DE2830852A1 - Kuehleinrichtung fuer den rotor einer elektrischen maschine - Google Patents
Kuehleinrichtung fuer den rotor einer elektrischen maschineInfo
- Publication number
- DE2830852A1 DE2830852A1 DE19782830852 DE2830852A DE2830852A1 DE 2830852 A1 DE2830852 A1 DE 2830852A1 DE 19782830852 DE19782830852 DE 19782830852 DE 2830852 A DE2830852 A DE 2830852A DE 2830852 A1 DE2830852 A1 DE 2830852A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- coolant
- cooling device
- end piece
- distribution system
- winding
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
- H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
- H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
- H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
- H02K9/225—Heat pipes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
- Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
- Y10S505/876—Electrical generator or motor structure
- Y10S505/877—Rotary dynamoelectric type
- Y10S505/878—Rotary dynamoelectric type with cooling
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Motor Or Generator Cooling System (AREA)
- Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 7ß ρ 7 5 2 4 BRD
Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine mit einer
supraleitenden Erregerwicklung und einer achsnahen, mitrotierenden Mischkammer, die ein Phasengemisch
eines von außen zugeführten Kühlmittels enthält, und mit einem am Außenumfang der Erregerwicklung
angeordneten Kühlmittelverteilersystem, und mit zwischen dem Kühlmittelverteilersystem und der
Mischkammer durch die Wicklungsteile der Erregerwicklung verlaufenden Kühlkanälen sowie mit entsprechenden
Kühlmittelverbindungsleitungen außerhalb der Erregerwicklung, wobei im Betriebszustand eine
Strömung des Kühlmittels durch die Kühlkanäle aufgrund eines Selbstpump-Effektes erfolgt.
Eine Kühleinrichtung für die supraleitende Erregerwicklung eines Turbogenerators, bei der im Betriebs-
SIm 2 Hag / 7.7.1978
909884/0360
-«- VPA 78 P 7 52 4 BRD
zustand eine Kühlmittelströmung durch die Erregerwicklung aufgrund eines Selbstpump-Effektes erfolgt,
ist beispielsweise aus der Dissertation von A.Bejan: "Improved thermal Design of the Cryogenic Cooling
System for a Superconducting Synchronous Generator", Ph.D.-Thesis, Massachusetts Institute of Technology
(USA), Dezember 1974, Seiten148 bis 159 bekannt. Das zur Kühlung der Erregerwicklung erforderliche
Kühlmittel wird von einer Kältemaschine aus unter Zwischenschaltung eines Joule-Thomson-Ventils in
5 teilweise flüssigem Zustand und mit auf unter 10 Pa
vermindertem Druck über eine rotierende Kupplung zentral durch die Rotorwelle geführt und in eine
dort vorhandene achsnahe Mischkammer eingeleitet.
In der Mischkammer befindet sich dann ein Zweiphasengemisch aus flüssigem und gasförmigem Kühlmittel.
Aufgrund der bei Rotation auf dieses Zweiphasengemisch einwirkenden Zentrifugalkräfte werden
der Kühlmitteldampf in achsnahen und die Kühlmittelflüssigkeit in achsfernen Bereichen der Mischkammer
angelagert. Von der Mischkammer aus wird ein KühlmitteIstrom mit flüssigem Kühlmittel über
radiale Kanäle in ein Kühlmittelbad gepumpt, in dem die supraleitende Erregerwicklung angeordnet
ist und die Verlustleistung der Wicklung an das Kühlmittel abgegeben wird. Die dabei aufgenommene
Wärmemenge bewirkt eine Temperaturerhöhung und teilweise Verdampfung des Kühlmittels, das
dann über weitere radiale Kanäle wieder zurück in die Mischkammer geleitet wird. Bei der bekannten
Maschine erfolgt eine bezüglich der Rotorachse im wesentlichen achsenparallele Kühlmittelströmung
durch die Erregerwicklung.
909884/0360
- *- VPA 78 P 7 52 4 BRD
Die erforderliche Pumpwirkung zur Ausbildung der Strömung des Kühlmittels wird durch einen
auf Dichteunterschieden beruhenden Selbstpump-Effekt hervorgerufen. Aufgrund von zentrifugalen
Kräften wird nämlich das Kühlmittel in den radial verlaufenden Leitungen nach außen hin beschleunigt,
isentrop verdichtet und so in das die Erregerwicklung kühlende Bad gepumpt. Außerdem erwärmt
es sich dort aufgrund auftretender Verlustleistungen oder durch Wärmeübertragung von außen, und seine
Dichte nimmt dementsprechend ab. Dadurch entsteht zwischen den radialen Zuführungs- und Rückleitungen
eine hydrostatische Druckdifferenz· Es bildet sich also längs der Wicklung zwischen der Einspeise-
und der Austrittsstelle des Kühlmittels ein Druckgefälle aus, das zu einer Konvektionsströmung führt
und eine Rückleitung des Kühlmittels über die Abführungsleitungen in die achsnahe Mischkammer bewirkt
(vgl. "Cryogenics", Juli 1977, Seiten 429 bis 433 und DE-OS 25 30 100). Der sich so ergebende
Kühlkreislauf durch die Erregerwicklung wird auch als Thermosyphon-Schleife bezeichnet.
In einer solchen Thermosyphon-Schleife stellt sich eine bevorzugte Strömungsrichtung nicht ohne
weiteres ein. Dies führt insbesondere dann zu Schwierigkeiten, wenn durch die Erregerwicklung
des Rotors einer Maschine eine im wesentlichen radiale Strömung vorgesehen sein soll. Insbesondere
während der Abkühlungsphase einer solchen Erregerwicklung kann nämlich Kühlmittel von der Mischkammer
aus auch direkt in die Kühlkanäle der Wicklung gelangen und diese von innen nach außen
durchströmen. Da die äußeren Teile der Erregerwicklung wärmer als die inneren Teile sind, die
909884/0360
- k - VPA 78 P 7 52 4 BRD
Dichte des Kühlmittels jedoch entsprechend abnimmt, versucht das erwärmte Kühlmittel
wieder in den Kühlkanälen zurückzufließen. Es besteht dann die Gefahr, daß die äußeren Teile
der Erregerwicklung aufgrund der sich innerhalb der Kühlkanäle ausbildenden Instabilitäten nur
unzureichend gekühlt werden. Die Erregerwicklung kann dann also nur sehr langsam und somit entsprechend
unwirtschaftlich abgekühlt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, bei einer Kühleinrichtung einer elektrischen Maschine mit einer
supraleitenden Erregerwicklung, durch deren Wicklungsteile im wesentlichen radial bezüglich der
Rotorachse gerichtete Kühlkanäle verlaufen, derartige Instabilitäten bei einer Kühlung, die im Betriebszustand
einen Selbstpump-Effekt ausnutzt, zu verhindern. Insbesondere soll für eine Erregerwicklung
mit solchen Kühlkanälen eine Kühleinrichtung geschaffen werden, bei der stets eine Kühlmittelströmung
von außen nach innen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird für eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zumindest
einige der an das Kühlmittelverteilersystem angeschlossenen Kühlmittelverbindungsleitungen
jeweils ein in das Kühlmittelverteilersystem hineinragendes Endstück haben, das gegenüber dem
Kühlmittel in dem Kühlmittelverteilersystem mittels einer Abschirmvorrichtung thermisch isoliert ist
und an dem mindestens eine Kühlmittelaustrittsöffnung vorgesehen ist, deren vorbestimmter Abstand
zur Rotorachse größer ist als der Abstand der entsprechenden Kühlmitteleintrittsöffnungen der
an das Kühlmittelverteilersystem angeschlossenen
909884/0360
- $- VPA 78 P 7 5 2 4 BRD
Kühlkanäle durch die Wicklungsteile der Erregerwicklung.
Diese Gestaltung der Kühleinrichtung hat insbesondere den Vorteil, daß die in das Kühlmittelverteilersystem
eingeleitete Wärme das Kühlmittel außerhalb der Endstücke der Kühlmittelverbindungsleitungen
und außerhalb deren Abschirmvorrichtungen schneller erwärmt als innerhalb. Dadurch fließt
das wärmere Kühlmittel stets in Richtung der auf dem kleineren Radius liegenden äußeren öffnungen
der Kühlkanäle und wird durch kaltes Kühlmittel aus den Kühlmittelverbindungsleitungen ersetzt.
Es wird somit von vornherein in den Kühlkanälen der Erregerwicklung eine Strömung des Kühlmittels
von außen nach innen bewirkt. Diese Strömungsrichtung stimmt dabei mit der Richtung der Konvektionsströmung
überein, wie sie sich durch eine in den Supraleitern erzeugte Verlustleistung einstellen
würde.
Um eine Wärmeeinwirkung von außen auf das kalte, in das Kühlmittelverteilersystem durch die Kühlmittelverbindungsleitungen
geförderte Kühlmittel unmittelbar an den Austrittsöffnungen der Kühlmittelverbindungsleitungen
zu verhindern, kann das Endstück der Kühlmittelverbindungsleitung vorteilhaft mit
seitlichen Austrittsöffnungen versehen sein. Das an diesen öffnungen austretende Kühlmittel erhält
so bereits bei Austritt eine Strömungskomponente in Richtung des Kühlmitte!verteilersystems. Bei
einer Erwärmung des ausgetretenen Kühlmittels ist dann ein Zurückfließen in die Kühlmittelverbindungsleitungen
durch diese Austrittsöffnungen praktisch nicht mehr möglich.
909884/0360
- fc- VPA 78 P 7524 BRD
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Kühleinrichtung nach der Erfindung enthält die Abschirmvorrichtung
zur thermischen Abschirmung des Endstückes der Kühlmittelverbindungsleitung ein
topfartiges, nach innen offenes Abschirmelement,
dessen hohlzylindrisches Seitenteil das Endstück in einem vorbestimmten Abstand umgibt. Mit
einem solchen Abschirmelement kann die Vorzugsrichtung der Strömung in den Thermosyphon-Schleifen
noch verstärkt werden, da eine Wärmeeinwirkung auf das in das Kühlmittelverteilersystem geförderte
kalte Kühlmittel erst dann auftreten kann, wenn dieses Kühlmittel bereits in das Kühlmittelvertellersystem
gelangtest und in Richtung auf die Einlaßöffnungen
der Kühlkanäle in den Wicklungsteilen der Erregerwicklung fließt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen
wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 schematis.ch ein Schnitt durch einen
Teil eines Rotors mit einer Kühleinrichtung gemäß der Erfindung veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt
schematisch einen weiteren Schnitt durch diesen Rotor.
Aus Fig. 1 ist die Führung eines Kühlmittels durch eine Erregerwicklung im Rotor einer elektrischen
Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, ersichtlich. In der Figur ist nur der an der Nichtantriebsseite
gelegene Teil des Rotors mit einer entsprechenden Kühleinrichtung nach der Erfindung
als Längsschnitt veranschaulicht. Die in der Figur nicht näher ausgeführten Rotorteile können beispielsweise
Teilen einer Maschine entsprechen, die
909884/0360
-*- VPA 78 P 7 52 4 BRD
aus der DE-OS 24 39 719 bekannt ist.
Die zu kühlenden rotierenden Teile des konzentrisch um eine Achse 2 gelagerten Rotorkörpers 3_ der
Maschine sind von Vakuumräumen 4, 5 und 6 umgeben. Diese Räume liegen innerhalb eines hohlzylindrischen
Gehäuseteiles 8 und eines stirnseitigen, scheibenförmigen Gehäuseteiles 9 eines entsprechenden mitrotierenden
Vakuumgehäuses, das sich auf oder über Raumtemperatur befindet. Das scheibenförmige Stirnteil
9 des Vakuumgehäuses ist zugleich Teil eines nicht näher ausgeführten Anschlußkopfes des Rotors.
Der Rotorkörper 3_ ist au^ seiner Außenseite mit
Nuten 11 versehen, in die Windungen der Erregerwicklung 12 eingebracht sind. Diese Wicklungsteile
der Erregerwicklung sind durch Keile 13 innerhalb der Nuten 11 gehalten. Die Leiter der Wicklung 12
enthalten supraleitendes Material, so daß als . Kühlmittel Helium vorgesehen ist. Die sich im
Betriebszustand der Maschine einstellenden Strömungsrichtungen der einzelnen Kühlmittelströme
sind durch Pfeile veranschaulicht.
Ein mit AQ bezeichnetes Kühlmittel, vorzugsweise
normalsiedendes Helium mit einem Druck von 1,2 χ 10"^ Pa und einer Temperatur von 4,4 K, wird
einer in der Figur nicht dargestellten Kühlmittelversorgungseinrichtung entnommen und an einer
Heliumkupplung über eine in Achsnähe in den Rotor hineinragende, feststehende Zuführungsleitung 15
in einen an der Stirnseite 17 des Rotorkörpers 3_ liegenden, mitrotierenden Vorraum 18 eingeleitet.
An diesen Vorraum ist mindestens eine bezüglich der Rotorachse 2 radial verlaufende Kühlmitteleinspeisungsleitung
20 angeschlossen, über die das
909884/0360
M
- a - VPA 78 P 7 52 4 BRD
- a - VPA 78 P 7 52 4 BRD
Kühlmittel in ein am Außenumfang der Erregerwicklung 12 angeordnetes Kühlmittelverteilersystem 21 eingeleitet
wird» Von diesem Kühlmittelverteilersystem aus, das aus netzartig miteinander verbundenen,
achsenparallel und in Umfangsrichtung des Rotors verlaufenden Kühlmittelleitungen besteht, gelangt
das Kühlmittel über Einlaßöffnungen 23 am äußeren Nutenrand in Kühlkanäle 24, die im wesentlichen
radial bezüglich der Rotorachse 2 durch die in den Nuten 11 angeordneten Teile der Erregerwicklung
12 verlaufen. Das zum Nutengrund gelangte Kühlmittel wird dann über radiale Kühlmittelrohre
25 in eine im Inneren des Rotors angeordnete Mischkammer 27 eingeleitet.
In der Mischkammer 27 befindet sich im Betriebszustand der Maschine ein Zweiphasengemisch von
flüssigen Kühlmittel A1 und gasförmigem Kühlmittel
B1. Bei Rotation erfolgt unter Einfluß zentrifugaler
Kräfte eine Phasentrennung, so daß sich das schwerere flüssige Kühlmittel A-. konzentrisch
um das gasförmige Kühlmittel B1 anlagert.
Zur Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung 12 ist ein Kreislauf vorgesehen, in dem ein Selbstpump-Effekt
ausgenutzt wird. Hierzu sind zwischen dem Kühlmittelverteilersystem 21 am Außenumfang
der Erregerwicklung 12 und der Mischkammer 27 radial angeordnete Kühlmittelverbindungsleitungen
29 vorgesehen, die in zwischen benachbarten Nuten 11 liegenden, zahnartigen Zwischenkörpern 30 des
Rotorkörpers 3_ verlaufen. Über diese Verbindungsleitungen 29 wird bei Rotation kaltes flüssiges
Kühlmittel A1 aus der Mischkammer 27 in das Kühlmittelverteilersystem
21 gefördert. Von da aus
909884/0360
VPA 78 P 7 5 2 4 BRD
gelangt es dann in die angeschlossenen Kanäle innerhalb der supraleitenden Wicklung 12. Aufgrund
der Wärmeeinleitung von außen wird nämlich das Kühlmittel in den Kühlmittelleitungen des KUhI-mittelverteilersystems
21 erwärmt. Außerdem erwärmt es sich auch durch die in den Wicklungsteilen der Erregerwicklung 12 entstehenden Verlust- '
leistungen. Die damit verbundene Reduzierung der Dichte des Kühlmittels bewirkt eine Verminderung
seines hydrostatischen Druckes gegenüber dem hydrostatischen Druck des kalten Kühlmittels in den Verbindungsleitungen
29. Dadurch strömt das Kühlmittel über die Kanäle 24 und die Rohre 25 radial nach
innen in die Mischkammer zurück und gibt die aufgenommene Wärme durch Verdampfung ab. Die bei einem
derartigen Kühlsystem sich ergebenden Kühlkreisläufe durch die Erregerwicklung stellen deshalb sogenannte
Thermosyphon-Schleifen dar (vgl. DE-OS 25 30 100).
Die im Betriebszustand in die Mischkammer 27 einströmende, verdampfte Kühlmittelmenge wird über
ein Abgasrohr 32 nach außen abgeleitet. Auch hierbei kann ein Selbstpump-Effekt zum Absaugen
des gasförmigen, mit Bp bezeichneten Kühlmittels ausgenutzt werden. Ein entsprechender Absaug-Effekt
ist beispielsweise in der Zeitschrift "Cryogenics", Juli 1977, Seiten 429 bis 432 beschrieben.
Die abgeführten Kühlmittelmengen Bp werden durch von außen zugeführtes flüssiges
Kühlmittel AQ regeneriert.
Aufgrund des bei der Kühleinrichtung nach der Erfindung ausgenutzten Selbstpump-Effektes zum
Absaugen des Kühlmittels B2 stellt sich dabei
vorteilhaft ein Unterdruck in dem Abgasrohr 32
909884/0360
«ft
vpa 78 P 7 5 2 4 BRD
5
ein, der unter 1Cr Pa liegt. Dieser Unterdruck herrscht auch in der Mischkammer 27 und führt dort zu einer Temperaturabsenkung, wenn für die Zuführung des Heliums AQ von außen bestimmte Maßnahmen erfüllt sind. Im allgemeinen wird das Helium mit Hilfe eines im Helium-Zuführungssystem befindlichen Joule-Thomson-Ventil bereits mit vermindertem Druck und entsprechend reduzierter Temperatur zugeführt. Gemäß dem in Fig. 1 angedeuteten Ausführungsbeispiel wird dagegen das Helium mit einem Druck von mindestens 10 Pa in den Vorraum 18 eingespeist, der von der Mischkammer 27 aber druckmäßig getrennt ist. Von diesem Vorraum aus strömt das Helium über die Einspeisungsleitung 20 radial nach außen in das KUhlmittelverteilersystem 21. Die Leitung 20 ist hierbei als Wärmetauscher 39 ausgebildet, so daß die durch die Druckerhöhung entstehende Kompressionswärme an aus der Mischkammer entnommenes kälteres Helium A2 abgeführt wird.
ein, der unter 1Cr Pa liegt. Dieser Unterdruck herrscht auch in der Mischkammer 27 und führt dort zu einer Temperaturabsenkung, wenn für die Zuführung des Heliums AQ von außen bestimmte Maßnahmen erfüllt sind. Im allgemeinen wird das Helium mit Hilfe eines im Helium-Zuführungssystem befindlichen Joule-Thomson-Ventil bereits mit vermindertem Druck und entsprechend reduzierter Temperatur zugeführt. Gemäß dem in Fig. 1 angedeuteten Ausführungsbeispiel wird dagegen das Helium mit einem Druck von mindestens 10 Pa in den Vorraum 18 eingespeist, der von der Mischkammer 27 aber druckmäßig getrennt ist. Von diesem Vorraum aus strömt das Helium über die Einspeisungsleitung 20 radial nach außen in das KUhlmittelverteilersystem 21. Die Leitung 20 ist hierbei als Wärmetauscher 39 ausgebildet, so daß die durch die Druckerhöhung entstehende Kompressionswärme an aus der Mischkammer entnommenes kälteres Helium A2 abgeführt wird.
Damit kann die ansonsten bei einer adiabatischen Kompression stattfindende Temperaturerhöhung des
zugeführten Heliums weitgehend vermieden werden. Auf diese Weise kann der Unterdruck in der Mischkammer
27 auch ohne Joule-Thomson-Entspannung aufrechterhalten
werden.
Im Betriebszustand muß in den Thermosyphon-Schleifen eine feste Strömungsrichtung des Kühlmittels durch
die Wicklung gewährleistet sein. Falls nämlich das Kühlmittel nicht von außen nach innen durch die
Wicklung strömt, können die bei transienten Vorgängen in den Supraleitern entstehenden Verluste
zu einer zumindest zeitweisen Blockierung der Strömung durch di°e Wicklung 12 und so zu Instabilitäten
führen, die eine rasche Abführung der Verluste
909884/0360
- TT - VPA 78 P 7 5 2 4 BRD
aus der Wicklung gefährden. Tritt nämlich das kältere Kühlmittel aus der Mischkammer 27 zunächst über
die Rohre 25 in die Kanäle 24 der Erregerwicklung 12 ein, d.h. durchläuft das Kühlmittel diese Kühlkanäle
von innen nach außen, so wird es sich, soweit in der Wicklung Verluste auftreten, im allgemeinen
bereits in den Kanälen erwärmen. Da das wärmere Kühlmittel aber zur Rotorachse 2 hin zurückzufließen
bestrebt ist, kann es so zu einem Stillstand des Kühlmittelkreislaufes in der Wicklung
kommen. Eine ausreichende Kühlung der Wicklungsteile ist dann nicht mehr gewährleistet. Aus
diesem Grunde sind für die Kühleinrichtung gemäß der Erfindung besondere Gestaltungsmerkmale vorgesehen,
aufgrund derer das aus der Mischkammer 27 entnommene, zunächst kalte Kühlmittel A1 stets
erst in die Leitungen des Kühlmittelverteilersystems 21 gelangt und von dort aus dann in radialer
Richtung nach innen durch die Erregerwicklung fließt.
Diese Gestaltungsmerkmale betreffen die achsfernen Enden der Kühlmittelverbindungsleitungen 29. Diese
Enden sind in Fig. 2 näher veranschaulicht.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Rotor nach Fig. 1 dargestellt. Mit Fig. 1 übereinstimmende
Teile sind in der Figur mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Schnittebene ist in die in
Fig. 1 mit II-II bezeichnete, radiale Ebene gelegt, in der mehrere Kühlmittelverbindungsleitungen 29
verlaufen. Das flüssige, kalte Kühlmittel A1 soll
in einer Thermosyphon-Schleife von der achsnahen Mischkammer 27 zunächst über diese Kühlmittelverbindungsleitungen
29 in das am Außenumfang der Erregerwicklung 12 befindliche Kühlmittelverteilersystem
21 eingeleitet werden, von dem in der Figur
909884/0360
As
- «■ - VPA 78 P 7 5 2 4 BRD
einige in achsenparalleler Richtung verlaufende Verteilerkanäle 44 ausgeführt sind. Dann soll das Kühlmittel
an den äußeren Einlaßöffnungen 23 in die gestrichelt eingezeichneten Kühlkanäle 24 in den Nuten
11 eintreten und längs der Erregerwicklung 12 nach innen zum Nutengrund fließen und von dort aus über
die Rohre 25 in die Mischkammer 27 zurückgelangen. Damit sich diese Strömungsrichtung in den Thermosyphon-Schleifen
einstellt, ragen die äußeren Endstücke 46 der Kühlmittelverbindungsleitungen 29 über
die achsnahen Bodenteile 47 der Kühlkanäle 44 radial um einen vorbestimmten Betrag nach außen. Diese Endstücke
46 sind an ihren äußeren Enden 48 abgeschlossen und haben unterhalb ihres Abschlusses seitliche Austrittsöffnungen
49, durch die das Kühlmittel A1 in die Kanäle 44 eintreten kann. Die Endstücke 46 sind
ferner vorteilhaft mit einem Mantel 50 aus einem thermisch gut isolierenden Material umgeben, um so
das in ihnen zugeführte Helium A,, gegenüber dem Helium in den Kanälen 44 thermisch zu trennen. Der Mantel
stellt somit eine thermische Abschirmvorrichtung dar. Gegebenenfalls kann auch das ganze Endstück 46 aus
einem entsprechenden Isoliermaterial bestehen. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß erst das aus den
Öffnungen 49 bereits ausgetretene, kalte Kühlmittel durch die von wärmeren Teilen des Rotors ausgehende
Wärme erwärmt wird und somit in Richtung der Einlaßöffnungen 23 an den Nuten 11 und nicht innerhalb der
Verbindungsleitungen 29 radial nach innen strömt.
Eine weitere in Fig. 2 dargestellte Methode zur Festlegung dieser Vorzugsrichtung der Strömung in den
Thermosyphon-Schleifen besteht darin, daß die Endstücke 52 der Kühlmittelverbindungsleitungen 29
jeweils in ein thermisches
909884/0360
- 4S - VPA 78 P 7 5 2 4 BRD
Abschirmelement 53 münden, das topfartige Gestalt hat und aus einem thermisch schlecht leitenden
Material besteht. Dieses Element ist an der radial außenliegenden Innenwand 54 des Kanals 44 befestigt.
Da das äußere Ende 55 des Endstücks 52 offen ist, tritt an ihm das kalte Helium A^ aus
dejn Endstück 52 aus. Das Abschirmelement 5J5
enthält ein über der öffnung 55 des Endstückes 52 angeordnetes, beispielsweise scheibenförmiges Teil
57, das über den Außenurafang der öffnung 55 hinausragt.
Am Außenrand dieses scheibenförmigen Bauteils 57 ist vorteilhaft ein Hohlzylinder 58 aus demselben
Material befestigt, der sich radial um eine vorbestimmte Länge nach innen erstreckt und den äußeren
Teil des Endstückes 52 umschließt. Das aus der Öffnung 55 austretende kalte Kühlmittel A^ gelangt
dann zunächst in einen ringförmigen, nach außen thermisch isolierten Raum 59 und wird dort bereits
in eine radial nach innen gerichtete Strömungsrichtung gezwungen, ohne daß es von außen eingestrahlte
Wärme aufnehmen kann. Nachdem das Kühlmittel am unteren Rand des topfförmigen Abschirmelementes 5J5
ausgetreten ist, verteilt es sich in den Kanälen 44 des Kühlmittelverteilersystems 21 und ersetzt das
von dort in die Kanäle 24 abfließende, erwärmte Helium. Die ringförmige Öffnung dieses unteren
Randes stellt dann die eigentliche Austrittsöffnung 60 für das kalte Kühlmittel dar. Zumindest bis zur Höhe
dieses unteren Randes des Abschirmelementes 5_3 ist das Endstück 52 mit einem Mantel 61 aus thermisch
gut isolierendem Material umgeben, um eine Erwärmung
des in dem Endstück fließenden kalten Kühlmittels A1 durch wärmeres, in den Kanälen 44 befindliches
Kühlmittel zu verhindern. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht also die thermische Abschirmvorrichtung
909884/0360
Jft
VPA 78 ρ 7 5 2 4 BRD
aus dem Abschirmelement j5J5 und dem Mantel 61.
Auf das hohlzylindrische Bauteil 58 des Abschirmelementes £3 kann gegebenenfalls verzichtet werden,
wenn das scheibenförmige Bauteil 57 ausreichend groß ausgeführt wird und das Endstück 52 vollständig
mit einem Mantel aus thermisch isolierendem Material umschlossen ist'oder aus diesem Material besteht.
Das topf artige Abschirmelement j?3_ kann ferner auch
an dem Endstück 52 befestigt sein. Für den Fall, daß dessen scheibenförmiges Bauteil 57 direkt an dem
äußeren Ende des Endstückes 52 anliegen soll, sind seitliche Austrittsöffnungen für das Kühlmittel wie
bei dem Endstück 46 vorzusehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung nach der Erfindung beträgt der radiale Abstand der
Austrittsöffnungen 49 bzw. des unteren Randes 60 zur Rotorachse hin 40,5 cm. Er ist um 0,5 cm größer als
der entsprechende Abstand des Bodenteiles 47 der Kühlmittelverteilerleitungen 44 und damit der Einlaßöffnungen
23 zur Achse hin. Die Temperaturerhöhung am Außenumfang der Wicklung 12 soll gegenüber der
Temperatur des in den Endstücken 46 bzw. 52 befindlichen Heliums bei einem plötzlichen Erwärmungsvorgang,
d.h. bei Verlusterzeugung, beispielsweise 0,5 K betragen. Es entsteht dann infolge von Dichteunterschieden
entlang der Abstandsdifferenz zwischen den Austrittsöffnungen 49 bzw. 60 und den Einlaßöffnungen 23 ein
Pumpdruck, der die Strömung anfacht. Die Kühlkanäle haben Jeweils eine Länge von 16 cm, eine Querschnittsfläche
von 0,05 cm und einen hydraulischen Durchmesser von 0,167 cm. Es ergibt sich dann eine abführbare
Wärme pro Kühlkanal von etwa 0,65 Watt. Ein 2000 MVA-Generator
909884/0360
- t5 - VPA 78 P 7 5 2 4 BRD
kann etwa 15000 Windungskühlkanäle enthalten. Für die angesetzte Temperaturerhöhung von 0,5 K beträgt
dann die gesamte abführbare Wärmeleistung etwa 10 kW. Eine von außen in das Kühlmittelverteilersystem
eindringende Verlustleistung, beispielsweise bei Stoßkurzschlüssen oder Pendelvorgängen, liegt
in dieser Größenordnung.
9 Patentansprüche
2 Figuren
2 Figuren
909884/0360
Claims (9)
- -J-- VPA 78P 7 52 4 BRDPatentansprüche/i.) Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Tiaschine mit einer supraleitenden Erregerwicklung und einer achsnahen, mitrotierenden Mischkammer, die ein Phasengemisch eines von außen zugeführten Kühlmittels enthält, und mit einem am Außenumfang der Erregerwicklung angeordneten Kühlmittelverteilersystem, und mit zwischen dem Kühlmittelverteilersystem und der Mischkammer durch die Wicklungsteile der Erregerwicklung verlaufenden Kühlkanälen sowie mit entsprechenden KUhlmittelverbindungsleitungen außerhalb der Wicklungsteile, wobei im Betriebszustand eine Strömung des Kühlmittels durch die KUhlkanäle aufgrund eines Selbstpump-Effektes erfolgt, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest einige der an das Kühlmittelverteilersystem (21) angeschlossenen Kühlmittelverbindungsleitungen (29) jeweils ein in das Kühlmittelverteilersystem (21) hineinragendes Endstück (46; 52) haben, das gegenüber dem Kühlmittel in dem Kühlmittelverteilersystem (21) mittels einer Abschirmvorrichtung (50; 5J5, 61 )th»r«I»ch isoliert ist und an dem mindestens eine Kühlmittelaustrittsöffnung (49; 60) vorgesehen ist, deren vorbestimmter Abstand zur Rotorachse (2) größer ist als der Abstand der entsprechenden Kühlmitteleintrittsöffnungen (23) der an das Kühlmittelverteilersystem (21) angeschlossenen Kühlkanäle (24) durch die Wicklungsteile der Erregerwicklung (12).
- 2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Endstück (46) der Kühlmittelverbindungsleitung (29) mit seitlichen Austrittsöffnungen (49) versehen ist.909884/0360- 2 - VPA 78 P 7 5 2 4 BRD
- 3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geke nnzeichnet, daß die Abschirmvorrichtung einen das Endstück (46) zumindest teilweise umschließenden Mantel (50; 61) enthält.
- 4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmvorrichtung ein Abschirmelement enthält, das an dem Endstück befestigt ist.
- 5. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmvorrichtung ein Abschirmelement (5_3_) enthält, das in einem vorbestimmten Abstand von dem Endstück (52) angeordnet ist.
- 6. Kühleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement ein flaches Bauteil (57) enthält, dessen Außenrand seitlich über das Endstück (52) hinausragt.
- 7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch ein topfartiges, nach innen offenes Abschirmelement (5J5), dessen hohlzylindrisches Seitenteil (58) des Endstück (52) in einem vorbestimmten Abstand umgibt.
- 8. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Abschirmvorrichtung aus einem thermisch gut isolierenden Material.909884/0360- 3 - VPA 78 P 7 52 4 BRD
- 9. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück zugleich Teil der Abschirmvorrichtung ist.909884/0360
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2830852A DE2830852C3 (de) | 1978-07-13 | 1978-07-13 | Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine |
GB7923601A GB2025707B (en) | 1978-07-13 | 1979-07-06 | Cooling superconducting rotor windings in electricmachines |
US06/055,513 US4278906A (en) | 1978-07-13 | 1979-07-09 | Cooling arrangement for the rotor of an electric machine |
JP8739279A JPS5517299A (en) | 1978-07-13 | 1979-07-10 | Superconductive rotor cooling device |
FR7918146A FR2431212A1 (fr) | 1978-07-13 | 1979-07-12 | Dispositif de refroidissement pour le rotor d'une machine electrique a enroulement inducteur supraconducteur |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2830852A DE2830852C3 (de) | 1978-07-13 | 1978-07-13 | Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2830852A1 true DE2830852A1 (de) | 1980-01-24 |
DE2830852B2 DE2830852B2 (de) | 1980-07-31 |
DE2830852C3 DE2830852C3 (de) | 1981-04-02 |
Family
ID=6044314
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2830852A Expired DE2830852C3 (de) | 1978-07-13 | 1978-07-13 | Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4278906A (de) |
JP (1) | JPS5517299A (de) |
DE (1) | DE2830852C3 (de) |
FR (1) | FR2431212A1 (de) |
GB (1) | GB2025707B (de) |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3019673A1 (de) * | 1980-05-22 | 1981-11-26 | SIEMENS AG AAAAA, 1000 Berlin und 8000 München | Einrichtung zur kuehlung einer supraleitenden erregerwicklung und eines daemperschildes des laeufers einer elektrischen maschine |
US4365175A (en) * | 1980-09-29 | 1982-12-21 | Electric Power Research Institute, Inc. | Fast starting cold shield cooling circuit for superconducting generators |
DE3131480A1 (de) * | 1981-08-08 | 1983-02-24 | Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim | Supraleitende spule |
US4368399A (en) * | 1981-08-17 | 1983-01-11 | Westinghouse Electric Corp. | Rotor end turn winding and support structure |
US4450361A (en) * | 1982-08-26 | 1984-05-22 | Holt James F | Coupling of MHD generator to gas turbine |
JPS61196763A (ja) * | 1985-02-26 | 1986-08-30 | Mitsubishi Electric Corp | 超電導回転電機の回転子 |
SU1470145A1 (ru) * | 1987-05-14 | 1990-09-23 | Ленинградское Производственное Электромашиностроительное Объединение "Электросила" Им.С.М.Кирова | Ротор электрической машины |
US4779017A (en) * | 1987-10-13 | 1988-10-18 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Superconducting rotor cooling system |
US6268668B1 (en) * | 2000-01-03 | 2001-07-31 | General Electric Co. | Gas cooled generator stator structure and method for impingement cooling of generator stator coil |
US8018102B2 (en) * | 2008-08-11 | 2011-09-13 | General Electric Company | Shielding of superconducting field coil in homopolar inductor alternator |
WO2013169774A2 (en) | 2012-05-07 | 2013-11-14 | Phononic Devices, Inc. | Thermoelectric heat exchanger component including protective heat spreading lid and optimal thermal interface resistance |
US20130291555A1 (en) | 2012-05-07 | 2013-11-07 | Phononic Devices, Inc. | Thermoelectric refrigeration system control scheme for high efficiency performance |
US9593871B2 (en) | 2014-07-21 | 2017-03-14 | Phononic Devices, Inc. | Systems and methods for operating a thermoelectric module to increase efficiency |
US10458683B2 (en) | 2014-07-21 | 2019-10-29 | Phononic, Inc. | Systems and methods for mitigating heat rejection limitations of a thermoelectric module |
US11025137B2 (en) | 2016-09-14 | 2021-06-01 | Mts Systems Corporation | Electric machine with stator cooling channels |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2301343A1 (de) * | 1972-12-18 | 1974-07-18 | Bbc Brown Boveri & Cie | Rotor-kuehleinrichtung |
DE2440132A1 (de) * | 1974-08-21 | 1976-03-11 | Siemens Ag | Kuehleinrichtung fuer den rotor einer elektrischen maschine |
DE2511104A1 (de) * | 1975-03-13 | 1976-09-30 | Kraftwerk Union Ag | Kuehlanordnung fuer eine supraleitende erregerwicklung |
DE2530100A1 (de) * | 1975-07-05 | 1977-02-03 | Kernforschung Gmbh Ges Fuer | Verfahren und einrichtung zum kuehlen eines rotierenden magneten |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2033058A (en) * | 1933-10-26 | 1936-03-03 | Allis Chalmers Mfg Co | Dynamo-electric machine ventilation |
US3049634A (en) * | 1958-05-06 | 1962-08-14 | Parsons C A & Co Ltd | Dynamo-electric machinery |
DE1815904A1 (de) * | 1968-12-20 | 1970-07-16 | Siemens Ag | Synchrongenerator,insbesondere Turbogenerator,mit rotierender supraleitender Erregerwicklung |
JPS4831403A (de) * | 1971-08-27 | 1973-04-25 | ||
FR2210854B3 (de) * | 1972-12-18 | 1978-03-17 | Bbc Brown Boveri & Cie | |
FR2304203A1 (fr) * | 1975-03-13 | 1976-10-08 | Kraftwerk Union Ag | Dispositif de refroidissement pour un enroulement inducteur supraconducteur |
-
1978
- 1978-07-13 DE DE2830852A patent/DE2830852C3/de not_active Expired
-
1979
- 1979-07-06 GB GB7923601A patent/GB2025707B/en not_active Expired
- 1979-07-09 US US06/055,513 patent/US4278906A/en not_active Expired - Lifetime
- 1979-07-10 JP JP8739279A patent/JPS5517299A/ja active Pending
- 1979-07-12 FR FR7918146A patent/FR2431212A1/fr active Granted
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2301343A1 (de) * | 1972-12-18 | 1974-07-18 | Bbc Brown Boveri & Cie | Rotor-kuehleinrichtung |
DE2440132A1 (de) * | 1974-08-21 | 1976-03-11 | Siemens Ag | Kuehleinrichtung fuer den rotor einer elektrischen maschine |
DE2511104A1 (de) * | 1975-03-13 | 1976-09-30 | Kraftwerk Union Ag | Kuehlanordnung fuer eine supraleitende erregerwicklung |
DE2530100A1 (de) * | 1975-07-05 | 1977-02-03 | Kernforschung Gmbh Ges Fuer | Verfahren und einrichtung zum kuehlen eines rotierenden magneten |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Cryogenics, Juli 1977, S. 429-433 * |
Dissertation von Bejan, A.: Improved Thermal Design of the Cryogenic Cooling System for a Superconducting Synchronous Generator Ph. D. - Thesis Massachusetts Institute of Technology, Dezember 1974, S. 148-159 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2830852B2 (de) | 1980-07-31 |
US4278906A (en) | 1981-07-14 |
FR2431212A1 (fr) | 1980-02-08 |
DE2830852C3 (de) | 1981-04-02 |
JPS5517299A (en) | 1980-02-06 |
FR2431212B1 (de) | 1983-10-21 |
GB2025707A (en) | 1980-01-23 |
GB2025707B (en) | 1983-03-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2830852C3 (de) | Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine | |
DE2342391A1 (de) | Waermetauscher fuer den laeufer einer fuer sehr tiefe temperaturen bestimmten kaeltemaschine | |
DE69932106T2 (de) | System zur Kühlung eines supraleitenden Läufers | |
DE69501099T2 (de) | Supraleitender Rotor für eine elektrische Maschine | |
DE2310704A1 (de) | Durch rotierende waermeleitung gekuehlte dynamoelektrische maschine | |
DE1815904A1 (de) | Synchrongenerator,insbesondere Turbogenerator,mit rotierender supraleitender Erregerwicklung | |
WO2016119968A1 (de) | Kühlvorrichtung zur kühlung eines hochpoligen rotors | |
WO2004068682A1 (de) | Maschine mit einem rotor und einer supraleitenden rotorwicklung | |
DE2830887C3 (de) | Kühleinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine mit einer supraleitenden Erregerwicklung | |
DE2849602C2 (de) | Anordnung zur Kühlung des Läufers einer elektrischen Maschine mit einer supraleitenden Feldwicklung | |
EP0040734B1 (de) | Einrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Erregerwicklung und eines Dämpferschildes des Läufers einer elektrischen Maschine | |
DE2418260A1 (de) | Rotor mit tiefgekuehlter erregerwicklung | |
DE2440132C3 (de) | Kühlanordnung für den Rotor einer elektrischen Maschine | |
EP0041190A2 (de) | Einrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Erregerwicklung und eines Dämpferschildes des Läufers einer elektrischen Maschine | |
DE2235336A1 (de) | Fluessigkeitsgekuehlter rotor fuer dynamoelektrische maschinen | |
DE2453182A1 (de) | Anordnung zur kuehlung einer elektrischen maschine | |
EP0038504B1 (de) | Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Magnetwicklung | |
DE2753460A1 (de) | Elektrische maschine mit kryogenkuehlung | |
DE2742477C3 (de) | Anordnung zur Kühlung des Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators | |
DE1033322B (de) | Gaskuehlsystem fuer dynamoelektrische Maschinen | |
CH611087A5 (en) | Electrical non-salient pole synchronous generator with gas cooling | |
DE2856128C3 (de) | Kühlmittelanschlußkopf für eine elektrische Maschine, die einen um eine Achse drehbar gelagerten Läufer mit einer von einem Kühlmittel tiefzukühlenden, supraleitenden Wicklung enthält | |
DE1538725A1 (de) | Turbogenerator mit direkt mit Fluessigkeit gekueblter Erregerwicklung | |
DE2920742C2 (de) | Anordnung zur Kühlung einerzuküh|ende" insbesondere supraleitenden Erregerwicklung im Läufer einer elektrischen Maschine | |
DE2731462A1 (de) | Mischphasenpumpe fuer eine sich schnell drehende tiefsttemperatur- maschine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OAP | Request for examination filed | ||
OD | Request for examination | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |