DE2742477C3 - Anordnung zur Kühlung des Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators - Google Patents
Anordnung zur Kühlung des Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines TurbogeneratorsInfo
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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
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)
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.
Priority Applications (10)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2107535A DE2107535C3 (de) | 1970-02-18 | 1971-02-17 | Rotor für eine elektrische Maschine mit einer supraleitenden Wicklung |
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