DE3229928C2 - Einrichtung zur Kühlung der supraleitenden Läuferwicklung einer elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Die Kühleinrichtung für eine supraleitende Erregerwicklung im Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, enthält einen mitrotierenden Kühlmittelvorratsraum mit zwei Phasen eines von außen zugeführten Kühlmittels, ein am Außenumfang der Wicklung angeordnetes Kühlmittelverteilersystem, eine radiale Kühlmitteleinspeisungsleitung, einen Wärmetauscher zwischen dem Kühlmittelvorratsraum und dem Kühlmittelverteilersystem, eine mitrotierende Mischkammer mit zwei Phasen des Kühlmittels unter einem vergleichsweise geringeren Druck als in dem Kühlmittelvorratsraum, und Kühlmittelwege in Wärmeaustauschverbindung mit der Wicklung zwischen dem Kühlmittelverteilersystem und der Mischkammer. Um größere Druckunterschiede zwischen dem Kühlmittelvorratsraum und der Mischkammer ausgleichen zu können und zugleich ein ungestörtes Nachfließen des Kühlmittels in das Kühlmittelverteilersystem zu gewährleisten, steht erfindungsgemäß der Innenraum (15) des Wärmetauschers (13) in direkter Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlmittel (A ↓1Δ) in dem Kühlmittelverteilersystem (7) und ist auf seiner Einlaufseite (16) an die Kühlmitteleinspeisungsleitung (12) und auf seiner Auslaßseite (17) an das Kühlmittelverteilersystem (7) angeschlossen.

Description

dadurch gekennzeichnet,

daß der Wärmetauscher (13) auf seiner Einlaßseite (16) an die Kühlmitteleinspeisungsleitung (12) angeschlossen ist und sein Innenraum (15) in direkter Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlmittel (Ai') in dem Kühlmittelverteilersystem (7) steht und daß das Kühlmittelverteüersystem (7) einen besonderen Kühlmittelverteilungskanal (14) umfaßt, in dem der Wärmetauscher [13) angeordnet ist und der mit der Mischkammer (5) über mindestens eine Kühlmittelabführungsleitung (19) verbunden ist.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßseite (17) des Wärmetauschers (13) zumindest annähernd in der Mitte der axialen Ausdehnung des Kühlmittelverteilersystems (Z) Hegt.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine selbstregulierende Zuführung des kryogenen Kühlmittels von außen in den Kühlmittelvorratsraum (10) über eine feststehende Kühlmittelzuführungsleitung (23,22) vorgese hen ist, deren Einmündungsstelle (21) in dem Kühlmittelvorratsraum (10) auf einem vorbestimmten Radius (R) bezüglich der Läuferachse (4) liegt

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (13) rinnenartig gestaltet und mit die Wärmeaustauschfläche vergrößernden Kühlrippen (37) versehen ist

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Erregerwicklung im Läu-

is fer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators. Diese Kühleinrichtung umfaßt einen mitrotierenden Kühlmittelvorratsraum, der eine gasförmige und flüssige Phase eines von außen zugeführten kryogenen Kühlmiitels enthält, ein am Außenumfang der Erregerwicklung angeordnetes Kühlmittelverteüersystem, ferner mindestens eine zumindest weitgehend radial bezüglich der Achse des Läufers verlaufende Kühlmitteleinspeisungsleitung zwischen dem Kühlmittelvorratsraum und dem Kühlmittelverteüersystem so- wie einen auf seiner Auslaßseite an das Kühlmittelverteilersystem angeschlossenen Wärmetauscher zur Abkühlung von aus dem Kühlmittelvorratsraum entnommenem und über die Kühlmitteleinspeisungsleitung in das Kühlmittelverteüersystem eingeleitetem Kühlmit tel. Außerdem enthält die Kühleinrichtung eine achsna he, mitrotierende Mischkammer, die eine gasförmige und flüssige Phase des Kühlmittels enthält und die unter einem vergleichsweise geringeren Druck als in dem Kühlmittelvorratsraum steht, und darüber hinaus zwi sehen dem Kühlmittelverteüersystem und der Misch kammer zumindest weitgehend radial bezüglich der Läuferachse verlaufende Kühlmittelwege, die in Wärmeaustauschverbindung mit der Erregerwicklung stehen, sowie mindestens eine weitere, entsprechend ver- laufende Kühlmittelverbindungsleitung ohne direkte Wärmeaustauschverbindung mit der Erregerwicklung. Dabei ist eine Kühlmittelströmung von der Mischkammer aus über diese weitere Kühlmittelverbindungsleitung und das Kühlmittelverteüersystem sowie durch die Kühlmittelwege mit Wärmeaustauschverbindung zu der Erregerwicklung aufgrund eines Selbstpumpeffektes auszubilden. Eine derartige Kühleinrichtung geht aus der DE-PS 28 30 887 hervor. Mit dieser bekannten Kühleinrichtung wird eine

so Überflutungskühlung bzw. Badkühlung der supraleitenden Erregerwicklung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, nach dem Thermosiphon-Kühlprinzip ermöglicht Dieses Kühlprinzip ist in der Dissertation von A. Bejan: »Improved Thermal De sign of the Cryogenic Cooling System for a Supercon ducting Synchronous Generator«, Ph.D.-Thesis, Massachusetts Institute of Technology (USA), Dezember 1974, Seiten 145 bis 167 allgemein beschrieben. Dementsprechend enthält die bekannte Kühleinrichtung eine mitro- tierende Mischkammer, in der sich ein Zweiphasengemisch aus flüssigem und gasförmigem Kühlmittel befindet. Im Betriebszustand bei Rotation werden die Phasen dieses Zweiphasengemisches durch die auf sie einwirkenden zentrifugalen Kräfte getrennt, und es lagert sich der Kühlmitteldampf in achsnahen und die Kühlmittelflüssigkeit in achsfernen Bereichen der Mischkammer an. Das in achsfernen Bereichen der Mischkammer angelagerte flüssige Kühlmittel wird zur Kühlung der Er-

regerwicklung herangezogen, wobei ein auf Dichteunterschieden beruhender Selbstpump-Effekt in Thermosiphon-Kühlschleifen ausgenutzt wird. Hierzu ist am Außenumfang der Erregerwicklung ein Kühlmittelverteilersystem vorgesehen, das über radial bezüglich der Läuferachse verlaufende Kühlmittelwege, die in Wärmeaustauschverbindung mit der Erregerwicklung stehen, beispielsweise durch die Erregerwicklung geführt sind, und entsprechende Kühlmittelwege ohne Wärmeaustauschverbindung mit der Erregerwicklung, beispielsweise außerhalb der Erregerwicklung, an den radial außenliegenden Bereich der Mischkammer angeschlossen ist

Im Betriebszustand der Maschine, d. h. bei Rotation des Läufers, werden alle Kühlkanäle durch die Erregerwicklung vom Außenumfang her über das Kühlmittelverteilersystem vollständig mit flüssigem Helium überflutet und durchdrungen. Da das Kühlmittel in der Erregerwicklung aufgrund der dort auftretenden Verlustleistungen und durch von außen eingeleitete Wärmemengen erwärmt wird, nimmt seine Dichte entsprechend ab. Es wird somit eine Strömung in diesen Kühlkanälen in Richtung auf die Mischkammer hin angefacht. Zugleich strömt kälteres und somit dichteres Kühlmittel über die außerhalb der Erregerwicklung verlaufenden Kühlmittelwege radial nach außen in das Kühlmittelverteilersystem und von dort in die Erregerwicklung nach. Das längs der Kühlkanäle durch die Erregerwicklung aufgrund örtlich entstehender oder von außen eingeleiteter Wärmemengen ausgebildete Druckgefälle führt somit zu Konvektionsströmungen in Kühlschleifen, die s.uch als Thermosiphon-Schleifen bezeichnet werden (vgl. auch »Cryogenics«, Juli 1977, Seiten 429 bis 433 und DE-OS 25 30 100). Diese Zirkulationsströmung ist umso stärker, je größer die von dem Kühlmittel aufgenommenen Wärmemengen sind. Die Erregerwicklung läßt sich somit eigensicher kühlen.

Der zentral in der Mischkammer angelagerte Kühlmitteldampf wi-d zweckmäßig zu einer Gegenstromkühlung von die Erregerwicklung tragenden Verbindungselementen des Läuferkörpers verwendet Hiermit läßt sich die auf die Erregerwicklung eingeleitete Wärme erheblich reduzieren. Dabei erwärmt sich der Dampf von wenigen K auf annähernd Raumtemperatur und wird spezifisch leichter. Da die Aufwärmung auf großem Radius stattfindet, der Eintritt des kalten Gases jedoch in Nähe der Rotationsachse erfolgt, wirkt dieser Gegenstromkühler gleichzeitig als Pumpe. Hält man nun den Austrittsdruck mit Rücksicht auf leichte Abdichtbarkeit auf beispielsweise 1,1 bar konstant, so liefert diese Pumpe einen Unterdruck in der Mischkammer des Läufers, der beispielsweise zwischen 0,3 und 0.6 bar liegt.

Bei einer solchen Kühleinrichtung müßte deshaib das Kühlmittel im allgemeinen mit entsprechend niedrigem Druck und niedriger Temperatur nachgefüllt werden. Um die damit verbundenen Schwierigkeiten zu umgehen und die Kühlmittelzuleitungsteile mit einem optimalen Druck von beispielsweise U bar betreiben zu können, sind entsprechende Druckabbaustufen erforderlich. Eine solche mitrotierende Druckabbaustufe geht z. B. aus der Nachfülleinrichtung einer Anordnung zur Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung einer elektrischen Maschine hervor, wie sie in der DE-OS 29 47 592 beschrieben ist. Bei dieser Nachfülleinrichtung ist in einem Kühlmittdzuleitungssystem ein achsnaher, mitrotierender Kühlmittelvorratsraum vorgesehen, in den über eine feststehende Kühlmittelzuführungsleitung von außen Helium als kryogenes Kühlmittel eingeleitet wird. Da dieses Helium aufgrund von Erwärmung zweiphasig ist, wird bei Rotation des Läufers in dem Kühlmittelvorratsraum in aehsnahen Bereichen das gasförmige und in achsfernen Sereichen das flüssige Kühlmittel angelagert Der Kühlmittelvorratsraum stellt somit einen Phasenseparator dar.

Bei dieser Einrichtung wird der Druckabbau zwischen dem Druck in dem Kühlmittelvorratsraum und

ίο dem Unterdruck in der Mischkammer dadurch erreicht daß eine wärmere Kühlmittelsäule in einer Kühlmitteleinspeisungsleitung zwischen dem Kühlmittelvorratsraum und dem Kühlmittelverteilersystem mit kälteren, sich durch die Kühlmittelwege zur Kühlung der Erregerwicklung erstreckenden Kühlmittelsäulen des Heliumbades der Mischkammer im Gleichgewicht steht Dabei wird durch den Radius der Phasengrenze zwischen dem gasförmigen und dem flüssigen Helium in dem Kühlmittelvorratsraum das Niveau der Phasengrenze in der Mischkammer festgelegt Nimmt nämlich der Anteil an flüssigem Kühlmitte) in dem in der Mischkammer vorhandenen Heliumbad aufgrund von Verlusten ab, so verringert sich entsprechend auch der Druck der rotierenden Kühlmittelsäulen in den Kühlmittelverbindungswegen zwischen der Mischkammer und dem Kühlmittelverteilersystem, so daß aus dem Kühlmittelvorratsraum Kühlmittel in das Kühlmittelverteilersystem und von dort aus in die Mischkammer nachströmen kann. Das aus dem Kühlmittelvorratsraum abgeflossene flüssige Kühlmittel muß dabei durch von außen zugeführtes Kühlmittel ersetzt werden. Um eine Selbstregelung dieser Kühlmittelzufuhr zu ermöglichen, ist bei der bekannten Einrichtung die Einmündungsstelle einer feststehenden, in den Kühlmittelvorratsraum ragenden Kühlmittelzuführungsleitung in dem äußeren, achsfernen Bereich des Vorratsraumes auf einem vorbestimmten Radius bezüglich der Rotationsachse des Läufers angeordnet so daß der Zulaufdruck des Kühlmittels an dieser Stelle im Gleichgewicht mit dem Kühlmitteldruck des in dem Vorratsraum mitrotierenden flüssigen Kühlmittels ist. Wird dann von dem Kühlmittelvorratsraum flüssiges Kühlmittel zur Abführung von Verlusten in der Erregerwicklung oder aufgrund von Wärmeeinstrahlung entnommen, so erzeugt der geringere Vorrat an

flüssigem Helium bei Rotation einen entsprechend geringeren Gegendruck an der Einspeisungsstelle, die sich aufgrund ihres vorbestimmten Radius in dem radial außenliegenden Bereich des Kühlmittelvorratsraumes, welcher mit flüssigem Kühlmittel gefüllt ist, befindet.

Das Gleichgewicht zwischen Zulaufdruck und dem Gegendruck des Vorrates an flüssigem Kühlmittel in dem Vorratsraum ist dann nicht mehr gegeben, d. h. der Zulaufdruck ist höher als der Gegendruck. Es wird dann solange Kühlmittel in den Vorratsraum nachströmen,

bis die vorbestimmte Menge an flüssigem Kühlmittel wieder vorhanden und der Gleichgewichtsdruck wiederhergestellt ist. Bei dieser bekannten Einrichtung ist somit der Kühlmittelzulauf dem jeweiligen Bedarf an flüssigem, dem Kühlmittelvorratsraum entnommenem

Kühlmittel angepaßt ohne daß es einer besonderen externen Regelung bedarf.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei dieser aus der DE-OS 29 47 592 bekannten Kühleinrichtung das in das Kühlmi'telverteilersystem und von dort aus in die Mischkam-

mer gelangende Kühlmittel nicht gleichmäßig, sondern schubweise einfließen kann. Kurzzeitig gelangt in diesem Falle dann eine größere Menge wärmeres Kühlmittel in die mit kälterem Kühlmittel gefüllten Kühlmittel-

wege. Dies kann zu einer entsprechenden Erhöhung der Temperatur an der supraleitenden Erregerwicklung und damit zu deren Normalleitend-Werden führen.

Bei der aus der eingangs genannten DE-PS 28 30 887 bekannten Kühleinrichtung ist zum Druckabbau zwischen dem auf Normaldruck oder leicht erhöhtem Überdruck befindlichen Kühlmittelvorratsraum und der auf Unterdruck stehenden Mischkammer vorgesehen, daß die an das Kühlmittelverteilersystem angeschlossene Kühlmitteleinspeisungsleitung einen bezüglich der Achse des Läufers zumindest annähernd radial angeordneten Leitungsteil enthält, der als Wärmetauscher gestaltet ist. In diesem Wärmetauscher, der auf seiner Auslaßseite an das Kühlmittelverteilersystem angeschlossen ist, soll mit aus der Mischkammer entnommenem kalten Kühlmitte! eine Abkühlung des aus dem Kühlmittelvorratsraum entnommenen Kühlmittels vorgenommen werden, bevor es in das Kühlmittelverteilersystem eingeleitet wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit einer solchen Abkühlung des dem Kühlmittelverteilersystem zugeführten Kühlmittels der Druck der über dem Flüssigkeitsspiegel in dem Kühlmittelvorratsraum stehenden, sich bis zum Kühlmittelverteilersystem erstreckenden Säule an flüssigem Kühlmittel verhältnismäßig hoch ist. Dies führt dazu, daß nur entsprechend kleine Druckunterschiede zwischen der Mischkammer und dem Kühlmittelvorratsraum mit einem solchen Wärmetauscher kompensiert werden können. Außerdem besteht die Gefahr, daß für einen ausreichenden Druckabbau der Flüssigkeitsspiegel nicht in dem Kühlmittelvorratsraum, sondern erst in der Kühlmitteleinspeisungsleitung zu liegen kommt. Eine selbstregelnde oder auch nicht-selbstregelnde Nachfüllung des Kühlmittels von außen ist dementsprechend erschwert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannte Kühleinrichtung dahingehend zu verbessern, daß die vorstehenden Probleme praktisch nicht auftreten. Zugleich sollen die Voraussetzungen für eine ungestörte, insbesondere selbstregulierende Zuführung des Kühlmittels geschaffen werden, ohne daß die Gefahr von Temperaturschwankungen besteht, wie sie z. B. bei der aus der DE-OS 29 47 592 bekannten Kühleinrichtung aufgrund eines schubweisen Einfließens von wärmerem Kühlmittel auftreten können.

Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Kühleinrichtung erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß als Ursache für das schubweise Nachfüllen des Kühlmittels die höhere Temperatur dieses Kühlmittels anzusehen ist. Das wärmere Kühlmittel erfährt nämlich im Zer.trifugalfeld, wenn es in kälteres Kühlmittel gelangt ist, einen Auftrieb zur Rotationsachse des Läufers hin. Dadurch wird eine starke Strömung angefacht, die erst wieder zum Stillstand kommt, wenn der Spiegel des flüssigen Kühlmittels in dem Kühlmittelvorratsraum einen erheblich größeren Radius als vorgesehen erreicht hat Diese Schwierigkeiten lassen sich mit der erfindungsgemäßen Integration des Wärmetauschers in das Kühlmittelverteilersystem ausschließen.

Die mit dieser Ausgestaltung der Kühleinrichtung verbundenen Vorteile sind also darin zu sehen, daß derartige unerwünschte Strömungen unterdrückt werden, indem dem durch die Kühlmitteleinspeisungsleitung zugeführten Kühlmittel Wärme entzogen wird, bevor es in das mit kälterem Kühlmittel gefüllte Kühlmittelverteilersystem einfließt Durch den Wärmeaustausch zwischen dem ankommenden Kühlmittel und dem kälteren Kühlmittel des Kühlmittelverteilersystems ist dies auf einfache und sichere Weise zu gewährleisten. Da außerdem über die radiale Kühlmitteleinspeisungsleitung wärmeres, dem Kühlmittelvorratsraum entnommenes Kühlmittel zunächst auf den Radius des Kühlmittelvcrteilersystems gebracht wird, ist der von der Flüssigkeilssäule des Kühlmittels in dem Kühlmittelvorratsraum hervorgerufene Druck entsprechend klein. Dies bedeutet, daß entsprechend große Druckunterschiedc zwisehen dem Kühlmittelvorratsraum und der Mischkammer auf einfache Weise ausgeglichen werden können. Die Abkühlung des dem Kühlmittelvorratsraum entnommenen Kühlmittels in dem Wärmetauscher erfolgt dann praktisch isobar.

Außerdem wird mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kühleinrichtung die anfängliche Abkühlung des Läufers bzw. der Erregerwicklung auf die für die Supraleitung erforderliche Betriebstemperatur verbessert. Da nämlich nicht wie bei der bekannten Kühleinrichtung gemäß der DE-PS 28 30 887 das Kühlmittel an der Stirnseite direkt in das Kühlmittelverteilersystem eingespeist, sondern über den Wärmetauscher in axialer Richtung erst insbesondere zur Mitte hin geleitet wird, bevor es dort in das Kühlmittelverteilersystem eintritt, ergibt sich bei dem Abkühlungsvorgang eine gleichmäßigere Temperaturverteilung des durch die Kühlmittelwege zwischen dem Verteilersystem und der Mischkammer strömenden, anfänglich gasförmigen Kühlmittels. Die Abkühlungszeit des Läufers ist somit entsprechend verkürzt

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kühleinrichtung 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 F i g. 1 bis 3 verschiedene schematische Ansichten einer Kühleinrichtung nach der Erfindung veranschaulicht sind.

Die in den Figuren dargestellte Kühleinrichtung ist für die supraleitende Erregerwicklung im Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, vorgesehen. Nicht näher ausgeführte Teile des Läufers dieser Maschine sind allgemein bekannt Die in der Kühleinrichtung sich einstellenden Strömungsrichtungen des Kühlmittels sind in den Figuren durch Pfeile angedeutet

In F i g. 1 ist nur teilweise die untere Hälfte des Läufers 2 mit einer entsprechenden Kühleinrichtung gemäß der Erfindung als Längsschnitt dargestellt. Bei dieser Kühleinrichtung wird insbesondere von einer Kühlanordnung mit selbstregelnder Nachfülleinrichtung ausgegangen, wie sie aus der DE-OS 29 47 592 in Verbindung mit der DE-PS 28 30 887 hervorgeht Die Kühleinrichtung enthält dementsprechend eine in dem Läuferkörper 3 zentral bezüglich der Läuferachse 4 angeordnete, rotierende Mischkammer 5. In dieser Kammer befindet sich ein bei einem Unterdruck P\ von beispielsweise 0,4 bar und einer Temperatur von z. B. 3,4 K siedendes Bad eines kryogenen Kühlmittels. Da die Leiter der in dem Schnitt der Figur nicht ersichtlichen Erregerwicklung supraleitendes Material enthalten sollen, ist als Kühlmittel Helium vorgesehen. Bei Rotation des Läufers 2 erfolgt unter Einfluß zentrifugaler Kräfte eine Phasentrennung, so daß sich in der Mischkammer 5 im Normalbetriebszustand der Maschine das schwerere, flüssige Helium A, konzentrisch um das in Nähe der Läuferachse 4 gehaltene, gasförmige Helium B\ anla-

gert. Die Grenzfläche zwischen diesen beiden Phasen ist mit 6 bezeichnet.

Am Außenumfang der Erregerwicklung ist ein Kühlmittelverteilersystem 7 vorgesehen, das aus netzartig miteinander verbundenen, achsenparallel und in Umfangsrichtung des Läufers verlaufenden Verteilungskanälen besteht und von einem auch die Erregerwicklung haltenden Tragzylinder 8 umschlossen ist. Das Kühlmittelverteilersystem 7 ist unter anderem über mindestens eine, in der Figur nur durch gestrichelte Linien angedeutete Kühlmittelverbindungsleitung 9 mit der Mischkammer 5 verbunden. Diese Kühlmittelverbindungsleitung liegt außerhalb der Wicklungsteile der Erregerwicklung, so daß ein Wärmeaustausch mit der Wicklung vermieden ist, und dient zur Einspeisung von flüssigem Kühlmittel /4_t aus der Mischkammer 5 in das Kühlmittelvertcilersystem 7. Das so eingespeiste Kühlmittel ist mit At' bezeichnet.

Das zur Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung erforderliche flüssige Helium wird einem mitrotierenden, zentral um die Läuferachse 4 angeordneten Kühlmittelvorratsraum 10 entnommen, der Teil eines Kühlmittelzuleitungssystems ist und Sich z. B. in Nähe eines Anschlußkopfes des Läufers 2 befindet. Dieser Kühlmittelvorratsraum steht unter leichtem Überdruck P₂ von beispielsweise 1,2 bar und enthält im Normalbetriebszustand der Maschine bei Rotation flüssiges Kühlmittel /42, das gasförmiges Kühlmittel B₂ aufgrund zentrifugaler Kräfte konzentrisch umschließt Dabei herrscht an der mit 11 gekennzeichneten Grenzfläche zwischen beiden Phasen eine Temperatur von z. B. 4,4 K. An den achsfernen Bereich des Kühlmittelvorratsraumes 10 ist mindestens eine bezüglich der Läuferachse 4 radial verlaufende Kühlmitteleinspeisungsleitung 12 angeschlossen, über die flüssiges Kühlmittel Λ2 aus der Kammer dem am Außenumfang der Erregerwicklung angeordneten Kühlmittelverteilersystem 7 zugeführt wird. Die Einspeisungsleitung 12 ist dabei nicht direkt, sondern gemäß der Erfindung indirekt über einen Wärmetauscher t3 an das Kühlmittelverteilersystem 7 angeschlossen. Dieser Wärmetauscher \3 ist in das Kühlmittelvertcilersystem 7 integriert d. h. er erstreckt sich z. B. durch einen axial verlaufenden Verteilungskanal 14 des Kühlmittelverteilersystems 7. Der somit ebenfalls axial ausgedehnte Innenraum 15 dieses Wärmetauschers steht dabei über dessen Wände in Wärmeaustauschverbindung mit dem in dem Verteilungskanal 14 befindlichen Kühlmittel A\. Dabei sind die Einlaufseite 16 des Wärmetauschers an die Kühlmitteleinspeisungsleitung 12 und die Auslaßseite 17 an den Verteilungskanal 14 des Kühlmittel Verteilersystems 7 angeschlossen. Das diesem Wärmetauscher 13 über die Einspeisungsleiiung 12 zuzuführende Helium wird auf seinem Weg vom Zentrum zur Peripherie adiabatisch komprimiert und erwärmt sich dabei auf eine Temperatur von z. B. 5,4 K. Im Wärmetauscher wird dieses somit wärmere Kühlmittel A2' auf die tiefere Temperatur von z. B. 4,0 K des in dem Kühlmittel Verteilersystem 7 befindlichen Kühlmittels A)' gebracht, bevor es an der Auslaßseite 17 in das Verteilersystem eintritt Die Auslaßseite kann dabei vorteilhaft zumindest annähernd in der axialen Mitte des Verteilersystems liegen.

Der Wärmetauscher 13 muß aus einem Material bestehen, welches auch bei tiefer Temperatur eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist Ein geeignetes Material ist z. B. Kupfer.

Vorteilhaft ist der Kühlmittelverteilungskanal 14 direkt über radial verlaufende Kühlmittelabführungsleitungen 19 mit der Mischkammer 5 verbunden, um so das von außen über den Wärmetauscher ^3 zugeführte Kühlmittel unmittelbar in die Mischkammer einleiten zu können. Die Kühlmittelabführungsleitungen 19 sind dabei zweckmäßig so angeordnet, daß ein unmittelbarer Wärmeaustausch mit der supraleitenden Erregerwicklung vermieden ist.

Wie in F i g. 1 ferner nur angedeutet ist, kann bei der Kühleinrichtung nach der Erfindung vorteilhaft eine selbstregulierende Nachfüllung des Kühlmittels in den Kühlmittelvorratsraum 10 vorgesehen werden. Eine entsprechende Nachfülleinrichtung ist in der DE-OS 29 47 592 beschrieben. Danach liegt die Einmündungsstelle 21 eines sich radial erstreckenden Abschnittes 22 einer feststehenden Kühlmittelzuführungsleitung 23, an welcher das kryogene Kühlmittel in den achsfernen Bereich des Vorratsraumes 10 austritt, auf einem vorbestimmten Radius R bezüglich der Läuferachse 4. Dieser Radius ist so festgelegt, daß der Zulaufdruck des Kühl-

2(i mittels von außen an der Einmündungsstelle 21 im Gleichgewicht mit dem Kühlmitteldruck des in dem Vorratsraum 10 im Normalbetriebszustand der Maschine rotierenden flüssigen Kühlmittels A2 ist.
Die Kühleinrichtung enthält vorteilhaft zwischen dem Kühlmittelvorraum 10 und dem Bereich der Erregerwicklung eine Druckabbaustufe, wie sie z. B. gemäß der DE-OS 29 47 592 oder der DE-OS 29 23 496 vorgesehen ist. Dementsprechend ist der Druck Ps des Kühlmittels am Außenumfang der Erregerwicklung in dem Kühlmittelverteilersystem 7 im Gleichgewicht mit dem Druck P₄ am radial äußeren Ende der Einspeisungsleitung 12 und somit am Auslaß 17 des Wärmetauschers Π. Der Druck P₃ setzt sich dabei aus dem Druck P_x in der Mischkammer 5 und dem mit Ps gekennzeichneten Druck der Heliumsäulen über dem Spiegel 6 des Heliumbades in der Mischkammer 5 zusammen. In entsprechender Weise stellt der Druck ft die Summe aus dem Druck P₂ in dem Vorratsraum 10 und dem mit Pt bezeichneten Druck der Heliumsäule in der Einspeisungsleitung 12 über dem Flüssigkeitsspiegel 11 in dem Vorratsraum 10 dar. Da der Druck P\ in der Mischkammer 5 geringer als der Druck P2 in dem Kühlmittelvorratsraum 10 ist, erfolgt der eigentliche Druckabbau über die Heliumsäulen mit den Drücken Ps und Pt. Dies ist möglich, da diese Heliumsäulen unterschiedliche Temperaturen und damit unterschiedliche Dichten aufweisen. Insbesondere folgt aus der Tatsache, daß das vergleichsweise wärmere flüssige Kühlmittel A₂ aus dem Kühlmittelvorratsraum 10 über die Einspeisungsleitung 12 zunächst auf den Radius des Kühlmittelverteilersystems 7 gefördert wird und dort erst ein Wärmeaustausch mit dem in dem Kühlmiticivericiiersysiern 7 befindlichen Kühlmittel vorgenommen wird, daß der Druck Pt der Heliumsäule über dem Spiegel 11 in dem Kühlmittelvorratsraum 10 verhältnismäßig klein gehalten werden kann. Auf diese Weise sind verhältnismäßig große Druckunterschiede zwischen dem Kühlmittelvorratsraum 10 und der Mischkammer 5 auszugleichen. Aufgrund eines solchen Druckabbaus stehen die Spiegel 11 und 6 in dem Kühlmittelvorratsraum 10 bzw. in der Mischkammer 5 in einer rückkoppelnden Beziehung, d. h. ein Absenken des Spiegels 6 in der Mischkammer 5 zu größerem Radius hin bewirkt daß auch der Druck ft sinkt Es kann dann Helium über die Einspeisungsleitung 12 und den Wärmetauscher _13 dieser Druckabbaustufe solange nachfließen, bis sich wieder die Gleichgewichtsbedingung zwischen den Drücken P₃ und ft einstellt
Gemäß F i g. 1 wurde davon ausgegangen, daß die

ίο

Nachfüllung des kryogenen Kühlmittels von außen in rippen auf der Außenseite vorgesehen, die sich in Umden Kühlmittelvorratsraum selbstregulierend erfolgt fangsrichtung erstrecken. Sie dienen zugleich zur Ab-Die erfindungsgemäße Gestaltung der Kühleinrichtung Stützung der Rinne innerhalb des Kühlmittelverteikann jedoch ebensogut auch für andere Kühlsysteme lungskanals 14. Es ergeben sich so Nuten 35. An der vorgesehen werden, bei denen ein entsprechendes 5 Unterseite der Rinne sind entsprechende Nuten 36 aus-Nachfüllverfahren nicht angewandt wird. gebildet. In diese Nuten kann das kältere Helium A₁' aus

Die Anordnung des Wärmetauschers und der Kühl- dem Kühlmittelverteilersystem 7 fließen und ri'c Obermittelwege zur Kühlung der Erregerwicklung gehen aus schüssige Wärme aufnehmen und abführen. Auf der In-F i g. 2 näher hervor, in der ein Querschnitt durch den nenseite der Wärmetauscherrinne sind Kühlrippen 37 Läufer 2 längs der mit H-II in F i g. 1 bezeichneten Linie 10 angeordnet, die sich zweckmäßigerweise in axialer wiedergegeben ist Mit F i g. 1 übereinstimmende Teile Richtung erstrecken.

sind deshalb in F i g. 2 mit den gleichen Bezugszeichen Bei den aus F i g. 2 ersichtlichen Kühlkreisläufcn zur versehen. Kühlung der Erregerwicklung wurde ein Selbstpump-

Das am Außenumfang des Läuferkörpers 3 durch Nu- Effekt in Thermosiphon-V ueifen angenommen. Die crten gebildete und von dem Tragzylinder 8 umschlossene 15 findungsgemäße Gestaltung der Kühleinrichtung ist je-Kühlmittelverteilersystem 7 enthält mehrere axial ver- doch nicht auf derartige Kühlkreisläufe beschränkt, sonlaufende Verteilungskanäle 25 sowie die Kühlmittelver- dern kann auch für jedes andere Kühlsystem vorgescteilungsleitung 14, in der der Wärmetauscher 13 ange- hen werden, bei dem ein entsprechender Druckabbau ordnet ist Diese Kanäle sind über in Umfangsrichtung zwischen einem Kühlmittelvorratsraum und einer verlaufende Verteilungskanäle 26 untereinander ver- 20 Mischkammer erforderlich ist.

bunden. Die Verteilungskanäle 25 sind an die zentrale Aus F i g. 3 ist eine radiale Aufsicht auf das Kühlmit-

Mischkammer 5 über radial verlaufende Kühlmittelver- telverteilersystem 7 der Kühleinrichtung nach der Erfinbindungsleitungen 9 angeschlossen, über die kaltes flüs- dung mit dem Wärmetauscher 13 bei abgenommenem siges Helium A\ in das Kühlmittelverteilersystem 7 ge- Tragzylinder ersichtlich. Die Kühlmittelströmungen fördert wird. Wie aus der Figur ferner hervorgeht, sind 25 durch das Verteilersystem sind dabei durch gepfeilte in Nuten 30, in denen die supraleitende Erregerwicklung Linien angedeutet. Außerdem sind in dieser Figur clv 31 angeordnet ist, radiale Kühlkanäle 32 vorgesehen, die Schnittlinien I-I und II-IIeingetragen, bei denen sich die auf ihrer achsfernen Seite an das Kühlmittelverteilersy- Ansichten der Kühleinrichtung gemäß den F i g. 1 und 2 stern 7 angeschlossen sind und in Bohrungen 33 am ergeben. Dabei sind in dieser Figur mit den F i g. 1 und 2 Nutengrund münden, über die die Verbindung mit der 30 übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszei-Mischkammer 5 hergestellt ist Auf diese Weise kann chen versehen. Aus dieser Figur gehen insbesondere die sich zur Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung sich quer zur Richtung der Läuferachse erstreckenden 31 ein Kühlmittelkreislauf in sogenannten Thermosi- Rippen 38 hervor, über die sich die Rinne des Wärmephon-Schleifen aufgrund eines Selbstpump-Effektes tauschers 13 an den Seitenwänden der Kühlmittelverteiausbilden. Über die radial angeordneten Kühlmittelver- 35 lungsleitung 14 des Kühlmittelverteilersystems 7 abbindungsleitungen 9 wird nämlich zunächst kaltes HeIi- stützt und zwischen denen die Quernuten 35 ausgebildet um A] aus der Mischkammer 5 in das Kühlmittelvertei- sind.

lersystem 7 gefördert und gelangt von dort aus in die

angeschlossenen Kühlkanäle 32 durch die oder längs Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

der supraleitenden Erregerwicklung 31. Aufgrund der 40
Wärmeeinleitung von außen wird dabei das Kühlmittel
A\ in den Kühlmittelleitungen des Kühlmittelverteilersystems 7 erwärmt Außerdem erwärmt es sich auch
durch die in den Wicklungsteilen der Erregerwicklung
31 entstehenden Verlustleistungen. Die damit verbun- 45
dene Reduzierung der Dichte des Kühlmittels bewirkt
eine Verminderung seines hydrostatischen Druckes gegenüber dem hydrostatischen Druck des kalten Kühlmittels in den Verbindungsleitungen 9. Aufgrund dieser
Druckunterschiede fließt das Kühlmittel über die Kühl- 50
kanäle 32 radial nach innen in die Mischkammer 5 zurück, d. h. es bilden sich so Zirkulationsströmungen in _ den sogenannten Thermosiphon-Schleifen aus. Il

Wie aus F i g. 2 zu entnehmen ist, wird das Kühlmittel
A\ in der Kühlmittelverteilungsleitung 14, das zum 55
Wärmeaustausch mit dem in dem Wärmetauscher 13
befindlichen, aus dem Kühlmittelvorratsraum entnommenen, wärmeren Kühlmittel Aj dient, zweckmäßigerweise nicht zur Kühlung der Erregerwicklung 31 herangezogen, da es durch den Wärmeaustausch schon er- 60
wärmt ist Dieses Kühlmittel wird deshalb über die radial verlaufenden Kühlmittelabführungsleitungen 19 direkt in die Mischkammer 5 zurückgeführt

Wie aus F i g. 2 ferner hervorgeht, kann der Wärmetauscher 13 rinnenartig gestaltet sein. Zur weiteren Ver- es
besserung der Wärmetauscherfunktion können an der
Außen- und Innenseite der Wärmetauscherrinne Kühlrippen angebracht werden. So sind beispielsweise Kühl-

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Erregerwicklung im Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators,

- mit einem mitrotierenden Kühlmittelvorratsraum, der eine gasförmige und flüssige Phase eines von außen zugeführten kryogenen Kühlmittels enthält,

- mit einem am Außenumfang der Erregerwicklung angeordneten Kühlmittelverteüersystem,

— mit mindestens einer zumindest weitgehend radial bezüglich der Achse des Läufers verlaufenden Kühlmitteleinspeisungsleitung zwischen dem Kühlmittelvorratsraum und dem K.ühlmittelverteilersystem,

— mit einem auf seiner Auslaßseite an das Kühlmittelverteilersystem angeschlossenen Wärmetauscher zur Abkühlung von aus dem Kühlmittelvorratsraum entnommenem und über die Kühlmitteleinspeisungsleitung in das Kühlmittelverteilersystem eingeleitetem Kühlmittel,

— mit einer achsnahen, mitrotierenden Mischkammer, die eine gasförmige und flüssige Phase des Kühlmittels enthält und die unter einem vergleichsweise geringeren Druck als in dem Kühlmittelvorratsraum steht, und

- mit zwischen dem Kühlmittelverteüersystem und der Mischkammer zumindest weitgehend radial bezüglich der Läuferachse verlaufenden Kühlmittelwegen, die in Wärmeaustauschverbindung mit der Erregerwicklung stehen, sowie mindestens einer weiteren, entsprechend verlaufenden Kühlmittelverbindungsleitung ohne direkte Wärmeaustauschverbindung mit der Erregerwicklung, wobei eine Kühlmittelströmung von der Mischkammer aus über diese weitere Kühlmittelverbindungsleitung und das Kühlmittelverteüersystem sowie durch die Kühlmittelwege mit Wärmeaustauschverbindung zu der Erregerwicklung aufgrund eines Selbstpumpeffektes auszubilden ist,