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

Abstract: 1. An arrangement for cooling an exciting winding, which is to be cooled to a low temperature, particularly a superconductive winding, in the rotor of an electrical machine, in particular a turbogenerator, having a co-rotating mixing chamber (3) which contains a mixture of vaporous and liquid components (B and A) of a coolant which is supplied from the outside through a supply line, and to which chamber are connected a first discharge line for the withdrawal of a first stream of liquid coolant (A) which serves to cool the exciting winding, and, in the vicinity of the rotor axis (5), a further coolant discharge line (2) which extends between regions of different temperature, wherein the further discharge line (2) forms a centrifugal pump for pumping a further stream of gaseous coolant (B) out of the mixing chamber (3), and contains at least one cooler line section (7) which extends essentially radially with respect to the rotor axis (5), leads away from the axis, and discharges into a heating section (17, 33) which is thermally connected to hotter parts of the rotor and consists of warmer line sections (9, 12, 30) which return towards the neighbourhood of the axis, characterised in that a thermal coupling is provided between the end portion (8) remote from the axis of the cooler line section (7) together with the entry point (16) into the heating section (17, 33) and colder parts of the rotor.

Description: Anordnung zur Kühlung 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 Kühlmittel- abführungsleitung 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 be zUglich der Läuferachse verlaufenden, in Achsferne fUhrenden Leitungsteil sowie wärmere, In Achsnähe zurückführende Leitungsteite enthält. Eine derartige F.ghlanordnung ist aus "Cryogenics", Juli 1977, Seiten 429 bis 433 bekannt. Bei dieser bekannten Kühlanordnung wird von einer Kühleinrichtung ausgegangen, wie sie beispiesweise in der Dissertation von A.Be#an 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 Kühlmittelelnspeisungs- leitung einer mitrotierenden, zentral angeordneten Mischkammer zugeführt. In dieser Mischkaininer befindet sich ein Zweiphasengemisch aus flüssigem und gasförmigem Kü#lmittel. Im Betriebazustand bei Rotation werden die Phasen dieses Zweiphasengemisches durch die auf sie einwirkenden zentrifugalen Kräfte getrennt, und es lagert sich der Kühlmitteldampf 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 Konvektions strömung führt und eine Ruckleitung des Kühlmittels über eine weitere, radial gerichtete Rückführungs- leitung in die Nischkammer bewirkt. Die aufgenommene Wärmemenge führt zu einer Temperaturerhöhung und zu einer teilweisen Verdampfung des Kü.hlmittels. 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 Ki mittelabführungsleitung als Abpumpvorrichtung ausgebildet sein, wobei die Rotation und die Erwärmung des Kühlmittels ausgenutzt werden, um den gewmnschten Unterdruck in der Nischkammer zu erzeugen. Bei dieser auch als Zentrifugalpumpe bezeichneten Abpumpvorrichtung wird kaltes Kühlmittelgas, welches der Misch kämme in der Nähe der Läuferachse entnommen wird, in einem oder mehreren kalten Radlalrohren 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 anschlie ssend wieder über ein warmes Radialrohr zurück in die Nähe der Achse geführt, 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 Erwärmungastrecke 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 htmosphärendruck 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 Zentrilugalpllmpe ein Unterdruck erzeugt werden kann, praktisch aber keine stabilen Unterdruckverhältnisse auf diese Weise über längere Zeit zu erhalten sind. Sobald pder 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 ver bessern,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 Kenn- zeichen des Anspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Diesen Massnahmen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Auftreten der Instabilität der Zentrifugalpumpe auf Wärmemengen zurückzuführen ist, die dem sich in dem kälteren radialen Leitungsteil befindlichen Kühl mittel zugeführt werden. Diese Wärmemengen können entweder von der Wand des kälteren Leitungsteils oder von den Leitungswänden an der Umlenkstelle an der Peripherie durch Wärmeübergang in das Kühlmittel gelangen, wenn die Wände an diesen Stellen wärmer sind als das Kühlmittel. Andererseits können aber auch über das Kühlmittel selbst von den wärmeren Leitungsteilen her Wärmemengen in den kälteren Leitungsteil einströmen, und zwar durch Wärme diffusion oder durch Konvektion, wenn eine Strömung entgegen der gewünschten Strömungsrichtung wie z.B. im Falle von Wirbeln oder in Konvektionsachleifen möglich ist. Gelangen nun solche Wärmemengen in den kälteren Leitungsteil, so wird dort das Kühlmittel entsprechend erwärmt 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. Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen somit darin, dass der Wärmestrom in das in dem kälteren radialen Leitungsteil der weiteren Abführungsleitung befindliche Kühlmittel durch die thermische Ankopplung zumindest des achsfernen Endstückes des kälteren Leitungsteils an kältere Teile des Läufers ausreichend klein gehalten wird. Mit einer Kühlung zumindest des Endstückes des kälteren Leitungsteils wird nämlich gewährleistet, dass das in den wärmeren Leitungsteilen erwärmte und aufgrund von Konvektion zu dem kälteren Leitungsteil zurückströmende Kühlmittel an dieser gekühlten Stelle zumindest annähernd auf die Temperatur des in dem kälteren Leitungsteil abfliessenden Kühlmittels abgekühlt wird und somit die Konvektion vermindert oder sogar ganz aufgehoben wird. Gemäss einer Weiterbildung der Kühlanordnung nach der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn der grösste Strömungsquerschnitt des kälteren Leiturigs- teils der weiteren Abführungsleitung bei vorgegebenem Massendurchsatz an abgefunrtem Kühlmittel höchstens halb so gross, vorzugsweise höchstens ein Drittel so gross ist wie der grösste Strömungsquerschnitt der wärmeren, in Achsnähe zurückführenden Leitungsteile. Die Strömungsgeschwindigkeiten in dem kälteren Leitungsteil kann dann ausreichend hoch eingestellt werden, indem ein entsprechend kleiner Strömungsquerschnitt gewählt wird. Je kleiner nämlich die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels ist, desto grösser ist der in den kälteren Leitungsteil aufgrund von Konvektion gelangende Wärme strom und desto kleiner wird der Förderdruck und desto eher neigt die Pumpe zu Instabilitäten. Mit der vorgesehenen Dimensionierung des Strömungsquerschnittes wird also 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 Leitungsteil in Gegenrichtung abgeführte Kühlmittel zu hindern. Der Ntärmestrom in das in diesem Leitungsteil der Abführungsleitung befindliche Kühlmittel lässt sich somit entsprechend klein halten. Insbesondere kann vorteilhaft ein Teilstück der wärmeren Leitungsteile der weiteren Abführungslei tung in Strömungsrichtung des abgeführten Kühlmittels gesehen einen von dem vorbestimmten Strömungsquer schnitt des kälteren Leitungsteils auf den vorbestimmten Strömungsquerschnitt der wärmeren Leitungstei- le sich allmählich erweiternden Strömungsquerschnitt haben. Der Strömungsquerschnitt dieses Teilstückes lässt sich so an die mit zunehmender Temperatur zunehmende Zähigkeit und abnehmende Dichte des Kühl- mittels anpassen. Ausserdem kann noch vorteilhaft zur Begrenzung des #ärmestromes in das in dem kälteren Leitungsteil befindliche Kühlmittel ein wärmerer Leitungsteil der weiteren Abführungsleitung in der Nähe der Anschluss- stelle an den kälteren Leitungsteil als Konvektionsfalle für das abzuführende Kühlmittel gestaltet sein. Mit einer solchen Konvektionsfalle wird ebenfalls das Eindringen von in dem wärmeren Leitungsteil erwTärmten Kühlmittel in den kälteren Leitungsteil verhindert. 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 6 jeweils schematisch als Längsschnitt eine als Zentrifugalpumpe gestaltete Kühlmittelabführungs- leitung 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 "Cryogenics", Juli 1977, Seiten 429 bis 433 zu entnehmen ist. Mit dieser Pumpe, die Teil einer allgemein mit 2 bezeichneten Kühlmittelabführungsleitung ist, soll in einer in der Figur nur angedeuteten Mischi:ammer 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 Enticklungsberichtr, Band 5, 1976, Wr. 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 7ent.rJfuralkmäfte 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 Leitungsteiles 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 Leitungsteils 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 herausgeleitet und dann beispielsweise einer externen Kühlmittel- versorgungseinheit zugeführt wird. Da sich der Anschlusskopf mit der Kühlmittelaustrittsleitung 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 Entnahme stelle 4 verlassende, kalte Kühlmittelgas B' wird in dem kalten radialen Leitungsteil 7 auf einen grösseren Radius geleitet und dabei unter Einfluss der Zentrifugalkraft 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 zurückgefurrb, 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, erhalt man so an der Entnahmestelle 4 der Mischkammer 3 einen Unterdruck. Bei der Zentrifugalpumpe vlrd somit der bekannte Selbstpump-Effekt ausgenutzt. Bei der Kühlanordnung wird vorteilhaft der von aussen in das in dem kälteren radialen Leitungstell 7 abgeführte Kühlmittel B t eindringende Wärmestrom ausreichend klein gehalten. Hierzu dient gemäss der Erfindung eine thermische Ankopplung dieses Leitungsteils an noch kältere Stellen des Läufers. Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 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 Abführungs- leitung 2 erfolgt, ist in der Figur mit 17 bezeichnet. Die in Figur 2 als Längsschnitt dargestellte Zentrifugalpumpe entspricht im wesentlichen der Ausführungsform nach Fig. 1. Diese Zentrifugalpumpe unterscheidet sich lediglich von der Ausführungsform nach Fig. 1 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. 3 kann eine thermische Ankopplung des kälteren Leitungsteils 7 und der Einmündungsstelle 16 auch dadurch erhalten werden, dass der gesamte Lei tungsteil 7 und die Einmündungastelle 16 des Verbindungsstücks 9 in der Sischkameler 3 angeordnet sind. Das achsnahe, als Entnahmestelle 4 gestaltete Ende des Leitungsteils 7 ragt dabei in den mit gasförmigem Kühlmittel B gefüllten Teilraum der Nischkammer 3 hinein. Wie ferner in Fig. 3 angedeutet ist, kann vorteilhaft der in der Figur mit q1 bezeichnete maximale Strömungsquer- schnitt des kälteren Leitungszeils 7 höchstens halb so gross wie der maximale, mit q2 bezeichnete Strömungsquer- schnitt der an den kälteren Leitungsteil 7 angeschlossenen und in Achsnähe zurückführenden l*!armeren Teile 9, 12 der Kühlmittelabführungsleitung 2 gewählt werden. 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 gewählt werden, dass der Druckabfall infolge Strömungs rei- bung in der gesamten F;ühlmittelabfünrungs1eitung 2 klein ist gegenüber dem Förderdruck der 7##tr#fugalpumpe. Bei gleichen Strömungsquerschnitten q1 und q2 würde der wesentliche Druckabfall wegen der grösseren dynamischen Zähigkeit und der kleineren Dichte des wärmeren Kunlmittels im wärmeren Leitungsteil auftreten. Man kann deshalb q1 vorteilhaft deutlich kleiner wählen als q2, ohne dass der gesamte Druckabfall wesentlich ansteigt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist angenommen, dass der Strömungsquerschnitt des Zwischenstücks 9 der Abführungsleitung 2 sich unmittelbar an der Ausführungsstelle aus der Mischkammer von dem Querschnitt q1 des kälteren Leitungsteils 7 auf den Querschnitt q2 des wärmeren Leitungsteils 12 in dem vorbestimmten Masse erweitert, so dass die Erwärmungsstrecke 17 den Strömungsquerschnitt q2 hat. Vorteilhaft kann jedoch auch ein allmählicher Übergang auf den gröBeren Strömungsquerschnitt vorgesehen sein. Hierdurch lässt sich eine Anpassung an die mit zunehmender Temperatur des Kühlmittels B' zunehmende Zähigkeit und abnehmende Dichte des Kühlmittels erreichen. Bei der Kühlanordnung nach der Erfindung kann eine Konvektion von erwärmtem Kühlmittel in dan kälteren radialen Leitungsteil der Abführungsleitung zusätzlich noch durch eine Konvektionsfalle weiter vermindert werden. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist dementsprechend das Verbindungsstück der Abführungsleitung an der Einmündungsatelle 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 2 , die über ein achsenparallel verlaufendes Zwischenrohr 22 miteinander verbunden sind. Das in der Erwärmungsstrecke 17 angewärmte Kühlinittelgas 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 Kanvektionsfalle für das in der Erwärmungsstrecke 17 erwärmte Kühlmittelgas dar. Ausserdem ist bei dieser Zentrifugalpumpe eine thermische Ankopplung ihres Syphons 19 an kältere Teile des Läufers wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 vorgesehen. Dementsprechend erfolgt die thermische Ankopplung des achsenfernen Endstücks 8 des Leitungsteils 7 sowie des einen, dazu benachbarten Schenkels 20 des U-förmigen Syphons 19 über einen Körper 27 aus thermisch gut leitendem Material an das flüssige Kühlmittel A in dem Bad der Mischkammer 3. Im Gegensatz zu der in Fig. 4 dargestellten Zentrifugalpumpe mit einem Syphon auf kleinerem Radius als die Erwärmungsstrecke kann für die Zentrifugalpumpe auch ein Syphon vorgesehen werden, der sich auf einem grösseren Radius als die Erwärmungsstrecke 17 befindet. Bei dieser Ausführungsform verhindert die Auftriebskraft von vornherein, dass das in der Erwärmungsstrecke 17 angewärmte Kühlmittel in das mit ihr unmittelbar verbundene, radial verlaufende Syphonrohr eindringen kann. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel einer Zentrifugalpumpe nach Fig. 4 wird bei der in Figur 5 dargestellten Pumpe, die ebenfalls einen Syphon 19 enthält, die thermische Ankopplung durch einen direkten Wärmeaustausch mit kälterem Kühlmittel entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dadurch erreicht, dass der gesamte radiale Leitungsteil 7 und der benachbarte Schenkel 20 des Syphons 19 im Bad des flüssigen Kühl- mittels A in der Mischkammer 3 angeordnet sind. Bei den Ausführungsbeispielen von Zentrifugalpumpen nach den Fig. 1 bis 5 wurde davon ausgegangen, dass die Jeweilige Erwärmungsstrecke zwischen kälteren und wärmeren Leitungsteilen der Kühlmittelabführungsleitung stets parallel bezüglich der Rotationsachse verläuft. Für die Erfindung ist jedoch diese Lage der Erwarmungsstrecke unwesentlich. Gemäss dem Aus führungsbelspiel einer Zentrifugalpumpe nach Fig. 6 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 als Konvektionsfalle dienenden Syphon dar. 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. 6 ist eine Spiralform der Erwärmungsstrecke 33 angenommen, wobei diese auf der kegelmantelförmigen Innenseite eines in der Figur nur teilweise ausgeführten, drehmoment übertragenden Kegelmantels 35 angeordnet ist. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 6 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 Abfübrungs- leitung vermeiden. Zweckmässig werden dementsprechend der kältere Leitungsteil 7 und mindestens ein wesentliches Teilstück der daran angeschlossenen En#rmungs- strecke 17 als parallelgeschaltete Kanäle ausgebildet. Eine Wiedervereinigung der durch diese Kanäle geführten Kühlmittelströme erfolgt dann frühestens nach diesem Teilstück der Erutärmungsstrecke und insbesondere erst nach Durchlaufen der wärmeren radialen Leitungsteile in der Nähe der Rotationsachse 5. Obwohl nur in Fig. 3 die besondere Dimensionierung der Querschnitte der wärmeren und kälteren Leitungsteile angedeutet ist, kann auch bei den in den übrigen Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen von Kühlanordnungen nach der Erfindung vorteilhaft eine entsprechende Dimensionierung ihrer Kühlmittelabführungs- leitungen vorgesehen werden. In den Ausführungsbeispielen einer Kühlanordnung nach der Erfindung gemäss den Figuren 2, 3 und 5 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. 13 Patentansprüche 6 Figuren

Claims: Patentansurüche 1. 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 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 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 Kühl- mittel 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 eine thermische Ankopplung zumindest is achsfernen Endstückes (8) des kälteren Leitungsteils (7) der weiteren Abführungsleitung (2) an kältere Teile des Läufers vorgesehen ist. 2. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, dass ein Verbindungskörper (15; 27; 32) aus gut wärmeleitendem Material zwischen wenigstens dem achsfernen Endstück (8) des kälteren Leitungsteils (7) und dem flüssigen Kühlmittel (A) in der Mischkammer (3) vorgesehen ist. 3. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, dass wenigstens das achsferne Endstück (8) des kälteren Leitungsteils (7) von dem flüssigen Kühlmittel (A) der Mischkammer (3) direkt umspült ist (Fig. 2, 3, 5). 4. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der gesamte kalte Leitungsteil (7, 8) der weiteren Abführungsleitung (2) in dem Bad des flüssigen Kühlmittels (A) in der Nischkammer (3) angeordnet ist (Fig. 3 und 5). 5. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, dass wenigstens das achsferne Endstück des kälteren Leitungsteils von dem flüssigen Kühlmittel der Mischkammer indirekt über mindestens einen Wärmetauscher umspült ist. 6. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der grösste Strörnungsquerschnitt (q1) des kälteren Leitungsteils (7) der weiteren Abführungsleitung (2) höchstens halb so gross, vorzugsweise höchstens ein Drittel so gross ist wie der grösste Strömungsquerschnitt (q2) der wärmeren, in Achsnähe zurückführenden Leitungsteile (9, 12). 7. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 6, d a d u r c h gekennzeichnet, dass ein Teilstück (17) der wärmeren Leitungsteile (9, 12) der weiteren Abführungsleitung (2) in Strömungsrichtung des abgeführten Kühlmittels (Bt) gesehen einen von dem vorbestimmten Strömungsquerschnitt (q1) des kälteren Leitungsteils (7) auf den vorbestimmten Strömungsquerschnitt (q2) der wärmeren Leitungsteile (9, 12) sich allmählich erweiternden Strömungsquerschnitt hat. 8. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch 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) für das abzuführende Kühlmittel (B') gestaltet ist. 9. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 8, 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) ein U-förmig gestalteter Leitungsteil ist. 10. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die Konvektionsfalle auf grösserem Radius als die wärmeren Leitungsteile (17, 12) der weiteren Abführungsleitung (2) angeordnet ist. 11. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gek e n n z e i c h - n e t , dass die wärmeren Leitungsteile (30) der weiteren Abführungsleitung (2) bezüglich der Läuferachse (5) schräg angeordnet sind (Fig. 6). 12. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch 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 Leitungsteil (12) enthalten. 13. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, 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