DE102005036942A1

DE102005036942A1 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE102005036942A1
Application number: DE102005036942A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr.-Ing. Blumenthal
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH; Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2007-02-15
Also published as: JP2009503412A; US8083468B2; US20100098539A1; TW200716869A; EP1910692A1; WO2007017366A1; KR20080034005A; CN101238301A

Abstract

Eine schnelldrehende Turbomaschine weist zur Lagerung des Rotors ein Magnetlager (22, 23) und ein Fanglager auf. Das Fanglager ist als Gleitlager (16, 27) ausgebildet und weist eine statorseitige Lagerschale (28), eine rotorseitige Lagerwelle (20) sowie zwischen der Lagerschale (28) und der Lagerwelle (20) eine Zwischenbuchse (30) auf. Die Zwischenbuchse (30) ist sowohl zu der Lagerwelle (20) als auch zu der Lagerschale (28) durch einen zirkulären Spalt (33, 34) beabstandet. Die Zwischenbuchse (30) ist drehbar zu der Lagerschale (28) und der Lagerwelle (20). Durch diese Konstruktion weist das Gleitlager (26) zwei Gleitflächen-Paare auf, auf die sich alle auftretenden dynamischen Kräfte verteilen, wodurch der Verschleiß erheblich verringert ist. Hierdurch wird der Einsatz von Gleitlagern als Fanglager in einer magnetgelagerten schnelldrehenden Turbomaschine ermöglicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomaschine mit einem Magnetlager und einem dem Magnetlager zugeordneten Fanglager.

Turbopumpen, beispielsweise Turbomolekularpumpen und Turbogebläse, drehen mit sehr hohen Drehzahlen von bis zu 80.000 Umdrehungen pro Minute. Für die Lagerung des Rotors werden daher gerne Magnetlager verwendet, die für hohe Drehzahlen besonders geeignet sind. Für den Fall eines Versagens des bzw. der Magnetlager sind sogenannte mechanische Fanglager vorgesehen, die verhindern sollen, dass der Pumpenrotor den Pumpenstator bei Ausfall der Magnetlagerung berührt und dadurch zerstört.

Als Fanglager für Turbomolekularpumpen werden Wälzlager verwendet, die im Gegensatz zu Gleitlagern prinzipbedingt geringeren Verschleiß aufweisen. Nachteilig an Wälzlagern ist jedoch, dass sie relativ teuer sind und bei Turbomolekularpumpen und bei Turbogebläsen bis zu 10 % der Gesamtkosten ausmachen können.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine magnetgelagerte Turbomaschine mit einem preiswerten Fanglager zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Turbomaschine ist das Fanglager nicht als Wälzlager, sondern als Gleitlager ausgebildet. Zwischen der statorseitigen Lagerschale und der rotorseitigen Lagerwelle des Gleitlagers ist eine Zwischenbuchse angeordnet, die sowohl zu der Lagerschale als auch zu der Lagerwelle durch einen zirkulären Spalt beabstandet ist. Die Zwischenbuchse ist sowohl zu der Lagerwelle als auch zu der Lagerschale drehbar.

Der Verwendung eines Gleitlagers als Fanglager einer magnetgelagerten schnelldrehenden Turbomaschine standen bisher technische Probleme und Vorurteile entgegen. Im Einsatzfall muss von dem Fanglager ein ganz erheblicher kinetischer Energiebetrag abgebremst werden. Ferner liegt die Geschwindigkeit der Lagerwelle zu Beginn eines Einsatzfalles gegenüber der statorseitigen Lagerschale ggf. sehr hoch, nämlich im Bereich von 100m/sec. und höher. Zusammen mit einem relativ hohen Trägheitsmoment eines Pumpenrotors einer Turbomaschine ergeben sich Bremsstrecken von 100km und länger. Das zweite Problem resultiert aus den im Bereich der Fanglager auftretenden hohen Radialkräften, die im zweistelligen kN-Bereich liegen können. Beide Umstände zusammen stellen Anforderungen an ein als Gleitlager ausgebildetes Fanglager, die mit herkömmlichen Konstruktionen als unerfüllbar galten.

Das als Gleitlager ausgebildete Fanglager gemäß Patentanspruch 1 ist gewissermaßen in zwei Teillager unterteilt, nämlich ein Teillager, das von der Lagerwelle und der Zwischenbuchseninnenseite und ein zweites Teillager, das von der Zwischenbuchsenaußenseite und der Lagerschale gebildet wird. Der äußere zirkuläre Spalt zwischen der Zwischenbuchse und der Lagerschale ist möglichst klein, jedoch so groß, dass die Zwischenbuchse unter allen Umständen drehbar gegenüber der Lagerschale bleibt.

Im Einsatzfall wird zunächst die Zwischenbuchse von der Lagerwelle beschleunigt. Gleichzeitig wird die Lagerbuchse von der statorseitigen Lagerschale gebremst. Schließlich stellt sich ein Gleichgewicht der Drehgeschwindigkeiten der Zwischenbuchse und der Lagerwelle ein. Im Idealfall ist die Geschwindigkeitsdifferenz der Zwischenbuchse zu der Lagerschale und zu der Lagerwelle ungefähr gleich. Durch die Drehbarkeit der Zwischenbuchse wird die Bremsarbeit auf zwei Gleitflächenpaare verteilt, so dass sich der hierdurch bedingte Verschleiß mindestens halbiert. Ferner verringert sich die Bremsleistung des gesamten Gleitlagers, so dass auch die Wärmeentwicklung und die Gefahr eines Wärmestaus reduziert wird. Die Oberflächen der Flächenpaare sind so gestaltet, dass die Bremsleistung und -dauer ähnlich ist wie bei Wälzlagern. Hierdurch ist auch die Wärmeentwicklung ähnlich und so gering, dass keine Überhitzung auftritt.

Durch die Zwischenbuchse in dem Gleitlager wird die Bremsstrecke pro Gleitflächenpaar auf ungefähr die Hälfte reduziert, wird ferner die Wärmeentwicklung verringert und werden radiale Stöße der Lagerwelle etwas gedämpft. Alle Effekte zusammen erlauben die Verwendung eines Gleitlagers anstelle eines kostspieligen Wälzlagers als Fanglager für ein Magnetlager einer schnelldrehenden gasfördernden Turbomaschine.

Ein derartig konstruiertes Gleitlager ist erheblich preiswerter herstellbar als ein entsprechendes Wälzlager. Wegen des hohen Kostenanteiles der Fanglager kann dadurch der Gesamtpreis einer entsprechenden Turbomaschine spürbar reduziert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwischen der Zwischenbuchse und der Lagerschale Federungselemente angeordnet, die die Zwischenbuchse beabstandet von der Lagerschale halten. Die Federelemente fixieren die Zwischenbuchse in einer definierten Position innerhalb der Lagerschale. Ferner dämpfen sie radiale Stöße der Lagerwelle ab, wenn diese an die Zwischenbuchse schlägt. Die Federungselemente können zusätzlich auch Dämpfungseigenschaften aufweisen.

Die radialen Kräfte, die im Einsatzfall von der Lagerwelle auf die Zwischenbuchse übertragen werden, sind sehr hoch. Ferner ist die Berührungsfläche zwischen der Lagerwelle und der Zwischenbuchse bzw. zwischen der Zwischenbuchse und der Lagerschale nicht flächig, sondern allenfalls linienförmig oder sogar nur punktförmig, was durch die mögliche Schrägstellung der Lagerwelle zu der Zwischenbuchse und der Zwischenbuchse zu der Lagerschale bedingt ist. Hierdurch werden sehr hohe Flächenlasten erzeugt. Durch Vorsehen von Federungselementen zwischen der Lagerschale und der Zwischenbuchse werden die radialen Stoßbewegungen der Lagerwelle abgefangen, so dass die auftretenden Flächenkräfte erheblich reduziert sind. Auch hierdurch wird der Verschleiß des Gleitlagers insgesamt verringert.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Spalthöhe des äußeren Spaltes zwischen der Lagerschale und der Zwischenbuchse wesentlich geringer als die Spalthöhe des inneren Spaltes zwischen der Lagerwelle und der Zwischenbuchse.

Der innere Spalt hat die gleiche Funktion und daher auch die gleiche Spalthöhe wie der Lagerspalt bei herkömmlichen Fanglagern. Der innere Spalt stellt den Arbeitsbereich der Magnetlagerung dar.

Der äußere zusätzliche Spalt ermöglicht die rotatorische Relativbewegung zwischen der Zwischenbuchse und der Lagerschale. Hierfür ist kein besonders hoher Spalt erforderlich. Je geringer die Spalthöhe des äußeren Spaltes ist, desto weniger kann die Zwischenbuchse im Verhältnis zur Lagerschale kippen. Hierdurch wiederum werden möglichst kleine Aufschlagwinkel zwischen der Lagerschale und der Zwischenbuchse sowie zwischen der Zwischenbuchse und der Lagerwelle sichergestellt. Ferner kann bei kleiner Spalthöhe des genannten äußeren Spaltes auch das Spaltmaß zwischen Pumpenrotor und -stator gering gehalten werden.

Vorzugsweise ist die Zwischenbuchse einstückig ausgebildet und aus Metall bestehend. Auf diese Weise kann eine unverändert preiswerte Lösung für ein Gleit-Fanglager zur Verfügung gestellt werden, im Gegensatz zu kostspieligen keramischen Gleitlagern herkömmlicher Bauart.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine als Turbomolekularpumpe ausgebildete Turbomaschine mit zwei Magnetlagern und einem Fanglager, und
2 ein Fanglager der Turbomaschine der 1 in vergrößerter Darstellung.
In den 1 und 2 ist eine als Turbomolekularpumpe ausgebildete schnelldrehende Turbomaschine 10 dargestellt, die einen Rotor 12 und einen Stator 14 aufweist. Der Rotor 12 besteht im wesentlichen aus einer Welle 16 mit einem Pumpenrotor 18, wobei ein Wellen-Abschnitt im Bereich der Wellenlagerung eine Lagerwelle 20 bildet. Die Lagerwelle 20 bildet den rotorseitigen Teil zweier Magnetlager 22, 23 sowie der axial zwischen den beiden Magnetlagern 22, 23 angeordneten Gleitlager 26, 27, die als Fanglager für die beiden Magnetlager 22, 23 dienen.
Die Gleitlager 26, 27 werden jeweils gebildet von der Lagerwelle 20, einer statorseitigen Lagerschale 28 und einer radial zwischen der Lagerschale 28 und der Lagerwelle 20 angeordneten zylindrischen Zwischenbuchse 30. Die Lagerschale 28, die Zwischenbuchse 30 sowie die Lagerwelle 20 bestehen aus Metall. Die Zwischenbuchse 30 ist mit metallischen Federungselementen 32 in fester Zuordnung zu der Lagerschale 28 gelagert.
Die Zwischenbuchse 30 ist drehbar sowohl zu der Lagerschale 28 als auch zu der Lagerwelle 20 gelagert. Zwischen der Zwischenbuchse 30 und der Lagerwelle 20 ist ein zirkulärer zylinderförmiger Spalt 33 vorhanden, der eine Spalthöhe von ungefähr 0,2 mm aufweist, die das für die Magnetlagerung im Normalbetrieb erforderliche Spiel der Lagerwelle 20 gewährt. Der äußere Spalt 34 zwischen der Zwischenbuchse 30 und der Lagerschale 28 weist eine geringere radiale Spalthöhe von ungefähr 0,02 mm auf. Der äußere Spalt 34 muss nur so groß sein, dass die Drehbarkeit der Zwischenbuchse 30 gegenüber der Lagerschale 28 unter allen thermischen Umständen gerade noch sichergestellt ist.
Das dargestellte Gleitlager 26 weist im Gegensatz zu herkömmlichen Gleitlagern zwei Gleitflächen-Paare auf, auf die die gesamte Bremsarbeit und der gesamte Lagerabrieb verteilt werden. Hierdurch können insbesondere die Belastungen in Form von Wärme, Stößen und Abrieb derart reduziert werden, dass der Einsatz eines preiswerten Gleitlagers als Fanglager in einer schnelldrehenden gasfördernden Turbomaschine ermöglicht wird.

Claims

Turbomaschine (10) mit einem Magnetlager (22, 23) und einem mechanischen Fanglager, dadurch gekennzeichnet, dass das Fanglager als Gleitlager (26) ausgebildet ist und eine statorseitige Lagerschale (28) und eine rotorseitige Lagerwelle (20) aufweist, dass zwischen der Lagerschale (28) und der Lagerwelle (20) eine Zwischenbuchse (30) angeordnet ist, die sowohl zu der Lagerwelle (20) als auch zu der Lagerschale (28) durch einen zirkulären Spalt (33, 34) beabstandet ist, und dass die Zwischenbuchse (30) drehbar zu der Lagerschale (28) und der Lagerwelle (20) ist.
Turbomaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zwischenbuchse (30) und der Lagerschale (28) Federungselemente (32) angeordnet sind, die die Zwischenbuchse (30) beabstandet von der Lagerschale (28) halten.
Turbomaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalthöhe des äußeren Spaltes (34) zwischen der Lagerschale (28) und der Zwischenbuchse (30) kleiner ist als die Spalthöhe des inneren Spaltes (33) zwischen der Zwischenbuchse (30) und der Lagerwelle (20).
Turbomaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenbuchse (30) einstückig ist und aus Metall besteht.
Fanglager für eine Turbomaschine (10) mit magnetgelagertem Rotor, mit den Merkmalen einer der Ansprüche 1 bis 4.