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

og maskindeler.

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-

er har ofte en fullstendig lukket primærkrets, og et kjølemiddel i den sekundære krets bestryker overflaten av kjølerens roterende del.

Fprdampningskjølingen har den fordel fremfor konvensjonell luft>-

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-

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.

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.

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

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.

Ved å anbringe en kjøler basert på væskekjøling innenfor maskinens lågere, blir man stilt overfor andre problemer (Britisk 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.

Ved hurtigløpende maskiner har man meget dårlig plass i akselen, og kjølerens aksiale dimensjoner øker utover det som er forsvarlig.

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.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å frembringe løsninger som er fri for de forannevnte ulemper og begrensninger.

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.

Oppfinnelsens øvrige karaktertrekk vil fremgå av den etterfølg-ende beskrivelse av de på tegningene viste utførelseseksempler.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Man må forsøke å bremse kjølemiddelets rotasjon i forhold til kjølerens stående deler.

Når det gjelder et slikt kjølesystems funksjonering bør man være oppmerksom på en del spesielle forhold.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims

1. Kjølesystem for fordampningskjølte roterende maskiner og maskindeler, hvor varmetransporten er basert på fordampning av et kjølemiddel i den roterende maskindels (23) kjølekanaler (25), og hvor det fordampede kjølemiddel kondenseres i en eller flere kjøler/e (1), som har en del som er festet på og roterer sammen med den roterende maskindel, fortrinnsvis dens aksel (7), og hvor kjølekanalene sammen med kjølerens roterende del danner en primærkrets som er fullstendig lukket og forseglet, og hvor et kjølemiddel i den sekundære krets bestryker overflaten av kjølérens roterende del, karakterisert ved at kjøleren (1) er plassert utenfor maskinens lager(24), slik at sam-menkoblingen mellom kjølekanaler (25) og kjøleren skjer ved hjelp av kanaler som er lagt i akselen, og at tilkoblingene (2) til kjøleren er i forskjellig avstand fra rotasjonsaksen, slik at kjølemiddeldampen tilføres nærmest rotasjonsaksen, mens det kondenserte kjølemiddel forlater kjøleren i en større avstand fra rotasjonsaksen.

2. Anordning ifølge krav nummer 1, karakterisert ved at kjølekanalene (25) i den roterende maskindel (23) er sammenkoblet ved hjelp av et eller flere forbindelsesrør (3) og eventuelt strøm-ningsmotstand (4), slik at den del av kjølemiddelet som er i væskeform,, kan flyte over fra den ene kjølekanal til en annen, og derved utligne den nivåforskjell som kunne være opphav til en ubalanse, mens strøm-ningsmotstanden kan forhindre væskesvingningene mellom de enkelte kjølekanaler.

3. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakteris sert ved at det er en tetning (6) mellom den ubevegelige del av kjøleren (i) og den roterende del av kjøleren og/eller den roterende maskindel (23).

4. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at primærkretsens kjølemiddel ledes i spiralformede og/eller aksialt frem- og tilbakesvingende kanaler i kjølerens (1) roterende del.

5. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert 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 sekun-dærkretsends kjølemiddel.