DE2603882A1 - Schnellaufendes rotationssystem - Google Patents

Schnellaufendes rotationssystem

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Kurt Prof Fiedler
Peter Dr Meinke
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MAN AG
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Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
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Description

Anmelder; " *| Vertreter;
MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Helmut Walter Aktiengesellschaft Patentanwalt
Aubinger Straße 8l Gute Hoffnungshütte Sterkrade o
Aktiengesellschaft 8oo° München 60
München, den 29. Januar 1976 Schnellaufendes Rotationssystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein schnellaufendes Rotationssystem mit einer einen Drehkörper tragenden Welle und einem der Welle zugeordneten Planetengetriebe.
Drehsysteme dieser Art finden Ihre Anwendung im Gebiet der Gasturbinen, Verdichteranlagen und ähnlichen. Bei den bisher bekannten Systemen sind der aus Drehkörper und Welle bestehende Rotor und das Planetengetriebe für sich getrennt gelagert und mittels einer Klauenkupplung miteinander verbunden. Diese Anordnung erfordert somit einen hohen Lagerungsaufwand, um einen stabilen und möglichst schwingungsarmen Betrieb des Rotationssystems zu gewährleisten, wobei den Drehteilen, insbesondere dem Drehkörper in Bezug auf Unwuchten nur sehr geringe Toleranzen zugestanden werden können.
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Es hat sich ferner herausgestellt, daß die bekannte Bauweise für den Einsatz unter bestimmten Bedingungen, wie z.B, in Verbindung mit aggressiven Medien nur bedingt geeignet ist. In dieser Beziehung seien die Verdichter für aggressive Fluide sowie unter Vakuum laufende hochtourige Drehkörper erwähnt. Hier tauchen oft nur schwer zu bewältigende Abdichtungsprobleme sowie Probleme hinsichtlich der mit einem Vakuum oder dem Prozeßmedium unverträglichen Lager-Schmieröldämpfe auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotationssystem der eingangs genannten Art zu eitwickeln, das bei einfacher Herstellbarkeit unter Beachtung eines möglichst schwingungsfreien Laufes hochjfcourig und gegebenenfalls in Verbindung mit aggressiven Medien zuverlässig betrieben . erden kann.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Drehkörper mit einer dünnen, elastischen Welle verbunden ist, deren eines Ende mit dem drehmomentUbertragenden Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden ist, das dieses Wellenende.fesselt,und daß ferner ein dämpfendes Magnetlager vorgesehen ist.
Die dünne Welle erlaubt eine flexible und somit die Möglichkeit einer direkten Verbindung des Drehkörpers mit einem Planetengetriebe ohne Zuhilfenahme einer bei den bekannten Einrichtungen üblichen Kupplung. Auslenkungen des Drehkörpers
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aus seiner Drehachse nimmt die sich dabei durchbiegende Welle auf, so daß mit keiner nennenswerten Belastung des Sonnenrades bzw. Getriebes gerechnet werden muß, wenn der Drehkörper beispielsweise infolge von Unwuchten zum Schwingen neigt.
Die erwünschte Stabilisierung des umlaufenden Systems erfolgt durch die zusätzliche Dämpfungswirkung des Magnetlagers. Dieses System ist in Bezug auf die Lagerung annähernd verschleißfrei und in Bezug auf das Getriebe, das durch das flexible Gebilde nur geringfügig beansprucht wird, gegenüber den bekannten Einrichtungen verschleißärmer. Die bei mechanischen Lagerungen bestehende, durch Unwuchten in den Drehteilen hervorgerufene Problematik wird im allgemeinen durch sorgfältige Anfertigung möglichst unwuchtfreier Drehteile und/oder mittels die lager tragende Dämpfungseinrichtungen zu bewältigen versucht. Diese Problematik entfällt jedoch bei der erfindungsgemäßen Einrichtung weitgehend, weil sie außer dem Getriebe praktisch keine starren Lager enthält und das Getriebe durch die flexible Welle von exzentrischen Laufbeanspruchungen geschützt ist.
Die Dämpfungseigenschaft der Einrichtung läßt sich weiterhin verbessern, wenn erfindungsgemäß ein auf das System fesselnd und/oder dämpfend einwirkendes, aktives, mit mindestens einem Meßfühler versehenes Magnetlager verwendet wird. Auslenkungen und Unstetigkeiten werden somit in Form von Signalen aufgenom-
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men, die dann Im Hinblick einer optimalen Fesselung und Dämpfung verarbeitet auf die Rückstellkräfte einwirken, wobei gleichzeitig ein weiterer Vorteil, nämlich die Erweiterung der Fertigungstoleranzen herbeigeführt wird.
Ein elektromagnetisches Lager ist auf Fremdenergie angewiesen, so daß bei Ausfall der Energiezufuhr das Risiko besteht, der gesamten Einrichtung einen Schaden zuzuführen. Die Eigensicherheit einer Anlage ist hinsichtlich einer derartigen Fehlerquelle gegeben, wenn erfindungsgemäß dem Rotationssystem ein gemäß den Ansprüchen 3 bis 7 ausgebildeter Generator zugeordnet ist, der vom Rotationssystem angetrieben wird. Der vom Generator erzeugte Strom kann einer Quelle zugeführt werden, von der aus die für die Lagerung vorgesehene Spule gespeist und somit ein Ausfall des Lagers vermieden wird.
Für 44τθ· niedrige Tourenzahlen des Rotors, bei dem der Generator nicht mehr wirksam ist, sieht die Erfindung eine als Gleitlager ausgebildete Notlaufeinrichtung vor.
In Verbindung mit der Notlaufeinrichtung kann das Magnetlager mit dem Generator selbstversorgend betrieben werden, wobei während des An- bzw. Abfahrens des Rotors die Notlaufeinrichtung die Lagerung übernimmt.
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Ein weiterer Vorteil der erflndungsgemäßen Einrichtung ist, daß sie ohne weiteres in Verwendungsgebieten eingesetzt werden kann, in dem der Rotor einem aggressiven Medium ausgesetzt ist oder in einer Umgebung mit Unterdruck laufen muß. Die Lagerung stellt in dieser Beziehung kein Hindernis mehr dar, weil das Magnetlager sich durchaus ohne irgendwelche nachteilige Polgen in den den Rotor aufnehmenden Raum anordnen läßt. Allenfalls bedarf es einer Schutzschicht. Ferner reduzieren sich die Dichtungsprobleme erheblich, denn abgesehen vom Getriebe besteht kein Anlaß irgendein Bauteil des Rotationssystems aus diesem Raum auszuschließen, so daß das erforderliche Gehäuse dem Verwendungszweck optimal angepaßt und gestaltet werden kann.
Die Abdichtung des den Drehkörper aufnehmenden Raumes kann im Bereich der Drehachse vorzugsweise an dem Ende der Welle vorgenommen werden, das dem Getriebe zugekehrt ist. Die Abdichtung ist somit unproblematisch, zumal die Welle an diesem Ende in ihrer Lage stabil ist und außerdem Wärmebelastungen und Verschleiß in der Dichtung aufgrund der geringen Umfangsgeschwindigkeit der dünnen Welle nicht in Betracht gezogen werden müssen. Dieser Gesichtspunkt wirkt sich insbesondere bei hochtourig laufenden Rotoren aus.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel ein Verdichter· schematisch dargestellt.
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Der Verdichter 10 hat ein von einem nicht dargestellten Antrieb betätigtes Planetengetriebe 11, das über ein Sonnenrad 12 und einer dünnen Welle 13 Drehmomente auf einen als Verdichterlaufer ausgebildeten Drehkörper 14 überträgt. Der Drehkörper 14 ist mittels eines aktiven Magnetlagers 16, das an einer Schürze 17 angreift, reibungsfrei gelagert. Das Stellfeld des Magnetlagers wird von einem Regler 20, das von einem als Abstandsgeber ausgebildeten Meßfühler 21 Signale erhält, beeinflußt.
Rot or bewegungen werden durch die biegsame Welle IJ> ausgeglichen, derart, daß das Getriebe weitgehend unbeansprucht bleibt. Mit der Verformung der Welle und in Zusammenwirkung mit dem aktiven Magnetlager 16 wird die Schwingungsenergie erfolgreich entzogen. Das erfindungsgemäße System eignet sich somit für Einrichtungen mit hochtourig laufenden Rotoren und ist außerdem in Bezug auf Rotorunwuchten unempfindlich. Störbewegungen des Rotors nimmt der Meßfühler 21 auf; das resultierende und vom Regler 20 für das Schwingungssystem entsprechend verarbeitete elektrische Signal regelt das Magnetfeld des Lagers, wodurch eine optimale Stabilisierung bei entsprechender Wahl der Regeleinrichtung erreicht werden kann.
Für die Betriebssicherheit des Rotors bei Ausfall der Stromzufuhr für das Dämpfungslager, ist das Magnetlager mit einem nicht näher dargestellten zweiten Spulensystem zur Bildung
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eines Generators versehen. Den Läufer für den Generator bildet die beispielsweise mit Polschuhen 22 ausgestattete Lagerstelle bzw. die Schürze IJ des Drehkörpers 14. Bei Ausfall der Stromzufuhr wird durch den mit getrennter Energiequelle angetriebenen und weiterlaufenden Rotor ein Strom in die Generatorspule des Magnetlagers induziert und über eine Leitung 2J und einer Umschaltvorrichtung 24 der Lagerspule zugeführt. Die Umschaltvorrichtung 24 schaltet bei Ausfall der Energieversorgung über die Anschlüsse 25 automatisch auf den Generator um. Der Generator läßt sich allerdings auch mittels anderer sich drehenden Teile des Rotationssystems ausbilden, wie z.B. der Welle 1}, oder einer Antriebswelle des Planetgetriebes.
Der Generator kann aber auch generell für die Stromversorgung des Magnetlagers vorgesehen werden. Indiesem Fall sorgt eine als Anlauflager ausgebildete Notlaufrichtung 27 für die Lagerung des Drehkörpers 14 während der niedrigen Umdrehungszahlen beim An- bzw. Auslaufen des Rotors.
Der Rotor ist ferner mit einem, nur zum Teil dargestellten Gehäuse 28 umgeben, das zur Führung des zu verdichtenden Fluids dient. Das Gehäuse ist ohne nähere Einzelheiten und ohne strömungstechnische Erwägungen in Betracht zu ziehen gezeichnet. Es soll lediglich gezeigt werden, daß bei der Gestaltung des Gehäuses abgesehen von der Dimension keine Rücksicht auf den Rotor und seinem Lager genommen werden braucht. Eine Abdichtung
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an der Drehachse kann im Prinzip an Jeder Stelle entlang der Welle angeordnet sein. Die Erfindung sieht hierfür das Wellenende nahe dem Getriebe 11 vor. Hier ist abgesehen von der vorteilhaft geringen Umfangsgeschwindigkeit der dünnen Welle außerdem in ihrer Lage ausreichend unschärfefrei, so daß für die Dichtung 29 Radialauslenkungen nicht in Betracht gezogen zu werden brauchen.
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29.I.1976
0-9 831/0545
Leerseite

Claims (1)

  1. Anmelder; Vertreter;
    MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Helmut Walter Aktiengesellschaft Patentanwalt
    Aubinger Straße 8l GUTE HOFFNUNGSHUTTE STERKRADE -ΛΛ „.. . £n
    Aktiengesellschaft 800° Munchen 6°
    München, den 29. Januar 1976
    Patentansprüche
    l.\ Schnellaufendes Rotationssystem mit einer einen Drehkörper tragenden Welle und einem der Welle zugeordneten Planetengetriebe, dadurch gekennzeichnet, daß der drehkörper mit einer dünnen, elastischen Welle (13) verbunden ist, deren eines Ende mit dem drehmomentübertragenden Sonnenrad (12) des Planetengetriebes (11) verbunden ist, das dieses Wellenende fesselt, und daß ferner ein dämpfendes Magnetlager (16) vorgesehen ist.
    2. Rotationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf das System fesselnd und/oder dämpfend einwirkendes, aktives Magnetlager (16) vorgesehen ist, dem mindestens ein Meßfühler (21) zugeordnet ist.
    3. Rotationssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Rotationssystem angetriebener Generator vorgesehen ist, der zur regulären Strom- bzw. Notlaufstromversorgung des Magnetlagers (16) dient.
    7.1564 709831/0545 ' - 2 -
    ORIG/NAL INSPECTED
    4. Rotationssystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Generator an der elastischen Welle (13) angebracht ist, und daß die Welle den Läufer des Generators bildet.
    5. Rotationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator über einen Nebenantrieb des Planetengetriebes angetrieben wird.
    6. Rotationssystem nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle des Planetengetriebes den Läufer des Generators trägt.
    7. Rotationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetlager (16) eine zusätzliche Spule zugeordnet ist, die in Zusammenwirkung mit dem unabhängig über das Planetengetriebe angetriebenen Rotor (IJ/, 14) einen Generator bildet.
    8. Rotationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Gleitlager ausgebildete Notlaufeinrichtung (27) vorgesehen ist.
    9. Rotationssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Notlaufeinrichtung (27) als An- bzw. Auslauflager
    ausgebildet ist.
    10. Rotationssystem mit einem in gesonderten Medium und/oder besonderen Druclcverhältnissen laufenden Drehkörper nach einem
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    der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung (29) des den Drehkörper (14) aufnehmenden Raumes im Bereich der Drehachse an dem dem Getriebe zugekehrten Ende der Welle (13) erfolgt.
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