DE2849602A1

DE2849602A1 - Anordnung zur kuehlung des laeufers einer elektrischen maschine mit einer supraleitenden erregerwicklung

Info

Publication number: DE2849602A1
Application number: DE19782849602
Authority: DE
Inventors: Erich Weghaupt
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1978-11-15
Filing date: 1978-11-15
Publication date: 1980-05-22
Also published as: FR2441944A1; US4297603A; DE2849602C2; GB2037490A; JPS5571147A; GB2037490B; FR2441944B1

Description

KHAPTWERK UNIOIT AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen ' Mülheim a. d. Buhr \ VPA 78 P 9457 BRD

Anordnung zur Kühlung des Lauf ers* einer elektrischen Maschine mit einer supraleitenden Erregerwicklung .

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kühlung des Läufers einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, mit einer supraleitenden .Erreger-, wicklung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 gekennzeichneten Art·

Eine solche Anordnung.ist bereits durch die ältere AnmeldungP 27 4-2 4-77· 7 vorgeschlagen worden. Dort ist ein Axial-Kühlsystem zur Kühlung der Feldwicklungs-Leiter nach dem Zwangsumlaufprinzip vorgesehen, d. h. das Kühlmittel tritt in die Kühlkanäle der Feldwicklungsleiter an der einen Stirnseite der Feld- bzw· Erregerwicklung im Bereich der Querleiter ein, durchströmt diese und die axialen Leiterpartien und tritt im tyierlexterbereich der anderen Stirnseite aufgewärmt wieder aus. Eine solche axiale Zwangsumlaufkühlung erfordert ein relativ hohes Druckgefälle zwischen Eintritts- und Austrittsseite der Feldwicklung und damit einen erhöhten Aufwand für den Kühlmittelanschlußkopf, d. h. insbesondere seine Abdichtung nach außen, und die Kälteanlage, von der. in der Hegel flüssiges Helium geliefert wird. Außerdem können Bu 2 Fi / 16*10.Τ97Φ 3 0 01 \ / 0 A 1 8

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eventuell entstehende Wieklungsiieißpunkte nicht individuell gekühlt werden; man ist an den Kühlmitteldurchsatz des jeweiligen Längskanals gebunden. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung zur Kühlung des Läufers einer elektrischen !faschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit einem kleineren Druckgefälle und mit einer minimalen von außen zugeführten Kühlmittelmenge zur Kühlung d.er supraleitenden Erregerwicklung gearbeitet werden kann und jaan deshalb mit einer verringerten Kühlleistung bzw* einem vereinfachten Kalteaggregat auskommt. Außerdem soll innerhalb des Laufers die Höflichkeit einer weltgehend individuellen Kühlung von Wicklungsleiterteilen bzw. darin evtl. entstehender Wärmenester gegeben sein, zu welchen eigensicher eine mehr oder weniger si^aTke-Kühlmittelteilströmung anfachbar sein soll.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 im einzelnen aufr- -gef ührt-en Merkmale..

Zur Lösung der gestellten Aufgabe geht <lie Erfindung also aus von einem Thermosiphon-Kühlsystem für einen Generatorlä-ufer, insbesondere Turbogenerator lauf er mit ,supraleitender Erregerwicklung, und zwar einem solchen, das eine Vielzahl von Thermosiphon-Schleifen aufweist, die jeweils entsprechenden Kühlkanalabschnitten der ,Erregerwicklung zugeordnet sind. Ein thermosiphon-Kühlsystem gestattet die Ausnutzung der Rotation zur Absenkung der Kühlmitteltemperatur innerhalb des Läufers um ca. 1 K. Dieser Effekt wird nun derart ausgenutzt, daß in allen Thermosiphon-Schleifen des Kühlsystems eine definierte Strömungsrichtung des Kühlmittels, insb. Helium, erzwungen wird. Die gerichtete Heliumströmung stellt sich erfindungsgemäß zunächst infolge der Rotation des Läufers und unabhängig von elektrischen Verlusten in der supraleitenden Erregerwicklung ein. Wenn man eine supraleitende Erregerwicklung eines Generatorläufers, insbesondere Turbogeneratorläufers, mit flüssi-

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gem Helium über viele, die ganze Wicklung erschließende Thermosiphon-Schleifen kühlen will, so ist dabei eine definierte Strömungsrichtung in jeder der einzelnen Schleifen notwendig, um unerwünschte Störeffekte in benachbarten Schleifen - wie z. B. eine Gegenströmung, die im ungünstigsten Pail zum Strömungsstillstand und somit zum Kühlungsausfall an dieser Stelle führen kann - zu verhindern« Da die supraleitende Erregerwicklung im Normalfall kaum nennenswerte elektrische Verluste aufweist geringe Verluste von wenigen ¥att entstehen an Leiterverl> indungsstellen und an den Erregerstromzu- Tind -ableitungen -, ist das erzielte Ergebnis überraschend, daß bei dem erfindungsgemäBen Thermosiphon-Schleifen-Kühlsystem sich das Verhalten der Thermosiphon—Schleif en im rotierenden Läufer im voraus kalkulieren läßt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den TJnteransprüehen gekennzeichneten Weiterbildungen wird Im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen., in der inehrere Ausführungsbeispiele dargestellt -sind.. Es ^eigt in schematischer Darstellung unter Fortlassung der für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Teile:

Fig. 1 in einem Axialschnitt stark vereinfacht den Läufer eines Turbogenerators mit supraleitender Erregerwicklung, wobei der größte Teil der unteren Hälfte - da gleichartig zur oberen Hälfte - fortgelassen ist;

Fig. 2 eine AusschnittsvergröBerung des Läufers nach Fig. 1;

Fig. 2a den Schnitt IHa - HIa aus Fig. J;

Fig. 3 eine lediglich zu Erläuterungszwecken dienende, aber im übrigen im Hahmen der vorliegenden Erfindung ungeeignete Ausführung einer offenen Thermosiphon-Schleife anhand eines Läufer-Sektorausschnittes;

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-#-'-.- VPA 78 P Fig. 4- ein zweites Ausführungsbeiöpiel für die Thermosiphon-Schleifen mit im Querschnitt rechteckformigen Mischkammer-Abschnitten in entsprechender Barstellung zu Fig. 3» jedoch unter Fortlassung des gleichartig zu Fig. 3 ausgebildeten äußeren Läuferballenbereiches;

Fig. 4a den Schnitt gemäß IVa - IVa aus Fig. 4;

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel in-entsprechender-■ Barstellung zu Fig. 3a bzw. 4a mit ^axiäl orientierten Mischkammerabschnitten sektor- bz^f* "trapezförmigen Querschnitts, die über den innenumfang des Laufers verteilt sind; und '■ ^;· ο ' . .: ν ··■ . -. ._: .

Fig. 5a den Schnitt längs der'Biäie-Vä-~Va,-verkleinert.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung dient zur Kühlung des Läufers R eines Turbogenerators, dessen Weilenachse mit 1 bezeichnet ist, wobei die Lager zur"drehbaren Lagerung ■ des Läufers R der Einfachheit- halber nicht dargestellt· ' sind. In nicht näher ersichtlichen Nut en .des Innenteils'^: ' 2.1 des Läuferballens 2 ist die supraleitende Feldwicklung 3 mit ihren Wicklungsleitern 3-1 eingelegt. Ber Innenteil 2.1 des Ballens 2 mit Feldwicklung 3 wird umgeben von einem als Kupferzylinder ausgeführten Ihnendämpfer 4, und die Teile 2.1 und 3 werden fliehkraftsicher gehalten und umgeben von dem aus unmagnetischem Stahl bestehenden, zylindrischen Außenteil 2.2 des Läuferballens 2, wobei, wie bei 2.3 angedeutet, die hohlzylindrische Hülle 2.2a des Außenteils 2.2 auf die scheibenförmigen Stirnteile 2.2b aufgeschrumpft sein kann. Bie zu kühlenden rotierenden Teile des Läufers R sind in einem Vakuum angeordnet, um die Wärmeeinleitung von außen so klein wie möglich zu halten. Deshalb ist ein alle Läuferteile einschließendes mitrotierendes Vakuumgehäuse 5 vorgesehen, das durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist und aus dem zylindrischen Ballenteil 5a sowie den Wellenstumpfteilen 5b

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besteht. Durch den Drehpfeil 6 ist angedeutet, daß der Läufer R rotiert, durch die übrigen Pfeile h ist die Strömungsrichtung des zur Kühlung des Läufers verwendeten Heliums veranschaulicht, wobei die punktierten Bereiche die gasförmige und die gestrichelten Bereiche die flüssige Phase des Heliums darstellen sollen. Durch den stark ausgezogenen strichpunktierten in sich geschlossenen Linienzug 7 ist ein zwischen dem Läuferballen 2 und dem äußeren Vakuumgehäuse 5 vorgesehener Bereich bezeichnet, welcher

ΊΟ den Kälteschild und den Metallzylinder des Außendämpfers enthält. Der Läuferballen 2 ist mit dem Kälteschild über weitgehend wärmeisolierende Stegsverbunden. Dargestellt in dem Linienzug 7 ist, da für das Verständnis der folgenden Ausführungen ausreichend, lediglich der äußere, axial orientierte Kanalzweig 8a einer Helium-Außenschleife S2, auf die weiter unten noch eingegangen wird. Der Heliumanschlußkopf 9 weist eine Eintrittskammer 9·1 und eine Austrittskammer 9·2 auf, die gegeneinander und nach außen durch entsprechende Wellendichtungen 10 bzw. 11 abgedichtet sind. Von der Eintrittskammer 9.1 gelangt das Phasengemisch des überwiegend flüssigen Heliums durch den zentralen Kanal 12 des als Ganzes mit 13 bezeichneten Wellenschaftes und die Drossel 14 in die im Innern des Ballens 2 zentral gelegene und mitrotierende Mischkammer 15> die das Phasengemisch des von außen zugeführten Heliums aufnimmt, wobei sich die gasförmige Phase des Heliums innerhalb eines zentralen, koaxial um die Wellenachse 1 gelegenen Dampfraumes 16 absetzt und konzentrisch dazu sich ein gegen die Begrenzungswände 15a der Mischkammer 15 geschleuderter Flüssigkeitsring 17 ausbildet. Dieser Ring 17 aus flüssigem Helium dient, wie weiter unten noch erläutert, zur Versorgung eines ersten Kühlmittelstromes zur Kühlung der Feldwicklung 3» wogegen ein zweiter Kühlmittelstrom (der von dem zumindest teilweise verdampften Helium zur Kühlung des Kälteschildes vorgesehen ist) über die Außenschleife S2, ausgehend vom zentralen Dampfraum 16, geführt ist, und zwar über radial orientierte

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Schleifenteile 8r1 des linken Maschinenendes, über die schon erwähnten axial orientierten Schleifenteile üa innerhalb des Kälte- und Dämpferschildes 7» über wiederum radial orientierte Schleifenteile 8r2 am anderen Maschinenende zu einem koaxialen Wellenkanal 8b und von hier zur Heliumaustritt skamm er 9· 2. Die Austrittskammer 9·2 führt zu einem - nicht dargestellten - äußeren Kälte-Aggregat, von dem das rückgekühlte Helium im Kreislauf zurück zur Eintrittskammer 9-1 cLes Heliumanschlußkopfes 9 geleitet wird. Der über die Außenschleife S 2 geführte Heliumstrom enthält vorwiegend die gasförmige Phase.

Erfindungsgemäß ist nun der erste Kühlmittelstrom He1 über eine Vielzahl von zueinander parallel geschalteten, offenen Thermosiphon-Innenschleifen S 11, S 12, S 13 .... usw., als Ganzes Mit 81 bezeichnet, geführt, und zwar über entsprechende als Gar.zes mit k bezeichnete Kühlkanäle der Wicklung, die wie folgt unterteilt sind:

Radial orientierte Zuleitkanäle k1 und Ableitkanäle k2, axial orientierte äußere Kühlkanäie k3 sowie innere Nutengrundkanäle k4, ferner der besseren Übersicht wegen nur für eine Thermosiphon-Innenschleife S 11 dargestellte radial orientierte Kühlkanäle k21, welche vom äußeren Axialkanal k3 jeweils eine Abzweigung zum inneren Nutengrundkanal k4 bilden, wobei letzterer mit den Austrittsbohrungen k6 kommuniziert, wogegen die Eintrittsbohrungen k5 nicht mit dem Nutengrundkanal k4 kommunizieren, sondern in Umfangsrichtung um ein kleines Stück verschoben sind und damit eine fluchtende Verlängerung des Radialkanals k1 bilden. Dementsprechend sind am Außenumfang der Feldwicklung 3 unterhalb des Dämpferzylinders 4- auch in Umfangsrichtung verlaufende, aus Fig. 1 nicht ersichtliche Kanalteile vorgesehen, so daß am Außenumfang der Feldwicklung 3 ein die gesamte Feldwicklung mit Helium überflutendes Verteilersystem gebildet wird. Dementsprechend sind die Thermosiphon-Innenschleifen S 1 mit ihren

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radialen Eintrittsäaten k5, k1 und Austrittsästen k2, k6 über die aktive,, d. h« bewickelte Länge ^Λ. und den Umfang des Läufers R verteilt. Den eins einen Tharmosiphon-Innenschieifen S1, ά. h« S 11, S 12 „.„ S 15 sind nun jeweils Mischkammer-Abschniute MI₅ M2 ~ M5 zugeordnet, die, wie ersichtlich, entsprechend der Anordnung der Thermosiphon-Innenschleifen 81 über die axiale Länge und - weil es Ringkammern sind - auch über den Innenuinxang des Läufers R verteilt sind, Sie sind konzentrisch, um die zentrale Längse.chse 1 der zugleich einen zentralen Kühlmittel~Zuführungskanal bildenden Mischkammer 15 herum atigeordnet. Jeder der Mischkanuaer-Abschnitte Mi, M2 usiv.» allgemein M genannt, weist, wie ersichtlich, jeweils einen achsfernen Schleifeneintrittspunkt B und einen achsnahen Schleifenaustrittspunkt A der jeweiligen Innens?.hleife S1 auf.

Fig. 2a zeigt zusätzlich, daß die Kühlkanalabschnitte k2 beidseits des in der jeweiligen Leiternut 2*4 angeordneten Spulenleiterpaketes 3· 2 innerhalb der Leiternut 2.4- verlaufen und in den Nutengrundkanal k4 münden. Ferner ist ersichtlich, daß der radial auswärts v/eisende Eintrittskanal k1 jeweils im Z.aimbereich 2.5 verläuft. Der an der Grenzfläche des angeschleuderten SVlüssigkeitsringes 17 zum Verdampfungsraum 16 hin sich ausbildende flüssigkeitsspiegel ist Cs. Fig. 1 und 2) mit 17.1 bezeichnet und in Fig. 2 durch kleine Pfeile h verdeutlicht, welche den übergang von der flüssigen zur gasförmigen Phase des ausdampfenden Heliums an der Grrenzfiae.be symbolisieren.

Fig. 1 und 2 zeigen ferner, daß beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 2a zur Bildung der Mischkammer-Abschnitte S1 die Zentralbohrung des Läufers R durch jeweils koaxial zur Rotorlängsachse 1 angeordnete, im Axialschnitt sich etwa konisch verjüngende Ringnuten erweitert ist, wobei der Schleifenaustrittspunkt A jeweils im Axialbereich der größten und der Schleifeneintrittspunkt E jeweils im Axialbereich der kleinsten lichten Weite des

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"betreffenden Mischkammer-Abschnitts M angeordnet ist. Insbesondere sind die Mischkammer-Abschirvtte M von im Axialschnitt trapezförmigen Ringnuten gebildet.

Die Wirkungsweise ergibt sich wie folgt: (Fig. 1). Das Helium wird von dem externen Heliumspeicher mit ca. A-,4 K und 1,2 bar über die Bintrittskammer 9·1 des Helium-Anschlußkopfes 9 über die zentrale Wellenbohrung des rotierenden Wellenschaftes 13 und, mittels Joule-Thomson-Entspannung, über die Drosselstelle 14 dem konzentrischen Raum 15 des rotierenden Läufers zugeleitet, in welchem das He-Phaseiigemisch infolge der Läuferrotation einen sich über die gesamte aktive Läuferlänge 1 erstreckenden angeschleuderten Flüssigkeitsring 17 "bildet. Bei gleichförmiger Dauerlast (Normalbetrieb) des Generators stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen der flüssigen Phase im Raum I7 und der gasförmigen Phase des Heliums im Raum 16 ein, so daß der Radius R 2 des Flüssigkeitsspiegels 17*1 weitgehend als konstant angenommen werden kann. Der Radius R 3 der Auslaßbohrungen 18 der Mischkammer 15 ist etwa gleich dem Radius R 2, so daß überwiegend gasförmiges Helium aus dem Verdampfungsraum 16 in die Außenschleife S 2 und von hier zur Auslaßkammer 9·2 des Heliumanschlußkopfes 9 gelangt, wobei - wie ersichtlich - die Außenschleifen überwiegend axial aufgrund der großen Länge ihrer Zwßige 8a orientiert sind und sich über den gesamten Maschinenumfang erstrecken, so daß eine effektive Kühlung des die supraleitende Wicklung 3 "bzw. den Läuferballen 2 umschließenden Kälte- und Dämpferschirms 7 erzielt wird, welch letzterer die von außen einfließende Wärme, versinnbildlicht durch den Strömungspfeil Q, aufnimmt und verhindert, daß größere Wärmemengen in die Wicklung 3 eindringen können. Durch die Wärmeaufnahme wird das Helium im Kälte- und Dämpferschirm 7 stark erwärmt, wodurch sich bei Rotation infolge des Gewichtsunterschiedes der Heliumsäulen in den radialen Kanälen 8r1 und 8r2 und in-

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folge der radialen Lage des Heliumaustrittskanales 8b (zugehöriger Radius R1) eine kräftige Pumpwirkung einstellt (Selbstpumpeffekt des Läufers R). Infolgedessen wird im konzentrischen Verdampfungsraum 16 ein Unterdruck von etwa 0,3 bis 0,4 bar erzeugt, wodurch die He-Temperatur am Ausdampfspiegel 17-1 auf ca. 3,2 bis 3,4 K absinkt. Dieser bekannte Selbstpumpeffekt führt alleine noch, nicht zum Anfachen einer vorkalkulierbaren gerichteten Strömung innerhalb der Innenschleifen S1 der Feldwicklung 3.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei zunächst angenommen, daß gemäß Fig. 3 eine tnermisch und geometrisch symmetrische Schleife S1' mit der Symmetrieachse 18, den radialen Kanalabschnitten k1', k2' und dem in Umfangsrichtung verlaufenden Kanalabschnitt k3' vorliege. Die Schleife werde vom konzentrischen Innenraum 15 aus von dem durch Rotation angeschleuderten Flüssigkeitsring 17 des Heliums beaufschlagt. Über die radial äußere Oberfläche des Innendämpfers 4 sei die Schleife S1' von einer gleichmäßig auf die Außenfläche des Innendämpfers wirkende Wärmequelle Q¹ beheizt. Aufgrund der Symmetrie der beiden Schleifenhälften ist bei Rotation (ui = const.) die Fliehkraft der Flüssigkeitssäulen in den beiden Kanalabschnitten k1', k2' auf beiden Seiten gleich groß. Obwohl in beiden Kanalabschnitten k1', k2' Zirkulationsströmungen infolge radialer Temperaturunterschiede auftreten können, führen diese jedoch zunächst nicht zu einer kontinuierlichen Schleifenströmung nach dem Thermosiphonprinzip, oder wenn, dann zufällig, wobei die Strömungsrichtung nicht von vornherein definiert ist.

Zurückkommend auf Fig. 1 bis 2a ist zur Anfachung einer gerichteten Schleifenstromung in den Innenschleifen S1 sowie zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Kühlung der supraleitenden Feldwicklung 3 auf die folgenden Bemessungen und Funktionsabläufe hinzuweisen:

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1. Die Mischkammerabschnitte M-I, M2 usw. weisen eine solche axiale Länge I^ und eine solche radiale Höhe Irr auf (siehe insb. Fig. 2), daß in die Eintrittsäste k5» k1 mündende Fangtaschen für solche Kühlmittelanteile gebildet sind, welche relativ zur Durchschnittstemperatur der flüssigen Phase des Heliums kälter sind und durch Ausdampfen des Heliums am Flüssigkeitsspiegel 17·1 entstehen. Diese kälteren Kühlmittelanteile sind spezifisch schwerer als die wärmeren und durchmischen sich innig mit den in den Mischkammer-Abschnitten M1, 2, 3··· vorhandenen wärmeren Kühlmittelteilen, weil auf sie größere Fliehkräfte wirken. Durch die Gestaltung der Fangtrichter ist den Eintrittsästen k5 ein beträchtlich größerer Wirkungsbereich 1»,. der Ausdampffläche zugeordnet als z. B. den Austrittsästen k6 mit 1^₂ (¹AI^" "^2^* Damit ergibt sich über den radialen Bereich lg in den Austrittsästen ein anderer He-Zustand als im Fangtrichter M1, 2, 3··· Durch Gewichtsunterschiede resultieren He-Druckunterschiede zwischen den Eintrittsästen k5, k1 einerseits und den Austrittsästen k2, k6 andererseits der jeweiligen Innenschleife S1. Da Helium einen sehr kleinen Strömungswiderstand aufweist, genügt bereits eine sehr kleine Druckdifferenz, um eine gerichtete Strömung in den relativ kurzen Thermosiphon-Innenschleifen S1 der Wicklung 3 zu erzielen. Das relativ kältere Helium wird also vom radial äußersten Punkt E der jeweiligen Kammer M1, M2 über die Eintrittsäste k5, k1 nach außen transportiert. Nach Durchströmen der Axialkanäle k3 wird das Helium umgelenkt und durch die Austrittsäste k2, k6 radial nach innen in den Konzentrischen Verdampfungsraum zurückgeführt, wobei - wie erwähnt - die Austrittsöffnungen A an der radial innersten Stelle der Kammerkonfiguration angeordnet sind. Die für eine gerichtete Helium-Schleifenströmung erforderliche Druckdifferenz wird also durch unterschiedliche geometrische Gestaltung der Mischkammerabschnitte M in ihrem Eintritts- und in ihrem Austrittsbereich erreicht. Die Stärke der Helium-Ver-

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dampfung am Flüssigkeitsspiegel 17.I ist eine Funktion des vom Läufer ß selbst erzeugten Unterdruckes. Beim Anlauf vom Stillstand auf Betriebsdrehzahl ändert sich der Unterdruck quadratisch mit der Drehzahl. Im Betrieb wird der Unterdruck außerdem von den anfallenden Verlusten beeinflußt. Infolge des Verdampfungswärmeentzugea aus der Oberflächenschicht des Helium-Spiegels werden kalte Heliumteile erzeugt, die eine Gewichtszunahme erfahren und dadurch eine radial nach außen gerichtete Strömung und cLen vorbeschriebenen Mechanismus der Thermosiphon-Schleifenströmung auslösen bzw. anfachen. Die Anfachung erfolgt bereits beim Anfahren des Läufers (notwendige Bedingung) und ist vorerst unabhängig von elektrischen Einflüssen.

2. Die von außen über die Stege 2.0 (örtliche mechanische Anschlußstellen) und durch Strahlung in die Wicklung 3 eingeleitete Wärme wird weitgehend gleichmäßig auf die Oberfläche des Läuferballens 2 und damit der Wicklung 3 verteilt. Da die Wicklung 3 von einer Vielzahl Thermosiphon-Innenschleifen SI durchzogen ist, wird damit auch eine große Anzahl dieser Innenschleifen zur Wärmeabfuhr herangezogen, wobei diese von außen zur Wicklung 3 gelangende Wärme einen strömungsverstärkenden Effekt auf die Thermosiphon-Schleifenströmung ausübt. Die beim Hochfahren des Läufers erzwungene Thermosiphon-Schleifenströmung wird also durch die von außen einströmende Wärme unterstützt, die im übrigen vorwiegend den Bereich der Anschlußstellen 2.0 der Wicklung 3 beeinflußt. Die äußere Wärmequelle Q hat - wie anhand der Fig. 3 erläutert - auf eine strömungslose Schleife keine Wirkung, wohl aber eine fördernde Wirkung auf eine gerichtete Schleifenströmung. Während nämlich der kalte, radial nach außen gerichtete Heliumstrom von der äußeren Wärmequelle praktisch nicht beeinflußt wird, erfährt der nach innen gerichtete Heliumstrom eine Wärmezufuhr und damit eine Reduktion seines spezifischen Gewichtes.

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3· Ein dritter auf die Thermosiphon-Schleifenströmung wirkender strömungsverstärkender Effekt wird sinngemäß dadurch ausgeübt, daß im erregten Zustand der Wicklung 3 elektrische Verluste abgeführt werden müssen. Aus diesem Verhalten resultiert ein selbstregulierender Kühleffekt. Je höher die örtlich auftretenden Verluste sind (Wärmenester), um so stärker wird die jeweilige Thermosiphon-Innenschleife in ihrer vorgegebenen Fließrichtung unterstützt.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Mg. 4-, A-a sind im Axialschnitt im wesentlichen rechteckförmige Ringnuten für die Mischkammerabschnitte M' vorgesehen (ersichtlich sind die Mischkammerabschnitte M2¹, MJ¹ und teilweise MV). Hierbei sind die Kanäle k5 für die Schleifeneintritte von der radial außenliegenden Ringwand el ausgehend durch den Ballen hindurch zur Wicklung geführt und die Kanäle k6 für die Schleifenaustritte A innerhalb von zwischen den einander jeweils axial benachbarten Mischkammer-Abschnitten M¹ stehenbleibenden Ringansätzen al von der Wicklung kommend radial einwärts zum betreffenden Mischkammerabschnitt geführt. Im übrigen ist der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels so wie bei demjenigen nach Fig. 1 bis 2a.

Beim dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5» 5^a sind im Radialschnitt im wesentlichen trapez- oder sektorförmige Axialnuten für die Mischkammerabschnitte M " vorgesehen. Hierbei sind die Kanäle k5 für die Schleifeneintritte E von der radial außenliegenden Querwand e2 durch den Ballen hindurch zur Wicklung geführt,und die Kanäle k6 für die Schleifenaustritte A sind innerhalb von zwischen den einander jeweils radial benachbarten Mischkammer-Abschnitten M " stehenbleibenden Axialstegen a2 radial einwärts zu den betreffenden Mischkammerabschnitten M" bzw. dem Dampfraum 16 geführt. Die Kammerkonfiguration nach Fig. und 5a» deren Mischkammerabschnitte man auch als Axial-

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Mischkammern bezeichnen könnte, ist besonders gut zur Kühlung der Feldwicklung 3 in ihrem Wickelkopfbereich geeignet, wo nicht näher dargestellte, in TJmfangs richtung verlaufende Querleiter der Wicklung J .angeordnet sind. Hierbei werden also die Thermosiphon-Innenschleifen von jeweils zwei in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten Eintritts- und Austrittsästen und einem in TJmfangsrichtung verlaufenden (aus Fig. 5» 5a nicht ersichtlichen) Schleifenteil gebildet. Die in Fig. 4, 4-a bzw. den Fig. bis 2a dargestellten Mischkammerkonfigurationen sinL insbesondere zur Kühlung des axialen Spulenbereiches der Feldwicklung 3 geeignet, so wie es aus Fig. 1 erkennbar ist. -

Der aus Fig. 1 ersichtliche Kupferzylinder des Innendämpfers 4 sorgt neben seinen elektrischen Eigenschaften auch für eine gute axiale und tangentiale Verteilung der über die Anschlußstellen 2.0 einfließenden Wärme. Hierdurch wird eine Vielzahl von Thermosiphon-Innenschleifen zur Kühlung herangezogen, wodurch örtliche Heißpunkte weitgehend unterdrückt werden. Daneben wirkt der Innendämpfer 4- als elektrischer Dämpfer, der das Eindringen von Wechselfeldern in den Bereich der supraleitenden Feldwicklung 3 verhindert.

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Claims

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Patentansprüche

r'Λ

( 1. JAnordmmg zur Kühlung des Läufers einer elektrischen naschine, insbesondere eines '.üurbogenerators, mit einer supraleitenden Feldwicklung, die von mindestens einem Kälteschild umgeben ist, und mit einer mitrotierenden Mischkammer, die ein Phaaengend sch eines von außen zugeführten Kühlmittels* insbesondere Helium, enthält und von der aus eine Entnahme eines ersten Stromes flüssigen Kühlmittels zur Kühlung der Feldwicklung und eines zweiten Kühlmittelstromes mit zumindest teilweise verdampftem Kühlmittel zur Kühlung den Kälteschildes vorgesehen ist und bei der eine Rückführung des durch die Feldwicklung geleiteten ersten Kühlmitte.Istromes in einer Innenschleifö i-E· d-ie Mischkammer und des durch den Kälteschild geleiteten zweiten Kühlmittelstrorjes in einer Außenschleife aus der Maschine heraus erfolgt, wobei zur Förderung des Kühlmediums durch die Innen- und Außenschleife der Selbstpumpeffekt des rotierenden Läufers ausgemrt-st ist, d a durch gekennzeichnet, daß der erste Kühlmittelstrom in mehreren zueinander parallel geschalteten offenen Thermosiphon-Innenschleifen (S 11, S 12 S 1) durch die in entsprechsn.de Kühlkanalabschnitte (k1, k2, k3, k4) unterteilte Kühlkanäle der Vicklungsleiter (3«1) der Feldwicklung (3) geführt ist, daß die Innenschleifen (S 1) mit ihren x^adialen Ein- und Austrittsästen über die Länge und den Umfang des Läufers (R) bzw. der Feldwicklung (3) verteilt sind und daß den Innenschleifen (S 1) jeweils Mischkammer-Abschnitte (M1, M2 .,.M) solcher axialer Lange (1^) und solcher radialer Höhe (Ig) zugeordnet sind, daß in die Eintrittsäste mündende Fangtaschen für durch Ausdampfen am Flüssigkeitsspiegel (17-1) entstehende, relativ zur Durchschnittstemperatur der flüssigen Phase kältere Kühlmittelanteile gebildet sind und durch die Gewichts- und Druckunterschiede der radialen Kühlmittelsäulen (k5, k1; k2, k6) der jeweiligen Innenschleife (S 1) eine gerichtete Thermosiphon-

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Schleifenströmung anfachbar ist, wobei die Mischkammer-Abschnitte (M) entsprechend den Taermosiphon-Innenschleifen (S 1) über die axiale Länge (1) und den Innenumfang des Läufers (R) verteilt und konzentrisch um die zentrale Längsachse (1) der Mischkammer (15) des Läufers herum angeordnet sind und wobei jeder Mischkammer—Abschnitt (M) mindestens einen achafernen Schleifeneintrittspunkt (E) und mindestens einen achsnahen SchleifeDaustrittspunkt (A) einer Thermosiphon-Innenschleife (S 1) aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Mischkammer-Abschnitte (M) die Mischkammer (15) des Läufers (R) durch jeweils koaxial zur Längsachse der Mischkammer (M¹) angeordnete, im Axialschnitt sich etwa konisch verjüngende Ringnuten erweitert ist, wobei der Schleifenaustrittspunkt (A) im Axialbereich der größten und der Schleifeneintrittspunkt (E) im Axialbereich der kleinsten radialen Weite des Mischkammer-Abschnitts (M) angeordnet 13 t«
3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch geken nzeichnet, daß die Mischkainmer-Abschnitte (M) von im Axialschnitt trapezförmigen Ringnuten gebildet sind.
4-. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet d u r c h im wesentlichen rechteckförmige Ringnuten für die Mischkammer-Abschnitte (M'), wobei die Kanäle (k5) für die Schleifeneintritte (S) von der radial außenliegenden Ringwand (el) durch den Ballen hindurch zur Wi cklung (3) und die Kanäle (k6) für die Schleifenaustritte (A) innerhalb von zwischen den einander jeweils axial benachbarten Mischkammer-Abschnitten (M') stehenbleibenden Ringansätzen (al) von der wicklung (3) kommend radial einwärts zum betreffenden Mischkammer—Abschnitt (M) geführt sind.
5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet

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d u r c h im Radialschnitt im wesentlichen trapez- oder sektorförmige Axialnuten für die Mischkammer-Abschnitte (M") (,Axial»Mischkainmern), wobei die Kanäle Ck5) für die Schleifeneintritte (E) von der radial außenliegenden Querwand (e2) durch den Ballen hindurch zur Wicklung (3) und die Kanäle (k6) für die Schleifenaustritte (A) innerhalb von zwischen den einander jeweils tangential •benachbarten Mischkammer-Abschnitten (M") stehenbleibenden Axialstegen (a2) radial einwärts zum betreffenden Mischkammer-Abschnitt (M") geführt sind.
6. Anordnung nach Anspruch 4- und 5, dadurch geken η ζ ei c h η e t, daß die Mischkammern im axialen Spulenbereich des Läufers (R) als Ring-Mischkammern (M, H¹) in Achsrichtung aufeinander folgend und im Wickelkopfbereich als Axial-Mischkammern (M") in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.

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