DE2442277A1

DE2442277A1 - Kuehlmittelkreislauf fuer den laeufer einer elektrischen maschine mit supraleitender erregerwicklung

Info

Publication number: DE2442277A1
Application number: DE2442277A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Lambrecht; Erich Weghaupt
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1974-09-04
Filing date: 1974-09-04
Publication date: 1976-03-18
Also published as: US4035678A; JPS5155902A; FR2284209B1; CH597711A5; GB1480669A; FR2284209A1; JPS5836575B2

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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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

14 4 Z17 PA 74/9354 - 6 - Patentansprüche

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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