DE2742477C3 - Anordnung zur Kühlung des Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kühlung des Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Anordnung zur Kühlung des Rotors einer elektrischen Maschine ist aus dem Bericht »EPRITD-255, Projekt 672-1, Final Report«, August 1976, Seiten 45 bis 48 bekannt. Dort wird das zur Kühlung erforderliche Kühlmittel von einer Kältemaschine aus im flüssigen Zustand und unter geringem Druck über eine rotierende Kupplung zentral durch die Rotorwelle geführt und in eine dort vorhandene, achsnahe Mischkammer eingeleitet. Die entsprechende Einleitungsstelle ist als Joule-Thomson-Entspannungsvorriehtung gestaltet, so daß sich in der Mischkammer ein Zweiphasengemisch aus flüssigem und gasförmigem Kühlmittel ausbildet. Aufgrund der bei Rotation auf dieses Zweiphasengemibch einwirkenden Zentrifugalkräfte werden der Kühlmitteldampf in achsnahen und die Kühlmittelflüssigkeit in achsfernen Bereichen der Mischkammer angelagert. Von dem achsfernen Bereich der Mischkammer aus wird ein erster Kühlmittelstrom mit flüssigem Kühlmittel über radiale Kanäle in ein Kühlmittelbad gepumpt, in dem die supraleitende Erregerwicklung angeordnet ist. In dem Kühlmittelbad wird die Verlustleistung der Wicklung an das Kühlmittel abgegeben, das über weitere radiale Kanäle wieder zurück in den achsfernen Bereich der Mischkammer

40 geleitet wird. Die dabei mittransportierte Wärmemenge bewirkt eine teilweise Verdampfung des Kühlmittels. Zur Kühlung eines Kälieschildes ist ein /weiter Kühlmittelstrom mit aus den achsnahen Bereichen der Mischkammer abgeleitetem Kühlmitteldampf vorgesehen. Der Kälteschild stellt dabei im allgemeinen einen mitrotierenden Dämpferschild zwischen der Erregerwicklung und einer sie umschließenden, feststehenden Ständerwicklung der Maschine dar. Nachdem der zweite Kühlmittelstrom durch mit dem Dämpferschild wärmeleitend verbundene Kühlkanäle geleitet worden ist, wird er über eine weitere rotierende Heliurnkupplung in Achsnähe des Rotors aus diesem herausgeführt und in die Kältemaschine zurückgeleitet. Die erforderliehe Pumpwirkung zur Ausbildung der Strömungen des ersten und zweiten Kühlmittelstromes wird durch den sogenannten Selbstpump-Effekt hervorgerufen. Dabei wird das Kühlmittel in radial nach außen geführten Kanälen aufgrund von zentrifugalen Kräften beschleunigt und kann so in die Erregerwicklung bzw. den Kälteoder Dämpferschild gepumpt werden. Da es sich in diesen Bauteilen aufgrund der auftretenden Verlustleistungen oder durch Wärmeübertragung von außen erwärmt, nimmt sein spezifisches Gewicht entsprechend

'-· ab. Es bildet sich so zwischen der Einspeise- und Austrittsstelle des Kühlmittels ein Druckgefälle aus, das für eine Rückführung des Kühlmittels in achsnahe Bereiche ausreicht.

Bei der bekannten Maschine sind aber die zulässigen Dämpferverluste durch die zur Verfügung stehende Dampfmenge begrenzt. In Störungsfällea wie beispielsweise bei plötzlichen Laständerunjren, bei Schieflast oder bei Kurzschluß kann jedoch die Dämpferverlustleistung sprunghaft zunehmen. Die für eine Abführung dieser Verlustleistung zur Verfügung stehende Kühlmittelmenge des zweiten Kühlmittelstromes kann dann aber zu ge-ing sein, um eine unzulässige Erwärmung des Dämpferschildes zu verhindern. Da diese Erwärmung des Dämpferschildes auch auf die supraleitende Erregerwicklung zurückwirkt, besteht dann die Gefahr, daß die Erregerwicklung zu stark erwärmt wird und ihre Leiter in den normalleitenden Zustand übergehen.

Aus der DE-OS 20 28 158 ist eine weitere Anordnung zur Kühlung einer rotierenden elektrischen Maschine mit supraleitender Wicklung bekannt (vgl. Fig. 4). In einem zentralen Innenraum des Rotors dieser Maschine ist die letzte Kühlstufe einer Kältemaschine für ein die Wicklung auf supraleitende Betriebstemperatur abkühlendes Kühlmittel angeordnet. Von dieser Kühlstufe aus wird das Kühlmittel durch die Wicklung gepumpt. Die Anordnung enthält somit keine Mischkammer, so daß ein Selbstpumpeffekt bei der Kühlung der Erregerwicklung nicht gegeben ist. Ein Teilsfom des von außerhalb der Maschine der letzten Kühlstufe zugeführten Kühlmittels kann zur Kühlung eines Stranlungs- oder Dämpferschildes herangezogen werden. Dabei ist jedoch eine schnelle Änderung des Kühlmitteldurchsatzes dieses Teilstroms bei Störungsfällen nicht ohne weiteres möglich.

Auch bei der aus der DE-OS 24 42 277 bekannten Kühlanordnung einer Maschine mit supraleitender Erregerwicklung ist keine Mischkammer vorgesehen. Das Kühlmittel muß deshalb mit verhältnismäßig hohem Druck von außen in den Rotor eingespeist werden, so daß die Abdichtung der Einspeisestelle verhältnismäßig schwierig ist. Das zur Kühlung der Erregerwicklung verwendete Helium wird anschließend noch zur Kühlung eines Dämpferschiklcs herangezogen. Eine schnelle Anpassung des Kühlmitteldurchsatzes an die in einem Störungsfall sprunghaft zunehmenden Dämpferverluste ist bei dieser Anordnung ebenfalls nicht möglich.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung zur Kühlung des Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, der eingangs genannten Art eine Möglichkeit zu schaffen, daß eine optimale Kühlung aller Rotorteile auch in Störungsfällen sicher gewährleistet ist und daß sich insbesondere der Kühlmiiteldurchsai/ des /weiten Kühlmittelstromes zur Kühlung des Kilte- bzw. Dämpferschildes verhältnismäßig schnell an die in dem Dämpfer auftretenden Verluste anpassen läßt. Dabei soll die zur Kühlung des Rotors vorzusehende Kältemaschine außerhalb der elektrischen Maschine verhältnismäßig klein gehalten werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten K\ :>male gelöst.

Die Vorteile dieser Gestaltung der Anordnung zur Kühlung eines Rotors bestehen insbesondere darin, daß mit Hilfe der Drosselstelle in der Verbindungsleitung zwischen dem Kreislauf zur Kühlung der Erregerwicklung und dem Kreislauf zur Kühlung des Kälte- bzw. Dämpferschildes die in den zweiten Kühlmittelstrom zusätzlich eingeleitete Kühlmittelmenge den in dem Kälte- bzw. Dämpferschild auftretenden Verlusten ohne große zeitliche Verzögerung angepaßt werden kann. Da ferner die Anordnung zur Kühlung die an sich bekannte mitrotierende Mischkammer enthält kann der Kühlmittelmassedurchsatz der erforderlichen externen Kältemaschine verhältnismäßig gering gehalten werden.

Darüber hinaus wird vorteilhaft zur Zuführung und Ableitung des Kühlmittels in den Rotor bzw. aus diesem jeweils nur eine rotierende Kühlmitteldurchführung benötigt. Der Aufbau der Anordnung zur Kühlung ist deshalb verhältnismäßig einfach, und die Kühlmittelver

ίο luste an den Kühlmitteldurchführungen sind entsprechend gering.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Anordnung zur Kühlung mündet die erste Abführungsleilung im Bereich eines als injektordüse gestalteten Endstükkes der ersten Zuführungsleitung in die sich von dort an konisch erweiternde Mischkammer und ist die erste Abführungsleitung im Bereich der Mischkammer als Ansaugkanal zwischen der Injektordüse und dem Rotorkörper ausgeführt.

An der Mündung der ersten Abführungsleitung ist somit gemäß dem Arbeitsprinzip einer Wasserstrahlpumpe eine Unterdruckausbildung zur Ansaugung des in die Mischkammer zurückzuführenden Teiles des ersten Kühlmittelstromes vorgesehen. Durch diese Unterdruckdusbildung kann die Strömung des ersten Kühlmittels durch die supraleitende Wicklung aufgrund des Selbstpump-Effektes noch unterstützt werden.

Ferner kann zweckmäßig die Drosselstelle in der Verbindungsleitung an deren Ende in der Nähe der

jo Einmündungsstelle in die zweite Abführungsleitung des zweiten Kühlmittelstroms angeordnet sein. Die verhältnismäßig lange Verbindungsleitung ist dann mit dem noch nicht entspannten, kalten Kühlmittel aus dem ersten Kühlmittelteilstrom gefüllt. Mit diesem kalten

J5 Kühlmittel in der Verbindungsleitung kann so die in dem Kälte- bzw. Dämpferschild auftretende Verlustleistung mit entsprechend hohem Wirkungsgrad abgeführt werden. Gegebenenfalls kann deshalb auch die Verbindungsleitung mit einem weiteren Kälteschild wärmeleitend verbunden sein.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung

sind in den restlichen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der

Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert.

Dabei ist in

Fig. 1 eine Anordnung zur Kühlung eines Rotors schematisch veranschaulicht. In

Fig. 2 ist in einem Diagramm die Enthalpie dieser Anordnung in Abhängigkeit von der Enti opie wiedergegeben.

Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausbildungsmöglichkeit einer Anordnung zur Kühlung.

Aus Fig. 1 ist die Führung eines Kühlmittels durch den Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, ersichtlich. In der Figur ist nur die obere Hälfte der entsprechenden Kühlanordnung als Längsschnitt dargestellt. Die Strömungsrichtungen der einzelnen Kühlmittelströme sind dabei durch Pfeile veranschaulicht. Die zu kühlenden, rotierenden Teile

bo der Maschine sind in einem Vakuum angeordnet, um so eine Wärmeeinleitung von außen auf diese Teile zu begrenzen. Ein dafür erforderliches milrotierendes Vakuumgehäuse 2 ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Der Rotorkörper 3 der Maschine ist

ü5 konzentrisch um eine Achse 4 gelagert und enthält eine Erregerwicklung 5, die beispielsweise in Nuten auf seiner Außen- oder Innenseite angeordnet ist. Die Leiter der Wicklung 5 enthalten supraleitendes

Material, so daß als Kühlmittel Helium vorgesehen ist. Das mit A bezeichnete Kühlmittel, das siich im flüssigen Zustand befindet und einer in der Figur nicht dargestellten Kältemaschine entnommen wird, kann über eine Heliumkupplung 6 in den Rotor eingeleitet werden. Mit Hiüfe einer solchen Heliumkupplung, die beispielsweise aus der Veröffentlichung »Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte«, Bd. 5 (1976), Nr. 1, Seite 13 bekannt ist, wird das Kühlmittel A von feststehenden auf rotierende Maschinenteile überführt. Über eine erste, zentral in dem Rotor angeordnete Zuführungsleitung 7 wird dann das Kühlmittel A in eine innerhalb des Rotorkörpers 3 angeordnete Mischkammer 8 eingeleitet, wobei es sich entspannt und so teilweise verdampft. In dieser ebenfalls zentral angeordneten Mischkammer 8 befindet sich also ein Phasengemisch aus flüssigem Kühlmittel A₀ und gasförmigem Kühlmittel B₀. Unter Einfluß zentrifugaler Kräfte bei Rotation erfolgt jedoch eine Phasentrennung, so daß sich das schwerere flüssige Kühlmittel .4o konzentrisch um das längs der Rotorachse 4 gehaltene Kühlmittel So anlagert. An der Stirnseite 9 des Rotorkörpers 3, die der Einspeisestelle des Kühlmittels A in die Mischkammer 8 gegenüberliegt, ist am Außenumfang der Mischkammer mindestens eine zweite, radial verlaufende Kühlmittelzuführungsleitung 10 angeschlossen, über die ein erster Kühlmittelstrom Ai an flüssigem Kühlmittel der supraleitenden Erregerwicklung 5 zugeführt wird. Die in der Figur nicht näher ausgeführte Erregerwicklung ist mit axial verlaufenden Kühlkanälen du-chsetzt, so daß der Kühlmittelstrom A] an der gegenüberliegenden Stirnseite U des Rotorkörpers 3 aus der Wicklung wieder austritt. Über mindestens eine radial verlaufende, erste Abführungsleitung 12 wird dann ein Teilstrom Ai des ersten Kühlmittelstroms A\ wieder in die Mischkammer 8 zurückgeleitet.

In diesem Kreislauf zur Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung 5 wird der sogenannte Selbstpump-Effekt ausgenutzt. Aufgrund der zentrifugalen Kräfte bei Rotation wird zunächst das Kühlmiuel Ai in der radialen Kühlmittelzuführungsleitung 10 nach außen hin beschleunigt und so in die Kanäle der supraleitenden Wicklung 5 gedrückt. Dort erwärmt es sich aufgrund der in der Wicklung entstehenden Verlustleistungen. Die damit verbundene Reduzierung des spezifischen Gewichtes des Kühlmittels A\ bewirkt eine Druckverminderung, aufgrund der es in die Mischkammer 8 über die radial verlaufende Abführungsleitung 12 wieder zurückfließen kann. Die Einspeisung des flüssigen Kühlmittels in die Kühlmittelzuführungsleitung 110 wird noch dadurch begünstigt, daß sich die Mischkammer 8 zu der Stirnseite 9 des Rotorkörpers 3 hin, an der die Kühlmittelzuführungsleitung 10 angeschlossen ist, konisch erweitert und so der Druck in der Kühlmittelflüssigkeit Ao in der Mischkammer nach dieser Seite hin entsprechend vergrößert ist. Außerdem wird mit dieser Maßnahme auch die Trennung der Phasen des Phasengemischs in der Mischkammer 8 erleichtert. Die Zurückführung des Kühlmittels in die Mischkammer 8 kann ferner dadurch unterstützt werden, daß das Endstück der zentralen Kühlmittelzuführungsleitung 7, an der das aus der externen Kältemaschine entnommene Kühlmitte! A in die Mischkammer 8 eingeleitet wird, als Injektordüse 13 gestaltet ist, so daß das Kühlmittel A mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit aus dieser Kühlmittelzuführungsleitung 7 in die Mischkammer 8 austritt. Gemäß dem Konstruktionsprinzip einer Wasserstrahlpumpe kann dann der sich seitlich von dem austretenden Kühlmittelstrahl ausbildende Unterdruck dazu verwendet werden, den in der Kühlmittelabführungsleitung 12 zurückgeleiteten Kühlmittelstrom A\ bzw. Ai anzusaugen. Das Ende dieser Kühlmittelabführungsleitung 12 ist deshalb als ein entsprechender, die Mündung der Injektordüse 13 eng umschließender Ansaugkanal 14 gestaltet.

Das in der Mischkammer 8 im achsnahen Bereich angeordnete gasförmige Kühlmittel ßb wird teilweise

ίο zur Kühlung eines die Erregerwicklung 5 konzentrisch umschließenden Kälteschildes 15 ausgenutzt. Dieser in der Figur nur teilweise ausgeführte Kälteschild dient dabei im allgemeinen auch als Dämpferschild oder -wicklung, mit dem von einem in der Figur nicht dargestellter!, den Rotor eng umschließenden. Stator ausgehende Rückwirkungsfelder, die durch das mitrotierende Vakuumgehäuse 2 hindurchdringen, auf einen für die Supraleiter der Erregerwicklung 5 erträglichen Betrag vermindert werden. An der Stirnseite 9 des Rotorkörpers 3 wird deshalb an einer achsnahen Stelle ein zweiter Kühlmittelstrom B\ mit Kühlmitteldampf aus der Mischkammer 8 entnommen und über mindestens eine dritte, radial angeordnete Zuführungsleitung 16 in Kühlkanäle 17 geleitet, die mit dem Kälte- bzw. Dämpferschild 15 wärmeleitend verbunden sind und in axialer Richtung verlaufen. Am gegenüberliegenden, der Stirnseite 11 des Rotorkörpers 3 zugewandten Ende des Kälte- bzw. Dämpferschildes 15 wird dann der zweite Kühlmittelstrom wieder in mindestens einer zweiten, radial verlaufenden Kühlmiltelableitung 18 abgeleitet und in Achsnähe über eine weitere rotierende Heliumkupplung 19 von den rotierenden Maschinenteilen in eine ortsfeste Gasleitung 20 eingeleitet, die mit der in der Figur nicht dargestellten Kältemaschine verbunden sein kann. In der Figur ist noch eine weitere rotierende Heliumkupplung 21 angedeutet, mit der die an den rotierenden Kupplungsteilen entstehenden Leckage-Verluste an gasförmigem Helium aufgefangen und in die Gasleitung 20 mit eingespeist werden können.

Die Strömung in diesem Kreislauf mit dem zweiten Kühlmittelstrom zur Kühlung des Kälte- bzw. Dämpfer-Schildes 15 erfolgt ebenfalls aufgrund des Selbstpump-Effektes.
Um in dem Kälte- bzw. Dämpferschild 15 plötzlich auftretende zusätzliche Verlustleistungen, wie sie beispielsweise in einem Störungsfall bei einem Kurzschluß oder bei Schieflast entstehen, abführen zu können, ist bei der Anordnung zur Kühlung gemäß der Erfindung vorgesehen, daß in den Kühlmittelkreislauf

so zur Kühlung des Kälte- bzw. Dämpferschildes zusätzlich gasförmiges Kühlmittel eingespeist werden kann. Dieses Kühlmittel wird dem Kreislauf zur Kühlung der supraleitenden Wicklung 5 entnommen. Die entsprechende Abzweigestelle 23 in diesem Kreislauf ist zweckmäßig in der Abführungsleitung 12 des ersten Kühlmittelstromes A\ vorgesehen. Von dort aus wird ein Teil dieses ersten Kühlmittelstromes A\ in einer entsprechenden Verbindungsleitung 24 abgeleitet. Dieser Teilstrom an flüssigem Kühlmittel ist mit At bezeichnet. Die Verbindungsleitung 24 mündet in die Kühlmittelzuführungsleitung 16 des zweiten Kühlmittelstromes B\ unmittelbar vor dessen Eintritt in die Kühlkanäle 17 an dem Kälte- bzw. Dämpferschild 15. Die Zuführungsleitung 16 besitzt eine Einmündungsstel-Ie 25. In der Verbindungsleitung 24 ist außerdem noch eine Drosselstelle 26 vorgesehen, mit welcher der aus dem Kühlkreislauf für die supraleitende Wicklung 5 stammende, noch flüssige Kühlmitielteilstrom A;

entspannt und somit verdampft werden kann. Der so enthaltene Kühlmitteldampf des Teilstromes ist mit B₂ bezeichnet. Die in den zweiten Kühlmittelstrom B\ eingespeiste Menge des Teilstromes B₂ kann dabei mit Hilfe der Drosselstelle 26 eingestellt werden. Die vereinigten Kühlmittelströme ßi und B₂ sind in der Figur mit B₃ bezeichnet.

Zur Erläuterung der thermodynamischen Kühlmittelzustände bei der Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung 5 und des Kälte- bzw. Dämpferschildes 15 wird auf das Diagramm in Fig. 2 Bezug genommen, in dem auf der Abszisse die Entropie s der Kühlanordnung gemäß der Erfindung in Joule/Gramm · Kelvin und auf der Ordinate die Enthalpie h in Joule/Gramm aufgetragen sind. In dem Diagramm ist ferner eine erste Kurvenschar mit gestrichelten Kurven eingetragen, die jeweils einer konstanten Temperatur zwischen 3 und 8 Kelvin zugeordnet sind. Darüber hinaus ist in dem Diagramm eine weitere Kurvenschar von durchgezogenen, dünnen Linien eingezeichnet, die jeweils einem vorbestimmten, konstanten Druck zwischen 0,1 und 25 bar zugeordnet sind. Durch dick eingetragene, gepfeilte Linien sind die sich innerhalb der Kühlanordnung gemäß F i g. 1 ergebenden thermodynamischen Übergänge veranschaulicht. Die Bezugspunkte für diese Übergänge sind in F i g. 1 und in dem Diagramm durch kleine Buchstaben gekennzeichnet.

Eine aus der Kältemascnine entnommene, vorbestimmte und verhältnismäßig kleine Menge /no an flüssigem Kühlmittel A hat im Zustand a an der Heliumkuppiung 6 beispielsweise eine Temperatur von 4.2 K und steht unter einem Druck von 1 bar. Die Enthalpie h des Kühlmittels A beträgt dabei beispielsweise etwa 9,3 J/g und seine Entropie s etwa 3,3 J/gK. Das Kühlmittel A gelangt dann durch Joule-Thomson-Entspannung an der Injektordüse 13 in das Heliumbad in der Mischkammer 8. Dabei nimmt es bei dem Austritt aus der Injektordüse den Zustand b an. Unter Einwirkung der bei Rotation auftretenden zentrifugalen Kräfte werden dann Dampf und Flüssigkeil in dem rotierenden Bad in der Mischkammer 8 getrennt, so daß das Kühlmittel A₀ dann den Zustand c und das gasförmige Kühlmittel Ba den Zustand d einnehmen. Eine Menge m\ des ersten, aus der Mischkammer 8 abgeleiteten Kühlmittelteilstromes A\ zur Kühlung der supraleitenden Wicklung 5 wird bei der radialen Strömung in der Zuführungsleitung 10 isentrop verdichtet und nimmt bei Eintritt in die supraleitende Wicklung 5 den Zustand eein. Diesem Kühlmittelstrom /ti wird dann innerhalb der supraleitenden Wicklung deren Verlustleistung zugeführt, so daß er sich bei Austritt an dem gegenüberliegenden Wickelkopf im Zustand /befindet. Die Menge m\ des Kühlmittelstromes A\ stellt sich bei vorgegebener Geometrie der Zu- und Abführungsleitung 10 bzw. 12 und der Kanäle in der Erregerwicklung 5 in Abhängigkeit von dem Druckabfall und den Verlusten der Erregerwicklung selbsttätig ein. Eine Teilmenge /n₃ dieses ersten Kühlmittelstromes wird in das Kühlmittelbad zurückgeführt Bei der radialen Strömung der Achse innerhalb der Abführungsleitung 12 expandiert dieser Kühlmittelteilstrom Ai dabei isentrop und nimmt vor Eintritt in die Mischkammer den Zustand g an. Aufgrund der besonderen Gestaltung der Rückführungsstelle dieses verbleibenden Teilstromes A₃ in die Mischkammer gemäß dem Konstruktionsprinzip einer Wasserstrahlpumpe expandiert dieser Teilstrom über eine Joule-Thomson-Entspannung in das rotierende Bad in der Mischkammer 8, so daß sich der Teilstrom Ai dann im Zustand /befindet.

Der aus der Mischkammer 8 entnommene Kühlmittelstrom Si mit einer Masse m₄ an gasförmigem Kühlmittel zur Kühlung des Kälte- bzw. Dämpferschildes 15 wird bei der radialen Strömung zu diesem Schild hin isentrop in der Zuführungsleitung 16 verdichtet. Er hat an der Einmündungsstelle 25 des aus dem Kreislauf für die supraleitende Wicklung 5 stammenden Teilstromes i^den Zustand./angenommen. Dieser Teilstrom B₂, der die Masse m₂ hat, wird in der Abführungsleitung 12 bis zu der Abzweigestelle 23 und dann in der Verbindungsleitung 24 bis zu der Drosselstelle 26 isentrop verdichtet, so daß er sich vor der Drosselstelle im Zustand k befindet. Innerhalb der Drosselstelle expandiert er in einer Joule-Thomson-Entspannung annähernd auf den Druck, der an der Einmündungsstelle 25 in den Kreislauf für den Kälte- bzw. Dämpferschild 15 herrscht und befindet sich so hinter der Drosselstelle in einem Zustand m. An dieser Einspeisestelle mischen sich dann der Kühlmittelstrom B\ an gasförmigem Kühlmittel aus der Mischkammer 8 und der Kühlmittelteilstrom B₂ aus dem Kreislauf für die supraleitende Wicklung 5 zu dem Kühlmittelstrom ß₃ mit der Masse /7)o. Der Eintrittszustand dieses Kühlmittelstromes ß₃ in die Kühlkanäle 17 des Kälte- bzw. Dämpferschildes 15 ist mit η bezeichnet. Die Verlustleistung des Kälte- bzw. Dämpferschildes wird dann von diesem Kühlmittelstrom Bi aufgenommen, so daß bei seinem Wiederaustritt aus dem Kälte- bzw. Dämpferschild dann der Zustand ρ eingenommen wird. Dabei ist im Diagramm auch der Druckabfall durch den Strömungswiderstand innerhalb des Kälte- bzw. Dämpferschildes berücksichtigt. In der Abführungsleitung 18 expandiert dann der Kühlmittelstrom B₃ bei der radialen Strömung zur Achse hin und tritt mit dem Zustand q aus der Helium-Kupplung 19 in die Gasleitung 20 zu der Kältemaschine ein. Der Druck und die Temperatur des rotierenden Bades in der Mischkammer können dabei durch den Austrittszustand q des Kühlmittelstromes Bi mit der Masse W₀ festgelegt werden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kühlanordnung gemäß der Erfindung für den Rotor einer elektrischen Maschine als Längsschnitt teilweise veranschaulicht. Mit der Kühlanordnung gemäß F i g. 1 übereinstimmende Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Kühlanordnung unterscheidet sich von der gemäß der Ausführungsform nach F i g. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß der aus dem Kühlkreislauf für die supraleitende Wicklung 5 aus der ersten Abführungsieitung 12 abgezweigte Teiistrom A₂ zunächst zur Kühlung eines weiteren, in der Figur durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Dämpferschildes 27 in axialen Kanälen 28 und 29 herangezogen wird. Außerdem ist erst unmittelbar vor einer Einmündungsstelle 30 in den den Därnpferschild 15 kühlenden Kühlmittelstrom Si die Drosselstelle 26 zur Entspannung des Teilstromes vorgesehen. Die Einmündungsstelle 30 liegt dabei in einer zweiten Abführungsleitung 32 für den Kühlmittelstrom B\ nach dessen Durchlaufen des Dämpferschildes 15.

In der Figur sind ferner zwei Strömungsübertragungsvorrichtungen 34 und 35 auf dem mit der Stirnseite 11 des Rotorkörpers 3 verbundenen, sich nach außen hin erstreckenden Wellenteil 36 angedeutet. Über Bürstenkontakte dieser Stromübertragungsvorrichtungen kann ein Erregerstrom der supraleitenden Erregerwicklung 5 von einer externen, in der Figur nicht

dargestellten Stromversorgungseinheit zugeführt werden. Die Stromübertragungsvorrichtungen 34 und 35 liegen auf Raumtemperatur, so daß die in der Figur nicht ausgeführten elektrischen Verbindungsleitungen zwischen ihnen und der tiefstgekühlten Erregerwicklung 5 ein entsprechendes Temperaturgefälle durchlaufen

10

müssen. Das zur Abkühlung dieser Verbindlungsleitungen erforderliche Kühlmittel wird dem ersten Kühlmittelstrom A\ nach dessen Durchtritt durch die Erregerwicklung an der ersten Abführungsleitung 12 über eine Abgasleitung 38 entnommen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Kühlung des Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, mit einer supraleitenden, an einer auf Supraleitungstemperatur abgekühlten Stromzuführungsleitung angeschlossenen Erregerwicklung, die von mindestens einem mitrotierenden Kälteschild umgeben ist, bestehend aus einer mitrotierenden Mischkammer, die ein Gemisch eines aus dampfförmigen und flüssigen Bestandteilen eines über eine erste Zuführungsleitung von außerhalb der Maschine zugeführten Kühlmittels enthält, aus einem ersten Strömungsweg für einen ersten Kühlmittelstrom aus flüssigem Kühlmittel, der über eine zweite Zuführungsleitung von einem radial außen liegenden Bereich der Mischkammer zur Erregerwicklung, durch die Erregerwicklung hindurch und über eine erste Abführungsleitung wieder in die Mischkammer zurückführt, und aus einem zweiten Strömungsweg für einen zweiten Kühlmittelstrom aus zumindest teilweise verdampftem Kühlmittel, der über eine dritte Zuführungsleitung von dem radial innen liegenden Bereich der Mischkammer zum Kälteschild längs des Kälteschildes und dann über eine zweite Abführungsleitung aus der Maschine hinaus verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abführungsleitung (12) des ersten Kühlmittel-Stromes (A\) über eine Verbindungsleitung (24; 28, 29) entweder direkt mit der dritten Zuführungsleitung (16) des zweiten Kühlmittelstromes (Βή (Fig. 1) oder über ein weiteres Kälteschild (27) mit der zweiten Abführungsleitung (32) des zweiten Kühlmittelstromes ^Si)(Fig. 3) in Verbindung steht, daß in der Verbindungsleitung (24; 28, 29) eine Drosselstelle (26) zur Einstellung des Kühlmilteldurchsatzes (Teilstrom A2) angeordnet ist und daß der erste Kühlmittelstrom (Ai) zumindest teilweise über die erste Abführungsleitung (12) in den radial inneren Bereich der Mischkammer(8) führt.

2. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abführungsleitung (12) im Bereich eines als Injektordüse (13) gestalteten Endstückes der ersten Zuführungsleitung (7) in die sich von dort an konisch erweiternde Mischkammer (8) mündet und daß die erste Abführungsleitung (12) im Bereich der Mischkammer (8) als Ansaugkanal zwischen der Injektordüse (13) und dem Rotorkörper (3) ausgeführt ist.

3. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (26) in der Verbindungsleitung (28, 29) an deren Ende in der Nähe der Einmündungsstelle (30) in die zweite Abführungsleitung (32) des zweiten Kühlmittelstromes (B\) angeordnet ist (F i g. 3).

4. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zuführungsleitung (10) und die erste Abführur.gsleitung (12) im Bereich der Wickelköpfe der Erregerwicklung (5) verlaufen und die Erregerwicklung (5) mit axial verlaufenden Kühlkanälen versehen ist.

5. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung der Stromzuführungsleitungen ein Teilstrom des ersten Kühlmittelstromes (A<) nach dessen Durchtritt durch die Erregerwicklung (5) herangezogen ist.