DE2446220C3 - Elektrischer Flüssigkeitskontakt - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Flüssigkeitskontakt zwischen einem rotierenden ringförmigen Teil und einem gegenüberstehenden, ebenfalls ringförmigen stehenden Teil, bestehend aus einem von unter Druck stehender metallischer Flüssigkeit gefüllten mittleren Ringspalt, der auf jeder Seite durch einen radial gerichteten oder schrägstehenden seitlichen Ringspalt begrenzt ist, wobei an den Seiten Mittel zur Abdichtung gegen ein Austreten der Flüssigkeit vorgesehen sind.

Ein derartiger, insbesondere für eine elektrische Unipolarmaschine mit horizontaler Welle geeigneter elektrischer Flüssigkeitskontakt ist aus der DE-AS 46 102 bekannt. Bei diesem bekannten Flüssigkeitskontakt dient der mittlere Ringspalt als eigentlicher Kontaktraum, in dem sich die metallische Flüssigkeit unter Druck befindet. Die seitlich davon befindlichen, radial gerichteten oder schrägstehenden Ringspiilte dienen dagegen zur Abdichtung gegen das seitliche Austreten der metallischen Flüssigkeit Dazu sind sowohl am stehenden Teil als auch am rotierenden Teil ringförmige Rippen angeordnet, die nach Art einer Labyrinthdichtung ineinandergreifen. Labyrinthdichtungen enthalten aber einen Spalt, so daß — insbesondere bei Stillstand — doch noch ein Teil der metallischen Flüssigkeit aussickert, zumal bei den für eine Unipolarmaschine großer Leistung notwendigen sehr großen Durchmessern der Ringspalte des Flüssigkeitskontaktes erhebliche Druckunterschiede zwischen den oben und unten befindlichen Teilen des Ringspaltes auftreten, die zu einer zusätzlichen Belastung der seitlichen Dichtungen führen. Wenn die Unipolarmaschine jedoch als Motor eingesetzt und mit wechselnden Drehzahlen und Drehrichtungen betrieben werden soll, muß die Abdichtung des Ringspaltes gegen ein Austreten der Flüssigkeit auch bei Stillstand der Maschine wirksam sein.

Ferner ist aus der CH-PS 4 78 477 ein Flüssigkeitskontakt bekannt, der aus einem mittleren, den eigentlichen Kontaktraum bildenden Ringspalt besteht, der von mehreren seitlichen, radial gerichteten Ringspalten begrenzt ist Diese sind zueinander stufenförmig angeordnet, d. h. der seitlich außenliegende, radial gerichtete Ringspalt endet mit dem Radius, mit dem der benachbarte radial gerichtete Ringspalt beginnt. Der am weitesten innenliegende endet auf dem Radius des mittleren Ringspaltes. Dadurch entsteht ein selbstpumpendes System und bei Rotation des einen ringförmigen Teiles wird alle metallische Flüssigkeit in den mittleren Ringspalt getrieben. Durch die Rotation baut sich dann zwar in der im mittleren Ringspalt vorhandenen metallischen Flüssigkeit ein Druck auf, dieser entfällt jedoch wieder, wenn die Rotation endet. Dann läuft auch die metallische Flüssigkeit aus dem mittleren Ringspalt wieder aus. Während der Rotation kann in den seitlichen Ringspalten keine metallische Flüssigkeit vorhanden sein, da diese Ringspalte jeweils auf kleinerem Radius als der mittlere Ringspalt liegen. Besondere Mittel zur seitlichen Abdichtung sind nicht vorgesehen

Dieser bekannte Flüssigkeitskontakt enthält auch einen zur Kühlung der Flüssigkeit im Ringspalt dienenden Außenkreis, der parallel zu dem eigentlichen, als Flüssigkeitskontakt dienenden Innenkreis der Kontaktflüssigkeit geschaltet ist. Der Umlauf in diesem Außenkreis wird durch eine selbstpumpende Ausbildung der Anordnung erzeugt, es sind keine besonderen Mittel zur Hervorrufung einer Rotation vorhanden, was bedeutet, daß die metallische Flüssigkeit im äußeren Kreis nur rotieren kann, wenn auch die Maschine selbst rotiert Außerdem wird bei dieser bekannten Anordnung die Flüssigkeit vom mittleren Ringspalt entnommen und auch wieder dem mittleren Ringspalt zugeführt, so daß der Außenkreis den Flüssigkeitskontakt selbst betrifft

Es ist weiterhin aus der DE-AS 10 94 354 bekannt, bei einem aus einem stehenden, ringförmigen und einem rotierenden, ringförmigen Teil gebildeten Flüssigkeitskontakt die beiden ringförmigen Teile zueinander exzentrisch anzuordnen, um während der Rotation des' ringförmigen Teiles einen Druckunterschied zu erhalten, durch den die metallische Kontaktflüssigkeit aus einem Behälter, in dem sie sich bei Stillstand der N schine befindet, in den Ringspalt hineingesaugt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer elektrischen Unipolarmaschine mit

horizontaler Welle eine seitliche Abdichtung des Flüssigkeitskontaktes zu finden, die einfach aufgebaut ist und verhindern soll, daß die als Kontakt dienende metallische Flüssigkeit bei den verschiedenen Betriebszuständen der Maschine, die auch Stillstand und Drehrichtungswechsel einschließen, aus dem eigentlichen Kontaktspalt in die Umgebung übertritt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein elektrischer Flüssigkeitskontakt der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß sich die seitlichen Ringspalte jeweils von einem Radius, der kleiner ist als der Radius des mittleren Ringspaltes, bis zu einem Radius, der größer ist als der Radius des mittleren Ringspaltes, erstrecken und daß die in ihnen befindliche metallische Flüssigkeit unabhängig von der Rotation des rotierenden Teiles rotiert und ihre Rotationsgeschwindigkeit dem jeweiligen Flüssigkeitsdruck, der mit der Höhe über dem tiefsten Punkt des rotierenden ringförmigen Teiles veränderlich ist, durch entsprechende Veränderung des Durchtrittsquerschnittes in den seitlichen Ringspalten proportional angepaßt ist.

Durch die besondere Ausbildung der seitlichen Ringspalte verbleibt die Flüssigkeit in diesen und wird auch nicht bei Rotation der Maschine in axialer Richtung abgedrängt Es entstehen somit in den seitlichen Spalten Flüssigkeitsringe, die durch Fremdeinwirkung (Pumpen) in Rotation versetzt werden und auch ständig rotieren, unabhängig von der Rotation der Maschine, d.h. auch bei Stillstand der Maschine und auch in einer anderen Drehrichtung als diese. Diese beiden rotierenden Flüssigkeitsringe in den seitlichen Ringspalten ergeben eine sichere Abdichtung für die zwischen ihnen im mittleren Ringspalt befindliche metallische Flüssigkeit, ohne daß sich feste Stoffe berühren. Außerdem ist die bei der Rotation der Flüssigkeitsringe auftretende Zentrifugalkraft dem jeweiligen Flüssigkeitsdruck im seitlichen Ringspalt längs des Umfange angepaßt, indem die Rotationsgeschwindigkeit durch entsprechende Veränderung des Durchtrittsquerschnittes geändert wird. Diese Querschnittsveränderung des rotierenden Flüssigkeitsringes zwischen dem höchsten und dem tiefsten Punkt an dem ringförmigen rotierenden Teil wird so vorgenommen, daß unten der engste Durchtrittsquerschnitt vorhanden ist und entsprechend die größte Rotationsgeschwindigkeit Dieser ist so gewählt, daß sie dem höchsten auftretenden Flüssigkeitsdruck im seitlichen Ringspalt noch sicher das Gleichgewicht hält. Infolge dieser über dem Umfang des Ringspaltes veränderlichen Rotationsgeschwindigkeit verändern sich auch entsprechend die Reibungsverluste, die von der dritten Potenz der Rotationsgeschwindigkeit abhängig sind. Hohe Reibungsverluste treten nur im untersten Teil des Flüssigkeitskontaktes auf und sie nehmen mit steigender 5=> Höhe des Ringspaltes sehr rasch auf kleine Werte ab, so daß die insgesamt auftretenden Reibungsverluste weit niedriger sind als bei einem Flüssigkeitskontakt, in welchem die metallische Flüssigkeit mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit längs des ganzen Umfanges rotiert.

Gemäß der weiteren Erfindung ist die Rotation der Flüssigkeit in den seitlichen Ringspalten durch eine oder mehrere außerhalb der seitlichen Ringspalte angeordnete Umwälzpumpen erzeugbar, über die ein Teil der in den seitlichen Ringspalten umlaufenden Flüssigkeit geleitet ist. Diese führt der an einer geeigneten Stelle herausgeführten Flüssigkeitsteilmenge durch Druckerhöhung die erforderliche Energie zu, um die Rotation mit der gewünschten konstanten Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten und somit die Reibungsverluste zu decken. Die Abzweigung der Flüssigkeitsteilmenge und ihre Rückführung in den seitlichen Ringspalt wird mit Vorteil im Bereich hoher Rotationsgeschwindigkeiten vorgenommen, d. h. im unteren Teil des Flüssigkeitskontaktes. Bei der Wiedereinführung der durch die Umwälzpumpe beschleunigten Flüssigkeitsteilmenge in den rotierenden Flüssigkeitsring im Bereich hoher Geschwindigkeiten wird im wesentlichen nur die kinetische Energie des Flüssigkeitsringes gesteigert und nicht dessen Höhe beeinflußt, was konstruktive Schwierigkeiten ergeben würde.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand des in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Aüsführungsbeispiels näher erläutert

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch einen elektrischen Flüssigkeitskontakt gemäß der Erfindung für eine Unipolarmaschine mit horizontaler Welle.

F i g. 2 zeigt im Schema den gesamten Umfang des elektrischen Flüssigkeitskontaktes von der Seite gesehen, entsprechend einem Schnitt längs der Linie H-Il in Fig.1.

In F i g. 3 ist die Seitenansicht des in F i g. 2 dargestellten seitlichen Ringspaltes gezeigt.

Der Flüssigkeitskontakt einer elektrischen Unipolarmaschine mit horizontaler Welle, die z. B. als Schiffsmotor mit wechselnden Drehzahlen und Drehrichtungen betrieben wird, besteht im wesentlichen aus einem mittleren Ringspalt 1. Auf jeder Seite des mittleren Ringspaltes 1 ist ein radial gerichteter seitlicher Ringspalt 2 angeordnet, der von einem Radius ausgeht, der kleiner als der kleinste Radius des mittleren Ringspaltes ist, und zu einem Radius führt der größer als der Radius isi, bei welchem die schrägstehenden Verbindungskanäle 3 zwischen dem seitlichen Ringspalt 2 und dem mittleren Ringspalt 1 in den letzteren eingeleitet werden. Der mittlere Ringspalt 1 und die seitlichen Ringspalte 2 sind von einer unter Druck stehenden, elektrisch gut leitenden metallischen Flüssigkeit ausgefüllt. Dadurch ist der Kontakt zwischen dem rotierenden ringförmigen Teil 4 und defn diesen umgebenden, ebenfalls ringförmigen stehenden Teil 5 der Unipolarmaschine hergestellt.

Zur Abdichtung des FlUssigkeitskontaktes gegen einen seitlichen Austritt der metallischen Flüssigkeit rotiert die Flüssigkeit jeweils in den seitlichen Ringspalten 2 im Sinne der in F i g. 2 eingezeichneten Pfeile. An der Stelle 6 in der Nähe des unteren Punktes längs des Umfanges des seitlichen Ringspaltes 2 wird ein Kanal 7 von dem Ringspalt 2 abgezweigt, der zu einer Umwälzpumpe 8 führt. Ein Teil der im Ringspalt 2 umlaufenden metallischen Flüssigkeit wird also über den Kanal 7 der Umwälzpumpe 8 zugeleitet, in welcher sie auf einen höheren Druck gebracht wird. Danach fließt die Flüssigkeit, gegebenenfalls nach Durchlauf durch nicht dargestellte Rückkühler und Reiniger, über den Kanal 9 wieder in den Ringspalt 2 zurück. Auf diese Weise werden die in den Ringspalten 2 auftretenden Reibungsverluste ausgeglichen, damit die Rotation des Flüssigkeitsringes mit den gewünschten Geschwindigkeiten unverändert aufrechterhalten werden kann. Die Abzv. -igung der Kanäle 7 und 9 von dem Ringspalt 2 ist jeweils tangential gerichtet ausgebildet, damit bei dem Übertritt eines Teils der metallischen Flüssigkeit in diese Kanäle möglichst wenig Verluste entstehen.

Im Ringspalt 2 weist durch die variable Bemessung

des Durchtrittsquerschnitts für die metallische Flüssigkeit, der von oben nach unten kleiner wird, die Rotationsgeschwindigkeit jeweils unterschiedliche Werte auf, die den in den verschiedenen Höhenlagen unterschiedlichen Werten des Flüssigkeitsdruckes proportional sind. Am untersten Punkt 10 des Ringspaltes 2 ist die Rotatii ^geschwindigkeit am größten und so gewählt, daß die durch sie hervorgerufene Zentrifugalkraft dem hier größten Flüssigkeitsdruck im Ringspalt 2 noch sicher das Gleichgewicht hält.

Die Veränderung des Durchtrittsquerschnitts längs des Ringspaltes 2 wird durch eine Veränderung der Spaltweite erzielt. F i g. 3 zeigt, daß die Spaltweite linear mit der Höhe über dem Tiefstpunkt 10 des Ringspaltes 2 zunimmt. Diese Ausführung ist besonders zweckmäßig, weil dabei die radiale Höhe der rotierenden Flüssigkeit im Ringspalt 2, von geringen Unterschieden an den Abzweigungsstellen abgesehen, praktisch an jeder Stelle des Umfanges des Ringspaltes 2 konstant ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 Patentansprüche:

1. Elektrischer Flüssigkeitskontakt zwischen einem rotierenden ringförmigen Teil und einem gegenüberstehenden, ebenfalls ringförmigen stehenden Teil, bestehend aus einem von unter Druck stehender metallischer Flüssigkeit gefüllten mittleren Ringspalt, der auf jeder Seite durch einen radial gerichteten oder schrägstehenden seitlichen Ringspalt begrenzt ist, wobei an den Seiten Mittel zur Abdichtung gegen ein Austreten der Flüssigkeit vorgesehen sind, insbesondere für eine elektrische Unipolarmaschine mit horizontaler Welle, dadurch gekennzeichnet, daß sich die seitlichen Ringspalte (2) jeweils von einem Radius, der kleiner ist als der Radius des mittleren Ringspaltes (1), bis zu einem Radius, der größer ist als der Radius des mittleren Ringspaltes (1), erstt ecken und daß die in ihnen befindliche metallische Flüssigkeit unabhängig von der Rotation des rotierenden Teiles (4) 2c rotiert und ihre Rotationsgeschwindigkeit dem jeweiligen Flüssigkeitsdruck, der mit der Höhe über dem Tiefstpunkt (10) des rotierenden ringförmigen Teiles (4) veränderlich ist, durch entsprechende Veränderung des Durchtrittsquerschnitts in den seitlichen Ringspalten (2) proportional angepaßt ist.

2. Elektrischer Flüssigkeitskontakt, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der Flüssigkeit in den seitlichen Ringspalten (2) durch eine oder mehrere außerhalb der seitlichen Ringspalte angeordnete Umwälzpumpen (8) erzeugbar ist, über die ein Teil der in den seitlichen Ringspalten (2) umlaufenden Flüssigkeit geleitet ist.

3. Elektrischer Flüssigkeitskontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den seitlichen Ringspalten(2) die Abzweigung (6) für den der Umwälzpumpe (8) zugeführten Flüssigkeitsanteil und die Rückführung nach Durchtritt durch die Umwälzpumpe (8) in der Zone mit hoher Rotationsgeschwindigkeit liegt.

4. Elektrischer Flüssigkeitskontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung des Durchtrittsquerschnitts in den seitlichen Ringspalten (2) durch kontinuierliche Veränderung der Spaltweite erfolgt.