DE3005066A1 - Rotor einer elektrischen kryogenmaschine - Google Patents

Rotor einer elektrischen kryogenmaschine

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DE3005066A1
DE3005066A1 DE19803005066 DE3005066A DE3005066A1 DE 3005066 A1 DE3005066 A1 DE 3005066A1 DE 19803005066 DE19803005066 DE 19803005066 DE 3005066 A DE3005066 A DE 3005066A DE 3005066 A1 DE3005066 A1 DE 3005066A1
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Igor Alekseevitsch Glebov
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DANILEVITSCH YANUSCH BRONISLAVOVITSCH
IVANOV SERGEJ ALEKSANDROVITSCH
KARYMOV ANATOLIJ ANATOLIEVITSCH
KOTLYAROVA GALINA ANATOLIEVNA
SAPOSCHNIKOV VLADIMIR ALEKSANDROVITSCH
SCHACHTARIN VALENTIN NIKOLAEVITSCH
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DANILEVITSCH YANUSCH BRONISLAVOVITSCH
IVANOV SERGEJ ALEKSANDROVITSCH
KARYMOV ANATOLIJ ANATOLIEVITSCH
KOTLYAROVA GALINA ANATOLIEVNA
SAPOSCHNIKOV VLADIMIR ALEKSANDROVITSCH
SCHACHTARIN VALENTIN NIKOLAEVITSCH
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Description

1. IGOR ALEXEEVICH GLEBOV
2. YANUSH BRONISLAVOVICH DANILEVICH
3. SERGEI ALEXANDROVICH IVANOV
4. ANATOLY ANATOLIEVICH KARYMOV
5. GALINA ANATOLIEVNA KOTLYAROVA
6. VLADIMIR ALEXANDROVICH SAPOZHNIKOV
7. VALENTIN NIKOLAEVICH SHAKHTARIN
Leningrad, UdSSR
ROTOR EINER ELEKTRISCHEN KEYOGENMASOHIKE
Die Erfindung bezieht sich auf -einen Rotor einer elektrischen Kryogenmaschine.
Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Erfindung in großen elektrischen Maschinen, z.B. in Turbogeneratoren, verwendet werden.
Der Elektromaschinenbau entwickelt sich zur Zeit in den fortgeschrittenen Ländern zwecks Verbesserung der technischen und wirtschaftlichen Kennwerte und der Betriebssicherheit elektrischer Maschinen hauptsächlich in Sichtung der Leistungssteigerung in einem Maschinensatz.
Die Leistungserhöhung einer elektrischen Maschine :.
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wird entweder durch die Intensivierung der Kühlung der wirksamen Maschinenteile (Statorwicklungen, Rotorwicklungen u.dgl.), die eine Vergrößerung der Stromdichte in den Wicklungen und eine Verbesserung der Wärmeableitung von den sich erwärmenden Teilen gestattet, oder durch eine Vergrößerung der Abmessungen der elektrischen Maschine erreicht.
Heute wird zur Gewährleistung der Möglichkeit einer Leistungserhöhung elektrischer Maschinen der Weg einer Intensivierung der Kühlung ihrer wirksamen Teile beschritten, was wirtschaftlich besonders vorteilhaft ist.
Der effektive Betrieb von großformatigen elektrischen Maschinen mit supraleitender Erregerwicklung hängt in vielem von Kühlsystem dieser Wicklung ab.
Es ist ein Eotor einer elektrischen Kryogenmaschine bekannt, der einen durchlaufenden Tragkörper in Form eines massiven tragenden Zylinders, der an der Außenfläche Hüten und eine U-förmige elektrische Isolation aufweist, und eine aus einzelnen Spulen bestehende supraleitende Erregerwicklung enthält, wobei die Spulen in die Nuten des tragenden Zylinders eingelegt sind und in den Nuten mit Hilfe eines Kappenzylinders festgehalten werden.
Das Kühlsystem der Wicklung besteht aus axialen Kanälen zur Verteilung des Kühlmittels über den Umfang des
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tragenden Zylinders und radialen Kanälen, die mit den axialen Kanälen durch. Schütze an der Außenfläche der Trennwände zwischen den Nuten des tragenden Zylinders kommunizieren. Die axialen Kanäle sind in den Trennwänden zwischen den Hüten des tragenden Zylinders ausgeführt, und die an der Innenseite der U-förmigen Nutenisolation ausgebildeten radialen Kanäle stehen miteinander über den Nutengrund in Verbindung (DE-OS 25 11 104). . -
Das über den axialen Zuleitungskanal ankommende Kühlmittel fließt durch die Schlitze an der Außenseite der Trennwand in die radialen Kanäle der U-förmigen Isolation, gelangt dann über die Abschnitte der Kanäle am Nutengrund in die radialen Kanäle an der gegenüberliegenden Seite der Nut und wird von dort durch die Schlitze an der Außenseite der Trennwand in den axialen Kanal zur Ableitung des Kühlmittels aus der Wicklung .geleitet.
Im betrachteten Rotor einer elektrischen Kryogenmaschine können jedoch beim Vorhandensein lokaler Wärmeentwicklungen in der supraleitenden Erregerwicklung solche Bedingungen entstehen, bei denen am Nutengrund infolge einer Trennung... des Dampfflüssigkeitsgemisches des Kühlmittels durch die Zentrifugalkräfte ein Ansammeln der Dampfphase geschieht, das zu einer Verstopfung des Kanals führt, wo-
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durch die Kühlungsbedingungen verschlechtert; und die strom-.vagende !Fähigkeit des Supraleiters herabgesetzt werden.
Das Verhindern der Verstopfung des Kanals durch eine Druckerhöhung an der Zuleitungsseite des Kühlmittels führt zu einer Erhöhung dessen Temperatur und erfordert außerdem das Schaffen von zusätzlichen iSinriclrüungen zur Drucksteigerung des Kühlmittels an dessen Zuleitungsseite.
Im fall einer ungleichmäßigen Wärmeentwicklung über
es
die Rotorlänge kann/geschehen, daß die Dampfstopfen nicht in allen Kanälen entstehen werden, was zu einer Umverteilung des Kühlmitteldurchsatzes durch die anderen Kanäle führt, die eine irreversible Erscheinung darstellt.
Außerdem bedingt die Ausführung der axialen Kanäle in de.n Trennwänden des tragenden Zylinders die Notwendigkeit einer Verstärkung der Trennwände, was zu einer niedrigen Ausnutzung der wirksamen Zone des fiotors führt.
Die Ausbildungsmöglichkeit von Dampfstopfen, die die Kühlkanäle der supraleitenden Jirregerwicklung verstopfen, ist im Rotor einer elektrischen Kryogenmaschine ausgeschlossen, von dem die Erfindung ausgeht. Dieser Rotor enthält eine supraleitende Erregerwicklung, die aus flachen Spulen ovaler Form besteht, jede von denen in eine Passung mit rechteckiger IPorm eingesetzt ist, deren Innenfläche entsprechend dem ovalen Spulenprofil bearbeitet wird und die mitein-
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ander kommunizierende tangentiale und axiale Kanäle hat. Jede Spule ist an den Seitenflächen durch die Metalltrennwände fest eingespannt, in denen im Bereich des geradlinigen Abschnitts der Spule radiale Kanäle ausgeführt; sind, die den zentralen, mit dem Kühlmittel ausgefüllten Hohlraum des .Rotors mit den tangentialen Kanälen der Fassung verbinden. Außerdem sind in den Me calltrennwänden axiale Kanäle zur Ableitung des Kühlmittels aus dem zentralen Hohlraum des .Rotors ausgeführt. Die elektrische Isolation der Spule ist durch eine Lage Glasband an ihren Außen- und Innenseiten und durch eine Elektroisolierfolie an den Seitenflächen der Spule ausgebildet. Die gesamte Wicklung komplett; mit den Fassungen und den Metalierennwänden wird mit einer Metallkappe umfaßt ("Component Development for a 20-MVA superconducting Generator", WELG, Moscow, 1977, paper 1.39).
Die Bewegung des Kühlmittels in den Kanälen ist folgendermaßen eingerichtet:das flüssige Kühlmittel gelangt durch die axialen Kanäle an der Außenfläche der Passung von der Wickelkopfseite der Erregerwicklung in die tangentialen Kanäle der Passung, von dort in die in den Metalltrennwänden ausgeführten radialen Kanäle und dann in den zentralen Hohlraum des Rotors. Die Dampfphase des Kühlmittels wird aus dem zentralen Hohlraum des Rotors durch die axialen Kanäle in den Metalltrennwänden abgeleitet.
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In dem angegebenen Rotor vollzieht sich jedoch nur eine indirekte Jxühlung des Supraleiters durch die Isolationsschicht, was zu einer Verschlechterung der üühlungsbedingungen der supraleitenden Erregerwicklung und also auch zu einer Herabsetzung der stromtragenden Fähigkeit des Supraleiters führt.
Außerdem muß jede Spule außerhalb des Rotortragkörpers gewickelt, imprägniert und verbacken werden. Danach ist eine hochpräzise mechanische Bearbeitung der Spulenaußenfläche zum Erhalten der nötigen ovalen Form und der den Maßen der Fassung entsprechenden Abmessungen erforderlich. Bei der Montage der Wicklung wird jede Spule in ihre Fassung eingesetzt, wonach die Spulen mit den Fassungen durch die Metalltrennwände unterteilt und mit Hilfe von Schrauben zusammengefügt werden. Bei einem solchen Aufbau der Wicklung wird die Fixierung der Spule in der Fassung mittels einer prüzisen mechanischen Bearbeitung der aneinander anliegenden Flächen der Fassung und der Spule erreicht, was die Fertigungstechnologie bedeutend kompliziert. Eine ungenaue mechanische Bearbeitung kann zur Einbuße der monolithischen Einheitlichkeit der Wicklung, zu. eventuellen Verschiebungen der Spulen gegenüber den i'rennwänden und Fassungen und
so zur Auslösung von Reibungsverlusten führen, die zur lokalen Erhöhung der Temperatur des Supraleiters und zur
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Herabsetzung dessen .stromtragungsvermögens beitragen.
Es soll hervorgehoben werden, daß die Ausbildung von radialen Kanälen in Metalltrennwänden zu einer Vergrößerung der Stärke dieser Trennwände führt, wodurch die Ausnutzung der wirksamen Zone des Rotors herabgesetzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektrische Kryogenmaschine zu entwickeln, in dem radiale Kanäle für die Zuleitung des Kühlmittels so ausgeführt sind, daß eine direkte Kühlung des Supraleiters der Wicklungsspulen gewährleistet wird, was wiederum zur Erhöhung der Kühlungswirksamkeit der supraleitenden Erregerwicklung führt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Rotor einer elektrischen Kryogenmaschine mit einer supraleitenden Erregerwicklung, die aus flachen Spulen, von denen jede in eine Fassung eingesetzt ist, die miteinander kommunizierende tangentiale und axiale Kanäle aufweist, zwischen den Spulen angeordneten Metalltrennwänden, einem Elektroisolierstoff, radialen Kanälen, die den zentralen Hohlraum des Rotors mit den tangentialen Kanälen verbinden, und einer die durch die
Metalltrennwände unterteilten Spulen umfassenden Kappe besteht, erfindungsgemäß f jede der Fassungen aus einer mit der Spule umfaßten Grundfläche , Keilen und Einlegestüoken besteht, die radialen Kanäle in . -.
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den Grundflächen und in den Keilen ausgebildet sind und der elektrische Isolierstoff in Form von Streifen ausgeführt ist, die Kanäle bilden, welche die radialen Kanäle in den Keilen mit den radialen Kanälen in den Grundflächen verbinden.
Die aus der Grundfläche, den Keilen und Einlegestücken bestehende Passung gestattet es, die Technologiegerechtigkeit und monolith^" Einheitlichkeit der supraleitenden Wicklung dadurch zu erhöhen, daß dabei die Möglichkeit einer gleichzeitigen Aufwickelung sämtlicher Spulen direkt auf den Tragkörper des Rotors sowie einer gleichseitigen Imprägnierung und Verbackung der gesamten Wicklung als Ganzes gewährleistet wird.
Die Ausführung des Elektroisolierstoffs in Form von Streifen, die Kanäle bilden., welche die radialen Kanäle in den Grundflächen und den Keilen untereinander verbinden, ermöglicht die Verwirklichung einer direkten Kühlung der Spulenoberflächen, wodurch die Kühlungswirksamkeit der supraleitenden Erregerwicklung erhöht sowie die Stärke der Metalltrennwände vermindert werden^ .was zu einer Verbesserung der Ausnutzung der wirksamen Zone des Rotors beiträgt.
Die Ausbildung der radialen Kanäle in den Grundflächen und in den Keilen ermöglicht es, einen einheitlichen Kanal zu erhalten, der die tangentialen Kanäle der Passungen mit dem zentralen Hohlraum des Rotors verbindet.
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- ίο -
Anhand der Zeichnung wird die .Erfindung beispielsweise näher erläutert, Es zeigen:
Fig» 1 den Rotor einer elektrischen Kryogenmaschine und die Kühlmittelbewegung gemäß der .Erfindung im Längsschnitt j
Fig. 2 den .Rotor einer elektrischen üryogenmaschine im Querschnitt;
Fig. 3 die Baugruppe A in Fig. 2 in vergrößertem Maßstab;
Fig. 4 eine Fassung der supraleitenden Erregerwicklung in vergrößertem Maßstab als Vorderansicht;
Fig. 5 einen der Keile der Fassung und die JECühlmittelbewegung in Perspektiv^darsteilung; und
Fig· 6 Metalltrennwände mit an ihnen angebrachten Streifen des JBlektrοIsolierstoffs und die Kühlmittelbewegung in Perspektivdarstellung.
Der Botor einer elektrischen Kryogenmaschine enthält eine supraleitende Erregerwicklung 1, die aus flachen Spulen 2 (Fig. 2) ovaler Form besteht, von denen jede, in eine Fassung 3 eingesetzt ist, die aus einer Grundfläche 4, Heilen i? und Einlege stücken 6 besteht, von den nebenliegenden Spulen 2 durch Metall trennwände 7 (Fig. 2) abgetrennt wird
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und von der Fassung 3 und den Metalltrennwänden 7 mittels einer elektrischen Isolation 8 (Fig. 3) isoliert ist. Die
Metall·»
durch, die «trennwände 7 unterteilten Spulen 2 (fig. 1) sind mit einer zylindrischen Kappe 9 aus unmagnetischem Stahl oder einer anderen Legierung umfaßt.
Me Grundfläche 4 (Pig. 4) stellt eine Stützplatte ovaler Form mit einer Innenöffnung dar. In der Grundfläche 4 sind axiale Kanäle 10 und radiale Kanäle 11 ausgefräst.
Die Keile 5 (Fig. 5) sind in Schwalbenschwanzform ausgeführt. In jedem der Keile 5 sind ein axialer Kanal 12 und mit ihm über tangentiale Kanäle 13 kommunizierende radiale Kanäle 14 ausgefräst. Die Mnlegestücke 6 (Fig. 1, 4) stellen Platten dar, die die Wickelköpfe der Spulen 2 umfassen. Die Innenflächen der Einlegestücke 6 sind nach der Form der Wickelköpfe der Spulen 2 bearbeitet. Die Einlegestücke 6 haben axiale Kanäle 15» die mit den axialen Kanälen 10 der Grundfläche 4 und den Kanälen 16 (Fig. 1) des Wärmeaustauschers kommunizieren, sowie axiale Kanäle 17» die mit den axialen Kanälen 12 der Keile 5 und mit einem Bohr 18, durch das das Kühlmittel in den Hohlraum des Rotors zufließt, in Verbindung stehen.
Die Metalltrennwände 7 (Fig. 2) stellen Piauten ovaler Form mit einer Innenöffnung dar.
Die elektrische Isolation 8 (Fig. 3) besteht aus einer
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aus
Lage 19/Glasband, die die Oüerfläche der Spulen an der Seite der Fassungen überzieht, und aus Isolierfolien an den Seiten der Spulen 2, die in Form von Streifen 20 (Fig. 6) ausgebildet werden, wobei diese Streifen an den Metalltrennwänden 7 befestigt sind und in ihrem Zwischenraum Kanäle 21 bilden, die die radialen Kanäle 11 (Fig. 4) in den Grundflächen 4 mit den radialen Kanälen 14 in den Keilen 5 verbinden.
Die Grundflächen 4 (Fig. 2) und die Me tall trennwände 7 sind miteinander mit Hilfe von (in der Zeichnung nicht gezeigten) Schrauben verbunden und bilden den Tragkörper des Rotors.
Die Öffnungen der Grundflächen 4 und der Metalltrennwände 7 bilden den »entralen Hohlraum 22 des Eotors.
Nach der gleichzeitigen Aufwickelung sämtlicher Spulen 2 werdsi die Imprägnierung und Verbackung der gesamten Wicklung 1 als Ganzes durchgeführt, was ihre monolithische Einheitlichkeit erhöht.
Die Keile 5 fixieren die Spulen 2 an ihren geradlinigen Abschnitten zwischen den Metalltrennwänden 7, und die Einlegestücke 6 befestigen die Wickelkopfteile der Spulen 2.
Die radialen Kanäle 11 in den Grundflächen 4 und die radialen Kanäle 14 in den Keilen 5 verbinden die tangentia-
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len Kanäle 13 in den Keilen 3 mit dem zentralen Hohlraum 22 des Rotors.
Die Kühlung der supraleitenden Jtoregerwicklung des Rotors der elektrischen Kryogenmaschine geschieht; folgendermaßen;
Das Kühlmittel, z.B. flüssiges Helium, wird ins Innere des Rotors mit Hilfe des Rohrs 18 (Mg. 1) eingeleitet.. Von dort gelangt das Kühlmittel in die axialen Kanäle 17 der Einlegestücke 6 und durch diese in die axialen Kanäle 12 (Mg· 2) der Keile 5, dann durch die tangentialen Kanäle 13 (Pig. 4) der Keile 5 in die mit ihnen verbundenen Kanäle 21 (J)Ig. 6), die durch die Streifen 20 des Isolierstoffs gebildet sind, und in die radialen Kanäle 11 der Grundflächen 4. Aus den radialen Kanälen 11 (jb'ig. 1) der Grundflächen 4 gelangt das Dampfflüssigkeitsgemisch des Kühlmittels in den zentralen Hohlraum 22 des Rotors. Die Dämpfe des Kühlmittels fließen durch die axialen Kanäle der Grundflächen 4 und die axialen Kanäle 15 der üinlegestücke 6 in die Kanäle 16 des Wärmeaustauschers und weiter zum Ausrritu aus dem Rotor. Das flüssige Kühlmittel verteilt sich unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte üDer die Innenfläche der Kappe 9 und bildet eine Schicht, in die die geradlinigen Abschnitte der Spulen 2 eingetaucht sind, während die Dampfphase im zentralen Hohlraum 22 des
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Hotors angesammelt wird. Die Zentrifugalkräfte tragen zur Trennung· · der Dampfphase bei und bewerkstelligen ihre Bewegung in der Richtung zur Achse des Rotors·
In anomalen Betriebszuständen des Eotors ermöglicht das System der Kanäle die ungehinderte Zuleitung einer vergrößerten Menge des Kühlmittels zur supraleitenden Erregerwicklung .
Das System der Kanäle in der Passung sowie unmittelbar an der Seitenfläche der Spulen durchdringt die ganze Stärke der supraleitenden Erregerwicklung und gewährleistet eine geregelte Bewegung des Kühlmittels vom Umfang zur Mitte ohne entgegengerichtete Strömungen der flüssigen Phase und der Dampfphase und ohne nichtkontrollierbare V¥irbelströmungen·
Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Kryogenmaschine ergibt Bedingungen zur Erhöhung der Kühlungswirksamkeit der supraleitenden Erregerwicklung, was zu einer Erhöhung ihre.s 5 tr omtragungs Vermögens tmcL damit zu einer
Steigerung der Leistung der elektrischen Maschine führt. werden
Außerdem / .= die Technologiegerechtigkeit der supraleitenden Erregerwicklung und die Ausnutzung der wirksamen Zone des Rotors der elektrischen Kryogenmaschine verbessert·
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ROTOR EINER ELEiKTEISCHEN KRYOGENMASCHINE Zusammenfassung' '
Der Rotor einer elektrischen Kryogenmaschine enthält eine supraleitende Erregerwicklung, die aus flachen Spulen (2), von denen jede in eine Passung (3) eingesetzt ist, die tangentiale und axiale Kanäle aufweist, zwischen den Spulen (2) angeordneten Metalltrennwänden (7)» einem Elektroisolierstoff (ö), radialen Kanälen, die den zentralen Hohlraum (22) des Rotors mit den tangentialen Kanälen der Passungen (3) verbinden, und einer die durch die Metalltrennwände · (7) unterteilten Spulen (2) umfassenden Kappe (9) besteht· Dabei besteht jede der Fassungen (3) aus einer mit der Spule (2) umfaßten Grundfläche (4),
Keilen (5) und .. Einlegestücken (6), die radialen Kanäle (11, 14) sind in den Grundflächen (4) und in den Keilen (5) der Passungen (3) ausgeführt, und der elektrische Isolierstoff (ü) ist in Porm von Streifen (20) ausgeführt, die Kanäle (21) bilden, welche die radialen Kanäle (11, 14) der Grundflächen (4) und der Keile (5) miteinander verbinden.
Die vorliegende Erfindung kann besonders vorteilhaft in großen elektrischen Maschinen, z.B. in Turbogeneratoren, verwendet werden.
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ι *·♦
Leerseite

Claims (1)

  1. P aten tan gpruch
    Rotor einer elektrischen Kryogenmaschine mit einer supraleitenden Erregerwicklung, die aus flachen Spulen, von denen jede in eine Fassung eingesetzt ist, die miteinander kommunizierende tangentiale und axiale Kanäle aufweist, zwischen den Spulen angeordneten Metalltrennwänden, einem Elektroisolierstoff, radialen Kanälen, die den zentralen Hohlraum des Rotors mit den tangentialen Kanälen verbinden, und einer die durch die Metalltrennwände unterteilten Spulen umfassenden Kappe besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Fassungen (3) aus einer mit der Spule (2) umfaßten Grundfläche (4), Keilen (5) und Einlegestücken (6) besteht,
    die radialen Kanäle (11, 14) in den Grundflächen (4) und in den Keilen (5) ausgeführt sind und der elektrische Isolierstoff (8) in Form von Streifen (20) ausgeführt ist, die Kanäle (21) bilden, welche die radialen Kanäle (14) in den Keilen (5) mit den radialen Kanälen (11) in den Grundflächen (4) verbinden.
    530-(P8O7O5-E-61)-TSl
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DE19803005066 1979-02-15 1980-02-11 Rotor einer elektrischen kryogenmaschine Withdrawn DE3005066A1 (de)

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