DE102010034168B3 - Rotary machine i.e. steam turbine, has laminated component provided on stator side, and sleeve-shaped thermally insulating element arranged between shaft and metal sheet case and conically fixed at conically formed region of shaft - Google Patents

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Abstract

The machine (10) has a magnetic bearing (1) comprising a magnetic bearing stator (6) surrounding a shaft (2), and a metal sheet case (4) circumferentially arranged at the shaft. A laminated component (5) is circumferentially provided on a stator side. An air gap (7) is formed between the magnetic bearing stator and the laminated component. A sleeve-shaped thermally insulating element (3) is arranged between the shaft and the metal sheet case. The insulating element is conically fixed at a conically formed region (2a) of the shaft and made from ceramic or partial ceramic material.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Rotationsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine, aufweisend eine drehbare Welle und mindestens zwei Lagerungen der Welle, wobei wenigstens eine der mindestens zwei Lagerungen der Welle als Magnetlager ausgebildet ist, wobei das Magnetlager einen die Welle umgebenden Magnetlagerstator aufweist, wobei eine umlaufend an der Welle angeordnete Blechungshülse vorgesehen ist, an der statorseitig umlaufend eine Blechung vorgesehen ist, wobei zwischen dem Magnetlagerstator und der Blechung beziehungsweise der Blechungshülse ein Luftspalt gebildet ist.The present invention relates to a rotary machine, in particular a steam turbine, comprising a rotatable shaft and at least two bearings of the shaft, wherein at least one of the at least two bearings of the shaft is formed as a magnetic bearing, wherein the magnetic bearing has a shaft surrounding the magnetic bearing stator, wherein a circumferentially arranged on the shaft sheet metal sleeve is provided, on the stator side circumferentially a sheet metal is provided, wherein between the magnetic bearing stator and the sheet metal or the Blechungshülse an air gap is formed.

Bei der Verwendung von Magnetlagern für Rotationsmaschinen, insbesondere Dampfturbinen, darf die Blechung des Rotors eine bestimmte Temperatur, vorzugsweise eine Temperatur von 220°C, nicht überschreiten. Bei hohen Temperaturen besteht die Gefahr, dass die Isolation innerhalb der Blechung zerstört wird. Insbesondere bei Dampfturbinen wird jedoch über die Welle eine sehr hohe Warmeenergie in den Bereich der Lagerung der Welle ubertragen, so dass beispielsweise eine Temperatur von 220°C deutlich überschritten werden kann.When using magnetic bearings for rotary machines, in particular steam turbines, the lamination of the rotor must not exceed a certain temperature, preferably a temperature of 220 ° C. At high temperatures there is a risk that the insulation within the lamination will be destroyed. However, especially in the case of steam turbines, a very high heat energy is transmitted via the shaft into the area of the bearing of the shaft, so that, for example, a temperature of 220 ° C. can be clearly exceeded.

Aus der EP 2 110 572 A1 ist bekannt, die Blechung über ein flüssiges oder gasformiges Kühlfluid zu kühlen, das über eine axiale Leitung in der Welle geleitet wird und über Öffnungen in der Nähe der Blechung ausströmt. Beim Vorbeistromen an der Blechung nimmt es dabei Teile der Abwärme auf und kühlt die Blechung dadurch.From the EP 2 110 572 A1 It is known to cool the sheet through a liquid or gaseous cooling fluid, which is passed through an axial line in the shaft and flows out through openings in the vicinity of the lamination. When Vorbeistromen at the lamination, it absorbs some of the waste heat and cools the sheet metal thereby.

Desweiteren ist bekannt, die Blechung auf einer Hülse anzuordnen, die mit Kühlkanalen durchzogen ist. Auch in dieser Ausfertigung wird die Blechung durch ein extern zugeführtes Kühlfluid aktiv gekühlt.Furthermore, it is known to arrange the sheet metal on a sleeve which is traversed by cooling channels. Also in this version, the sheet is actively cooled by an externally supplied cooling fluid.

Beiden Lösungen haben gemeinsam, dass das Kühlfluid in ein rotierendes Bauteil, die Welle beziehungsweise die damit verbundene Hülse, zu überführen ist. Dies ist technisch aufwendig und dadurch sehr kostenintensiv.Both solutions have in common that the cooling fluid is to be converted into a rotating component, the shaft or the associated sleeve. This is technically complicated and therefore very expensive.

Aus den Schriften DE 44 44 587 A1 , WO 2002 31 371 A1 , DE 100 42 962 C1 , DE 102 44 651 A1 und US 5 321 329 A ist jeweils eine magnetische Lagerung einer Welle bekannt, bei der ein thermisch isolierendes Element eingesetzt wird, um Teile der Lagerung, insbesondere magnetisch aktive Teile der Lagerung, von hohen Temperaturen abzuschirmen. Aus den genannten Schriften ist ferner bekannt, dass das thermisch isolierende Element Polyurethan-, Polystyrolschaum, mineralische Faser- oder Pulvermaterialien und/oder faserverstärkten Kunststoff umfassen kann oder als ein vakuumisierter Raum ausgestaltet sein kann.From the scriptures DE 44 44 587 A1 . WO 2002 31 371 A1 . DE 100 42 962 C1 . DE 102 44 651 A1 and US 5,321,329 A In each case a magnetic bearing of a shaft is known, in which a thermally insulating element is used to shield parts of the bearing, in particular magnetically active parts of the bearing, from high temperatures. It is further known from the cited documents that the thermally insulating element may comprise polyurethane foam, polystyrene foam, mineral fiber or powder materials and / or fiber-reinforced plastic or may be designed as a vacuumized space.

In der DE 102 44 651 A1 und der US 5 321 329 A ist das thermisch isolierendes Element als eine die Welle umschließende Hülse ausgebildet.In the DE 102 44 651 A1 and the US 5,321,329 A the thermally insulating element is designed as a sleeve enclosing the shaft.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine magnetgelagerte Rotationsmaschine der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der die Blechung möglichst kühl bleibt, insbesondere, bei der die Temperatur der Blechung 220°C nicht übersteigt. Dabei soll die Rotationsmaschine konstruktiv einfach sein und eine einfache Montage der erforderlichen Bauteile ermöglichen.The object of the invention is to provide a magnetic bearing rotary machine of the type described above, in which the lamination remains as cool as possible, in particular, in which the temperature of the lamination does not exceed 220 ° C. The rotation machine should be structurally simple and allow easy assembly of the required components.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Rotationsmaschine mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 der Patentanmeldung gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.This object is achieved by a rotary machine with the features of the independent claim 1 of the patent application. Further features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the accompanying drawings.

Die Aufgabe wird durch eine Rotationsmaschine der eingangs genannten Art gelöst, wobei zwischen der Welle und der Blechungshülse ein thermisch isolierendes Element angeordnet ist. Durch dieses thermisch isolierende Element wird ein Wärmetransport von der Welle der Rotationsmaschine zur Blechungshülse und damit zur Blechung verhindert oder zumindest stark eingeschränkt. Zusammen mit der Kühlwirkung des Luftspalts zwischen Blechung und Magnetlagerstator kann eine Aufheizung der Blechung und eine im Extremfall damit verbundene Zerstörung der Isolierung in der Blechung vermieden werden. Insbesondere ist das thermisch isolierende Element derart ausgebildet, dass dieses im Zusammenspiel mit der Kühlwirkung des Luftspalts verhindert, dass in der Blechung eine hohe Temperatur, insbesondere eine Temperatur von 220°C oder höher auftritt.The object is achieved by a rotary machine of the aforementioned type, wherein a thermally insulating element is arranged between the shaft and the laminating sleeve. As a result of this thermally insulating element, heat transfer from the shaft of the rotary machine to the sheet-metal sleeve and thus to the lamination is prevented or at least severely restricted. Together with the cooling effect of the air gap between the sheet and magnetic bearing stator heating of the sheet metal and in extreme cases associated destruction of the insulation in the sheet can be avoided. In particular, the thermally insulating element is designed such that this prevents, in conjunction with the cooling effect of the air gap, that in the sheet a high temperature, in particular a temperature of 220 ° C or higher occurs.

Gemäß der Erfindung ist bei der Rotationsmaschine Vorgesehen, dass das thermisch isolierende Element hülsenartig ausgeformt ist. Damit ist eine thermische Isolierung der Blechungshülse gegenüber der Welle über deren gesamten Umfang möglich, der Wärmetransport in die Blechungshülse und damit in die Blechung wird dadurch weiter minimiert.According to the invention, it is provided in the rotary machine that the thermally insulating element is formed like a sleeve. Thus, a thermal insulation of the lamination sleeve relative to the shaft over its entire circumference is possible, the heat transfer in the lamination sleeve and thus in the lamination is further minimized.

Zusätzlich ist bei der Rotationsmaschine vorgesehen, das als Hülse ausgeformte thermisch isolierende Element zur Fixierung an einem konisch ausgebildeten Bereich der Welle ebenfalls konisch auszubilden. Die in Passform ausgebildeten Bereiche der Welle und der thermisch isolierenden Hülse können zur Montage einfach aufeinander geschoben werden. Dadurch wird die Montage deutlich erleichtert. Die thermisch isolierende Hülse kann auf den entsprechend konisch ausgebildeten Bereich der Welle unter Bildung einer Presspassung aufgebracht sein.In addition, in the case of the rotary machine, it is likewise provided that the thermally insulating element designed as a sleeve also has a conical shape for fixing to a conically shaped region of the shaft. The formed in fit areas of the shaft and the thermally insulating sleeve can be easily pushed together for mounting. As a result, the assembly is much easier. The thermally insulating sleeve may be applied to the corresponding conical portion of the shaft to form a press fit.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung kann das thermisch isolierende Element druckfest ausgestaltet sein. Dies ermöglicht insbesondere eine stabile Befestigung der Blechungshülse an der Welle. Desweiteren werden Verluste vermieden, die durch ein Walken des thermisch isolierenden Elementes entstehen würden.In a further preferred embodiment of the invention, the thermally insulating element can be made pressure-resistant. This allows in particular a stable attachment of the laminating sleeve on the shaft. Furthermore, losses are avoided that would be caused by a walking of the thermally insulating element.

Bevorzugt besteht das thermisch isolierende Element aus einer Keramik oder umfasst zumindest teilweise eine Keramik. Keramiken sind äußerst hitzebeständig und werden daher zum Beispiel auch in den Hitzeschilden von Space Shuttles verwendet. Desweiteren sind sie unelastisch und auf Druck sehr belastbar. Damit sind Keramiken für die zumindest teilweise Verwendung im erfindungsgemäßen thermisch isolierenden Element hervorragend geeignet. Insbesondere kann die Wandstärke des keramisch ausgebildeten thermisch isolierenden Elementes derart angepasst sein, dass das thermisch isolierende Element eine derartige Kühlwirkung erzeugt, die ermöglicht, dass die Temperatur in der Blechung der Blechungshülse 220°C nicht überschreitet. Die Wandstärke des thermisch isolierenden Elementes kann je nach Größe der Rotationsmaschine variieren.The thermally insulating element preferably consists of a ceramic or at least partially comprises a ceramic. Ceramics are extremely heat-resistant and are therefore used, for example, in the heat shields of space shuttles. Furthermore, they are inelastic and very resilient to pressure. Thus, ceramics for at least partial use in the thermally insulating element according to the invention are outstandingly suitable. In particular, the wall thickness of the ceramic-formed thermally insulating element can be adapted such that the thermally insulating element produces such a cooling effect that allows the temperature in the lamination of the laminating sleeve does not exceed 220 ° C. The wall thickness of the thermally insulating element may vary depending on the size of the rotary machine.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei der Rotationsmaschine vorgesehen sein, dass die Blechung in einer umlaufenden Nut der Blechungshülse sitzt. Die Blechung ist dadurch sicher an der Blechungshülse gehalten.According to a further preferred development of the invention, it can be provided in the rotary machine that the sheet metal is seated in a circumferential groove of the laminating sleeve. The sheet is thereby held securely on the lamination sleeve.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Rotationsmaschine eine Dampfturbine. Vor allem in Dampfturbinen ist der Wärmeeintrag durch die Welle in den Bereich der Lagerung der Welle sehr groß. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Dampfturbine wird verhindert, dass die Isolation in der Blechung zerstört wird.In a particularly preferred embodiment of the invention, the rotary machine is a steam turbine. Especially in steam turbines, the heat input through the shaft in the area of storage of the shaft is very large. The inventive design of the steam turbine prevents the insulation is destroyed in the sheet metal.

Die beigefügte Figur und die Figurenbeschreibung dienen dem besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Rotationsmaschine. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der Erfindung. Dabei zeigtThe attached figure and the description of the figures serve for a better understanding of the rotary machine according to the invention. Articles or parts of objects that are substantially the same or similar are given the same reference numerals. The figure is merely a schematic representation of a possible embodiment of the invention. It shows

1 in einer Schnittdarstellung eine Ausführungsvariante einer Rotationsmaschine im Bereich einer magnetischen Lagerung der Rotationsmaschine, die gemäß des erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzips ausgebildet ist. 1 in a sectional view of an embodiment of a rotary machine in the region of a magnetic bearing of the rotary machine, which is designed according to the construction principle of the invention.

1 zeigt schematisch in einer Schnittdarstellung eine Ausführungsvariante einer Rotationsmaschine im Bereich einer magnetischen Lagerung der Rotationsmaschine 10, insbesondere einer Dampfturbine, die gemäß des erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzips ausgebildet ist. Dabei ist eine Welle 2 im Bereich der magnetischen Lagerung 1 der Rotationsmaschine 10 durch den Magnetlagerstator 6 drehbar gelagert. An einem konisch ausgeformten Teil 2a der Welle 2 ist eine Keramikhülse als thermisch isolierendes Element 3 umlaufend angeordnet, insbesondere aufgepresst. An der als thermisch isolierendes Element 3 vorgesehenen Keramikhülse ist, insbesondere umlaufend, eine Blechungshülse 4 angebracht, die in einer radial umlaufenden Nut 4a eine Blechung 5 aufnimmt. Dabei besteht die Blechung 5 in der gezeigten Ausführungsform aus Metall 5a und Isolationsmaterial 5b, die jeweils abwechselnd in dünnen Scheiben, deren Achsen koaxial zur Drehachse der Welle 2 angeordnet sind. Dadurch werden die durch die Magnetkraft des Magnetlagerstators 6 induzierten Wirbelströme unterdrückt. Die Abfolge von Metall 5a und Isolation 5b ist in der 1 angedeutet. Die Blechung kann aber auch nur aus einem einzigen Material bestehen. Zwischen der Blechung 5 und dem Magnetlagerstator 6 ist ein Luftspalt 7 ausgebildet, dessen Kühlwirkung zusammen mit der thermischen Isolation der Blechung 5 durch die als thermisch isolierendes Element 3 vorgesehene Keramikhülse eine zu hohe Temperatur der Blechung 5 und eine damit einhergehende Zerstörung der Isolation 5b verhindert. Insbesondere ist die als thermisch isolierendes Element 3 vorgesehene Keramikhülse derartig ausgebildet, dass verhindert werden kann, dass die Temperatur in der Blechung 5 220°C übersteigt. 1 schematically shows a sectional view of an embodiment variant of a rotary machine in the region of a magnetic bearing of the rotary machine 10 , in particular a steam turbine, which is designed according to the construction principle according to the invention. There is a wave 2 in the field of magnetic storage 1 the rotary machine 10 through the magnetic bearing stator 6 rotatably mounted. At a conically shaped part 2a the wave 2 is a ceramic sleeve as a thermally insulating element 3 circumferentially arranged, in particular pressed. At the as a thermally insulating element 3 provided ceramic sleeve is, in particular circumferential, a laminating sleeve 4 attached in a radial circumferential groove 4a a sheet metal 5 receives. There is the sheet metal 5 in the illustrated embodiment of metal 5a and insulation material 5b , each alternately in thin disks, whose axes are coaxial with the axis of rotation of the shaft 2 are arranged. As a result, by the magnetic force of Magnetlagerstators 6 induced eddy currents suppressed. The sequence of metal 5a and isolation 5b is in the 1 indicated. The sheet metal can also consist of only one material. Between the sheet metal 5 and the magnetic bearing stator 6 is an air gap 7 formed, whose cooling effect together with the thermal insulation of the sheet metal 5 through as a thermally insulating element 3 intended ceramic sleeve too high a temperature of the lamination 5 and a consequent destruction of isolation 5b prevented. In particular, as a thermally insulating element 3 provided ceramic sleeve designed such that it can be prevented that the temperature in the sheet metal 5 Exceeds 220 ° C.

Claims (5)

Rotationsmaschine (10), aufweisend eine drehbar Welle (2) und mindestens zwei Lagerungen (1) der Welle (2), wobei wenigstens eine der mindestens zwei Lagerungen (1) der Welle (2) als Magnetlager (1) ausgebildet ist, wobei das Magnetlager (1) einen die Welle (2) umgebenden Magnetlagerstator (6) aufweist, und einer umlaufend an der Welle (2) angeordneten Blechungshülse (4), an der statorseitig umlaufend eine Blechung (5) vorgesehen ist, wobei zwischen dem Magnetlagerstator (6) und der Blechung (5) ein Luftspalt (7) gebildet ist und zwischen der Welle (2) und der Blechungshülse (4) ein thermisch isolierendes Element (3) angeordnet ist, wobei das thermisch isolierende Element (3) hülsenartig ausgeformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch isolierende Element (3) zur Fixierung an einem konisch ausgebildeten Bereich (2a) der Welle (2) konisch ausgebildet ist.Rotary machine ( 10 ), comprising a rotatable shaft ( 2 ) and at least two bearings ( 1 ) the wave ( 2 ), wherein at least one of the at least two bearings ( 1 ) the wave ( 2 ) as a magnetic bearing ( 1 ) is formed, wherein the magnetic bearing ( 1 ) one the wave ( 2 ) surrounding magnetic bearing stator ( 6 ), and one circumferentially on the shaft ( 2 ) arranged laminating sleeve ( 4 ), on the stator side circumferentially a sheet metal ( 5 ) is provided, wherein between the magnetic bearing stator ( 6 ) and the sheet metal ( 5 ) an air gap ( 7 ) is formed and between the shaft ( 2 ) and the laminating sleeve ( 4 ) a thermally insulating element ( 3 ), wherein the thermally insulating element ( 3 ) is formed sleeve-shaped, characterized in that the thermally insulating element ( 3 ) for fixing to a conically shaped area ( 2a ) the wave ( 2 ) is conical. Rotationsmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch isolierende Element (3) derart druckfest ausgestaltet ist, dass die Welle (2) stabil an der Blechungshülse (4) befestigbar ist. Rotary machine ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the thermally insulating element ( 3 ) is designed pressure-resistant, that the shaft ( 2 ) stable on the bleaching sleeve ( 4 ) is attachable. Rotationsmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch isolierende Element (3) aus einer Keramik besteht oder zumindest teilweise Keramik umfasst.Rotary machine ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the thermally insulating element ( 3 ) consists of a ceramic or at least partially comprises ceramic. Rotationsmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechung (5) in einer umlaufenden Nut (4a) der Blechungshülse (4) sitzt.Rotary machine ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the lamination ( 5 ) in a circumferential groove ( 4a ) of the laminating sleeve ( 4 ) sits. Rotationsmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsmaschine (10) eine Dampfturbine ist.Rotary machine ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the rotary machine ( 10 ) is a steam turbine.
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