DE3138691A1 - "kuehlsystem fuer einen supraleitenden generator" - Google Patents

Description

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Kühlsystem für einen supraleitenden Generator

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen supraleitenden Generator, welches den richtigen Kühlmittelfluß nach einem thermischen Stoß entsprechend einem charakteristischen Verlauf wieder aufbaut, mit einer auf der Rotoranordnung des Generators befestigten und von einem Sicherungsrohr festgehaltenen Feldwicklung, um welches eine zylindrische Kühlanordnung verläuft, mit einem im Inneren des Rotors vorgesehenen Kühlmittelreservoir, von welchem aus radial über einen Verbindungskanal das Kühlmittel zur zylindrischen Kühlanordnung und in dieser axial durch den Rotor geleitet wird, und mit einem weiteren radial verlaufenden Verbindungskanal um das Kühlmittel aus der zylindrischen Kühlanordnung zum Kühlmittelreservoir zurückzuleiten und ferner ein Verfahren zur Kühlung des Rotors eines supraleitenden Generators.

In herkömmlicher Weise aufgebaute supraleitende Generatoren sind mit einer Kühlschleife versehen, durch welche flüssiges Helium geleitet wird, um den Rotor des Generators so weit zu unterkühlen, daß die Feldwicklung supraleitend wird. Dieses flüssige Helium steht dabei in Kontaktverbindung mit einer kalten elektromagnetischen Abschirmung dos Rotors aus Kupfer. Don lirsutz einer herkömmlichen

Feldwicklung

ί ♦ m. ,

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Feldwicklung durch eine auf eine Tiefsttemperatur unterkühlte Feldwicklung führt dazu, daß der elektrische Widerstand praktisch Null ist, wodurch sich besondere Vorteile ergeben. Einer der wesentlichsten Vorteile ist die Ausschaltung der ohmischen Verluste im Rotor. Ferner kann die Leistung für die Belüftung und auch für die Felderregung stark verringert werden. Weitere nicht zu vergessende Eigenschaften eines supraleitenden Synchrongenerator ist die vergrößerte Leistungs-. dichte und die Möglichkeit der Elimination der der Ankerwicklung zugeordneten Statorbleche.

Da die Ankerwicklung von Massepotential isoliert aufgebaut werden kann, besteht die Möglichkeit, den Generator bei einer elektrischen Spannung arbeiten zu lassen, die der Spannung im Übertragungsnetz entspricht. Dadurch kann man auf Transformatoren verzichten. Die stärkere magnetische Verkopplung zwischen Rotor und Stator für die magnetischen Kreise des supraleitenden Generators trägt dazu bei, daß das elektrische System sowie statisch als auch dynamisch stabiler wird.

Ein Kriterium für die Stabilität besteht darin, daß supraleitende Generatoren für Kraftwerksanwendungen derart ausgelegt sein müssen, daß der supraleitende Zustand des Systems auch bei extremsten Betriebsbedingungen aufrechterhalten wird. Eine solche Situation kann sich einstellen, wenn eine dreiphasige Hochspannungsübertragungsleitung nach 15 Perioden (250 msec) durch Abfallen eines Sicherheitstrennschalters ausfällt. Wenn dieser Ausfall der Übertragungsleitung auftritt, wird die supraleitende Wicklung des Rotors einer starken Erwärmung ausgesetzt, die durch die Ströme verursacht wird, welche durch Induktion in der kalten Abschirmung aufgrund zeitvariabler Magnetfelder entstehen. Diese Erwärmung kann dazu führen, daß die Wicklung in einen Zustand übergeht, in dem sie einem ohmischen Widerstand annimmt, wenn keine besonderen Schutz-, maßnahmen vorgesehen sind. Solche Übergänge in ohmisehe Lastzustände

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zustände führen zu einem Ausfall des Generators. Daher muß ein supraleitender Rotor in der Lage sein, diesen Störungen der Übertragungsleitung zu widerstehen, ohne daß sich die Feldwicklung auf Temperaturen über den supraleitenden Temperaturen erwärmt und dabei in einen ohmisch leitenden Zustand übergeht.

Fehler in dem h oehspannungsseitigen System , d.h. auf der Hochspannungsseite des Transformators verursachen einen plötzlichen Lastanstieg für den Generator, womit ein Abfall der Drehzahl verbunden ist. Dieser Drehzahlabfall wird durch einen raschen Anstieg der Turbinenleistung kompensiert, welcher versucht, die Synchronisation mit der Netzfrequenz aufrechtzuerhalten. Nach etwa 3 bis 6 Perioden öffnen die Trennsehalter, um die gesamte Last vom Generator abzuschalten, um den Leistungsverbrauch stark zu reduzieren. Dies führt infolge der Reaktion der Turbine, welche versucht ihre Leistungsabgabe zu vergrößern, zu einer momentanen Überdrehzahl. Da durch die Regelung die Turbine versucht die Synchroniss tion mit der Netzfrequenz aufrechtzuerhalten, oszilliert die Drehzahl um diese Frequenz herum und zwar zunächst mit einer Drehzahl über und dann unter der Drehzahl, welcher der Synchronisationsfrequenz zugeordnet ist. Diese nachlaufenden Regelzustände verursachen ein zeitveränderliches Magnetfeld, welches den supraleitenden Rotor durchdringt.

Auf der Außenseite des Rotors ist ein Dampfungssehirm vorgesehen, welcher auf Raumtemperatur liegt, und in welchem aufgrund dieses zeitvariablen Magnetfeldes Ströme fließen. Durch die Erwärmung wird Energie verbraucht und die Oszillation des Rotors gedämpft. Als Folge davon wird der Dämpfungsschirm zusammengepreßt und leistet Arbeit, um das im Inneren des warmen Dämpfungsschirmes existente Magnetfeld zu deformieren. Damit eine nachfolgende Erwärmung der supraleitenden Rotorwicklung verhindert wird, befindet sich zwischen der Wicklung und dem außerhalb liegenden Dämpfungsschirm eine kalte elektromagnetische Abschirmung. Diese Abschirmung

ist

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ist aus Kupfer und soll einerseits starr bleiben sowie andererseits im Inneren einen Stromfluß zulassen, der den Magnetfeldähderungen entgegengerichtet ist, welche durch die Bewegung des Dämpfungsschirmes erzeugt werden. Diese Folgereaktion dauert einige Sekunden, während welchem die Verlustenergie und der damit verbundene Stromfluß auftritt.

Radial innerhalb der kalten Abschirmung und außerhalb der Feldwicklungen des Rotors ist ein zylindrisches Sicherungsrohr aus Stahl vorgesehen, der die Feldwicklung zusammenhalt. Dieser Stahlzylinder hat ein sehr geringes thermisches Diffusionsvermögen und stellt daher eine Wärmebarriere dar, welche die Ausbreitung der Wärmewelle von der kalten Abschirmung radial nach innen zur Rotorwicklung verzögert. Wenn jedoch die kalte Abschirmung nicht gekühlt wird, bevor die Wärmewelle die Wicklung erreicht, steigt die Wicklungstemperatur auf Werte oberhalb der supraleitenden Temperaturen an, womit die Wicklung in den ohmisch leitenden Zustand übergeht. Es ist wünschenswert, diesen Übergang in den ohmischen Zustand zu unterdrücken, indem ein ausreichender Kühlmittelfluß zur Verfugung gestellt wird, der sofort zur Verfügung steht, nachdem die kalte Abschirmung sich aufzuwärmen beginnt, um sicherzustellen, daß der supraleitende Generator ausfallsicher wird.

Während dem normalen Betrieb des unterkühlten Rotors verhindert die kalte Abschirmung, daß äußere Strahlungswärme die Feldwicklung erreicht. Die Wärme wird von der kalten Abschirmung mit Hilfe einer Kühlmittelsehleife abgeleitet, in welcher ein langsamer Kühlmittelfluß von einem Helium reservoir aus radial durch einen radialen Wärmetauscher nach außen in eine Umlaufnut geführt wird, von welcher aus das Kühlmittel axial durch eine Vielzahl von Axialnuten zu einer weiteren Ringnut fließt. Von dieser weiteren Ringnut aus wird das Kühlmittel wieder über radiale Verbindungskanäle zurück zum Reservoir geführt. Mit Hilfe des radialen Wärmetauschers

wird

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wird das einlaufseitige Ende der Kühlmittelschleife auf eine· niedrigeren Temperatur als das auslaufseitige Ende gehalten. Diese Temperaturdifferenz und die sieh daraus ergebende Differenz in der Dichte des Kühlmittels bewirkt eine selbständige thermische Umwälzung, welche den langsamen Fluß des Kühlmittels aufrechterhält um die Strahlungswärme abzuführen, welche unter normalen Betriebsbedingungen auf die kalte Abschirmung einwirkt.

Wenn jedoch Störungen im Übertragungsnetz und die damit verbunden zeitvariablen magnetischen Felder auftreten, dehnt sich das Helium in der Kühlschleife rapid aus. Diese Expansion würde normalerweise einen Heliumfluß innerhalb der Kühlmittelschleife nach beiden Seiten vom mittleren Bereich der axialen Nut aus , welcher benachbart zur kalten Abschirmung liegt, verursacht. Obwohl diese nach zwei Seiten gerichtete Strömung nur sehr kurzzeitig auftritt, reicht sie aus, den stetigen Fluß des Heliums durch die Kühlmittelschleife zu unterbinden. Diese plötzliche Expansion des Heliums und die damit verbundene Störung des stetigen Kühlmittelflusses würde, wenn genügend Zeit zur Verfugung stände, sich von selbst wieder abbauen und zu einer stetigen gleichmäßigen Kühlmittelströmung übergeleitet werden, wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem eingangsseitigen und ausgangsseitigen Ende der Kühlmittelsehleife wieder hergestellt ist. Jedoch die hierfür erforderliche Zelt ist wesentlich größer als sie durch das niedere thermische Diffusionsvermögen des stählernen Sicherheitsrohres zulässig ist, so daß zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der Kühlmittelfluß wieder eingestellt hätte, die Rotorfeldwicklung bereits vom supraleitenden Zustand in den ohmisch leitenden Zustand übergegangen wäre.

Um dies zu vermeiden, sieht die Erfindung als Aufgabe die Schaffung von Maßnahmen, welche in der Lage sind, die selbständige thermische Umwälzung sofort wieder in Gang zu setzen, wenn ein thermischer Stoß aufgetreten ist. Diese Ingangsetzung der selbsttätigen thermi

schen

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sehen Umwälzung muß innerhalb einer Zeitdauer erfolgen, die kleiner ist als die Zeitdauer, während welcher die Wärmewelle durch das stählerne Sicherheitsrohr bis zur Feldwicklung vordringen kann, um sicherzustellen, daß die Feldwicklung im supraleitenden Zustand bleibt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten Kühlsystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Kühlmittelkreislauf die Strömung beeinflussende Strömungseinrichtungen angeordnet sind, welche einer Rückwärtsströmung des Kühlmittels entgegenwirken bzw. eine solche verhindern, und daß Einrichtungen dafür sorgen, daß das vom Kühlmittelreservoir radial nach außen fließende Kühlmittel auf einer gegenüber dem im weiteren Verbindungskanal radial nach innen fließenden Kühlmittel niedrigeren Temperatur gehalten wird.

Weitere Ausgestaltungen des Kühlsystems sind Gegenstand von weiteren Sachansprüchen.

Ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der Kühlmittelströmung sieht erfindungsgemäß vor, daß das Kühlmittel vom Kühlmittelreservoir aus durch einen Verbindungskanal radial nach außen in den der Kühlung dienenden Zylinder geführt wird, daß vom Verbindungskanal aus das Kühlmittel durch den der Kühlung dienenden Zylinder axial über die Rotorlänge durch Nuten geführt wird, daß das Kühlmittel am anderen Ende durch zumindest einen weiteren Verbindungskanal zurück zum Kühlmittelreservoir geführt wird, wobei eine Strömung von der austrittsseitigen Öffnung des Verbindungskanals zu den radialen Nuten und von diesen zur Eintrittsöffnung des das Kühlmittel zurück zum Kühlmittelreservoir führenden Verbindungskanals aufrechterhalten wird, daß vom Kühlmittel während dem Durchströmen des Verbindungskanals Wärme abgeleitet wird und daß durch Strömungsmaßnahmen eine Strömung in rückwärtsgerichteter Richtung behindert bzw. unterdrückt wird.

Durch

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Durch die Verwendung des erfindungsgemäß vorgesehenen Wirbelventils am auslaßseitigen Ende des radialen Wärmetauschers, mit dessen Hilfe eine Rückwärtsströmung des Kühlmittels weitgehend verhindert werden kann, ergeben sich in dreifacher Hinsicht besondere Vorteile während und unmittelbar nach dem Auftreten eines Netzausfalles.

Zunächst wird der Anteil des Heliums stark reduziert, der infolge einer raschen Expansion im Bereich der durch die kalte Abschirmung geführten Kühlmittelschleife versucht, radial durch den radialen Wärmeaustauscher zurück zum Kühlmittelreservoir zu fließen. Damit fließt vorteilhafterweise mehr Helium von der kalten Seiten zur warmen Seite der Kühlmittelschleife als der Fall wäre, wenn das Helium vom mittleren Bereich der Kühlmittelsehleife benachbart zur kalten Abschirmung aus nach beiden Seiten fließen könnte. Dieser Vorteil bringt es mit sich, daß der Kühleffekt während der kurzen Periode einer raschen Heliumexpansion besser wird.

Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, daß sich ein dominierender Kühlmittelfluß in der richtigen Richtung in der Kühlmittelsehleife so einstellt, daß während der kurzen Periode der schnellen Expansion des Heliums dieses nicht rückwärts durch den radialen Wärmeaustauscher zum Kühlmittelreservoir fließen kann. Der Vorteil wird darin gesehen, daß unmittelbar nachdem die rapide Expansion des Heliums vorbei ist, sich ein Strömungsmoment ergibt, das die Tendenz hat, den Kühlmittelfluß in der richtigen Richtung zu begünstigen, und somit die Wiederingangsetzung der selbständigen thermischen Wärmeumwälzung in der Kühlmittelsehleife zu beschleunigen.

Schließlich verhindert das Wirbelventil auch in dem Zeitraum unmittelbar nach dem Netzausfall , wenn der Kühlmittelfluß noch nicht voll normalisiert ist, daß das Kühlmittel rückwärts durch den Wärmeaustauscher zum Reservoir fließt, wobei jedoch gleichzeitig

eine

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eine Strömung des Kühlmittels in der normalen der Kühlung dienenden Richtung begünstigt wird.

Wie nachfolgend bei der dargestellten Ausführungsform besehrieben wird, ist das Wirbelventil, in-das Ende des radialen Wärmeaustauschers eingearbeitet. Radial innerhalb vom Wirbelventil sind in dem Verbindungskanal innerhalb des radialen Wärmeaustauschers Segmente vorgesehen, die mit Leitflächen ausgestattet sind, um eine Wirbelströmung zu unterdrücken. Da es nicht möglich ist, den rückwärtsgerichteten Heliumfluß bei der raschen Expansion völlig zu unterdrücken , müssen Maßnahmen gefunden werden um einen nachteiligen Einfluß dieser Strömung in Rückwärtsrichtung so weit als möglich auszuschalten. Die hierfür verwendeten Leitflächen dienen der Unterdrückung einer Wirbelströmung und der Stabilisierung einer geradlinigen Strömung. Erreicht wird dieser Effekt indem die Wirbelströmung des in den Wärmeaustauscher eindringenden Heliums durch die Leitfläche gestört und geradeaus gerichtet wird. Die Unterdrückung einer Wirbelströmung ist besonders wichtig, da die damit verbundene hohe Winkelgeschwindigkeit dem rückwärts eindringenden Helium eine rasche Ausbreitung durch den Verbindungskanal im radialen Wärmeaustauscher ermöglicht wird. Eine solche Strömung mit hoher Winkelgeschwindigkeit würde sobald sie den inneren Einlauf erreichen würde, sich radial im Kühlmittelreservoir ausbreiten und den Effekt des Druckabfalls zerstören, der über die Länge des Wärmeaustauschers vorhanden ist. Durch die Leitflächen wird die Wirbelströmung verringert bzw. unterdrückt und der damit verbundene Verlust an Druckabfall minimalisiert. Um die Wirbelströmung weiter zu unterdrücken ist ferner vorgesehen, daß in dem Verbindungskanal und zwar etwa im Mittelbereich eine Durchmessererweiterung vorgesehen ist. Wenn das Helium in diesem durchmessererweiterten Abschnitt sich ausbreitet, divergieren die Wirbellinien, welche beim Weiterfließen in dem anschließenden durchmesserengeren Abschnitt wieder konvergieren müssen. Dieser Einfluß reduziert die Verwirbelung entscheidet und hilft, eine Wirbelströmung zu unterdrücken.

Durch

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Durch die Einfügung eines Wirbelventils bzw. einer Wirbeldiode in die Kühlmittelschleife im Bereich der kalten Abschirmung wird somit die Schwierigkeit überwunden, welche sich für einen supraleitenden Generator ergibt, wenn dieser starken Netzstörungen ausgesetzt wird, bei welchen bisher mit einer Beschädigung des Generators zu rechnen war. Die Maßnahme ist besonders vorteilhaft, da sie keine beweglichen Teile erforderlieh macht und in völliger Abdichtung innerhalb der Rotoranordnung wirksam ist. Da ferner das Wirbelventil als Strömungseinriehtung ebenfalls frei von beweglichen Teilen ist, ergibt sich eine wesentlich höhere Lebensdauer, welche in der Regel weit über der Lebensdauer eines supraleitenden Generators liegt.

Die Erfindung mit Ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispiels naher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Darstellung von Komponenten einer supraleitenden Rotoranordnung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Wirbelventil bzw. eine Wirbeldiode gemäß der Erfindung,

Fig. 3 einen radialen Teilsehnitt durch die Anordnung im Bereich eines Verbindungskanals von dem Wirbelventil zum Kühlmittelreservoir,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3, welcher durch einen durchmessererweiterten Abschnitt des Verbindungskanals verläuft,

Fig. 5 ■ einen Schnitt längs der Linie V-V der Fig. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte supraleitende Rotoranordnung 10 umfaßt eine Feldwicklung 12, welche auf einem Wicklungsträger 14 angeordnet

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ordnet ist, der Teil der Rotortragstruktur ist, an welcher alle sich drehenden Komponenten befestigt sind. Die Feldwicklung 20 ist zylindrisch von einem Sieherungsrohr 16 umgeben, welches verhindert, daß sich die Feldwicklung 12 aufgrund der verhältnismäßig hohen Zentrifugalkräfte bei der üblichen Drehzahl des Rotors von z.B. 3600 Umdrehungen/ min radial verschieben kann. Benachbart zur äußeren Oberfläche des Sicherungsrohres 16 ist eine kalte elektromagnetische Abschirmung 18 vorgesehen, welche aus einem dünnen Kupferblech mit einer Dicke von beispielsweise etwa 1,3 mm besteht. Die Abschirmung hat den Zweck, die elektrischen Ströme zu leiten, welche entgegengesetzt zu dem fluktuierenden magnetischen Feld fließen und welche während Störungen bzw. einem Ausfall der Übertragungsleitung auftreten. Ein Zylinder 20, der ein Austreten des Kühlmittels verhindert, ist um die Abschirmung 18 herum zylindrisch angeordnet. Dieser Zylinder dient der Führung des Kühlmittels, so daß sich eine Kühlmittelschleife ausbilden kann, welche die erzeugte Wärme von der Abschirmung 18 einerseits im Normalbetrieb, wenn die Abschirmung die Feldwicklung 12 vor Strahlungswärme schützt und andererseits, bei anormalen Betriebsbedingungen ableitet, wenn nämlich die Abschirmung während der kurzzeitigen stromführenden Zustände aufgrund des Einflusses von Störungen der Übertragungsleitung auf den supraleitenden Generator selbst Wärme erzeugt.

Der Strömungsmittelkreislauf umfaßt einen radial verlaufenden Verbindungskanal 22, durch welchen das Kühlmittel aus einem Kühlmittelreservoir 24 fließt, in welchem während der Drehung der Rotoranordnung 10 das Kühlmittel ringförmig auf der Innenseite des Wicklungsträgers 14 anliegt. Der Verbindungskanal 22 verläuft radial durch einen radialen Wärmetauscher 26 und zwar von der innenliegenden einlaßsei tigen Öffnung 28 zur außen liegenden Öffnung, die in kommunizierender Verbindung mit einer Ringnut steht, welche in der äußeren Oberfläche des Sicherungsrohres 16 angeordnet ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform verläuft die Ringnut 30 nicht kontinuierlich über den Umfang, sondern ist in einzelne Segmente unterteilt, welche

zahlenmäßig

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zahlenmäßig der Anzahl der radialen Wärmeaustauscher 26 entsprechen, durch welche der Flüssigkeitsaustausch aufrechterhalten wird. Diese Ringnut 30 wirkt als Verteiler für das Kühlmittel, so daß es über eine Vielzahl von Axialnuten 32 auf der Innenseite des Zylinders 20 verteilt werden kann. In einer alternativen Ausgestaltung können die Axialnuten auch innerhalb des Sicherungsrohres 16 ausgebildet sein, jedoch wird der Verlauf der Axialnuten im Zylinder 20 bei der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt. Über die !Ringnut 30 wird die Strömungsverbindung zwischen dem radial verlaufenden Verbindungskanal 22 und den Axialnuten 32 hergestellt. Im Auslaufbereich der Axialnuten 32 ist eine weitere Ringnut 34 vorgesehen, über welche die Strömungsverbindung zu einem in Fig. 1 nicht dargestellten radial nach innen verlaufenden Verbindungskanal hergestellt wird. Dieser Verbindungskanal mündet mit einer Rücklauföffnung 36 in die Ringnut 34 und verläuft radial bis zum Kühlmittelreservoir 24.

Wie aus dem vorausstehenden sich ergibt, entsteht dadurch eine Kühlmittelsehleife, über welche man Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir 24 radial durch den Verbindungskanal 32 und den radialen Wärmeaustauscher 26 zur Ringnut 30 leiten kann, von wo aus das Kühlmittel über die Axialnuten 32 und die weitere Ringnut 34 sowie den der Rücklauföffnung 36 zugeordneten, jedoch in Fig. 1 nicht dargestellten Verbindungskanal zurück zum Kühlmittelreservoir 24 fließt. Über diese Kühlschleife wird Wärme abgeleitet, welche sieh entweder aus Strahlungswärme oder im Inneren durch die Kurzschlußströme in der Abschirmung erzeugte Wärme ergibt. Diese durch Kurzusehluß erzeugte Wärme wird primär vom Kühlmittelfluß durch die Axialnuten 32 aufgenommen.

Der radiale Wärmetauscher 26 ist von besonderer Wichtigkeit und dient der Aufrechterhaltung eines Kühlmittelstromes entlang der Kühlschleife. Wenn das Kühlmittel radial durch den Verbindungskanal 22 fließt, wird es komprimiert. Dadurch ergibt sich eine Temperaturerhöhung

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erhöhung. Der radiale Wärmeaustauscher 26 überträgt die dabei entstehende Wärme vom radial außenliegenden Ende zum radial innenliegenden Ende an der einlaßseitigen Öffnung 28, welche in das Kühlmittelreservoir ragt. Durch diese Wärmeübertragung wird die Temperatur des Kühlmittels am außen liegenden Ende des Wärmeaustausehers 26 verringert, so daß es mit einer geringeren Temperatur in die Ringnut 30 fließt und sich somit eine Vergrößerung des Temperaturgradienten zwischen der Ringnut 30 und der Ringnut 34 ergibt. Dieser vergrößerter Temperaturgradient fördert den Aufbau einer selbsttätigen Wärmezirkulation innerhalb der Kühlschleife.

Die in Fig. 1 gezeigte Wirbeldiode bzw. das Wirbelventil 40 ist am radial außenliegenden Ende des radialen Wärmeaustauschers 26 angeordnet. Die Anordnung in diesem Bereich ist funktionell nicht unbedingt notwendig, jedoch wird dadurch die Herstellung einfacher. Das Wirbelventil 40 könnte auch an'einer anderen geeigneten Stelle innerhalb der Kühlmittelsehleife für die kalte Abschirmung angeordnet sein.

Während eines thermischen Übergangszustandes, welche durch einen Ausfall oder eine Störung der Übertragungsleitung ausgelöst ist, fließt ein elektrischer Strom durch die Abschirmung 18. Dieser Strom löst aufgrund des ohmschen Widerstandes eine Erwärmung der Abschirmung 18 aus. Mit dieser Erwärmung ist eine schnelle Ausdehnung des an die Abschirmung 18 angrenzenden Kühlmittels in den Axialnuten 32 zwischen den Ringnuten 30 und 34 verbunden. Das sich ausdehnende Kühlmittel hat normalerweise die Tendenz axial durch die Nuten 32 in beiden Richtungen sich zu verschieben und zwar sowohl in Richtung auf die Ringnut 30 als auch auf die Ringnut 34. Ferner ist eine Tendenz zur radialen Verschiebung durch die beiden Verbindungskanäle in- Richtung auf das Kühlmittelreservoir 24 vorhanden. Wenn man diesen anormalen Strömungsfluß zuläßt, würde der reguläre Strömungsmittelfluß in der der kalten Abschirmung zugeordneten Kühlschleife erheblich gestört werden, so daß sich von der Abschirmung 18 aus die Wärme radial nach innen durch das Sicherungs

rohr

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rohr 16 zur Feldwicklung 12 ausbreiten würde, bevor eine Kühlmittelströmung in der richtigen Richtung aufgebaut werden könnte. Durch diese Erscheinung würde die Feldwicklung 12 über die supraleitenden Temperaturen hinaus in den ohmiseh leitenden Zustand erwärmt werden, was mit einem Ausfall des Generators verbunden wäre.

Das Vorhandensein des Wirbelventils 40 in der Kühlmittelschleife unterdrückt diese normale Tendenz und die damit verbundenen potentiellen katastrophalen Folgen. Während der Zeitdauer einer raschen Expansion des Kühlmittels verhindert das Wirbelventil 40 sehr eindeutig einen radial nach innen zum Kühlmittelreservoir gerichteten Strömungsmittelfluß durch den Wärmeaustauscher 26. Durch diese Behinderung wird infolge des sich ausbreitenden Volumens des Kühlmittels ein Strömungsmittelfluß von dem Wirbelventil 40 weg zur Ringnut 34 und damit zur Rücklauföffnung der Kühlschleife erzwungen. Dieser Strömungsmittelverlauf ist thermodynamisch dem oben erwähnten in zwei Richtungen sich ausbreitenden Strömungsmittelfluß überlegen und vorzuziehen, da die Wärmeableitung von der kalten Abschirmung auch während kurzer Perioden einer raschen Expansion des Kühlmittels verbessert wird.

Unmittelbar nach dem Auftreten einer solchen raschen Expansion des Kühlmittels hat die Masse des Kühlmittels in der Kühlmittelschleife ein Moment, welches von der Ringnut 30 zur Ringnut 34 gerichtet ist. Da diese Richtung des Strömungsflusses mit den normalen Betriebsbedingungen übereinstimmt, ergibt sich nunmehr eine Verbesserung in der Form, daß die Wiederausbildung des richtig verlaufenden selbständigen Thermoflusses nach einem durch Fehler ausgelösten thermischen Stoß wieder einstellt.

Auch während der Zeitdauer, welche unmittelbar auf die rasche Expansion des Kühlmittels folgt, verhindert das Wirbelventil 40 einen Strömungsfluß von der Ringnut 30 radial durch den Wärmetauscher 26. Während dieser Zeitdauer, wenn sich der Strömungsverlauf

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verlauf in der Kühlschleife noch nicht stabilisiert hat, wirken verschiedene Kräfte auf das Kühlmittel ein, welche sowohl durch die Drehung der Rotoranordnung 10 als auch durch thermische Gradienten bzw. durch Druckgradienten oder ein Strömungsmoment ausgelöst sind. Das Wirbelventil 40 begünstigt aufgrund seiner natürlichen Strömungscharakteristik diejenigen Kräfte, welche die Tendenz haben, das Strömungsmittel in der richtigen Richtung zu verschieben, und unterdrückt den Strömungsfluß in einer unerwünschten Richtung. Damit wird die Aufrechterhaltung bzw. die Ausbildung des normalen selbsttätigen Thermoflusses begünstigt.

Durch diese vom Wirbelventil 40 verursachten Wirkungen wird dafür gesorgt, daß der richtige Kühlmittelfluß wieder vorhanden ist, bevor sich die Wärmewelle von der kalten Abschirmung 18 aus durch das Sicherungsrohr 16 zur Feldwicklung 12 ausbreiten kann. Der schnelle Wiederaufbau der richtigen Kühlmittelströmung ist kritisch, da das geringe thermische Diffusionsvermögen und die geringe Dicke des Sicherungsrohres 16, obwohl ausreichend, um die Ausbreitung der Wärmewelle zu verlangsamen, diese Ausbreitung nicht lang genug verzögern könnte, damit sich in der Kühlschleife der richtige Strömungsmittelfluß immer durch die thermischen Kräfte allein aufbauen könnte.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf das Wirbelventil 40 dargestellt, wie es sich zeigt, wenn der Zylinder 20 entfernt ist. Dieses Wirbelventil umfaßt einen Auslauf 42 und eine Wirbelkammer 44. Im Zentrum der Wirbelkammer 44 mündet der Verbindungskanal 22. In Fig. 2 sind ferner die Strömungslinien NF für den normalen Strömungsverlauf und Strömungslinien für den rüekwärtsgerichteten Strömungsverlauf RF angedeutet. Beim normalen Strömungsverlauf ergibt sich eine direkte Strömung von der Eintrittsöffnung im Zentrum der Wirbelkammer aus zum Auslauf 42. Diese Strömung fließt kontinuierlich in die Ringnut 30 und die Kühlmittelschleife.

Beim

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Beim entgegengerichteten Strömungsverlauf RF muß das Kühlmittel in einer Spiralströmung durch die Wirbelkammer 44 fließen. Aufgrund der Erhaltung des Momentes erfährt diese Rückwärtsströmung eine Verringerung ihres Trägheitsmomentes auf dem Weg zum Zentrum der Wirbelkammer. Wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit auf ihrem Weg zum Zentrum der Wirbelkammer vergrößert, erfährt sie einen Widerstand durch die zentrifugale Komponente, welche die Verschiebung in Richtung auf die Austrittsöffnung des radial verlaufenden Verbindungskanals 22 hemmt. Durch diese Kraft wird der Diodeneffekt bewirkt aufgrund dessen der Strömungsfluß in der einen Richtung und zwar der normalen Strömungsrichtung NF begünstigt wird, wogegen der Strömungsfluß in der entgegengesetzten Strömungsrichtung RF behindert bzw. gehemmt wird.

Um diese Eigenschaft des Wirbelventils 40 zu begünstigen, ist in dem Verbindungskanal 22 eine Änderung in der Weise vorgesehen, daß der normale zylindrische Durchgang mit gleichbleibendem Durchmesser abgewandelt wird. In Fig. 3 sind zwei Modifikationen des Verbindungskanals 22 erkennbar, welche beide dem Zweck dienen, die Verwirbelung der Strömung in dem Verbindungskanal 22 zu verringern. Wie erwähnt behindert das Wirbelventil 40 die Ausbildung der Strömung in rückwärtiger Richtung sehr intensiv. Das Wirbelventil ist jedoch bezüglich seiner Wirkung kein perfektes Strömungsventil, so daß ein geringer Anteil der reduzierten Strömung in den Verbindungskanal 22 eindringt und sich durch diesen in Richtung auf das Kühlmittelreservoir 24 verschiebt. Wenn dieser rückwärtige Strömungsfluß durch den Verbindungskanal 22 zugelassen würde, ergäbe sich eine Verringerung des Druckgradienten von der äußeren Eintrittsöffnung zur radial innen gelegenen Austrittsöffnung zum Kühlmittelreservoir, welche die Aufrechterhaltung eines rückwärtsgerichteten Strömungsflusses unterstützen würde.

Dieser Effekt ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß sich eine aus der Öffnung 28 austretende Wirbelströmung nach außen mit ansteigen

der

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der Geschwindigkeit ausbreiten und eine Verringerung des Druckgradienten längs des Verbindungskanals 32 bewirken würde. Um diese nachteilige Verwirbelung hinter der Öffnung zu vermeiden, sind zwei Änderungen im Verbindungskanal 22 vorgesehen.

Zunächst wird ein Teil des Verbindungskanals vergrößert und zwar im Bereich des mittleren Abschnittes 46 zwischen der Eintritts- und der Austrittsöffnung des Verbindungskanales. Dieser mittlere Abschnitt 46 wird dabei etwa auf den doppelten Durchmesser vergrößert. Die Strömungslinien der Wirbelströmung breiten sich beim Eintritt in diesen mittleren Abschnitt 46 aus, und müssen wieder eine Kompression erfahren, wenn sie vom mittleren Abschnitt aus in den Verbindungskanal einfließt. Dieses Aufweiten und Zusammendrücken des Wirbelstromes bewirkt eine Verringerung der Verwirbelung und wirkt einer spiralförmigen Strömung entgegen.

Ferner werden in den Verbindungskanal 22 die Strömung streckende Leitflächen 47 und 48 eingefügt, die einerseits im engeren Durchmesser des Verbindungskanals und andererseits im mittleren Abschnitt 46 angeordnet sind. Diese Leitflächen unterstützen die Aufrechterhaltung einer geradlinigen nicht verwirbelten Strömung und sind aus Fig. 4 und 5 entnehmbar. In Fig. 3 ist der normale Strömungsverlauf NF und der entgegengerichtete Strömungsverlauf RF im Bereich der Wirbelkammer 44 angedeutet. Die Leitflächen 47 und 48 verlaufen durch den Verbindungskanal in Form radial sich erstreckender Stege.

Aus der vorausstehenden Erläuterung der Erfindung geht hervor, daß das Problem einer instabilen Kühlflüssigkeitsströmung aufgrund von thermischen Stoßen in supraleitenden Rotoren durch einfache mechanische Maßnahmen leicht beseitigt werden kann. Durch die Maßnahmen ergibt sieh eine einfache Möglichkeit, den richtungen Strömungsmittelfluß nach einer Störung bzw. einem Ausfall einer Übertragungsleitung sehr rasch wieder aufzubauen. Es ist im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, das Wirbelventil durch andere Komponenten zu ersetzen,

die

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die dieselbe Wirkung haben um eine Ausbreitung eines rückwärtsgerichteten Strömungsmittelflusses durch den Verbindungskanal zum Kühlmittelreservoir zu unterdrücken. Das Wirbelventil kann auch in anderen Bereichen der Kühlmittelschleife außerhalb des Verbindungskanals 22 angeordnet sein.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   Kühlsystem für einen supraleitenden Generator, welches den "richtigen Kühlmittelfluß nach einem thermischen Stoß entsprechend einem charakteristischen Verlauf wieder aufbaut, mit einer auf der * Rotüranordnung des Generators befestigten und von einem Sicherungsrohr festgehaltenen Feldwicklung, um welches eine zylindrische Kühlanordnung verläuft, mit einem im Inneren des Rotors vorgesehenen . Kühlmittelreservoir, von welchem aus radial über einen Verbindungskanal das Kühlmittel zur zylindrischen Kühlanordnung und in dieser axial durch den Rotor geleitet wird, und mit einem weiteren radial verlaufenden Verbindungskanal um das Kühlmittel aus der zylindrischen Kühlanordnung zum Kühlmittelreservoir zurückzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlmittelkreislauf die Strömung beeinflussende Strömungseinrichtungen (40) angeordnet sind, welche einer Rückwärtsströmung des Kühlmittels entgegenwirken bzw. eine solche verhindern, und daß Einrichtungen (26) dafür sorgen, daß das vom Kühlmittelreservoir radial nach außen fließende Kühlmittel auf einer gegenüber dem im weiteren Verbindungskanal radial nach innen fließenden Kühlmittel niedrigeren Temperatur gehalten wird.

   - 2 - WS 270 P - 2360

   2·) Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Riickwärtsströmung hemmenden Strömungseinrichtungen aus einem Wirbelventil (40) bestehen.

   3.) Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im radial nach außen verlaufenden Verbindungskanal eine Wirbelströmung verhindernde Einrichtungen (47, 48) angeordnet sind.

   4·.) Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelströmung verhindernden Einrichtungen aus Leitflächen (47, 48) bestehen, welche axial ausgerichtet im Verbindungskanal (22) angeordnet sind.

   5.) Kühlsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Verhinderung einer Wirbelströmung im Verbindungskanal (22) dieser im mittleren Abschnitt (46) eine Durchmessererweiterung hat, welche strömungsaufwärts gerichtet vor dem Wirbelventil (40) angeordnet ist und zwischen zwei Abschnitten kleineren Durchmessers des Verbindungskanals (22) liegt.

   <Γ.) Kühlsystem γιγκΊι οίικ.Ίΐι ntU-.r niolirert-n «Ι'τ Ansprüche: ] bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das nach außen fließende Kühlmittel auf einer niedrigeren Temperatur haltenden Einrichtungen aus einem radialen Wärmetauscher (26) bestehen, welcher um den Verbindungskanal (22) herum ausgebildet ist und sich bis zum inneren dem Kühlmittelreservoir (24) benachbarten Ende erstreckt.

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   7.) Kühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel in dem nach außen gerichteten Verbindungskanal (22) und dem in dem weiteren Verbindungskanal zurück zum Kühlmittelreservoir geführten Kühlmittel unter normalen Betriebsbedingungen eine selbständige Umwälzungdes Kühlmittels im Kühlkreislauf verursacht, welcher zwi-'.flicfi den Vf-rbindungskiinäien benachbart zu den Wärme abgebenden Einrichtungen verläuft.

   8.) Verfahren zum Kühlen eines supraleitenden Rotors, bei welchem innerhalb eines der Kühlung dienenden Zylinders ein Kühlmittelreservoir angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel vom Kühlmittelreservoir (24) aus durch einen Verbindungskanal (22) radial nach außen in den der Kühlung dienenden Zylinder (20) geführt wird, daß vom Verbindungskanal (23) aus das Kühlmittel durch den der Kιililiitif.· (IicikmkIcii /,ylnnliT {'/.[)) nxuil über <JJ<-' Rotorlfiiijn: <lurch Nuten (32) geführt wird,

   daß das Kühlmittel am anderen Ende durch zumindest einen weiteren Verbindungskanal zurück zum Kühlmittelreservoir (24) geführt wird, wobei eine Strömung von der austrittsseitigen Öffnung des Verbindungskanals zu den radialen Nuten und von diesen zur Eintrittsöffnung des das Kühlmittel zurück zum Kühlmittelreservoir führenden Verbindungskanals aufrechterhalten wird,

   daß vom Kühlmittel während dem Durchströmen des Verbindungskanals (22) Wärme abgeleitet wird und daß durch Strömungsmaßnahmen eine Strömung in rüekwärtsgerichteter Richtung behindert bzw. unterdrückt wird.

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   9.) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wirbelströmung innerhalb des radial verlaufenden Verbindungskanals (22) unterdrückt wird.

   10.) Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung einer Rückwärtsströmung im Verbindungskanal ein Wirbelventil bzw. eine Wirbeldiode (40) Verwendung findet.