PL200277B1 - Złącze dla płynu chłodzącego - Google Patents

Abstract

Z lacze dla p lynu ch lodz acego, mi edzy wirnikiem maszyny synchronicznej a zród lem kriogenicznego p lynu ch lodz acego, zawiera wiruj aca wlotow a rur e ch lodz aca i wiruj aca wylotow a rur e ch lodz ac a w wirniku, wspó losiowe z osi a wirnika, przy czym wlotow a rura ch lodz aca ma okno wej sciowe do la- czone dla odbierania wlotowego p lynu ch lodz acego dop lywaj acego ze zród la kriogenicznego p lynu ch lo- dz acego, za s wylotowa rura ch lodz aca ma okno wyj sciowe dolaczone dla zawracania p lynu ch lodz a- cego z wirnika do zród la kriogenicznego p lynu ch lo- dz acego, a ponadto okno wej sciowe i okno wyjscio- we s a oddzielone przez stacjonarne uszczelnienie z ruchom a szczelin a. Z lacze zawiera pierwsz a ela- styczn a rur e (170), przesuni et a wzgl edem osi (20) wirnika, po laczon a z wylotow a rur a ch lodz aca (166), i drug a elastyczn a rur e (160), s asiadujac a z wyloto- w a elastyczn a rur a i po laczon a z wlotow a rur a ch lo- dz aca (156), przy czym drug a elastyczna rura (160) jest wspó losiowa z osi a (20) wirnika. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest złącze dla płynu chłodzącego w synchronicznej maszynie wirującej. W szczególności przedmiotem wynalazku jest kriogeniczne złącze transportowe między źródłem płynu kriogenicznego a wirnikiem maszyny.

Do synchronicznych maszyn elektrycznych z uzwojeniami cewki magnesującej zalicza się, choć nie wyłącznie, prądnice wirujące, silniki wirujące i silniki liniowe. Te maszyny zwykle zawierają stojan i wirnik, które są sprzężone elektromagnetycznie. Wirnik moż e zawierać wielobiegunowy rdzeń wirnika i zainstalowane na rdzeniu wirnika jedno lub wię cej uzwojeń cewkowych. Rdzenie wirnikowe zawierają materiał stały o dużej przenikalności magnetycznej, na przykład wirnik żelazny.

W wirnikach synchronicznych maszyn elektrycznych zwykle stosuje się konwencjonalne uzwojenia miedziane. Jednakowoż rezystancja elektryczna uzwojeń miedzianych (jakkolwiek według konwencjonalnych miar niewielka) jest wystarczająca do powodowania znacznego nagrzewania wirnika i zmniejszania sprawnoś ci energetycznej maszyny. Ostatnio opracowano nadprzewodzą ce (SC - super-conducting) uzwojenia cewkowe. Uzwojenia SC efektywnie nie mają rezystancji i stanowią bardzo korzystne uzwojenia cewkowe wirnika.

Wirniki z rdzeniem żelaznym przy natężeniu pola w szczelinie powietrznej wynoszącym około 2 tesla nasycają się. W znanych konstrukcjach wirników nadprzewodzących stosuje się konstrukcje z rdzeniem powietrznym, bez żelaza w wirniku, osiągające pole magnetyczne w szczelinie powietrznej o wartoś ci powyż ej 3 tesla. Te silne pola magnetyczne w szczelinie powietrznej przyczyniaj ą się do zwiększenia gęstości mocy maszyny elektrycznej, i w rezultacie dają znaczne zmniejszenie ciężaru i rozmiarów maszyny. Nadprzewodzące wirniki z rdzeniem powietrznym wymagają jednakowoż dużych ilości drutu nadprzewodzącego co wymaga dużej liczby cewek i powodują złożoność podpór cewek i zwiększają koszty.

Uzwojenia magnesujące cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym są kształtowane z materiał ów nadprzewodzą cych, które są kruche, i wymagają chł odzenia do temperatury równej krytycznej lub niższej od krytycznej, na przykład 27K, dla osiągnięcia i utrzymania nadprzewodnictwa. Uzwojenia nadprzewodzące mogą być kształtowane z materiału z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, jak na przykład BSCCO (BixSrxCaxCuxOx).

Cewki nadprzewodzące chłodzone są ciekłym helem. Po przepłynięciu przez uzwojenie silnika, gorący, zużyty hel jest odprowadzany z powrotem jako gazowy hel o temperaturze pokojowej. Używanie ciekłego helu do chłodzenia kriogenicznego wymaga ciągłego ponownego skraplania zwracanego gazowego helu o temperaturze pokojowej. To ponowne skraplanie stwarza znaczne problemy niezawodnościowe i wymaga znacznej mocy pomocniczej na oziębianie kriotechniczne.

Znane metody chłodzenia obejmują chłodzenie, nasycanej epoksydem, cewki SC przez stałą ścieżkę z chłodnicy kriotechnicznej. W rozwiązaniu alternatywnym ciekły i/lub gazowy kriogen mogą przenosić rury chłodzące w wirniku do porowatego uzwojenia cewki SC zanurzonej w strumieniu ciekłego i/lub gazowego kriogenu. Chłodzenie zanurzeniowe wymaga utrzymywania w temperaturze kriogenicznej całego uzwojenia magnesującego i konstrukcji wirnika. Wskutek tego nie można w ogóle stosować żelaza w obwodzie magnetycznym wirnika z powodu kruchości żelaza w temperaturach kriogenicznych.

Do połączenia stacjonarnej jednostki schładzania kriotechnicznego z wirnikiem i jego cewkami SC potrzebne jest złącze dla płynu chłodzącego. Złącze musi przenosić dopływający i odpływający płyn chłodzący między źródłem stacjonarnym i wirującym wałem końcowym wirnika. W połączeniach transportowych do kriogenicznych układów chłodzących dołączonych do wirników i innych części wirujących zwykle stosowane są uszczelnienia stykowe. Uszczelnienia stykowe zwiększają straty na tarcie, które obniżają sprawność urządzenia schładzania kriotechnicznego, i ograniczają trwałość i niezawodność połączenia z powodu zużycia uszczelnienia. Do transportu płynu chłodzącego do wirnika wykorzystywane są również uszczelnienia szczelinowe ruchu względnego. Jednakowoż uszczelnienia szczelinowe ruchu względnego mają duże straty cieplne związane z przenoszeniem ciepła. Dla zmniejszenia strat przy przenoszeniu ciepła do gazu kriogenicznego i poprawienia przepustowości urządzenia schładzania kriotechnicznego stosowano zwiększone wartości rozsunięcia termicznego w przypadku uszczelnień szczelinowych ruchu względnego. Jednakowoż, te duże wartoś ci rozsunięcia powodowały zwiększenie długości rur wysięgowych, które mają tendencję do nadmiernych drgań i wchodzą w kontakt cierny z wirnikiem prądnicy. Zgodnie z tym, występuje od dawna potrzeba opracowania lepszego połączenia wirnika dla gazu kriogenicznego.

PL 200 277 B1

Straty związane z przenoszeniem ciepła w odniesieniu do układu schładzania gazu kriogenicznego w przypadku cewek HTS należy minimalizować dla zaoszczędzenia mocy schładzania. Złącze między stacjonarnym źródłem gazu kriogenicznego a wirnikiem maszyny synchronicznej jest potencjalną przyczyną upływu gazu kriogenicznego. Dla zminimalizowania upływu gazu na połączeniu, pożądane jest, aby zminimalizować upływy między strumieniami wlotowymi i powrotnym, i aby zapewnić odpowiednią izolację cieplną między gazem kriogenicznym a częściami znajdującymi się w temperaturze otoczenia. Poza tym, trwałość i niezawodność połączenia transportowego powinny być proporcjonalne do oczekiwanej trwałości i niezawodności synchronicznej maszyny elektrycznej.

Złącze dla płynu chłodzącego, między wirnikiem maszyny synchronicznej a źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego, zawierające wirującą wlotową rurę chłodzącą i wirującą wylotową rurę chłodzącą w wirniku, współosiowe z osią wirnika, przy czym wlotowa rura chłodząca ma okno wejściowe dołączone dla odbierania wlotowego płynu chłodzącego dopływającego ze źródła kriogenicznego płynu chłodzącego, zaś wylotowa rura chłodząca ma okno wyjściowe dołączone dla zawracania płynu chłodzącego z wirnika do źródła kriogenicznego płynu chłodzącego, a ponadto okno wejściowe i okno wyjściowe są oddzielone przez stacjonarne uszczelnienie z ruchomą szczeliną według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera pierwszą elastyczną rurę, przesuniętą względem osi wirnika, połączoną z wylotową rurą chłodzącą, i drugą elastyczną rurę, sąsiadującą z wylotową elastyczną rurą i połączoną z wlotową rurą chłodzącą, przy czym druga elastyczna rura jest współosiowa z osią wirnika.

Złącze dodatkowo zawiera uszczelnienie z płynem magnetycznym.

Złącze zawiera płaszcz próżniowy między wlotową rurą chłodzącą a wylotową rurą chłodzącą.

Złącze dodatkowo zawiera rurę bagnetową wchodzącą do wlotowej rury chłodzącej, i dołączoną do źródła kriogenicznego płynu chłodzącego.

Kriogenicznym płynem chłodzącym jest gazowy hel.

Złącze dodatkowo zawiera rurę stacjonarną otaczającą wylotową rurę chłodzącą, i współosiową z nią.

Złącze dodatkowo zawiera trzecią rurę otaczającą wylotową rurę chłodzącą, przy czym ta trzecia rura podparta jest łożyskiem, zaś rura stacjonarna jest podtrzymywana przez uszczelnienie z płynem magnetycznym.

Złącze dla płynu chłodzącego doprowadza gaz kriogeniczny (lub płyn chłodzący) do wału wirnika w synchronicznej maszynie elektrycznej. Ochłodzony gaz kriogeniczny (lub inny płyn) jest przenoszony ze stacjonarnego urządzenia schładzania kriotechnicznego przez stacjonarne połączenie bagnetowe z rurą wirującą z wirnikiem zaopatrzonym w uzwojenie cewki HTS. Transport gazu chłodzącego odbywa się z użyciem złączki transportowej gazu kriogenicznego połączonej z kolektorowym końcem wirnika. Odpowiednia ruchoma szczelina utworzona z uszczelnieniem prześwitowym wokół złączki bagnetowej ogranicza upływ wprowadzanego gazu chłodzącego do niskociśnieniowego gazu powrotnego, a szczelina z ruchem względnym na długości wirującej rury powrotnej zapewnia izolację cieplną względem powrotnego gazu kriogenicznego.

W pierwszej odmianie wykonania niniejszego wynalazku proponuje się złącze dla gazu chł odzącego do transportu płynu chłodzącego między wirnikiem z uzwojeniem nadprzewodzącym maszyny synchronicznej a źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego. Złącze płynowe zawiera wlotową rurę chłodzącą i wylotową rurę chłodzącą w wirniku, współosiową z wirnikiem. Wlotowa rura chłodząca ma dołączone okno wlotowe do przyjmowania wlotowego płynu chłodzącego ze źródła kriogenicznego płynu chłodzącego. Wylotowa rura chłodząca ma sprzężone z nią okno wylotowe dla powrotu płynu chłodzącego z wirnika do źródła. Wirujące uszczelnienie z ruchomą szczeliną oddziela okno wejściowe od okna wyjściowego połączenia.

W innej odmianie wykonania wedł ug niniejszego wynalazku proponuje się złącze dla pł ynu chłodzącego między wirnikiem maszyny synchronicznej a źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego. Złącze zawiera wirującą chłodzącą rurę wlotową i wirującą chłodzącą rurę wylotową w wirniku, współosiową z wirnikiem, przy czym wlotowa rura chłodząca jest dołączona tak, że przejmuje wlotowy płyn chłodzący ze źródła kriogenicznego płynu chłodzącego, zaś wylotowa rura chłodząca jest dołączona odpowiednio do zawracania płynu chłodzącego z wirnika do źródła, natomiast wirujące uszczelnienie z ruchomą szczeliną podtrzymuje wlotową rurę chłodząc ą w wylotowej rurze chłodzącej.

W nastę pnej odmianie wykonania według niniejszego wynalazku proponuje się złącze dla pł ynu chłodzącego między wirnikiem maszyny synchronicznej a źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego. Złącze to zawiera: wirującą chłodzącą rurę wlotową i wirującą chłodzącą rurę wylotową w wirniku, współosiową z wirnikiem, przy czym wlotowa rura chłodząca jest dołączona tak, że przejmuje wlotowy

PL 200 277 B1 płyn chłodzący ze źródła kriogenicznego płynu chłodzącego, zaś wylotowa rura chłodząca jest dołączona odpowiednio do zwracania płynu chłodzącego z wirnika do źródła, natomiast wirujące bezstykowe uszczelnienie z ruchomą szczeliną podtrzymuje wlotową rurę chłodzącą w wylotowej rurze chodzącej. Złącze zawiera ponadto stacjonarną trzecią rurę otaczającą wylotową rurę chłodzącą, przy czym trzecia rura podparta jest w łożysku, i uszczelnienie z polem magnetycznym podtrzymujące wylotową rurę chłodzącą w stacjonarnej trzeciej rurze.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania uwidoczniono na załączonym rysunku, na którym fig. 1 stanowi uproszczony widok z boku synchronicznej maszyny elektrycznej z nadprzewodzącym wirnikiem i stojanem, fig. 2 stanowi widok uproszczony owalnej cewki SC zaopatrzonej w kanały dla gazu chłodzącego, fig. 3 stanowi widok uproszczony, z częściowym odcięciem, wirnika z uzwojeniem owalnej cewki SC, fig. 4 i 5 przedstawiają w przekroju wirnik z uzwojeniem owalnej cewki SC i wałami końcowymi, fig. 6, 7 i 8 przedstawiają w przekroju kolektorowy wał końcowy wirnika, fig. 9 przedstawia w uproszczonym przekroju widok złącza do transportu gazu kriogenicznego.

Na fig. 1 przedstawiono przykładową prądnicę synchroniczną 10 mającą stojan 12 i wirnik 14. Wirnik zawiera cewki uzwojenia magnesującego, które wstawione są ciasno do wewnątrz cylindrycznej przestrzeni próżniowej 16 dla wirnika w stojanie. Wirnik osadzony jest wewnątrz przestrzeni próżniowej stojana. Przy obracaniu się wirnika wewnątrz stojana, pole magnetyczne 18 (przedstawione liniami przerywanymi) generowane przez wirnik i cewki wirnika porusza się/wiruje w stojanie i wytwarza prąd elektryczny w uzwojeniach cewek 19 stojana. Prąd ten jest oddawany przez prądnicę na zewnątrz w charakterze mocy elektrycznej.

Wirnik 14 ma zwykle oś 20 biegnącą wzdłużnie, i zwykle lity rdzeń 22 wirnika. Lity rdzeń 22 o duż ej przenikalnoś ci magnetycznej jest zwykle wykonany z materiał u ferromagnetycznego, na przykład żelaza. W maszynie o małej gęstości mocy z nadprzewodnictwem, rdzeń żelazny jest wykorzystywany do zmniejszenia siły magnetomotorycznej (MMF) a zatem zminimalizowania zużycia drutu na uzwojenie cewki. Na przykład lity rdzeń żelazny wirnika może być nasycony magnetycznie przy natężeniu pola magnetycznego w szczelinie wynoszącym około 2 tesla.

Wirnik 14 podtrzymuje przynajmniej jedno rozciągające się wzdłużnie, owalne uzwojenie 34 cewki (HTS). Uzwojenie cewki HTS może w odróżnieniu od tego mieć kształt siodłowy lub może mieć pewien inny kształt, odpowiedni dla konkretnej konstrukcji wirnika HTS. Złącze do chłodzenia według niniejszego wynalazku nadaje się do adaptacji dla konfiguracji uzwojenia cewki i wirnika innej, niż cewka owalna instalowana na litym wirniku rdzeniowym.

Wirnik zawiera parę wałów końcowych 24, 30, które obejmują z dwóch stron rdzeń 22 wirnika, i podparte są łożyskami 25. Wały końcowe mogą być sprzężone z urządzeniami zewnę trznymi. Na przykład końcowy wał 24 kolektora może mieć złącze 26 do transportu czynnika kriogenicznego połączone ze źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego wykorzystywanego do chłodzenia uzwojeń cewki SC w wirniku. Złącze 26 do transportu czynnika kriogenicznego zawiera segment stacjonarny dołączony do źródła kriogenicznego płynu chłodzącego, i segment obrotowy, który dostarcza płyn chłodzący do cewki HTS. Wał końcowy 24 kolektora zawiera również kolektor 78 do połączenia elektrycznego z wirującym uzwojeniem cewki SC. Wał 30 na końcu napędowym wirnika może być napędzany z turbiny energetycznej przez sprzę gło napędowe 32.

Figura 2 przedstawia przykładowe owalne uzwojenie 34 cewki magnesującej. W skład cewek 34 uzwojenia magnesującego wirnika wchodzi nadprzewodząca w wysokiej temperaturze cewka (SC) 36. Każda cewka SC zawiera przewodnik z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, na przykład druty z BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) laminowane w kompozycie uzwojeniowym nasycanym epoksydem. Na przykład zespół drutów z BSCCO 2223 może być laminowany, spajany i zwijany w litą cewkę nasyconą epoksydem.

Cewka SC jest zwykle nawijana warstwami w taśmy, nasycane epoksydem. Taśma SC jest zwinięta w precyzyjny kształt, dla zapewnienia ciasnych tolerancji wymiarowych. Taśma jest nawinięta spiralnie tworząc owalną cewkę SC 36.

Wymiary cewki owalnej zależą od wymiarów rdzenia wirnika. Zwykle każda owalna cewka otacza bieguny magnetyczne rdzenia wirnika i jest równoległa do osi wirnika. Uzwojenia cewki są ciągłe wokół kształtu owalnego. Cewki SC tworzą bezrezystancyjną ścieżkę dla prądu elektrycznego wokół rdzenia wirnika i między biegunami magnetycznymi rdzenia. Cewka ma styki elektryczne 37 łączące elektrycznie cewkę z kolektorem 35.

W uzwojeniu 34 cewki znajdują się kanały płynowe 38 dla kriogenicznego płynu chłodzącego. Kanały te mogą przechodzić wokół zewnętrznej krawędzi cewki 36 SC. Przejścia kanałowe doprowadzają

PL 200 277 B1 płyn chłodzący do cewki i odprowadzają z cewki ciepło. Płyn chłodzący utrzymuje niską temperaturę, na przykład 27K w uzwojeniu cewki konieczną do zapewnienia warunków nadprzewodnictwa, związanych z brakiem rezystancji elektrycznej cewki. Kanały chłodzące na jednym końcu rdzenia wirnika mają wejściowe i wyjściowe okna 112 dla płynu. Te okna łączą kanały chłodzące 38 cewki SC i ze złączem 26 na przeciwległym końcu wału końcowego 24.

Figura 3 przedstawia w rozłożeniu rdzeń 22 wirnika i układ wzmacniający dla cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym. W skład układu wzmacniającego wchodzą drążki naprężające 42 połączone z obudową kanałową 44. Obudowy utrzymują i wspierają części boczne 40 uzwojenia 34 cewki wirnika. Jakkolwiek przedstawiono jeden drążek naprężający i jedną obudowę kanału, to układ wzmacniający cewki będzie zwykle zawierał szereg drążków naprężających, z których każdy ma obudowy wzmacniające cewki na obu końcach drążka. Drążki naprężające i obudowy kanałowe zapobiegają uszkodzeniu uzwojenia cewki podczas pracy wirnika, wzmacniają uzwojenie cewki w odniesieniu do sił odśrodkowych i innych, i stanowią ekran ochronny dla uzwojenia cewki.

Uzwojenie cewki HTS i konstrukcyjne elementy podtrzymujące znajdują się w temperaturze kriogenicznej. W odróżnieniu od tego, rdzeń wirnika znajduje się w temperaturze „gorącego” otoczenia. Wsporniki cewki stanowią potencjalne źródła przewodnictwa cieplnego, które mogłoby umożliwić docieranie ciepła z rdzenia wirnika do cewek HTS. Podczas pracy wirnik staje się gorący. Ponieważ cewki muszą być utrzymywane w warunkach przechłodzenia, to przewodzeniu ciepła do cewek należy zapobiegać. Drążki przechodzą przez kanały 46 w wirniku, lecz nie stykają się z wirnikiem. Ten brak kontaktu zapobiega przewodzeniu ciepła z wirnika do drążków naprężających i cewek.

Dla zmniejszenia upływu ciepła na zewnątrz z cewki, wspornik cewki jest zminimalizowany, dla zmniejszenia przewodzenia ciepła przez wspornik od źródeł ciepła, na przykład rdzenia wirnika. Istnieją w zasadzie dwie kategorie wsporników uzwojenia nadprzewodzącego (I) wsporniki „gorące”, i (II) wsporniki „zimne”. W przypadku wspornika gorącego, konstrukcje wzmacniające są izolowane cieplnie od chłodzonych uzwojeń SC. Przy wspornikach gorących, większość obciążenia mechanicznego cewki nadprzewodzącej (SC) jest przejmowana przez elementy konstrukcyjne rozpięte między elementami zimnymi i gorącymi.

W zimnym ukł adzie wzmacniają cym, ukł ad wzmacniają cy znajduje się w temperaturze bliskiej niskiej kriogenicznej temperatury cewek SC. We wspornikach zimnych większość obciążenia mechanicznego cewki nadprzewodzącej (SC) jest przejmowana przez elementy konstrukcyjne znajdujące się w temperaturze bliskiej kriogenicznej. Opisywany niniejszym przyk ł adowy ukł ad wzmacniają cy cewki jest wspornikiem zimnym, ponieważ drążki naprężające i przyporządkowane do nich obudowy sprzęgające drążki naprężające z uzwojeniami cewki SC są utrzymywane w temperaturze równej kriogenicznej lub bliskiej jej. Ponieważ elementy wzmacniające są zimne, to te elementy są izolowane termicznie, na przykład przez kanały bezstykowe w rdzeniu wirnika, od innych, „gorących” części składowych wirnika. Rury izolacyjne 52 separują drążki naprężające 42 od ścian kanału w rdzeniu wirnika. Rury te wstawione są w końce każdego kanału 42. Drążki naprężające przechodzą środkiem rury. Rury izolacyjne 52 centrują drążki naprężające w kanałach i zapobiegają przenoszeniu ciepła z gorącego rdzenia wirnika do zimnych drążków naprężających.

Pojedynczy element wzmacniający składa się z drążka naprężającego 42 (który może być prętem z dwiema śrubami na każdym końcu), obudowy kanałowej 44, i kołka ustalającego 80, który łączy obudowę z końcem drążka naprężającego. Każda obudowa kanałowa 44 jest obejmą w kształcie litery U, mającą ramiona, które łączą się z drążkiem naprężającym i kanałem obejmując uzwojenie 34 cewki. Obudowa kanałowa w kształcie litery U umożliwia precyzyjny i wygodny montaż układu wzmacniającego dla cewki. Wzdłuż boku uzwojenia cewki może być rozmieszczony szereg obudów kanałowych stykających się końcami. Obudowy kanałowe razem rozprowadzają siły działające na cewkę, na przykład siły odśrodkowe w zasadzie na całe sekcje boczne 40 każdej cewki.

Kołek ustalający 80 przechodzi przez otwory w obudowie kanałowej i drążku naprężającym. Kołek może dla zmniejszenia ciężaru być wykonany jako drążony. Na końcach kołka ustalającego znajdują się nakręcone, czyli zamocowane nakrętki blokujące (niepokazane) dla unieruchomienia obudowy w kształcie U i zabezpieczenia przed rozpadnięciem i rozproszeniem na zewnątrz boków obudowy pod obciążeniem, Kołek ustalający może być wykonany jako wytrzymały z Inconelu lub stopów tytanowych. Drążki naprężające mają większą średnicę końców 82, które są wykonane przez skrawanie z dwoma spł aszczeniami 86 dla dopasowania do obudowy cewki i do szerokoś ci cewki. Pł askie koń ce 86 drążków naprężających dotykają wewnętrznej powierzchni cewek HTS, kiedy drążek, cewka

PL 200 277 B1 i obudowa są zmontowane razem, i ten montaż zmniejsza skupianie naprężeń przy otworze w drążku naprężającym dla kołka ustalającego.

Rdzeń 22 wirnika jest zwykle wykonany z materiału magnetycznego, na przykład żelaza, natomiast końcowe wały wirnika są zwykle wykonywane z materiału niemagnetycznego, na przykład stali nierdzewnej. Rdzeń wirnika i wały końcowe stanowią zwykle oddzielne części składowe, które są składane i trwale łączone razem albo przez skręcanie śrubami, albo przez spawanie.

Żelazny rdzeń 22 wirnika ma zwykle kształt cylindryczny odpowiedni do wirowania we wnęce 16 wirnika stojana 12. Rdzeń wirnika ma wgłębione powierzchnie 48, na przykład obszary lub szczeliny płaskie lub trójkątne, dla uzwojenia 34 cewki. Te powierzchnie 48 są ukształtowane w zakrzywionej powierzchni 50 rdzenia cylindrycznego i przechodzą wzdłuż przez rdzeń wirnika. Uzwojenie 34 cewki jest zamontowane na wirniku w sąsiedztwie obszarów wgłębionych 48. Cewki zwykle są ułożone wzdłuż zewnętrznej powierzchni obszaru wgłębionego i wokół końców rdzenia wirnika. Wgłębione powierzchnie 48 rdzenia wirnika mieszczą uzwojenie cewki. Kształt obszaru wgłębionego jest zgodny z kształtem uzwojenia cewki. Na przykład, jeżeli cewka byłaby ukształtowana siodłowo, lub w pewien inny sposób, to wgłębienia w rdzeniu wirnika byłyby ukształtowane odpowiednio do pomieszczenia kształtu uzwojenia.

Sekcje końcowe 54 uzwojenia 34 cewki sąsiadują z przeciwległymi końcami 56 rdzenia wirnika. Dzielony zacisk przy każdym końcu 54 cewki zawiera dwie przeciwległe płyty 60, między którymi umieszczone jest przekładkowe uzwojenie 34 cewki. Dzielony zacisk przy każdym końcu 54 cewki zawiera dwie przeciwległe płyty 60, między którymi umieszczone jest przekładkowe uzwojenie 34 cewki. Powierzchnie płyt zaciskowych zawierają kanały 116, 118 (fig. 11) do pomieszczenia uzwojenia cewki i doprowadzeń 112, 114 do uzwojenia.

Dzielony zacisk 58 może być wykonany z materiału niemagnetycznego, na przykład z aluminium lub stopów Inconel. Te same lub podobne materiały niemagnetyczne można wykorzystywać do wykonania drążków naprężających, obudów kanałowych i innych części układu wzmacniającego cewki. Układ wzmacniający cewkę jest, korzystnie, niemagnetyczny, dla zachowania ciągliwości w temperaturach kriogenicznych, ponieważ materiały ferromagnetyczne w temperaturze poniżej punktu przejścia Curie stają się kruche i nie nadają się do wykorzystania w konstrukcjach przenoszących obciążenie.

Dzielony zacisk 58 otoczony jest kołnierzem 62 każdego z wałów, chociaż nie pozostaje z nim w kontakcie. Koł nierz 62 znajduje się na każ dym koń cu rdzenia 22 wirnika, jakkolwiek na fig. 3 przedstawiono tylko jeden kołnierz. Kołnierz jest to gruba tarcza z materiału niemagnetycznego, takiego samego, jak materiał, z którego są wykonane wały wirnika.

Kołnierz ma szczelinę 64, prostopadłą do osi wirnika i dostatecznie szeroką do pomieszczenia i ułożenia dzielonego zacisku 58. Gorące ściany boczne 66 kołnierza ze szczeliną są odsunięte od zimnego dzielonego zacisku, tak, że nie wchodzą z nim w kontakt.

Figury 4 i 5 przedstawiają przekroje wirnika, przy czym fig. 5 przedstawia w widoku z góry uzwojenie cewki wokół rdzenia wirnika, a fig. 4 przedstawia widok prostopadły do fig. 5. Fig. 6, 7 i 8 przedstawiają w zbliżeniu przekroje kolektorowego wału końcowego 24. W szczególności, te figury przedstawiają rurę kanałową 76 przechodzącą przez kolektorowy wał końcowy wirnika. Ten kanał 76 stanowi przejście dla rur chłodzących i styków elektrycznych, które dołączone są do uzwojenia SC. Kanał 76 przechodzi przez wał końcowy 24 od kołnierza 62 do przeciwległego końca wału przy złączu chłodzącym 26. Fig. 6 i 7 ukazują kanał 76 przy rdzeniu 22 wirnika i wale końcowym 24. Fig. 8 przedstawia powiększony widok wlotu chłodzenia i okien wylotowych 39, 41, które dołączone są do uzwojenia 38 cewki.

Wyprowadzenia elektryczne 37 z uzwojenia 34 cewki dołączone są do linii elektrycznych, które biegną wzdłuż wału końcowego 24 do pierścienia ślizgowego 35. Linie elektryczne przechodzą przez kanał 76 w wale i są rozmieszczone wewnątrz rury cienkościennej 174.

Okna wlotowe i wylotowe 39, 41 chłodzenia z cewki łączą się z rurami chłodzenia, wlotową i wylotową 156, 166 które biegną wzdłuż osi wirnika. Okno wylotowe 41 gazu chłodzącego jest przesunięte względem osi wirnika i łączy się przez obudowę do transportu gazu z pierścieniową rurą wylotową 166. Rura wylotowa 166 jest współosiowa z rurą wlotową i znajduje się na zewnątrz rury wlotowej.

Figura 9 przedstawia przykładowe transportowe złącze 26 z wirującymi częściami 150 wału i częściami stacjonarnymi 152, które otaczają części wału. Złącze transportowe łączy wał końcowy 24 wirnika ze stacjonarnym źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego wykorzystywanego do oziębiania uzwojeń cewki SC w wirniku.

PL 200 277 B1

Zimny gaz kriogeniczny jest transportowany ze stacjonarnego urządzenia 190 do schładzania kriotechnicznego (przedstawionego w uproszczeniu) przez bagnet stacjonarny 154 do rury wlotowej 156 wirującej wraz wałem 24 wirnika. Strzałki 157 zwrócone w prawo pokazują przechodzenie wlatującego gazu chłodzącego przez złączkę i przepływającego wzdłuż osi 20 wirnika do cewek HTS. Bagnet jest współosiowy z osią 20 wirnika. Koniec 158 bagnetu jest połączony z elastyczną rurą 160 dołączoną do urządzenia schładzania kriotechnicznego i stanowi źródło dopływającego gazowego helu. Wirujące uszczelnienie szczelinowe 162 z ruchem względnym, wraz z uszczelnieniem prześwitowym wokół bagnetu ogranicza upływ gazu chłodzącego do gazu powrotnego o niższym ciśnieniu.

Gorący gaz chłodzący (przedstawiony za pomocą skierowanych w lewo strzałek 164) przepływa w pierścieniu ukształtowanym między wlotową rurą chłodzącą 156 a wylotową rurą chłodzącą 166, która jest współosiowa względem rury wlotowej. Gorący gaz chłodzący przepływa przez uzwojenia cewki HTS i odbiera ciepło od tych uzwojeń.

Gorący gaz chłodzący opuszcza wirującą rurę wylotową 166 i przechodzi między uszczelnieniem szczelinowym 162 a stacjonarną obudową cylindryczną 168 otaczającą uszczelnienie szczelinowe. Końcowa tarcza 169 obudowy ma okno wylotowe, przesunięte względem osi wirnika, które łączy się z powrotną rurą elastyczną 170 do transportu gorącego gazu kriogenicznego z wirnika do urządzenia 190 schładzania kriotechnicznego. Gorący gaz wchodzi w elastyczną rurę 170, która jest połączona z urządzeniem schładzania kriotechnicznego. Ta elastyczna rura jest przesunięta względem osi 20 wirnika.

Wszystkie rury transportowe 156, 166 gazu kriogenicznego są zaopatrzone w płaszcz próżniowy 172 dla zminimalizowania przekazywania ciepła do gazu. Powrotny strumień 164 gazu jest izolowany cieplnie od temperatury otoczenia długością cienkościennej rury 174 z niewielką szczeliną ruchu względnego (między cienkościenną rurą 174 a wirującą rurą 166 z płaszczem próżniowym) dla zminimalizowania konwekcyjnego transportu ciepła. Dodatkowa izolacja termiczna zapewniana jest przez próżnię przykładaną do szczeliny między rurą cienkościenną 174 a cylindryczną obudową 186.

Magnetyczne uszczelnienie płynowe 176 na końcu wału 174 zapewnia bezstykowe uszczelnienie całkowite układu gazu sprężanego. Z zewnętrznego źródła doprowadza się strumień powietrza 177, który służy za bufor, który oddziela olej z łożysk 178 od magnetycznego płynu z uszczelnienia magnetycznego, tak że olej łożyskowy nie może wejść w kontakt z płynem magnetycznym.

Złącze 26 do transferu gazu kriogenicznego jest podparte na wale wirnika za pomocą precyzyjnych łożysk 178, ograniczających wibracje wysięgającej rury, i bicie, w celu zapobieżenia ocieraniu się uszczelnień i tarciu w szczelinach ruchu względnego. Dysze 180 wyrzutu oleju zapewniają smarowanie dla łożysk. Spust 182 oleju umożliwia usuwanie starego oleju i nadmiaru oleju. Wyciekom oleju z ł o ż ysk zapobiegają uszczelnienia labiryntowe 184.

Cylindryczna obudowa 186 otacza koniec bagnetu transportowego złącza 26 i elastyczne rury 160, 170. Obudowa jest przymocowana do elastycznych cylindrycznych mieszków 188 dołączonych do urządzenia 190 schładzania kriotechnicznego. Wewnątrz obudowy 186 jest utrzymywana próżnia, dla zapewnienia izolacji cieplnej między temperaturą otoczenia a elastycznymi rurami i złączem transportu gazu.

Uszczelnienie 176 z magnetycznym płynem jest zamknięte w cylindrycznej obudowie 196 i jest uszczelnione pierścieniami uszczelniającymi 198 typu „O” w stosunku do nieobrotowych części składowych złącza 26, zapobiegając upływowi gazu powrotnego.

Wirujące rury 156, 166 są izolowane termicznie względem siebie nawzajem płaszczem próżniowym 172. Rura dopływowa 156 gazu chłodzącego jest oddzielona od wypływu gazu stacjonarnym uszczelnieniem 162 ze szczeliną ruchomą (jak również podwójnymi ściankami dopływowej rury gazowej 156, która jest zaopatrzona w płaszcz próżniowy). Podobnie, wirująca zewnętrzna rura o podwójnych ściankach (rura wylotowa 166 chłodzenia) jest zaopatrzona w płaszcz próżniowy 172 i jest poza tym osadzona w cienkościennej rurze stacjonarnej 174. Te rury, wlotowa i wylotowa, 156, 166 sięgają od złącza do okien wlotowego i wylotowego 39, 41 uzwojenia cewki HTS.

Dla zapewnienia uszczelnienia przepływu gazu między wirującymi i stacjonarnymi częściami składowymi złącza 26 wykorzystuje się bezstykowe uszczelnienia prześwitowe i uszczelnienia z magnetycznym płynem, w połączeniu z precyzyjnymi łożyskami i krótkimi rurami wysięgowymi z wąskimi szczelinami ruchu względnego. Te cechy charakterystyczne złącza 26 do transportu gazu zapobiegają nagrzewaniu ciernemu. Takie nagrzewanie cierne występuje przy styku układów uszczelniających wskutek tarcia lub wibracji. Inne zalety bezstykowego układu uszczelniającego polegają na dużej

PL 200 277 B1 trwałości połączenia, dużej niezawodności uszczelnień gazowych i małych stratach cieplnych w połączeniu gazowym.

Przy pracy rura bagnetowa 154 transportowego złącza 26 jest dołączona do źródła kriogenicznego płynu chłodzącego za pośrednictwem elastycznej rury 160. Podobnie, rura wylotowa 166 i obudowa uszczelnienia gazowego 168 są sprzężone z wylotowa rurą elastyczną 170. Obudowa 186 uszczelnienia kriogenicznego jest dołączona do cylindrycznej obudowy transportowego złącza 26. W obudowie 186 i pł aszczach próż niowych 172 wirują cych rur wystę puje próż nia.

Gazem chłodzącym jest zwykle gaz obojętny, na przykład hel, neon lub wodór. Wartości temperatury odpowiednie dla nadprzewodników HTS są zwykle niższe od 30 K, a korzystnie wynoszą około 27 K. Płyn kriogeniczny opuszcza urządzenie schładzania kriotechnicznego przy temperaturze około 27 K. Płyn chłodzący (strzałka 157) płynie od wlotu elastycznej rury 160, przez rurę bagnetową 154 i rurę wlotową 156 do wirnika i uzwojenia 34 cewki HTS.

Schłodzony płyn kriogeniczny przepływa przez kanały w wirniku do przejść chłodzących 38 cewki HTS 36. Gaz chłodzący odbiera ciepło od cewki HTS i utrzymuje cewkę w temperaturze dostatecznie niskiej dla osiągnięcia właściwości nadprzewodnictwa cewki. Kanały chłodzące mają okna wejściowe i wyjściowe, 39, 41 na jednym końcu rdzenia wirnika, które łączą się ze złączem 26 dla płynu chłodzącego.

Straty związane z przenoszeniem ciepła do gazu kriogenicznego są minimalizowane, w celu zaoszczędzenia na mocy schładzania kriotechnicznego i utrzymania niskich wartości temperatury, potrzebnych dla cewki SC. Straty cieplne minimalizuje się przez minimalizację upływów płynu i przez minimalizację przenoszenia ciepła do kriogenicznego płynu chłodzącego.

Uszczelnienie 162 ze szczeliną ruchu względnego tworzy się przez prześwitowe uszczelnienie wokół rury bagnetowej 154, która ogranicza upływ wlotowego gazu kriogenicznego (strzałka 157) do odpływowego gazu powrotnego o niskim ciśnieniu (strzałka 164). Upływ płynu chłodzącego objawia się przenoszeniem niepożądanej energii cieplnej do układu chłodzenia. Dlatego redukuje się upływy płynu chłodzącego co zwiększa stopień izolacji termicznej i ogólną wydajność chłodzenia kriogenicznego układu chłodzenia 26.

Poza upływami płynu chłodzącego, drugim źródłem pogorszenia sprawności jest przewodzenie ciepła od otaczających części składowych w wirniku. Odpowiednią do tego izolację termiczną stosuje się między kriogenicznym gazem chłodzącym a temperaturą otaczających przedmiotów dla zminimalizowania przekazywania ciepła do gazu kriogenicznego. Na przykład rury transportowe gazu kriogenicznego 156, 166 są zaopatrzone w płaszcz próżniowy 172 dla zapewnienia wysokiej izolacji cieplnej.

Ponadto, powrotny strumień gazu (strzałki 164) jest izolowany cieplnie względem temperatury otoczenia cienkościennymi rurami 174 i rurą 166 z płaszczem próżniowym, z małą szczeliną ruchu względnego (między rurą stacjonarną 174 a wirującą rurą 166 z płaszczem próżniowym) dla zminimalizowania przenoszenia ciepła przez konwekcję. Te długości drogi ciepła, na przykład przerwy z płaszczami próżniowymi między rurami, szczelin z ruchem względnym, zmniejszają przenoszenie ciepła do płynu kriogenicznego, i poprawiają przepustowość urządzenia schładzania kriotechnicznego (przez zmniejszenie strat cieplnych). Duże długości odsunięcia cieplnego mogą w efekcie dać długie rury wysięgowe, o nadmiernych wibracjach, i mogą prowadzić do występowania styku ciernego.

Układ wsporczy złącza 26 do transportu gazu kriogenicznego jest zaprojektowany z uwzględnieniem potrzeby zmniejszenia problemów związanych z wibracją rur. Złącze 26 jest podparte na wale wirnika za pomocą precyzyjnych łożysk 178, które ograniczają wibracje i bicie rury wysięgowej.

Jakkolwiek wynalazek opisano w połączeniu z odmianą wykonania, którą obecnie uważa się za najkorzystniejszą i możliwą do zrealizowania, to jest oczywiste, że wynalazek nie ma być w założeniu ograniczony do opisanej odmiany wykonania, lecz przeciwnie, uważa się, że obejmuje wszystkie odmiany wykonania zgodne z istotą załączonych zastrzeżeń.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Złącze dla płynu chłodzącego, między wirnikiem maszyny synchronicznej a źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego, zawierające wirującą wlotową rurę chłodzącą i wirującą wylotową rurę chłodzącą w wirniku, współosiowe z osią wirnika, przy czym wlotowa rurą chłodząca ma okno wejściowe dołączone dla odbierania wlotowego płynu chłodzącego dopływającego ze źródła kriogenicznego płynu chłodzącego, zaś wylotowa rura chłodząca ma okno wyjściowe dołączone dla zawracania

   PL 200 277 B1 płynu chłodzącego z wirnika do źródła kriogenicznego płynu chłodzącego, a ponadto okno wejściowe i okno wyjś ciowe są oddzielone przez stacjonarne uszczelnienie z ruchomą szczeliną , znamienne tym, że zawiera pierwszą elastyczną rurę (170), przesuniętą względem osi (20) wirnika, połączoną z wylotową rurą chłodzącą (166), i drugą elastyczną rurę (160), sąsiadującą z wylotową elastyczną rurą i połączoną z wlotową rurą chłodzącą (156), przy czym druga elastyczna rura (160) jest współosiowa z osią (20) wirnika.
2. 2. Złącze według zastrz. 1, znamienne tym, że dodatkowo zawiera uszczelnienie (176) z płynem magnetycznym.
3. 3. Złącze według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera płaszcz próżniowy (172) między wlotową rurą chłodzącą (156) a wylotową rurą chłodzącą (166).
4. 4. Złącze według zaostrz. 1, znamienne tym, że dodatkowo zawiera rurę bagnetową (154) wchodzącą do wlotowej rury chłodzącej (156), i dołączoną do źródła kriogenicznego płynu chłodzącego (190).
5. 5. Złącze według zastrz. 1, znamienne tym, że kriogenicznym płynem chłodzącym jest gazowy hel.
6. 6. Złącze według zastrz. 1, znamienne tym, że dodatkowo zawiera rurę stacjonarną (152) otaczającą wylotową rurę chłodzącą (166), i współosiową z nią.
7. 7. Złącze według zastrz. 6, znamienne tym, że dodatkowo zawiera trzecią rurę otaczającą wylotową rurę chłodzącą (166), przy czym ta trzecia rura podparta jest łożyskiem (178), zaś rura stacjonarna (152) jest podtrzymywana przez uszczelnienie z płynem magnetycznym.