РОТОР КРИОГЕННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Советский патент 1994 года по МПК H02K9/197 H02K55/02 

Изобретение относится к криогенным электрическим машинам, в частности к ротору этих машин, имеющему сверхпроводниковую обмотку.

Известен ротор криогенной электрической машины, содержащий сверхпроводниковую обмотку, силовую трубу, цапфы, тепловые подвески, высоковакуумную изоляцию, каналы входа и выхода криоагента, в котором, с целью уменьшения расхода криоагента путем снижения притока тепла по тепловым подвескам к обмотке подвески выполнены из материала с высоким тепловым сопротивлением и развитой длиной за счет концентрично расположенных труб, с одним буртом на конце каждой из них, соединенных между собой и совместно образующих кольцо с торцовыми гофрами.

Внутренняя и внешняя трубы тепловой подвески своими свободными торцами крепятся соответственно к силовой трубе и цапфе.

Криоагент подают по центральному каналу ротора в специальный канал, откуда он поступает на охлаждение катушки и затем по отводящим каналам, минуя подвески, выходит из ротора в газосборник для обратного цикла работы.

Внутренняя полость ротора имеет вакуумную изоляцию, необходимую для уменьшения притока тепла от излучения, поступающего к сверхпроводниковой обмотке.

В известном роторе длину тепловой подвески составляет сумма длин всех труб, образующих подвеску. При этом указанные трубы располагают концентрично от максимального диаметра, равного диаметру силовой трубы, до минимального, равного диаметру цапфы.

Выполнение подвески определенной длины за счет большого количества труб и необходимость в связи с этим расположения труб на малом диаметре, близком к диаметру цапфы, приводит к значительному снижению жесткости подвески и ротора в целом и соответственно увеличению его вибраций и снижению надежности.

Повышение жесткости ротора в данной конструкции в основном зависит от увеличения жесткости тепловой подвески, а это возможно за счет сокращения количества труб, их длин и расположения их на большем диаметре, что приводит к уменьшению общей длины подвески, и в свою очередь, к увеличению притока тепла по ней к обмотке и увеличению расхода криоагента при криостатировании.

Известен также ротор криогенной электрической машины, который принят за прототип, содержащий сверхпроводниковую обмотку, теплоизолирующий экран цилиндрической формы с вакуумной полостью, охватывающий указанную обмотку и своими торцами крепящийся к цапфам, теплоизолирующие заглушки, расположенные с торцовых сторон ротора и имеющие вакуумные полости, охватывающие концевые части обмотки.

В известном роторе внутренняя обечайка теплоизолирующего экрана является силовой трубой, а концевые части последней совместно с сопрягаемыми с ними наружными обечайками теплоизолирующих заглушек образуют две симметрично расположенные тепловые подвески ротора с каналами для прохода криоагента.

Такое техническое решение позволяет сократить осевые размеры ротора при сох - ранении расхода криоагента.

Однако известная конструкция ротора имеет следующие недостатки.

Посадочные поверхности внешней обечайки теплоизолирующей заглушки и силовой трубы на значительной длине должны быть выполнены с большой точностью для обеспечения минимальных перетечек криоагента по зазору. Это представляет большую технологическую сложность и затрудняет ремонтоспособность ротора.

Отработанный криоагент, выходящий из каналов тепловых подвесок к концевым частям ротора, т. е. двумя потоками, требует при выводе его из последнего, для сбора и обратного цикла работы, две специальные статические камеры с уплотняющими устройствами с каждой стороны ротора или возврата одного из потоков по специальным газоотводящим каналам, расположенным внутри ротора - для вывода криоагента с одной стороны.

Вышеуказанное техническое решение при любом из двух отмеченных исполнений связано с введением большого количества конструктивных элементов в роторе, что приводит к усложнению его конструкции и, в свою очередь, к снижению надежности.

Целью изобретения является упрощение конструкции и увеличение надежности ротора при снижении расхода криоагента путем уменьшения теплопритока к обмотке.

Цель достигается тем, что в известном роторе, содержащем сверхпроводниковую обмотку, теплоизолирующий экран с вакуумной полостью и каналы для прохода криоагента, теплоизолирующий экран выполнен из двух стаканов, концентрично вставленных один в другой днищами наружу, при этом сверхпроводниковая обмотка расположена в полости, образованной днищами и внутренней поверхностью охватываемого стакана, а на наружной поверхности этого стакана выполнены кольцевые канавки и продольные пазы, причем в части канавок установлены разрезные кольца, прорези которых с вышеуказанными пазами и канавками, свободными от колец, образуют канал для прохода криоагента.

На фиг. 1 изображен общий вид ротора криогенной электрической машины; на фиг. 2 - охватывающий теплоизолирующий стакан; на фиг. 3 - охватываемый теплоизолирующий стакан; на фиг. 4 - сопряженные поверхности теплоизолирующих стаканов.

Ротор содержит сверхпроводниковую обмотку 1, охватывающий теплоизолирующий стакан 2, охватываемый теплоизолирующий стакан 3, разрезные кольца 4, цапфы 5, 6, уплотнения 7, 8, стенку 9 с отверстием 10, уплотнение 11, канал входа криоагента 12, полость 13 со сверхпроводниковой обмоткой, камеру 14, канал прохода криоагента 15, канал выхода криоагента 16.

Охватывающий теплоизолирующий стакан 2, содержит наружную обечайку 17, внутреннюю обечайку 18, наружное днище 19, внутреннее днище 20, фланец 21 и тепловой экран 22.

Охватываемый теплоизолирующий стакан 3 содержит наружную обечайку 23 с кольцевыми канавками 24, выступами 25, несущими канавки 26 для установки разрезных колец 4, продольными пазами 27, двумя центровочными поясками 28 и отверстием 29, внутреннюю обечайку 30, наружное днище 31, внутреннее днище 32, фланцы 33, 34, трубы 35, 36, боковину 37, тепловой экран 38 и токоввод 39.

Сопрягаемые обечайки 18 и 23 теплоизолирующих стаканов образуют тепловую подвеску ротора.

Обечайки 17, 18, днища 19, 20 и фланец 21 охватывающего теплоизолирующего стакана жестко соединены между собой вакуумноплотным швом, например сваркой, и совместно образуют вакуумную полость, в которой расположен тепловой экран 22, крепящийся к обечайке 18 с надежным тепловым контактом.

Обечайки 23, 30, днища 31, 32, фланцы 33, 34, трубы 35, 36 и боковина 37 охватываемого теплоизолирующего стакана соединены между собой аналогично деталям охватывающего стакана и совместно образуют также вакуумную полость, в которой расположен тепловой экран 38, крепящийся к обечайке 23 с надежным тепловым контактом.

Сопрягаемые поверхности теплоизолирующих стаканов (см. фиг. 4) имеют зазор между наружной поверхностью выступов 25 и внутренней поверхностью обечайки 18, облегчающий монтаж и демонтаж стаканов, и центровочные буртики 28, расположенные по концам обечайки 23. Тепловые экраны 22 и 38 изготовлены из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например из меди, вакуумные полости вышеуказанных стаканов и тепловые экраны служат для уменьшения притока тепла от излучения, поступающего к сверхпроводниковой обмотке. Кольцевые канавки 24 и выступы 25 выполнены чередующимися по длине обечайки 23.

Продольные пазы 27 соединяют соседние канавки 24 и смещены друг относительно друга последовательно на некоторый угол, в конкретном исполнении - на 180^о (на фиг. 3 показано пунктирной линией).

Разрезные кольца 4 изготовлены из материала, обладающего немагнитными и упругими свойствами, например из высокопрочной немагнитной стали или бронзы, и вставлены в кольцевые канавки 26 так, что прорези колец совмещены с пазами 27 и от проворота фиксируются любым известным способом, например, раскерниванием выступов 25 со стороны пазов 27 (на фиг. 3 показано буквой А).

Разрезные кольца выполнены с минимальным технологически обеспечиваемым торцовым зазором. Наружный диаметр колец имеет диаметр несколько больший внутреннего диаметра обечайки 18, что обеспечивает беззазорное прилегание вышеуказанных поверхностей и позволяет свести до минимума перетекание криоагента через эти поверхности. Внутренний диаметр колец имеет зазор с канавкой 26, облегчающий монтаж и демонтаж стаканов.

Стаканы вставлены один в другой и крепятся своими фланцами 21 и 34 любым известным способом, например болтами, при этом пазы 27 и канавки 24 образуют канал прохода криоагента 15 по тепловой подвеске.

Место соединения фланцев 21 и 34 уплотняют прокладкой 7, например резиновой, предохраняющей утечку криоагента из канала 15 в атмосферу.

Сверхпроводниковая обмотка крепится к внутренней поверхности обечайки 30 охватываемого теплоизолирующего стакана любым известным способом, например болтами, и от проворота ее фиксируют шпонкой, вышеуказанная обечайка является силовым элементом ротора, передает крутящий момент и удерживает обмотку от центробежных сил при вращении его.

Стенка 9 крепится к фланцу 33 охватываемого теплоизолирующего стакана, например, болтами, при этом место соединения герметизируется прокладкой 11, изготовленной из материала, обладающего уплотняющими способностями при низких температурах, например из индия.

К наружному днищу 19 охватывающего стакана крепится цапфа 5, а к фланцу 34 охватываемого стакана - цапфа 6 любым известным способом, например болтами. Место соединения фланца 34 с цапфой 6 герметизируют прокладкой 8, например резиновой, препятствующей утечке криоагента через соединение в атмосферу.

Токоввод 39 расположен в специальном канале тела обечайки 23 и охлаждается выходящим криоагентом. Возможно расположение токоввода в канале прохода криоагента, по подвеске.

При криостатировании сверхпроводниковой обмотки 1 криоагент при вращающемся роторе подают в канал входа 12, откуда он поступает в полость 13, где происходит охлаждение сверхпроводниковой обмотки до рабочей температуры. Из полости 13 газообразный криоагент через отверстие 10 поступает в камеру 14, затем в канал 15 подвески, где последовательно проходит по кольцевым канавкам 24 (см. фиг. 3) через соединяющие их пазы 27, совмещенные с прорезями колец 4, и через отверстие 29 попадает в канал выхода 16 на эвакуацию его из ротор для сбора и обратного цикла работы.

Изобретение позволяет упростить конструкцию ротора и соответственно увеличить его надежность и облегчить ремонтоспособность за счет выполнения теплоизолирующих стаканов, вставленных один в другой с гарантийным зазором, исключения конструктивных элементов возврата обратного потока криоагента на одну сторону или одной из двух газосборных камер со специальными уплотнениями, а также за счет сокращения количества теплоизолирующих вакуумных полостей, вместо трех в известном - до двух и соответственно сокращения общей длины вакуумно-плотного шва. Это позволяет увеличить длину тепловой подвески по сравнению с известным ротором в три раза при сохранении его осевых размеров.

За счет увеличения длины тепловой подвески увеличивается ее тепловое сопротивление и сокращается теплоприток к катушке. Это, в свою очередь, приводит к сокращению расхода криоагента на криостатирование обмотки на 10-12% . (56) Патент США N 3891875, кл. 310-40, 1976.

Авторское свидетельство СССР N 542305, кл. Н 02 К 9/16, 1975.

РОТОР КРИОГЕННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, имеющий сверхпроводниковую обмотку, теплоизолирующий экран с вакуумной полостью, каналы для прохода криоагента, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и увеличения надежности ротора при снижении расхода криоагента, теплоизолирующий экран выполнен из двух стаканов, концентрично вставленных один в другой днищами наружу, при этом сверхпроводниковая обмотка расположена в полости, образованной днищами и внутренней поверхностью охватываемого стакана, а на наружной поверхности этого стакана расположены кольцевые канавки и продольные пазы, причем в части канавок установлены разрезные кольца, прорези которых с вышеуказанными пазами и остальными канавками, свободными от колец, образуют канал для прохода криоагента.