DEVICE FOR COOLING A CRYOGENIC EXCITATION WINDING IN THE ROTOR OF AN ELECTRIC MACHINE

Abstract: 1. An arrangement for cooling an excitation winding, which is to be cooled at a low temperature, in particular a superconducting excitation winding, in the rotor of an electrical machine, in particular a turbo-generator, said arrangement having a mixing chamber (3) rotating therewith, which contains a mixture of vaporous and liquid components (B and A respectively) of a coolant which is supplied from outside through a supply line, and to which mixing chamber is connected a first discharge line for the with drowal of a first coolant stream of liquid coolant in order to cool the excitation winding, and a further coolant discharge line (2), which runs between regions of different temperature, in the vicinity of the rotor axis (5), the further discharge line (2) being in the form of a centrifugal pump serving to pump off a further coolant current (B') of gaseous coolant (B) from the mixing chamber (3), and including both at least one colder section of line (7), which runs so as to be essentially radial relative to the rotor axis and leads away from the axis, and warmer sections of line (9, 12) leading back towards the axis, characterised in that the largest flow cross-section (q1 ) of the colder line section (7) of the further discharge line (2) is at most half as large as the largest flow cross-section (q2 ) of the warmer line sections (9, 12) leading back towards the axis.

Description: Anordnung zur Kehlung einer tiefzukühlenden Erregerwicklung im Läufer einer elektrischen Maschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kühlung einer tiefzukühlenden, insbesondere supraleitenden Erregerwicklung im Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, mit einer mitrotierenden Mischkammer, die ein Gemisch eines aus dampfförmigen und flüssigen Bestandteilen über eine Zuführungsleitung von aussen zugeführten Kühlmittels enthält und an die eine erste Abführungsleitung zur Entnahme eines ersten Kühlmittelstromes an flüssigem Kühlmittel zur Kühlung der Erregerwicklung und an die in Nähe der Läuferachse eine zwischen Bereichen unterschiedlicher Temperatur verlaufende weitere Kühlmittelabführungsleitung angeschlossen sind, wobei die weitere Abführungsleitung als Zentrifugalpumpe zum Abpumpen eines weiteren Kühlmittelstromes an gasförmigem Kühlmittel aus der Mischkammer gestaltet ist und mindestens einen kälteren, im wesentlichen radial bezüglich der Läuferachse verlaufenden, in Achsferne führenden Leitungsteil sowie wärmere, in Achsnähe zurückführende Leitungsteile enthält. Eine derartige Kühlanordnung ist aus "Cryogenics", Juli 1977, Seiten 429 bis 433 bekannt. Bei dieser bekannten Kühlanordnung wird von einer Kühleinrichtung ausgegangen, wie sie beispielsweise in der Dissertation von A.Bejan mit dem Titel: "Improved thermal Design of the Cryogenic Cooling System for a Superconducting Synchronous Generator, Ph.D. -Thesis, Massachusetts Institute of Technology (USA), Dezember 1974, Seiten 145 bis 167 beschrieben ist. Gemäss dieser Kühleinrichtung wird ein aus einer externen Kühlmittelversorgungseinheit entnommenes Kühlmittel über eine zentrale Kühlmitteleinspeisungsleitung einer mitrotierenden, zentral angeordneten Mischkammer zuge führt. In dieser Mischkammer befindet sich ein Zweiphasengemisch aus flüssigem und gasförmigem Kühlmittel. Im Betriebszustand bei Rotation werden die Phasen dieses Zweiphasengemisches durch die auf sie einwirkenden zentrifugalen Kräfte getrennt, und es lagert sich der Kühlmittel dampf in achsnahen und die Kühlmittelflüssigkeit in achsfernen Bereichen der Mischkammer an. Dabei fliesst von der Mischkammer aus ein Kühlmittel strom an flüssigem Kühlmittel über radial angeordnete Zuführungsleitungen der Erregerwicklung zu. Das Kühlmittel durchströmt dann die Erregerwicklung beispielsweise in bezüglich der Läuferachse paralleler Richtung. Da es sich aufgrund der dort auftretenden Verlustleistungen oder durch Wärmeübertragung von aussen erwärmt, nimmt seine Dichte dementsprechend ab. Dadurch entsteht zwischen den radialen Zuführungs- und Rückleitungen eine hydrostatische Druckdifferenz, die zu einer Konvektionsströmung führt und eine Rückleitung des Kühlmittels über eine weitere, radial gerichtete Rückführungsleitung in die Mischkammer bewirkt. Die aufgenommene Wärmemenge führt zu einer Temperaturerhöhung und zu einer teilweisen Verdampfung des Kühlmittels. Die erforderliche Pumpwirkung zur Ausbildung der Strömung des Kühlmittels durch die Erregerwicklung wird somit durch diesen auf Dichteunterschieden beruhenden Thermosyphon Effekt hervorgerufen. Das zur Kühlung der Erregerwicklung erforderliche Kühlmittel in der Mischkammer wird zweckmässig unter Unterdruck gehalten, damit es bei einer verhältnismässig tiefen Temperatur siedet. Gemäss der genannten Literaturstelle "Cryogenics" kann hierzu die Kühlmittelabführungsleitung als Abpumpvorrichtung ausgebildet sein, wobei die Rotation und eine Erwärmung des Kühlmittels ausgenutzt werden, um den gewünschten Unterdruck in der Mischkammer zu erzeugen. Bei dieser auch als Zentrifugalpumpe bezeichneten Abpumpvorrichtung wird kaltes Kühlmittelgas, welches der Mischkammer in der Nähe der Läuferachse entnommen wird, in einem oder mehreren kalten Radialrohren auf einen grösseren Radius geleitet und dabei unter Einfluss der Zentrifugalkraft komprimiert. Danach wird es auf einer im wesentlichen parallel zu der Läuferachse verlaufenden Erwärmungsstrecke angewärmt und anschliessend wieder über ein warmes Radialrohr in die Nähe der Achse zurückgeführt, wo es über eine rotierende Helium-Kupplung aus dem rotierenden Teil der Maschine ausgeleitet und einer Kältemaschine zugeführt wird. Auf dem Weg von der achsfernen Erwärmungsstrecke zur Achse wird dabei das Kühlmittel wieder entspannt. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte des Kühlmittels ist der Druckunterschied zwischen der achsnächsten und der achsfernsten Stelle auf der kalten Seite grösser als auf der warmen Seite. Wenn am Austritt ungefähr Atmosphärendruck vorliegt, erhält man in der Mischkammer dann mit diesem Selbstpump-System der Zentrifugalpumpe den gewünschten Unterdruck. Es wurde nun in Experimenten festgestellt, dass kurzfristig zwar mit einer solchen Zentrifugalpumpe ein Unterdruck erzeugt werden kann, praktisch aber keine stabilen Unterdruckverhältnisse auf diese Weise über längere Zeit zu erhalten sind. Sobald oder kurz bevor der berechnete Enddruck erreicht wird, steigt nämlich im allgemeinen der Druck in der Mischkammer wieder plötzlich auf Atmosphärendruck an (vgl.z.B* Proc. of the VIIthe International Cryogenic Engineering Conference (ICEC 7), London 1978, Seiten 373 bis 377). Der Grund für das Auftreten dieser Instabilitäten sowie Massnahmen zur Stabilisierung des Unterdrucks sind jedoch bisher nicht bekannt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Erregerwicklung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass mit dem als Zentrifugalpumpe gestalteten Teil der weiteren Kühlmittelabführungsleitung ein stabiler Unterdruck in der Mischkammer aufrechterhalten werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Massnahmen gelöst. Diesen Massnahmen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Auftreten der Instabilität der Zentrifugalpumpe auf Wärme zurückzuführen ist, die dem sich in dem kälteren radialen Leitungsteil befindlichen Kühlmittel zugeführt wird. Diese Wärme kann insbesondere über das Kühlmittel selbst von den wärmeren Leitungsteilen her ih den kälteren Leitungsteil gelangen, und zwar durch Wärme diffusion oder durch Konvektion, wenn eine Strömung entgegen der gewünschten Strömungsrichtung wie z.B. im Falle von Wirbeln oder in Konvektionsschleifen möglich ist. Gegebenenfalls kann Wärme auch von der Wand des kälteren Leitungsteils oder von den Leitungswänden an der Umlenkstelle an der Peripherie durch Wärmeübergang in das Kühlmittel einströmen, wenn die Wände an diesen Stellen wärmer sind als das Kühlmittel. Gelangt nun Wärme in den kälteren Leitungsteil, so wird dort die Temperatur des Kühlmittels entsprechend erhöht und die Dichte nimmt ab. Dadurch wird der Förderdruck der Zentrifugalpumpe herabgesetzt, so dass ein instabiles Verhalten auftreten kann. Der Förderdruck reicht dann gegebenenfalls nicht mehr aus, um den Druckunterschied zwischen dem Raum der Mischkammer und dem äusseren Druck aufrechtzuerhalten. Je kleiner dabei die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels und je grösser der in das kalte Radialrohr gelangende Wärmestrom ist, umso kleiner wird der Förderdruck und umso eher neigt die Pumpe zu Instabilitäten. Mit der vorgesehenen Dimensionierung des Strömungsquerschnittes gemäss der Erfindung wird vorteilhaft erreicht, dass bei einem vorgegebenen Massendurchsatz die Strömungsgeschwindigkeit in dem kälteren Leitungsteil ausreichend gross wird, um aufgrund von Konvektion entstandene Wirbel an wärmerem Kühlmittel an einem Eindringen in das in dem kälteren- Leitung s- teil in Gegenrichtung abgeführte Kühlmittel zu hindern. Der Wärme strom in das in diesem Leitungsteil der Ab führungsleitung befindliche Kühlmittel lässt sich somit entsprechend klein halten. Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung der Kühl an ordnung nach der Erfindung kann ein Teilstück der wärmeren Leitungsteile der weiteren Abführungsleitung in Strömungsrichtung des abgeführten Kühlmittels gesehen einen von dem vorbestimmten Strömungsquerschnitt des kälteren Leitungsteils auf den vorbestimmten Strömungsquerschnitt der wärmeren Leitungsteile sich beispielsweise allmählich oder stufenweise erweiternden Strömungsquerschnitt haben. Der Strömungsquerschnitt dieses Teilstückes lässt sich so an die mit zunehmender Temperatur zunehmende Zähigkeit und abnehmende Dichte des Kühlmittels anpassen. Ausserdem kann vorteilhaft zur Begrenzung des Wärmestromes in das Kühlmittel in dem kälteren Leitungsteil ein wärmerer Leitungsteil der weiteren Abführung 5- leitung in der Nähe der Anschluss stelle an den kälteren Leitungsteil als Konvektionsfalle für das abzuführende Kühlmittel gestaltet sein. Mit einer solchen an sich bekannten Konvektionsfalle wird das Eindringen von in dem wärmeren Leitungsteil erwärmten Kühlmittel in den kälteren Leitungsteil noch weiter vermindert. Gegebenenfalls kann vorteilhaft noch eine thermische Ankopplung zumindest des achsfernen Endstückes des kälteren Leitungsteils an kältere Teile des Läufers vorgesehen sein. Mit einer Kühlung zumindest des Endstückes des kälteren Leitungsteils wird nämlich gewährleistet, dass Konvektionswirbel an in dem wärmeren Leitungsteil erwärmten Kühlmittel an dieser Stelle zumindest annähernd auf die Temperatur des in dem kälteren Leitungsteil abfliessenden Kühlmittels abgekühlt werden und somit die Konvektion aufgehoben wird. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Anordnung zur Kühlung nach der Erfindung sind in den restlichen Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen die Fig. 1 bis 9 jeweils schematisch als Längsschnitt eine als Zentrifugalpumpe gestaltete Kühlmittelabführungslei- tung einer Kühlanordnung gemäss der Erfindung. Bei der in Fig. 1 dargestellten Zentrifugalpumpe wird von einer Vorrichtung zur Unterdruckerzeugung in einem Kryostatbehälter ausgegangen, wie sie beispielsweise aus der Literaturstelle flcryogenicsfl, Juli 1977, Seiten 429 bis 433 zu entnehmen ist. Mit dieser Pumpe, die Teil einer allgemein mit 2 bezeichheten Kühlmittelabführungsleitung ist, soll in einer in der Figur nur angedeuteten Mischkammer 3 ein Unterdruck ausgebildet werden. Die Mischkammer befindet sich zentral in einem nicht näher ausgeführten Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators. Sie enthält im Betriebszustand der Maschine ein Zweiphasengemisch aus flüssigem und gasförmigem Kühlmittel A bzw. B. In der Figur wurde auf die Darstellung verzichtet, dass das Kühlmittel einer externen Kühlmittelversorgungseinheit entnommen und über eine Kühlmitteleinspeisungsleitung, die an einem Anschlusskopf des Läufers eine Kühlmittel-Kupplung enthält, der Mischkammer zugeführt wird. An der Kühlmittel-Kupplung, die beispielsweise aus der Literaturstelle Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Band 5, 1976, Nr. 1, Seite 13 bekannt ist, wird das Kühlmittel von feststehenden auf rotierende Teile der Maschine übergeleitet. Im Betriebszustand bei Rotation des Läufers sind die Phasen des Zweiphasengemisches in der Mischkammer 3 unter Einwirkung der an ihnen angreifenden Zentrifugalkräfte getrennt. Das in der Mischkammer vorhandene flüssige Kühlmittel dient zur Kühlung einer in der Figur nicht ausgeführten, tiefzukühlenden, insbesondere supraleitenden Erregerwicklung im Läufer. Als Kühlmittel für Supraleiter kommt im allgemeinen nur Helium, für andere tiefzukühlende Leiter ein entsprechendes kryogenes Medium wie z.B. Wasserstoff oder Stickstoff in Frage. Mit Hilfe der Zentrifugalpumpe wird aus der Mischkammer 3 gasförmiges Kühlmittel B' an einer zentralen Entnahmestelle 4 in Nähe der Rotationsachse 5 abgesaugt. Der die Zentrifugalpumpe bildende Teil der Abführungsleitung 2 ist gemäss dem Längsschnitt der Figur U-förmig gestaltet. Er enthält mindestens einen bezüglich der Rotationsachse 5 radial verlaufenden,z.B. rohrförmigen Leitungsteil 7, mit dem der Kühlmittel- dampf B' von der Achsnähe der Entnahmestelle 4 auf einen grossen Radius bezüglich der Rotationsachse 5 gebracht wird. Ein achsfernes Endstück 8 dieses Leitungsteils 7 mündet in ein beispielsweise rohrförmiges Verbindungsstück 9, das sich parallel zur Rotationsachse 5 erstreckt. An seinem dem Leitungsteil 7 abgewandten Ende ist das Endstück 11 eines weiteren rohrförmigen Leitungsteiles 12 angeschlossen, der sich in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 5 erstreckt und in Achsnähe in eine zentrale Kühlmittelaustrittsleitung 14 mündet. In dieser Austrittsleitung ist ebenfalls eine in der Figur nicht dargestellte rotierende Kühlmittel-Kupplung vorgesehen, mit der an einem Anschlusskopf des Läufers das Kühlmittelgas B' aus der Maschine ausgeleitet und dann beispielsweise einer externen Kühlmittelver sorgungseinheit zugeführt wird. Da sich der Anschlusskopf mit der Kühlmittelaustritts- leitung 14 im allgemeinen auf höherer Temperatur, beispielsweise auf Raumtemperatur, und die Entnahmestelle 4 für den Kühlmitteldampf B' aus der Mischkammer 3 auf Kryotemperatur befinden, muss der über die Zentrifugalpumpe abgeleitete Kühlmitteldampf B' ein entsprechendes Temperaturgefälle durchlaufen. Der auf der Seite der Mischkammer 3 liegende radiale Leitungsteil 7 der Zentrifugalpumpe wird deshalb auch als kalter Leitungsteil und der auf der Seite des Anschlusskopfes liegende radiale Leitungsteil 12 als warmer Leitungsteil bezeichnet. Das Verbindungsstück 9 zwischen diesen beiden Leitungsteilen stellt somit eine Erwärmungsstrecke für das Kühlmittel B' dar. Diese Erwärmungsstrecke kann zweckmässig mit Teilen des Läuferkörpers thermisch verbunden sein, um in diesen entsprechende Temperaturverhältnisse einzustellen. Das den Raum der Mischkammer 3 an der Entnahmestelle 4 verlassende, kalte Kühlmittelgas B' wird in dem kalten radialen Leitungsteil 7 auf einen grösseren Radius geleitet und dabei unter Einfluss der Zentri fugalkraft komprimiert. Danach wird das Kühlmittel in dem Verbindungsstück 9 angewärmt und anschliessend wieder in die Nähe der Achse 5 über das wärmere radiale Leitungsteil 12 zurückgeführt, wo es dann den rotierenden Teil der Maschine über die Kühlmittel- Kupplung verlässt. Auf dem Weg von der Peripherie zur Achse wird dabei das Kühlmittel wieder entspannt. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte des Kühlmittels ist der Druckunterschied zwischen der achsnächsten und achsfernsten Stelle auf der kalten Seite grösser als auf der warmen Seite. Wenn am Austritt ungefähr Atmosphärendruck vorliegt, erhält man so an der Entnahmestelle 4 der Mischkammer 3 einen Unterdruck. Bei der Zentrifugalpumpe wird somit der bekannte Selbstpumpeffekt ausgenutzt. Gemäss der Erfindung wird der in der Figur mit q1 bezeichnete maximale Strömungsquerschnitt des kälteren Leitungsteils 7 höchstens halb so gross wie der maximale, mit q2 bezeichnete Strömungsquerschnitt der an den kälteren Leitungsteil 7 angeschlossenen und in Achsnähe zurückführenden Teile 9, 12 der Kühlmittelabfüh- rungsleitung 2 gewählt. Vorzugsweise ist der maximale Strömungsquerschnitt q1 des kälteren Leitungsteils 7 höchstens ein Drittel des maximalen Strömungsquerschnittes q2 der wärmeren Leitungsteile 9, 12. Mit dieser Dimensionierung wird nämlich erreicht, dass die Strömungsgeschwindigkeit in dem kälteren Leitungsteil 7 erhöht wird und damit Konvektionswirbel am Eindringen in diesen Leitungsteil gehindert werden. Andererseits muss der Querschnitt ausreichend gross sein, damit der Druckabfall infolge Strömungsreibung in der gesamten Kühlmittelabführungsleitung 2 klein ist gegen über dem Förderdruck der Zentrifugalpumpe. Bei gleichen Strömungsquerschnitten q1 und q2 würde der wesentliche Druckabfall wegen der grösseren dynamischen Zähigkeit und der kleineren Dichte des wärmeren Kühlmittels in den wärmeren Leitungsteilen auftreten. Man kann deshalb q1 vorteilhaft wesentlich kleiner wählen als q2, ohne dass der gesamte Druckabfall in der Abführungsleitung wesentlich ansteigt. Vorteilhaft kann der an den kälteren Leitungsteil angeschlossene wärmere Leitungsteil einen allmählich oder stufenweise zunehmenden Strömungsquerschnitt haben. Hiermit kann eine Anpassung an die mit zunehmender Temperatur des Kühlmittels B' zunehmende Zähigkeit und abnehmende Dichte des Kühlmittels erreicht werden. Im Ausführungsbeispiel der Figur ist angenommen, dass das achsenparallel verlaufende und eine Erwärmungsstrecke darstellende Teilstück 9 des wärmeren Leitungsteils sich konisch erweiternd vom Strömungsquerschnitt q1 des kälteren Leitungsteils 7 auf den Strömungsquerschnitt q2 des wärmeren Leitungsteils 12 ausgebildet ist. Ferner wird vorteilhaft bei der Kühlanordnung nach der Erfindung der von aussen in den kalten radialen Leitungsteil 7 eindringende Wärmestrom durch eine thermische Ankopplung dieses Leitungsteils an noch kältere Stellen des Läufers begrenzt. Gemäss dem in Figur 2 als Längsschnitt dargestellten Ausführungsbei- spiel einer Kühlanordnung sind dementsprechend das achsferne Endstück 8 des kälteren radialen Leitungsteils 7 und die Einmündung 16 in das Verbindungsstück 9 über einen Körper 15 aus gut wärmeleitendem Material wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium thermisch leitend mit dem flüssigen Kühlmittel A in der Mischkammer verbunden. Dieses Kühlmittel ist nämlich im allgemeinen kälter als der komprimierte Kühlmitteldampf in dem Endstück 8. Auf diese Weise kann dem Kühlmitteldampf an dieser Stelle Wärme entzogen und so seine Temperatur herabgesetzt werden. Dann befindet sich das kältere, dichtere Kühlmittel auf grösserem radialen Abstand bzgl. der Achse 5, so dass keine Auftriebskräfte wirken und sich deshalb auch keine Wirbel bilden. Die Erwärmungsstrecke in dem Verbindungsstück 9, in der eine Temperaturerhöhung des Kühlmitteldampfes B' in der Abführungsleitung 2 erfolgt, ist in der Figur mit 17 bezeichnet. Ihr Strömungsquerschnitt ist ebenso wie der Strömungsquerschnitt des sich anschliessenden wärmeren Leitungsteils 12 gemäss der Erfindung mindestens doppelt so gross wie der Strömungsquerschnitt des kälteren Leitungsteils 7. Die übrigen Teile der Kühlanordnung entsprechen den in Fig. 1 dargestellten Teilen und sind mit den entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Die in Figur 3 als Längs schnitt dargestellte Zentrifugalpumpe entspricht im wesentlichen der Ausführungsform nach Fig. 2. Diese Zentrifugalpumpe unterscheidet sich lediglich von der Ausführungsform nach Fig. 2 dadurch, dass das Endstück 8 ihres kälteren radialen Leitungsteils 7 und die Einmündung 16 des Verbindungsstücks 9 nicht indirekt über einen thermisch gut leitenden Körper mit dem flüssigen Kühlmittel A in der Mischkammer 3 thermisch verbunden sind, sondern dass das Endstück 8 und die Einmündungsstelle 16 direkt von dem flüssigen Kühlmittel umspült sind, indem sie sich in einem entsprechenden, mit der Mischkammer verbundenen Kühlmittelkanal 18 befinden. Es wird so ein direkter Wärmeaustausch zwischen diesen Stellen der Zentrifugalpumpe und dem kälteren Kühlmittel A bewirkt. Die Erwärmungsstrecke 17 für das Kühlmittelgas ist dann der ausserhalb des Kühlmittelbades verlaufende Teil des Verbindungsstücks 9. Gemäss Fig. 4 kann eine thermische Ankopplung des kälteren Leitungsteils 7 und der Einmündungsstelle 16 auch dadurch erhalten werden, dass der gesamte Leitungsteil 7 und die Einmündungsstelle 16 des Verbindungsstücks 9 in der Mischkammer 3 angeordnet sind. Das achsnahe, als Entnahmestelle 4 gestaltete Ende des Leitungsteils 7 befindet sich dabei in dem mit gasförmigem Kühlmittel B gefüllten Teilraum der Mischkammer 3. Bei der Kühl anordnung nach der Erfindung kann eine Konvektion von erwärmtem Kühlmittel in den kälteren radialen Leitungsteil zusätzlich noch durch eine Konvektionsfalle weiter vermindert werden. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist dementsprechend das Verbindungsstück 9 an der Einmündungsstelle des kälteren radialen Leitungsteils 7, 8 als U-förmiger Syphon 19 gestaltet. Dieser Syphon liegt auf einem vergleichsweise kleineren Radius als die Erwärmungsstrecke 17 und besteht aus zwei parallelen, radial verlaufenden Syphonrohren 20 und 21, die über ein achsenparallel verlaufendes Zwischenrohr 22 miteinander verbunden sind. Das in der Erwärmungsstrecke 17 angewärmte Kühlmittelgas erfährt zwar durch die Zentrifugalkraft einen Auftrieb zur Rotationsachse hin und kann so gegebenenfalls in das Syphonrohr 21 eindringen; es wird jedoch durch die Auftriebskraft daran gehindert, in das Syphonrohr 20 zu strömen. Mit diesem Syphon wird somit eine Konvektion des Kühlmittels von der Erwärmungsstrecke 17 zu dem kälteren radialen Leitungsteil 7, 8 verhindert. Der Syphon stellt deshalb eine Konvektionsfalle für das in der Erwärmungsstrecke 17 erwärmte Kühlmittelgas dar. Im Gegensatz zu der in Fig. 5 dargestellten Zentrifugalpumpe mit einem Syphon auf kleinerem Radius als die En#rmungsstrecke ist die in Fig. 6 gezeigte Zentrifugalpumpe mit einem Syphon 24 ausgestattet, der sich auf einem grösseren Radius als die Erwärmungs strecke 17 befindet. Bei dieser Ausführungsforin verhindert die Auftriebskraft von vornherein, dass das in der Erwärmungsstrecke 17 angewärmte Kühlmittel in das mit. ihr verbundene,radial verlaufende Syphonrohr 25 eindringen kann. Bei der in Fig. 7 angedeuteten Zentrifugalpumpe ist sowohl ein Syphon 19 entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 5 als auch eine thermische Ankopplung entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 2 vorgesehen. Die thermische Ankopplung des achsenfernen Endstücks 8 des Leitungsteils 7 sowie des einen, dazu benachbarten Schenkels 20 des U-förmigen Syphons 19 erfolgt über einen Körper 27 aus thermisch gut leitendem Material an das flüssige Kühlmittel A in des Bad der Mischkammer 3. Gegenüber dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Zentrifugalpumpe wird bei der in Fig. 8 dargestellten Pumpe, die ebenfalls einen Syphon 19 enthält, die thermische Ankopplung durch einen direkten Wärmeaustausch mit kälterem Kühlmittel entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 dadurch erreicht, dass der gesamte radiale Leitungsteil 7 und der benachbarte Schenkel 20 des Syphons 19 im Bad des flüssigen Kühlmittels A in der Mischkammer 3 angeordnet sind. Bei den Ausführungsbeispielen von Zentrifugalpumpen nach den Fig. 1 bis 8 wurde davon ausgegangen, dass die jeweilige Erwärmungsstrecke zwischen kälteren und wärmeren Leitungsteilen der Kühlmittelabführungs- leitung stets parallel bezüglich der Rotationsachse verläuft. Für die Erfindung ist jedoch diese Lage der Erwärmungsstrecke unwesentlich. Gemäss dem Äusführungs- beispiel einer Zentrifugalpumpe nach Fig. 9 kann deshalb die Erwärmungsstrecke zusammen mit einem an sie angeschlossenen wärmeren Leitungsteil einen gemeinsamen Leitungsteil 30 bilden, der bezüglich der Rotationsachse 5 schräg verläuft. Das achsferne Endstück 8 des kalten radial verlaufenden Leitungsteils 7 sowie ein achsfernes Teilstück 31 des schräg verlaufenden Leitungsteils 30 sind über einen Körper 32 aus gut wärmeleitendem Material an das kältere, flüssige Kühlmittel A in der Mischkammer 3 thermisch angekoppelt. Die Erwärmungsstrecke 33 für das gasförmige Kühlmittel ist somit der sich zwischen dem Körper 31 und der Rotationsachse 5 erstreckende Teil des Leitungsteils 30. Das Endstück 8 und das Teilstück 31 sind über ein gekrümmtes Rohrstück 34 miteinander verbunden. Dieses sich auf grösserem Radius als die Erwärmungsstrecke 33 des Leitungsteils 30 befindliche Rohrstück stellt ebenfalls einen Syphon dar, der von seiner Funktionsweise her im wesentlichen dem Syphon 24 nach Fig. 6 entspricht. Für die Erfindung ist es ferner ohne Bedeutung, ob die Erwärmungsstrecke der Zentrifugalpumpe auf dem Umfang eines rotierenden Zylinders oder eines rotierenden Kegels als Spirale oder Schlange ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist eine Spiralform der Erwärmungsstrecke 33 angenommen, wobei diese auf der kegelmantelförmigen Innenseite eines in der Figur nur teilweise ausgeführten, dreh momentübertragendenKegelmantels 35 angeordnet ist. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 9 wurde angenommen, dass die Kühlmittelabführungsleitung 2 nur einen einzigen Führungskanal für das Kühlmittel aufweist. Gegebenenfalls können aber auch mehrere parallelgeschaltete Kanäle vorgesehen werden. Hiermit lassen sich zu grosse Druckabfälle in der Abführungs- leitung vermeiden. Zweckmässig werden dementsprechend der kältere Leitungsteil 7 und mindestens ein wesentliches Teilstück der daran angeschlossenen Erwärmungsstrecke 17 als parallelgeschaltete Kanäle ausgebildet. Eine Wiedervereinigung der durch diese Kanäle geführten Kühlmittelströme erfolgt dann frühestens nach diesem Teilstück der Eräwmrungsstrecke und insbesondere erst nach Durchlaufen der wärmeren radialen Leitungsteile in der Nähe der Rotationsachse 5. In den Ausführungsbeispielen einer Kühlanordnung nach der Erfindung gemäss den Figuren 3, 4 und 7 wurde ferner eine direkte Umspülung zumindest von Teilen des kälteren Leitungsteils der Kühlmittelabführungsleitungen angenommen. Eine entsprechende thermische Ankopplung dieser Teile ist jedoch ebenso gut indirekt über mindestens einen Wärmetauscher möglich. 9 Patentansprüche 9 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Anordnung zur zahlung einer tiefzukühlenden, insbesondere supraleitenden Erregerwicklung im Läufer einer elektrische# Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, mit einer mitrotierenden Mischkammer, die ein Gemisch eines aus dampfförmigen und flüssigen Bestandteilen eines über eine Zuführungsleitung von aussen zugeführten Kühlmittels enthält und an die eine erste Abführungsleitung zur Entnahme eines ersten Kühlmittelstromes an flüssigem Kühlmittel zur Kühlung der Erregerwicklung und an die in Wähe der Lauferachse eine zwischen Bereichen unterschiedlicher Temperatur verlaufende weitere Kühlmittelabführungsleitung angeschlossen sind, wobei die weitere Abführungsleitung als Zentrifugalpumpe zum Abpumpen eines weiteren Kühlmittelstromes an gasförmigem Kühlmittel aus der Mischkammer gestaltet ist und mindestens einen kälteren, im wesentlichen radial bezüglich der Läuferachse verlaufenden, in Achsferne führenden Leitungsteil sowie wärmere, in Achsnähe zurückführende Leitungsteile enthält, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der grösste Strömungsquerschnitt (q1) des kälteren Leitungsteils (7) der weiteren Ab führungsleitung (2) höchstens halb so gross ist wie der grösste Strömungsquerschnitt (q2) der wärmeren, in Achsnähe zurückführenden Leitungsteile (9, 12). 2. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Verhältnis des maximalen Strömungsquerschnittes (q1) des kälteren Leitungsteils (7) zu dem maximalen Strömungsquerschnitt (q2) der wärmeren Leitungsteile (9, 12) von höchstens 1:3. 3. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Teilstück (17) der wärmeren Leitungsteile (9, 12) der weiteren Abführungsleitung (2) in Strömungsrichtung des abgeführten Külilmitteis (Bt) gesehen einen von dem vorbestimmten Strömungsquerschnitt ( 1) des kälteren Leitungsteils (7) auf den vorbestimmten Ströwùngsquerschnitt (q2) der wärmeren Leitungsteile sich erweiternden Strömungsquerschnitt hat (Fig. 1). 4. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass ein wärmerer Leitungsteil der weiteren Abführungsleitung (2) in der Nähe der Anschlussstelle an den kälteren Leitungsteil (7) als Konvektionsfalle (19; 24) für das abzuführende Kühlmittel (B') gestaltet ist. 5. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Konvektionsfalle (19; 24) ein U-förmig gestalteter Leitungsteil ist. 6. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Konvektionsfalle (24) auf grösserem Radius als die wärmeren Leitungsteile (17, 12) der weiteren Abführungsleitung (2) angeordnet ist (Fig. 6). 7. Anordrunffl, zur Kühlung nach einen der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h - n e t , dass die wärmeren Leitungsteile (30) der weiteren Abführungsleitung bezüglich der L-uferachse (5) schräg angeordnet sind (Fig. 9). 8. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die wärmeren Leitungsteile der weiteren Abführungsleitung (2) mindestens einen, im wesentlichen parallel zu der Läuferachse (5) verlaufenden, achsfernen Leitungsteil (9) mit einer Erwärmungsstrecke (17) für das abgeführte Kühlmittel (B') sowie einen weiteren, im wesentlichen radial bezüglich der Läuferachse (5) verlaufenden Leitungsteils (12) enthalten. 9. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der kältere Leitungsteil und zumindest ein daran angeschlossenes Teilstück der wärmeren Leitungsteile der Kühlmittelabführungsleitung als parallelgeschaltete Kühlmittelführungskanäle ausgebildet sind.

Inventors: INTICHAR, LUTZ, DR., SCHNAPPER, CHRISTOPH, DR.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1980
Main classification: H02K9
IPC codes: H02K9, H02K55