NO122600B

NO122600B -

Info

Publication number: NO122600B
Application number: NO9969A
Authority: NO
Inventors: K Lehoczky
Original assignee: K Lehoczky
Priority date: 1969-01-10
Filing date: 1969-01-10
Publication date: 1971-07-19
Also published as: DE1959113A1

Description

Kjølesystem for fordampningskjølte roterende maskiner Cooling system for evaporatively cooled rotating machines

og maskindeler. and machine parts.

Oppfinnelsen vedrører fordampningskjølte maskiner og maskindeler, hvor varmetransporten er basert på fordampning av et kjølemiddel i den roterende maskindels kjølekanaler, og hvor det fordampede kjøle-middel kondenseres i en eller flere kjølere, som har en del som er festet på og roterer sammen med den roterende maskindel. Slike anordning- The invention relates to evaporatively cooled machines and machine parts, where the heat transport is based on the evaporation of a coolant in the cooling channels of the rotating machine part, and where the evaporated coolant is condensed in one or more coolers, which have a part that is attached to and rotates together with the rotating machine part. Such device-

er har ofte en fullstendig lukket primærkrets, og et kjølemiddel i den sekundære krets bestryker overflaten av kjølerens roterende del. are often have a completely closed primary circuit, and a coolant in the secondary circuit coats the surface of the cooler's rotating part.

Fprdampningskjølingen har den fordel fremfor konvensjonell luft>- Evaporative cooling has the advantage over conventional air>-

og vannkjøling at kjølemiddelets fordampningsvarme er betydelig høyere enn den spesifikke varme. På denne måte kan man oppnå betydelige be-sparelser som følge av redusert kjølemiddelsirkulasjon. Ved et roterende kjølesystem er det en meget stor fordel hvis det kan gjøres auto-nomt og vedlikeholdsfritt. Dette kan oppnåes hvis systemet er herme- and water cooling that the coolant's heat of vaporization is significantly higher than the specific heat. In this way, significant savings can be achieved as a result of reduced refrigerant circulation. With a rotating cooling system, it is a very big advantage if it can be done automatically and maintenance-free. This can be achieved if the system is simulated

tisk lukket. En hermetisk lukking av systemet forutsetter at det ikke anvendes bevegelige koblinger og tetninger. Slike systemer er i Sørjste rekke utviklet for roterende elektriske maskiner. tisk closed. A hermetic closure of the system requires that no movable couplings and seals are used. Such systems are primarily developed for rotating electrical machines.

Det er kjent flere slike løsninger, f. eks. i henhold til britisk patent 880 262, US patent 2 330 121, tyske patenter 621 075 og 619 520, sveitsisk patent 450 536. Several such solutions are known, e.g. under British Patent 880,262, US Patent 2,330,121, German Patents 621,075 and 619,520, Swiss Patent 450,536.

Samtlige forannevnte løsninger er basert på at kjøleren er plassert innenfor maskinens lågere. Derved ble en del av konstruktø-rene tvunget til å bruke luft i sekundærkretsen (US patent 2 330121 og tysk pat. 621 075 og 619 520). Luften er tilsynelatende et lett håndter-bart kjølemiddel. Den står til disposisjon i ubegrensede mengder. Sekundærkretsens tetningsproblemer er helt minimale. Tetningene kan All of the aforementioned solutions are based on the cooler being placed inside the lower part of the machine. Thereby, some of the designers were forced to use air in the secondary circuit (US patent 2 330121 and German pat. 621 075 and 619 520). Air is apparently an easy-to-handle refrigerant. It is available in unlimited quantities. The secondary circuit's sealing problems are absolutely minimal. The seals can

til og med sløyfes. På den annen side har luften en lav spesifikk varme, og man trenger derfor stor luftsirkulasjon, meget store kjøleflater, osv. Dette eir en stor ulempe, både hva angår kjølerens plassbehov, som forutsetter øket lageravstand og derved redusert kritisk turtall, og hva angår kjølerens fasthetsmessige dimensjonering. even looped. On the other hand, the air has a low specific heat, and you therefore need large air circulation, very large cooling surfaces, etc. This is a major disadvantage, both in terms of the cooler's space requirements, which require increased bearing distance and thereby reduced critical speed, and in terms of the cooler's strength-wise dimensioning.

Ved å anbringe en kjøler basert på væskekjøling innenfor maskinens lågere, blir man stilt overfor andre problemer (Britisk pat. By placing a cooler based on liquid cooling within the machine's bearings, one is faced with other problems (British Pat.

880 262, sveitsisk pat. 450 536). Har man rikelig plass i akselens indre, går det selvfølgelig an å anbringe en kjøler der, men man er nødt til å gi avkall på lett overvåking og tilgjengelighet av kjøleren, og man bør regne med betydelige problemer når det gjelder systemets termiske og mekaniske balansering. 880 262, Swiss pat. 450 536). If you have plenty of space inside the axle, it is of course possible to place a cooler there, but you have to forgo easy monitoring and accessibility of the cooler, and you should expect significant problems when it comes to the system's thermal and mechanical balancing.

Ved hurtigløpende maskiner har man meget dårlig plass i akselen, og kjølerens aksiale dimensjoner øker utover det som er forsvarlig. With fast-running machines, there is very little space in the shaft, and the cooler's axial dimensions increase beyond what is safe.

Hvis man plasserer den væskefylte kjøler innenfor maskinens lågere og utenpå akselen, ville man bli tvunget til å bruke minst 2 mekaniske berøringstetninger på sekundærsiden som ville få meget stor diameter, vekt, sentrifugalkraft og slitasje som følge av den høye omfangshastighet. På dette sted kan akseldimensjonene ikke reduseres med hensyn til det kritiske omdreiningstall. If one placed the liquid-filled cooler inside the engine lowers and outside the shaft, one would be forced to use at least 2 mechanical contact seals on the secondary side which would have a very large diameter, weight, centrifugal force and wear due to the high scope speed. At this point, the shaft dimensions cannot be reduced with regard to the critical speed.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å frembringe løsninger som er fri for de forannevnte ulemper og begrensninger. The present invention aims to produce solutions that are free from the aforementioned disadvantages and limitations.

I henhold til denne oppfinnelse er kjølesystemet for fordamp-ningskjølte roterende maskiner og maskindeler, hvor varmetransporten er basert på fordampning av et kjølemiddel i den roterende maskindels kjølekanaler og hvor det fordampede kjølemiddel kondenseres i en eller flere kjølere, som har en del som er festet på og roterer sammen med den roterende maskindel, fortrinnsvis dens aksel, og hvor kjølekanalene sammen med kjølerens roterende del danner en primærkrets som er fullstendig lukket og forseglet, og hvor et kjølemiddel i deri sekundære krets bestryker overflaten av kjølerens roterende del, kjennetegnet ved at kjøleren er plassert utenfor maskinens lager, slik at sammen-koblingen mellom kjølekanaler og kjøleren skjer ved hjelp av kanaler som er lagt i akselen , og at tilkoblingene til kjøleren er i forskjellig avstand fra rotasjonsaksen, slik at kjølemiddeldampen til-føres nærmest rotasjonsaksen, mens det kondenserte kjølemiddel forlater kjøleren i en større avstand fra rotasjonsaksen. According to this invention, the cooling system is for evaporatively cooled rotating machines and machine parts, where the heat transport is based on the evaporation of a coolant in the cooling channels of the rotating machine part and where the evaporated coolant is condensed in one or more coolers, which have a part that is fixed on and rotates together with the rotating machine part, preferably its shaft, and where the cooling channels together with the rotating part of the cooler form a primary circuit which is completely closed and sealed, and where a coolant in the secondary circuit coats the surface of the rotating part of the cooler, characterized in that the cooler is placed outside the machine's bearing, so that the connection between the cooling channels and the cooler takes place by means of channels laid in the shaft, and that the connections to the cooler are at different distances from the axis of rotation, so that the refrigerant vapor is supplied closest to the axis of rotation, while the condensed refrigerant leaves the cooler at a greater distance from rotation the axis.

Oppfinnelsens øvrige karaktertrekk vil fremgå av den etterfølg-ende beskrivelse av de på tegningene viste utførelseseksempler. The other features of the invention will be apparent from the subsequent description of the examples of execution shown in the drawings.

KJølemiddelets bevegelse innenfor primærkretsen kan sikres ved hjelp av termosifongvirkning som kan forsterkes betydelig under påvirkning av sentrifugal- og corioliskrefter. Selve termosifongvirknin<p>;en er meget fremtredende på grunn av den store forskjell mellom kjølemid*» delets spesifikke vekt før og etter fordampning. The movement of the refrigerant within the primary circuit can be ensured by means of the thermosiphon effect, which can be significantly enhanced under the influence of centrifugal and Coriolis forces. The thermosiphon effect itself is very prominent due to the large difference between the refrigerant*» part's specific weight before and after evaporation.

Et oversiktsbilde av kjølesystemet er vist på fig. 1. Maskinens aksel 7 er understøttet av to lagringer 24. Rotoren 23 inneholder kjø-lekanalene 25, hvor fordampningen av kjølemiddelet foregår. Det fordampede kjølemiddel ledes gjennom akselens boring til kjølerens roterende del 2, som er festet på og roterer sammen med akselenden, og hvor kondensasjonen finner sted. Kondensatet skal deretter passere aksel-boringen for å komme tilbake til kjølekanalene 25, hvorved kjølemidde-let har fullført en sirkulasjonsrunde i primærkretsen. I sekundærkretsen 5 vil det fortrinnsvis benyttes alminnelig vann. Vannet vil da sirkulere i mellomrommet mellom kjølerens 1 roterende del og kjølerens stasjonære deler. An overview of the cooling system is shown in fig. 1. The machine's shaft 7 is supported by two bearings 24. The rotor 23 contains the cooling ducts 25, where the evaporation of the coolant takes place. The vaporized refrigerant is led through the bore of the shaft to the rotating part 2 of the cooler, which is attached to and rotates with the shaft end, and where condensation takes place. The condensate must then pass the shaft bore to return to the cooling channels 25, whereby the refrigerant has completed a circulation round in the primary circuit. In the secondary circuit 5, ordinary water will preferably be used. The water will then circulate in the space between the cooler's 1 rotating part and the cooler's stationary parts.

Detaljbilde av en kjøler på akselenden er vist i fig. 4. Kjøle-middelledningene er tenkt utført som konsentriske rør 8 og 9, som er plassert i den hule akselen 7. Kjølerens roterende del består av to yttervegger 10 og 11 og en skillevegg 12. Den roterende del er festet til akselen ved hjelp av bolter 13. Styrekanten 14 mellom akselen og den roterende del samt den ubevegelige pakning 15 ivaretar delenes konsentriske føring og primærkretsens tetthet. A detailed view of a cooler on the shaft end is shown in fig. 4. The coolant lines are designed as concentric tubes 8 and 9, which are placed in the hollow shaft 7. The rotating part of the cooler consists of two outer walls 10 and 11 and a partition wall 12. The rotating part is attached to the shaft by means of bolts 13. The guide edge 14 between the shaft and the rotating part as well as the immovable gasket 15 ensures the concentric guidance of the parts and the tightness of the primary circuit.

En stasjonær del 21, eksempelvis lagerhus, bærer kjølerens ubevegelige hus 16 ved hjelp av boltene 22 og mellomstykke 20. For å av-grense sekundærkretsen mot omgivelsen trenges det en tetning 6 mellom den ubevegelige del av kjøleren 1 og den roterende del av kjøleren og/ eller den roterende maskindel (23). Tetningen 6 er tegnet som en be-røringstetning, som ved hjelp av fjær 19 er klemt mot den roterende del. Tilkobling og avledning av kjølemiddelet 5 i sekundærkretsen skjer via rørtilkoblingene 17 og 18. Sirkulasjonsretningen i primærkretsen er antydet ved hjelp av pil 2. A stationary part 21, for example a bearing housing, supports the stationary housing 16 of the cooler by means of the bolts 22 and intermediate piece 20. To delimit the secondary circuit from the surroundings, a seal 6 is needed between the stationary part of the cooler 1 and the rotating part of the cooler and/ or the rotating machine part (23). The seal 6 is designed as a contact seal, which is clamped against the rotating part by means of spring 19. Connection and diversion of the refrigerant 5 in the secondary circuit takes place via pipe connections 17 and 18. The direction of circulation in the primary circuit is indicated by arrow 2.

Por å øke varmeovergangen mellom primær- og sekundærkrets kan primærkretsens kjølemiddel ledes i spiralformede og/eller aksialt frem-og tilbakesvingende kanaler i kjølerens 1 roterende del. På denne måte øker strømningshastigheten og kjøleflaten. In order to increase the heat transfer between the primary and secondary circuit, the primary circuit's coolant can be led in spiral and/or axially reciprocating channels in the cooler's 1 rotating part. In this way, the flow rate and the cooling surface increase.

Øking av varmeovergangstallet kan dessuten skje ved at kjølerens 1 ubevegelige del er forsynt med riller og/eller ribber og/eller tapper som øker relativhastigheten og varmeovergangstallet mellom kjølerens 1 roterende del 10,"11, og sekundærkretsens kjølemiddel. Her bør man i første rekke tenke på utnyttelsen av forskjellen i omfangshastighet. An increase in the heat transfer coefficient can also be achieved by the immovable part of the cooler 1 being provided with grooves and/or ribs and/or pins which increase the relative speed and the heat transfer coefficient between the rotating part 10,11 of the cooler 1 and the coolant of the secondary circuit. Here one should primarily think on the utilization of the difference in scope speed.

Man må forsøke å bremse kjølemiddelets rotasjon i forhold til kjølerens stående deler. One must try to slow down the coolant's rotation in relation to the cooler's standing parts.

Når det gjelder et slikt kjølesystems funksjonering bør man være oppmerksom på en del spesielle forhold. When it comes to the functioning of such a cooling system, one should be aware of a number of special conditions.

Ved en stillestående maskin vil kjølemiddelet, som er i væskeform, samle seg i kanalsysternets laveste punkter, det vil si en del vil samle seg i de lavest liggende kjølekanaler 25 og en del i kjølerens roterende deler. En slik ujevn fordeling langs omfanget representerer en betydelig ubalanse, Fig. 2 og 3 viser andre detaljer av oppfinnelses-gjenstanden, hvor kjølekanalene 25 i den roterende maskindel 23 er sammenkoblet ved hjelp av et eller flere forbindelsesrør 3 og eventuelt strømningsmotstand 4, slik at den del av kjølemiddelet som er 1 væskeform kan flyte over fra den ene kjølekanal til en annen, og derved utligne den nivåforskjell som kunne være opphav til en ubalanse, mens strømningsmotstanden 4 kan forhindre væskesvingnlngene mellom de enkelte kjølekanaler. Disse forbindelser 3, som kan inneholde de nevnte strøm-ningsmotstander 4, må plasseres på en større radius enn det som danner grensen mellom det væske- og dampfylte volum. Fig. 2 og 3 viser samtidig hvordan væsken og dampen fordeles mellom den egentlige kjølekanal 25 og returledning 26. Reguleringsmotstanden 27 tjener til innstilling av kjølemiddeltilførselen. For å få frem en raskest mulig utligning av ujevn væskefordeling langs omfanget, er de^forutsatt forbindelser 3 med strømnlngsmotstander 4 på begge aksiale ender av kjølekanalene 25, det vil si på begge sider av regulerlngsmotstand 27. De øvrige betegnel-ser er de samme som ble benyttet før. With a stationary machine, the coolant, which is in liquid form, will collect in the channel system's lowest points, that is to say, a part will collect in the lowest lying cooling channels 25 and a part in the cooler's rotating parts. Such an uneven distribution along the scope represents a significant imbalance, Fig. 2 and 3 show other details of the subject of the invention, where the cooling channels 25 in the rotating machine part 23 are interconnected by means of one or more connecting pipes 3 and possibly flow resistance 4, so that the part of the coolant which is 1 liquid form can flow over from one cooling channel to another, thereby compensating for the difference in level that could be the cause of an imbalance, while the flow resistance 4 can prevent fluid fluctuations between the individual cooling channels. These connections 3, which may contain the aforementioned flow resistors 4, must be placed at a larger radius than that which forms the boundary between the liquid- and steam-filled volume. Fig. 2 and 3 show at the same time how the liquid and steam are distributed between the actual cooling channel 25 and return line 26. The regulating resistor 27 serves to set the coolant supply. In order to achieve the fastest possible equalization of uneven liquid distribution along the scope, connections 3 with current resistors 4 are provided on both axial ends of the cooling channels 25, that is, on both sides of regulating resistor 27. The other designations are the same as was used before.

Systemet i henhold til denne oppfinnelse har mange fordeler både ved store og små maskiner. Den omstendighet at primærkretsen er fullstendig forseglet, ikke inneholder noen pumper, tetninger eller andre elementer som kunne forårsake en slitasje, muliggjør at både kjø-lemiddelet og dets arbeidstrykk innstilles én gang for alle. Som kjøle-middel kan benyttes: vann, kullsyre, freon eller lignende. Trykket innstilles slik at det gir et passende kokepunkt og samtidig gir en tilstrekkelig stor temperaturforskjell mellom primær- og sekundærkretsen, slik at den roterende kjølers (1) dimensjoner kan begrenses. The system according to this invention has many advantages for both large and small machines. The fact that the primary circuit is completely sealed, does not contain any pumps, seals or other elements that could cause a wear, enables both the refrigerant and its working pressure to be set once and for all. The following can be used as a coolant: water, carbonic acid, freon or the like. The pressure is set so that it gives a suitable boiling point and at the same time gives a sufficiently large temperature difference between the primary and secondary circuit, so that the dimensions of the rotary cooler (1) can be limited.

Dimensjonene for den roterende kjøler er meget mindre enn en vanlig kjølers, hovedsakelig på grunn av at kjølerens vegger beveger seg i forhold til hverandre med meget stor periferihastighet. I til-legg til dette har man forholdsvis meget gode varmeovergangstallverdier i forbindelse med kondensasjon. Eksempelvis vil den roterende kjøler på akselenden danne en trommel på ca. 200 mm diameter og 100 mm aksial lengde ved en synkronmaskin på 1000 kW, 1000 omdr./min., og rotortap på 20 kV/, hvis det benyttes vann både i primær- og i sekundærkretsen. En roterende kjøler for en synkrongenerator på 190 MVA ved 375 o/min. og rotortap på 470 kW, vil danne en trommel på 500 mm diameter og 500 mm aksial lengde. The dimensions of the rotary cooler are much smaller than those of a conventional cooler, mainly because the walls of the cooler move relative to each other at a very high peripheral speed. In addition to this, one has relatively very good heat transfer coefficient values in connection with condensation. For example, the rotating cooler on the shaft end will form a drum of approx. 200 mm diameter and 100 mm axial length for a synchronous machine of 1000 kW, 1000 rpm, and rotor loss of 20 kV/, if water is used in both the primary and secondary circuits. A rotary cooler for a synchronous generator of 190 MVA at 375 rpm. and rotor loss of 470 kW, will form a drum of 500 mm diameter and 500 mm axial length.

Ved dimensjonering av kjøleren skal man ofre en viss oppmerk-somhet på kjølerens radiale mål. Hvis dette blir for stort, vil sen-trifugalkraften 3om virker på den kondenserte kjølevæske, som befinner seg i kjøleren, bli så stor, at det under samtidig påvirkning av roto-rens (23) pumpevirkning vil dannes et så lavt trykk i ledningene 8, 9, som går i akselen, at væskeforbindelsen mellom kjøler (1) og rotor (23) brytes. Dette er en lignende effekt som den man får under vanlige atmosfæriske forhold, hvor den teoretiske sugehøyde for en pumpe er begrenset til 10 meter. Den maksimale radiale dimensjon på den roterende kjøler er en funksjon av omdreiningstall, kjølevæskens spesifikke vekt samt det absolutte trykk som hersker i systemet. When dimensioning the cooler, a certain amount of attention must be paid to the cooler's radial dimensions. If this becomes too great, the centrifugal force 3om acting on the condensed cooling liquid, which is in the cooler, will become so great that, under the simultaneous influence of the rotor (23) pumping action, such a low pressure will be formed in the lines 8, 9, which runs in the shaft, that the liquid connection between cooler (1) and rotor (23) is broken. This is a similar effect to that obtained under normal atmospheric conditions, where the theoretical suction head for a pump is limited to 10 metres. The maximum radial dimension of the rotary cooler is a function of the number of revolutions, the specific weight of the coolant and the absolute pressure prevailing in the system.

Den forannevnte effekt understreker betydningen av at kjøle-middeldampen tilføres kjøleren nærmest rotasjonsaksen, mens det kondenserte kjølemiddel forlater kjøleren i en større avstand fra rotasjonsaksen. En ombytting av de to tilkoblinger ville for det første fremtvinge en reduksjon av kjølerens radiale mål og en uønsket øking av lengdemålet, og for det annet ville det virke forstyrrende på den naturlige strømningsretning gjennom kjøler, som tilsier at væsken som er tyngre enn dampen, skal gå fra en mindre til en større radius. The aforementioned effect emphasizes the importance of the refrigerant vapor being supplied to the cooler closest to the axis of rotation, while the condensed refrigerant leaves the cooler at a greater distance from the axis of rotation. An exchange of the two connections would, firstly, force a reduction of the cooler's radial dimension and an unwanted increase in the longitudinal dimension, and secondly, it would interfere with the natural direction of flow through the cooler, which dictates that the liquid, which is heavier than the steam, must go from a smaller to a larger radius.

Claims

1. Cooling system for evaporatively cooled rotating machines and machine parts, where heat transport is based on evaporation of a coolant in the rotating machine part (23) cooling channels (25), and where the evaporated coolant is condensed in one or more coolers (1), which have a part which is attached to and rotates together with the rotating machine part, preferably its shaft (7), and where the cooling channels together with the rotating part of the cooler form a primary circuit which is completely closed and sealed, and where a coolant in the secondary circuit coats the surface of the cooler's rotating part, characterized in that the cooler (1) is located outside the machine's bearing (24), so that the connection between cooling channels (25) and the cooler takes place by means of channels laid in the shaft, and that the connections (2) to the cooler is at a different distance from the axis of rotation, so that the refrigerant vapor is supplied closest to the axis of rotation, while the condensed refrigerant leaves the cooler at a greater distance from the axis of rotation the axis.

2. Device according to claim number 1, characterized in that the cooling channels (25) in the rotating machine part (23) are interconnected by means of one or more connecting pipes (3) and possibly flow resistance (4), so that the part of the coolant which is in liquid form, can flow over from one cooling channel to another, thereby compensating for the level difference that could be the cause of an imbalance, while the flow resistance can prevent the fluid fluctuations between the individual cooling channels.

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that there is a seal (6) between the immovable part of the cooler (i) and the rotating part of the cooler and/or the rotating machine part (23).

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant of the primary circuit is led in spiral-shaped and/or axially reciprocating channels in the rotating part of the cooler (1).

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the stationary part of the cooler (1) is provided with grooves and/or ribs and/or pins, which increase the relative speed and the heat transfer coefficient between the rotating part (10,11) of the cooler (1) and secondary circuit refrigerant.