DE102018207662A1 - Rotary machine with superconducting magnetic bearing and method for starting a rotary machine with superconducting magnetic conductor - Google Patents

Rotary machine with superconducting magnetic bearing and method for starting a rotary machine with superconducting magnetic conductor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine (1), umfassend wenigstens ein supraleitendes Magnetlager (2) zur drehbaren Lagerung eines Rotors (3). Des Weiteren umfasst die Rotationsmaschine (1) einen ersten Kühlkreislauf (A) umfassend wenigstens ein Kühlmittel sowie einen ersten Kühlmittelverdichter (4) zum Verdichten des Kühlmittels und eine erste Drossel (5) zum Entspannen des Kühlmittels. Der erste Kühlkreislauf (A) und das supraleitende Magnetlager (2) sind dabei derart ausgebildet oder angeordnet, so dass das supraleitende Magnetlager (2) unterhalb einer Sprungtemperatur (T) des Supraleiters kühlbar ist. Der erste Kühlmittelverdichter (4) ist dabei direkt vom Rotor (3) der Rotationsmaschine (1) antreibbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine (1).The invention relates to a rotary machine (1), comprising at least one superconducting magnetic bearing (2) for the rotatable mounting of a rotor (3). Furthermore, the rotary machine (1) comprises a first cooling circuit (A) comprising at least one coolant and a first coolant compressor (4) for compressing the coolant and a first throttle (5) for releasing the coolant. The first cooling circuit (A) and the superconducting magnetic bearing (2) are designed or arranged such that the superconducting magnetic bearing (2) below a transition temperature (T) of the superconductor can be cooled. The first coolant compressor (4) is directly drivable by the rotor (3) of the rotary machine (1). Furthermore, the invention relates to a method for starting a rotary machine (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 7.The invention relates to a rotary machine according to the preamble of independent claim 1 and a method for starting a rotary machine according to the preamble of independent claim 7.

Rotoren von Rotationsmaschinen, wie bspw. Gas- oder Dampfturbinen werden bislang überwiegend mittels hydrodynamischer Gleitlager gelagert. Aufgrund der hydrodynamischen Lagerung des Rotors kommt es zu hohen Reibungsverlusten und damit zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der Rotationsmaschine. Aus diesem Grund werden bei kleineren Rotationsmaschinen zunehmend Magnetlagerungen eingesetzt. Bei den Magnetlagern handelt es sich meist um elektromagnetische Lager. Grundsätzlich bieten Magnetlager den großen Vorteil, dass sie im Wesentlichen eine reibungsfreie Lagerung des Rotors ermöglichen und damit zu einer wesentlichen Wirkungsgradsteigerung beitragen. Darüber hinaus kann auf die bei Gleitlagern erforderliche Ölversorgung der Lager verzichtet werden, wodurch ein hoher konstruktiver Aufwand entfällt. Die Ölfreilagerung bietet darüber hinaus insbesondere für Anwendungsfelder, wo eine Brandlast unter allen Umständen zu vermeiden ist, große Vorteile.Rotors of rotary machines, such as, for example, gas or steam turbines are currently stored mainly by means of hydrodynamic plain bearings. Due to the hydrodynamic bearing of the rotor, it comes to high friction losses and thus to a reduction in the efficiency of the rotary machine. For this reason, magnetic bearings are increasingly used in smaller rotary machines. The magnetic bearings are mostly electromagnetic bearings. Basically, magnetic bearings offer the great advantage that they essentially allow a frictionless mounting of the rotor and thus contribute to a significant increase in efficiency. In addition, it is possible to dispense with the oil supply required for plain bearings of the bearings, which eliminates a high design effort. In addition, oil-free storage offers great advantages, in particular for applications in which a fire load must be avoided under all circumstances.

Einem Einsatz von Magnetlagern bei größeren Rotationsmaschinen steht allerdings die derzeit noch begrenzte Tragfähigkeit der Magnetlager entgegen. Um die Tragfähigkeit der Magnetlager zu erhöhen, ist mit den derzeit vorhandenen Werkstoffen, eine Vergrößerung der Wirkfläche, d.h. des Durchmessers und/oder der axialen Länge des Magnetlagers notwendig. Damit vergrößern sich aber auch die Rotorenden, das Lagergehäuse und letztendlich die Maschinenhauptabmessungen, so dass die Gesamtkosten steigen und der Einsatz von konventionellen Gleitlagern durch elektromagnetische Lager, bspw. bei Retrofits/Serviceaufträgen unmöglich wird, weil dort die neue Maschine in einen bestehenden Bauraum eingepasst werden muss.However, the use of magnetic bearings in larger rotary machines is precluded by the currently still limited carrying capacity of the magnetic bearings. In order to increase the bearing capacity of the magnetic bearings, with the existing materials, an increase in the effective area, i. E. the diameter and / or the axial length of the magnetic bearing necessary. But this also increases the rotor ends, the bearing housing and ultimately the main machine dimensions, so that the total cost increases and the use of conventional plain bearings by electromagnetic bearings, eg. For retrofits / service orders is impossible, because there the new machine are fitted into an existing space got to.

Um die Tragfähigkeit von Magnetlagern zu erhöhen, schlägt die nicht-vorveröffentlichte Patentanmeldung DE102018202994 der Anmelderin vor, supraleitende Magnetlager einzusetzen. Die supraleitenden Magnetlager werden mit einem sehr starken Magnetfeld beaufschlagt während sie in den supraleitenden Zustand übergehen. Dieses Magnetfeld ist dann „eingefroren“ und hat eine magnetische Flussdichte BS , die um den Faktor 2 größer ist als die Flussdichte BA des konventionellen elektromagnetischen Lagers. Hiermit ist auch die spezifische Belastbarkeit des supraleitenden Magnetlagers deutlich größer als die des elektromagnetischen Lagers und die Baugröße der Magnetlageranordnung lässt sich somit im Vergleich zu einer Magnetlagerung mit Gleitlagern halten oder gar reduzieren. Um das für die Lagerung notwendige Magnetfeld aufrechtzuerhalten, muss das supraleitende Magnetlager allerdings ständig unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur TC des Supraleiters betrieben werden. Hierzu bedarf es einer entsprechenden Kühlung. Bislang werden hierzu externe Kühlanlagen mit hohem Energiebedarf verwendet. Durch den hohen Energiebedarf der externen Kühlanlagen wird der Wirkungsgradvorteil der supraleitenden Magnetlager zum Teil wieder wettgemacht.In order to increase the carrying capacity of magnetic bearings, proposes the non-prepublished patent application DE102018202994 the Applicant to use superconducting magnetic bearings. The superconducting magnetic bearings are subjected to a very strong magnetic field as they go into the superconducting state. This magnetic field is then "frozen" and has a magnetic flux density B s that by the factor 2 is greater than the flux density B A of the conventional electromagnetic bearing. Hereby, the specific load capacity of the superconducting magnetic bearing is significantly greater than that of the electromagnetic bearing and the size of the magnetic bearing assembly can thus hold or even reduce compared to a magnetic bearing with plain bearings. However, in order to maintain the necessary magnetic field for storage, the superconducting magnetic bearing must constantly below the so-called transition temperature T C of the superconductor are operated. This requires a corresponding cooling. So far, external cooling systems with high energy requirements are used for this purpose. Due to the high energy demand of the external cooling systems, the efficiency advantage of the superconducting magnetic bearings is partly made up for again.

Ausgehend vom zuvor beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotationsmaschine mit wenigstens einem supraleitenden Magnetlager bereitzustellen, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine mit einem supraleitenden Magnetlager bereitzustellen.Starting from the above-described prior art, it is an object of the present invention to provide a rotary machine with at least one superconducting magnetic bearing, which overcomes the disadvantages of the prior art. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a method for starting up a rotary machine with a superconducting magnetic bearing.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Rotationsmaschine durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 7 gelöst.The object is achieved with regard to the rotary machine by the features of independent claim 1 and with respect to the method by the features of independent claim 7.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.Further embodiments of the invention, which are used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Rotationsmaschine, umfassend wenigstens ein supraleitendes Magnetlager zur drehbaren Lagerung eines Rotors sowie einen ersten Kühlkreislauf, umfassend wenigstens ein Kühlmittel sowie einen ersten Kühlmittelverdichter zum Verdichten des Kühlmittels und eine erste Drossel zum Entspannen des Kühlmittels zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Kühlkreislauf und das supraleitende Magnetlager derart ausgebildet und angeordnet sind, dass das supraleitende Magnetlager unterhalb einer Sprungtemperatur TC des Supraleiters kühlbar ist und der erste Kühlmittelverdichter vom Rotor der Rotationsmaschine antreibbar ist.The rotary machine according to the invention, comprising at least one superconducting magnetic bearing for rotatably supporting a rotor and a first cooling circuit comprising at least one coolant and a first coolant compressor for compressing the coolant and a first throttle for expanding the coolant is characterized in that the first cooling circuit and the Superconducting magnetic bearings are designed and arranged such that the superconducting magnetic bearing below a transition temperature T C the superconductor can be cooled and the first coolant compressor can be driven by the rotor of the rotary machine.

Durch die direkte Anordnung des ersten Kühlmittelverdichters auf bzw. am Rotor wird das Prinzip der direkt betriebenen Hauptölpumpe bei Gleitlagern auf das supraleitende Magnetlager übertragen. Durch den direkten Antrieb des ersten Kühlmittelverdichters durch den Rotor sind keine zusätzlichen Aggregate wie bspw. Servomotoren für den Kühlmittelverdichter erforderlich, wodurch der konstruktive Aufwand deutlich geringer ist und die Kosten für die Kühlung der supraleitenden Magnetlager sinken. Der Direktantrieb des Kühlmittelverdichters mittels des Rotors wirkt sich zudem positiv auf den benötigten Energiebedarf aus und sorgt dadurch für eine Wirkungsgradsteigerung beim supraleitenden Magnetlager.Due to the direct arrangement of the first coolant compressor on or on the rotor, the principle of the directly operated main oil pump is transmitted to the superconducting magnetic bearing in slide bearings. Due to the direct drive of the first coolant compressor through the rotor no additional units such as servomotors for the refrigerant compressor are required, whereby the design effort is significantly lower and the cost of cooling the superconducting magnetic bearings decrease. The direct drive of the refrigerant compressor by means of the rotor also has a positive effect on the required Energy requirement and thereby ensures an increase in efficiency of the superconducting magnetic bearing.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Rotationsmaschine einen zweiten Kühlkreislauf umfasst, der über einen Wärmetauscher mit dem ersten Kühlkreislauf in Wirkverbindung steht, wobei eine Kältemenge vom ersten Kühlkreislauf auf den zweiten Kühlkreislauf übertragbar ist und der zweite Kühlkreislauf eine Wärmemenge von dem supraleitenden Magnetlager aufnehmen kann, so dass die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters gehalten werden kann. Hierdurch sind die eigentliche Kältemaschine und der Kühlkreislauf zum Kühlen des supraleitenden Magnetlagers voneinander getrennt und über den Wärmetauscher miteinander verbunden. Hierdurch ist es bspw. möglich, eine zweite redundante Kältemaschine auszubilden und an den zweiten Kühlkreislauf anzubinden.An embodiment of the invention provides that the rotary machine comprises a second cooling circuit, which is in operative connection via a heat exchanger with the first cooling circuit, wherein a quantity of refrigerant from the first cooling circuit to the second cooling circuit is transferable and the second cooling circuit absorb a quantity of heat from the superconducting magnetic bearing can, so that the temperature of the superconducting magnetic bearing below the transition temperature T C of the superconductor can be kept. As a result, the actual chiller and the cooling circuit for cooling the superconducting magnetic bearing are separated from each other and connected to each other via the heat exchanger. This makes it possible, for example, to form a second redundant chiller and connect it to the second cooling circuit.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der zweite Kühlkreislauf eine Kühlmittelpumpe umfasst, mittels derer das Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf umwälzbar ist. Durch die Kühlmittelpumpe kann die Wärmemenge die vom supraleitenden Magnetlager an das Kühlmittel abgegeben werden kann deutlich gesteigert werden.A further embodiment of the invention provides that the second cooling circuit comprises a coolant pump, by means of which the coolant in the second cooling circuit is recirculated. By the coolant pump, the amount of heat that can be delivered from the superconducting magnetic bearing to the coolant can be significantly increased.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kühlmittelpumpe vom Rotor der Rotationsmaschine antreibbar ist. Hierdurch ergeben sich dieselben Vorteile wie beim direkt angetriebenen Kühlmittelverdichter, d.h. der konstruktive Aufwand wird deutlich verringert und die benötigte Energie zum Antreiben der Kühlmittelpumpe wird direkt über den Rotor bereitgestellt.A further embodiment of the invention provides that the coolant pump can be driven by the rotor of the rotary machine. This results in the same advantages as with the directly driven refrigerant compressor, i. the design effort is significantly reduced and the energy required to drive the coolant pump is provided directly via the rotor.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein dritter Kühlkreislauf vorgesehen ist, wobei der dritte Kühlkreislauf unabhängig vom ersten Kühlkreislauf eine Kältemenge bereitstellen kann, die ausreicht, die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters zu halten. Der dritte Kühlkreislauf ermöglicht eine unabhängige Kühlung der supraleitenden Magnetlager, insbesondere während des Anfahrens der Rotationsmaschine bzw. im Turn- oder im Notbetrieb. Hierdurch ergibt sich eine deutlich erhöhte Betriebssicherheit der Rotationsmaschine.A further embodiment of the invention provides that a third cooling circuit is provided, wherein the third cooling circuit independently of the first cooling circuit can provide a cold amount that is sufficient, the temperature of the superconducting magnetic bearing below the transition temperature T C of the superconductor. The third cooling circuit allows independent cooling of the superconducting magnetic bearings, in particular during startup of the rotary machine or in turn or emergency operation. This results in a significantly increased reliability of the rotary machine.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der dritte Kühlkreislauf mit dem ersten und/oder zweiten Kühlkreislauf schalttechnisch derart verbunden ist, dass je nach Betriebszustand der Rotationsmaschine das supraleitende Magnetlager vom ersten und/oder zweiten und/oder dritten Kühlkreislauf kühlbar ist. Durch die Verschaltung der unterschiedlichen Kühlkreisläufe kann jeweils die optimale Kühlung des supraleitenden Magnetlagers gewährleistet werden.A further embodiment of the invention provides that the third cooling circuit is connected to the first and / or second cooling circuit such that, depending on the operating state of the rotary machine, the superconducting magnetic bearing from the first and / or second and / or third cooling circuit is coolable. By interconnecting the different cooling circuits, the optimal cooling of the superconducting magnetic bearing can be ensured in each case.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6 zeichnet sich dadurch aus, dass während des Anfahrens der Rotationsmaschine und bis zum Erreichen des vorgegebenen Betriebspunktes das supraleitende Magnetlager zumindest teilweise durch den dritten Kühlkreislaufs gekühlt wird. Beim Anfahren der Rotationsmaschine kann der direkt angetriebene erste Kühlmittelverdichter unter Umständen noch nicht genügend Kühlmittel bereitstellen, um eine ausreichende Kühlung des supraleitenden Magnetlagers zu gewährleisten. Durch das zusätzliche Kühlen des supraleitenden Magnetlagers mittels des dritten Kühlkreislaufs wird die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers unter allen Umständen unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters gehalten, wodurch die Magneteigenschaft des Supraleiters erhalten bleibt.The inventive method for starting a rotary machine according to one of claims 5 or 6 is characterized in that during startup of the rotary machine and until reaching the predetermined operating point, the superconducting magnetic bearing is at least partially cooled by the third cooling circuit. When starting the rotary machine, the directly driven first refrigerant compressor may under certain circumstances not provide enough coolant to ensure sufficient cooling of the superconducting magnetic bearing. By the additional cooling of the superconducting magnetic bearing by means of the third cooling circuit, the temperature of the superconducting magnetic bearing is under all circumstances below the transition temperature T C of the superconductor, whereby the magnetic property of the superconductor is maintained.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:

  • - 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotationsmaschine mit einem ersten Kühlkreislauf;
  • - 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotationsmaschine mit zwei Kühlkreisläufen;
  • - 3 ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Rotationsmaschine mit drei Kühlkreisläufen; und
  • - 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Rotationsmaschine mit drei Kühlkreisläufen.
Further advantages and embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS. It shows:
  • - 1 a first embodiment of a rotary machine according to the invention with a first cooling circuit;
  • - 2 A second embodiment of a rotary machine according to the invention with two cooling circuits;
  • - 3 a third embodiment of a rotary machine according to the invention with three cooling circuits; and
  • - 4 an alternative embodiment of a rotary machine with three cooling circuits.

Bei den Figuren handelt es sich um schematische Darstellungen, bei denen im Wesentlichen nur die zur Erfindung notwendigen Bauteile dargestellt sind. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. The figures are schematic representations in which essentially only the components necessary for the invention are shown. The same or functionally identical components are cross-figured with the same reference numerals.

1 zeigt eine Rotationsmaschine 1, umfassend einen Rotor 3, welcher mittels supraleitender Magnetlager 2 drehbar gelagert ist. Zur Kühlung der supraleitenden Magnetlager 2 ist ein erster Kühlkreislauf A vorgesehen. Bei dem Kühlkreislauf A handelt es sich im Prinzip um eine Kompressionskältemaschine. Das flüssige Kühlmittel strömt über Rohrleitungen zunächst zum supraleitenden Magnetlager 2. Dort nimmt das Kühlmittel Wärme von dem supraleitenden Magnetlager auf und verdampft. Das gasförmige Kühlmittel wird anschließend im Kühlmittelverdichter 4 komprimiert und dabei auf ein höheres Temperatur- und Druckniveau angehoben. Im Anschluss an den Kühlmittelverdichter 4 gibt das Kühlmittel Wärme an die Umgebung ab und kondensiert dabei. Um die Kondensation zu verbessern ist ein zusätzlicher Kondensator 10 vorgesehen. In einer nachgeschalteten Drossel 5 (Expansionsventil) wird das kondensierte Kühlmittel auf ein niedrigeres Druckniveau entspannt und anschließend einem Ausgleichsbehälter 11 zugeführt. Von dort gelangt das flüssige Kühlmittel erneut zum supraleitenden Magnetlager 2. Der erste Kühlkreislauf A ist dabei so ausgelegt und ausgebildet, dass das supraleitende Magnetlager 2 stets unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters gehalten werden kann und so sichergestellt wird, dass die magnetische Wirkung des supraleitenden Magnetlagers 2 erhalten bleibt. Der Kühlmittelverdichter 4 wird dabei direkt vom Rotor 3 angetriebenen. Durch die direkte mechanische Kopplung des Kühlmittelverdichters 4 mit dem Rotor 3 sind keine zusätzlichen Servomotoren oder Antriebe für den Kühlkreislauf erforderlich. Hierdurch reduziert sich der konstruktive Aufwand erheblich wodurch die Kosten für die Rotationsmaschine sinken. Zudem können durch den direkt angetriebenen Kühlmittelverdichter 4 Antriebsenergien eingespart und damit der Wirkungsgrad der Rotationsmaschine 1 erhöht werden. 1 shows a rotating machine 1 comprising a rotor 3 , which by means of superconducting magnetic bearings 2 is rotatably mounted. For cooling the superconducting magnetic bearings 2 is a first cooling circuit A intended. In the cooling circuit A is in principle a compression refrigeration machine. The liquid coolant first flows via pipes to the superconducting magnetic bearing 2 , There, the coolant absorbs heat from the superconducting magnetic bearing and evaporates. The gaseous coolant is then in the refrigerant compressor 4 compressed and thereby raised to a higher temperature and pressure level. Following the coolant compressor 4 gives the coolant Heat to the environment and condenses. To improve the condensation is an additional capacitor 10 intended. In a downstream throttle 5 (Expansion valve), the condensed refrigerant is released to a lower pressure level and then a surge tank 11 fed. From there, the liquid coolant returns to the superconducting magnetic bearing 2 , The first cooling circuit A is designed and designed so that the superconducting magnetic bearing 2 always below the transition temperature T C of the superconductor can be kept and thus ensures that the magnetic effect of the superconducting magnetic bearing 2 preserved. The refrigerant compressor 4 is doing directly from the rotor 3 driven. Due to the direct mechanical coupling of the coolant compressor 4 with the rotor 3 No additional servomotors or drives are required for the cooling circuit. As a result, the design effort is significantly reduced whereby the cost of the rotary machine decrease. In addition, thanks to the directly driven coolant compressor 4 Drive energy saved and thus the efficiency of the rotary machine 1 increase.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotationsmaschine 1. Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 dadurch, dass ein zweiter Kühlkreislauf B vorgesehen ist. Die Kühlung der supraleitenden Magnetlager 2 erfolgt dabei durch den Kühlkreislauf B, welcher über einen Wärmetauscher 6 mit dem ersten Kühlkreislauf A in Wirkverbindung steht. Dabei wird eine Kältemenge vom ersten Kühlkreislauf A über den Wärmetauscher 6 auf den zweiten Kühlkreislauf B übertragen. Um das Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf B umzuwälzen und hierdurch die Wärmeabfuhr von den supraleitenden Magnetlager 2 zu erhöhen, ist eine Kühlmittelpumpe 7 vorgesehen. Die Kühlmittelpumpe 7 ist wie der erste Kühlmittelverdichter 4 auf dem Rotor 3 der Rotationsmaschine 1 angeordnet und wird von diesem direkt angetrieben, so dass wiederum auf zusätzliche Servomotoren oder Antriebe verzichtet werden kann. Somit ergibt sich eine konstruktiv einfache Ausgestaltung des Kühlkreislaufs B. Zudem ist der Energiebedarf deutlich geringer als bei Verwendung von zusätzlichen Antrieben, so dass der Wirkungsgrad der Rotationsmaschine 1 steigt. 2 shows a second embodiment of a rotary machine according to the invention 1 , The embodiment differs from the exemplary embodiment 1 in that a second cooling circuit B is provided. The cooling of the superconducting magnetic bearings 2 takes place through the cooling circuit B which is via a heat exchanger 6 with the first cooling circuit A is in active connection. In this case, a quantity of refrigerant from the first cooling circuit A over the heat exchanger 6 on the second cooling circuit B transfer. To the coolant in the second cooling circuit B to circulate and thereby heat dissipation from the superconducting magnetic bearings 2 increase is a coolant pump 7 intended. The coolant pump 7 is like the first refrigerant compressor 4 on the rotor 3 the rotary machine 1 arranged and is driven directly by this, so that in turn can be dispensed with additional servomotors or drives. This results in a structurally simple embodiment of the cooling circuit B , In addition, the energy requirement is significantly lower than when using additional drives, so that the efficiency of the rotary machine 1 increases.

3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotationsmaschine 1. Das Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zum Ausführungsbeispiel nach 2 dadurch, dass ein dritter Kühlkreislauf C vorgesehen ist, wobei der dritte Kühlkreislauf C unabhängig vom ersten Kühlkreislauf eine Kältemenge bereitstellen kann, die ausreicht, die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers 2 unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters zu halten. Die Kältemenge kann dabei bspw. mit einer weiteren Kompressionskältemaschine bereitgestellt werden, wobei diese nicht direkt vom Rotor angetrieben wird sondern über einen zusätzlichen Servomotor oder einen zusätzlichen Antrieb angetrieben wird. Die Kältemenge kann aber auch über andere Wege bspw. mittels flüssigen Stickstoffs bereitgestellt werden. Da der Kühlkreislauf C unabhängig vom Rotor 3 der Rotationsmaschine 1 betrieben werden kann, eignet sich der Kühlkreislauf C insbesondere zum Kühlen der supraleitenden Magnetlager 2 während des Anfahrens der Rotationsmaschine 1 sowie für den Turn-/Notbetrieb. Während des Anfahrens und im Turn-/Notbetrieb kann der Kühlmittelverdichter 4 noch nicht genügend Leistung erbringen, um die notwendige Kühlung für die supraleitenden Magnetlager 2 bereitzustellen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 sind steuerbare Ventile 8 zum Umschalten zwischen den Kühlkreisläufen B und C vorgesehen, so dass für die Kühlung größtenteils dieselben Leitungen verwendet werden können. Hierdurch wird der Aufwand für die Verrohrung auf ein Minimum reduziert. 3 shows a third embodiment of a rotary machine according to the invention 1 , The embodiment differs from the exemplary embodiment 2 in that a third cooling circuit C is provided, wherein the third cooling circuit C regardless of the first cooling circuit can provide a sufficient amount of refrigerant, the temperature of the superconducting magnetic bearing 2 below the transition temperature T C of the superconductor. The amount of refrigerant can be provided, for example, with another compression refrigeration machine, which is not driven directly by the rotor but is driven by an additional servo motor or an additional drive. The amount of cold can also be provided by other means, for example. By means of liquid nitrogen. As the cooling circuit C independent of the rotor 3 the rotary machine 1 can be operated, the cooling circuit is suitable C in particular for cooling the superconducting magnetic bearings 2 during startup of the rotary machine 1 as well as for the turn / emergency operation. During start-up and in turn / emergency operation, the coolant compressor 4 not enough power to provide the necessary cooling for the superconducting magnetic bearings 2 provide. According to the embodiment according to 3 are controllable valves 8th for switching between the cooling circuits B and C provided so that for the most part the same lines can be used for the cooling. As a result, the cost of the piping is reduced to a minimum.

Im Ausführungsbeispiel nach 4 sind zwei getrennte Kühlkreisläufe B und C vorgesehen, so dass hier auf die umschaltbaren Steuerventile 8 verzichtet werden kann. Hierdurch nimmt der Aufwand für die Verrohrung zu. Jedoch lässt sich hierdurch der steuertechnische Aufwand verringern.In the embodiment according to 4 are two separate cooling circuits B and C provided, so here on the switchable control valves 8th can be waived. As a result, the cost of the piping increases. However, this can reduce the tax technical effort.

Das Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine nach einem der Ausführungsbeispiele 3 und 4 gestaltet sich derart, dass während des Anfahrens der Rotationsmaschine 1 und bis zum Erreichen eines als vorgegebenen Betriebspunktes das supraleitende Magnetlager 2 zumindest teilweise mittels des dritten Kühlkreislaufs C gekühlt wird. Beim Erreichen des vorgegebenen Betriebspunktes kann dann die gesamte Kühlung über den ersten und zweiten Kühlkreislauf A, B erfolgen und der Kühlkreislauf C kann abgeschaltet werden. Während des Turn- und Notbetriebs kann dann wieder die Kühlung zumindest teilweise über den Kühlkreislauf C erfolgen.The method for starting a rotary machine according to one of the embodiments 3 and 4 designed such that during startup of the rotary machine 1 and until reaching a predetermined operating point, the superconducting magnetic bearing 2 at least partially by means of the third cooling circuit C is cooled. Upon reaching the predetermined operating point then the entire cooling via the first and second cooling circuit A . B done and the cooling circuit C can be switched off. During the gymnastics and emergency operation, the cooling can then again at least partially via the cooling circuit C respectively.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch die erfindungsgemäße Rotationsmaschine das Prinzip der direkt getriebenen Hauptölpumpen bei Rotationsmaschinen mit Gleitlagerung Verwendung findet. Durch die mechanische Kopplung der Kühlmittelpumpe bzw. des Kühlmittelverdichters an den Rotor der Rotationsmaschine kann auf zusätzliche Servomotoren und Antriebe verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Rotationsmaschine ermöglicht somit eine hohe Betriebssicherheit bei geringerem konstruktivem Aufwand und verringertem Energiebedarf.In summary, it can be stated that the principle of directly driven main oil pumps is used in rotary machines with plain bearings by the rotary machine according to the invention. Due to the mechanical coupling of the coolant pump or the coolant compressor to the rotor of the rotary machine can be dispensed with additional servomotors and drives. The rotary machine according to the invention thus enables a high level of operational reliability with less design effort and reduced energy consumption.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102018202994 [0004]DE 102018202994 [0004]

Claims (7)

Rotationsmaschine (1) umfassend wenigstens ein supraleitendes Magnetlager (2) zur drehbaren Lagerung eines Rotors (3), sowie einen ersten Kühlkreislauf (A) umfassend wenigstens ein Kühlmittel sowie einen ersten Kühlmittelverdichter (4) zum verdichten des Kühlmittels und eine erste Drossel (5) zum Entspannen des Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (A) und das supraleitende Magnetlager (2) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass das supraleitende Magnetlager (2) unterhalb einer Sprungtemperatur TC des Supraleiters kühlbar ist und der erste Kühlmittelverdichter (4) vom Rotor (3) der Rotationsmaschine (1) antreibbar ist.Rotary machine (1) comprising at least one superconducting magnetic bearing (2) for rotatably mounting a rotor (3), and a first cooling circuit (A) comprising at least one coolant and a first coolant compressor (4) for compressing the coolant and a first throttle (5) for relaxing the coolant, characterized in that the first cooling circuit (A) and the superconducting magnetic bearing (2) are designed and arranged so that the superconducting magnetic bearing (2) below a transition temperature T C of the superconductor can be cooled and the first coolant compressor (4 ) by the rotor (3) of the rotary machine (1) is drivable. Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsmaschine (1) einen zweiten Kühlkreislauf (B) umfasst, der über einen Wärmetauscher (6) mit dem ersten Kühlkreislauf (A) in Wirkverbindung steht, wobei eine Kältemenge vom ersten Kühlkreislauf (A) auf den zweiten Kühlkreislauf (B) übertragbar ist und der zweite Kühlkreislauf (B) eine Wärmemenge von dem supraleitenden Magnetlager (2) aufnehmen kann, so dass die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers (2) unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters gehalten werden kann.Rotary machine (1) after Claim 1 , characterized in that the rotary machine (1) comprises a second cooling circuit (B) which is in operative connection via a heat exchanger (6) with the first cooling circuit (A), wherein a quantity of refrigerant from the first cooling circuit (A) to the second cooling circuit ( B) is transferable and the second cooling circuit (B) can receive a quantity of heat from the superconducting magnetic bearing (2), so that the temperature of the superconducting magnetic bearing (2) below the transition temperature T C of the superconductor can be maintained. Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf (B) eine Kühlmittelpumpe (7) umfasst, mittels derer das Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf (B) umwälzbar ist.Rotary machine (1) after Claim 2 , characterized in that the second cooling circuit (B) comprises a coolant pump (7), by means of which the coolant in the second cooling circuit (B) is recirculatable. Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe (7) vom Rotor (3) der Rotationsmaschine (1) antreibbar ist.Rotary machine (1) after Claim 2 or 3 , characterized in that the coolant pump (7) from the rotor (3) of the rotary machine (1) is drivable. Rotationsmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Kühlkreislauf (C) vorgesehen ist, wobei der dritte Kühlkreislauf (C) unabhängig vom ersten Kühlkreislauf eine Kältemenge bereitstellen kann die ausreicht, die Temperatur des supraleitenden Magnetlagers (2) unterhalb der Sprungtemperatur TC des Supraleiters zu halten.Rotary machine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a third cooling circuit (C) is provided, wherein the third cooling circuit (C) independently of the first cooling circuit can provide a cold amount sufficient, the temperature of the superconducting magnetic bearing (2) below to keep the critical temperature T C of the superconductor. Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kühlkreislauf (C) mit dem ersten und zweiten Kühlkreislauf (A, B) schalttechnisch derart verbunden ist, dass je nach Betriebszustand der Rotationsmaschine (1) das supraleitende Magnetlager (2) vom ersten und zweiten Kühlkreislauf (A, B) oder vom zweiten und dritten Kühlkreislauf (B, C) kühlbar ist.Rotary machine (1) after Claim 5 , characterized in that the third cooling circuit (C) with the first and second cooling circuit (A, B) is connected by switching technology such that depending on the operating state of the rotary machine (1), the superconducting magnetic bearing (2) from the first and second cooling circuit (A, B) or from the second and third cooling circuit (B, C) is coolable. Verfahren zum Anfahren einer Rotationsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Anfahrens der Rotationsmaschine (1) und bis zum Erreichen eines vorgegebenen Betriebspunktes das supraleitende Magnetlager (2) zumindest teilweise mittels des dritten Kühlkreislaufs (C) gekühlt wird.Method for starting a rotary machine (1) according to one of Claims 5 or 6 , characterized in that during the startup of the rotary machine (1) and until reaching a predetermined operating point, the superconducting magnetic bearing (2) is at least partially cooled by means of the third cooling circuit (C).
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