MXPA02004840A - Maquina sincronica que tiene acoplamiento de transferencia de gas criogenico al rotor con bobinas super conductoras. - Google Patents

Maquina sincronica que tiene acoplamiento de transferencia de gas criogenico al rotor con bobinas super conductoras.

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MXPA02004840A
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Abstract

Se describe un acoplamiento de fluido de enfriamiento para proporcionar fluido de enfriamiento hacia un rotor que tiene un devanado superconductor de una maquina sincrona y una fuente de fluido de enfriamiento criogenico. El acoplamiento de fluido comprende un tubo de enfriamiento de entrada 156 y un tubo de enfriamiento de salida 166 en el rotor y coaxiales con un eje del rotor. El tubo de enfriamiento de entrada tiene un puerto de entrada acoplado para recibir el fluido de enfriamiento de entrada 157 desde la fuente del fluido de enfriamiento criogenico 190. El tubo de enfriamiento de salida tiene un puerto de salida acoplado para devolver el fluido de enfriamiento 164 desde el rotor hacia la fuente. Un sello de espacio de movimiento estacionario 162 separa el puerto de entrada y el puerto de salida del acoplamiento.

Description

MÁQUINA SÍNCRONA QUE TIENE ACOPLAMIENTO DE TRANSFERENCIA DE GAS CRIOGÉNICO. AL ROTOR CON BOBINAS SÚPER CONDUCTORAS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere de manera general a una bobina súper conductora en una máquina giratoria síncrona. Más particularmente, la presente invención se refiere a un acoplamiento de gas criogénico entre una fuente de fluido criogénico y el rotor de la máquina. Las máquinas eléctricas síncronas tienen devanados de bobina de campo que incluyen, aunque no están limitados a generadores giratorios, motores giratorios y motores lineales. Esas máquinas comprenden generalmente un estator y un rotor que están acoplados en forma electromagnética. El rotor puede incluir un núcleo de rotor de polo múltiple, y uno o más devanados de bobina montados sobre el núcleo de rotor. Los núcleos de rotor pueden incluir un material sólido magnéticamente permeable, tal como un rotor de núcleo de hierro. Los devanados de cobre convencionales se utilizan comúnmente en los rotores de máquinas eléctricas síncronas. Sin embargo, la resistencia eléctrica de los devanados de cobre (aunque bajos por medidas convencionales) es suficiente para contribuir al calentamiento sustancial del rotor y para disminuir la eficiencia de potencia de la máquina. Recientemente, ios devanados de bobina súper conductores (SC) se han desarrollado para los rotores. Los devanados SC de manera efectiva no tienen resistencia y son devanados de bobina de rotor altamente ventajosos. Los rotores de núcleo de hierro se saturan en una intensidad de campo magnético de espacio de aire de aproximadamente 2 Tesla. Los rotores súper conductores conocidos emplean diseños de núcleo de aire, sin hierro en el rotor, para lograr campos magnéticos de espacio de aire de 3 Tesla o superiores, los cuales incrementan la densidad de energía de la máquina eléctrica y dan como resultado una reducción importante en el peso y el tamaño. Sin embargo, los rotores súper conductores de núcleo de aire requieren grandes cantidades de cables súper conductor, las cuales agregan al número de bobina requeridas, la complejidad de los soportes de bobina y el costo. Los devanados de campo de bobina SC (HTS) de alta temperatura se forman de materiales súper conductores que son frágiles, y deben ser enfriados a una temperatura en o por debajo de una temperatúra crítica por ejemplo, 27° K, para lograr y mantener la súper conductividad. Los devanados SC pueden formarse de un material súper conductor de alta temperatura, tal como el conductor en base a BSCCO (BixSrxCaxCuxOx). Las bobinas súper conductoras han sido enfriadas a temperaturas criogénicas, mediante helio líquido. Después de pasar a través de los devanados del rotor, el helio caliente es devuelto desde los devanados como helio gaseoso a temperatura ambiente. La utilización del helio líquido para el enfriamiento criogénico requiere una relicuefacción continua del helio gaseoso a temperatura ambiente devuelto. Esta relicuefacción plantea importantes problemas de confiabilidad y requiere de energía auxiliar importante para la cric-refrigeración. Las técnicas de enfriamiento de bobina SC anteriores incluyen enfriamiento de una bobina SC impregnada con epoxi a través de una trayectoria de conducción sólida desde un crioenf riador. Alternativamente, los tubos de enfriador en el rotor pueden transportar un líquido y/o criógeno gaseoso hacia un devanado de bobina SC poroso que está sumergido en el flujo del criógeno líquido y/o gaseoso. El enfriamiento por inmersión requiere que todo el devanado de campo y la estructura de rotor estén a temperatura criogénica, y como un resultado, no puede utilizarse hierro en el circuito magnético del rotor debido a la naturaleza frágil del hierro a temperaturas criogénicas. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento es necesario para conectar la unidad de criorefrigeración estacionaria al rotor y sus bobinas SC. El acoplamiento debe transferir el fluido de enfriamiento de entrada y salida entre una fuente estacionaria y el eje extremo giratorio de un rotor. Los sellos de contacto se utilizan comúnmente en acoplamientos de transferencia para sistemas de enfriamiento criogénicos conectados a rotores y otros componentes giratorios. Los sellos de contacto tienen pérdidas fricciónales incrementadas que degradan la capacidad de criorefrigeración, y limitan la vida útil y la conf labilidad del acoplamiento debido al desgaste del sello. Se han utilizado también sellos de espacio de movimiento relativo en la transferencia del fluido de enfriamiento hacia un rotor. Sin embargo, los sellos de espacio de movimiento relativo tienen altas pérdidas de transferencia térmica. Las longitudes separadoras térmicas extendidas para los espacios de movimiento relativo se han utilizado para reducir las pérdidas de transferencia térmica hacia el gas criogénico y para mejorar la capacidad de criorefrigeración. Sin embargo, esas longitudes separadoras térmicas largas resultan en tubos protuberantes grandes que pueden vibrar de manera excesiva y entrar en contacto de frotamiento con el rotor del generador. En consecuencia, existe desde hace mucho tiempo una necesidad por mejores acoplamientos de gas criogénico con un rotor. Las pérdidas de transferencia térmica con respecto al sistema de enfriamiento de gas criogénico para las bobinas HTS deben reducirse al mínimo preferiblemente para conservar la energía de refrigeración. El acoplamiento entre la fuente de gas criogénico estacionaria y el rotor de la máquina síncrona es una fuente potencial de escape de gas criogénico. Para reducir al mínimo el escape de gas en el acoplamiento, es deseable que el escape entre las corrientes de entrada y de gas de retorno se reduzcan al mínimo, y que el aislamiento térmico adecuado esté provisto entre el gas criogénico y los componentes de temperatura ambiental circundantes. Además, la vida operativa y la alta confiabilidad del acoplamiento de transferencia deben conmesurarse para la vida útil esperada y la confiabilidad de la máquina eléctrica síncrona.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.
Se ha desarrollado un acoplamiento de gas de enfriamiento para conectar un suministro de gas criogénico (o fluido de enfriamiento) al eje de un rotor en una máquina eléctrica síncrona. El gas criogénico de enfriado (u otro fluido) es transferido desde un crioref rigerador estacionario a través de una bayoneta estacionaria hacia un tubo que gira con el rotor que tiene un devanado de bobina HTS. La transferencia del gas de enfriamiento ocurre utilizando un ajuste de transferencia de gas criogénico unida al extremo colector del rotor. Un espacio de movimiento relativo creado con un sello de espacio libre alrededor de un acoplamiento de bayoneta limita el escape del gas enfriador de entrada hacia el gas de retorno a menor presión, y un espacio de movimiento relativo sobre una longitud del tubo de retorno giratorio proporciona aislamiento térmico para el gas criogénico de rétorno. En una primera modalidad, la invención es un acoplamiento de fluido de enfriamiento para proporcionar fluido dé enfriamiento hacia un rotor que tiene un devanado súper conductor de una máquina síncrona y una fuente de fluido de enfriamiento criogénico. El acoplamiento de fluido comprende un tubo de enfriamiento de entrada y un tubo de enfriamiento de salida en el rotor y coaxial con un eje del rotor. El tubo de enfriamiento de entrada tiene un puerto de entrada acoplado para recibir el fluido de enfriamiento de entrada desde la fuente del fluido de enfriamiento criogénico. El tubo de enfriamiento de salida tiene un puerto de salida acoplado para regresar el fluido de enfriamiento desde el rotor hacia la fuente. Un sello de espacio de movimiento giratorio separa el puerto de entrada y el puerto de salida del acoplamiento. En otra modalidad, la invención es un acoplamiento de fluido de enfriamiento entre un rotor para una máquina síncrona y una fuente de fluido de enfriamiento criogénico. El acoplamiento comprende: (i) un tubo de enfriamiento de entrada giratorio y un tubo de enfriamiento de salida giratorio en el rotor y coaxial con un eje del rotor; (ii) el tubo de enfriamiento de entrada está acoplado para recibir el fluido de enfriamiento de entrada desde la fuente del fluido de enfriamiento criogénico; (iii) el tubo de enfriamiento de salida está acoplado para hacer volver el fluido de enfriamiento desde el rotor hacia la fuente, y (iv) un sello de espacio de movimiento giratorio soporta el tubo de enfriamiento de entrada en el tubo de enfriamiento de salida. En una modalidad adicional; la invención es un acoplamiento de fluido de enfriamiento entre un rotor para una máquina síncrona y una fuente de fluido de enfriamiento criogénico. Este acoplamiento comprende: (i) un tubo de enfriamiento de entrada giratoria y un tubo de enfriamiento de salida giratoria en el rotor y coaxial con un eje del rotor; (ii) el tubo de enfriamiento de entrada está acoplado para recibir el fluido de enfriamiento de entrada desde la fuente del fluido de enfriamiento criogénico; (iii) el tubo de enfriamiento de salida está acoplado para devolver el fluido de enfriamiento desde el rotor hacia la fuente; (iv) un sello de espacio de movimiento sin contacto giratorio que soporta el tubo de enfriamiento de entrad en el tubo de enfriamiento de salida; (v) un tercer tubo estacionario que circunda el tubo de enfriamiento de salida y dicho tercer tubo soportado por un cojinete, y (vi) un sello de campo magnético que soporta el tubo de enfriamiento de salida en el tercer tubo estacionario.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos anexos en conjunción con el texto de esta especificación describen una modalidad de la invención. La figura 1 es una vista en elevación lateral esquemática de una máquina eléctrica síncrona que tiene un rotor súber conductor y un estator. La figura 2 es un diagrama esquemático de una bobina SC de pista que tiene pasajes de gas de enfriamiento. La figura 3 es un diagrama esquemático con una vista parcialmente recortada de un rotor que tiene un devanado de bobina SC de pista; Las figuras 4 y 5 son diagramas en sección transversal de un rotor que tiene un devanado de bobina SC de pista y ejes extremos; La figura 6, 7 y 8 muestran diagramas de sección transversal del eje de extremo colector del rotor. La figura 9 es una vista en sección transversal esquemática del ensamble de acoplamiento de transferencia de gas criogénico.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La figura 1 muestra una máquina generadora síncrona ilustrativa 10 que tiene un estator 12 y un rotor 14. El rotor incluye bobinas de devanado de campo que ajustan dentro de la cavidad cilindrica 16 del estator. El rotor ajusta dentro de la cavidad cilindrica al vacío del estator. Conforme el rotor gira dentro del estator, un campo magnético 18 (mostrado mediante líneas punteadas) generado por el rotor y las bobinas del rotor se mueve a través del estator y crea una corriente eléctrica en los devanados de las bobinas del estator 19. Esta corriente es emitida por el generador como energía eléctrica. El rotor 14 tiene un eje que se extiende generalmente de manera longitudinal 20 y un núcleo de rotor generalmente sólido 22. El núcleo sólido 22 tiene una alta permeabilidad magnética, y usualmente está hecho de un material f erromagnético, tal como hierro. En una máquina súper conductora de baja densidad de energía, el núcleo de hierro del rotor es utilizado para reducir la fuerza magnetomotriz ( MF) y, por tanto, reducir al mínimo el uso del devanado de bobina. Por ejemplo, el hierro del rotor puede ser saturado magnéticamente en una intensidad de campo magnético aire-espacio de aproximadamente 2 Tesla. El rotor 14 soporta por lo menos un devanado de bobina súper conductora de alta temperatura (HTS) en forma de pista, que se extiende longitudinalmente 34. El devanado de bobina HTS puede se alternativamente en una forma de asiento o tener alguna otra forma que sea adecuada para un diseño de rotor HTS particular. El sistema de soporte de bobina aquí descrito puede estar adaptado para configuraciones de devanado de bobina y rotor diferentes a una bobina de pista montada sobre un rotor de núcleo sólido. El rotor incluye un par de ejes extremos 24, 30 que soportan el núcleo 22 y están soportados por cojinetes 25. El eje extremo colector incluye anillos colectores 35 para conectar eléctricamente al devanado de bobina SC giratorio. El eje extremo colector tiene un acoplamiento de transferencia de criógeno 26 hacia una fuente de fluido refrigerante criogénico utilizado para enfriar los devanados de bobina SC en el rotor. El acoplamiento de transferencia de criógeno 26 incluye un segmento estacionario acoplado a una fuente de fluido enfriador de criógeno y un segmento giratorio que proporciona el fluido de enfriamiento a la bobina HTS. El eje extremo opuesto 30 de rotor puede ser accionado por una turbina de energía a través del acoplamiento accionador 32. La figura 2 muestra un devanado de bobina de campo de pista HTS ilustrativo 34. Las bobinas de devanado de campo SC del rotor incluyen una bobina súper conductora (SC) de alta temperatura 36.
Cada bobina SC incluye un súper conductor de alta temperatura, tal como los cableados conductores BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) laminados en un compuesto de devanado impregnado con epoxi sólido. Por ejemplo, una serie de cableado BSCCO 2223 pueden ser laminados, unidos y enrollados en una bobina impregnada con epoxi sólida. La bobina SC es típicamente una banda SC enrollada en capas que está impregnada con epoxi. La cinta SC es envuelta en una forma de bobina de precisión para obtener las tolerancias dimensionales estrechas. La cinta está enrollada alrededor de una hélice para formar la bobina SC dé pista 36. Las dimensiones de la bobina de pista dependen de las dimensiones del núcleo de rotor. Generalmente, cada bobina SC de pista encierra- los polos magnéticos del núcleo de rotor, y es paralela al eje de rotor. Los devanados de bobina son continuos alrededor de la pista. Las bobinas SC forman una trayectoria de corriente eléctrica libre de resistencia alrededor del núcleo de rotor y entren los polos magnéticos del núcleo. La bobina tiene contactos eléctricos 37 que conectan eléctricamente la bobina a los anillos colectores 35. Los pasajes de fluido 38 para fluido de enfriamiento criogénico están incluidos en el devanado de bobina 34. Esos pasajes pueden extenderse alrededor de un borde externo de la bobina SC 36. Los pasajes proporcionan fluido de enfriamiento criogénico hacia la bobina y remueven el calor desde la bobina. El fluido enfriador, por ejemplo helio, mantiene las bajas temperaturas, por ejemplo 27° K, en el devanado de bobina SC necesarias para promover las condiciones de súper conducción, incluyendo la ausencia de resistencia eléctrica en la bobina. Los pasajes de enfriamiento tienen un puerto de fluido de entrada 39 y un puerto de fluido de salida 41 en un extremo del núcleo del rotor. Esos puertos conectan los pasajes de enfriamiento 38 en la bobina SC y al acoplamiento de transferencia de criógeno 26 en un extremo opuesto del eje extremo 24. La figura 3 muestra una vista despiezada de un núcleo de rotor 22 y un sistema de soporte de bobina para una bobina súper conductora de alta temperatura. El sistema de soporte incluye barras de tensión 42 conectadas a un alojamiento de bobina 44. Los alojamientos retienen y soportan las porciones laterales 40 del devanado de bobina 34 en el rotor. En tanto que se muestran una barra de tensión y un alojamiento de canal, el sistema de soporte de bobina incluirá generalmente una serie de barras de tensión que tienen cada una alojamientos de soporte de bobina en ambos extremos de la barra. Las barras de tensión y los alojamientos de canal evitan el daño al devanado de bobina durante la operación del rotor, soportan el devanado de bobina con respecto a las fuerzas centrífugas y otras, y proporcionan un escudo protector para el devanado de bobina. El devanado de bobina HTS y los componentes de soporte estructural están a temperatura criogénica. En contraste, el núcleo de rotor está a temperatura "caliente" ambiental. Los soportes de bobina son fuentes potenciales de conducción térmica que permitirían que el calor alcanzara las bobinas HTS desde el núcleo del rotor. El rotor se calienta durante la operación. Ya que las bobinas se mantienen en condiciones súper enfriadas, la conducción térmica dentro de las bobinas se evita. Las barras se extienden a través de los conductos 46 en el rotor aunque no están en contacto con el mismo. Esta falta de contacto reduce la conducción de calor desde el rotor hacia las barras de tensión y las bobinas. Para reducir la transferencia térmica hacia la bobina, el soporte de bobina se reduce al mínimo para reducir la conducción térmica a través del soporte desde las fuentes térmicas tales como el núcleo de rotor. Existen generalmente dos categorías de soporte para el devanado súper conductor: (i) soportes "calientes'' y (ii) soportes "fríos". En un soporte tibio, caliente, las estructuras de soporte están aisladas térmicamente de los devanados SC enfriados. Con los soportes calientes, la mayoría de la carga mecánica de una bobina súper conductora (SC) es soportada por los miembros estructurales que se extienden desde los miembros fríos a los calientes. En un sistema de soporte frío, el sistema de soporte está en o cerca de la temperatura criogénica de las bobinas SC. En los soportes fríos, la mayoría de la carga mecánica de una bobina SC es soportada por los miembros estructurales que están en o cerca de una temperatura criogénica. El sistema de soporte de bobina ilustrativo descrito en la presente es un soporte frío en el que las barras de tensión y los alojamientos asociados que acoplan las barras de tensión a los devanados de bobina SC se mantienen en o cerca de una temperatura criogénica. Debido a que los miembros de soporte son fríos, esos miembros están aislados térmicamente, por ejemplo, mediante los conductos sin contacto a través del núcleo de rotor, de otros componentes "calientes" del rotor. Los tubos aislantes 52 separan las barras de tensión 42 de las paredes conductoras del conducto en el núcleo de rotor. Esos tubos son insertados dentro de los extremos de cada conducto 42. Las barras de tensión se extienden a través del centro del tubo. Los tubos aislantes 52 centran las barras de tensión en los conductos y evitan que el calor desde el núcleo del rotor caliente se transfiera hacia las barras de tensión frías. Un miembro de soporte individual consta de una barra de tensión 42 (la cual puede ser una barra y un par de pernos en cada extremo de la barra), un alojamiento de canal 44 y una clavija 80 que conecta el alojamiento al extremo de la barra de tensión. Cada alojamiento de canal 44 es un soporte en forma de U que tiene patas que conectan a una barra de tensión y un canal para recibir el devanado de bobina 34. El alojamiento de canal en forma de U permite el ensamble precisó y conveniente del sistema de soporte para la bobina. Una serie de alojamientos de canal pueden estar colocados de extremo a extremo a lo largo del lado del devanado de bobina. Los alojamientos de canal distribuyen colectivamente las fuerzas que actúan sobre la bobina, por ejemplo, fuerzas centrífugas, sustancialmente sobre todas las secciones laterales 40 de cada bobina.
La clavija 80 se extiende a través de las aberturas en el alojamiento de canal y la barra de tensión. La clavija puede ser hueca para bajo peso. Las contratuercas están enroscadas o unidas en los extremos de la clavija para asegurar el alojamiento y evitar que los lados del alojamiento se separen bajo carga. La clavija puede estar hecha de aleaciones Inconel de alta resistencia o titanio. Las barras de tensión están hechas con extremos de diámetro mayor 82 que son maquinados con dos planos 86 en sus extremos para ajustar el alojamiento de bobina y el ancho de bobina. Los extremos planos 86 de las barras de tensión empalman la superficie interna de las bobinas HTS, cuando la barra, la bobina y el alojamiento se ensamblan juntos. Este ensamble de soporte reduce la concentración de tensión en el orificio en la barra de tensión que recibe la clavija. El núcleo de rotor 22 está hecho típicamente de material magnético tal como hierro, en tanto que los ejes extremos del rotor están hechos típicamente de material no magnético tal como acero inoxidable. Los ejes extremos 24, 30 pueden formarse de acero inoxidable. El núcleo de rotor y los ejes extremos son componentes comúnmente discretos que son ensamblados y asegurados juntos mediante sujeción con pernos o soldadura. El núcleo de rotor de hierro 22 tiene una forma generalmente cilindrica adecuada para rotación dentro de la cavidad de rotor 16 del estator 12. Para recibir el devanado de bobina 34, el núcleo de rotor tiene superficies rebajadas 48, tal como regiones o ranuras planas o triangulares. Esas superficies 48 están formadas en la superficie curvada del núcleo cilindrico y se extienden longitudinalmente a través del núcleo de rotor. El devanado de bobina 34 está montado sobre el rotor adyacente a las áreas rebajadas 48. Las bobinas se extienden por lo general longitudinalmente a lo- largo de una superficie externa del área rebajada y alrededor de los extremos del núcleo de rotor. Las superficies rebajadas 48 del núcleo de rotor reciben el devanado de bobina. La forma del área rebajada se apega al devanado de bobina. Por ejemplo, si el devanado de bobina tiene una forma de asiento u otra forma, los recesos en el núcleo de rotor estarían configurados para recibir la forma del devanado. Las secciones extremas 54 del devanado de bobina 34 son extremos opuestos adyacentes 56 del núcleo de rotor. Un sujetador dividido 58 sostiene cada una de las secciones extremas de los devanados de bobina en el rotor. El sujetador dividido en cada extremo de bobina 54 incluye un par de placas opuestas 60 entre las cuales se intercala el devanado de bobina 34. la superficie de las placas sujetadoras incluye canales para recibir el devanado de bobina y las conexiones 112, 114 para el devanado. La abrazadera dividida 58 puede formarse de un material no magnético, tal como aluminio o aleaciones Inconel. Los mismos o similares materiales no magnéticos pueden utilizarse para formar las barras de tensión, los alojamientos de canal y otras porciones del sistema de soporte de bobina. El sistema de soporte de bobina es preferiblemente no magnético para conservar la ductilidad a temperaturas criogénicas, ya que los materiales ferromagnéticos se vuelven frágiles a temperaturas por debajo de la temperatura de transición Curie y no pueden ser utilizados como estructuras portadoras de carga. La abrazadera dividida 58 está circundada por, aunque no está en contacto con, un collarín 62 de cada eje extremo. Existe un collarín 62 unido a ambos extremos del núcleo de rotor 22, aunque solamente se muestra un collarín en la figura 3. El collarín es un disco grueso de material no magnético, tal como acero inoxidable, el mismo o un material similar, al que forma los ejes de rotor. El collarín tiene una ranura 64 ortogonal al eje del rotor y suficientemente amplia para recibir y dar espacio libre a la abrazadera dividida 58. Las paredes laterales calientes 66 del collarín están separadas de la abrazadera dividida fría de manera que no entran en contacto entre sí. Las figuras 4 y 5 son diagramas en sección transversal del rotor, en donde la figura 5 muestra en vista en planta el devanado de bobina alrededor del núcleo de rotor, y la figura 4 muestra una vista ortogonal a la figura 5. Las figuras 6, 7 y 8 son diagramas de acercamiento en sección transversal del eje extremo colector 24. En particular, esas figuras muestran un tubo de conducto 76 que se extiende a través del eje extremo colector 24 del rotor. Este conducto 76 proporciona un pasaje para los tubos de enfriamiento y los contactos eléctricos que conectan al devanado SC. El conducto 76 se extiende a través del eje extremo 24 desde el collarín 62 hasta el extremo opuesto del eje en el acoplamiento de enfriamiento 26. Las figuras 6 y 7 muestran el conducto 76 cerca del núcleo de rotor 22 y el eje extremo 24. la figura 8 muestra una vista alargada de los puertos de entrada y salida de enfriador 39, 41 que conectan al devanado de bobina 38. Las conexiones eléctricas 37 desde el devanado de bobina 34 están conectadas a líneas eléctricas que se extienden toda la longitud del eje extremo 24 hacia el anillo colector 35. Las líneas eléctricas se extienden a través del conducto 76 en el eje y están soportadas dentro de un tubo de pared delgada 174. Los puertos de entrada y salida de enfriamiento 39, 41 desde la bobina conectan a los tubos de enfriamiento de entrada y salida 156, 166 que se extienden toda la longitud del eje extremo. El tubo de entrada 156 se extiende hasta un puerto de entrada 39 que es coaxial con el eje de rotor. El puerto de salida de gas de enfriamiento 41 está desfasado del eje de rotor y acopla a través de un alojamiento de transferencia de gas a un tubo de salida anular 166. El tubo de salida 166 es coaxial con el tubo de entrada y externo al tubo de entrada. La figura 9 muestra un acoplamiento de transferencia ilustrativo 26 que tiene componentes de eje giratorios 150 y componentes estacionarios 152 que circundan a los componentes del eje. El acoplamiento de transferencia conecta el eje extremo rotor 24 a una fuente estacionaria de fluido de enfriamiento criogénico utilizado para enfriar los devanados de bobina SC en el rotor. El gas criogénico frío es transferido desde un crioref rigerador estacionario 190 (mostrado de manera esquemática) a través de una bayoneta estacionaria 154 para un tubo de entrada 156 que gira con el eje de rotor 24. Las flechas qué confrontan a la derecha 157 muestran el gas de enfriamiento de entrada que pasa a través del acoplamiento y fluye a lo largo del eje 20 del rotor hacia las bobinas HTS. La bayoneta es coaxial con el eje de rotor 20. El extremo 158 de la bayoneta proporciona un sello sin contacto con el tubo de entrada 156. El extremo opuesto de la bayoneta está conectado a un tubo flexible 160 conectado al criorefrigerador y proporciona una fuente de gas helio de enfriamiento de entrada. Un sello de espacio de movimiento relativo giratorio 162 con un sello de espacio libre alrededor de la bayoneta limita el escape del gas de enfriamiento de entrada hacia el gas de retorno de menor presión. El gas de enfriamiento caliente (mostrado por las flechas que confrontan a la izquierda 164) fluye en un anillo formado entre el tubo de entrada de enfriamiento 156 y un tubo de salida de enfriamiento 166, el cual es coaxial con el tubo de entrada. El gas de enfriamiento caliente pasa a través de los devanados de bobina HTS y remueve el calor desde esos devanados. El gas de enfriamiento caliente sale del tubo de salida giratorio 166 y pasa entre el sello de espacio 162 y un recinto cilindrico estacionario 168 que circunda el sello de espacio. Un disco extremo 169 del recinto tiene un puerto de salida desfasado desde el eje de rotor que conecta hacia el tubo flexible de retorno 170 para transferir e gas criogénico caliente desde el rotor hacia el criorefrigerador 190. El gas de enfriamiento caliente entra a un tubo flexible 170 que está conectado al criorefrigerador. El tubo flexible está desfasado del eje 20 del rotor. Todos los tubos de transferencia de gas criogénico 156, 166 tienen camisa exterior de vacío 172 para reducir al mínimo la transferencia de calor hacia el gas. La corriente de gas de retorno 164 está asilada térmicamente de la temperatura ambiente mediante una longitud de tubo de pared delgada 174 con un espacio de movimiento relativo pequeño (entre el tubo de pared delgada 174 y el tubo con camisa exterior de vacío giratorio 166) para reducir al mínimo la transferencia de calor por convexión. El aislamiento térmico adicional está provisto mediante un vacío aplicado al espacio entre el tubo de pared delgada 174 y el alojamiento cilindrico 186. Un sello de fluido magnético 176 en el extremo del eje 174 proporciona un sellado positivo sin contacto del sistema de gas presurizado. El flujo de aire 177 está provisto desde una fuente externa para servir como un separador que separa el aceite de los cojinetes 178 del fluido magnético del selló magnético, de manera que el aceite del cojinete no puede hacer contacto con el fluido magnético. El acoplamiento de transferencia de gas criogénico 26 está soportado sobre el eje de rotor mediante cojinetes de precisión 178 que limitan la vibración del tubo protuberante y se desplazan hacia fuera a fin de evitar el rozamiento de los sellos y en los espacios de movimiento relativo. Las boquillas de chorro de aceite 180 proporcionan lubricante para los cojinetes. Un orificio de purga de aceite 182 permite la remoción del aceite de cojinete viejo o en exceso. Los sellos de laberinto 184 evitan el derrame del aceite desde los cojinetes. Un alojamiento cilindrico 186 circunda el extremo de bayoneta del acoplamiento de transferencia de enfriamiento 26 y los tubos flexibles 160, 170. El alojamiento está unido a fuelles cilindricos flexibles 188 conectados al criorefrigerador 190. Se mantiene un vacío dentro del alojamiento 186 a fin de proporcionar aislamiento térmico entre la temperatura ambiental y los tubos flexibles y el acoplamiento de transferencia de gas. El sello de fluido magnético 176 está encerrado en un alojamiento cilindrico 196 y es sellado con anillos-0 198 con respecto a los componentes no giratorios del acoplamiento 26 'para evitar el escape del gas de retorno. Los tubos giratorios 156, 166 están aislados térmicamente unos ele otros mediante una camisa exterior de vacío 172. El tubo de entrada de gas enfriador 156 se mantiene separado de la salida de gas mediante un sello de espacio de movimiento estacionario 162 (así como las paredes dobles del tubo de gas de entrada 156 que tienen camisa exterior de vacío). De manera similar, el tubo giratorio externo de pared doble (tubo de salida de enfriador 166) tiene camisa exterior de vacío 172 y está alojado además en un tubo estacionario de pared delgada 174. Esos tubos de entrada y salida 156, 166 se extienden desde el acoplamiento hacia los puertos de entrada y salida 39, 41 del devanado de bobina HTS. A fin de proporcionar el sellado del flujo de gas entre los componentes giratorios y estacionarios del acoplamiento 26, los sellos de espacio libre sin contacto y los sellos de fluido magnético se utilizan en conjunción con cojinetes de precisión y tubos protuberantes cortos con espacios de movimiento relativo estrechos. Estas características del acoplamiento de transferencia de gas 26 evitan el calentamiento por fricción. Dicho calentamiento por fricción ocurre en los sistemas de sellado de contacto debido al roce o vibración. Otras ventajas de un sistema de sellado sin contacto son la larga vida útil del acoplamiento, la alta confiabilidad de los sellos de gas, y las bajas pérdidas térmicas en el acoplamiento de gas. En la operación, el tubo de bayoneta 154 del acoplamiento de transferencia 26 está acoplado a una fuente de fluido de enfriamiento creogeno por medio del tubo flexible 160. De manera similar, el tubo de salida 166 y el recinto para el sello de gas 168 están acoplados al tubo flexible de salida 170. El alojamiento de sello criogénico 186 está conectado al alojamiento cilindrico del acoplamiento de transferencia 26. Los vacíos se establecen en el alojamiento 186 y en las camisas exteriores de vacío 172 de los tubos giratorios. El gas de enfriamiento es usualmente un gas inerte, tai como helio, neón o hidrógeno. Las temperaturas que son adecuadas para los súper conductores HTS están generalmente por debajo de 30° K y de preferencia alrededor de 27° . El fluido de criógeno sale del criorefrigerador a una temperatura de aproximadamente 27° K. El fluido enfriador (flecha 157) fluye desde el tubo flexible de entrada 160 a través del tubo de bayoneta 154 y el tubo de entrada 156 hacia el rotor y los devanados de bobina HTS 34. El fluido criogénico enfriado pasa a través de los conductos en el rotor y dentro de los pasajes de enfriamiento 38 de la bobina HTS 36. El gas de enfriamiento remueve el calor desde la bobina HTS y mantiene la bobina a una temperatura suficientemente baja para lograr las características súper conductoras de la bobina. Los conductos de enfriamiento tienen puertos de entrada y salida 39, 41 en un extremo del núcleo del rotor que conécta al acoplamiento de fluido enfriador 26. Las pérdidas de transferencia térmica hacia el gas criogénico se reducen al mínimo para conservar la potencia de refrigeración y mantener las bajas temperaturas de operación necesarias para la bobina SC. Las pérdidas de calor se reducen al mínimo al reducir al mínimo el derrame de fluido enfriador y al reducir al mínimo la transferencia térmica hacia el fluido enfriador criogénico. Un sello de espacio de movimiento relativo 162 se crea con un sello de espacio libre alrededor del tubo de bayoneta 154 que limite el derrame del gas criogénico de entrada (flecha 157) hacia la menor presión del gas de retorno de salida (flecha 164). El derrame de fluido enfriador tiene el efecto de transferir energía térmica indeseable dentro del sistema enfriador. Por tanto, el escape de fluido enfriador se reduce para incrementar el aislamiento térmico y la eficiencia de enfriamiento total del sistema de enfriamiento criogénico 26. Además del escapé de fluido enfriador, una segunda fuente de ineficiencia térmica es la conducción de calor desde los componentes circundantes en el rotor. El aislamiento térmico adecuado está provisto entre el gas de enfriamiento criogénico y los componentes de temperatura ambiental circundantes para reducir al mínimo la transferencia térmica hacia el gas criogénico. Por ejemplo, los tubos de transferencia de gas criogénico 156, 166 tienen camisas de vacío 172 para asegurar un alto aislamiento térmico. Además, la corriente de gas de retorno (flechas 164) está aislado térmicamente de la temperatura ambiental por tubos de pared delgada 174 y el tubo con camisa exterior de vacío 166 con un espacio de movimiento relativo pequeño (entre el tubo estacionario 174 y el tubo con camisa exterior de vacío giratorio 166) para reducir al mínimo la transferencia de calor por convección. Estas longitudes separadoras térmicas, por ejemplo, los espacios con camisa exterior de vacío entere los tubos, de espacios de movimiento relativo reducen la transferencia de calor hacia el fluido criogénico y mejoran la capacidad del criorefrigerador (reduciendo las pérdidas térmicas). Las longitudes separadoras térmicas grandes pueden resultar en tuberías protuberantes grandes que vibran de manera excesiva y pueden entrar en contacto por rozamiento. El sistema de soporte del acoplamiento de transferencia de gas criogénico 26 está diseñado para reducir los problemas asociados con la vibración del tubo. El acoplamiento 26 está soportado sobre el eje de rotor mediante cojinetes de precisión 178 que limitan la vibración del tubo protuberante y el desplazamiento. En tanto que se ha descrito la invención en relación con la que se considera actualmente que es la modalidad más práctica y preferida, se comprende que la invención no está limitada a la modalidad descrita, sino por el contrario, está destinada a cubrir todas las modalidades dentro del espíritu de las reivindicaciones anexas.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES 1. Un acoplamiento de fluido enfriador 26 entre un rotor 14 para una máquina síncrona 10 y una fuente de fluido enfriador criogénico 190 que comprende: un tubo de enfriamiento de entrada giratorio 156 y un tubo de enfriamiento de salida giratorio 166 en el rotor y coaxiales con un eje 20 del rotor; el tubo de enfriamiento de entrada, 156 que tiene un puerto de entrada acoplado para recibir el fluido enfriador de entrada desde la fuente del fluido de enfriamiento criogénico 190; el tubo de enfriamiento de salida que tiene un puerto de salida acoplado para devolver el fluido enfriador desde el rotor hacia la fuente, y un sello de espacio de movimiento estacionario 162 que separa el puerto de entrada y el puerto de salida. 2. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además un sello de fluido magnético 176. 3. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además una camisa exterior de vacío 172 entre el tubo de enfriamiento de entrada y el tubo de enfriamiento de salida. 4. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además un tubo de bayoneta 154 que se extiende dentro del tubo de enfriamiento de entrada y el tubo de bayoneta conectado a la fuente del fluido de enfriamiento criogénico 190. 5. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 1, en donde el fluido de enfriamiento criogénico es gas helio. 6. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además un tubo flexible 170 desfasado desde un eje del rotor acoplado al tubo d enfriamiento de salida y un segundo tubo flexible 160 adyacente al primer tubo y conectado al tubo de enfriamiento de entrada, en donde el segundo tubo flexible es coaxial con el eje de rotor. 7. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además una camisa exterior de vacío 172 entre el tubo de enfriamiento de entrada y el tubo de enfriamiento de salida. 8. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además un tubo estacionario 152 que circunda y es coaxial con el tubo de enfriamiento de salida. 9. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 8, que comprende además la camisa exterior de vacío 172 entre el tubo de enfriamiento de salida y el tubo estacionario. 10. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 8, que comprende además un cojinete 178 que soporta el tubo estacionario. 11. Un acoplamiento dé fluido de enfriamiento dé conformidad con la reivindicación 8, que comprende además un cojinete que soporta el tubo estacionario 152; un sello de campo magnético 176 que soporta el tubo de enfriamiento de salida en el tubo estacionario y un sello de espacio de movimiento giratorio que soporta el tubo d enfriamiento de entrada en el tubo de enfriamiento de salida. 12. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento 26 entre un rotor 14 para una máquina síncrona 10 y una fuente de fluido de enfriamiento criogénico 190 que comprende: un tubo de enfriamiento de entrada giratorio 156 y un tubo de enfriamiento de salida giratorio 166 en el rotor y coaxial con un eje del rotor; el tubo de enfriamiento de entrada acoplado para recibir el fluido de enfriamiento de entrada a partir de la fuente de fluido de enfriamiento criogénico; el tubo de enfriamiento de salida acoplado para devolver el fluido de enfriamiento desde el rotor hacia la fuente, y un sello de espacio de movimiento giratorio que soporta el tubo de enfriamiento de entrada en el tubo de enfriamiento de salida. 13. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento 26 entre un rotor 14 para una máquina síncrona 10 y una fuente de fluido de enfriamiento criogénico 190 que comprende: un tubo de enfriamiento de entrada giratorio 156 y un tubo de enfriamiento de salida giratorio 166 en el rotor y coaxial con un eje del rotor; el tubo de enfriamiento de entrada acoplado para recibir el fluido de enfriamiento de entrada a partir de la fuente de fluido de enfriamiento criogénico; el tubo dé enfriamiento de salida acoplado para devolver el fluido de enfriamiento desde el rotor hacia la fuente; un sello de espacio de movimiento sin contacto giratorio que soporta el tubo de enfriamiento de entrada en el tubo de enfriamiento de salida; un tercer tubo que circunda el tubo de enfriamiento de salida y el tercer tubo soportado por un cojinete 178, y un sello de campo magnético que soporta el tubo de enfriamiento de salida en él tubo estacionario. 14- Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 13, que comprende además una camisa exterior de vacío entre el tubo de enfriamiento de entrada y el tubo de enfriamiento de salida. 15. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 13, que comprende además un tubo de bayoneta que se extiende dentró del tubo de enfriamiento de entrada, y el tubo de bayoneta conectado a la fuente de fluido de enfriamiento criogénico. 16. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el fluido de enfriamiento criogénico es gas helio. 17. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 13, que comprende además un tubo flexible desfasado desde un eje del rotor acoplado al tubo de enfriamiento de salida y un segundo tubo flexible adyacente al primer tubo y conectado al tubo de enfriamiento de entrada, en donde el segundo tubo flexible es coaxial con el eje de rotor. 18. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 13, que comprende una camisa exterior de vacío entre el tercer tubo y el tubo de enfriamiento de salida. 19. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el tercer tubo es estacionario. 20. Un acoplamiento de fluido de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 13, que comprende además una camisa exterior de vacío entre el tubo de enfriamiento de entrada y el tubo de enfriamiento de salida.
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