DE102017010377A1 - Magnetgelagerte Turbomaschine - Google Patents

Magnetgelagerte Turbomaschine Download PDF

Info

Publication number
DE102017010377A1
DE102017010377A1 DE102017010377.1A DE102017010377A DE102017010377A1 DE 102017010377 A1 DE102017010377 A1 DE 102017010377A1 DE 102017010377 A DE102017010377 A DE 102017010377A DE 102017010377 A1 DE102017010377 A1 DE 102017010377A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
bearing
shaft
magnetic
contact
stator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102017010377.1A
Other languages
English (en)
Inventor
Auf Nichtnennung Antrag
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE102017010377.1A priority Critical patent/DE102017010377A1/de
Publication of DE102017010377A1 publication Critical patent/DE102017010377A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0402Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means combined with other supporting means, e.g. hybrid bearings with both magnetic and fluid supporting means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/0408Passive magnetic bearings
    • F16C32/0423Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other
    • F16C32/0429Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other for both radial and axial load, e.g. conical magnets
    • F16C32/0431Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other for both radial and axial load, e.g. conical magnets with bearings for axial load combined with bearings for radial load
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0474Active magnetic bearings for rotary movement

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

Direktgetriebene Turbomaschinen, welche entweder aus einer Fluidströmung elektrische Energie gewinnen oder mit elektrischer Energie eine Fluidströmung erzeugen, besitzen in der Regel mindestens eine schnell rotierende Antriebswelle.
Bei der Kombination verschiedener Lagertypen für diese Antriebswelle, wie zum Beispiel Magnetlagern mit Wälzlagern werden die einzelnen Lager unterschiedlich belastet. Die Erfindung löst das Problem, die Hauptbelastung auf die verschleißfreien Magnetlager zu lenken, durch das Verwenden eines Lagerschlittens.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Gestaltung einer direkt getriebenen Turbomaschine, welche entweder aus einer Fluidströmung elektrische Energie gewinnen kann oder mit elektrischer Energie eine Fluidströmung erzeugt und mindestens eine schnell rotierende Antriebswelle besitzt.
  • Es ist bekannt, zur Lagerung von Wellen in Maschinen auch berührungsfreie magnetische Lager zu verwenden, wobei es bei permanentmagnetgelagerten Wellen grundsätzlich nicht möglich ist, alle Kräfte über die Magnetlager abzufangen. Mindestens in einer Kraftrichtung bedarf es der Verwendung eines konventionellen Kontaktlagers. Der Nachteil dieser Kombination von Kontaktlagern und Magnetlagern liegt vor allem in den unterschiedlichen Reaktionen der verschiedenen Lagertypen auf Kräfteänderungen an der Welle. Während das Kontaktlager bei Krafteinwirkung nur geringe Wege- bzw. Lageänderungen der Welle zulässt, kann sich die Welle im Magnetlager bei gleichen Kräften um Zehnerpotenzen stärker verschieben. Dies führt dazu, dass das Kontaktlager stark belastet wird. Ziel des Einsatzes unterschiedlicher Lagertypen ist jedoch, die Hauptbelastung auf die verschleißfreien Magnetlager zu lenken.
  • Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, die Kontaktlager der Welle zu entlasten. Das wird erfindungsgemäß durch verschiedene Maßnahmen erreicht. Kennzeichnend für die Erfindung ist u.a. zusätzlich zu Stator und Rotor die Verwendung eines weiteren Bauteils bzw. einer funktionellen Einheit, des Lagerschlitten. Dieser Lagerschlitten ist so gestaltet, dass er seine Position im Verhältnis zum Stator bei Einwirkung von Rotorkräften verändern kann, jedoch nicht betriebsmäßig rotiert. Die Welle ist über das Kontaktlager mit diesem Lagerschlitten so verbunden, dass radiale, vertikale und/oder axiale Kräfte vom Lager auf diesen Schlitten übertragen werden und dieser hierdurch seine Ausrichtung zum Stator verändert. Weiterhin sind die auf der Welle befindlichen Elemente, wie Lagerteile, Motor-bzw. Generatorkomponenten sowie Laufräder besonders zueinander anzuordnen und zu bemessen.
  • In 1) a werden die nicht rotierenden Teile der axialen Magnetlager durch das Kontaktlager über den Lagerschlitten radial zur Welle ausgerichtet. Da die Welle im Lagerschlitten axial verschiebbar ist, erfolgt ihre axiale Ausrichtung über die Magnetlager und ihre radiale Ausrichtung ebenfalls. Es werden also somit alle auf die Welle wirkenden axialen und radialen Kräfte über die Magnetlager auf den Stator übertragen während das Kontaktlager lediglich die zur radialen Ausrichtung des Lagerschlittens bzw. der axialen Magnetlager notwendigen Kräfte aufnimmt. Da die Masse des Lagerschlittens wesentlich geringer gehalten werden kann, als die der Welle, wird das Kontaktlager auch geringer belastet. Besonders positiv wirkt sich diese Anordnung auch bei Schwingungen der Welle aus. Durch deren Übertragung über das Kontaktlager auf den Lagerschlitten wird dieser zum Stator bewegt und wandelt hierbei einen Teil der Schwingungsenergie in Reibung um. Er wirkt somit dämpfend und vermindert Vibrationen.
  • In 1) a ist eine solche Maschine mit den für die Lagerung der Welle wichtigsten funktionellen Komponenten dargestellt. Mit der Welle (1) sind die rotierenden Teile (111) und (121) der radialen Magnetlager (11) und (12), der rotierende Teil (131) der axialen Magnetlager (13) und (14) und die rotierenden Teile (151) des Kontaktlagers (15) fest verbunden. Der äußere statische Teil (152) des Kontaktlagers (15) sitzt durch die Gleitfläche (32) begrenzt axial verschiebbar im Lagerschlitten (3). Der Lagerschlitten (3) ist senkrecht zur Rotationsachse (19) der Welle (1) gegenüber dem Stator (2) über die Gleitflächen (31) und (32) verschiebbar mit diesem (2) verbunden. Die axial ausgerichteten statischen Teile (132) und (142) der Magnetlager (13) und (14) werden somit über das Kontaktlager (15) innerhalb dessen Lagerspiels immer radial symmetrisch zur Rotationsachse der Welle ausgerichtet. Hierdurch üben die axialen Magnetlager (13) und (14) idealer Weise keine d.h. real nur geringe radialen Kräfte zum Lagerschlitten (3) und zum Stator (2) aus. Alle radialen Kräfte zwischen Welle (1) und Stator (2) werden somit über die beiden radialen Magnetlager (11) und (12) abgefangen. Die axialen Kräfte zwischen Welle (1) und Stator (2) werden über die axialen Magnetlager abgefangen, wobei durch den zur Welle (1) zentrierten Lagerschlitten (3) radiale Kräfte der Axiallager (13) und (14) verhindert bzw. entkoppelt werden. Das Kontaktlager (15) trägt lediglich das Gewicht des Lagerschlittens (3) auf der rotierenden Welle (1), während alle anderen Kräfte durch die verschleißfreien Magnetlager (11), (12), (13), (14) übertragen werden. Da sich das Kontaktlager (15) am Wellenende hinten (192) befindet, kann es somit im Vergleich zu den Durchmessern der Magnetlager (911) einen wesentlich geringeren Durchmesser (913) und damit eine geringere Umfangsgeschwindigkeit aufweisen. Die Rotordynamik und Tragfähigkeit der Welle (1) wird durch das kleinere Kontaktlager (15) nicht wesentlich beeinflusst.
  • In 2) ist der Schnitt durch einen Turboverdichter niedriger Leistung dargestellt. Wegen der relativ geringen Rotormasse wurde auf axiale Magnetlager verzichtet. Die axiale Ausrichtung der Welle (1) wird hierbei im Gegensatz zu 1) durch das Kontaktlager (15) übernommen. Der Hauptteil der radialen Kräfte wird durch das radiale Magnetlager (11) zwischen Schaufelrad (41) und dem Läufer (51) der rotierender Motor- Generatoreinheit, abgefangen. Der Lagerschlitten (3) ist in diesem Falle über die Gleitflächen (31) schwenkbar zum Stator (2) ausgeführt und kann damit die Bewegungen durch radiale Kräfte am Magnetlager (11) so ausgleichen, dass das Kontaktlager (15) hierdurch nicht belastet wird. Wenn die Maschine senkrecht aufgestellt wird, wirken fast nur noch axiale Kräfte auf die Welle (1). Der durch das Schaufelrad (41) verursachte Axialschub nach vorn wird durch das Gewicht der Welle (1) teilweise kompensiert. Das Kontaktlager (15) muss nur noch die verbleibende Differenzkraft an den Stator (2) weiterleiten. Durch eine Verschiebung der axialen Mitte des radialen Magnetlagers (11) nach vorn oder hinten, 1) b. (72), kann eine beliebige zusätzliche konstante axiale Kraft auf die Welle (1) ausgeübt und hierdurch die verbleibende Axialkraft der Welle (1) auf das Kontaktlager (15) optimiert bzw. minimiert werden. Der gesamte weitere Aufbau der Turbomaschine entspricht ansonsten herkömmlichen getriebelosen Verdichtern oder Expandern bzw. Turbinen, mit Leitbeschaufelung (421), Spiralgehäuse (422), Stator Motor bzw. Generator (52) mit Blechpaket (521) Drehstromwicklungen (522), Kabeldurchführungen (523). Durch die besondere Ausführung des Lagerschlittens (3) und des hinteren Wellenteils wird der Schmierungsaufwand des Kontaktlagers (15) minimiert. Hinter dem Kontaktlager (15) ist eine Scheibe (153) auf der Welle (1) aufgebracht, deren Durchmesser (914) größer ist, als der Innendurchmesser des Kontaktlagers (913). Diese Scheibe (152) kann mindestens teilweise im Schmiermittel (61) laufen und dieses tangential zur Welle (1) beschleunigen. Im hinteren Lagerschild (23) geht radial über der Scheibe ein anfangs in tangentiale geneigter Kanal aus (62), welcher etwas Schmiermittel vor das Kontaktlager (15) befördert und so dessen Schmierung gewährleistet. Das hintere Lagerschild (23) ist so aufgebaut, dass es die notwendige Schmiermittelmenge (61) aufnehmen kann. Bei Bedarf kann das Volumen noch extern erweitert werden. Alternativ kann das hintere (192) Wellenende (1) auch hohl gestaltet und mit Schmiermittelbohrungen versehen sein, welche vor dem Kontaktlager radial durch die Welle nach außen verlaufen und so das Schmiermittel durch die Welle vor das Kontaktlager (15) befördern.
  • 4) verdeutlicht die Größenverhältnisse der Maschine aus 2). Der Stator (112) des radialen vorderen Magnetlagers (11) weist einen Innendurchmesser (915) auf, welcher mindestens dem Außendurchmesser (912) des rotierenden Teiles (51) des Motor/Generator (5) entspricht. Hierdurch kann die Welle (1) mit vormontiertem Laufrad (41) von vorn (191) in den Stator (2) eingeführt werden. Durch die Vormontage des Schaufelrades (41) können als Verbindung zur Welle (1) jetzt Schrumpf- oder Presspassungen (412) genutzt werden, auch wenn der Stator (2) zylinderförmig und am Umfang geschlossen ist. Das Wellen (1) - Laufrad (41) - System wird hierdurch in Fertigung und Montage wesentlich preiswerter, da eine teure formschlüssige Verbindung, wie z.B. die Hirthverzahnung, entfallen kann. Die Welle (1) wird vor der Montage einfach am vorderen Ende (191) induktiv erwärmt und über einen am Laufrad (41) befindlichen Zapfen (412) geschrumpft. Anschließend kann sie komplett gewuchtet und ohne erneute Trennung und Montage in den Stator (2) montiert werden.
  • Zu den Besonderheiten einer magnetgelagerten Welle (1) mit darauf befindlichem Rotorteil bzw. Läufers (51) eines Motors bzw. Generators (5) gehören die wirkenden radialen Kräfte der Komponenten durch die Magnetfelder zwischen Läufer und Wicklung. Während diese Kräfte bei vollständiger Lagerung mittels Kontaktlagern vernachlässigbar gering sind, üben sie aber bei Einsatz von radialen Magnetlagern (11), (12) einen starken Einfluss aus. Deshalb ist es sinnvoll die Summe der äußeren Wirkfläche (951) der auf jeder Seite der Welle (1) befindlichen Magnetlager jeweils auf mindestens 50% der Wirkfläche des Motor-/ Generatorläufers (952) zu bemessen.
  • Wenn, wie in 2) und 4) dargestellt, nur ein radiales Magnetlager (11) vorhanden ist, sollte der Abstand (941) der Mitte der wirksamen radialen Magnetfläche (931) zur wirksamen Mitte des Kontaktlagers (933) mindestens doppelt so groß sein, wie der Abstand (942) der Mitte der wirksamen Fläche des Motor-/Generatorläufers (932) zur wirksamen Mitte des Kontaktlagers (933). Für eine genügend hohe Standfestigkeit bzw. Laufzeit von Kontaktlagern (15) bei Einsatz von radialen Magnetlagern (11) ist es sinnvoll, die Umfangsgeschwindigkeit rotierender Teile (151) der Kontaktlager (15) gegenüber den rotierenden Teilen (111) der Magnetlager (11) stark zu senken. Der Innendurchmesser (913) der rotierenden Teile (151) der Kontaktlager (15) sollte unter 50% des Außendurchmessers (911) des rotierenden Teiles (111) des vorderen Magnetlagers (11) liegen.
  • In 3) a bis d sind weitere mögliche Ausführungen einer Maschine mit Magnetlagern (11), (12), (13), Kontaktlagern (15) und Lagerschlitten (3) aufgezeigt. In der Ausführung 3) a werden die äußeren Teile (112), (122) der radialen Magnetlager (11), (12) über den Lagerschlitten (3) durch das Kontaktlager (15) auf der Welle geführt und befinden sich somit unabhängig von der Axialkraft immer in derselben axialen Position zu ihren rotierenden Teilen (111), (121). In 3) b ist der Lagerschlitten (3) ebenso schwenkbar, wie in 2). Jedoch ist das Kontaktlager (15) axial durch ein Magnetlager (13) entlastet. In 3) c ist eine symbolische Darstellung wesentlicher Teile der Rotor (1) -Stator (2) - Einheit von 2). In 3) d bilden jeweils ein Magnetlager (11) und ein Kontaktlager (15) eine funktionelle Einheit, wobei das Kontaktlager (15) den Stator (112) des Magnetlagers (11) axial so verschieben kann, dass er immer in derselben axialen Position zum zugehörigen Magnetlager (11) steht, auch wenn sich die Welle (1) axial verschiebt. Der Stator (112) des jeweiligen Magnetlagers (11) ist dabei mindestens radial zur Welle (1) verschiebbar.
  • Bezugszeichenliste
  • 1 Welle
    11 Magnetlager radial zum Wellenende Laufrad
    111 rotierender Teil
    112 statischer Teil
    113 Bandage des rotierenden Teils
    12 Magnetlager radial nach
    121 rotierender Teil
    122 statischer Teil
    123 Bandage des rotierenden Teils
    13 Magnetlager axial
    131 rotierender Teil
    132 fixierter Teil
    14 Magnetlager axial
    141 rotierender Teil
    142 fixierter Teil
    15 Kontaktlager 1
    151 rotierender Teil
    152 fixierter Teil
    153 Axialscheibe Kontaktlager
    16 Kontaktlager 2
    17 Axialscheibe Magnetlager
    18 Gemeinsame Wellenbandage
    19 Rotationsachse Welle
    191 Vorn
    192 Hinten
    2 Stator
    21 Magnetlageraufnahme statischer Teil vorn
    22 Magnetlageraufnahme statischer Teil hinten
    23 Hinteres Lagerschild
    3 Lagerschlitten (wellengeführte Lageraufnahme)
    31 Gleitflächen radial bzw. schwenkbar
    32 Gleitflächen axial
    33 Magnetlageraufnahme axial vorn
    34 Magnetlageraufnahme axial hinten
    35 Kontaktlageraufnahme
    4 Turbosystem
    41 Schaufelrad
    411 Laufschaufeln
    412 Befestigungszapfen Laufrad
    413 Befestigungsbolzen Laufrad mit Mutter
    42 Diffusor bzw. Düsen
    421 Leitschaufeln
    422 Spiralgehäuse
    423 Hochdruckflansch
    43 Hochdruckflansch
    5 Motor bzw. Generator
    51 Rotorabschnitt Motor bzw. Generator = Läufer
    511 Magnete
    512 Bandage Generatormagnete
    52 Statorabschnitt Motor bzw. Generator
    521 Blechpaket
    522 Wicklungen
    523 Kabeldurchführung Wicklungen
    6 Schmiermittelsystem
    61 Schmiermittelvorrat
    62 Schmiermittelkanal
    7 Lagertypen funktionelle Darstellung
    71 Magnetlagerpaare mit symmetrischer Anordnung
    72 Magnetlagerpaare mit unsymmetrischer Anordnung
    73 Gleitflächen gerade Bewegungsrichtung einfach
    74 Gleitflächen gerade Bewegungsrichtung doppelt
    75 Gleitflächen schwenkbar
    76 Kontaktlager Wälzlager
    77 Kontaktlager allgemein (Wälzlager, Gleitlager)
    8 Lagertypen symbolische Darstellung
    81 Magnetlagerpaare mit symmetrischer Anordnung
    82 Magnetlagerpaare mit unsymmetrischer Anordnung
    83 Gleitflächen gerade Bewegungsrichtung einfach
    84 Gleitflächen gerade Bewegungsrichtung doppelt
    85 Gleitflächen schwenkbar
    86 Kontaktlager Wälzlager
    87 Kontaktlager allgemein (Wälzlager, Gleitlager)
    9 Maße
    91 Durchmesser
    911 Außendurchmesser Rotorteil Magnetlager radial vorne
    912 Außendurchmesser Rotorteil Generator
    913 Innendurchmesser Rotorteil Kontaktlager
    914 Außendurchmesser Rotorteil Axialscheibe Kontaktlager
    915 Innendurchmesser Stator vorderes Magnetlager
    92 Wirksame Länge
    921 Magnetlager radial vorne
    922 Generator
    923 Kontaktlager
    93 Wirksame Mitte
    931 Magnetlager radial vorne
    932 Generator
    933 Kontaktlager
    94 Abstand Mitte
    941 Magnetlager vorne - Kontaktlager
    942 Generator - Kontaktlager
    95 Wirksame Flächen
    951 rotierender Teil Magnetlager vorne
    952 Läufer Motor bzw. Generator
  • Figurenliste
    • 1) Magnetgelagerte Turbomaschine mit auf der Welle gelagerten Lagerschlitten
      1. a. Funktioneller Aufbau
      2. b. Symbollegende für funktionelle und prinzipielle Darstellung
      3. c. Prinzipielle Darstellung des oben dargestellten Lagersystems
    • 2) Schnitt durch Turboverdichter detailliert
    • 3) Prinzipielle Gestaltung von Lagersystemen Magnetlager - Kontaktlager
      1. a. Kontaktlagergeführtes Axialsystem
      2. b. Kontaktlager geführtes Radialsystem
      3. c. Kontaktlagergeführtes schwenkbares System
      4. d. Magnetlager jeweils direkt durch Kontaktlager geführt
    • 4) Maße und Größenverhältnisse
  • Begriffsdefinitionen
  • Als Kontaktlager werden hier Lager bezeichnet, die Kräfte zwischen zueinander beweglichen Maschinenelementen durch sich berührende ruhende oder rotierende Elemente übertragen. Die hierbei verursachte Roll- und/oder Gleitreibung wird meist durch einen zusätzlichen Gleit- bzw. Schmierfilm gemindert, welcher sich zwischen den sich zueinander bewegenden Maschinenelementen befindet. Dieser kann zum Beispiel ein Fluid wie Öl oder Luft sein. Kontaktlager sind hier u. a. Gleitlager und Wälzlager diverser Typen.
  • Magnetlager übertragen im Gegensatz zu Kontaktlagern die Kräfte mittels magnetischer Felder betriebsmäßig berührungsfrei.
  • Permanentmagnetlager sind Magnetlager, in denen die Magnetfelder durch Materialien erzeugt werden, welche dauerhaft magnetisch sind.
  • Als Lagerspiel ist das Maß bzw. der mögliche Weg zwischen Stator und Rotor eines Kontaktlagers in und gegen dessen betriebsmäßige Belastungsrichtung gemeint. Bei Radiallagern bedeutet dies in radiale Richtung zur Wellenachse und bei Axiallagern in beide Richtungen der Wellenachse.
  • Axiallager übertragen betriebsmäßig Kräfte vorwiegend parallel zur Rotationsachse einer Welle von dieser zu einem nicht rotierenden Maschinenbauteil.
  • Fluid ist ein flüssiges oder gasförmiges Medium.
  • Stator im Sinne dieser Erfindung ist der zur Umgebung betriebsmäßig nicht rotierende Teil einer Maschine, welcher zumindest eine Spule enthält, welche über magnetische Kräfte ein Drehmoment auf eine rotierende Welle ausübt.
  • Stator Magnetlager im Sinne dieser Erfindung ist der betriebsmäßig nicht rotierende Teil des Magnetlagers, welcher aber zum Stator der Maschine verschiebbar angeordnet sein kann.
  • Als Rotor wird ein Bauelement bezeichnet, welches betriebsmäßig um eine Achse rotiert und dabei verschiedene Kräfte zwischen einzelnen funktionellen Abschnitten überträgt.
  • Läufer ist hier die funktionelle Einheit an/auf der Welle, die radial und axial vorwiegend innerhalb der Wicklungen des Stators liegt, welche über ein betriebsmäßig rotierendes Magnetfeld ein Drehmoment auf die Welle ausübt.
  • Als Lagerschlitten wird ein bewegliches Bauteil bezeichnet, welches die rotierende Welle so mit dem Stator verbindet, dass diese ihre Ausrichtung bzw. Lage zu diesem verändern kann.
  • Kennzeichen der Erfindung
    1. 1. Die in der Erfindung beschriebenen Maschinen besitzen mindestens eine rotierende Welle und eine zur Umgebung nicht rotierende Umhüllung (Stator). An bzw. auf der Welle ist der rotierende Teil eines Generators oder Motors befestigt, welcher ein betriebsmäßig mit der Welle rotierendes Magnetfeld aufweist (Läufer). Die Welle ist in mindestens einem Magnetlager drehbar geführt sowie über ein Kontaktlager (Wälz- oder Gleitlager) mittels eines beweglichen Teiles (Lagerschlitten) mit dem Stator so verbunden, so dass sie noch zusätzlich zu ihrer Rotation in mindestens einer weiteren Richtung bewegt werden kann.
    2. 2. An bzw. auf der Welle befestigt ist mindesten ein Laufrad, welches eine Fluid bewegt (Verdichter) oder welches durch ein Fluid bewegt wird (Expander, Turbine).
    3. 3. Mindestens ein Magnetlager ist so mit einem Kontaktlager verbunden, dass der Stator des Magnetlagers bei einer Positionsveränderung der Welle mittels des Kontaktlagers bewegt wird.
    4. 4. Die Verbindung zwischen Kontaktlager und Magnetlager erfolgt meist durch den Lagerschlitten. Kontaktlager und Magnetlager können aber auch so aufgebaut und miteinander verbunden sein, dass ihre Teile die Funktion des Lagerschlittens übernehmen.
    5. 5. Mindestens ein Kontaktlager ist radial über der Rotationsachse der Welle befestigt Es besteht in Bezug auf die Rotationsachse mindestens aus einem inneren und einem äußeren Teil, wobei die axiale Position des äußeren Lagerteiles zur Welle durch das Lager in Richtung beider Wellenenden begrenzt ist.
    6. 6. Der Lagerschlitten wird durch die Welle mittels Kontaktlager in mindestens eine Richtung (axial, radial) bewegt oder um einen Punkt geschwenkt.
    7. 7. Zwischen Laufrad und Motor- bzw. Generatorläufer befindet sich mindestens ein radiales Magnetlager.
    8. 8. Die Magnetlager können permanentmagnetisch, elektromagnetisch oder beides gleichzeitig sein.
    9. 9. Der bzw. die rotierenden Teile des Magnetlagers befinden sich innerhalb der Welle oder sind radial von festem Material umhüllt, durch welches sie von innen gegen die Welle gepresst werden.
    10. 10. Ein Teil des Kontaktlagers kann die Funktion des Lagerschlittens übernehmen und die Welle in mindestens eine Richtung zum Stator bewegbar machen.
    11. 11. Es ist auch möglich, den verschiebbaren Stator des Magnetlagers direkt mit dem Kontaktlager zu verbinden und so eine Einheit aus Kontakt- und Magnetlager zu fertigen.
    12. 12. Die Außendurchmesser der funktionalen Abschnitte der Welle sind so gestaltet, dass die Welle mit montiertem Laufrad von einer Seite mit rotor- und statorseitig montiertem Magnetlager in die betriebsmäßige axiale Position geschoben werden kann. Dies wird dadurch gewährleistet, dass der Innendurchmesser des Stator des vorderen Magnetlagers größer ist, als der Außendurchmesser des Läufers des Motors bzw. Generators.
    13. 13. Die Schmierung der Kontaktlager kann mittels eines durch die Rotation der Welle hervorgerufenen Druckunterschiedes gewährleistet werden. Hierzu wird der Lagerschlitten oder die Welle mit einem Kanal versehen, durch welchen das Schmiermittel vor bzw. in das Kontaktlager gefördert wird.

Claims (10)

  1. Turbomaschine, bestehend aus den funktionellen Einheiten: Welle (1), Stator (2), Permanentmagnetlager (11, 12), Motor (521) bzw. Generator und Kontaktlager (15), gekennzeichnet dadurch, dass das Kontaktlager (15) so gestaltet ist, dass eine Bewegung der Welle (1) zusätzlich zu deren Rotation um die Wellenachse (19) in mindestens einer weiteren Richtung um mehr als das Lagerspiel des Kontaktlagers (15) ermöglicht wird.
  2. Turbomaschine nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegungen der Welle (1) durch einen mit dem Kontaktlager (15) verbundenen Lagerschlitten (3) ermöglicht wird, der gegenüber dem Stator (2) der Maschine beweglich verbunden ist.
  3. Turbomaschine nach Anspruch 1. oder 2., gekennzeichnet dadurch, dass mindestens ein Stator (21, 22) eines Magnetlagers gegenüber der Welle (1) der Maschine gleitend verschiebbar verbunden ist.
  4. Turbomaschine nach Anspruch 3., gekennzeichnet dadurch, dass die Gleitbewegung des Stators (3) des Magnetlagers durch dessen mechanische Verbindung mit dem Kontaktlager (15) und damit durch Bewegung der Welle (1) verursacht wird.
  5. Turbomaschinen nach Anspruch 4., gekennzeichnet dadurch, dass die Verbindung von Kontaktlager (15) mit dem Magnetlagerstator (3) über einen Lagerschlitten erfolgt.
  6. Turbomaschine nach Anspruch 1. - 5., gekennzeichnet dadurch, dass auf mindestens ein Bauelement (Laufrad (41)) bei Rotation durch einen Fluidstrom ein Drehmoment ausgeübt wird.
  7. Turbomaschine nach Anspruch 1. - 6., gekennzeichnet dadurch, dass der rotierende Permanentmagnet (111, 121) eines Magnetlagers (11, 12) von einem nicht magnetischen Teil der Welle (18) umhüllt wird.
  8. Turbomaschinen nach Anspruch 1. - 7., gekennzeichnet dadurch, dass anstelle eines Permanentmagnetlagers (11, 12) mindestens ein elektromagnetisches Lager Verwendung findet.
  9. Turbomaschinen nach Anspruch 1. - 8., gekennzeichnet dadurch, dass in Kombination mindestens je ein Permanentmagnetlager und ein elektromagnetisches Lager Verwendung finden.
  10. Turbomaschine nach Anspruch 1. - 9., gekennzeichnet dadurch, dass die Rotation der Welle eine Druckdifferenz über ein Kontaktlager (15) erzeugt, mit deren Hilfe ein Fluid als Schmiermittel zugeführt wird.
DE102017010377.1A 2017-11-09 2017-11-09 Magnetgelagerte Turbomaschine Pending DE102017010377A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017010377.1A DE102017010377A1 (de) 2017-11-09 2017-11-09 Magnetgelagerte Turbomaschine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017010377.1A DE102017010377A1 (de) 2017-11-09 2017-11-09 Magnetgelagerte Turbomaschine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017010377A1 true DE102017010377A1 (de) 2019-05-09

Family

ID=66179163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017010377.1A Pending DE102017010377A1 (de) 2017-11-09 2017-11-09 Magnetgelagerte Turbomaschine

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102017010377A1 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60209752T2 (de) * 2001-06-15 2006-11-23 Société de Mécanique Magnétique Axiallastunempfindliches notlager
WO2017148890A1 (de) * 2016-03-02 2017-09-08 Dürr Systems Ag Gasturbinensystem

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60209752T2 (de) * 2001-06-15 2006-11-23 Société de Mécanique Magnétique Axiallastunempfindliches notlager
WO2017148890A1 (de) * 2016-03-02 2017-09-08 Dürr Systems Ag Gasturbinensystem

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2503104B1 (de) Turbomaschine
EP2816226B1 (de) Windkraftanlage mit einem Gleitlager
DE102008064815B3 (de) Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem und feststehender WeIle
DE102009053102B4 (de) Turbolader mit einer Axiallageranordnung für eine Welle des Turboladers
DE102006019873B3 (de) Fanglager für eine elektrische Maschine sowie elektrische Maschine mit zumindest einem derartigen Fanglager
DE102009038772A1 (de) Abgasnutzturbine für ein Turbo-Compound-System
EP3793630B1 (de) Rotorlagerungssystem
DE102015016607A1 (de) Strömungsmaschine für einen Energiewandler und Verfahren zum Lagern eines Laufzeugs einer Strömungsmaschine
DE102008041151A1 (de) CT Scanner Gantry mit aerostatischem Lager und segmentiertem Ringmotor
DE102008014684A1 (de) Turbolader mit einer Lageranordnung zur Lagerung einer Welle des Turboladers
WO2019204848A1 (de) Elektrische maschine mit elektromotor und magnetgetriebe
DE112016002624T5 (de) Drehmaschine bzw. sich drehende maschine
DE102017010377A1 (de) Magnetgelagerte Turbomaschine
DE102013015576A1 (de) Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem
WO2019214883A1 (de) Lagereinrichtung mit einer strukturierten welle
DE102010020426A1 (de) Elektrische Maschine, insbesondere für eine Windkraftanlage
EP3708843A2 (de) Verfahren zur herstellung eines elektromotors oder eines vakuumgeräts mit einem solchen
DE102019215391A1 (de) Strömungsmaschine
EP1478080B1 (de) Turbomaschine
DE102005007211B4 (de) In einen geteilten Kraftfahrzeugstabilisator eingebauter elektrischer Schwenkmotor
DE102010056252A1 (de) Fluiddynamisches Lagersystem mit Separatorspalt
EP4193070B1 (de) Lagerungssystem für einen rotationszerstäuber
DE102011076524A1 (de) Elektrodynamische Maschine mit einer dreipunktgelagerten Welle und Verwendung eines dritten Lagers zur unterstützenden Wellenlagerung
DE102019126980B4 (de) Elektrische Maschine
EP4105514A1 (de) Automatische auswuchtvorrichtung in kompakter axialer anordnung

Legal Events

Date Code Title Description
R086 Non-binding declaration of licensing interest
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication