EP2531738A1 - Vorrichtung zur drehlagerung einer welle, insbesondere zur verwendung in einer dampfturbine - Google Patents

Vorrichtung zur drehlagerung einer welle, insbesondere zur verwendung in einer dampfturbine

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EP2531738A1
EP2531738A1 EP11717545A EP11717545A EP2531738A1 EP 2531738 A1 EP2531738 A1 EP 2531738A1 EP 11717545 A EP11717545 A EP 11717545A EP 11717545 A EP11717545 A EP 11717545A EP 2531738 A1 EP2531738 A1 EP 2531738A1
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EP
European Patent Office
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bearing
shaft
electric field
fluid
bearing bush
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11717545A
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English (en)
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Inventor
Maurice Kristen
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2531738A1 publication Critical patent/EP2531738A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
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    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
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    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1025—Construction relative to lubrication with liquid, e.g. oil, as lubricant
    • F16C33/106—Details of distribution or circulation inside the bearings, e.g. details of the bearing surfaces to affect flow or pressure of the liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C33/74—Sealings of sliding-contact bearings
    • F16C33/741—Sealings of sliding-contact bearings by means of a fluid
    • F16C33/743—Sealings of sliding-contact bearings by means of a fluid retained in the sealing gap
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps

Definitions

  • the present invention relates to a rotary bearing device according to the preamble of claim 1, in particular for rotation ⁇ storage of the turbine rotor of a steam turbine. Further, the invention makes a ⁇ be equipped with such technical means Drehlagervor- direction (z. B. steam turbine) or the use of the device for a technical device.
  • Rotary bearing devices according to the preamble of claim 1 are known, for example in the field of computer technology for the rotational mounting of a magnetic storage disk ( "Mem ⁇ cherplattenlauftechnik”), see. z. B. DE 20 2005 000 155 Ul.
  • a portion of the shaft to be supported is received in a bearing bushing arrangement.
  • a bearing bush arrangement and on the other hand of Wellenab ⁇ section is a bearing gap.
  • the bearing gap Zvi ⁇ rule the mutually facing bearing surfaces is filled with a laser gerfluid (eg., Oil).
  • a laser gerfluid eg., Oil
  • the rotation-support apparatus is characterized in that the bearing fluid is an electrorheological fluid and the apparatus further comprises control means for generating GR tendonss an electric field in the region of Lagerspal ⁇ tes comprises.
  • An electrorheological fluid has a flow behavior which is variable by an applied electric field.
  • Such fluids for example based on an oil (eg., Silicone oil or mineral oil) are known and available Ltd. ⁇ essential per se.
  • an oil eg., Silicone oil or mineral oil
  • control means are adapted to generate the electric field in the radial direction between bearing bushing arrangement and shaft portion extending.
  • This is for many applications a structurally particularly simple implementation in which the already existing bearing bush arrangement (or a part thereof), and the already existing shaft portion (or a portion thereof) can be ge ⁇ uses as a source or sink of electric field.
  • the provided in the generation of a radial electric field extending field sources or sinks can, for. B. surfaces (bearing surfaces) or surface sections of the bearing bush arrangement or the shaft portion may be formed.
  • the electric field from the bearing surface (or egg ⁇ nem portion thereof) may be provided, running out of the bearing bush arrangement and ends at this point.
  • the electric field may originate from a surface inside the bushing assembly or terminate at this ("buried") surface.
  • the shaft section as a field source or - valley can z. B. be provided that the electric field from the bearing surface (or a portion thereof) of the shaft portion emanates or ends at this bearing surface.
  • the electric field can emanate from a surface in the interior of the shaft portion or end at this inner surface.
  • the bearing bushing arrangement z. B. from a metallic (or at least electrically conductive) "solid material" be ⁇ it is for.
  • an integrally connected bearing ring or a bearing ring assembled from several segments, its surface adjacent to the bearing gap (bearing surface) functions as a field source or sink.
  • each of these bearing surfaces (or at least a part thereof) z.
  • B. plastic (elec ⁇ electrically insulating or electrically conductive) or ceramic be formed det.
  • embodiments of the rotary bearing device are particularly interesting, which have two or more distinct "functional areas" viewed in the axial direction.
  • the bearing bush arrangement comprises a series of axially spaced-apart, electrically iso- Herten and coaxially arranged bearing bush sections.
  • the bearing bush arrangement comprises a series of axially spaced-apart, electrically iso- Herten and coaxially arranged bearing bush sections.
  • At least one pair of bearing bush sections which are adjacent to one another in the axial direction are connected to one another via an electrical insulating layer (eg made of plastic, ceramic, etc.).
  • the electrical insulating layer may be used in this connection also advantageous for a trailing sealing effect for the bearing fluid in order to reduce a radial exit of the bearing fluid at the point of transition see be- the axially adjacent bearing bush sections.
  • the electrical insulation between the axially adjacent bearing bush sections can also be realized by leaving an (axial) gap between the bearing bush sections.
  • Such a gap may then additionally serve as a passage for introducing or discharging bearing fluid into or out of the bearing gap, e.g. B. if the bearing fluid to be circulated in the rotary bearing device.
  • a circulation of the laser, during the rotational movement gerfluides be useful (in a cycle) in which the bearing fluid flows through the bearing gap in a defined manner by ⁇ , such as to dissipate generated during operation of the rotary bearing Ver ⁇ loss heat and / or maintain a proper Ensure "lubricating film" in the bearing gap.
  • control means for continuous adjustment of the field strength of the electric field ⁇ are formed suitable al ⁇ so z.
  • control voltage continuously adjustable output voltage
  • control means provide in at least one operating mode, the generation of the electric field with varying field strength in the axial direction.
  • the structure already explained above with a Rei ⁇ hehe spaced from each other in the axial direction, electrically insulated from each other and arranged coaxially to each other Bearing bush sections may be provided.
  • the thus enabled independent control of several different electric fields (corresponding to the plurality of juxtaposed bearing bush sections) allows such a variation of the field strength over the axial length of the device.
  • a bearing fluid circulation is provided (eg by means of at least one fluid pump), in which the bearing fluid flows in the axial direction in the bearing gap, wherein at the (or at least one) axial end of this flow a Compared to a middle flow section relatively large field strength of the electric field is provided. Due to the thus comparatively large viscosity of the bearing fluid at DIE sem axial end there is provided a "flow barrier", by which is reduced, for example, the requirements for the Leis ⁇ processing ability of fluid handling components, which are used for introducing and / or circulating the bearing fluid.
  • the bearing sleeve arrangement comprises at least three comprises axially spaced apart, electrically isolated from each other and coaxially arranged bearing bush sections, the examples of the axially outer bearing bush portions preferably each have a smaller axial length than the intermediate (with ⁇ sized) bearing bushing section exhibit, and wherein the control ⁇ medium in at least one operating mode, the generation of relatively high electric field strengths in the region of the outer sections (compared to the middle section) provide.
  • control means provide in at least one operating mode, the generation of the electric field as a function of a measured rotational speed of the shaft and / or other Radio ⁇ meter of the device-containing technical device.
  • an adaptation or optimization of the support function and lubricating function of the bearing fluid over a relatively wide rotation speed range may be done at operably vari ⁇ ierender rotational speed.
  • a surface-extended lubricant film is provided so that a wear of the bearing surfaces Ver ⁇ avoided by direct solid friction.
  • the lubricating film should not fall below the minimum lubricant film thickness, as can occur with conventional slide bearings with lubricating oils when certain "operating limits" are exceeded (eg in terms of speed, temperature, etc.).
  • Lubricant pressure is built up to a direct solid contact of the bearing surfaces on the one hand of the turbine rotor and on the other hand reliably avoid the bearing bush arrangement.
  • pivot bearing device can also be used for controlled braking of the rotational movement of the shaft by the viscosity of the electrorheological Lagerflu- ides in a controlled manner, in one for the desired braking ⁇ effective extent.
  • the present invention also relates to a technical device, comprising a pivot bearing device of the type described above, for rotational mounting of a shaft of the technical device.
  • a technical device comprising a pivot bearing device of the type described above, for rotational mounting of a shaft of the technical device.
  • it is a technical device in which the axis of rotation of the shaft mounted according to the invention is non-vertical, in particular substantially horizontal.
  • the rotatably mounted shaft portion has a diameter (possibly, with non ⁇ cylindrical shape design, maximum diameter) of more than 50 mm, in particular more than 100 mm.
  • the technical device is a steam turbine, in which the rotary bearing device rotatably supports a turbine rotor or another shaft in the rotary motion path of the steam turbine, for example one directly or indirectly (eg via a gearbox) with the turbine rotor shaft gekop ⁇ -coupled shaft.
  • the steam turbine can z. B. in a power plant or an industrial plant for driving an electric Genera ⁇ sector or a working machine (eg., Compressor) may be provided.
  • a working machine eg., Compressor
  • the thermal energy of supplied steam is converted into mechanical work by means of the turbine rotor rotatably mounted in a steam turbine housing.
  • control of the electric field as a function of a measured rotational speed of the shaft and / or other Radio ⁇ meter of the technical device, eg. B. vibration amplitudes.
  • the inventively provided control means may as ⁇ ago z. B. form part of an already provided for controlling the technical device control device or represent one of several functionalities of such a control device.
  • the present invention also relates to a method for operating a technical device, which is equipped with (at least) a pivot bearing device of the type described above, wherein the operating method comprises a control of components of the technical device, wherein according to the invention in particular the generation of at least one electrical ⁇ rule field is provided in the region of the bearing gap of the rotary bearing device.
  • stepless ⁇ A position of the field strength of the electric field takes place in a certain operating mode.
  • at least one operating mode is provided in which the generation of the electric field is provided with varying field strength viewed in the axial direction.
  • an operating mode is provided at least, in which takes place the generation of the electric field in dependence on a measured rotational speed of the shaft and / or other operating Para ⁇ meter of the technical device.
  • this is used to control the operation of a steam turbine, wherein the rotary bearing device can be provided in particular for the rotary mounting of a turbine rotor of the steam turbine.
  • FIG. 1 shows a cross section of a rotary bearing for a turbo ⁇ turbine runner in a steam turbine
  • Fig. 2 shows a longitudinal section in the region of a bearing bushing arrangement of the pivot bearing of Fig. 1
  • FIG. 3 shows a longitudinal section similar to FIG. 2, but for a modified embodiment, in a first operating mode
  • Fig. 4 is a longitudinal section corresponding to Fig. 3, but shown for a second mode of operation
  • Fig. 5 shows a cross section of a pivot bearing according to another embodiment
  • FIG. 6 is a block diagram of a steam turbine plant.
  • Fig. 1 illustrates a pivot bearing 10 for pivotally mounting a shaft 12, which in the example shown is the (a horizontal axis of rotation having) turbine rotor of a steam turbine.
  • the rotary bearing 10 arranged in the steam turbine system comprises a bearing bush arrangement 14, which is symbolized in FIG. 1 as composed of four bearing bush segments 14-1 to 14-4.
  • Such in the circumferential direction at one or more locations divided bushings are in particular at pivot bearings for a turbine rotor of a steam engine in use to the turbine rotor z.
  • B. to be able to lift out of its storage in the turbine housing for maintenance after removal of an upper turbine housing part and the or the upper bearing bush segments up.
  • the bearing bush arrangement 14 serves to receive a section 16 of the shaft 12, wherein bearing bush segments 14-1, 14-2, 14-3 and 14-4 and On the other hand, the shaft portion 16, a bearing gap 22 is present, which with an electrorheological bearing fluid 24 (here:
  • Electrorheological fluid based on oil is filled.
  • the bearing bush segments 14-1 to 14-4 are made of a conductive metallic material elekt ⁇ driven such. B. stainless steel.
  • the individual ⁇ nen bearing surface parts 18-1 to 18-4 put together to form a total zy ⁇ - cylindrical bearing surface 18 of the bearing bush assembly 14.
  • the bearing surface 20 on the part of the shaft portion 16 is in contrast formed by a cylindrical outer surface of the diameter, for example, about 1.0 to 2.0 parts per thousand smaller shaft portion 16.
  • the diameter of the shaft portion 16 z. B. some 100 mm, wherein the width of the bearing gap 22 may be on the order of about 0.5 mm or smaller.
  • the unte ⁇ ren bushing segments 14-2 and 14-3 are received in a lower turbine housing part 28th
  • the metallic and / or electrically conductive bearing bush segments 14-1 to 14-4 serve in the illustrated embodiment both to provide the bearing surfaces 18-1 to 18-4 (by the inner peripheral surface of the Lagerbuchsenseg ⁇ elements) and as a source of an electric field, which in Area of the bearing gap 22, this enforcing in the radial direction, can be applied to the electrorheological bearing fluid 24.
  • the bearing bush segments 14-1 to 14-4 are acted upon by suitable line arrangements with a control voltage Us, which is generated or output by a control unit ST as required.
  • the control voltage Us is in this case related to an electrical ground GND which, as in FIG. 1, symbolizes via a suitable line arrangement and z.
  • an electrical contact brush 29 is applied to the formed of metallic solid material shaft 12.
  • the control unit ST has provided for the operation of the entire system (here: steam turbine) provided functionalities.
  • the control unit ST are supplied to a number of input signals (z. B. operation control signals, sensor signals, etc.) for this purpose, based on which the control unit ST, examples For example, program-controlled, generates a plurality of Trustsig ⁇ nals, in particular the mentioned control voltage Us for acting on the pivot bearing 10 with this control voltage Us and thus controlled adjustment of flow behavior, in particular the viscosity of the electrorheological bearing fluid 24.
  • the other, from the control unit ST From ⁇ given signals can z. B. control signals for controlling steam valves and other electrically controllable plant components of the steam turbine.
  • FIG. ST is formed in the illustrated embodiment for outputting a DC voltage which is infinitely adjustable between 0 V and a few 10 2 to about 10 3 V.
  • Fig. 2 shows the pivot bearing 10 in a longitudinal section. In a viewed in the axial direction middle portion of the bearing bushing assembly 14 inlet openings 30 are arranged, via which, if necessary, bearing fluid into the bearing gap 22 can be ⁇ introduced .
  • suitable seals may be arranged at the two axial ends of the pivot bearing 10.
  • suitable seals eg shaft seals
  • the bearing fluid in the axial direction occurs after a Druchströmung of Lagerspal ⁇ tes 22 (see FIG. In FIG. 2 drawn arrows) at the axial ends of, is absorbed there or collected and (not shown) in a bearing fluid circuit by means of a pump means via the inlet openings 30 returned back to the bearing gap 22.
  • the advantage of lower Reibungsverluse eg., By the shaft sealing rings ⁇
  • has such a bearing fluid circulation as required or continuously
  • the advantage that heat losses from the pivot bearing 10 can be removed.
  • the properties of the pivot bearing 10 are mainly used by its geometry and the properties of the
  • Lubricant here the electrorheological fluid 24 determines. In conventional journal bearings, these properties can not be varied to the temperature dependence of the flow properties ⁇ properties, in particular the viscosity of the lubricant during operation. Due to the inventive use of an electrorheological fluid, however, the dynamic viscosity of the lubricant can be changed in a controlled manner during the Betrie ⁇ esp.
  • a variable dynamic viscosity of the bearing fluid 20 can be generated by demand-based application of the control voltage Us between the bearing bush arrangement 14 and the shaft 12.
  • the variable dynamic viscosity of the bearing fluid 20 in particular, the carrying capacity of the sliding bearing 10 in dependence on a rotational speed Speed or speed of the shaft 12 can be adjusted.
  • the tendency of z. Aufzu ⁇ have a lower viscosity as bearing fluids prepared on the basis of an oil with increasing temperature can be accomplished by applying the control voltage Us and ER- heights such control voltage to be counteracted, the
  • a further advantage of the use according to the invention of an electrorheological bearing fluid 24 is the possibility of slowing down the shaft 12 or a system component carried thereby by a specific increase in the viscosity.
  • This can be z. B. at a steam turbine for emergency shutdown z. B. be used in a so-called "quick closure".
  • an electric field having viewed in the axial direction gleichzeßi ⁇ ger field strength is generated.
  • the field source and the field sink are ⁇ formed by concentric cylindrical surfaces (bearing surfaces 18 and 20).
  • a bushing assembly 14a is formed by a series of axially spaced, electrically isolated and coaxially disposed bushing portions 14a-1, 14a-2 and 14a-3.
  • Each of these axial sections can be composed as a one-piece bearing bush ring or, as already explained for the example according to FIGS. 1 and 2, of a plurality of circumferential segments.
  • Pairwise adjacent bearing bush sections 14a-l to 14a-3 are connected to each other via an electrical insulating ⁇ disc 40a-l or 40a-2 (also je ⁇ Weil composed of several segments). These insulating discs 40a-l and 40a-2 are arranged coaxially to the Lagerbuchsenab ⁇ sections 14a-l to 14a-3, seal these gegenein ⁇ other and isolate them electrically from each other.
  • the illustrated design of the sliding bearing 10a formed in the axial direction from a plurality of "functional areas" opens up the possibility of generating different electric fields at different axial locations.
  • a control unit ST three independently adjustable control voltages Usl, Us2 and Us3 are generated which provided are as ⁇ are applied to the respective axial portions 14a-l, 14a-2 and 14a-3, wherein each of the voltages Usl and Us3 is greater than the voltage Us2.
  • this results in the viscosity of the electro-rheological bearing fluid 24a being increased in the region of the two axial ends of the sliding bearing 10a in comparison with the viscosity present in the central region.
  • This will sem operating mode advantageously a certain axial barrier ⁇ effect created by the sections 14a-l and 14a-3, wel ⁇ che counteracts an axial outlet of bearing fluid 24a from the bearing ⁇ gap 22a out.
  • This can z. B. advantageously the need for bearing fluid 24a, which is about the inlet openings 30a in the bearing gap 22a in to introduce or refill, can be reduced.
  • the same sliding bearing 10a can also be controlled so that it corresponds to the plain bearing 10 already described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • This second mode of operation can in particular z. B. are used for braking the shaft 12a.
  • Fig. 5 illustrates a further modification to the already described above with reference to FIGS. 1 and 2 ⁇ execution form.
  • bearing bush segments 14b-1 to 14b-4 are each made of a composite of an electrically insulating material (eg synthetic resin) with field plates 50b-1 to 50b-4 (electrically conductive , made of metal, for example).
  • electrically insulating material eg synthetic resin
  • field plates 50b-1 to 50b-4 electrically conductive , made of metal, for example
  • the structure of the pivot bearing 10b corresponds to that according to FIGS. 1 and 2.
  • the peculiarities described with reference to FIGS. 3 and 4 could also be used in the pivot bearing 10b.
  • the field plates 50b-1 to 50b-4 act as field source or sink.
  • this field ⁇ plates can be optimized for this function (z. B. in form design) this field ⁇ plates.
  • Fig. 6 illustrates a steam turbine 60c with a Turbi ⁇ nenexroomr 12c (with arranged thereon “blades”) arranged in a turbine housing 26c, 28c (arranged with therein “guide vanes”) by means of two in each case according to the invention from ⁇ formed pivot bearing 10c-l and 10c -2 is recorded.
  • the operation of the steam turbine 60c is controlled by an operation ⁇ controller 62c, which for this purpose which therefrom s3 outputs in various per se known type sensor ⁇ signals are input from the steam turbine 60c s2 manipulation control signals sl and, and various control signals for controlling a plurality of system components.
  • the functionalities of the operation control device 62c may in particular also extend to the activation of a transmission 64c and / or an electric generator 66c.
  • the output signals s3 are also required for driving the pivot bearing 10c-l and 10c-2 drive voltages (one or more voltages per Drehla ⁇ ger).
  • the operation controller 62c shown thus has functionality as part of the function of the "control unit ST" already described abovelesbei play ⁇ .
  • the He ⁇ generation of the electric field in dependence on a measured rotational speed of the turbine runner 12c and / or other operating parameters (eg. As measured in the region of the pivot bearing Temperature) provided.
  • Corresponding sensor signals (or gebil ⁇ finished based on an evaluation of such sensor signals detection signals) are used as part of the signals S2 to the operation control means 62c supplied.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Drehlagerung einer Welle (12), insbesondere eines Turbinenläufers, umfassend eine Lagerbuchsenanordnung (14) zur Aufnahme eines Abschnittes (16) der Welle (12), wobei zwischen einander zugewandten Lagerflächen (18, 20) einerseits der Lagerbuchsenanordnung (14) und andererseits des Wellenabschnittes (16) ein Lagerspalt (22) vorhanden ist, der mit einem Lagerfluid (24) gefüllt ist. Erfindungsgemäß ist das Lagerfluid (24) ein elektrorheologisches Fluid und umfasst die Vorrichtung ferner Steuermittel (ST, 14, 16) zum Erzeugen wenigstens eines elektrischen Feldes im Bereich des Lagerspaltes (22). Bei der Drehlagerung z. B. eines Turbinenläufers einer Dampfturbine ist es damit vorteilhaft möglich, die Tragfähigkeit, die benötigte Schmiermittelmenge sowie obere und untere Betriebsgrenzen (z. B. maximale und minimale Drehzahl) im Betrieb zu beeinflussen.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Drehlagerung einer Welle, insbesondere zur Verwendung in einer Dampfturbine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehlagervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zur Dreh¬ lagerung des Turbinenläufers einer Dampfturbine. Ferner be¬ trifft die Erfindung eine mit einer derartigen Drehlagervor- richtung ausgestattete technische Einrichtung (z. B. Dampfturbine) bzw. die Verwendung der Vorrichtung für eine technische Einrichtung.
Drehlagervorrichtungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind beispielsweise im Bereich der Computertechnik zur Drehlagerung einer magnetischen Speicherplatte bekannt ("Spei¬ cherplattenlaufwerk"), vgl. z. B. DE 20 2005 000 155 Ul .
Bei einer Drehlagervorrichtung dieser Art ist ein Abschnitt der zu lagernden Welle in einer Lagerbuchsenanordnung aufgenommen. Zwischen einander zugewandten Lagerflächen einerseits einer Lagerbuchsenanordnung und andererseits des Wellenab¬ schnittes befindet sich ein Lagerspalt. Der Lagerspalt zwi¬ schen den einander zugewandten Lagerflächen ist mit einem La- gerfluid (z. B. Öl) gefüllt. Bei derartigen Drehlagervorrichtungen, die auch als "fluiddynamische Gleitlager" bezeichnet werden, kann bei Relativdrehung zwischen Welle und Lagerbuchsenanordnung vorteilhaft eine gewisse SelbstZentrierung bzw. Selbstpositionierung der Welle sowie ein ruhiger und rei- bungs- bzw. verschleißarmer Lauf erzielt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehla¬ gerung der gattungsgemäßen Art hinsichtlich ihrer Gebrauchseigenschaften weiter zu verbessern, um insbesondere eine Ver- wendung auch in bislang nicht angedachten Anwendungsbereichen zu ermöglichen bzw. besondere Vorteile bei einem Einsatz der Drehlagerung in den betreffenden technischen Einrichtungen zu erzielen . Die erfindungsgemäße Drehlagervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerfluid ein elektrorheologisches Fluid ist und die Vorrichtung ferner Steuermittel zum Erzeugen we- nigstens eines elektrischen Feldes im Bereich des Lagerspal¬ tes umfasst.
Ein elektrorheologisches Fluid besitzt ein Fließverhalten, welches durch ein angelegtes elektrisches Feld veränderbar ist. Derartige Fluide, beispielsweise auf Basis eines Öls (z. B. Silikonöl oder Mineralöl) sind an sich bekannt und kommer¬ ziell erhältlich. Vorteilhaft kann daher im Rahmen der Erfindung auf im Handel erhältliche elektrorheologische Fluide, insbesondere elektrorheologische Flüssigkeiten auf Basis ei- nes Öls zurückgegriffen werden.
Bei den bekannten elektrorheologischen Fluiden vergrößert sich deren Viskosität bei steigender Feldstärke des elektrischen Feldes. Bei Fluiden mit darin dispergierten, polari- sierbaren Partikeln wird als Wirkmechanismus hierfür zumeist eine Art von Kettenbildung der Partikel entlang der elektrischen Feldlinien vermutet.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit vorteil- haft möglich, die Viskosität bzw. dynamische Viskosität des im Lagerspalt vorhandenen Lagerfluids mittels der Steuermit¬ tel zum Erzeugen eines elektrischen Feldes im Lagerspalt ge¬ zielt zu steuern. Die daraus sich wiederum ergebenden Vorteile im Betrieb des Drehlagers bzw. einer mit einem solchen Drehlager ausgestatten technischen Einrichtung sind vielfältig und werden weiter unten noch erläutert.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuermittel dazu ausgebildet sind, das elektrische Feld in Radial- richtung zwischen Lagerbuchsenanordnung und Wellenabschnitt verlaufend zu erzeugen. Dies ist für viele Anwendungsbereiche eine konstruktiv besonders einfache Realisierung, bei welcher die ohnehin vorhandene Lagerbuchsenanordnung (oder ein Teil davon) und der ohnehin vorhandene Wellenabschnitt (oder ein Teil davon) als Quelle bzw. Senke des elektrischen Feldes ge¬ nutzt werden können. Hierzu ist lediglich eine elektrische Steuerspannung zwischen Lagerbuchsenanordnung und Wellenab- schnitt (bzw. betreffenden Teilen davon) anzulegen.
Die bei der Erzeugung eines in Radialrichtung verlaufenden elektrischen Feldes vorgesehenen Feldquellen bzw. -senken können z. B. von Oberflächen (Lagerflächen) oder Oberflächen- abschnitten der Lagerbuchsenanordnung bzw. des Wellenabschnittes gebildet sein. So kann insbesondere vorgesehen sein, dass das elektrische Feld von der Lagerfläche (oder ei¬ nem Abschnitt davon) der Lagerbuchsenanordnung ausgeht bzw. an dieser Stelle endet. Alternativ kann das elektrische Feld von einer Fläche im Inneren der Lagerbuchsenanordnung ausgehen bzw. an dieser ("vergrabenen") Fläche enden. Hinsichtlich der Verwendung des Wellenabschnittes als Feldquelle bzw. - senke kann z. B. vorgesehen sein, dass das elektrische Feld von der Lagerfläche (oder einem Abschnitt davon) des Wellen- abschnittes ausgeht bzw. an dieser Lagerfläche endet. Alter¬ nativ kann das elektrische Feld von einer Fläche im Inneren des Wellenabschnittes ausgehen bzw. an dieser inneren Fläche enden . Falls die Lagerbuchsenanordnung z. B. aus einem metallischen (oder jedenfalls elektrisch leitfähigen) "Vollmaterial" be¬ steht, sei es z. B. ein einstückig zusammenhängender Lagerring oder ein aus mehreren Segmenten zusammengefügter Lagering, so fungiert dessen an den Lagerspalt angrenzende Ober- fläche (Lagerfläche) als Feldquelle bzw. -senke.
Demgegenüber ist die Realisierung einer Feldquelle bzw. - senke im Inneren einer Lagerbuchsenanordnung, z. B. einem einstückig zusammenhängenden oder aus mehreren Segmenten zu- sammengesetzten Ring, dadurch realisierbar, dass ein "Verbundmaterial" verwendet wird, welches wenigstens eine elekt¬ risch leitfähige Materialkomponente (als Feldquelle bzw. - senke) im Inneren der Lagerbuchsenanordnung sowie wenigstens eine dielektrische Materialkomponente (z. B. aus Kunststoff oder Keramik) benachbart dazu und z. B. bis zur Lagerfläche hin reichend umfasst. Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lagerfläche (oder zumindest ein Teil davon) der Lagerbuchsenanord¬ nung und/oder die Lagerfläche (oder zumindest ein Teil davon) des darin aufgenommenen Wellenabschnittes aus einem elekt¬ risch leitenden Metall bzw. einer Metalllegierung (z. B.
Stahl) gebildet ist.
Alternativ oder zusätzlich kann jede dieser Lagerflächen (oder wenigstens ein Teil davon) z. B. aus Kunststoff (elekt¬ risch isolierend oder elektrisch leitend) oder Keramik gebil- det sein.
Die obige Erläuterung verschiedener Möglichkeiten der Anordnung von Feldquellen bzw. -senken sowie in diesem Zusammenhang vorteilhafter Materialien und Materialkombinationen gilt insbesondere für Drehlagervorrichtungen, deren im Querschnitt betrachtete Gestaltung sich über die axiale Länge der Vor¬ richtung nicht oder nicht wesentlich ändert. Ein Beispiel hierfür ist die Drehlagerung eines zylindrischen (oder konischen) Wellenabschnittes in einer hohlzylindrischen (bzw. hohlkonischen), ein- oder mehrsegmentigen Lagerbuchse.
Im Rahmen der Erfindung sind jedoch insbesondere auch Gestaltungen der Drehlagervorrichtung interessant, welche in Axialrichtung betrachtet zwei oder mehr voneinander abgrenzbare "Funktionsbereiche" aufweisen.
So ist gemäß einer Ausführungsform beispielsweise vorgesehen, dass die Lagerbuchsenanordnung eine Reihe von in Axialrichtung voneinander beabstandeten, elektrisch voneinander iso- Herten und koaxial zueinander angeordneten Lagerbuchsenabschnitten umfasst. Für jeden Lagerbuchsenabschnitt einer sol¬ chen axialen Reihe können jeweils wieder die oben bereits erläuterten Ausführungen und Gestaltungen vorgesehen sein. Die elektrische Isolation zwischen den einzelnen Lagerbuchsenabschnitten ermöglicht in einfacher Weise eine voneinander unabhängige Ansteuerung der einzelnen Lagerbuchsenabschnitte. Daraus wiederum sich ergebende Vorteile werden weiter unten noch erläutert.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Paar von in Axialrichtung einander benachbarten Lagerbuchsenabschnitten über eine elektrische Isolierschicht (z. B. aus Kunststoff, Keramik etc.) miteinander verbunden sind. Die elektrische Isolierschicht kann hierbei vorteilhaft auch für eine Ab¬ dichtwirkung für das Lagerfluid genutzt werden, um einen radialen Austritt des Lagerfluides an der Übergangsstelle zwi- sehen den axial einander benachbarten Lagerbuchsenabschnitten zu reduzieren.
Alternativ zur elektrischen Isolierschicht kann die elektrische Isolation zwischen den axial einander benachbarten La- gerbuchsenabschnitten auch dadurch realisiert sein, dass zwischen den Lagerbuchsenabschnitten ein (axialer) Spalt verbleibt. Ein derartiger Spalt kann dann zusätzlich als eine Passage zum Einbringen oder Ausbringen von Lagerfluid in bzw. aus dem Lagerspalt dienen, z. B. falls das Lagerfluid in der Drehlagervorrichtung umgewälzt werden soll.
Diesbezüglich ist anzumerken, dass gemäß einer insbesondere für mechanisch höher belastete Drehlagervorrichtungen bevorzugten Ausführungsform ohnehin vorgesehen ist, dass eine be- darfsweise oder kontinuierliche Einbringung von Lagerfluid in den Lagerspalt stattfindet.
Beispielsweise kann bei einem Drehlager mit horizontaler Drehachse eine zwangsweise (mit mehr oder weniger Druck er- folgende) Einbringung von Lagerfluid in den Lagerspalt zweck¬ mäßig sein, um vor einem Beginn der Drehbewegung den zuvor schwerkraftbedingt auf die untere Scheitelstelle der lager- buchsenseitigen Lagerfläche abgesunkenen Wellenabschnitt anzuheben .
Auch kann während der Drehbewegung eine Umwälzung des La- gerfluides (in einem Kreislauf) zweckmäßig sein, bei welcher das Lagerfluid den Lagerspalt in definierter Weise durch¬ strömt, etwa um im Betrieb des Drehlagers entstehende Ver¬ lustwärme abzuführen und/oder die Aufrechterhaltung eines ordnungsgemäßen "Schmierfilmes" im Lagerspalt sicherzustel- len.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Eintritts- bzw. Austrittspassage für das Lagerfluid, welche durch einen axialen Spalt zwischen einander benachbarten Lagerbuchsenabschnitten gebildet ist, kommen auch geeignete Radialbohrungen in einer Lagerbuchse bzw. einem Lagerbuchsenabschnitt und/oder dem Wellenabschnitt in Betracht, welche in den Lagerspalt münden, um die Zufuhr bzw. Abfuhr von Lagerfluid zu ermöglichen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuermittel für eine stufenlose Einstellung der Feld¬ stärke des elektrischen Feldes geeignet ausgebildet sind, al¬ so z. B. wenigstens eine Steuerspannungsquelle mit stufenlos einstellbarer Ausgangsspannung (Steuerspannung) aufweisen. Eine oder mehrere Steuerspannungen, die jeweils einfach ein- und ausschaltbar oder stufenlos über einen vorbestimmten Spannungsbereich einstellbar sind, können über eine geeignete Leitungsanordnung an diejenigen Teile der Drehlagervorrichtung angelegt werden, welche als Feldquellen und -senken fun- gieren.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuermittel in wenigstens einem Betriebsmodus die Erzeugung des elektrischen Feldes mit in Axialrichtung betrachtet variie- render Feldstärke vorsehen. Um dies zu realisieren, kann beispielsweise der oben bereits erläuterte Aufbau mit einer Rei¬ he von in Axialrichtung voneinander beabstandeten, elektrisch voneinander isolierten und koaxial zueinander angeordneten Lagerbuchsenabschnitten vorgesehen sein. Die damit ermöglichte unabhängige Steuerung mehrerer verschiedener elektrischer Felder (entsprechend der Mehrzahl von aneinander gereihten Lagerbuchsenabschnitten) gestattet eine solche Variation der Feldstärke über die axiale Länge der Vorrichtung.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine (z. B. mittels wenigstens einer Fluidpumpe realisierte) Lagerflu- idumwälzung vorgesehen, bei welcher das Lagerfluid im Lager- spalt in Axialrichtung strömt, wobei an dem (oder wenigstens einem) axialen Ende dieser Strömung eine im Vergleich zu einem mittleren Strömungsabschnitt relativ große Feldstärke des elektrischen Feldes vorgesehen ist. Bedingt durch die somit auch vergleichsweise große Viskosität des Lagerfluids an die- sem axialen Ende wird eine "Strömungsbarriere" geschaffen, durch welche beispielsweise die Anforderungen an die Leis¬ tungsfähigkeit von Fluidförderkomponenten verringert werden, die zum Einbringen und/oder Umwälzen des Lagerfluides eingesetzt werden.
In einer spezielleren Ausführungsform umfasst die Lagerbuchsenanordnung wenigstens drei in Axialrichtung voneinander beabstandete, elektrisch voneinander isolierte und koaxial zueinander angeordnete Lagerbuchsenabschnitte, wobei die bei- den axial äußeren Lagerbuchsenabschnitte bevorzugt jeweils eine kleinere axiale Länge als der dazwischen liegende (mitt¬ lere) Lagerbuchsenabschnitt aufweisen, und wobei die Steuer¬ mittel in wenigstens einem Betriebsmodus die Erzeugung von vergleichsweise hohen elektrischen Feldstärken im Bereich der äußeren Abschnitte (im Vergleich zum mittleren Abschnitt) vorsehen. Damit ergibt sich vorteilhaft eine axial beideren- dige Strömungsbarriere gegen einen axialen Austritt des La¬ gerfluides. Bei einer derartigen Vorrichtung können z. B. eine oder mehrere Eintrittspassagen in einem axial mittleren Bereich des mittleren Lagerbuchsenabschnittes angeordnet sein, so dass ausgehend von dieser axialen Eintrittsstelle eine axiale Strömung des Lagerfluids in einander entgegenge¬ setzte Richtungen (zu den beiden Fluidbarrieren hin) erfolgt. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuermittel in wenigstens einem Betriebsmodus die Erzeugung des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von einer gemessenen Drehgeschwindigkeit der Welle und/oder anderer Betriebspara¬ meter einer die Vorrichtung beinhaltenden technischen Einrichtung vorsehen.
Durch Steuerung der elektrischen Felderzeugung in Abhängig- keit von der gemessenen Drehgeschwindigkeit (z. B. Drehzahl, Drehwinkelgeschwindigkeit etc.) kann bei betriebsmäßig vari¬ ierender Drehgeschwindigkeit eine Anpassung bzw. Optimierung der Tragfunktion und Schmierfunktion des Lagerfluids über einen relativ großen Drehgeschwindigkeitsbereich erfolgen.
Für einen geringen Verschleiß ist es von Vorteil, wenn mit dem im Lagerspalt befindlichen Lagerfluid ein flächig ausgedehnter Schmierfilm bereitgestellt wird, so dass ein Ver¬ schleiß der Lagerflächen durch unmittelbare Festkörperreibung vermieden wird. Der Schmierfilm sollte die minimale Schmierfilmdicke nicht unterschreiten, wie dies bei herkömmlichen Gleitlagern mit Schmierölen bei Überschreitung bestimmter "Betriebsgrenzen" (z. B. hinsichtlich Drehzahl, Temperatur etc.) passieren kann.
Hierzu ein Beispiel: Bei der Drehlagerung eines horizontal sich erstreckenden Turbinenläufers einer Dampfturbine kann es bei besonderes großen Drehzahlen abgesehen von dem Problem einer Überhitzung des Schmiermittels insbesondere auch zu ei- nem unzulässigen Druckaufbau im Schmiermittel kommen, wodurch die minimale Schmierfilmdicke unterschritten werden kann. Andererseits kann auch eine zu niedrige Drehzahl bzw. ein Anfahren des Turbinenläufers nach einem Stillstand problema¬ tisch sein. Bei niedrigen Drehzahlen kann es passieren, dass im unteren Scheitelbereich des Drehlagers nicht genügend
Schmiermitteldruck aufgebaut wird, um einen direkten Festkörperkontakt der Lagerflächen einerseits des Turbinenläufers und andererseits der Lagerbuchsenanordnung zuverlässig zu vermeiden .
Insofern ist es bei Verwendung von herkömmlichen Lagerfluiden insbesondere bei mechanisch höher belasteten Drehlagervorrichtungen schwierig, auch bei betriebsmäßig variierenden Drehgeschwindigkeiten stets eine hohe Tragfähigkeit und gleichzeitig eine gute Schmierwirkung aufrechtzuerhalten. Bei herkömmlichen Schmiermitteln ist die Viskosität eine
Funktion der Temperatur, die sich wiederum drehgeschwindig- keitsabhängig ändern kann. Bei nicht-newtonschen Fluiden kommt ein zeit- und/oder schergeschwindigkeitsabhängiges Ver¬ halten hinzu. Letzteres gilt in der Regel auch für gängige, im Rahmen der Erfindung verwendbare elektrorheologische La- gerfluide. Vorteilhaft können jedoch solche vom Betriebszu¬ stand (insbesondere Drehgeschwindigkeit und/oder Temperatur) abhängige Effekte durch entsprechende aktive Steuerung des elektrischen Feldes in gewünschter Weise beeinflusst werden. Damit kann insbesondere eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften des Drehlagersystems (z. B. Dämpfung) über einen weiten Bereich von Betriebszuständen der betreffenden technischen Einrichtung erzielt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Drehlagervorrichtung bzw. derer Steuermittel besteht beispielsweise darin, dass die Drehlagervorrichtung auch zum gesteuerten Bremsen der Drehbewegung der Welle genutzt werden kann, indem die Viskosität des elektrorheologischen Lagerflu- ides in gesteuerter Weise, in einem für die gewünschte Brems¬ wirkung geeigneten Ausmaß, erhöht wird.
Vor diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung in einem weiteren Aspekt auch eine technische Einrichtung, um- fassend eine Drehlagervorrichtung der oben beschriebenen Art, zur Drehlagerung einer Welle der technischen Einrichtung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um eine technische Einrichtung, bei welcher die Drehachse der erfindungsgemäß gelagerten Welle nicht-vertikal, insbesondere im Wesentlichen horizontal verläuft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der drehgelagerte Wellenabschnitt einen Durchmesser (ggf., bei nicht¬ zylindrischer Formgestaltung, maximalen Durchmesser) von mehr als 50 mm, insbesondere mehr als 100 mm.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der technischen Einrichtung um eine Dampfturbine, bei welcher die Drehlagervorrichtung zur Drehlagerung eines Turbinenläufers oder einer anderen Welle im Drehbewegungspfad der Dampfturbine, beispielsweise einer direkt oder indirekt (z. B. über ein Getriebe) mit der Turbinenläuferwelle gekop¬ pelten Welle.
Die Dampfturbine kann z. B. in einer Kraftwerksanlage oder einer Industrieanlage zum Antrieb eines elektrischen Genera¬ tors oder einer Arbeitsmaschine (z. B. Kompressor) vorgesehen sein. Bei derartigen Dampfturbinen wird die thermische Energie von zugeführtem Dampf mittels des in einem Dampfturbinen- gehäuse drehbar gelagerten Turbinenläufers in mechanische Ar- beit umgewandelt. Der an wenigsten einem hochdruckseitigen
Dampfeinlass in das Turbinengehäuse einströmende Dampf treibt den üblicherweise mit einer Vielzahl von Laufschaufeln ausgestatteten Turbinenläufer bei der axialen Durchströmung des Turbinengehäuses an und tritt an wenigstens einem nieder- druckseitigen Dampfauslass wieder aus.
Insbesondere die Drehlagerung derart groß dimensionierter Wellen (z. B. mit einem Lagerzapfendurchmesser von mehr als 100 mm, insbesondere mehr als 200 mm im Bereich des in der Lagerbuchsenanordnung aufzunehmenden Wellenabschnittes) stellt hohe Anforderungen an die Tragfähigkeit (Dämpfungsei¬ genschaften) sowie an geringe Reibungsverluste, so dass eine Drehlagervorrichtung der oben beschriebenen Art in derartigen Verwendungen besonders vorteilhaft ist.
Dies gilt insbesondere, wenn die Steuerung der Drehlagervor- richtung durch entsprechend gesteuerte Erzeugung des wenigs¬ tens einen elektrischen Feldes im Bereich des Lagerspaltes im Zusammenhang mit der Steuerung anderer Einrichtungskomponenten der betreffenden technischen Einrichtung (z. B. Dampfturbine bzw. Dampfturbinenanlage) erfolgt.
Ein Beispiel hierfür ist die oben bereits erwähnte Steuerung des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von einer gemessenen Drehgeschwindigkeit der Welle und/oder anderer Betriebspara¬ meter der technischen Einrichtung, z. B. Schwingungsamplitu- den. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Steuermittel können da¬ her z. B. einen Teil einer ohnehin zur Steuerung der technischen Einrichtung vorgesehenen Steuereinrichtung bilden bzw. eine von mehreren Funktionalitäten einer solchen Steuereinrichtung darstellen.
Vor diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung in einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zum Betrieb einer technischen Einrichtung, welche mit (wenigstens) einer Drehlagervorrichtung der oben beschriebenen Art ausgestattet ist, wobei das Betriebsverfahren eine Steuerung von Komponenten der technischen Einrichtung umfasst, wobei erfindungsgemäß insbesondere auch die Erzeugung des wenigstens einen elektri¬ schen Feldes im Bereich des Lagerspaltes der Drehlagervorrichtung vorgesehen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Betriebsverfahrens erfolgt in einem bestimmten Betriebsmodus eine stufenlose Ein¬ stellung der Feldstärke des elektrischen Feldes. Gemäß einer Ausführung des Betriebsverfahrens ist wenigstens ein Betriebsmodus vorgesehen, in welchem die Erzeugung des elektrischen Feldes mit in Axialrichtung betrachtet variierender Feldstärke vorgesehen ist. Gemäß einer Ausführung des Betriebsverfahrens ist wenigstens ein Betriebsmodus vorgesehen, in welchem die Erzeugung des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von einer gemessenen Drehgeschwindigkeit der Welle und/oder anderer Betriebspara¬ meter der technischen Einrichtung erfolgt.
Gemäß einer Ausführung des Betriebsverfahrens wird dieses zur Steuerung des Betriebes einer Dampfturbine verwendet, wobei die Drehlagervorrichtung insbesondere zur Drehlagerung eines Turbinenläufers der Dampfturbine vorgesehen sein kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei¬ spielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter be- schrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Drehlagers für einen Tur¬ binenläufer in einer Dampfturbine, Fig. 2 einen Längsschnitt im Bereich einer Lagerbuchsenanordnung des Drehlagers von Fig. 1,
Fig. 3 einen Längsschnitt ähnlich der Fig. 2, jedoch für eine modifizierte Ausführungsform, in einem ers- ten Betriebsmodus,
Fig. 4 einen Längsschnitt entsprechend Fig. 3, jedoch dargestellt für einen zweiten Betriebsmodus, Fig. 5 einen Querschnitt eines Drehlagers gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, und
Fig. 6 ein Blockdiagramm einer Dampfturbinenanlage . Fig. 1 veranschaulicht ein Drehlager 10 zur Drehlagerung einer Welle 12, bei der es sich im dargestellten Beispiel um den (eine horizontale Drehachse aufweisenden) Turbinenläufer einer Dampfturbine handelt. Das in der Dampfturbinenanlage angeordnete Drehlager 10 um- fasst eine Lagerbuchsenanordnung 14, die in Fig. 1 als aus vier Lagerbuchsensegmenten 14-1 bis 14-4 zusammengesetzt sym- bolisiert ist. Derartig in Umfangsrichtung an einer oder mehreren Stellen geteilte Lagerbuchsen sind insbesondere bei Drehlagern für einen Turbinenläufer einer Dampfmaschine gebräuchlich, um den Turbinenläufer z. B. für Wartungsarbeiten nach Abnahme eines oberen Turbinengehäuseteils sowie des bzw. der oben liegenden Lagerbuchsensegmente nach oben aus seiner Lagerung im Turbinengehäuse herausheben zu können.
Die in Fig. 1 lediglich zur Veranschaulichung dargestellten Spalte zwischen einander benachbarten der Lagerbuchsensegmen- te 14-1 bis 14-4 sind tatsächlich nicht vorhanden bzw. abgedichtet .
Die Lagerbuchsenanordnung 14 dient zur Aufnahme eines Abschnittes 16 der Welle 12, wobei zwischen einander zugewand- ten Lagerflächen 18-1 bis 18-4 bzw. 20 einerseits der Lagerbuchsensegmente 14-1, 14-2, 14-3 bzw. 14-4 und andererseits des Wellenabschnittes 16 ein Lagerspalt 22 vorhanden ist, der mit einem elektrorheologischen Lagerfluid 24 (hier:
elektrorheologische Flüssigkeit auf Ölbasis) gefüllt ist.
Die Lagerbuchsensegmente 14-1 bis 14-4 sind aus einem elekt¬ risch leitenden metallischen Material wie z. B. Edelstahl gefertigt . Im dargestellten Ausführungsbeispiel setzen sich die einzel¬ nen Lagerflächenteile 18-1 bis 18-4 zu einer insgesamt zy¬ lindrischen Lagerfläche 18 der Lagerbuchsenanordnung 14 zusammen. Die Lagerfläche 20 seitens des Wellenabschnittes 16 wird demgegenüber von einer zylindrischen Außenoberfläche des im Durchmesser beispielsweise um etwa 1,0 bis 2,0 Promille kleineren Wellenabschnittes 16 gebildet. Für die dargestellte Anwendung der Drehlagerung eines Turbinenläufers einer Dampfturbine kann der Durchmesser des Wellenabschnittes 16 z. B. einige 100 mm betragen, wobei die Breite des Lagerspaltes 22 etwa in der Größenordnung von ca. 0,5 mm oder kleiner liegen kann . Die in Fig. 1 oberen Lagerbuchsensegmente 14-1 und 14-4 sind in einem oberen Turbinengehäuseteil 26 aufgenommen. Die unte¬ ren Lagerbuchsensegmente 14-2 und 14-3 sind in einem unteren Turbinengehäuseteil 28 aufgenommen. Die metallischen und/oder elektrisch leitfähigen Lagerbuchsensegmente 14-1 bis 14-4 dienen im dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl zur Bereitstellung der Lagerflächen 18-1 bis 18-4 (durch die Innenumfangsfläche der Lagerbuchsenseg¬ mente) als auch als Quelle eines elektrischen Feldes, welches im Bereich des Lagerspaltes 22, diesen in Radialrichtung durchsetzend, am elektrorheologischen Lagerfluid 24 angelegt werden kann.
Hierzu werden die Lagerbuchsensegmente 14-1 bis 14-4 wie dar- gestellt über geeignete Leitungsanordnungen mit einer Steuerspannung Us beaufschlagt, welche bei Bedarf von einer Steuereinheit ST erzeugt bzw. ausgegeben wird. Die Steuerspannung Us ist hier auf eine elektrische Masse GND bezogen, welche wie in Fig. 1 symbolisiert über eine geeignete Leitungsanord- nung und z. B. eine elektrische Kontaktbürste 29 an die aus metallischem Vollmaterial gebildete Welle 12 angelegt ist.
Da auch die Turbinengehäuseteile 26, 28 mit elektrischer Mas¬ se (Erdpotential) verbunden sind, ist es erforderlich, dass die Lagerbuchsensegmente 14-1 bis 14-4 zur Vermeidung eines Kurzschlusses gegenüber den Gehäuseteilen 26, 28 geeignet isoliert sind (nicht dargestellt) .
Die Steuereinheit ST besitzt zum Betrieb des Gesamtsystems (hier: Dampfturbine) vorgesehene Funktionalitäten. Wie darge¬ stellt werden der Steuereinheit ST hierfür eine Reihe von Eingangssignalen (z. B. Betriebssteuersignale, Sensorsignale etc.) zugeführt, auf deren Basis die Steuereinheit ST, bei- spielsweise programmgesteuert, eine Vielzahl von Ausgangssig¬ nalen erzeugt, wie insbesondere die erwähnte Steuerspannung Us zur Beaufschlagung des Drehlagers 10 mit dieser Steuerspannung Us und somit gesteuerten Einstellung des Fließver- haltens, insbesondere der Viskosität des elektrorheologischen Lagerfluides 24. Die weiteren, von der Steuereinheit ST aus¬ gegebenen Signale können z. B. Steuersignale zur Ansteuerung von Dampfventilen und anderen elektrisch ansteuerbaren Anlagenkomponenten der Dampfturbine sein.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich aufgrund des im Wesentlichen rotationssymmetrischen Aufbaus des Drehlagers 10 ein über den gesamten Umfang den Lagerspalt 22 in Radialrichtung durchsetzendes elektrisches Feld, welches proportio- nal zur angelegten Steuerspannung Us ist. Die Steuereinheit
ST ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Ausgabe einer Gleichspannung ausgebildet, die stufenlos zwischen 0 V und einigen 102 bis etwa 103 V einstellbar ist. Fig. 2 zeigt das Drehlager 10 in einem Längsschnitt. In einem in Axialrichtung betrachtet mittleren Bereich der Lagerbuchsenanordnung 14 sind Eintrittsöffnungen 30 angeordnet, über welche bedarfsweise Lagerfluid in den Lagerspalt 22 einge¬ bracht werden kann. Wenn beispielsweise die Dampfturbine aus dem Stillstand hochgefahren werden soll, so empfiehlt sich insbesondere eine Zufuhr von Lagerfluid durch Eintrittsöff¬ nungen 30 im unteren Scheitelbereich des Lagerspaltes 22, um beim Anlaufen des Turbinenläufers zuverlässig einen schwer¬ kraftbedingten direkten Festkörperkontakt zwischen dem Wel- lenabschnitt 16 des Turbinenläufers und dem unteren Bereich der Lagerfläche 18 zu verhindern. Bereits in dieser Phase wird der Wellenabschnitt 16 vom umgebenden Lagerfluid "getra¬ gen". Nach dem Hochfahren, wenn der Turbinenläufer eine gewisse Drehgeschwindigkeit erreicht hat, so ist eine aktive Zufuhr von Lagerfluid zum hydrostatischen Schmierfilmaufbau entbehrlich. In dieser Phase kommt es aufgrund der Drehbewe¬ gung der Welle 12 zu einer Verteilung des Lagerfluides in Um- fangsrichtung, wobei sich auf Grund der Lagerbelastung sowie dynamischer Effekte eine über den Umfang verschieden starke Lagerfluidschicht einstellt (Schmierfilmdicke) . Im Bereich des unteren Scheitelpunktes wird durch die Drehbewegung der Welle 12 ein Druck des Lagerfluides 24 aufgebaut.
Um einem Verlust an Lagerfluid im Betrieb vorzubeugen bzw. diesen in definierter Weise zu begrenzen, können an den beiden axialen Enden des Drehlagers 10 geeignete Dichtungen (z. B. Wellendichtringe) angeordnet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist dies jedoch nicht der Fall. Vielmehr tritt das Lagerfluid nach einer Druchströmung des Lagerspal¬ tes 22 in Axialrichtung (vgl. in Fig. 2 eingezeichnete Pfeile) an den axialen Enden aus, wird dort aufgefangen bzw. aufgesammelt und in einem Lagerfluidkreislauf mittels einer Pumpeinrichtung (nicht dargestellt) über die Eintrittsöffnungen 30 wieder in den Lagerspalt 22 zurückgeführt. Neben dem Vorteil geringerer Reibungsverluse (z. B. durch Wellendicht¬ ringe) besitzt eine solche Lagerfluidumwälzung (bedarfsweise oder kontinuierlich) den Vorteil, dass damit Wärmeverluste aus dem Drehlager 10 abtransportiert werden.
Die Eigenschaften des Drehlagers 10 werden vorwiegend von dessen Geometrie und den Eigenschaften des verwendeten
Schmiermittels, hier des elektrorheologischen Fluides 24 be- stimmt. Bei konventionellen Gleitlagern können diese Eigenschaften bis auf die Temperaturabhängigkeit der Fließeigen¬ schaften, insbesondere der Viskosität des Schmiermittels im Betrieb nicht variiert werden. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines elektrorheologischen Fluides kann jedoch die dynamische Viskosität des Schmiermittels während des Betrie¬ bes in kontrollierter Weise verändert werden.
Vorteilhaft kann eine variable dynamische Viskosität des La- gerfluides 20 durch bedarfsgerechtes Anlegen der Steuerspan- nung Us zwischen der Lagerbuchsenanordnung 14 und der Welle 12 erzeugt werden. Mit der veränderlichen dynamischen Viskosität des Lagerfluides 20 kann insbesondere die Tragfähigkeit des Gleitlagers 10 in Abhängigkeit von einer Drehgeschwindig- keit bzw. Drehzahl der Welle 12 eingestellt werden. Der Tendenz von z. B. auf Basis eines Öls hergestellten Lagerfluiden mit zunehmender Temperatur eine geringere Viskosität aufzu¬ weisen, kann durch das Anlegen der Steuerspannung Us bzw. Er- höhen dieser Steuerspannung entgegengewirkt werden, um die
Tragfähigkeit des Lagers auch bei höheren Temperaturen (z. B. bei größeren Drehgeschwindigkeiten) aufrechtzuerhalten. Falls bei besonders großen Drehgeschwindigkeiten, bedingt durch die konkrete Konstruktion oder einen bestimmten Betriebszustand, jedoch das Problem eines lokal zu stark ansteigenden La- gerfluiddruckes im Vordergrund steht, so kann bei hohen Dreh¬ geschwindigkeiten auch eine aktive (elektrisch angesteuerte) Absenkung der Viskosität vorteilhaft sein. Im Vergleich zu einem Gleitlager mit konventionellem Schmiermittel kann somit insbesondere der Betriebsdrehzahlbereich nach oben und unten erweitert werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Einsatzes eines elektrorheologischen Lagerfluides 24 ist die Möglichkeit, die Welle 12 bzw. eine davon getragene Anlagenkomponente durch eine gezielte Erhöhung der Viskosität abzubremsen. Dies kann z. B. bei einer Dampfturbine für eine Notabschaltung z. B. bei einem so genannten "Schnellschluss" genutzt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 und 2 wird ein elektrisches Feld mit in Axialrichtung betrachtet gleichmäßi¬ ger Feldstärke erzeugt. Die Feldquelle und die Feldsenke wer¬ den von konzentrischen Zylinderflächen (Lagerflächen 18 und 20) gebildet.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 3 und 4 ein modifiziertes Ausführungsbeispiel erläutert, bei welchem insbesondere auch ein in Axialrichtung in seiner Feldstärke variierendes elekt¬ risches Feld erzeugt werden kann.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegan- gener Ausführungsbeispiele verwiesen.
Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, ist eine Lagerbuchsenanordnung 14a von einer Reihe von in Axialrichtung voneinander beabstandeten, elektrisch voneinander isolierten und ko- axial zueinander angeordneten Lagerbuchsenabschnitten 14a-l, 14a-2 und 14a-3 gebildet. Jeder dieser axialen Abschnitte kann als einteiliger Lagerbuchsenring oder, wie bereits für das Beispiel gemäß der Fig. 1 und 2 erläutert, aus mehreren Umfangssegmenten zusammengesetzt sein.
Paarweise einander benachbarte der Lagerbuchsenabschnitte 14a-l bis 14a-3 sind jeweils über eine elektrische Isolier¬ scheibe 40a-l bzw. 40a-2 miteinander verbunden (ebenfalls je¬ weils aus mehreren Segmenten zusammengesetzt) . Diese Isolier- Scheiben 40a-l und 40a-2 sind koaxial zu den Lagerbuchsenab¬ schnitten 14a-l bis 14a-3 angeordnet, dichten diese gegenein¬ ander ab und isolieren diese elektrisch voneinander.
Der dargestellte, in Axialrichtung aus mehreren "Funktionsbe- reichen" gebildete Aufbau des Gleitlagers 10a eröffnet die Möglichkeit, an unterschiedlichen axialen Stellen unterschiedliche elektrische Felder zu erzeugen.
Bei einem in Fig. 3 veranschaulichten Betriebsmodus einer Steuereinheit ST werden drei unabhängig voneinander einstellbare Steuerspannungen Usl, Us2 und Us3 erzeugt, die wie dar¬ gestellt an die jeweiligen axialen Abschnitte 14a-l, 14a-2 bzw. 14a-3 angelegt werden, wobei jede der Spannungen Usl und Us3 größer als die Spannung Us2 ist. Dies führt bei der dar- gestellten Geometrie dazu, dass die Viskosität des elektro- rheologischen Lagerfluides 24a im Bereich der beiden axialen Enden des Gleitlagers 10a im Vergleich zur im mittleren Bereich vorliegenden Viskosität erhöht ist. Damit wird in die- sem Betriebsmodus vorteilhaft eine gewisse axiale Barriere¬ wirkung durch die Abschnitte 14a-l und 14a-3 geschaffen, wel¬ che einem axialen Austritt von Lagerfluid 24a aus dem Lager¬ spalt 22a heraus entgegenwirkt.
Damit kann z. B. vorteilhaft der Bedarf an Lagerfluid 24a, welches über die Eintrittsöffnungen 30a in den Lagerspalt 22a hinein einzubringen bzw. nachzufüllen ist, reduziert werden. Das in gesteuerter Weise eine erhöhte Viskosität aufweisende Lagerfluid 24a an den axialen Enden bildet gewissermaßen inhärent seine eigene Axialabdichtung. Dies verringert die Leistungsanforderungen an die Mittel zum Einpressen und/oder Umwälzen des Lagerfluides 24a. In einem anderen Betriebsmodus kann dasselbe Gleitlager 10a jedoch auch so angesteuert werden, dass es dem oben bereits mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen Gleitlager 10 entspricht. Dieser Betriebsmodus ist in Fig. 4 dargestellt und dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ST identi- sehe Steuerspannungen ausgibt: Usl = Us2 = Us3. Dieser zweite Betriebsmodus kann insbesondere z. B. zum Bremsen der Welle 12a eingesetzt werden.
Fig. 5 veranschaulicht eine weitere Modifikation der oben mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 bereits beschriebenen Ausführungs¬ form.
Im Unterschied zu dem Beispiel gemäß der Fig. 1 und 2 sind Lagerbuchsensegmente 14b-l bis 14b-4 jeweils als Verbund aus einem elektrisch isolierenden Material (z. B. Kunstharz) mit darin eingegossenen Feldplatten 50b-l bis 50b-4 (elektrisch leitend, z. B. aus Metall) ausgebildet.
Ansonsten entspricht der Aufbau des Drehlagers 10b demjenigen gemäß der Fig. 1 und 2. Die mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschriebenen Besonderheiten könnten bei dem Drehlager 10b auch eingesetzt werden. Wesentlich ist bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform, dass die seitens der Lagerbuchsenanordnung 14b ausgebildete Lagerfläche 18b nicht gleichzeitig als Feldquelle bzw. -senke genutzt wird und somit z. B. vorteilhaft hin- sichtlich ihrer Funktion als Lagerfläche optimiert werden kann. Hiervon räumlich getrennt ("vergraben" im elektrisch isolierenden Material) fungieren die Feldplatten 50b-l bis 50b-4 als Feldquelle bzw. -senke. Somit können diese Feld¬ platten ihrerseits hinsichtlich dieser Funktion optimiert werden (z. B. in ihrer Formgestaltung) .
Fig. 6 veranschaulicht eine Dampfturbine 60c mit einem Turbi¬ nenläufer 12c (mit daran angeordneten "Laufschaufeln" ) , der in einem Turbinengehäuse 26c, 28c (mit darin angeordneten "Leitschaufeln") mittels zweier jeweils erfindungsgemäß aus¬ gebildeter Drehlager 10c-l und 10c-2 aufgenommen ist.
Der Betrieb der Dampfturbine 60c wird mittels einer Betriebs¬ steuereinrichtung 62c gesteuert, welcher hierfür in an sich bekannter Art verschiedene Bediensteuersignale sl und Sensor¬ signale s2 aus der Dampfturbine 60c eingegeben werden, und welche hieraus verschiedene Steuersignale s3 zur Ansteuerung einer Vielzahl von Anlagenkomponenten ausgibt. Damit werden z. B. (nicht dargestellte) Dampfventile etc. der Dampfturbine 60c angesteuert. Die Funktionalitäten der Betriebssteuereinrichtung 62c können sich hierbei insbesondere auch auf die Ansteuerung eines Getriebes 64c und/oder einen elektrischen Generator 66c erstrecken. Unter den ausgegebenen Signalen s3 sind auch die zur Ansteuerung der Drehlager 10c-l und 10c-2 erforderlichen Ansteuerspannungen (jeweils eine oder mehrere Spannungen pro Drehla¬ ger) . Die dargestellte Betriebssteuereinrichtung 62c besitzt somit als Teilfunktionalität auch die Funktion der "Steuer- einheit ST" der oben bereits beschriebenen Ausführungsbei¬ spiele . Gemäß eines Betriebsmodus der Betriebssteuereinrichtung 62c ist für wenigstens eines der Drehlager 10c-l, 10c-2 die Er¬ zeugung des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von einer gemessenen Drehgeschwindigkeit des Turbinenläufers 12c und/oder anderer Betriebsparameter (z. B. im Bereich des Drehlagers gemessene Temperatur) vorgesehen. Entsprechende Sensorsignale (oder auf Basis einer Auswertung solcher Sensorsignale gebil¬ dete Erfassungssignale) werden als Teil der Signale s2 an die Betriebssteuereinrichtung 62c geliefert.
Zusammenfassend ist es mit der Erfindung insbesondere hin¬ sichtlich der Drehlagerung eines Turbinenläufers vorteilhaft möglich, die Tragfähigkeit, die benötigte Schmiermittelmenge sowie obere und untere Betriebsgrenzen (z. B. maximale und minimale Drehzahl) im Betrieb zu beeinflussen. Damit kann unter Umständen auch ein Betrieb erst ermöglicht werden, welcher unter Verwendung eines herkömmlichen Gleitlagers kritisch wäre. Speziell beim Einsatz bei Dampfturbinen bzw. Turbomaschinen kann die erfindungsgemäß veränderbare dynamische Viskosität des Schmiermittels (Lagerfluid) dazu benutzt wer¬ den, um bei einem Schnellschluss die Drehzahl des Turbinenläufers schneller zu reduzieren, um damit z. B. eine so genannte Ventilation (im Endstufenbereich der Dampfturbine) zu vermeiden. Auch kann auf Schwingungen in kritischen Drehzahl- bereichen sowie auf schwankende Belastungen während des Be¬ triebes (besser) reagiert werden. In diesem Zusammenhang ist es von Bedeutung, dass elektrorheologische Fluide in der Re¬ gel extrem rasch auf Änderungen des elektrischen Feldes reagieren .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Drehlagerung einer Welle (12), umfassend eine Lagerbuchsenanordnung (14) zur Aufnahme eines Abschnittes (16) der Welle (12), wobei zwischen ein¬ ander zugewandten Lagerflächen (18, 20) einerseits der Lagerbuchsenanordnung (14) und andererseits des Wellenab¬ schnittes (16) ein Lagerspalt (22) vorhanden ist, der mit einem Lagerfluid (24) gefüllt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das La¬ gerfluid (24) ein elektrorheologisches Fluid ist und die Vorrichtung ferner Steuermittel (ST, 14, 16) zum Erzeugen wenigstens eines elektrischen Feldes im Bereich des La¬ gerspaltes (22) umfasst.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuermittel (ST, 14, 16) dazu ausgebildet sind, das elektrische Feld in Radialrichtung zwischen Lagerbuchsenanordnung (14) und Wellenabschnitt (16) verlaufend zu erzeugen.
3. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lagerbuchsenanordnung (14) eine Reihe von in Axialrichtung voneinander beabstandeten, elektrisch voneinander isolierten und koaxial zueinander angeordneten Lagerbuchsenabschnitten (14-1, 14-2, 14-3) umfasst.
4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei wenigstens ein Paar von in Axialrichtung einander benachbarten Lagerbuchsenabschnitten (14-1, 14-2, 14-3) über eine elektrische Isolierschicht (40-1, 40-2) miteinander verbunden sind .
5. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuermittel (ST, 14, 16) für eine stufenlose Einstellung der Feldstärke des elektrischen Feldes geeignet ausgebildet sind. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuermittel (ST, 14, 16) in wenigstens einem Betriebsmodus (Fig. 3) die Erzeugung des elektrischen Feldes mit in Axialrichtung betrachtet variierender Feldstärke vorsehen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuermittel (ST, 14, 16) in wenigstens einem Betriebsmodus die Erzeugung des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von einer gemessenen Drehgeschwindigkeit der Welle (12) und/oder anderer Betriebsparameter (s2) einer die Vorrichtung beinhaltenden technischen Einrichtung (60) vorsehen.
Technische Einrichtung (60), insbesondere Dampfturbine, umfassend eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Drehlagerung einer Welle (12) der technischen Einrichtung .
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