DE3838949C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Vakuumab­ dichtung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbo­ generators, die innerhalb mindestens eines Vakuumraumes in einem Vakuumgehäuse einen drehbeweglichen Läufer mit einer tiefzukühlenden Läuferwicklung sowie einen um den Läufer ange­ ordneten ortsfesten Ständer mit einer zu kühlenden Ständerwick­ lung enthält, wobei die Einrichtung zwischen drehbeweglichen Teilen des Läufers und ortsfesten Teilen des Vakuumgehäuses zur Abdichtung des Vakuumraumes gegenüber einem auf vergleichs­ weise höherem Druck liegenden Außenraum ausgebildet ist. Eine elektrische Maschine mit einer derartigen Vakuumabdichtungs­ einrichtung ist in der Veröffentlichung "Advances in Cryogenic Engineering", Vol. 13, 1968, Seiten 161 bis 167 angedeutet.

Elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren oder Motoren besitzen in der Regel eine rotierende Feldwicklung und eine feststehende Ständerwicklung. Durch tiefgekühlte und insbeson­ dere durch supraleitende Wicklungen kann man dabei die Strom­ dichte und dadurch die spezifische Leistung der Maschine, d.h. die Leistung pro Kilogramm Eigengewicht, erhöhen und auch den Wirkungsgrad der Maschine steigern.

Tiefkalte Wicklungen elektrischer Maschinen müssen im allge­ meinen von der Umgebung thermisch isoliert und mit einem Kühl­ mittel auf der geforderten Tieftemperatur gehalten werden. Eine effektive Wärmeisolation kann dabei nur erreicht werden, wenn die tiefkalten Teile der Maschine von dem warmen Außenraum mög­ lichst durch ein Hochvakuum mit einem Restgasdruck unter 10^-3 mbar getrennt sind und wenn Verbindungsteile zwischen diesen tiefkalten Teilen und dem warmen Außenraum möglichst wenig Wärme übertragen.

Für eine Hochvakuumisolation von Läufern mit tiefzukühlenden Läuferwicklungen und warmen Ständerwicklungen sind insbesondere zwei Varianten bekannt: Bei einer ersten Ausführungsform hat der Läufer eine warme Außenhülle und einen mitrotierenden abgeschlossenen Vakuumraum. Der Vakuumraum umgibt dabei den tiefkalten Bereich allseitig (vgl. z.B. "Siemens Forsch. u. Entwickl.-Ber." Bd. 5, 1976, Nr. 1, Seiten 10 bis 16). Über sich durch den Vakuumraum erstreckende Abstützungen erfolgt jedoch eine unerwünschte Übertragung von Wärme auf die tief­ kalten Teile. Bei einer zweiten Ausführungsform rotiert der im wesentlichen kalte Läufer in einem Hochvakuum. Dabei wird die äußere Begrenzung des Hochvakuumraumes durch die Innenbohrung des Ständers festgelegt. Eine solche Anordnung erfordert jedoch hochvakuumdichte Wellendichtungen zwischen dem Läufer und dem Ständer (vgl. z.B. DE-OS 27 53 461).

Neben diesen bekannten elektrischen Maschinen mit kalter Läu­ ferwicklung und warmer Ständerwicklung sind auch Ausführungs­ formen mit tiefkaltem Läufer und tiefkaltem Ständer bekannt. So geht z.B. aus der eingangs genannten Veröffentlichung "Adv. Cryog.Engng.", Vol. 13 ein supraleitender Generator hervor, der sowohl eine supraleitende Läuferwicklung wie auch eine supra­ leitende Ständerwicklung aufweist. Beide Wicklungen sind inner­ halb eines Vakuumgehäuses angeordnet. Über die zwischen drehbe­ weglichen Läuferteilen und Teilen des Vakuumgehäuses erforder­ lichen Dichtungseinrichtungen zur Abdichtung des Vakuumraumes gegenüber dem auf Normaldruck liegenden warmen Außenraum sind jedoch in dieser Veröffentlichung keine Einzelheiten angegeben.

Es sind zwar hochvakuumfeste Dichtungseinrichtungen für supra­ leitende Turbogeneratoren bekannt, bei denen Magnetflüssigkeitsdichtungen eingesetzt werden (vgl. z.B. DE-PS 32 07 061). Derartige Dichtungen sind jedoch nur für kleinere Wellendurch­ messer realisierbar. Schnellaufende Hochvakuum-Wellendichtungen für größere Durchmesser, wie sie insbesondere für größere Turbogeneratoren (mit Leistungen über 300 MVA) gefordert werden, sind bisher jedoch nicht ausreichend dauerhaft und zuverlässig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Vakuum­ abdichtungseinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß eine möglichst einfache und effektive Ab­ dichtung auch an einer Welle mit einem größeren Durchmesser ermöglicht wird und somit entsprechend große Maschinen mit kalter Ständer- und Läuferwicklung mit hinreichender Langzeit­ stabilität aufgebaut werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Ab­ dichtung ein Spalt vorgesehen ist, der einen ringförmigen Querschnitt und eine Spaltweite von unter 1 mm aufweist, der ferner eine axiale Spaltlänge hat, welche mindestens so groß ist wie der Durchmesser des drehbeweglichen Läuferteiles im Spaltbereich, und der außerdem an mindestens einer Absaugstelle zwischen seinen axialen Enden an eine Pumpvorrichtung zum differentiellen Abpumpen angeschlossen ist.

Eine ringförmige Spaltdichtung mit ausgeprägt axialer Ausdeh­ nung und einer Absaugstelle zwischen den aixalen Spaltenden zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Unterdruckes im luftdichten Gehäuse einer elektrischen Maschine ist zwar aus der DE-PS 11 78 505 zu entnehmen. Die Weite des Spaltes soll jedoch so groß bemessen sein, daß in den Spalt in axialer Richtung gesehen hintereinander eine Vielzahl von Kammringdichtungen unterzubringen ist. Diese Dichtungen erstrecken sich jeweils radial nur soweit, daß an ihnen ein Austausch einer geringen Luftmenge zwischen der äußeren Atmosphäre und dem Gehäuseinnenraum der Maschine ermöglicht wird. Eine derartige Abdichtung kann somit nicht als Hochvakuumdichtung dienen.

Darüber hinaus ist eine ringförmige Spaltdichtung mit ausgeprägt axialer Ausdehnung auch aus der erwähnten DE-PS 32 07 061 bekannt. Mit der bekannten Ausführungsform wird aber lediglich die Reduktion des effektiven Saugvermögens an einer magnetischen Flüssigkeitsdichtung angestrebt. Eine derartige Flüssigkeitsdichtung soll jedoch beim Gegenstand der Erfindung nicht mehr erforderlich sein.

Auch ein differentielles Abpumpen ist an sich bekannt (vgl. z.B. "Rev.Sci.Instrum.", Vol. 47, No. 11, Nov. 1976, Seiten 1347 bis 1353). Dieses Pumpprinzip ist auch für Drehdurchfüh­ rungen bei hohen Drehzahlen vorgeschlagen (vgl. z.B. die DD-Veröffentlichung "Tabellen zur angewandten Physik" von M.v.Ardenne, II. Band, 2. Auflage, Berlin 1964, Seite 432). Die bekannte Drehdurchführung ist jedoch nur für Maschinen mit ver­ hältnismäßig kleiner Leistung geeignet. Ein Kühlung von Wick­ lungen und das damit verbundene Problem einer Vakuumabdichtung sind dabei nicht angesprochen.

Die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erreichten Vorteile sind nun insbesondere darin zu sehen, daß aufgrund der Kombina­ tion des an sich bekannten Pumpprinzips mit der an sich bekann­ ten ringförmigen Spaltdichtung nunmehr eine Abdichtung eines Vakuumgehäuses ermöglicht wird, das zur gleichzeitigen Aufnahme sowohl einer tiefzukühlenden Läuferwicklung wie auch einer tiefzukühlenden Ständerwicklung einer elektrischen Maschine großer Leistung vorzusehen ist. Die Abdichtung ist dabei vor­ teilhaft verschleißfrei und ermöglicht somit einen Langzeit­ betrieb der Maschine.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vakuumab­ dichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vakuumabdichtungseinrichtung einer elek­ trischen Maschine angedeutet ist. Fig. 2 zeigt eine Maschine mit mehreren derartigen Einrichtungen zur Vakuumabdichtung. In den Figuren sind übereinstimmende oder sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Längsschnitt enthält eine nicht näher ausgeführte elektrische Maschine einen um eine Achse 2 drehbeweglichen zylinderförmigen Teil 3 einer Welle. Dieser Wellenteil ragt seitlich durch eine entsprechende rohrförmige Öffnung 4 oder Bohrung eines ortsfesten Vakuumgehäuses 5 hin­ durch. Die rohrförmige Öffnung 4 hat eine axiale Ausdehnung vorbestimmter Länge L und umschließt konzentrisch den Wellen­ teil 3 derart, daß zwischen diesen Bauteilen ein enger Ring­ spalt 6 verbleibt. Die Spaltlänge L sollte dabei mindestens so groß sein wie der Durchmesser d des Wellenteils 3. Die Spalt­ weite w wird im allgemeinen unter 1 mm liegen und vorzugsweise weniger als 0,5 mm betragen. Über den Ringspalt 6 ist ein Außenraum A mit Normaldruck p₀ von einem zu evakuierenden Innenraum I mit Vakuumdruck p₁ getrennt. Der Vakuumdruck soll mittels einer an einem Pumpstutzen 8 anzuschließenden Vakuumpumpe mit Saugvermögen S₁ aufrechterhalten werden können. Hierzu muß der Leckage-Gasstrom, der über den Ringspalt 6 in den Niederdruckbereich gelangt, vermindert werden. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, daß an mindestens einer Absaugstelle 10, die zwischen den stirnseitigen Enden 11 und 12 des Ringspaltes 6 liegt, eine differentielle Pumpstufe ausgebildet ist. Hierfür ist an einem Pumpstutzen 13 eine weitere Pumpe mit einem Saugvermögen S′ angeschlossen. An der Absaugstelle 10 herrscht dann ein Zwischendruck p′ zwischen dem Außendruck p₀ und dem Vakuumdruck p_1. Die so ausgebildete Abdichtungseinrichtung ist allgemein mit 14 bezeichnet.

Gegebenenfalls kann man für diese Vakuumabdichtungseinrichtung auch mehrere hintereinanderliegende differentielle Pumpstufen vorsehen. Dabei können vorteilhaft Pumpen eingesetzt werden, deren Saugvermögen S′ mit zunehmender Entfernung von dem Außenraum A größer wird.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel für die in Fig. 1 angedeutete Vakuumabdichtungseinrichtung seien folgende Größen angenommen:

Durchmesser d ≈ 320 mm,
Spaltweite w ≈ 0,3 mm,
Spaltlänge L ≈ 400 mm,
Saugvermögen S₁ ≈ 300 l/sec,
Saugvermögen S′ ≈ 16 m³/h und
Außendruck p₀ = 1 bar.

Die Werte für S′ bzw. S₁ sind dabei typisch für eine Dreh­ schieberpumpe bzw. eine Turbomolekularpumpe mittlerer Größe.

Unter Zugrundelegung dieser konkreten Größen ergibt sich dann an der in der Mitte der Strecke L des Ringspaltes 6 liegenden Anschlußstelle 10 ein Zwischendruck p′ von ungefähr 30 mbar. Dies hat zur Folge, daß im Innenraum I des Vakuumgehäuses 5 mit Hilfe einer Pumpe mit dem Saugvermögen S₁ ein Vakuumdruck p₁ von ungefähr 10^-3 mbar erhalten werden kann. Ein solcher Vakuumdruck reicht im allgemeinen zur thermischen Isolation von tiefzukühlenden Wicklungen einer Maschine aus.

Die in Fig. 1 angedeutete Vakuumabdichtungseinrichtung nach der Erfindung kann also besonders vorteilhaft für eine elek­ trische Maschine vorgesehen werden, deren Wicklungen mit tief­ zukühlenden, beispielsweise supraleitenden Leitern aufgebaut sind und sich in einem gemeinsamen Vakuumgehäuse befinden. So­ wohl die rotierende Läuferwicklung wie auch die feststehende Ständerwicklung tiefkalt zu halten, ist eine Folge der Fort­ schritte der Supraleitertechnologie. In den letzten Jahren wurden nämlich einerseits "konventionelle" ("klassische") Supraleiter entwickelt, die auch für Wechselstrom geeignet sind. Mit diesen Supraleitern kann man supraleitende Maschinen aufbauen, bei welchen nicht nur die ein Gleichfeld erzeugende Erregerwicklung, sondern auch die ein Wechselfeld erzeugende Ständerwicklung supraleitend ist. Die "konventionellen" Supra­ leiter müssen jedoch mit dem teueren Kühlmittel Flüssighelium (LHe) auf etwa 4 K abgekühlt werden. Andererseits sind in letzter Zeit "neue" Supraleiter entdeckt worden, die bei wesent­ lich höheren, aber immer noch tiefkalten Temperaturen arbeiten und z. B. mit dem billigeren Kühlmittel Flüssigstickstoff (LN₂) auf ca. 77 K gekühlt werden können. Darüber hinaus ist es auch bekannt, mit tiefkalten Wicklungen aus normalleitendem Material Maschinen mit sehr hoher Leistungsdichte zu bauen. Die erfin­ dungsgemäße Vakuumabdichtungseinrichtung ermöglicht nun ein effektives und einfaches Isolations- und Kühlsystem für Maschi­ ne mit derartigen tiefkalten Läufer- und Ständerwicklungen.

Ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Turbogenerators ist als Längsschnitt in Fig. 2 veranschaulicht. Dabei sei an­ genommen, daß seine Läuferwicklung 15 und seine Ständerwick­ lung 16 mit Supraleitern aufgebaut sind.

Die gezeigte Maschine enthält ein Vakuumgehäuse 5, das deren gesamten tiefkalten Bereich umschließt. An ihrer Antriebsseite 17 und an ihrer Nichtantriebsseite 18 ragt jeweils ein Wellen­ teil 3a bzw. 3b eines Läufers 20 aus rohrförmigen Öffnungen 4a bzw. 4b des Vakuumgehäuses 5 heraus. Hier befindet sich je eine erfindungsgemäße Abdichtungseinrichtung 14, die als verschleiß­ freie Ringspaltdichtung mit mindestens einer Absaugstelle 10 ausgebildet ist. An jeder der Absaugstellen wird mit einer in der Figur nicht dargestellten Vakuumpumpe ein Zwischenvakuum aufrechterhalten. Der größte Teil der Luft, die von der Außen­ atmosphäre des Außenraumes A durch den Ringspalt 6 strömt, wird dort abgesaugt. Ein verbleibender kleiner Restgasstrom gelangt in den Innenraum I des Vakuumgehäuses 5 und wird dort mit einer in der Figur nicht dargestellten Hochvakuumpumpe über den Pump­ stutzen 8 abgesaugt.

Ein mit 22 bezeichneter Tieftemperaturbereich des Läufers 20 enthält die tiefkalte Läuferwicklung 15 und ein sie auf der ge­ forderten Betriebstemperatur haltendes kryogenes Kühlmittel 23. Mittels einer in der Figur nicht näher ausgeführten Kühlmittel­ transfereinrichtung 24 wird das Kühlmittel in flüssigem Zustand von außen zunächst in den Wellenteil 3b und von dort axial in den Tieftemperaturbereich 22 eingespeist. Entstehendes Kühl­ mittelabgas 25 wird ebenfalls über die Kühlmitteltransferein­ richtung 24 wieder nach außen abgeleitet. Eine entsprechende Kühlmitteltransfereinrichtung ist z.B. aus "Adv.Cryog.Engng.", Vol. 31, 1986, Seiten 251 bis 258 bekannt. Der Tieftemperatur­ bereich 22 des Läufers ist an seinen Stirnseiten über ver­ hältnismäßig dünnwandige, rohrförmige Läuferteile 27 mit warmen, scheibenförmigen Läuferteilen 28 verbunden. Diese scheibenförmigen Läuferteile sind an den Wellenteilen 3a bzw. 3b befestigt.

Die tiefkalte Ständerwicklung 16 wird von einem zweiten Kühl­ mittelstrom 30 durchlaufen. Die Wicklung steht auf Stützen 31, die das Gewicht und das auftretende Drehmoment abstützen und dabei möglichst wenig Wärme einleiten. Zur Verminderung der Wärmelast können die Stützen auf einem Zwischentemperaturniveau gehalten sein. Hierzu ist z.B. eine thermische Ankopplung 32 an das Abgas aus der Ständerwicklungskühlung geeignet. Außerdem können in bekannter Weise Strahlungsschilde 33 und Superiso­ lation 34 den einfallenden Wärmestrom weiter vermindern.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vakuumabdichtungsein­ richtung ermöglicht somit eine Anordnung der tiefgekühlten Läu­ ferwicklung 15 und der tiefgekühlten Ständerwicklung 16 in dem gemeinsamen Vakuumraum I des Gehäuses 5. In dem Spalt zwischen der Läuferwicklung und der Ständerwicklung wird dann vorteil­ haft kein Platz für eine thermische Isolation benötigt. Die Läuferwicklung kann deshalb wesentlich näher an die Ständer­ wicklung heranreichen. Dadurch erhöht sich die Durchflutung der Ständerwicklung. Dies führt zu einer höheren spezifischen Lei­ stung der Maschine.

Bei bisherigen elektrischen Maschinen mit tiefgekühlten Läufer­ wicklungen stellt die Luftspaltreibung einen beträchtlichen Verlustanteil dar. Dieser Anteil entfällt, wenn der Läufer im Vakuum rotiert.

Zur Luftspaltkühlung großer Generatoren ist es bekannt, Wasser­ stoff einzusetzen. Eine entsprechende, verhältnismäßig auf­ wendige Wasserstoff-Kühltechnik kann jedoch aufgrund der er­ findungsgemäßen Maßnahmen entfallen, wenn alle im Tieftempe­ raturbereich entstehende Wärme mit dem Tieftemperatur-Kühl­ mittel 23 abgeführt wird.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Vakuumabdichtung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, die innerhalb mindestens eines Vakuumraumes in einem Vakuumgehäuse einen drehbeweglichen Läufer mit einer tiefzukühlenden Läuferwicklung sowie einen um den Läufer angeordneten ortsfesten Ständer mit einer tiefzukühlenden Ständerwicklung enthält, wobei die Einrichtung zwischen drehbeweglichen Teilen des Läufers und ortsfesten Teilen des Vakuumgehäuses zur Abdichtung des Vakuumraumes gegenüber einem auf vergleichsweise höherem Druck liegenden Außenraum ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung ein Spalt (6) vorgesehen ist, der

• - einen ringförmigen Querschnitt und eine Spaltweite (w) von unter 1 mm aufweist,
• - eine axiale Spaltlänge (L) hat, welche mindestens so groß ist wie der Durchmesser (d) des drehbeweglichen Läuferteiles (3, 3a, 3b) im Spaltbereich, und
• - an mindestens einer Absaugstelle (10) zwischen seinen axialen Enden (11, 12) an eine Pumpvorrichtung zum differentiellen Abpumpen angeschlossen ist.

2. Vakuumabdichtungseinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß in dem Vakuum­ gehäuse (5) die Läuferwicklung (15) und/oder die Ständerwick­ lung (16) mit supraleitenden Leitern aufgebaut sind/ist.

3. Vakuumabdichtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweite (w) des ringförmigen Spaltes (6) unter 0,5 mm liegt.

4. Vakuumabdichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ringförmigen Spalt (6) mehrere Absaugstellen (10) zum differen­ tiellen Abpumpen vorgesehen sind.