EP3161947A1 - Cooling device and cooling method for cooling an energy conversion apparatus having a rotor and at least one turbine - Google Patents

Cooling device and cooling method for cooling an energy conversion apparatus having a rotor and at least one turbine

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Publication number
EP3161947A1
EP3161947A1 EP15744544.6A EP15744544A EP3161947A1 EP 3161947 A1 EP3161947 A1 EP 3161947A1 EP 15744544 A EP15744544 A EP 15744544A EP 3161947 A1 EP3161947 A1 EP 3161947A1
Authority
EP
European Patent Office
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shaft
rotor
coolant
turbine
cooling
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15744544.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Tabea Arndt
Michael Frank
Jörn GRUNDMANN
Anne Bauer
Peter Kummeth
Wolfgang Nick
Marijn Pieter Oomen
Peter Van Hasselt
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3161947A1 publication Critical patent/EP3161947A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
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    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/20—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil wherein the cooling medium vaporises within the machine casing
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a cooling device for cooling an energy conversion device with an electric machine, comprising a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a rotatable central shaft.
  • the energy conversion device further comprises at least a first turbine rotatably mounted on the same shaft.
  • the invention relates to a Derar ⁇ term energy conversion device and a cooling method for such a device.
  • Energy conversion devices are known from the prior art, which are equipped with cooling devices for cooling of rotating electrical coil windings.
  • electrical machines with superconducting rotor windings are typically provided with cooling devices in which a coolant such as liquid nitrogen, FLÜS ⁇ Siges helium or liquid neon circulating inside a central shaft according to the thermosiphon principle, and thus heat can dissipate from the rotor.
  • a coolant such as liquid nitrogen, FLÜS ⁇ Siges helium or liquid neon circulating inside a central shaft according to the thermosiphon principle, and thus heat can dissipate from the rotor.
  • superconducting coil windings in particular supralei ⁇ rotating rotating field windings can be cooled to an operating tempera ⁇ ture below the critical temperature of the superconductor and kept at this operating temperature.
  • Object of the present invention is therefore to provide a cooling device for an energy conversion device, which avoids the disadvantages mentioned.
  • a cooling device is to be specified in which a coolant can be coupled into a region of the shaft in the interior of the rotor of an electrical machine of the device in a simple manner.
  • Other objects of the invention are an energy conversion device having such To provide cooling device and a cooling method for an energy conversion device.
  • the cooling device is used for cooling an energy conversion device with an electric machine, comprising a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a rotatable central shaft.
  • the energy conversion device further comprises at least a first turbine rotatably mounted on the same shaft.
  • the cooling device comprises foundeds ⁇ least a first inner cavity of the shaft for transporting coolant into a region within the rotor of the electric machine, wherein the first inner cavity extends axially through the first turbine and through an axial clearance between the first turbine and rotor ,
  • the electric machine of the energy conversion device can be operated either as a generator or as a motor.
  • the entire energy conversion device is used to convert mechanical energy into electrical energy.
  • electrical energy is converted into mechanical energy ⁇ vice versa.
  • the Ener ⁇ gieumwandlungsvoriques comprises a central shaft and at least one turbine, wherein the central shaft couples the rotor of the electrical machine's ⁇ and turbine mechanically and Drehmo ⁇ elements between these components transmits.
  • the term "rotor” should always be understood to mean the rotor of the electric machine, in contrast to the rotating turbine, which is often referred to in the art as a turbine rotor.
  • Turbine only this rotatable turbine rotor are understood, the addition of a general can be surrounded stationary outer housing.
  • shaft is intended to denote the entire, axially extending shaft of the energy conversion device, regardless of whether this shaft is made as a unitary component or composed of different axial shaft segments.It is essential that torques are transmitted over the length of Wel ⁇ le can, so that the shaft acts mechanically as one piece.
  • the shaft may, for example, Segmen ⁇ th be composed in the region of the rotor and in the region of at least one turbine, so it may have a rotor shaft and one or more coupled thereto turbine shafts, umfas ⁇ sen Even in these cases, the word "wave" should always denote the entire mechanically connected arrangement of such axial segments.
  • a significant advantage of the cooling device according to the invention is that by the first inner cavity coolant in a simple manner in the interior of the rotor gelei ⁇ tet can be, without requiring a free shaft end of the electric machine is needed. Instead, the coolant in the first internal cavity is passed through the interior of the first turbine. It therefore does not need to un ⁇ indirect proximity to the rotor in the interior of the shaft to be fed, but may reach, for example, to a soft remote ter shaft end in the interior of the shaft.
  • an indirect heat transfer from the coolant to the external environment can also take place at this more remote shaft end.
  • complex devices for supplying coolant or for indirect heat transfer in an axially inner region of the shaft are advantageously avoided.
  • the first internal cavity in the shaft extends the full axial length of the turbine and also extends the full axial length of the turbine-rotor gap. It also expediently extends over at least part of the axial length of the rotor, so that coolant can pass into its interior via the first inner cavity. Thus, coolant may be introduced through the first turbine into the interior of the rotor.
  • the transmission of torque via the shaft between Ro ⁇ tor and the first turbine can be ensured despite the extended first inner cavity, because for this torque ⁇ torque transmission, especially the mechanical strength of an outer shell of the shaft is crucial. Therefore, the part of the shaft carrying the turbine can also be designed as a hollow shaft.
  • the energy conversion device according to the invention has an electric machine with a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a central shaft, and at least one first turbine. Furthermore, the energy conversion device according to the invention comprises a cooling device according to the invention.
  • the advantages of such Energy conversion device arise analogously to the described advantages of the cooling device according to the invention.
  • the removal of heat from the coolant in the first inner cavity may advantageously be combined with other paths for heat dissipation, for example, with a further radial and / or axial heat transfer path in the interior of the rotor via which arranged on the rotor to cow ⁇ loin components the coolant in the interior of the shaft can be thermally coupled.
  • the electric machine has an electric motor arranged on the rotor
  • Coil winding which can be cooled by the cooling device.
  • This coil is a superconducting Spu ⁇ lenwicklung, in particular, be a high-temperature superconducting coil winding.
  • the electric machine can be operated, for example, either as a generator or as a motor.
  • the method according to the invention serves to cool an energy conversion device with an electric machine, comprising a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a rotatable central shaft, and with at least one first turbine, which is rotatably arranged on the same shaft.
  • the method comprises Wenig ⁇ least the step of transporting coolant in a Be ⁇ rich cavities within the rotor by a first inner hollow of the shaft which extends axially through the first turbine and by a disposed between the first turbine and the rotor gap.
  • thedemit ⁇ tel is to be transported through the shaft of an axially facing away from the rotor side of the turbine in the interior of the rotor the.
  • the shaft may have a first shaft end, which is provided with a device for feeding coolant into the first inner cavity, wherein the first shaft end is arranged axially on a side of the first turbine facing away from the rotor.
  • coolant can be introduced into the interior of the shaft from a shaft end located behind the turbine as viewed from the rotor.
  • the first shaft end may additionally be provided with a device for discharging coolant from the first internal cavity.
  • a device for discharging coolant from the first internal cavity In this embodiment, therefore, the feeding and the discharge of coolant can take place at the same, not directly adjacent rotor axial end of the shaft.
  • An advantage of this embodiment is that only one side of the shaft leading to the rotor must be designed as a hollow shaft. Another, remote from the first turbine part of the shaft can then be designed as a massive wave.
  • the coolant can flow in a common inner tube towards the rotor and away from the rotor.
  • the first inner cavity would be suitable for both transport directions.
  • refrigerant in the manner of a thermosyphon or Wär ⁇ merohres.
  • two inner cavities may extend between the first shaft end and the rotor.
  • a first and a second inner cavity axially adjacent to each other are guided in the interior of the shaft.
  • one of the two cavities may surround the other concentrically.
  • the first inner cavity for the coolant supply can advantageously be surrounded by a second inner cavity for the coolant return. In principle, however, there may also be a reverse arrangement.
  • the cooling device may have a first shaft end axially opposite second shaft end, which is provided with a device for discharging coolant from an interior of the shaft.
  • coolant is thus switched on and off at axially opposite shaft ends.
  • the shaft must be formed over its entire axial length as a hollow shaft.
  • the cross section of the respective cavities can then be made smaller for a given shaft section compared to the entire cross section of the shaft, since the individual ⁇ nen cavities must be dimensioned in each case only for the transport of coolant in one direction and not several tubes parallel to each other or coaxial must be conducted to each other.
  • thedemit ⁇ tel can then be introduced in particular through the interior of the first turbine and discharged through the interior of the second turbine again.
  • the first inner cavity may either extend over the interior of both turbines, or the first inner cavity in the interior of the first turbine may be fluidically connected to a second inner cavity in the interior of the second turbine, so that a fluiddemit ⁇ tel between the two internal cavities can be transported.
  • These two cavities may be fluidically connected to one another, for example, in In ⁇ Neren of the rotor, at the transition between the two inner cavities a thermodynamic state change can take place.
  • the coolant emerging from the shaft can, in the various embodiments, generally be recycled, advantageously in the closed-loop fashion, from the discharge device back to a feed device of the shaft.
  • the coolant may include, for example before ⁇ part by way of helium, neon and / or nitrogen. It can generally be present as gaseous coolant, as the liquid coolant or as Zvi ⁇ experienced during the refrigeration cycle these two states of aggregation changing coolant, the coolant.
  • the first inner cavity and / or the second inner cavity may advantageously be insulated thermally against the surrounding jacket of the shaft. A thermal insulation of the heat ⁇ pipe against the radially outer regions of the shaft can be done in ⁇ example via a vacuum insulation.
  • thermally poorly conductive material and / or a radiation-reflecting material may be arranged between the outer wall of the inner cavity and an outer jacket of the shaft.
  • a Hola ⁇ gige heat insulation from reflecting metal foils are used.
  • a UNNE ⁇ ger heat input is ver ⁇ Ringert in the coolant inside the shaft by such insulation, which contributes to a better cooling of the rotor arranged on the components.
  • heating of the coolant inside the first turbine with a typically relatively high operating temperature of the turbine can advantageously be reduced.
  • the shaft may have a heat transfer ⁇ area inside the rotor, in which the coolant is thermally coupled to a GR ilias on the rotor arranged to be cooled component.
  • This further thermal connection in the heat transfer region of the shaft can, for example, via a forwarding of the coolant through channels in radial further outlying areas take place.
  • it can also have a fluidly independent, but thermally conductive docked heat pipe with another coolant SUC ⁇ gen.
  • the other connection can be made via thermal conduction in good thermally conductive materials.
  • a radial heat transfer from radially outer regions of the rotor to the interior of the shaft or else a combination of axial and radial heat transport in the interior of the rotor can be achieved.
  • the heat transfer region can be, for example, a region of the first inner cavity of the shaft, or alternatively it can be arranged in a further inner cavity of the shaft, which is, for example, fluidically coupled to the first inner cavity.
  • the shaft may have an area inside the rotor for the passage of a thermodynamic change in state of the coolant.
  • This thermodynamic change of state for example, either cause heat is discharged via ⁇ from a part of the rotor to the coolant inside the shaft, or the change of state may first lead to a cooling of the coolant in the interior of the shaft before it to a heat transfer from parts of the rotor comes on the coolant.
  • the shaft may have in its interior a throttling member and a fluidically connected via the throttle body with the first inner cavity second inner cavity.
  • the thermodynamic state change is then the pressure change of the gas in the expansion by the throttle body and the associated temperature change.
  • This from ⁇ execution form is particularly advantageous in order to avoid excessive He ⁇ warming of the coolant on the way from the shaft end to pause ⁇ ren of the rotor or to compensate. Due to the elongated way of the coolant through the shaft in the interior of the turbine compared to conventional solutions, it can in principle be easier in the proposed solution to heat the coolant on the way to the interior of the rotor.
  • the cooling ⁇ agent may be present at least on a part of this path on a height ⁇ ren temperature than the temperature at which the refrigerant is used in the rotor for cooling the present there com- ponents.
  • This can be achieved in that the coolant is introduced as a gaseous coolant under elevated pressure in the first inner cavity and then expanded by a first cavity downstream of the throttle body into a second inner cavity.
  • a throttle body for example, an expansion valve can generally be used. Due to the Joule-Thompson effect a cooling of the gas results in real gases below their inversion Tempe ⁇ temperature at such a pressure decrease. In such an embodiment, therefore, by a pressure difference between the first and second inner
  • Cavity be achieved, that the gas reaches its necessary for the cooling of the rotor components low temperature only in the second cavity.
  • the heating of the coolant can be advantageously reduced during its axial transport through the shaft, since the temperature ⁇ gradient between the coolant and the surrounding Materia ⁇ lien in these areas is lower than in the region of the downstream second internal cavity.
  • multiple throttle bodies can be hintercollectge ⁇ switched to shut the refrigerant in multiple stages to a required for cooling within the rotor temperature to cool.
  • a plurality of internal cavities can then be connected in series in the axial direction, which are fluidically connected to each other via the individual throttle bodies. This results in a stepwise cooling on the axial path of the coolant from the first shaft end in the direction of the rotor.
  • This plurality of throttle bodies can either be arranged completely inside the rotor, or it can alternatively be arranged at least part of the throttle bodies in the space between the rotor and the turbine and / or already within the turbine.
  • Such a Rielle arrangement of multiple throttle bodies is in principle suitable both for embodiments in which the inlet and outlet of the coolant take place at the same shaft end, as well as for embodiments in which the inlet and outlet line take place at opposite shaft ends.
  • the shaft in the interior of the rotor a
  • the first inner cavity may be formed as a heat pipe, in which coolant is transported in liquid form from the first shaft end in the direction of the rotor, wherein the refrigerant vaporizes in Ver ⁇ steamer under heat absorption from the components of the rotor and finally back as a gaseous coolant to the first Shaft end can get.
  • the forward transport of liquid coolant and the return transport of gaseous coolant can take place either in the same first inner cavity, or alternatively different lines running axially inside the shaft can be used for the forward and return transport.
  • the coolant may generally be advantageously fed as liquid coolant at the first shaft end into the interior of the shaft.
  • gaseous ges coolant is fed under elevated pressure in the shaft, and that the coolant cools and after expansion by a Dros ⁇ selorgan thereby condensed, said verflüs ⁇ s costume coolant in a Evaporator can evaporate inside the rotor with heat absorption and then discharged as gaseous coolant back from the shaft.
  • the discharge of the gaseous coolant can take place either at the same first shaft end, or the coolant can be transported in a constant axial direction further to the opposite second shaft end and be coupled from there from the interior of the shaft.
  • the cooling device can generally advantageously have an additional thermal coupling device for cooling a further ren components of the energy conversion device outside of the rotor by thermal coupling to the transported inside the shaft coolant.
  • this thermal coupling device can be downstream of a heat transfer region in the interior of the rotor in the flow direction of the coolant.
  • the coolant may be used after the region in which it is in thermal contact with the components of the rotor to be cooled for further cooling of one or more components of the energy conversion device.
  • This may be particularly advantageous to a shaft bearing.
  • This shaft bearing may for example be a bearing in the region of the first turbine, the rotor or a possibly present second turbine.
  • a remaining cooling potential of the already slightly heated coolant can be ge ⁇ uses to cool a heating in operation component of the electric machine or the turbines, in this exemplary case, a shaft bearing, in addition to cool.
  • more strongly alsiliamila in the operating components of the electric machine or of the turbines can be additionally ge ⁇ cooled by the flowing coolant.
  • the cooling device may comprise a stationary cooling machine for cooling and / or compression of coolant to be fed into the first inner cavity.
  • the coolant can be circulated particularly advantageously in the form of a closed circuit between a device for feeding into the shaft and a device for discharge from the shaft.
  • a cold head of a refrigerator may serve, the vaporized in egg ⁇ nem evaporator region inside the rotor part to condense the coolant again, at the same time heat from the coolant is transferred to the cold head of the chiller over ⁇ .
  • a closed circuit between liquid coolant, which is introduced into the shaft, and gaseous coolant, which flows out of the shaft can be realized.
  • the chiller can be designed as a compression chiller, and it can be arranged in the refrigerant circuit, a compressor which compresses a gaseous coolant flowing out of the shaft and - after release of heat to the environment by a heat exchanger - under such increased pressure back to the feed device returns.
  • a compressor which compresses a gaseous coolant flowing out of the shaft and - after release of heat to the environment by a heat exchanger - under such increased pressure back to the feed device returns.
  • Such an embodiment is particularly advantageous in combination with a throttle body in the interior of the shaft, can be expanded by the compressed gaseous coolant un ⁇ ter cooling.
  • the energy conversion device may comprise a second turbine, which is also rotatably angeord ⁇ net on the same shaft.
  • the rotor can be arranged between the first and second turbine.
  • execution ⁇ form may in particular be used in a gas and steam power plant in which the rotor of the generator on a continuous shaft between a gas turbine and a
  • Steam turbine is arranged. Rotor, gas turbine and steam turbine are mechanically coupled via the common shaft, and the torques are transmitted via the shaft between said components.
  • the electric machine may have a superconducting Spulenwick ⁇ ment with an operating temperature between 20 K and 100 K, in particular between 20 K and 77 K.
  • Machines with superconducting coil windings in the rotors have counter to conventional machines advantages in terms of efficiency, power density, and the dynamics and flexibi ⁇ formality.
  • the machine can be designed in particular as a generator of a power plant. It can be beneficial for one Power range from 10 MW to 2 GW, in particular be designed between 400 MW and 2 GW.
  • thermodynamic change of state can take place in the interior of the shaft.
  • This thermodynamic change in state can advantageously contribute to a heat transfer of components of the rotor to the coolant and / or it can contribute to a cooling of the coolant in the interior of the rotor, in order subsequently to achieve a greater cooling ⁇ effect for the components to be cooled.
  • the coolant can advantageously be used as gaseous saturated refrigerant can be fed into the first inner cavity under elevated pressure and subsequently expanded inside the Ro ⁇ gate by at least one throttle element to a lower pressure, cools the coolant.
  • the advantages of this embodiment are analogous to the advantages of the corresponding embodiment of the cooling device. Under the increased pressure is to be understood here initially generally a pressure above atmospheric pressure.
  • the pressure at which the gaseous coolant is fed into the first inner cavity can advantageously be above 1 bar, particularly advantageously above 5 bar, in particular even above 150 bar.
  • Particularly advantageous coolants for this embodiment are helium , neon, nitrogen and / or hydrogen-containing coolants.
  • the temperature of the introduced into the first inner cavity gas can advantageously above 250 K lie ⁇ gene, at least one Dros ⁇ selorgan inside the rotor nevertheless advantageously a temperature of the coolant below 45 K can be achieved after the expansion by the.
  • the coolant can also be fed as liquid coolant into the first inner cavity and closing evaporate in an evaporator region of the first inner cavity.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal section of a Energywand ⁇ treatment device of a gas and steam power plant
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a second exemplary embodiment
  • Fig. 4 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a third embodiment
  • Fig. 5 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a fourth embodiment.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal section of an energy conversion device 2 of a gas and steam power plant.
  • the energy conversion device comprises a first turbine 23, which operates as a gas turbine, and a second turbine 25, which operates as a steam turbine. Between the two turbines 23 and 25, an electric machine 20 - here a Genera ⁇ gate - with an inner rotor 3 and a surrounding stator 21 is arranged.
  • the rotor 3 and the two adjacent turbines 23 and 25 are arranged rotatably mounted on a common shaft 7 about a rotation axis 5.
  • the shaft 7 imparts the mechanical coupling Zvi ⁇ rule the rotating components and transmits the torques.
  • the shaft is composed of three sections together quantitative sets ⁇ 7, which are each connected via flange clutches 27.
  • the shaft 7 may be made, for example, from a single continuous component.
  • the arrangement shown corresponds to a so-called single-shaft configuration (English: Single-Shaft Configuration) of a combined cycle power plant, in which both a gas turbine 23 and a steam turbine 25 are used to drive a rotor 3, and so both turbines on the same shaft 7 the same Genera ⁇ tor 20th drive.
  • the hot exhaust gases from the gas turbine can be used in ⁇ play, in a waste heat boiler to produce steam.
  • the steam can be expanded in the steam turbine and thereby deliver additional mechanical power to the shaft.
  • the mechanical power at the shaft is converted into electrical power in the generator.
  • the arrangement of the two turbines on a common shaft can lead to a particularly efficient operation of the power plant ⁇ plant and to a reduction of the required generator components.
  • the exemplary embodiments of the cooling devices 1 described below can be used, for example, in such combined gas and steam power plants.
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a first exemplary embodiment of the invention. Shown in turn, is an energy conversion device ⁇ 2 with two turbines 23 and 25, between which a rotor of a generator 3 is integrally ⁇ arranged on a common shaft. 7
  • the rotor has at least one component 33 to be cooled, which is to be cooled by the cooling device 1 of the energy conversion device 2, and in this example is designed as a superconducting coil winding 4.
  • the coil winding 4 must therefore for efficient operation of the generator are cooled down to an operating temperature in a cryogenic temperature range.
  • a cooling device 1 is provided which comprises a stationary refrigeration system 41 and a first inner cavity 9 arranged inside the shaft 7.
  • the shaft 7 is formed in a first axia ⁇ len shaft portion 7a as a hollow shaft, said shaft portion 7a extends from a first shaft end 8a through the first turbine 23 into the interior of the Ro ⁇ sector 3 inside. Via the first inner cavity 9, coolant 13 can thus be conducted from the fixed refrigeration system 41 into the interior of the rotor 3 and from there cool the superconducting coil winding 4.
  • an area 7b of the shaft 7, which is axially adjacent to the first shaft section 7a is configured in this example as a solid shaft without an internal cavity.
  • the first shaft end 8a is provided in the illustrated first embodiment ⁇ example with a device 17 for feeding coolant.
  • a device 17 for feeding coolant In this example, it is a fixed tube, which protrudes into the first inner end of the first shaft end ers ⁇ th inner cavity 9.
  • liquid coolant 13a in the present example liquefied neon from a Kondensor Scheme 16 of the refrigerator 41 is introduced into the shaft interior.
  • This tube can continue contact either as a stationary pipe in the interior of the rotating shaft ⁇ , or it may be coupled via a rotary seal at a rotating tube part, or the liquid refrigerant 13a in a surrounding tube larger cavity axial flow in the direction of the rotor 3 ,
  • This flow can be assisted, for example, by gravity, in particular if the coolant tube continues inside the shaft and has a slightly sloping design.
  • the flow of liquid coolant to the rotor can be assisted by capillary forces and / or a conical shape of the inner cavity of the shaft by
  • Evaporator 15 of the inner cavity 9 results. There, the liquid coolant 13 evaporates by absorbing heat in the heat transfer area 28, and the formed gaseous coolant 13b can pass back axially through the same inner cavity 9 in the direction of the first shaft end 8a.
  • the component 33 to be warmed of the rotor 3 is cooled by coolant 13 transported inside the shaft 7, the coolant being conducted axially through the first turbine 23.
  • the cooling ⁇ medium is introduced at the same first end of the shaft 8a and the like ⁇ discharged.
  • the inner cavity 9 of the shaft serves at ⁇ as a heat pipe is transported in both the liquid coolant 13a to the rotor 3 as well as gaseous refrigerant 13b away from the rotor.
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to an alternative second exemplary embodiment.
  • coolant 13 is fed to the same first shaft end 8a and discharged again.
  • the shaft is formed as a hollow shaft, while it is formed thereon in a massively at ⁇ closing shaft portion 7b in a first shaft portion 7a Zvi ⁇ rule this first shaft end 8a and the interior of the rotor.
  • thedemit ⁇ tel 13 is not introduced here as a liquid coolant, but as under elevated pressure gaseous coolant 13b in the first shaft end.
  • the device for feeding coolant is designed here as a high-pressure line 45, wherein the fixed outer part of the high ⁇ pressure line 45 connected in the region of the first shaft end via a pressure-resistant rotary seal 19 a with a rotating, lying within the shaft 7 part of the high-pressure line 45 a is.
  • a first inner cavity 9 is then given through the interior of this rotatable continuation 45a of the high-pressure line.
  • gaseous compressed coolant 13b here for example neon
  • a throttle body 30 which is arranged in the interior of the rotor 3.
  • the pressurized gas 13 b is expanded into a second inner cavity 10 in.
  • the gaseous coolant cools to a much lower temperature than the temperature of the pressurized coolant in the first inner cavity 9.
  • a heat transfer region 28 of the second inner cavity 10 is now in thermal contact with the component 33 of the rotor 3 to be cooled In this example, this thermal contact is given by heat ⁇ line elements 35.
  • the now relaxed gaseous coolant 13b thus heats up and can then be guided axially back again to the first shaft end 8a by a continuation of the second inner cavity 10 surrounding the high-pressure tube.
  • This shown coaxial arrangement of the two coolant lines 9 and 10 has the advantage that the expanded gas flowing back, even after a heat exchange in the heat transfer region 28th can still have a lower temperature than the pressurized gas 13b and thus can cause a pre-cooling of the incoming gas in the manner of a heat exchanger.
  • a direct thermal interaction of the pressurized gas and the possibly warmer outer shell of the shaft is advantageously reduced by the outside flowing already expanded gas.
  • this succeedman ⁇ tel be thermally insulated in this and all other embodiments by a vacuum insulation not shown here and / or another type of thermal insulation against the inner coolant lines 9 and 10.
  • the expanded gaseous refrigerant in the second internal cavity 10 arrives at the first shaft end 8a of a rotary ⁇ seal 19 back to a low pressure outer line 47 of the cooling device, which leads to an only schematically shown in Fig. 3 refrigerating machine 41, which in this example as a compression refrigeration machine having a compressor is formed.
  • refrigerating machine 41 which in this example as a compression refrigeration machine having a compressor is formed.
  • the compressed gas is recompressed ⁇ tet, wherein the heat released in this compression of the gas is withdrawn by further components not shown here, the cooling ⁇ machine 41 again.
  • the compressed gaseous coolant is in turn fed into the high-pressure ⁇ line 45, and the coolant circuit closes.
  • FIG. 4 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • the shaft 7 is formed over its entire axial length as a hollow shaft, wherein at a first shaft end 8a, a device 17 for feeding coolant 13 and at an opposite second shaft end 8b, a device 18 for discharging coolant is arranged.
  • a high-pressure line 45 is connected to a first inner cavity 9 of the shaft 7 via a pressure-resistant rotary seal 19 a.
  • a low pressure line 47 via a rotary seal 19 with a second inner cavity 10 of the shaft 7 connected.
  • a chiller 41 with a compressor angeord ⁇ net in which the gaseous refrigerant of the low pressure line 47 is compressed to a higher pressure and then fed into the high pressure line 45.
  • a closed coolant circuit is formed by the lines and the compressor, wherein the gas is again deprived of heat 41 in the area of the chiller, for example via egg nen heat sink, with the heat to the external environment transmis conditions.
  • the gas 10, which is slightly warmed but still cool in the heat transfer area 28, can not be used to precool the incoming pressurized gas.
  • it can in principle be used for cooling further components which adjoin the second inner cavity 10, as described in the following exemplary embodiment.
  • both inner cavities 9 and 10 may be thermally insulated against the surrounding ⁇ outer jacket of the shaft, for example via a surrounding vacuum insulation or other thermal insulation, which is not shown in the figures for clarity.
  • the coolant 13 is used only for cooling of individual components 33 of the Rotor 3, and the heat input into the coolant 13 is ⁇ kept as low as possible.
  • FIG. 1 An alternative fourth embodiment is shown schematically in FIG.
  • the flow of gaseous refrigerant 13 through the entire axial length of the shaft 7 and the expansion of pressurized gas inside the rotor 3 are similarly configured in this example as in the third embodiment shown in FIG.
  • Cavity 10 an additional thermal coupling device between an outer wall of this cavity 10 and a Wel ⁇ lenlager 39 is arranged.
  • a shaft bearing 39 in the region of the second turbine 25.
  • such shaft bearings are heated during operation of the energy conversion device, and the still cold gas flowing out can be advantageously used for additional cooling of such warm components.
  • a similar form of the shaft bearings cooling by the refrigerating machine strictlyströmen- of the coolant 13 and / or even by flowing in from the cold engine coolant is also possible as an advantageous Va ⁇ riante of the other described embodiments, thus for example also in combination with a heat pipe for cooling of the rotor components on an evaporator region and / or in an embodiment in which coolant on the same side of the shaft on and is discharged again.
  • one or more inner cavities 9 and 10 of the shaft extend over a greater part of their axial length.
  • at least one first cavity 9 extends through the first turbine 23 and into an inner region of the rotor 3.
  • the same or another cavity may in some embodiments also extend further through the rotor 3 and the second turbine to the opposite end of the shaft.
  • the shaft 7 may in this case generally be formed either with a continuous outer jacket, or it may, similar to that shown in FIG. 1, be composed of several shaft sections be.
  • flange couplings 27 can be used with corresponding coolant seals, which also connect the inner cavities 9 and 10 of the shaft 7 in the axial direction with each other.
  • a continuous tube can extend over several Seg ⁇ elements.

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  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

A cooling device for an energy conversion apparatus having an electric machine, comprising a rotor mounted to rotate around an axis of rotation, which rotor is arranged on a rotatable central shaft, and having at least one first turbine, which is arranged rotatable on the same shaft, is specified. The cooling device comprises at least one first inner cavity of the shaft for transporting the coolant to a region inside the rotor, wherein the first inner cavity extends axially through the first turbine and through an axial space between the first turbine and the rotor. Also specified is such an energy conversion apparatus having such a cooling system. Finally, a cooling method for cooling such an apparatus having such a cooling system is specified.

Description

Beschreibung description
Kühlvorrichtung und Kühlverfahren zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit einem Rotor und wenigstens ei- ner Turbine Cooling device and cooling method for cooling an energy conversion device with a rotor and at least one turbine
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer drehbaren zentralen Welle angeordnet ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst außerdem wenigstens eine erste Turbine, die auf derselben Welle drehbar angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine derar¬ tige Energieumwandlungsvorrichtung sowie ein Kühlverfahren für eine solche Vorrichtung. The invention relates to a cooling device for cooling an energy conversion device with an electric machine, comprising a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a rotatable central shaft. The energy conversion device further comprises at least a first turbine rotatably mounted on the same shaft. Furthermore, the invention relates to a Derar ¬ term energy conversion device and a cooling method for such a device.
Aus dem Stand der Technik sind Energieumwandlungsvorrichtungen bekannt, die mit Kühlvorrichtungen zur Kühlung von rotierenden elektrischen Spulenwicklungen ausgestattet sind. Ins- besondere elektrische Maschinen mit supraleitenden Rotorwicklungen werden typischerweise mit Kühlvorrichtungen ausgestattet, bei denen ein Kühlmittel wie flüssiger Stickstoff, flüs¬ siges Helium oder flüssiges Neon im Inneren einer zentralen Welle nach dem Thermosiphon-Prinzip zirkuliert und hierdurch Wärme aus dem Rotor abführen kann. Mit solchen Kühlsystemen können supraleitende Spulenwicklungen, insbesondere supralei¬ tende rotierende Erregerwicklungen auf eine Betriebstempera¬ tur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden und auf dieser Betriebstemperatur gehalten werden. Energy conversion devices are known from the prior art, which are equipped with cooling devices for cooling of rotating electrical coil windings. In particular, electrical machines with superconducting rotor windings are typically provided with cooling devices in which a coolant such as liquid nitrogen, FLÜS ¬ Siges helium or liquid neon circulating inside a central shaft according to the thermosiphon principle, and thus heat can dissipate from the rotor. With such cooling systems superconducting coil windings, in particular supralei ¬ rotating rotating field windings can be cooled to an operating tempera ¬ ture below the critical temperature of the superconductor and kept at this operating temperature.
Bei solchen bekannten Kühlvorrichtungen wird oft ein dem Rotor der elektrischen Maschine zugehöriger Endbereich der Welle verwendet, um von einer feststehenden Kälteanlage verflüs¬ sigtes Kühlmittel in einen Innenraum der Welle einzuspeisen, beispielsweise über ein in die Welle hineinragendes festste¬ hendes Kühlmittelrohr. Eine derartige Kühlvorrichtung ist aus der EP2603968A1 bekannt. Nachteilig bei einer derartigen Einspeisung über ein dem Rotor der elektrischen Maschine zugehöriges Wellenende ist je¬ doch, dass nicht bei allen Energieumwandlungsvorrichtungen ein freies Ende der Welle in der Nähe des Rotors für diesen Zweck zur Verfügung steht. Ein Beispiel für eine solche Anordnung einer elektrischen Maschine ist ein Generator in einem Gas- und Dampfkraftwerk. Hier ist es wünschenswert, so¬ wohl einen Generator als auch eine Gasturbine und eine Dampfturbine auf derselben rotierenden Welle anzuordnen. Dabei ist vorteilhaft der Generator zwischen der Gasturbine und derIn such prior art cooling devices a the rotor of the electrical machine associated end portion of the shaft is often used to feed from a stationary refrigerating plant verflüs ¬ sigtes coolant into an inner space of the shaft, for example via a projecting into the shaft festste ¬ Hendes coolant pipe. Such a cooling device is known from EP2603968A1. A disadvantage of such a power supply via an associated the rotor of the electric machine shaft end is each ¬ but that is not a free end of the shaft is in the vicinity of the rotor for this purpose are available in all the energy conversion devices. An example of such an arrangement of an electric machine is a generator in a gas and steam power plant. Here it is desirable to arrange well ¬ a generator and a gas turbine and a steam turbine on the same rotating shaft. It is advantageous, the generator between the gas turbine and the
Dampfturbine angeordnet, so dass jeweils nur ein kurzer axia¬ ler Weg für die jeweilige Drehmomentübertragung über die Welle überbrückt werden muss. Bei einer solchen Anordnung steht kein freies Wellenende des Generators zur Einspeisung von Kühlmittel zur Verfügung. Eine Einspeisung von Kühlmittel in einen Hohlraum der Rotorwelle in einem mittleren axialen Bereich der Welle ist dagegen generell mit Schwierigkeiten verbunden, da durch die bei einer Rotation der Welle auftretenden Fliehkräfte ein in der Welle zu transportierendes Kühl- mittel in radial außenliegende Bereiche getrieben wird. Bei einer radialen Einkopplung von Kühlmittel in die Welle muss aber gerade ein Einströmen von flüssigem Kühlmittel in einer diesen Fliehkräften entgegengesetzten Richtung erreicht werden. Weitere Schwierigkeiten liegen bei der Beeinträchtigung der mechanischen Robustheit der Welle an dem für die Einspei¬ sung ausgestalteten Wellenabschnitt sowie bei dessen axialem Platzbedarf und in den bei der Einspeisung auftretenden thermischen Verlusten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung für eine Energieumwandlungsvorrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine Kühlvorrichtung angegeben werden, bei welcher auf einfache Weise ein Kühlmittel in einen Bereich der Welle im Inne- ren des Rotors einer elektrischen Maschine der Vorrichtung eingekoppelt werden kann. Weitere Aufgaben der Erfindung sind, eine Energieumwandlungsvorrichtung mit einer solchen Kühlvorrichtung und ein Kühlverfahren für eine Energieumwandlungsvorrichtung anzugeben. Steam turbine disposed so that only a short axia ¬ ler way for the respective torque transmission via the shaft must be bridged. In such an arrangement, there is no free shaft end of the generator for supplying coolant available. On the other hand, feeding coolant into a cavity of the rotor shaft in a central axial region of the shaft is generally associated with difficulties, since a coolant to be transported in the shaft is driven into radially outermost regions by the centrifugal forces occurring during rotation of the shaft. In the case of a radial coupling of coolant into the shaft, however, an inflow of liquid coolant in a direction opposite this centrifugal force must be achieved. Further difficulties lie in the impairment of the mechanical robustness of the shaft at the designed for the Einspei solution ¬ shaft portion and at its axial space requirement and arising at the feed-thermal losses. Object of the present invention is therefore to provide a cooling device for an energy conversion device, which avoids the disadvantages mentioned. In particular, a cooling device is to be specified in which a coolant can be coupled into a region of the shaft in the interior of the rotor of an electrical machine of the device in a simple manner. Other objects of the invention are an energy conversion device having such To provide cooling device and a cooling method for an energy conversion device.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkma- len des Anspruchs 1, eine Energieumwandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und ein Kühlverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. This object is achieved by a cooling device with the features of claim 1, an energy conversion device having the features of claim 11 and a cooling method having the features of claim 13.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung dient zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer drehbaren zentralen Welle angeordnet ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung weist weiterhin wenigstens eine erste Turbine auf, die auf derselben Welle drehbar angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung umfasst wenigs¬ tens einen ersten inneren Hohlraum der Welle zum Transport von Kühlmittel in einen Bereich innerhalb des Rotors der elektrischen Maschine, wobei sich der erste innere Hohlraum axial durch die erste Turbine und durch einen axialen Zwi- schenraum zwischen erster Turbine und Rotor erstreckt. The cooling device according to the invention is used for cooling an energy conversion device with an electric machine, comprising a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a rotatable central shaft. The energy conversion device further comprises at least a first turbine rotatably mounted on the same shaft. The cooling device comprises wenigs ¬ least a first inner cavity of the shaft for transporting coolant into a region within the rotor of the electric machine, wherein the first inner cavity extends axially through the first turbine and through an axial clearance between the first turbine and rotor ,
Die elektrische Maschine der Energieumwandlungsvorrichtung kann dabei entweder als Generator oder als Motor betrieben werden. Bei einem Betrieb als Generator dient die gesamte Energieumwandlungsvorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Bei einem Betrieb als Motor wird umgekehrt elektrische Energie in mechanische Energie um¬ gewandelt. Neben der elektrischen Maschine umfasst die Ener¬ gieumwandlungsvorrichtung eine zentrale Welle und wenigstens eine Turbine, wobei die zentrale Welle den Rotor der elektri¬ schen Maschine und die Turbine mechanisch koppelt und Drehmo¬ mente zwischen diesen Komponenten überträgt. Dabei soll im Text der vorliegenden Anmeldung unter dem Wort „Rotor" immer der Rotor der elektrischen Maschine verstanden werden im Un- terschied zur rotierenden Turbine, die in der Fachwelt häufig auch als Turbinen-Rotor bezeichnet wird. Im vorliegenden Text soll unter dem Wort „Turbine" nur dieser drehbare Turbinen- Rotor verstanden werden, der generell zusätzlich von einem feststehenden Außengehäuse umgeben sein kann. Das Wort „Welle" soll dabei die gesamte, sich axial erstreckende Welle der Energieumwandlungsvorrichtung bezeichnen, unabhängig davon, ob diese Welle als einheitliches Bauteil gefertigt oder aus unterschiedlichen axialen Wellensegmenten zusammengesetzt ist. Wesentlich ist, dass Drehmomente über die Länge der Wel¬ le übertragen werden können, dass also die Welle mechanisch als ein Teil wirkt. Die Welle kann beispielsweise aus Segmen¬ ten im Bereich des Rotors und im Bereich der wenigstens einen Turbine zusammengesetzt sein, sie kann also eine Rotorwelle und eine oder mehrere daran gekoppelte Turbinenwellen, umfas¬ sen. Auch in diesen Fällen soll das Wort „Welle" immer die gesamte mechanisch verbundene Anordnung aus solchen axialen Segmenten bezeichnen. The electric machine of the energy conversion device can be operated either as a generator or as a motor. When operating as a generator, the entire energy conversion device is used to convert mechanical energy into electrical energy. When operating as a motor, electrical energy is converted into mechanical energy ¬ vice versa. In addition to the electrical machine, the Ener ¬ gieumwandlungsvorrichtung comprises a central shaft and at least one turbine, wherein the central shaft couples the rotor of the electrical machine's ¬ and turbine mechanically and Drehmo ¬ elements between these components transmits. In the text of the present application, the term "rotor" should always be understood to mean the rotor of the electric machine, in contrast to the rotating turbine, which is often referred to in the art as a turbine rotor. Turbine "only this rotatable turbine rotor are understood, the addition of a general can be surrounded stationary outer housing. The term "shaft" is intended to denote the entire, axially extending shaft of the energy conversion device, regardless of whether this shaft is made as a unitary component or composed of different axial shaft segments.It is essential that torques are transmitted over the length of Wel ¬ le can, so that the shaft acts mechanically as one piece. the shaft may, for example, Segmen ¬ th be composed in the region of the rotor and in the region of at least one turbine, so it may have a rotor shaft and one or more coupled thereto turbine shafts, umfas ¬ sen Even in these cases, the word "wave" should always denote the entire mechanically connected arrangement of such axial segments.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung liegt darin, dass durch den ersten inneren Hohlraum Kühlmittel auf einfache Weise in das Innere des Rotors gelei¬ tet werden kann, ohne dass hierfür ein freies Wellenende der elektrischen Maschine benötigt wird. Stattdessen wird das Kühlmittel im ersten inneren Hohlraum durch das innere der ersten Turbine hindurch geleitet. Es muss daher nicht in un¬ mittelbarer Nachbarschaft zum Rotor in das Innere der Welle eingespeist werden, sondern kann beispielsweise an einem wei- ter entfernten Wellenende in das Innere der Welle gelangen.A significant advantage of the cooling device according to the invention is that by the first inner cavity coolant in a simple manner in the interior of the rotor gelei ¬ tet can be, without requiring a free shaft end of the electric machine is needed. Instead, the coolant in the first internal cavity is passed through the interior of the first turbine. It therefore does not need to un ¬ indirect proximity to the rotor in the interior of the shaft to be fed, but may reach, for example, to a soft remote ter shaft end in the interior of the shaft.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Einspeisung an einem solchen weiter entfernt liegenden Wellenende kann auch an diesem entfernteren Wellenende eine indirekte Wärmeübertragung vom Kühlmittel an die äußere Umgebung erfolgen. Dabei werden kom- plexe Vorrichtungen zur Einspeisung von Kühlmittel oder zur indirekten Wärmeübertragung in einem axial innenliegenden Bereich der Welle vorteilhaft vermieden. Alternatively or in addition to a feed to such a more distant shaft end, an indirect heat transfer from the coolant to the external environment can also take place at this more remote shaft end. In this case, complex devices for supplying coolant or for indirect heat transfer in an axially inner region of the shaft are advantageously avoided.
Mit der beschriebenen Lösung ist die Anforderung verbunden, eine Wärmeübertragung von der Turbine an das Kühlmittel imWith the described solution, the requirement is connected, a heat transfer from the turbine to the coolant in
Inneren der die Turbine tragenden Welle so gering zu halten, dass trotzdem eine ausreichende Kühlung der zu kühlenden Komponenten des Rotors durch das Kühlmittel bewirkt werden kann. Diese Anforderung kann durch verschiedene in den Unteransprü¬ chen näher beschriebene Ausgestaltungen erfüllt werden, wobei generell auch vorteilhafte Kombinationen dieser Ausgestaltungen möglich sind. Allen Ausgestaltungsformen ist gemeinsam, dass sich der erste innere Hohlraum in der Welle über die vollständige axiale Länge der Turbine erstreckt und außerdem über die vollständige axiale Länge des Zwischenraums zwischen Turbine und Rotor erstreckt. Zweckmäßig erstreckt er sich auch über wenigstens einen Teil der axialen Länge des Rotors, so dass über den ersten inneren Hohlraum Kühlmittel in dessen Inneres gelangen kann. Somit kann Kühlmittel durch die erste Turbine hindurch in das Innere des Rotors eingeleitet werden. Dies vermindert den insgesamt benötigten axialen Platzbedarf für einen zwischen einer Turbine und beispielsweise einer weiteren auf der Welle angeordneten Komponente befindlichen Rotor. Es wird kein zusätzlicher axialer Abschnitt für die Einkopplung von Kühlmittel oder für die indirekte Übertragung von Wärme zwischen Rotor und Turbine benötigt, so dass der Rotor dadurch sehr platzsparend zwischen der Turbine und ei- ner weiteren Komponente, beispielsweise auch zwischen zwei Turbinen, angeordnet werden kann. Inside of the turbine supporting shaft to keep so low that still sufficient cooling of the components to be cooled of the rotor can be effected by the coolant. This requirement can be met by various described in more detail in the Unteransprü ¬ chen embodiments, wherein also advantageous combinations of these embodiments are possible in general. Common to all embodiments is that the first internal cavity in the shaft extends the full axial length of the turbine and also extends the full axial length of the turbine-rotor gap. It also expediently extends over at least part of the axial length of the rotor, so that coolant can pass into its interior via the first inner cavity. Thus, coolant may be introduced through the first turbine into the interior of the rotor. This reduces the overall required axial space requirement for a rotor located between a turbine and, for example, another component arranged on the shaft. There is no need for an additional axial section for the coupling of coolant or for the indirect transfer of heat between the rotor and the turbine, so that the rotor can thereby be arranged in a very space-saving manner between the turbine and another component, for example also between two turbines ,
Die Übertragung eines Drehmoments über die Welle zwischen Ro¬ tor und der ersten Turbine kann trotz des ausgedehnten ersten inneren Hohlraums sichergestellt werden, denn für diese Dreh¬ momentübertragung ist vor allem die mechanische Festigkeit eines äußeren Mantels der Welle ausschlaggebend. Daher kann auch der die Turbine tragende Teil der Welle als Hohlwelle ausgeführt werden. Die Welle koppelt Turbine und Rotor mecha- nisch und bewirkt dadurch eine synchrone Drehung dieser bei¬ den Komponenten um die gemeinsame Rotationsachse. The transmission of torque via the shaft between Ro ¬ tor and the first turbine can be ensured despite the extended first inner cavity, because for this torque ¬ torque transmission, especially the mechanical strength of an outer shell of the shaft is crucial. Therefore, the part of the shaft carrying the turbine can also be designed as a hollow shaft. The shaft coupling the turbine and rotor mechanically, thereby causing synchronous rotation of said at ¬ the components about the common axis of rotation.
Die erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung weist eine elektrische Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Welle angeordnet ist, und wenigstens eine erste Turbine auf. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung. Die Vorteile einer solchen Energieumwandlungsvorrichtung ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Dabei kann der Abtransport von Wärme über das Kühlmittel im ersten inneren Hohlraum vorteilhaft mit weiteren Pfaden für die Entwärmung kombiniert werden, beispielsweise mit einem weiteren radialen und/oder axialen Wärmetransportpfad im Inneren des Rotors, über den auf dem Rotor angeordnete zu küh¬ lende Komponenten mit dem Kühlmittel im Inneren der Welle thermisch gekoppelt sein können. Zweckmäßig weist die elekt- rische Maschine eine auf dem Rotor angeordnete elektrischeThe energy conversion device according to the invention has an electric machine with a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a central shaft, and at least one first turbine. Furthermore, the energy conversion device according to the invention comprises a cooling device according to the invention. The advantages of such Energy conversion device arise analogously to the described advantages of the cooling device according to the invention. In this case, the removal of heat from the coolant in the first inner cavity may advantageously be combined with other paths for heat dissipation, for example, with a further radial and / or axial heat transfer path in the interior of the rotor via which arranged on the rotor to cow ¬ loin components the coolant in the interior of the shaft can be thermally coupled. Suitably, the electric machine has an electric motor arranged on the rotor
Spulenwicklung auf, die über die Kühlvorrichtung gekühlt werden kann. Diese Spulenwicklung kann eine supraleitende Spu¬ lenwicklung, insbesondere eine hochtemperatursupraleitende Spulenwicklung sein. Die elektrische Maschine kann beispiels- weise entweder als Generator oder als Motor betrieben werden. Coil winding, which can be cooled by the cooling device. This coil is a superconducting Spu ¬ lenwicklung, in particular, be a high-temperature superconducting coil winding. The electric machine can be operated, for example, either as a generator or as a motor.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Ro- tor, der auf einer drehbaren zentralen Welle angeordnet ist, und mit wenigstens einer ersten Turbine, die auf derselben Welle drehbar angeordnet ist. Das Verfahren umfasst wenigs¬ tens den Schritt des Transports von Kühlmittel in einen Be¬ reich innerhalb des Rotors durch einen ersten inneren Hohl- räum der Welle, der sich axial durch die erste Turbine und durch einen zwischen erster Turbine und Rotor angeordneten Zwischenraum erstreckt. Insbesondere soll dabei das Kühlmit¬ tel durch die Welle von einer axial vom Rotor abgewandten Seite der Turbine in das Innere des Rotors transportiert wer- den. Auch die Vorteile des Kühlverfahrens ergeben sich analog zu den bereits beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung . The method according to the invention serves to cool an energy conversion device with an electric machine, comprising a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a rotatable central shaft, and with at least one first turbine, which is rotatably arranged on the same shaft. The method comprises Wenig ¬ least the step of transporting coolant in a Be ¬ rich cavities within the rotor by a first inner hollow of the shaft which extends axially through the first turbine and by a disposed between the first turbine and the rotor gap. In particular, the Kühlmit ¬ tel is to be transported through the shaft of an axially facing away from the rotor side of the turbine in the interior of the rotor the. The advantages of the cooling process also arise analogously to the already described advantages of the cooling device according to the invention.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung gehen aus den von den Ansprüchen 1, 11 und 13 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der Kühlvorrichtung, der Energieumwandlungsvorrichtung und des Kühlverfahrens vorteilhaft untereinander kombiniert werden. Die Welle kann ein erstes Wellenende aufweisen, welches mit einer Vorrichtung zur Einspeisung von Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum versehen ist, wobei das erste Wellenende axial auf einer vom Rotor abgewandten Seite der ersten Turbine angeordnet ist. Mit anderen Worten kann mit einer solchen Einspeisevorrichtung Kühlmittel von einem vom Rotor aus gesehen hinter der Turbine liegenden Wellenende in das Innere der Welle eingeführt werden. Insbesondere kann bei einem Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung ständig neues Kühlmittel über dieses äußere Wellenende eingespeist werden, so dass ei¬ ne fortlaufende Wärmeübertragung von den zu entwärmenden Komponenten des Rotors auf das immer wieder frisch einfließende Kühlmittel erfolgen kann. Die Wärmeübertragung von den Kompo- nenten des Rotors an die äußere Umgebung kann beispielsweise besonders vorteilhaft über einen geschlossenen Kühlmittel¬ kreislauf vermittelt werden, wobei eine Einspeisung des Kühl¬ mittels vom ortsfesten System auf das rotierende System an dem ersten Wellenende stattfindet. Advantageous embodiments and further developments of the invention emerge from the claims dependent on claims 1, 11 and 13. In this case, the features of the cooling device, the energy conversion device and the cooling method can be advantageously combined with each other. The shaft may have a first shaft end, which is provided with a device for feeding coolant into the first inner cavity, wherein the first shaft end is arranged axially on a side of the first turbine facing away from the rotor. In other words, with such a feed device, coolant can be introduced into the interior of the shaft from a shaft end located behind the turbine as viewed from the rotor. In particular, in an operation of the energy conversion device constantly new coolant can be fed via this outer shaft end, so that ei ¬ ne continuous heat transfer from the components of the rotor to be Entwärmenden can be done on the always freshly flowing coolant. The heat transfer from the com- ponents of the rotor to the external environment, for example, be conveyed via a closed coolant ¬ circuit particularly advantageous where a feed of the cooling ¬ takes place by means of the stationary system to the rotary system at the first shaft end.
Das erste Wellenende kann zusätzlich mit einer Vorrichtung zur Ausleitung von Kühlmittel aus dem ersten inneren Hohlraum versehen sein. Bei dieser Ausführungsform können also die Einspeisung und die Ausleitung von Kühlmittel an demselben, dem Rotor nicht direkt benachbarten axialen Ende der Welle erfolgen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass dabei nur eine Seite der zum Rotor führenden Welle als Hohlwelle ausgebildet sein muss. Ein weiterer, von der ersten Turbine abgewandter Teil der Welle kann dann auch als massive Welle ausgeführt sein. The first shaft end may additionally be provided with a device for discharging coolant from the first internal cavity. In this embodiment, therefore, the feeding and the discharge of coolant can take place at the same, not directly adjacent rotor axial end of the shaft. An advantage of this embodiment is that only one side of the shaft leading to the rotor must be designed as a hollow shaft. Another, remote from the first turbine part of the shaft can then be designed as a massive wave.
Zwischen dem ersten Wellenende und dem Rotor kann das Kühlmittel beispielsweise in einem gemeinsamen innenliegenden Rohr zum Rotor hin und vom Rotor weg strömen. Bei dieser be- sonders einfachen Ausführungsform wäre also der erste innere Hohlraum für beide Transportrichtungen geeignet. Beispielsweise kann Kühlmittel nach Art eines Thermosiphons oder Wär¬ merohres in beiden Richtungen gleichzeitig zirkulieren. In einer hierzu alternativen Ausgestaltungsform können sich zwei innere Hohlräume zwischen dem ersten Wellenende und dem Rotor erstrecken. Hierbei können beispielsweise ein erster und ein zweiter innerer Hohlraum axial nebeneinander im Inneren der Welle geführt werden. Alternativ kann einer der beiden Hohlräume den anderen konzentrisch umgeben. Dabei kann der erste innere Hohlraum für die Kühlmittelzufuhr vorteilhaft von einem zweiten inneren Hohlraum für die Kühlmittel- rückführung umgeben sein. Prinzipiell kann aber auch eine umgekehrte Anordnung vorliegen. Between the first shaft end and the rotor, for example, the coolant can flow in a common inner tube towards the rotor and away from the rotor. In this particularly simple embodiment, therefore, the first inner cavity would be suitable for both transport directions. For example, to circulate in both directions at the same time refrigerant in the manner of a thermosyphon or Wär ¬ merohres. In an alternative embodiment, two inner cavities may extend between the first shaft end and the rotor. Here, for example, a first and a second inner cavity axially adjacent to each other are guided in the interior of the shaft. Alternatively, one of the two cavities may surround the other concentrically. In this case, the first inner cavity for the coolant supply can advantageously be surrounded by a second inner cavity for the coolant return. In principle, however, there may also be a reverse arrangement.
Die Kühlvorrichtung kann ein dem ersten Wellenende axial gegenüberliegendes zweites Wellenende aufweisen, welches mit einer Vorrichtung zur Ausleitung von Kühlmittel aus einem Innenraum der Welle versehen ist. Bei dieser Ausführungsform wird Kühlmittel also an axial gegenüberliegenden Wellenenden ein- und wieder ausgeleitet. Hierzu muss die Welle auf ihrer gesamten axialen Länge als Hohlwelle ausgebildet sein. Der Querschnitt der jeweiligen Hohlräume kann dann allerdings für einen gegebenen Wellenabschnitt im Vergleich zum gesamten Querschnitt der Welle kleiner gewählt werden, da die einzel¬ nen Hohlräume jeweils nur für den Transport von Kühlmittel in einer Richtung dimensioniert sein müssen und nicht mehrere Rohre parallel zueinander oder koaxial zueinander geführt werden müssen. Bei einer Ausführungsform der Energieumwandlungsvorrichtung mit einem Rotor, der zwischen zwei Turbinen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist, kann das Kühlmit¬ tel dann insbesondere durch das Innere der ersten Turbine eingeleitet und durch das Innere der zweiten Turbine wieder ausgeleitet werden. Dabei kann sich der erste innere Hohlraum entweder über das Innere beider Turbinen erstrecken, oder der erste innere Hohlraum im Inneren der ersten Turbine kann fluidisch mit einem zweiten inneren Hohlraum im Inneren der zweiten Turbine verbunden sein, so dass ein fluides Kühlmit¬ tel zwischen den beiden inneren Hohlräumen transportiert werden kann. Diese beiden Hohlräume können beispielsweise im In¬ neren des Rotors fluidisch miteinander verbunden sein, wobei beim Übergang zwischen den beiden inneren Hohlräumen eine thermodynamische Zustandsänderung erfolgen kann. The cooling device may have a first shaft end axially opposite second shaft end, which is provided with a device for discharging coolant from an interior of the shaft. In this embodiment, coolant is thus switched on and off at axially opposite shaft ends. For this purpose, the shaft must be formed over its entire axial length as a hollow shaft. However, the cross section of the respective cavities can then be made smaller for a given shaft section compared to the entire cross section of the shaft, since the individual ¬ nen cavities must be dimensioned in each case only for the transport of coolant in one direction and not several tubes parallel to each other or coaxial must be conducted to each other. In one embodiment of the energy conversion device with a rotor which is arranged between two turbines on a common shaft, the Kühlmit ¬ tel can then be introduced in particular through the interior of the first turbine and discharged through the interior of the second turbine again. In this case, the first inner cavity may either extend over the interior of both turbines, or the first inner cavity in the interior of the first turbine may be fluidically connected to a second inner cavity in the interior of the second turbine, so that a fluid Kühlmit ¬ tel between the two internal cavities can be transported. These two cavities may be fluidically connected to one another, for example, in In ¬ Neren of the rotor, at the transition between the two inner cavities a thermodynamic state change can take place.
Das aus der Welle wieder austretende Kühlmittel kann bei den verschiedenen Ausführungsformen generell vorteilhaft in der Art eines geschlossenen Kreislaufs von der Ausleitungsvorrichtung wieder zu einer Einspeisevorrichtung der Welle zurückgeführt werden. Das Kühlmittel kann beispielsweise vor¬ teilhaft Helium, Neon und/oder Stickstoff umfassen. Dabei kann das Kühlmittel allgemein als gasförmiges Kühlmittel, als flüssiges Kühlmittel oder als während des Kühlkreislaufs zwi¬ schen diesen beiden Aggregatzuständen wechselndes Kühlmittel vorliegen . Der erste innere Hohlraum und/oder der zweite innere Hohlraum kann vorteilhaft thermisch gegen den umgebenden Mantel der Welle isoliert sein. Eine thermische Isolierung des Wärme¬ rohrs gegen die radial äußeren Bereiche der Welle kann bei¬ spielsweise über eine Vakuumisolation erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann thermisch schlecht leitfähiges Material und/oder ein Strahlung reflektierendes Material zwischen der Außenwand des inneren Hohlraums und einem äußeren Mantel der Welle angeordnet sein. Beispielsweise kann hier eine mehrla¬ gige Wärmeisolation aus spiegelnden Metallfolien zum Einsatz kommen. Generell wird durch eine solche Isolation ein unnöti¬ ger Wärmeeintrag in das Kühlmittel im Inneren der Welle ver¬ ringert, was zu einer besseren Kühlung der auf dem Rotor angeordneten Komponenten beiträgt. Insbesondere kann eine Erwärmung des Kühlmittels im Inneren der ersten Turbine mit ei- ner typischerweise relativ hohen Betriebstemperatur der Turbine vorteilhaft reduziert werden. The coolant emerging from the shaft can, in the various embodiments, generally be recycled, advantageously in the closed-loop fashion, from the discharge device back to a feed device of the shaft. The coolant may include, for example before ¬ part by way of helium, neon and / or nitrogen. It can generally be present as gaseous coolant, as the liquid coolant or as Zvi ¬ experienced during the refrigeration cycle these two states of aggregation changing coolant, the coolant. The first inner cavity and / or the second inner cavity may advantageously be insulated thermally against the surrounding jacket of the shaft. A thermal insulation of the heat ¬ pipe against the radially outer regions of the shaft can be done in ¬ example via a vacuum insulation. Alternatively or additionally, thermally poorly conductive material and / or a radiation-reflecting material may be arranged between the outer wall of the inner cavity and an outer jacket of the shaft. For example, here a mehrla ¬ gige heat insulation from reflecting metal foils are used. Generally, a UNNE ¬ ger heat input is ver ¬ Ringert in the coolant inside the shaft by such insulation, which contributes to a better cooling of the rotor arranged on the components. In particular, heating of the coolant inside the first turbine with a typically relatively high operating temperature of the turbine can advantageously be reduced.
Die Welle kann im Inneren des Rotors einen Wärmeübertragungs¬ bereich aufweisen, in dem das Kühlmittel thermisch mit we- nigstens einer auf dem Rotor angeordneten zu kühlenden Komponente gekoppelt ist. Diese weitere thermische Verbindung im Wärmeübertragungsbereich der Welle kann beispielsweise über eine Weiterleitung des Kühlmittels durch Kanäle in radial weiter außenliegende Bereiche erfolgen. Alternativ kann sie auch über ein fluidisch unabhängiges, aber thermisch leitend angekoppeltes Wärmerohr mit einem weiteren Kühlmittel erfol¬ gen. Oder aber die weitere Verbindung kann über Wärmeleitung in thermisch gut leitfähigen Materialien erfolgen. Mit diesen verschiedenen Varianten kann beispielsweise ein radialer Wärmetransport aus radial weiter außenliegenden Bereichen des Rotors zum Inneren der Welle oder auch eine Kombination von axialem und radialem Wärmetransport im Inneren des Rotors er- reicht werden. Der Wärmeübertragungsbereich kann beispielsweise ein Bereich des ersten inneren Hohlraums der Welle sein, oder aber er kann alternativ in einem weiteren inneren Hohlraum der Welle angeordnet sein, der beispielsweise mit dem ersten inneren Hohlraum fluidisch gekoppelt ist. The shaft may have a heat transfer ¬ area inside the rotor, in which the coolant is thermally coupled to a GR nigstens on the rotor arranged to be cooled component. This further thermal connection in the heat transfer region of the shaft can, for example, via a forwarding of the coolant through channels in radial further outlying areas take place. Alternatively, it can also have a fluidly independent, but thermally conductive docked heat pipe with another coolant SUC ¬ gen. Or the other connection can be made via thermal conduction in good thermally conductive materials. With these various variants, for example, a radial heat transfer from radially outer regions of the rotor to the interior of the shaft or else a combination of axial and radial heat transport in the interior of the rotor can be achieved. The heat transfer region can be, for example, a region of the first inner cavity of the shaft, or alternatively it can be arranged in a further inner cavity of the shaft, which is, for example, fluidically coupled to the first inner cavity.
Die Welle kann im Inneren des Rotors einen Bereich für den Ablauf einer thermodynamischen Zustandsänderung des Kühlmittels aufweisen. Diese thermodynamische Zustandsänderung kann beispielsweise entweder dazu führen, dass Wärme von einem Teil des Rotors auf das Kühlmittel im Inneren der Welle über¬ tragen wird, oder aber die Zustandsänderung kann zunächst zu einer Abkühlung des Kühlmittels im Inneren der Welle führen, bevor es zu einer Wärmeübertragung von Teilen des Rotors auf das Kühlmittel kommt. The shaft may have an area inside the rotor for the passage of a thermodynamic change in state of the coolant. This thermodynamic change of state, for example, either cause heat is discharged via ¬ from a part of the rotor to the coolant inside the shaft, or the change of state may first lead to a cooling of the coolant in the interior of the shaft before it to a heat transfer from parts of the rotor comes on the coolant.
Beispielsweise kann die Welle in ihrem Inneren ein Drosselorgan und einen über das Drosselorgan mit dem ersten inneren Hohlraum fluidisch verbundenen zweiten inneren Hohlraum aufweisen. Die thermodynamische Zustandsänderung ist dann die Druckänderung des Gases bei der Expansion durch das Drosselorgan und die damit verbundene Temperaturänderung. Diese Aus¬ führungsform ist besonders vorteilhaft, um eine zu starke Er¬ wärmung des Kühlmittels auf dem Weg vom Wellenende zum Inne¬ ren des Rotors zu vermeiden beziehungsweise zu kompensieren. Durch den im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen verlängerten Weg des Kühlmittels durch die Welle im Inneren der Turbine kann es bei der vorgeschlagenen Lösung prinzipiell leichter zu einer Erwärmung des Kühlmittels auf dem Weg zum Inneren des Rotors kommen. Daher ist es vorteilhaft, wenn das Kühl¬ mittel zumindest auf einem Teil dieses Weges auf einer höhe¬ ren Temperatur vorliegen kann als die Temperatur, bei der das Kühlmittel im Rotor zur Kühlung der dort vorliegenden Kompo- nenten eingesetzt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Kühlmittel als gasförmiges Kühlmittel unter erhöhtem Druck in den ersten inneren Hohlraum eingeleitet wird und sich dann durch ein dem ersten Hohlraum nachgelagertes Drosselorgan in einen zweiten inneren Hohlraum entspannt. Als Drosselorgan kann beispielsweise allgemein ein Expansionsventil zum Einsatz kommen. Durch den Joule-Thompson-Effekt ergibt sich bei realen Gasen unterhalb ihrer Inversionstempe¬ ratur bei einer solchen Druckerniedrigung eine Abkühlung des Gases. Bei einer solchen Ausführungsform kann also durch ei- nen Druckunterschied zwischen erstem und zweitem innerenFor example, the shaft may have in its interior a throttling member and a fluidically connected via the throttle body with the first inner cavity second inner cavity. The thermodynamic state change is then the pressure change of the gas in the expansion by the throttle body and the associated temperature change. This from ¬ execution form is particularly advantageous in order to avoid excessive He ¬ warming of the coolant on the way from the shaft end to pause ¬ ren of the rotor or to compensate. Due to the elongated way of the coolant through the shaft in the interior of the turbine compared to conventional solutions, it can in principle be easier in the proposed solution to heat the coolant on the way to the interior of the rotor. Therefore, it is advantageous if the cooling ¬ agent may be present at least on a part of this path on a height ¬ ren temperature than the temperature at which the refrigerant is used in the rotor for cooling the present there com- ponents. This can be achieved in that the coolant is introduced as a gaseous coolant under elevated pressure in the first inner cavity and then expanded by a first cavity downstream of the throttle body into a second inner cavity. As a throttle body, for example, an expansion valve can generally be used. Due to the Joule-Thompson effect a cooling of the gas results in real gases below their inversion Tempe ¬ temperature at such a pressure decrease. In such an embodiment, therefore, by a pressure difference between the first and second inner
Hohlraum erreicht werden, dass das Gas erst im zweiten Hohlraum seine für die Kühlung der Rotorkomponenten notwendige niedrige Temperatur erreicht. Durch die im ersten inneren Hohlraum vorliegende demgegenüber höhere Temperatur kann die Erwärmung des Kühlmittels bei seinem axialen Transport durch die Welle vorteilhaft verringert werden, da der Temperatur¬ gradient zwischen dem Kühlmittel und den umgebenden Materia¬ lien in diesen Bereichen geringer ist als im Bereich des nachgelagerten zweiten inneren Hohlraums. Cavity be achieved, that the gas reaches its necessary for the cooling of the rotor components low temperature only in the second cavity. By contrast with the present in the first inner cavity higher temperature, the heating of the coolant can be advantageously reduced during its axial transport through the shaft, since the temperature ¬ gradient between the coolant and the surrounding Materia ¬ lien in these areas is lower than in the region of the downstream second internal cavity.
Generell können auch mehrere Drosselorgane hintereinanderge¬ schaltet werden, um das Kühlmittel in mehreren Stufen auf eine zur Kühlung innerhalb des Rotors benötigte Temperatur herunter zu kühlen. Hierzu können dann in axialer Richtung mehrere innere Hohlräume hintereinandergeschaltet sein, die über die einzelnen Drosselorgane fluidisch miteinander verbunden sind. So ergibt sich eine stufenweise Abkühlung auf dem axialen Weg des Kühlmittels vom ersten Wellenende in Richtung des Rotors. Diese Mehrzahl von Drosselorganen kann dabei entweder vollständig im Inneren des Rotors angeordnet sein, oder es kann alternativ zumindest ein Teil der Drosselorgane im Zwischenraum zwischen Rotor und Turbine und/oder schon innerhalb der Turbine angeordnet sein. Eine solche se- rielle Anordnung von mehreren Drosselorganen eignet sich prinzipiell sowohl für Ausführungsformen, bei denen Ein- und Ausleitung des Kühlmittels an demselben Wellenende stattfinden, als auch für Ausführungsformen, bei denen Ein- und Aus- leitung an gegenüberliegenden Wellenenden stattfinden. Generally, multiple throttle bodies can be hintereinanderge ¬ switched to shut the refrigerant in multiple stages to a required for cooling within the rotor temperature to cool. For this purpose, a plurality of internal cavities can then be connected in series in the axial direction, which are fluidically connected to each other via the individual throttle bodies. This results in a stepwise cooling on the axial path of the coolant from the first shaft end in the direction of the rotor. This plurality of throttle bodies can either be arranged completely inside the rotor, or it can alternatively be arranged at least part of the throttle bodies in the space between the rotor and the turbine and / or already within the turbine. Such a Rielle arrangement of multiple throttle bodies is in principle suitable both for embodiments in which the inlet and outlet of the coolant take place at the same shaft end, as well as for embodiments in which the inlet and outlet line take place at opposite shaft ends.
Alternativ oder zusätzlich zu der Ausführung mit einem Drosselorgan kann die Welle im Inneren des Rotors einen Alternatively, or in addition to the embodiment with a throttle body, the shaft in the interior of the rotor a
Verdampferbereich aufweisen. Beispielsweise kann der erste innere Hohlraum als Wärmerohr ausgebildet sein, in dem Kühlmittel in flüssiger Form vom ersten Wellenende in Richtung Rotor transportiert wird, wobei das Kühlmittel im Ver¬ dampferbereich unter Wärmeaufnahme aus den Komponenten des Rotors verdampft und schließlich als gasförmiges Kühlmittel wieder zurück zum ersten Wellenende gelangen kann. Hierbei kann der Hintransport von flüssigem Kühlmittel und der Rücktransport von gasförmigem Kühlmittel entweder in demselben ersten inneren Hohlraum erfolgen, oder es können alternativ unterschiedliche axial im Inneren der Welle verlaufende Lei- tungen für den Hin- und den Rücktransport zum Einsatz kommen. Für eine solche Ausführungsform kann das Kühlmittel generell vorteilhaft als flüssiges Kühlmittel am ersten Wellenende in das Innere der Welle eingespeist werden. In einer alternati¬ ven Ausführungsform ist es aber auch möglich, dass gasförmi- ges Kühlmittel unter erhöhtem Druck in die Welle eingespeist wird, und dass das Kühlmittel nach Expansion durch ein Dros¬ selorgan abkühlt und dabei kondensiert, wobei dieses verflüs¬ sigte Kühlmittel in einem Verdampferbereich im Inneren des Rotors unter Wärmeaufnahme verdampfen kann und anschließend als gasförmiges Kühlmittel wieder aus der Welle ausgeleitet wird. Dabei kann das Ausleiten des gasförmigen Kühlmittels entweder an demselben ersten Wellenende erfolgen, oder das Kühlmittel kann in gleichbleibender axialer Richtung weiter zum gegenüberliegenden zweiten Wellenende transportiert und von dort aus dem Inneren der Welle ausgekoppelt werden. Have evaporator area. For example, the first inner cavity may be formed as a heat pipe, in which coolant is transported in liquid form from the first shaft end in the direction of the rotor, wherein the refrigerant vaporizes in Ver ¬ steamer under heat absorption from the components of the rotor and finally back as a gaseous coolant to the first Shaft end can get. In this case, the forward transport of liquid coolant and the return transport of gaseous coolant can take place either in the same first inner cavity, or alternatively different lines running axially inside the shaft can be used for the forward and return transport. For such an embodiment, the coolant may generally be advantageously fed as liquid coolant at the first shaft end into the interior of the shaft. But in an alternatively ¬ ven embodiment, it is also possible that gaseous ges coolant is fed under elevated pressure in the shaft, and that the coolant cools and after expansion by a Dros ¬ selorgan thereby condensed, said verflüs ¬ sigte coolant in a Evaporator can evaporate inside the rotor with heat absorption and then discharged as gaseous coolant back from the shaft. In this case, the discharge of the gaseous coolant can take place either at the same first shaft end, or the coolant can be transported in a constant axial direction further to the opposite second shaft end and be coupled from there from the interior of the shaft.
Die Kühlvorrichtung kann allgemein vorteilhaft eine zusätzliche thermische Kopplungseinrichtung zur Kühlung einer weite- ren Komonente der Energieumwandlungsvorrichtung außerhalb des Rotors durch thermische Kopplung an das im Inneren der Welle transportierte Kühlmittel aufweisen. Besonders vorteilhaft kann diese thermische Kopplungseinrichtung in Strömungsrich- tung des Kühlmittels einem Wärmeübertragungsbereich im Inneren des Rotors nachgelagert sein. Mit anderen Worten, das Kühlmittel kann nach dem Bereich, in dem es in thermischem Kontakt mit den zu kühlenden Komponenten des Rotors steht, zur weiteren Kühlung von einer oder mehrerer Komponenten der Energieumwandlungsvorrichtung verwendet werden. Dabei kann es sich besonders vorteilhaft um ein Wellenlager handeln. Dieses Wellenlager kann beispielsweise ein Lager im Bereich der ersten Turbine, des Rotors oder einer eventuell vorliegenden zweiten Turbine sein. Es können auch mehrere solche Wellenla- ger durch weiterströmendes oder zurückströmendes Kühlmittel gekühlt werden. Für einen solchen nachgelagerten Kühlungsschritt werden keine solch niedrigen Temperaturen des Kühlmittels benötigt wie bei der Kühlung von supraleitenden Spulenwicklungen auf eine Betriebstemperatur des Supraleiters. Vielmehr kann bei dieser Ausführungsform ein verbleibendes Kühlpotential des bereits leicht erwärmten Kühlmittels ge¬ nutzt werden, um eine sich im Betrieb aufheizende Komponente der elektrischen Maschine oder der Turbinen, in diesem beispielhaften Fall ein Wellenlager, zusätzlich zu kühlen. Al- ternativ oder zusätzlich können auch weitere sich im Betrieb stark aufheizende Komponenten der elektrischen Maschine oder der Turbinen durch das ausströmende Kühlmittel zusätzlich ge¬ kühlt werden. Die Kühlvorrichtung kann eine feststehende Kältemaschine zur Kühlung und/oder Kompression von in den ersten inneren Hohlraum einzuspeisendem Kühlmittel aufweisen. Bei einer solchen Ausführungsform kann das Kühlmittel besonders vorteilhaft in Form eines geschlossenen Kreislaufs zwischen einer Vorrich- tung zur Einspeisung in die Welle und einer Vorrichtung zur Ausleitung aus der Welle zirkuliert werden. Beispielsweise kann ein Kaltkopf einer Kältemaschine dazu dienen, den in ei¬ nem Verdampferbereich im Inneren des Rotors verdampften Teil des Kühlmittels wieder zu kondensieren, wobei gleichzeitig Wärme vom Kühlmittel auf den Kaltkopf der Kältemaschine über¬ tragen wird. Bei dieser Ausführungsform kann dann ein geschlossener Kreislauf zwischen flüssigem Kühlmittel, welches in die Welle eingeleitet wird, und gasförmigem Kühlmittel, welches aus der Welle ausströmt, realisiert werden. The cooling device can generally advantageously have an additional thermal coupling device for cooling a further ren components of the energy conversion device outside of the rotor by thermal coupling to the transported inside the shaft coolant. Particularly advantageously, this thermal coupling device can be downstream of a heat transfer region in the interior of the rotor in the flow direction of the coolant. In other words, the coolant may be used after the region in which it is in thermal contact with the components of the rotor to be cooled for further cooling of one or more components of the energy conversion device. This may be particularly advantageous to a shaft bearing. This shaft bearing may for example be a bearing in the region of the first turbine, the rotor or a possibly present second turbine. It is also possible to cool a plurality of such shaft bearings by means of further flowing or returning coolant. For such a downstream cooling step, no such low temperatures of the coolant are required as in the cooling of superconducting coil windings to an operating temperature of the superconductor. Rather, in this embodiment, a remaining cooling potential of the already slightly heated coolant can be ge ¬ uses to cool a heating in operation component of the electric machine or the turbines, in this exemplary case, a shaft bearing, in addition to cool. Alternatively or additionally, more strongly aufheizende in the operating components of the electric machine or of the turbines can be additionally ge ¬ cooled by the flowing coolant. The cooling device may comprise a stationary cooling machine for cooling and / or compression of coolant to be fed into the first inner cavity. In such an embodiment, the coolant can be circulated particularly advantageously in the form of a closed circuit between a device for feeding into the shaft and a device for discharge from the shaft. For example, a cold head of a refrigerator may serve, the vaporized in egg ¬ nem evaporator region inside the rotor part to condense the coolant again, at the same time heat from the coolant is transferred to the cold head of the chiller over ¬ . In this embodiment, then a closed circuit between liquid coolant, which is introduced into the shaft, and gaseous coolant, which flows out of the shaft can be realized.
Alternativ kann die Kältemaschine als Kompressions- Kältemaschine ausgebildet sein, und es kann ein Kompressor im Kühlmittelkreislauf angeordnet sein, der ein aus der Welle ausströmendes gasförmiges Kühlmittel komprimiert und - nach Abgabe von Wärme an die Umgebung durch einen Wärmetauscher - unter derart erhöhtem Druck wieder zur Einspeisevorrichtung zurückführt. Eine solche Ausgestaltungsform ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einem Drosselorgan im Inneren der Welle, durch das komprimiertes gasförmiges Kühlmittel un¬ ter Abkühlung expandiert werden kann. Alternatively, the chiller can be designed as a compression chiller, and it can be arranged in the refrigerant circuit, a compressor which compresses a gaseous coolant flowing out of the shaft and - after release of heat to the environment by a heat exchanger - under such increased pressure back to the feed device returns. Such an embodiment is particularly advantageous in combination with a throttle body in the interior of the shaft, can be expanded by the compressed gaseous coolant un ¬ ter cooling.
Die Energieumwandlungsvorrichtung kann eine zweite Turbine aufweisen, die ebenfalls auf derselben Welle drehbar angeord¬ net ist. Dabei kann insbesondere der Rotor zwischen erster und zweiter Turbine angeordnet sein. Eine solche Ausführungs¬ form kann insbesondere in einem Gas- und Dampfkraftwerk zum Einsatz kommen, bei dem der Rotor eines Generators auf einer durchgehenden Welle zwischen einer Gasturbine und einer The energy conversion device may comprise a second turbine, which is also rotatably angeord ¬ net on the same shaft. In this case, in particular, the rotor can be arranged between the first and second turbine. Such execution ¬ form may in particular be used in a gas and steam power plant in which the rotor of the generator on a continuous shaft between a gas turbine and a
Dampfturbine angeordnet ist. Über die gemeinsame Welle sind Rotor, Gasturbine und Dampfturbine mechanisch gekoppelt, und die Drehmomente werden über die Welle zwischen den genannten Komponenten übertragen.  Steam turbine is arranged. Rotor, gas turbine and steam turbine are mechanically coupled via the common shaft, and the torques are transmitted via the shaft between said components.
Die elektrische Maschine kann eine supraleitende Spulenwick¬ lung mit einer Betriebstemperatur zwischen 20 K und 100 K, insbesondere zwischen 20 K und 77 K aufweisen. Maschinen mit supraleitenden Spulenwicklungen in den Rotoren weisen gegen- über herkömmlichen Maschinen Vorteile bezüglich des Wirkungsgrads, der Leistungsdichte sowie der Dynamik und der Flexibi¬ lität auf. Die Maschine kann insbesondere als Generator eines Kraftwerks ausgebildet sein. Sie kann vorteilhaft für einen Leistungsbereich von 10 MW bis 2 GW, insbesondere zwischen 400 MW und 2 GW ausgelegt sein. The electric machine may have a superconducting Spulenwick ¬ ment with an operating temperature between 20 K and 100 K, in particular between 20 K and 77 K. Machines with superconducting coil windings in the rotors have counter to conventional machines advantages in terms of efficiency, power density, and the dynamics and flexibi ¬ formality. The machine can be designed in particular as a generator of a power plant. It can be beneficial for one Power range from 10 MW to 2 GW, in particular be designed between 400 MW and 2 GW.
Bei dem Verfahren zur Kühlung der Energieumwandlungsvorrich- tung kann nach dem Transport von Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum der Welle eine thermodynamische Zustandsände- rung im Inneren der Welle erfolgen. Diese thermodynamische Zustandsänderung kann vorteilhaft zu einer Wärmeübertragung von Komponenten des Rotors auf das Kühlmittel beitragen und/oder sie kann zu einer Abkühlung des Kühlmittels im Inneren des Rotors beitragen, um anschließend eine größere Kühl¬ wirkung für die zu kühlenden Komponenten zu erreichen. In the method for cooling the energy conversion device, after the transport of coolant into the first inner cavity of the shaft, a thermodynamic change of state can take place in the interior of the shaft. This thermodynamic change in state can advantageously contribute to a heat transfer of components of the rotor to the coolant and / or it can contribute to a cooling of the coolant in the interior of the rotor, in order subsequently to achieve a greater cooling ¬ effect for the components to be cooled.
Beispielsweise kann das Kühlmittel vorteilhaft als gasförmi- ges Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum unter erhöhtem Druck eingespeist werden und anschließend im Inneren des Ro¬ tors durch wenigstens ein Drosselorgan auf einen niedrigeren Druck expandiert werden, wobei sich das Kühlmittel abkühlt. Die Vorteile dieser Ausführungsform sind analog zu den Vor- teilen der entsprechenden Ausführungsform der Kühlvorrichtung. Unter dem erhöhten Druck soll hier zunächst allgemein ein Druck oberhalb des Atmosphärendrucks verstanden werden. For example, the coolant can advantageously be used as gaseous saturated refrigerant can be fed into the first inner cavity under elevated pressure and subsequently expanded inside the Ro ¬ gate by at least one throttle element to a lower pressure, cools the coolant. The advantages of this embodiment are analogous to the advantages of the corresponding embodiment of the cooling device. Under the increased pressure is to be understood here initially generally a pressure above atmospheric pressure.
Der Druck, bei dem das gasförmige Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum eingespeist wird, kann dabei vorteilhaft oberhalb von 1 bar, besonders vorteilhaft oberhalb von 5 bar, insbesondere sogar oberhalb von 150 bar liegen. Besonders vorteilhafte Kühlmittel für diese Ausführungsform sind Heli¬ um, Neon, Stickstoff und/oder Wasserstoff enthaltende Kühl- mittel. Die Temperatur des in den ersten inneren Hohlraum eingeleiteten Gases kann vorteilhaft oberhalb von 250 K lie¬ gen, wobei nach der Expansion durch das wenigstens eine Dros¬ selorgan im Inneren des Rotors trotzdem vorteilhaft eine Temperatur des Kühlmittels unterhalb von 45 K erreicht werden kann. The pressure at which the gaseous coolant is fed into the first inner cavity can advantageously be above 1 bar, particularly advantageously above 5 bar, in particular even above 150 bar. Particularly advantageous coolants for this embodiment are helium , neon, nitrogen and / or hydrogen-containing coolants. The temperature of the introduced into the first inner cavity gas can advantageously above 250 K lie ¬ gene, at least one Dros ¬ selorgan inside the rotor nevertheless advantageously a temperature of the coolant below 45 K can be achieved after the expansion by the.
Alternativ kann das Kühlmittel auch als flüssiges Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum eingespeist werden und an- schließend in einem Verdampferbereich des ersten inneren Hohlraums verdampfen. Auch hier ergeben sich die Vorteile analog zu den Vorteilen der entsprechenden Ausführungsformen der Kühlvorrichtung. Alternatively, the coolant can also be fed as liquid coolant into the first inner cavity and closing evaporate in an evaporator region of the first inner cavity. Again, the advantages arise analogous to the advantages of the corresponding embodiments of the cooling device.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Energieumwand¬ lungsvorrichtung eines Gas- und Dampfkraftwerks zeigt, The invention will be described with reference to some preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 shows a schematic longitudinal section of a Energieumwand ¬ treatment device of a gas and steam power plant,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, FIG. 2 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a first exemplary embodiment, FIG.
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, 3 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a second exemplary embodiment,
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt und Fig. 4 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a third embodiment, and
Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt. Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Energieumwandlungsvorrichtung 2 eines Gas- und Dampfkraftwerks. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst eine erste Turbine 23, die als Gasturbine arbeitet, und eine zweite Turbine 25, die als Dampfturbine arbeitet. Zwischen den beiden Turbinen 23 und 25 ist eine elektrische Maschine 20 - hier ein Genera¬ tor - mit einem innenliegenden Rotor 3 und einem ihn umgebenden Stator 21 angeordnet. Der Rotor 3 und die beiden zu ihm benachbarten Turbinen 23 und 25 sind auf einer gemeinsamen Welle 7 um eine Rotationsachse 5 drehbar gelagert angeordnet. Hierbei vermittelt die Welle 7 die mechanische Kopplung zwi¬ schen den rotierenden Komponenten und überträgt die Drehmomente. Durch die Anordnung auf einer gemeinsamen Welle 7 können die beiden Turbinen 23 und 25 und der Rotor 3 des Genera- tors 20 synchron rotieren. In dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel ist die Welle 7 aus drei Abschnitten zusammenge¬ setzt, die jeweils über Flansch-Kupplungen 27 verbunden sind. Alternativ kann die Welle 7 jedoch beispielsweise auch aus einem einzelnen durchgehenden Bauteil gefertigt sein. Die gezeigte Anordnung entspricht einer sogenannten Einzelwellenanordnung (englisch: Single-Shaft Configuration) eines Kombikraftwerks, bei dem sowohl eine Gasturbine 23 als auch eine Dampfturbine 25 zum Antreiben eines Rotors 3 genutzt werden, und so beide Turbinen über dieselbe Welle 7 denselben Genera¬ tor 20 antreiben. Hierbei wird durch Verbrennung eines Gases in der Gasturbine mechanische Leistung an der Welle erzeugt, und ein weiterer Teil der mechanischen Leistung wird in der Dampfturbine erzeugt. Zur Erzeugung des hierfür benötigten Dampfes können die heißen Abgase aus der Gasturbine bei¬ spielsweise in einem Abhitze-Dampfkessel zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet werden. Der Dampf kann in der Dampfturbine entspannt werden und hierdurch zusätzlich mechanische Leistung an die Welle abgeben. Die mechanische Leistung an der Welle wird im Generator in elektrische Leistung gewandelt. Die Anordnung der beiden Turbinen auf einer gemeinsamen Welle kann zu einem besonders effizienten Betrieb der Kraft¬ werksanlage sowie zu einer Reduktion der benötigten Generator-Komponenten führen. Die im Folgenden beschriebenen Aus- führungsbeispiele der Kühlvorrichtungen 1 können beispiels¬ weise in derartigen kombinierten Gas- und Dampfkraftwerken zum Einsatz kommen. Fig. 5 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a fourth embodiment. Fig. 1 shows a schematic longitudinal section of an energy conversion device 2 of a gas and steam power plant. The energy conversion device comprises a first turbine 23, which operates as a gas turbine, and a second turbine 25, which operates as a steam turbine. Between the two turbines 23 and 25, an electric machine 20 - here a Genera ¬ gate - with an inner rotor 3 and a surrounding stator 21 is arranged. The rotor 3 and the two adjacent turbines 23 and 25 are arranged rotatably mounted on a common shaft 7 about a rotation axis 5. Here, the shaft 7 imparts the mechanical coupling Zvi ¬ rule the rotating components and transmits the torques. Due to the arrangement on a common shaft 7, the two turbines 23 and 25 and the rotor 3 of the genera- rotate torso 20 synchronously. In the example shown in FIG. 1, the shaft is composed of three sections together quantitative sets ¬ 7, which are each connected via flange clutches 27. Alternatively, however, the shaft 7 may be made, for example, from a single continuous component. The arrangement shown corresponds to a so-called single-shaft configuration (English: Single-Shaft Configuration) of a combined cycle power plant, in which both a gas turbine 23 and a steam turbine 25 are used to drive a rotor 3, and so both turbines on the same shaft 7 the same Genera ¬ tor 20th drive. Here, by combustion of a gas in the gas turbine, mechanical power is generated at the shaft, and another part of the mechanical power is generated in the steam turbine. To generate the steam required for this purpose the hot exhaust gases from the gas turbine can be used in ¬ play, in a waste heat boiler to produce steam. The steam can be expanded in the steam turbine and thereby deliver additional mechanical power to the shaft. The mechanical power at the shaft is converted into electrical power in the generator. The arrangement of the two turbines on a common shaft can lead to a particularly efficient operation of the power plant ¬ plant and to a reduction of the required generator components. The exemplary embodiments of the cooling devices 1 described below can be used, for example, in such combined gas and steam power plants.
In Fig. 2 ist ein schematischer Längsschnitt einer Kühlvor- richtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist wiederum eine Energieumwandlungs¬ vorrichtung 2 mit zwei Turbinen 23 und 25, zwischen denen ein Rotor 3 eines Generators auf einer gemeinsamen Welle 7 ange¬ ordnet ist. Der Rotor weist wenigstens eine zu kühlende Kom- ponente 33 auf, die mit der Kühlvorrichtung 1 der Energieumwandlungsvorrichtung 2 gekühlt werden soll, und in diesem Beispiel als supraleitende Spulenwicklung 4 ausgestaltet ist. Die Spulenwicklung 4 muss also für einen effizienten Betrieb des Generators auf eine Betriebstemperatur in einem kryogenen Temperaturbereich heruntergekühlt werden. Hierzu ist eine Kühlvorrichtung 1 vorgesehen, die eine stationäre Kälteanlage 41 und einen innerhalb der Welle 7 angeordneten ersten inne- ren Hohlraum 9 umfasst. Die Welle 7 ist in einem ersten axia¬ len Wellenabschnitt 7a als Hohlwelle ausgebildet, wobei sich dieser Wellenabschnitt 7a von einem ersten Wellenende 8a durch die erste Turbine 23 hindurch bis in das Innere des Ro¬ tors 3 hinein erstreckt. Über den ersten inneren Hohlraum 9 kann somit Kühlmittel 13 von der feststehenden Kälteanlage 41 aus in das Innere des Rotors 3 geleitet werden und von dort aus die supraleitende Spulenwicklung 4 kühlen. Ein axial an den ersten Wellenabschnitt 7a angrenzender Bereich 7b der Welle 7 ist dagegen in diesem Beispiel als massive Welle ohne inneren Hohlraum ausgestaltet. FIG. 2 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a first exemplary embodiment of the invention. Shown in turn, is an energy conversion device ¬ 2 with two turbines 23 and 25, between which a rotor of a generator 3 is integrally ¬ arranged on a common shaft. 7 The rotor has at least one component 33 to be cooled, which is to be cooled by the cooling device 1 of the energy conversion device 2, and in this example is designed as a superconducting coil winding 4. The coil winding 4 must therefore for efficient operation of the generator are cooled down to an operating temperature in a cryogenic temperature range. For this purpose, a cooling device 1 is provided which comprises a stationary refrigeration system 41 and a first inner cavity 9 arranged inside the shaft 7. The shaft 7 is formed in a first axia ¬ len shaft portion 7a as a hollow shaft, said shaft portion 7a extends from a first shaft end 8a through the first turbine 23 into the interior of the Ro ¬ sector 3 inside. Via the first inner cavity 9, coolant 13 can thus be conducted from the fixed refrigeration system 41 into the interior of the rotor 3 and from there cool the superconducting coil winding 4. In contrast, an area 7b of the shaft 7, which is axially adjacent to the first shaft section 7a, is configured in this example as a solid shaft without an internal cavity.
Das erste Wellenende 8a ist im gezeigten ersten Ausführungs¬ beispiel mit einer Vorrichtung 17 zur Einspeisung von Kühlmittel 13 versehen. In diesem Beispiel handelt es sich um ein feststehendes Rohr, welches am ersten Wellenende in den ers¬ ten inneren Hohlraum 9 hineinragt. In diesem Rohr wird flüssiges Kühlmittel 13a, im vorliegenden Beispiel verflüssigtes Neon von einem Kondensorbereich 16 der Kältemaschine 41 in das Welleninnere eingeleitet. Dieses Rohr kann sich entweder als feststehendes Rohr im Inneren der rotierenden Welle fort¬ setzen, oder es kann über eine Drehdichtung an ein rotierendes Rohrteil gekoppelt sein, oder das flüssige Kühlmittel 13a kann in einem das Rohr umgebenden größeren Hohlraum axial in Richtung des Rotors 3 fließen. Dieser Fluss kann beispiels- weise durch die Schwerkraft unterstützt werden, insbesondere wenn sich das Kühlmittelrohr im Inneren der Welle fortsetzt und leicht abfallend ausgestaltet ist. Alternativ oder zu¬ sätzlich kann der Fluss des flüssigen Kühlmittels zum Rotor durch Kapillarkräfte unterstützt werden und/oder bei einer konischen Formgebung des inneren Hohlraums der Welle durchThe first shaft end 8a is provided in the illustrated first embodiment ¬ example with a device 17 for feeding coolant. In this example, it is a fixed tube, which protrudes into the first inner end of the first shaft end ers ¬ th inner cavity 9. In this tube, liquid coolant 13a, in the present example liquefied neon from a Kondensorbereich 16 of the refrigerator 41 is introduced into the shaft interior. This tube can continue contact either as a stationary pipe in the interior of the rotating shaft ¬, or it may be coupled via a rotary seal at a rotating tube part, or the liquid refrigerant 13a in a surrounding tube larger cavity axial flow in the direction of the rotor 3 , This flow can be assisted, for example, by gravity, in particular if the coolant tube continues inside the shaft and has a slightly sloping design. Alternatively or additionally ¬ the flow of liquid coolant to the rotor can be assisted by capillary forces and / or a conical shape of the inner cavity of the shaft by
Zentrifugalkräfte unterstützt werden. Bei all diesen Ausfüh¬ rungsvarianten gelangt das flüssige Kühlmittel 13a durch den inneren Hohlraum 9 der Welle 7 in einen Bereich 11 im Inneren des Rotors 3, der hier einen Verdampferbereich 15 aufweist, in dem eine Außenwand des Hohlraums 9 thermisch mit dem zu kühlenden Objekt 33 oder den zu kühlenden Objekten des Rotors 3 verbunden ist. Diese thermische Verbindung ist im gezeigten Beispiel über Wärmeleitungselemente 35 aus thermisch gut lei¬ tendem Material gegeben, so dass sich ein Wärmefluss 36 aus der supraleitenden Spulenwicklung 4 in Richtung des Centrifugal forces are supported. In all of these exporting ¬ approximately variant, the liquid refrigerant 13a passing through the inner cavity 9 of the shaft 7 in a region 11 in the interior the rotor 3, which here has an evaporator region 15, in which an outer wall of the cavity 9 is thermally connected to the object to be cooled 33 or the objects to be cooled of the rotor 3. This thermal connection is given in the example shown via heat conduction elements 35 from thermally good lei ¬ tendem material, so that a heat flow 36 from the superconducting coil winding 4 in the direction of
Verdampferbereichs 15 des inneren Hohlraums 9 ergibt. Dort verdampft das flüssige Kühlmittel 13 unter Aufnahme von Wärme im Wärmeübertragungsbereich 28, und das gebildete gasförmige Kühlmittel 13b kann durch denselben inneren Hohlraum 9 axial in Richtung des ersten Wellenendes 8a zurück gelangen. Evaporator 15 of the inner cavity 9 results. There, the liquid coolant 13 evaporates by absorbing heat in the heat transfer area 28, and the formed gaseous coolant 13b can pass back axially through the same inner cavity 9 in the direction of the first shaft end 8a.
Im Bereich des ersten Wellenendes 8a ist der Außenmantel der Welle 7 über eine Drehdichtung 19 mit einem äußeren Rohr 32 verbunden, so dass das gasförmige Kühlmittel 13b im äußeren Rohr zu einem Kaltkopf 14 der ortsfesten Kältemaschine 41 ge¬ leitet wird, wo es in einem Kondensorbereich 16 kondensiert und wiederum in der Art eines geschlossenen Kreislaufs zurück in die Vorrichtung 17 zur Einspeisung von Kühlmittel 13 in die Welle 7 geleitet werden kann. Insgesamt wird also die zu entwärmende Komponente 33 des Rotors 3 durch im Inneren der Welle 7 transportiertes Kühlmittel 13 gekühlt, wobei das Kühlmittel axial durch die erste Turbine 23 hindurch geleitet wird. Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel wird das Kühl¬ mittel an demselben ersten Wellenende 8a eingeleitet und wie¬ der ausgeleitet. Der innere Hohlraum 9 der Welle dient hier¬ bei als Wärmerohr, in dem sowohl flüssiges Kühlmittel 13a zum Rotor 3 als auch gasförmiges Kühlmittel 13b vom Rotor weg transportiert wird. In the area of the first shaft end 8a of the outer casing of the shaft 7 is connected via a rotary seal 19 with an outer tube 32, so that the gaseous refrigerant 13b in the outer tube to a cold head 14 of the stationary refrigeration machine 41 ge ¬ passes, where it in a Kondensorbereich 16 condensed and in turn in the manner of a closed circuit back into the device 17 for feeding coolant 13 into the shaft 7 can be passed. Overall, therefore, the component 33 to be warmed of the rotor 3 is cooled by coolant 13 transported inside the shaft 7, the coolant being conducted axially through the first turbine 23. In the illustrated first embodiment, the cooling ¬ medium is introduced at the same first end of the shaft 8a and the like ¬ discharged. The inner cavity 9 of the shaft serves at ¬ as a heat pipe is transported in both the liquid coolant 13a to the rotor 3 as well as gaseous refrigerant 13b away from the rotor.
In Fig. 3 ist ein schematischer Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem alternativen zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Einander entsprechende Komponenten sind allge- mein jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen und wirken analog wie in den vorab beschriebenen Figuren. Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel wird Kühlmittel 13 an demselben ersten Wellenende 8a eingespeist und wieder ausgeleitet. Auch hier ist die Welle in einem ersten Wellenabschnitt 7a zwi¬ schen diesem ersten Wellenende 8a und dem Inneren des Rotors als Hohlwelle ausgebildet, während sie in einem daran an¬ schließenden Wellenabschnitt 7b massiv ausgebildet ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wird das Kühlmit¬ tel 13 jedoch hier nicht als flüssiges Kühlmittel, sondern als unter erhöhtem Druck stehendes gasförmiges Kühlmittel 13b in das erste Wellenende eingeleitet. Die Vorrichtung zur Ein- speisung von Kühlmittel ist hier also als Hochdruckleitung 45 ausgestaltet, wobei der feststehende äußere Teil der Hoch¬ druckleitung 45 im Bereich des ersten Wellenendes über eine druckfeste Drehdichtung 19a mit einem rotierenden, innerhalb der Welle 7 liegenden Teil der Hochdruckleitung 45a verbunden ist . FIG. 3 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to an alternative second exemplary embodiment. Corresponding components are generally provided with the same reference numerals and act analogously as in the previously described figures. Also in the second embodiment, coolant 13 is fed to the same first shaft end 8a and discharged again. Also here, the shaft is formed as a hollow shaft, while it is formed thereon in a massively at ¬ closing shaft portion 7b in a first shaft portion 7a Zvi ¬ rule this first shaft end 8a and the interior of the rotor. In contrast to the first embodiment, however, the Kühlmit ¬ tel 13 is not introduced here as a liquid coolant, but as under elevated pressure gaseous coolant 13b in the first shaft end. The device for feeding coolant is designed here as a high-pressure line 45, wherein the fixed outer part of the high ¬ pressure line 45 connected in the region of the first shaft end via a pressure-resistant rotary seal 19 a with a rotating, lying within the shaft 7 part of the high-pressure line 45 a is.
Im Inneren der Welle 7 ist dann ein erster innerer Hohlraum 9 durch das Innere dieser drehbaren Fortsetzung 45a der Hochdruckleitung gegeben. Durch diesen Hohlraum 9 wird gasförmiges komprimiertes Kühlmittel 13b, hier beispielsweise Neon, unter Druck zu einem Drosselorgan 30 geleitet, welches im Inneren des Rotors 3 angeordnet ist. Durch dieses Drosselorgan 30, welches beispielsweise als Expansionsventil ausgestaltet ist, wird das unter Druck stehende Gas 13b in einen zweiten inneren Hohlraum 10 hinein expandiert. Dabei kühlt sich das gasförmige Kühlmittel auf eine deutlich tiefere Temperatur ab als die Temperatur des unter Druck stehenden Kühlmittels im ersten inneren Hohlraum 9. Ein Wärmeübertragungsbereich 28 des zweiten inneren Hohlraums 10 steht nun in thermischem Kontakt mit der zu kühlenden Komponente 33 des Rotors 3. Auch in diesem Beispiel ist dieser thermische Kontakt durch Wärme¬ leitungselemente 35 gegeben. In diesem Bereich 28 erwärmt sich das jetzt entspannte gasförmige Kühlmittel 13b also und kann anschließend durch eine das Hochdruckrohr umgebende Fortsetzung des zweiten inneren Hohlraums 10 axial wieder zu- rück zum ersten Wellenende 8a geleitet werden. Diese gezeigte koaxiale Anordnung der beiden Kühlmittelleitungen 9 und 10 hat den Vorteil, dass das zurückströmende expandierte Gas auch nach einem Wärmeaustausch im Wärmeübertragungsbereich 28 noch eine tiefere Temperatur als das unter Druck stehende Gas 13b aufweisen kann und somit in der Art eines Wärmetauschers eine Vorkühlung des einströmenden Gases bewirken kann. Weiterhin wird durch das außen strömende bereits expandierte Gas eine direkte thermische Wechselwirkung von dem unter Druck stehenden Gas und dem möglicherweise wärmeren Außenmantel der Welle vorteilhaft reduziert. Zweckmäßig kann dieser Außenman¬ tel bei diesem und auch allen weiteren Ausführungsbeispielen durch eine hier nicht dargestellte Vakuumisolation und/oder eine andere Art der Wärmeisolation thermisch gegen die innenliegenden Kühlmittelleitungen 9 und 10 isoliert sein. Inside the shaft 7, a first inner cavity 9 is then given through the interior of this rotatable continuation 45a of the high-pressure line. Through this cavity 9 gaseous compressed coolant 13b, here for example neon, passed under pressure to a throttle body 30, which is arranged in the interior of the rotor 3. Through this throttle member 30, which is designed for example as an expansion valve, the pressurized gas 13 b is expanded into a second inner cavity 10 in. In this case, the gaseous coolant cools to a much lower temperature than the temperature of the pressurized coolant in the first inner cavity 9. A heat transfer region 28 of the second inner cavity 10 is now in thermal contact with the component 33 of the rotor 3 to be cooled In this example, this thermal contact is given by heat ¬ line elements 35. In this region 28, the now relaxed gaseous coolant 13b thus heats up and can then be guided axially back again to the first shaft end 8a by a continuation of the second inner cavity 10 surrounding the high-pressure tube. This shown coaxial arrangement of the two coolant lines 9 and 10 has the advantage that the expanded gas flowing back, even after a heat exchange in the heat transfer region 28th can still have a lower temperature than the pressurized gas 13b and thus can cause a pre-cooling of the incoming gas in the manner of a heat exchanger. Furthermore, a direct thermal interaction of the pressurized gas and the possibly warmer outer shell of the shaft is advantageously reduced by the outside flowing already expanded gas. Suitably, this Außenman ¬ tel be thermally insulated in this and all other embodiments by a vacuum insulation not shown here and / or another type of thermal insulation against the inner coolant lines 9 and 10.
Das expandierte gasförmige Kühlmittel im zweiten inneren Hohlraum 10 gelangt am ersten Wellenende 8a über eine Dreh¬ dichtung 19 zurück in eine äußere Niederdruckleitung 47 der Kühlvorrichtung, die zu einer in Fig. 3 nur schematisch gezeigten Kältemaschine 41 führt, die in diesem Beispiel als Kompressionskältemaschine mit einem Kompressor ausgebildet ist. Im Kompressor wird das expandierte Gas erneut verdich¬ tet, wobei die bei dieser Verdichtung freigesetzte Wärme dem Gas durch weitere hier nicht gezeigte Komponenten der Kälte¬ maschine 41 wieder entzogen wird. Aus dem Kompressor wird das verdichtete gasförmige Kühlmittel wiederum in die Hochdruck¬ leitung 45 eingespeist, und der Kühlmittelkreislauf schließt sich . The expanded gaseous refrigerant in the second internal cavity 10 arrives at the first shaft end 8a of a rotary ¬ seal 19 back to a low pressure outer line 47 of the cooling device, which leads to an only schematically shown in Fig. 3 refrigerating machine 41, which in this example as a compression refrigeration machine having a compressor is formed. In the compressor, the expanded gas is recompressed ¬ tet, wherein the heat released in this compression of the gas is withdrawn by further components not shown here, the cooling ¬ machine 41 again. From the compressor, the compressed gaseous coolant is in turn fed into the high-pressure ¬ line 45, and the coolant circuit closes.
In Fig. 4 ist ein schematischer Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In diesem Beispiel ist die Welle 7 auf ihrer gesamten axialen Länge als Hohlwelle ausgebildet, wobei an einem ersten Wellenende 8a eine Vorrichtung 17 zur Einspei- sung von Kühlmittel 13 und an einem gegenüberliegenden zweiten Wellenende 8b eine Vorrichtung 18 zur Ausleitung von Kühlmittel angeordnet ist. Am ersten Wellenende 8a ist hierzu eine Hochdruckleitung 45 über eine druckfeste Drehdichtung 19a mit einem ersten inneren Hohlraum 9 der Welle 7 verbunden. Am zweiten Wellenende 8b ist in ähnlicher Weise eine Niederdruckleitung 47 über eine Drehdichtung 19 mit einem zweiten inneren Hohlraum 10 der Welle 7 verbunden. Zwischen der Niederdruckleitung 47 und der Hochdruckleitung 45 ist wiederum eine Kältemaschine 41 mit einem Kompressor angeord¬ net, in dem das gasförmige Kühlmittel der Niederdruckleitung 47 auf höheren Druck komprimiert wird und dann in die Hochdruckleitung 45 eingespeist wird. Auch hier wird durch die Leitungen und den Kompressor ein geschlossener Kühlmittelkreislauf gebildet, wobei dem Gas wiederum im Bereich der Kältemaschine 41 Wärme entzogen wird, beispielsweise über ei nen Kühlkörper, mit dem Wärme an die äußere Umgebung übertra gen wird. FIG. 4 shows a schematic longitudinal section of a cooling device 1 according to a third exemplary embodiment of the invention. In this example, the shaft 7 is formed over its entire axial length as a hollow shaft, wherein at a first shaft end 8a, a device 17 for feeding coolant 13 and at an opposite second shaft end 8b, a device 18 for discharging coolant is arranged. At the first shaft end 8 a, a high-pressure line 45 is connected to a first inner cavity 9 of the shaft 7 via a pressure-resistant rotary seal 19 a. At the second shaft end 8b is in a similar manner a low pressure line 47 via a rotary seal 19 with a second inner cavity 10 of the shaft 7 connected. Between the low pressure line 47 and the high pressure line 45, in turn, a chiller 41 with a compressor angeord ¬ net, in which the gaseous refrigerant of the low pressure line 47 is compressed to a higher pressure and then fed into the high pressure line 45. Again, a closed coolant circuit is formed by the lines and the compressor, wherein the gas is again deprived of heat 41 in the area of the chiller, for example via egg nen heat sink, with the heat to the external environment transmis conditions.
Über den ersten inneren Hohlraum 9 wird also unter Druck ste hendes Gas durch die erste Turbine 23 in das Innere des Ro¬ tors 3 geleitet, wo wiederum das Gas durch ein Drosselorgan 30 expandiert wird, wobei das Gas sich gleichzeitig abkühlt. Auch hier tritt das so abgekühlte Gas in einem Wärmeübertra¬ gungsbereich 28 in thermischen Kontakt mit einem oder mehreren Wärmeleitungselementen 35, die wiederum mit der zu kühlenden Komponente 33 des Rotors 3 thermisch gekoppelt sind. Nach der Expansion wird das gasförmige Kühlmittel 13b an¬ schließend im axial angrenzenden Bereich der Welle 7 im zwei ten inneren Hohlraum 10 durch die zweite Turbine 25 hindurch und zum zweiten Wellenende 8b geleitet. Bei dieser dritten Ausführungsform kann das im Wärmeübertragungsbereich 28 leicht erwärmte, aber immer noch kühle expandierte Gas 10 nicht zu einer Vorkühlung des einströmenden unter Druck stehenden Gases verwendet werden. Es kann aber prinzipiell zur Kühlung weiterer Komponenten, die an den zweiten inneren Hohlraum 10 angrenzen, verwendet werden, wie im folgenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Generell können aber auch beide innere Hohlräume 9 und 10 thermisch gegen den umgeben¬ den Außenmantel der Welle isoliert sein, beispielsweise über eine umgebende Vakuumisolation oder eine andere thermische Isolation, die in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist. Bei einer solchen Ausgestaltung dient das Kühlmittel 13 nur zur Kühlung einzelner Komponenten 33 des Rotors 3, und der Wärmeeintrag in das Kühlmittel 13 wird ins¬ gesamt möglichst niedrig gehalten. Through the first inner cavity 9 ste Hendes gas is passed through the first turbine 23 in the interior of the Ro ¬ tors 3, where again, the gas is expanded through a throttle member 30 thus under pressure, whereby the gas cools simultaneously. Again, the thus cooled gas enters a Heat Transf ¬ supply region 28 in thermal contact with one or more heat transfer elements 35, which are in turn thermally coupled to the component to be cooled 33 of the rotor. 3 After expansion, the gaseous refrigerant is passed 13b ¬ closing in the axially adjacent area of the shaft 7 in the two-th internal cavity 10 through the second turbine 25 passes and the second shaft end 8b. In this third embodiment, the gas 10, which is slightly warmed but still cool in the heat transfer area 28, can not be used to precool the incoming pressurized gas. However, it can in principle be used for cooling further components which adjoin the second inner cavity 10, as described in the following exemplary embodiment. In general, however, both inner cavities 9 and 10 may be thermally insulated against the surrounding ¬ outer jacket of the shaft, for example via a surrounding vacuum insulation or other thermal insulation, which is not shown in the figures for clarity. In such an embodiment, the coolant 13 is used only for cooling of individual components 33 of the Rotor 3, and the heat input into the coolant 13 is ¬ kept as low as possible.
Ein alternatives viertes Ausführungsbeispiel ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. Der Fluss von gasförmigem Kühlmittel 13 durch die ganze axiale Länge der Welle 7 und die Expansion von unter Druck stehendem Gas im Inneren des Rotors 3 sind bei diesem Beispiel ähnlich ausgestaltet wie bei dem in Fig. 4 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel. Ein Unterschied be- steht aber darin, dass hier im Bereich des zweiten innerenAn alternative fourth embodiment is shown schematically in FIG. The flow of gaseous refrigerant 13 through the entire axial length of the shaft 7 and the expansion of pressurized gas inside the rotor 3 are similarly configured in this example as in the third embodiment shown in FIG. One difference, however, is that here in the area of the second inner
Hohlraums 10 eine zusätzliche thermische Kopplungseinrichtung zwischen einer Außenwand dieses Hohlraums 10 und einem Wel¬ lenlager 39 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um ein Wellenlager 39 im Bereich der zweiten Turbine 25. Allgemein erwärmen sich solche Wellenlager bei einem Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung, und das ausströmende noch kalte Gas kann vorteilhaft zu einer zusätzlichen Kühlung solcher warmen Komponenten genutzt werden. Eine ähnliche Form der Wellenlagerkühlung durch zur Kältemaschine zurückströmen- des Kühlmittel 13 und/oder auch schon durch von der Kältemaschine einströmendes Kühlmittel ist auch als vorteilhafte Va¬ riante der anderen beschriebenen Ausführungsformen möglich, also beispielsweise auch in Kombination mit einem Wärmerohr zur Kühlung der Rotorkomponenten über einen Verdampferbereich und/oder bei einer Ausführungsform, bei der Kühlmittel auf derselben Seite der Welle ein- und wieder ausgeleitet wird. Cavity 10 an additional thermal coupling device between an outer wall of this cavity 10 and a Wel ¬ lenlager 39 is arranged. In the example shown, it is a shaft bearing 39 in the region of the second turbine 25. In general, such shaft bearings are heated during operation of the energy conversion device, and the still cold gas flowing out can be advantageously used for additional cooling of such warm components. A similar form of the shaft bearings cooling by the refrigerating machine zurückströmen- of the coolant 13 and / or even by flowing in from the cold engine coolant is also possible as an advantageous Va ¬ riante of the other described embodiments, thus for example also in combination with a heat pipe for cooling of the rotor components on an evaporator region and / or in an embodiment in which coolant on the same side of the shaft on and is discharged again.
Bei allen beschriebenen Varianten erstreckt sich ein oder mehrere innere Hohlräume 9 und 10 der Welle über einen größe- ren Teil ihrer axialen Länge. So erstreckt sich zumindest ein erster Hohlraum 9 durch die erste Turbine 23 hindurch und in einen inneren Bereich des Rotors 3 hinein. Derselbe oder ein weiterer Hohlraum kann sich in manchen Ausführungsformen auch noch weiter durch den Rotor 3 und die zweite Turbine hindurch zum gegenüberliegenden Wellenende erstrecken. Die Welle 7 kann hierbei generell entweder mit einem durchgehenden äußeren Mantel ausgebildet sein, oder sie kann ähnlich wie in Fig. 1 gezeigt aus mehreren Wellenabschnitten zusammengesetzt sein. Dabei können beispielsweise Flansch-Kupplungen 27 mit entsprechenden Kühlmitteldichtungen zum Einsatz kommen, die auch die innenliegenden Hohlräume 9 und 10 der Welle 7 in axialer Richtung miteinander verbinden. Alternativ können beispielsweise auch nur Segmente des äußeren Mantels der Wel le mit Flansch-Kupplungen 27 verbunden sein, um im Inneren der Welle kann sich ein durchgehendes Rohr über mehrere Seg¬ mente erstrecken. In all the variants described, one or more inner cavities 9 and 10 of the shaft extend over a greater part of their axial length. Thus, at least one first cavity 9 extends through the first turbine 23 and into an inner region of the rotor 3. The same or another cavity may in some embodiments also extend further through the rotor 3 and the second turbine to the opposite end of the shaft. The shaft 7 may in this case generally be formed either with a continuous outer jacket, or it may, similar to that shown in FIG. 1, be composed of several shaft sections be. In this case, for example, flange couplings 27 can be used with corresponding coolant seals, which also connect the inner cavities 9 and 10 of the shaft 7 in the axial direction with each other. Alternatively, for example, only segments of the outer shell of the Wel le be connected with flange couplings 27 to inside the shaft, a continuous tube can extend over several Seg ¬ elements.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kühlvorrichtung (1) zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung (2) 1. Cooling device (1) for cooling an energy conversion device (2)
- mit einer elektrischen Maschine (20), umfassend einen um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagerten Rotor (3) , der auf einer drehbaren zentralen Welle (7) angeordnet ist, - comprising an electric machine (20) comprising a rotor (3) rotatably mounted about a rotation axis (5) and arranged on a rotatable central shaft (7),
- und mit wenigstens einer ersten Turbine (23) , die auf der¬ selben Welle (7) drehbar angeordnet ist, - And with at least one first turbine (23) which is rotatably mounted on the ¬ same shaft (7),
umfassend full
- wenigstens einen ersten inneren Hohlraum (9) der Welle (7) zum Transport von Kühlmittel (13) in einen Bereich (11) in¬ nerhalb des Rotors (3) , - At least a first inner cavity (9) of the shaft (7) for transporting coolant (13) in a region (11) in ¬ within the rotor (3),
wobei sich der erste innere Hohlraum (9) axial durch die ers- te Turbine (23) und durch einen axialen Zwischenraum (24) zwischen erster Turbine (23) und Rotor (3) erstreckt. wherein the first inner cavity (9) extends axially through the first turbine (23) and through an axial gap (24) between the first turbine (23) and the rotor (3).
2. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die Welle (7) ein erstes Wellenende (8a) aufweist, welches mit einer Vor- richtung (17) zur Einspeisung von Kühlmittel (13) in den ersten inneren Hohlraum (9) versehen ist, 2. Cooling device (1) according to claim 1, wherein the shaft (7) has a first shaft end (8a) which is provided with a device (17) for feeding coolant (13) into the first inner cavity (9) is
wobei das erste Wellenende (8a) axial auf einer vom Rotor (3) abgewandten Seite der ersten Turbine (23) angeordnet ist. wherein the first shaft end (8a) is arranged axially on a side of the first turbine (23) facing away from the rotor (3).
3. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der das erste Wellenende (8a) zusätzlich mit einer Vorrichtung (18) zur Ausleitung von Kühlmittel (13) aus dem ersten inneren Hohlraum (9) versehen ist. 3. Cooling device (1) according to claim 2, wherein the first shaft end (8a) is additionally provided with a device (18) for discharging coolant (13) from the first inner cavity (9).
4. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2 mit einem dem ersten Wellenende (8a) axial gegenüberliegenden zweiten Wellenende (8b), welches mit einer Vorrichtung (18) zur Ausleitung von Kühlmittel aus einem Innenraum der Welle (7) versehen ist. 4. Cooling device (1) according to claim 2 with a first shaft end (8 a) axially opposite second shaft end (8 b), which is provided with a device (18) for discharging coolant from an interior of the shaft (7).
5. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Welle (7) im Inneren des Rotors (3) einen Wärmeübertragungsbereich (28) aufweist, in dem das Kühlmittel (13) thermisch mit wenigstens einer auf dem Rotor (3) ange¬ ordneten zu kühlenden Komponente (33) gekoppelt ist. 5. Cooling device (1) according to one of the preceding claims, wherein the shaft (7) in the interior of the rotor (3) has a heat transfer region (28) in which the coolant (13) is thermally coupled to at least one on the rotor (3) ¬ arranged to be cooled component (33).
6. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, bei der die Welle (7) im Inneren des Rotors (3) einen6. Cooling device (1) according to one of the preceding claims, wherein the shaft (7) in the interior of the rotor (3) a
Bereich (15, 29) für den Ablauf einer thermodynamischen Zu- standsänderung des Kühlmittels (13) aufweist. Area (15, 29) for the passage of a thermodynamic state change of the coolant (13).
7. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 6, bei der die Welle (7) in ihrem Inneren ein Drosselorgan (30) und einen über das7. Cooling device (1) according to claim 6, wherein the shaft (7) in its interior a throttle body (30) and one over the
Drosselorgan (30) mit dem ersten inneren Hohlraum (9) Throttle body (30) with the first inner cavity (9)
fluidisch verbundenen zweiten inneren Hohlraum (10) aufweist. having fluidically connected second inner cavity (10).
8. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei der die Welle (7) im Inneren des Rotors (3) einen 8. Cooling device (1) according to any one of claims 6 or 7, wherein the shaft (7) in the interior of the rotor (3) has a
Verdampferbereich (15) aufweist.  Evaporator region (15).
9. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine thermische Kopplungseinrichtung (37) zur Küh- lung einer weiteren Komponente (39) der Energieumwandlungs¬ vorrichtung (2) außerhalb des Rotors (3) durch thermische Kopplung an das im Inneren der Welle (7) transportierte Kühlmittel (13) aufweist. 9. A cooling device (1) according to one of the preceding claims, comprising a thermal coupling means (37) averaging the Küh- a further component (39) of the energy conversion ¬ device (2) outside the rotor (3) by thermal coupling to the inside of the Shaft (7) transported coolant (13).
10. Kühlvorrichtung (1) die eine feststehende Kältemaschine10. Cooling device (1) a fixed chiller
(41) zur Kühlung und/oder Kompression von in den ersten inneren Hohlraum (9) einzuspeisendem Kühlmittel (13) aufweist. (41) for cooling and / or compression of in the first inner cavity (9) to be fed with coolant (13).
11. Energieumwandlungsvorrichtung (2) 11. Energy conversion device (2)
- mit einer elektrischen Maschine (20), umfassend einen um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagerten Rotor (3) , der auf einer drehbaren zentralen Welle (7) angeordnet ist, - comprising an electric machine (20) comprising a rotor (3) rotatably mounted about a rotation axis (5) and arranged on a rotatable central shaft (7),
- mit wenigstens einer ersten Turbine (23) , die auf derselben Welle (7) drehbar angeordnet ist, - With at least one first turbine (23) which is rotatably mounted on the same shaft (7),
- und mit einer Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. - And with a cooling device (1) according to one of the preceding claims.
12. Energieumwandlungsvorrichtung (2) nach Anspruch 11, die eine zweite Turbine (25) umfasst, die auf derselben Welle (7) drehbar angeordnet ist, 12. Energy conversion device (2) according to claim 11, comprising a second turbine (25) which is rotatably mounted on the same shaft (7),
wobei der Rotor (3) zwischen erster Turbine (23) und zweiter Turbine (25) angeordnet ist. wherein the rotor (3) between the first turbine (23) and second turbine (25) is arranged.
13. Verfahren zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung (2) mit einer elektrischen Maschine (20), umfassend einen um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagerten Rotor (3) , der auf einer drehbaren zentralen Welle (7) angeordnet ist, und mit wenigstens einer ersten Turbine (23) , die auf derselben Welle (7) drehbar angeordnet ist, 13. A method for cooling an energy conversion device (2) with an electrical machine (20), comprising a about a rotational axis (5) rotatably mounted rotor (3) which is arranged on a rotatable central shaft (7), and with at least a first Turbine (23) rotatably mounted on the same shaft (7),
das wenigstens den folgenden Schritt umfasst: which comprises at least the following step:
- Transport von Kühlmittel (13) in einen Bereich (11) inner- halb des Rotors (3) durch einen ersten inneren Hohlraum (9) der Welle (7), der sich axial durch die erste Turbine (23) und durch einen zwischen erster Turbine (23) und Rotor (3) angeordneten Zwischenraum (24) erstreckt.  - Transport of coolant (13) in a region (11) within the rotor (3) through a first inner cavity (9) of the shaft (7) extending axially through the first turbine (23) and through a first Turbine (23) and rotor (3) arranged intermediate space (24).
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Kühlmittel (13) als gasförmiges Kühlmittel (13b) in den ersten inneren Hohl¬ raum (9) unter erhöhtem Druck eingespeist wird und anschlie¬ ßend im Inneren des Rotors (3) durch ein Drosselorgan (30) auf einen niedrigeren Druck entspannt wird, wobei sich das Kühlmittel (13) abkühlt. 14. The method of claim 13, wherein the cooling means (13) as a gaseous refrigerant (13b) is fed into the first inner hollow ¬ space (9) under increased pressure and subsequent ¬ ßend (inside the rotor (3) through a throttle member 30) is released to a lower pressure, wherein the coolant (13) cools down.
15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Kühlmittel (13) als flüssiges Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum (9) eingespeist wird und anschließend in einem Verdampferbereich (15) des ersten inneren Hohlraums (9) verdampft. 15. The method of claim 13, wherein the coolant (13) is fed as a liquid coolant in the first inner cavity (9) and then evaporated in an evaporator region (15) of the first inner cavity (9).
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