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Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einer Magnetlageranordnung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche 1 und 2. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung eines Magnetlagers bei einer Dampfturbine nach den unabhängigen Ansprüchen 4 und 5.
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Eine erfindungsgemäße Dampfturbine mit einer Magnetlageranordnung ist beispielsweise aus der
DE 102011005347 A1 bekannt. Der wesentliche Vorteil von Magnetlagern liegt in der kontaktfreien und damit weitgehend reibungslosen Lagerung. Darüber hinaus ermöglicht die Magnetlagerung eine Öl-freie Lagerung der Welle. Die Öl-freie Lagerung bietet insbesondere Vorteile bei Dampfturbinenrotoren, weil hierdurch sichergestellt werden kann, dass kein Öl in den Dampfkreislauf der Dampfturbine gelangt. Zudem wird durch die Öl-freie Lagerung die Brandgefahr deutlich reduziert.
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Aktive Magnetlager, nachfolgend nur als magnetlager bezeichnet, erwärmen sich konstruktionsbedingt auf Grund von Wirbelstromverlusten. Zusätzlich kann der heiße Dampf der Dampfturbine für eine weitere Erwärmung des Magnetlagers sorgen. Die Magnetlager der Magnetlageranordnung bei der Dampfturbine müssen daher gekühlt werden. Die Kühlung der Magnetlager erfolgt üblicherweise durch Kühlluft, welche durch den Spalt zwischen Stator und Rotor des Magnetlagers hindurch geleitet wird. Die Kühlluft darf dabei nur eine sehr geringe Luftfeuchte enthalten, um Feuchtigkeitsschäden am Magnetlager zu vermeiden. Die Kühlluft wird daher aufwändig mit Lufttrockner getrocknet, bevor sie zur Kühlung des Magnetlagers verwendet wird. Als Kühlluft wird üblicherweise feuchte Außenluft verwendet, die über Sorbtionsmittel (Sorbtionsrad) geleitet wird und dabei einen Großteil ihrer Feuchte an das Sorbtionsmittel abgibt. Die getrocknete Luft erwärmt sich um den Betrag der Sorbtionswärme. Die trockene Luft wird anschließend verdichtet (ca. 0,4 bar). Durch die Verdichtung erwärmt sich die trockene Luft erheblich (ca. 140 °C). Die erwärmte und getrocknete Luft muss deshalb nachfolgend einem Kühlsystem mit Kühlwasser zugeführt werden um die Temperatur auf rund 40 °C herabzukühlen. Die so aufbereitete Luft wird anschließend dem Magnetlager zur Kühlung zugeführt. Die Aufbereitung der Kühlluft stellt somit einen anlagentechnisch hohen Aufwand dar und ist mit erheblichen Kosten verbunden. Zudem verursacht die Lufttrocknung hohe Energiekosten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Dampfturbine mit einer Magnetlageranordnung bereitzustellen, die eine vereinfachte Kühlung der Magnetlager ermöglicht. Desweiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kühlung eines Magnetlagers bei einer solchen Dampfturbine bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Dampfturbine durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 2 und hinsichtlich des Verfahrens durch die unabhängigen Patentansprüche 4 und 5 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Dampfturbine, umfassend eine Magnetlageranordnung mit zumindest einem aktiven Magnetlager zur Lagerung eines Rotors, wobei das Magnetlager mittels Kühlluft kühlbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetlageranordnung eine Regelung umfasst, die die Kühlung des Magnetlagers mittels Kühlluft erst dann hin zuschaltet, wenn eine vorgegebene Temperatur TSOLL am Magnetlager erreicht ist. Durch das Zuschalten der Kühlung mittels Kühlluft erst nach Erreichen der vorgegebenen Temperatur TSOLL kann auf eine Lufttrocknung vollständig verzichtet werden. Die Feuchtigkeit der Kühlluft kann sich aufgrund der Temperatur des Magnetlagers nicht als Kondensat am Lager absetzen, so dass Feuchtigkeitsschäden durch feuchte Kühlluft vermieden wird. Sollte das Lager länger in Betrieb sein, ohne dass der Rotor durch Dampf angetrieben und erwärmt wird (Turnbetrieb), kann ggf. ein kleiner (nicht redundanter) Lufttrockner vorgesehen werden.
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Die erfindungsgemäße Dampfturbine, umfassend eine Magnetlageranordnung mit zumindest einem aktiven Magnetlager zur Lagerung eines Rotors, wobei die Magnetlageranordnung mittels Kühlluft kühlbar ist, zeichnet sich des weiteren dadurch aus, dass die Magnetlageranordnung eine Regelung umfasst, welche die Kühlung mittels Kühlluft abschaltet, wenn eine vorgegebene Temperatur TSOLL am Magnetlager unterschritten ist. Wird die Temperatur TSOLL am Magnetlager unterschritten, ist keine Kühlung mittels Kühlluft erforderlich, so dass die Kühlluft abgeschaltet werden kann. Somit kann sich die Feuchtigkeit welche in der Kühlluft vorhanden ist auch nicht an der Magnetlageranordnung niederschlagen und dort für Schäden sorgen. Eine zusätzliche Trocknung der Kühlluft kann somit entfallen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dampfturbine zeichnet sich dadurch aus, dass die Temperatur TSOLL die Betriebstemperatur des Magnetlagers ist. Die Betriebstemperatur des Magnetlagers kann dabei auf einfache Weise erfasst werden. Hierzu ist vorzugsweise ein Temperatursensor direkt an der Magnetlageranordnung oder in unmittelbarer Nähe der Magnetlageranordnung angebracht. Grundsätzlich kann die Temperatur auch an einer anderen geeigneten Stelle der Dampfturbine gemessen werden, wobei lediglich darauf zu achten ist, dass sich aus der gemessene Temperatur Rückschlüsse auf die Temperatur der Magnetlageranordnung ziehen lassen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung eines Magnetlagers bei einer Dampfturbine nach Anspruch 1 zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:
- – Messen der Temperatur T des Magnetlagers;
- – Vergleich der gemesenen Temperatur T mit einer vorgegebenen Temperatur TSOLL;
- – Zuschalten von Kühlluft zur Kühlung des Magnetlagers, sobald das Magnetlager die vorgegebene Temperatur TSOLL, erreicht hat.
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Hierdurch wird sichergestellt, dass das Magnetlager hinreichend gekühlt wird und es nicht zu einer Überhitzung des Magnetlagers kommt. Gleichzeitig wird dafür gesorgt, dass das Magnetlager vor dem Zuschalten der Kühlluft bereits eine vorgegebene Temperatur TSOLL aufweist, die so hoch ist, dass sich Feuchtigkeit, welche in der Kühlluft vorhanden ist, nicht als Kondensat am Magnetlager oder der Magnetlageranordnung niederschlagen und für Feuchtigkeitsschäden sorgen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung eines Magnetlagers bei einer Dampfturbine nach Anspruch 2 zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:
- – Messen der Temperatur T des Magnetlagers;
- – Vergleich der gemessenen Temperatur T mit einer vorgegebenen Temperatur TSOLL;
- – Abschalten der Kühlluft zur Kühlung des Magnetlagers, sobald das Magnetlager die vorgegebene Temperatur TSOLL, unterschreitet.
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Hierdurch wird sichergestellt, dass die Kühlung mittels Kühlluft nur so lange aufrechterhalten wird, wie dies zur Kühlung der Magnetlagerung notwendig ist. Durch das Abschalten der Kühlluft bei Unterschreiten der vorgegebenen Temperatur TSOLL wird vermieden dass feuchte Kühlluft an das Magnetlager herangeführt wird, welches sich aufgrund der geringen Temperatur des Magnetlagers als Kondensat auf diesen absetzen und somit für Feuchtigkeitsschäden sorgen kann. Durch das abschalten der Kühlluft kann darüber hinaus zusätzlich Energie eingespart werden.
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Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass durch die erfindungsgemäße Dampfturbine sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung eines Magnetlagers bei einer solchen Dampfturbine, auf die bislang aufwendige Lufttrocknung weitgehend komplett verzichtet werden kann. Hierdurch ergibt sich ein deutlich vereinfachter Aufbau der Magnetlageranordnung bei der erfindungsgemäßen Dampfturbine. Der vereinfachte konstruktive Aufwand schlägt sich in einer deutlich preiswerteren Ausbildung der Magnetlageranordnung wieder. Die Regelung zur Messung der Temperatur TSOLL und des Zu- bzw. Abschaltens der Kühlluft beim Erreichen oder Unterschreiten der Temperatur TSOLL lässt sich einfach und preiswert bewerkstelligen.
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Ein nachträglicher Einbau einer solchen Regelung bei bestehenden Dampfturbinenanlagen ist problemlos möglich.
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Eine Ausgestaltung, sowie weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 gezeigt. Die 1 zeigt dabei lediglich eine schematische Darstellung der Magnetlageranordnung, wobei auf die Darstellung der Dampfturbine verzichtet wurde. Es sind nur die wesentlichen zur Erfindung notwendigen Bauteile dargestellt. Desweiteren zeigt die Darstellung keine maßstabsgerechte Abbildung.
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1 zeigt einen Axialschnitt durch eine Magnetlageranordnung 1 zur Lagerung eines Rotors 2, einer erfindungsgemäßen Dampfturbine. Die Magnetlageranordnung 1 umfasst ein aktives Magnetlager 3 mit mehreren Magnetlagerspulen 4, sowie eine elektrische Regelung 5. Mittels der elektrischen Regelung 5 kann eine Bestromung der Magnetlagerspulen 4 erfolgen. Durch die Bestromung der Magnetlagerspulen 4 wird ein Magnetfeld aufgebaut, welches die berührungslose magnetische Lagerung des Rotors 2 im Magnetlager 3 ermöglicht. Die Magnetlageranordnung 1 umfasst darüber hinaus ein Fanglager 7. Das Fanglager 7 dient dazu, im Falle eines Rotorabwurfs den Rotor 2 bis zum endgültigen Stillstand des Rotors 2 zu lagern und so größere Schäden an der Magnetlageranordnung 1 zu verhindern. Das Fanglager 7 ist im Ausführungsbeispiel als Kugellager ausgebildet. Darüber hinaus können weiter Lager, beispielsweise ein Axiallager, zur axialen Lagerung des Rotors 2 vorgesehen werden.
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Das Magnetlager 3 ist mittels Kühlluft 8, kühlbar. Die Kühlluft 8 strömt in einen Spalt 9 zwischen Magnetlager 3 und Rotor 2 führt dabei die Wärme vom Magnetlager 3 ab. Die Regelung 5 steuert das Zu- und Abschalten der Kühlluft 8. Das Zu- oder Abschalten der Kühlluft 8 erfolgt Temperaturabhängig. Die Kühlluft 8 wird dabei erst dann zugeschaltet, wenn eine vorgegebene Temperatur TSOLL am Magnetlager 3 erreicht ist. Die Temperatur TSOLL kann beispielsweise die Betriebstemperatur des Magnetlagers 3 sein. Somit wird beim Zuschalten der Kühlluft 8 beim Erreichen der Betriebstemperatur des Magnetlagers 3 für eine ausreichende Kühlung des Magnetlagers 3 mit Kühlluft 8 gesorgt. Durch das Hinzuschalten der Kühlluft 8 erst beim Erreichen einer vorgegebenen Temperatur TSOLL muss die Kühlluft 8 nicht wie beim Stand der Technik üblich, zunächst aufwändig getrocknet werden um eine Kondensationsbildung und damit Feuchtigkeitsschäden am Magnetlager 3 oder der Magnetlageranordnung 1 zu vermeiden. Aufgrund der (erhöhten) Temperatur TSOLL am Magnetlager 3 wird Kondensation wirkungsvoll verhindert. Die Regelung 5 ist dabei so ausgebildet, dass sie beim Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur TSOLL am Magnetlager 3 die Kühlluft 8 wieder abschaltet. Beim Unterschreiten der Temperatur TSOLL ist eine Kühlung des Magnetlagers 3 nicht weiter notwendig. Durch das Abschalten der Kühlluft 8 mittels der Regelung 5 wird vermieden, dass feuchte Kühlluft 8 in das Magnetlager 3 oder die Magnetlageranordnung 1 gelangt und dort kondensiert. Soll das Lager dafür ausgelegt sein, länger in einem Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem der Rotor nicht durch Dampf angetrieben und erwärmt wird (z.B. Turnbetrieb), kann ggf. ein kleiner (nicht redundanter) Lufttrockner vorgesehen werden, der die Kühlluft 8 vor Eintritt in die Magnetlageranordnung 1 trocknet.
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Die Messung der Temperatur TSOLL erfolgt mit einem Temperatursensor 6. Der Temperatursensor 6 ist im Ausführungsbeispiel nahe dem Magnetlager 3 angeordnet. Hierdurch wird eine Temperaturmessung mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Grundsätzlich kann eine Temperaturmessung auch an einer anderen und weiter entfernt liegenden Stelle gemessen efolgen, wenn sicher gestellt wird, dass mit hinreichender Genauigkeit auf die Temperatur am Magnetlager 3 zurückgeschlossen werden kann.
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Nachfolgend werden kurz die erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung eines Magnetlagers (3) bei einer Dampfturbine beschrieben. Beim Anfahren der Dampfturbine kommt es zunächst aufgrund des in die Dampfturbine eintretenden Dampfes zu einer Erwärmung der Dampfturbine und folglich damit zu einer Erwärmung der Magnetlageranordnung 1. Zusätzlich tragen die Wirbelstromverluste im Magnetlager zu einer weiteren Temperaturerhöhung des Magnetlagers 3 bei. Die Erwärmung der Magnetlageranordnung 1 bzw. des Magnetlagers 3 wird von einem Temperatursensor 6 erfasst, der das Signal an die Regelung 5 weitergibt. Die Regelung vergleicht die gemessene Temperatur T mit einer vorgegebenen Temperatur TSOLL. Solange die Temperatur T kleiner ist als die vorgegeben Temperatur TSOLL erfolgt keine Kühlung der Magnetlageranordnung 1 bzw. des Magnetlagers 3 mit Kühlluft 8. Beim Erreichen der vorgegebenen Temperatur TSOLL wird von der Regelung 5 eine Kühlung mittels Kühlluft 8 zugeschaltet. Die Kühlluft 8 sorgt für eine Kühlung des Magnetlagers 3. Da die Kühlluft 8 erst beim Erreichen der Temperatur TSOLL, die beispielsweise der Betriebstemperatur des Magnetlagers 3 entspricht, erfolgt, ist eine Trocknung der Kühlluft 8 vor Eintritt in die Magnetlageranordnung 1 nicht erforderlich. Die Temperatur TSOLL ist so hoch gewählt, dass eine Kondensation von Feuchtigkeit, welche in der Kühlluft 8 enthalten ausgeschlossen werden kann. Kondensations- bzw. Feuchtigkeitsschäden an der Magnetlageranordnung 1 können somit wirkungsvoll verhindert werden.
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Beim herunterfahren der Dampfturbine und beim Unterschreiten der Temperatur TSOLL am Magnetlager 3 schaltet die Regelung 5 die Kühlung des Magnetlagers 3 mittels Kühlluft 8 aus. Eine weitere Kühlung der Magnetlageranordnung 1 bzw. des Magnetlagers 3 ist nicht mehr erforderlich. Durch das Abschalten der Kühlluft 8 gelangt somit keine feuchte Kühlluft an die abkühlenden Magnetlager 3 und eine Kondensation von Feuchtigkeit aus der Kühlluft 8 am Magnetlager 1 kann ausgeschlossen werden.
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Durch die erfindungsgemäße Dampfturbine sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung eines Magnetlagers kann somit vollständig auf eine bislang notwendige und aufwändige Lufttrocknung verzichtet werden. Trotzdem wird jederzeit sichergestellt, dass es zu keiner Kondensation von Feuchtigkeit am Magnetlager oder der Magnetlageranordnung kommt. Die erfindungsgemäße Dampfturbine sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung eines Magnetlagers vereinfachen den Aufbau der Magnetlageranordnung erheblich. Dies trägt zu einer Reduzierung sowohl der Anlage- als auch der Energiekosten bei.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011005347 A1 [0002]
