Fanglager für hochbelastete Magnetlager von rotierenden Maschinen

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine.

Hintergrund der Erfindung

In Strömungsmaschinen, wie beispielsweise in einem Turboverdichter oder in einer Turbine, werden auf einer drehbaren Welle Rotorblätter angeordnet, welche von einem Strömungsme ^¬ dium angeströmt werden. Die Welle einer Strömungsmaschine wird mit Axial- und Radiallagern in einem Lagergehäuse der Strömungsmaschine drehbar gelagert. Zur Lagerung der Welle in dem Lagergehäuse werden in herkömmlichen Lagern beispielsweise Gleitlager eingesetzt. Ferner werden Magnetlager eingesetzt, mit welchen eine reibungslose drehbare Lagerung der Welle möglich ist. Aufgrund von Magnet ^¬ kräften wird die Welle dabei in einer vorbestimmten axialen und/oder radialen Position drehbar gelagert. Magnetlager können als passive Magnetlager ausgebildet werden. Bei passiven Magnetlagern werden beispielsweise diamagnetische Materialien verwendet. Bei aktiven Magnetlagern wird die Lagerkraft durch einstellbare Elektromagneten erzeugt. Die Elektromagneten können gesteuert werden, um eine gewünschte Magnetkraft zu erzeugen, die die Welle in einer vorbestimmten radialen und/oder axialen Position halten.

Bei aktiven Axialmagnetlagern weist die Welle eine Axialla- gerscheibe auf, welche zwischen zwei Statorelementen, welche an dem Lagergehäuse befestigt sind, drehbar in einer vorbe ^¬ stimmten Position gehalten wird. Die Axiallagerscheibe wird üblicherweise integral bereits bei Herstellung der Welle aus- gebildet. So wird beispielsweise die Axiallagerscheibe mit ^¬ tels Drehens oder Fräsens aus dem Grundkörper der Welle ge ^¬ dreht. Alternativ kann die Axiallagerscheibe auch auf der Welle montiert werden.

Bei aktiven Radialmagnetlagern wird die Welle durch die Lagerstellen ringförmig (zumindest teilweise) umschließende Magnetlager gelagert. Die Statorelemente eines aktiven Magnetlagers weisen Spulen auf, um die elektromagnetischen Kräfte zu erzeugen. Um den elektromagnetischen Fluss möglichst wenig zu stören, sollen die Statorelemente möglichst keine axialen Teilflächen auf ^¬ weisen. Die Statorelemente bilden dann jeweils einen ge- schlossenen Statorring. Zwischen zwei solcher Statorringe befindet sich im montierten Zustand der Welle die Axiallagerscheibe .

Alternativ zu den magnetgelagerten Wellen können Rotoren von großen Maschinen, wie zum Beispiel Dampf- und Gasturbinen, Generatoren oder Prozessgasverdichter, mittels Gleitlagern gelagert werden. Dabei kommt ein tragender Schmierfilm zwischen den stehenden und sich bewegenden Teilen der Lager zum Einsatz .

Aufgrund der hiermit verbundenen Verlustleistung, welche durch die Reibung im Schmierfilm und die benötigte Pumpleis ^¬ tung für die Bereitstellung des Schmiermediums entsteht, wer ^¬ den verlustärmere Lagerungstechniken bevorzugt, wie bei- spielsweise die oben beschriebenen Magnetlagerungen. Der Vorteil von Magnetlagerungen ist der, dass diese weitestgehend ohne Schmieröl betrieben werden können. Magnetlagerungen können beispielsweise für kleinere Rotorlasten, zum Beispiel bis zu zwei Tonnen, erfolgreich eingesetzt werden. Für große Ro- torlasten und für hohe Umfangsgeschwindigkeiten, wie sie bei den oben genannten Strömungsmaschinen typischerweise auftreten, ist allerdings die Bereitstellung zuverlässiger Fanglager notwendig. Ein Fanglager fängt den Rotor bei einem Ausfall der Magnetlagerung auf, sodass die Welle auslaufen kann. Bestehende Fang ^¬ lagerlösungen bieten eine begrenzte Tragfähigkeit oder Ver- schleißbeständigkeit an, da der Rotor bei Ausfall der Magnet ^¬ lagerung in das Fanglager fällt und im Wesentlichen ohne Schmierung in einem Gleitlager als Fanglager ausläuft. Die dabei auftretenden Reiblasten verlangen eine schnelle Verzögerung der Rotoren und begrenzen die Einsetzbarkeit der Mag- netlager.

Bei einer Ausbildung des Fanglagers als Wälzlager, welches die Welle umgibt, muss das Wälzlager einen großen Wellendurchmesser aufweisen. Wälzlager mit einem solch großen Wel- lendurchmesser sind jedoch nicht für die erforderlichen Drehzahlen und Traglasten verfügbar.

Darstellung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine stabile Fanglageranordnung einer Welle für eine Strömungsmaschine be ^¬ reitzustellen.

Die Aufgabe wird mit einer Strömungsmaschine und mit einem Verfahren zum Betreiben der Strömungsmaschine gemäß den unab ^¬ hängigen Ansprüchen gelöst.

Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Strömungsmaschine beschrieben. Die Strömungsmaschine weist ein Gehäuse, eine relativ zu dem Gehäuse um eine Wel ^¬ lendrehachse drehbar gelagerte Welle und eine erste Stützrol ^¬ le mit einer ersten Drehachse auf. Die Stützrolle ist beabs ^¬ tandet zu der Welle angeordnet. Die erste Stützrolle ist fer ^¬ ner derart angeordnet, dass bei einer Verschiebung der Welle, zum Beispiel bei einer axialen und/oder einer radialen Verschiebung der Welle, eine kraftübertragende Kopplung zwischen der ersten Stützrolle (insbesondere zwischen einer Abroll ^¬ oberfläche der Stützrolle) und der Welle (insbesondere der Wellenoberfläche) erzeugbar ist und sich bei einer Drehung der Welle (zumindest während der kraftübertragenden Kopplung) die Stützrolle um die erste Drehachse dreht. Als Strömungsmaschine wird im Rahmen der vorliegenden Anmel ^¬ dung eine Fluidenergiemaschine bezeichnet, bei der die Ener ^¬ gieübertragung zwischen Fluid und Maschine durch eine Strömung nach den Gesetzen der Fluiddynamik erfolgt. Eine Strömungsmaschine kann beispielsweise ein Turboverdichter, eine Gasturbine, eine Dampfturbine, ein Strahltriebwerk oder eine andere Turbine oder ein Verdichter in axialer oder radialer Bauart sein.

Die Welle der Strömungsmaschine ist drehbar bezüglich des Ge- häuses, insbesondere eines Lagergehäuses, der Strömungsma ^¬ schine gelagert. Die Welle der Strömungsmaschine weist die Wellendrehachse auf. Eine Richtung parallel zu der Drehachse wird als Axialrichtung der Welle definiert. Eine Richtung, welche durch den Mittelpunkt der Welle verläuft und senkrecht zu der Drehachse ausgerichtet ist, wird als Radialrichtung der Welle und der Strömungsmaschine bezeichnet.

Die erste Stützrolle ist drehbar, beispielsweise mittels ei ^¬ nes Wälzlagers, an dem Gehäuse gelagert. Die erste Stützrolle kann eine zylindrische Form aufweisen, wobei die erste Stütz ^¬ rolle an ihren jeweiligen Endbereichen mittels eines Gleitlagers oder eines Wälzlagers an dem Gehäuse gelagert ist. In einem Zentralbereich zwischen den beiden Endbereichen kann die erste Stützrolle einen zylindrischen Bereich aufweisen, welcher einen größeren Durchmesser als die beiden Endbereiche aufweist. Die erste Stützrolle kann dabei derart an dem Ge ^¬ häuse angeordnet sein, dass in dem Falle, in dem sich die Strömungsmaschine und die Welle im Normalbetrieb befinden, ein Abstand zwischen der Welle und dem Zentralbereich der ersten Stützrolle besteht. Verschiebt sich die Welle, bei ^¬ spielsweise aufgrund eines Defekts der Wellenlagerung, ist die erste Stützrolle derart angeordnet, dass die Welle auf ^¬ grund der Verschiebung in Kontakt mit der ersten Stützrolle kommt, sodass über diesen Berührbereich eine kraftübertragende Kopplung besteht. Die Welle liegt sozusagen auf der Stütz ^¬ rolle in Verschieberichtung der Welle auf. Zur Vermeidung erhöhter Kantenpressungen kann die Stützrolle eine ballige Form im Kontaktbereich mit der Welle aufweisen. Die Stützrolle weist sozusagen einen zylindrischen Abrollbereich auf, wobei die Mantelfläche des zylindrischen Abrollbereichs ballig aus ^¬ gebildet ist. Aufgrund der balligen, gewölbten Mantelfläche werden an den axialen Enden der Mantelfläche die Kantenberei- che leicht bzgl. der Welle zurückgenommen und somit bei Kon ^¬ takt der Stützrolle mit der Welle eine Kantenpressung zwi ^¬ schen den axialen Enden der Stützrolle und Welle vermieden.

An den Kontaktbereichen der Stützrollen mit der Welle können auf der Welle aufgeschrumpfte Lagerbuchsen vorgesehen werden.

Die erste Stützrolle ist beispielsweise aus Hartgummi oder aus einem Metall wie Messing bzw. Stahl gefertigt. Beispiels ^¬ weise ist die erste Stützrolle aus einem metallischen Körper gefertigt, wobei die Berührflächen mit der Welle mit einem weichen Überzug z.B. aus Gummi oder einem Hartkunststoff überdeckt sind. Insbesondere ist das Material der ersten Stützrolle im Berührbereich mit der Welle weicher bzw. duktiler als das entsprechende Material der Welle.

Ferner ist die erste Stützrolle derart angeordnet, dass diese bei Kontakt mit der Welle um ihre erste Drehachse rotiert. Die erste Drehachse ist dabei derart ausgerichtet, dass die erste Stützrolle relativ zu der Welle derart rotiert, dass im Berührbereich zwischen der Welle und der ersten Stützrolle keine Reib- bzw. Gleitverbindung sondern eine abrollende Verbindung mit einer geringen Abrollreibung besteht.

Der Durchmesser der ersten Stützrolle, und insbesondere der Durchmesser des zentralen zylindrischen Bereichs der ersten Stützrolle, ist kleiner als der Durchmesser der Welle. Somit ist auch ein Lagerzapfendurchmesser der ersten Stützrolle, welcher beispielsweise wälzgelagert am Gehäuse gelagert ist, kleiner als ein entsprechendes Wellenlager bzw. ein entsprechender Wellenlagerzapfendurchmesser der Welle, mit welchem die Welle an dem Gehäuse drehbar gelagert ist. Da der Lager ^¬ zapfendurchmesser der ersten Stützrolle kleiner ist als der der Welle, kann die erste Stützrolle, zum Beispiel bei Ein ^¬ satz eines Wälzlagers, eine hohe Drehzahl einschließlich ei ^¬ ner ausreichende Tragfähigkeit aufweisen.

Um die zu übertragenden Kräfte von der Welle auf ein erfin- dungsgemäßes Fanglager besser zu verteilen, können neben der ersten Stützrolle eine Vielzahl von weiteren Stützrollen, wie beispielsweise die weiter unten beschriebenen zweiten und dritten Stützrollen, angeordnet werden. Somit werden die übertragenen Kräfte aufgeteilt und auf die entsprechenden Stützrollen auf einem zulässigen Niveau gehalten, da die Kräfte auf mehrere Stützrollen verteilt sind.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die erste Stützrolle derart angeordnet, dass die erste Drehachse parallel zu der Wellendrehachse ist. Die erste Stützrolle ist derart angeordnet, dass bei einer Verschiebung der Welle ent ^¬ lang der Schwerkraftrichtung die kraftübertragende Kopplung zwischen der ersten Stützrolle und der Welle erzeugbar ist. Die erste Stützrolle ist beispielsweise unter der Welle ange- ordnet, wobei die erste Drehachse parallel zu der Wellendreh ^¬ achse ausgerichtet ist. Fällt die Welle beispielsweise auf ^¬ grund eines Defekts der Wellenlagerung auf die erste Stütz ^¬ rolle, so dreht die Welle zusammen mit der ersten Stützrolle. Aufgrund der Drehung der ersten Stützrolle um die erste Dreh- achse und der Drehung der Welle um die Wellendrehachse kommt es zu einem Abrollen der Welle auf der ersten Stützrolle. Reibungskräfte werden reduziert, da die erste Stützrolle und die Welle sozusagen dieselben Umfangsgeschwindigkeiten an ihrem Berührpunkt bzw. Berührbereich aufweisen. Da die erste Stützrolle unter der Welle angeordnet ist, kann die erste

Stützrolle die Gewichtskraft der Welle aufnehmen und die Wel ^¬ le tragen. Somit wird äußerst schonend die Welle aufgefangen, ohne dass Verspannungen oder Abrieb in den Berührbereich der Welle und der ersten Stützrolle verursacht werden. Ein Defekt der Welle aufgrund des Abwurfes auf das Fanglager bzw. die erste Stützrolle kann somit reduziert werden. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Welle einen Wellenabsatz mit einer Fläche auf, deren Normale parallel zur Wellendrehachse ausgerichtet ist. Die erste Stützrolle weist eine Kontaktfläche auf, welche im Wesentli ^¬ chen komplementär zu der Fläche ist. Die erste Stützrolle ist ferner derart angeordnet, dass bei einer axialen Verschiebung der Welle entlang der Wellendrehachse eine weitere kraftüber ^¬ tragende Kopplung zwischen der Kontaktfläche und der Fläche der Welle erzeugbar ist. Mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann eine Wel ^¬ le aufgefangen werden, welche aufgrund eines Lagerdefekts entlang der axialen Richtung verschoben wird. Die erste Drehachse der ersten Stützfläche kann dabei beispielsweise paral ^¬ lel oder orthogonal und beabstandet zu der Wellendrehachse ausgerichtet sein.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Welle einen weiteren Wellenabsatz mit einer weiteren Fläche auf, deren Normale einen Winkel zu der Wellendrehachse auf- weist. Die erste Stützrolle weist eine weitere Kontaktfläche auf, welche komplementär zu der weiteren Fläche ist. Die ers ^¬ te Stützrolle ist derart angeordnet, dass bei der Verschie ^¬ bung der Welle eine weitere kraftübertragende Kopplung zwi ^¬ schen der weiteren Kontaktfläche und der weiteren Fläche der Welle erzeugbar ist.

Der Winkel kann beispielsweise einen Bereich zwischen 0° und 90°, insbesondere ungefähr 45°, aufweisen. Der weitere Wel ^¬ lenabsatz kann beispielsweise eine konusförmige Form aufwei- sen, sodass die weitere Fläche entlang eines axialen Verlaufs einen Abstand zur Wellendrehachse vergrößert oder verklei ^¬ nert. Die weitere Kontaktfläche der ersten Stützrolle ist komplementär zu der weiteren Fläche der Welle ausgebildet. Die weitere Fläche und die weiteren Kontaktflächen sind ins ^¬ besondere komplementär zueinander ausgebildete Rotationsflä ^¬ chen, wobei sich diese in einem Berührbereich berühren, um eine kraftübertragende Kopplung zu ermöglichen. Insbesondere kann die erste Drehachse der ersten Stützrolle einen Winkel zu der Wellendrehachse aufweisen. Beispielsweise kann die erste Drehachse nicht parallel sondern z.B. orthogonal zur Wellendrehachse ausgebildet sein. Insbesondere weist die ers ^¬ te Drehachse und die Wellendrehachse einen Schnittpunkt auf. Die erste Stützrolle und die Welle bilden bei Kontakt über die konusförmigen Flächen sozusagen eine Art Kegelradgetriebe aus, wobei die kleinere erste Stützrolle als Ritzel und die größere Welle als Tellerrad verstanden werden kann. Da somit die erste Drehachse nicht parallel zu der Wellen ^¬ drehachse ausgebildet werden muss, werden zusätzliche kon ^¬ struktive Freiheiten der Lagerung des ersten Stützrads am Gehäuse geschaffen. Dies ermöglicht eine bessere und effektive ^¬ re Konstruktion der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die erste Stützrolle ein Wälzlager auf. Mittels des Wälzlagers wird die Stützrolle an dem Gehäuse gelagert. Ein Wälzlager ist beispielsweise ein Kugellager oder ein

Schrägkugellager. Ein Wälzlager weist im Allgemeinen einen Innenring sowie einen Außenring auf, welche durch rollende Körper getrennt sind. Der Außenring kann beispielsweise am Gehäuse gelagert sein und der Innenring an dem Lagerzapfen der ersten Stützrolle. Zwischen dem Innenring, dem Außenring und dem Wälzkörper (Rolle, Tonne) treten hauptsächlich Rollreibungen auf.

Als Wälzlager können schnell laufende Lagertypen eingesetzt werden, um die auftretenden Drehzahlen schadlos zu ertragen. Die Wälzlager können beispielsweise als Spindellager (Schräg ^¬ kugellager) ausgebildet sein. Für hohe Belastungen ist eine paarweise Anordnung von Wälzlagern zur Lagerung der ersten Stützrolle hilfreich.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine eine Schmiermitteleinrichtung auf. Die

Schmiermitteleinrichtung ist mit dem Wälzlager derart gekoppelt, dass eine Schmierung des Wälzlagers mit einem Schmier ^¬ mittel generierbar ist. Beispielsweise kann eine Tauchschmie ^¬ rung oder eine Olnebelschmierung mittels der Schmiermit- teleinrichtung umgesetzt werden, um eine ausreichende Schmie ^¬ rung für das Wälzlager bereitzustellen.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine ferner eine Antriebseinheit zum Antreiben der ersten Stützrolle auf. Die Antriebseinheit treibt die erste Stützrolle auch im Normalbetrieb der Strömungswelle an, wenn beispielsweise kein Kontakt mit der rotierenden Welle besteht. Die Antriebseinheit kann beispielsweise über einen Riemen mit der Stützrolle gekoppelt sein, um einen Riemenan- trieb umzusetzen. Die Antriebseinheit kann ferner einen

Elektromotor aufweisen, welcher direkt oder indirekt über ein Getriebe das Drehmoment auf die Welle überträgt.

Die Antriebseinheit kann ferner aerodynamische Flächen, wie beispielsweise Flügel bzw. Spoiler aufweisen. Die aerodynamischen Flächen können nahe an der Welle angeordnet sein, sodass aufgrund einer Schleppströmung, welche durch Rotation der Welle entsteht, angetrieben werden und dadurch die erste Stützrolle in Rotation bringen. Somit wird mit anderen Worten ein Strömungsantrieb für die erste Stützrolle mittels der An ^¬ triebseinheit bereitgestellt.

Die wälzgelagerten Stützrollen können im normalen Betrieb (also bei ordnungsgemäßer Funktion der Wellenlager) mit einer gewissen Drehzahl mitlaufen, um ein Festsetzen der Stützrollen bei längerem Stillstand zu vermeiden. Zudem wird bei Ab- wurf der Welle eine schlagartige Beschleunigung aus dem

Stillstand der Stützrollen vermieden. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Antriebseinheit derart ausgebildet, dass bei Bestehen der kraftübertragenden Kopplung der ersten Stützrolle mit der Welle die Welle mittels der ersten Stützrolle antreibbar ist. Beispielsweise kann die Antriebseinheit ausreichend stark ausgelegt sein, um ein Drehmoment auf die Welle zu übertragen und die Welle somit anzutreiben. Bei einem Defekt der Wellenlagerung und bei daraus resultierendem Aufliegen der Welle auf der ersten Stützrolle kann aufgrund der Antriebseinheit dennoch eine Rotation der Welle ermöglicht werden. Somit kann sozusagen ein Notbetrieb der Strömungsmaschine aufrechterhal ^¬ ten werden, da die Welle durch die erste Stützrolle angetrie ^¬ ben wird.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine eine Bremseinrichtung auf, welche ausgebil ^¬ det ist, die erste Stützrolle zu bremsen. Die Bremseinrich ^¬ tung kann beispielsweise eine Scheibenbremse aufweisen, um die Rotation der Stützrolle zu bremsen. Ferner kann die

Bremseinrichtung in der Antriebseinheit integriert sein, so ^¬ dass beispielsweise mittels einer Motorbremsung eine Brems ^¬ wirkung erzielt wird. Die Stützrollen können zur Begrenzung der Wellenauslaufzeit nach Abwurf der Welle optional mit der Bremseinrichtung ausgestattet werden, wobei die Bremseinrichtung mechanisch oder elektrisch wirkend ausgebildet sein kann. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine eine zweite Stützrolle mit einer zweiten Drehachse auf. Die zweite Stützrolle ist beabstandet zu der Welle angeordnet. Die zweite Stützrolle ist ferner derart an ^¬ geordnet, dass bei der Verschiebung der Welle eine kraftüber- tragende Kopplung zwischen der ersten Stützrolle, der zweiten Stützrolle und der Welle erzeugbar ist und sich bei Drehung der Welle die erste Stützrolle um die erste Drehachse dreht und sich die zweite Stützrolle um die zweite Drehachse dreht. Die zweite Stützrolle kann entsprechend der ersten Stützrolle ausgebildet sein und dieselben oben, für die erste Stützrolle beschriebenen Merkmale und Ausführungen wie aufweisen. Bei- spielsweise kann die zweite Stützrolle auch wälzgelagert sein. Darüber hinaus kann die zweite Stützrolle mittels der Schmiermitteleinrichtung geschmiert werden, mittels der Antriebseinheit angetrieben werden und/oder durch die Bremseinrichtung gebremst werden.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die zweite Stützrolle relativ zu der ersten Stützrolle entlang der Umfangsrichtung der Welle versetzt angeordnet. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine eine dritte Stützrolle mit einer dritten Drehachse auf. Die dritte Stützrolle ist beabstandet zu der Welle angeordnet. Die dritte Stützrolle ist derart angeord ^¬ net, dass bei einer Verschiebung der Welle entgegen der

Schwerkraftrichtung eine weitere kraftübertragende Kopplung zwischen der ersten Stützrolle und der Welle erzeugbar ist. Die dritte Stützrolle ist beispielsweise über der Welle be ^¬ abstandet angeordnet. Aufgrund von Rotationen kann es zu der weiteren kraftübertragenden Kopplung zwischen der dritten Stützrolle und der Welle kommen, sodass die Welle nicht aus dem Gehäuse nach oben ausbrechen kann bzw. nicht mit dem Gehäuse in Kontakt treten kann. Mittels der dritten Stützrolle wird somit eine Zerstörung der Welle verhindert, falls die Wellenlagerung aufgrund eines Defekts versagt und die Welle nach oben hin auszubrechen droht.

Die dritte Stützrolle kann entsprechend der ersten und/oder der zweiten Stützrolle ausgebildet sein und dieselben oben, für die erste und zweite Stützrolle beschriebenen Merkmale und Ausführungen aufweisen. Beispielsweise kann die dritte Stützrolle auch wälzgelagert sein. Darüber hinaus kann die dritte Stützrolle mittels der Schmiermitteleinrichtung ge- schmiert werden, mittels der Antriebseinheit angetrieben wer ^¬ den und/oder durch die Bremseinrichtung gebremst werden.

Die erste Stützrolle, die zweite Stützrolle und die dritte Stützrolle können in Umfangsrichtung der Welle gleichmäßig um die Welle verteilt am Gehäuse angeordnet sein. Die erste und die zweite Stützrolle können im Wesentlichen gemeinsam die Gewichtskraft der Welle aufnehmen. Die dritte Stützrolle, welche über der Welle positioniert ist, begrenzt eine Ver- Schiebung der Welle nach oben. Beispielsweise können die Stützrollen um die Welle in einem 120° Winkel entlang des Wellenumfangs beabstandet sein und sozusagen auf den Positio ^¬ nen 4 Uhr (erste Stützrolle), 8 Uhr (zweite Stützrolle) und 12 Uhr (dritte Stützrolle) entlang des Wellenumfangs angeord- net werden. Die beiden unteren Stützrollen (erste Stützrolle und zweite Stützrolle) tragen jeweils einen Anteil der Wel ^¬ lengewichtskraft. Ferner ist es auch möglich, vier Stützrol ^¬ len anzuordnen, welche jeweils mit symmetrischen Abständen entlang der Umfangsrichtung um die Welle angeordnet sind, zum Beispiel jeweils 90°.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Strömungsmaschine eine Magnetlagerung auf. Insbesondere weist die Strömungsmaschine hierbei einen ersten Statorring zum Er- zeugen einer elektromagnetischen Lagerkraft auf. Der erste Statorring weist eine erste Öffnung auf, welche größer als die Welle ist, so dass die Welle kontaktfrei zu dem ersten Statorring angeordnet ist. Der erste Statorring ist derart angeordnet, dass mittels der elektromagnetischen Lagerkraft ein konstanter axialer Abstand oder ein konstanter radialer Abstand zu der Lagerscheibe haltbar ist. Der Statorring ist beispielsweise an dem Gehäuse der Strömungsmaschine befes ^¬ tigt. Mittels der elektromagnetischen Lagerkraft des Statorrings wird ein vorbestimmter Abstand zwischen dem Statorring und der Lagerscheibe konstant gehalten, wobei dennoch die La ^¬ gerscheibe mit der Welle rotierbar gegenüber dem ersten Statorring ist. Der erste Statorring weist jeweils Spulen auf, welche in Um- fangsrichtung der Welle angeordnet sind. Somit kann der erste Statorring eine regelbare elektromagnetische Kraft über den Umfang um die Welle erzeugen und somit einen radialen oder axialen Abstand zwischen dem jeweiligen Statorring und der

Lagerscheibe/Lagerstelle konstant halten. Somit wird eine be ^¬ rührungslose Lagerung der Lagerscheibe/Lagerstelle und somit der Welle ermöglicht. Mit der oben beschriebenen Erfindung wird eine Fanglagereinrichtung bereitgestellt, bei welcher die Gewichtskraft der Welle durch wälzgelagerte Stützrollen (insbesondere erste Stützrolle und zweite Stützrolle) aufgenommen wird. Aufgrund der geometrischen und kinematischen Verhältnisse der Stütz- rollen bezüglich der Welle können hierbei auch hohe Rotormaßen, zum Beispiel über 100 Tonnen, über die Stützrollen bzw. deren Wälzlager bzw. über Wälzlageranordnungen aufgefangen werden, wobei gleichzeitig die wälzgelagerten Stützrollen eine ausreichende Drehzahlgrenze und eine ausreichende Tragfä- higkeit aufweisen.

Im Normalbetrieb der Strömungsmaschine sind die Stützrollen derart angeordnet, dass diese einen Abstand von ungefähr 0,05 mm bis ungefähr 0,5 mm, insbesondere von ungefähr 0,1 mm - ungefähr 0,3 mm aufweisen. Somit wird ein fortwährender Lasteintrag in die entsprechenden Stützrollen verhindert.

Die Stützrollen können ferner für Zentrierungs- und Ausrichtungszwecke der Welle vorübergehend so eingestellt werden, dass der Rotor in der gewünschten Lage positioniert wird und beispielsweise mittels der Stützrollen und entsprechenden Einstellschrauben oder Passstücken zwischen den Stützrollen und der Welle gehaltert wird. Mit der oben beschriebenen Erfindung kann die Strömungsmaschine nahezu eine unbegrenzte Anzahl von Abwürfen der Welle, das heißt eine unbegrenzte Anzahl von Effekten der Wellenla ^¬ gerung, ertragen werden. Ferner kann die Welle nach einem Ab- wurf bzw. nach einem Defekt der Wellenlagerung schonender aufgefangen werden, da es nicht zu einer abrupten und schnellen Abbremsung der Welle nach dem Abwurf kommt, da die Welle auf den entsprechenden Stützrollen aufliegt und langsam aus- rollt. Insbesondere die wälzgelagerten Stützrollen weisen eine hohe Lebensdauer auf. Bei einer Nenndrehzahl kann die Lebensdauer der Stützrollen bis zu 1000 Betriebsstunden erreichen. Durch das sanfte Abbremsen der Welle nach dem Abwurf auf die Stützrollen ist ein natürlicher und schonend abge- bremster Auslauf der Welle möglich.

Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben .

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Strömungsmaschine mit einer Welle und vier Stützrollen gemäß einer beispielhaf- ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer Welle und einer Stützrolle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Welle mit einem Wellenabsatz und einer Stützrolle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Welle und einer Stützrolle mit konischen Berührflächen gemäß einer beispiel ^¬ haften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsfor ^¬ men

Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.

Fig. 1 zeigt eine Strömungsmaschine 100, welche ein Gehäuse 101 und eine relativ zu dem Gehäuse 101 um eine Wellendreh- achse 103 drehbar gelagerte Welle 102 aufweist. Ferner ist an dem Gehäuse 101 eine erste Stützrolle 110 mit einer ersten Drehachse 111 gelagert. Die erste Stützrolle 110 ist beabs ^¬ tandet zu der Welle 102 angeordnet. Der Abstand 104 kann bei ^¬ spielsweise ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 0,3 mm betragen. Insbesondere bei Normalbetrieb der Strömungsmaschine 100 wird der Abstand 104 eingehalten.

Die erste Stützrolle 110 ist ferner derart angeordnet, dass bei einer Verschiebung der Welle 102 (axial oder radial) eine kraftübertragende Kopplung zwischen der ersten Stützrolle 110 und der Welle 102 erzeugbar ist und sich bei einer Drehung der Welle 102 die erste Stützrolle 110 um die erste Drehachse 111 dreht. Neben der ersten Stützrolle 110 ist in Fig. 1 eine zweite

Stützrolle 120 mit einer zweiten Drehachse 121, eine dritte Stützrolle 130 mit einer dritten Drehachse 131 und eine vier ^¬ te Stützrolle 140 mit einer vierten Drehachse 141 darge ^¬ stellt. Die erste Stützrolle 110 und die zweite Stützrolle 120 sind beispielsweise unterhalb der Welle 102 (bzw. an der unteren Wellenhälfte) angeordnet und die dritte Stützrolle 130 und die vierte Stützrolle 140 sind beispielsweise ober- halb der Welle 102 (bzw. an der oberen Wellenhälfte) angeord ^¬ net .

Die Welle 102 ist beispielsweise mittels eines Magnetlagers an dem Gehäuse 101 gelagert. Bei Defekt des Magnetlagers ver ^¬ schiebt sich die Welle 102 entlang der Schwerkraftrichtung F, bis die Welle 102 auf der ersten Stützrolle 110 und der zwei ^¬ ten Stützrolle 120 aufliegt und eine kraftübertragende Kopp ^¬ lung der Gewichtskraft auf die erste Stützrolle 110 und die zweite Stützrolle 120 bereitgestellt wird. Die Welle 102 dreht sich um die Wellendrehachse 103 mit einer Umfangsge ^¬ schwindigkeit Vw. Bei Kontakt der Welle 102 mit der entspre ^¬ chenden ersten Stützrolle 110 und der zweiten Stützrolle 120 drehen sich die entsprechenden Stützrollen 110, 120 ebenfalls mit einer Umfangsgeschwindigkeit VI entsprechend der Umfangs ^¬ geschwindigkeit Vw der Welle 102. Die Kontaktflächen bzw. Berührflächen der Stützrollen 110, 120 rollen sozusagen an der Oberfläche der Welle 102 ab, sodass es kaum zu keinem Abrieb bzw. zu einer geringen Abrollreibung zwischen der Welle 102 und den entsprechenden Stützrollen 110, 120 kommt.

Um ein schonenderes Auffangen der Welle 102 mit den entspre ^¬ chenden Stützrollen 110, 120, 130, 140 bereitzustellen, können die Stützrollen 110, 120, 130, 140 auch bei beabstandeter Welle 102 mittels einer Antriebseinheit 205 auf eine vorbe ^¬ stimmte Rotationsgeschwindigkeit VI gebracht werden.

Die dritte Stützrolle 130 und die vierte Stützrolle 140 sind, wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt, oberhalb der Welle 102 angeordnet, sodass bei einer Verschiebung der Welle 102 nach oben, beispielsweise aufgrund von Vibrationen, eine Be- abstandung der Welle 102 zu dem Gehäuse 101 schonend sichergestellt werden kann. Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Darstellung der ersten Stützrolle 110 und der Welle 102. Entsprechend der ersten Stütz ^¬ rolle 110, wie in Fig. 2 dargestellt, können auch die anderen Stützrollen 120, 130, 140 gelagert und ausgebildet werden. In Fig. 2 wird die Welle 102 dargestellt, welche um ihre Wel ^¬ lendrehachse 103 drehbar ist. Die erste Stützrolle 110 weist einen Abstand 104 von der Welle 102 auf. Die erste Stützrolle 110 weist eine zylindrische Form auf. Die erste Drehachse 111 ist beispielsweise parallel zu der Wellendrehachse 103 ausge ^¬ richtet. In einem Zentralbereich der ersten Stützrolle 110 ist ein zylindrischer Abwälzkörper abgebildet, welcher eine radiale Kontaktfläche 203 aufweist. Im Falle des Abwurfes der Welle 102 ist die radiale Kontaktfläche 203 in Kontakt mit einer Wellenoberfläche der Welle 102.

An einem axialen Ende des zentralen Bereichs der ersten

Stützrolle 110 ist ein Endbereich der ersten Stützrolle 110 mit einem kleineren Durchmesser im Vergleich zu dem Zentralbereich ausgebildet. Der Endbereich der ersten Stützrolle 110 bildet beispielsweise einen Lagerzapfen 202 aus. Auf dem La ^¬ gerzapfen 202 ist ein Wälzlager 201 angeordnet. Das Wälzlager 201 weist beispielsweise einen Innenring, welcher in Kontakt mit dem Lagerzapfen 202 ist, und einen Außenring auf, welcher an dem Gehäuse 101 befestigt ist. Das Wälzlager 201 kann mit ^¬ tels einer Schmiermitteleinrichtung tauchgeschmiert oder öl- nebelgeschmiert werden. Ferner kann an dem Lagerzapfen 202 eine Antriebseinheit und/oder eine Bremseinheit angekoppelt werden, um die erste Stützrolle 110 in gewünschter Weise an ^¬ zutreiben oder abzubremsen.

Ferner kann ein Lagerdeckel 204 angeordnet werden, welcher den Lagerzapfen 202 und das Wälzlager 201 einhaust. Zusammen mit entsprechenden Achsdichtungen kann ein Schmierraum bereitgestellt werden, in welchem dichtend eine Schmierung des Wälzlagers 201 bereitstellbar ist.

Die erste Stützrolle 110 kann in Axialrichtung einseitig durch ein Wälzlager 201 gelagert werden. Zusätzlich kann, wie in Fig. 2 dargestellt, die erste Stützrolle 110 an einem zu dem Ende gegenüberliegenden weiteren Ende einen weiteren Lagerzapfen 202' aufweisen, welcher mittels eines weiteren Wälzlagers 201' an dem Gehäuse 101 gelagert wird. Das weitere Wälzlager 201' und der weitere Lagerzapfen 202' können mittels eines weiteren Deckels 204' eingehaust werden, um einen abgedichteten Schmierungsbereich bereitzustellen.

Fig. 3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Welle 102 einen Wellenabsatz 301 aufweist. Ferner ist schematisch die erste Stützrolle 110 dargestellt. Entsprechend der ersten Stützrol- le 110, wie in Fig. 3 dargestellt, können auch die weiteren

Stützrollen 120, 130, 140, welche in Fig. 3 nicht dargestellt werden, ausgebildet werden.

Aufgrund des Wellenabsatzes 301 weist die Welle eine Fläche mit einer Normalen parallel zu der Wellendrehachse 103 und eine Fläche mit einer Normalen radial zur Wellendrehachse 103 auf. Die erste Drehachse 111 ist parallel zu der Wellendreh ^¬ achse 103 ausgebildet. Die erste Stützrolle 110 weist ferner den zentralen zylindrischen Bereich auf, wobei der zentrale zylindrische Bereich die radiale Kontaktfläche 203 und eine axiale weitere Kontaktfläche 302 aufweist. Die radiale Kon ^¬ taktfläche 203 weist insbesondere eine Normale auf, welche im Kontaktbereich mit der Welle 102 senkrecht zu der Wellendrehachse 103 ausgebildet ist. Die weitere Kontaktfläche 302 weist eine Normale auf, welche im Kontaktbereich mit der Wel ^¬ le 102 parallel zu der Wellendrehachse 103 ausgebildet ist. Mit anderen Worten sind die Kontaktfläche 203 und die weitere Kontaktfläche 302 der ersten Stützrolle 110 zu den entspre ^¬ chenden Wellenabsatzflächen korrespondierend ausgebildet.

Bei einer Verschiebung der Welle 102 entlang der Schwerkraftrichtung F verkleinert sich der Abstand (radialer Abstand) 104, bis eine kraftübertragende Kopplung zwischen der ersten Stützrolle 110 und der Welle 102 über die radiale Kontaktflä- che 203 hergestellt wird.

Ferner kann mit der Anordnung der ersten Stützrolle 110 in Fig. 3 ebenfalls eine axiale Verschiebung der Welle 102 ent- lang einer Axialrichtung 304 aufgefangen werden. Bei einer axialen Verschiebung der Welle 102 entlang der Axialrichtung 304 kommt es zu einer kraftübertragenden Kopplung zwischen der weiteren Kontaktfläche 302 und der Welle 102. Der axiale Abstand 303 verringert sich dabei bei axialer Verschiebung entlang der Axialrichtung 304 der Welle 102. Die weitere Kontaktfläche 302 ist insbesondere komplementär zu der Axialflä ^¬ che (weitere Fläche) des Wellenabsatzes 301 der Welle 102 ausgebildet. Die erste Drehachse 111 ist in Fig. 3 parallel zu der Wellendrehachse 103 ausgebildet. Bei axialer Verschie ^¬ bung der Welle 102 entlang der Axialrichtung 304 und bei Kontakt der weiteren Kontaktfläche 302 mit der Welle 102 rollen die Welle 102 und die erste Stützrolle 110 mit einer minima ^¬ len Reibung (Abrollreibung) zueinander ab.

Fig. 4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform, bei welcher die erste Drehachse 111 einen Winkel (z.B. zwischen 1° und 90°) zu der Wellendrehachse 103 aufweist, wobei die erste Stützrolle 110 eine radiale und eine axiale Verschie- bung der Welle 102 abfangen kann. Entsprechend der ersten Stützrolle 110, wie in Fig. 4 dargestellt, können auch die weiteren Stützrollen 120, 130, 140, welche in Fig. 4 nicht dargestellt werden, ausgebildet werden. Der Wellenabsatz 301 der Welle 102 ist konisch ausgebildet. Eine Normale der konischen Wellenabsatzfläche des Wellenab ^¬ satzes 301 weist sozusagen einen Winkel zu der Wellendrehachse 103 auf. Der Winkel ist insbesondere zwischen ungefähr 1° und 89° ausgebildet. Entsprechend komplementär zu der koni- sehen Wellenabsatzfläche ist die weitere Kontaktfläche 302 der ersten Stützrolle 101 ausgebildet. Die weitere Kontakt ^¬ fläche 302 weist eine weitere Normale auf, welche einen wei ^¬ teren Winkel zu der ersten Drehachse 111 der ersten Stützrol ^¬ le 110 aufweist. Der Winkel und der weitere Winkel stimmen insbesondere überein.

Bei Verschiebung der Welle 102 entlang ihrer Radialrichtung bzw. entlang der Schwerkraftrichtung F oder bei Verschiebung der Welle 102 in Axialrichtung 304 kommt es zu einem Kontakt der konischen Wellenabsatzfläche und der konischen weiteren Kontaktfläche 302 der ersten Stützrolle 110. Entsprechend nach Art eines Kegelradgetriebes rollen die ent ^¬ sprechenden Flächen (weitere Kontaktfläche 302 und Wellenab ^¬ satzfläche) zueinander ab, sodass nur eine geringe Abrollrei- bung entsteht. Somit kann ein schonendes Abfangen der Welle 102 mittels der ersten Stützrolle 110 umgesetzt werden, wobei insbesondere eine Verschiebung der Welle 102 in mehrere Rich ^¬ tungen (radial, axial) aufgefangen werden kann.

Vorteilhaft ist die weitere Kontaktfläche der ersten Stütz ^¬ rolle 110 derart ausgebildet, dass eine imaginäre Verlänge- rung der sich einstellenden Berührlinie im Kontaktbereich zwischen der weiteren Kontaktfläche 302 und der weiteren Fläche des Wellenabsatzes 301 durch den Achsenschnittpunkt der Wellendrehachse 103 und der ersten Drehachse 111 der ersten Stützrolle 110 verläuft. Dadurch wird ein Bohrreibungsanteil vermindert und die zulässige zu übertragende Kraft erhöht.

Die imaginäre Verlängerung der sich einstellenden Berührlinie ist sozusagen eine Mantellinie der weiteren Kontaktfläche 302 der ersten Stützrolle 110. Die Mantellinie ist eine Linie, die auf dem Mantel eines Rotationskörpers (z.B. die kegelför ^¬ mige Stützrolle 110) längs zu seiner Rotationsachse (erste Drehachse 111) verläuft, also die Verbindungsstrecken zwischen der imaginären Spitze und den (Rand- ) Punkten des Grundkreises der ersten Stützrolle 110.

Eine erste (insbesondere kegelförmige) Stützrolle 110 kann dabei insbesondere die Welle 102 bei einer Verschiebung der Welle 102 in Axialrichtung 304 aufnehmen und eine weitere erste (insbesondere kegelförmige) Stützrolle 110 kann die Welle 102 bei einer Verschiebung der Welle 102 in Radialrichtung aufnehmen. Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine an ^¬ deren Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewie ^¬ sen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden kön ^¬ nen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.