DE69302235T2

DE69302235T2 - Magnetisches Stützlager

Info

Publication number: DE69302235T2
Application number: DE69302235T
Authority: DE
Inventors: Nigel Henry New
Original assignee: Glacier Metal Co Ltd
Current assignee: Delaware Capital Formation Inc
Priority date: 1992-07-23
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: DE69302235D1; GB2268983A; EP0580202B1; US5345127A; GB2268983B; GB9215620D0; EP0580202A1; JP3686093B2; JPH06159362A

Description

Diese Erfindung betrifft Magnetlageranordnungen zum Tragen einer drehbaren Welle gegenüber radial einwirkenden Kräften, wie beispielsweise bei Zapfenlagern sowie gegenüber axial einwirkenden Kräften, wie beispielsweise bei Drucklagern, und insbesondere sogenannte Stützlager für derartige Anordnungen, die dazu bestimmt sind, in dem Fall zu arbeiten, daß die Magnetlager nicht in der Lage sind, ein geeignetes Tragen der Welle gegenüber diesen Kräften bereitzustellen.
Magnetlager können, lediglich Permanentmagneten umfassend, passiv oder, elektromagnetische Lager umfassend, aktiv mit oder ohne Permanentmagneten sein.
Bei der vorliegenden Beschreibung ist der Begriff "Magnetlager", wenn er im nichtqualifizierten Sinn verwendet wird, dazu bestimmt, beide Arten einzuschließen, und im Zusammenhang wird, ausschließlich die eine oder andere Art betreffend als geeigneter Bezug auf diesen Typ von Lageranordnung, d.h. mit der Qualifizierung aktiv bzw. passiv verwendet.
Aktive Magnetlager zum Tragen von Wellen (oder anderen sich bewegenden Körpern) liegen in unterschiedlichen Formen vor, um in Zapfenlagern und Druck- bzw. Schublagern zu wirken. Üblicherweise ist ein Anker aus geeignetem ferromagnetischen Material auf, in oder durch die Welle gebildet, um einen beweglichen Anker zu umfassen, und Elektromagnete sind benachbart zum beweglichen Anker sowie gleichmäßig um die Welle angeordnet, um eine stationäre Ankereinrichtung zu bilden. Jeder Elektromagnet umfaßt einen ferromagnetischen Kern mit einem oder mehreren Schenkeln, um den bzw. die eine oder mehrere elektromagnetische Spulen gewickelt sind, die in Polflächen enden, welche dem beweglichen Anker gegenüberliegen, wobei der Kern und der Anker einen Magnetkreis festlegen, der zwischen ihnen einen kleinen Luftspalt einschließt. Im Betrieb ist die Welle mit dem Anker zwischen den Polflächen aufgehängt, und ein Aufhängungsspalt zwischen dem Wellenanker und den einzelnen Polflächen wird größer als eine vorbestimmte Minimalbreite beibehalten, bei welcher ein körperlicher Kontakt auftreten kann, indem die Ströme in den verschiedenen elektromagnetischen Spulen ansprechend auf eine Erfassung der aktuellen Spaltbreite gesteuert werden.
Aufgrund der Möglichkeit einer elektrischen Störung oder einer übermäßigen Kraft, die auf die Welle einwirkt, so daß die elektromagnetische Kraft nicht in der Lage ist, gegenzusteuern, werden derartige Magnetlager in der Praxis häufig mit einer Stützlagereinrichtung versehen, welche einen durch die Welle getragenen Teil und einen weiteren Teil umfaßt, der, wenn sich das Magnetlager in Betrieb befindet, stationär ist und durch einen Spalt von diesem einen Teil getrennt ist, der kleiner ist als die körperliche Trennung zwischen den Polflächen und dem Anker des Magnetlagers, und der daraufhin die vorbestimmte minimale Spaltbreite festlegt, wobei die Absicht besteht, daß dann, wenn die Welle aus ihrer normalen mittigen bzw. zentralen Position innerhalb des Spalts um ein vorbestimmtes Ausmaß verschoben wird, die Stützlagerteile als Laufoberfläche Kontakt aufnehmen, um die Welle vorübergehend zu tragen.
Passive Magnetlager neigen dazu, durch Abstoßung zwischen den Permanentmagneten zu arbeiten, die als Schublager hauptsächlich, jedoch nicht ausschließlich verwendet werden. Obwohl passive Magnetlager für einen internen Leistungsausfall in Bezug auf ihre Fähigkeit Aufhängungskräfte bereitzustellen, nicht anfällig sind, sind sie für externe Kräfte empfänglich, die darauf einwirken, und können ebenfalls eine Stützlagereinrichtung erfordern, um eine Kollision zwischen Rotor- und Statorteilen zu verhindern.
Das Vorsehen einer derartigen Stützlagereinrichtung ist selbst nicht ohne Probleme. Maschinenwellen, für welche Magnetlager geeignet sind, neigen dazu, sich mit sehr hohen Drehzahlen zu drehen, für welche andere Lagertypen ungeeignet sind, und kontaktierende Laufoberflächen eines Stützlagers können im Betrieb oder zu Anfang des Betriebs Schwierigkeiten haben, wenn dieser Kontakt bei hoher Drehzahl erfolgt und/oder es kann erforderlich sein, große durch Reibung erzeugte Wärmemengen abzuführen. Es sind Vorschläge für Stützlager gemacht worden, die eine höhere Reibung haben, jedoch besser dazu in der Lage sind, bei hohen Drehzahlen zu arbeiten, kombiniert mit Teilen niedriger Reibung, die dazu in der Lage sind, unter niedrigen Drehzahlen betrieben zu werden; ungeachtet jeglicher relativer Nutzeffekte derartiger komplementärer Stützlagerstrukturen erzeugen sie Wärme, für deren Ableitung aufwendige Vorsichtsmaßnahmen erforderlich sind.
Eine Form eines Stützlagers gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in der DE-U-9112813 beschrieben. Eine Drehwelle eines Magnetlagers ist normalerweise von einer oder mehreren Oberflächen aus einem Gleitlagermaterial, durch Magnetkräfte aufgehängt, beabstandet, und im Fall, daß die Magnetkraft nicht in der Lage ist, die Welle zu tragen, wird dem Aufhängungsspalt Flüssigkeit unter Druck zugeführt, um einen Film zu bilden, der die Vorrichtung schmiert und kühlt und die Welle trägt, während sie sich fortgesetzt dreht. Die beschriebenen Ausführungsformen zeigen einen einzigen Eintrittspunkt für die Flüssigkeit, die lediglich dann zugeführt wird, nachdem die sich bewegende Welle einen Verschluß durch Reibungskontakt weggeschmolzen hat. Alternativ kann die Flüssigkeitszufuhr durch ein elektrisch gesteuertes Magnetventil erfolgen. Ferner kann die Gleitoberfläche durch den Druck der zugeführten Flüssigkeit gegen die Wellenoberfläche verschoben werden, um die Dicke eines eventuellen Tragfilms zu minimieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Magnetlageranordnung zu schaffen, die eine Stützlagereinrichtung umfaßt, welche zumindest einige der vorstehend ausgeführten Nachteile bekannter Stützlager überwindet. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Turbomaschine, umfassend eine derartige Anordnung zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Magnetlageranordnung für eine drehbare Welle ein Magnetlager und eine Stützlagereinrichtung mit benachbart angeordneten drehbaren und stationären Laufoberflächen, die voneinander beabstandet sind, um einen Tragspalt festzulegen, wenn die Welle sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen in dem Magnetlager befindet, eine Quelle unter Druck stehenden Fluids und eine Stützsteuereinrichtung, die auf ein ermitteltes Unvermögen des Magnetlagers anspricht, die Welle innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen zu tragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützlagereinrichtung ein hydrostatisches Lager umfaßt, in welchem die stationäre Laufoberfläche eine Mehrzahl von Öffnungen umfaßt, die um die Achse der Welle gleichmäßig angeordnet und dazu ausgelegt sind, Fluid von der Quelle un ter einem derartigen Druck zuzuführen, daß zwischen den Laufoberflächen ein hydrostatischer Fluiddruck geschaffen wird, um sie voneinander beabstandet, unabhängig von der relativen Drehbewegung dazwischen zu tragen.
Gemäß einem weiteren in Anspruch 11 festgelegten Aspekt der Erfindung umfaßt eine Turbomaschine, die zur Verarbeitung eines Fluids bei erhöhtem Druck betreibbar ist, eine Magnetlageranordnung wie im vorstehenden Absatz definiert. In einer derartigen Turbomaschine kann das Stützlagereinrichtungsfluid zumindest teilweise aus dem Prozeßfluid abgeleitet werden.
Bei der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe hydrostatisches Lager und hydrostatischer Druck ungeachtet der Natur des Fluids verwendet, d.h. ungeachtet, ob es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handelt, und sie sollten entsprechend gelesen werden.
Eine einem derartigen Magnetlager oder Lagertyp, d.h. einem Radialzapfenlager oder Axialdrucklager zugeordnete Stützlagereinrichtung kann benachbart zum Magnetlager dadurch gestützt oder getrennt davon an einer derartigen Stelle oder derartigen Stellen in Bezug auf die Welle gebildet sein, daß die notwendige Abstützung erfolgt.
Insbesondere kann die stationäre Laufoberfläche der Stützlagereinrichtung eine Oberfläche eines festen Körpers umfassen, durch welchen sich zumindest ein Fluidkanal erstreckt, der auf die besagte Laufoberfläche mündet, und der feste Körper kann die stationären Laufoberflächen von sowohl einem Radialzapfenlager wie eine stationäre Laufoberfläche eines axialen Drucklagers tragen, wobei zwischen der stationären Laufoberfläche eine Einrichtung vorgesehen sein kann, um ein Fluidauslecken aus einem Lager zu verhindern, das den Betrieb des anderen stört.
Bevorzugt ist die hydrostatische Lagereinrichtung dazu ausgelegt, die Welle für sämtliche Drehzahlen zu tragen, d.h. für Drehzahlen von normalen Drehzahlen bis hinunter auf Null, sollte ein Magnetlagerausfall bzw. eine Magnetlagerstörung es erforderlich machen, daß die Welle zur Ruhe gebracht wird. In einem derartigen Fall kann die hydrostatische Lagereinrichtung die drehbaren und stationären Laufoberflächen haben, die dazu ausgelegt sind, im Kontakt miteinander bei niedrigen Wellendrehzahlen zu laufen, und die Stützsteuereinrichtung ist bei derartig niedrigen Drehzahlen dazu ausgelegt, dem hydrostatischen Lager kein Fluid unter einem derartigen Druck zuzuführen, daß das Tragen der Welle bewirkt wird, obwohl sie dazu ausgelegt sein kann, Fluid unter niedrigem Druck zu den kontaktierenden Laufoberflächen zuzuführen, um Wärme davon zu entziehen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr beispielhaft in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Wiedergabe einer Turbomaschine, enthaltend eine aktive magnetische Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Darstellung von sowohl magnetischen Radial- oder Zapfenlagern und magnetischen Axial- oder Drucklagern und längsseits von jedem Stützlagereinrichtungen dafür,
Fig. 2 eine fragmentarische Querschnittsansicht entlang der Linie I-I von Fig. 1 unter Darstellung der ersten Ausführungsform der hydrostatischen Stützlagereinrichtung, welche dem Zapfenlager zugeordnet ist, und
Fig. 3 eine Querschnittsansicht ähnlich wie Fig. 2, jedoch unter Darstellung einer zweiten Ausführungsform der hydrostatischen Stützlagereinrichtung, die dem Zapfenlager zugeordnet ist,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht ähnlich wie Fig. 3, jedoch unter Darstellung einer dritten Ausführungsform der hydrostatischen Stützlagereinrichtung, die dem Zapfenlager zugeordnet ist,
Fig. 5 eine Querschnittsansicht ähnlich wie Fig. 2, jedoch unter Darstellung einer vierten Ausführungsform der hydrostatischen Stützlagereinrichtung, die dem Zapfenlager zugeordnet ist, und
Fig. 6 eine geschnittene Aufrißansicht eines Teils einer Maschine ähnlich derjenigen von Fig. 1, jedoch unter Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Stützlagereinrichtung, die sowohl dem Zapfenlager wie dem axialen Drucklager zugeordnet ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt eine Turbomaschine bzw. eine Strömungsmaschine 10 eine Welle 11, an einem Ende, von welcher ein Laufrad bzw. ein Flügelrad 12 in einem Gehäuse 13 angeordnet ist, das einen Einlaßkanal 14 für ein dadurch zu verarbeitendes Fluid und einen Auslaßkanal 15 hat, aus welchem Prozeßfluid unter hohem Druck zugeführt wird. Die Welle ist in Bezug auf aktive magnetische Lager aufgehängt und kann durch einen Elektromotor in Drehung versetzt werden, der bei 16 schemenhaft gezeigt ist und einen koaxial zur Welle 11 verlaufenden Rotor hat, oder durch ein Fluidflügelrad 17, das im Empfang von unter erhöhtem Druck stehenden Fluid steht. Das Antriebsfluid und/oder das angetriebene (komprimierte) Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein; in der Praxis ist es jedoch üblicher, magnetische Lager verwendet zu finden, bei denen die Drehzahl der Welle hoch und das Prozeßfluid ein Gas ist.
Die Art der Maschine ist nicht direkt wichtig für die Erläuterung der Erfindung und ist lediglich soweit erforderlich in Bezug auf die magnetischen Lager 20, 21 erläutert, welche die Welle als Zapfenlager und magnetische Drucklager 22 und 23 tragen.
Das Zapfenlager 20 umfaßt einen beweglichen Läufer bzw. Anker 25, der auf, an oder in der Oberfläche der Welle 11 festgelegt und in herkömmlicher Weise aus Schichten ferromagnetischen Materials gebildet ist, die einen Teil eines Magnetkreises bilden können, der die Bildung von Wirbelströmen minimiert, wenn sich die Welle dreht. Benachbart zur Welle angeordnet, befindet sich eine stationäre Ankereinrichtung 26, die eine Mehrzahl von Elektromagneten umfaßt, die um die Welle angeordnet sind, typischerweise 4 unter 90º-Zwischenräumen. Jeder Elektromagnet umfaßt einen ferromagnetischen Kern 27, der ebenfalls aus Schichten aufgebaut ist, mit einer Mehrzahl von Schenkeln, wie beispielsweise 28, die radial einwärts verlaufen und jeweils in einer Polfläche 28&sub1; münden und dem beweglichen Anker 25 gegenüberliegen und geringfügig von diesem beabstandet sind, wenn er durch einen Aufhängungsspalt 30 innerhalb des Lagers zentral aufgehängt angeordnet ist. Der Kern und typischerweise jeder Schenkel trägt eine elektromagnetische Spule 28&sub2;. Weitere Elektromagnete in unterschiedlichen Ebenen (nicht gezeigt) sind ähnlich. Das andere Zapfenlager 21 ist identisch. Jedem Zapfenlager, und bevorzugt jedem Elektromagneten von diesem ist eine Verschiebungserfassungseinrichtung zugeordnet, um Signale bereitzustellen, die für die Trennung des beweglichen Ankers und jeder Polfläche repräsentativ sind.
Das magnetische Drucklager 22 dient dazu, die Welle in der axialen Richtung entgegen einem axialen Druck bzw. Schub "aufzuhängen", der auf die Welle aerodynamisch ausgeübt wird, wie beispielsweise durch das Prozeß- oder Antriebsgas. Es umfaßt einen beweglichen Kern in der Form eines radial ausladenden Rotors 31, der durch die Welle 11 getragen ist und einer Seite des Rotors gegenüberliegt, eine stationäre Ankereinrichtung mit einem Elektromagneten 32 in der Form eines ringförmigen ferromagnetischen Kerns, der die Welle umschließt und eine ringförmige Nut 33 enthält, die dem Rotor gegenüberliegt, der auf dem Kern ringförmige Polflächen 34, 35 festlegt und eine elektromagnetische Spule 36 enthält, wobei der Rotor normalerweise in einer axialen Richtung durch ein Ausgleichen der axialen Kräfte auf der Welle mit einem Spalt 37 zwischen dem Rotor und jeder Polfläche aufgehängt ist.
Ein zweites magnetisches Drucklager 23 ist durch den Rotor 31 und eine stationäre Ankereinrichtung gebildet, die einen Elektromagneten 38 umfaßt, der eine elektromagnetische Spule 39 enthält, die der gegenüberliegenden Seite des Rotors von dem Elektromagneten 32 gegenüberliegend angeordnet ist und vorn Rotor durch einen Aufhängungsspalt 40 beabstandet ist. Wenn die Welle jedoch einer kontinuierlichen externen Axialkraft ausgesetzt ist, wie beispielsweise einem aerodynamischen Druck bzw. Schub, der auf ein Flügelrad einwirkt, kann ein Elektromagnet lediglich auf einer Seite des Rotors 31 erforderlich sein, um dem entgegenzuwirken, während bei Abwesenheit einer derartigen kontinuierlichen Kraft Elektromagnete auf beiden Seiten angeordnet sein können, um entgegengesetzte Kräfte zu bewirken.
Im Betrieb werden die Elektromagnete jedes Zapfen- oder Drucklagers differenziell mit Energie versorgt, um idealerweise einen gleichmäßigen Aufhängungsspalt zwischen jeder Polfläche und dem Anker ansprechend auf die erfaßten Verschiebungen zwischen dem beweglichen Anker und jeder Polfläche mittels einer Magnetsteuereinrichtung 41 beizubehalten, die mit radialen Wellenverschiebungssignalen durch die Erfassungseinrichtung 42 und axialen Wellenverschiebungssignalen durch die Erfassungseinrichtung 43 beliefert wird. Die Geschwindigkeit und Härte der vergrößerten Magnetkraft zwischen den beweglichen Ankern 25 oder 31 und jeder Polfläche ansprechend auf das Erfassen einer Vergrößerung der Spaltbreite zwischen ihnen und/oder einer Verkleinerung der Spaltbreite in der entgegengesetzten Richtung müssen deutlich eine Gegenkraft auf der Welle bewirken, bevor der Anker und der Pol kollidieren können, und zu diesem Zweck sprechen derartige Lager üblicherweise stark auf kleine Wellenverschiebungen an, d.h. sie haben eine große Steifheit.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Stützlagereinrichtung vorgesehen, welche die Form eines oder mehrerer hydrostatischer Lager einnimmt. In einer ersten in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, sind getrennte hydrostatische Stützzapfenlager 50 und 51 individuell magnetischen Zapfenlagern 20 und 21 zugeordnet, die entlang der Welle 11 ebenfalls getrennt sind; hydrostatische Stützdrucklager 52 und 53 sind individuell magnetischen Drucklagern 22 und 23 zugeordnet, die ebenfalls entlang der Welle verschoben sind. Was das Stützzapfenlager 50, das dem Magnetzapfenlager 20 zugeordnet ist, betrifft, ist dieses geeigneterweise im Bereich des Magnetlagers angeordnet und umfaßt benachbart angeordnet drehbare und stationäre Laufoberflächen 55 und 56, die jeweils durch oder auf der Oberfläche der Welle und der Oberfläche eines die Welle umschließenden festen Körpers 57 gebildet sind. Die Laufoberflächen sind voneinander beabstandet angeordnet, um einen Tragspalt 58 analog zum Aufhängungsspalt 30 festzulegen, wenn die Welle 11 sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Betriebswellenpositionen innerhalb des Magnetlagers befindet. Das heißt, einer Verschiebung der Welle aus ihrer idealen Position innerhalb des Aufhängungsspalts des Magnetlagers wird durch die magnetische Steuereinrichtung 41 entgegengewirkt, welche die Wellenposition aus einem vorbestimmten Bereich von Wellenpositionen wieder herstellt, jenseits von welchem Bereich die Steuerung als verloren erachtet wird ,und das Stützlager arbeitet, um das Tragen der Welle zu bewirken.
Der die stationären Laufflächen tragende feste Körper 57 ist in Bezug auf die Laufoberfläche derart bemessen, daß der Tragspalt, der zwischen den drehbaren und den Laufoberflächen festgelegt ist, zumindest dann, wenn die Wellenposition sich an ihrer Grenze ihres vorbestimmten Positionsbetriebsbereichs befindet, durch die Zufuhr von Fluid unter Druck als hydrostatisches Lager arbeiten kann. In der Praxis kann der Betriebsbereich der Wellenpositionen derart beschränkt sein, daß der Spalt in der normalen Betriebsposition der Welle dazu in der Lage ist, als hydrostatisches Lager zu arbeiten, um die Welle zu tragen.
Wie auch in Fig. 2 gezeigt, hat der Körper 57 Fluidkanäle 59, die sich durch ihn hindurch erstrecken, auf die Laufoberfläche 56 münden und mittels Fluidleitungen 60 und einer Fluidventileinrichtung 61 verbunden bzw. angeschlossen sind, um unter Druck stehendes Fluid von einer Quelle 62 unter der Steuerung der Stützsteuereinrichtung 63 zu empfangen.
Die Stützsteuereinrichtung ist an die Magnetsteuereinrichtung 41 mittels Signalleitungen 64 angeschlossen, um Signale zu empfangen, welche das Unvermögen des Magnetlagers anzeigen, um die Welle innerhalb des vorbestimmten Betriebsbereichs der Wellenpositionen zu tragen.
Obwohl diese Signale zur Verwendung durch die Stützsteuereinrichtung direkt vom Sensor 42 oder von einem vollständig anderen Aufbau (nicht gezeigt) abgeleitet werden können, der gegebenenfalls dem Tragspalt 58 zugeordnet ist, um die Stützlagereinrichtung vollständig unabhängig vorn Magnetlager und gleichermaßen ansprechend auf einen Steuerungsverlust zu machen, nachdem er sich durch die Wellenposition manifestiert hat, wird darauf hingewiesen, daß dann, wenn der Steuerungsverlust auf einer elektrischen Störung des Magnetlagers beruht, diese Änderung der Wellenposition an der Magnetsteuereinrichtung vorweggenommen werden kann, bevor sie unvermeidlich auftritt. Das bedeutet, durch Ableiten der Stützsteuersignale von der Magnetsteuereinrichtung ist es möglich, ein Unvermögen des Magnetlagers, die Welle innerhalb des vorbestimmten Wellenpositionsbetriebsbereichs zu tragen, in anderer Weise zu ermitteln, als aus eine aus der Verschiebung resultierende direkte Messung.
Beim Betrieb der Magnetlageranordnung ansprechend auf ein ermitteltes Unvermögen des Magnetlagers 20 oder gegebenenfalls überhaupt jeden Lagers, die Welle im vorbestimmten Wellenpositionsbetriebsbereich zu tragen, öffnet die Stützsteuereinrichtung die Ventileinrichtung 61, um Fluid mittels der Kanäle 59 zum Tragspalt 58 zuzuführen, um darin einen Fluidfilm mit einem derartigen hydrostatischen Druck zu bilden, um daraufhin die Wellenlaufoberfläche 55 abgehoben bzw. getrennt von der stationären Lauffläche 56 zu tragen, d.h. die Welle innerhalb des vorbestimmten Wellenpositionsbetriebsbereichs zu tragen.
Wie vorstehend bemerkt, ist es für den vorbestimmten Wellenpositionsbetriebsbereich üblich, daß er klein ist, und für den Spalt zwischen den Laufflächen der Stützlager, daß er klein ist, so daß ein vollständiger ringförmiger Fluidfilm gebildet und die Belastung der Welle durch den hydrostatischen Druck aufgenommen werden kann, der im ganzen Film jederzeit sowie ungeachtet der Richtung der Wellenverschiebungen aufrechterhalten wird.
Ferner ist der Tragdruck selbstregelnd, insofern als jegliche lokalisierten Veränderungen der Wellenbelastung auf dem Fluidfilm aufgrund externer Kräfte lediglich dazu dienen, jegliche Fluidleckage an diesem Punkt einzuschränken und dadurch den Druck des Tragfilms zu erhöhen.
Es wird darauf hingewiesen, daß selbst dann, wenn dieser hydrostatische Fluidfilm um die Welle nicht kontinuierlich bzw. durchgehend vorhanden ist, sondern an Lagerbelastungsstellen vorhanden ist, die um die Welle verteilt sind, dieselbe selbstregelnde Wirkung auftritt, wenn das Fluid sämtlichen Laufoberflächen gleichzeitig zugeführt wird.
Fig. 3 zeigt bei 70 eine Querschnittsansicht ähnlich wie Fig. 2 einer modifizierten Form des hydrostatischen-Stützzapfenlagers 50 dieser Figur. Das Lager 70 umfaßt dieselbe Laufoberfläche 55 der Welle 11 und eine Mehrzahl stationärer Laufoberflächen 71-74, die jeweils auf einem einer Mehrzahl von Blöcken 75-78 gebildet sind, die jeweils um die Welle regelmäßig angeordnet sind. Jeder der Blöcke hat einen Kanal 79 entsprechend 59, der sich durch ihn erstreckt und auf seine Lauffläche mündet, wobei jeder Kanal mit der Ventileinrichtung 61 zur Fluidzufuhr zu ihm verbunden ist, um ein hydrostatisches Stützlager mit vier Bereichen oder Kissen des Tragspalts zu entwickeln.
Fig. 4 zeigt bei 90 eine Querschnittsansicht ähnlich derjenigen der Fig. 2 und 3 einer dritten Form des hydrostatischen Zapfenlagers, bei dem es sich um eine Modifikation des Lagers 70 handelt&sub5; Bei dieser Anordnung umfaßt das Lager wiederum eine Mehrzahl von Blöcken, die um die Laufoberfläche 55 der Welle 11 gleichmäßig angeordnet sind, wobei die Blöcke 91-94 wahlfreie Durchgangskanäle, wie beispielsweise 91' zur Fluidzufuhr zum Tragspalt enthalten sowie Brückenelemente 95- 98, von denen jedes mit einer stationären Laufoberfläche versehen ist, zwischen den Blöcken sowie sich wahlfrei zwischen den benachbarten Blöcken erstreckend, um mit den Blöcken eine stationäre Laufoberfläche zu bewirken, welche die Welle vollständig umschließt&sub4; Einige oder sämtliche der Brückenelemente 95-98 sind mit einem Durchgangskanal, beispielsweise 99-102 versehen, der ebenfalls mit der Ventileinrichtung 41 verbunden ist, und mittels welchem Fluid zum Tragspalt gefördert wird, um einen hydrostatischen Fluidfilm zu bilden, der in der Lage ist, die Welle zu tragen bzw. zu stützen.
Bei einer Modifikation des vorstehend angeführten, können, wie durch durchbrochene Linien 103 gezeigt, die einzelnen Blöcke 91-94 radial außerhalb der Brückenelemente 99-102 vereinigt sein, um zwischen jedem Paar von Blöcken eine Plenumkammer 104 festzulegen, der Fluid durch einzelne Fluidleitungen von der Ventileinrichtung 61 sowie dann mittels Öffnungen in oder zwischen den Brückenelementen zum Tragspalt zugeführt werden kann, wodurch ein gleichmäßigere Verteilung der Zufuhr erreicht wird. Kanäle (nicht gezeigt), welche durch oder in den Laufoberflächen der Blöcke vorgesehen sind, können ebenfalls mit diesen Plenumkammern in Verbindung stehen.
Es wird darauf hingewiesen, daß bei jeder der vorstehend erläuterten Ausführungsformen, obwohl derartige getrennte Kanäle mit Fluid gemeinsam versehen sein können, die Ventileinrichtung allgemein auch dazu ausgelegt sein kann, die Fluidzufuhr zu mehreren Kanälen, die um die Welle gleichmäßig angeordnet sind, einzeln gemäß der Bestimmung durch die Erfassungseinrichtung 42 oder ihrem Äquivalent der Änderungsrichtung der Wellenpositionen innerhalb des Aufhängungsspalts derart zu steuern, daß der hydrostatische Druck, der in Bezug auf das mittels der Kanäle zugeführten Fluids aufrecht erhalten wird, erhöht wird, wenn er dahingehend wirkt, eine Belastung der Welle in einer speziellen Richtung zu beseitigen.
Ungeachtet der genauen konstruktiven Einzelheiten des hydrostatischen Stützlagers bedeutet seine hydrostatische Natur, daß die Welle durch den Fluiddruck ungeachtet der Wellendrehzahl getragen wird, und dadurch in der Lage ist, bei sämtlichen Drehzahlen bis hinunter zu Null zu arbeiten, d.h. dazu in der Lage ist, die Welle zu tragen, wenn die Maschine in den Ruhezustand ausläuft.
Es kann jedoch bevorzugt sein, die hydrostatische Funktion des Stützlagers mit kontaktherstellenden Laufoberflächen zu ergänzen, die dazu veranlaßt werden, bei sich dem Ruhezustand annähernden sehr geringen Drehzahlen sowie im Ruhezustand durch eine gesteuerte Verminderung des hydrostatischen Drucks wirksam zu werden. Wie in der Querschnittaufrißansicht von Fig. 5 gezeigt, die weitgehend Fig. 2 entspricht, werden zu diesem Zweck eine oder beide der Laufoberflächen 55' und 56' aus einem gehärteten und/oder einem Material geringer Reibung derart gebildet, daß sie bei sehr geringen Drehzahlen in Kontakt bleibend, laufen können. Tatsächlich kann diese Reibung, die mit diesem Kontakt unvermeidlich auftritt, dazu verwendet werden, eine Bremswirkung zu bewirken. Während dieser Kontakt zwischen den Laufoberflächen durch eine gesteuerte Verminderung des hydrostatischen Drucks bewirkt wird, kann Fluid unter einem zur Bewirkung einer Lagerwirkung unzureichenden Druck weiter zugeführt werden, jedoch zur Bewirkung eines Fluidstroms durch Auslecken desselben, um Wärme von den Laufoberflächen zu entziehen. In dieser Hinsicht ergibt die Fähigkeit zur Erzeugung eines derartigen Wärmeentzugs und gegebenenfalls eines Schmierungsgrads abhängig vom Fluid einen breiteren Bereich geeigneter Laufoberflächenmaterialien.
Die stationäre Laufoberfläche 56' kann als Beschichtung auf der Oberfläche des Blocks (oder auf entsprechenden Brückenelemente in den Ausführungsformen der Fig. 3 und 4) gebildet sein, oder durch Bilden des Blocks aus einem derartigen Material, wobei die Materialwahl vorn verwendeten Fluid abhängt.
In dem für die allgemeine Ausführung der Erfindung erforderlichen Ausmaß ist die Natur des Fluids eine Sache der Wahl, und es kann sich entweder um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln.
Vorzugsweise ist das Fluid ein Gas, und Gase sind zur Verwendung in der Hydrostatik, genauer bei aerostatischen Lagern gut untersucht und bekannt. Bevorzugt ist das Gas im Überfluß vorhanden, wie beispielsweise Luft, obwohl es auch erforderlich sein kann, daß es inert ist. Es ist auch möglich, die Antriebskraft oder das Prozeßgas einer Turbomaschine zu verwenden, soweit ein derartiges Gas geeignet ist, wie durch die durchbrochenen Linien 62' anstelle der Quelle 62 gezeigt, die sich vorn Gehäuse 13 zur Stützventileinrichtung 61 erstreckt.
Es kann jedoch erwartet werden, daß Gas, während es einen Wärmeentzug von den in Kontakt stehenden Laufoberflächen bietet, eine geringere Schmierung bietet als eine Flüssigkeit, wobei die Oberflächen trockenlaufen können.
Die vorstehend erläuterten Ausführungsformen haben sich auf die Dartellung der Erfindung in Bezug auf das einzige hydrostatische Stützlager 50 konzentriert. Es versteht sich, daß das identisch aufgebaute hydrostatische Stützlager 51, das ebenfalls mit der Stützventileinrichtung 61 verbunden ist, um ansprechend auf das ermittelte Unvermögen des Magnetlagers 21, oder gegebenenfalls jedes Magnetlagers, die Welle zu tragen, Fluid individuell zu empfangen.
Die Magnetdrucklager 22 und 23 haben analoge hydrostatische Stützlager, wie bei 52 und 53 gezeigt.
Beispielsweise im Lager 52 erstreckt sich ein an der Welle 11 befestigter Rotor 110 radial davon und eine radiale Seite bzw. Fläche bildet eine drehbare Laufoberfläche 111, die davon axial beabstandet ist, wobei eine geeignete radial verlaufende ringförmige stationäre Laufoberfläche 112 vorgesehen ist, und wobei die Trennung zwischen ihnen, wenn die Welle axial an einer idealen Position getragen ist, einen Tragspalt 113 umfaßt, der eine Grenze des vorbestimmten Betriebsbereich für axiale Positionen festlegt, die für die Welle zulässig sind, bevor die Stützlagereinrichtung axial arbeitet.
Die stationäre Laufoberfläche 112 kann die Welle analog zu der Zapfenlagerlaufoberfläche 56 von Fig. 2 vollständig umschließen, oder sie kann diskontinuierlich vorgesehen sein, d.h. analog zu den Zapfenlagereinrichtungsoberflächen 71-74 von Fig. 3 individuelle Lagerkissen umfassen.
Im Fall einer kontinuierlichen Laufoberfläche ist diese auf einem ringförmigen Block 114 gebildet, durch den sich eine Mehrzahl von Fluidkanälen 115 erstrecken, welche in die Lauffläche 112 münden, wobei die Kanäle durch Fluidleitungen 116 mit der Stützventileinrichtung 117 ähnlich der Ventileinrichtung 61 verbunden sind, mit Fluid durch die Quelle 62 (oder Prozeßgas von 13) versorgt und durch die Stützsteuereinrichtung 63 gesteuert sind.
Wie vorstehend in Bezug auf das Zapfenlager 50 und anhand der Fig. 2 bis 5 erläutert, können die Fluidkanäle 115 Brückenelemente durchsetzen, gegebenenfalls unter Festlegung von Plenumkammern zwischen segmentierten Lagerblöcken ebenso wie durch die Blöcke oder anstelle von diesen, und die Laufoberflächen 111 und 112 können darüber hinaus dazu ausgelegt sein, in Kontakt bei niedriger Drehzahl entweder mit oder ohne Kühlwirkung des Fluidstroms und/oder irgendwelcher Schmiereigenschaften zu laufen, dies es hat. Insbesondere können der Körper oder die Körper, die zumindest die stationären Laufoberflächen tragen, aus einem geeigneten Trockenlauf-Kunststoff-Lagermaterial gebildet sein.
Das hydrostatische Stützdrucklager 53 ist gleich gebildet, wobei die drehbare Laufoberfläche auf der anderen radialen Seite des Rotors 110 in geeigneter Weise gebildet und durch Fluidleitungen 116 mit der Stützventileinrichtung 117 verbunden ist.
Wie vorstehend in Bezug auf das hydrostatische Stützzapfenlager 50 ausgeführt, wird der Betrieb der Stützlager 52 und 53 als hydrostatische Drucklager durch die Stützsteuereinrichtung 63 ansprechend auf die magnetische Steuereinrichtung 41 gesteuert, die die momentanen Breiten der Aufhängungsspalte 37 und 40 durch die Erfassungseinrichtung 43 unter anderem erfaßt. Vollständig unabhängige Erfassungseinrichtungen (nicht gezeigt) können den Tragspalten 113 der Stützdrucklager zugeordnet sein und die Stützsteuereinrichtung 63 direkt versorgen und darüber hinaus kann eine getrennte Stützsteuereinrichtung (nicht gezeigt) entsprechend 63 für die Druckstützlager 52, 53 getrennt von den Zapfenstützlagern 50, 51 bestimmt sein.
Während es in Bezug auf ein hydrostatisches Stützlager keine Frage sein kann, in welcher Richtung eine Verschiebung der Welle auftritt, um sie zu der Grenze ihres vorbestimmten Betriebsbereichs zu bringen, versteht es sich, daß dies im Fall eines Drucklagers signifikanter sein kann.
Bei einer Anordnung, wie beispielsweise der in Fig. 1 gezeigten, bei der die Welle axial durch die entgegengesetzten Anziehungen der Elektromagnete des Drucklagers 22 und 23 aufgehängt ist, kann eine Störung eines Elektromagneten bzw. beim Ausfall an sich oder die Verschiebung der Welle über den Steuerbereich hinaus beide Elektromagneten dazu veranlassen, von der Energieversorgung getrennt zu werden, und die Stützsteuereinrichtung 63 (oder ein Äquivalent) dazu, beide hydrostatischen Stützlager 52 und 53 mit Energie zu versorgen. Wenn es jedoch erwünscht ist, auf eine externe Kraft anzusprechen, welche die Welle axial verschiebt, oder auf eine Störung eines elektrornagnetischen Lagers, kann die Stützsteuereinrichtung durch Verengen eines Tragspalts ansprechen, indem ein hydrostatisches Lager gebildet wird, das lediglich in dieser Richtung wirkt, um der Verschiebung entgegenzuwirken.
Wie vorstehend angeführt, kann die zur Fig. 1 ähnliche Maschinenanordnung lediglich ein magnetisches Drucklager aufweisen, das eine axial gerichtete magnetische Anziehungskraft an die Welle entgegengesetzt zu einem extern angelegten Druck bzw. Schub anlegt. Dadurch entsteht eindeutig nicht nur die Möglichkeit einer Erhöhung des axialen Drucks in einer den Rotor zum Drucklagerelektromagneten verschiebenden Richtung, sondern auch eine Abnahme der Kraft oder der elektromagnetischen Störung, die dazu führt, daß die Welle entgegengesetzt verschoben wird. Demnach umfaßt die hydrostatische Stützlagereinrichtung in Bezug auf ein einziges elektromagnetisches Drucklager bevorzugt außerdem ein Paar derartige Lager, wie durch 52 und 53 dargestellt, obwohl die Stützsteuerung lediglich eines von ihnen zu einer Zeit in Abhängigkeit von der Wellenverschiebung und/oder ihrer Ursache mit Energie versorgen kann. Im Falle einer Elektromagnetstörung und einem Auslaufen der Wellendrehzahl auf Null, was irgendeinen aerodynamisch induzierten axialen Schub auf die Welle verursachen kann, kann die Stützsteuereinrichtung zugunsten der Stabilität beide Stützdrucklager mit Energie versorgen.
Es versteht sich, daß andere Abwandlungen anstelle oder zusätzlich zu den vorstehend ausgeführten Abwandlungen des Aufbaus im Umfang der in den Ansprüchen festgelegten vorliegenden Erfindung vorgesehen sein können.
Beispielsweise und wie in Fig. 6 gezeigt, können die stationären Laufoberflächen 120 und 121 sowohl des hydrostatischen Zapfenlager 122 wie des hydrostatischen Drucklager 123 beide durch einen einzigen Körper 124 getragen sein, der seinerseits aus einem geeigneten beim Trockenlaufen selbstschmierenden Lagermaterial bestehen kann, wie beispielsweise dasjenige, das durch die Glacier GmbH-Deva Werke hergestellt und unter dem eingetragenen Warenzeichen Deva gehandelt wird und dazu bestimmt ist, zumindest bei niedrigen Wellendrehzahlen im Kontakt mit einer Buchse 125 mit L-Querschnitt aus gehärtetem Material zu laufen, die durch die Welle 11 getragen ist, und sowohl die Zapfenlaufoberflächen 126 als auch die Schubrotorlaufoberflächen 127 vorsieht.
Der Block 24 umschließt die Welle und hat dadurch hindurchverlaufende Fluidkanäle 128 zum Zuführen von Fluid zu (geeignetenfalls) den stationären Laufoberflächen 120, 121 unter Steuerung einer (nicht gezeigten) Stützsteuereinrichtung. Um ein Auslecken des Fluids aus den Tragspalten von entweder einzelnen Lagern, die den hydrostatischen Film stören oder der anderen Lagereinrichtung, ist ein Ableitkanal 130 gebildet, der durch den Block verläuft und in die Zwischenfläche zwischen den beiden stationären Laufoberflächen mündet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fluid um Gas, und vorzugsweise wird, wenn der Druck reduziert wird, um einen Kontakt der Laufoberflächen zuzulassen, ein Fluß bzw. Strom beibehalten, um von diesen Wärme zu entziehen und die Oberfläche des Blocks 124 zu schützen. In Fig. 6 ist offensichtlich nur eine einzige derartige Kombination gezeigt; weitere können jedoch im Bedarfsfall vorgesehen sein.
Die vorstehend erläuterten Ausführungsformen haben sich alle auf Stützlageranordnungen für elektromagnetische Lager bezogen, wobei das Unvermögen der Lageranordnung, die Welle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen aufzuhängen, problemlos (obwohl nicht notwendigerweise) durch die elektromagnetische Lagersteuereinrichtung ermittelt wird, oder zumindest durch die Positionserfassungseinrichtung, die ihr zugeordnet ist.
Es wird bemerkt, daß die Stützlagereinrichtung in ähnlicher Weise für ein passives Magnetlager vorgesehen sein kann, ungeachtet der möglichen Erfordernis für eine spezielle Positionserfassungseinrichtung entsprechend 42 und/oder 43 von Fig. 1 zum Liefern von Signalen zur Stützsteuereinrichtung entsprechend 63. Selbstverständlich sind bei einem derartigen passiven Lager keine elektromagnetischen Spulen vorhanden, um aus dem Kühlstrom des Stütztragfluids Nutzen zu ziehen, oder um eine Ursache für eine Lagerstörung zu bilden; in anderen Belangen sind der Betrieb und die Wirkung jedoch analog.

Claims

1. Magnetlageranordnung für eine drehbare Welle (11), umfassend ein Magnetlager (20, 21, 22, 23) und eine Stützlagereinrichtung mit benachbart angeordneten drehbaren (55, 111, 126, 127) und stationären (56, 112, 71- 74, 120, 121) Laufoberflächen, die voneinander beabstandet sind, um einen Tragspalt (58, 113) festzulegen, wenn die Welle sich innerhalb eines vorbestimmten Betriebsbereichs von Wellenpositionen in dem Magnetlager befindet, eine Quelle unter Druck stehenden Fluids (62) und eine Stützsteuereinrichtung (63), die auf ein ermitteltes Unvermögen des Magnetlagers anspricht, die Welle innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen zu tragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützlagereinrichtung ein hydrostatisches Lager (50, 51, 52, 53) umfaßt, in welchem die stationäre Laufoberfläche eine Mehrzahl von Öffnungen (59, 79, 91') umfaßt, die um die Achse der Welle gleichmäßig angeordnet und dazu ausgelegt sind, Fluid von der Quelle unter einem derartigen Druck zuzuführen, daß zwischen den Laufoberflächen ein hydrostatischer Fluiddruck geschaffen wird, um sie voneinander beabstandet, unabhängig von der relativen Drehbewegung dazwischen zu tragen.

2. Magnetlageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrostatische Lagereinrichtung (50, 51, 52, 53) mittels der Stützsteuereinrichtung (63) dazu ausgelegt ist, die Welle (11) innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen bei sämtlichen Drehzahlen der Welle zu tragen.

3. Magnetlageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützsteuereinrichtung (63) beim Betrieb der Stützlagereinrichtung dazu ausgelegt ist, bei niedrigen Wellendrehzahlen dem hydrostatischen Lager kein Fluid unter diesem Druck zuzuführen, um das Tragen der Welle derart zu bewirken, daß die benachbart angeordneten Laufoberflächen (55', 56'; 126, 120; 127, 121) dazu ausgelegt sind, im Kontakt zu laufen.

4. Magnetlageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützsteuereinrichtung (63) dazu ausgelegt ist, dem hydrostatischen Lager bei niedrigen Wellendrehzahlen Fluid unter einem derartigen Druck zuzuführen, daß an den kontaktierenden Laufoberflächen ein Fluidstrom bewirkt wird, um Wärme davon zu entziehen.

5. Magnetlageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Laufoberfläche der Stützlagereinrichtung eine Oberfläche eines festen Körpers (57, 75- 78, 124) umfaßt, durch welchen sich ein Fluidkanal (59, 79, 91', 128) erstreckt, der auf die Laufoberfläche (56, 71-74, 120, 121) mündet.

6. Magnetlageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Körper (124) einen Block aus Trockenlauf- Lagermaterial geringer Reibung umfaßt.

7. Magnetlageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Körper (124) einen Block aus porösem Metall umfaßt, das mit einem trockenen Schmiermittelmaterial beladen ist.

8. Magnetlageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Körper (124) eine stationäre Laufoberfläche (120) eines radialen Zapfenlagers und eine stationäre Laufoberfläche (121) eines axialen Drucklagers trägt, wobei jeder Laufoberfläche ein Fluidkanal (128) zugeordnet ist, und zwischen der stationären Laufoberfläche eine Einrichtung (130) zum Verhindern eines Fluidausleckens aus einem Lager, das den Betrieb des anderen stört.

9. Magnetlageranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verhindern eines Fluidausleckens aus einem Lager, das den Betrieb eines anderen stört, zumindest einen Ableitkanal (130) umfaßt, der sich durch den festen Körper erstreckt und auf eine Zwischenfläche zwischen den Laufoberflächen der radialen und axialen Lager mündet, die durch den Körper festgelegt sind.

10. Magnetlageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrostatische Fluid ein Gas ist.

11. Turbomaschine (10) die zur Verarbeitung von Gas bei erhöhtem Druck betreibbar ist, umfassend ein in Anspruch 10 beanspruchtes Magnetlager, in welchem das Stützlagereinrichtungsfluidgas zumindest teilweise aus dem Prozeßgas abgeleitet ist (62').