DE3141841C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrier- und Fangvorrichtung für einen in elektrischen Magnetlagern berührungslos geführten Rotorschaft, die parallel zu den Magnetlagern angeordnet ist, und die einen am Rotorschaft befestigten, eine konisch ausgebildete Ringfläche aufweisenden Kragen sowie mindestens ein am Maschinengehäuse abgestütztes Lager aufweist, das bei einem Wegfall der Tragfähigkeit der Magnetlager den Kragen über seine Ringfläche führt.

Bei bekannten Lagerungen dieser Art (DE-OS 27 11 065, DE-OS 28 21 177) sind, bedingt durch den zwischen Rotorschaft und Lager vorhandenen Luftspalt, bei vertikal angeordneten Rotoren und beim Durchfahren biegekritischer Frequenzen, unkontrollierbare, radiale Bewegungen des Rotors nicht zu vermeiden. Diese Bewegungen verursachen Schwingungen und Vibrationen des Rotors und können zu erheblichen Beschädigungen der Rotorlager führen.

Aus der GB 9 69 780 ist die axiale Lagerung einer stehenden Welle in einem berührungslosen hydrostatischen Drucklager bekannt geworden, die im Hinblick auf die Eigenversorgung mit Schmier- und Tragflüssigkeit während des Anlaufvorganges unterstützt wird durch ein mechanisches Lager, bis sich der Schmier- und Tragfilm im hydrostatischen Drucklager ausgebildet hat. Die hier offenbarte Lehre ist in ihrer Anwendbarkeit auf vertikal angeordnete Wellen beschränkt.

Eine ebenfalls für vertikal angeordnete Wellen als Notlauflager vorgesehene Lagerung ist aus der DE-OS 26 58 925 bekannt geworden. Die hier gezeigte Lagerung kann als Fanglager für einen vertikalen in einem elektromagnetischen Axiallager geführten Rotorschaft betrieben werden, die hierzu einen Kragen mit einer konischen Ringfläche aufweist, der von einem Tragelement mit kegeliger Ringfläche umgeben ist, wobei zwischen den beiden Ringflächen in einem Käfig lose geführte Kugeln angeordnet sind.

Den Kugeln fällt dabei die Aufgabe zu, den Rotorschaft bei dessen Absinken infolge Ausfall seiner elektromagnetischen Axiallagerung zu zentrieren und zu lagern, indem sich die Kugeln am Tragelement abstützten.

Diese bekannte Vorrichtung kann nur für das Zentrieren und Auffangen eines vertikal verlaufenden Rotorschaftes Verwendung finden, bei dem im Störungsfalle ein Absinken des vertikalen Rotorschaftes nach unten möglich und zulässig ist, darüber hinaus wird die Zentrierung und Lagerung erst nach dem Absinken des Rotorschaftes wirksam. Desweiteren sind die Kugeln infolge der Keilwirkung der kegeligen Kragen-Ringfläche erheblichen Belastungen unterworfen, die in Vielfaches der im Rotorschaft nach unten wirkenden Kraft ausmachen. Schließlich besteht die Gefahr, daß bei einem ungleichmäßigen Absinken des Rotorschaftes die Kugeln ebenfalls ungleichmäßig beaufschlagt werden. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Belastung einzelner Kugeln, die bis zur Beschädigung der Kugeln führen kann.

Ausgehend von der DE-OS 26 58 925 liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Zentrier- und Fangvorrichtung der eingangs genannten Art unter Überwindung der Nachteile des Standes der Technik derart weiterzubilden, daß diese sowohl für horizontal als auch für vertikal verlaufende Rotorschäfte geeignet ist und bei einem Wegfall der Tragfähigkeit der Magnetlager sofort, d. h. gleichzeitig mit dem Auftreten eines solchen Störfalles ohne das Erfordernis einer axialen Bewegung des Rotorschaftes, wirksam wird und den Rotorschaft insbesondere zentriert sowie lagert. Darüber hinaus soll die Zentrier- und Fangvorrichtung mit geringem Aufwand und daher kostengünstig herzustellen und den im Betrieb auftretenden Belastungen voll gewachsen sein.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Hauptanspruches angegeben.

Demgemäß ist das Lager mit einer drehbaren Lagerbüchse versehen, die stirnseitig eine ringförmig und konisch ausgebildete Zentrier- und Lagerfläche aufweist. Am Maschinengehäuse ist eine Schiebemuffe axial verschiebbar gelagert, an der das Lagergehäuse der Lagerbüchse befestigt ist, und es sind am Maschinengehäuse abgestützte und auf die Schiebemuffer axial einwirkende Druckfedern vorgesehen. Ferner ist am Maschinengehäuse mindestens ein auf die Schiebemuffe axial einwirkender Elektromagnet vorgesehen, der mit den Magnetlagern elektrisch verbunden ist.

Durch die Einleitung der Rotorkräfte in das hierfür vorgesehene Lager mit Hilfe der drehbaren Lagerbüchse ist sichergestellt, daß selbst bei einer ungleichmäßigen Kontaktierung zwischen Lagerbüchse und Kragen eine zumindest weitgehend gleichmäßige Krafteinteilung in das Lager erfolgt. Da das Lager an einer in axialer Richtung verschiebbaren Schiebemuffe geführt ist, sind Bewegungen des meist eine große Masse aufweisenden Rotorschaftes in axialer Richtung für das Wirksamwerden der Zentrier- und Fangvorrichtung nicht erforderlich, diese ist daher universell d. h. auch für horizontal gelagerte Rotorschäfte geeignet.

Da für die axiale Bewegung der Schiebemuffe Druckfedern vorgesehen sind, arbeitet die erfindungsgemäße Zentrier- und Fangvorrichtung ohne Fremdenergie, wodurch deren Betriebssicherheit erheblich gesteigert ist. Schließlich ist durch den Einsatz eines Elektromagnetes für das Festhalten der Schiebemuffe samt Lagerbüchse in der Ruhestellung, in der kein Lager- und Zentrierkontakt zwischen der Lager- und Zentrierfläche der Lagerbüchse und der Ringfläche des Kragens besteht, eine elektrische Kupplung mit den elektrischen Magnetlagern auf besonders einfache Weise möglich, die auf einen Ausfall der Stromversorgung der elektrischen Lagermagnete unverzüglich reagiert.

Insgesamt gesehen führt die erfindungsgemäße Lehre zu einer Zentrier- und Fangvorrichtung, die bei universeller Einsatzmöglichkeit einfachen Aufbau und hohe Betriebssicherheit in sich vereint.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die in den Unteransprüchen angegeben sind, betreffen die Ausgestaltung des Fang- und Zentrierlagers als Gleit- oder Wälzlager sowie die alternative Betätigung der Lagerbüchse mittels einer hydraulischen oder pneumatischen Zylinder-Kolben-Einheit.

Vorteilhafterweise ist der Elektromagnet als Magnetring ausgebildet, der außerdem mit den Magnetlagern eletkrisch verbunden ist.

Nachfolgend sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand beiliegender Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 das Fang- und Zentrierlager in einer ersten Ausführung für horizontal und vertikal gelagerte Rotoren, im unwirksamen Zustand,

Fig. 2 das Lager nach Fig. 1 in wirksamen Zustand,

Fig. 3 das Fang- und Zentrierlager in einer zweiten Ausführungsform für vertikal gelagerte Rotoren.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Rotor bzw. Rotorschaft 1 mit einer in einem Gehäuse 10 eingebauten Zentrier- und Fangvorrichtung 11. Die nichtgezeigten, übrigen Lager des Rotors sind berührungslose z. B. Magnetlager und weisen im normalen Betriebszustand einen tragfähigen Luftspalt auf, der größer ist, als der weiter unten erwähnte radiale Ringspalt "S" und axiale Ringspalt "R".

Die Zentrier- und Fangvorrichtung 11 besteht im wesentlichen aus einer mit einem Zentrier-Konus 2 ausgebildeten Lager- und Zentrierbüchse 3, die z. B. in Wälzlagern 13 drehbar gelagert ist. Die hier gezeigten Wälzlager 13 sind außen von zwei äußeren Halteringen 14 und 15 axial gehalten, wobei letztere mit einer Schiebemuffe 4 verschraubt sind. Mittels zweier inneren, mit der Lagerbüchse 3 verschraubten Halteringe 16 und 17 bildet die Lagerbüchse 3 samt Wälzlager 13 und äußerer Halteringe 14 und 15 sowie der Schiebemuffe 4, die axial zur Rotorwelle 1 verschiebbare Zentrier- und Fangvorrichtung 11, die durch eine oder mehrere Paßfedern 9 gegen Verdrehung gesichert ist. Im normalen Betriebszustand des Rotors, das heißt in wirkungslosem Zustand der Zentrier- und Fangvorrichtung 11, befindet sich diese in der in Fig. 1 gezeigten Lage, bei der ein Flansch 18 der Schiebemuffe 4 von einem im Gehäuse 10 eingebauten Magnetring 5 oder mehreren am Umfang angeordneten Einzelmagneten axial angezogen wird. Dadurch wird die gesamte Zentrier- und Fangvorrichtung 11 axial gegen mehrere am Umfang verteilt in einer am Gehäuse 10 angeschraubten Platte 19 gehaltene Druckfedern 6 und gegen die Platte 19 selbst angedrückt.

Zwischen der konischen, ringförmigen Zentrier- und Lagerfläche 2 der Lagerbüchse 3 und einem entsprechend konisch ausgebildeten, am Rotor 1 befestigten Zentrier- und Lagerring bzw. Kragen 7, ist in diesem Zustand des Fanglagers ein radialer Luftspalt "S" und axialer Luftspalt "R" vorhanden.

Fig. 2 zeigt die Zentrier- und Fangvorrichtung 11 in ihrer Wirkstellung, in welcher der oder die Magnete 5 ausgeschaltet sind, demzufolge die Zentrier- und Fangvorrichtung 11 von den Federn 6 gegen den Zentrierring bzw. Kragen 7 des Rotors angedrückt wird, so daß die Spalte "S" und "R" hier zu Null werden. Dagegen ist jetzt zwischen der Platte 19 und der Vorrichtung 11 ein Spalt 20 und zwischen dem Magnet 5 und dem Flansch 18 ein Spalt 21 entstanden. Die konische Zentrier- und Lagerfläche 2 der Lagerbüchse 3 und des Zentrierringes 7 ist mit einer geeigneten Reibpaarung 22 auszurüsten. Der oder die Magnete 5 sind mit den Lagermagneten aller Rotorlager elektrisch verbunden.

Wenn daher durch eine Betriebsstörung z. B. Stromausfall, die Lagermagnete des Rotors 1 stromlos und damit lagerwirkungslos werden, dann werden auch gleichzeitig die Magnete 5 strom- und wirkungslos, so daß die Zentrier- und Fangvorrichtung 11 aus der Stellung in Fig. 1 in die Wirkstellung in Fig. 2 von den Federn 6 verschoben wird. Die bei Stromausfall durch den nicht mehr tragenden Lager-Luftspalt der Magnetlager entstehende Lauf-Unwucht des Rotors wird somit durch den Flächenkontakt zwischen Lagerbüchse 3 und Zentrierring 7 sofort wieder beseitigt, das heißt der Rotor wird zentriert und an den konischen Kontaktflächen 2 gelagert. Damit werden Beschädigungen der Lagerung des Rotors und des Rotors selbst vermieden.

Sobald die Stromzufuhr wieder hergestellt ist werden die Magnete der übrigen Rotor-Lager und damit auch die Magnete 5 der Zentrier- und Fangvorrichtung 11 wieder wirksam, das heißt die Lagerspalte der übrigen Lager wieder tragend und die Vorrichtung 11 wieder nach links in ihre in Fig. 1 gezeigte Ruhestellung gezogen. Dadurch wird der Flächenkontakt der konischen Zentrierfläche 2 unterbrochen und der Spalt "S" und "R" zwischen Rotor- Zentrierring 7 und Lagerbüchse 3 wieder hergestellt.

Anstelle der Auslösung durch die Magnete 5, kann gemäß einer weiteren denkbaren Ausführungsform die Axialbewegung der Lagerbüchse 3 auch von einer pneumatischen oder hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit über eine elektrische Signalumwandlung bewirkt werden.

Die in Fig. 3 gezeigte Zentrier- und Fangvorrichtung bei vertikal angeordnetem Rotor 50 weist auch eine in Wälz- oder Gleitlager 51 drehbar gelagerte Zentrier- und Lagerbüchse 52 auf, die an beiden Stirnseiten (oder auch nur an einer) mit einem Innenkonus versehen ist. Die Lagerbüchse 52 und die Lager- und Zentrierringe 54, 56 sind mit einer geeigneten Reibpaarung 59 auszurüsten. Die Lagerbüchse 52 greift mit ihrem Innenkonus in mit entsprechendem Außenkonus versehene Lager- und Zentrierringe 54 und 56 ein, die am Rotor 50 befestigt sind. Zwischen dem auf dem Rotor 50 befestigten Zentrierring 54 und 56 sowie der Zentrier- und Lagerbüchse 52 befindet sich bei Normalbetrieb ebenfalls ein radialer Luftspalt "U" und ein vertikaler Ringspalt "V". Mittels eines Abstandsringes 58 kann die vertikale Lage der Lager- und Zentrierbüchse 52 und des Rotors 50 so eingestellt werden, daß zwischen der konischen Lager- und Zentrierfläche kleinere Luftspalt "U" und "V" vorhanden sind als der tragfähige Luftspalt der berührungslosen Lager des Rotors im Normalbetrieb. Wenn dagegen z. B. durch einen Stromausfall oder sonstwie die Lagermagnete der übrigen Rotorlager stromlos und damit wirkungslos werden, kommt infolge seines Eigengewichts der Rotor 50 mit seinem Zentrierring 54 mit der Zentrierbüchse 52 in Kontakt, wodurch hier ebenfalls eine Zentrierung und gleichzeitige Lagerung des Rotors in der Büchse 52 stattfindet.

Tritt außerdem mit dem Stromausfall ein Schub nach oben auf, der dem Rotorgewicht entgegenwirkt, so erfolgt die Zentrierung und Lagerung zwischen Zentrierung 56 und Zentrierbüchse 52. Sobald die Störung wieder beseitigt ist, hebt sich der Rotor von den konischen Lager- und Zentrierflächen ab und kommt in seine normale Laufposition wieder zurück.

Claims (7)

1. Zentrier- und Fangvorrichtung für einen in elektrischen Magnetlagern berührungslos geführten Rotorschaft, die parallel zu den Magnetlagern angeordnet ist, und die einen am Rotorschaft befestigten, eine konisch ausgebildete Ringfläche aufweisenden Kragen sowie mindestens ein am Maschinengehäuse abgestütztes Lager aufweist, das bei einem Wegfall der Tragfähigkeit der Magnetlager den Kragen über seine Ringfläche führt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - das Lager (13) ist mit einer drehbaren Lagerbüchse (3) versehen, die stirnseitig eine ringförmig und konisch ausgebildete Zentrier- und Lagerfläche (2) aufweist,
• - am Maschinengehäuse (10) ist eine Schiebemuffe (4) axial verschiebbar gelagert, an der das Lagergehäuse (14, 15, 16, 17) der Lagerbüchse (3) befestigt ist,
• - es sind am Maschinengehäuse abgestützte und auf die Schiebemuffe (4) axial einwirkende Druckfedern (6) vorgesehen,
• - am Maschinengehäuse (10) ist mindestens ein auf die Schiebemuffe (4) axial einwirkender Elektromagnet (5) vorgesehen,
• - der Elektromagnet (5) ist mit den Magnetlagern elektrisch verbunden.

2. Zentrier- und Fangvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Elektromagneten eine hydraulische oder pneumatische Zylinder-Kolben-Einheit mit einer elektrischen Signalumwandlung vorgesehen ist, mit deren Hilfe im Falle von Betriebsstörungen die Lagerbüchse mit ihrer Zentrier- und Lagerfläche gegen die Ringfläche des Kragens andrückbar ist.

3. Zentrier- und Fangvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (13) als Gleitlager oder Wälzlager ausgebildet ist.

4. Zentrier- und Fangvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebemuffe (4) mit einem Flansch (18) versehen ist, auf den der Elektromagnet (5) einwirkt.

5. Zentrier- und Fangvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (5) aus einem Magnetring besteht.

6. Zentrier- und Fangvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebemuffe (4) im Normalbetrieb, bei dem der Elektromagnet (5) wirksam ist, durch den Elektromagnet (5) gegen die Kraft der Druckfedern (6) in eine Ruhestellung ziehbar ist, in der zwischen der Zentrier- und Lagerfläche (2) der Lagerbüchse (3) und der Ringfläche des Kragens (7) ein axialer und radialer Luftspalt (R bzw. S) vorhanden ist.

7. Zentrier- und Fangvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebemuffe (4) im Falle von Betriebsstörungen, bei denen die Magnetlager und der Elektromagnet (5) wirkungslos sind, durch die Druckfedern (6) in eine Wirkstellung drückbar ist, in der die Zentrier- und Lagerfläche (2) der Lagerbüchse (3) in reibschlüssigem Zentrier- und Lagerkontakt mit der Ringfläche des Kragens (7) steht.