PL203118B1 - Wirnik maszyny synchronicznej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest wirnik maszyny synchronicznej. Dokładniej, przedmiotem niniejszego wynalazku jest konstrukcja podpory dla nadprzewodzących uzwojeń wzbudzających w wirniku maszyny synchronicznej.

Synchroniczne maszyny elektryczne, mające uzwojenia cewki magnetycznej, obejmują, ale nie są do nich ograniczone, prądnice i silniki. Maszyny te ogólnie zawierają stojan i wirnik, które są sprzężone elektromagnetycznie. Wirnik może zawierać wielobiegunowy rdzeń wirnika i jedno lub więcej uzwojeń cewki, zamontowanych na rdzeniu wirnika. Rdzeń wirnika może być wykonany z magnetycznie przepuszczalnego materiału stałego, jak na przykład wirnik z rdzeniem ferromagnetycznym.

Tradycyjne uzwojenia miedziane są zwykle stosowane w wirnikach synchronicznych maszyn elektrycznych. Jednakże rezystancja elektryczna uzwojeń miedzianych (chociaż niska dla innych zastosowań), jest dostatecznie wysoka, aby powodować znaczne grzanie wirnika i obniżać wydajność energetyczną maszyny. Niedawno opracowano nadprzewodzące (SC) uzwojenia cewek wirników. Uzwojenia SC nie mają w zasadzie rezystancji i są wysoce korzystnymi uzwojeniami cewki wirnika.

Wirniki z rdzeniem ferromagnetycznym ulegają nasyceniu przy natężeniu pola magnetycznego szczeliny powietrznej równym około 2 Tesli. Znane wirniki nadprzewodzące wykorzystują konstrukcje z cewką powietrzną bez rdzenia ferromagnetycznego w wirniku, w celu uzyskania pól magnetycznych w szczelinie powietrznej równych 3 Tesle lub wię cej. Tak wysokie pola magnetyczne szczeliny powietrznej pozwalają uzyskać większe gęstości mocy w maszynie elektrycznej i umożliwiają znaczną redukcję ciężaru i rozmiaru maszyny. Bezrdzeniowe, nadprzewodzące wirniki wymagają dużych ilości drutu nadprzewodzącego. Duże ilości drutu SC, wraz z liczbą wymaganych cewek, zwiększają złożoność podpór cewek i koszt uzwojeń SC cewki i wirnika.

Wysokotemperaturowe nadprzewodzące uzwojenia wzbudzające cewki są wykonywane z nadprzewodzących materiałów, które są kruche i muszą być chłodzone do temperatury równej lub niższej od temperatury krytycznej, np. -246°C, w celu uzyskania i utrzymania nadprzewodności. Uzwojenia SC mogą być wykonane z wysokotemperaturowego materiału nadprzewodzącego, na przykład przewodnika opartego na BSCCO (BixSrxCaxCuxOx).

Nadprzewodzące cewki są chłodzone ciekłym helem. Po przepuszczeniu przez uzwojenia wirnika, gorący, zużyty hel jest zwracany jako gazowy hel o temperaturze pokojowej. Stosowanie ciekłego helu do kriogenicznego chłodzenia związane jest z ciągłymi stratami zwracanego, gazowego helu w temperaturze pokojowej, co stwarza znaczne problemy z utrzymaniem niezawodnoś ci i wymaga zużywania znacznych dodatkowych mocy.

Wcześniejsze techniki chłodzenia cewek SC obejmowały chłodzenie impregnowanej żywicą epoksydową cewki SC przy pomocy ciągłego toru chłodzącego, prowadzącego od chłodnicy kriogenicznej. Alternatywnie, rury chłodzące w wirniku mogą przenosić płynną i/lub gazową mieszaninę zamrażającą do porowatego, nadprzewodzącego uzwojenia cewki, która jest zanurzona w strumieniu płynnej i/lub gazowej mieszaniny zamrażającej. Jednakże chłodzenie zanurzeniowe wymaga, aby całe uzwojenie wzbudzające i konstrukcja wirnika były w temperaturze kriogenicznej. W efekcie, nie można stosować żelaza w obwodzie magnetycznym wirnika, gdyż w niskich temperaturach żelazo staje się kruche.

Potrzebny jest zespół nadprzewodzących uzwojeń wzbudzających dla maszyny elektrycznej, który nie ma niedogodności cewek powietrznych i zespołów nadprzewodzących uzwojeń wzbudzających chłodzonych cieczą, występujących, na przykład, w znanych wirnikach nadprzewodzących.

Ponadto, wysokotemperaturowe cewki nadprzewodzące (HTS) są podatne na uszkodzenie w wyniku napręże ń zginających i rozciągających. Cewki takie muszą być poddawane działaniu znacznych sił odśrodkowych, które wywołują naprężenia i odkształcenia uzwojeń. Normalna praca maszyn elektrycznych obejmuje tysiące cykli uruchamiania i wyłączania w ciągu wielu lat, co prowadzi w wirniku do niskiego obciążenia zmęczeniowego w cyklu. Ponadto, uzwojenie wirnika HTS powinno wytrzymać pracę z prędkością zwiększoną o 25% od nominalnej podczas procedur równoważenia wirnika w temperaturze otoczenia i mimo przypadkowych przekroczeń prę dkoś ci w temperaturach kriogenicznych podczas generowania mocy. Przekraczanie prędkości nominalnej znacznie zwiększa siły odśrodkowe, działające na uzwojenia w normalnych warunkach roboczych.

Cewki nadprzewodzące, stosowane jako uzwojenia wzbudzające wirnika HTS maszyny elektrycznej są poddawane naprężeniom i odkształceniom podczas chłodzenia i normalnej pracy. Są poddawane obciążeniom odśrodkowym, przenoszeniu momentu obrotowego i przemijającym zwarciom.

PL 203 118 B1

Aby cewki SC wytrzymywały siły, naprężenia, odkształcenia i cykliczne obciążenia, powinny być właściwie podtrzymywane w wirniku przez układ podpór cewki. Układy podpór podtrzymują cewkę SC w wirniku HTS i przeciwstawiają się olbrzymim siłom odśrodkowym, powstającym w wyniku obrotów wirnika. Ponadto, układ podpory cewki chroni cewki SC i zapewnia, że cewki nie ulegają przedwczesnemu pękaniu, zmęczeniu lub innym uszkodzeniom.

Opracowanie układu podpory dla cewki HTS stało się trudnym wyzwaniem przy dostosowywaniu cewek SC do wirników HTS. Przykłady układów podpór cewek dla wirników HTS, które zostały wcześniej zaproponowane, są opisane w amerykańskich patentach o numerach 5,548,168; 5,532,663; 5,672,921; 5,777,420; 6,169,353 i 6,066,906. Jednakże wymienione układy podpór stwarzają różne problemy, gdyż są drogie, skomplikowane i wymagają dużej ilości elementów. Od dawna potrzebny jest wirnik HTS, mający układ podpory cewki dla cewki nadprzewodzącej. Potrzebny jest również układ podpory cewki wykonany z tanich i łatwych do wykonania elementów.

Ponadto, z dokumentu US 4176292 znana jest konstrukcja wirnika zawierającego liczne moduły uzwojenia w kształcie zbliżonym do pierścieniowego. Pomiędzy każdymi dwoma, sąsiadującymi ze sobą modułami uzwojenia znajduje się płyta wsporcza. Ponadto, każdy moduł uzwojenia jest utrzymywany w rurze reakcyjnej (skrętnej) za pomocą zewnętrznej obudowy i dwóch aluminiowych segmentów biegunowych. Zespół modułów uzwojenia, zewnętrznych obudów, płyt wsporczych i segmentów biegunowych jest zamocowany razem za pomocą krzyżowych śrub i nakrętek.

Wirnik maszyny synchronicznej, zawierający rdzeń wirnika, mający oś, nadprzewodzące uzwojenie cewki, usytuowane wokół przynajmniej części rdzenia wirnika, przy czym wspomniane uzwojenie cewki ma część boczną w sąsiedztwie boku rdzenia wirnika, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera ponadto przynajmniej jeden pręt naprężający, przechodzący przez kanał we wspomnianym rdzeniu wirnika, przy czym kanał przechodzi przez rdzeń wirnika, zaś pręt naprężający jest prostopadły do osi rdzenia wirnika; przynajmniej jedną śrubę naprężającą, usytuowaną pomiędzy zakończeniem pręta naprężającego i boczną częścią uzwojenia cewki, oraz obudowę przymocowaną do śruby naprężającej i połączoną z boczną częścią uzwojenia cewki.

Obudowa zawiera parę bocznych paneli na przeciwnych powierzchniach bocznej części.

Głębokość śruby naprężającej w pręcie naprężającym jest regulowana.

Śruba naprężająca zawiera łeb mający płaska powierzchnię, opierającą się o boczną część uzwojenia cewki.

Wirnik zawiera również drugą śrubę naprężającą, odchodzącą od drugiego zakończenia pręta naprężającego i opierającą się o drugą boczną część uzwojenia cewki.

Obudowa zawiera boczne panele, obejmujące boczną część uzwojenia cewki i klin między bocznymi panelami, opierający się o zewnętrzną powierzchnię tej bocznej części.

Łeb śruby naprężającej ma płaską powierzchnię, opierającą się o uzwojenie cewki.

Wspomniana obudowa jest utworzona z metalu, wybranego z grupy zawierającej stopy aluminium i tytanu.

Pręt naprężający jest utworzony z niemagnetycznego stopu metalowego.

Pręt naprężający jest utworzony ze stopu inkonel.

Obudowa zawiera parę bocznych paneli na przeciwnych powierzchniach uzwojenia cewki, klin łączący boczne panele i gwintowany wkład, sprzężony z bocznymi panelami i przymocowany do śruby naprężającej.

Wirnik ponadto zawiera izolacyjną rurę między rdzeniem wirnika a prętem naprężającym.

Układ podpory cewki został opracowany dla wysokotemperaturowego nadprzewodzącego (HTS) uzwojenia w kształcie pierścienia dla dwubiegunowego wirnika maszyny elektrycznej. Układ podpory cewki zapobiega uszkodzeniu uzwojenia cewki podczas pracy wirnika, podtrzymuje uzwojenie cewki przeciwdziałając siłom odśrodkowym i innym i dostarcza osłony dla uzwojeń cewki. Układ podpory cewki utrzymuje uzwojenie cewki odpowiednio względem wirnika. Uzwojenie cewki HTS i ukł ad podpory cewki maj ą temperaturę kriogeniczną , podczas gdy wirnik ma temperaturę otoczenia.

Układ podpory cewki zawiera szereg zespołów podpory cewki, które rozciągają się między przeciwnymi bokami pierścieniowego uzwojenia cewki. Każdy zespół podpory cewki zawiera pręt naprężający, parę śrub naprężających i parę dzielonych obudów cewki. Pręty naprężające są usytuowane między przeciwnymi bokami uzwojenia cewki w kanałach, np. otworach, w rdzeniu wirnika. Śruby naprężające są umieszczone w obu końcach pręta naprężającego. Śruby naprężające zapewniają regulację długości zespołu podpory cewki, co jest korzystne przy kompensowaniu zmian geometrii cewki. Każda śruba jest przymocowana do jednej z par obudów kanału. Każda obudowa obejmuje

PL 203 118 B1 dookoła cewkę HTS. Każdy zespół podpory cewki obejmuje uzwojenie cewki i mocuje je względem rdzenia wirnika. Szereg zespołów podpory cewki wytwarza stałą ochronną podporę dla uzwojenia cewki.

Wirnik HTS może być oryginalnie zaprojektowany dla maszyny synchronicznej z wykorzystaniem cewek nadprzewodzących. Alternatywnie, wirnik HTS może zastępować wirnik z miedzianą cewką w istniejącym urządzeniu elektrycznym, takim jak tradycyjna prądnica. Wirnik i jego cewki nadprzewodzące są opisane tutaj dla zastosowania w prądnicy, ale wirnik z cewką HTS może zostać zastosowany również w innych synchronicznych maszynach.

Układ podpory cewki jest użyteczny do integrowania układu podpory cewki z cewką i wirnikiem. Ponadto, układ podpory cewki ułatwia wstępny montaż układu podpory cewki, cewki i rdzenia wirnika przed końcowym montażem wirnika. Wstępny montaż zmniejsza czas montażu cewki i wirnika, poprawia jakość podpory cewki i zmniejsza różnorodność montażu cewki.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie widok z boku synchronicznej maszyny elektrycznej, mającej nadprzewodzący wirnik i stojan, fig. 2 przedstawia widok perspektywiczny przykładowego pierścieniowego, nadprzewodzącego uzwojenia cewki, fig. 3 przedstawia częściowo w przekroju widok rdzenia wirnika, uzwojenia cewki i układu podpory cewki dla wysokotemperaturowego, nadprzewodzącego (HTS) wirnika, fig. 4 przedstawia widok perspektywiczny rdzenia wirnika, uzwojenia cewki i układu podpory cewki dla wysokotemperaturowego, nadprzewodzącego (HTS) wirnika.

Fig. 1 przedstawia przykładową prądnicę synchroniczną 10, mającą stojan 12 i wirnik 14. Wirnik zawiera cewki uzwojenia wzbudzenia, które mieszczą się wewnątrz cylindrycznej wnęki próżniowej 16 wirnika w stojanie. Wirnik mieści się wewnątrz próżniowej wnęki wirnika w stojanie. Kiedy wirnik obraca się wewnątrz stojana, pole magnetyczne 18 (przedstawione przerywanymi liniami), generowane przez wirnik i cewki wirnika przesuwa się/obraca się w stojanie i wytwarza prąd elektryczny w uzwojeniach cewek stojana 19. Prąd ten jest pobierany z generatora w postaci mocy elektrycznej.

Wirnik 14 ma ogólnie wzdłużnie rozciągającą się oś 20 i ogólnie stały rdzeń 22 wirnika. Stały rdzeń 22 ma dużą przenikalność magnetyczną i jest zwykle wykonany z materiału ferromagnetycznego, takiego jak żelazo. W nadprzewodzącej maszynie o małej gęstości mocy, rdzeń ferromagnetyczny wirnika jest stosowany do redukcji siły magnetomotorycznej (MMF) i, w ten sposób, zminimalizowania ilości drutu cewki nadprzewodzącej (SC), potrzebnego na uzwojenia cewki. Na przykład, stały rdzeń wirnika ferromagnetycznego może zostać magnetycznie nasycony przy natężeniu pola magnetycznego szczeliny powietrznej równym około 2 Tesle.

Wirnik 14 podtrzymuje przynajmniej jedno, rozciągające się wzdłużnie, pierścieniowe, wysokotemperaturowe, nadprzewodzące (HTS) uzwojenie 34 cewki (patrz Fig. 2). Uzwojenie HTS cewki może mieć alternatywnie kształt siodła lub inny kształt, który jest odpowiedni dla danej konstrukcji wirnika HTS. Układ podpory cewki jest opisany tutaj dla pierścieniowego, nadprzewodzącego uzwojenia cewki. Układ podpory cewki może zostać przystosowany do konfiguracji cewki innych niż cewka pierścieniowa, zamontowana na stałym rdzeniu wirnika.

Wirnik zawiera wał 24 końca kolektorowego i wał 30 końca napędowego, które znajdują się po obu stronach rdzenia 22 wirnika i są podtrzymywane przez łożyska 25. Wał końca kolektorowego zawiera pierścienie kolektorowe 78 w celu elektrycznego połączenia z wirującym uzwojeniem S.C. cewki. Wał 24 końca kolektorowego zawiera również połączenie 26 transportu płynu kriogenicznego do źródła kriogenicznego płynu chłodzącego, używanego do chłodzenia nadprzewodzących uzwojeń cewki w wirniku. Połączenie 26 transportu płynu kriogenicznego zawiera stacjonarny segment, połączony ze źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego i obrotowy element, który dostarcza płyn chłodzący do cewki HTS. Wał napędowy 30 może być napędzany przez turbinę energetyczną przez sprzężenie napędowe 32.

Fig. 2 pokazuje przykładowe pierścieniowe uzwojenie HTS 34. Cewki z nadprzewodzącymi uzwojeniami wzbudzającymi 34 wirnika zawierają wysokotemperaturową, nadprzewodzącą (SC) cewkę 36. Każda cewka SC zawiera wysokotemperaturowy, nadprzewodzący przewodnik, na przykład druty z BSCCO (Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x), laminowane w kompozyt uzwojenia, impregnowane stałą żywicą epoksydową. Na przykład, można laminować szereg drutów BSCCO 2223, połączonych razem i zwiniętych w cewkę, impregnowaną stałą żywicą epoksydową.

Drut nadprzewodzący jest kruchy i łatwy do uszkodzenia. Cewka SC jest zwykle nawiniętą warstwowo taśmą nadprzewodzącą, która jest impregnowana żywicą epoksydową. Taśma SC jest zwinięta w precyzyjny kształt cewki, zachowujący ścisłe tolerancje wymiarów. Taśma jest nawinięta śrubowo, tworząc pierścieniową cewkę nadprzewodzącą 36.

PL 203 118 B1

Wymiary cewki pierścieniowej są zależne od wymiarów rdzenia wirnika. Ogólnie, każda pierścieniowa cewka nadprzewodząca otacza magnetyczne bieguny rdzenia wirnika i jest równoległa do osi wirnika. Uzwojenia cewki są ciągłe wokół pierścienia. Cewki nadprzewodzące tworzą bezrezystancyjny tor dla prądu elektrycznego wokół rdzenia wirnika i między magnetycznymi biegunami rdzenia.

Cewka ma kontakty elektryczne 114, które elektrycznie łączą cewkę z kolektorem 78.

Kanały 38 dla kriogenicznego płynu chłodzącego są zawarte w uzwojeniu 34 cewki. Kanały te mogą rozciągać się wokół zewnętrznej krawędzi cewki nadprzewodzącej 36. Kanały dostarczają kriogenicznego płynu chłodzącego do cewki i usuwają ciepło z cewki. Płyn chłodzący utrzymuje niską temperaturę, np. -246°C, w nadprzewodzącym uzwojeniu cewki, potrzebną do utrzymania stanu nadprzewodnictwa, łącznie z brakiem rezystancji elektrycznej w cewce. Kanały chłodzące mają wlot i wylot 112 płynu z jednej strony rdzenia wirnika. Wlot i wylot 112 płynu (gazu) łączą kanały chłodzące 38 na nadprzewodzącej cewce z połączeniem 26 transportu płynu kriogenicznego.

Każde pierścieniowe uzwojenie HTS 34 cewki ma parę ogólnie prostych bocznych części 40, równoległych do osi wirnika 20 i parę części końcowych 54, które są prostopadłe do osi wirnika. Boczne części cewki są poddawane największym naprężeniom odśrodkowym. Odpowiednio, boczne części są podtrzymywane przez układ podpory cewki, który przeciwdziała siłom odśrodkowym, które działają na cewkę.

Fig. 3 przedstawia częściowo w przekroju widok rdzenia 22 wirnika i układ podpory cewki dla wysokotemperaturowego, nadprzewodzącego (HTS) uzwojenia cewki. Układ podpory cewki zawiera szereg zespołów podtrzymujących cewkę, usytuowanych w rdzeniu wirnika, między przeciwnymi bokami uzwojenia HTS cewki. Każdy zespół podpory cewki zawiera pręt naprężający 42, usytuowany w rdzeniu wirnika, śruby naprężające 43 umieszczone na końcach pręta i kanałowe obudowy 44 cewki, przymocowane do śrub i otaczające uzwojenie cewki. Układ podpory cewki stanowi ramę konstrukcyjną dla utrzymania uzwojenia cewki w wirniku.

Głównym obciążeniem uzwojenia HTS 34 cewki jest przyspieszenie odśrodkowe, występujące podczas obrotów wirnika. Zespoły podtrzymujące cewkę przeciwdziałają odśrodkowym obciążeniom cewki, zapewniając efektywną, konstrukcyjną podporę dla uzwojenia cewki pod obciążeniem. W celu podtrzymywania bocznych części cewki, każdy zespół pręta naprężającego 42 i śrub naprężających 43 (zespół pręta naprężającego) jest usytuowany między cewkami i jest przymocowany do kanałowej obudowy 44 cewki. Obudowy są przymocowane do przeciwnych części bocznych cewki. Pręty naprężające 42 są umieszczone w szeregu kanałów 46 w rdzeniu wirnika. Pręty są umieszczone wzdłuż linii prostopadłych do osi rdzenia wirnika.

Kanałowe obudowy 44 cewki podtrzymują uzwojenie 34 cewki, przeciwdziałając siłom odśrodkowym i stycznym siłom momentu obrotowego. Siły odśrodkowe powstają w wyniku obracania wirnika. Siły styczne mogą powstawać w wyniku przyspieszania i hamowania wirnika i przekazu momentu obrotowego. Ponieważ boczne części 40 uzwojenia cewki są zamknięte w kanałowych obudowach 44 i zakończeniach 86 śrub naprężających, boki uzwojenia cewki są całkowicie podtrzymywane wewnątrz wirnika.

Kanały 46 są ogólnie cylindrycznymi kanałami w rdzeniu wirnika, mającymi prostą oś. Średnica kanałów jest w zasadzie stała. Jednakże zakończenia 88 kanałów mogą mieć większą średnicę, umożliwiając włożenie izolacyjnej rury 52. Rura ta ustawia pręt naprężający 42 w kanale i zapewnia izolację cieplną między rdzeniem 22 wirnika a prętem naprężającym 42. Rura izolacyjna ma dolny zewnętrzny pierścień 123, który współpracuje ze ściankami zakończenia o dużej średnicy 88 kanałów 46 wirnika. Cylindryczna ścianka boczna 121 izolacyjnej rury 52 rozciąga się od zewnętrznego pierścienia 123 i nie kontaktuje się ze ściankami kanału. Górny koniec rury współpracuje z nakrętka blokującą 84, którą łączy rurę z prętem naprężającym 42. Zatem izolacyjna rura 52 i nakrętka blokująca zapewniają pozbawiony przewodzenia ciepła montaż pręta naprężającego w kanałach 46 rdzenia wirnika.

Liczba kanałów 46 i ich rozmieszczenie w rdzeniu wirnika zależy od położenia cewek HTS i liczby obudów cewek, potrzebnych do podtrzymywania bocznych części cewek. Osie kanałów 46 są ogólnie w płaszczyźnie określonej przez cewkę pierścieniową. Ponadto, osie kanałów są prostopadłe do bocznych części cewki. Ponadto, w pokazanym tutaj przykładzie wykonania kanały są prostopadłe do i przecinają oś wirnika. Liczba kanałów i położenie kanałów zależą od położenia cewek HTS i liczby obudów cewek, potrzebnych do podtrzymania bocznych części cewek.

Ogólnie są dwie kategorie podpór dla uzwojenia nadprzewodzącego: (i) ciepłe podpory i (ii) zimne podpory. W ciepłej podporze, struktury podtrzymujące są termicznie izolowane od chłodzonych uzwojeń nadprzewodzących. W przypadku ciepłych podpór cewek, większość mechanicznego

PL 203 118 B1 obciążenia cewki nadprzewodzącej jest przejmowana przez elementy konstrukcyjne, które znajdują się między zimnymi cewkami a ciepłymi elementami podpór.

W zimnym ukł adzie podpory, ukł ad podpory ma temperatur ę równą lub bliską zimnej temperaturze kriogenicznej cewek nadprzewodzących. W przypadku zimnych podpór, większość mechanicznego obciążenia cewki nadprzewodzącej jest przejmowana przez elementy strukturalne podpory cewki, które mają temperaturę równą lub bliską temperatury kriogenicznej.

Opisany tutaj przykładowy układ podpory cewki jest zimną podporą, w której pręty naprężające 42, śruby naprężające 43 i związane z nimi dzielone obudowy 44 są utrzymywane w temperaturze kriogenicznej. Ponieważ elementy podtrzymujące cewkę są zimne, elementy te są termicznie izolowane, np. przez kanały bezkontaktowe, przechodzące przez rdzeń wirnika, od rdzenia wirnika i innych, gorących elementów wirnika.

Uzwojenie cewki HTS i elementy konstrukcyjne podpory cewki są w temperaturze kriogenicznej. Przeciwnie, rdzeń wirnika jest w gorącej temperaturze otoczenia. Podpory cewki są potencjalnym miejscem przewodzenia ciepła, w wyniku którego ciepło dotrze do cewek HTS od rdzenia wirnika. Rdzeń wirnika staje się gorący podczas pracy. Ponieważ uzwojenia cewki muszą być utrzymywane w stanie zmrożonym, trzeba unikać przewodzenia ciepła od rdzenia do cewek.

Układ podpory cewki jest termicznie izolowany od rdzenia wirnika. Na przykład, pręty naprężające i śruby nie są w bezpośrednim kontakcie z wirnikiem. Ten brak kontaktu nie pozwala na przewodzenie ciepła od wirnika do prętów naprężających i cewek. Ponadto, masa konstrukcji układu podtrzymywania cewki została zminimalizowana w celu zmniejszenia przewodzenia ciepła przez elementy podpory od rdzenia wirnika do uzwojeń cewki.

Każdy naprężający pręt 42 jest walcem, rozciągającym się w sposób ciągły wzdłuż wzdłużnego kierunku pręta i w płaszczyźnie pierścieniowej cewki. Pręt naprężający jest zwykle wykonany z wysoko wytrzymałych niemagnetycznych stopów, takich jak tytan, aluminium lub stop inkonel. Wzdłużna ciągłość prętów naprężających zapewnia sztywność cewki w kierunku poprzecznym, co ma korzystny wpływ na dynamiczne właściwości wirnika. Ponadto, poprzeczna sztywność prętów naprężających 42 zapewnia integrację podpory cewki z cewką, tak że cewka może być montowana z podporą cewki na rdzeniu wirnika przed końcowym montażem wirnika.

Śruby naprężające 43 są wkręcane w nagwintowane otwory 120 w zakończeniu pręta naprężającego. Głębokość, w jaką śruba jest wkręcana w pręt jest regulowana. Całkowita długość zespołu pręta naprężającego i śruby (przy czym zespół znajduje się między bokami cewki) może być zmieniana przez obrócenie jednej lub obu śrub do środka lub na zewnątrz otworów w prętach naprężających. Regulacja długości zespołu pręta naprężającego i śrub jest korzystna przy wstawianiu zespołu między bokami uzwojenia cewki. Głębokość nagwintowanego otworu na końcu pręta naprężającego jest dostateczna, aby zapewnić odpowiedni zakres regulacji długości zespołu pręta naprężającego i śrub.

Łeb 122 śruby zawiera kryzę z zewnętrzną płaską powierzchnią 86. Płaska powierzchnia 86 łba 122 śruby opiera się o wewnętrzną powierzchnię uzwojenia 34 cewki i, w ten sposób podtrzymuje obciążenie uzwojenia cewki, które jest równoległe do pręta naprężającego 42.

Płaska powierzchnia 86 łba 122 śruby podtrzymuje wewnętrzną powierzchnię boku uzwojenia cewki. Pozostałe trzy powierzchnie bocznej części 40 uzwojenia 34 cewki są podtrzymywane przez kanałową obudowę 44. Każda kanałowa obudowa cewki jest zmontowana wokół cewki i tworzy osłonę cewki, współpracującą z łbem śruby. Obudowa podtrzymuje uzwojenie cewki, przeciwdziałając obciążeniom stycznym i odśrodkowym. Obudowa pozwala również, aby uzwojenie cewki rozszerzało i kurczyło się wzdłużnie.

Każda kanałowa obudowa 44 ma parę bocznych paneli 124, klin 126 i gwintowany wkład 128. Boczne panele otaczają przeciwne powierzchnie cewki. Wewnętrzna powierzchnia każdego panelu bocznego ma wąska szczelinę 130 w celu umieszczenia w niej klina i powierzchnię 132 w kształcie litery L w celu umieszczenia w niej bocznej powierzchni uzwojenia cewki. Wewnętrzna powierzchnia każdego panelu bocznego ma również gwintowana kryzę 134, która zawiera wypust 135 powierzchni 132 w kształcie litery L w celu współpracy z krawędzią uzwojenia cewki. Gwintowana część kryzy współpracuje z gwintowanym wkładem 128, który mieści się między częściami kryzy 134 przeciwnych paneli bocznych 124. Wkład 128 ma otwór 137 z brzegiem służącym do umieszczenia w nim śruby naprężającej 43. Nakrętka blokująca 138 utrzymuje wkład 128 pewnie w stosunku do łba śruby 43.

Klin 126 mieści się w wąskiej szczelinie 130 każdego bocznego panelu i znajduje się między bocznymi panelami. Klin opiera się o zewnętrzną powierzchnię cewki i ma kanał 136, w którym można umieścić kanał chłodzący 38 na zewnętrznej powierzchni cewki. Śruby blokujące 140 dociskają boczPL 203 118 B1 ne panele do klina. Boczne panele są dociskane jeden do drugiego przez klin i chwytają gwintowany wkład, który jest przymocowany do łba śruby. Obudowa kanałowa może zostać wykonana z lekkiego materiału o dużej wytrzymałości, który jest plastyczny w temperaturach kriogenicznych. Typowymi materiałami na obudowę kanałową są stopy aluminium i tytanu. Kształt kanałowej obudowy został zoptymalizowany pod względem małego ciężaru.

Jak widać na fig. 4, szereg kanałowych obudów 44 cewki (i związane z nimi śruby naprężające 43 i pręty naprężające 42) może zostać rozmieszczonych wzdłuż bocznych części 40 uzwojenia cewki.

Kanałowe obudowy wspólnie rozkładają siły, które działają na cewkę, np. siły odśrodkowe, na w zasadzie całe boczne części 40 cewki. Kanałowe obudowy 44 nie pozwalają na nadmierne wyginanie bocznych części 40 cewki w wyniku działania sił odśrodkowych.

Liczne dzielone obudowy 44 efektywnie utrzymują cewkę na miejscu bez względu na siły odśrodkowe. Chociaż kanałowe obudowy są pokazane blisko jedna drugiej, obudowy muszą być jedynie tak blisko, jak trzeba, aby uniknąć pogorszenia stanu cewki, wywołanego przez duże naprężenia związane z wyginaniem i rozciąganiem podczas obciążeń odśrodkowych, przenoszenia momentu obrotowego i przemijających zwarć.

Podpory cewki nie ograniczają wzdłużnego cieplnego rozszerzania i kurczenia cewki, które występują podczas normalnej pracy turbiny gazowej przy jej uruchamianiu i zatrzymywaniu. W szczególności, cieplne rozszerzanie jest skierowane głównie wzdłuż części bocznych. Zatem części boczne cewki przesuwają się nieco wzdłużnie względem kanałowej obudowy i naprężających prętów.

Układ podtrzymywania cewki, złożony z prętów naprężających 42, śrub naprężających 43 i dzielonych obudów 44 może być montowany z uzwojeniami HTS 34 cewki, kiedy są one montowane na rdzeniu 22 wirnika. Pręty naprężające i kanałowe obudowy zapewniają dość sztywną konstrukcję dla podtrzymywania uzwojenia cewki i unieruchamiania bocznych części uzwojenia cewki względem rdzenia wirnika. Końce cewki mogą być podtrzymywane przez dzielone zaciski (58) na osiowych końcach (ale bez kontaktowania się z nim) rdzenia 22 wirnika.

Ferromagnetyczny rdzeń 22 wirnika ma cylindryczne powierzchnie 50, odpowiednie do obracania wewnątrz wirnikowej wnęki 16 stojana 12. W celu nałożenia uzwojenia cewki, rdzeń wirnika ma obniżone powierzchnie 48, takie jak płaskie lub trójkątne rejony lub szczeliny. Powierzchnie 48 są utworzone w wygiętej powierzchni cylindrycznego rdzenia i rozciągają się wzdłuż rdzenia wirnika. Uzwojenie 34 cewki jest montowane na wirniku w sąsiedztwie obniżonych powierzchni 48. Cewki ogólnie są usytuowane wzdłużnie wzdłuż zewnętrznych powierzchni obniżonych powierzchni i wokół zakończeń rdzenia wirnika. Uzwojenie cewki jest umieszczone na obniżonych powierzchniach 48 rdzenia wirnika. Kształt obniżonej powierzchni odpowiada uzwojeniu cewki. Na przykład, jeśli uzwojenie cewki ma kształt siodłowy lub inny kształt, zagłębienie w rdzeniu wirnika jest skonfigurowane odpowiednio do kształtu uzwojenia.

Uzwojenie cewki jest umieszczone na obniżonych powierzchniach 48 tak, że zewnętrzna powierzchnia uzwojenia cewki rozciąga się w zasadzie do obwiedni, określonej przez obrót wirnika. Zewnętrzne wygięte powierzchnie 50 rdzenia wirnika, podczas obracania się tworzą cylindryczną obwiednię. Ta obrotowa obwiednią wirnika ma w zasadzie tę samą średnicę, co próżniowa wnęka wirnika 16 (patrz fig. 1) w stojanie.

Szczelina między obwiednią wirnika i wnęką w stojanie 16 jest stosunkowo małym luzem, wymaganym tylko przez wentylacyjne chłodzenie stojana wymuszonym przepływem gazu, ponieważ wirnik nie wymaga chłodzenia wentylacyjnego. Pożądane jest zminimalizowanie luzu między wirnikiem a stojanem w celu zwiększenia sprzężenia elektromagnetycznego miedzy uzwojeniami cewki wirnika i uzwojeniami stojana. Ponadto, uzwojenie cewki wirnika jest korzystnie umieszczone tak, że rozciąga się do obwiedni utworzonej przez wirnik, a zatem jest oddalone od stojana tylko przez szczelinę luzu między wirnikiem a stojanem.

Na końcu każdego pręta naprężającego może być izolacyjna rura 52, która mocuje konstrukcje podpory cewki do gorącego wirnika i zapobiega konwekcji ciepła między nimi. Ponadto, może być izolacyjna nakrętka blokująca 84, połączona z izolacyjną rurą 52, która ponadto ułatwia połączenie między prętem naprężającym a obudową. Nakrętka blokująca 84 i rura 52 mocują pręt naprężający i obudowę kanałową do rdzenia wirnika, przy jednoczesnym minimalizowaniu transportu ciepła od gorącego wirnika do konstrukcji obudowy.

Rdzeń wirnika, uzwojenia cewki i zespoły podtrzymujące cewkę są wstępnie montowane. Wstępny montaż cewki i podpory cewki skraca cykl produkcyjny, poprawia jakość podpory cewki i zmniejsza liczbę odmian zespołów cewki. Przed zmontowaniem rdzenia wirnika z końcowymi wałami

PL 203 118 B1 wirnika i innymi elementami wirnika, pręty naprężające 42 są wstawiane w każdy z kanałów 46, który rozciąga się w rdzeniu wirnika. Izolacyjne rury 52 na każdym końcu każdego pręta naprężającego są umieszczane w rozszerzonych zakończeniach 88 każdego kanału 46. Rura 52 jest unieruchamiana przez podtrzymującą nakrętkę blokującą 84.

Śruby naprężające 43 mogą być mocowane przed lub po umieszczeniu prętów naprężających w kanałach rdzenia wirnika. Gwintowane kanały wejściowe 128 i nakrętki blokujące 138 są umieszczane na śrubach 43, zanim śruby zostaną umieszczone w prętach naprężających. Jednakże nakrętki blokujące nie są zaciskane na rękawie wejściowym, aż do zmontowania kanałowej obudowy 44.

Głębokość, na jaką śruby są wkręcane w pręty naprężające jest wybrana tak, aby długość od końca jednej śruby na pręcie naprężającym do końca przeciwnej śruby była równa odległości między zespołem obudowy kanałowej wzdłuż bocznych części 40 uzwojenia cewki. Kiedy naprężające pręty i śruby są zmontowane w rdzeniu 22 wirnika, uzwojenia 34 cewki są gotowe do włożenia na rdzeń.

Kanałowe obudowy 44 są montowane na uzwojeniu 34. Śruby blokujące są wstawiane w celu połączenia klinów i bocznych paneli. Następnie podzespół uzwojenia cewki i kanałowej obudowy jest nakładany na rdzeń wirnika nad końcami prętów naprężających 42. Cylindryczny, gwintowany wkład 128 jest wkręcany lub w inny sposób mocowany między boczne panele, tak że płaskie zakończenie łba śruby opiera się o wewnętrzną powierzchnię bocznych części 40 uzwojenia. Nakrętki blokujące 138 są używane do dociśnięcia gwintowanych rękawów wejściowych do śrub.

Rdzeń wirnika może zostać obudowany metaliczną, cylindryczną osłoną 90 (pokazaną przerywanymi liniami), która chroni nadprzewodzące uzwojenie 34 cewki przed prądami wirowymi i innymi prądami elektrycznymi, otaczającymi wirnik i zapewnia próżniową barierę w celu utrzymania próżni wokół kriogenicznych elementów wirnika. Cylindryczna osłona 90 może zostać utworzona z silnie przewodzącego materiału, takiego jak stop miedzi lub aluminium.

Nadprzewodzące uzwojenie 34 cewki jest utrzymywane w próżni. Próżnia może zostać utworzona przez osłonę 90, która może zawierać cylindryczną warstwę ze stali nierdzewnej, która tworzy próżniowe naczynie wokół cewki i rdzenia wirnika.

Kanałowe obudowy cewki, naprężające pręty i śruby (zespół podpory cewki) mogą być zmontowane z uzwojeniem cewki przed połączeniem rdzenia wirnika i cewek z kołnierzem i innymi elementami wirnika. Odpowiednio, rdzeń wirnika, uzwojenie cewki i układ podpory cewki mogą zostać zmontowane przed dołączeniem innych elementów wirnika i maszyny synchronicznej.

Chociaż wynalazek został opisany w połączeniu z uważanym obecnie za najbardziej praktyczny i preferowany przykład wykonania, należy rozumieć, że wynalazek nie jest ograniczony do opisanego przykładu wykonania, ale przeciwnie, powinien objąć wszystkie przykłady wykonania w zakresie określonym przez dołączone zastrzeżenia.

Claims (12)

1. Wirnik maszyny synchronicznej, zawierający rdzeń wirnika, mający oś, nadprzewodzące uzwojenie cewki, usytuowane wokół przynajmniej części rdzenia wirnika, przy czym wspomniane uzwojenie cewki ma część boczną w sąsiedztwie boku rdzenia wirnika, znamienny tym, że zawiera ponadto przynajmniej jeden pręt naprężający (42), przechodzący przez kanał (46) we wspomnianym rdzeniu (22) wirnika (14), przy czym kanał (46) przechodzi przez rdzeń (22) wirnika (14), zaś pręt naprężający (42) jest prostopadły do osi (20) rdzenia wirnika; przynajmniej jedną śrubę naprężającą (43), usytuowaną pomiędzy zakończeniem pręta naprężającego (42) i boczną częścią (40) uzwojenia (34) cewki (36), oraz obudowę (44) przymocowaną do śruby naprężającej (43) i połączoną z boczną częścią (40) uzwojenia (34) cewki (36).

2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa (44) zawiera parę bocznych paneli (124) na przeciwnych powierzchniach bocznej części (40).

3. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że głębokość śruby naprężającej (43) w pręcie naprężającym (42) jest regulowana.

4. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że śruba naprężająca (43) zawiera łeb (122) mający płaska powierzchnię, opierającą się o boczną część (40) uzwojenia (34) cewki (36).

5. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera również drugą śrubę naprężającą (43), odchodzącą od drugiego zakończenia pręta naprężającego (42) i opierającą się o drugą boczną część (40) uzwojenia (34) cewki (36).

PL 203 118 B1

6. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa (44) zawiera boczne panele (124), obejmujące boczną część (40) uzwojenia (34) cewki (36) i klin (126) między bocznymi panelami (124), opierający się o zewnętrzną powierzchnię tej bocznej części (40).

7. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że łeb (122) śruby naprężającej (43) ma płaską powierzchnię (86), opierającą się o uzwojenie (34) cewki (36).

8. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wspomniana obudowa (44) jest utworzona z metalu, wybranego z grupy zawierającej stopy aluminium i tytanu.

9. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pręt naprężający (42) jest utworzony z niemagnetycznego stopu metalowego.

10. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pręt naprężający (42) jest utworzony ze stopu inkonel.

11. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa (44) zawiera parę bocznych paneli (124) na przeciwnych powierzchniach uzwojenia (34) cewki (36), klin (126) łączący boczne panele (124) i gwintowany wkład (128), sprzężony z bocznymi panelami (124) i przymocowany do śruby naprężającej (43).

12. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto zawiera izolacyjną rurę (52) między rdzeniem (22) wirnika (14) a prętem naprężającym (42).