PL203119B1 - Wirnik maszyny synchronicznej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest wirnik maszyny synchronicznej. Dokładniej, przedmiotem niniejszego wynalazku jest konstrukcja podpory cewki 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 w przypadku wirnika z rdzeniem ferromagnetycznym.

W wirnikach synchronicznych maszyn elektrycznych zwykle są stosowane tradycyjne uzwojenia miedziane. 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. Uzwojenie SC nie ma w zasadzie rezystancji i jest bardzo korzystne jako uzwojenie 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 więcej. 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 nadprzewodzącego drutu, wraz z liczbą wymaganych cewek, zwiększają złożoność podpór cewek i koszt nadprzewodzących uzwojeń 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 w postaci gazu o temperaturze pokojowej. Stosowanie ciekłego helu do kriogenicznego chłodzenia związane jest z ciągłymi stratami zwracanego, gazowego helu o 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 nadprzewodzącego uzwojenia cewki, które jest zanurzone 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 są 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 powoduje niskie obciążenie zmęczeniowe wirnika w cyklu. Ponadto, uzwojenie wirnika HTS powinno wytrzymać pracę z prędkoś cią zwiększoną o 25% od nominalnej podczas procedur równoważenia wirnika w temperaturze otoczenia oraz przypadkowe przekroczenia prędkości 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. Aby cewki SC wytrzymywały siły, naprężenia, odkształcenia i cykliczne obciążenia, powinny być właściwie

PL 203 119 B1 podtrzymywane w wirniku przez układ podpór cewki. Układy podpór cewki 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 zadaniem 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 opisu patentowego US 5548168 znany jest wirnik zawierający lity rdzeń, nadprzewodzącą cewkę, kształtową obudowę, która jest zamocowana do cewki i osłonę termiczną, która otacza cewkę i kształtową obudowę. Do utrzymania osłony termicznej na miejscu w szczelinie litego rdzenia zastosowano dwie rurki dystansowe, dwie rurki dystansowe i połączenie pierwszych prętów wsporczych z pierwszymi taśmami nośnymi. Podobnie, aby utrzymać cewkę i kształtową obudowę w ich miejscu wewnątrz osłony termicznej zastosowano płytki dystansowe i połączenie drugich prętów wsporczych z drugimi taśmami nośnymi.

Natomiast z opisu US 4277705 znany jest wirnik posiadający liczne moduły uzwojeń w kształcie zbliżonym do owalnego. Pomiędzy każdymi dwoma sąsiednimi modułami uzwojenia umieszczona jest płyta wsporcza. Ponadto, każdy moduł uzwojenia jest wsparty w rurze reakcyjnej przez zewnętrzną obudowę i dwa aluminiowe segmenty biegunowe. Zespół modułów uzwojenia, zewnętrznych obudów, płyt wsporczych i segmentów biegunowych jest zamocowany razem za pomocą połączenia krzyżowych śrub i nakrętek. W rozwiązaniu przedstawionym w opisie US 4277705 śruby i nakrętki są zastosowane do zaciskania razem, wspólnego zamocowania modułów uzwojenia, zewnętrznych obudów, płyt wsporczych i segmentów biegunowych.

Wirnik maszyny synchronicznej, zawierający rdzeń wirnika, mający oś i przewód, przechodzący przez ten rdzeń wirnika i prostopadły do tej osi, przy czym ten przewód ma otwory na przeciwnych bokach rdzenia wirnika, nadprzewodzące uzwojenie cewki, usytuowane wokół przynajmniej części rdzenia wirnika, przy czym wspomniane uzwojenie cewki ma boczne części w sąsiedztwie odpowiednich przeciwnych boków rdzenia wirnika, przynajmniej jeden pręt naprężający, usytuowany w kanale w rdzeniu wirnika, przy czym ten pręt naprężający przechodzi przez otwory na przeciwnych bokach rdzenia wirnika i obudowę zawierającą parę bocznych paneli według wynalazku charakteryzuje się tym, że przeciwne końce pręta naprężającego są usytuowane w sąsiedztwie odpowiednich bocznych części uzwojenia cewki, zaś obudowa jest przymocowana do każdego z przeciwnych końców pręta naprężającego i jest połączona z każdą z bocznych części uzwojenia cewki.

Boczne panele są na przeciwnych powierzchniach bocznej części.

Obudowa zawiera również klin, łączący boczne panele i przylegający do zewnętrznej powierzchni uzwojenia cewki.

Pręt naprężający zawiera śrubę, mającą płaską powierzchnię przylegającą do uzwojenia cewki.

Pręt naprężający ma ząbkowane zakończenie, sprzężone z ząbkowanym otworem, utworzonym przez liczne boczne panele.

Boczne panele tworzą otwór, współpracujący z każdym z przeciwnych końców pręta naprężającego.

Każdy z bocznych paneli ma parę ortogonalnych powierzchni, które przylegają do uzwojenia cewki.

Obudowa jest utworzona z metalu, wybranego z grupy zawierającej stopy aluminium, inkonelu i tytanu.

Pręt naprężający jest utworzony z niemagnetycznego stopu metalowego.

Pręt naprężający jest utworzony ze stopu inkonel.

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 zapewnia osłonę 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.

PL 203 119 B1

Podpora cewki z dzieloną obudową jest szczególnie użyteczna w przypadku wysokotemperaturowej, nadprzewodzącej (HTS) maszyny elektrycznej o niskiej gęstości mocy. Podpora cewki przeciwdziała dużym siłom odśrodkowym i stycznym, które w przeciwnym przypadku działałyby na cewkę nadprzewodzącą. Obudowy cewki są rozmieszczone jedna za drugą wzdłuż długich sekcji bocznych uzwojeń cewki w celu równego rozłożenia sił odśrodkowych i stycznych, które działają na cewkę. Zmniejszenie przepływu ciepła uzyskano przez zminimalizowanie masy podpory cewki w celu ograniczenia przewodności cieplnej od wirnika przez podporę do zimnej cewki. Podpora cewki jest utrzymywana w temperaturze kriogenicznej, podobnie jak uzwojenia wzbudzające.

Układ podpory cewki zawiera szereg zespołów podpory cewki, które umieszczone są między przeciwnymi bokami pierścieniowego uzwojenia cewki. Każdy zespół podpory cewki zawiera pręt naprężający i parę dzielonych obudów cewki. Pręty naprężające są usytuowane między przeciwnymi bokami uzwojenia cewki w kanałach, np. otworach, w rdzeniu wirnika. Dzielona obudowa cewki na każdym końcu pręta naprężającego opiera się o cewkę. Obudowa przenosi siły odśrodkowe od cewki do pręta naprężającego. Każdy zespół podpory cewki obejmuje uzwojenie cewki względem rdzenia wirnika. Szereg zespołów podpory cewki wytwarza stałą, ochronną podporę dla uzwojenia cewki.

Każda dzielona obudowa cewki zawiera parę przeciwnych paneli bocznych, które są zmontowane wokół cewki nadprzewodzącej i jest mocowana do końca pręta naprężającego. Boczne panele są elementami w kształcie litery C, które są mocowane jeden z drugim śrubami w celu objęcia cewki parą bocznych paneli. Śruby zaciskowe dociskają boczne panele jeden do drugiego i nie pozwalają, aby obudowa cewki rozdzieliła się pod wpływem dużych obciążeń odśrodkowych i stycznych.

Wirnik HTS może być oryginalnie zaprojektowany dla maszyny synchronicznej, w której zastosowano cewki nadprzewodzące. 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 w kontekście 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 i 5 przedstawiają widoki perspektywiczne dzielonej obudowy cewki, z cewką (fig. 5) i bez cewki (fig. 4), zaś fig. 6 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 prądnicy w postaci mocy elektrycznej.

Wirnik 14 ma wzdłużną oś 20 i ciągły rdzeń 22 wirnika. Ciągły 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). Mniejsza MMF oznacza mniejszą ilość drutu, potrzebnego do wykonania uzwojenia cewki nadprzewodzącej (SC). Na przykład, ciągły rdzeń wirnika ferromagnetycznego może zostać magnetycznie nasycony przy natężeniu pola magnetycznego szczeliny powietrznej równym około 2 Tesle.

Wirnik 14 podtrzymuje przynajmniej jedno, usytuowane wzdłużnie, pierścieniowe, wysokotemperaturowe, nadprzewodzące (HTS) uzwojenie 34 cewki (patrz fig. 2). Uzwojenie HTS cewki może mieć alternatywnie kształt siodła lub inny, 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.

PL 203 119 B1

Wirnik zawiera parę wałów, które znajdują się po obu stronach rdzenia 22 wirnika. Wał 24 końca kolektorowego ma pierścienie kolektorowe 78, które zapewniają zewnętrzne sprzężenie elektryczne cewki nadprzewodzącej. Wał końca kolektorowego zawiera również połączenie 26 transportu płynu kriogenicznego ze 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 na przeciwnym końcu wirnika jest wałem napędowym 30, który może zostać połączony z turbiną energetyczną. Wały końcowe są podtrzymywane przez łożyska 25, które zapewniają podporę dla całego wirnika.

Fig. 2 pokazuje przykładowe pierścieniowe uzwojenie HTS 34. Cewki z nadprzewodzącymi wzbudzającymi uzwojeniami 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.

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. Pierścień uzwojeń cewki jest ciągły. Cewki nadprzewodzące tworzą bezrezystancyjny tor dla prądu elektrycznego wokół rdzenia wirnika i między magnetycznymi biegunami rdzenia. Cewka ma kontakty elektryczne 79, które elektrycznie łączą cewkę z kolektorem 78.

Kanały 38 dla kriogenicznego płynu chłodzącego są zawarte w uzwojeniu 34 cewki. Kanały te mogą leżeć wokół zewnętrznej krawędzi cewki nadprzewodzącej 36. Kanały transportują kriogeniczny płynu chłodzący do cewki i usuwają ciepło z cewki. Płyn chłodzący utrzymuje niską temperaturę, np. -246°C, w nadprzewodzącym uzwojeniu cewki, konieczną do utrzymania stanu nadprzewodnictwa, z którym związany jest brak rezystancji elektrycznej w cewce. Kanały chłodzące mają wlot 39 płynu i wylot 41 płynu z jednej strony rdzenia wirnika. Wlot 39 i wylot 41 płynu (gazu) łączą kanały chłodzące 38 na nadprzewodzącej cewce z rurami w wale końcowym 24 wirnika, które sięgają do połączenia 26 transportu płynu kriogenicznego.

Każde pierścieniowe uzwojenie HTS 34 cewki ma parę ogólnie prostych, bocznych części 40, równoległych do osi 20 wirnika i parę części końcowych 54, które są prostopadłe do osi wirnika. Boczne części 40 cewki są poddawane największym naprężeniom odśrodkowym. Odpowiednio, boczne części są podtrzymywane przez układ podpory cewki przeciwdziałający 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, umieszczonych w rdzeniu wirnika i między przeciwnymi bokami uzwojenia HTS cewki. Każdy zespół podpory cewki zawiera pręt naprężający 42, umieszczony w kanale 46 w rdzeniu wirnika i dzieloną obudowę 44 cewki, która jest przymocowana do pręta i otacza uzwojenie cewki. Układ podpory cewki stanowi ramę konstrukcyjną, podtrzymującą uzwojenie cewki w wirniku.

Głównym obciążeniem uzwojenia HTS 34 cewki jest przyspieszenie odśrodkowe, występujące podczas obrotów wirnika. Zespoły podtrzymujące cewkę przeciwdziałają odśrodkowym obciążeniom cewki, tworząc efektywną, konstrukcyjną podporę dla uzwojenia cewki pod obciążeniem. W celu podtrzymywania bocznych części cewki, każdy pręt naprężający 42 jest przymocowany do dzielonej obudowy 44 cewki. Obudowy są przymocowane do przeciwnych części bocznych cewki. Pręty naprężające są umieszczone w szeregu kanałów 46 w rdzeniu wirnika. Pręty są usytuowane wzdłuż linii prostopadłych do osi rdzenia wirnika.

Dzielone 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 przenoszenia momentu obrotowego. Ponieważ boczne części 40 uzwojenia 34 cewki są otoczone przez dzielone obudowy 44

PL 203 119 B1 cewki i płaskie powierzchnie 86 śrub naprężających, te boczne części 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 wirnika a prętem.

Na końcu każdego pręta naprężającego rura izolacyjna 52 mocuje konstrukcję podpory cewki do gorącego wirnika i nie pozwala na konwekcję ciepła między nimi. Ponadto przewidziana jest nakrętka blokująca 84, połączona z rurą izolacyjną 52, która dodatkowo mocuje połączenie z prętem naprężającym. Nakrętka blokująca 84 i rura izolacyjna 52 mocują pręt naprężający i dzieloną obudowę z rdzeniem wirnika, minimalizując przekaz ciepła od gorącego wirnika do struktury obudowy.

Rura izolacyjna 52 jest utworzona z materiału zapewniającego izolację termiczną. Jeden koniec rury może zawierać zewnętrzny pierścień (nie pokazany), który styka się ze ścianką szerokiego zakończenia 88 kanału. Drugi koniec rury zawiera pierścień wewnętrzny (nie pokazany), który współpracuje z nakrętką blokującą 84, mocującą pręt naprężający do rury izolacyjnej. Ciepło z wirnika musi przejść przez całą długość rury izolacyjnej 52 i nakrętkę blokującą 84 zanim osiągnie pręt naprężający. Zatem rura izolacyjna izoluje termicznie pręt naprężający od 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 ich położenie 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 obciążenia cewki nadprzewodzącej jest przejmowana przez elementy konstrukcyjne, które leżą między zimnymi cewkami a ciepłymi elementami podpór.

W zimnym układzie podpory, układ podpory ma temperaturę 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 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 dociera od rdzenia wirnika do cewek HTS. 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 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.

Płaska powierzchnia 86 zakończenia pręta naprężającego podtrzymuje wewnętrzną powierzchnię boku uzwojenia cewki. Zakończenie pręta naprężającego może być ząbkowane, tak aby mogło

PL 203 119 B1 współpracować z pierścieniowymi wypukłościami zespołu dwóch bocznych paneli 124 obudowy cewki (patrz fig. 5). Pozostałe trzy powierzchnie bocznej części 40 uzwojenia cewki są podtrzymywane przez dzieloną obudowę 44. Każda dzielona obudowa 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.

Fig. 4 i 5 (oraz fig. 3) przedstawiają połówki przykładowych paneli bocznych 124 dzielonej obudowy 44, w kształcie litery C. Para paneli bocznych otacza przeciwne boki cewki. Ponadto, panele boczne są umieszczone jeden za drugim wzdłuż każdego boku cewki, tworząc ciągły zespół podpory cewki wzdłuż bocznej części 40 uzwojenia 34 cewki. Wewnętrzna powierzchnia każdego panelu bocznego ma wąską szczelinę 130, w którą wkładany jest klin, oraz kanał 132 w kształcie litery L, w który wkładana jest boczna część cewki. Powierzchnia boczna i powierzchnia wewnętrzna cewki opierają się na prostopadłych powierzchniach kanału 132 bocznego panelu. Przeciwny panel boczny jest montowany wokół cewki i podtrzymuje tę samą wewnętrzną powierzchnię cewki oraz przeciwną boczną powierzchnię cewki.

Zewnętrzna powierzchnia cewki jest podtrzymywana przez klin 126, który znajduje się między bocznymi panelami na przeciwnych bokach cewki. Dany klin może być dzielony (jak pokazano na fig. 4 i 5) i może sięgać do połowy szerokości cewki, gdzie styka się z innym dzielonym klinem. Klin 126 mieści się w wąskiej szczelinie 130 bocznego panelu. Klin zawiera kanał 127, który może mieścić kanał chłodzący 38 na zewnętrznej powierzchni cewki. Ponadto klin może zawierać szereg otworów 131, które są usytuowane naprzeciw otworów 133 na górnej krawędzi bocznego panelu. Do każdej pary otworów 131, 133 są wkładane bolce blokujące 136 (fig. 3), które przechodzą przez przeciwne panele boczne i kliny w celu połączenia górnych krawędzi paneli bocznych i klinów.

Klin może zostać wykonany integralnie z bocznym panelem i sięgać do połowy szerokości cewki, jak pokazano na fig. 4. Alternatywnie, klin może być oddzielnym elementem, który jest mocowany do bocznego panelu i może sięgać do połowy całego dystansu wzdłuż szerokości cewki do przeciwnego bocznego panelu. Ponadto, długość klina 126 nie musi być mniejsza od długości panelu bocznego. Klin może sięgać poza boczny panel i może zostać włożony w szczelinę 130 w sąsiednim panelu bocznym (jak pokazano na fig. 4). Alternatywnie, klin może mieć podobną długość jak boczny panel, jak pokazano na fig. 5.

Boczne panele 124 mają dolną kryzę 135, na której opiera się wewnętrzna powierzchnia cewki. Otwory 142 na śruby w dolnej kryzie pozwalają, aby śruby zaciskowe mocowały dolną część obudowy 44. Dolna kryza współpracuje również z prętem naprężającym 42 lub naprężającą śrubą 43 (zależnie od tego, czy stosowany jest ciągły pręt naprężający, czy zespół pręta naprężającego i śrub).

Każdy panel boczny (połowa jest pokazana na fig. 4 i 5) ma połowę otworu 134 na pręt naprężający lub śrubę naprężającą. Boczne panele, pokazane na fig. 4 i 5, mają połówki otworów 134, które tworzą otwór (po zmontowaniu dwóch par bocznych paneli), umożliwiający współpracę z ząbkowanym zakończeniem pręta naprężającego 42 (fig. 5) lub głowicą naprężającej śruby 43 (fig. 4). Otwór utworzony przez boczny panel pokazany na fig. 4 ma gładki przekrój i pierścieniową półkę 137 w celu współpracy z łbem śruby 43. Alternatywnie, otwór utworzony przez połówkową część otworu 134 panelu bocznego, pokazany na fig. 5, jest ząbkowany i współpracuje z ząbkowanym zakończeniem pręta naprężającego. Odpowiednio, dzielona obudowa 44 może zostać użyta albo z zespołem pręta naprężającego i śruby, albo z prętem naprężającym bez śruby. Ponadto, nakrętka blokująca 138 (patrz fig. 6) może zostać umieszczona w gwintowanym otworze 134 i nakrętka blokująca może mieć wewnętrzny otwór i półkę, aby pewnie trzymać łeb naprężającej śruby 43.

Niezależnie od sposobu, w jaki naprężająca śruba lub naprężający pręt są przymocowane do niższej półki 135 bocznego panelu, zakończenie śruby lub pręta jest przymocowane tak, aby stykało się z wewnętrzną powierzchnią cewki. W ten sposób zakończenie naprężającej śruby lub naprężającego pręta bezpośrednio podtrzymuje cewkę.

Dzielona obudowa może zostać wykonana z lekkiego, wysokowytrzymałego materiału, który jest plastyczny w temperaturach kriogenicznych. Typowymi materiałami na dzielone obudowy są aluminium, tytan i stopy inkonel. Kształt dzielonej obudowy został zoptymalizowany pod względem niskiej wagi.

Jak widać na fig. 6, szereg dzielonych obudów 44 cewki (i związanych z nimi naprężających śrub 43 i prętów naprężających 42) może zostać rozmieszczonych wzdłuż bocznych części 40 uzwojenia cewki. Naprężające śruby 43 są wkręcane w gwintowane otwory (nie pokazane) na końcu naprężającego pręta. Głębokość wkręcenia śruby w pręt jest regulowana. Całkowita długość zespołu

PL 203 119 B1 pręta naprężającego i śruby (zespół ten znajduje się między bokami cewki) może być zmieniana przez obrócenie jednej lub obu śrub do wewnątrz lub na zewnątrz otworów w naprężających prętach. Łeb śruby lub zakończenie naprężającego pręta obejmuje kryzę z zewnętrzną płaską powierzchnią 86. Kryza opiera się o brzeg dzielonej obudowy, pokazany na fig. 4. Łeb śruby lub zakończenie pręta z płaską powierzchnią 86 styka się z wewnętrzną powierzchnią uzwojenia 34 cewki.

Obudowy są rozmieszczone jedna za drugą wzdłuż długości bocznej części 40 cewki. Dzielone obudowy wspólnie rozkładają siły, które działają na cewkę, np. siły odśrodkowe, na w zasadzie całej bocznej części 40 cewki. Dzielone 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 dzielone obudowy są pokazane blisko jedna drugiej, obudowy muszą być na tyle blisko, aby uniknąć pogorszenia stanu cewki, wywołanego przez duże naprężenia związane z wyginaniem i rozciąganiem podczas obciążeń odśrodkowych, przenoszeniem momentu obrotowego i przemijającymi zwarciami.

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 dzielonej obudowy i naprężających prętów.

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

Rdzeń wirnika i wały końcowe mogą być elementami dyskretnymi, które są łączone jeden z drugim. Ferromagnetyczny rdzeń 22 wirnika ma ogólnie cylindryczny kształt, odpowiedni 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 50 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 dostarczane na obniżone powierzchnie 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.

Obniżone powierzchnie 48 są wyposażane w uzwojenie cewki 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 16 wirnika (patrz fig. 1) w stojanie.

Szczelina między obwiednią wirnika i wnęką 16 w stojanie 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.

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 wirnika i innymi elementami wirnika, pręty naprężające 42 są wstawiane w każdy z kanałów 46, który rozciąga się w rdzeniu wirnika. Rury izolacyjne 52 na każdym końcu każdego pręta naprężającego są umieszczane w rozszerzonych zakończeniach 88 każdego kanału 46. Rura izolacyjna 52 jest unieruchamiana przez podtrzymującą nakrętkę blokującą 84. Śruby 43, jeśli są stosowane, mogą być dostarczane przed lub po umieszczeniu prętów naprężających w kanałach rdzenia wirnika.

PL 203 119 B1

Kiedy stosowane są śruby naprężające, wówczas blokujące nakrętki 138 są nakładane na każdą śrubę, a następnie są używane do mocowania śruby z dzieloną obudową. Głębokość, na jaką śruby są wkręcane w pręty naprężające jest dobrana tak, aby długość od końca jednej śruby na pręcie naprężającym do końca przeciwnej śruby była równa odległości między bocznymi częściami 40 uzwojenia cewki. Kiedy naprężające pręty i śruby są zmontowane w rdzeniu 22 wirnika, uzwojenia 34 cewki są gotowe do włożenia na rdzeń.

Uzwojenie 34 cewki jest nakładane na rdzeń wirnika tak, że płaskie powierzchnie 86 na końcach prętów naprężających 42 lub śrub 43 opierają się o wewnętrzną powierzchnię bocznych części 40 uzwojenia. Kiedy uzwojenie zostanie nałożone na końce prętów naprężających 42 lub śrub 43, dzielone obudowy 44 są montowane na uzwojeniu. W celu zmontowania każdej obudowy, boczne panele są umieszczane na przeciwnych bokach cewki i w wąskie szczeliny 130 bocznych paneli są wsuwane kliny. W celu połączenia klinów z bocznymi panelami jest wstawiany bolec blokujący. Boczne panele są dociskane do śrub przy użyciu nakrętek blokujących 138.

Rdzeń wirnika może zostać obudowany metaliczną, cylindryczną osłoną 90 (pokazaną przerywanymi liniami), która ochroni nadprzewodzące uzwojenie 34 cewki przed prądami wirowymi i innymi prądami elektrycznymi, które otaczają wirnik i zapewniają 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.

Dzielone 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 (10)

1. Wirnik maszyny synchronicznej, zawierający rdzeń wirnika, mający oś i przewód, przechodzący przez ten rdzeń wirnika i prostopadły do tej osi, przy czym ten przewód ma otwory na przeciwnych bokach rdzenia wirnika, nadprzewodzące uzwojenie cewki, usytuowane wokół przynajmniej części rdzenia wirnika, przy czym wspomniane uzwojenie cewki ma boczne części w sąsiedztwie odpowiednich przeciwnych boków rdzenia wirnika, przynajmniej jeden pręt naprężający, usytuowany w kanale w rdzeniu wirnika, przy czym ten pręt naprężający przechodzi przez otwory na przeciwnych bokach rdzenia wirnika i obudowę zawierającą parę bocznych paneli, znamienny tym, że przeciwne końce pręta naprężającego (42) są usytuowane w sąsiedztwie odpowiednich bocznych części (40) uzwojenia (34) cewki, zaś obudowa (44) jest przymocowana do każdego z przeciwnych końców pręta naprężającego (42) i jest połączona z każdą z bocznych części (40) uzwojenia (34) cewki.

2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że boczne panele (124) są na przeciwnych powierzchniach bocznej części (40).

3. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa zawiera również klin (126), łączący boczne panele (124) i przylegający do zewnętrznej powierzchni uzwojenia (34) cewki.

4. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pręt naprężający (42) zawiera śrubę (43), mającą płaską powierzchnię (86) przylegającą do uzwojenia (34) cewki.

5. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pręt naprężający (42) ma ząbkowane zakończenie, sprzężone z ząbkowanym otworem (134), utworzonym przez liczne boczne panele (124).

6. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że boczne panele (124) tworzą otwór (134), współpracujący z każdym z przeciwnych końców pręta naprężającego (42).

7. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z bocznych paneli (124) ma parę ortogonalnych powierzchni (132), które przylegają do uzwojenia (34) cewki.

PL 203 119 B1

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