Vorrichtung zur Förderung einer Flüssigkeit

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Förderung einer Flüssigkeit aus einem mit der Flüssigkeit gefüllten Sumpf, in dem ein zumindest teilweise darin eingetauchter Rotor dreht.

Derartige Fördervorrichtungen können beispielsweise bei der Förderung eines Schiermittels bei einem hydrodynamischen Gleitlager zur Anwendung kommen, um das Schmiermittel aus dem Sumpf in einen Schmiermittelkreis zu fördern, vorzugsweise zum Zwecke der Kühlung des Schmiermittels in einem externen Kühler. Eine derartige Fördervorrichtung ist insbesondere anwendbar zur

Förderung des Schmiermittels eines hochbelasteten Axialgleitlagers zur axialen Lagerung eines Rotors einer entsprechenden Maschine. Solche Lager sind insbesondere bei großen elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Hydrogeneratoren vorgesehen. Um während des Betriebs dieser elektrischen Maschinen die Erwärmung des Schmiermittels innerhalb zulässiger Grenzen zu halten, kann es erforderlich sein, die in den Lagerstellen vom Schmiermittel aufgenommene Friktionswärme wieder abzuführen. Zu diesem Zweck wird während des Betriebs permanent ein Teil des Schmiermittels ausgekreist, über einen Kreislauf zu einem außerhalb des Maschinengehäuses platzierten Kühler

geführt, dort abgekühlt und anschließend wieder in den Schmiermittelsumpf zurückgeführt. Als Schmiermittel wird in der Regel Schmieröl eingesetzt.

Weitere Anwendungsgebiete derartiger Fördervorrichtungen sind beispielsweise das Antreiben eines Kühlmittels, das den Rotor zur Kühlung beaufschlagt oder die Pegelabsenkung der Flüssigkeit im Sumpf.

Stand der Technik

Hochbelastete, hydrodynamische Gleitlager erfordern zwingend Maßnahmen für eine Kühlung des in einem Schmierfilm zwischen den stationären und rotierenden Bauteilen durchgesetzten Schmiermittels. Aus Platz- und Wartungsgründen erfolgt die Platzierung des Kühlers außerhalb des Maschinengehäuses. Eine derartige Platzierung bedingt jedoch eine Förderung des Schmiermittels aus dem Sumpf oder dem Gleitlager zu dem externen Kühler. Dies ist ohne weiteres durch Einsatz separater Pumpen möglich. Da jedoch ein Pumpenausfall innerhalb kurzer Zeit zu einer übermäßigen Erwärmung des Schmiermittels führen würde, die schwerwiegende Folgen nach sich zöge, bis hin zu einer Lagerhavarie und damit dem Stillstand der Maschine, werden die Pumpen redundant ausgeführt. Das bedingt einen zusätzlichen Aufwand.

Zur Gewährleistung eines autarken Betriebs wird es daher vorgezogen, die notwendige Energie zur Förderung des Schmiermittels durch die im Gleitlager zusammenwirkenden Elemente selbst aufzubringen. Derartige Lösungen beruhen im allgemeinen auf der Ausnutzung der durch die rotierenden Bauteile im Schmiermittelbad erzeugten Zentrifugalkraft. Nach diesem Prinzip arbeitende Gleitlager werden auch als selbstpumpende hydrodynamische Gleitlager

klassifiziert. Sie werden angeboten sowohl für Maschinen mit vertikaler Rotationsachse als auch für solche mit horizontaler Rotationsachse.

Des Weiteren ist es grundsätzlich bekannt, das Schmiermittel durch Ausnutzung der Zentrifugalkraft des im Schmiermittelbad rotierenden Laufrings zu fördern, indem dieser mit einer Anzahl wenigsten annähernd radialer Bohrungen ausgestattet ist. Das Schmiermittel wird innen angesaugt und fliehkraftbedingt in den Bohrungen nach außen gefördert, wo es zentral gesammelt und dem Kühler zugeführt wird. Diese Methode arbeitet jedoch mit einer vergleichsweise geringen Zuverlässigkeit.

Als weitaus wirkungsvoller und zuverlässiger hat es sich erwiesen, die Erzeugung einer ausreichenden Pumpwirkung zur Beaufschlagung des externen Schmiermittelkreislaufs durch Ausnutzung der Druckverhältnisse in dem Schmiermittelspalt innerhalb eines Radialgleitlagers zu bewerkstelligen. Dabei wird das Schmiermittel aus Ausnehmungen des Schmiermittelspalts ausgeführt. Der Einsatz dieses vorteilhaften Prinzips ist jedoch an die Existenz eines solchen Radialgleitlagers gebunden. Jenen Anwendungsfällen, in denen kein solches Radialgleitlager vorhanden ist, bleibt diese Technik bislang versagt. Sie ist an den Einsatz externen Pumpen mit den damit verbundenen Nachteilen gebunden.

Darstellung der Erfindung

Hier setzt die Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Fördereinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die es insbesondere gestattet, trotz des Fehlens eines Radialgleitlagers eine autarke, von externen Pumpeinrichtungen unabhängige Förderung der Flüssigkeit in einen Flüssigkeitskreis, insbesondere zum Zwecke der Kühlung, zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dem im Sumpf rotierenden Rotor ein Radialsegment zuzuordnen, welches in Wechselwirkung mit dem Rotor selbstpumpende Eigenschaften erlangt. Das Radialsegment wird dabei innerhalb des Sumpfes, also in der Flüssigkeit so fixiert, dass es bis auf einen schmalen radialen Spalt an einer Mantelfläche des Rotors anliegt. Auf seiner dem Rotor zugewandten Innenseite kann das Radialsegment Strukturelemente aufweisen, die einen Druckaufbau in der Flüssigkeit innerhalb des Spalts erzeugen, sowie Strukturelemente zur Ableitung wenigstens eines Teils der dergestalt unter einen erhöhten Druck gesetzten Flüssigkeit. Hierzu umfasst die Fördervorrichtung für das jeweilige Radialsegment einen Ableitpfad, der im Radialsegment an dessen Innenseite mit dem Spalt kommuniziert und der aus dem Sumpf herausgeführt ist.

Der Ableitpfad bzw. die die Flüssigkeit aufnehmenden und fördernden Strukturelemente des jeweiligen Radialsegments können nach einer bevorzugten Ausführungsform aus einer Ausnehmung an der dem Rotor zugewandten Innenseite des Radialsegments bestehen, dergestalt, dass die Ausnehmung ausgehend von einer anströmseitigen Eintrittskante des Radialsegments parallel zur Umlaufrichtung über einen Teil seiner Länge mit im wesentlichen gleichbleibender radialer Tiefe verläuft, um schließlich in einer Stufe oder sich keilförmig verjüngend auszulaufen in einem Abstand vor einer abströmseitigen Austrittskante des Radialsegments. Unmittelbar vor der genannten Stufe bzw. einsetzenden Verjüngung zweigt ein Kanal aus der Ausnehmung ab. Infolge des sich in diesem Bereich aufbauenden Drucks innerhalb der Flüssigkeit fließt ein

erheblicher Teil der Flüssigkeit über den Kanal ab, z.B. in einen angeschlossenen Flüssigkeitskreis, bei dem es sich bevorzugt um einen Kühlkreis handelt. Dementsprechend kann die Flüssigkeit durch einen Kühler und schließlich wieder zurück in das Flüssigkeitsbad bzw. den Sumpf befördert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das wenigstens eine selbstpumpende Radialsegment innerhalb des Sumpfes in einer Weise fixiert sein, die nur einen Freiheitsgrad zulässt, nämlich in radialer Richtung. Dabei kann das jeweilige Radialsegment mit einer leichten Kraft, beispielsweise aufgebracht durch eine Feder, gegen die Außenseite des Rotors gedrückt werden.

Während des Stillstands des Rotors liegt das jeweilige Segment mit geringer Kraft an der Außenseite des Rotors an. Bei Rotation dringt Flüssigkeit zwischen Radialsegment und Rotor ein. In der Folge baut sich zwischen dem

Radialsegment und dem Rotor ein Flüssigkeitsdruck auf, der das Radialsegment zu einer radial nach außen gerichteten Bewegung gegen den Federdruck veranlasst und einen von der Flüssigkeit ausgefüllten Spalt freigibt. In diesen Spalt wird, wie oben dargestellt, die Flüssigkeit eingesaugt und vorzugsweise nach außen über den Ableitpfad abgeführt. Der geförderte Massenstrom ist eine Abhängige der Geometrie des Flüssigkeitsspalts und der Drehzahl des Rotors. Mit steigender Rotordrehzahl steigt auch die geförderte Flüssigkeitsmenge.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nunmehr auch hoch belastete Gleitlager, die an dieser Stelle keine Radiallager aufweisen, zuverlässig und wirkungsvoll mit einem autarken Schmiermittelkreis, also ohne eine externe Pumpe und die damit einhergehenden Nachteile, wie Redundanz und Notstromversorgung, betrieben werden können.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Axialgleitlagers einer um eine vertikale

Achse rotierenden Maschine, die mit mehreren Fördervorrichtungen ausgestattet ist,

Fig. 2 eine Draufsicht des Lagers aus Fig. 1 ,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Radialsegments der

Fördervorrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Entsprechend Fig. 1 weist eine hier nur teilweise dargestellte elektrische Maschine 1 , wie z.B. ein Hydrogenerator, einen Rotor 2 auf, der im Betrieb der Maschine 1 um eine Rotationsachse 3 dreht. Im Beispiel ist die Rotationsachse 3 vertikal orientiert, so dass es sich hier um eine vertikale oder stehend angeordnete elektrische Maschine 1 handelt. Dargestellt ist dabei in Fig. 1 ein axialer Endbereich der Maschine 1 bzw. des Rotors 2, an dem der Rotor 2 mittels eines hochbelastbaren Axialgleitlagers 4 axial gelagert ist. Der Rotor 2 stützt sich

dabei auf mehreren Lagersegmenten 5 des Axialgleitlagers 4 ab. Die Lagersegmente 5 selbst wiederum ruhen auf einer festen Unterlage 6. Während des Betriebs der Maschine 1 bildet sich zwischen den kommunizierenden Kontaktflächen des Rotors 2 einerseits und des Axialgleitlagers 4 andererseits ein reibungsvermindernder Schmierfilm aus, der aus einem Schmiermittelbad oder allgemein aus einem Sumpf 7 gespeist ist, was hinlänglich bekannt ist. Die Maschine 1 besitzt im gezeigten axialen Endbereich keine Radialgleitlager.

Um dennoch einen autarken Betrieb für einen Schmiermittelkreislauf gewährleisten zu können, ist im Sumpf 7 zumindest eine Fördervorrichtung 8 angeordnet. Im Beispiel sind gemäß Fig. 2 drei derartige Fördervorrichtungen 8 vorgesehen, die dabei entweder einem gemeinsamen Flüssigkeitskreis 9 oder jeweils einem separaten, eigenen Flüssigkeitskreis 9 zugeordnet sein können.

Entsprechend den Fig. 1 und 2 umfasst jede Fördervorrichtung 8 ein

Radialsegment 10, das mit einer im Betrieb des Rotors 2 rotierenden, dem jeweiligen Radialsegment 10 zugewandten Außenseite 11 oder Mantelfläche 11 des Rotors 2 kommuniziert. Das jeweilige Radialsegment 10, das selbst keine Führungsfunktion oder Lagerfunktion gegenüber dem Rotor 2 ausübt, ist an einer Wand 12 fixiert, die den Sumpf 7 radial einfasst. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das jeweilige Radialsegment 10 lediglich in radialer Richtung mit einem Bewegungsspiel ausgestattet. Beispielsweise kann das jeweilige Radialsegment 10 hierzu mittels einer teleskopierbaren Halterung 13 an der Wand 12 befestigt sein. Zusätzlich kann eine Druckfeder 14 vorgesehen sein, die eine radial nach innen gerichtete Kraft auf das jeweilige Radialsegment 10 ausübt.

Das jeweilige Radialsegment 10 dient dem Zwecke der Erzeugung einer Pumpwirkung zum Abführen eines Teils der im Sumpf 7 enthaltenen Flüssigkeit,

also des jeweiligen Schmiermittels, das insbesondere ein geeignetes Schmieröl sein kann. Das Schmiermittel wird hierzu in einen Kreis 9 gefördert, bei dem es sich bevorzugt um einen Kühlkreis 9 handelt, der einen hier nicht dargestellten Kühler enthält, der bezüglich des Sumpfes 7 extern angeordnet ist. Die genannte Pumpwirkung ergibt sich durch einen Druckanstieg in der Flüssigkeit, der in einem radialen Spalt 15 zwischen der Außenseite 11 des Rotors 2 und einer dem Rotor 2 zugewandten Innenseite 16 des jeweiligen Radialsegments 10 entsteht. Die jeweilige Fördervorrichtung 8 umfasst neben dem Radialsegment 10 außerdem einen Ableitpfad 17. Der jeweilige Ableitpfad 17 ist aus dem Sumpf 7 herausgeführt, z.B. durch die Wand 12 hindurch, und kommuniziert im zugehörigen Radialsegment 10 an dessen Innenseite 16 mit dem Spalt 15. Der relative überdruck in der Flüssigkeit innerhalb des Spalts 15 treibt die Flüssigkeit durch den Ableitpfad 17 entsprechend einem Pfeil 18 in den jeweiligen Flüssigkeitskreis 9. Diese Pumpwirkung kann außerdem durch eine gezielte Anordnung geeigneter Strukturelemente im Bereich der Innenseite 16 sowie im Inneren des Radialsegments 10 unterstützt werden. Besagte Strukturelemente bzw. die nähere Ausgestaltung des Ableitpfads 17 ist weiter unten mit Bezug auf Fig. 3 näher erläutert.

Während des Stillstands des Rotors 2 liegen die Radialsegmente 10 mit ihrer Innenseite 16, die gleichzeitig eine Kontaktfläche oder Gleitfläche bildet, an der Außenseite 11 bzw. Mantelfläche des Rotors 2 in Folge der Wirkung der Feder 14 radial an. Bei Rotation des Rotors 2 baut sich zwischen den Innenseiten 16 der Radialsegmente 10 und der Außenseite 11 des Rotors 2 zunächst ein Flüssigkeitsfilm bzw. ein Schmiermittelfilm auf, was analog zu einem Gleitlager erfolgt. Der entstehende Fluiddruck drückt dabei die Radialsegmente 10 entgegen der Federkraft der Feder 14 bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustands radial nach außen. Dabei ist es eine offensichtliche Wirksamkeitsvoraussetzung, dass ein Flüssigkeitsspiegel 19 des Sumpfes 7

während des Betriebs stets ausreichend oberhalb der Radialsegmente 10 liegen muss.

Der Fluiddruck innerhalb des Spalts 15 treibt außerdem einen Teil der den Spalt 15 durchströmenden Flüssigkeit durch den Ableitpfad 17 und somit durch den Flüssigkeitskreis 9 bzw. Kühlkreis 9.

In Fig. 2 ist eine Rotationsrichtung 20 des Rotors 2 durch einen Pfeil symbolisiert. Diese Rotationsrichtung 20 entspricht dabei auch der Strömungsrichtung der Flüssigkeit im Spalt 15, die in Fig. 3 ebenfalls durch einen Pfeil symbolisiert ist und mit 21 bezeichnet ist.

Entsprechend Fig. 3 kann der Ableitpfad 17 bei einer bevorzugten Ausführungsform des Radialsegments 10 an der Innenseite 16 eine im wesentlichen parallel zur Drehrichtung 20 bzw. parallel zur Strömungsrichtung 21 verlaufende Ausnehmung 22 aufweisen. Diese ist axial beiderseits und in der Umfangsrichtung abströmseitig, also in Richtung auf eine Abströmkante 23 des Radialsegments 10 begrenzt. Das bedeutet, dass die Ausnehmung 22 axial beiderseits und in Umfangsrichtung abströmseitig von Bereichen der Innenseite 16 eingefasst ist, die während des Stillstands des Rotors 2 an dessen Außenseite 11 zur Anlage kommen. Im Unterschied dazu ist die Ausnehmung 22 in Umfangsrichtung anströmseitig, also in Richtung einer Anströmkante 24 des Radialsegments 10 zum Sumpf 7 hin offen ausgestaltet. Ferner kann der Ableitpfad 17 einen Kanal 25 aufweisen, der sich im Inneren des Radialsegments 10 erstreckt und der eingangsseitig mit der Ausnehmung 22 kommuniziert und zwar hier im Bereich des abströmseitigen Endes der Ausnehmung 22. Die Ausnehmung 22 endet stromab des Kanals 25, insbesondere stufenförmig oder mit einer stetigen Verjüngung zu den Kontaktbereichen der Innenseite 16 hin. Ferner kann der Ableitpfad 17 wie hier eine Bohrung 26 aufweisen, die im

Inneren des Radialsegments 10 verläuft und die eingangsseitig mit dem Kanal 25 kommuniziert. Dementsprechend verbindet der Kanal 25 die Ausnehmung 22 mit der Bohrung 26. Die weiter oben genannten Strukturelemente zur Verbesserung der Pumpwirkung sind im vorliegenden Fall durch die Ausnehmung 22, den Kanal 25 und die Bohrung 26 gebildet. Schließlich kann der Ableitpfad 17 außerdem eine Leitung 27 aufweisen, die in Fig. 1 dargestellt ist und die außen an das jeweilige Radialsegment 10 angeschlossen ist, und zwar so, dass sie dabei eingangsseitig mit der Bohrung 26 kommuniziert. Besagte Leitung 27 führt dann zum Flüssigkeitskreis 9, also vorzugsweise zum Kühlkreis 9, bzw. ist die besagte Leitung 27 bereits ein Bestandteil des Flüssigkeitskreises 9 oder Kühlkreises 9.

Im Betrieb der Maschine 1 wird die Flüssigkeit von der rotierenden Außenseite 11 des Rotors 2 aus dem Sumpf 7 in den von der Ausnehmung 22 gebildeten Spalt eingezogen und weiter transportiert. Vor der stromab liegenden Verengung des Spalts baut sich hydrodynamisch ein Druck auf, welcher einen Teil der Flüssigkeit veranlasst, unter einem erhöhten Druck in den Kanal 25 überzutreten. Ein anderer, geringerer Teil der Flüssigkeit strömt durch den Spalt 15 zwischen der Innenseite 16 und der Außenseite 11 weiter bis zur Abströmkante 23 des Radialsegments 10. Der in den Kanal 25 abgezweigte Teil der Flüssigkeit fließt über die Bohrung 26 und die Leitung 17 weiter zum jeweiligen Kühlkreis 9, wird dort in einem externen Kühler abgekühlt und schließlich wieder in den Sumpf 7 zurückgeführt.

Bezugszeichenliste

1 Maschine

2 Rotor

3 Rotationsachse

4 Axialgleitlager

5 Lagersegment

6 Unterlage

7 Sumpf

8 Fördervorrichtung

9 Flüssigkeitskreis/Kühlkreis

10 Radialsegment

11 Außenseite von 2

12 Wand

13 Halterung

14 Feder

15 Spalt

16 Innenseite von 10

17 Abführpfad

18 Flüssigkeitsstrom

19 Flüssigkeitsspiegel

20 Drehrichtung von 2

21 Strömungsrichtung

22 Ausnehmung

23 Abströmkante

Anströmkante

Kanal

Bohrung

Leitung