DE3104469C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Küh
lung einer supraleitenden Erregerwicklung im Läufer
einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbo
generators, mit einem im Betriebszustand der Maschine
flüssiges Helium führenden ersten Kühlmittelweg, der
ein die Erregerwicklung durchsetzendes Kühlkanalsystem
sowie eine zwischen einem Kühlmittelanschlußkopf und
dem Kühlkanalsystem verlaufende Kühlmittelleitung
enthält, mit einem von dem ersten Kühlmittelweg ge
trennten, flüssiges und/oder gasförmiges, an dem Kühl
mittelanschlußkopf zu- und abgeführtes Helium führenden
zweiten Kühlmittelweg, der mit einem um die Erreger
wicklung angeordneten Dämpferschild und/oder einem
Strahlungsschild wärmeleitend verbunden ist, und mit
einem dritten Kühlmittelweg zur Abkühlung von Strom
zuführungen zumindest annähernd auf die Betriebstempe
ratur der Erregerwicklung. Eine solche Kühlanordnung
geht aus der DE-AS 24 53 182 hervor.
Bei der bekannten Kühlanordnung wird zur Kühlung der
Erregerwicklung vorgesehenes flüssiges Helium I mit
Überdruck an einem Kühlmittelanschlußkopf in eine
Kühlmittelzuführungsleitung eingespeist und dann
durch die zur Kühlung der Wicklung vorgesehenen Kühl
kanäle eines Kanalsystems gefördert. Zur Kühlung eines
die Erregerwicklung konzentrisch umschließenden Dämpfer
schildes und der erforderlichen Stromzu- und -abfüh
rungsleitungen ist jeweils ein eigener Kühlkreislauf mit
entsprechenden Kühlmittelwegen vorgesehen. Bei dieser
Kühlanordnung ist zwar die Kälteleistung, die zur Ab
führung der von den jeweiligen Betriebszuständen der
Maschine abhängenden Verlusten erforderlich ist, an
die tatsächlichen Verluste der Maschine anpaßbar, so
daß eine wirtschaftliche Ausnutzung der Kälteleistung
zu gewährleisten ist. Jedoch ergeben sich aufgrund
der forcierten Kühlung der Erregerwicklung mit strömendem
Helium I Abdichtungsprobleme an dem Kühlmittelanschluß
kopf. Dort muß nämlich beim Übergang von feststehenden
auf rotierende Maschinenteile im allgemeinen der ver
hältnismäßig große Überdruck des ersten Kühlmittelweges
für das die Erregerwicklung kühlende Helium gegen einen
geringeren Druck der weiteren Kühlmittelwege der den
Dämpferschild bzw. die Stromzu- und -abführungsleitungen
kühlenden Helium-Ströme abgedichtet werden. Hierfür ge
eignete Dichtungen sind konstruktiv sehr aufwendig.
Derartige Abdichtungsprobleme spielen bei einer weiteren,
aus der DE-PS 27 42 477 bekannten Kühlanordnung für den
Läufer einer elektrischen Maschine mit supraleitender
Erregerwicklung eine geringere Rolle. Diese Kühlanordnung
ist mit einer Mischkammer in Achsnähe des Läufers aus
gestattet, die ein Zweiphasengemisch an flüssigem und
gasförmigen, von außen an einem Kühlmittelanschlußkopf
zugeführtem Helium I enthält. Die Erregerwicklung be
findet sich dabei in einem Bad mit flüssigem Helium,
das der Mischkammer entnommen ist. Die Strömung dieses
Heliums zwischen Mischkammer und den die Erregerwicklung
durchsetzenden Kühlkanälen des Bades erfolgt dabei auf
grund eines auf Dichteunterschieden beruhenden Selbst
pump-Effektes in sogenannten Thermosiphon-Schleifen
(vgl. z. B. "Cryogenics", Juli 1977, Seiten 429 bis 433).
Ein solcher Selbstpump-Effekt wird auch zur Kühlung
eines die Erregerwicklung konzentrisch umschließenden
Dämpferschildes mit gasförmigem, aus der Mischkammer
ebenfalls entnommenem Helium ausgenutzt. Die Kühl
mittelwege des die Erregerwicklung bzw. den Dämpfer
schild kühlenden Heliums sind somit nicht entkoppelt.
Bei dieser bekannten Kühlanordnung wird zwar das der
Mischkammer zuzuführende Helium an dem Anschlußkopf
mit einem verhältnismäßig geringen Druck von beispiels
weise 1 · 105 Pa in eine entsprechende Zuführungslei
tung eingespeist. Jedoch muß hierbei die Kühlmittelein
speisung in den Läufer sehr sorgfältig dimensioniert
werden. Da nämlich variable Wärmeverluste das gesamte
Kühlsystem beeinflussen, kann eine Änderung der thermi
schen Last in der Erregerwicklung und in dem Dämpfer
schild unter Umständen den Selbstpump-Effekt zerstören.
Die Folge davon wäre ein unerwünschter Temperaturan
stieg in der Wicklung. Bei einer lokal unterschied
lichen Wärmezufuhr ist gegebenenfalls sogar eine
Strömungsumkehr in den Thermosiphon-Schleifen zu
beobachten, die zu einer Überhitzung der Supraleiter
bei schlechtem Wärmeübergang führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühl
anordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu
verbessern, daß die bei dieser Anordnung auftretenden
Abdichtungsprobleme vermindert sind. Dabei soll ins
besondere der Kühlmittelanschlußkopf konstruktiv ver
hältnismäßig einfach zu gestalten sein. Zugleich sollen
mit dieser Kühlanordnung die für einen funktions
sicheren und wirtschaftlichen Langzeitbetrieb der
Maschine zu stellenden, nachstehend aufgeführten Forde
rungen erfüllt werden können:
- a) Erhöhte Wärmeverluste bei anomalen Betriebszuständen wie Schieflast oder Pendelungen sollen den supra leitenden Zustand nicht gefährden.
- b) Ein Ausfall der Kälteanlage sollte kurzzeitig tolerierbar sein, ohne den Betrieb der Maschine zu beeinflussen.
- c) Die Zeitdauer fürdas Kaltfahren des Läufers sollte unabhängig sein von den Eigenschaften des Kühlsystems im Kaltbetrieb.
- d) Die Funktion des Kühlsystems sollte unabhängig von der Rotation gewährleistet werden, um bei Inbetrieb nahme der Rotorwicklung einen Kalttest im Stillstand zu ermöglichen.
Unter Berücksichtigung dieser Forderungen wird die ge
nannte Aufgabe erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen
des Hauptanspruchs aufgeführten Maßnahmen gelöst.
Die mit dieser Ausgestaltung der Kühlanordnung erreichten
Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß zum einen
die hohe Wärmeleitfähigkeit des Heliums II zur Wicklungs
kühlung unabhängig von der Orientierung der Kühlkanäle
des Kühlmittelbades im Zentrifugalfeld ausgenutzt wird.
Da am Kühlmittelanschlußkopf das die Wicklung kühlende
Helium II nur etwa unter Atmosphärendruck oder geringem
Überdruck zu stehen braucht und ähnliche Druckverhältnisse
dort auch in den zweiten und dritten Kühlmittelwegen
herrschen können, sind zum anderen die Abdichtungs
probleme entsprechend gering. Da außerdem eine Wick
lungstemperatur von etwa 1,8 K ohne weiteres zu erreichen
ist, kann bei der Maschine eine entsprechend hohe Strom
tragfähigkeit der Supraleiter ausgenutzt werden. Diese
Stromtragfähigkeit ist z. B. für Niob-Titan um etwa
40% höher als bei Betriebstemperaturen um 4,2 K. Zu
sätzliche Wärmeverluste, insbesondere kurzzeitige Wärme
pulse, können durch das Helium II abgeführt werden, wo
bei die Kühlmitteltemperatur nur wenig, etwa bis 2,1 K,
erhöht wird. Die Helium-Enthalpie-Differenz zwischen
1,8 und 2,1 K dient dabei als Wärmepuffer.
Aufgrund der vorgesehenen Trennung des ersten Kühl
mittelweges von den übrigen Kühlmittelwegen kann vor
teilhaft der Massenstrom durch den Dämpfer außerhalb
des Läufers eingestellt und bei länger dauernden
anomalen Betriebsfällen den Bedürfnissen leicht
angepaßt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Kühlanordnung nach
der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in
den Unteransprüchen gekennzeichneten Ausgestaltungen
wird nachstehend auf die Zeichnung Bezug genommen,
in deren
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Kühl
anordnung gemäß der Erfindung schematisch veranschau
licht ist.
Fig. 2 zeigt einen Teil eines weiteren
Ausführungsbeispieles einer solchen Kühlanordnung.
In Fig. 1 ist als Längsschnitt nur die obere Hälfte
einer Kühlanordnung nach der Erfindung für den Läufer
einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbo
generators, angedeutet.
Die sich im Betriebszustand
der Maschine ergebenden Kühlmittelströmungen sind durch
Pfeile an den einzelnen Kühlmittelwegen veranschaulicht.
Der um eine Achse 2 drehbar gelagerte Läuferkörper 3
enthält eine supraleitende Erregerwicklung 4, die bei
spielsweise in Nuten angeordnet und von einem Kühl
kanalsystem mit axialen und radialen Kühlkanälen durch
setzt ist. Das in diesen Kühlkanälen befindliche
kryogene Medium soll die supraleitenden Leiter der
Wicklung auf der geforderten Betriebstemperatur hal
ten. Die Erregerwicklung 4 ist konzentrisch von einem
gekühlten Dämpferschild 5 umgeben, den ein ebenfalls
gekühlter Strahlungsschild 6 konzentrisch umschließt.
Aus thermischen Isolationsgründen befinden sich die
zu kühlenden Teile in Vakuumräumen 7.
Gemäß der Erfindung soll eine Badkühlung der Erreger
wicklung 4 mit superfluidem Helium (He II) unterhalb
dessen kritischer Wärmestromdichte vorgesehen sein.
Hierzu wird dieses Helium über einen in der Figur
nicht näher ausgeführten Anschlußkopf 9 mit einer
Temperatur von etwa 1,8 K längs der zentralen Achse
2 dem Läufer und über eine Kühlmittelleitung 10 dem
die Wicklung 4 kühlenden Bad 11 zugeführt. Der ent
sprechende erste Kühlmittelweg der Kühlanordnung ist
in der Figur allgemein mit A bezeichnet. Das He II
ist einem außerhalb des Läufers befindlichen, in der
Figur nicht dargestellten Vorratsbehälter entnommen.
Der Heliumzustand kann dabei in diesem Vorratsbehälter
gemäß der DE-AS 25 07 614 erzeugt sein. Um die hohe
Wärmeleitfähigkeit des He II zur Wicklungskühlung aus
nutzen zu können, ist der Querschnitt der Kühlmittel
leitung 10 ausreichend groß gewählt, so daß über das
in ihr befindliche Kühlmittel vorteilhaft der Wärme
transport von der Wicklung nach außen erfolgen kann.
Der Druck, unter dem das He II an dem Anschlußkopf 9
steht, beträgt mindestens 1 · 105 Pa und kann vor
teilhaft unter 2 · 105 Pa, vorzugsweise unter
1,5 · 105 Pa liegen. Insbesondere kann Atmosphären
druck herrschen.
Ein zweiter, allgemein mit B gekennzeichneter Kühlmittel
weg der Kühlanordnung, der unabhängig von dem ersten
Kühlmittelweg ist, dient zur Kühlung des Dämpferschildes
5 und des Strahlungsschildes 6. Hierzu tritt an dem
Kühlmittelanschlußkopf 9 in einem Anschlußteil 13
kaltes Helium I mit einer Temperatur von etwa 4,2 K
und unter einem Druck 1 · 105 Pa in eine kalte Zu
führungsleitung 15 ein. Nacheinander werden dann von
dem Kühlmittel mit dem Dämpferschild 5 thermisch ver
bundene Kühlkanäle 17 durchströmt, wobei
sich das Kühlmittel bis auf beispielsweise 100 K er
wärmt. Anschließend wird das Helium I noch zur Kühlung
von drehmomentübertragenden Verbindungsstücken zwi
schen kalten und warmen Läuferteilen in entsprechenden
Leitungsteilen 18 und 19 herangezogen, bevor es über
eine achsnahe Abführungsleitung 20 mit einer Temperatur
von etwa 300 K und einem Druck von etwa 1 · 105 Pa an
einem weiteren Kühlmittelanschlußkopfteil 21 aus dem
Läufer wieder austritt. Die gezeigte Kühlmittelströmung
stellt sich aufgrund der Rotation der Maschine und der
sich ausbildenden Temperaturverhältnisse längs des
zweiten Kühlmittelweges B zumindest weitgehend von
selbst ein.
Ein Teil des Dämpfer-Kühlmittelstromes wird vor dem
Dämpferschild 5 zur Kühlung der erforderlichen Strom
zuführung 23 abgezweigt. Der entsprechende dritte Kühl
mittelweg ist allgemein mit C gekennzeichnet. Der Aus
tritt des Kühlmittels erfolgt aus dem Anschlußkopf 9
an einem Anschlußkopfteil 25 mit einer Temperatur von
etwa 300 K. Außerhalb des Läufers kann vorteilhaft der
gewünschte Massenstrom eingestellt bzw. geregelt werden.
Zur Wicklung 4 hin ist ein kurzes Teilstück 26 der
Stromzuführung 23 zwischen dem ersten Kühlmittelweg A
und dem zweiten bzw. dritten Kühlmittelweg B bzw. C
ungekühlt.
Wie in der Figur ferner angedeutet ist, können mit
dem He II des ersten Kühlmittelweges A beispielsweise
in radialen Ebenen verlaufende Bleche 28 thermisch ver
bunden sein, die zur Aufnahme von Molekularsieben dienen.
Zum Abkühlen der Wicklung 4 auf die Betriebstemperatur
kann der Wicklungsraum mit dem Helium-Kreislauf für
den Dämpferschild 5 verbunden werden. Hierzu sind zwi
schen dem Wicklungsraum und dem Dämpferkreislauf des
zweiten Kühlmittelweges B Verbindungsleitungen 30 und 31
vorgesehen, so daß die Wicklung zwangsweise von Kühl
mittel durchströmt werden kann. Die Verbindungsleitungen
30 und 31 werden im Kaltbetrieb z. B. über in ihnen an
geordnete Ventile wieder geschlossen.
Da bei der Kühlanordnung an dem Kühlmittelanschlußkopf
9 zwischen dem Außenraum und dem ersten Kühlmittelweg
bzw. zwischen den einzelnen Kühlmittelwegen unterein
ander etwa gleiche Druckverhältnisse herrschen, ist
vorteilhaft der konstruktive Aufwand der entsprechenden
rotierenden Dichtungen 33 bis 36 entsprechend gering.
Um Ausfallzeiten der erforderlichen Kälteanlage für
die Kühlanordnung überbrücken zu können, wird zweck
mäßig ein Helium II-Vorratsbehälter vorgesehen. Außer
dem kann vorteilhaft noch ein weiterer Helium II-Tank
in dem Läufer angeordnet werden, der als Kältemittel
puffer insbesondere auch im Hinblick auf zusätzliche
Wärmeverluste dient. Ein entsprechendes Ausführungs
beispiel einer Kühlanordnung ist in Fig. 2 schematisch
als Längsschnitt angedeutet.
Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, ist in den ersten
Kühlmittelweg A für das He II ein zentraler Helium II-
Tank 40 integriert. Dieser Tank ist über einzelne
Rohrleitungen 41 mit den Kühlkanälen des Bades 11
zur Kühlung der Erregerwicklung verbunden. Über die
zentrale Kühlmittelleitung 10 steht der Heliumtank
mit einem in der Figur nicht dargestellten, außerhalb
des Läufers liegenden Helium II-Vorratsbehälter in
Verbindung.
Claims (9)
1. Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Erreger
wicklung im Läufer einer elektrischen Maschine, insbe
sondere eines Turbogenerators, mit einem im Betriebs
zustand der Maschine flüssiges Helium führenden ersten
Kühlmittelweg, der ein die Erregerwicklung durchsetzendes
Kühlkanalsystem sowie eine zwischen einem Kühlmittel
anschlußkopf und dem Kühlkanalsystem verlaufende Kühl
mittelleitung enthält, mit einem von dem ersten Kühl
mittelweg getrennten, flüssiges und/oder gasförmiges,
an dem Kühlmittelanschlußkopf zu- und abgeführtes
Helium führenden zweiten Kühlmittelweg, der mit einem
um die Erregerwicklung angeordneten Dämpferschild und/
oder einem Strahlungsschild wärmeleitend verbunden
ist, und mit einem drittenKühlmittelweg zur Abkühlung
von Stromzuführungen zumindest annähernd auf die Be
triebstemperatur der Erregerwicklung, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Badkühlung
der Erregerwicklung (4) mittels superfluiden Heliums
(He II) in dem ersten Kühlmittelweg (A) vorgesehen ist.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das superfluide
Helium des ersten Kühlmittelweges (A) am Anschlußkopf
( 9 ) unter einem Druck von mindestens 1 · 105 Pa steht.
3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das superfluide
Helium des ersten Kühlmittelweges (A) am Anschlußkopf
( 9 ) unter einem Druck von höchstens 2 · 105, vorzugs
weise höchstens 1,5 · 105 Pa steht.
4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zwischen dem Kühlmittenanschlußkopf ( 9 ) und dem
Kühlkanalsystem des Kühlmittelbades (11) verlaufende
Kühlmittelleitung (10) des ersten Kühlmittelweges
(A) zugleich als Kühlmittelzuführungs- und -abfüh
rungsleitung vorgesehen ist.
5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kühlmittel des dritten Kühlmittelweges (C) dem
zweiten Kühlmittelweg (B) auf Tieftemperatur in Nähe
der Erregerwicklung (4) entnommenes Kühlmittel ist.
6. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Kühlkanalsystem des Kühlmittelbades (11)
des ersten Kühlmittelweges (A) und dem zweiten Kühl
mittelweg (B) mindestens eine Verbindungsleitung (30,
31) mit einem Ventil vorgesehen ist.
7. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
dem ersten Kühlmittelweg (A) ein Helium II-Vorrats
behälter außerhalb des Läufers zugeordnet ist.
8. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
in der Kühlmittelleitung (10) zwischen dem Kühlmittel
anschlußkopf ( 9 ) und dem Kühlkanalsystem des Kühl
mittelbades (11) des ersten Kühlmittelweges (A) ein
Kühlmitteltank (40) vorgesehen ist, an den über mehrere
Kühlmittelverbindungsleitungen (41) das Kühlkanalsystem
des Kühlmittelbades (11) angeschlossen ist (Fig. 2).
9. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
innerhalb des Läufers mit dem superfluiden Helium
des ersten Kühlmittelweges (A) großflächige Bleche
(28) eines Molekularsiebes thermisch verbunden sind.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19813104469 DE3104469A1 (de) | 1981-02-09 | 1981-02-09 | "anordnung zur kuehlung einer supraleitenden erregerwicklung im laeufer einer elektrischen maschine" |
JP57017398A JPS57148553A (en) | 1981-02-09 | 1982-02-05 | Cooler for superconductive winding |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19813104469 DE3104469A1 (de) | 1981-02-09 | 1981-02-09 | "anordnung zur kuehlung einer supraleitenden erregerwicklung im laeufer einer elektrischen maschine" |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3104469A1 DE3104469A1 (de) | 1982-08-19 |
DE3104469C2 true DE3104469C2 (de) | 1987-06-04 |
Family
ID=6124369
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19813104469 Granted DE3104469A1 (de) | 1981-02-09 | 1981-02-09 | "anordnung zur kuehlung einer supraleitenden erregerwicklung im laeufer einer elektrischen maschine" |
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US7317268B2 (en) | 2004-03-30 | 2008-01-08 | General Electric Company | System and method for cooling a super-conducting device |
Family Cites Families (3)
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---|---|---|---|---|
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DE2453182C3 (de) * | 1974-11-08 | 1982-01-21 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Anordnung zur Kühlung von Rotorteilen eines Turbogenerators |
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1981
- 1981-02-09 DE DE19813104469 patent/DE3104469A1/de active Granted
-
1982
- 1982-02-05 JP JP57017398A patent/JPS57148553A/ja active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPS57148553A (en) | 1982-09-13 |
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