PL200476B1 - Wirnik i sposób wytwarzania i montowania wirnika - Google Patents

Abstract

1. Wirnik maszyny synchronicznej, znamienny tym, ze zawiera cylindryczny magnetyczny rdze n (22) wirnika; nadprzewodz ace (SC) owalne uzwojenie cewkowe (34) rozmieszczone wokó l rdzenia wirnika; wspornik (42, 44) cewki, przechodz acy przez rdze n i przymocowany do przeciwleg lych d lu zszych boków uzwojenia cewki, i dwa wa ly ko ncowe (24, 30), odstaj ace osiowo od rdzenia i przymocowane do rdzenia. 23. Sposób wytwarzania i montowania wirnika z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, ma- j acego uzwojenie cewki umieszczone na sta lym zelaznym rdzeniu maszyny synchronicznej, zna- mienny tym, ze przeprowadza si e drazek napr eza- j acy (42) przez kana l (46) w wirniku, przy czym kana l rozci aga si e mi edzy przeciwleg lymi sekcjami prosty- mi (48) na d lu zszych bokach rdzenia, nak lada si e obudow e (44) na cz esc (40) cewki; mocuje si e koniec dr azka napr ezaj acego do obudowy, i mocuje si e wa ly ko ncowe (24, 30) wirnika do przeciwleg lych ko nców rdzenia wirnika. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wirnik i sposób wytwarzania i montowania wirnika a zwłaszcza wirnik i sposób wytwarzania i montowania wirnika synchronicznej maszyny wirującej. W szczególności przedmiotem wynalazku jest wirnik z nadprzewodzącym rdzeniem i sposób jego wytwarzania.

Do synchronicznych maszyn elektrycznych z uzwojeniami cewki magnesującej zalicza się, choć nie wyłącznie, prądnice wirujące, silniki wirujące i silniki liniowe. Te maszyny zwykle zawierają stojan i wirnik, które są sprzężone elektromagnetycznie. Wirnik może zawierać wielobiegunowy rdzeń wirnika i zainstalowane na rdzeniu wirnika jedno lub więcej uzwojeń cewkowych. Rdzenie wirnikowe zawierają materiał stały o dużej przenikalności magnetycznej, na przykład wirnik żelazny.

W wirnikach synchronicznych maszyn elektrycznych zwykle stosuje się konwencjonalne uzwojenia miedziane. Jednakowoż rezystancja elektryczna uzwojeń miedzianych (jakkolwiek według konwencjonalnych miar niewielka) jest wystarczająca do powodowania znacznego nagrzewania wirnika i zmniejszania sprawnoś ci energetycznej maszyny. Ostatnio opracowano nadprzewodzą ce (SC - super-conducting) uzwojenia cewkowe. Uzwojenia SC efektywnie nie mają rezystancji i stanowią bardzo korzystne uzwojenia cewkowe wirnika.

Wirniki z rdzeniem żelaznym przy natężeniu pola w szczelinie powietrznej wynoszącym około 2 tesla nasycają się. W znanych konstrukcjach wirników nadprzewodzących stosuje się konstrukcje z rdzeniem powietrznym, bez ż elaza w wirniku, osią gają c pole magnetyczne w szczelinie powietrznej o wartoś ci powyż ej 3 tesla. Te silne pola magnetyczne w szczelinie powietrznej przyczyniają się do zwiększenia gęstości mocy maszyny elektrycznej, i w wyniku dają znaczne zmniejszenie ciężaru i rozmiarów maszyny. Nadprzewodzące wirniki z rdzeniem powietrznym wymagają dużych ilości drutu nadprzewodzącego. Te duże ilości drutu SC poza wymaganiem dużej liczby cewek powodują złożoność podpór cewek i zwiększają koszt uzwojeń cewki SC i wirnika.

Uzwojenia magnesujące cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym są kształtowane z materiał ów nadprzewodzą cych, które są kruche, i wymagają chł odzenia do temperatury równej krytycznej lub niższej od krytycznej, na przykład 27K, dla osiągnięcia i utrzymania nadprzewodnictwa. Uzwojenia nadprzewodzące mogą być kształtowane z materiału z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, jak na przykład BSCCO (BixSrxCaxCuxOx).

Cewki nadprzewodzące chłodzone są ciekłym helem. Po przepłynięciu przez uzwojenie silnika, gorący, zużyty hel jest odprowadzany z powrotem jako gazowy hel o temperaturze pokojowej. Używanie ciekłego helu do chłodzenia kriogenicznego wymaga ciągłego ponownego skraplania zwracanego gazowego helu o temperaturze pokojowej, i takie ponowne skraplanie stwarza znaczne problemy niezawodnościowe i wymaga znacznej mocy pomocniczej.

Znane metody chłodzenia cewek SC obejmują chłodzenie nasyconej epoksydem cewki SC przez stałą ścieżkę z chłodnicy kriotechnicznej. W rozwiązaniu alternatywnym ciekły i/lub gazowy kriogen mogą przenosić rury chłodzące w wirniku do porowatego uzwojenia cewki SC zanurzonej w strumieniu ciekłego i/lub gazowego kriogenu. Jednakowoż, chłodzenie zanurzeniowe wymaga utrzymywania w temperaturze kriogenicznej całego uzwojenia magnesującego i konstrukcji wirnika. Wskutek tego nie można w ogóle stosować żelaza w obwodzie magnetycznym wirnika z powodu kruchości żelaza w temperaturach kriogenicznych.

Występuje zatem potrzeba opracowania nadprzewodzącego zespołu uzwojenia magnesującego dla maszyny elektrycznej, nie wykazującego wad rdzenia powietrznego i chłodzonego cieczowo nadprzewodzącego uzwojenia magnesującego zespołu na przykład znanego wirnika nadprzewodzącego.

Poza tym, cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS - high temperaturę superconducting coils) są wrażliwe na degradację przy dużych naprężeniach zginających i rozciągających. Cewki te podlegają działaniu znacznych sił odśrodkowych, które rozciągają i odkształcają uzwojenia cewki. Normalna praca maszyny elektrycznej wiąże się z tysiącami cykli włączenia i wyłączenia w cią gu kilku lat, co powoduje obciążenie zmę czeniowe wirnika przy mał ej liczbie cykli. Ponadto uzwojenie wirnika HTS powinno wytrzymywać pracę z 25% przekroczeniem szybkości podczas procedur wyważania wirnika przy temperaturze otoczenia, i ponadto sporadyczne warunki przekroczenia szybkości podczas operacji generowania energii elektrycznej. Te warunki przekroczeń szybkości zwiększają obciążenie siłą odśrodkową uzwojenia powyżej normalnych warunków eksploatacyjnych.

Duże naprężenia mogą uszkadzać drut nadprzewodzący. Aby drut wytrzymywał duże naprężenia, drut HTS dotychczas był ochraniany przez stosowanie masywnego, skomplikowanego uzwojenia cewki i wsporczej konstrukcji cewki. Jednakowoż masywne, złożone uzwojenia nadprzewodzące są

PL 200 476 B1 kosztowne, zwłaszcza w znanych maszynach elektrycznych z rdzeniem powietrznym. Ponadto, te masywne uzwojenia wymagają oziębiania do temperatur kriogenicznych, i dlatego wymagają dużych układów chłodniczych.

Uzwojenia cewki również są izolowane od gorących wsporników i wirnika. Do izolowania uzwojeń cewkowych stosowano duże izolatory cieplne, do oddzielania cewek od ich układów wsporczych. Ponieważ izolatory znajdują się między cewkami a ich układami wsporczymi, to znane izolatory stanowią konstrukcje na tyle duże, aby mogły wytrzymywać duże obciążenia odśrodkowe cewek. Ponieważ te duże izolatory cieplne są w kontakcie z zimnymi cewkami, to te izolatory dla cewek są dużymi źródłami ciepła. Jakkolwiek izolatory są projektowane tak, aby zminimalizować przewodzenie ciepła do cewek, to otrzymywane izolatory powodują duże kriogeniczne obciążenia cieplne i wymagają kosztownych urządzeń oziębiania kriotechnicznego.

Opracowanie układów wzmacniających cewki HTS stanowiło trudne wyzwanie przy dopasowywaniu cewek SC do wirników HTS. Przykładami opracowanych poprzednio układów wzmacniających dla wirników HTS są rozwiązania proponowane i zastrzegane w patentach USA o numerach 5.548.168, 5.532.663, 5.672.921, 5.777.420, 6.169.353 i 6.066.906. Jednakowoż te układy wzmacniające dla cewek nie rozwiązują różnych problemów, na przykład związanych z ich kosztem, złożonością i wymaganiem nadmiernej liczby części. Występuje również od dawna odczuwana potrzeba opracowania układu wzmacniającego cewki wytwarzanego przy małych kosztach, z łatwych w produkcji części składowych.

Wirnik według wynalazku stanowi wirnik z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS - high temperaturę super-conducting) z dwubiegunowym korpusem rdzeniowym ukształtowanym ze stałego materiału magnetycznego, na przykład żelaza. Korpus rdzenia wirnika jest ogólnie biorąc cylindryczny, i ma pł askie powierzchnie wykonane wzdł uż nie obróbka skrawaniem. Cewka HTS jest zmontowana wokół tych płaskich powierzchni, i ma kształt owalny rozmieszczony wokół rdzenia. Owalna cewka jest podparta naprężającymi elementami wsporczymi cewki, przechodzącymi przez korpus rdzenia wirnika. Do żelaznego korpusu rdzenia wirnika są zamocowane mechanicznie wał napędowy i wał kolektorowy. Cewkę HTS z żelaznym korpusem rdzenia wirnika otacza cylindryczny skorupowy ekran elektromagnetyczny.

Wirnik z żelaznym rdzeniem znacznie zmniejsza w stosunku do wirników chłodzonych powietrzem potrzebne amperozwoje uzwojenia magnesującego, ilość używanego nadprzewodnika i koszt. Pojedyncza cewka HTL o kształcie owalnym zastępuje typowe złożone uzwojenia siodłowe cewki. Wspornik naprężający cewki zapewnią bezpośrednie wsparcie cewki HTS zmniejszając naprężenia w cewce podczas oziębiania i obciążania siłą odśrodkową. Ponadto, układ wspierający cewki znajduje się wraz z cewką w temperaturze kriogenicznej.

Wirnik HTS może być zaimplementowany w maszynie oryginalnie zaprojektowanej do pracy z cewkami SC. W sytuacji alternatywnej wirnik HTS może zastępować wirnik z cewkami miedzianymi w istniejącej maszynie elektrycznej, na przykład w konwencjonalnej prądnicy. Wirnik i jego cewki SC są w niniejszym dokumencie opisywane w kontekście prądnicy, lecz wirnik z cewkami HTS nadaje się również do wykorzystania w innych maszynach synchronicznych.

W pierwszej odmianie wykonania, wedł ug niniejszego wynalazku proponuje się wirnik dla maszyny synchronicznej, zawierający: cylindryczny magnetyczny rdzeń wirnika w postaci ciała stałego; nadprzewodzące (SC) owalne uzwojenie cewkowe rozmieszczone wokół rdzenia wirnika, wspornik cewki przechodzący przez rdzeń i przymocowany do przeciwległych dłuższych boków uzwojenia cewki, i dwa wały końcowe odstające osiowo od rdzenia i przymocowane do rdzenia.

W innej odmianie wykonania niniejszego wynalazku proponuje się wirnik do maszyny synchronicznej, zawierający: cylindryczny rdzeń wirnika z dwiema prostymi sekcjami po przeciwległych stronach rdzenia, przechodzącymi wzdłuż rdzenia; nadprzewodzące uzwojenie cewki rozmieszczone wokół przynajmniej części rdzenia wirnika, przy czym uzwojenie cewki ma dwie sekcje boczne sąsiadujące z prostymi sekcjami rdzenia; pierwszy wał końcowy, odchodzący osiowo od pierwszego końca rdzenia wirnika, i drugi wał końcowy, odchodzący osiowo od drugiego końca rdzenia wirnika.

Sposób wytwarzania wirnika z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym mającego uzwojenie cewki umieszczone na stałym żelaznym rdzeniu maszyny synchronicznej, według wynalazku obejmujący następujące etapy: przeprowadzenie drążka naprężającego przez kanał w wirniku, przy czym kanał rozciąga się między przeciwległymi sekcjami prostymi na dłuższych bokach rdzenia; nałożenie obudowy na część cewki; zamocowanie końca drążka naprężającego do obudowy wzmacniającej i zamocowanie wałów końcowych wirnika do przeciwległych końców rdzenia wirnika.

PL 200 476 B1

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania uwidoczniono na załączonym rysunku, na którym fig. 1 stanowi uproszczony widok z boku synchronicznej maszyny elektrycznej z nadprzewodzącym wirnikiem i stojanem, fig. 2 stanowi widok perspektywiczny przykładowego owalnego uzwojenia cewki nadprzewodzącej, fig. 3 stanowi widok w rozłożeniu części składowych wirnika z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS), fig. 4 do 8 stanowią uproszczone przekroje wirnika HTS przedstawionego na fig. 3.

Na fig. 1 przedstawiono przykładową prądnicę synchroniczną 10 mającą stojan 12 i wirnik 14. Wirnik zawiera cewki uzwojenia magnesującego, które wstawione są ciasno do wewnątrz cylindrycznej przestrzeni próżniowej 16 dla wirnika w stojanie. Wirnik osadzony jest wewnątrz przestrzeni próżniowej stojana. Przy obracaniu się wirnika wewnątrz stojana, pole magnetyczne 18 (przedstawione liniami przerywanymi) generowane przez wirnik i cewki wirnika porusza się/wiruje w stojanie i wytwarza prąd elektryczny w uzwojeniach cewek 19 stojana. Prąd ten jest oddawany przez prądnicę na zewnątrz w charakterze mocy elektrycznej.

Wirnik 14 ma zwykle oś 20 biegnącą wzdłużnie, i zwykle lity rdzeń 22 wirnika. Lity rdzeń 22 o dużej przenikalności magnetycznej jest zwykle wykonany z materiału ferromagnetycznego, na przykład żelaza. W maszynie o małej gęstości mocy z nadprzewodnictwem, rdzeń żelazny jest wykorzystywany do zmniejszenia siły magnetomotorycznej (MMF) a zatem zmniejszenia ilości drutu w cewce nadprzewodzącej (SC) potrzebnego na uzwojenie cewki. Na przykład lity rdzeń żelazny wirnika może być nasycony magnetycznie przy natężeniu pola magnetycznego w szczelinie wynoszącym około 2 tesla.

Wirnik 14 podtrzymuje przynajmniej jedno, rozciągające się wzdłużnie, owalne uzwojenie 34 cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS) (patrz fig. 2). Uzwojenie cewki HTS może w odróżnieniu od tego mieć kształt siodłowy lub może mieć pewien inny kształt, odpowiedni dla konkretnej konstrukcji wirnika HTS. Układ wzmacniający cewki opisywany w niniejszym dokumencie jest przeznaczony dla uzwojenia cewki SC owalnej. Układ wzmacniający cewki może być dostosowany do konfiguracji cewki innej, niż cewka owalna instalowana na litym rdzeniu wirnika, na przykład konfiguracji owalnej wielokrotnej.

Rdzeń wirnika jest podparty przez wały końcowe przymocowane do rdzenia. Wirnik zawiera wał 24 kolektora i napędowy wał końcowy 30, które obejmują z dwóch stron rdzeń 22 wirnika, i podparte są łożyskami 25. Wały końcowe mogą być sprzężone z urządzeniami zewnętrznymi. Końcowy wał 24 kolektora zaopatrzony jest w pierścienie ślizgowe 78 stanowiące zewnętrzne połączenie elektryczne z cewką SC. Końcowy wał 24 kolektora może mieć również złącze 26 do transportu czynnika kriogenicznego łączące ze źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego wykorzystywanego do chłodzenia uzwojeń cewki SC w wirniku. Złącze 26 do transportu czynnika kriogenicznego zawiera segment stacjonarny dołączony do źródła kriogenicznego płynu chłodzącego, i segment obrotowy, który dostarcza płyn chłodzący do cewki HTS. Wał 30 na końcu napędowym wirnika może być napędzany przez sprzęgło 32 turbiny energetycznej 32.

Figura 2 przedstawia przykładowe owalne uzwojenie 34 cewki magnesującej. W skład cewek 34 uzwojenia magnesującego wirnika wchodzi nadprzewodząca w wysokiej temperaturze cewka (SC) 36. Każda cewka SC zawiera przewodnik z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, na przykład druty z BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) laminowane w kompozycie uzwojeniowym nasycanym epoksydem. Na przykład zespół drutów z BSCCO 2223 może być laminowany, spajany i zwijany w litą cewkę nasyconą epoksydem.

Drut SC jest łamliwy i łatwy do uszkodzenia. Cewka SC jest zwykle nawijana warstwami taśmy, nasycanej epoksydem. Taśma SC jest zwinięta w precyzyjny kształt, dla zapewnienia ciasnych tolerancji wymiarowych. Taśma jest nawinięta spiralnie tworząc owalną cewkę SC 36.

Wymiary cewki owalnej zależą od wymiarów rdzenia wirnika. Zwykle każda owalna cewka otacza bieguny magnetyczne rdzenia wirnika i jest równoległa do osi wirnika. Uzwojenia cewki są ciągłe wokół kształtu owalnego. Cewki SC tworzą bezrezystancyjną ścieżkę dla prądu elektrycznego wokół rdzenia wirnika i między biegunami magnetycznymi rdzenia. Cewka ma styki elektryczne 114 łączące elektrycznie cewkę z kolektorem 78.

W uzwojeniu 34 cewki znajdują się kanały płynowe 38 dla kriogenicznego płynu chłodzącego. Kanały te mogą przechodzić wokół zewnętrznej krawędzi cewki 36 SC. Przejścia kanałowe doprowadzają płyn chłodzący do cewki i odprowadzają z cewki ciepło. Płyn chłodzący utrzymuje niską temperaturę, na przykład 27K w uzwojeniu cewki konieczną do zapewnienia warunków nadprzewodnictwa, związanych z brakiem rezystancji elektrycznej cewki. Kanały chłodzące na jednym końcu rdzenia wirPL 200 476 B1 nika mają wejściowe i wyjściowe okna 112 dla płynu. Te okna 112 dla płynu (gazu) łączą kanały chłodzące 38 cewki SC ze złączem 26 do transportu czynnika kriogenicznego.

Każde uzwojenie owalnej cewki HTS 34 ma dwie w zasadzie proste części boczne 40, równoległe do osi 20 wirnika, i dwie części końcowe 54, które są prostopadłe do osi wirnika. Na części boczne cewki działają największe siły odśrodkowe. Zatem ściany boczne są podparte układem wzmacniającym cewki, który kompensuje siły odśrodkowe działające na cewkę.

Figura 3 przedstawia w rozłożeniu rdzeń 22 wirnika i układ wzmacniający dla cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym. W skład układu wzmacniającego wchodzą drążki naprężające 42 połączone z obudowami kanałowymi w kształcie litery U. Obudowy utrzymują i wspierają części boczne 40 uzwojenia 38 cewki wirnika. Jakkolwiek na fig. 3 przedstawiono jeden drążek naprężający i jedną obudowę kanału, to układ wzmacniający cewki będzie zwykle zawierał szereg drążków naprężających, z których każdy ma obudowy wzmacniające cewki na obu końcach drążka. Drążki naprężające i obudowy kanałowe zapobiegają uszkodzeniu uzwojenia cewki podczas pracy wirnika, wzmacniają uzwojenie cewki w odniesieniu do sił odśrodkowych i innych, i stanowią ekran ochronny dla uzwojenia cewki.

Główne obciążenie uzwojenia 34 cewki HTS w wirniku z rdzeniem żelaznym pochodzi od przyspieszenia odśrodkowego podczas wirowania wirnika. Potrzebne jest skuteczne wsparcie, zwłaszcza wzdłuż sekcji bocznych 40 cewki, na które działa największe przyspieszenie odśrodkowe. Dla wzmocnienia sekcji bocznych cewki, miedzy sekcjami cewki rozpięte są drążki naprężające, zamocowane do obudów kanałowych 44, które chwytają przeciwległe sekcje boczne cewki. Drążki naprężające rozciągają się miedzy sekcjami bocznymi tej samej cewki lub między cewkami sąsiednimi.

Kanały 46 mają zwykle kształt cylindrycznych przejść w rdzeniu wirnika, o prostych osiach. Średnica kanałów jest w zasadzie stała, z wyjątkiem ich końców przy wgłębionych powierzchniach wirnika. Na końcach kanały mogą rozszerzać się do większej średnicy, dla pomieszczenia nie przewodzącej cylindrycznej tulei (rury izolacyjnej) 52, która zapewnia ślizgową powierzchnię łożyskującą i izolację termiczną między rdzeniem wirnika a drążkiem naprężającym.

Osie kanałów 46 znajdują się zwykle w płaszczyźnie wyznaczonej przez owalną cewkę. Poza tym, osie kanałów są prostopadłe do sekcji bocznych cewki, do której są przyłączone drążki naprężające przechodzące przez te kanały. Ponadto, w przedstawionej w niniejszym dokumencie odmianie wykonania kanały są ortogonalne względem osi wirnika, i przecinają tę oś. Liczba kanałów i rozmieszczenie tych kanałów będzie zależało od rozmieszczenia cewek HTS i liczby obudów cewki niezbędnych do podparcia bocznych sekcji cewek.

Drążki naprężające podtrzymują cewkę szczególnie dobrze w odniesieniu do sił odśrodkowych, ponieważ drążki przechodzą w zasadzie promieniowo między bokami uzwojenia cewki. Każdy drążek naprężający jest wałkiem stanowiącym przedłużenie w kierunku wzdłużnym drążka i w płaszczyźnie owalnej cewki. Wiązanie wzdłużne drążków naprężających zapewnia boczną sztywność cewek, co zapewnia korzystne parametry dynamiczne wirnika. Ponadto, sztywność boczna umożliwia zintegrowanie wzmocnienia cewek, tak że cewka może być składana ze wzmocnieniem cewki przed końcowym montażem wirnika. Wstępny montaż cewki ze wzmocnieniem skraca cykl produkcyjny, poprawia jakość wzmocnienia cewki, i zmniejsza różnice w montażu cewki. Cewka owalna wzmocniona jest matrycą elementów naprężających, które spinają długie boki cewki. Elementy wzmacniające cewki w postaci drążków naprężają cych są montowane wstę pnie z cewką .

Uzwojenie cewki HTS i konstrukcyjne elementy wzmacniające znajdują się w temperaturze kriogenicznej. W odróżnieniu od tego, rdzeń wirnika znajduje się w temperaturze „gorącego otoczenia. Wsporniki cewki stanowią potencjalne źródła przewodnictwa cieplnego, które mogłoby umożliwić docieranie ciepła z rdzenia wirnika do cewek HTS. Podczas pracy wirnik staje się gorący. Ponieważ cewki muszą być utrzymywane w warunkach przechłodzenia, to przewodzeniu ciepła do cewek należy zapobiegać. Drążki przechodzą przez otwory, na przykład kanały, w wirniku, lecz nie stykają się z wirnikiem. Ten brak kontaktu zapobiega przewodzeniu ciepła z wirnika do drążków naprężających i cewek.

Dla zmniejszenia upływu ciepła na zewnątrz z cewki, wspornik cewki jest zminimalizowany, dla zmniejszenia przewodzenia ciepła przez wspornik od źródeł ciepła, na przykład rdzenia wirnika. Istnieją w zasadzie dwie kategorie wsporników uzwojenia nadprzewodzącego (I) wsporniki „gorące, i (II) wsporniki „zimne. W przypadku wspornika gorącego, konstrukcje wzmacniające są izolowane cieplnie od chłodzonych uzwojeń SC. Przy wspornikach gorących, większość obciążenia mechanicznego cew6

PL 200 476 B1 ki nadprzewodzącej (SC) jest przejmowana przez elementy konstrukcyjne rozpięte między elementami zimnymi i gorącymi.

W zimnym układzie wzmacniającym, układ wzmacniający znajduje się w temperaturze bliskiej niskiej kriogenicznej temperatury cewek SC. We wspornikach zimnych większość obciążenia mechanicznego cewki nadprzewodzącej (SC) jest przejmowana przez elementy konstrukcyjne znajdujące się w temperaturze bliskiej kriogenicznej. Opisywany niniejszym przykł adowy ukł ad wzmacniają cy cewki jest wspornikiem zimnym, ponieważ drążki naprężające i przyporządkowane do nich obudowy sprzęgające drążki naprężające z uzwojeniami cewki SC są utrzymywane w temperaturze równej kriogenicznej lub bliskiej jej. Ponieważ elementy wzmacniające są zimne, to te elementy są izolowane termicznie, na przykład przez kanały bezstykowe w rdzeniu wirnika, od innych, „gorących części składowych wirnika.

Pojedynczy element wzmacniający składa się z drążka naprężającego 42 (który może być prętem z dwiema śrubami na każdym końcu), dwóch obudów 44 cewki z kołkiem ustalającym 80, który łączy obudowę z końcem drążka naprężającego. Każda obudowa 44 cewki jest obejmą w kształcie litery U, mającą ramiona, które łączą się z drążkiem naprężającym i kanałem obejmując uzwojenie 34 cewki. Obudowa kanałowa w kształcie litery U umożliwia precyzyjny i wygodny montaż układu wzmacniającego dla cewki. Wzdłuż boku uzwojenia cewki może być rozmieszczony szereg obudów kanałowych stykających się końcami. Obudowy kanałowe razem rozprowadzają siły działające na cewkę, na przykład siły odśrodkowe w zasadzie na całe sekcje boczne 40 każdej cewki.

Obudowy 44 cewki zapobiegają nadmiernemu uginaniu się sekcji bocznych 40 cewek po działaniem sił odśrodkowych. Wsporniki cewki nie ograniczają liniowego rozszerzania się i kurczenia termicznego cewek, występującego podczas normalnych operacji uruchamiania/zatrzymywania turbiny gazowej. W szczególności, liniowa rozszerzalność termiczna jest ukierunkowana głównie w kierunku długości sekcji bocznych. Zatem sekcje boczne cewki ślizgają się nieco wzdłużnie względem obudowy kanałowej i drążków naprężających.

Obudowy o kształcie U wykonane są z lekkiego materiału o dużej wytrzymałości, który ma dobrą ciągliwość w temperaturach kriogenicznych. Typowymi materiałami na obudowy kanałowe są aluminium, Inconel lub stopy tytanowe, które są niemagnetyczne. Kształt obudowy U można optymalizować pod względem masy i wytrzymałości.

Kołek ustalający 80 przechodzi przez otwory w obudowie kanałowej i drążku naprężającym. Kołek może dla zmniejszenia ciężaru być wykonany jako drążony. Na końcach kołka ustalającego znajdują się nakręcone, czyli zamocowane nakrętki blokujące (nie pokazane) dla unieruchomienia obudowy i zabezpieczenia przed rozpadnięciem i rozproszeniem na zewnątrz boków obudowy pod obciążeniem. Kołek ustalający może być wykonany jako mający dużą wytrzymałość z Inconelu lub stopów tytanowych. Drążki naprężające mają większą średnicę końców, które są wykonane przez skrawanie, z dwoma spłaszczeniami 86 na końcach.

Szerokość tych płaskich powierzchni jest dopasowana do obudowy o kształcie litery U i do szerokości cewki. Płaskie końce 86 drążków naprężających dotykają wewnętrznej powierzchni cewek HTS, kiedy drążek, cewka i obudowa są zmontowane razem, i ten montaż zmniejsza skupianie naprężeń przy otworze w drążku naprężającym dla kołka ustalającego.

Układ wsporczy cewki z drążkami naprężającymi 42 i obudowami 44 cewki dla dłuższych boków 40 cewki i dwoma dzielonymi zaciskami 58 dla końców cewki mogą być składane z uzwojeniami 34 cewki HTS, przy montażu obu tych części na rdzeniu 22 wirnika. Drążki naprężające, obudowy kanałowe i zacisk stanowią całkowicie sztywną konstrukcję do wzmocnienia uzwojeń cewki i unieruchomienia uzwojeń cewki względem rdzenia wirnika.

Każdy drążek naprężający 42 przechodzi przez rdzeń wirnika, i może przechodzić prostopadle przez oś 20 wirnika. Kanały 46 skrośne rdzenia wirnika stanowią przejścia, przez które przechodzą drążki naprężające. Kanały 46 przechodzą prostopadle przez oś wirnika 22 i są rozmieszczone symetrycznie na długości rdzenia. Liczba kanałów 46 i ich rozmieszczenie na rdzeniu wirnika i względem siebie nawzajem, jest sprawą wyboru przy projektowaniu. Średnica kanałów jest dostatecznie duża dla uniknięcia konieczności stykania się gorących ścian wirnika w kanale z zimnymi drążkami naprężającymi. Brak tego styku poprawia izolację cieplną między drążkami naprężającymi a rdzeniem wirnika.

Jak to pokazano na fig. 5 i 6, wirnik 14 zawiera trzy główne składniki konstrukcyjne, wał napędowy 30 ze stali nierdzewnej, żelazny rdzeń 22 wirnika i niemagnetyczny wał kolektorowy 24 ze stali nierdzewnej. Rdzeń wirnika i wały końcowe są zwykle oddzielnymi częściami składowymi, łączonymi przez skręcanie śrubami albo spawanie. Wały, napędowy i kolektorowy, są zaopatrzone w profil złąPL 200 476 B1 czowy i przykręcone do żelaznego rdzenia wirnika. Żelazny rdzeń wirnika jest cylindryczną odkuwką ze spłaszczeniami 48 wykonanymi obróbką skrawaniem prostopadle do poprzecznej osi rdzenia, dla pomieszczenia owalnej cewki 34, która jest nawiniętą taśmą 36 z nadprzewodnika.

Na rdzeniu wirnika osadzona jest osłona cylindryczna 90, o dużej przewodności, wykonana ze stopów miedzi lub aluminium. Osłona 90 służy za ekran elektromagnetyczny dla uzwojenia wirnika i może stanowić osłonę próżniową przestrzeni próżniowej otaczającej niskotemperaturowe uzwojenie 34 cewki wirnika. Końce ekranu elektromagnetycznego w jednym z etapów produkcji ekranu 90 zostają spojone z przejściowymi pierścieniami 130 ze stali nierdzewnej. Podzespół ekranu jest spawany do wałów, napędowego i kolektorowego, tworząc zespół próżnioszczelny wokół uzwojeń cewki.

Rdzeń wirnika ma wgłębione powierzchnie 48, na przykład obszary lub szczeliny płaskie lub trójkątne, dla uzwojeń cewki. Te powierzchnie 48 są ukształtowane w zakrzywionej powierzchni 50 rdzenia cylindrycznego i przechodzą wzdłuż przez rdzeń wirnika. Uzwojenie 34 cewki jest zamontowane na wirniku w sąsiedztwie obszarów wgłębionych 48. Cewki zwykle są ułożone wzdłuż zewnętrznej powierzchni obszaru wgłębionego i wokół końców rdzenia wirnika. Wgłębione powierzchnie 48 rdzenia wirnika mieszczą uzwojenie cewki. Kształt obszaru wgłębionego jest zgodny z kształtem uzwojenia cewki. Na przykład, jeżeli cewka byłaby ukształtowana siodłowo, lub w pewien inny sposób, to wgłębienia w rdzeniu wirnika byłyby ukształtowane odpowiednio do pomieszczenia kształtu uzwojenia.

Wgłębione powierzchnie 48 mieszczą uzwojenie cewki, tak że powierzchnia zewnętrzna uzwojenia cewki sięga w zasadzie do obwiedni, powstałej przy obrocie wirnika. Zewnętrzne powierzchnie zakrzywione 50 rdzenia wirnika przy wirowaniu tworzą obwiednię cylindryczną. Ta obwiednia obracania się wirnika ma w zasadzie tę sama średnicę, co wnęka 16 na wirnik (patrz fig. 1) w stojanie.

Przerwa między obwiednią wirnika a wnęką 16 stojana stanowi stosunkowo niewielki prześwit, potrzebny do wymuszonego chłodzenia wentylacyjnego tylko stojana, ponieważ wirnik nie wymaga chłodzenia wentylacyjnego. Pożądane jest minimalizowanie prześwitu między wirnikiem a stojanem, dla zwiększenia sprzężenia elektromagnetycznego między uzwojeniami cewki wirnika a uzwojeniami stojana. Ponadto korzystne jest, jeżeli uzwojenie cewki wirnika umieszczone jest tak, że wystaje do obwiedni wyznaczonej przez wirnik, a zatem jest oddzielone od stojana tylko przerwą stanowiąca prześwit miedzy wirnikiem a stojanem.

Sekcje końcowe 54 uzwojenia 34 cewki sąsiadują z przeciwległymi końcami 56 rdzenia wirnika. Dzielony zacisk przy każdym końcu 54 cewki zawiera dwie przeciwległe płyty 60, między którymi umieszczone jest przekładkowe uzwojenie 34 cewki. Powierzchnie płyt zaciskowych zawierają kanały do pomieszczenia uzwojenia cewki i doprowadzeń 112, 114 do uzwojenia.

Dzielony zacisk 58 może być wykonany z materiału niemagnetycznego, na przykład z aluminium lub stopów Inconel. Te same lub podobne materiały niemagnetyczne można wykorzystywać do wykonania drążków naprężających, obudów kanałowych i innych części układu wzmacniającego cewki. Układ wzmacniający cewkę jest, korzystnie, niemagnetyczny, dla zachowania ciągliwości w temperaturach kriogenicznych, ponieważ materiały ferromagnetyczne w temperaturze poniżej punktu przejścia Curie stają się kruche i nie nadają się do wykorzystania w konstrukcjach przenoszących obciążenie.

Dzielony zacisk 58 otoczony jest kołnierzem 62, chociaż nie pozostaje z nim w kontakcie. Każdy z wałów końcowych 24, 30 zawiera kołnierz 62 łączący się z końcem rdzenia 22 wirnika. Kołnierz jest to gruba tarcza z materiału niemagnetycznego, takiego samego, jak materiał, z którego są wykonane wały wirnika lub podobnego, na przykład stali nierdzewnej. Kołnierz ma szczelinę 64, prostopadła do osi wirnika i dostatecznie szeroką do pomieszczenia i ułożenia dzielonego zacisku 58. Gorące ściany boczne 66 kołnierza ze szczeliną są odsunięte od zimnego dzielonego zacisku, tak że nie wchodzą z nim w kontakt.

Kołnierz 62 może zawierać wgłębiony obszar dyskowy 68 (przedzielony na dwie części szczeliną 64) do pomieszczenia podniesionego obszaru dyskowego 70 rdzenia wirnika (po przeciwnej stronie rdzenia wirnika znajduje się podwyższony obszar dyskowy do wprowadzenia w kołnierz przeciwległy). Wprowadzenie podwyższonego obszaru na końcu 56 rdzenia wirnika we wgłębiony obszar dyskowy 68 zapewnia podparcie dla rdzenia wirnika w kołnierzu, i sprzyja skorygowaniu położenia wzajemnego rdzenia wirnika i kołnierzy. Poza tym, kołnierz może mieć kołowy obszar otworów 72 pod śruby przechodzące wzdłużnie przez kołnierz i rozmieszczone wokół obrzeża kołnierza. Te otwory pod śruby odpowiadają zgodnie rozmieszczonym otworom gwintowanym 74 dla śrub, przechodzącym częściowo przez rdzeń wirnika. Śruby 75 (patrz fig. 5) przechodzą przez te wzdłużne otwory 72, 74 dla śrub i mocują kołnierze do rdzenia wirnika.

PL 200 476 B1

Rdzeń wirnika może być zamknięty w metalowym cylindrycznym ekranie 90, który chroni uzwojenie 34 cewki nadprzewodzącej przed prądami wirowymi i innymi prądami elektrycznymi, otaczającymi wirnik, i zapewnia w razie potrzeby osłonę próżniową dla utrzymania stałej próżni wokół kriogenicznych części składowych wirnika. Cylindryczny ekran 90 może być wykonany z materiału o dużej konduktywności, na przykład stopu miedzi lub aluminium. Uzwojenie 34 cewki SC jest utrzymywane w próżni. Próż nia może być utworzona przez ekran 90, który może zawierać cylindryczną warstwę stali nierdzewnej, tworzącą naczynie próżniowe wokół cewki i rdzenia wirnika.

Figury 6, 7 i 8 przedstawiają w zbliżeniu przekroje kolektorowego wału końcowego 24. W szczególnoś ci, figury te przedstawiają kanał rurowy 76 przechodzą cy przez wał , który stanowi drogę dla rur z płynem chłodzącym i linii elektrycznych. Fig. 7 i 8 przedstawiają kanał 76 kolektorowego wału końcowego, i przyporządkowane do niego struktury w pobliżu rdzenia wirnika. Przekrój przedstawiony na fig. 7 jest prostopadły do przekroju przedstawionego na fig. 8. Fig. 6 przedstawia przekrój końca wału kolektorowego 24 w pobliżu połączenia chłodzącego 26.

Połączenia elektryczne 114 z uzwojenia 34 cewki są dołączone do linii elektrycznych 132. Te linie przechodzą od wału końcowego do kolektorowych pierścieni ślizgowych 78. Te elektryczne linie 132 przechodzą przez kanał 76. Zimne końcowe segmenty linii 132 są podparte wewnątrz wysięgowej rury izolacyjnej 140. Styk elektryczny 134 łączy linie elektryczną 132 od wewnątrz wału końcowego do wyprowadzenia 136 biegnącego na zewnątrz wału do kolektorowych pierścieni sprzęgających 138.

Okna wlotowe i wylotowe 112 płynu chłodzącego z cewki łączą się z rurami chłodzącymi wlotowymi i wylotowymi 94 przechodzącymi przez długość wału końcowego. Rury te są współosiowe. Rura wlotowa 142 znajduje się wewnątrz rury wylotowej 150, współosiowo z nią. Rura wlotowa sięga do okna wlotowego 144 złącza 112 cewki, które jest współosiowe z wirnikiem. Okno wylotowe 146 gazu chłodzącego złącza 112 cewki jest przesunięte względem dojścia do wirnika. Okno wylotowe łączy się z obudową 148 do transportu gazu, która kieruje płyn chłodzący z cewki do rury wylotowej 150 o przekroju pierścieniowym. Rura wylotowa 150 jest współosiowa względem rury wlotowej 142 i znajduje się na zewnątrz rury wlotowej.

Jakkolwiek wynalazek opisano w połączeniu z odmiana wykonania, która obecnie uważa się za najkorzystniejszą i możliwą do zrealizowania, to jest oczywiste, że wynalazek nie ma być w założeniu ograniczony do opisanej odmiany wykonania, lecz przeciwnie, uważa się, że obejmuje wszystkie odmiany wykonania zgodne z istotą załączonych zastrzeżeń.

Claims (27)

1. Wirnik maszyny synchronicznej, znamienny tym, że zawiera cylindryczny magnetyczny rdzeń (22) wirnika; nadprzewodzące (SC) owalne uzwojenie cewkowe (34) rozmieszczone wokół rdzenia wirnika; wspornik (42, 44) cewki, przechodzący przez rdzeń i przymocowany do przeciwległych dłuższych boków uzwojenia cewki, i dwa wały końcowe (24, 30), odstające osiowo od rdzenia i przymocowane do rdzenia.

2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń wirnika ma parę płaskich powierzchni (48) ukształtowanych na przeciwległych długich stronach rdzenia wirnika, a długie strony (40) uzwojenia cewki sąsiadują z powierzchniami płaskimi.

3. Wirnik według zastrz. 2, znamienny tym, że rdzeń wirnika zawiera kanały (46) przechodzące między płaskimi powierzchniami (48), i dodatkowo zawiera przechodzący przez kanały układ wsporczy (42) do wzmocnienia uzwojenia cewki.

4. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że układ wsporczy cewki i cewka znajdują się w temperaturach kriogenicznych, a układ wsporczy cewki jest izolowany cieplnie od rdzenia wirnika.

5. Wirnik według zastrz. 4, znamienny tym, że wspornik cewki od rdzenia oddziela rura izolacyjna (52) wstawiona w rdzeń wirnika.

6. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wały końcowe (24, 30) są wykonane z metalu niemagnetycznego.

7. Wirnik według zastrz. 6, znamienny tym, że wały końcowe (24, 30) są wykonane ze stali nierdzewnej.

8. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń (22) jest litą odkuwką żelaza magnetycznego.

9. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że cewka (34) ma kształt owalny.

PL 200 476 B1

10. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera przewodzący ekran (90) wokół rdzenia i cewki wirnika.

11. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że jeden z wałów końcowych jest kolektorowym wałem końcowym (24) zaopatrzonym w kolektorowe pierścienie ślizgowe (78) i kriogeniczne złącze płynowe (26).

12. Wirnik maszyny synchronicznej, znamienny tym, że zawiera cylindryczny rdzeń (22) wirnika z dwiema prostymi sekcjami (48) po przeciwległych stronach rdzenia, przechodzącymi wzdłuż rdzenia; nadprzewodzące uzwojenie (34) cewki rozmieszczone wokół przynajmniej części rdzenia wirnika, przy czym uzwojenie cewki ma dwie sekcje boczne (40) sąsiadujące z prostymi sekcjami rdzenia; pierwszy wał końcowy, odchodzący osiowo od pierwszego końca rdzenia wirnika, i drugi wał końcowy, odchodzący osiowo od drugiego końca rdzenia wirnika.

13. Wirnik według zastrz. 12, znamienny tym, że pierwszy koniec wału ma złącze kriogeniczne (26) do dostarczania płynu chłodzącego do uzwojenia cewki.

14. Wirnik według zastrz. 12, znamienny tym, że dodatkowo zawiera część wzmacniającą cewki, zawierającą przynajmniej jeden drążek naprężający (42) przechodzący przez rdzeń i połączony z obudowami (44) cewki na przeciwległ ych koń cach drążka, przy czym każ da obudowa cewki jest zawinięta wokół jednej z bocznych sekcji cewki.

15. Wirnik według zastrz. 14, znamienny tym, że układ wsporczy cewki i cewka znajdują się w temperaturach kriogenicznych, a ukł ad wsporczy cewki jest izolowany cieplnie od rdzenia wirnika.

16. Wirnik według zastrz. 15, znamienny tym, że drążek naprężający jest oddzielony od rdzenia za pośrednictwem rury izolacyjnej (52) wstawionej w rdzeń wirnika.

17. Wirnik według zastrz. 12, znamienny tym, że wały końcowe (24, 30) są wykonane z metalu niemagnetycznego.

18. Wirnik według zastrz. 17, znamienny tym, że wały końcowe (24, 30) są wykonane ze stali nierdzewnej.

19. Wirnik według zastrz. 12, znamienny tym, że rdzeń (22) jest litą odkuwką żelaza magnetycznego.

20. Wirnik według zastrz. 12, znamienny tym, że cewka (34) ma kształt owalny.

21. Wirnik według zastrz. 12, znamienny tym, że zawiera dodatkowo przewodzący ekran (90) wokół rdzenia i cewki wirnika.

22. Wirnik według zastrz. 12, znamienny tym, że jeden z wałów końcowych jest kolektorowym wałem końcowym (24) zaopatrzonym w kolektorowe pierścienie ślizgowe (78) i kriogeniczne złącze płynowe (26).

23. Sposób wytwarzania i montowania wirnika z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, mającego uzwojenie cewki umieszczone na stałym żelaznym rdzeniu maszyny synchronicznej, znamienny tym, że przeprowadza się drążek naprężający (42) przez kanał (46) w wirniku, przy czym kanał rozciąga się między przeciwległymi sekcjami prostymi (48) na dłuższych bokach rdzenia, nakłada się obudowę (44) na część (40) cewki; mocuje się koniec drążka naprężającego do obudowy, i mocuje się wały koń cowe (24, 30) wirnika do przeciwległych końców rdzenia wirnika.

24. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że dodatkowo osłania się rdzeń ekranem przewodzącym (90).

25. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że dodatkowo dołącza się źródło kriogenicznego płynu chłodzącego do pierwszego wału końcowego zaopatrzonego w złącze kriogeniczne (26).

26. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że stosuje się wały końcowe mające kołnierz ze szczeliną kołnierza, przy czym dodatkowo wykonuje się czynność zamocowania kołnierza (62) do końca rdzenia, tak że koniec cewki wchodzi w szczelinę (64) kołnierza.

27. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że czynności nałożenia obudowy (44) na część (40) cewki, mocowania (80) końca drążka naprężającego do obudowy i mocowania wałów końcowych wirnika wykonuje się kolejno i z zachowaniem wymienionego porządku.