Устройство для ввода криогенного хладагента во вращающийся объект Советский патент 1978 года по МПК H02K9/197 H01L39/02 

Изобретение относится к устройствам для ввода криогенного хладагента во вращающийся объект, например в ро тор электрической машины, а также может применяться в установках по исследованию криогенных жидкостей в поле центробежных сил, Известго устройство для ввода криогенного хладагента в ротор электррческой машины через вращающиеся один относительно другого элементы, содержащее вакуумноизолированную трубку подачи хладагента, входящую во вращающую приемную цилиндрическую вакуумноиэолированную трубу. Устройство содержит также подшипники и уплотнения для газообразного хладагента. Для сведения до минимума теплопритоков трубки выполнены из малотеплопроводного материала, мер нержавеющей стали, и вакуумноизолированы. Торцовые уплотнения рас положены в области, удаленной от хладагента ij . Недостатком такого устройства, является повышение потери хладагента на испарение при переходе из неподви ной трубки подачи во вращающуюся при емную трубу, сложность и невысокая надежность в работе, так как его уп-, лотнения и подшипники работают без смазки и в среде застойного газообразного гелия. Известно также устройство для ввода криогенного хладагента в ротор электрической машины, включающее трубку подачи хладагента, заходящую в вакуумной золированный цилиндрический осевой калал, расположенный в полом валу ротора электрической машины с криогенным охлаждением. Осевой канал соединен с ротором при помощи радиальных каналов . Однако эти устротаства сложны в изготовлении, ненадежны в работе и малоэффективны. При проходе хладагента, например жидкого гелия, через такое устройство Ь0% его жидкой фазы превращается В пар. Все это приводит к повышению температуры и сопротивления при его движении. Известно устройство для ввода криогенного, хладагента во вращающийся объект, например, в ротор электрической машины, содержащее неподвижную вакуумноизолированную трубку подачи хладагента1, введенную в полый вал с его торца, и закрепленную внутри вала, сообщающуюся с ротором воронку. в которой размещен торец упомянутой трубки з Недостатком этого устройства является также повышенное испарение жид кого хладагента при переходе из непод вижного элемента во вращающийся и вы сокие теплопритоки к хладагенту от вала .в местах соединения осевого канала с валом. Повьошенное испарение хладагента объясняется тем, что хлад агент, попадая из неподвижной трубки подачи во вращающийся осевой канал, сталкивается с уже вращаквдимся слоем хладагента,В результате трения слоев хладагента генерируется теплота,что ведет к повышенному его испарению; Кроме того, испарению способствует также трение жидкого хладагента о . пар, который скапливается в центральной части осевого канала, так как жидкий хладагент и пар вращаются с разными скоростями. Целью изобретения является повышение эффективности устройства путем снижения расхода хладагента и уменьшения к нему теплопрйтоков. Это-достигается тем, что предложенное устройство снабжено установленным вершиной в воронке направляющим конусом с каналами по его периферии для сообщения с ротором, кажды из которых имеет форму конической спирали с постоянным углом подъема, и вакуумноплотно закрепленной в валу тонкостенной втулкой, к которой присоединена, например, через сильфон упомянутая воронка, Вершина направляющего конуса может быть расположена в плоскости тор ца упомянутой трубки, торцовая зона трубки и обхватывающая ее часть воро ки могут иметь одинаковый профиль, например, сопла Лаваля. Направляющий конус может быть вакуумноплотно соединен с воронкой- или установлен в ва лу на опорах, вьтолгенных в виде ста кагнов, в которых размещены подпружиненные шарики, выполненные из малотеплопроводного материала, например керамики. При этом опоры могут быть расположены по дЛине направляющего конуса и установлены во взаимноперпендикулярных плоскостях. На фиг, 1 схематически изображено устройство . ввода-хладагента во вращающийся объем, разрез; на фиг, 2 - то же, узел I; на фиг, 3 - вид по стрелке А на фиг, 1, Устройство для ввода хладагента во вращающийся объект включает неподвижную вакууумноизолирсванную трубку 1 подачи хладагента, состоя щую из двух частей, между которыми создается вакуум. Трубка 1 заходит с небольшим зазором в воронку 2, которая со стороны входа вакуумноплотн крепится через сильфон 3 к тонкостен ной втулке 4 из малотеплопроводного материала, которая также вакуумно64 ЛОТНО прикреплена к концу вала 5 ротора, С другого конца воронка 2 вакуумноплотно соединена с направля ющим конусом б, вершина которого заходит в воронку и расположена в плоскости торца трубки подачи хладагента, К боковой поверхности направляющего конуса б крепятся трубки 7, которые образуют спиральные конические каналы, связывающие периферию воронки со входом во вращающийся ротор. Направляющий конус б установлен на малотеплопроводных опорах 8, содержащих крепящиесяк конусу при помощи, например, резьбового соединения стаканы 9, в которых установлены шарики 10 из малотеплопроводного материала, например керамики, и которые поджимаются пружиной 11 к внутренней поверхности полого вала 5, Опоры устанавливаются взаимно перпендику,- ; лярно междусобой и осью вала 5, В объеме, созданном внутренней поверхностью вала 5 и.тонкостенной втулкой 4, воронкой 2, направляющим конусом б, создается вакуум. Трубку подачи хладагента., втулку 4, сильфон 3, воронку 2, направляющий конус б устанавливают соосно полому валу 5. На концы полого вала 5 устанавливают втулки 12 при помощи резьбового соединения специального профиля таким образом, что канавки резьбового соединения образуют каналы, т,е, получается своеобразный теплообменник. Вал вращающегося объема устанавливают на подшипниках 13, имеются также уплотнения 14 и 15 для разделения различных сред. Кроме того, имеется уплотнение -16 с регулируемой утечкой, через которое допускается дополнительный, перепуск образовавшегося в воронке холодного пара. Этот пар движется по кольцевому зазору, образованному трубкой 4 подачи хладагента с тонкостенной втулкой 4, навстречу теплопритокам к хладагенту по втулке 4 и трубке 1, Все узлы устанавливают в корпус 17, который с торца закрывают крышкой 18. Работает устройство для ввода хладагента во вращающийся объем следующим образом. Жидкий хладагент из неподвижной трубки 1 подачи попадает в воронку 2, На выходе из трубки подачи хладагент начинает подкручиваться направляющим конусом 6. В воронке 2, вращаквдейся вместе с валом 5, он также вовлекается во вращение и под действием центробежных сил перемещается на периферию воронки, где попадает в спиральные конические каналы трубок 7. В каналах хладагент движется под действием центробежных сил, кроме того в них он {разгоняется и откачивается из воронкн самими каналами, т,е. спиральные каналы вьтолняют функцию нассюа, Из каналов хладагент попадает во вращающийся ротор. Выполнение каналов в виде спирали с постоянным углом подъема обеспечивает движение хладагента с наименьшими потерями энергии. Образующийся в воронке пар частично отводится по кольцевому зазору между втулкой 4 и трубкой 1 через уплотнение 16 с регулируемой утечкой в камеру для сбора отработанного, газообразного хладагента. Количество каналов выбирают, исходя из нужд охлаждаемого объема, каждый из каналов может подавать хладагент с одним и тем же давлением на входе но с разным расходом. Потери на испарение хладагента за счет теплопри токов от вала сведены до минимума за счет соединения приемных вращающихся элементов для направления хладагента с валом через тонкостенную втулку и тепловой мост, с одной стороны, и за счет установки этих элементов на малотеплопроводных опо рах, -с другой стороны. Тепловой мос например, тонкостенная трубка и силь фон, значительно снижает теплопритоки. Установка вращающихся направляющи элементов узла ввода на предложенных опорах обеспечивает минимальные теплопритоки от вала из-за точечного контакта опор с внутренней поверхностью вала, и в то же время позволяется центрировать направляющие эле менты. Соединение приемной горловины с объемом ротора при помощи спиральных конических каналов приводит к уменьшению потерь жидкого хладагента на испарение за счет более организованного движения его после введения во вращающиеся элементы. При попадании на стенки приемной горловины он по действием центробежных сил транспортируется на периферию горловины, зат попадает в спиральные конические ка налы, где также разгоняется и откачи вается ими из горловины. Кроме того наличие спиральных конических канало в случае ввода хладагента в ротор электрической машины со сложной системой каналов охлаждения сверхпроводящей обмотки позволяет исключить влияние газовых пробок, возникающих от. теплопритоков со стороны сверхпро водящей обмотки и гидравлических по (терь, на эффективность охлаждения обмотки. Окружная скорость хладаген та приближается к окружной скорос.ти ротора, что снижает трение слоев хладагента один о другой и о стенку приемной горловины, а значит и умень шается парообразование. Уменьшение потерь жидкой фазы Хладагента на испарение из-за генера ции, тепла при трении жидкости о пар скапливающийся в центральной части .приемной горловины, ввиду различия их скоростей вращения достигается установкой направляющего конуса. Устанавливают его соосно валу таким образом, что его вершина заходит в воронку и располагается в -плоскости торца трубки подачи хладагента. На- правляюгдий конус вакууумноплотно соединен с воронкой для предотвращения попадания хладагента в изолирующее вакуумное пространство. Хладагент Б случае такой установки конуса транспортируется по кольцевому зазору, а выделяющийся пар, котор лй окружает направляющий конус, ввиду небольшой толщины его слоя закручивается со скоростью, близкой к скорости вращения хладагента. Кроме того, направляющий конус выполняет и другую функцию - к его боковой поверхности прикреплены трубки со спиральными каналами, что препятствуетразрушению последних от действия центробежных сил о Применение предложенного устройства обеспечивает более эффективную подачу хладагента- для охлаждения внутреннего объема, например, ротора злектрической MaiJKtiu, Это достигается уг- еньшением потерь хладагента на испарение за счет уменьшения тепловых потерь от вала, так как установка вращающихся элементов в валу выполняется через тепловуо развязку, например сильфок, и глоры с малыми теплопритскам -: Повьт1.ание эффектт-вкости работы устройствг. i достигается также снижением вьделения тепла пуtervi уменьшения поторь на трение слоев хладагента один .о другой, а также хладагента о воромку и образующийся в центральной част горловины пар за счет лучшего отвода его из воровки и пр менения направляющего конуса, заходящего в приемную горловину. в результата получают экономию расхода жидко фазы хладагента, например при охла:едении сверхпроводящей обмотки генегатора, обеспечивает более низкую Tej neратуру охлаждаемого объекта при параметрах хладагента. изобретения 1. Устройство для ввода криогенного хладагента во вращающийся объект, например в ;ротор электрической машины, содержащее неподвижную вакуумноизолированную трубку подачи хладагента, введенную в полый вал с его торца, и закрепленную внутри вала, сообщающуюся с ротором во-, ронку, в ко.торой размещен торец упомянутой трубки, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности, оно снабжено установленным вершиной в воронке направлянщим конусом с каналами по его периферии для сообщения с ротором, каждый из которых имеет конической спирали с постоянным углом подъема, .и вакуумноплотной закрепленной в валу тонкостенной тулкой, к которой присоединена, например, через сильфон упомянутая воронка. 2.Устройство по п.1, о тли ч а ю щ е е с я тем, что вершина направляйадего конуса расположена в плоскости торца упомянутой трубки. 3,Устройство по П.1, о т л и - чающее с я тем, что торцовая .зона упомянутой трубки и охватывающая ее часть воронки имеют одинако вый профиль, например, сопла Лазал 4.Устройство по п.1,0 т л и ч а щ е е с я тем,что направляющий кону вакуумноплотно соединен с воронкой : , :8 5, Устройство по пЛ, отличающееся тем, что направляющий конус установлен на валу на опорах, выполненных в виде стаканов, в которых размещены подпружиненные шарики, выполненные из малотеплоприводного материала, например керамики. 6. Устройство ПОПП.1, 50ТЛИчающееся тем, что упомянутые опоры расположены по длине направляющего конуса и установлены во взаимноперпендикулярных плоскостях. Источники инфоЕ 1ации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3845639, кл. 310-61, 1974. 2.Патент США № 3745389, кл. 31040, 1973. 3.Патент ClJA №3809993, кл. 310-52, 1974.