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 10 ² bis etwa 10 ³ 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 .