DE69302334T2

DE69302334T2 - Mit einer Hilfssicherheitseinrichtung versehene magnetische Lagerung

Info

Publication number: DE69302334T2
Application number: DE69302334T
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: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: GB2268984B; GB9215691D0; EP0580201B1; JPH06200937A; US5355040A; DE69302334D1; EP0580201A1; GB2268984A

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, und es verbleibt ein zusätzliches Problem des erforderlichen Raums, der zusätzlich zu den herkömmlichen elektromagnetischen Elementen durch die Stützlagereinrichtung eingenommen wird.
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.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Magnetlageranordnung für eine drehbare Welle eine bewegliche Ankereinrichtung, die mit der Welle beweglich ist, eine stationäre Ankereinrichtung, die mit der beweglichen Ankereinrichtung einen Magnetkreis einschließlich einem Aufhängungsspalt zwischen ihnen bildet, und eine Stützlagereinrichtung umfassend eine Fluidkanaleinrichtung, die mit dem Aufhängungsspalt in Verbindung steht, eine Quelle für unter Druck stehendes Fluid und eine Stützsteuereinrichtung, die auf ein ermitteltes Unvermögen der Magnetlageranordnung anspricht, die Welle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen aufzuhängen, um eine Fluidzufuhr zu dem Aufhängungsspalt zu verursachen, um die Welle innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen zu tragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützlagereinrichtung ein hydrostatisches Lager umfaßt, das dazu betreibbar ist, eine Zufuhr des Fluids zum Aufhängungsspalt an einer Mehrzahl von Stellen beizubehalten, die um die Achse der Welle regelmäßig angeordnet sind, und unter einem derartigen Druck, daß zwischen den beweglichen und stationären Ankereinrichtungen ein hydrostatischer Fluiddruck erzeugt wird, um die bewegliche Ankereinrichtung von der stationären Ankereinrichtung beabstandet unabhängig von der relativen Drehbewegung zwischen ihnen zu tragen.
Gemäß einem weiteren in Anspruch 10 festgelegten Aspekt der Erfindung umfaßt eine Turbomaschine, die zur Verarbeitung eines Fluids unter erhöhtein Druck betreibbar ist, eine Magnetlageranordnung wie im vorstehenden Absatz definiert. In einer derartigen Turbomaschine kann das Stützlagereinrichtungsfluid zumindest teilweise aus dem Prozeßfluid abgeleitet werden.
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 Magnetlageranordnung 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 fraginentarische Querschnittsansicht entlang der Linie I-I von Fig. 1 unter Darstellung der ersten Ausführungsform der Stützlagereinrichtung, welche dem Zapfenlager zugeordnet ist,
Fig. 3 eine Querschnittsansicht ähnlich wie Fig. 2, jedoch unter Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Stützlagereinrichtung, die dem Zapfenlager zugeordnet ist,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht ähnlich wie Fig. 2, jedoch unter Darstellung einer dritten Ausführungsform der Stützlagereinrichtung, die dem Zapfenlager zugeordnet ist,
Fig. 5 eine Querschnittsansicht ähnlich wie Fig. 2, jedoch unter Darstellung einer vierten Ausführungsform der Stützlagereinrichtung, die dem Zapfenlager zugeordnet ist, und
Fig. 6 eine Querschnittsansicht ähnlich wie Fig. 2, jedoch unter Darstellung einer fünften Ausführungsform der dem Zapfenlager zugeordneten Stützlagereinrichtung.
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. Wie ebenfalls in Fig. 2 gezeigt, umfaßt jeder Elektromagnet einen ferromagnetischen Kern 27, der ebenfalls aus Schichten aufgebaut ist, mit einer Mehrzahl von Schenkeln 28, 29, die radial einwärts verlaufen und jeweils in einer Polfläche 28&sub1;, 29&sub1; enden, die dem beweglichen Anker 25 gegenüberliegt und von diesem geringfügig beabstandet ist, wenn er zentral bzw. mittig im Lager durch einen Aufhängungsspalt 30 aufgehängt ist. Der Kern und typischerweise jeder Schenkel trägt eine elektromagnetische Spule 282, 292. Die anderen Elektromagneten sind ähnlich. Das andere Drehlager 21 ist identisch. Jedem Zapfenlager und bevorzugt jedem Elektromagneten von diesem ist ein Verschiebungssensor zugeordnet, um ein Signal zu erzeugen, das für die Trennung zwischen dem beweglichen Anker und jeder Polfläche repräsentativ ist.
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 Anker 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 vom 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 Elektrömagnete 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.
Herkömmlicherweise wäre ein Stützlager (nicht gezeigt) neben jedem der Magnetlager 20, 21 vorgesehen und würde normalerweise ein sich bewegendes Teil auf der Welle und ein normales stationäres Teil erfordern, das so angeordnet und ausgerichtet ist, daß es im Betrieb durch einen Aufhängungsspalt getrennt ist, der kleiner ist als 30, so daß sie in Eingriff gelangen, bevor der Wellenanker 25 in Eingriff mit den Polflächen 281, 291 gelangen kann, entweder im Fall einer Leistungsstörung bzw. Leistungszufuhrstörung zu den Spulen oder ansprechend auf eine große nicht gegensteuerbare Verschiebungskraft auf der Welle; ein ähnliches Stützlager wäre in ähnlicher Weise für die Drucklager 22 und 23 vorzusehen.
Deshalb ist ein vorbestimmter Bereich von Wellenbetriebspositionen, in welchem die Magnetsteuereinrichtung herkömmlicherweise in der Lage ist, effektiv zu arbeiten, kleiner als der volle Bereich der körperlichen Bewegungen, und das Stützlager erfordert eine Installation und Ausrichtung mit feineren Toleranzen als die Elektromagneten und nimmt entlang der Welle einen Raum ein, der schwer zur Verfügung gestellt werden kann, ohne Kompromisse hinsichtlich der Abmessungen der anderen Merkmale bzw. Bauteile zu machen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt in der Magnetlageranordnung und durch das Zapfenlager 20 wiedergegeben, eine Stützlagereinrichtung, die allgemein mit 50 bezeichnet ist, der eine Mehrzahl von Polflächen zugeordnet ist, von denen eine 28i ist, gleichmäßig verteilt um die Wellenfluidkanäle, wie beispielsweise 51, die in Verbindung mit den Aufhängungsspalten zwischen den Polflächen und der beweglichen Ankereinrichtung 25 stehen. Eine Quelle 52 unter Druck stehenden Fluids umfaßt einen Gaszylinder, der ein Gas enthält, geeigneterweise Luft, gegebenenfalls ein inertes Gas, unter erhöhtem Druck, und ist mit jedem Kanal 51 mittels einer gemeinsamen Zufuhr- bzw. Versorgungsleitung 53, einem Steuerventil 54 und einer Verteilungsleitung 55 verbunden. Das Steuerventil 54 befindet sich unter Steuerung der Stützsteuereinrichtung 56, die mittels Leitungen 57 an die Magnetsteuereinrichtung 31 angeschlossen ist, um Signale zu empfangen, welche das Unvermögen der Magnetsteuereinrichtung anzeigen, die Welle innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen tragen zu können, die durch den Aufhängungsspalt 30 zerstreut sind.
Obwohl diese Signale zur Verwendung durch die Stützsteuereinrichtung direkt vom Sensor 42 oder von einem vollständig anderen Aufbau (nicht gezeigt) abgeleitet werden können, um die Stützlagereinrichtung vollständig unabhängig vom 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 Anderung 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 56 die Ventileinrichtung 54, um Fluid mittels der Kanäle 51 zum Tragspalt 30 zuzuführen, um darin einen Fluidfilm mit einem derartigen hydrostatischen Druck zu bilden, um daraufhin die Welle abgehoben bzw. getrennt von den stationären Polflächen 28&sub1;, 29&sub1; 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.
In einer derartigen Situation ist der Trag- bzw. Stützdruck darüber hinaus selbstregelnd, so daß jegliche lokalisierten Veränderungen der Wellenbelastung auf dem Fluidfilm aufgrund externer Kräfte nur dazu dienen, jegliches Fluidauslecken an diesem Punkt zu beschränken und dadurch den Druck des Trag- bzw. Stützfilms 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.
Es wird bemerkt, daß der Fluiddruck, der jedem der Kanäle zugeführt wird, unabhängig voneinander gemäß der lokal erfaßten Breite des Aufhängungsspalts 30 gesteuert werden kann, um einer Differentialkraftsteuerung analog zu derjenigen der Elektromagnete des Magnetlagers zu bewirken (ungeachtet dessen, daß die "rückstoßende" Kraft des hydrostatischen Drucks diametral entgegengesetzt zur "anziehenden" Kraft eines Elektromagneten angelegt wird, der in dieselbe Richtung wirkt), oder alternativ kann Fluid sämtlichen Kanälen zusammen zugeführt werden, sich stützend auf eine Druckzunahme im Spalt zwischen der Polfläche und dem Wellenanker, wenn der Spalt dazu gezwungen wird, seine Breite zu reduzieren (und verbunden mit einer entsprechenden Zunahme der Breite eines diametral gegenüberliegenden Abschnitts des Spalts), um eine Vergrößerung der Aufhängungssteifheit in der Verschiebungsrichtung wiederzugeben, so daß die Wellenposition selbst korrigierend ist.
Wenn deshalb die Stützlagereinrichtung dazu veranlaßt wird, aufgrund einer isolierten Auslenkung der Welle aus ihrer normalen Laufposition zu arbeiten, unterstützt die hydrostatische Stützlagereinrichtung das Magnetlager beim Wiedergewinnen der Position der Welle, nachdem die Bedingungen, die sie verursachen, nicht mehr vorliegen. Wenn die Stützlagerbetätigung andererseits zu einer Störung des Magnetlagers führt, übernehmen die hydrostatischen Lager, die durch die verschiedenen Polflächen und den Wellenanker gebildet sind, das Tragen bzw. Stützen der Welle, wenn die Maschine bis zum Stillstand ausläuft, einschließlich diesen.
Es wird bemerkt, daß eine Anzahl von Modifikationen durchgeführt werden kann, um die gewünschte hydrostatische Lagerwirkung zu erzielen, mit entsprechenden Kompromissen zwischen der Komplexität der Konstruktion und zusätzlichen Merkmalen bzw. Bauteilen.
Beispielsweise bei der Anordnung von Fig. 1 und 2 kann der Kanal 51 derart gebildet sein, daß er sich zu absolut jeder Polfläche erstreckt. Um die Bildung des hydrostatischen Lagers beschleunigend zu unterstützen, wird ferner zugelassen, daß eine Gasmenge aus den Kanälen unter einem niedrigen Druck derart ausleckt, daß die Kanäle zumindest mit Gas gefüllt sind und der hydrostatische Druck problemlos erzeugt werden kann. Ferner kann eine derartige Gasströmung das Freihalten der Kanäle und des Aufhängungsspalts 30 von jeglichen Schmutzpartikeln fördern, die den Magnetlagerbetrieb beeinträchtigen könnten, und das Entziehen jeglicher Überschußwärme vom elektromagnetischen Kern.
Eine zweite Form der Stützlagereinrichtung für ein derartiges Zapfenlager ist in Fig. 3 in einer Ansicht ähnlich derjenigen von Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Anordnung erstreckt sich der Kanal 61 (entsprechend dem Kanal 51) zum Aufhängungsspalt 30 durch einen Abschnitt der stationären Ankereinrichtung, die eine elektromagnetische Spule enthält, wie beispielsweise durch den Raum 62 zwischen benachbarten Schenkeln 28 und 29. Der Kanal kann sich, (wie durch einen punktieren Abschnitt gezeigt) im wesentlichen auf die radiale Höhe der umgebenden Polflächen erstrecken und in den Spalt 30 mittels einem oder mehrerer Öffnungen in eine Brückeneinrichtung 64 münden, die sich zwischen den benachbarten Polflächen erstreckt. Die Brückeneinrichtung 64 kann auf einer derartigen radialen Höhe angeordnet sein, daß sie eine durchgehende Oberfläche mit den Polflächen bildet, oder sie kann radial auswärts bzw. außerhalb liegen, um eine kleine Plenumkammer zu bilden.
Der Kanal 61 mündet bevorzugt in den Raum 62, aus welchem Gas zum Spalt 30 mittels der Öffnung bzw. den Öffnungen 63 austritt, und durch Zulassen des vorstehend erwähnten Ausleckens wird Wärme direkt aus der Elektromagneteinrichtung entzogen.
Im Betrieb der Stützlagereinrichtung wirkt der hydrostatische Druck über eine größere Lagerfläche, als diejenige, die durch die einzelnen Polstücke allein wie in Fig. 2 zur Verfügung gestellt wird.
Aus Fig. 4 geht hervor, daß anstelle eines Bereitstellens einer Brückeneinrichtung 64 zwischen jedem Paar von Polflächen die Brückeneinrichtung 70 ein durchgehendes Band bzw. Flachmaterial aus nichtferromagnetischem Material umfassen kann, das in einem Zylinder gebildet ist, der die Polflächen überdeckt und Kammern 72 zwischen den Kernschenkeln bildet, welche die elektromagnetischen Spulen enthalten. Öffnungen 73 erlauben sowohl das Auslecken von Gas zur Bewirkung einer Kühlung der Spulen wie die Entwicklung eines hydrostatischen Lagerdrucks, wie vorstehend erläutert.
Es wird bemerkt, daß ein derartiges Flachmaterial 70 bei der Anordnung von Fig. 2 verwendet werden kann, d.h. Öffnungen 51 durch die Polflächen und/oder zusätzliche Kanäle 74, 75 und Öffnungen 76, 77, die schemenhaft gezeigt sind und sich zwischen der Kammer 72 und den Polflächen erstrecken, um die Anzahl und Verteilung von Auslässen zu vergrößern.
Es wird bemerkt, daß, obwohl die Stützlagereinrichtung das Vorsehen eines derartigen hydrostatischen Fluidlagers sein kann, um die Welle zu tragen, wenn ihre Geschwindigkeit im Fall einer elektromagnetischen Störung auf Null reduziert wird, es in der Praxis bevorzugt sein kann, daß bei niedrigen Drehzahlen ein herkömmliches Oberflächenkontakt-Biidungslager geeigneter ist. In Bezug auf Fig. 5 ist zu erkennen, daß in beispielsweise der Lageranordnung von Fig. 3 der drehbare Anker 25 und die Polflächen 28&sub1; usw. des stationären Ankers eine Schicht 78, 79 aus Material mit niedriger Reibung tragen können, damit die Oberflächen zumindest bei niedrigen Drehzahlen ohne Beschädigung in Kontakt gelangen können. Fig. 6 zeigt eine entsprechende Modifikation der Anordnung von Fig. 4, wobei das durchgehende Flachmaterial 70, das die Brückeneinrichtung(en) umfaßt, welche sich zwischen den Polflächen sowie diesen erstreckt, die Schicht 79' aus Lagermaterial niedriger Reibung trägt. Es versteht sich, daß beim Vorsehen eines derartigen kontaktbildenden Lagers das Material niedriger Reibung lediglich auf die Laufoberfläche beschränkt sein kann.
Bei der vorstehenden Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß das Lagerfluid ein Gas ist, das durch eine getrennte Quelle 52 zur Verfügung gestellt wird. Es wird bemerkt, daß in einer Turbomaschine, wie beispielsweise 10, in welcher ein Prozeßgas durch eine Maschine unter hohem Druck gefördert oder der Maschine unter hohem Druck zugeführt wird, um sie zu betreiben, dieses Gas anstelle der getrennten Quelle 52 verwendet werden kann, wie durch die durchbrochene Linie 80 gezeigt, die sich zwischen dem Gehäuse 13 und dem Steuerventil 54 erstreckt. Wenn ein derartiger Gasdruck das Produkt der Wellendrehung ist, wird jegliche Lagerabstützung abnehmen, wenn die Maschine aufgrund einer Magnetlagerstörung ausläuft, und unter derartigen Umständen sind die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Kontaktlageroberflächen oder eine Alternative wesentlich.
Außerdem wird bemerkt, daß das verwendete Fluid eine Flüssigkeit anstatt Gas sein kann.
Die vorstehende Beschreibung der Stützlagereinrichtung hat sich auf das Zapfenlager 20 konzentriert; diejenige für das Zapfenlager 21 ist jedoch identisch, weshalb Bezugsziffern für diese aus Klarheitsgründen weggelassen sind. Es wird bemerkt, daß eine analoge Anordnung für die Magnetschublageranordnung 22, 23 vorgesehen sein kann, im wesentlichen Kanäle umfassend, die durch die jeweiligen Kerne 32 und 38 zu den Aufhängungsspalten 37 und 40 mittels der Kern- und/oder Magnetspulen zu Kühlzwecken verlaufen, vorausgesetzt, das primäre Ziel ein tragendes bzw. stützendes hydrostatisches Lager zu bilden, wird erreicht. Aufgrund der unterschiedlichen Umstände und Kräfte, die auf die Zapfen- und Schublager einwirken, ist die Verwendung einer wahlweise getrennten Steuerventileinrichtung 54' gezeigt, und falls gewünscht, können getrennte Stützsteuereinrichtungen ebenfalls verwendet werden.
Es versteht sich, daß, während es im Hinblick auf ein hydrostatisches Stützlager keine Rolle spielen muß, in welcher Richtung die Wellenverschiebung auftritt, um sie zur Grenze ihres vorgeschriebenen Betriebsbereichs mitzunehmen, es im Falle eines Schublagers signifikanter sein kann. Während es als geeignet angesehen werden kann, lediglich ein Magnetlager zum Gegensteuern eines in einer Richtung wirkenden externen Schubs auf die Welle vorzusehen, sind beide Lager 22 und 23 erforderlich, wenn das abstützende Tragen für eine plötzliche Zunahme der Kraft durch diese Magnetlagereinrichtung zur Verfügung gestellt werden muß.
Aus dem gesamten Vorstehenden wird deutlich, daß ungeachtet der Druckquelle, den Steuer- und Ventileinrichtungen, die entfernt angeordnet werden können, die einzige Hinzufügung zu den Stützlagerbauelementen in der Nähe der Welle die Fluidzufuhrleitungen 55 usw. sind, während die verbleibenden Stützlagerbauelemente, die Kanäle, die Brückeneinrichtungen und gegebenenfalls die Laufoberflächen geringer Reibung sämtliche in der ursprünglichen Magnetlagerstruktur enthalten sind.
Die vorstehend erläuterten Ausführungsformen haben sich alle auf Stützlageranordnungen für elektromagnetische Lager bezogen, bei denen 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 56. 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 (20, 21, 22, 23) für eine drehbare Welle (11), umfassend eine bewegliche Ankereinrichtung (25, 31), die mit der Welle beweglich ist, eine stationäre Ankereinrichtung (26, 32, 38), die mit der beweglichen Ankereinrichtung einen Magnetkreis einschließlich einem Aufhängungsspalt (30, 37, 40) zwischen ihnen bildet, und eine Stützlagereinrichtung (50) umfassend eine Fluidkanaleinrichtung (51), die mit dem Aufhängungsspalt in Verbindung steht, eine Quelle (52) für unter Druck stehendes Fluid und eine Stützsteuereinrichtung (56), die auf ein ermitteltes Unvermögen der Magnetlageranordnung anspricht, die Welle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen aufzuhängen, um eine Fluidzufuhr zu dem Aufhängungsspalt zu verursachen, um die Welle innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen zu tragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützlagereinrichtung ein hydrostatisches Lager umfaßt, das dazu betreibbar ist, eine Zufuhr des Fluids zum Aufhängungsspalt an einer Mehrzahl von Stellen (51, 63) beizubehalten, die um die Achse der Welle regelmäßig angeordnet sind, und unter einem derartigen Druck, daß zwischen den beweglichen und stationären Ankereinrichtungen ein hydrostatischer Fluiddruck erzeugt wird, um die bewegliche Ankereinrichtung von der stationären Ankereinrichtung beabstandet unabhängig von der relativen Drehbewegung zwischen ihnen zu tragen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Magnetlageranordnung eine elektromagnetische Lageranordnung (20, 21,22, 23) umfaßt, wobei die stationäre Ankereinrichtung eine elektromagnetische Spuleneinrichtung (28&sub2;, 29&sub2;, 36, 39) und eine ferromagnetische Kerneinrichtung (27, 32, 38) aufweist, die mit Polflächen davon (28&sub1;, 29&sub1;, 34, 35) angeordnet um die Welle verläuft, und mit einer Magnetsteuereinrichtung (41), die dazu betreibbar ist, den elektrischen Strom in der Spuleneinrichtung als Funktion der Aufhängungsspaltbreite in Bezug auf die Polflächen zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützsteuereinrichtung (56) auf die Störung der Magnetsteuereinrichtung anspricht, um die Welle innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Wellenbetriebspositionen aufzuhängen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zumindest ein Kanal (51) durch den Körper eines ferromagnetischen Kerns (27) der stationären Ankereinrichtung erstreckt und auf eine Polfläche (281) davon mündet.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, soweit von Anspruch 2 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß sich zumindest ein Kanal (61) durch einen Abschnitt der stationären Ankereinrichtung (27) erstreckt, welche die elektromagnetische Spule (28&sub2;, 29&sub2;) enthält.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal in einen Spalt (62) mündet, der im Kern zwischen zwei benachbarten Polflächen gebildet ist und eine Brückeneinrichtung (64, 70) umfaßt, die sich zwischen den benachbarten Polflächen erstreckt.

6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützsteuereinrichtung (56) dazu ausgelegt ist, Fluid unter niederem Druck in den Aufhängungsspalt (30, 37, 40) während des normalen Betriebs auslecken zu lassen, um Wärme von der stationären Ankereinrichtung zu entziehen.

7. Anordnung nach Anspruch 5, bei der das Magnetlager ein Zapfenlager (20) für die Welle (11) ist, wobei die stationären Polflächen (281, 291) radial außerhalb der Welle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche der Polflächen, die die Welle umgeben, durch eine Brückeneinrichtung (70) vereinigt sind, wodurch eine im wesentlichen durchgehende zylindrische Oberfläche gebildet wird, welche die bewegliche Ankereinrichtung umgibt.

8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Oberflächen der beweglichen Ankereinrichtung und/oder die stationären Polflächen und/oder die Brückenteile mit Lagermaterial (78, 79, 79¹) versehen sind, daß dazu betreibbar ist, den kontaktierenden Lauf bei niedrigen Wellendrehzahlen zu erleichtern.

9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Fluid um ein Gas handelt.

10. Turbomaschine (10), die zur Verarbeitung von Gas unter erhöhtem Druck betreibbar ist, einschließlich einer in Anspruch 9 beanspruchten Anordnung, in der das Stützlagereinrichtungsfluidgas zumindest teilweise aus dem Prozeßgas abgeleitet wird (80).