EP2171238A1 - Strömungs- oder verdrängungsmaschine mit magnetlagern - Google Patents

Strömungs- oder verdrängungsmaschine mit magnetlagern

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Publication number
EP2171238A1
EP2171238A1 EP08774842A EP08774842A EP2171238A1 EP 2171238 A1 EP2171238 A1 EP 2171238A1 EP 08774842 A EP08774842 A EP 08774842A EP 08774842 A EP08774842 A EP 08774842A EP 2171238 A1 EP2171238 A1 EP 2171238A1
Authority
EP
European Patent Office
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flow
housing
winding
magnetic bearings
magnetic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08774842A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Detlef Haje
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP08774842A priority Critical patent/EP2171238A1/de
Publication of EP2171238A1 publication Critical patent/EP2171238A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/047—Details of housings; Mounting of active magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/06—Arrangements of bearings; Lubricating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/50—Bearings
    • F05D2240/51—Magnetic
    • F05D2240/515—Electromagnetic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
    • H01F7/206—Electromagnets for lifting, handling or transporting of magnetic pieces or material

Definitions

  • the invention relates to a flow or displacement machine, in particular a steam turbine with magnetic bearings according to the preamble of claim 1.
  • the invention has for its object to increase the overall length of the generic turbomachine by designing the magnetic bearing.
  • the advantage of the inventive solution is to achieve a reliable use of magnetic bearings in the flow space of turbomachinery and to tap the benefits of magnetic bearing technology for a wide range of applications in fluid mechanics.
  • steam turbines as an example, this can support a virtually unlimited length of steam turbine rotors and eliminate the length-to-diameter limitations of previous rotors.
  • significant advantages in efficiency, flexibility, cost, size, etc. can be achieved.
  • Fig. 1 is a longitudinal section through a steam turbine with a
  • FIG. 2 shows a cross section through a magnetic bearing.
  • Fig. 1 is shown as an embodiment of a turbomachine, a steam turbine with an expansion section.
  • the exemplary embodiment described below with reference to a steam turbine can also be applied to other turbomachines and to displacement machines.
  • the steam turbine 1 comprises a rotatably mounted turbine rotor 2 including shaft sections 3 with bearings and a fixed turbine housing 4.
  • the turbine rotor is mounted on the respective shaft sections 3 in two radial magnetic bearings 5 and 6.
  • the magnetic bearing 6 is arranged on the high pressure side 7 and the magnetic bearing 5 on the exhaust steam side 8 of the steam turbine 1.
  • the shaft section 3 of the turbine rotor 2 is guided on the exhaust steam side 8 through the turbine housing 4.
  • a magnetic thrust bearing 9 is arranged, which holds the turbine rotor 2 in the axial direction via the shaft portion 3.
  • the magnetic thrust bearing 9 absorbs the shear forces generated by the steam and acting on the turbine rotor 2.
  • a fishing camp 10 is provided, which is arranged in the embodiment between the radial magnetic bearing 6 and the axial magnetic bearing 9.
  • Another fishing camp 11 is disposed on the exhaust steam side 8 in the flow direction of the steam behind the radial magnetic bearing 5.
  • the turbine housing 4 is vapor-tightly sealed on the high-pressure side 7 with a cover 12 fastened to the turbine housing 4, so that there is no longer any connection to the exterior space.
  • On the exhaust steam side 8 of the turbine housing 4 is a non-contact shaft seal 13 behind the magnetic bearing 5 and the fishing camp 11 in the flow direction as indicated by an arrow on the shaft portion 3 of the turbine rotor 2.
  • the shaft seal 13 is disposed on the side facing away from the interior of the turbine housing 4 side of the radial magnetic bearing 5, while the labyrinth seal 14 is mounted on the interior of the turbine housing 4 facing side of the radial magnetic bearing 6.
  • the turbine housing 4 thus encloses the turbine rotor 2 with the shaft sections 3 over part of its length as well as the magnetic bearings 5, 6, 9, the backup bearings 10, 11 and the seals 13, 14.
  • a flow space is thus formed, in which the magnetic bearings 5, 6, 9 are arranged.
  • the flow space is considered to be the entire space filled by the flow medium and not accessible to the surrounding medium during normal operation.
  • the embodiment is also suitable for applications in which the bearings are surrounded to some extent by surrounding medium and to another part by flow medium.
  • the electromagnets are arranged at the rotor bearing point around the shaft portion 3.
  • the electromagnets of the magnetic bearings 5, 6 arranged around the shaft section 3 in each case form radial annular gaps 23 between the shaft section 3 and the respective electromagnets as well as tangential gaps 24 between the individual electromagnets themselves.
  • each electromagnet contains a winding 15, which consists of conductors surrounded by an insulator and which encloses a winding core 16. At the winding core 16 close pole 17.
  • poles 17 may also be formed by the winding core 16. It is considered as a pole: The bearing point opposite, a magnetic flux at the bearing point releasing form element.
  • the magnetic bearings 5, 6 are surrounded by a flow medium having a largely predetermined temperature.
  • the temperature can reach, for example, several hundred degrees Celsius in thermal turbomachines. Cooling of the magnetic bearings 5, 6 down to an applicability of conventional plastic insulation would be associated with great expenditure on equipment and requires one Continuous use of energy through fan drives, pumps or similar machines.
  • the surrounding medium may be corrosive or abrasive, depending on the type of turbomachine.
  • the flow medium could cause damage or destruction in direct contact with the magnetic bearings 5, 6.
  • Water vapor as a flow medium or contained moisture in the flow medium can affect the effect of the insulation of the windings by penetrating into the windings 15 of the magnetic bearing 5,6 due to the conductivity of water.
  • the pressure of the flow medium is determined by the respective operating point of the turbomachine and varies, for example, between ambient pressure and a pressure at maximum energy conversion.
  • a winding exposed to such pressure 15 would be soaked in flow medium within a few loading or unloading cycles of the turbomachine and potentially impaired in its effect. Rapid pressure changes could lead to a pressure difference between the winding 15 and the flow space and cause a mechanical overload of the winding 15.
  • high-temperature-resistant power materials are preferably used for the electromagnets.
  • insulation means for the electric materials for example, high-temperature plastics, glass fiber mesh, mica tape, ceramic fiber braid and as a conductor material such as copper, nickel-plated copper, pure nickel or Special alloys used.
  • a conductor material such as copper, nickel-plated copper, pure nickel or Special alloys used.
  • the insulation between individual turns of the windings 15 is ensured by ceramic fabric or wraps of tissue, so that the ambient temperatures that occur in the flow space of a turbomachine and by heating the magnetic bearings 5, 6, can be safely endured.
  • the cost of cooling the magnetic bearings 5, 6 and heat dissipation from the magnetic bearings 5, 6 is minimized. Furthermore, in such an embodiment, the cooling can take place even without external coolant supply.
  • insulation means are known from electrical engineering, for example, ventilation systems for road tunnels. However, such insulating agents are generally not suitable for exposure to moisture or foreign media.
  • the entire magnetic bearing 5, 6 or each individual electromagnet of the magnetic bearing 5, 6 with winding 15 and winding core 16 and two poles 17 are accommodated in a housing 18.
  • the housing 18 is under an internal pressure Pi and an external pressure Pa and is closed with an associated termination device 19 on the side facing the shaft portion 3 with the rotor bearing point. It is essential that the magnetic flux can reach the rotor bearing point despite the termination device 19 of the housing 18.
  • the termination device 19 of the Housing 18 by a magnetically permeable material, eg. B. austenitic steel are formed.
  • the entire housing 18 is pressure-resistant (FIGS. 3, 4, 5).
  • the housing 18 can also be supported as shown in FIG. 5 by internal, pressure-bearing, non-magnetic components 20 of the magnetic bearings 5, 6 so that it can transfer the forces from the pressure difference to these components, for example, on a housing 18 with termination device
  • a supply line 21 can be connected to the housing 18, via which a pressure medium is introduced into the housing 18 with the aid of a compressor 22.
  • the pressure of the pressure medium can be equal to or less than the pressure of the
  • a steam turbine with three expansion sections in the block diagram is shown, a Turbine rotor 25 for high-pressure expansion, a turbine rotor 26 for medium-pressure expansion and a turbine rotor 27 for low-pressure expansion shows.
  • the rotors 25, 26, 27 are each mounted with shaft sections 3 at bearings in radial magnetic bearings 5, 5 ', 5'',5'''.
  • axial magnetic bearings 9 are arranged between the turbine rotor 25 of the high-pressure stage and the turbine rotor 26 of the medium-pressure stage, seen in front of the radial magnetic bearing 5 'in the flow direction of the turbine rotor 26 for medium-pressure expansion.
  • the respective flow direction is again indicated by an arrow.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Strömungs- oder Verdrängungsmaschine, insbesondere Dampfturbine (1), mit einem von einem Strömungsmedium durchströmten Strömungsraum, in dem mindestens ein Rotor (2) einschließlich Wellenabschnitte (3) mit Rotorlagerstellen umläuft. Der Rotor (2) ist in Magnetlagern (5, 6) gelagert, wobei jedes Magnetlager (5, 6) mehrere Elektromagnete aufweist, die aus einer Wicklung (15), einem Wicklungskern (16) und mindestens einem Pol (17) bestehen. Dabei sind die Magnetlager (5, 6) innerhalb des Strömungsraumes angeordnet. Weiterhin ist zumindest die Wicklung (15) jedes Elektromagneten der Magnetlager (5, 6) hermetisch von dem Strömungsmedium getrennt in einem Gehäuse (18) untergebracht.

Description

Beschreibung
Strömungs- oder Verdrängungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Strömungs- oder Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine mit Magnetlagern gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der Lagerungstechnik ist bekannt, Rotoren von Strömungsoder Verdrängungsmaschinen mit Hilfe von Magnetanordnungen in radialer und axialer Richtung zu lagern (Magnetlager) . Dabei wird mit Hilfe einer Lageregelungs-Einrichtung die Position des Rotors über Positionssensoren fortwährend gemessen und einer etwaigen außermittigen Lage durch schnelle Anpassung der Magnetfelder entgegengewirkt. Diese Lagerungen sind bereits bei Rotorgewichten von mehreren Tonnen erfolgreich auch bei Strömungsmaschinen, wie Speisewasserpumpe oder Verdichtern eingesetzt worden. Dabei werden die Magnetlager anstelle der üblichen Lager außerhalb des Strömungsraumes, ähnlich wie so genannte Stehlager eingesetzt.
Ein Einsatz von Magnetlagern bei Dampfturbinen ist aus der Praxis noch nicht bekannt, wohl aber z. B. in der EP 655 108 Bl prinzipiell beschrieben. Hierin wird allerdings nicht in ausreichendem Maße auf die Machbarkeit einer Ausführung der Magnetlager im Dampfraum eingegangen, so dass eine technische Lösung noch nicht vorliegt. Damit wird ein wesentlicher Vorteil von Magnetlagern noch nicht ausgeschöpft, welcher mit Anordnung der Magnetlager im Dampfraum die Möglichkeit bietet, die aktive Rotorlänge gegenüber dem Stand der Technik weiter zu verlängern. Die Baulänge von Turbinen oder Teilturbinen ist unter anderem durch das dynamische Verhalten des Rotors und damit durch den Lagerabstand bestimmt. Aus Gründen der Thermodynamik und des Wirkungsgrades oder der Gestaltung der Expansionsaufgabe, wie geregelte Dampfentnahmen wäre eine höhere Baulänge allerdings in vielen Fällen gewünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Baulänge der gattungsgemäßen Strömungsmaschine durch eine Gestaltung der Magnetlager zu erhöhen.
Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Strömungs- oder Verdrängungsmaschine erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, einen betriebssicheren Einsatz von Magnetlagern im Strömungsraum von Strömungsmaschinen zu erreichen und den Nutzen der Magnetlagertechnik für eine große Anwendungsbreite in der Strömungsmaschinentechnik zu erschließen. Am Beispiel von Dampfturbinen kann dies eine nahezu unbegrenzte Baulänge von Dampfturbinen-Rotoren unterstützen und die Längen-zuDurchmesser-Beschränkungen bisheriger Rotoren eliminieren. Dadurch können wesentliche Vorteile in Wirkungsgrad, Flexibilität, Kosten, Baugröße etc. erreicht werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine Dampfturbine mit einem
Expansionsabschnitt;
Fig. 2 ein Querschnitt durch ein Magnetlager; Fig. 3 bis 6 verschiedene Ausführungsformen eines Magnetlagers und Fig.7 ein Prinzipschaltbild einer Dampfturbine mit drei Expansionsabschnitten .
In der Fig. 1 ist als ein Ausführungsbeispiel für eine Strömungsmaschine eine Dampfturbine mit einem Expansionsabschnitt gezeigt. Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel anhand einer Dampfturbine ist auch auf andere Strömungsmaschinen und auf Verdrängungsmaschinen anwendbar .
Die Dampfturbine 1 umfasst einen drehbar gelagerten Turbinenrotor 2 einschließlich Wellenabschnitte 3 mit Lagerstellen und ein feststehendes Turbinengehäuse 4. Der Turbinenrotor ist an den jeweiligen Wellenabschnitten 3 in zwei radialen Magnetlagern 5 und 6 gelagert. Dabei ist das Magnetlager 6 auf der Hochdruckseite 7 und das Magnetlager 5 auf der Abdampfseite 8 der Dampfturbine 1 angeordnet. Bei der Dampfturbine 1 gemäß Fig. 1 ist der Wellenabschnitt 3 des Turbinenrotors 2 auf der Abdampfseite 8 durch das Turbinengehäuse 4 hindurchgeführt.
Auf der Hochdruckseite 7 ist ein magnetisches Axiallager 9 angeordnet, das über den Wellenabschnitt 3 den Turbinenrotor 2 in axialer Richtung hält. Dabei nimmt das magnetische Axiallager 9 die vom Dampf erzeugten und auf den Turbinenrotor 2 wirkenden Schubkräfte auf.
Auf der Hochdruckseite 7 ist außerdem ein Fanglager 10 vorgesehen, das im Ausführungsbeispiel zwischen dem radialen Magnetlager 6 und dem axialen Magnetlager 9 angeordnet ist. Ein weiteres Fanglager 11 ist auf der Abdampfseite 8 in Strömungsrichtung des Dampfes hinter dem radialen Magnetlager 5 angeordnet. Bei einem Ausfall der radialen Magnetlager 5 und 6 kann der Turbinenrotor 2 mit seinen Wellenabschnitten 3 in den Fanglagern 10 und 11 auslaufen.
Das Turbinengehäuse 4 ist auf der Hochdruckseite 7 mit einem am Turbinengehäuse 4 befestigten Deckel 12 dampfdicht verschlossen, so dass dort eine Verbindung zum Außenraum nicht mehr vorhanden ist. Auf der Abdampfseite 8 des Turbinengehäuses 4 ist eine berührungsfreie Wellendichtung 13 hinter dem Magnetlager 5 und dem Fanglager 11 in Strömungsrichtung wie durch einen Pfeil angedeutet auf dem Wellenabschnitt 3 des Turbinenrotors 2 angeordnet. Auf der Hochdruckseite 7 des Turbinengehäuses 4 ist eine Labyrinthdichtung 14 hinter dem Magnetlager 6 in Strömungsrichtung des angedeuteten Pfeils vorgesehen.
Somit ist die Wellendichtung 13 auf der dem Inneren des Turbinengehäuses 4 abgewandten Seite des radialen Magnetlagers 5 angeordnet, während die Labyrinthdichtung 14 auf der dem Inneren des Turbinengehäuses 4 zugewandten Seite des radialen Magnetlagers 6 angebracht ist. Das Turbinengehäuse 4 umschließt damit den Turbinenrotor 2 mit den Wellenabschnitten 3 über einen Teil seiner Länge sowie die Magnetlager 5, 6, 9, die Fanglager 10, 11 und die Abdichtungen 13, 14.
Im Inneren des Turbinengehäuses 4 ist somit ein Strömungsraum gebildet, in dem die Magnetlager 5, 6, 9 angeordnet sind. Als Strömungsraum wird dabei der gesamte vom Strömungsmedium gefüllte und dem Umgebungsmedium im Normalbetrieb nicht zugängliche Raum angesehen. Die Ausführung ist ebenso geeignet für Anwendungen, in denen die Lager zu einem Teil von Umgebungsmedium und zu einem anderen Teil von Strömungsmedium umgeben sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht jedes der radialen Magnetlager 5, 6 aus mehreren Elektromagneten mit den Wicklungen 15, den Wicklungskernen 16 und den Polen 17 im Gehäuse 18. Die Elektromagneten sind an der Rotorlagerstelle rund um den Wellenabschnitt 3 angeordnet. Die um den Wellenabschnitt 3 angeordneten Elektromagneten der Magnetlager 5,6 bilden jeweils radiale Ringspalte 23 zwischen dem Wellenabschnitt 3 und den jeweiligen Elektromagneten sowie tangentiale Spalte 24 zwischen den einzelnen Elektromagneten selbst.
Wie in den Fig. 3 bis 6 beispielhaft dargestellt, enthält jeder Elektromagnet eine Wicklung 15, die aus von einem Isolator umgebenen Leitern besteht und die einen Wicklungskern 16 umschließt. An den Wicklungskern 16 schließen sich Pole 17 an.
Alternativ können die Pole 17 auch durch den Wicklungskern 16 gebildet werden. Dabei ist als Pol angesehen: Der Lagerstelle gegenüberstehendes, einen magnetischen Fluss an der Lagerstelle abgebendes Formelement.
Aus der vorgesehenen Anordnung der Magnetlager 5, 6 innerhalb des Strömungsraumes der Strömungs- oder Verdrängungsmaschine, wie der dargestellten Dampfturbine 1, ergeben sich hinsichtlich der Umgebungstemperatur, des Strömungsmediums und des Umgebungsdruckes die folgenden wesentlichen Anforderungen.
Hinsichtlich der Umgebungstemperatur sind die Magnetlager 5, 6 von einem Strömungsmedium mit einer weitgehend vorgegebenen Temperatur umgeben. Die Temperatur kann bei thermischen Strömungsmaschinen beispielsweise einige hundert Grad Celsius erreichen. Eine Kühlung der Magnetlager 5, 6 hinunter auf eine Anwendbarkeit üblicher Kunststoffisolierungen wäre mit großem apparativen Aufwand verbunden und erfordert einen kontinuierlichen Energieeinsatz durch Lüfterantriebe, Pumpen oder ähnliche Maschinen.
In Hinblick auf das Strömungsmedium kann das Umgebungsmedium je nach Art der Strömungsmaschine korrosiv oder abtragend wirken. Das Strömungsmedium könnte bei einem direkten Kontakt mit den Magnetlagern 5, 6 eine Schädigung oder Zerstörung bewirken. Wasserdampf als Strömungsmedium oder enthaltene Feuchtigkeit im Strömungsmedium kann durch Eindringen in die Wicklungen 15 der Magnetlager 5,6 aufgrund der Leitfähigkeit von Wasser die Wirkung des Isolationsmittels der Wicklungen beeinträchtigen.
Hinsichtlich des Umgebungsdrucks wird der Druck des Strömungsmediums vom jeweiligen Betriebspunkt der Strömungsmaschine bestimmt und schwankt beispielsweise zwischen Umgebungsdruck und einem Druck bei maximalem Energieumsatz. Eine einem solchen Druck ausgesetzte Wicklung 15 würde innerhalb weniger Belastungs- oder Entlastungszyklen der Strömungsmaschine von Strömungsmedium durchtränkt und potenziell in ihrer Wirkung beeinträchtigt. Schnelle Druckänderungen könnten zu einer Druckdifferenz zwischen der Wicklung 15 und dem Strömungsraum führen und eine mechanische Überlastung der Wicklung 15 bewirken .
Für den Einsatz der Magnetlager 5, 6 unter erhöhten Anwendungstemperaturen werden für die Elektromagneten vorzugsweise hochtemperaturbeständige Elektrowerkstoffe eingesetzt .
Als Isolationsmittel für die Elektrowerkstoffe werden beispielsweise Hochtemperaturkunststoffe, Glasseidegeflecht, Glimmerbandierung, Keramikfasergeflecht und als Leiterwerkstoff beispielsweise Kupfer, Kupfer vernickelt, Reinnickel oder Speziallegierungen verwendet. Für hohe Temperaturen wird die Isolation zwischen einzelnen Windungen der Wicklungen 15 durch keramische Gewebe oder Umspinnungen aus Gewebe gewährleistet, so dass die Umgebungstemperaturen, die im Strömungsraum einer Strömungsmaschine und durch Erwärmung der Magnetlager 5, 6 auftreten, sicher ertragen werden können.
Bei einer solchen Ausführung wird der Aufwand für Kühlung der Magnetlager 5, 6 und Wärmeabfuhr aus den Magnetlagern 5, 6 minimiert. Weiterhin kann bei einer solchen Ausführung die Kühlung sogar ohne externe Kühlmittelzuführung erfolgen. Derartige Isolationsmittel sind aus dem Elektromaschinenbau bekannt, beispielsweise von Belüftungsanlagen für Straßentunnel. Allerdings sind derartige Isolationsmittel in der Regel nicht für Feuchtigkeits- oder Fremdmedieneinwirkung geeignet.
Um einen sicheren Betrieb der Magnetlager 5, 6 innerhalb des Strömungsraumes des Turbinengehäuses 4 zu gewährleisten, ist zumindest die Wicklung 15 der Elektromagneten von dem Strömungsmedium hermetisch getrennt. Hierzu sind in den Fig. 3 bis 6 mehrere Ausführungsbeispiele angegeben.
Gemäß den Fig. 3 und 4 ist das gesamte Magnetlager 5, 6 oder jeder einzelne Elektromagnet des Magnetlagers 5, 6 mit Wicklung 15 und Wicklungskern 16 sowie beiden Polen 17 in einem Gehäuse 18 untergebracht. Das Gehäuse 18 steht unter einem Innendruck Pi und einem äußeren Druck Pa und ist mit einer zugehörigen Abschlussvorrichtung 19 auf der Seite verschlossen, die dem Wellenabschnitt 3 mit der Rotorlagerstelle zugewandt ist. Hierbei ist wesentlich, dass der magnetische Fluss die Rotorlagerstelle trotz der Abschlussvorrichtung 19 des Gehäuses 18 erreichen kann. Dazu kann die Abschlussvorrichtung 19 des Gehäuses 18 durch ein magnetisch durchlässiges Material, z. B. austenitischer Stahl gebildet werden.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist lediglich die Wicklung 15 mit dem Wicklungskern 16 von einem Gehäuse 18 umschlossen, das zwischen den beiden Pole 17 des Elektromagneten angeordnet ist. Die beiden Pole 17 liegen außerhalb des Gehäuses
18 und stehen dem Wellenabschnitt 3 mit der Rotorlagerstelle direkt gegenüber.
Das gesamte Gehäuse 18 ist druckfest ausgebildet (Fig. 3, 4, 5) .
Es kann damit der Differenz zwischen dem äußeren Druck Pa des
Strömungsmediums und dem sich einstellenden inneren Druck Pi im Inneren des Gehäuses 18 standhalten.
Das Gehäuse 18 kann auch gemäß Fig. 5 durch innenliegende, drucktragende, nichtmagnetische Komponenten 20 der Magnetlager 5, 6 so gestützt werden, dass es die Kräfte aus der Druckdifferenz auf diese Komponenten übertragen kann, beispielsweise auf eine das Gehäuse 18 mit Abschlussvorrichtung
19 vollständig ausfüllende Anordnung der Wicklung 15 mit Wicklungskern 16.
Schließlich kann wie in Fig. 4 dargestellt an das Gehäuse 18 vorteilhafterweise eine Zuleitung 21 angeschlossen sein, über die mit Hilfe eines Verdichters 22 ein Druckmedium in das Gehäuse 18 eingebracht wird. Der Druck des Druckmediums kann gleich groß oder geringer sein als der Druck des
Strömungsmediums, so dass der Differenzdruck über dem Gehäuse 18 reduziert oder aufgehoben wird.
In der Fig. 7 ist eine Dampfturbine mit drei Expansionsabschnitten im Blockschaltbild dargestellt, die einen Turbinenrotor 25 für Hochdruck-Expansion, einen Turbinenrotor 26 für Mitteldruck-Expansion und einen Turbinenrotor 27 für Niederdruck-Expansion zeigt. Die Rotoren 25, 26, 27 sind jeweils mit Wellenabschnitten 3 an Lagerstellen in radialen Magnetlagern 5, 5', 5'', 5' ' ' gelagert. Weiterhin sind axiale Magnetlager 9 zwischen dem Turbinenrotor 25 der Hochdruckstufe und dem Turbinenrotor 26 der Mitteldruckstufe angeordnet, und zwar vor dem radialen Magnetlager 5' in Strömungsrichtung des Turbinenrotors 26 für Mitteldruck-Expansion gesehen. Die jeweilige Strömungsrichtung ist wiederum durch einen Pfeil angedeutet .

Claims

Patentansprüche
1. Strömungs- oder Verdrängungsmaschine, insbesondere Dampfturbine (1), mit einem von einem Strömungsmedium durchströmten Strömungsraum, in dem ein Rotor (2) einschließlich Wellenabschnitte (3) mit Rotorlagerstellen umläuft, der in Magnetlagern (5, 6) gelagert ist, wobei jedes Magnetlager (5, 6) mehrere Elektromagnete aufweist, die aus einer Wicklung (15), einem Wicklungskern (16) und mindestens einem Pol (17) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetlager (5, 6) innerhalb des Strömungsraumes angeordnet sind und dass zumindest die Wicklung (15) jedes Elektromagneten der Magnetlager (5, 6) hermetisch von dem Strömungsmedium getrennt in einem Gehäuse (18) untergebracht ist.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Elektromagnet einschließlich der Wicklung
(15), des Wicklungskernes (16) und der Pole (17) von dem Gehäuse (18) umschlossen ist und dass eine Abschlussvorrichtung (19) des Gehäuses (18) auf der der Rotorlagerstelle der Wellenabschnitte (3) zugewandten Seite aus einem magnetisch durchlässigen Werkstoff gefertigt ist.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (17) des Elektromagneten außerhalb des Gehäuses
(18) liegen.
4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) druckfest gegenüber dem maximalen Druck des Strömungsmediums ausgelegt ist.
5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) mit einem Druckmedium beaufschlagt ist, dessen Druck höchstens dem maximalen Druck des Strömungsmediums entspricht.
6. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete eine Wicklung (15) und einen Wicklungskern (16) mit mindestens einem integrierten Pol (17) aufweisen .
EP08774842A 2007-07-26 2008-07-07 Strömungs- oder verdrängungsmaschine mit magnetlagern Withdrawn EP2171238A1 (de)

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