DE2019956A1

DE2019956A1 - Anordnung zur Kuehlung von Rotationskoerpern

Info

Publication number: DE2019956A1
Application number: DE19702019956
Authority: DE
Inventors: Paul Dr Rer Nat Fries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-04-24
Filing date: 1970-04-24
Publication date: 1971-11-04
Also published as: SE361794B; CA918730A; AT306167B; US3765480A; JPS5214452B1; CH528170A

Description

Anordnung zur Kühlung von Rotationskörpern

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung von Rotationskörpern mit einem Wärmerohr, das ein verdampfbares Arbeitsmedium enthält und bei dem die Zentrifugalbeschleunigung zur · Rückführung des Kondensats in die Verdampfungszone ausnützbar ist, wobei Arbeitsmedium enthaltende Höhlungen im· Bereich der Erwärmungszonen an der Peripherie des Rotationskörpers angeordnet sind.

Beispielsweise aus einer Veröffentlichung der "American Socienty of Mechanical Engineers", New York, Aug. 1969 (ASME Publication 69-HT-19) von H. Gray, mit dem Titeli·"The Rotating Heat Pipe - A Wickless, Holbw Shaft for Transferring High Heat Fluxes" ist eine Anordnung zur Kühlung von Rotationskörpern bekannt, bei der die Drehachse des Rotationskörpers als Wärmerohr ausgebildet ist, das ein verdampfbares Arbeitsmedium enthält. Die Wandung des Wärmerohres wird bei Rotation vermittels der Zentrifugalkraft mit dem Arbeitsmedium ausgekleidet. Das Arbeitsmedium verdampft im Betriebszustand, kondensiert in einem Kondensationsraum, der sich außerhalb des Rotationskörpers an den Wellenenden befindet und fließt ebenfalls vermittels der Zentrifugalkraft wieder in den Verdampfungsraum zurück. Mit dem verdampften Arbeitsmedium wird die Verlustwärme aus dem Rotationskörper in den Kondensationaraum und von dort nach außen abgeführt. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise zur Kühlung elektrischer Maschinen gut geeignet. Schwierigkeiten treten jedoch bei größeren Rotationskörpern, insbesondere bei

109845/1567

ORIGINAL [NSPECTED

VPA 70/3086

Rotationskörpern größeren Durchmessers auf, vor allem dann, wenn die Verlustwärme in Erwärmungszonen entsteht, die an der Peripherie des Rotationskörpers liegen und sich dort zu hohen Werten auf summiert. Die Wärmeabfuhr über die Dreu -?elle ist in diesem Fall mit einem hohen Wärmewiderstand behaftet, dem der . Wärmestrom im Rotationskörper ausgesetzt ist. Außerdem kann die wärmeübertragende Wandung des Wärmerohres für den alleinigen Wärmeumsatz zu klein werden. Bei solchen Rotationskörpern wird daher mit der bekannten Kühlanordnung nicht immer eine, z.B. für die Betriebssicherheit einer größeren elektrischen Maschine ausreichende Abfuhr der Verlustwärme zu erreichen sein.

Bekannt ist z.B. aus der genannten Veröffentlichung eine Anordnung zur Kühlung von Turbinenschaufeln, bei der die Schaufelradwelle als Wärmerohr ausgebildet und Höhlungen in den Turbinenschaufeln vorgesehen sind, die jeweils über ein Rohr geringen Querschnitts mit dem.Wärmerohr verbunden sind. Im Betriebszustand wird vermittels der Zentrifugalkraft die Wandung des Wärmerohres auch hier mit dem Arbeitsmedium ausgekleidet und das Arbeitsmedium in die Höhlungen der Turbinenschaufeln gepreßt. Das Arbeitsmedium wird hauptsächlich in den Höhlungen der Turbinenschaufeln verdampft. Der Wärmetransport von den Turbinenschaufeln zum Wärmerohr erfolgt mit einem Strom von Gasblasen des Arbeitsmediums und durch natürliche Konvektion des erwärmten Arbeitsmediums in den Verbindungaröhren. Dieser Wärmetransport mit Gasblasen und erwärmtem Arbeitsmedium muß· gegen die Strömung des kalten Arbeitsmediums in diesen Verbindung sr öhr en erfolgen. Der Wärmestromweg ist daher ebenfalls mit einem großen Wärmewiderstand behaftet. Außerdem ist bei größeren Verlustleistungen die Wärmeübergangsfläche des Wärmerohres wiederum zu klein. Die aufgezeigten Probleme sind daher mit diesem Vorschlag nicht zu lösen.

- 3 " 1 09 845/1S67

BAD ORiGINAL

VPA 70/3086

Es besteht die Aufgabe, eine Anordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch bei hoher Verlustwärme eine genügende Kühlung des Rotationskörpers zu erhalten ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Höhlungen direkt in einen Kondensationsraum münden, der'an einer Stirnfläche des Rotationskörpers vorgesehen ist.

Die Höhlungen können kanalartig ausgebildet sein. Vorteilhaft ist es, die Höhlungen im Rotationskörper mit Kanälen untereinander netzartig zu verbinden. Es können bei einem in mehrere räumlich getrennte Rotationskörperteile zerfallenden Rotationskörper oder bei mehreren Rotationskörpern, die auf einer als Drehachse dienenden Welle befestigt sind, jeder Rotationskörperteil oder jeder Rotationskörper mit Höhlungen versehen sein, wobei die Höhlungen benachbarter Rotationskörperteile oder Rotationskörper durch Rohrleitungen verbunden sein können und jede Höhlung oder mehrere miteinander vernetzte Höhlungen mit einem Kondensationsraum direkt verbunden sein können, der an der Stirnfläche eines Rotationskörperteiles oder Rotationskörpers angeordnet ist. ,

Es kann auf jeder Stirnfläche eines Rotationskörpers ein Kondensationsraum angeordnet sein. Vorzugsweise weist jeder Kondensationsraum einen Wärmeaustauscherauf, dessen Wärmeaustauschfläche größer als die vom Kondensationsraum auf der Stirnfläche des Rotationskörpers überdeckte Fläche ist. Es kann jeder Kondensationsraum wenigstens angenähert eine Stirnfläche des Rotationskörpers bedecken. Vorteilhaft ist es, den Wärmeaustauscher als Faltflache auszuführen. Die Faltfläche kann balgenartig sein, wobei vorteilhafterweise die Balgenfalten im wesentlichen kreisförmig sind und konzentrisch liegen. Bei einer balgenartigen Faltfläche kann der öffnungswinkel der

;■ ■- _ 4 -

109845/1567

YPA 70/3086

Balgenfalten bei vorgegebener Drehzahl des Rotationskörpers bezüglich des gesamten Wärmeflusses durch die Wärmeaustauschfläche optimiert sein.

Zu einer Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche können mehrere Kondensationsräume vorgesehen sein, die kaskadenartig miteinander verbunden sind.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird direkt am Entstehungsort in den Erwärmungszonen des Rotationskörpers die Verdampfung des Arbeitsmediums bewirkt. Die Verlustwärme wird also nicht zur Welle abgeleitet, Wärmewiderstände in einem Wärmestromweg im Rotationskörper sind daher vermieden. Das in den Höhlungen des Rotationskörpers verdampfte Arbeitsmedium strömt als Dampf direkt in die Kondensationsräume an den Stirnflächen des Rotationskörpers ab. Auch hierbei ist kein Widerstand im Dampfströmungsweg vorhanden. Das Kondensat strömt aus den Kondensationsräumen ebenfalls unmittelbar, und zwar wegen der angreifenden Zentrifugalkraft aß der Außenseite der Verbindungswege in die Verdampfungsräume im Rotationskörper zurück. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei mit Kanälen vernetzten Höhlungen im Rotationskörper getrennte Strömungswege für den Dampf und das Kondensat erhalten werden können. Außerdem kann mit einer SDlchen Vernetzung auch die Kühlung von mehreren Rotationskörpern oder Rotationskörperteilen ohne besonderen weiteren Aufwand erreicht werden. Mit dieser Vernetzung kann auch die Anordnung der Höhlungen im Rotationskörper an spezielle Temperaturprofile angepaßt werden. Beispielsweise kann im Polschuh einer elektrischen Maschine eine der Höhlungen für das Arbeitsmedium an einen Ort geführt sein$ an dem besonders große Verluste auf-• treten. Die erfindungsgemäße Anordnung kann entsprechend dieser Schilderung auch als System verschiedener Wärmerohre aufge-

- 5 109845/1587

VEA 70/3086

faßt werden, die im Rotationskörper "bezüglich des Wärmestromes parallel geschaltet sind und die gemeinsame Kondensationsräume aufweisen. Hervorzuheben ist noch, daß die Größe der Konden- ' sationsflachen und die Wärmeübertragungsflächen des Wärmeaustauschers dem Wärmefluß und damit der entstehenden Verlustwärme in einfachster Weise angepaßt werden können. Die Größe dieser Flächen ist nicht mehr wie bei den bekannten Anordnungen durch den Durchmesser der als Wärmerohr ausgebildeten Welle bedingt. Es läßt sich daher in jedem Fall mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine ausreichende Kühlung erzielen, wobei für extrem hohe Erhitzung kaskadenartig verbundene Kondensationsräume verwendet werden können/ Es können auch außerhalb des Rotationskörpers gelegene Wellenteile hohl ausgebildet und in einen Kondensationsraum einbezogen sein. Falls erforderlich, kann auch die als Drehachse vorgesehene Welle des Rotationskörpers als gesondertes Wärmerohr ausgebildet sein.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Anordnung anhand der Figuren 1 bis 10 beispielhaft näher erläutert/Gleiche Teile sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. In den Figuren 1 bis 9 sind verschiedene Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung schematisch dargestellt. Fig. 10 zeigt die erfindungsgemäße Kühlung des Rotors eines Schwungrad-Dieselgenerators.

Fig. 1 zeigt einen Rotationskörper 1 im Schnitt, Dieser Rotationskörper ist aus Metall hergestellt und kann beispielsweise der Käufer einer elektrischen Maschine sein. Sowohl die Lager für den Rotationskörper 1, als auch weitere Teile der Anordnung, beispielsweise der Ständer der elektrischen Maschine, sind in dieser Fig., wie auch in den folgenden schematischen Darstellungen nicht enthalten, um die Übersichtlichkeit zu wahren. Der Rotationskörper 1 ist drehbar um eine Welle 2, die

10 9845/156 7

VPA 70/3086

in einer Hauptträgheitsachse des Rotationskörpers 1 liegt. Die Welle 2 hat den Durchmesser s. Pur den Rotationskörper 1 sei angenommen, daß Verlüstwärme hauptsächlich an der Peripherie entsteht. Es ist daher für den Rotationskörper 1 eine Erwärmungszone 1a angenommen, die durch die gestrichelte Linie 3 vom übrigen Teil des Rotationskörpers 1b getrennt ist. Die gestrichelte Linie 3 kann beispielsweise durch Punkte gleicher Temperatur gegeben sein. Bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik müßte die Verlustleistung, wie bereits geschildert, durch den Rotationskörperteil 1b zur Welle 2 abgeleitet werden. Die daraus resultierenden Nachteile wurden bereits ausführlich abgehandelt. In dem Rotationskörper 1 nach Pig. 1 sind in der Erwärmungszone 1a Höhlungen 4 vorgesehen, die direkt in Kondensationsräume 5 münden, die auf beiden Stirnseiten des Rotationskörpers 1 angeordnet sind. Die Höhlungen 4 sind beim Ausführnngsbeispiel nach Pig. 1 kanalartige Bohrungen, deren Längsachsen im wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotationskörpers 1 sind.

Jeder Kondensationsraum 5 bedeckt eine Stirnfläche des Rotationskörpers 1 und ist mit einem Wärmeaustauscher 6 aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise Aluminium, versehen, dessen Wärmeaustauschfläche größer als die zugehörige Stirnfläche des Rotationskörpers 1 ist. Als Wärmeaustauscher für die Kondensationsräume 5 kann jeder dem Problem angepaßte handelsübliche Wärmeaustauscher verwendet werden. Eine Paltfläche als Wärmeaustauscher 6 vorzusehen, hat sich besonders bewährt. Bei einer solchen Faltfläche ist die Querschnittsform und Fläche der Palten beliebig wählbar. Beispielsweise kann die Faltfläche mäanderförmig, wellenförmig oder balgenförmig sein. In Fig. 1 ist eine balgenförmige Faltfläche als Wärmeaustauscher 6 gezeigt, Die Balgenfalten 6a bis 6c sind kreisförmig und liegen konzen-

- 7 -109845/1567

VPA 70/3086

trisch zur Drehachse des Rotationskörpers 1. Der Durchmesser der äußeren Begrenzung der größten Balgenfalte ist R. Der öffnungswinkel jeder Balgenfalte beträgt 2f .Mit dieser PaItflache ist eine Optimierung des gesamten Wärmeflusses durch den Wärmeaustauscher 6 möglich, auf die im folgenden noch gesondert eingegangen wird. Für die Außenseite des Paltfiächenwärmeaustausehers 6 ist eine' gesonderte Kühlung vorgesehen. Diese Kühlung ist durch die Pfeile 7 schematisch veranschaulicht, beispielsweise kann der Wärmeaustauscher 6 mit einem Luftstrom oder mit einem flüssigen Kühlmedium, z.B. mit Wasser, bespült werden. Eine Kondensationsflache 6, wie sie in Pig. 1 dargestellt ist, muß gegen radiale Aufblähung unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft mechanisch geschützt werden. In Pig. ist daher an einem der Wärmeaustauscher 6 ein Expansionsschutzring 8 vorgesehen. Die gegenseitigeAbstützung der Palten der Kondensatfläche 6 erfolgt z.B. durch Spreizringe 9, die mit Durchtrittsöffnungen 9a für das Kühlmittel versehen sind. Mit diesen Spreizringen 9 kann außerdem noch eine laminare Kühl-.' mittelströmung in eine turbulente Strömung umgewandelt werden, wodurch der Wärmeaustausch verbessert wird ο

Die Kondensationsräume 5 und die als Verdampfungsräume wirkenden Höhlungen 4 im Rotationskörper 1 enthalten ein Arbeitsmedium, das eine hohe Verdampfungswärme besitzt und dessen Dampfdruck bei der zulässigen Ewärmungstemperatur des Rotationskörpers unter der Druckfestigkeit des Rotationskörpers liegt. Außerdem muß das Arbeitsmedium chemisch beständig sein, um z.B. die Bildung eines Gaspolsters in den Kondensationsräumen zu vermeiden. Im Betriebszustand_s d.h. bei Rotation des Rotationskörpers 1 werden vermittels der Zentrifugalkraft die der Peripherie des Rotationskörpers 1 zugewandten Wandungen der Verdamp^ungsräui&e 4 alt dem Arbeitsmedium ausgekleidet. Das

109845/1567

VPA 70/3086

Arbeitsmedium verdampft und der Dampf strömt aus den Verdampfungsräumen 4 in die Kondensationsräume 5 ab. Die Dampfströmung ist in Fig. 1 mit den gestrichelten Pfeilen 10 gekennzeichnet. In den Kondensationsräumen 5 kondensiert der Dampf an den Wärmeübertragungsflächen des Faltflächenwärmeaustauschers 6 und die im Rotationskörper 1 erzeugte Verlustwärme wird dabei nach außen abgeführt. Das Kondensat strömt in die Verdampfungsräume 4 zurück. Die Verdampfungs- und Kondensationsräume 4 und 5 bilden also ein hermetisch abgeschlossenes System, in dem das Arbeitsmedium als Wärmeträgermittel unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft zirkuliert. Die Zurückführung des Kondensats erfolgt wegen der angreifenden Zentrifugalkraft ebenfalls an der Peripherie der Kondensationsräume 5 und des Rotationskörpers 1. Das in die Höhlungen 4 zurückströmende Kondensat ist in der Fig. durch die Pfeile 11 charakterisiert. Mit Hilfe der Zentrifugalkraft erfolgt also bei der beschriebenen Vorrichtung eine Trennung der Dampfströmung 10 und des zurückströmenden Kondensats 11. Wärmewiderstände im Wärmestromweg zur Ableitung der Verlustwärme treten also bei der beschriebenen Vorrichtung praktisch nicht auf, da ein Wärmestrom über den Rotationskörper 1 vermieden ist und die Dampfströmung 10 und die Strömung 11 des Kondensates getrennt sind. Außerdem steht ein Wärmeaustauscher 6 mit sehr großer Wärmeübertragungsfläche für den Wärmeumsatz zur Verfügung. Es lassen sich daher mit der in Fig. 1 dargestellten Kühlungsvorrichtung die Vorteile erhalten, die bereits ausführlich dargelegt wurden.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Rotationskörper nach Fig. 1 längs der Linie H-II. Die Fig. 2 zeigt, daß beim darge- . stellten Ausführungsbeispiel die Verdampfungsräume 4 rotationssymmetrisch zur Drehachse des Rotationskörpers 1 verteilt sind. Es ist jedoch zu betonen, daß auch eine unsymmetrische Verteilung gewählt sein kann. Mit einer solchen unsymmetrischen Ver-

109845/1567 " ⁹ "

VPA 70/3086

teilung der Höhlungen4 kann, wie bereits erwähnt wurde, eine anisotrope Temperaturverteilung im Rotationskörper Tdurch die Kühlung ausgeglichen werden.

Es wurde bereits angeführt, daß sich der öffnungswinkel 2/ Balgenfalten 6a bis 6c einer Faltfläche 6, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, bezüglich des gesamten Wärmeflusses Q durch dieWärmeaustausehflache des Wärmeaustauschers 6 optimieren läßt. Zur Optimierung wird eine von W. Nusselt unter dem Titel ^MDie Oberflächenkondensation des Wasserdampfes" in der Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, Band 60, 1916, . Seiten 541 bis 546 und 569 bis 575 veröffentlichte Theorie benützt, die entsprechend dem vorliegenden Problem zu modifizieren ist. Nusselt berechnet den Kondensationskoeffizienten, die Stärke der sich bildenden Kondensathaut und den Wärmefluß bei der Kondensation von strömendem Dampf an einer senkrecht stehenden Wand konstanter Breite unter dem Einfluß der Schwerkraft. Die Berechnung geht von den Navier-Stokesschen Bewegungsgleichungen einer zähen Flüssigkeit aus, die unter einschränkenden Voraussetzungen modifiziert werden und deren Integration zu den genannten Größen führt.

TJm die Nusselt'sehe Wasserhauttheorie a*sf das vorliegende Kondensationsproblem an einer balgenähnlichen Faltfläche mit kreisförmigen, konzentrisch liegenden, im Querschnitt kegelförmigen Balgenfalten übertragen zu können, wird wie in Fig. 3 gezeigt, die Faltfläche 6 auf eine Kegelstumpfmantelfläche 12 reduziert. Diese Näherung ist sinnvoll, da bei der Rotation der Dampf und das Kondensat gegen die der Zentrifugalkraft ausgesetzten Flachen 13a bis 13c der Balgenfalten 6a bis 6c gepreßt werden. An diesen Flächen bildet sich daher eine Kondensathaut aus. An den Flächen Ha und 14b der Balgenfalten in Fig. 3 kann sich· bei einer Kondensation unter Einfluß der Zentrifugalkraft eine

- 10 τ 109845/1567

ORIGINAL

YPA 70/3086

statistisch verteilte Tropfenkondensation ausbilden. Die Tropfen werden zentrifugal abgeschleudert. Der Wärmeübergang durch die Flächen 14a und Hb ist also nur von einer vernachlässigbaren Kondensathaut behindert. Von der Ortimierung bleibt daher dieser Wärmeübergang unberührt und es braucht nur der Beitrag der der Zentrifugalkraft ausgesetzten Balgenflächen 13a bis 13c betrachtet zu werden. Aus diesen Flächen ist die Kegelmantelfläche 12 der Fig. 3 zusammengefügt.

Bei einer um die Drehachse 15 mit der Drehzahl f rotierenden Kegelmantelfläche 12 nimmt mit r die Zentrifugalbeschleunigung b und damit auch deren Tangentialkomponente b^ längs einer Mantellinie der Kegelmantelfläche 12 zu. Das Kondensat ist also mit wachsendem Abstand von der Drehachse 15 zunehmenden, in Wandrichtung liegenden Kräften ausgesetzt₉ die es nach außen zu treiben trachten. Außerdem wird mit wachsendem r der Umfang des Kegelmantels 12 größer. Die ia die lusselt'sche Theorie eingehende konstante Erdbeschleunigung g muß daher durch die veränderliche Tangentialbeschleunigung b. und die in der Nusselt'sehen Theorie konstante Wandbreite der senkrecht stehenden Wand durch den veränderlichen Kegelmantelumfang ersetzt werden.

Legt man das in Fig. 3 angegebene Koordinatensystem (x, y zugrunde, so kann man analog der Nusselt'sehen Theorie die Schichtdicke der Kondensathaut und die Wärmeübertragungszahl Ot(X¹) bei Zentrifugalkondensation in einem Kegelraum berechnen. Beide Größen sind von χ und ^- abhängig. Aus der Wärmeübergangssahl «f (x*) des Kondensats, der Wärmeleitzahl A des Materials der Kegel stumpf wand sowie der Wärmeübergangszahl «£". an der Außenfläche des Kegels kann man die mittler© Wärmedurchgangazahl entlang des Kegelkondehsers bilden und hieraus den

- 11 109-845/1567

ORIGINAL INSPECTED

VPA 70/3086

Wärmedurchfluß Q durch die mit Kondensathaut bedeckten Flächen bestimmen. Unter der Voraussetzung, daß die Wandstärke des Kegelmantels 12 sehr klein gegenüber der Wärmeleitzahl des Materials der Kegelwand ist, erhält man für Q:

,^w y

worin T L⁰CJ die Sättigungstemperatur des Dampfes, Ϊ-. £°Cj die

Γο ~] Kühlmitteltemperatur an der Außenwand des Kegelstumpfes und T_WLCJ

die Temperatur der Kegelwand, w [cal/grj die Verdampfungswärme 5 fgr/cm J die Dichte des Kondensats und V [gr/cm J die dynamische Zähigkeit ,des Kondensats ist. Da zur Berechnung nur die Flächen 13a bis 13c beitragen, ist nur über die in der Fig. 3 zu entnehmenden Grenzen r. zu integrieren. Mit dieser Formel ergibt sich der optimale öffnungswinkel mit

Gegenüber Winkeln, die in der Nähe des Optimalwertes liegen, läßt sich bei gegebener Drehzahl und gegebenen Materialkonstanten mit dem optimierten Winkel eine Erhöhung des Wärmeflusses bis zu einigen Prozent erreichen.

In Fig. ,4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die

- 12 109845/1567

VPA 70/3086

2019356

Verdampfungsräume 4 im Rotationskörper 1 durch Kanäle 4a untereinander verbunden sind, die im Rotationskörper verlaufen. Diese Vernetzung der Höhlungen 4 im Rotationskörper 1 ist ein zusätzliches Verzweigungssystem für die Dampfströmung innerhalb des Rotationskörpers·1. Die Lage der Verdampfungsräume 4 und der Vernetzungskanäle 4a richtet sich wieder nach den konstruktiven Gegebenheiten, beispielsweise nach einer anisotropen Temperaturverteilung im Rotationskörper 4. Auch bei dieser Ausführungsform können die Verdampfungsräume 4 und die Kanäle 4a rotationssymmetrisch sein. Mit der Vernetzung wird der Querschnitt der DampfStrömungswege vergrößert und es wurde bereits angeführt, daß mit der Vernetzung eine praktisch völlige Trennung der DampfStrömungswege 10 und der Strömungswege 11 für das in die Verdampfungsräume 4 zurückfließende Kondensat erreicht werden kann. In der Pig. 4 ist angedeutet, daß sich die Vernetzung bis in den Bereich der Welle 2 fortsetzen kann.

Tig. 5 zeigt im Ausschnitt einen Querschnitt durch einen Rotationskörper 1 nach Pig. 4. Kondensatkanäle 4 befinden sich im Bereich der Erwärmungszone Ta. Die Längsachsen dieser Höhlungen 4 brauchen nicht nur parallel zur Drehachse des Rotationskörpers 1 sein, sie können auch, wie die Pig. zeigt, radial verlaufen und die Höhlungen Querverbindungen aufweisen. Die Anordnung der Höhlungen 4 ist so zu wählen, daß man in einem gegebenen Anwendungsfall optimalen Wärmeübergang aus der Erwärmungszone 1a sicherstellt. Dieser optimale Wärmeübergang kann mit der Menge des im System vorhandenen Arbeitsmediums zusätzlich gesteuert werden. Wie die Pig. 5 zeigt, ist für einen optimalen Wärmeübergang die Menge des Arbeitsmediums so zu wählen, daß sich im Betriebszustand, d.h. bei Rotation des ■ Rotationskörpers 1 in den Höhlungen 4 und den vernetzenden Kanälen 4a eine Höhe des Flüssigkeitsspiegel^ 16 einstellt, die etwa im Bereich der Begrenzung 3 der Erwärmungszone 1a des

- 13 109845/1567

VPA 70/3086

Rotationskörpers 1 liegt. Die Verdampfung des Arbeitsmediums erfolgt dann an diesem Flüssigkeitsspiegel und der Dampf strömt über die nicht mit Flüssigkeit gefüllten Höhlungen oder Kanalteile in die Kondensationsräume 5 ab. Damit wird, worauf bereits hingewiesen wurde, eine sich eventuell behindernde, gegenläufige. Strömung von Dampf und Kondensat in derselben Verbindungsleitung weitgehend vermieden, vielmehr hat die Dampfströmung 10 und die Kondensatströmung 11 jeweils ihr eigenes Leitungssystem. Bei Stillstand eines Rotationskörpers, wie er in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist, sammelt sich das Kondensat am tiefsten Punkt des Kanalsystems 4 und wird dann bei Rotation wieder, wie in Fig. 5 gezeigt, in die Peripherie des Rotationskörpers 1 geschleudert. .

In Fig. 6 ist der Schnitt durch eine Ausführungsform dargestellt, bei der auf der Welle 2 mehrere Rotationskörper 17 bis 21 befestigt sind, wobei der Rotationskörper 17 zwei getrennte Rotationskörperteile 17a und 17b aufweist. Die Anordnung rotiert um die Drehachse 15 der Welle 2. In jedem der Rotationskörper 17 bis 21 bzw. in jedem der Rotationskörperteile 17a und 17b sind eventuell mit Kanälen vernetzte Höhlungen 4 vorgesehen, wie sie in den Figuren 1 bis 5 enthalten sind. Diese Höhlungen sind in die Rotationskörper der Fig. 6 nicht gesondert eingezeichnet. Mit Rohrleitungen 4b sind die Kanalsysteme 4 jedes Rotationskörpers mit einem Kanalsystem eines benachbarten Rotationskörpers oder direkt mit einem Kondensationsraum 5 verbunden, der im Ausführungsbeispiel an der Stirnfläche eines äußeren Rotationskörpers des Systems vorgesehen ist. Kondensationsräume 5 können jedoch auch an der Stirnfläche eines Rotationskörper-+ teils oder Rotationskörpers im System,beispielsweise zwischen den Rotationskörperteilen 17a und 17b oder an einer Stirnfläche dee Rotationskörpers 21 oder 22, angeordnet sein. Ein Anwendungsbeispiel für dieses System ist die Kühlung von Gasturbinen-

109845/1567 " "■

ORIGINAL INSPECTED

VPA 70/3086

- H- - 2019356

flügeln, wobei dae in Fig. 6 gezeigte System die Nachteile des beschriebenen, bekannten Kühlungssystems nicht aufweist und bezüglich der Größe der Verlustwärme, die mit dem Kühlsystem abgeführt werden kann, nicht beschränkt ist. ,.

Bei Systemen mit extrem hoher Verlustwärmeentwicklung kann es erforderlich sein, die Wärmeübertragungsfläche des Kondensationsraumes weiter zu vergrößern. Eine Möglichkeit für die Vergrößerung der Wärmeabfuhrflächen zeigt die Pig. 7. Bezüglich der GesamtanOrdnung wird auf die Beschreibung zur Pig. 1 verwiesen. Es sind jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel die außerhalb des Rotationskörpers liegenden Wellenteile 2a und 2b als Hohlwellen ausgebildet. Die Hohlräume 22a und 22b in den Wellenstümpfen 2a und 2b sind über Durchbrüche 23 mit einem der Kondensationsräume 5 verbunden. Auf die Wellenstümpfe 2a und 2b sind Wärmeaustauscher 24 aufgesetzt. Bei dieser Anordnung sind also die Hohlräume 22a und 22b der Wellenstümpfe 2 in die Kondensationsräume 5 mit einbezogen und damit die Wärmeübertragung sflache für die abgeführte Verlustwärme vergrößert. Es ist noch eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispieles anzuführen. Die Wellenstümpfe 2a und 2b befinden sich an ihrer Oberfläche ungefähr auf konstanter Temperatur. Damit kann unter Umständen eine unzulässig hohe Erwärmung von Lagern auftreten. Ein solches Lager 25 ist in Pig. 7 schematiach eingezeiiinet. Falls der unzulässig hohen Erwärmung des Lagers nicht mit einer geeigneten Lagerkonstruktion begegnet werden kann, iat das Lager 25 unmittelbar an seinem Sitz wärmemäßig gegen die Welle 2 zu isolieren. Hierzu ist eine Manschette 26 aus schlecht wärmeleitendem Material über die Welle 2 geschoben. Die Manschette 26 ist so anzuordnen, daß sie über beide Seiten des Lagers 25 genügend weit hinausragt. Die Manschette 26 kann auch in einer ringförmigen Einsenkung der Welle 2 angeordnet sein.

. - 15 -

109845/1567

VPA 70/3086

15 -

Eine andere Möglichkeit zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche für die Verlustwärmeabfuhr zeigt Fig. 8. In dieser Pig. ist auf der Stirnfläche des im Ausschnitt gezeigten Rotationskörpers 1 ein Kondensationsraum 5a angeordnet. Auf der Welle sind weitere Kondensationsräume 5b und 5c befestigt, die mit einem Rohrleitungssystem 27 kaskadenartig untereinander verbunden sind und deren Wärmeaustauscher 6A bis 60 getrennt mit einem Kühlmittel 7 bespühlt,werden. Die Dampfströmung kann über diese Verbindungsleitungen 27 und den Hohlraum 23 der Welle 2 zu den Kondenserräumen 5a bis 5c fließen. Die DampfStrömungsleitungen 27a zweigen vorteilhafterweise von Flächen der Wärmeaustauscher 6 ab, auf die keine Komponente der Zentrifugalkraft wirkt, wie es im Zusammenhang mit Fig. 3 besprochen wurde. In den an der Peripherie des Rotationssystems gelegenen Verbindungsleitüngen 27b strömt das Kondensat in die Verdampfungsräume 4 zurück* Die einzelnen Kondensationsräume 5 können verschieden aufgebaut sein, beispielsweise so geformt sein, daß die Kühlung besonders begünstigt wird. Beispielsweise besitzt die Faltfläche 60 in Fig. 8 abweichend von den Faltflächen 6A und 6B einen wellenförmigen Querschnitt. Es können auch Rökrensysteme als Kondensationsräume verwendet werden, wobei es besonders günstig ist, die Röhren einesSystems untereinander zu vernetzen-.

Falls Verlustwärme nicht nur an der Peripherie des Rotationskörpers 1 , sondern auch im Bereich der Welle 2 im Rotationskörper entsteht, kann es erforderlich sein, diesen Bereich des Rotationskörpers ebenfalls gesondert zu kühlen. Hierzu kann, wie in Fig. 9 vorgesehen, die Welle 2 als gesondertes Wärmerohr ausgebildet sein. Hierzu ist die Welle 2 mit einer durch den Rotationskörper verlaufende Bohrung 28 zu versehen, die Wärmeaustauschmedium enthält. Es kann bei dieser Ausführungsform nötig sein, die Lager für den Rotationskörper mit einer

- 16 109845/1567

BADORiGINAL

VPA 70/3086 - 16 -

Wärmeisolation zu versehen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. bereits beschrieben wurde.

In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß auch mehrere getrennte Systeme, wie sie bezüglich der Figuren 1 bis 5 beschrieben wurden, in einem Rotationskörper angeordnet sein können. Dabei muß jedem System ein eigener Kondensationsraum auf einer Stirnfläche des Rotationskörpers zugeordnet sein. Mit solchen getrennten Systemen läßt sich beispielsweise eine schichtweise übereinanderliegende Anordnung von Kühlzonen in einem Rotationskörper 1 realisieren.

Die Fig. 10 zeigt als Anwendungsbeispiel die Kühlung des Läufers eines Schwungrad-Dieselgenerators. Eine Generatorwelle 29 ist in Lagern 30 drehbar gelagert, die auf Fundamenten 31 befestigt sind. Die Generatorwelle trägt ein Polrad 32 und treibt eine Erregermaschine 33. Auf dem Polradkranz 34 sind Polschuhe 35 mit Wicklungen 36 angeordnet. Der Ständer 37 des Generators ist vom Generatorgehäuse 38 umgeben. Zur Erzielung des für den Betrieb erforderlichen Schwungmoments ist der Rotor 32 mit einem Schwungrad 39 versehen. Um eine möglichst kurze Baulänge zu erhalten, ist dieses Schwungrad 39-als sogenanntes Seitenschwungrad ausgebildet, das auf der Antriebsseite 29a vom Polradkranz 34 in radialer Richtung hochgezogen ist. Dieses Seitenschwungrad 39 eignet sich gut zum Einbau einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung für die Polschuhe 35. Wie Fig. 10 zeigt, ist das Seitenschwungrad 39 mit einem Wärmeaustauscher 6 abgeschlossen, der im Ausführungsbeispiel eine Faltfläche mit Wellenform ist. Anstelle der Faltfläche kann auch ein anderer Wärmeaustauscher, beispielsweise eine sternförmige Hohlrippen an Ordnung vorgesehen sein. Wegen der Größe des Schwung-

- 17 109845/1B67

VPA 70/3086

- 17 -

rades 41 erhält man in federn Pall einen Kondensationsraum 5 mit einer zur Abführung auch hoher Verlustwärmen ausreichenden Große der Wärmeübertragungsflächen 6. Die Polschuhe 35 sind mit einem vernetzten Kanalsystem versehen, wie es im Zusammenhang mit Mg. 4 und 5 ausführlich erläutert wurde. Das Kanalsystem der Polschuhe 35 ist in der Pig. 10 nicht gesondert dargestellt. Das Kanalsystem der Polschuhe 35 ist über Rohrleitungen 40a und 40b mit dem Kondensationsraum 5 direkt verbunden. Im Kondensationsraum 5 und im Kanalsystem ist ein leicht verdampfbares Arbeitsmedium enthalten. Das Kanalsystem als Verdampfungsraum und der Kondensationsraum 5. sind ein hermetisch abgeschlossenes System, in dem das Arbeitsmedium als Wärmeträgermittel unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft in der beschriebenen Weise zirkuliert und die Verlustwärme aus den Polschuhen 35 zum Wärmeaustauscher 6 transportiert. Die in den Rohrleitungen 40a und 40b getrennt verlaufenden Dampfströmungs- und Kondensatrückflußwege sind in der Pig. 10 wieder durch die Pfeile 10 und 11 charakterisiert. Die Außenfläche des Paltflächenwärmeaustausehers 6 ist mit einem Kühl-, mittel 7 bespült. Dabei können als Turbulenzhilfe für die Kühlmittelströmung, wie bei Fig. 1 geschildert, mit öffnungen für den Durchfluß des Kühlmittels versehene Spreizringe für die Palten des Wärmeaustauschers vorgesehen sein. Diese Spreizringe schützen die Kondensationsfläche 6 gegen radiales Aufblähen unter den Einfluß der Zentrifugalkraft 5. Die Spreizringe sind in der Pig. 10 nicht enthalten.

Insbesondere das letzte Anwendungsbeispiel zeigt, mit welch einfachen Mitteln sich erfindungsgemäß die Kühlung eines Rotationskörpers 1 bzw. 32 an seiner Peripherie erhalten läßt. Es kann mit wirtschaftlich geringem Aufwand auch eine extrem hohe Verlustleistung abgeführt und die Betriebssicherheit der elektrischen Maschine wesentlich erhöht werden.

19 Patentansprüche
10 Figuren

109845/1567 _ ₁₈ _

Claims

2019356

VPA 70/3086 - 18 -

Patentansprüche

f 1.)Anordnung zum Kühlen von Rotationskörpern mit einem Wärmerohr, das ein verdampfbares Arbeitsmedium enthält und bei dem die Zentrifugalbeschleunigung zur Rückführung des Kondensats in die Verdampfungszone ausnützbar iat, wobei Arbeitsmedium enthaltende Höhlungen im Bereich der Erwärmungsζonen an der Peripherie des Rotationskörpers angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhlungen (.4) direkt in einen Kondensationsraum (5) münden, der an einer Stirnfläche des Rotationskörpers (1,32) vorgesehen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhlungen (4) kanalartig ausgebildet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2„ dadurch gekennzeichnet, daß die Höhlungen (4) im wesentlichen rotationssymmetrisch zur Drehachse (15) des Rotationskörpers (1,32) verteilt sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche T bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse Jeder Höhlung (4) wenigstens stückweise im wesentlichen parallel zur Drehachse (15) des Rotationskörpers (1,32) ist,
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhlungen (4) im Rotationskörper (1,32) mit Kanälen (4a) untereinander netzartig verbunden sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch'gekennzeichnet, daß mit der Menge des Arbeitsmediums im Betriebszustand in dem mit Kanälen (4a) vernetzten Höhlungen (4) eine Höhe des Flüssigkeitsspiegel (16) eingestellt ist, die etwa in der Grenze

(3) der Erwärmungszone (la) des Rotationskörpers (1,32) liegt.

109845/1567 - 19 -

VPA 70/3086

- 19 -
7· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem in mehrere räumlich getrennte Rotationskörperteile (17a, 17b) zerfallenden Rotationskörper (17) oder bei mehreren Rotationskörpern (18,19,20, 21), die auf einer als Drehachse dienenden Welle (2) befestigt sind, jeder Rotationskörperteil oder jeder Rotationskörper mit Höhlungen (4) versehen ist, daß die Höhlungen benachbarter Rotationskörperteile odeiJRotationskörper durch Rohrleitungen (4b) verbunden sind und daß jede Höhlung oder mehrere miteinander vernetzte Höhlungen mit einem Kondensationsraum (5) direkt verbunden sind, der an der Stirnfläche eines Rotationskörperteiles oder Rotationskörper angeordnet ist.
8, Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis ?» dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Stirnfläche des Rotationskörpers (1,32) ein Kondensationsraum (5) angeordnet ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kondensationsraum einen Wärmeaustauscher (6) aufweist, dessen Wärmeaustauschfläche größer als die vom Kondensationsraum auf der Stirnfläche des Rotationskörpers (1,32) überdeckte Fläche ist.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kondenaationsraum (5) wenigstens angenähert eine Stirnfläche des Rotationskörpers (1,32) bedeckt.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 1.0, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (6) eine Paltflache ist.,

- 20 109845/1587

VPA 70/3086

- 20 -
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltfläche (6) balgenartig ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgenfalten (6a bis 6c) im wesentlichen kreisförmig sind und konzentrisch liegen. .
H. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der öffnungswinkel {2p) der Balgenfalten (6a bis 6c) bei vorgegebener Drehzahl f des Rotationskörpers (1,32) bezüglich dee gesamten Wärmeflusses Q durch die Wärmeaustauschfläche optimiert ist*
15. Anordnung nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß bei konzentrisch zur Drehachse (15) des Rotationskörpers (1,32) liegenden Balgenfalten (6a bis 6c) der öffnungswinkel (Jf) der Balgenfalten der Bedingungs

■ **ir

- 21 -

109845/15 67

ORfGlNAL INSPECTED

.VPA 70/3086

-21 -

genügt, worin. »* * die Wärmeübergangszahl auf der Außenseite der leitfläche, T die Sättigungstemperatur des Dampfes, T-. die Kühlmitteltemperatur an der Außenseite des Wärmeaustauschers, T die Wandtemperatur des Wärmeaustauschers, w die Verdampfungswärme des Arbeitsmediums, &· die Wärmeleitzahl des kondensierten Arbeitsmediums, s die Drehzahl des Rotationskörpers, f die Dichte des kondensierten Arbeitsmediums, undγ die dynamische Zähigkeit des kondensierten Arbeitsmediums ist und wobei die Integrationsgrenzen T^ die Radien der Balgenspitzen sind, wobei Radien mit geradzahligem Index den nach außen weisenden Spitzen der Balgenfalten und Radien mit ungerädzahiigem Index den in den Kondensat!onsraum hineinweisenden Balgenspitzen zuzuordnen sind.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Expansionsring (8) und Spreizring (9) zur Versteifung der Balgenfalten (6a bis 6c) vorgesehen sind.
17i Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge-, kennzeichnet, daß mehrere Kondensationsräume (5ä bis 5c) vorgesehen sind, die kaskadenartig miteinander verbunden sind.
18. Anordnung nach einem der.Ansprüche 8 bis 17* dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (1,32) mit einer als Drehachse vorgesehenen Welle (2) versehen ist, wobei außerhalb des Rotationskörpers gelegene Wellenteile (2a, 2b) hohl (22a, 22b) ausgebildet und in einen Kondensationsraua (5) einbezogen sind«

19· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (1,32) mit einer als Drehachse vorgesehenen Welle (2) versehen ist, die als gesunder- | tee Wärmerohr (28) ausgebildet ist. I

109845/1567

BAD ORIGINAL

Lee rs ei te