PL202618B1 - Wirnik maszyny synchronicznej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wirnik maszyny synchronicznej. W szczególności, przedmiotem wynalazku jest konstrukcja wzmacniająca dla nadprzewodzących uzwojeń magnesujących w wirniku maszyny synchronicznej.

Do synchronicznych maszyn elektrycznych z uzwojeniami cewki magnesującej zalicza się, choć nie wyłącznie, prądnice wirujące i silniki wirujące. 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 sprawności energetycznej maszyny. Ostatnio opracowano nadprzewodzące (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 znanego wirnika nadprzewodzącego.

Poza tym, cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS - high temperature super-conducting 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 ciągu kilku lat, co powoduje obciążenie zmęczeniowe wirnika przy małej liczbie cykli, i zwiększa momenty zginające powodujące naprężenia w wirniku. 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.

Cewki SC wykorzystywane jako uzwojenia magnesujące HTS, z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, wirnika podlegają działaniu naprężeń i odkształceniom podczas schładzania i norPL 202 618 B1 malnego działania. Podlegają działaniu obciążenia odśrodkowego, momentów zginających, przenoszenia momentu, i przejściowych warunków uszkodzeń. Dlatego, aby wytrzymywały te siły, naprężenia odkształcenia i obciążenia cykliczne, cewki SC wymagają odpowiedniego podparcia na wirniku przez układ wzmacniający cewki. Te układy wzmacniające utrzymują cewkę (lub cewki) w wirniku z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS) i zabezpieczają te cewki przed ogromnymi siłami odśrodkowymi spowodowanymi wirowaniem wirnika. Ponadto, układ wzmacniający cewki ochrania cewki nadprzewodzące SC, i zapewnia, że cewki nie ulegną przedwczesnemu spękaniu, zmęczeniu lub innemu uszkodzeniu.

Problem do opracowania w konstrukcji maszyny elektrycznej pracującej z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS - high temperature super-conducting) polega na zachowaniu integralności konstrukcyjnej cewki magnesującej pracującej z wykorzystaniem nadprzewodnictwa. Z powodu kruchości cewki, prąd krytyczny cewki o konstrukcji opartej na BSCCO jest wrażliwy na poziom naprężeń mechanicznych w cewce. Odpowiednio do tego, dla utrzymania optymalnego poziomu prądu krytycznego, należy minimalizować naprężenia w cewce SC.

W przypadku wirnika maszyny synchronicznej, dla zminimalizowania naprężeń mechanicznych potrzebne jest solidne podparcie cewki. Przez minimalizację naprężeń cewki, podparcie cewki zapewnia, że cewka zachowuje swoje właściwości w odniesieniu do prądu krytycznego. Poza minimalizacją naprężenia w cewce, podparcie cewki nie powinno przewodzić ciepła od wirnika do cewki kriogenicznej.

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.

Ponadto, z opisu patentowego US 5548168 znany jest nadprzewodzący wirnik zawierający lity rdzeń o kształcie ogólnie cylindrycznym, nadprzewodzącą cewkę otaczającą ten lity rdzeń i profilowaną obudowę przymocowaną do tej nadprzewodzącej cewki. Po obu stronach nadprzewodzącej cewki są umieszczone dwie dystansowe płyty. Dystansowe płyty centrują nadprzewodzącą cewkę wewnątrz termicznej osłony.

Wirnik maszyny synchronicznej, zawierający rdzeń wirnika, nadprzewodzące uzwojenie cewki rozmieszczone wokół przynajmniej części rdzenia wirnika, przy czym to uzwojenie cewki ma końcową sekcję cewki w sąsiedztwie końca rdzenia wirnika, oraz zawierający podporę cewki zamocowaną do tej końcowej sekcji cewki i izolowaną cieplnie od rdzenia wirnika, według wynalazku charakteryzuje się tym, że podpora cewki stanowi wzmocnienie końcowej sekcji cewki, przy czym podpora cewki przylega do co najmniej jednej bocznej powierzchni końcowej sekcji cewki, zaś ta co najmniej jedna boczna powierzchnia jest usytuowana w płaszczyźnie równoległej do osi wirnika, a ponadto podpora cewki ma szerokość większą od szerokości końcowej sekcji cewki i przylega na całej szerokości do tej co najmniej jednej bocznej powierzchni końcowej sekcji cewki.

Co najmniej jedna boczna powierzchnia wspomnianej końcowej sekcji cewki jest parą bocznych powierzchni końcowej sekcji cewki, zaś wspomniana podpora cewki jest dzielonym zaciskiem, mającym parę przeciwległych płyt przylegających do tej pary bocznych powierzchni końcowej sekcji cewki, przy czym każda z tej pary płyt ma powierzchnię płyty usytuowaną w płaszczyźnie równoległej do osi wirnika.

Wspomniana co najmniej jedna boczna powierzchnia wspomnianej końcowej sekcji cewki jest parą bocznych powierzchni końcowej sekcji cewki, zaś wspomniana podpora cewki zawiera parę płyt, między którymi przekładkowo jest zaciśnięta końcowa sekcja cewki, a ponadto każda z pary płyt ma powierzchnię płyty przylegającą do jednej z pary bocznych powierzchni końcowej sekcji cewki i każda z powierzchni płyt jest usytuowana w płaszczyźnie równoległej do osi wirnika.

Wirnik zawiera kriogeniczne złącze dostarczające płyn chłodzący do uzwojenia cewki, przy czym podpora cewki jest chłodzona przez przewodzenie z tego uzwojenia cewki.

Wirnik zawiera wał końcowy wirnika mający szczelinę mieszczącą końcową sekcję cewki i podporę cewki, i ten wał końcowy jest izolowany termicznie od wspomnianej podpory cewki.

Podpora cewki stanowi wzmocnienie na całej długości końcowej sekcji cewki.

Podpora cewki jest prostopadła do osi wirnika.

PL 202 618 B1

Wirnik zawiera drugą końcową sekcję cewki, sąsiadującą z drugim końcem rdzenia wirnika, i drugą podporę cewki stanowiąc ą wzmocnienie drugiej końcowej sekcji cewki.

Wirnik zawiera boczne podpory cewki przymocowane do dłuższej bocznej sekcji uzwojenia cewki.

Boczne podpory cewki zawierają przynajmniej jeden drążek naprężający przechodzący poprzecznie przez rdzeń wirnika, i zawierają obudowy cewki połączone z przeciwległymi końcami drążka naprężającego, przy czym każda z obudów cewki jest połączona z przeciwległą długą boczną sekcją uzwojenia cewki.

Drążek naprężający przechodzi przez przewód w rdzeniu wirnika.

Wirnik maszyny synchronicznej według wynalazku posiada konstrukcję wsporczą cewki z dzielonym zaciskiem, który utrzymuje końce owalnej cewki SC. Zacisk zapewnia sztywność cewki i zapobiega uginaniu się cewki podczas działania przyspieszenia odśrodkowego. Dzięki usztywnieniu cewki zacisk minimalizuje naprężenia w cewce i tym samym zachowuje parametr prądu krytycznego cewki.

Dzielony zacisk jest swobodnie przemieszczającym się zamocowaniem cewki, i nie jest zamocowany do stojana. Zatem dzielony zacisk może znajdować się w kriogenicznie niskiej temperaturze wraz z cewką. Swobodny zacisk jest izolowany termicznie od gorących części konstrukcyjnych, jak rdzeń wirnika i kołnierz wału końcowego. Swobodny zacisk nie wymaga konstrukcji izolacyjnych zapobiegających przewodzeniu ciepła z wirnika przez zacisk do cewki.

Wirnik HTS może być oryginalnie zaprojektowany dla maszyny synchronicznej 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 przy zastosowaniu w prądnicy, lecz wirnik z cewkami HTS nadaje się również do wykorzystania w innych maszynach synchronicznych.

Układ wzmacniający cewki zawierający dzielony zacisk jest użyteczny w przypadku integrowania układu wzmacniającego cewki z cewką i wirnikiem. Poza tym, układ wzmacniający cewki ułatwia wstępny montaż układu wzmacniającego cewki, przed montażem końcowym wirnika. Wstępny montaż zmniejsza czas montażu, poprawia jakość podparcia cewki i zmniejsza różnice montażowe cewki.

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 6 stanowią uproszczone widoki ukazujące proces montażu dla 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 kształtu, 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.

Wirnik zawiera wał 24 kolektora i napędowy wał końcowy 30, podparte łożyskami 25. Kolektorowy wał końcowy zaopatrzony jest w pierścienie ślizgowe 78, które stanowią zewnętrzne połączenie elektryczne z cewką SC za pośrednictwem styków 79. Końcowy wał 24 kolektora ma również złącze 26 do transportu czynnika kriogenicznego łączące ze źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego wykorzyPL 202 618 B1 stywanego 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 końcowy 24 kolektora zawiera również kolektor 78 do połączenia elektrycznego z wirującym uzwojeniem cewki SC. Wał 30 na końcu napędowym wirnika może być napędzany przez sprzęgło 32 turbiny energetycznej 32.

Fig. 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 wirnika mają wejściowe okno 39 dla płynu i wyjściowe okno 41 dla płynu. Te okna 39, 41 dla płynu (gazu) łączą kanały chłodzące 38 cewki SC z kanałami prowadzącymi do połączenia 26 do transportu czynnika kriogenicznego.

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

Końcowe sekcje 54 uzwojenia cewki podlegają działaniu znacznych momentów zginających przy przyspieszaniu i hamowaniu podczas pracy maszyny. Końcowe sekcje 54 cewki ułożone są promieniowo na końcu 56 wirnika. Z powodu promieniowego ułożenia sekcji końcowej, przyspieszenie końca cewki jest zmienne na długości. Występują zatem momenty zginające wywierane na sekcję końcową cewki podczas przyspieszania i zwalniania wirnika. Momenty zginające działające na sekcję końcową mogą być większe, niż wszelkie momenty zginające przykładane do bocznej sekcji 40 cewki.

Zginanie występujące w cewce SC wywołuje naprężenie rozciągające w tej kruchej cewce SC. Nadmierne naprężenia rozciągające w cewce SC mogą obniżyć zdolność cewki do przenoszenia prądu krytycznego w warunkach nadprzewodnictwa. Odpowiednio do tego, konieczne jest opracowanie sposobu wzmocnienia końcowej sekcji 54 cewki, co zapobiegałoby nadmiernemu zginaniu cewki i naprężeniu w niej. Na końcową sekcję cewki nałożony jest dzielony zacisk 58 (fig. 3). Dzielony zacisk 58 zwiększa sztywność końcowej sekcji 54 cewki.

Fig. 3 przedstawia w rozłożeniu rdzeń 22 wirnika i układ wsporczy cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym. Układ wsporczy cewki zawiera dzielony zacisk 58 ukształtowany z pary płyt 60, które obejmują dwustronnie końcową sekcję 54 cewki. Ponadto, układ wsporczy cewki zawiera wsporniki dla dłuższego boku cewki. W skład tych bocznych wsporników 40 wchodzą drążki naprężające 42 dołączone do kanałowych obudów 44. Obudowy utrzymują i wspierają boczne sekcje 40 uzwojenia 38 cewki wirnika. Jakkolwiek na fig. 3 przedstawiono jeden drążek naprężający i jedną kanałową obudowę, to układ wzmacniający cewki będzie zwykle zawierał szereg drążków naprężających, z których każdy ma obudowy wzmacniające cewki na obu końcach drążka. Drążki naprężające i kanałowe obudowy 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 i od przyspieszania i hamowania wirnika pod6

PL 202 618 B1 czas zatrzymywania i uruchamiania. Potrzebne jest skuteczne wsparcie, przeciwdziałające siłom działającym na cewkę.

Sekcje końcowe 54 uzwojenia 34 cewki sąsiadują z przeciwległymi końcami 56 rdzenia wirnika. Dzielony zacisk 58 wzmacnia każdą z końcowych sekcji poprawiając wytrzymałość na zginanie tych końcowych sekcji cewki. Dzielony zacisk przy każdej końcowej sekcji 54 cewki zawiera dwie przeciwległe płyty 60, między którymi umieszczone jest przekładkowo uzwojenie 34 cewki. Powierzchnie płyt zaciskowych zawierają kanały 116, 118 (fig. 6) do pomieszczenia uzwojenia 34 cewki i doprowadzeń płynowych i elektrycznych 39, 41, 79 do uzwojenia.

Dzielony zacisk 58 usztywnia końcową sekcję cewki minimalizując zginanie tej końcowej sekcji cewki. Dzielony zacisk może być wykonany z materiału niemagnetycznego, na przykład z aluminium, stopów Inconel lub stali nierdzewnej. Te materiały mają również współczynnik rozszerzalności cieplnej podobny, jak nadprzewodzący laminat BSCCO 2223 z drutu nadprzewodzącego. Zatem zacisk ma podobne parametry rozszerzalności i kurczliwości, jak cewka. Rozdzielone płyty 60 zacisku mogą być zespojone z zaciśniętą między płytami końcową sekcją cewki, W rozwiązaniu alternatywnym płyty mogą być zmontowane razem śrubami, z pozostawieniem między płytami niewielkiej przerwy dla cewki.

Układ wzmacniający cewkę, włącznie z dzielonymi zaciskami, 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. Kołnierz 62 znajduje się na każdym końcu rdzenia 22 wirnika, jakkolwiek na fig. 3 przedstawiono tylko jeden kołnierz. Kołnierz jest to gruba tarcza z materiału niemagnetycznego, takiego samego, jak materiał, z którego są wykonane wały wirnika lub podobnego, na przykład stali nierdzewnej. Jak z tego wynika, ten kołnierz jest częścią wału wirnika. Kołnierz ma szczelinę 64, prostopadłą 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.

Wzmocnienie boczne cewki wzdłuż bocznych sekcji 40 cewki jest potrzebne, gdyż działa na nią duże przyspieszenie odśrodkowe. Dla wzmocnienia bocznych sekcji 40 cewki, drążki naprężające 42 rozpięte są między sekcjami cewki i są połączone z kanałowymi obudowami 44, które trzymają przeciwległe boczne sekcje cewki. Drążki naprężające przechodzą przez otwory 46, w rdzeniu wirnika, tak że te drążki mogą spinać sekcje boczne tej samej sekcji, lub sekcji sąsiednich.

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

PL 202 618 B1 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 naprężających 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 cewki 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.

Kołek ustalający 80 łączy obudowę 44 z końcem drążka naprężającego. Każda kanałowa obudowa 44 ma kształt klamry kształcie litery U, która łączy się z drążkiem naprężającym i kanałem mieszczącym uzwojenie 34 cewki. Ta 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 boczne sekcje 40 każdej cewki.

Kanałowe obudowy 44 zapobiegają nadmiernemu uginaniu się bocznych sekcji 40 cewek pod działaniem sił odśrodkowych. Wspornik 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 bocznych sekcji. Zatem boczne sekcje cewki ślizgają się nieco wzdłużnie względem kanałowej obudowy i drążków naprężających.

Przenoszenie obciążenia odśrodkowego z konstrukcji cewki na drążek wzmacniający odbywa się przez kanałową obudowę, która nałożona jest wokół powierzchni zewnętrznej cewki, i bocznych sekcji prostych, i jest unieruchomiona przez kołki 80 w końcu drążka naprężającego mającym większą średnicę. Obudowy kanałowe o kształcie U wykonane są z lekkiego materiału o dużej wytrzymałości, który ma dobrą ciągliwość w temperaturach kriogenicznych. Typowymi materiałami na kanałowe obudowy są aluminium, Inconel lub stopy tytanowe, które są niemagnetyczne. Kształt U obudowy 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 w kształcie U i zabezpieczenia przed rozpadnięciem i rozproszeniem na zewnątrz boków obudowy pod obciążeniem. Kołek ustalający może być wykonany jako wytrzymały z Inconelu lub stopów tytanowych. Drążki naprężające mają większą średnicę końców, które są wykonane przez skrawanie,

PL 202 618 B1 z dwoma płaskimi końcami 86 dla dopasowania 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 wzmacniający cewki z drążkami naprężającymi 42, kanałowymi obudowami 44 i dzielonym zaciskiem 58 może być składany 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. 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.

Rdzeń 22 wirnika jest zwykle wykonany z materiału magnetycznego, na przykład żelaza, natomiast końcowe wały wirnika są zwykle wykonywane z materiału niemagnetycznego, na przykład stali nierdzewnej. Rdzeń wirnika i wały końcowe stanowią zwykle oddzielne części składowe, które są składane i trwale łączone razem albo przez skręcanie śrubami, albo przez spawanie.

Żelazny rdzeń 22 wirnika ma zwykle kształt cylindryczny odpowiedni do wirowania we wnęce 16 wirnika stojana 12. 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 wgłębionych powierzchni 48. Cewki zwykle są ułożone wzdłuż zewnętrznej powierzchni, na wgłębionej powierzchni 48 i wokół końców rdzenia wirnika. Wgłębione powierzchnie 48 rdzenia wirnika mieszczą uzwojenie cewki. Kształt wgłębionej powierzchni 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 zakrzywione powierzchnie 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 stanowiącą prześwit między wirnikiem a stojanem.

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. Próżnia może być utworzona przez ekran 90, który może zawierać cylindryczną warstwę stali nierdzewnej, tworzącą naczynie próżniowe wokół cewki i rdzenia wirnika.

Fig. 4, 5 i 6 przedstawiają w uproszczeniu proces montażu konstrukcji wzmacniającej i uzwojenia cewki w wirniku. Jak to pokazano na fig. 4, przed złożeniem rdzenia wirnika z kołnierzami i innymi częściami składowymi wirnika, drążki naprężające 42 wprowadza się w każdy z przewodów 46, który przechodzi przez rdzeń wirnika. Izolacyjna rura 52 na każdym końcu drążka naprężającego jest umieszczana w rozszerzonym końcu, przy każdym końcu kanału 46. Rura 52 jest unieruchomiona przez nakrętkę blokującą 84 ustalacza. Kiedy drążki naprężające są zainstalowane w rdzeniu 22 wirnika uzwojenia cewki uzwojenia są gotowe do wstawienia w rdzeń.

Jak to pokazano na fig. 5, cewka SC 36 jest wstawiona w rdzeń wirnika tak, że płaskie końce 86 drążków naprężających 42 dotykają wewnętrznej powierzchni bocznych sekcji 40 cewki SC. Po osadzeniu uzwojenia na końcach pręta naprężającego, kanałowe obudowy 44 są nakładane na cewkę SC.

PL 202 618 B1

Kanałowe obudowy zostają przytwierdzone do końców prętów naprężających przez wstawienie kołków ustalających 80 w otwory w drążku naprężającym i obudowie kanałowej, odpowiednio 104, 108.

Obudowa kanałowa na górnej powierzchni wewnętrznej ma szczelinę 110, w której mieści się kanał chłodzący 38 przytrzymywany przy cewce 36.

Zespół obudów kanałowych skutecznie unieruchamia cewkę, bez oddziaływania na nią sił odśrodkowych. Jakkolwiek obudowy kanałowe przedstawiono jako bliskie siebie nawzajem, to obudowa musi być tylko na tyle blisko, jak to jest potrzebne dla zapobieżenia pogorszeniu się jakości cewki, spowodowanemu dużymi naprężeniami zginającymi i rozciągającymi podczas obciążeń odśrodkowych, transmisji momentu, i podczas przejściowych warunków awarii.

Obudowy kanałowe i drążki naprężające mogą być montowane z uzwojeniem cewki przed zmontowaniem rdzenia wirnika, i cewek z kołnierzem i innymi częściami wirnika. Zatem, rdzeń wirnika, uzwojenie cewki i układ wzmacniający cewkę mogą być montowane razem jako blok, przed montażem pozostałych części wirnika maszyny synchronicznej.

Fig. 6 przedstawia montaż dzielonego zacisku 58, utworzonego przez dwie zaciskowe płyty 60. Zaciskowe płyty 60 zamykają płasko z dwóch stron ułożone między nimi końcowe sekcje 64 uzwojenia. Dzielony zacisk zapewnia wzmocnienie konstrukcyjne końców uzwojenia 34 cewki. Płyty 60 dzielonego zacisku zaopatrzone są na wewnętrznych powierzchniach w kanały 116, mieszczące uzwojenie cewki. Podobnie, płyty te zawierają kanały 118 dla linii wejścia/wyjścia 112 dla gazów i do wprowadzania i wyprowadzania doprowadzeń prądowych 114 do cewki. Po złożeniu wsporników cewki, cewki, kołnierza i rdzenia wirnika, ten blok jest gotowy do wmontowania w wirnik i maszynę synchroniczną.

Jakkolwiek wynalazek opisano w połączeniu z odmianą wykonania, którą 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 (11)

1. Wirnik maszyny synchronicznej, zawierający rdzeń wirnika, nadprzewodzące uzwojenie cewki rozmieszczone wokół przynajmniej części rdzenia wirnika, przy czym to uzwojenie cewki ma końcową sekcję cewki w sąsiedztwie końca rdzenia wirnika, oraz zawierający podporę cewki zamocowaną do tej końcowej sekcji cewki i izolowaną cieplnie od rdzenia wirnika, znamienny tym, że podpora cewki stanowi wzmocnienie końcowej sekcji (54) cewki, przy czym podpora cewki przylega do co najmniej jednej bocznej powierzchni końcowej sekcji (54) cewki, zaś ta co najmniej jedna boczna powierzchnia jest usytuowana w płaszczyźnie równoległej do osi (20) wirnika, a ponadto podpora cewki ma szerokość większą od szerokości końcowej sekcji (54) cewki i przylega na całej szerokości do tej co najmniej jednej bocznej powierzchni końcowej sekcji (54) cewki.

2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wspomniana co najmniej jedna boczna powierzchnia wspomnianej końcowej sekcji (54) cewki jest parą bocznych powierzchni końcowej sekcji (54) cewki, zaś wspomniana podpora cewki jest dzielonym zaciskiem (58), mającym parę przeciwległych płyt (60) przylegających do tej pary bocznych powierzchni końcowej sekcji (54) cewki, przy czym każda z tej pary płyt (60) ma powierzchnię płyty usytuowaną w płaszczyźnie równoległej do osi (20) wirnika.

3. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wspomniana co najmniej jedna boczna powierzchnia wspomnianej końcowej sekcji (54) cewki jest parą bocznych powierzchni końcowej sekcji (54) cewki, zaś wspomniana podpora cewki zawiera parę płyt (60), między którymi przekładkowo jest zaciśnięta końcowa sekcja (54) cewki, a ponadto każda z pary płyt (60) ma powierzchnię płyty przylegającą do jednej z pary bocznych powierzchni końcowej sekcji (54) cewki i każda z powierzchni płyt jest usytuowana w płaszczyźnie równoległej do osi (20) wirnika.

4. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera kriogeniczne złącze (26) dostarczające płyn chłodzący do uzwojenia (34) cewki, przy czym podpora cewki jest chłodzona przez przewodzenie z tego uzwojenia (34) cewki.

5. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera wał końcowy (24, 30) wirnika mający szczelinę (64) mieszczącą końcową sekcję (54) cewki i podporę cewki, i ten wał końcowy (24, 30) jest izolowany termicznie od wspomnianej podpory cewki.

PL 202 618 B1

6. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, ż e podpora cewki stanowi wzmocnienie na całej długości końcowej sekcji (54) cewki.

7. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że podpora cewki jest prostopadła do osi (20) wirnika.

8. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera drugą końcową sekcję (54) cewki, sąsiadującą z drugim końcem rdzenia (22) wirnika, i drugą podporę cewki stanowiącą wzmocnienie drugiej końcowej sekcji (54) cewki.

9. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera boczne podpory cewki przymocowane do dłuższej bocznej sekcji uzwojenia (34) cewki.

10. Wirnik według zastrz. 9, znamienny tym, że boczne podpory cewki zawierają przynajmniej jeden drążek naprężający (42) przechodzący poprzecznie przez rdzeń (22) wirnika, i zawierają obudowy (44) cewki połączone z przeciwległymi końcami drążka naprężającego (42), przy czym każda z obudów (44) cewki jest połączona z przeciwległą długą boczną sekcją uzwojenia (34) cewki.

11. Wirnik według zastrz. 10, znamienny tym, że drążek naprężający (42) przechodzi przez przewód (46) w rdzeniu (22) wirnika.