ОХЛАЖДЕНИЕ КРУПНЫХ УНИПОЛЯРНЫХ МАШИН

В современных униполярных генераторах с жидкометаллическим токосъемом иа большие токи общие потери мощности составляют всего 2-3% от их полной мощности. Таким образом, количество выделяющейся тепловой энергии относительно невелико. Несмотря иа это, оказывается целесообразным применение высокоэффективных систем непосредственного охлаждения, так как:

1) использование для токосъема больших токов химически активных сред делает необходимым выполнение униполярных машин герметичными, что ухудшает их естественную вентиляцию;

2) значительная часть общих потерь выделяется в небольшой зоне токосъемного устройства, поэтому необходим непосредственный отвод тепловой энергии из этой зоны;

3) шинопроводы на столь большие токи, с какими приходится иметь дело в униполярных генераторах, оказываются весьма громоздкими. Непосредственная система охлаждения водой позволяет значительно уменьшить размеры шинопроводов, а тем самым и габариты машины. Существенна также достигаемая при этом экономия цветных металлов.

Примером машины с интенсивным охлаждением является униполярный генератор иа 150 ка. построенный фирмой GEC (подробно описан в разделе HI).

Поскольку эвтектическая смесь NaK обладает довольно высокой теплоотводящей способностью, то для охлаждения активной зоны токосъемных устройств предусматривается ее циркуляция через соответствующие воздушные охладители. Для создания необходимого гидравлического напора могут быть использованы так называемые электромагнитные насосы.

Отвод тепла от шинопроводов и обмотки возбуждения целесообразно осуществлять с помощью замкнутой системы водяного охлаждения. Обмотка возбуждения весьма удобна для непосредственного охлаждения водой, так как она имеет вид кольца с относительно небольшим количеством витков. Химически чистая вода циркулирует по внутренним каналам проводников.

Если сравнить эффективность воздушного и водяного охлаждения, то получим следующие данные [12].

С поверхности в 1 .и при разности температур в ГС можно отвести: воздухом при скорости 50 ж/,се/с-140 кал/ч тепловой энергии, а водой при скорости 2 м/сек и прочих равных условиях-в 20 раз больше тепла, т. е. 2800 кал/ч.

Через отверстие в 1 см при разности температур ГС можно отвести: воздухом при скорости 50 м/сек -5 кал/ч, а водой при скорости 2 м1сек - 700 кал/ч. 116

Для осуществления надежно работающей системы водяного охлаждения электрических машин рекомендуется применять дистиллированную воду, удельное сопротивление которой почти в 40 раз больше, чем у грунтовой воды. Поскольку униполярные машины являются низковольтными, то требования к химической чистоте воды могут быть несколько понижены по сравнению с высоковольтными устройствами.

Так как проводимость воды определяется содержанием положительных и отрицательных ионов, то для ее очистки в настоящее время имеются специальные фильтры весьма простой конструкции [28 а]. Две трубки, последовательно включенные в водопроводную цепь, заполнены одна активированным сульфо-углем (катионитовый фильтр), а другая фенолформальдегидной аминовой смолой или смолой марки ЭДЗ-10П (анионитовый фильтр). При прохождении воды через подобные фильтры ее удельное сопротивление значительно повышается и может достигнуть порядка 10 ом-см.

Характерной особенностью электрических машин с непосредственной жидкостной системой охлаждения является значительное повышение уровня допустимых токовых нагрузок с увеличением расхода охлаждающего агента. Например, в крупном электромашиностроении дальнейшие усовершенствования рассматриваемой системы позволяют непрерывно повышать мощность в- единице, сохраняя почти неизменными габариты. Аналогичное явление должно иметь место и в униполярных машинах.

Как известно, расход жидкости через гидравлическую систему зависит от напора и ее сопротивления, которое в свою очередь зависит от конфигурации и сечения трубопроводов, а также ряда других факторов. Напор ие следует выбирать большим, чтобы не усложнять задачу обеспечения уплотнения мест соединения. В отдельных конкретных случаях мол<ет быть использован городской водопровод.

При проектировании системы охлаждения следует иметь в виду, что потери напора обратно пропорциональны диаметру трубок в четвертой степени. Снижение гидродинамического сопротивления может быть обеспечено применением параллельных цепей и устранегшем резких изменений сечений каналов, а также крутых изгибов трубок.

Тепловой расчет первого приближения систем непосредственного охлаждения относительно несложен [7]. Напомним некоторые основные соотношения. Необходимый расход жидкости (будь то вода или жидкометаллический сплав) для обеспечения заданного температурного перегрева Од охлаждаемой поверхности над средой рассчитывается по формуле

(118)

где р - потери в охлаждаемой зоне;

С - удельная теплоемкость жидкости. С другой стороны, расход жидкости через канал пропорционален скорости течения в канале v и гидродинамическому сопро-тивлению Z, т. е.

Q = v-Z. (119)

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ МЕТАЛЛОВ В УНИПОЛЯРНЫХ МАШИНАХ

Униполярная машина по принципу действия является низковольтной. Казалось бы, существует простой способ повышения напряжения -путем создания в машине весьма сильного магнитного поля. Однако для этого требуется поддерживать в обмотках возбуждения довольно большие токи, что вызывает чрезмерные потери. С целью преодоления отмеченной трудности представляется перспективным использование сверхпроводимости проводников. Проводники тороидальной катушки обмотки возбуждения должны охлаждаться до весьма низких температур, в результате чего они приобретают свойства сверхпроводника.

Явление сверхпроводимости металлов было обнаружено в 1911 г. физиком Камерлинг-Онессом. Еще несколько лет назад оно составляло одну из проблем теоретической физики! В настоящее время уже имеются небольшие модели действующих устройств (в том числе электрических машин и аппаратов), основной частью которых является сверхпроводник, изолированный от окружающей среды и помещенный в специальные холодильные камеры (криостаты).

В 1953 г. Коллинс осуществил интересный эксперимент. Он возбудил ток в свинцовом сверхпроводящем кольце и в течение двух с половиной лет наблюдал за ним. При этом оказалось, что за указанный срок величина тока практически не изменилась.

Рассмотрим основные свойства сверхпроводниковых материалов *.

Электрический ток в сверхпроводнике протекает по тонкому поверхностному слою, толщина которого составляет порядка 0,1 мк. На такую же глубину проникает электромагнитное поле. Поэтому устройства со сверхпроводниками обладают небольшими размерами.

Важным параметром сверхпроводниковых материалов является величина критического поля. Она характеризуется напряженностью либо индукцией магнитного поля, при которых сверхпроводник начинает восстанавливать свое сопротивление, несмотря на низкую температуру охлаждения. Следует отме-

* Настоящий параграф написан по В. П. Карцевым по просьбе авторов.

>латер1галам, представленныь! нн:к.

тить, что величина критического поля тонкой пленки значительно превышает величину критического поля массивного образца (примерно в 50 раз). Критические поля для большинства металлов сравнительно малы (порядка 0,01 вб;м-).

В последние годы были найдены новые материалы, сохраняющие явление сверхпроводимости при более высоких магнитных полях и температурах. Ряд свойств отличает эти материалы от обычных сверхпроводниковых металлов. Ток в так называемых неидеальных материалах протекает по всему сечению проводника, точнее по множеству сверхпроводящих каналов , которые расположены в толще несверхпроводящего материала. Неидеальные сверхпроводниковые материалы обладают высокими критическими полями и сохраняют свои свойства при относительно высоких температурах. Это хорошо можно видеть из данных, приведенных в табл. 13.

Таблица 13

Рис. 83. Принципиальная схема охлаждения обмотки возбуждения до низких температур

Наиболее высоким критическим полем обладает VsGa (ванадий с галлием), однако это соединение механически непрочно. В настоящее время наиболее пригодными для практического использования являются NbsSoi и 3NbZr. Образцы этих материалов изготовляются в виде проволок, стоимость которых в настоящее время пока относительно высока (например, цена 1 кг проволоки из сверхпроводникового материала около 300 руб.).

Одна из возможных принципиальных конструкций тороидальной катушки возбуждения показана на рис. 83. Сверхпроводящая обмотка / помещена в криостат, стенки которого укреплены с помощью тонких ребер жидкости 2. Жидкий гелий 3 вводится через патрубок 4 в центральный канал 5, находящийся внутри проводника. Так как сопротивление сверхпроводника

практически отсутствует, то мощность потребляется только установкой ожижения гелия. Она определяется количеством поступающей к обмотке тепловой энергии (через ребра криоста-та, его тепловую изоляцию стенок, патрубок, опоры и т. д.).

Отмеченная тепловая энергия (в ваттах) находится по формуле

Q = ~(T2~T,), (120)

где к-коэффициент теплопередачи, вт/м-град;

S-поперечное сечение участков, проводящих тепловой поток;

/ - длина этих участков; Т2, Tl-температуры снаружи и внутри криостата соответственно, °К.

Для конкретных данных вычисляется общее количество поступающей тепловой энергии. Теплота парообразования жидкого гелия составляет 5,5 ккал/кг. По приведенным выше данным может быть определен необходимый расход гелия, способный поддержать температуру проводников обмотки возбуждения, соответствующую температуре его кипения, т. е. 4,2° К. Для оценочных расчетов можно воспользоваться формулой

Р= 1,3-10* Sk, (121)

где Р - мощность ожижителя; 5,5-поверхность криостата.

В качестве примера рассмотрим тороидальную катушку с намагничивающей силой в 40- 10 а. Предположим, что катушка помещена в соответствующий тороидальный криостат. Допустимая плотность тока в сверхпроводниках [84] в зависимости от их температуры и материала составляет (3-10) 10 а/м. Если принять в проводниках катушки в качестве расчетной плотности тока 10 а/ж, то для поперечного сечения сверхпроводника найдем

= 10110=. 4-10- м\ jc 10

где /-намагничивающая сила катушки;

/с- расчетная плотность тока сверхпроводника. Далее учтем сечение внутренней трубки для циркуляции жидкого гелия, оценив его в 2 10-* м. Таким образом, внутренний диаметр криостата составит

4(4+ 2) 10-

= 2,76-10-2 Ж.

: Добавляя удвоенную толщину теплоизоляции криостата, равную 1-10-2 ж, получим его наружный диаметр

= (2,76 + 2 -1) 10-2 л£ = 4,76 -10-2 л<.

Наружная поверхность криостата при среднем диаметре катушки £)в=1,3 м составит

S = d-D S, = u2-4,76-1,3-10-2 = 0,61 . 2

Требуемая мощность ожижительной установки при этом (согласно 121) будет

Р = 1,3-10*-0,61 0,8-10 вт.

МЕТОДИКА И ПРИМЕР РАСЧЕТА УНИПОЛЯРНОГО ГЕНЕРАТОРА С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ РОТОРОМ

Расчет униполярных машин обладает рядом специфических особенностей, основные из которых были рассмотрены выше. В настоящем параграфе дана систематизация выведенных ранее расчетных формул, результат которой представляет собой основу для дальнейшего развития уточненной (по мере накопления опытных данных) методики расчета крупных униполярных машин с цилиндрическим ротором. Одновременно приводится пример расчета униполярного генератора на номинальные данные, которые выбраны близкими к генератору фирмы General Electric [43]. Численный расчет позволяет, с одной стороны, лучше пояснить расчетную методику, а с другой, показать порядок основных величин и параметров униполярных генераторов на большие токк.

В скобках, где это возможно, указаны номера формул, по которым можно найти их вывод в предыдущих параграфах. При расчете используется система единиц MKSA.

В качестве исходных данных для униполярного генератора с цилиндрическим ротором (см. рис. 80) были заданы: скорость вращения ротора ( ) -50 об/сек, электродвижущая сила ротора (е) - 78 в, рабочий ток (I) - 150000 а.

Основные данные и размеры машины

1. Номинальная мощность

Я = е/.

Я = 78-150-10= = 11,7-10 вт.

2. Основной магнитный поток (3)

Ф= == 1,56 вб.

3. Диаметр ротора (102)

/ , Dp=l/-b = 0,81 .и. Р V 2,36 Р V 2,36

Пмем Z)p = 0,8 ж.