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Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere
eine Elektromaschine mit Kryokühlung, und zwar Motoren, Generatoren, Umformer, die
in Atom-, Wärme- und sonstigen Kraftwerken sowie im Verkehrs- und Flugwesen zum
Einsatz gelangen. Sie kann auch in Weltraum-Kraftwerken und Einrichtungen, bei denen
ein rotierendes Objekt, z.B. eine elektrische Wicklung bei Kryotemperatur aufrechterhalten
werden muß, verwendet werden.
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Bekannt sind viele Typen von Elektromaschinen, bei denen die rotierende
elektrische Wicklung bei Kryotemperatur gehalten wird. Die Vervollkommnung dieser
Elektromaschinen geht in zwei Richtungen. Eine steht mit der Senkung des Energieverbrauchs
zur Kryokühlung und letzten Endes mit der Erreichung des maximalen Wirkungsgrades
der Maschine in Verbindung. Die andere Richtung strebt dem Ziel nach, die Sicherheit
der Maschine insgesamt zu steigern, da einmal die Einführung von Kryoeinrichtulgen
in die herkömmliche Elektrotechnik ohne Ergreifen spezieller Maßnahmen die Zuverlässigkeit
der Elektromaschinen mit Kryokühlung herabsetzt.
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Die auf die Senkung des Energieaufwandes zur Kryokühlung der Wicklung
gerichtete Vervollkommnung kann jedoch als eine Vervollkommnung zwecks Erhöhung
der Betriebssicherheit der Elektromaschine unter Beibehaltung des gleichen Energieaufwandes
ausgelegt werden, da der Gewinn an Energieaufwand einmal auf die Temperaturerniedrigung
der supraleitenden Wicklung gerichtet werden kann.
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Technologisch läuft die Kryokühlung der Läuferwicklung auf die Kühlung
der Wicklung selbst und des mittleren zylindrischen
Teil des Läufers,
in dem die Wicklung befestigt ist, mit Kühlmittel die Kühlung von zwei Übergangszonen
des Läufers, die den zentralen Teil mit Hälsen des Läufers, mit denen der letztere
auf Lagern aufliegt, starr verbinden, die Kühlung von Stromzuführungen und einem
Elektrowärmeschild hinaus.
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Bekannt sind Elektromaschinen mit Kryokühlung (siehe z.B.
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T.E. Laskaris, Cryogenics, Vol. 17, Nr. 4, April 1977), bei denen
alle Stufen der Kryoanlage außerhalb des Läufers angeordnet sind und ein Kühlmittel
mit einer minimalen Temperatur, das die Läuferelemente abkühlt und durch ein oder
zwei Kanäle abgeleitet wird, durch einen Zuführungskanal und bei Temperaturen, die
sich von den Optimaltemperaturen unterscheiden, dem Läufer zugeführt wird.
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Ein optimaleres, d.h. den maximalen Wirkungsgrad der Maschine gewährendes
Kühlsystem bildet vom energetischen Standpunkt aus jenes System, das die Abkühlung
von jedem der aufgezählten Läuferelemente in dem für jedes Element optimalen Betriebszustand
sichert. Das bedeutet, daß ein unabhängiger Kühlmittelverbrauch im Kühlkanalsystem
von jedem Element bei einer für jedes Element optimalen Temperatur gewährleistet
werden muß. Sind die Kryoanlage und der Läufer konstruktiv getrennt ausgeführt,
so muß ein mehrkanaliger Kühlmittelzu-und -ablauf vom Läufer gewährleistet werden.
Zur Gewahrleistung der unabhängigen Kühlung der vier aufgezählten Elemente muß beispielsweise
ein vierkanaliger Zulauf und ein vierkanaliger Ablauf ausgeführt werden.
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Die Verwirklichung dieser Konstruktion ist wegen ihrer Kompliziertheit
erschwert. Deswegen sind Elektromaschinen mit Kryokühlung bekannt (siehe z.B. GB-PS
1 320 342), bei denen ein Teil der Kryoanlage sich im Hohlraum des Läufers befindet,
wodurch bei Vorhandensein von nur noch einem Kühlmittelzulaufkanal
zum
Läufer und einem Kühlmittelablaufkanal vom Läufer eine optimale Abkühlung gewährleistet
wird.
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Bei der erwähnten Elektromaschine mit Kryokühlung enthält der Läufer
eine supraleitende Wicklung mit Kühlkanälen, deren Ein- und Ausgänge jeweils mit
einem Ein- und Austritt eines im Hohlraum des Läufers untergebrachten Wärmeaustauschers
verbunden sind, dessen anderer Ein- und Austritt jeweils mit einer Kühlmittelzulaufleitung
zum Läufer und einer Kühlmittelablaufleitung vom Läufer in Verbindung steht, einen
Elektrowärmeschild, der relativ zu der supraleitenden Wicklung radialspielbehaftet
angeordnet und zumindest mit einem Kühlkanal ausgebildet ist, dessen Ein- und Ausgang
jeweils an die Kühlmittelzulaufleitung zum Läufer und an die Kühlmittelablaufleitung
vom Läufer angeschlossen ist, zwei Stromzuführungen, die mit der supraleitenden
Wicklung elektrisch verbunden und jeweils mindestens mit einem Kühlkanal ausgeführt
sind, dessen Ein- und Ausgang entsprechend mit der Kühlmittelzulaufleitung zum Läufer
und der Kühlmittelablaufleitung vom Läufer in Verbindung steht, und zwei Übergangs
zonen, die an der supraleitenden Wicklung anliegen, aufeinanderfolgend längs der
Läuferachse beiderseits dieser supraleitenden Wicklung angeordnet und jeweils mit
mindestens einem Kühlkanal ausgeführt sind, dessen Eingang in der unmittelbaren
Nähe bei der supraleitenden Wicklung liegt und an die Kühlmittelzulaufleitung zum
Läufer und dessen Ausgang an die Kühlmittelablaufleftung vom Läufer angeschlossen
ist.
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Abgesehen von dem Wärmeaustauscher ist im Hohlraum des Läufers eine
Expansionsmaschine untergebracht, in der der Kühlmittelstrom von der Kühimittelzulaufleitung
abgekühlt wird, der danach in jenen Eintritt des Wärmeaustauschers einläuft, welcher
mit dieser Zulaufleitung verbunden ist. Durch das Vorhandensein der Expansionsmaschine
im Hohlraum des Läufers
wird die Sicherheit der Elektromaschine
herabgesetzt, weil die Expansionsmaschine einen beweglichen Teil enthält, der die
Ausfallswahrscheinlichkeit der erwähnten Elektromaschine erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektromaschine mit
Kryokühlung zu schaffen, bei der die Ausschliessung der relativ zu dem Läufer beweglichen,
im Hohlraum des Läufers befindlichen Elemente des Kühlsystems die Sicherheitssteigerung
dieser Elektromaschine zu gewährleisten vermag.
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Das Wesen der Erfindung bestehtsdarin, daß die Elektromaschine mit
Kryokühlung, deren Läufer eine supraleitende Wicklung mit Kühlkanälen, deren Ein-
und Ausgänge jeweils mit einem Ein- und Austritt eines im Hohlraum des Läufers untergebrachten
Wärmeaustauschers verbunden sind, dessen anderer Ein- und Austritt jeweils mit einer
Kühlmittelzulaufleitung zum Läufer und einer Kühlmittelablaufleitung vom Läufer
in Verbindung steht, einen Elektrowärmeschild, der relativ zu der supraleitenden
Wicklung radialspielbehaftet angeordnet und zumindest mit einem Kühlkanals ausgebildet
ist, dessen Ein- und Ausgang jeweils an die KUhlmittelzulaufleitung zum Läufer und
an die Kühlmittelablaufleitung vom Läufer angeschlossen ist, zwei Stromzuführungen,
die mit der supraleitenden Wicklung elektrisch verbunden und jeweils mindestens
mit einem Kühlkanal ausgeführt sind, dessen Ein- und Ausgang mit der Kühlmittelzulaufleitung
zum Läufer bzw. der KuhlmittelablaufIeitung vom Läufer in Verbindung steht, und
zwei Übergangs zonen enthält, die an der supraleitenden Wicklung anliegen, aufeinanderfolgend
längs der Läuferachse beiderseits dieser supraleitenden Wicklung angeordnet und
jeweils mit mindestens einem Kühlkanal ausgeführt sind, dessen Eingang in der unmittelbaren
Nähe bei der supraleitenden Wicklung liegt und- an die Kühlmittelzulaufleitung zum
Läufer und dessen Ausgang an die
Kühlmittelablaufleitung vom Läufer
angeschlossen ist, erfindungsgemäß eine im Hohlraum des Läufers angeordnete Ranque-Wirbelröhre
aufweist, deren Tangentialeinlauf mit der Kühlmittelzulaufleitung zum Läufer, der
zentrale Auslauf mit den Eintritten der Kühlkanäle der Ubergangszonen des Läufers
und der Stromzuführungen und der peripherische Auslauf mit dem Eintritt des Kühlkanals
des Elektrowärmeschildes verbunden ist, dessen Austritt an einen Zusatzeintritt
des Kühlkanals mindestens einer Übergangszone angeschlossen ist.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Kühlmittelablaufleitung vom Läufer zwei
Kanäle enthält und dabei der Austritt des Wärmeaustauschers von der Seite dieser
Ablaufleitung mit deren einem Kanal und der Ausgang der Kühlkanäle der Übergangs
zonen des Läufers mit dem zweiten Kanal der Kühlmittelablaufleitung verbunden ist.
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Es ist von Nutzen, wenn der mit der Kühlmittelablaufleitung vom Läufer
verbundene Austritt des Wärmeaustauschers an einen Zusatzeintritt des Kühlkanals
mindestens einer der Übergangszonen angeschlossen ist.
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Es ist von Vorteil, wenn die Ranque-Wirbelröhre in einer im Wärmeaustauscher
ausgebildeten Kammer angeordnet ist.
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Es ist ebenfalls zweckmäßig, wenn der Tangentialeinlauf der Ranque-Wirbelröhre
mit dem Zusatzaustritt des Wärmeaustauschers verbunden ist.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele
und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 die erfindungsgemäße Elektromaschine mit Kryokühlung
(teilweiser Längsschnitt); Fig. 2 einen Teil der Elektromaschine mit einer zweikanaligen
Kühlmittelablaufleitung
vom Läufer und deren Anschluß an die gekühlten Bauelemente des Läufers nach der
Erfindung (teilweiser Längsschnitt), Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III
in Fig. 2 nach der Brfindung, Fig. 4 einen Teil der erfindungsgemäßen Elektromaschine,
deren Wärmeaustauscher mit Zusatzeintritten der Kühlkanäle der Ubergangszonen verbunden
ist (teilweiser Längsschnitt), Fig. 5 einen Teil der Elektromaschine nach der Erfindung
mit räumlicher Vereinigung des Wärmeaustauschers mit der Ranque-Wirbelröhre (teilweiser
Längsschnitt), Fig. 6 einen Teil der erfindungsgemäßen Elektromaschine, bei der
der Zusatzaustritt des Wärmeaustauschers -mit dem Einlauf der Ranque-Wirbelröhre
verbunden ist (teilweiser Längsschnitt).
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Die erfindungsgemäße Elektromaschine mit Kryokühlung enthält ein Ständergehäuse
1 (Fig. 1), in dem eine Ständerwicklung 2 befestigt ist, und einen Hohlläufer 3,
der mit seinen Enden 4 und 5 auf Lagern 6 aufliegt. Im mittleren zylindrischen Teil
des Läufers 3 ist eine supraleitende Wicklung 7 mit Kühlkanälen 8 befestigt (es
ist nur ein Kanal dargestellt). An der Wicklung 7 liegen zwei übergangszonen 9 und
10 an, die aufeinanderfolgend längs der Achse des Läufers 3 beiderseits dieser Wicklung
7 angeordnet sind. Im Körper der Übergangszonen 9 und 10 sind zumindest je ein Kühlkanal,
in der zu beschreibenden Variante Ringkanäle 11 bzw. 12 ausgebildet. Die Eingänge
der Ringkanäle 11 und 12 liegen in nächster Nähe bei der Wicklung 7 des Läufers
3.
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Der Läufer 3 enthält auch einen Elektrowärmeschild 13, der relativ
zu der Wicklung 7 radialspielbehaftet angeordnet
ist. Der Elektrowärmeschild
13 ist starr an den Ubergangszonen 9, 10 befestigt und zum Schutz der Wicklung 7
gegen Wärmestrahlung und Wechselkomponenten des Magnetfeldes bestimmt, die durch
die Ständerwicklung 2 erzeugt werden. Im Körper des Elektrowärmeschildes 13 ist
mindestens ein Kühlkanal, in der zu beschreibenden Variante ein Ringkühlkanal 14
ausgebildet.
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Im Hohlraum 15 des Läufers 3 ist eine Ranue-Wirbelröhre 16 untergebracht,
deren Tangentialeinlauf durch eine Rohrleitung 17 mit einem rotierenden Teil einer
Kühlmitteleinlaufeinheit 18 zum Läufer verbunden ist, deren feststehender Teil mit
einer Kuhlmittelzulaufleitung 19 zum Läufer in Verbindung steht. Der zentrale Auslauf
der Ranque-Wirbelröhre 16 ist durch eine Rohrleitung 20 mit den Eingängen der Ringkühlkanäle
11, 12 der Übergangszonen 9 bzw. 10 und der peripherische Auslauf durch eine Rohrleitung
21 mit dem Eingang des Ringkühlkanals 14 des Elektrowärmeschildes 13 verbunden.
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Dabei ist der Ausgang des Ringkühlkanals 14 an den zweiten Eingang
des Kühlkanals mindestens einer der Ubergangszonen, in der zu beschreibenden Variante
an den zweiten Eingang des Ringkanals 11 der Übergangszone 9 angeschlossen.
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Die Ringkühlkanäle 11. 12 sind mit Hilfe von Radialkanälen mit Gassammelräumen
22 bzw. 23 verbunden, die Ueber Regulierventile 24 an eine Kühimittelablaufleitung
25 vom Läufer angeschlossen sind. Die Gassammelräume 22, 23 sind unbeweglich, die
Spalten zwischen ihren Wänden und dem Läufer 3 sind mittels Dichtungen (nicht dargestellt)
abgedichtet.
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Im Hohlraum 15 des Läufers 3 ist, abgesehen von der Ranque-Wirbelröhre
16 ein Wärmeaustauscher, in der zu beschreibenden Variante ein rekuperativer Wärmeaustauscher
26 untergebracht. Der rekuperative Wärmeaustauscher 26 ist mit seinem einen Eintritt
(warmeabgeb2nden Seiteneintritt) durch eine
Rohrleitung 27 mit
dem rotierenden Teil der Kühlmitteleinlaufeinheit 18 verbunden, deren feststehender
Teil, wie oben erwähnt, mit der Kühlmittelzulaufleitung 19 zum Läufer in Verbindung
steht. Der rekuperative Wärmeaustauscher 26 ist mit seinem einen Austritt (wärmeabgebenden
Seitenaustritt) durch eine Drosselvorrichtung 28 und eine Rohrleitung 29 mit den
Eingängen der Kühlkanäle 8 der Wicklung 7 verbunden.
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Zur Ableitung des verdunsteten Kühlmittels von der Wicklung 7 ist
eine Rohrleitung 30 vorgesehen, die die Ausgänge der Kühlkanäle 8 mit dem anderen
Eintritt (wärmeabgebenden Seiteneintritt) des rekuperativen Wärmeaustauschers 26
verbindet, dessen anderer Austritt (wärmeabgebender Seitenaustritt) durch eine Rohrleitung
31 mit dem Gassammelraum 22 und durch den letzteren mit der Kühlmittelablaufleitung
25 vom Läufer in Verbindung steht.
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Möglich ist eine andere Ausführungsvariante der Ableitung von Kühlmittel
vom Läufer 3 und seines Ablaufes zur Kryoanlage (nicht dargestellt). In dieser Variante
ist die Kühlmittelablaufleitung 25 vom Läufer (Fig. 2, 3) mit zwei Kanälen - Rohrleftungen
32 und 33 - ausgeführt. Dabei verbindet die Rohrleitung 31 (Fig. 2) den Austritt
des rekuperativen Wärmeaustauschers 26 durch eine Kühlmittelablaufeinheit 34 vom
Läufer und ein Regulierventil 35 mit einer Rohrleitung 32, und der Ringkanal 11
der überganszone 9 und der Ringkanal 12 (Fig. 1) der Übergangszone 10 sind mit der
zweiten Rohrleitung 33 verbunden (Fig. 2).
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Zur Verminderung der thermodynamischen Verluste zum Vermischen beider
Kühlmittelströme mit verschiedenen Temperaturen, von denen einer einen erwärmten,
den rekuperativen Wärmeaustauscher 26 (Fig. 1) verlassenden Strom und deren anderer
einen im Ringkanal 11 der Übergangszone 9 fließender Strom bildet, ist es zweckmäßig,
diese Ströme an jenem Punkt des Ringkanals 11 zu vermischen, an dem die Temperatur
dieser zwei Ströme gleich ist. Dazu ist der Austritt
des rekuperativen
Wärmeaustauschers 26 (Fig. 4) mit dem zweiten Eingang des Kühlkanals zumindest einer
Ubergangszone, in der zu beschreibenden Variante mittels einer Rohrleitung 36, mit
dem zweiten Eingang des Ringkanals 11 der Übergangszone 9 verbunden.
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Zur Verminderung der Abmessung des Läufers 3 in Axialrichtung kann
der rekuperative Wärmeaustauscher 26 räumlich mit der Ranque-Wirbelröhre 16 vereinigt
werden. Dabei ist der rekuperative Nrärmeaustauscher 26 (Fig. 5) mit einer Kammer
37 ausgeführt, die in der zu beschreibenden Variante mit dem Hohlraum 15 des Läufers
3 verbunden ist, und in dieser Kammer 37 ist die Ranque-Wirbelröhre 16 untergebracht.
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Zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Kühlmitteleinlaufeinheit 18
zum Läufer (Fig. 16) kann die Kühlmitteltemperatur in der Zulaufleitung 19 durch
den rekuperativen Wårmeaustausch zwischen dem zu- und abgeführten Strom gesteigert
werden. Das wird dadurch erreicht, daß der Tangentialeinlauf der Ranque-Wirbelröhre
16 durch die Rohrleitung 17 mit dem dritten Austritt des rekuperativen Wärmeaustauschers
38 (dem zweiten wärmeabgebenden Seitenaustritt) verbunden ist.
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Die Wicklung 7 (Fig. 1) des Läufers 3 ist elektrisch mit zwei Stromzuführungen
39 verbunden, die jeweils mindestens einen Kühlkanal aufweisen. In der zu beschreibenden
Variante sind die Stromzuführungen 39 in einem für sie gemeinsamen Kühlkanal - einer
Rohrleitung 40 - untergebracht, deren Eintritt mit dem zentralen Auslauf der Ranque-Wirbelröhre
16 und deren Austritt über den Gassammelraum 23 und das Regulierventil 24 mit der
Kühlmittelablaufleitung 25 vom Läufer in Verbindung steht. Jede Stromzuführung 39
ist mit einem entsprechenden Schleifring 41 verbunden.
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Der Hohlraum 15 des Läufers 3 und der Hohlraum 42 des Ständers sind
in der zu beschreibenden Variante evakuiert, wozu
der Hohlraum
42 eine Vakuumdichtung 43 aufweist.
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Die Laufrichtung des Kühlmittels ist in Fig. 1, 2, 4, 5 und 6 mit
Pfeilen bezeichnet.
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Die supraleitende Wicklung 7 (Fig. 1) des Läufers 3 wird bei Solltemperatur
wie folgt aufrechterhalten. Die Wicklung 7 wird mit einem flüssigen Kühlmittel,
z.B. Helium, und die anderen gekühlten Elemente des Läufers 3 - die Ubergangszonen
9 und 10, die Stromzuführungen 39 und der Elektrowärmeschild 13 - mit einem gasförmigen
Kühlmittel abgekühlt.
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Unter einem Druck, der dem Höchstdruck in der Kryoanlage entspricht,
wird das Kühlmittel von der Kühlmittelzulaufleitung 19 zum Läufer durch die Einlaufeinheit
18 bei einer Temperatur gefördert, die eine Verflüssigung des Kühlmittels während
der weiteren Abkühlung desselben im rekuperativen Wärmeaustauscher 26 und in der
Drosselvorrichtung 28 gewährleistet. Der in den Läufer 3 eingelaufene Kühlmittelstrom
wird in zwei Ströme geteilt, wie -Pfeile in Fig. 1, 2, 4 und 5 zeigen. Der eine
Kühlmittelstrom wird durch die Rohrleitung 17 dem Tangentialeinlauf der Ranque-Wirbelröhre
16, der zweite durch die Rohrleitung 27 dem rekuperativen Wärmeaustauscher 26 zugeführt.
In der Ranque- Röhre wird der eingelaufene Strom ebenfalls in zwei Ströme geteilt.
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Einer dieser Ströme wird, abgekühlt bis auf eine Temperatur, die unter
der Temperatur des Stromes am Tangentialeinlauf der Ranque-Röhre 16 liegt, durch
den zentralen Auslauf über die Rohrleitung 20 abgeleitet und den Ringkühlkanälen
11, 12 der Ubergangszonen 9, 10 und der Rohrleitung 40, in der die Stromzuführungen
39 angeordnet sind, zugeführt. Der zweite, in der Ranque-Röhre 16 bei einer höheren
Temperatur als der erste entstandene Strom wird durch den peripherischen Auslauf
der Ranque-Wirbelröhre 16 abgele itet und läuft durch die Rohrleitung 21 in die
RingRwAlkanäle 14 des Elektrowärmeschildes 13 ein. Das im Elektrowärmeschild
13
erwärmte Kühlmittel wird dem zweiten Eingang des Ringkühlkanals 11 der übergangszone
9 zugeführt, und die auf diese Weise verbundenen Kühlmittelströme werden aus dem
Läufer 3 in den Gassammelraum 22 (Fig. 1, 2, 4> 6) abgeleitext. Der Strom aus
dem Ringkanal 12 (Fig. 1) der Ubergangszone 10 und aus der Rohrleitung 40 läuft
in den Gassammelraum 23 ein. Aus den Gassammelräumen 22 und 23 läuft das Kühlmittel
durch die Regulierventile 24 in die Kühlmittelablaufleitung 25 vom Läufer ein.
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Die Wirksamkeit eines solchen Anschlusses der Ranque-Wirbelröhre 16
gerade bei einer Elektromaschine mit Kryokühlung findet folgende Erklärung. Die
Elektromaschine enthält ein solches Element wie den Elektrowärmeschild 13, der thermodynamisch
vorteilhafterweise mit einem Kühlmittel abgekühlt wird, das eine höhere Temperatur
als die von jenem Kühlmittelstrom, der zum Abkühlen der Übergangs zonen 9, 10 zugeführt
wird, aufweist. Gerade eine derartige Teilung der Ströme findet in der Ranque-Röhre
16 statt.
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Der Kühlmittelstrom, der in den rekuperativen Wärmeaustauscher 26
von der Einlaufeinheit 18 einläuft, wird mit einem aus den Kühlkanälen 8 der Wicklung.
7 abgeleiteten wärmeaufnehmenden Strom abgekühlt. Das als Ergebnis des Durchganges
des wärmeabgebenden Kühlmittelgleichstromes durch die Drosselvorrichtung 28 entstandene
Dampf-Flüssigkeits-Gemisch scheidet sich unter dem Einfluß von Fliehkräften bei
der Drehung des Läufers 3 in. Dampf und Flüssigkeit (der Gasflüssigkeitsscheider
mit dem System der entsprechenden Kanäle in der Wicklung 7 ist nicht dargestellt).
Der Dampf strömt in die Rohrleitung 30 ein, und die Flüssigkeit wird dem Kühlkanalsystem
8 der Wicklung 7 zugeführt und läuft auch in die Rohrleitung 30 ein, wobei sie sich
im Kühlvorgang in Dampf umwandelt. Durch die Rohrleitung 30 strömt der Dampf in
den rekuperativen Wärmeaustauscher 26 ein, passiert ihn, wobei er den wärmeabgebenden
Kühlaittelstrom
abkühlt, und strömt sich dabei erwärmend durch
die Rohrleitung 31 in den Gassammelraum 22 und ferner in die Kühlmittelablaufleitung
25 ein.
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Es ist thermodynamisch vorteilhafter, den Kühlmittelstrom aus dem
rekuperativen Wärmeaustauscher 26 durch die Rohrleitung 31 und die zusätzliche Kühlmittelablaufeinheit
34 (Fig. 2) zum Kanal - zur Rohrleitung 32 - der Kühlmittelablaufleitung 25 vom
Läufer abzuleiten. Dabei läuft der aus den Ringkühlkanälen 1N, 12 der übergangszonen
9, 10 in die Gassammelräume 22, 23 abgeleitete Kühlmittelstrom in die Rohrleitung
33 (Fig. 2) der Kühlmittelablaufleitung 25 vom Läufer ein. Ferner wird jeder der
beiden erwähnten Ströme aus den Rohrleitungen 32 und 33 der entsprechenden äußeren
Stufe der Kryoanlage zugeführt.
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Die Temperatur des während des rekuperativen Wärmeaustausches mit
dem wärmeabgebenden Strom erwärmten wärmeaufnehmenden Kühlmittelstromes kann sich
am Austritt des rekuperativen Wärmeaustauschers 26 von der des Stromes, der in die
Kühlmittelablaufleitung 25 von den Ringkühlkanälen 11, 12 (Fig. 1) der ;bergangszonen
9, 10 des Läufers 3 wesentlich unterscheiden. Die Vermischung von Strömen mit unterschiedlichen
Temperaturen führt zum Auftreten von thermodynamischen Verlusten im Kryokühlsystem
und somit zur Verminderung des Wirkungsgrades der Elektromaschine, falls der Energieaufwand
zur Kryokühlung der Wicklung auf den Energieverlust der Maschine bei der Berechnung
ihres Wirkungsgrades bezogen wird.
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Unter Erhaltung des Energieverbrauchs zur Kryokühlung der Wicklung
führt die getrennte Ableitung der erwähnten Ströme zu einer höheren Kälteleistung
der Kryoanlage, zur Erreichung einer größeren Menge an flüssigem Kühlmittel oder
dessen niedrigerer Temperatur und somit zu einem sichereren Betrieb der Blektromaschine.
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Der im rekuperativen Wärmeaustauscher 26 erwärmte wärmeaufnehmende
Kühlmittelstrom kann nicht unmittelbar in die Gassammelräume 22, 23 wie Fig. 1 zeigt,
sondern in den Ringkanal 11 des übergangselements 9 abgeleitet werden, wie Fig.
4 zeigt. Im Vergleich zu der unmittelbaren Ableitung in die Gassammelräume 22, 23
erhöht dies die Durchflußmenge an dem Kühlmittel durch den Kanal 11 und gewährleistet
eine bessere Kühlung der übergangszonen 9, 10. Dabei nimmt die Anzahl von einzelnen
Gassammelräumen in der Elektromaschine ab, was ebenfalls eine Sicherheitserhöhung
der Elektromaschine insgesamt nach sich zieht.
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Wie oben erwähnt, kann die Ranque-Wirbelröhre 16 (Fig. 5) mit dem
rekuperativen Wärmeaustauscher 26 räumlich vereinigt werden, ohne daß dabei die
Verteilung der Kühlmittelströme im Kryokühlsystem der Elektromaschine geändert werden
muß.
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Diese räumliche Vereinigung bietet die Möglichkeit, den Abstand zwischen
den in Fig. 1 gezeigten Stützen des Läufers 3 zu verkürzen, wodurch auch eine Erhöhung
der Betriebssicherheit der Elektromaschine gewährleistet wird.
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Die Temperatur des in den Läufer 3 einlaufenden Kühlmittels kann durch
den rekuperativen Wärmeaustauscher 38 (Fig. 6) erhöht werden, der vom Standpunkt
des regenerativen Wärmeaustausches in der Kryoanlage aus als ein zweistufiger Wärmeaustauscher
betrachtet werden kann. Dabei ist die Zunahme der Kühlmitteltemperatur in der Kühlmittelzulaufleitung
19 durch die (in Laufrichtung des wärmeaufnehmenden Kühlmittelstromes) zweite Stufe
des rekuperativen Wärmeaustauschers 38 gewährleistet. Diese Stufe zeichnet sich
durch einen dritten Austritt des Wärmeaustauschers 38 aus, der durch die Rohrleitung
17 mit dem Tangentialeinlauf der Ranque-Wirbelröhre 16 verbunden ist.
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Die Temperaturzunahme des Kühlmitteistromes in der Einlaufeinheit
18 erhöht die BetrieDssicherheit der letzteren und
folglich der
gesamten Elektromaschine.
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Zur Gewährleistung des lWårmeeinschlusses zwischen den Bauelementen
des Läufers 3 (Fig. 1) sowie zwischen dem Läufer 3 und dem Ständer ist der Hohlraum
15 des Läufers 3 und der Hohlraum 42 des Ständers evakuiert. Das Vakuum wird mit
Hilfe von Vakuumdichtungen 43 und nicht dargestellten kontinuierlich wirkenden Vakuumpumpen
aufrechterhalten. Die Wärmedämmung muß auch zwischen den Rohrleitungen 32 (Fig.
2, 3) und 33 in der Kühlmittelablaufleitung 25 vom Läufer vorgesehen werden.
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