DE2658687B2

DE2658687B2 - Lagereinrichtung für eine Welle mit im wesentlichen horizontaler Achse, insbesondere für einen Turbomaschinenläufer

Info

Publication number: DE2658687B2
Application number: DE2658687A
Authority: DE
Inventors: Maurice Brunet; Helmut Habermann
Original assignee: EUROPEENNE DE PROPULSION PUTEAUX HAUTS-DE-SEINE (FRANKREICH) Ste
Current assignee: EUROPEENNE DE PROPULSION PUTEAUX HAUTS-DE-SEINE (FRANKREICH) Ste
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1980-01-24
Also published as: US4141604A; CA1058671A; ES454585A1; NL7614296A; CH613494A5; JPS5293816A; DE2658687C3; DE2658687A1; BE849838A; GB1570630A; JPS6024295B2; FR2336550B1; IT1071982B; FR2336550A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung für eine Welle mit im wesentlichen horizontaler Achse, insbesondere für einen Turbomaschinenläufcr, nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Die bei Turbomaschinen v.i: Verdichtern oder Turbinen verwendeten Läuferwcllen werden in der Praxis häufig durch zwei hydraulisch oder pneumatisch -irbeitende oder als Wälzlager ausgebildete Radiallager abgestützt, die im Bereich der Enden der Läufcrwelle angeordnet sind. Am häufigsten ist eine hydraulische Lagerung zu finden, bei der die abgedichteten Lager mit öl oder einer anderen viskosen Flüssigkeit gefüllt sind.

Um die Leistung der Turbomaschine zu erhöhen, ist anzustreben, die Länge des Läufers zu vergrößern, lcdoch ist es nicht möglich, einen Läufer entsprechend großer Länge ausschließlich in zwei cndseitigeit Lagern zu halten, da die Verformungen Jes Läufers dann zu groß und die kritischen Drehfrequenzen zu niedrig werden. Daher hat es sich als notwendig erwiesen, in einem mittleren Bereich zwischen den beiden endseitigen Lagern ein zusätzliches Lager für die Läuferwelle vorzusehen. Jedoch muß der Durchmesser der Läuferwelle in ihrem mittleren Bereich vergleichsweise groß gehalten werden, wenn nicht die Steifheit der Läuferweib zu gering werden soll. Dies schließt eine Verwendung eines zusätzlichen Hydrauliklagers aus, da

ίο ein im Bereich des großen Durchmessers vorgesehenes Hydrauliklager eine zu starke Lagerreibung und Abbremsung mit sich bringen würde. Darüber hinaus brächte ein etwa mit Öl arbeitendes Hydrauliklager im Mittelbereich des Läufers die Notwendigkeit von Oichtungseinrichtungen in der Mitte der Maschine mit sich.

Daher sind mit Rücksicht auf die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Verwendung einer geeigneten Abstützung im Mittelbereich der Maschine bislang

το keine Läufer entsprechender übergroßer Länge eingesetzt worden. Die bislang tatsächlich benutzten Läufer haben somit eine begrenzte Länge, was zur Erhöhung der Leistung einer Turbomaschine zu dem Erfordernis einer Reihenschaltung zweier Läufer hintereinander führt. Jeder Läufer, der in einem eigenen Stator gelagert ist, wird durch zwei endseitige Lager abgestützt.

Dichtungseinrichtun-^n sind an den beiden Enden jeder Läuferwelle vorgesehen.

Aus der DE-OS 22 13 522 ist eine Lagereinrichtung

jo nach dem Oberbegriff des Anspruchs i bekannt. Diese Lagereinrichtung ist für eine relativ kurze Welle vorgesehen und arbeitet mit Magnetiagern, wobei wenigstens ein Axiallager vorgesehen ist, welches eine destabilisierende Wirkung auf die Welle in radialer

3$ Richtung ausübt, wobei die dadurch auftretenden radialen Auslenkungskräfte durch entsprechende ausgeregelte elektromagnetische Radiallager ausgeglichen werden. Weiterhin erfolgt eine magnetische Abstützung in einem mittleren Bereich der WeI.¹"-. über ein weiteres Magnetlager, welches mit einem Permanentmagneten zur Kompensation des Wellengev/ichtes arbeilet und darüber hinaus einen Elektromagneten aufweisen kann, dessen Erregerstrom über eine Steuerschaltung mit einem Fühler für die Radialstellung der Welle oder des Läufers regelbar ist. Der Fühler erfaßt dabei ausschließlich Verlagerungen in der Welle in der Richtung der Vertikalen.

Daher kann die Lagereinrichtung gemäß der DE-OS 22 13 522 nicht für lange, biegsame, kritisch betriebene Wellen verwendet werden, weil das Mittellager nur in einer Richtung, nämlich in Richtung der Schwerkraft geregelt ist. und die in horizontaler Richtung auftretenden Störkräfte in der Mitte durch die Lager am Ende der Welle ausgcregelt werden müssen.

Aus der GB-PS 12 57 423 ist es bekannt, eine lange, schlanke vertikale Welle beispielsweise eines Läufers für eine Vakuumpumpe magnetisch zu lagern, wobei an den beiden Enden des Läufers Stützmagnete vorgesehen sind, die ein konstantes magnetisches Feld erzeugen, während zur Erzielung einer stabilen Drehlage des Läufers stabilisierende magnetische Stützlager in einer oder mehreren horizontalen Ebenen vorgesehen sind. Die Hilfslager, die wenigstens einen Fühler für die Radialstellung des Läufers aufweisen, wirken mit elektromagnetischen Feldern auf radial am Läufer ausgerichtete ferromagnetische Partien ein und dienen /ur Beeinflussung des Magnetfeldes der Stützmagnete. Wenn die vertikale l.äuferwellc sehr lang

und wenig steif ist, können mehrere in horizontaler Richtung wirkende Hilfslager über die Länge der Welle verteilt angeordnet sein, um Schwingungen zu dämpfen, wobei der Läufer selbst ferromagnetisch sein muß und die Hilfslager magnetisch unmittelbar auf den Läufer einwirken.

Da die lange Welle bei dieser bekannten Lagereinrichtung vertikal steht und eine geringe Steifheit gegen Biegung aufweht, sind die magnetischen Hilfslager nur für geringe Kräfte ausgelegt und dienen lediglich der Stabilisierung, ohne selbst zu tragen. Durch die Stabilisierung an gegebenenfalls mehreren Stellen über die Länge der Welle werden die kritischen Drehzahlen der an sich biegeweichen Welle erhöht und so resonante Biegeschwingungen im Bereich der Betriebsdrehzahlen unterdrückt. Im Falle einer langen, mit hohen Drehzahlen umlaufenden horizontalen Welle wären solche stabilisierenden Hilfslager ungeeignet, da sie keine ausreichende Abstützung der Welle über die Länge unter Schwerkrafteinwirkung ergeben und darüber hinaus durch das Auftreten von Unwucht im kritischen Drehzahlenbereich schwerer Wellen ganz -. rhebiiche Kräfte aufgebracht werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagereinrichtung für eine Welle mit im wesentlichen horizontaler Achse der Gattung des Anspruchs 1 gemäßen Art dahingehend weiterzubilden, daß bei langen Wellen und hohen Drehzahlen ein Durchfahren kritischer Frequenzen mit einem Lager, das starke Dämpfung ohne Erhöhung der Lagersteifigkeit ermöglicht, mit minimalem technischen Aufwand möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I

Durch die Anordnung des ausgeregelten elektromagnetischen Radiallagers als Abstützung im mittleren Bereich der Welle dort, wo bei den ersten kritischen Drehzahlen Schwingungsbäuche vorliegen, wird eine unmittelbare dämpfende Einwirkung des Radiallagers auf radiale Auslenkungen der Welle beim Durchfahren kritischer Drehzahlen erreicht. Dadurch, daß der Regelkreis für das Radiallager entsprechend den auftretenden Resonanzen die geschwindigkeitsproportionalen Kräfte selektiv erhöht, erhält das Radiallager beim Durchfahren der kritischen Drehzahlen dann, wenn es nötig ist, zusätzliche Abslüizcnergie und dämpft Ablenkungen der Welle somit wirksam und schnei¹ ab. ohne daß außerhalb der kritischen Drehzahlen unnötig Energie zur Erzeugung dann gar nicht erforderlicher besonderer Stütz- oder Dämpfungskräfte vergeudet wird.

Darüber hinaus führt das zusätzliche elektromagnetische Radiullager keinerlei zusätzliche Reibung ein und erfordert keine Begrenzung des Durchmessers der Welle. Diese kann daher große Massenträgheit und große Steifheit besitzen, andererseits aber mit extrem hohen Drehzahlen laufen, so daß trotz großer Steifheit kritische Drehzahlen durchfahren werden müssen. Die Möglichkeit zur Verwendung eines extrem langen Läufers in Turbomaschinen durch Verwendung des ausgeregelten elektromagnetischen Radiallagers ohne Permanentmagneten als Abstützung führt zu einer wesentlichen Einsparung an Energie und an Herstellungskosten, da nicht eine Reihe von mehreren einzelnen Läuferwellen mit je einem eigenen Stator in Reihe geschaltet werden muß. Im Bereich der ηί Turbomaschinen wird gegenüber hydraulischen Lagern zum einen Teil die aufgt ,lommene Energie vermindert, da zwei Ölfilmlagerungen, ein axialer Anschlag und zwei Dichtgarnituren für das Öl oder dgl. vermieden sind; zum anderen führt die Halbierung der 2rforderlich-:n Förderleistung für das öl zu einer Verminderung der Leistung der ölpumpen und gestattet oie Anordnung in einem einzigen Gehäusekörper die Verwendung eines einzigen Ausgleichskolbens und eine entsprechende Verminderung von Leckverlusten. Darüber hinaus werden das Gewicht und die Länge der gesamten Maschine vermindert und wird eine leichtere Bauweise der massiven Abstützungen ermöglicht, so daß sich insgesamt eine wirtschaftlichere Bauweise ergibt. Selbstverständlich kann die Welle dabei insgesamt elektromagnetisch gelagert werden, so daß sie gleichzeitig durch endseitige ausgeregelte elektromagnetische Radiallager und durch wenigstens ein der Abstützung im Mittenbereich dienendes ausgeregeltes elektrisches Radiallager abgestützt ist, wobei die Regelung der einzelnen Lager je nach den an der jeweiligen Stelle gewünschten Lagerungsbedingungen frei eingestellt werden kann. Eine so'rhe Lagerung tier Welle ist insbesondere für dicht gekapselte Maschinen von Vorteil, so beispielsweise für nuklearbetriebene Turbomaschinen. Dabei sind alle Dichtungseinrichuingen und Speiseeinrichtungen vermieden, welche hydraulische Lager benötigen. Darüber hinaus ist die Verlustenergie infolge der Lagerreibungen vermieden. Schließlich eignen sich elektromagnetische Lagerungen sehr gut für eine Anordnung im Inneren der Maschine· und gestatten auf besonders einfache Weise eine Kompensation beispielsweise von bei der Montage verursachten Fluchtungsfeh lern.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Abstützung im Mittenbereich der Welle durch eine Mehrzahl von ausgeregelten elektromagnetischen Radiallagcm gebildet, so daß die Welle an einer Mehrzahl von im Abstand voneinander liegenden Stellen radial zentriert ist und jede Nutation oder Präzession der Drehachse der Welle ebenso wie jede Vibration gedämpft wcnlen. denial.! Anspruch 3 brauchen darüberhinausdie den ausgeregelten elektromagnetischen Radiallagern zugeordneten Fiih'sr für die Radialstellung der Welle nicht in der unmittelbaren Nachbarschaft der Radiallagcr vorgesehen sein, sondern können an Stellen vrwerdel werden, in denen maximale radiale Auslenkungen /u erwarten sind, wodurch die Steuerung der durch die elektromagnetischen Radiallager erzielten Dämpfung für eine Mehrzahl von kritischen Frequenzen vereinfacht win!. Ebenso kann gemäß Anspruch 4 eine Mehrzahl von Fühlern jedem einzelnen elektromagnetischen Radiullager zugeordnet werden, so daß dessen Regelung auf Auslenkungen der Welle an unterschiedlichen axialen Stellen in vorbestimmter Weise selektiv anspricht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiclen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch einen langen Läufer mit einem elektromagnetischen radialen Zwischenlager mit zugeordnetem Fühler,

Fig. 2 und 3 11 vergrößerter Darstellung Schnitte gemäß Union 11-11 bzw. IM-III in Fig. 1,

Fig.4 einen schematischen Axialschnitt durch einen langen Läufer mit einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lagereinrichtung, bei der der Läufer ausschließlich elektromagnetisch abgestützt ist und

F i g. 5a, 5b und 5c Schaubilder zur Veranschaulichung der Verformungen des Läufers beim Überschreiten der ersten, zweiten bzw. dritten kritischen Drehzahl uder

Resonanzfrequenz.

Iu I i g. I ist mil IO ein Läufer bezeichnet, der beispielsweise in einem Verdichter oder einer Turbine angeordnet sein kann. Der Läufer IO weist Lnden Il und 12 von vermindertem Durchmesser auf Öllager 2 und J mil radialen .Symmetrieebenen //1-//I und 112-117 stützen die Welle 10 an ihren lnden 11 bzw. 12 ab. Lm hydraulisches Axiallager 4 ist im Heispielsfalle am linde 12 der Welle 10 vorgesehen. Die (illager 2 und 3 sind ebenso wie das axiale Ollager 4 von üblicher Uaiiari und daher nur symbolisch veran.i h.iiiliehl Die Welle IO weist zwischen ihren I nden Il und 12 zwei im Durchmesser starken¹ AbMhnilli 14 und 15 mit auch untereinander iiiilerschicdhe hem Durchmesser auf Die am l.mfang der Abschnitte Ii und 14 dei Welle 10 veranschaulichten I leincnic Ii und \b sv inbolisiei en Massen wie beispielsweise I .aufladet, die an der Welle 10 beispielsweise im lalle '.'ines I urhinenlaufeis gelagert sind. Die Welle IO ist in Hohe liner Abschnitte I 5 und 14 durch ein ausgeregelles elektromagnetisches Radiallager 5 alycsiil/l welches eine radiale Svmine IMcchenc / / besitzt. Das clektiomagncMsche Radial lager 5 ist im wesentlichen m dei Mute zwischen .!en beiden einhelligen (')llagern 2 und 5 angeordnet.

I in Ringankei 5/'des cicknomagncnsi heu Radialla gers 5 ist an eine Schuhe! dei Welle 10 angelegt, w eiche den I Ibergang zwischen den Abschnitten I } und 14 dei Welle IO bildet I in elekti omagnelisi hei Radialfiihler b ist dem clcktiomagnctisi heu Radiallagei ΐ zugeordnet und gestattet dessen Ansiedelung mittels mehl naher dai gestellte! R . gehe hall ium η die an su h bekannt sind In der Zeichnung sun! w cue. ι hm mc lit die SpeiseleUun gen liir ehe llelnebsflussij.·!. _ς η dei I Ivdi aiihklager und die AnschliiMleiliingcn fm Ί¹· W ick lunge, η des Magnetlagers 5 und des Liihlers b veranschaulicht, um die Zeiehniing ubeisu htlic h zu hallen

Das elektromagnetische Radi.illjgci 5 weist in an sieh bekannlei Weise einen ' ''igloi nngen Magnetkern 5,ι aiii, der bevorzugt als I5lce hjuket ode· ·\ I i se η lamelle) ausgebildet isi und am Staiedei 7 dei Masi Inne befestigt ist Der lu'gloimige Magnetkern umgibi ilen auf der Welle 10 gelagerten R mg, inker 5/' mit geringer ■Spallbrcile. Wie insbesondere aus I ι g ? ersichtlich isi. setzt sich der Magnetkern ί,ϊ aus einem Polstück 5c¹ mit einem ringlormigen AuHemmilang und Schenkeln 5</ /iisammen. welche radial nach innen ν m springen und tew eih von einer Wicklung 5,; umgeben sind, wobei benachbarte Wicklungen gegensinnig gewickelt sind. Der in der Nachbarschaft des Lagers 5 angeordnete Radia'Siihler 6 kann in der aus L i g. 3 ersichtlichen Weise aufgebaut sein. Lm Magnetkern b.i weist ein Polstück 6c auf, welches Polschcnkcl M besitzt, um die Wicklungen 6cgelegt sind.

Das elektromagnetische Radiallager 5 kann in der aus I"ig. 1 ersichtlichen Weise in im wesentlichen gleichen Absländen von den endseitigen Öllagern 2 und 3 angeoidnet sein. Diese Anordnung ist jedoch nicht in jedem Falle erforderlich: vielmehr kann die Anordnung des elektromagnetischen Radiallagers 5 nach unterschiedlichen Kriterien gewählt werden. Das Radiallager 5 kann beispielsweise derart angeordnet sein, daß es die Welle 10 in der unmittelbaren Nachbarschaft ihres Schwerpunktes abstützt. Zur Vereinfachung der Montage kann das Radiallager 5 mil Vorteil an einer Verbindungsstelle zwischen zwei Abschnitten 13 und 14 der Welle 10 angeordnet sein, die zwei Stufen mit unterschiedlichen Aufgaben der Maschine entsprechen, beispielsweise also zwischen einer Hochdruckstufe und

einer Niedcidrucksliife Das elektromagnetische Ra diiillager ΐ kann weiterhin auch gegenüber der Mille der Welle 10 und gegenüber dem Schwerpunkt der Welle 10 versci/i angeordnet sein und als Symmeiricehenc beispielsweise eine Lbcne /fll-fll gemäß I ι g. I aufweisen Wenn das Radiallager 5 als Dämpfungsvorrichtung eingesei/i wird, so hängen seine Dämpfungsei gensihaften beim llberschreilen kritischer Drehzahlen der Welle 10 \on der Abweichung seiner axialen Stellung von der Mille der Welle ab.

Das ein/ige elektromagnetische Radi.ill.iger > bei der ■\iishihnmgsfoim gemäß I ig I kann durch eine Mein zahl ι leklromagnclisi her Radi.illagei ) dei seihen \il mit zugeordneten Radialftihlcrn erset/t weiden, wobei diese elektromagnetischen Lager ΐ über die Lange der Welle 10 in dem Heren h /wischen den Svmmctneehenen //I H] und 112 H 2 sind In diesem I all können die elektromagnetischen Radial¹ ifei gleichmallig ν erteilt angeordnet werden IJa ledoeli die Welle 10 Abschnitte mit unterschiedlichen Dun hines scm aufweist, können die elektromagnetischen Radial lager ΐ in diesem I all auch unregelmäßig derart verteilt werden, dal! sie an den Stellen angeordnet sind, in denen die Ma»se am grollten ist. oder an denjenigen Stellen, an denen sie an Schultern /wischen zwei angrenzenden Wellvnabschnitien angelegt werden können Im I alle einer Mehrzahl von Zwischenlager 5 werden die den Zwischenlagern 5 zugeordneten Radialfiihler b mn Vorteil an Stellen gelegt, an denen die Verformung am stärksten ist Die Anzahl der Radialfiihler 6 k.rm großer scm als die An/ah: der elektromagnetischen Radiallager 5 So können beispielsweise drei Radialfiihler h einem ein/igen elektromagnetischen Radiailager 5 zugeordnet vv erden Liner der drei Radialfiihler kann dann zur Lrfassung von Durchbiegungen der Welle unter dem l.influß der ScImerkrall angeordnet werden, wahrend die beiden anderen Radialfiihler fiir andere Messungen, beispielsweise Differentialmessiingen. eingesetzt wer den. Liir die R.ulialluliler h kann nut Vorteil eine Ausbildung gewählt werden, wie sie in der IR-PS 22 14 840. auf die insoweit ausdrücklich lie/iig genommen w ird. naher erläutert

Die Lrregunsstrome der Spulen 5c dei Radiallager 5 werden ausgehend von den Signalen der Liihlcr 6 gesteuert. Die Regelung der lager 5 ausgehend von den lulilern β kann beispielsweise gemäß der I R-PS 21 44 644 erfolgen, auf die insoweit ausdrücklich Bezug genommen wird

In L i g 4 ist eine abgewandelte Alisführungsform einer erfindungsgemaHcn Lagereinrichtung veranschaulicht, bei der eine beispielsweise als l.äuferwcllc ausgebildete Welle 20 mittels eines elektromagnetischen Axiallagers 28 und mittels elektromagnetischer Radiallager 30,32 und 34 vollständig elektromagnetisch gelagert ist. Die Welle 20 gemäß Fig.4 weist eine Mehrzahl von Abschnitten unterschiedlicher Durchmesser auf. Die im Bereich der Wellenenden liegenden Abschnitte 21 bzw. 22 und 23 haben einen geringfügig verminderten Durchmesser. Die Zwischenabschnitte 24 und 25 sowie der Mittelabschnitt 26 weisen größeren Durchmesser auf. Diese Ausbildung der Welle 20 ist ebenso wie diejenige der Welle 10 gemäß F i g. 1 lediglich beispielhaft gewählt, da eine erfindungsgemäße Lagereinrichtung selbstverständlich an sehr unterschiedliche Wellenausbüdun^en En^eneßt werden kann. So kann eine Anordnung der elektromagnetischen Lager gemäß Fig.4 ebenso gut auch bei der Welle 10 gemäß Fi g. 1 Anwendung finden.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 weist das elektromagnetische Axiallager 28 im Bereich des Endabschnittes 23 der Welle 20 einen Ringanker 28b auf. der auf dem Abschnitt 23 der Welle 20 gelagert und /wischen zwei StUtzringen 36 und 37 axial lagegesichert ist. Fin Magnetkern 28s des Axiallagers 28 weist zwei ferromagnetische Ringe 28c und 28d auf, die mit Wicklungen 28e versehen sind und zu beiden Seiten des Ringankers 286 liegen. Ein elektromagnetischer Axialfühler 29 im Bereich des Endabschnittes 23 der Welle 20 weist einen gegenüber dem Ständer 27 uer Maschine festen Magnetkern 29a und einen dem Magnetkern 29a gegenüberliegenden Anker 296 auf, der in einer Ausnehmung in der Stirnfläche des Fndabschnittes 23 der Welle 20 gelagert ist. Der Anker 29t und die Welle 20 liegen koaxial.

Die endseitigen elektromagnetischen Radiallager 30 und 32 weisen radiale Symmetrieebenen E]-E] und /Vj- i: 2 auf, die in der Nachbarschaft der Enoen der Weiie 20 in Höhe der Abschnitte 21 und 22 liegen. Das elektromagnetische Radiallager 34 mit seiner radialen E\ Pj liegt im wesentlichen in gleichen Abständen von den Ebenen E\-E\ und Ej-E'i in Höhe des Mittelabschnittes 26 der Welle 20. Elektromagnetische Radialfuhler 31, 33 und 35 sind den elektromagnetischen Radiallagern 30,32 und 34 zugeordnet. Die Lager 30,32 und 34 und die Fühler 31,33 und 35 entsprechen in ihrem Aufbau dem Lager 5 bzw. dem Fühler 6 gemäß Fig. 1, wie sie in den F i g. 2 und 3 näher veranschaulicht sind.

Wie im Falle der Ausführungsform gemäß F i g. I brauen! das Zwischenlager 34 nicht exakt in der Mitte der freien Axiallänge der Welle 20 zwischen den beiden Endlagern 30 und 32 angeordnet sein. Ebenso können mehrere Zwischenlager 34. denen eine Mehrzahl von Fühlern 35 zugeordnet ist, zwischen die Endlager 30 und 32 eingesetzt sein.

Das Zwischenlager 34 trägt ebenso wie das Lager 5 gemäß Fig.l zu einer wirksamen Abstützung einer Welle 20 mit großer Länge bei.

Darüberhinaus ist eine Vermeidung jeglicher öllager für dicht gekapselte Maschinen von besonderem Vorteil und eignet sich speziell für solche Maschinen. Die vollständige elektromagnetische Lagerung der Welle 20 eignet sich zur Abstützung einer Welle mit hoher Masse, vermeidet das Erfordernis eines Anschlusses einer Flüssigkeitspumpe od. dgl. und gewährleistet eine störungsfreie Funktion unier Unterdruck.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 ermöglichen die beiden endseitigen elektromagnetischen Radiallager 30 und 32 und das oder die zwischengeschalteten Lager 34 im Mittelbereich der Welle 20 eine besonders gute Steuerung der Abstützung der Welle. So kann jedem der drei Lager 30, 32 und 34 eine geeignete Steifheit und eine geeignete Dämpfung vermittelt werden, derart, daß einerseits sehr gute Stabilitätsbedingungen für die Wellenachse vorliegen und andererseits ein Überschreiten kritischer Frequenzen erleichtert wird. Insbesondere kann jedes der Lager 30, 32 und 34 ausgehend von einer Mehrzahl von Fühiem 31, 33 und 35 ausgeregelt werden. Ebenso wie im Falle der Ausführungsform gemäß F i g. 1 können die Regeleinrichtungen die aus der FR-PS 21 49 644 bekannte Ausbildung besitzen. Die elektromagnetischen Lager 30, 32 und 34 können weiterhin durch die Fühler 31,33 und 35 so ausgeregelt werden, daß durch die Montage eingeführte Fluchtungsfehler korrigiert oder kompensiert werden.

Die eigentliche Regeleinrichtung zur Erhöhung der Dämpfungswirkung der elektromagnetischen Radiallager beim Überschreiten kritischer Geschwindigkeiten ist im Prinzip gemäß der in der DE-OS 26 58 692 erläuterten Vorrichtung zur Dämpfung kritischer Frequenzen durch selektive Erhöhbarkeit der geschwindigkeitsproportionalen Kräfte des Regelkreises für das Radiallager entsprechend den auftretenden Resonanzen ausgebildet, auf die wegen weiterer Einzelheiten ausdrücklich Bezug genommen wird.

Die Bedeutung der Auswahl der axialen Stellung der

to zwischengeschalteten elektromagnetischen Radiallager für ihre Funktion als Dämpfungsvorrichtungen zur Erleichterung des Überschreitens kritischer Drehzahlen der Welle ohne übermäßige zusätzliche Spannungen wird nachstehend anhand der F i g. 5a, 5b und 5c im einzelnen erläutert, bei denen ein einzelnes zwischengeschaltetes elektromagnetisches Radiallager 34 angenommen wird.

Die F i g. 5a. 5b und 5c veranschaulichen die radialen

Verformungen der Weiie 20 heim Erreichen uei eiMcii, der zweiten und der dritten kritischen Drehzahl oder Resonanzfrequenz. Im Falle der Grundschwingung oder ersten kritischen Drehzahl gemäß F i g. 5A ist die Verformung im Bereich der endsfeitigen Lager 30 und 32 am geringsten, die in dieser Figur mit ei und e> bezeichnet sind, während ein Schwingungsbauch in der Mitte der Welle vorliegt, dort, wo das Lager 34 angeordnet ist, welches in der Figur mit ej bezeichnet ist. Im Falle der zweiten kritischen Drehzahl oder ersten Oberschwingung gemäß F i g. 5b liegt ein Schwingungsso bauch im Bereich der endseitigen Lager ei und ei und ein Schwingungsknoten im Bereich des mitteleren Lagers ej der Welle 20. In Fig.5c ist die dritte kritische Drehzahl oder zweite Oberschwingung veranschaulicht, bei der ein Schwingungsknoten jeweils zwischen den

)5 endseitigen Lagern ei und ei und dem mittleren Lager ej der Welle vorgesehen ist, wobei am mittleren Lager ei ein Schwingungsknoten besteht. Schwingungsausbildungen oberhalb der zweiten Oberschwingung sind nicht mehr näher dargestellt. Aus den Fig. 5a bis 5c

^o ergibt sich ohne weiteres;, daß ein mittig angeordnetes elektromagnetisches Radiallager ej zur Verminderung der Verformung der Welle im Falle der Grundschwingung und der zweiten Oberschwingung beitragen kann, da es im Bereich eines Schwingungsbauches angeordnet ist. !m Gegensatz hierzu bleibt das mittlere Radiallager ej jedoch bei der ersten Oberschwingung unwirksam, da es an der Stelle eines Schwingungsknotens angeordnet ist. Wenn jedoch das mittlere elektromagnetische Radiallager es aus der Mitte der freien axialen Wellenlänge in eine mit en in den Darstellungen gemäß F i g. 5a, 5b und 5c bezeichnete Stelle verlegt wird, so wird das mittlere Radiallager für die Grundschwingung, die erste Oberschwingung und die zweite Oberschwingung wirksam, da es in keinem Falle an der Stelle eines Knotens angeordnet ist Allerdings ist die Wirksamkeit des Lagers im Falle der Grundschwingung und der dritten Oberschwingung gegenüber einer Anordnung in der Mitte geringfügig vermindert, da die Stelle ea nicht an der Stelle der maximalen Verformung bei diesen Schwingungsformen liegt

Somit kann die axiale Stellung der elektromagnetischen radialen Zwischenlager anhand der Ausbildung der Verformungen der Welle bei den kritischen Drehzahlen ohne Beschränkung jeweils so gewählt werden, daß sich eine gewünschte optimale Arbeitsweise ergibt.

Ebenso brauchen die Radialfühler 31,33 und 35 nicht in der aus F i g. 4 ersichtlichen Weise in den Ebenen

dt-d'i, drd'i und dyd'i in der unmittelbaren Nachbarschaft der Lager 30, 32 und 34 angeordnet werden. Vielmehr können die Fühler 31, 33 und 35 auf einfache Weise jeweils so angeordnet werden, daß sie zur deutlichen Erfassung der Schwingungssignale an den Stellen von Schwingungsbäuchen bei den Schwingun-

10

gen gemäU F ί». 5a bis 5c liegen oder auf sonstige, im Einzelfall zweckmäßige Weise verteilt sind. Schließlich ist es auch nicht erforderlich, elektromagnetische Fühler zu verwenden; vielmehr können auch optisch oder kapazitiv arbeitende Fühler eingesetzt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lagereinrichtung für eine Welle mit im wesentlichen horizontaler Achse, insbesondere für einen Turbomaschinenläufer, mit zwei im Bereich der Wellenenden angeordneten Radiallagern und wenigstens einer magnetischen Abstützung in einem mittleren Bereich der Welle, welche mit einem auf der Welle gelagerten Ringanker zusammenarbeitet, wobei wenigstens ein elektromagnetisches Radiallager mit einem die Welle mit geringer Spaltbreite umgebenden festen Magnetkern zur Stabilisierung der Welle eingesetzt ist, und wobei jedem elektromagnetischen Radiallager ein Auslenkungen der Welle in jeder Richtung erfassender Fühler für die Radialstellung der Welle zugeordnet ist, dessen Meßwert die Magnetkraft des Radiallagers steuert, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer langen, mit hohen Drehzahlen umlaufenden Welle (10; 20) al-, die Abstützung das ausgeregelte elektromagnetische Radiallager (5; 34) permanentmagnetfrei in dem mittleren Bereich der Welle in einer solchen axialen Lage angeordnet ist, in der zumindest bei den ersten drei kritischen Frequenzen eine radiale Auslenkung der Welle erfolgt, und daß die geschwindigkeitsproportionalen Kräfte des Regelkreises für das Radiallager (5; 34) entsprechend den auftretenden Resonanzen selektiv erhöhbar sind.

2. Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichr=:, daß die Abstützung durch eine Mehrzahl von ausgeregelten elektromagnetischen Radiallageni (5;34) gebildet is..

3. Lagereinrichtung Mach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß .,lindestens ein im mittleren Bereich der Welle (10; 20) angeordneten elektromagnetischen Radiallagern (5; 34) zugeordneter Fühler (δ; 35) für die Radialstellung der Welle an einer im Abstand von dem entsprechenden Radiallager liegenden Stelle entlang der Welle angeordnet ist.

4. Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Fühlern (6; 35) für die Radialstellung der Welle (10; 20) für die Regelung eines einzelnen, im mittleren Bereich der Welle angeordneten elektromagnetischen Radiallagers (5; 34) vorgesehen ist.