Ротор криогенного турбогенератора
В основу полезной модели поставлена задача - повышение надежности конструкции, а также упрощение обслуживающей системы криостатирования. Ротор криогенного турбогенератора содержит обмотку возбуждения, состоящую из катушек, размещенных в металлическом каркасе. Каркас заключен в бандажный цилиндр, охватываемый размещенным в вакуумной полости тепловым экраном. Тепловой экран закрыт наружным электромагнитным экраном, выполненном в виде наборного цилиндра, закрытого торцевыми крышками. Крышки соединены с моментопередающими трубам. Ротор снабжен системой криостатирования, а в приторцевых зонах ротора имеются вакуумные полости. От прототипа ротор отличается тем, что в качестве элементов системы криостатирования используют две двухступенчатые микрокриогенные установки, работающие на основе квазицикла Гиффорда и Мак-Магона. Микрокриогенные установки торцами вторых ступеней контактируют с торцами каркаса обмотки возбуждения, первые ступени микрокриогенных установок контактируют с торцевыми крышками теплового экрана. Обмотка возбуждения выполнена из высокотемпературного сверхпроводника. Целесообразно обмотку возбуждения выполнить на основе висмутовой керамики.
Полезная модель относится к узлам электрических машин с обмотками, работающими при криогенных (сверхнизких) температурах, а именно к роторам с сверхпроводниковой обмоткой возбуждения.
В качестве прототипа выбран ротор сверхпроводящего турбогенератора мощностью 20 МВ
А [И.А.Глебов и др. Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости.- Ленинград. Изд. «Наука» Ленинградское отделение, 1980, рис.3.6]. Ротор содержит обмотку возбуждения из низкотемпературного сверхпроводника (ниобия титана), заключенную в каркас. Каркас обмотки закреплен в бандажном цилиндре, который в свою очередь охватывается цилиндрическим тепловым многослойным экраном, который находится в вакуумной полости внутри объема ротора, ограниченного электромагнитным экраном. Электромагнитный экран закрыт торцевыми крышками, соединенными с торцевыми моментопередающими трубами. В приторцевых зонах имеются вакуумные полости. Во внутреннем объеме ротора имеются каналы и полости для циркуляции хладагента - жидкого гелия. Основным недостатком прототипа является то, что при работе турбогенератора жидкий гелий испаряется, что приводит к повышению до критического внутриполостного давления, и может стать причиной аварии. Система охлаждения машины и, ротора в частности, с использованием жидкого гелия, является сложной и требует применения дорогостоящего оборудования.
Кроме того, применение обмотки из ниобия титана не позволяет осуществлять быструю регулировку тока (не выше 10 А/с), поскольку при выделении энергии низкотемпературный сверхпроводник переходит в резистивное состояние.
В основу полезной модели поставлена задача - повышение надежности конструкции, а также упрощение обслуживающей системы криостатирования.
Поставленная задача решается следующим образом. Ротор криогенного турбогенератора содержит обмотку возбуждения, состоящую из катушек, размещенных в металлическом каркасе. Каркас заключен в бандажный цилиндр, охватываемый размещенным в вакуумной полости тепловым экраном. Тепловой
экран закрыт наружным электромагнитным экраном, выполненном в виде наборного цилиндра, закрытого торцевыми крышками. Крышки соединены с моментопередающими трубам. Ротор снабжен системой криостатирования, а в приторцевых зонах ротора имеются вакуумные полости. От прототипа ротор отличается тем, что в качестве элементов системы криостатирования используют две двухступенчатые микрокриогенные установки, работающие на основе квазицикла Гиффорда и Мак-Магона. Микрокриогенные установки торцами вторых ступеней контактируют с торцами каркаса обмотки возбуждения, первые ступени микрокриогенных установок контактируют с торцевыми крышками теплового экрана. Обмотка возбуждения выполнена из высокотемпературного сверхпроводника. Целесообразно обмотку возбуждения выполнить на основе висмутовой керамики.
На Фигуре представлен продольный разрез ротора. Более подробно сущность полезной модели раскрывается в приведенном ниже примере реализации.
Обмотка возбуждения ротора, состоящая из трековых катушек, выполнена из высокотемпературного сверхпроводника и размещена в металлическом каркасе 1. В качестве высокотемпературного сверхпроводника использована висмутовая керамика, например Bi-2223/Ag. Возможно использование других высокотемпературных сверхпроводников, например, иттриевой керамики. Каркас катушки размещен в бандажном цилиндре 2, коаксиально его охватывающем. Поверх бандажного цилиндра 2 установлен тепловой экран 3, выполненный в форме обечайки с торцевыми крышками. На торцах бандажного цилиндра 2 выполнены кольцевые выступы, по которым осуществляется контакт с внутренней поверхностью теплового экрана. Тепловой экран 3 размещен в вакуумной камере, которая сформирована внутри ротора под его наружным электромагнитным экраном 4. Кольцевая камера между наружной поверхностью бандажного цилиндра и внутренней поверхностью теплового экрана также вакуумирована. По обе стороны от обмотки возбуждения имеется по две вакуумных камеры: первая камера 5 - до поперечной перегородки 6 в полости теплового экрана, вторая камера 7 - до торцевой крышки 8 теплового экрана. Торцы электромагнитного экрана 4 закрыты торцевыми крышками 9, соединенными с моментопередающими трубами 10. Их конструкция позволяет передать крутящий момент ротору от
турбины, а также осуществить подвод коммуникаций, обеспечивающих подвод питания к обмотке возбуждения, подвод хладагента криоголовки, откачку вакуума и т.д.
Через моментопередающие трубы с двух сторон внутрь ротора введены двухступенчатые микрокриогенные установки, работающие на основе квазицикла Гиффорда и Мак-Магона. В качестве таких установок могут использоваться, в частности, установки COOLPOWER 12/45 серии COOLPAK фирмы LEYBOLD [информацию можно найти в сети Интернет по адресу www.leybold.ru]. Микрокриогенные установки торцами вторых ступеней 11 контактируют с торцами каркаса 1 обмотки возбуждения, а корпус первой ступени 12 контактирует с торцевыми крышками 8 теплового экрана.
Устройство работает следующим образом.
Захолаживание обмотки возбуждения осуществляется за счет контакта ее каркаса со вторыми ступенями микрокриогенных установок. Тепловой экран охлаждается за счет контакта с первыми ступенями микрокриогенных установок. При этом температура в камере 7 составляет 80 К, а в камере 5-20 К и ниже. При такой температуре обмотка возбуждения ротора находится в сверхпроводящем состоянии и создает магнитное поле в зоне обмотки якоря, которое при вращении ротора индуцирует ЭДС в обмотке якоря.
Использование микрокриогенных установок, работающих на основе квазицикла Гиффорда и Мак-Магона позволяет упростить конструкцию и повысить ее надежность поскольку исключает выпаривание охладителя в полости ротора. Кроме того, эти охладители не требуют дорогостоящего сложного оборудования для функционирования системы криостатирования.
1. Ротор криогенного турбогенератора, содержащий обмотку возбуждения, состоящую из катушек, размещенных в металлическом каркасе, который заключен в бандажный цилиндр, охватываемый размещенным в вакуумной полости тепловым экраном, который закрыт наружным электромагнитным экраном, выполненным в виде наборного цилиндра, закрытого торцевыми крышками, соединенными с моментопередающими трубами, при этом ротор снабжен системой криостатирования, а в приторцевых зонах ротора имеются вакуумные полости, отличающийся тем, что в качестве элементов системы криостатирования используют две двухступенчатые микрокриогенные установки, работающие на основе квазицикла Гиффорда и Мак-Магона, при этом микрокриогенные установки торцами вторых ступеней контактируют с торцами каркаса обмотки возбуждения, первые ступени микрокриогенных установок контактируют с торцевыми крышками теплового экрана, а обмотка возбуждения выполнена из высокотемпературного сверхпроводника.
2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что обмотка возбуждения выполнена на основе висмутовой керамики.
