 und/oder 12 keine Wärme zugeführt oder entzogen. D.h. diese Leitungen müssen vorzugsweise aus Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit (z.B. Edelstahl) hergestellt werden. Die Druckerhöhung in der einphasigen Flüssigkeit wird berechnet aus der Zustandsänderung acceleration changes greatly. The helium is in the feed line 4 and / or 12 no heat is supplied or withdrawn. This means that these lines must preferably be made of material with poor thermal conductivity (e.g. stainless steel). The pressure increase in the single-phase liquid is calculated from the change in state

h(R) - h(o) =1 W2R2 (1)h (R) - h (o) = 1 W 2 R 2 (1)

s = const, (2)s = const, (2)

wobei h die spezifische Enthalpie und s die spezifische Entropie ist. Der Dampf wird längs der Phasengrenze im Zustandsdiagramm komprimiert, so daß giltwhere h is the specific enthalpy and s is the specific entropy. The steam is along the phase boundary in the state diagram compressed so that

2 _ ro 2)' 2 _ r o 2 ) '

wobei ρ die Dichte des Sattdampfes ist. Die Beziehungen; (i) t J swhere ρ is the density of the saturated steam. The relationships; (i) t J s

(2) und (3) sind auch experimentell verifizierbar.(2) and (3) can also be verified experimentally.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Flüssigkeit, und das Gas des einströmenden Heliums i-n einem im Rotor 9 integrierten Phasenseparator 2 getrennt werden. Die Flüssigkeit wird an geeigneter Stelle 4 und/oder 12 in den Rotor 9 eingespeist und das Gas durch eine separate Leitung ' 6 zurückgeführt. Die Stelle der Einspeisung 4 und/oder 12 kann- in weiten Grenzen frei gewählt werden. Das System funktioniert unabhängig von der Größe des Dampfgehaltes im Helium. Hieraus ergeben sich die weiteren Vorteile der hohen Betriebssicherheit ,The main advantages of the invention are that the liquid and the gas of the inflowing helium i-n one im Rotor 9 integrated phase separator 2 are separated. The liquid is fed into the rotor 9 at a suitable point 4 and / or 12 and the gas is returned through a separate line 6. The location of the feed 4 and / or 12 can be freely selected within wide limits. The system works independently on the size of the vapor content in the helium. Result from this the further advantages of the high operational reliability,

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der Anpaßbarkeit an verschiedenartige Rotorkonzepte und der klaren Trennung, von Flüssigkeit und Dampf.the adaptability to different types of rotor concepts and the clear separation of liquid and vapor.

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Claims (3)

KERNFORSCHUNGSZENTRUM Karlsruhe, den 24„Mai 1979 KARLSRUHE GMBH - PLA 7924 Ga/strNUCLEAR RESEARCH CENTER Karlsruhe, May 24, 1979 KARLSRUHE GMBH - PLA 7924 Ga / str Patentansprüche:Patent claims: ( 1.j Verfahren zum Nachfüllen von flüssigem Helium aus einem \—' unter Umgebungsdruck stehenden Helium-Vorratsbehälter in ein bei Unterdruck siedendes Heliumbad des Rotors eines supraleitenden Generators, wobei ein Teil des Heliums bei der Überführung in Dampfphase übergeht und die flüssige Phase im Abstand zur Rotationsachse in das Heliumbad eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige und die gasförmige Phase des Heliums in einem im Rotor (9) integrierten Phasenseparator (2) getrennt werden, und daß die gasförmige Phase aus dem Phasenseparator (2) herausgeführt wird. (1.j method of replenishing liquid helium from a \ - 'under ambient pressure helium reservoir in a boiling under reduced pressure helium of the rotor of a superconductive generator with a portion of the helium passes in the conversion in the vapor phase and the liquid phase at a distance is fed into the helium bath to the axis of rotation, characterized in that the liquid and gaseous phases of helium are separated in a phase separator (2) integrated in the rotor (9), and that the gaseous phase is led out of the phase separator (2). 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchführung (1,6) für die Einspeisung der beiden Phasen in den Phasenseparator (2) vorgesehen ist, und daß die Durchführung (1,6) als Koaxialleitung ausgebildet ist, durch deren Außenrohr (6) die gasförmige Phase aus dem Phasenseparator (2) abgeführt wird.2. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that a implementation (1,6) for the Feeding of the two phases into the phase separator (2) is provided, and that the implementation (1,6) as a coaxial line is formed, through whose outer tube (6) the gaseous phase is removed from the phase separator (2). 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Leitung (4 und/oder 12) vom Phasenseparator (2) zum Heliumbad (5) im Abstand zur Rotationsachse (8) vorgesehen ist.3. Device according to claim 2, characterized in that at least one line (4 and / or 12) from the phase separator (2) to the helium bath (5) is provided at a distance from the axis of rotation (8). -2--2- 030050/0539030050/0539
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