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Magnetische Traglagerentlastung für elektrische Großmaschinen mit
vertikaler Welle, insbesondere für Wasserkraftgeneratoren Bei elektrischen Großmaschinen
mit vertikaler Welle (insbesondere bei Wasserkraftgeneratoren oder auch bei Blindleistungsmaschinen)
ist es bereits bekannt, die an dem Traglager des umlaufenden Teils entstehenden
Verluste dadurch zu vermindern, daß man eine magnetische Traglagerentlastung vorsieht,
bei der Hubmagnete auf den umlaufenden Teil vertikal nach oben gerichtete Zugkräfte
ausüben und dadurch das Traglager ganz oder teilweise entlasten. Da jedoch das Traglager
bei einem eventuellen Versagen der magnetischen Entlastung den weiteren Betrieb
mit der gesamten vertikalen Belastung gestatten muß, ist das Traglager mit einer
derartigen Spurfläche auszustatten, daß sich in diesem Störungsfall keine unzulässig
hohe Flächenpressung ergibt. Wird nun das Traglager bis auf eine geringe Restlast
magnetisch entlastet, so ergibt sich dann eine relativ kleine Flächenpressung. Dies
hat nun eine Verschlechterung des Reibungskoeffizienten an den Lagerflächen zur
Folge, da dieser Koeffizient nach der hydrodynamischen Lagertheorie umgekehrt proportional
dem Wurzelwert der Flächenpressung ist. Die Verminderung der Reibungsarbeit im Traglager
entspricht also nicht, wie erwünscht, linear der Verringerung der Last, sondern
nur dem entsprechenden Wurzelwert.
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Diese bei elektrischen Großmaschinen mit magnetischer Traglagerentlastung,
insbesondere bei Wasserkraftgeneratoren auftretenden Schwierigkeiten werden durch
die Erfindung vermieden. Zu diesem Zweck wird neben dem normalen Traglager der Maschine
ein Gegenlager vorgesehen, an dem der umlaufende Teil der Maschine betriebsmäßig
durch Einstellen einer die nach abwärts gerichteten Kräfte überwiegenden Zugkraft
der magnetischen Traglagerentlastung unter vollständiger Entlastung des Traglagers
zum Anliegen kommt. Axial nach unten gerichtete Kräfte sind beispielsweise das Gewicht
des umlaufenden Teiles der Maschine oder auch bei einem Wasserkraftgenerator der
hydraulische Axialschub der angekuppelten Wasserturbine. Die Erfindung sieht also
vor, daß die umlaufenden Teile einer vertikalen elektrischen Großmaschine während
des Betriebes auf dem Gegenlager laufen und sich lediglich bei einer Störung der
magnetischen Traglagerentlastung auf das Traglager abstützen. Die Spurfläche des
Traglagers kann daher unabhängig von der Spurfläche des Gegenlagers so bemessen
sein, daß sich bei einem Abstützen der umlaufenden Teile der Maschine während einer
Störung keine unzulässig hohen Flächenpressungen ergeben, ohne daß sich, wie es
bei den bekannten Anordnungen der Fall ist, bei denen das die Maschine tragende
Traglager nur bis auf -eine geringe Restlast magnetisch entlastet wird, während
des Betriebes infolge der dann relativ kleinen Flächenpressungen ungünstige Reibungswerte
ergeben. Es empfiehlt sich, die die umlaufenden Teile an das Gegenlager anpressende
Überschußkraft etwa in der Größenordnung von 100/o der vertikal nach unten gerichteten
resultierenden Kraft zu wählen.
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Es sind elektrische Meßinstrumente bekannt, deren vertikale Drehachse
in solchem Maße magnetisch entlastet wird, daß sie mit ihrem oberen Ende in einem
Spitzenlager zum Anliegen kommt. Durch die Gewichtsunterschiede zwischen solchen
Meßinstrumenten und elektrischen Großmaschinen, wie sie die Erfindung zum Gegenstand
hat, ist es bedingt, daß sich die Gestaltung der Lager der Meßinstrumente nicht
mit der Gestaltung und Bemessung der Lager elektrischer Großmaschinen mit vertikaler
Welle vergleichen läßt.
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Für die günstigste Bemessung insbesondere des Gegenlagers entsteht
eine weitere Schwierigkeit dann, wenn die vertikal nach abwärts gerichteten Kräfte
an der Maschine nicht konstant sind, sondern je nach den Betriebsverhältnissen ihre
Größe ändern. Bei Maschinen, welche durch Wasserturbinen angetrieben werden, also
insbesondere bei Wasserkraftgeneratoren, ändert sich der hydraulische Axialschub,
der zu dem Gewicht des umlaufenden Teils hinzutritt, mit der Gefällshöhe und mit
der Beaufschlagung der Turbine in hohem Maße. Bei konstanter Erregung des Hubmagneten
z. B. für den höchsten vorkommenden Wert des Axialschubs soll die überschußkraft
zwischen den nach unten und nach oben gerichteten Kräften so groß sein, daß sich
ein
günstiger Reibungskoeffizient für das Gegenlager ergibt. Tritt nun eine starke Verminderung
des hydraulischen Axialschubs beispielsweise infolge der Regelung an der Wasserturbine
ein, dann ergibt sich eine große nach aufwärts gerichtete Überschußkraft, die zu
einer unzulässig starken Beanspruchung des Gegenlagers führen kann. Bemißt man andererseits
die Erregung des Hubmagneten derart, daß sich bei geringem hydraulischem Axialschub
die günstigste Wirkungsweise des Gegenlagers ergibt, dann würde bei einer Vergrößerung
des Axialschubs keine genügend große, nach oben gerichtete Überschußkraft für das
Andrücken des umlaufenden Teils an das Gegenlager entstehen. Es ist an sich bekannt,
bei einer magnetischen Traglagerentlastung die magnetischen Kräfte beispielsweise
durch Änderung des Erregerstromes in Abhängigkeit von den maßgebenden Betriebsgrößen
zu regeln. Eine solche Regelung wäre an sich bei der magnetischen Traglagerentlastung
gemäß der Erfindung nicht erforderlich, da sich infolge der vorgesehenen Überschußkraft,
die die umlaufenden Teile der Maschine an das Gegenlager preßt, kleinere Schwankungen
der nach abwärts gerichteten Kräfte nicht auswirken. Da einerseits, wie vorstehend
erläutert, der Größe der Überschußkraft durch die Beanspruchung des Gegenlagers
und der damit hervorgerufenen Änderung des Reibungskoeffizienten eine obere Grenze
gesetzt ist, und da andererseits bei einer zu geringen Überschußkraft die Gefahr
besteht, daß bei plötzlich auftretenden, nach unten gerichteten Stoßbeanspruchungen
die umlaufenden Teile vom Gegenlager abgerissen werden, empfiehlt es sich, vor allem
bei Wasserkraftgeneratoren, in Weiterbildung des Erfindungsgedankens die von der
Traglagerentlastung ausgeübte Zugkraft und damit die die umlaufenden Teile an das
Gegenlager anpressende Überschußkraft in Abhängigkeit der nach abwärts gerichteten
Kräfte zu regeln, und zwar wird man vorteilhafterweise so regeln, daß die Überschußkraft
konstant bleibt. Diese Regelung der von der Traglagerentlastung entwickelten Zugkraft
kann in bekannter Weise durch Regelung des Erregerstromes der Traglagerentlastung
erfolgen, die, wie es auch bei den bekannten Anordnungen der Fall ist, in Abhängigkeit
von den maßgebenden Betriebsgrößen durchgeführt wird. Man kann z. B. durch Einbau
einer magnetischen Druckmeßdose die auf das Gegenlager wirkende Kraft messen und
über Versätrkereinrichtungen in eine elektrische Gleichspannung umwandeln. Diese
Gleichspannung beeinflußt dann beim Abweichen des Lagerdruckes am Gegenlager von
einem Sollwert die Erregung des Hubmagneten in einem die Abweichung wieder rückgängig
machenden Sinne. Man könnte aber auch die Regelung in Abhängigkeit von der Göße
der insgesamten vertikal nach abwärts wirkenden Kräfte vornehmen, indem man die
elastischen Dehnungen an den Maschinenteilen, auf die diese Kräfte einwirken, zur
Regelung heranzieht. Beispielsweise könnten an der Tragkonstruktion für das Führungslager,
an welchem vorteilhafterweise die Gegenspur befestigt ist, auf die elastische Dehnung
dieser Konstruktion ansprechende Dehnungsmeßstreifen angebracht sein, deren Anzeigewert
über elektrische Verstärkereinrichtungen auf den Erregerstrom des Hubmagneten derart
einwirkt, daß bei einem Ansteigen der vertikal nach unten gerichteten Kräfte an
der Maschine der Erregerstrom des Hubmagneten derart verstärkt wird, daß sich eine
annähernd gleichbleibende, vom Gegenlager aufgenommene Überschußkraft ergibt. Besonders
einfach gestaltet sich die Regelung bzw. Konstanthaltung der auf das Gegenlager
einwirkenden Überschußkraft, wenn man die Regelung der Leistung an der Wasserturbine
(oder auch einer an dem Maschinenaggregat vorhandenen Pumpe) dafür heranzieht. Bekanntlich
wird bei Wasserturbinen die Füllung der Turbine bzw. ihre Leistung durch einen die
Wasserzufuhr regelnden Leitapparat gesteuert: Bei Kaplanturbinen werden außerdem
die Laufradschaufeln für den selben Zweck verstellt. Man kann nun den Erregerstrom
für die magnetische Hubkraft in Abhängigkeit von der Stellung dieser Regeleinrichtungen
für die Leistung der Wasserturbine (oder auch der Pumpe) regeln, indem etwa in den
Erregerstromkreis des Hubmagneten ein Regelwiderstand eingeschaltet ist, der in
Abhängigkeit von der Stellung des Leitapparates der Wasserturbine bzw. bei Kaplanturbinen
in Abhängigkeit von der Stellung der Schaufeln des Laufrades verstellt wird. Der
Regelwiderstand, könnte dabei auch indirekt, also z. B. über Verstärkereinrichtungen,
auf den Erregerstrom des Hubmagneten einwirken. Bei geeigneter Abstimmung der einzelnen
Regelstufen des Widerstandes bzw. bei geeigneter Übertragungseinrichtung zwischen
dem Leitapparat der Turbine und dem verstellbaren Teil des Regelwiderstandes läßt
es sich erreichen, daß die bei der Verstellung des Leitapparates eintretende Änderung
des axialen Schubs an der Maschine durch die Änderung der Hubkraft des Tragmagneten
derart auskompensiert wird, daß sich ein konstanter Druck am Gegenlager ergibt,
das also bei den verschiedenen Belastungszuständen des Maschinensatzes immer in
der günstigsten Weise beansprucht ist.
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Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 ist die vertikale Welle eines Wasserkraftgenerators. 2 ist der auf
der Welle sitzende, mit dem Spurring kombinierte Tragkopf, der für die Aufnahme
der vertikalen Kräfte mit der Welle über die Nut 3 und den Einlagering 4 verbunden
ist. Der Spurring gleitet an seiner unteren Ringfläche 6 auf den Ringsegmenten 5
des Traglagers, die in der üblichen Weise über eine elastische Unterlage 7 auf der
Platte 8 der Tragkonstruktion für den umlaufenden Teil aufliegen. Für die magnetische
Traglagerentlastung ist als Anker des Hubmagneten eine Ringplatte 9 mit dem Tragkopf
verbunden. Der Hubmagnet 10, der ringförmige Nuten 11 für die Erregerwicklung aufweist,
ist auf der Tragkonstruktion für den umlaufenden Teil 12 abgestützt. Diese Tragkonstruktion
bildet mittels der ringförmigen Vertikalplatten bzw. -bleche 13 und 14 den Trog
für die Aufnahme des Öls für das. Traglager 5 und 6. 15 ist das den Spurring 2 umgebende
Führungslager, das über den Ring 16 und über die vertikalen Stützen 17 auf der Platte
8 der Tragkonstruktion befestigt ist. In dem Trog für die Aufnahme des Traglageröls
ist eine Rückkühleinrichtung 18 eingebaut, die aus einer Reihe von Ringrohren besteht,
die innen vom Kühlwasser durchflossen werden. Für die Zirkulation des Schmieröls
bzw. für seine Rückkühlung weist der rotierende Spurring 2 in bekannter Weise radiale
Bohrungen 19 auf. Ebenso sind zwischen den ruhenden Ringsegmenten 5 Spalte vorgesehen.
Aus den eingezeichneten Pfeilen sieht man nun, daß bei der Rotation des Spur-' ringes
die Bohrungen 19 als Pumpe wirken und das: Öl über die Spalte zwischen den Ringsegmenten
5 auf" dem Ölvorratsraum ansaugen und es zwischen die Gleitflächen an dem Führungslager
15 nach oben pressen, wo es dann nach Austritt aus dem Führungslager
in
den Ölvorratsraum zurückfließt. Der Weißmetallausguß dies Führungslagers besitzt
dazu nach oben gerichtete Nuten.
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Gemäß der Erfindung ist nun außer dem Traglager 5 und 6 noch ein Gegenlager
vorgesehen, das ebenso wie das Traglager als Segmentlager ausgebildet ist, wobei
seine stillstehenden Ringsegmente 20 an dem unteren Ende des Führungslagerkörpers
15 befestigt sind, während die rotierende ringförmige Gleitfläche 21 durch einen
Ringansatz an dem unteren Ende des Spurringes 2 gebildet wird. Die Ringsegmente
20 des Gegenlagers besitzen, ähnlich wie die Ringsegmente 5 des Traglagers, für
die Kühlung des Gegenlagers Spalte. Man sieht nun, daß das durch die rotierenden
Bohrungen 19 nach außen geförderte Öl einerseits zwischen den Gleitflächen des Führungslagers
15 nach oben gelangt, andererseits jedoch in die Spalte zwischen den feststehenden
Ringsegmenten 20 eintritt und von dort an der Außenseite der Ringsegmente in den
Ölvorratsraum gelangt und dadurch das Gegenlager 20, 21 kühlt. Der Zutritt des Öls
zu den Gleitflächen wird, ebenso wie am Hauptlager, durch die neigbaren und dabei
mit der rotierenden Lagerfläche einen Keilspalt bildenden Ringsegmente gesichert.
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Die Ringsegmente 20 des Gegenlagers sind auf ihrer Unterlage, also
auf dem Teil 15, in vertikaler Richtung federnd befestigt. Diese federnde Befestigung
ist zweckmäßig derart ausgeführt, daß zwischen den Ringsegmenten und der Unterlage
bereits eine Vorspannung herrscht, so daß die Ringsegmente 20 erst nach Überwindung
der Vorspannung nach oben gedrückt werden können. Dadurch wird erreicht, daß der
Federungsweg klein gehalten wird.
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Die Anordnung wirkt nun derart, daß der rotierende Teil des Wasserkraftgenerators
bei Einschaltung der Erregung des Hubmagneten vom Haupttraglager abgehoben wird
und an den Tragsegmenten 20 des Gegenlagers mit dem Spurring 21 zum Anliegen kommt.
Dabei können die beschriebenen Einrichtungen für die Aufrechterhaltung eines konstanten
Lagerdruckes am Gegenlager eingeschaltet sein. Der Abstand zwischen den Lagerflächen
am abgehobenen Haupttraglager ist nur ganz gering (etwa 1 mm), so daß also der Luftspalt
zwischen der Ankerplatte 9 und dem Erregerteil 10 des Hubmagneten ebenfalls zwecks
Verminderung der Abmessungen des Hubmagneten gering gehalten werden kann. Bei einem
Versagen der Erregung des Hubmagneten werden die Lagerflächen 5 und 6 des Traglagers
wieder zum Anliegen kommen, wobei aber stoßartige Aufschläge vermieden werden, da
das Öl zwischen den Tragflächen erst herausgedrängt werden muß und dabei dämpfend
wirkt. Ebenso wirkt sich die federnde Lagerung der Ringsegmente des Traglagers stoßdämpfend
aus.
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Infolge des geringen Luftspaltes zwischen der Ankerscheibe 9 und dem
Erregerteil 10 des Hubmagneten wird der Luftspalt beim Abheben des umlaufenden Teils
vom Traglager bereits in einem prozentual erheblichen Maße geändert. Da nun die
magnetische Zugkraft mehr als linear mit der Verminderung dieses Luftspaltes ansteigt,
so bewirkt die Erregung des Hubmagneten, die ja zunächst für das Abheben eingestellt
sein muß, nach dem Abheben infolge der Verminderung des Luftspaltes eine stark anwachsende
Überschußkraft, die an dem Gegenlager einen zu hohen Lagerdruck bzw. eine Überbeanspruchung
des Gegenlagers herbeiführen könnte. Um dies zu vermeiden, kann man Einrichtungen
vorsehen, durch die beim Abheben der Last vom Traglager die dann, entstehende Vergrößerung
des magnetischen Zuges in ihrem Einfluß auf die Belastung des Gegenlagers mindestens
teilweise kompensiert ist. Beispielsweise kann dies dadurch erreicht werden, daß
infolge der beim Abheben entstehenden Vergrößerung der magnetischen 5 Zugkraft bzw.
der nach oben gerichteten Überschußkraft der umlaufende Teil der Maschine an ein
zusätzliches Gegenlager angedrückt wird, wodurch das erste Gegenlager von der Aufnahme
der gesamten magnetischen Überschußkraft entlastet wird. Man könnte 1o also zwei
konzentrische Ringlager als Gegenlager vorsehen, von denen das eine nur beim Einschalten
des Hubmagneten und der dann vorhandenen großen magnetischen Überschußkraft wirksam
ist, während das andere stets wirksame Gegendrucklager beim 15 Einschalten durch
das erste zum großen Teil entlastet ist, während des normalen Betriebes jedoch,
bei dem der Erregerstrom des Hubmagneten durch die Herabregelung dem verminderten
Luftspalt angepaßt ist, allein die magnetische Überschußkraft aufnimmt. Um 2o dies
zu erreichen, kann das ständig wirksame Gegenlager mit der bereits erwähnten vorgespannten
Federung ausgebildet sein, während das nur beim Einschalten des Hubmagneten wirksame
Lager ohne eine solche oder mit einer härteren Abfederung arbeitet 25 und außerdem
höher angeordnete Ringsegmente, die später zum Tragen kommen, besitzt. Beim Anheben
des umlaufenden Maschinenteils gibt dann infolge der hohen Überschußkraft das ständig
arbeitende Gegenlager infolge der vertikalen Abfederung so lange nach, 3o bis das
andere Gegenlager vorübergehend seine Funktion aufnimmt. Die beiden Gegenlager können
auch zu einem Lager vereinigt sein, wenn man an diesem einen über den Umfang verteilten
Teil von Ringsegmenten auf der Unterlage federnd befestigt, wobei 35 diese Ringsegmente
das ständig im Betrieb befindliche Gegenlager bilden, während der zweite, ebenfalls
über den Umfang verteilte Teil der Ringsegmente auf der Unterlage entweder ohne
Federung oder mit sehr steifer Federung befestigt ist und infolge Zurück-4o setzung
erst beim Zusammendrücken der weicher gefederten Ringsegmente mit der rotierenden
Lagerfläche zum Anliegen kommt.
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Die Fig. 2 und 3 der Zeichnung veranschaulichen in schematischer Darstellung
diese Anordnung, wobei 45 Fig.2 eine Draufsicht auf die Ringsegmente des Gegenlagers
darstellt und Fig.3 eine Seitenansicht. Die vier Ringsegmente 22 sind auf ihrer
Unterlage mit entsprechend vorgespannter Federung befestigt und bilden den ständig
wirksamen Teil des Gegen-5o lagers, während die vier Ringsegmente 23 ohne oder mit
härterer urigespannter Abfederung auf der Unterlage befestigt und mit der Gleitfläche
gegenüber der Gleitfläche der Ringsegmente 22 zurückgesetzt sind; so daß sie erst
in Funktion treten, wenn infolge der 55 hohen Überschußkraft die Ringsegmente 22
an ihre Unterlagen entsprechend stark angedrückt sind. Infolge der Vorspannung der
Federn 24 ist es möglich, den Betrag a, um den die Ringsegmente 23 gegenüber den
Ringsegmenten 22 zurückgesetzt sind, besonders 6o klein zu halten, da man die Vorspannung
derart groß halten kann, daß sie annähernd ebenso groß ist wie die normale Überschußkraft
zwischen dem Hubmagneten und den Vertikallasten der Maschine. Beim Einschalten der
Hubmagneterregung braucht daher der um-65 laufende Gleitring 25 des Gegenlagers
keinen weiten Weg mehr zurückzulegen, um an den Ringsegmenten 22 den normalen Anpreßdruck
zu erreichen. Die Federn 24 werden vielmehr erst bei weiterem Ansteigen der Überschußkraft
des Hubmagneten zusam-70 mengedrückt, so daß der Abstand a nur ein Sicherheitsabstand
ist,
der unter Berücksichtigung des Federweges von 24 dafür sorgt, daß die Ringsegmente
23 erst dann zum Tragen kommen, wenn die magnetische Überschußkraft den normalen
Betrag wesentlich überschreitet. Andererseits bewirkt ein kleiner Abstand a eine
kleinere prozentuale Änderung des Luftspaltes des Hubmagneten beim Einschalten und
damit auch ein entsprechend geringeres Ansteigen der magnetischen Überschußkraft.