DE3104469C2

DE3104469C2 -

Info

Publication number: DE3104469C2
Application number: DE3104469A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. 8520 Erlangen De Elsel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-02-09
Filing date: 1981-02-09
Publication date: 1987-06-04
Also published as: JPS57148553A; DE3104469A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Küh lung einer supraleitenden Erregerwicklung im Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbo generators, mit einem im Betriebszustand der Maschine flüssiges Helium führenden ersten Kühlmittelweg, der ein die Erregerwicklung durchsetzendes Kühlkanalsystem sowie eine zwischen einem Kühlmittelanschlußkopf und dem Kühlkanalsystem verlaufende Kühlmittelleitung enthält, mit einem von dem ersten Kühlmittelweg ge trennten, flüssiges und/oder gasförmiges, an dem Kühl mittelanschlußkopf zu- und abgeführtes Helium führenden zweiten Kühlmittelweg, der mit einem um die Erreger wicklung angeordneten Dämpferschild und/oder einem Strahlungsschild wärmeleitend verbunden ist, und mit einem dritten Kühlmittelweg zur Abkühlung von Strom zuführungen zumindest annähernd auf die Betriebstempe ratur der Erregerwicklung. Eine solche Kühlanordnung geht aus der DE-AS 24 53 182 hervor.

Bei der bekannten Kühlanordnung wird zur Kühlung der Erregerwicklung vorgesehenes flüssiges Helium I mit Überdruck an einem Kühlmittelanschlußkopf in eine Kühlmittelzuführungsleitung eingespeist und dann durch die zur Kühlung der Wicklung vorgesehenen Kühl kanäle eines Kanalsystems gefördert. Zur Kühlung eines die Erregerwicklung konzentrisch umschließenden Dämpfer schildes und der erforderlichen Stromzu- und -abfüh rungsleitungen ist jeweils ein eigener Kühlkreislauf mit entsprechenden Kühlmittelwegen vorgesehen. Bei dieser Kühlanordnung ist zwar die Kälteleistung, die zur Ab führung der von den jeweiligen Betriebszuständen der Maschine abhängenden Verlusten erforderlich ist, an die tatsächlichen Verluste der Maschine anpaßbar, so daß eine wirtschaftliche Ausnutzung der Kälteleistung zu gewährleisten ist. Jedoch ergeben sich aufgrund der forcierten Kühlung der Erregerwicklung mit strömendem Helium I Abdichtungsprobleme an dem Kühlmittelanschluß kopf. Dort muß nämlich beim Übergang von feststehenden auf rotierende Maschinenteile im allgemeinen der ver hältnismäßig große Überdruck des ersten Kühlmittelweges für das die Erregerwicklung kühlende Helium gegen einen geringeren Druck der weiteren Kühlmittelwege der den Dämpferschild bzw. die Stromzu- und -abführungsleitungen kühlenden Helium-Ströme abgedichtet werden. Hierfür ge eignete Dichtungen sind konstruktiv sehr aufwendig.

Derartige Abdichtungsprobleme spielen bei einer weiteren, aus der DE-PS 27 42 477 bekannten Kühlanordnung für den Läufer einer elektrischen Maschine mit supraleitender Erregerwicklung eine geringere Rolle. Diese Kühlanordnung ist mit einer Mischkammer in Achsnähe des Läufers aus gestattet, die ein Zweiphasengemisch an flüssigem und gasförmigen, von außen an einem Kühlmittelanschlußkopf zugeführtem Helium I enthält. Die Erregerwicklung be findet sich dabei in einem Bad mit flüssigem Helium, das der Mischkammer entnommen ist. Die Strömung dieses Heliums zwischen Mischkammer und den die Erregerwicklung durchsetzenden Kühlkanälen des Bades erfolgt dabei auf grund eines auf Dichteunterschieden beruhenden Selbst pump-Effektes in sogenannten Thermosiphon-Schleifen (vgl. z. B. "Cryogenics", Juli 1977, Seiten 429 bis 433). Ein solcher Selbstpump-Effekt wird auch zur Kühlung eines die Erregerwicklung konzentrisch umschließenden Dämpferschildes mit gasförmigem, aus der Mischkammer ebenfalls entnommenem Helium ausgenutzt. Die Kühl mittelwege des die Erregerwicklung bzw. den Dämpfer schild kühlenden Heliums sind somit nicht entkoppelt.

Bei dieser bekannten Kühlanordnung wird zwar das der Mischkammer zuzuführende Helium an dem Anschlußkopf mit einem verhältnismäßig geringen Druck von beispiels weise 1 · 10⁵ Pa in eine entsprechende Zuführungslei tung eingespeist. Jedoch muß hierbei die Kühlmittelein speisung in den Läufer sehr sorgfältig dimensioniert werden. Da nämlich variable Wärmeverluste das gesamte Kühlsystem beeinflussen, kann eine Änderung der thermi schen Last in der Erregerwicklung und in dem Dämpfer schild unter Umständen den Selbstpump-Effekt zerstören. Die Folge davon wäre ein unerwünschter Temperaturan stieg in der Wicklung. Bei einer lokal unterschied lichen Wärmezufuhr ist gegebenenfalls sogar eine Strömungsumkehr in den Thermosiphon-Schleifen zu beobachten, die zu einer Überhitzung der Supraleiter bei schlechtem Wärmeübergang führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühl anordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die bei dieser Anordnung auftretenden Abdichtungsprobleme vermindert sind. Dabei soll ins besondere der Kühlmittelanschlußkopf konstruktiv ver hältnismäßig einfach zu gestalten sein. Zugleich sollen mit dieser Kühlanordnung die für einen funktions sicheren und wirtschaftlichen Langzeitbetrieb der Maschine zu stellenden, nachstehend aufgeführten Forde rungen erfüllt werden können:

a) Erhöhte Wärmeverluste bei anomalen Betriebszuständen wie Schieflast oder Pendelungen sollen den supra leitenden Zustand nicht gefährden.
b) Ein Ausfall der Kälteanlage sollte kurzzeitig tolerierbar sein, ohne den Betrieb der Maschine zu beeinflussen.
c) Die Zeitdauer fürdas Kaltfahren des Läufers sollte unabhängig sein von den Eigenschaften des Kühlsystems im Kaltbetrieb.
d) Die Funktion des Kühlsystems sollte unabhängig von der Rotation gewährleistet werden, um bei Inbetrieb nahme der Rotorwicklung einen Kalttest im Stillstand zu ermöglichen.

Unter Berücksichtigung dieser Forderungen wird die ge nannte Aufgabe erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Die mit dieser Ausgestaltung der Kühlanordnung erreichten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß zum einen die hohe Wärmeleitfähigkeit des Heliums II zur Wicklungs kühlung unabhängig von der Orientierung der Kühlkanäle des Kühlmittelbades im Zentrifugalfeld ausgenutzt wird. Da am Kühlmittelanschlußkopf das die Wicklung kühlende Helium II nur etwa unter Atmosphärendruck oder geringem Überdruck zu stehen braucht und ähnliche Druckverhältnisse dort auch in den zweiten und dritten Kühlmittelwegen herrschen können, sind zum anderen die Abdichtungs probleme entsprechend gering. Da außerdem eine Wick lungstemperatur von etwa 1,8 K ohne weiteres zu erreichen ist, kann bei der Maschine eine entsprechend hohe Strom tragfähigkeit der Supraleiter ausgenutzt werden. Diese Stromtragfähigkeit ist z. B. für Niob-Titan um etwa 40% höher als bei Betriebstemperaturen um 4,2 K. Zu sätzliche Wärmeverluste, insbesondere kurzzeitige Wärme pulse, können durch das Helium II abgeführt werden, wo bei die Kühlmitteltemperatur nur wenig, etwa bis 2,1 K, erhöht wird. Die Helium-Enthalpie-Differenz zwischen 1,8 und 2,1 K dient dabei als Wärmepuffer.

Aufgrund der vorgesehenen Trennung des ersten Kühl mittelweges von den übrigen Kühlmittelwegen kann vor teilhaft der Massenstrom durch den Dämpfer außerhalb des Läufers eingestellt und bei länger dauernden anomalen Betriebsfällen den Bedürfnissen leicht angepaßt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Kühlanordnung nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Ausgestaltungen wird nachstehend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Kühl anordnung gemäß der Erfindung schematisch veranschau licht ist.

Fig. 2 zeigt einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispieles einer solchen Kühlanordnung.

In Fig. 1 ist als Längsschnitt nur die obere Hälfte einer Kühlanordnung nach der Erfindung für den Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbo generators, angedeutet. Die sich im Betriebszustand der Maschine ergebenden Kühlmittelströmungen sind durch Pfeile an den einzelnen Kühlmittelwegen veranschaulicht.

Der um eine Achse 2 drehbar gelagerte Läuferkörper 3 enthält eine supraleitende Erregerwicklung 4, die bei spielsweise in Nuten angeordnet und von einem Kühl kanalsystem mit axialen und radialen Kühlkanälen durch setzt ist. Das in diesen Kühlkanälen befindliche kryogene Medium soll die supraleitenden Leiter der Wicklung auf der geforderten Betriebstemperatur hal ten. Die Erregerwicklung 4 ist konzentrisch von einem gekühlten Dämpferschild 5 umgeben, den ein ebenfalls gekühlter Strahlungsschild 6 konzentrisch umschließt. Aus thermischen Isolationsgründen befinden sich die zu kühlenden Teile in Vakuumräumen 7.

Gemäß der Erfindung soll eine Badkühlung der Erreger wicklung 4 mit superfluidem Helium (He II) unterhalb dessen kritischer Wärmestromdichte vorgesehen sein. Hierzu wird dieses Helium über einen in der Figur nicht näher ausgeführten Anschlußkopf 9 mit einer Temperatur von etwa 1,8 K längs der zentralen Achse 2 dem Läufer und über eine Kühlmittelleitung 10 dem die Wicklung 4 kühlenden Bad 11 zugeführt. Der ent sprechende erste Kühlmittelweg der Kühlanordnung ist in der Figur allgemein mit A bezeichnet. Das He II ist einem außerhalb des Läufers befindlichen, in der Figur nicht dargestellten Vorratsbehälter entnommen. Der Heliumzustand kann dabei in diesem Vorratsbehälter gemäß der DE-AS 25 07 614 erzeugt sein. Um die hohe Wärmeleitfähigkeit des He II zur Wicklungskühlung aus nutzen zu können, ist der Querschnitt der Kühlmittel leitung 10 ausreichend groß gewählt, so daß über das in ihr befindliche Kühlmittel vorteilhaft der Wärme transport von der Wicklung nach außen erfolgen kann.

Der Druck, unter dem das He II an dem Anschlußkopf 9 steht, beträgt mindestens 1 · 10⁵ Pa und kann vor teilhaft unter 2 · 10⁵ Pa, vorzugsweise unter 1,5 · 10⁵ Pa liegen. Insbesondere kann Atmosphären druck herrschen.

Ein zweiter, allgemein mit B gekennzeichneter Kühlmittel weg der Kühlanordnung, der unabhängig von dem ersten Kühlmittelweg ist, dient zur Kühlung des Dämpferschildes 5 und des Strahlungsschildes 6. Hierzu tritt an dem Kühlmittelanschlußkopf 9 in einem Anschlußteil 13 kaltes Helium I mit einer Temperatur von etwa 4,2 K und unter einem Druck 1 · 10⁵ Pa in eine kalte Zu führungsleitung 15 ein. Nacheinander werden dann von dem Kühlmittel mit dem Dämpferschild 5 thermisch ver bundene Kühlkanäle 17 durchströmt, wobei sich das Kühlmittel bis auf beispielsweise 100 K er wärmt. Anschließend wird das Helium I noch zur Kühlung von drehmomentübertragenden Verbindungsstücken zwi schen kalten und warmen Läuferteilen in entsprechenden Leitungsteilen 18 und 19 herangezogen, bevor es über eine achsnahe Abführungsleitung 20 mit einer Temperatur von etwa 300 K und einem Druck von etwa 1 · 10⁵ Pa an einem weiteren Kühlmittelanschlußkopfteil 21 aus dem Läufer wieder austritt. Die gezeigte Kühlmittelströmung stellt sich aufgrund der Rotation der Maschine und der sich ausbildenden Temperaturverhältnisse längs des zweiten Kühlmittelweges B zumindest weitgehend von selbst ein.

Ein Teil des Dämpfer-Kühlmittelstromes wird vor dem Dämpferschild 5 zur Kühlung der erforderlichen Strom zuführung 23 abgezweigt. Der entsprechende dritte Kühl mittelweg ist allgemein mit C gekennzeichnet. Der Aus tritt des Kühlmittels erfolgt aus dem Anschlußkopf 9 an einem Anschlußkopfteil 25 mit einer Temperatur von etwa 300 K. Außerhalb des Läufers kann vorteilhaft der gewünschte Massenstrom eingestellt bzw. geregelt werden. Zur Wicklung 4 hin ist ein kurzes Teilstück 26 der Stromzuführung 23 zwischen dem ersten Kühlmittelweg A und dem zweiten bzw. dritten Kühlmittelweg B bzw. C ungekühlt.

Wie in der Figur ferner angedeutet ist, können mit dem He II des ersten Kühlmittelweges A beispielsweise in radialen Ebenen verlaufende Bleche 28 thermisch ver bunden sein, die zur Aufnahme von Molekularsieben dienen.

Zum Abkühlen der Wicklung 4 auf die Betriebstemperatur kann der Wicklungsraum mit dem Helium-Kreislauf für den Dämpferschild 5 verbunden werden. Hierzu sind zwi schen dem Wicklungsraum und dem Dämpferkreislauf des zweiten Kühlmittelweges B Verbindungsleitungen 30 und 31 vorgesehen, so daß die Wicklung zwangsweise von Kühl mittel durchströmt werden kann. Die Verbindungsleitungen 30 und 31 werden im Kaltbetrieb z. B. über in ihnen an geordnete Ventile wieder geschlossen.

Da bei der Kühlanordnung an dem Kühlmittelanschlußkopf 9 zwischen dem Außenraum und dem ersten Kühlmittelweg bzw. zwischen den einzelnen Kühlmittelwegen unterein ander etwa gleiche Druckverhältnisse herrschen, ist vorteilhaft der konstruktive Aufwand der entsprechenden rotierenden Dichtungen 33 bis 36 entsprechend gering.

Um Ausfallzeiten der erforderlichen Kälteanlage für die Kühlanordnung überbrücken zu können, wird zweck mäßig ein Helium II-Vorratsbehälter vorgesehen. Außer dem kann vorteilhaft noch ein weiterer Helium II-Tank in dem Läufer angeordnet werden, der als Kältemittel puffer insbesondere auch im Hinblick auf zusätzliche Wärmeverluste dient. Ein entsprechendes Ausführungs beispiel einer Kühlanordnung ist in Fig. 2 schematisch als Längsschnitt angedeutet.

Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, ist in den ersten Kühlmittelweg A für das He II ein zentraler Helium II- Tank 40 integriert. Dieser Tank ist über einzelne Rohrleitungen 41 mit den Kühlkanälen des Bades 11 zur Kühlung der Erregerwicklung verbunden. Über die zentrale Kühlmittelleitung 10 steht der Heliumtank mit einem in der Figur nicht dargestellten, außerhalb des Läufers liegenden Helium II-Vorratsbehälter in Verbindung.

Claims

1. Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Erreger wicklung im Läufer einer elektrischen Maschine, insbe sondere eines Turbogenerators, mit einem im Betriebs zustand der Maschine flüssiges Helium führenden ersten Kühlmittelweg, der ein die Erregerwicklung durchsetzendes Kühlkanalsystem sowie eine zwischen einem Kühlmittel anschlußkopf und dem Kühlkanalsystem verlaufende Kühl mittelleitung enthält, mit einem von dem ersten Kühl mittelweg getrennten, flüssiges und/oder gasförmiges, an dem Kühlmittelanschlußkopf zu- und abgeführtes Helium führenden zweiten Kühlmittelweg, der mit einem um die Erregerwicklung angeordneten Dämpferschild und/ oder einem Strahlungsschild wärmeleitend verbunden ist, und mit einem drittenKühlmittelweg zur Abkühlung von Stromzuführungen zumindest annähernd auf die Be triebstemperatur der Erregerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Badkühlung der Erregerwicklung (4) mittels superfluiden Heliums (He II) in dem ersten Kühlmittelweg (A) vorgesehen ist.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das superfluide Helium des ersten Kühlmittelweges (A) am Anschlußkopf ( 9 ) unter einem Druck von mindestens 1 · 10⁵ Pa steht.

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das superfluide Helium des ersten Kühlmittelweges (A) am Anschlußkopf ( 9 ) unter einem Druck von höchstens 2 · 10⁵, vorzugs weise höchstens 1,5 · 10⁵ Pa steht.

4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Kühlmittenanschlußkopf ( 9 ) und dem Kühlkanalsystem des Kühlmittelbades (11) verlaufende Kühlmittelleitung (10) des ersten Kühlmittelweges (A) zugleich als Kühlmittelzuführungs- und -abfüh rungsleitung vorgesehen ist.

5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel des dritten Kühlmittelweges (C) dem zweiten Kühlmittelweg (B) auf Tieftemperatur in Nähe der Erregerwicklung (4) entnommenes Kühlmittel ist.

6. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kühlkanalsystem des Kühlmittelbades (11) des ersten Kühlmittelweges (A) und dem zweiten Kühl mittelweg (B) mindestens eine Verbindungsleitung (30, 31) mit einem Ventil vorgesehen ist.

7. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Kühlmittelweg (A) ein Helium II-Vorrats behälter außerhalb des Läufers zugeordnet ist.

8. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlmittelleitung (10) zwischen dem Kühlmittel anschlußkopf ( 9 ) und dem Kühlkanalsystem des Kühl mittelbades (11) des ersten Kühlmittelweges (A) ein Kühlmitteltank (40) vorgesehen ist, an den über mehrere Kühlmittelverbindungsleitungen (41) das Kühlkanalsystem des Kühlmittelbades (11) angeschlossen ist (Fig. 2).

9. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Läufers mit dem superfluiden Helium des ersten Kühlmittelweges (A) großflächige Bleche (28) eines Molekularsiebes thermisch verbunden sind.