DE2442277A1 - Kuehlmittelkreislauf fuer den laeufer einer elektrischen maschine mit supraleitender erregerwicklung - Google Patents
Kuehlmittelkreislauf fuer den laeufer einer elektrischen maschine mit supraleitender erregerwicklungInfo
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Description
a Sep.
KRAI1TWEEK UNION AKTIENGESELLSCHAFT 4330 Mülheim-Ruhr,
Wiesenatraße 35
TTn a er Zeichen: PA 74/9354 Mea/Pl
Kühlmittelkreislauf für den Läufer einer elektriachen Maachine mit supraleitender Erregerwicklung
Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf für den Läufer einer elektrischen Maschine, inabesondere Turbogenerators,
mit einer supraleitenden Erregerwicklung und einen diese
umschließenden Kälteschirm mit Dämpferwicklung aowie einem
das erregerseitige Wellenende umschließenden Kühlmittelanschlußkopf,
über den das aus einer Kältemaschine zuströmende Kühlmittel einer axialen Wellenbohrung zugeführt und über
eine die Welle umschließende Auffangkammer aus der Welle wieder abgeführt wird.
Ein derartiger Kühlmittelkreislauf ist aus der DT-OS 2 028
bekannt. Das als Kühlmittel verwendete Helium wird dabei außerhalb des Läufers in einem Kompressor verdichtet und in einem
Kühlgerät verflüssigt und anschließend über einen Kühlmittelanschlußkopf einer axialen Wellenbohrung zugeführt. Nach Durchströmen
und Kühlen der supraleitenden Erregerwicklung tritt das Kühlmittel in eine die Welle umschließende Kühlmittelauf
fBTigkammer wieder aus. Ein Teil des Kühlmittels kann dabei
innerhalb des Läufers abgezweigt und zur Kühlung einer die Erregerwicklung
umschließende Abschirmung herangezogen werden.
Schwierigkeiten bei der Durchführung des Kälteprozessea ergeben
aich wegen der erforderlichen hohen Kälteleistung und
des relativ schlechten Prozeßwirküngsgrades der Kältemaschine
und des Kompressors. Darüber hinaus bereitet aber auch die Zu- und Ableitung des Heliums an der rotierenden Läuferwelle und
die Anordnung und Unterbringung der vielen Helium-Zufluß- und Abflußkanäle innerhalb des Läufers erhebliche Schwierigkeiten
und Dichtprobleme.
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- 2
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kühlmittelkreislauf
zu schaffen, mit dem einerseits die Erregerwicklung und der diese umhüllende Kälteschirm mit einer
Dämpferwicklung optimal gekühlt und der Prozeßwirkungagrad des Kälteprozesses erhöht werden kann·
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß die Kühlkanäle der radial innenliegenden Erregerwicklung und des radial außenliegenden Kälteschirmes zueinander in Reihe
geschaltet und nacheinander vom gleichen Kühlmittel durchströmt sind. Dabei kann durch die Führung des Kühlmittels ein
beachtlicher Eigenförderdruck erzeugt werden, so daß der Maschinenläufer den Kaltgaskompressor, der über den Kühlmittelanschlußkopf
angeschlossenen Kältemaschine bilden kann.
Durch eine derartige Führung des Kühlmittels und Ausbildung des Kühlraittelkreislaufs kann die gesamte Kompressorleitung
entfallen, die sonst erforderlich wäre, um das Helium auf
einen Kompressionadruck von ca. 20 bar zu bringen. Da damit das Ausgangstemperaturniveau des Kälteprozesses mit 80 bis
100 K bereits sehr niedrig gehalten werden kann, wird mit dem Läufer als Kaltgaskompressor ein höherer Prozeßwirkungsgrad
der Kältemaschine und damit auch eine bedeutende Einsparung an Anlagekosten erreicht.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen genannt«
Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise
eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung ist zunächst ganz schematisch der gegen die Außenatmosphäre
vakuumdichte Trommelläufer 1 gezeigt, in dessem Inneren die supraleitende Erregerwicklung 2 und konzentrisch dazu ein
Kälteschirm 3 mit einer Dämpferwicklung angeordnet sind. Das erregerseitige Wellenende 5 wird von einem Kühlmittelanschlußkopf
4 umschlossen, über den das Telium der Läuferwelle
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zugeführt und aus der es wieder abgeführt wird. Daa Kühlmittel tritt dabei von einer Kältemaschine 6 über eine leitung 7 in
die KühlmittelZuführungskammer 8 ein und von hier in axiale
Wellenbohrung 9 der Läuferwelle 5 über. Das aus dem Wellenende 5 über die radialen Bohrungen 10 wieder austretende,
aufgewärmte Kühlmittel wird in einer die Welle 5 umschließenden Kühlmittelauffangkammer 11 aufgefangen und über eine Leitung
12 der Kältemaschine 6 zugeführt.
Mit einer derartigen Anordnung und Kühlmittelführung ergibt sich bei Rotation des Läufers mit Nenndrehzahl eine Kühlmittelumwälzung
mit folgendem Verlauf und folgenden wesentlichen Vorteilen:
Das als Kühlmittel verwendete Helium verläßt beispielsweise mit ca. 4,2° K und einem Druck von ca. 1,0 bis 1,1 bar die
Kältemaschine 6 und gelangt in diesem Zustand über die Zuleitung 7 und die Kühlmittelzuführungskammer 8 in den axialen
Einströmkanal 9 der Welle 5. Das Helium wird dann im flüssigen oder leicht zweiphasigen Zustand am Anschlußpunkt 13 der supraleitenden
Wicklung 2 zugeführt. Es durchströmt diese Wicklung
2 in vielen parallelen Kanälen 14 und wird dann über radiale
Verbindungsleitungen 15 den Kühlkanälen 16 des Kälteschirmes
3 zugeführt, wobei dieser Kälteschirm 3 der Erregerwicklung 2
kühlungstechniach in Reihe geschaltet ist. An der Anschlußstelle
17 bei'ii Eintritt in die Kühlkanäle 16 des Kälteschirmea
3 hat das Helium eine Temperatur von ca. 5 K und - infolge
der Rotation des Läufers und der radialen Lage des Kälteschirmes 3 - einen Druck von ca. 23 bar angenommen. In den Kühlkanälen
16 des Kälteschirmes 3 geht dann das Helium vollkommen in den gasförmigen Zustand über. Dieser Phasenwechsel wird
durch die hohe Kühlleistung infolge der von außen durch Wärmeleitung
einströmenden Wärme bewirkt. Am Ende des Kälteschirmes 3 liegt an der Austrittsstelle 18 die Heliumtemperatur bei ca.
80 bis 100 K, während der Heliumdruck infolge des Strömungswiderstandes
in den Kühlkanälen 16 auf ca. 21 bar abgenommen
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hat. Über radiale Leitungen 19 gelangt das Heliumgas in einen den axialen Einströmkanal 9 umschließenden Austrittsringkanal
20. Infolge der geringen Dichte des Gases im Vergleich zum Zustand an der Anschlußstelle 17 ergibt sich beim radialen
Rückstrom in den Leitungen 19 nur ein geringer Rotationsgegendruck. Durch den ^-Effekt des Gases und auch durch die geometrische
Läuferauslegung beeinflußt steht am Läuferaustritt 10 ein Eigenförderdruck des Läufers von ca. 20 bar bei einer
!Temperatur von ca. 80 bis 100 K für das Kälteaggregat zur Verfügung.
Dieser Förderdruck wird im wesentlichen bestimmt durch die radiale Lage des Kälteschirmes 3, d. h. vom radialen Abstand
der Austrittsstelle 18 vom Austrittspunkt 10 bzw. Eintrittsstelle 17 vom Eintrittspunkt 8 sowie durch die Differenz
der spezifischen Gewichte des Heliums an diesen beiden Stellen. Durch diese Eigenförderwirkung des rotierenden Läufers kann
ein gesonderter Kompressor für die Kältemaschine eingespart werden, da der erforderliche Verdichtungsdruck jetzt allein
durch die Rotation des Läufers aufgebracht wird, wodurch erhebliche Einsparungen und zusätzlich ein besserer Prozeßwirkungsgrad
möglich ist.
Während in der Kühlmittelzuführungskammer 8 nur ein ganz geringer Vordruck herrscht, ist der Gasdruck in der Kühlmittelauffangkammer
11 sehr hoch. Gegen diesen Druck ist die Welle 5 nach beiden Seiten abzudichten. Aus diesem Grunde sind hierbei
zweckmäßigerweise berührungs- und verschleißfreie Flüssigkeitsdichtungen
21 verwendet, die beiderseits der Kühlmittelauffangkammer 11 angeordnet sind. Als Dichtmittel kommt dabei
Drucköl oder eine besonders für Helium geeignete Flüssigkeit in Betracht.
Die Funktionsbeschreibung des erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf
es bezieht sich jedoch nur auf den Betriebszustand, wobei der zur Verfügung stehende Förderdruck am Läuferaustritt
10 vom Aggregatzustand des Heliums abhängig ist. Das Anfahren eines solchen Generators aus dem Stillstand ist daher nur mit
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Hilfe eines in der Figur achematiach eingezeichneten Helium-Kryostaten
22 möglich, der schon vor Inbetriebnahme mit flüssigem Helium aufgeapeichert wird.
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Claims (5)
1. Kühlmittelkreislauf für den Läufer einer elektrischen Maschine,
insbesondere Turbogenerator mit einer supraleitenden
Erregerwicklung und einem diese umschließenden Kälteschirm mit Dämpferwicklung sowie einem das erregerseitige Wellenende
umschließenden Kühlmittelanschlußkopf, über den das aus einer Kältemaschine zuströmende Kühlmittel an der axialen
Wellenbohrung zugeführt und über eine die Welle umschließende Auffangkammer aus der Welle wieder abgeführt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (14) der radial innenliegenden Erregerwicklung (2) und die Kühlkanäle (16)
des radial außenliegenden Kälteschirmes (3) zueinander in Reihe geschaltet und nacheinander vom gleichen Kühlmedium
durchströmt sind.
2. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maschinenläufer (1) den Kaltgaskorapressor, der über
den Kühlmittelanschlußkopf (4) angeschlossenen Kältemaschine (6) bildet.
3. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die radiale Lage des Kälteschirmes (3) entsprechend dem erforderlichen Verdichtungsdruck der Kältemaschine
(6) gewählt ist.
4. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlmittelanschlußkopf (4) gegenüber der Läuferwelle (5) mittels berührungsloser Flüssigkeitsdichtungen
(21) abgedichtet ist.
5. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anfahren der Maschine mittels einer Kühlmitteleinspeisung
aus einem Kryostaten (22) erfolgt.
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