DE3031416A1 - Turbogengenerator, insbesondere fuer gasturbinen in solar-kleinstkraftwerken - Google Patents

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT - ^ Unser Zeichen

Berlin und München VPA _{on n} _

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Turbogenerator, insbesondere für Gasturbinen in Solar-Kleinstkraftwerken

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbogenerator, insbesondere für Gasturbinen in Solar-Kleinstkraftwerken,· mit einem.permanentmagnetischen Rotor, der von einem die Statorwicklungen tragenden Stator umgeben ist.

Bei einem bekannten Turbogenerator dieser Art für Solar-Kleinstkraftwerke, ist der von der Gasturbine angetriebene permanentmagnetische Rotor zusammen mit dem Turbinenlaufrad auf einer gemeinsamen Welle befestigt. Die Welle ist in zwei hydrodynamischen Spiral-Rillenlagern gelagert, die zu beiden Seiten des Rotors angeordnet sind. Hierbei ist das Turbinenlaufrad an dem einen Ende der Welle angeordnet, während das Turbinengehäuse an dem Lagerschild angeflanscht ist.

Bei einem Spiral-Rillenlager entsteht durch die Spiralrillenform der Laufflächen bei der Drehbewegung der Welle eine Pumpwirkung, wodurch Schmieröl aus einem Vorratsbehälter gezogen und damit ein Lagerspaltdruck aufgebaut wird, so daß die Lager als hydrodynamische Lager arbeiten. Da also der Spaltdruck im Lagerspalt erst durch die Drehbewegung der Welle aufgebaut wird,bedeutet dies, daß im Ruhezustand des Lagers. Welle und Lagerbuchse Festkörperberührung haben. Beim Anlauf eines derartigen Lagers muß erst die Festkörperberührung und bei steigender Drehzahl die Mischreibungsphase zwischen Lagerbuchse und Welle überwunden werden, ehe durch den Druckaufbau im Lagerspalt das Lager in den verschleißfreien hydrodynamischen Betriebszustand übergeht.

Hs 1 Kow / 8.8.1980

^: 3Ό3Η16

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Bei dem bekannten Turbogenerator ist zur Aufnahme von axialen Kräften eines der beiden hydrodynamischen Spiralrillenlager., als Kugelkalottenlager ausgebildet. Durch die Anordnung der Lager an den beiden Enden des Rotors ergibt sich eine relativ lange Bauweise des Turbogenerators und damit auch der Turbogeneratorwelle. Derartig lange Turbogeneratorwellen neigen bei kritischen Drehzahlen infolge elastischer Verformung der Welle zu Schwingungen, welche stärkere Lager- und Materialbelastungen hervorrufen. 10

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbogenerator der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der nicht nur einen kompakten und einfachen Aufbau, sondern auch eine wartungsfreie, reibungsarme und verschleißarme

1-5 Lagerung mit großer Lebensdauer aufweist. Der erfindungsgemäße Turbogenerator ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor rotationssymmetrisch ausgebildet ist und zumindest ein Teil der zylindrischen Oberfläche des Rotors und ein entsprechender Teil der hohlzylindrischen Oberfläche der Statorbohrung die tragenden Flächen eines aerostatischen Radiallagers für den Rotor bilden. Dadurch entsteht eine kompakte Bauweise, da die hintereinanderliegende und dadurch verlängernde Anordnung zweier Lager entfällt. Da Welle und Rotor identisch sind, und in einem Lager auf der ganzen Länge getragen werden, ist der Aufbau einfacher, die Auswuchttechnik leichter beherrschbar und kritische Drehzahlen können sich nicht durch elastische Verformung des Rotors, wie es bei einer zwischen zwei Lagern aufgehängten freien Rotormasse möglich ist, zu stärkeren Lager- und Materialbelastungen hin auswirken. Lager und Rotor sind damit keine getrennten axial versetzten Einheiten, sondern bilden eine Einheit.

Die aerostatische Lagerung gemäß der Erfindung hat gegenüber einer ausschließlich nach dem aero- bzw. hydrodynamischen Prinzip arbeitenden Lagerung den Vorteil, daß

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sie einen vollkommen verschleißfreien Anlauf gewährleistet.

Zur Aufnahme von axialen Kräften wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß zumindest- Teile der Stirnflächen des Rotors mit entsprechend ausgebildeten Flächen an die Statorbohrung an beiden Stirnseiten verschließenden Statorschilden aerostatische Axiallager für den Rotor bilden.
·

Solche aerostatischen Lager sind Lage- und im Rahmen der Lagertragkraft beschleunigungsunempfindlich, da keine Schmiermittelvorratsbehälter vorhanden sind, deren Versorgungsöffnungen für die Lager ständig mit Öl bedeckt sein müssen, wie bei der bekannten Ausführung.

Vorzugsweise dient das die Gasturbine antreibende Gas als Traggas für das aerostatische Radial- und/oder die aerostatischen Axiallager des Rotors. In vorteilhafter Weise ist das für das aerostatische Radiallager und/oder die aerostatischen Axiallager benötigte Traggas vor den die Gasturbine mit Treibgas beaufschlagenden Düsen abgezweigt.

Eine solche aerostatische Lagerung erhält vom Turbinentreibgas her sofort mit dem ersten Antriebsimpuls des Turbinenlaufrades auch Traggas zugeführt, wodurch die Welle fast im gleichen Augenblick aufschwimmt, wenn die Turbine zu drehen beginnt.

Ein aerostatisches Gaslager funktioniert nur, wenn sich das Traggas nach Durchströmen der Tragdüsen und des Lagerspaltes in einen Raum niedrigen Druckes bzw. der Umgebungsatmosphäre entspannen kann. Gemäß der Erfindung sind daher das aerostatische Radial- und/oder die aerostatischen Axiallager über entsprechende Bohrungen in den Schaufelraum der Gasturbine entlüftet. Demzufolge stellt

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eine aerostatische Lagerung, wie sie zuvor beschrieben worden ist, einen Gasverlust dar, der für den Antrieb der Turbine verlorengeht. Dieser Verlust beträgt je nach den vorhandenen Betriebsdrücken der Lagerausführung 10 bis 20%. Um diesen Antriebsverlust zu vermeiden, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß nach der Anlaufphase das aerostatische Radial- bzw. die aerostatisehen Axiallager durch Abschalten des Traggases als aerodynamische Lager weiterlaufen.

Beispielsweise kann das Abschalten und Zuschalten des Traggases mit Hilfe eines Drehzahlwächters vorgenommen werden. Vorzugsweise wird in der Betriebsphase, wenn die Turbine eine höhere Drehzahl, die Gaslager damit einen höheren dynamischen Traganteil und der Generator eine höhere Spannung haben, das Traggas mit Hilfe eines spannungsunabhängigen Magnetventils mit pneumatischer Selbsthaltung abgeschaltet. Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein pneumatisch-elektrisches Schaltbild eines Turbogenerators,

Figur 2a einen Längsschnitt durch einen von einer Peltonturbine angetriebenen Turbogenerator,

Figur 2b einen Schnitt nach der Linie 2b-2b gemäß Figur 2a, Figur 2c eine Ansicht von oben auf den Turbogenerator nach

Figur 2a,

Figur 2d einen Schnitt nach der Linie 2d-2d nach Figur 2a, Figur 3 eine schaubildliche Darstellung der Ein- und Ausschaltphase eines Turbogenerators mit aerostatischen Gaslagern gemäß Figur 2a,

Figur 4 ein pneumatisch-elektrisches Schaltbild eines Turbo-' generators mit einem Traggasventil,

Figur 5a einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Form Form des Turbogenerators gemäß Figur 2,

Figur 5b einen Schnitt nach der Linie 5b-5b gemäß Figur 5a,

Figur 5c eine Ansicht von oben auf einen Turbogenerator gemäß Figur 5a, teilweise gebrochen, Figur 6 einen Schnitt durch ein spannungsabhängiges

Magnetventil mit .pneumatischer Selbsthaltung,

Figur 7 eine schaubildliche Darstellung der Ein- und Ausschal tphase eines Turbogenerators mit automatisch auf dynamischen Betrieb umschaltenden aerostatisehen Gaslagern,

Figur 8 eine Schnittansicht einer anderen Ausführung eines Turbogenerators,

Figur 9a einen Schnitt durch einen Rotor eines Turbogenerators,

Figur 9b einen Schnitt nach der Linie 9b-9b der Figur 9a, und

Figar 9c eine stirnseitige Ansicht von rechts auf den Rotor gemäß Figur 9a.

In Figur 1 ist ein pneumatisch-elektrisches Schaltbild eines von einer Turbine 1 angetriebenen Turbogenerators dargestellt. Die Turbine 1 und der Turbogenerator 2 besitzen eine gemeinsame Welle 3, wobei mit 4 eine aerostatische Gaslagerung angedeutet ist. Der Turbogenerator 2 gibt eine im Mittelfrequenzbereich liegende Wechselspannung Uq ab, die an Klemmen 5 abgenommen werden kann. Mit 6 ist ein Spannungskonstanthalter bezeichnet.

Der Turbine 1 wird über eine Leitung 7 von einem Verdampfer Gas zugeführt, welches mit einem Druck p~ einströmt und die Turbine mit einem Druck p, über eine Leitung 8 wieder verläßt. Hierbei entspannt sich der Dampf um einen Betrag Ap = P₂ " P-2· °as über die Leitung 7 einströmende Gasvolumen V wird um einen Anteil V_T vermindert und dient ges ι·

als Traggas für die aerostatische Gaslagerung 4, wie weiter unten noch ausführlich erläutert werden wird.

In Figur 2 ist ein von einer Pelton-Turbine angetriebener Turbogenerator 2 dargestellt. Der Turbogenerator 2 weist einen Rotor 9 und einen Stator 10 auf, der aus laminierten Blechen zusammengesetzt ist und eine Statorwicklung 11 trägt. Der Stator 10 mit Statorwicklung 11 ist in einem Gehäuse 12 untergebracht, das mit Hilfe von stirnseitig angeordneten Schilden 13 und 14 abgeschlossen ist.

Der Rotor 9 weist eine hohlzylindrische Welle 15 auf, die durch eine Bohrung im Schild 13 geführt ist und am Ende ein Schaufelrad 16 der Pelton-Turbine 1 trägt. Der Schaufelraum 17 ist mit Hilfe eines Deckels 18 dicht abgeschlossen.

Um die Hohlwelle 15 sind zwei einander gegenüberliegende Permanentmagnete 19 angeordnet, die beispielsweise in Gießharzmasse 20 eingebettet sind. Sowohl die zylindrische Oberfläche des Rotors 9 als auch dLe Stirnflächen des Rotors sind feinst bearbeitet und bilden Teile aerostatischer Gaslager, wobei mit 21 ein aerostatisches Radiallager und mit 22 die beiden Axiallager bezeichnet sind. Zur Bildung des aerostatischen Radiallagers 21 ist die Statorbohrung mit einer hohlzylindrischen. Lagerbuchse 23 ausgestattet, die über dem ganzen Umfang hin mit Tragdüsen 24 versehen ist. Die Tragdüsen 24 werden vom Traggas über Ringspalte 25 mit Traggas versorgt, die durch einen entsprechenden Abstand des Stators 10 von der Bohrung des Gehäuses 12 sowie der Lagerbuchse 23 sich ergeben.

Die mit den Stirnflächen des Rotors zusammenwirkenden, die aerostatischen Axiallager bildenden Teile, sind von Düsenplatten 26 und 27 gebildet, die in den Schilden 13 und 14 eingesetzt sind. Die Düsenplatten 26 und 27 sind ebenfalls mit Tragdüsen 28 versehen, welche über Radialkanäle 29 und Räume 30 aus den Ringspalten 25 mit Traggas versorgt werden. Die Ringspalte 25 wiederum werden über eine

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Traggasleitung 31 mit Traggas versorgt, die mit einem Treibgasanschluß 32 für die Turbine in Verbindung steht. Mit 33 ist eine Düse zur Beaufschlagung des Schaufelrades 16 mit Treibgas bezeichnet (Fig. 2b, 2c). •5

Von dem Treibgas werden also gleichzeitig das aerostatische Radiallager 21 und auch die beiden aerostatischen Axiallager 22 mit Traggas versorgt. ■ .

Durch die den Schaufelraum 17 begrenzende und in axialer Richtung justierbare Düsenplatte 27 ist das Axialspiel und damit der optimale Lagerspalt beider aerostatischer Axiallager einstellbar. Das in die Lager 21 und 22 einströmende Traggas fließt aus dem Radiallagerspalt über Radialkanäle 34 und 35 sowie über eine Axialbohrung 36 in den Schaufelraum 17 und von dort mit dem Treibgas zu einer Abgasäff nung 37 heraus. Das linke Axiallager 22 wird über die Axialbohrung 36 und das rechte Axiallager 22 über einen axialen Ringspalt 38 entlüftet.

Die zwischen den Düsenplatten 26 und 27 sowie der Lagerbuchse 23 eingefügten O-Ringe 39 haben neben der trennenden und abdichtenden Aufgabe bei der Traggasführung auch eine dämpfende Funktion, um eventuell auftretende Resonanzschwingungen des Rotors durch seine Restunwucht in Verbindung mit der Drehfrequenz innerhalb der Gaslagerung zu unterbinden.

Daß der Rotor 9 mit Sicherheit zuerst in der Lagerbuchse 23 schwebt ehe er vom Schaufelrad 16 in Drehung versetzt wird, wird anhand der Figur 3 näher erläutert. In der Abszissenachse ist die Zeit aufgetragen, während in der Ordinatenachse die Drehzahl n, die Drücke p₂ und p_L sowie das Gasvolumen V___ aufgetragen sind.

§65

Da sich am Schaufelrad 16 vom EinsehaltZeitpunkt t an mit

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dem ansteigenden Treibgasdruck p₂ erst ein entsprechendes Antriebsmoment M₁^, aufbauen muß, bis das magnetische Belastungs- bzw. Bremsmoment zwischen Rotor 9 und Stator 10 überwunden und der Rotor 9 damit in Drehung versetzt wird, tritt zwischen Einschaltzeitpunkt t_Q und Drehbeginn t., eine Zeitverzögerung Δ t auf. Innerhalb dieser Zeit baut sich mit steigendem Treibgasdruck p« bzw. p_L ein statischer Traggasdruck ^Pj* auf, der den Rotor 9 in der Lagerbuchse 23 aufschwimmen läßt, ehe er zum Zeitpunkt

t. vom Schaufelrad 16 in Drehung versetzt wird. Damit ist der Anlauf des Rotors 9 vollkommen verschleißfrei. Messungen ergaben bei einem Turbinenprototyp schon bei einem Traggasdruck-Δ p_L1 von 0,5 bis 0,8 bar Überdruck ein Schweben des Rotors 9 in der Lagerbuchse 23, bei Rotorgewichten von 240 und 650 g.

Ebenso läuft bei der Stillsetzung des Turbogenerators der gleiche Effekt in umgekehrter Reihenfolge ab. Der Treibgas- bzw. Treibgasdruck p_L sinkt ab und erreicht Jenen Wert Ap_L2» ^^ei ^em ^der Rotor 9 aufgrund des magnetischen Belastungsmomentes zum Zeitpunkt t« zum Stillstand kommt, die Tragkraft jedoch noch ausreicht, um den Rotor 9 im Schwebezustand zu halten. Auf diese Weise wird der Rotor 9 vollständig verschleißfrei stillgesetzt.

Den verschleißfreien An- und Auslauf des Rotors 9 zu gewährleisten, ist neben den eben geschilderten Zusammenhängen in zweiter Linie abhängig von der Dimensionierung und Ausführung der Gaslager. Dabei ist die Größe der tragenden Rotorfläche, die Lagerspaltgröße und damit in unmittelbarem Zusammenhang stehend, die Formgenauigkeit und Rauhtiefe der Rotor- und Lagerbuchsenoberfläche maßgebend, daß bei Erreichen des Teil- bzw. RestgasdruckesAp^ bzw. JS₁ p_L2 noch, ein berührungsloses Schweben des Rotors in der Lagerbuchse garantiert wird.

Wie bereits eingangs erwähnt, funktioniert ein aero-

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statisches Gaslager nur dann, wenn sich das Traggas nach Durchströmen der Tragdüsen und des Lagerspalts in einem Raum niederen Druckes bzw. der Umgebungsatmosphäre entspannen kann. Demzufolge weist eine aerostatische Lagerung, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, einen Gasverlust V^ auf, der für den Antrieb der Turbine verlorengeht. Dieser Verlust beträgt je nach den vorhandenen Betriebsdrücken P₂ der Lagerausführung 10 bis 20 % vom Turbinenvolumenstrom Vm.
10

Um diesen Antriebsverlust zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Radial- und die beiden Axiallager nur in der Anlaufphase wegen des Lagerverschleißes als aerostatische Gaslager betrieben werden. Nach der Anlaufphase, wenn die Turbine eine höhere Drehzahl erreicht hat', wird der aerostatische Betrieb der Lager in einen aerodynamischen Betrieb umgestellt, indem in einfacher Weise die Zufuhr des Traggases unterbunden wird, und zwar durch Unterbrechung der Traggasleitung 31. Dies ist bei entsprechender Ausführung und Dimensionierung besonders des die Hauptbelastungskräfte aufnehmenden Radiallagers 21 möglich. Die Lagerbelastung setzt sich aus dem radialwirkenden Rotorgewicht, den radialen Magnetkräften des Geheratorbetriebes und je nach Turbinentyp entweder aus den radialen Verkantungskräften bei Freistrahl-Peltonturbinen oder Axialkräften bei Axialturbinen zusammen. Die Belastungskomponenten sind in ihren Spitzenwerten bei stationären Anlagen konstant, womit keine unkalkolierbaren Kräfte auf die Lagerung wirken, die ihre berechnete dynamische Tragkraft übersteigen könnte.

Die magnetischen Radialkräfte sind fast Null, da sich die Polkräfte bei einem Zweipolanker mit vertikaler Magnetisierungsrichtung aufheben und nur magnetische Differenzkräfte durch mechanische Spalttoleranzen zwischen Rotor 9 und Polschuhen des Stators 10 zur Wirkung kommen. Die

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größte radiale Lagerbelastungskomponente ist damit das. Gewicht des Rotors und entsprechende Kräfte aus der Restunwucht desselben. Dies kann aber in einfacher Weise dadurch berücksichtigt werden, daß die Lagerung so gestaltet wird, daß die aerostatische Tragkomponente überdimensioniert ist, so daß die naturgemäß kleinere aerodynamische Tragkomponente (Betrieb ohne Traggas) noch ausreicht, um mit Sicherheit alle Lagerbelastungen aufnehmen zu können.

Ein Radiallager mit Tragdüsen hat neben den statischen automatisch durch den Schmiegungskeil zwischen Rotor und Lagerbuchse im belasteten Lagerspalt auch einen aerodynamischen Traganteil. Dieser Traganteil soll erfindungsgemäß nach Abschalten der Tragluft die Radialkräfte aufnehmen. Da die beiden aerostatischen Axiallager 22 nach Figur 2, von den Tragdüsen 28 abgesehen, nur aus je zwei ebenen parallelen Flächen der Düsenplatten 26 und 27 bestehen, kann wegen des Fehlens eines keilförmigen Tragspaltes auch nach Abschalten der Tragluft keine aerodynamische axiale Tragkomponente wirksam werden. Aus diesem Grunde sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 an beiden Stirnseiten des Rotors 9 ein Kranz von Schrägflächen 40 ausgebildet, um damit beide Axiallager 22 zu aerostatischen Lagern mit aerodynamischen Traganteilen auszubauen. Diese Axiallagerung ist als Kingsbury- bzw. . . Mitchel-Lager bekannt.

Versuche an einem Turbinenprototyp haben in diesem Zusammenhang gezeigt, daß etwa im Lager spalt durch Eni>spannung und Abkühlung kondensierende Arbeitsmedien keinen negativen Einfluß auf die Funktion eines Gaslagers weder in seiner aerostatischen noch aerodynamischen Wirkungsweise haben. Im Gegenteil, wird der aero- bzw. in diesem speziellen Fall hydrodynamische Traganteil durch die größere dynamische Zähigkeit einer Flüssigkeit gegenüber einem Gas bzw. Dampf erhöht, wobei gleich-

zeitig die Reibleistung im Lagerspalt steigt. Außerdem drückt das Traggas, das ja von den Tragdüsen in den Lagerspalt gelangt und von dort in axialer Richtung aus dem Spalt herausströmt, den Lagerspalt von etwa gebildetem Kondensat frei. Sinngemäß gilt der gleiche Vorgang für die beiden Axiallager.

Der konstruktive Aufbau des Turbogenerators gemäß Figur mit Traggasabschaltung entspricht grundsätzlich der Ausführung gemäß Figur 2, lediglich mit dem Unterschied, daß die Traggasleitung 31 an einer Stelle 41 gemäß Figur 5c eine Unterbrechung aufweist, in die ein spezielles Traggasventil 42 (Fig. 6) für das Absperren des Traggases eingeschaltet ist und je ein Kranz von Schrägflächen 40 an den beiden Stirnflächen des Rotors 9 zur Erzielung der aerodynamischen Tragkraft an den beiden Axiallagern 22 vorgesehen ist.

Figur 7 zeigt eine schaubildliche' Darstellung der Ein-2Ό und Ausschaltphase eines Turbogenerators gemäß Figur 5 mit automatisch auf dynamischen Betrieb umschaltenden aerostatischen Gaslagern. Diese schaubildliche Darstellung entspricht im wesentlichen der schaubildlichen Darstellung ■ gemäß Figur 3, wobei jedoch zu einem Zeitpunkt t-, die Traggasabschaltung vorgenommen wird. Der Augenblick der Traggasabschaltung beim Anlauf der Turbine wird möglichst spät gewählt, um in der Zwischenzeit eine hohe Turbinendrehzahl und damit eine hohe aerodynamische Tragkraft in den Lagern zu erreichen. Die Abschaltung des Traggases am Ende der Anlaufphase A t_ö„ kann in Verbindung mit einem Abschaltventil auf verschiedene Weise bewirkt werden. Zum Beispiel.durch eine elektronische Drehzahlüberwachung, die bei einer vorgegebenen Drehzahl ein Ventil schließt und beim AbscbäLten und Absinken der Drehzahl das Ventil und damit den Traggasstrom wieder öffnet. Hierbei ist in Figur

mit At die Auslauf phase bezeichnet. Dabei muß die Abaus ^

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schaltdrehzahl noch einen gewissen Sicherheitsabstand

η von der Betriebsdrehzahl der Turbine haben, s

Weiterhin kann durch ein in einem pneumatischen Membranventil eingebautes Verzögerungsglied (in einer Richtung wirkendes hydraulisches Körbchenelement), eine Absperrverzögerung At _ vom Einschaltzeitpunkt t_n erreicht

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werden. Diese Lösung ist zweckmäßig bei Turbinen anzuwenden, die keinen elektrischen Generator antreiben, da in diesem Falle eine notwendige elektrische Hilfsstromquelle entfallen kann.

Bei Turbogeneratoren jedoch, wo eine zwangsweise Abhängigkeit von steigender/sinkender Drehzahl η und steigender/ sinkender Spannung Uq = f(n)'gegeben ist, wird vorzugsweise ein·elektropneumatisehes Traggasventil verwendet, insbesondere, wenn sich die Vorgänge über eine längere Zeit hinziehen.

In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines solchen elektropneumatisehen Traggasventils 42 dargestellt. Das Traggasventil 42 ist in die Unterbrechung 41 der Traggasleitung 31 eingeschaltet, wie in Figur 5c und Figur 6 mit gestrichelten Linien angedeutet ist. Das Traggasventil kann bei größeren Turbogeneratoren direkt in das Generatorgehäuse eingesetzt bzw. bei kleineren Einheiten außen angeflanscht werden, wie Figur 6 zeigt. Das Traggasventil

42 besitzt einen Flansch 43 mit dem es am Gehäuse 12 angeflanscht ist. Die Traggasleitung 31 ist durch eine Sacklochbohrung 44 unterbrochen, in die ein Teil 45 mit einer zentrischen Bohrung 46 eingesetzt ist. Die Mündung 47 der Bohrung 46 kann durch eine Dichtung 48 an einem Kolben verschlossen werden. Der Kolben 49 steht unter der Wirkung einer Feder 50 sowie unter der Wirkung einer Spule 51.

Die Traggasleitung 31 steht über Bohrungen 52 im Flansch

43 mit der Mündung 47 der Bohrung 46 in Verbindung und

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kann, wie gesagt, durch die Dichtung 48 an dem Kolben 49 verschlossen werden, wie weiter unten noch näher ausgeführt werden wird.

Der Kolben 49 weist mehrere Längsnuten 5.3 sowie am anderen Ende eine weitere Dichtung 54 auf, die eine Öffnung 55 in der dargestellten Kolbenstellung verschließt. In die Öffnung 55 ist der vordere Teil eines Stößels 56 geführt, der an einer Membrane 57 unter der Wirkung einer Feder 58 anliegt. Der Membrane 57 ist eine Membrane 60 zugeordnet, die eine größere wirksame Fläche wie die Membrane 57 aufweist. Die Membrane 60 trägt einen Topfmagneten 59, welcher mit einem Reedkontakt 61 zusammenwirkt, der in einer Öffnung in einem Deckel 62 des Membrangehäuses 63 untergebracht ist. Über Bohrungen 64 stehen die Räume 65 und 66 vor bzw. hinter den Membranen 57 und 60 in Verbindung.

Beim Einschaltvorgang der Turbine 1 spielen sich in Zusammenarbeit von Turbogenerator 2 und Traggasventil 42 folgende Vorgänge ab:

Über den Treibgasanschluß 32 der Turbine 2 strömt Gas vom Verdampfer über die Düse 33 in den Schaufelraum 17. Gleichzeitig strömt auch dem Radiallager 21 über die Traggasleitung 31 dem Traggasventil 42 über die Bohrungen 52, Mündung 47, Bohrung 46 dem Ausgang der Traggasleitung 31, den Ringspalten 25 im Stator 10 und der Lagerbuchse 23 Traggas zu. Von hier aus gelangt das Traggas über die Tragdüsen 24 in den eigentlichen Lagerspalt. Nachdem sich hier durch die Drosselwirkung des Spaltes ein entsprechender Tragdruck aufgebaut hat, entweicht das Traggas nach beiden Lagerenden in axialer Richtung aus dem Lagerspalt und gelangt,über die radialen Bohrungen 34 und 35, der Axialbohrung 36 in den Schaufelraum 17, wo es sich dem Treibgas beimischt und aus der Abgasöffnung 37 den Turbogenerator 2 verläßt.

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Den beiden Axiallagern 22 wird Traggas aus dem oberen Ringspalt 25 über die beiden Radialkanäle 29 sowie über die beiden Räume 30 und den Tragdüsen 28 zugeleitet. Aus dem linken Axiallager 22 fließt das Traggas durch die Axialbohrung 36 ab und gelangt ebenfalls von dort über den Schaufelraum 17 in die Abgasöffnung 37. Das rechte Axiallager 22 entlüftet sich unmittelbar über Ringspalt 38 in den Sch auf elraum 17.

Treib- und Traggas durchströmen den Turbogenerator 2 als nach außen geschlossenes System, womit der Turbogenerator • z.B. an eine ebenfalls geschlossene mit Sonnenenergie beheizte Verdampferanlage angeschlossen und betrieben werden kann. Das Traggas V_L summiert sich zum Treibgasvolumen-

strom V_T wie Figur 4 zeigt.

Bei weiterer Betrachtung des Einschaltvorganges ist parallel zu der bisher geschilderten Treib- und Traggasführung zu sehen, daß ein steigender Treibgasdruck p₂ am Schaufelrad 16 ein ebenfalls steigendes Drehmoment verursacht, das aufgrund des bereits erwähnten magnetischen Bremsmomentes vorerst nicht in der Lage ist, die Turbine in Drehung zu versetzen.

In dieser Phase des Anlaufvorganges bewirkt der ebenfalls steigende Traggasdruck p, durch die statische Tragkomponente ein Schweben des noch im Stillstand befindlichen Rotors 9 in der Lagerbuchse 23 des Stators 10. Wie bereits erwähnt, ergibt sich schon bei einem Überdruck von 0,8 bar ein statisches Schweben des Rotors 9 in der Lagerbuchse

Bei weiterer Steigerung des Druckes p« überwindet schließlich das Antriebsmoment das magnetische Bremsmoment und der Rotor 9 beginnt sich mit zunehmender Drehzahl in Bewegung zu setzen. Dieser Punkt ist in Figur 7 mit t^ bezeichnet. Neben der statischen Tragkraft des Gaslagers entwickelt

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-ersieh damit eine steigende dynamische Tragkomponente. Der drehende Rotor induziert in der Statorwicklung 11 eine mit der Drehzahl ebenfalls steigende Wechselspannung Uq, wie Figur 7 zeigt. Von der Generatorspannung· Uq wird die Erregerspule 51 des Traggasventils 42 von einem Gleichrichter 67 über einen einstellbaren Widerstand 68 und den Reedkontakt 61 eine Gleichspannung Uy zugeführt (Figur 4), die mit der Generatorspannung Uq ansteigt, wie Figur 7 · zeigt. Da dem durch das Traggasventil strömende Traggas der axiale Weg über die Längsnuten 53 des Kolbens 49 zu den Membranen 57 und 60 durch die verschlossene öffnung 55 noch versperrt ist, wirkt auf den Kolben 49 vorerst nur die Magnetkraft der Erregerspule 51, die wiederum gegen die Kraft der Feder 50 arbeiten muß.

Bei weiter steigender Turbinendrehzahl erhöht sich die Spannung Uq, damit steigt auch die Spannung Uy und erreicht den Wert U_va zum Zeitpunkt t^, wie Figur 7 zeigt. Die axiale Magnetkraft F_el der Erregerspule 51 auf den Kolben 49 erreicht damit jenen Wert, wo er entgegen der Federkraft F~. in die Erregerspule 51 hinein gegen die Mündung 47 der Bohrung 46 gezogen wird und den Ventilausgang verschließt. Der Traggasvolumenstrom Vt ist damit unterbrochen. Von diesem Augenblick an laufen die Lager 21 und 22 der Turbine nur mit ihrem aerodynamischen Traganteil. Der Zeitpunkt der Traggasunterbrechung kann mit Hilfe des Widerstandes 68 eingestellt werden. Dabei bestimmt der Spulenstrom I- jene ihm zugehörige Spannung U- bzw. U_Q und die ihr zugeordnete Läuferdrehzahl n, die einen genügend großen aerodynamischen Trageffekt im Lager garantiert, und somit den Rotor 9 nach Abschalten des Traggases in der Lagerbuchse 23 frei schweben läßt.

Sobald sich der Kolben 49 des Traggasventiles 42 unter dem Einfluß des Spulenfeldes in Richtung der Mündung 47 in

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Bewegung setzt, strömt das Traggas durch die bisher verschlossene Öffnung 55 hindurch, beaufschlagt die kleine Membrane 57 und fließt weiter über die Bohrungen 64 in den Raum 66 hinter der Membrane 60, die ebenfalls mit Druck beaufschlagt wird. Durch die größere Fläche der Membrane 60 ist sofort eine Differenzkraft Af_m = F^ — F^ wirksam, wodurch das Membransystem mit dem Stößel 56 entgegen, der Federkraft F^₂ der Feder 58 unmittelbar der Bewegung des Kolbens 49 in Richtung der Mündung 47 folgt. 10

Der Reedkontakt 61 ist ebenfalls Bestandteil des Traggasventils 42. Über seinen Arbeitskontakt (Schließer) fließt

der Strom I der Spule 51. Im Ruhezustand des Kolbens 49 sp

(Anlage der Dichtung 54 an Öffnung 55) ist der Reedkontakt durch das gebündelte .und dadurch in seinem räumlichai Wirkungsbereich eng begrenzte Magnetfeld des Topfmangeten 59 geschlossen. Nachdem die Membranen 57 und 60 sowie der Topfmagnet 59 mit dem Stößel 56 unter dem Einfluß des Traggasdruckes p_L den Kolben 49 soweit nach links bewegt, daß die Mündung 47 verschlossen ist, hat sich der' Topfmagnet 59 durch den Membranhub soweit vom Reedkontakt 61 entfernt, daß ein Arbeitskontakt öffnet, den Spulenstrom und damit die elektrische Erregung der Erregerspule 51 unterbricht. Dieser Zeitpunkt ist in Figur 7 mit t, bezeichnet. Das Ansprechen des Traggasventiles 42 erfolgt also spannungs- und drehzahlbezogen mit Hilfe des Magnet- · systems, während das Halten des Traggasventiles in der Arbeitsstellung ohne elektrischen Energieverbrauch über das pneumatische Membransystem durch den Treib- bzw. Traggasdruck p_L bewirkt wird.

Beim Abschalten des Turbogenerators 2 ist darauf zu achten, daß das Traggas in den Turbinenlagern zu einem Zeitpunkt zugeführt wird, wo bei sinkender Drehzahl (magnetisches Bremsmoment) und damit abnehmender aerodynamischer Tragkraft diese noch eine ausreichende Größe hat, um eine

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Festkörperberührtang und damit einen Lagerverschleiß zu verhindern.

Für das Traggasventil 42 bedeutet diese Forderung eine Abstimmung der beiden in ihrer Kraftwirkung entgegen wirkenden Flächen der Membrane 57 und 60, so daß ihre resultierende Kraft ÄF_M und die ihr entgegengesetzt wirkende Federkraft F_f2 so aufeinander abgestimmt sind, daß zum gegebenen Zeitpunkt nach Absinken des Betriebsdruckes Pp bzw. des Traggasdruckes p-r sich das Membransystem und damit der Topfmagnet 59 zum Reedkontakt 61 hin bewegen. Da der Reedkontakt 61 noch offen und die Erregerspule 51 des Traggasventiles 42 nicht erregt ist, folgt der Kolben 49, bewegt durch die Kraft der Feder 50, in Kontakt mit dem Stößel 56 den beiden Membranen 57 und sofort.

Bei Beginn dieser Bewegung fließt schon bei der ersten Undichtheit zwischen Mündung 47 und Dichtung 48 Traggas über die Traggasleitung 31 der Lagerung des Rotors 9 zu. Damit beginnen die Lager wieder im aerostatischen Betrieb mit entsprechender Drehzahlverminderung und absinkender aerodynamischer Tragkomponente zu laufen. Dieser Zeitpunkt ist in Figur 7 mit t,- bezeichnet.

Die sich einem Anschlag 69 des Deckels 62 nähernden Membranen 57 und 60 schließen bei weiterem, gegen Null absinkenden Traggasdruck p_L mit ihrem Topfmagneten 59 den Reedkontakt 61. Damit ist der Ausgapg szustand für einen neuen Einschaltvorgang ereicht. Durch das Schließen des Reedkontaktes 61 ist zwar die Erregerspule 51 wieder an Spannung gelegt (Uy_a zum Zeitpunkt t^ gemäß Figur 7), jedoch ist U_va kleiner als die Einschaltspannung U_ve und damit nicht in der Lage, den schon fast in der Ausgangsstellung gemäß Figur 6 bei 55 anliegenden Kolben 49 in die Erregerspule 51.zur Mündung 47 zurückzuziehen.

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Wie beim Anfahren, wird mit umgekehrten Verlauf beim Abschalten und absinkendem Treibgasdruck p~, damit sinkendem Antriebsmoment der Turbine das magnetische Bremsmoment zwischen Rotor 9 und Stator 10 die Turbine 2 zum Stillstand bringen (tp in Figur 7).. In diesem Zeitpunkt hält die statische Tragkraft des Radiallagers 21 den Rotor 9 noch im Schwebezustand (Bereich-At), bis auch ihr absinkender Wert das Rotorgewicht unterschreitet und der Rotor im Stillstand verschleißfrei auf die Fläche der Lagerbuchse 23 aufsetzt.

In Figur 8 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform dargestellt. Sie zeigt einen Turbogenerator mit magnetischer Axialfixierung. Wirkungsmäßig gleiche Teile sind wieder mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Es hat sich gezeigt, daß eine zusätzliche aerostatische oder aerodynamische Axiallagerung nicht in allen Fällen notwendig ist. Zum Beispiel werden bei einer Freistrahl-Peltonturbine,wie sie in Figur 2 und 5 dargestellt ist, außer vom Rotorgewicht bei einer eventuellen Schräglage des Turbogenerators 2^in einer stationären Anlage keine Axialkräfte auf den Rotor übertragen. In diesem Falle genügt die axiale Fixierung des Rotors 9 durch das zum Eisen des Stators 10 verlaufende Magnetfeld des dauermagnetisch erregten Rotors. Dazu addiert sich noch im Betrieb, also bei drehendem Rotor und belastetem Turbogenerator die selbstinduktive magnetische Rückwirkung des Statorfeldes auf den dauermagnetischen Rotorv.

Zu der permanent-elektromagnetischen Axialfixierung des Rotors 9 kommt noch die pneumatisch axial fixierende Kraft des in die schalenförmigen Schaufeln des Schaufelrades einströmenden Treibstrahls hinzu. Da die elektromagnetisch und pneumatisch axial fixierenden Kraftkomponenten erst im Betrieb wirksam werden, ist zur Fixierung des Rotors

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im Zentrum jeder Stirnseite der Welle 15 eine Kugel 70 eingedrückt, die sich gegen Plättchen 71 aus abriebfestem Kunststoff abstützen kann, die im Schild 14 sowie im Deckel 18 eingelassen sind. Zur Lagerspaltenlüftung ist die Axialbohrung 36 gemäß Figur 2 und 5 durch zwei Axialnuten 72 ersetzt.

Vorzugsweise wird das aerostatische Radiallager 21 mit Hilfe eines Traggasventiles, wie es beispielsweise in Figur 6 dargestellt ist, automatisch auf dynamischen Betrieb umgeschaltet. Die Betriebsvorgänge des in Figur 8 dargestellten Generators laufen dann bezüglich Antrieb,

Lagerung und elektromagnetischer Kräfte entsprechend der in den Figuren 4 bis 6 dargestellten Ausführungsform ab.

Die in Figur 8 dargestellte Ausführungsform eines Turbogenerators mit permanentmagnetischen Rotor 9 und Gaslagerung stellt die einfachste in diesem Zusammenhang geschilderte Verwirklichung des erfindungsgemäßen Gedankens einer verschleißfreien und ökonomischen Gaslagerung dar.

Figur 9 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Rotors für einen Turbogenerator gemäß Figur 8. Auf einem hohlzylinderförmigen Träger 73 sind in schwalbenschwanzförmigen Nuten 74 gemäß Figur 9b zwei einander gegenüberliegende Magnetpole 75 befestigt. Der·Träger 73 ist an beiden Stirnseiten mit Scheiben 76 und 77 versehen, wobei die Scheibe 77 einen Anschlußstutzen 78 zur Anbringung des Schaufelrades einer Turbine .aufweist. Die beiden Scheiben 76 und 77 sind mit Kugeln 79 zur Bildung von Spurlagern zur Aufnahme der axialen Kräfte versehen. Die beiden Scheiben 76 und 77 sowie die Magnetpole 75 sind über ein Rohr 80 miteinander verbunden, wobei die beidseitig der Magnetpole 75 sich bildenden Hohlräume 81 durch ein Kunstharz, z.B. Epoxydharz, ausgefüllt sind,. Zur Lagerspaltentlüftung sind in den Scheiben 76 und 77

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entsprechende Bohrungen 82 und 83 vorgesehen. Hierbei können die Scheiben 76 und 77 gleichzeitig als Wuchtscheiben für die dynamische Auswuchtung des Rotors dienen. Um möglichst an Gewicht einzusparen, wird der rohrförmige Träger 73 aus Aluminium gefertigt. Die Oberfläche des Rohres 80 muß entsprechend oberflächenbehandelt werden.

11 Patentansprüche
9 Figuren

	Turbine	m μ	35	3 0-31416
	Turbogenerator	53-	36
	Welle	ha	37	80 P 7 1 2 8 QE
	Gaslager		38
	Klemme	39	Radialkanäle
	Spannungskonstanthalter	40	Axialbohrung
Bezugszeichenliste	Leitung	41	Abgasöffnung
1	Il	42	Ringspalt
2	Rotor	43	0-Ringe
3	Stator	44	Schrägfläche
4	Statorwicklung	45	Unterbrechung
5	Gehäuse	46	Traggasventil
6	Schilde	47	Flansch
7	Il	48	Sacklochbohrung
8	Welle	49	Teil
9	Schaufelrad	50	Bohrung
10	Schauf elraum	51	Mündung
11	Deckel	52	Dichtung
12	Permanentmagnet	53	Kolben
13	Gießharzmasse	54	Feder
14	aerostatische Radiallager	55	Erregerspule
15	" Axiallager	56	Bohnxqsen
16	Lagerbuchse	57	Längsnuten
17	Tragdüsen	58	Dichtung
18	Ringspalt	59	Öffnung
19	Düsenplatten	60	Stößel
20	Il	61	Membran
21	Tragdüsen	62	Feder
22	Radialkanäle	63	Topfmagnet
23	Räume	64	Membran
24	Traggasleitung	65	Reedkontakt
25	Treibgasanschluß	66	Deckel
26	Düse	67	Membrangehäuse
27	Radialkanäle	68	Bohrungen
28	Räume
29	It
30	Gleichrichter
31	Widerstand
32
33
34

69	Anschlag
70
71	Plättchen
72	Axialnuten
73	Träger .
74	Nuten
75	Magnetpole
76	Scheiben
77	η
78	Anschlußstutzen
79	Kugeln
80	Rohre
81	Hohlräume
82	Bohrungen
83	π

Claims (11)

1. 303Ul 6

   80 P 7 1 2 6 DE

   Patentansprüche

   f 1.JTurbogenerator, insbesondere für Gasturbinen in SolarlÖLeinstkraftwerken, mit einem permanentmagnetischen Rotor, der von einem die Statorwicklungen tragenden Stator umgeben ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Rotor (9) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und zumindest ein Teil der zylindrischen Oberfläche des Rotors (9) und ein entsprechender Teil der hohlzylindrischen 10. Oberfläche der Bohrung des Stators (10) die tragenden Flächen eines aerostatischen Radiallagers (21) für den Rotor (9) bilden.
2. 2. Turbogenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η nzeichnet , daß zumindest Teile der Stirnflächen

   des Rotors (9) mit entsprechend ausgebildeten Flächen an die Statorbohrung an beiden Stirnseiten verschließenden StatorSchilden (13, 14) aerostatische Axiallager (22) für den Rotor (9) bilden.
   20
3. 3. Turbogenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das die Gasturbine (1) antreibende Gas als Traggas für das aerostatische Radiallager (21) und/oder die aerostatischen Axiallager (22) des Rotors (9). dient.
4. 4. Turbogenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das für das aerostatische Radiallager (21) und/oder die aerostatischen Axiallager (22) benötigte Traggas vor den die Gasturbine (1) mit Treibgas beaufschlagenden Düsen (33) abgezweigt ist.
5. 5. Turbogenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das aerostatische Radial- und/oder die aerostatischen Axiallager (21 bzw. 22) über ent-

   sprechende Bohrungen (34 bis 36, 38) in den Schaufelraum (17) der Gasturbine (1) entlüftet sind.
6. 6. Turbogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Stator-Schilde (13, 14) mit Hilfe von O-Ringen (39) gegen die Statorbohrung getrennt und abgedichtet sind.
7. 7. Turbogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß nach der Anlaufphase das aerostatische Radial- bzw. die aerostatischen Axiallager (21 bzw. 22) durch Abschalten des Traggases als aerodynamische Lager weiterlaufen.
8. 8. Turbogenerator nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß das Abschalten und Zuschalten des • Traggases mit Hilfe eines Drehzahlwächters vornehmbar ist.
9. 9. Turbogenerator nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Abschalten und Zuschalten des Traggases mit Hilfe eines spannungsabhängigen Magnetventils mit pneumatischer Selbsthaltung (42) erfolgt,
10. 10. Turbogenerator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß an beiden Stirnseiten des Rotors (9) ein Kranz von Schrägflächen (40) nach Art eines Mitchell-Lagers ausgebildet ist.
11. 11. Turbogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

    dadurch gekennzeichnet , daß zur axialen Fixierung des Rotors (9) die aerostatischen bzw. aerodynamischen Axiallager (22) dirch Kugel-Spurlager ersetzt sind.