DE3419885A1 - Supraleitender generator mit waermestrahlungsabschirmung - Google Patents

Description

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Supraleitender Generator mit Wärmestrahlungsabschirmung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen supraleitenden Generator nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs/ und insbesondere eine Strahlungsabschirmung, die bei einem supragekühlten Rotor verwendet wird. 5

Supraleitende Generatoren verwenden im allgemeinen einen supragekühlten Rotor mit einer supraleitenden Feldwicklung und einer Trägerstruktur für diese Wicklung. Zur Suprakühlung der Feldwicklung auf eine kryogene Tieftemperatur wird ein flüssiges Kühlmittel verwendet. Bei einer typischen Anwendung besteht dieses Kühlmittel aus Helium. Die Rotoreinheit eines supraleitenden Generators enthält außerdem ein Paar von Hohlwellen (zur Übertragung von Drehmomenten), die mit entgegengesetzt liegenden axialen Enden der Rotorträgerstruktur verbunden sind, sowie einen Wärmetauscher für die Hohlwellen, der jeder dieser Hohlwellen zugeordnet ist, und schließlich eine Abschirmung für Wärmestrahlung (Wärmeschild), die zylindrisch um die Teile des Rotors in dem supraleitenden Generator angeordnet ist, die Feldwicklungen tragen.

Wenn ein supraleitender Generator im Normalbetrieb arbeitet, wird ein flüssiges Kühlmittel, wie beispielsweise Helium, das in einem Flüssigkeitsbad in der Nähe der Rotormitte enthalten ist, mit einer relativ geringen, aber

konstanten

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konstanten Geschwindigkeit in den gasförmigen Zustand übergeführt. Das gasförmige Kühlmittel wird dann von dem zur Hohlwelle gehörigen Wärmetauscher in Richtung auf die Hohlwelle und entlang dieser geführt. Die hauptsächliche Funktion der Hohlwellen besteht darin, ein Drehmoment von einem Primärantrieb, der sich im allgemeinen bei Zimmertemperatur befindet, auf die Trägerstruktur für die Wicklung des supraleitenden Rotors zu übertragen, die bei der Temperatur von flüssigem Helium von ungefähr 4° Kelvin gehalten wird. Diese Hohlwellen begrenzen außerdem thermische Spannungen sowie thermische Lecks, die sich aufgrund starker Temperaturgradienten ergeben könnten.

Die Hauptfunktion der Strahlungsabschirmung eines supraleitenden Generators besteht darin, Wärme abzufangen, die von der gewöhnlich bei Zimmertemperatur gehaltenen Umgebung des Rotors abgestrahlt wird. Die Aufgabe der Strahlungsabschirmung ist, zu verhindern, daß diese Strahlungswärme die Temperatur der kryogenen Kältezone innerhalb des supragekühlten Rotors erhöht. Damit die Strahlungsabschirmung die von der Umgebung abgestrahlte Wärme abfängt und aus der Nähe der supragekühlten Feldwicklungen abführt, muß die Strahlungsabschirmung selbst gekühlt werden. Eine ordnungsgemäß funktionierende Strahlungsabschirmung kann bei Temperaturen arbeiten, die ungefähr 100° Kelvin betragen, wahrend die supragekühlten Feldwicklungen selbst bei einer Temperatur von ungefähr 4° Kelvin liegen müssen, d. h. unterhalb der kritischen Temperatur der Wicklung. Zur Suprakühlung der Strahlungsabschirmung wird eine Vielzahl von Strömungskanälen (Fluidkanälen) im Körper der Strahlungsabschirmung vorgesehen, durch die dann im allgemeinen kontinuierliche Ströme von gasförmigem Helium geschickt werden. In der Beschreibung des US-Patents 4,250,418 wird eine Strahlungsabschirmung

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schirmung angegeben, mit der die kalte Zone eines supragekühlten Rotors vor extern abgestrahlter Wärme geschützt wird und die auch dazu dient, die Temperatur des flüssigen Kühlmittels bei Betriebsstörungen aufrechtzuerhalten. Die Beschreibung des US-Patents 4,319,149 enthält eine Strahlungsabschirmung mit verbessertem thermischen Antwortverhalten, das dadurch erzielt wird, daß Steigleitungen im Strömungsweg nahe dem Austrittsende der Strömungskanäle angebracht werden. Die Strömungskanäle der Strahlungsabschirmungen werden normalerweise durch eine Reihe von Rillen oder Rinnen in einem von zwei Zylindern gebildet, die in koaxialer und konzentrischer Weise eng zusammenmontiert werden.

Wenn ein supraleitender Generator zur Verwendung in einem Elektrizitätswerk vorgesehen ist, muß bei seiner Konstruktion darauf geachtet werden, daß er auch den äußersten Betriebsbedingungen eines derartigen Systems gewachsen ist; dazu gehört auch ein Zusammenbruch einer Drehstrom-Hochspannungsübertragungsleitung.

Bei dieser Störbedingung entstehen elektromagnetische Verluste in der Feldwicklung des Rotors, der Strahlungsabschirmung und der Trägerstruktur des Rotors. Als Folge dieser elektromagnetischen Verluste verdampft flüssiges Helium innerhalb des supraleitenden Rotors mit erheblich höherer Geschwindigkeit, und die Strömungsgeschwindigkeit von Heliumgas durch die Wärmetauscher der Hohlwelle nimmt beträchtlich zu, so daß deren Temperatur signifikant absinkt.

Während vorübergehender Störbedingungen oder anderer abnormaler Betriebsbedingungen kann die Heliumströmung durch

die

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die Kanäle der Strahlungsabschirmung so stark gestört sein, daß einige dieser Kanäle das gasförmige Kühlmittel mit Geschwindigkeiten leiten, die sich beträchtlich von der anderer Kanäle innerhalb der Strahlungsabschirmung unterscheiden. Die Teile der Strahlungsabschirmung, die den davon betroffenen Strömungskanälen am nächsten liegen, werden natürlich am stärksten durch die Temperaturänderungen in diesen Kanälen beeinflußt. Für den Fall, daß gewisse Kanäle eine drastische Abnahme der durch sie fließenden Kühlmittelströmung erfahren, wird sich die Temperatur des Materials der Strahlungsabschirmung erhöhen, das diese benachteiligten Strömungskanäle umgibt. Im umgekehrten Fall, wenn gewisse Strömungskanäle innerhalb der Strahlungsabschirmung eine stärkere Kühlmittelströmung erfahren, erfährt das ihnen am nächsten liegende Material eine Temperaturabnahme. Unter gewissen angenommenen Fehlerbedingungen und einiger für den eingeschwungenen Betrieb erwarterter Bedingungen ist eine Kombination dieser beiden schädlichen Einflüsse möglich. Ein Teil der Strahlungsabschirmung kann somit eine unnormal hohe Temperatur aufweisen, während die Temperatur eines andern Teils dieser Strahlungsabschirmung gleichzeitig ungewöhnlich nieder sein kann.

Wenn zwei Teile einer Strahlungsabschirmung einander entgegengesetzte Temperaturabweichungen erfahren, werden diese Bereiche thermisch so beeinflußt, daß Materialexpansionen und Materialkontraktionen auftreten, die ein beträchtliches Ungleichgewicht in der zylindrischen Strahlungsabschirmung bewirken. Da die typische Konstruktion von Strahlungsabschirmungen eine Vielzahl von geraden und sich in axialer Richtung erstreckenden Strömungskanäle aufweist, wird eine Strömungsabweichung innerhalb eines bestimmten Kanals das Material längs dieses

Strömungs-

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Strömungspfades beeinflussen; der beeinflußte Bereich besteht dann im wesentlichen aus einem Materialstreifen, der sich in axialer Richtung von einem Ende der Strahlungsabschirmung zum andern erstreckt und im allgemeinen gerade ist und parallel zur Mittelachse der Wärmestrahlungsabschirmung liegt. Diese Änderung, die entweder durch eine Expansion oder durch eine Kontraktion des Materials oder durch eine Kombination beider Effekte hervorgerufen wird, erzeugt ein Ungleichgewicht in der sich drehenden Strahlungsabschirmung, wobei sich der tatsächliche Effekt dieses Ungleichgewichts aus dem Abstand des verzerrten Gebietes von der Drehachse der Strahlungsabschirmung bestimmt. Wie man leicht einsieht, ergibt eine Kombination einer Expansion eines Teils der Strahlungsabschirmung zusammen mit der Kontraktion eines diametral gegenüberliegenden Teils der Strahlungsabschirmung eine starke Verzerrung und ein Ungleichgewicht in der Strahlungsabschirmung .

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen supraleitenden Generator der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Strahlungsabschirmung auch bei ungleichen Strömungsmittelgeschwindigkeiten keine Ungleichgewichte aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die von der Erfindung vorgeschlagenen spiralförmigen

Strömungskanäle verlaufen bei einer vorteilhaften Ausführungsform von einem axialen Ende der Strahlungsabschirmung zum andern. Diese spiralförmigen Strömungskanäle

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kanäle verbinden ümfangsströmungskanäle, die an jedem axialen Ende der Strahlungsabschirmung angeordnet sind. Da die spiralförmigen Strömungskanäle eine Strömungsverbindung zwischen den Umfangsstromungskanalen an den beiden Enden der Strahlungsabschirmung vermitteln, stellen sie einen spiralförmigen Strömungsweg dar, der den Umfang der Wärmestrahlungsabschirmung eine bestimmte Anzahl von Malen umläuft. Die vorliegende Erfindung enthält eine Vielzahl von spiralförmigen Strömungskanälen, die in Untergruppen aufgeteilt sind. Eine Strahlungsabschirmung, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, enthält typischerweise vier Untegruppen, wobei jede Untergruppe einem eigenen Umfangskanal an jedem axialen Ende der Strahlungsabschirmung zugeordnet ist. Jede Untergruppe von Strömungskanälen führt das gasförmige Kühlmittel in einer axialen Richtung, die entgegengesetzt zu der in den unmittelbar benachbarten Untergruppen ist. Durch die in dieser Weise erfolgende Abwechslung der Strömungsrichtung wird die Gesamttemperatur der Strahlungsabschirmung über ihre axiale Länge im wesentlichen konstant gehalten. Durch die Verwendung von spiralförmigen Strömungskanälen statt geraden axialen Kanälen wird das Material der Wärmestrahlungsabschirmung, das direkt durch einen bestimmten spiralförmigen Kanal beeinflußt wird, sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung verteilt. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung während Störungsbedingungen oder anderen unnormalen Betriebszuständen besteht darin, daß das beeinflußte Material in der Nähe eines nicht ordnungsgemäß arbeitenden Strömungkanals so verteilt ist, daß das resultierende Störmoment um die Drehachse der Strahlungsabschirmung minimal ausfällt.

Durch

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Durch die Verwendung von spiralförmigen Strömungskanälen vermeidet die vorliegende Erfindung schwerwiegende Ungleichgewichte, die sonst durch Änderungen der Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit durch verschiedene Kanäle hervorgerufen werden könnnten. Da die möglicherweise beeinflußten Materialzonen spiralförmig um die Strahlungsabschirmung verteilt werden, ist das resultierende Ungleichgewicht beträchtlich reduziert; wenn die Anzahl der spiralförmigen Windungen erhöht wird, strebt das von einer gestörten Kühlmittelströmung in einem beliebigen Strömungskanal hervorgerufene Ungleichgewicht gegen null.

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den inneren Zylinder einer Wärmestrahlungsabschirmung;

Fig. 2 eine abgewickelte Ansicht eines inneren

Zylinders nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 einen Querschnitt durch Fig. 2 zusammen mit einem Profil, das die Temperaturverteilung darstellt;

Fig. 4 einen Querschnitt durch Fig. 1 zusammen mit einem äußeren Zylinder zur Darstellung eines typischen Wärmeleitungsweges; und 30

die Figuren 5 und 6 die vorliegende Erfindung mit Diskontinuitäten in deren spiralförmigen Strömungskanälen.

Die

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Die vorliegende Erfindung betrifft supraleitende Generatoren mit einer Strahlungsabschirmung zur Verwendung in einem supraleitenden Generator, die eine Mehrzahl von spiralförmigen Kühlmittelkanälen aufweist, um die unerwünschten mechanischen Auswirkungen herabzusetzen, die auftreten können, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeiten durch verschiedene Kühlmittelkanäle unterscheiden.

Fig. 1 zeigt eine Strahlungsabschirmung 10 mit einem inneren Zylinder 12, auf dem eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlmittelkanälen vorgesehen sind, die aus Rinnen oder Rillen in der äußeren zylindrischen Oberfläche des inneren Zylinders 12 bestehen, der zusammen mit einem äußeren Zylinder (Bezugszeichen 80 in Fig. 4) die Strömungskanäle bildet. In Fig. 1 ist der äußere Zylinder entfernt, um die Strömungskanäle freizulegen und die vorliegende Erfindung deutlicher darzustellen. Diese in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlmittelkanäle sind paarweise angeordnet, wobei die beiden Kanäle jedes Paares an entgegengesetzten axialen Enden der Strahlungsabschimmung 10 liegen. Beispielsweise liegen die in Fig. 1 dargestellten Umfangsrillen 14C und 14W an entgegengesetzten axialen Enden der Strahlungsabschirmung 10 und sind im wesentlichen auf gleiche Umfangspositionen auf der Wärmestrahlungsabschirmung 10 ausgerichtet. In ähnlicher Weise sind die Umfangsrillen 16W und 16C als Paar ausgebildet, ebenso wie die Umfangsrillen 2OW und 2OC. Ein weiteres Paar von Umfangsrillen, 18W und 18C, sind in Fig. 1 nicht dargestellt, wohl aber Fig. 2. Die Bezeichnungsweise "W" "C" bei den Bezugszeichen der Umfangsrillen zeigt an, ob die jeweilige Umfangsrille als eine "kalte" oder als eine "warme" Rille anzusehen ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß diese Bezeichnungen nur relativ sind und

die

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die Unterschiede zwischen einer "kalten" Rille mit ungefähr 100° Kelvin und einer "warmen" Rille mit ungefähr 145° Kelvin darstellen.

Nach Fig. 1 wird jede Umfangsrille durch eine Vielzahl von spiralförmigen Strömungskanälen geschnitten. Beispielsweise besteht vom Umfangsströmungskanal 14C eine Strömungsverbindung zu vier spiralförmigen Strömungskanälen 30 bis 33. Die gleichen spiralförmigen Strö- mungkanäle 30 bis 33 stehen ebenfalls in einer Strömungsverbindung mit dem Umfangsströmungskanal 14W. Die Umfangsströmungskanäle 14C und 14W stehen daher aufgrund des Vorhandenseins der vier mit ihnen verbundenen spiralförmigen Strömungskanäle 30 bis 33 in Verbindung miteinander. Aus der Darstellung in Fig. 1 ist ersichtlich, daß die spiralförmigen Strömungskanäle, die zu einem jeweiligen Paar von Umfangsströmungskanälen gehören, in einer Untergruppe angeordnet sind. Die Umfangsströmungskanäle 2OW und 2OC sind in ähnlicher Weise durch vier spiralförmige Strömungskanäle 40 bis 43 verbunden. Die vier spiralförmigen Strömungskanäle, die die Umfangskanäle 2OW und 2OC verbinden, sind in ähnlicher Weise in einer Untergruppe zusammengefaßt, wobei diese von benachbarten Untergruppen durch einen Abstand getrennt ist, der durch den Pfeil X angezeigt wird. Eine Strahlungsabschirmung, die nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, bewirkt eine Kühlmittelströmung durch jeden der spiralförmigen Kanäle einer Untergruppe in der gleichen Richtung. Benachbarte Untergruppen führen jedoch das strömende Kühlmittel in entgegengesetzten Spiralrichtungen. Ein fluides Kühlmittel, beispielsweise gasförmiges Helium, wandert beispielsweise von dem Umfangsströmungskanal 14C zum Umfangsströmungskanal

14W

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14W durch die Untergruppe/ die aus den spiralförmigen Strömungskanälen 30 bis 33 besteht. In ähnlicher Weise gelangt ein fluides Kühlmittel vom Umfangsströmungskanal 2OC zum Umfangsströmungskanal 2OW durch die Untergruppe, die aus den spiralförmigen Strömungskanälen 40 bis 43 besteht.

Fig. 2 stellt eine Abwicklung der in Fig. 1 gezeigten Strahlungsabschirmung 10 dar. In Fig. 2 ist der äußere Zylinder (mit Bezugszeichen 80 in Fig. 4) nicht eingezeichnet, um die Strömungskanäle der vorliegenden Erfindung deutlicher erscheinen zu lassen. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß jedes Paar von Umfangsstromungskanalen (ζ. B. 14C und 14W) über eine Untergruppe von spiralförmigen Strömungskanälen verbunden ist. Jede Untergruppe der spiralförmigen Strömungskanäle ist von ihren benachbarten Untergruppen durch einen Abstand getrennt, der bei Pfeil X dargestellt ist, während einzelne spiralförmige Strömungskanäle, beispielsweise die Kanäle 40 bis 43 innerhalb einer Untergruppe durch einen bei Pfeil A gezeigten Abstand getrennt sind. Durch Änderung des Abstands X zwischen den Gruppen und des Abstands A innerhalb einer Gruppe können die thermischen Charakteristiken der Strahlungsabschirmung entsprechend zweier unabhängiger thermischer Charakteristiken gewählt werden. Zu diesen Charakteristiken gehören der Wärmeübergang zwischen den Untergruppen, der im wesentlichen einen thermischen Kurzschluß in der Kühlschleife bildet und somit die Leistungsfähigkeit der Kühlung herabsetzt sowie die effektive thermische Trägheit jeder Untergruppe.

Nach Fig. 2 sind die Umfangsstromungskanale 2OW und 2OC über die spiralförmigen Strömungskanäle 40 bis 43 miteinander

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einander verbunden, die Umfangsströmungskanäle 18C und 18W über die spiralförmigen Strömungskanäle 50 bis 53, die Umfangsströmungskanäle 16W und 16C über die spiralförmigen Strömungkanäle 60 bis 63 und die Umfangsströmungskanäle 14C und 14W über die spiralförmigen Strömungskanäle 30 bis 33. Fig. 2 zeigt außerdem die radialen Kanäle 70, mit denen ein gasförmiges Kühlmittel in radialer Richtung in die Umfangsströmungskanäle geleitet werden kann oder umgekehrt ein fluides Kühlmittel radial aus den Umfangsströmungskanälen entnommen werden kann. Die besondere Funktion dieses radialen Strömungskanals 70 besteht nach der Darstellung in Fig. 2 in der Einführung eines gasförmigen Kühlmittels, beispielsweise Helium, in radial nach außen weisender Richtung in die Umfangsströmungskanäle, die mit dem Bezugszeichen C versehen sind; außerdem führt er ein gasförmiges Kühlmittel in einer radial nach innen weisenden Richtung aus den Umfangsströmungskanälen ab, die Bezugszeichen "W" tragen.

Wie oben erläutert führt jede Untergruppe ein gasförmiges Kühlmittel in eine Richtung, die entgegengesetzt ist zu der ihrer unmittelbar benachbarten Untergruppen. Beispielsweise führt die Untergruppe mit den spiralförmigen Strömungskanälen 50 bis 53 das gasförmige Kühlmittel aus dem Umfangsströmungskanal 18C zum Umfangsströmungskanal 18W (von links nach rechts in Fig. 2), während die Untergruppe mit den spiralförmigen Strömungskanälen 40 bis und die Untergruppe mit spiralförmigen Strömungskanälen 60 bis 63 das gasförmige Kühlmittel aus den Umfangsströmungskanälen 16C und 2OC zu den Umfangsströmungskanälen 16W bzw. 2OW führen (in Fig. 2 von rechts nach links).

An

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An den axialen Enden der Strahlungsabschirmung erfahren einander benachbarte Untergruppen von spiralförmigen Strömungskanälen die größten gegenseitigen Temperaturdifferenzen. Wenn ein "kaltes" gasförmiges Kühlmittel durch seinen spiralförmigen Strömungskanal fließt, steigt seine Temperatur aufgrund des Wärmeübergangs aus der zylindrischen Röhre der Strahlungsabschirmung an das Kühlmittel und dieses erwärmt sich. Wenn das Kühlmittel einer Untergruppe langsam wärmer wird, strömt es zwischen zwei benachbarten Untergruppen, deren Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung fließt. Wenn also das Kühlmittel innerhalb des spiralförmigen Strömungskanals seine maximale Temperatur erreicht, befindet es sich benachbart zu den Teilen seiner benachbarten Untergruppen, die ihre geringste Temperatur aufweisen. Der mit dem Pfeil X bezeichnete Abstand zwischen den Untergruppen trennt also benachbarte Untergruppen, um den Wärmestrom zu reduzieren, der zwischen spiralförmigen Strömungskanälen ausgetauscht wird, deren Temperaturen sich beträchtlich unterscheiden können. Wenn ein starker Wärmeübergang zwischen benachbarten Untergruppen erlaubt ist, wird der Kühlkreis im wesentlichen kurzgeschlossen, und zwar aufgrund der Erhitzung des gasförmigen Kühlmittels durch die benachbarte Strömung von wärmerem gasförmigem Kühlmittel. 25

Der mit Pfeil A bezeichnete Abstand innerhalb einer Gruppe ist so gewählt, daß eine bestimmte Untergruppe von spiralförmigen Strömungskanälen über ein ausreichend großes Gebiet ausgebreitet ist, um eine lokale Erwärmung an das strömende gasförmige Kühlmittel zu übertragen. Es ist leicht einzusehen, daß bei zu enger Packung der einzelnen spiralförmigen Strömungskanäle einer bestimmten Untergruppe (d. h. wenn der durch Pfeil A bezeichnete Abstand

zu

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zu klein ist), sich die einzelnen spiralförmigen Strömungskanäle der Untergruppe im wesentlichen als ein einziger Strömungskanal verhalten, so daß ihre Flächenbedeckung beträchtlich eingeschränkt wäre. Es ist ebenfalls klar, daß diese beiden Kriterien einander widersprechende Zielvorstellungen enthalten und bei der Auslegung der jeweiligen Strahlungsabschirmung betrachtet und gegeneinander abgewogen werden müssen, um dessen Gesamtkühlverhalten entsprechend zu bemessen.

Um den Zusammenhang zwischen den Figuren 1 und 2 noch deutlicher zu machen, ist die axiale Länge der Strahlungsabschirmung in beiden Figuren durch Pfeil L angegeben, während der Durchmesser der Strahlungsabschirmung und ihr Umfang in den Figuren 1 und 2 durch die Pfeile D bzw. C dargestellt sind.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der in Fig. 2 dargestellten Strahlungsabschirmung. Die zylindrische Struktur 12, die in den Figuren 2 und 3 als flache Scheibe erscheint, enthält eine Vielzahl von Rillen, aus denen die oben beschriebenen spiralförmigen Strömungskanäle entstehen. In Fig. 3 sind die vier Untergruppen der spiralförmigen Strömungskanäle zusammen mit einer graphischen Darstellung des ungefähren Temperaturprofils längs der Achse des Zylinders 12 gezeigt. Es ist dabei zu beachten, daß fig. 3 den Zylinder zwar als flache Scheibe darstellt, dieser jedoch tatsächlich zylinderförmige Gestalt aufweist, wie es in Fig. 1 wiedergegeben ist. Die Abwicklung dieses Zylinders 12 in den Figuren 2 und 3 erfolgte nur zur klareren Darstellung. Der Schnitt erfolgte längs der Geraden III-III in Fig. 2.

Nach

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Nach Fig. 3 liegt der kälteste Teil der Strahlungsabschirmung 10 bei den Untergruppen mit den spiralförmigen Strömungskanälen 40 bis 43 und 60 bis 63. Diese Rillen stellen die spiralförmigen Strömungskanäle dar, die mit den Umfangsströmungskanälen 20C und 16C in Fig. 2 in Verbindung stehen. Entsprechend der Temperaturkurve in Fig. 3 liegt die Temperatur innerhalb dieser beiden Untergruppen bei ungefähr 100° Kelvin. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf diesen speziellen Temperaturwert beschränkt ist, kann dieser doch als typisch und für die Erläuterung geeignet angesehen werden. Nach Fig. 3 liegt außerdem die Temperatur in der Mitte der beiden anderen Untergruppen (d. h. denjenigen mit den Strömungskanälen 50 bis 53 und 30 bis 33) beträchtlich höher und erreicht den Wert von ungefähr 138° Kelvin. Diese beiden wärmeren Untergruppen sind diejenigen, die mit den Umfangsströmungskanälen 18W bzw. 14W in Verbindung stehen. Obwohl die Temperatur innerhalb der beiden wärmeren Untergruppen höher liegt als innerhalb der kälteren Untergruppen in Fig. 3 ist darauf hinzuweisen, daß die wärmeren Untergruppen nicht die höchste Temperatur der Strahlungsabschirmung darstellen. Aus der Temperaturkurve in Fig. 3 wird deutlich, daß die höchste Temperatur der Strahlungsabschirmung 10 zwischen den Untergruppen an einem Punkt auftritt, der näher bei den warmen Untergruppen als bei den kalten Untergruppen liegt.

Das in Fig. 3 dargestellte thermische Profil ist für ein axiales Ende der Strahlungsabschirmung repräsentativ. Es ist darauf hinzuweisen, daß das entgegengesetzte axiale Ende der Strahlungsabschirmung ein Temperaturprofil aufweist, das zu dem in Fig. 3 gezeigten invers ist. Dies liegt an den umgekehrten Strömungsrichtungen des Kühlmittels

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mittels in den spiralförmigen Strömungskanälen und an der Temperaturänderung des Kühlmittels, wenn dieses von einem axialen Ende der Strahlungsabschirmung zum anderen fließt.
5

Zur weiteren Erläuterung, weshalb die höchste Temperatur innerhalb der mit dem Pfeil X in den Figuren 1 und 2 dargestellten Lücke zwischen den Untergruppen erscheint, zeigt Fig. 4 einen Querschnitt der Strahlungsabschirmung.

In Fig. 4 wird der innere Zylinder 12 gezeigt, mit einer Vielzahl von darin eingearbeiteten Rillen, die zwei Untergruppen darstellen. Diese beiden zur Erklärung herangezogenen Untergruppen sind diejenigen mit den spiralförmigen Strömungskanälen 40 bis 43 und 50 bis 53. Außerdem zeigt Fig. 4 einen äußeren Zylinder 80, der nahe beim inneren Zylinder 12 angeordnet ist und zusammen mit den auf der äußeren zylindrischen Oberfläche des inneren Zylinders eingebrachten Rillen die spiralförmigen Strömungskanäle der vorliegenden Erfindung bildet.

In Fig. 4 wird Strahlungswärme durch die Pfeile R dargestellt. Diese Strahlungswärme stellt beispielsweise die Art von extern abgestrahlter Wärme dar, die von der Umgebung der Strahlungsabschirmung ausgeht und die Wärme liefert, der die Strahlungsabschirmung 10 ausgesetzt ist. Gerade diese extern abgestrahlte Wärme soll die Strahlungsabschirmung 10 abführen, bevor sie die oben beschriebenen supragekühlten Feldwicklungen erreicht.

Zur Erläuterung wird angenommen, daß die spiralförmigen Strömungskanäle 40 bis 43 einen Teil derjenigen Untergruppe bilden, die nahe bei einem kalten Umfangsströmungskanal liegt, wie beispielsweise 2OC, während die spiralförmigen Strömungskanäle 50 bis 53 eine Untergruppe darstellen,

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stellen, die in der Nähe eines warmen Umfangsströmungskanals liegt, beispielsweise 18W. Die Linien 90 und 91 stellen Hilfslinien dar, die vom Mittelpunkt 93 der Strahlungsabschirmung bis zur Mitte der beiden in Fig. dargestellten Untergruppen verlaufen. Linie 95 ist eine Hilfslinie, die zum geometrischen Mittelpunkt des Kreisbogens zwischen diesen beiden Untergruppen gezeichnet ist. Die Linie 95 teilt den Winkel zwischen den Linien 90 und 91 in zwei gleich große Winkel Q. Wie die durch den innerren Zylinder 12 und den äußeren Zylinder 80 verlaufenden Pfeile anzeigen, strömt die abgestrahlte Wärme bereitwilliger zur "kalten" Untergruppe als zur "warmen" Untergruppe. Dies ist die Folge der Temperaturdifferenzen zwischen den Untergruppen und der Tendenz, daß sich als Funktion des Temperaturunterschiedes ein verstärkter Wärmeübergang einstellt. Aus diesem Grund liegt der wärmste Teil der in Fig. 4 dargestellten Strahlungsabschirmung am Punkt 98 und nicht in der Mitte 99, die den geometrischen Mittelpunkt des Kreisbogens zwischen den beiden dargestellten Untergruppen angibt.

Durch den Vergleich der Figuren 3 und 4 wird deutlich, daß die höchste Temperatur zwischen den Untergruppen am Punkt 98 auftritt, der näher bei der warmen Untergruppe als bei der kalten Untergruppe liegt. Diese Temperatur am Punkt 98 ist natürlich höher als die Temperatur am geometrischen Mittelpunkt zwischen den beiden Untergruppen, der bei Punkt 99 liegt.

Es ist leicht einzusehen, daß die Temperatur am Punkt 98 in Fig. 4 auf einem Wert gehalten werden muß, der kleiner ist als die maximal erlaubte Temperatur irgendeines Teils der Strahlungsabschirmung. Bei Vergrößerung des durch Pfeile X in den Figuren 1 und 2 dargestellten

Abstands

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Abstands zwischen den Gruppen steigt auch der Maximalwert der Temperatur am Punkt 98 bei sonst gegebenen Bedingungen. Es ist daher nach diesem Kriterium günstig, die Lücke zwischen benachbarten Untergruppen von spiralförmigen Strömungskanälen so klein wie möglich zu halten. Man darf dabei aber nicht außer acht lassen, daß bei einer Verringerung der Lücke zwischen den Untergruppen ein möglicher Wärmeübergang zwischen den Untergruppen ebenfalls zunimmt und die Gefahr thermischer Kurzschlüsse steigt. Aus diesen Gründen ist es klar, daß die physikalischen Abmessungen der Lücken zwischen den Gruppen (angezeigt durch Pfeile X) und der Lücken innerhalb der Gruppen (angezeigt durch Pfeile A) sorgfältig ausgewählt werden müssen, um diese beiden Konstruktionsvorgaben zu berücksichtigen.

Nach der bisherigen Beschreibung führt die spiralförmige Gestalt der Strömungskanäle nach der vorliegenden Erfindung zu einer Verteilung potentieller Wärme, die nur auf bestimmte Bereiche der Strahlungsabschirmung einwirkt, auf deren Umfang. Zur Erläuterung der Vorteile der vorliegenden Erfindung wird im folgenden eine hypothetische Fehlerbedingung diskutiert. Wenn in Fig. 2 das gasförmige Kühlmittel, das aus dem Umfangsströmungskanal 14C zum Umfangsströmungskanal 14W strömt, aufgrund einer vorübergehenden Fehlerbedingung oder eines sonstigen unnormalen Betriebsfehlers in seiner Bewegung gehindert wird, erfährt der Bereich der Strahlungsabschirmung, der längs des Pfades der spiralförmigen Strömungskanäle 30 bis 33 liegt, eine Temperaturerhöhung, da in diesen Kanälen weniger gasförmiges Kühlmittel strömt. Dieser Temperaturanstieg führt zu einer entsprechenden Wärmeausdehnung der Strahlungsabschirmung in der Nähe dieser nicht arbeitenden spiralförmigen Strömungskanäle 30 bis 33. Diese lokalisierte Ausdehnung erstreckt sich jedoch längs eines

spiral-

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spiralförmigen Weges um die Strahlungsabschirmung und verteilt sich daher längs deren Umfang. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung läßt sich erkennen, wenn dieses Resultat mit der Alternative verglichen wird, die sich ergibt, wenn sich die Kühlmittelkanäle axial zwischen den beiden Umfangsströmungskanälen in einer Richtung erstrecken, die im wesentlichen gerade und parallel zur Mittelachse der Strahlungsabschirmung liegt. Im letztgenannten Fall erfolgt die gesamte Wärmeausdehnung auf einer Seite der Strahlungsabschirmung und kann so ein beträchtliches Störmoment um die Mittelachse entsprechend des zugehörigen radialen Abstands von der Rotationsachse der Strahlungsabschirmung bilden. Bei der vorliegenden Erfindung wird dieser thermisch ausgedehnte Teil im wesentlichen um die Strahlungsabschirmung herum verteilt, so daß diese Störmomente sich gegenseitig ausgleichen. Wie man leicht erkennt, wird diese vorteilhafte Wirkung der vorliegenden Erfindung verstärkt, wenn die Anzahl der Windungen der spiralförmigen Strömungskanäle zunimmt. Wenn die Anzahl der Spiralwindungen gegen unendlich geht, strebt das durch die Wärmeausdehnung hervorgerufene resultierende Ungleichgewicht gegen null. Die begrenzenden Faktoren, die eine extrem hohe Anzahl von Spiralwindungen verbieten, sind der geforderte Abstand zwischen den Untergruppen (durch Pfeile X dargestellt), die Breite der spiralförmigen Strömungskanäle und die Länge und der Durchmesser der Strahlungsabschirmung selbst.

Die Figuren 5 und 6 zeigen alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Diese Figuren zeigen den Einbau einer Unstetigkeit in die spiralförmigen Strömungskanäle der vorliegenden Erfindung. Der Zweck dieser alternativen Ausführungsformen besteht darin, den Druckabfall

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längs der spiralförmigen Rillen von der Trägheit des Kühlmittels abhängig zu machen und nicht von den Reibungseigenschaften des Kühlmittels bei seiner Strömung durch die spiralförmigen Rillen. Es ist der Fachwelt klar, daß die Reibung, die bei der Strömung eines fluiden Mediums durch eine Rille eine Funktion der Viskosität dieses Mediums ist und diese Viskosität ihrerseits von der Temperatur abhängt. Wenn also das durch eine Rille strömende fluide Medium eine Temperaturerniedrigung erfährt, nimmt seine Strömungsgeschwindigkeit zu, so daß die Temperatur in diesem Bereich der Strahlungsabschirmung ebenfalls abnimmt und so eine unstabile Lage auftreten kann. Durch die Verwendung von spiralförmigen Rillen mit ünstetigkeiten wird die Strömung durch diese Rillen in stärkerem Maße von der Trägheit des fluiden Mediums abhängig und der Gesamteffekt möglicher Viskositätsänderungen verringert.

Zur Erläuterung zeigt Fig. 5 die Umfangsrille 18C mit ihren zugehörigen Spiralrillen 50 bis 52. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform enthält jede der spiralförmigen Rillen eine Vielzahl von im allgemeinen kreisförmigen Unstetigkeiten. Diese ünstetigkeiten erzeugen in sich eine turbulente Strömung und führen dazu, daß die Kühlmittelströmung eine Funktion der Trägheit ist, die bei der Bestimmung des gesamten Druckabfalls längs der Länge des spiralförmigen Strömungskanals eine größere Rolle spielt als die Abhängigkeit von der Reibung. Obwohl die Unstetigkeiten 102 in Fig. 4 als im wesentlichen kreisförmig dargestellt sind, versteht es sich von selbst, daß die besondere Form der Unstetigkeit 102 nicht darauf beschränkt ist. Andere Formen der Unsteigkeiten, beispielsweise Quadrate oder Rechtecke, sind ebenfalls möglich.

Fig. 6

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Fig. 6 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Rillen über Kanäle zwischen den Rillen miteinander verbunden sind. Diese Zwischenkanäle 104 wirken in ähnlicher Weise wie die Unstetigkeiten 102 in Fig. 5. Sowohl in Fig. 5 als auch in Fig. 6 ist die ümfangsrille 18C mit einem radialen Loch 70 dargestellt, durch das eine Strömung eines Kühlmittels, beispielsweise Helium, geleitet werden kann. Die Strömungsrichtung des Heliums ist durch Pfeile in den Figuren 5 und 6 angegeben. Danach fließt das Helium aus dem radialen Loch 70 in die Ümfangsrille 18C und anschließend in die Spiralrillen 50 bis 53. Die Unstetigkeiten in den Spiralrillen 50 bis 53 erzeugen eine turbulente Strömung innerhalb des Kühlmittelstromes. Die Un-Stetigkeiten 102 und die Zwischenkanäle 104, die in den Figuren 5 bzw. 6 dargestellt sind, sind zwar für das ordnungsgemäße Funktionieren der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, verbessern aber doch die Arbeitsweise der Strahlungsabschirmung.

Die Figuren 5 und 6 zeigen beide den inneren Zylinder einer Strahlungsabschirmung mit einer Untergruppe von spiralförmigen Strömungskanälen. Es ist darauf hinzuweisen, daß diese alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Untergruppe nicht direkt mit ihren benachbarten Untergruppen verbindet. Die Unstetigkeiten 102 oder die Zwischenkanäle 104 zwischen den Rillen werden nur dazu verwendet, die Kühlfähigkeiten der Strömungskanäle zu verbessern, nicht aber die Beziehungen zwischen Untergruppen von spiralförmigen Strömungskanälen.

Die

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Die vorliegende Erfindung stellt eine Strahlungsabschirmung zur Verfügung, mit der mögliche mechanische Ungleichgewichte verringert werden, die durch vorübergehende Störbedingungen oder andere unnormale Betriebsbedingungen eines eines supraleitenden Generators auftreten können. Neben den bisher dargestellten Ausführungsformen kommen alle weiteren für die vorliegende Erfindung in Frage, bei denen Strömungskanäle verwendet werden, die mögliche Wärmeausdehnungen auf den gesamten Umfang der Strahlungsabschirmung verteilen.

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Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE

   f 1. !supraleitender Generator mit einer Rotoreinheit, die ^"eine supraleitende Wicklung und eine Strahlungsabschirmung (10) aufweist, wobei die Strahlungsabschirmung zylindrisch um die Rotoreinheit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Strahlungsabschirmung einen ersten Umfangsströmungskanal an einem ihrer axialen Enden sowie einen zweiten Umfangsströmungskanal (14W) an ihrem anderen axialen Ende aufweist, daß die Strahlungsabschirmung (10) einen spiralförmigen Strömungskanal (30) aufweist, der sich auf ihrem Umfang erstreckt und den ersten mit dem zweiten Umfangsströmungskanal verbindet, daß erste Vorrichtungen (70) zur Einführung eines fluiden Mediums in den ersten Umfangsströmungskanal vorgesehen sind, daß zweite Vorrichtungen zur Entfernung eines fluiden Mediums aus dem zweiten Umfangsströmungskanal vorgesehen sind, daß ein dritter Umfangsströmungskanal (16W) am gleichen axialen Ende der Strahlungsabschirmung vorgesehen ist wie der erste Umfangsströmungskanal, daß ein vierter Umfangsströmungskanal (16C) am gleichen axialen Ende der Strahlungsabschirmung vorgesehen ist wie der zweite Umfangsströmungskanal, daß ein zweiter spiralförmiger Strömungskanal (60) vorgesehen ist, der sich auf dem Umfang der Strahlungsabschirmung erstreckt und den dritten und den vierten Umfangsströmungskanal verbindet,

   daß

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   daß dritte Vorrichtungen zur Entfernung eines fluiden Mediums aus dem dritten umfangsstromungskanal vorgesehen sind und daß vierte Vorrichtungen zur Einführung eines fluiden Mediums in den vierten Umfangsstromungskanal vorgesehen sind.
2. 2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein fluides Medium aus dem ersten Umfangsstromungskanal durch den ersten spiralförmigen Strömungskanal geschickt wird, und daß ein fluides Medium vom vierten Umfangsstromungskanal durch den zweiten spiralförmigen Strömungskanal geschickt wird.
3. 3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste spiralförmige Strömungskanal aus einer Vielzahl

   von Strömungswegen (30 - 33) innerhalb der Strahlungsabschirmung besteht und daß der zweite spiralförmige Strömungskanal aus einer Vielzahl von Strömungswegen (60 - 63) innerhalb der Strahlungsabschirmung besteht. 20
4. 4. Generator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten spiralförmigen Strömungskanäle sich jeweils mindestens dreimal um den Umfang der Strahlungsabschirmung erstrecken.
5. 5. Generator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Strömungswege, die zusammen den jeweiligen spiralförmigen Strömungskanal bilden, auf seiner Oberfläche mindestens eine Unstetigkeit (102) aufweist.
6. 6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Strömungswegen Kanäle (104) zur Zwischenverbindung vorgesehen sind.