-
-
Abdichtungsvorrichtung mit einer magnetisierbaren
-
Dichtungsfltssigkeit Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur Abdichtung eines Vakuumraumes gegenüber einem auf vergleichsweise höherem Druck
liegenden Raum, insbesondere für einen supraleitenden Turbogenerator, mit einer
zwischen zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen angeordneten Flüssigkeitsdichtung,
deren magnetisierbare Dichtungsflüssigkeit magnetisch in einem Dichtungsbereich
gehalten ist. Eine entsprechende Abdichtungsvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE-OS 20 34 213 bekannt.
-
Die bekannte Abdichtungsvorrichtung kann insbesondere für elektrische
Maschinen, beispielsweise Turbogeneratoren, mit einer tiefzukUhlenden, supraleitenden
Wicklung vorgesehen werden. Diese Maschinen müssen nämlich Einrichtungen zur Uberleitung
eines hierfür geeigneten Kühlmittels, insbesondere von flüssigem oder gasförmigem
Helium, zwischen rotierenden und nicht-rotierenden Maschinenteilen aufweisen. Derartige
Uberleitungseinrichtungen, die auch als Kupplungen bezeichnet werden, befinden sich
im allgemeinen an einem Anschlußkopf auf der den Antriebseinrichtungen der Maschine
gegenUberliegenden Stirnseite des Läufers. Uber diese Kupplungen wird das Kühlmittel
in den Läufer eingeleitet bzw. aus diesem wieder abgeleitet. Die Gestaltung soleher
Kupplungen ist vor allem im Hinblick auf möglichst geringe thermische Verluste des
KUhlmittelkreislaufes
für die Erregerwicklung und im Hinblick auf
kleine Leckraten des kalten KUhlmittels besonders aufwendig. Die Kupplungen müssen
deshalb mit rotierenden Dichtungen versehen sein, die das Kühlmittel einerseits
gegen den Außenraum gut abdichten und die andererseits innerhalb des rotierenden
Systems die Eingangs- von der Ausgangsseite trennen.
-
Weitere Abdichtungsschwierigkeiten ergeben sich, falls an dem Anschlußkopf
auch noch eine Pumpe zum Evakuieren des Läuferinnenraumes angeschlossen werden soll.
Eine solche Evakuierung ist erforderlich, um ein hohes Isoliervakuum zwischen warmen
und kalten Teilen des Läufers über lange Betriebszeiten aufrechterhalten zu können.
Aufgrund dieser Forderung muß am Anschlußkopf zwischen einem feststehenden und einem
rotierenden Evakuierungsleitungsteil mindestens eine Abdichtungsvorrichtung vorgesehen
sein, die einen hohen Druckunterschied abzudichten vermag. Derartige Dichtungen
müssen außerdem auch bei Schwingungen des Läufers gute Abdichtungseigenschaften
aufweisen.
-
Mit der aus der eingangs genannten DE-OS 20 34 213 bekannten magnetischen
Flüssigkeitsdichtung können diese Forderungen zumindest weitgehend erfüllt werden.
Diese Dichtung besteht im wesentlichen aus einem stehenden Teil, dem sogenannten
Dichtungsmodul, und einem rotierenden Teil, beispielsweise einer Welle. Zwischen
beiden Teilen ist ein Spalt vorbestimmter Weite ausgebildet. Das Dichtungsmodul
seinerseits enthält zwei ringförmige Polschuhe und einen dazwischen angeordneten
ringförmigen Permanentmagneten. Die Polschuhe sind zur Welle hin mit
Fokussierungsschneiden
versehen, um möglichst hohe Feldgradienten im Dichtungsbereich auszubilden.
-
Uber den rotierenden Teil, der ferromagnetisches Material enthält,
wird der magnetische Kreis geschlossen. Eine in den Dichtungsbereich zwischen den
Fokussierungsschneiden und dem rotierenden Teil eingefüllte, zumindest weitgehend
magnetisierbare Dichtungsflüssigkeit wird dann aufgrund des dort konzentrierten
magnetischen Flusses gehalten.
-
Bei der Dichtungsflüssigkeit handelt es sich um eine Trägerflüssigkeit
wie z.B. einen speziellen Kohlenwasserstoff, in der kleinste ferromagnetische Partikel
wie z.B. aus Ferrit suspendiert sind. Eine solche Flüssigkeitsdichtung ist zur Abdichtung
einer hohen Druckdifferenz geeignet.
-
Sollen derartige Flüssigkeitsdichtungen bei supraleitenden Turbogeneratoren
vorgesehen werden, deren Wartungsintervalle im allgemeinen mindestens 2 Jahre betragen,
so wird ein entsprechend langer, störungsfreier Dauerbetrieb der Dichtung gefordert.
Es hat sich Jedoch gezeigt, daß bei solchen schnell-drehenden Maschinen bereits
nach wesentlich kürzeren Zeiten die Dichtung aufgrund eines Austrocknens der Trägerflüssigkeit
an der dem Vakuum zugewandten Seite ausfällt. Man hat deshalb versucht, durch die
Auswahl anderer Trägerflüssigkeiten die Funktionsfähigkeit der bekannten Dichtung
zu verlängern. Auch eine besondere Kühlung der Dichtungsmoduln ist vorgesehen worden,
da insbesondere bei den kleinen Spaltweiten des Dichtungsbereiches und den hohen
Drehzahlen eine Erwärmung der Dichtungsflüssigkeit zu beobachten ist.
-
Mit diesen Maßnahmen konnte Jedoch die für den Einsatz bei Turbogeneratoren
geforderte Lebensdauer der Flüssigkeitsdichtung nicht erreicht werden.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannte
Abdichtungsvorrichtung mit einer Flussigkeitsdichtung dahingehend zu verbessern,
daß sie eine Langzeitstabilität aufweist, die ihren Einsatz bei Generatoren ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dichtungsbereich
an den Vakuumraum über eine Drosselstrecke angeschlossen ist zur Reduzierung des
effektiven Saugvermögens 5e an der FlUssigkeitsdichtung von einem Wert S1 des Saugvermögens
des Vakuumraumes auf einen Wert Sei 10 2 Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis
aus, daß durch ein hohes effektives Saugvermögen an der Oberfläche der bekannten
Dichtungsflüssigkeiten der Gleichgewichtsdampfdruck der Trägerflüssigkeit gestört
wird und somit laufend Moleküle aus dem Dampfraum über der Flüssigkeitsoberfläche
in den Vakuumraum abgesaugt werden. Dieser Vorgang wird durch erhöhte Temperaturen
der Dichtungsflüssigkeit noch beschleunigt, da sich ihr Dampfdruck entsprechend
vergrößert. Dieses Verdampfen der Trägerflüssigkeit führt schließlich zu einem Eintrocknen
und somit zu einem Verlust der Abdichtungseigenschaften der bekannten Flüssigkeitsdichtungen.
Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgesehenen Drosselstrecke kann nunmehr vorteilhaft
dafür gesorgt werden, daß die Saugleistung der Vakuumseite an der Flüssigkeitsdichtung
so reduziert wird, daß der abgesaugte Massenstrom an Trägerflüssigkeit äußerst klein
bleibt und somit der geforderte Langzeitbetrieb zu gewährleisten ist.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Abdichtungsvorrichtung nach der Erfindung
gehen aus den Unteransprüchen hervor.
-
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
Fig. 1 bis 4 Jeweils ein Längsschnitt durch eine Abdichtungsvorrichtung nach der
Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
-
Die Abdichtungsvorrichtung nach der Erfindung kann vorteilhaft für
einen supraleitenden Turbogenerator vorgesehen werden, der einen Läufer mit einer
tiefzukühlenden, supraleitenden Erregerwicklung enthält, die von mindestens einem
mitrotierenden, im allgemeinen ebenfalls zu kühlenden Dämpferschild umgeben ist.
Zur thermischen Isolation der kalten Teile des Läufers, insbesondere der supraleitenden
Erregerwicklung, sind in dem Läufer mitrotierende Vakuumräume vorgesehen. Die Vakua
werden durch ständiges Abpumpen aufrechterhalten. Hierzu ist eine externe, ortsfeste
Evakuierungsvorrichtung an einem entsprechend gestalteten Anschlußkopi der Maschine
angeschlossen, an dem außerdem ein Kühlmittel zwischen feststehenden und rotierenden
Teilen übergeleitet wird. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Anschlußkopfes geht
z.B. aus der DE-OS 28 41 163 oder der DE-PS 28 56 128 hervor.
-
Die in Fig. 1 angedeutete Abdichtungsvorrichtung kann beispielsweise
in einen entsprechenden Anschlußkopf integriert sein. In der Figur ist nur der bezüglich
einer Rotationsachse 2 obere Teil eines Ausschnittes aus diesem, allgemein mit 3
bezeichneten
Anschlußkopf ausgeführt. Die zu evakuierenden Läuferräume
sind mit einem zentralen, rotierenden Evakuierungsrohr verbunden, das von einem
hohlzylindrischen Wellenendstück 4 gebildet wird. Dieses Evakuierungsrohr mündet
in einen achsnahen Vakuumteilraum 5, der im wesentlichen von feststehenden Gehäuseteilen
des Anschlußkopfes Z begrenzt ist.
-
Zur Evakuierung dieses Vakuumteilraumes 5 ist ein zentraler Anschlußflansch
6 vorgesehen, an den flexibel die externe Evakuierungsvorrichtung angeschlossen
werden kann. In dem Vakuumteilraiim 5 herrscht somit ein Unterdruck p1 von z.B.
sS 10 5bar.
-
Der Anschlußkopf 3 stützt sich über ein Lager 8 mit einer Lagerschale
9 an dem Wellenendstück 4 ab. Außerdem weist er Räume auf, die das rotierende Wellenendstück
4 umschließen und durch die das erforderliche Kühlmittel gefördert wird. Beispielsweise
strömt durch einen solchen Innenraum 10 des Anschlußkopfes erwärmtes Helium-Gas
(He) mit einem Druck von etwa 1,1 bar, das an einem Flansch 11 aus dem Anschlußkopf
3 ausgeleitet wird. Dieser Innenraum 10 muß dabei gegenüber dem Vakuumteilraum 5
abgedichtet sein, um ein Absaugen des Kühlmittels in den Vakuumteilraum und somit
eine entsprechende Verschlechterung der isolierenden Vakua in dem Läufer zu verhindern.
-
Hierzu dient die in Fig. 1 allgemein mit 12 bezeichnete Abdichtungsvorrichtung
gemäß der Erfindung, an die hohe Anforderungen zu stellen sind, da Ja der Druckunterschied
zwischen den beiden Räumen 5 und 10 sehr groß ist. Diese zwischen einem hohlzylindrischen
Gehäuseteil 13 und dem Wellenendstück 4 parallel zu dem Lager 8, 9 angeordnete Abdichtungsvorrichtung
12 setzt sich aus einer magnetischen Flüssigkeitsdichtung 14 und einer Drossel strecke
15 zusammen. Die Flüssigkeitsdichtung
14, die das Wellenendstück
4 in einem vorbestimmten Abstand umschließt, weist einen an dem Gehäuseteil 13 befestigten
Ringmagneten 17 auf, der an seine beiden gegenüberliegenden Stirnseiten mit ringscheibenförmigen
Polschuhen 18 und 19 versehen ist.
-
Diese Polschuhe sind an ihrer dem Wellenendstück 4 zugewandten Seite
zahnartig gestaltet, wobei zwischen ihnen und dem Außenmantel des aus ferromagnetischem
Material bestehenden Wellenendstückes ein geringer Spalt eingehalten wird. Dieser
Spalt ist mit einer ferromagnetischen Dichtungsflüssigkeit 20 ausgefüllt. Eine entsprechende
Flüssigkeitsdichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 20 34 213 bekannt.
-
Trotz der äußerst geringen Spaltweite der FlUssigkeitsdichtung und
der damit auf die Dichtungsflüssigkeit 20 einwirkenden großen Haltekräfte ist ein
störungsfreier Langzeitbetrieb der Flüssigkeitsdichtung 14 allein, wie er für Turbogeneratoren
gefordert wird, nicht ohne weiteres zu gewährleisten. Da erkannt wurde, daß als
Ursache hierfür das von dem Vakuumteilraum 5 ausgehende Saugvermögen S1 auf die
Dichtungsflüssigkeit 20 anzusehen ist, wird gemäß der Erfindung eine Reduzierung
dieses Saugvermögens vorgesehen. Hierzu ist die Abdichtungsvorrichtung 12 zusätzlich
mit der besonderen Drosselstrecke 15 ausgestattet. Mit dieser Drosselstrecke läßt
sich das Saugvermögen des Vakuumraumes 5 wesentlich herabsetzen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 ist die Drosselstrecke 15 dadurch ausgebildet, daß ein sich zwischen
dem die Flüssigkeitsdichtung 14 tragenden Gehäuseteil 13 und einem den Vakuumraum
5 mit begrenzenden Gehäuseteil 22 erstreckendes Gehäuseteil 23 des Anschlußkopies
2 auf einer vorbestimmten
Länge 1 das rotierende Wellenendstück
4 in einem vorbestimmten, geringen Abstand w vmschließt. Durch eine geeignete Wahl
der Länge 1 und der Spaltweite w des so ausgebildeten Spaltes 24 kann dann ein verhältnismäßig
kleiner Wert des effektiven Saugvermögen Se in einem Vorraum 25 auf der der Flüssigkeitsdichtung
14 zugewandten Seite eingestellt werden. Vorteilhaft soll dort das effektive Saugvermögen
Se um einen Faktor von mindestens 10 , vorzugsweise von mindestens 5 x 10 3 kleiner
sein als das Saugvermögen S1 in dem Vakuumteilraum 5. Der in dem Vorraum 25 herrschende
Druck p2 wird dabei gegenüber dem Druck p1 entsprechend erhöht. Aufgrund des mittels
der Drosselstrecke 15 wesentlich reduzierten Saugvermögens wird dann ein entsprechend
geringerer Fluidmassenstrom aus dem Dampfraum über der Oberfläche der Dichtungsflüssigkeit
20 zur Vakuumseite hin abgesaugt. Die Folge davon ist eine entsprechende Verlängerung
der Lebensdauer der FlUssigkeitsdichtung 14, d.h. ihrer ungestörten Abdichtungsfunktion.
-
Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel für den Abbau des Saugvermögens
mittels einer Drosselstrecke nach Fig. 1 betrug das Saugvermögen S1 vor der Drosselstrecke
15 etwa 1 ljsec bei einem Druck p1 von etwa mbar. Die Drosselstrecke hatte eine
axiale Ausdehnung 1 von etwa 10 cm und eine Spaltweite w von etwa 100 µm, wobei
der Innenradius des Spaltes bezugleich der Rotationsachse 2 etwa 3,8 cm betrug.
Nach der Drosselstelle ergab sich ein effektives Saugvermögen Se in dem Vorraum
25 von etwa 1,8 . 10-3 l/sec bei einem Druck p2 von etwa 5 10 2 mbar.
-
Gemäß Fig. 1 wurde davon ausgegangen, daß die Drosselstrecke 15 der
Abdichtungsvorrichtung nach der Erfindung durch einen in Ausdehnungsrichtung der
Rotationsachse 2 langgestreckten Spalt 24 mit kreisringförmigem Querschnitt gebildet
wird. Ist eine Ausdehnung des Spaltes in dieser Richtung, beispielsweise aus Platzgründen,
nicht möglich, so können ebensogut auch das Wellenendstück und die dazu benachbarten
Gehäuseteilstücke des Anschlußkopfes so gestaltet sein, daß sich beispielsweise
ein in radialer Richtung ausgedehnter Spalt der Drosselstrecke ergibt. Ferner braucht
sich dieser Spalt nicht unbedingt nur in einer einzigen Ebene zu erstrecken, sondern
kann z.B. abgewinkelt sein. Entsprechende Ausführungsbeispiele gehen aus den Fig.
2 und 3 hervor. In diesen Figuren sind mit Fig. 1 übereinstimmende Bauteile mit
den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten oberen Teil eines Längsschnittes
durch eine Abdichtungsvorrichtung 28 mit einer Fiüssigkeitsdichtung 14 kann deren
Drosselstrecke 29 auch einen mäanderförmigen Spalt 30 aufweisen. Dieser Spalt erstreckt
sich zwischen rotierenden Teilen 31 des WellenendstUckes 4 und ortsfesten Gehäuseteilen
32 eines Anschlußkopfes . Die rotierenden Wellenendstückteile 31 und die ortsfesten
Gehäuseteile 32 sind dabei hohlzylindrisch ausgebildet, konzentrisch bzgl. der Ratationsachse
2 angeordnet und greifen kammartig ineinander.
-
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Drosselstrecke
34 fUr eine Abdichtungsvorrichtung 35 nach der Erfindung veranschaulicht.
-
Diese auf der Vakuumseite einer Flüssigkeitsdichtung
14
angeordnete Drosselstrecke wird im wesentlichen von einer mit dem Wellenendstück
4 starr verbundenen Kappe 36 gebildet, die im Längsschnitt etwa L-förmigen Querschnitt
aufweist. Unter diese Kappe greift ein entsprechend geformtes Teil 37 des ortsfesten
Anschlußkopfes n derart, daß zwischen diesem Teil 37 und der Kappe 36 ein schmaler,
gewinkelter Spalt 38 ausgebildet ist. Durch die Bemessung der Spaltweite und der
Spaltlänge kann die gewünschte Reduzierung des effektiven Saugvermögens 5e auf die
Flüssigkeitadichtung 14 festgelegt werden.
-
Neben den in den Fig. 1 bis 3 angedeuteten Ausbildungen von Drosselstrecken
mit einem im axialen Längs schnitt geraden oder abgewinkelten Spalt vorbestimmter
Länge und Weite kann eine Reduzierung des effektiven Saugvermögens auch durch andere,
den Saugwiderstand zwischen dem Vakuumraum und der Flussigkeitsdichtung erhöhende
Maßnahmen erreicht werden. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Abdichtungsvorrichtung
ist in Fig. 4 als Längsschnitt veranschaulicht. Diese Abdichtungsvorrichtung 40
enthält neben einer Flüssigkeitsdichtung 14 eine Drosselstrecke 41, die durch ein
Lager mit einer Stopfbuchse gebildet wird. Zwischen den mit 42 bezeichneten Kugeln
des Lagers kann gegebenenfalls, insbesondere für Maschinen mit niedrigen Drehzahlen,
noch zusätzlich eine Lagerfettfüllung 43 vorgesehen sein. Das hierfür zu verwendende
Fett hat zweckmäßig eine geringe Ausgasungsrate im Vakuum.
-
Bei den Ausf(1hrungsbeispielen, insbesondere nach Fig. 1, wurde davon
ausgegangen, daß die erfindungsgemäß ausgestaltete Abdichtungsvorrichtung besonders
vorteilhaft in supraleitenden Turbogeneratoren ein-
zusetzen ist,
bei denen auf Dauer zu evakuierende Räume im Läufer vorgesehen sind. Entsprechende
Abdichtungsvorrichtungen lassen sich Jedoch ebensogut auch in Jeder anderen Einrichtung
verwenden, die einen Dichtungsbereich zwischen rotierenden und nicht-rotierenden
Bauteilen aufweist, in dem Vakuumräume von auf vergleichsweise höherem Druck liegenden
Räumen zu trennen sind. So können FlUssigkeitsdichtungen und die ihnen vorzuschaltenden
Drosselstrecken vorteilhaft auch für Durchführungen in Ultrahochvakuumbereiche wie
z.B. bei Bedampfungsanlagen oder Spektrometern eingesetzt werden. Hierdurch läßt
sich weitgehend verhindern, daß Trägerflüssigkeitsmoleküle das Ultrahochvakuum verschlechtern.
-
6 Patentansprüche 4 Figuren
Leerseite