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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbine, und ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Turbine.
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Hintergrund der Erfindung
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In Strömungsmaschinen werden derzeit zur Lagerung beweglicher Bauelemente der Strömungsmaschinen Schmierlager verwendet. Solche Schmierlager müssen beispielsweise mit Schmiermittel, wie z. B. Schmieröl, versorgt werden. Daher besteht das Risiko von Undichtigkeiten der Versorgungsleitungen, so dass ebenfalls das Brandrisiko steigen kann. Ferner sind Wartungsarbeiten notwendig, um Leckagen in dem Versorgungssystem zu beheben.
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Bewegbare Einbauelemente in Strömungsmaschinen sind beispielsweise die Turbinenwelle oder auch Schnellschlussventile. Schnellschussventile sind eingerichtet, die Zufuhr eines Arbeitsfluids für eine Strömungsmaschine schlagartig zu unterbrechen. Im Falle einer plötzlichen Entlastung eines Generators oder eines plötzlich auftretenden Defekts der Strömungsmaschine kann eine schlagartige Unterbrechung der Zufuhr von Arbeitsfluid (wie z. B. Dampf) mittels der Schnellschussventile ermöglicht werden, so dass ein so genanntes Durchgehen der Strömungsmaschine verhindert wird.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschine mit einem reduzierten Schmiermittelverbrauch bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine, insbesondere einer Turbine, und durch ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Turbine, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbine, beschrieben. Die Strömungsmaschine weist eine Turbinenwelle, ein Turbinengehäuse, ein Axiallager und ein Radiallager auf. Das Axiallager und das Radiallager sind derart eingerichtet, dass die Turbinenwelle drehbar an dem Turbinengehäuse gelagert ist. Das Radiallager ist ein Magnetlager.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer oben beschriebenen Strömungsmaschine, insbesondere einer Turbine, beschrieben.
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Unter einer Strömungsmaschine wird beispielsweise eine Turbine oder ein Verdichter verstanden. Ferner kann die Strömungsmaschine einen Turboverdichter beschreiben. Ferner kann die Strömungsmaschine eine Turbine-Verdichter-Strömungsmaschine beschreiben, bei welcher auf einer gemeinsamen Turbinenwelle zumindest eine Turbinenstufe und zumindest eine Verdichterstufe angeordnet sind. Insbesondere können beispielsweise unter dem Begriff „Strömungsmaschine” Axialturbinen, Radialturbinen, Axialverdichter und/oder Radialverdichter bezeichnet werden. Ferner kann die Strömungsmaschine mittels eines Arbeitsmediums betrieben werden, wobei das Arbeitsmedium beispielsweise flüssig (z. B. bei Pumpen als Strömungsmaschine), gasförmig oder dampfförmig ist. So kann die Strömungsmaschine beispielsweise als Dampfturbine fungieren, wobei Heißdampf bzw. Frischdampf der Strömungsmaschine zugeführt wird.
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Unter einer Turbinenwelle wird ein zum Betrieb der Turbine sich bewegendes bzw. sich rotierendes Bauteil der Turbine verstanden. Die Turbinenwelle erstreckt sich entlang einer Axialrichtung und rotiert bei Betrieb der Strömungsmaschine. Ferner weist die Turbinenwelle beispielsweise an ihr befestigte Rotorstufen bzw. einzelne Laufräder der Strömungsmaschine auf.
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Unter Axialrichtung wird eine Richtung parallel zu der Richtung der Drehachse der Turbinenwelle verstanden. Unter Radialrichtung wird eine Richtung verstanden, welche innerhalb einer Ebene verläuft, deren Normalenvektor parallel zu der Axialrichtung gerichtet ist. Ferner zeigt die Radialrichtung zu dem Turbinenwellenmittelpunkt.
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Die Turbinenwelle mit einem Axiallager gelagert, welches z. B. ein Fest- oder ein Loslager ist. Das Axiallager ist beispielsweise ein Loslager, welches keine axiale Verschiebung der Turbinenwelle zulässt. Ferner kann das Axiallager als Festlager ausgeführt sein und zusätzlich z. B. eine radiale Verschiebung der Turbinenwelle verhindern.
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Die Turbinenwelle ist ferner mit einem Radiallager gelagert, welches z. B. ein Fest- oder ein Loslager ist. Das Radiallager lässt eine axiale Verschiebung der Turbinenwelle zu und verhindert eine radiale Verschiebung der Turbinenwelle. Mittels des Radiallagers (als Loslager) kann sich die Turbinenwelle aufgrund von unterschiedlichen Materialtemperaturen in Axialrichtung ausdehnen und zusammenziehen.
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Die Turbinenwelle ist mittels des Axiallagers und des Radiallagers insbesondere an einen Turbinengehäuse drehbar gelagert. Das Turbinengehäuse umfasst neben dem Gehäuse daran befestigte statische Elemente wie beispielsweise einen Leitschaufelträger und daran befestigte Leitschaufeln. Über das Radiallager, welches eine translatorische Bewegung in Axialrichtung zulässt, können Relativbewegungen z. B. durch thermische Dehnungen in Axialrichtung zwischen dem Turbinengehäuse und dem Rotor zulässig sein.
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Unter einem Magnetlager wird eine Lagervorrichtung bezeichnet, wobei durch magnetische Kräfte die Turbinenwelle zwischen Magnetpolen des Magnetlagers gehalten wird. Mit einem Magnetlager kann grundsätzlich ein passives und ein aktives Magnetlager subsumiert werden.
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Ein passives Magnetlager weist Permanentmagneten auf. Die Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten wird genutzt, um die Turbinenwelle zwischen den Permanentmagneten berührungslos zu lagern. Die Lagerkräfte der passiven Magnetlager sind durch ihre Konfiguration und durch die jeweilige Anordnung der Permanentlager vorbestimmt und im Betrieb kaum veränderbar.
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Ein aktives Magnetlager weist Elektromagneten auf, welche (Lager-)Kräfte auf ferromagnetische Materialien, aus welchen üblicherweise eine Turbinenwelle besteht, ausüben.
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Die Lagerkräfte entlang einer bestimmten Richtung (z. B. axial, radial) eines aktiven Magnetlagers werden beispielsweise durch die Stromzufuhr der Elektromagnete eingestellt. Somit können die Lagerkräfte in einem aktiven Magnetlager gesteuert werden.
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Ein aktives Magnetlager kann darüber hinaus Lagesensoren aufweisen, welche die genaue Position der Turbinenwelle innerhalb des aktiven Magnetlagers messen. Die Ist-Position der Turbinenwelle kann mit den Sensoren erfasst werden und in einer Steuereinheit mit einer Soll-Position verglichen werden. Daraus folgend kann ein resultierendes Steuersignal erzeugt werden, wodurch die Stromzufuhr der Elektromagnete gesteuert wird. Daraus lassen sich wiederum die Lagerkräfte und somit die Positionen der Turbinenwelle relativ zu dem Lager steuern.
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Das aktive Magnetlager kann als elektrodynamisches Magnetlager ausgeführt sein, wobei durch Wirbelströme, mit oder ohne elektrischer Regelung, eine gewünschte Lagerkraft erzeugt wird. Das Axiallager und/oder das Radiallager kann beispielsweise aus einer Kombination von aktiven und passiven Magnetlagern bestehen. Mit anderen Worten kann ein Axiallager und/oder ein Radiallager gemäß einer beispielhaften Ausführungsform einen Permanentmagneten sowie einen Elektromagneten aufweisen, um die Turbinenwelle in einer gewünschten Position zu lagern.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Strömungsmaschine beschrieben, bei welcher als Radiallager ein Magnetlager eingesetzt wird. Das Magnetlager kann eine Vielzahl von Permanentmagneten aufweisen, welche entlang der Umfangsrichtung der Turbinenwelle angeordnet sind und die Turbinenwelle dazwischen schwebend in einer vorbestimmten Position halten. Zusätzliches Schmiermittel ist dabei nicht notwendig, so dass die Turbinenwelle schmiermittelfrei gelagert werden kann. Dies reduziert den Gesamtverbrauch an Schmiermittel der Strömungsmaschine. Insbesondere bewirkt ein Magnetlager, dass die Turbinenwelle kontaktfrei gelagert wird. Diese Berührungsfreiheit führt zu einer Reduzierung des Verschleißes und zu geringen Betriebsgeräuschen. Ferner kann eine effizientere Strömungsmaschine bereitgestellt werden, da Reibungsverluste reduziert werden. Ferner führt die Schmiermittelfreiheit des Magnetlagers dazu, dass eine Verkapselung des Magnetlagers ermöglicht wird, da keine Versorgungsleitungen angelegt werden müssen. Das Magnetlager kann aufgrund der Einkapselung vor aggressiven Medien geschützt werden und vor einem Eindringen von Verschmutzungspartikeln.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Magnetlager ein passives Magnetlager, z. B. ein Permanentmagnetlager. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Magnetlager ferner ein aktives Magnetlager. Wie oben beschrieben weist das aktive Magnetlager beispielsweise Elektromagnete auf, welche seine Lagerkraft aufgrund vorbestimmter Versorgungsströme steuern kann. Durch die Beeinflussung der Lagerkraft ist beispielsweise eine. Dämpfung und Steifigkeit im Betrieb variierbar. Ferner können Schwingungen und Unwuchten aktiv gedämpft werden. Mittels Sensoren kann die aktuelle Position der Turbinenwelle innerhalb des aktiven Magnetlagers überwacht werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Axiallager ein weiteres Magnetlager auf. Neben einer Lagerung mittels Kugellagern oder Gleitlagern kann das Axiallager ebenfalls als Magnetlagerung ausgeführt sein. Somit ist die gesamte Turbinenwelle frei von kontaktbehafteten Lagervorrichtungen, wie beispielsweise von Kugellagern oder Gleitlagern. Die Turbinenwelle kann mit anderen Worten berührungslos gegenüber dem Turbinengehäuse oder anderen Festkörpern gelagert werden. Es sind somit keine Versorgungsleitungen für Schmiermittel notwendig, so dass die gesamte Strömungsmaschine zur Lagerung der Turbinenwelle teilweise oder vollständig schmiermittelfrei ausgeführt werden kann.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das weitere Magnetlager ein weiteres passives Magnetlager (Permanentlager) und/oder ein weiteres aktives Magnetlager auf.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine ferner ein Schnellschlussventil und/oder ein Regelventil auf, welches eingerichtet ist, eine Fluidzufuhr der Strömungsmaschine schlagartig zu unterbrechen. Das Schnellschlussventil und/oder das Regelventil ist beispielsweise ein elektrisch, ein pneumatisch, ein magnetisch und/oder ein hydraulisch betreibbares Ventil. Insbesondere kann das Schnellschlussventil und/oder das Regelventil als magnetisches und/oder elektrisches Ventil ausgebildet sein. Dabei kann das Schnellschlussventil und/oder das Regelventil ein schmiermittelfrei betreibbares Ventil sein. Somit ist lediglich z. B. eine Stromversorgungsleitung zum Anschluss des Schnellschlussventils notwendig. Rohranschlüsse zur Beförderung eines pneumatischen oder hydraulischen Arbeitsmediums sind nicht notwendig. Somit kann beispielsweise neben der schmiermittelfreien Lagerung der Turbinenwelle ebenfalls die weiteren Funktionseinheiten, wie beispielsweise das Schnellschlussventil, schmiermittelfrei betreibbar sein. Somit wird eine Strömungsmaschine bereitgestellt, welche frei von jeglicher Art von Schmiermitteln ist. Dies reduziert die Komplexität der Strömungsmaschine. Aufgrund des reduzierten Schmiermittelverlusts wird auch eine umweltverträgliche Strömungsmaschine bereitgestellt.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine ferner zumindest ein weiteres Radiallager und/oder zumindest ein weiteres Axiallager auf, wobei das zumindest eine weitere Radiallager und/oder das zumindest eine weitere Axiallager zum drehbaren Lagern der Turbinenwelle eingerichtet ist. Die weiteren Axial- bzw. Radiallager können herkömmliche mechanische Lager, wie beispielsweise ein Kugellager oder ein Gleitlager sein. Ferner können die weiteren Radiallager und/oder weiteren Axiallager ebenfalls eines der oben beschriebenen Magnetlager aufweisen.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine zumindest ein Fanglager auf, welches derart eingerichtet ist, dass bei einem Ausfall des Axiallagers und/oder des Radiallagers die Turbinenwelle drehbar lagerbar ist. Das Fanglager kann beispielsweise ein mechanisches Lager, wie beispielsweise ein Kugellager oder Gleitlager sein. Ferner kann das Fanglager ebenfalls aus einem aktiven und/oder passiven Magnetlager bestehen.
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Das Fanglager ist zur Lagerung der Turbinenwelle an der Turbinenwelle angeordnet. Im regulären Betrieb der Turbine trägt das Fanglager nicht zur Lagerung der Turbinenwelle bei, bzw. nimmt das Fanglager bei regulärem Betrieb der Turbinenwelle keine Lagerkräfte auf. Erst bei Ausfall des Radiallagers und/oder des Axiallagers übernimmt das Fanglager eine Lagerfunktion der Turbinenwelle und nimmt Lagerkräfte auf. Beispielsweise kann das Fanglager einen inneren Lagerring aufweisen, welcher einen größeren Durchmesser als der äußere Durchmesser der Turbinenwelle aufweist. Im regulären Betrieb ist somit kein Kontakt zwischen der Turbinenwelle und dem inneren Lagerring gegeben. Bei Ausfall des Axiallagers und/oder des Radiallagers verlässt die Turbinenwelle die vorbestimmte Position und kommt auf einem Bereich des inneren Lagerrings des Fanglagers zu liegen. Bei Kontakt des inneren Lagerrings des Fanglagers werden beispielsweise Gewichtskräfte, insbesondere in radialer Richtung, auf das Fanglager übertragen. Gleichzeitig ermöglicht das Fanglager eine Rotation des Lagerrings und somit der Turbinenwelle, so dass ein plötzlicher Rotationsstop der Turbinenwelle nach Ausfall eines Radiallagers bzw. Axiallagers verhindert wird. Die Radiallager und/oder die Axiallager können als Magnetlager ausgebildet sein, so dass bei regulärem Betrieb die Turbinenwelle kontaktfrei durch Magnetkräfte gelagert wird. Bei Ausfall eines Magnetlagers würde die Turbinenwelle ihre Position verlassen und Teile des Magnetlagers berühren. Diesen Kontakt verhindert der innere Lagerring des Fanglagers. Daher ist der Abstand des inneren Lagerrings des Fanglagers zur Turbinenwelle kleiner als ein Abstand der Magnetlagerelemente zur Turbinenwelle. Nach Wegfall der lagererhaltenden Magnetkräfte kommt die Turbinenwelle somit auf dem inneren Lagerring des Fanglagers zum liegen. Somit können größere Schäden an der Turbinenwelle und somit an der gesamten Strömungsmaschine verhindert werden.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann eine Strömungsmaschine, wie beispielsweise eine Turbine mit Lagerbock, schmiermittelfrei bzw. ölfrei ausgeführt werden, da ausschließlich schmiermittelfreie Lagerungen und Steuertechniken eingesetzt werden. So können insbesondere die Regelventile und die Schnellschlussventile elektrisch betrieben werden. Das Radiallager der Turbinenwelle einer Turbine mit Lagerbock kann beispielsweise ein Permanentmagnetlager sein. Zur Ausregelung des Axialschubes kann als Lager ein kleines aktives Magnetlager eingesetzt werden. Bei der Verwendung von Permanentmagnetlagern ist der elektronische Regelaufwand kleiner als bei aktiven Magnetlagern. Kommt ausschließlich das Axiallager als aktives Magnetlager zum Einsatz, ist somit der elektronische Regelaufwand kleiner als bei einer Ausführungsform, bei welcher alle Lager als aktives Magnetlager ausgebildet sind. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Magnetlager führt zu einer Vereinfachung des Aufbaus und zu einer Reduktion des Verschleißes der Lager einer Strömungsmaschine. Daher entfällt die aufwendige Demontage bei Revisionen. Ohne die Notwendigkeit komplexer Versorgungsleitungen für Schmiermittellagerungen kann der Aufbau des Turbinengehäuses vereinfacht werden, sodass das Turbinengehäuse z. B. eine einfache und homogene Ausbildung aufweist. Zum Beispiel kann durch die Verwendung von Magnetlagern und der damit verbundenen Reduzierung der Systemkomplexität zum Beispiel durch Weglassen von Verbindungsleitungen ein Turbinengehäuse mit einer horizontalen Teilung eingesetzt werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
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Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in der Figur mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in der Figur sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt eine Strömungsmaschine. Die in der Figur dargestellte Strömungsmaschine ist eine Radialturbine bzw. ein Radialverdichter. Gemäß der vorliegenden Erfindung können auch u. a. Axialturbinen oder Axialverdichter als Strömungsmaschine 100 eingesetzt werden. Die Strömungsmaschine 100 weist eine Turbinenwelle 101, ein Turbinengehäuse 107, ein Axiallager 102 und ein Radiallager 103 auf. Das Axiallager 102 und das Radiallager 103 lagern die Turbinenwelle 101 drehbar, insbesondere gegenüber dem Turbinengehäuse 107. Das Radiallager 103 weist ein Magnetlager auf.
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Wie in der Figur dargestellt, ist das Axiallager 102 rechts an dem Gehäuse 107 angeordnet. Das Axiallager 102 weist einen Lagerring auf, welcher zwischen zwei Absätzen 108 angeordnet ist. Der Lagerring des Axiallagers 102 ist von den Absätzen 108 in axialer Richtung durch die Magnetkraft des Axiallagers 102 beabstandet. Ferner kann der Umfangsring des Axiallagers 102 ebenso in radialer Richtung von der Turbinenwelle 101 beabstandet sein. Die Abstände werden selbst bei Drehung der Turbinenwelle 101 konstant gehalten. Die Abstände werden insbesondere über Permanentmagnetlagerungen oder über aktive Magnetlager, beispielsweise mittels Elektromagneten, konstant gehalten.
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Ferner zeigt die Figur im mittleren Bereich ein Radiallager 103. Das Radiallager 103 verhindert eine Bewegung der Turbinenwelle 101 in radialer Richtung. Wie in der Figur ersichtlich ist die Turbinenwelle 101 bezüglich des Radiallagers 103 in axialer Richtung verschieblich angeordnet. Ferner ist die Turbinenwelle 101 drehbar an dem Turbinengehäuse 107 mittels des Radiallagers 103 gelagert. Zwischen einem Lagerring des Radiallagers 103 und der Turbinenwelle 101 kann ein Abstand bestehen. Der Abstand wird beispielsweise über Magnetkräfte eines Permanentmagneten des Radiallagers 103 oder über Magnetkräfte eines aktiven Magnetlagers des Radiallagers 103 konstant gehalten.
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Zudem kann an dem Turbinengehäuse 107 ein weiteres Lager 104 angeordnet sein. Da weitere Lager 104 kann beispielsweise ein Axiallager 102 oder ein Radiallager 103 sein, welches ebenfalls als Magnetlager ausgeführt sein kann.
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Die Turbinenwelle 101 weist ferner ein Laufrad 106 auf, an welchem die Verdichterschaufeln oder die Turbinenschaufel angeordnet sind. Bei der in der Figur dargestellten Strömungsmaschine 100 handelt es sich um eine radiale Strömungsmaschine. Wie durch die Pfeile in der Figur angedeutet, wird das Laufrad 106 in axialer Richtung angeströmt. Das Arbeitsfluid strömt hingegen in radialer Richtung von dem Laufrad 106 ab. Der Zufluss des Arbeitsmediums wird über ein Schnellschlussventil 105 und/oder über Regelventile 105 gesteuert. Das Schnellschlussventil 105 und/oder die Regelventile 105 sind in einem Zuflusskanal für das Arbeitsmedium installiert. Wie in der Figur dargestellt, kann ein Zuführtrichter an dem Turbinengehäuse 107 angeflanscht sein, wobei in dem Zuführtrichter das Schnellschlussventil 105 oder das Regelventil 105 befestigbar ist.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass ”umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und ”eine” oder ”ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
