Fanglager eines Magnetlagers oder Luftlagers

Die Erfindung betrifft ein Fanglager für Synchron- und/oder Asynchronmaschinen großer Leistung, insbesondere im Megawattbereich, deren Rotoren eine Welle aufweisen, die durch aktive Magnetlager oder Luftlager gehalten oder gelagert sind.

Rotoren dynamoelektrischer Maschinen werden normalerweise durch Wälz- oder Gleitlager gehalten und gelagert. Bei einigen schweren und/oder sehr schnelllaufenden Antrieben, insbesondere im Megawattbereich, beispielsweise Kompressorantriebe bei Gasverdichterstationen, werden aktive Magnetlager, mit einem Magnetlagerrotor, als axialer Abschnitt der Welle und einem diesen Abschnitt umfassenden Magnetlagerstator eingesetzt .

Um bei Ausfall dieser aktiven Magnetlager einen Kontakt des sich drehenden Magnetlagerrotors mit dem Magentlagerstator zu verhindern, fällt der Rotor mit seiner Welle in ein Fanglager. Dieses Fanglager nimmt zum Einen den Stoß beim Absturz der rotierenden Welle in das Fanglager auf und zum Anderen ist damit soll ein sicheres Austrudeln der Welle in dem Fang- lager gewährleistet werden.

Im Gegensatz zu Gleit- oder Wälzlagern stützen Magnetlager die Welle des Rotors nicht durch direkten mechanischen Kontakt oder durch ein Fluid, wie z.B. bei einer Luftlagerung sondern halten die Welle durch aktiv geregelte Magnetkräfte in der Schwebe. Sie bieten gegenüber traditionellen Lagerungen die Vorteile, dass Lagersteifigkeit und Lagerdämpfung über die Regelung einstellbar sind. Die Verluste z.B. durch Reibung sind dabei meist vernachlässigbar und eine Schmierung mit einer dadurch verbundenen Wartung ist nicht erforderlich.

Die Aufgabe der Fanglager ist ebenso die Welle des Rotors bei Stillstand der Maschine zu tragen. Des Weiteren müssen die Fanglager, wie oben erwähnt, beim Ausfall der Magnetlager, also dem Wegfall der magnetischen Kräfte den Kontakt zwischen Magnetlagerrotor und Magnetlagerstator vermeiden und die dabei auftretenden hohen Kräfte aufnehmen. Diese hohen Kräfte können zur Zerstörung der gesamten dynamoelektrischen Maschine führen.

Ein besonderer Effekt, der sich bei Ausfall eines aktiven Magnetlagers im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine ein- stellen kann, ist der Backward-Whirl-Effekt, der eine Rückwärtswirbelbewegung im Fanglager ausbildet. Bei dieser Bewegungsform bewegt sich der Rotor, wie in FIG 1 prinzipiell dargestellt entgegen seiner Drehrichtung. Diese Bewegung wird durch eine Reibkraft hervorgerufen, die an der Kontaktfläche zwischen Rotor und Fanglager entlang der Fanglagerinnenfläche wirkt. Diese Bewegung verursacht sehr hohe Lagerlasten, führt zu Rotorverformungen und stellt damit einen äußerst kritischen und demnach zu vermeidenden Maschinenzustand dar.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fanglager zu schaffen, bei dem das Eintreten des Backward- Whirl-Effekts minimiert wird und außerdem die mechanischen Belastungen auf das Fanglager vergleichsweise gering sind, so dass das Fanglager auch mehrere Rotorstürze ohne größere Schäden übersteht.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Fanglager für Synchronmaschinen und/oder Asynchronmaschinen insbesondere im Megawattbereich, deren Rotoren eine Welle aufweisen, die durch aktive Magnetlager oder Luftlager gehalten oder gelagert sind, wobei das Fanglager einen Tragring aufweist, der zumindest zwei definiert, in Umfangsrichtung des Tragrings angeordnete Reibelemente aufweist, die zur Welle des Rotors gewandt sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung und/oder Anordnung der Reibelemente am Tragring, wird ein definiertes und damit kalkulierbares Auslaufen der Welle mit ihrem Rotor im Fangla- ger durch eine Mischung einer springenden und einer pendelnden Bewegung erreicht. Dabei wird nunmehr das sogenannte "Aufklettern" bzw. Umlaufen der Welle im Fanglager vermieden, da es erfindungsgemäß keine ringförmige Wand des Fanglagers mehr gibt .

Vorteilhafterweise ist ein Tragring, der die Reibelemente aufweist, durch eine vorgebbare Einfederungseinrichtung entsprechend ihres Anstellwinkels und/oder zusätzlichen Dreh- freiheitsrad in einem Außenring positioniert. Deshalb verteilen sich in einem Störfall die hohen Stoßkräfte nicht allein auf einen Punkt der Innenseite des Tragrings, sondern werden zumindest zum Teil auch von der Einfederungseinrichtung des Tragrings in den Außenring geleitet.

Die Einfederungseinrichtung ist vorteilhafterweise als eine gallertartige Masse oder durch mechanische Dämpfungselemente zwischen Tragring und Außenring ausgebildet.

Um nach einigen Ausfällen der Magnetlager nicht das gesamte Fanglager auswechseln zu müssen, und/oder die Parameter der Reibung innerhalb des Tragrings zu beeinflussen, sind die Reibelemente im Tragring austauschbar angeordnet. Vorteilhafterweise können dabei die Reibelemente axial beispielswei- se über Schwalbenschwanzverbindungen formschlüssig in den Tragring eingesetzt werden.

Die Reibelemente sind aus diesem Grund entweder aus dem gleichen Werkstoff wie der Tragring oder aber auch aus härterem oder weicherem Werkstoff ausgeführt. Des Weiteren können auch Beschichtungen der Reibelemente beispielsweise aus Bronze die Reibkoeffizienten dieser Reibelemente zusätzlich beeinflussen .

Die axiale Ausdehnung der Reibelemente innerhalb ihres Tragrings entspricht zumindest 50% der Ausdehnung des Tragrings. Damit werden zumindest die erforderlichen Kräfte und Reibkoeffizienten bereit gestellt, so dass auch bei härteren Reib- elementen eine geringere axiale Ausdehnung als die 50% eingestellt werden kann.

Vorteilhafterweise sind dabei in Umfangsrichtung betrachtet, zumindest zwei Reibelemente in äquidistanten Abständen im

Fanglager angeordnet. Bei zwei Reibelementen sind diese insbesondere auf gleicher Höhe angeordnet. Die Anzahl der Reibelemente ist jedoch ebenso mit drei, vier, fünf oder sechs Reibelementen vorstellbar, je nachdem wie z.B. der Durchmes- ser der Welle oder die Drehzahl ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch eine Magnetlagervorrichtung einer dynamoelektrischen Maschine mit zumindest zwei Fanglagern, wobei diese Fanglager in unmittel- barer Nähe der Magnetlager angeordnet sind.

Eine Magnetlagervorrichtung einer dynamoelektrischen Maschine weist zumindest zwei Fanglager auf, wobei vorteilhafterweise die Fanglager in unmittelbarer Nähe, also lediglich im Ab- stand von einigen Zentimetern von ihren Magnetlagern angeordnet sind.

Durch Anordnung der Reibelemente der beiden Fanglager beispielsweise an den gleichen Positionen im Fanglager, in Um- fangsrichtung betrachtet, kann im Störfall über die Vermeidung bzw. Reduzierung des Backward-Whirl-Effekts die Rotoreigenfrequenz positiv beeinflusst werden. D.h. die Amplituden werden gedämpft, so dass in erster Linie die Gefahr der Berührung von Magnetlagerrotor und Magnetlagerstator gebannt ist. Bei vergleichsweise großen Amplituden ist auch die potentielle Gefahr vorhanden, dass sich Rotor und Stator der dynamoelektrischen Maschine berühren. Dieser Fall würde eine komplette Zerstörung des gesamten Antriebssystems verursachen .

Grundsätzlich ist der Luftspalt des Magnetlagers wesentlich kleiner als der Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine. Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche sind in prinzipiellen Darstellungen den Zeichnungen zu entnehmen. Darin zeigen :

FIG 1 Stand der Technik,

FIG 2 Fanglager,

FIG 3 Fanglager mit Außenring,

FIG 4, 5 Ausgestaltung von Reibelementen, FIG 6 bis 8 Ausgestaltungen der zum Rotor gewandten Reibelemente,

FIG 9 prinzipielle Darstellung einer dynamoelektrischen Maschine, FIG 10,11 polygonale Innenseite, FIG 12 bis 14 abgewickelte Innenseite.

FIG 2 zeigt in prinzipieller Darstellung ein Fanglager 1, an dessen Innenseite 2 drei Reibelemente 6 angeordnet sind. Die Reibelemente 6 sind im Ausführungsbeispiel aus gleichem Werk- Stoff wie ein Tragring 9. D.h. der Werkstoff des Fanglagers 1 an seiner Innenseite 2 entspricht dem Werkstoff der Reibelemente 6.

Erfindungsgemäß wird im Störfall, d.h. bei Versagen einer Luft- oder Magnetlagerung der Backward-Whirl-Effekt verhindert oder zumindest in seinen Auswirkungen reduziert. Dies gelingt durch eine insbesondere äquidistante Anordnung der Reibelemente 6 auf der Innenseite 2 des Fanglagers 1 mittels drei oder vier Reibelementen. Das sogenannte Hochklettern des Rotors 3 bzw. seiner Welle 17 innerhalb des Fanglagers 1 wird somit vermieden. Der Innendurchmesser des Fanglagers 1 weist in diesem Bereich einen größeren Durchmesser als die Welle 17 auf. Das Fanglager 1 soll durch seine Dimensionierung auf jeden Fall vermeiden, dass im Störfall der Magnetlagerrotor den Luftspalt zum Magnetlagerstator oder gar der Rotor 3 den

Luftspalt einer dynamoelektrischen Maschine 12 überbrückt und somit den Stator 14 berührt und damit beschädigt. Ein Magnetlager 16 weist grundsätzlich einen Magentlagersta- tor auf, der die Welle 17 umfasst. Die Welle 17, insbesondere der dem Magnetlagerstator gegenüberliegende axiale Abschnitt der Welle 17, bildet den Magnetlagerrotor. Der Magnetlager- luftspalt ist dabei wesentlich geringer als der Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine 12.

Die axiale Ausdehnung, also die Breite des Fanglagers 1, entspricht ungefähr 20% bis 50% der axialen Ausdehnung des Mag- netlagers 16.

Die Dimensionierung einer Welle 17, d.h. im Wesentlichen der Durchmesser, der sich u.a. in einer Lagervorrichtung befindet und somit die Kopplung herstellt, beeinflusst selbstverständ- lieh dann auch die Biegeeigenfrequenzen des Systems Welle- Rotor insbesondere auch im Störfall.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Fanglager 1 neben einem Tragring 9, der die Reibelemente 6 aufweist, ein den Tragring 9 umgebenden Außenring 8 auf. Der Tragring 9 ist in dem Außenring 8 über ein elastisches Element 7 verbunden. Dieses elastische Element 7 kann beispielsweise ein federnder Zwischenring sein, der sich zwischen Außenring und Tragring 9 befindet. Das elastische Element 7 soll dabei im Wesentlichen die ersten Stöße im Störfall, d.h. das Abfallen der Welle innerhalb der Magnetlagervorrichtung aufnehmen. Durch die am Tragring 9 angeordneten zur Welle 17 gewandten Reibelemente 6 wird nun anschließend der Backward-Whirl-Effekt vermieden, da sich die Welle 17 in den Reibelementen 6 ausläuft.

Vorteilhafterweise ist der Tragring 9, der die Reibelemente 6 aufweist, durch eine vorgebbare Einfederungseinrichtung entsprechend ihres Anstellwinkels und/oder zusätzlichen Drehfreiheitsrad in einem Außenring 8 positioniert. Dies gelingt über eine gallertartige Masse oder mechanische Dämpfungselemente zwischen Tragring 9 und Außenring 8. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lagern verteilen sich im Störfall nunmehr die hohen Stoßkräfte beim Abfallen der Welle nicht nur auf einen Punkt der Innenseite 2 des Fanglagers 1, insbesondere eines einzelnen Reibelements 6, sondern die Kräfte werden zusätzlich durch die Einfederungseinrichtung aufgenommen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wurde deshalb neben einer symmetrischen Drei-Reibelement-Anordnung auch eine unsymmetrische Vier- oder Fünf-Reibelement-Anordnung vorgeschlagen. Dabei ist das zusätzliche Reibelement 6 oder die zusätzlichen Reibelemente 6 an der unteren Seite der Innenseite 2 des Fanglagers 1 angeordnet, um diese Stoßkräfte besser aufnehmen und verteilen zu können.

Um die Anordnungen der Reibelemente 6 auf der Innenseite 2 des Fanglagers näher zu beschreiben, wird eine Ziffernblatt- darstellung einer Uhr gewählt, wobei in einer Seitenansicht des Fanglagers 1 "zwölf Uhr" die obere Position, also die dem Erdboden abgewandte Position sein soll.

Bei zwei Reibelemente 6 ist insbesondere eine zehn-vier oder elf-fünf Kombination bei Drehung 5 der Welle 17 in im Uhrzeigersinn vorteilhaft.

Bei drei Reibelementen 6 ist bei gleichem Drehsinn der Welle 17 eine fünf-sieben-elf oder eine vier-sieben-zehn oder eine fünf-acht-elf Position vorteilhaft.

Bei vier Reibelementen 6 ist bei gleichem Drehsinn der Welle 17 eine vier-sechs-acht-elf oder fünf-sechs-sieben-zehn oder vier-fünf-sieben-zehn Position vorteilhaft.

Bei fünf Reibelementen 6 ist bei gleichem Drehsinn der Welle 17 wie oben eine vier-fünf-sechs-sieben-elf oder vier-fünf- sechs-sieben-zehn oder drei-fünf-sieben-neun-elf Position vorteilhaft .

Bei anderem Drehsinn sind die Positionen der Reibelemente 6 dementsprechend achsensymmetrisch bzgl. einer Achse "zwölfsechs Uhr" anzuordnen. Letztlich wird erfindungsgemäß der Backward-Whirl-Effekt dadurch vermindert oder verhindert, dass im Störfall die Welle 17 im Fanglager 1 eine pendelnd springende Bewegung vollführt, so dass die oben genannten Positionen lediglich An- haltspunkte für eine Positionierung bieten.

FIG 4 zeigt eine schwalbenschwanzähnliche Verbindung eines Reibelements 6 in einem Tragring 9. Damit sind die Reibelemente 6 nahezu beliebig austauschbar und können gegebenen- falls an die Randparameter wie Wellenlänge, Gewicht etc. an- gepasst werden. Dabei können die Reibelemente 6 den gleichen Werkstoff wie der Tragring 9 aufweisen, ebenso können härtere oder weichere Werkstoffe für die Reibelemente 6 eingesetzt werden .

Des Weiteren können die Reibelemente 6 auch verschiedene Be- schichtungen aufweisen, um diesen äußeren Belastungen im Störfall gerecht zu werden.

Ebenso kann pro Fanglageranordnung auch eine Kombination einiger prinzipiell unterschiedlicher Reibelemente 6 eingesetzt werden, wie in FIG 4 und 5 dargestellt.

Eine Fanglageranordnung kann ebenso, wie in FIG 6 bis 8 dar- gestellt, unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen der im Tragring 9 integrierten Reibelemente 6 aufweisen.

FIG 9 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung eine Antriebsanordnung, die eine dynamoelektrische Maschine 12 aufweist, die als Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgeführt sein kann und die einen Kompressor einer Gasverdichterstation antreibt. Prinzipiell dargestellt sind dabei an den Stirnseiten der dynamoelektrischen Maschine 12 zwei Magnetlager 16 und in unmittelbarer Nahe dieser Magnetlager 16 zwei Fanglager 1. Des Weiteren befindet sich auf der Welle 17 eine Bremsvorrichtung 18, die den größten Teil der Rotationsenergie im Störfall aufnimmt. Ohne diese Bremse 18 wäre die thermische Belastung der Fanglager 1 zu hoch, so dass diese dann einen Absturz des Rotors 3 mit größter Wahrscheinlichkeit nicht unbeschadet überstehen würden.

Bei Ausfall zumindest eines Magnetlagers 16 fällt nunmehr der gelagerte Abschnitt bzw. die ganze Welle 17 in die Fanglager 1. Der normalerweise sich einstellende Backward-Whirl-Effekt, der auf jeden Fall verhindert werden soll, wird nunmehr durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Fanglager 1 durch die Reibelemente 6 vermieden und die Rotationsenergie wird vor- teilhafterweise hauptsächlich von der äußeren Bremsvorrichtung 18 aufgenommen.

Damit kann eine derartige Anordnung mehrfach im Schadensfall eingesetzt werden, ohne jeweils das komplette Fanglager 1 auszubauen. Es müssen lediglich gegebenenfalls einzelne Reibelemente 6 bzw. der Tragring 9 bei integrierten also einstückig mit dem Tragring 9 verbundenen Reibelementen 6 ausgewechselt werden.

Die Innenseite 2 des Fanglagers 1 ist gemäß den FIG 2, 3 rund ausgeführt, bildet also eine Mantelfläche eines Zylinders.

Die Erfindung umfasst in Abwandlung dieser Ausführungen auch die Anordnung von Reibelementen 6 in polygonal ausgeführten Innenseiten 2, wie in FIG 10, 11 prinzipiell dargestellt. Die Innenseiten 2 können ebenso rundlich, d.h. beispielsweise oval ausgebildet sein und Reibelemente 6 aufweisen.

FIG 12, 13, 14 zeigen mehrere Möglichkeiten des axialen Ver- laufs der Reibelemente 6 über die axiale Ausdehnung des Fanglagers 1.

In FIG 12 des aufgrund der vereinfachten Darstellung aufgeschnittenen Fanglagers 1 ist ein axial durchgehendes Reibele- ment 6 dargestellt. In FIG 13 sind einzelne Reibelemente 6 gezeigt, die nur einen vorgegebenen axialen Abschnitt einnehmen. In FIG 14 ist ein Reibelement 6 gezeigt, das auf der Innenseite 2 des Fanglagers 1 letztendlich schräg verläuft. In der weiter oben eingeführten Ziffernblattdarstellung würde das bedeuten, dass sich die Position eines Reibelements 6 beispielsweise über den axialen Verlauf betrachtet kontinuierlich von der sieben Position auf die acht Position verän- dert.

Ebenso ist denkbar, dass die Reibelemente 6 in ihrem axialen Verlauf unterschiedliche Höhen, also radiale Ausdehnungen in Richtung Welle 17 aufweisen, beispielsweise wäre dann die Ho- he der Reibelemente 6 auf der zum Magnetlager 16 gewandten

Seite größer als die Höhe der Reibelemente 6 an der dem Magnetlager 16 abgewandten Seite.

Diese beschriebenen Ausführungsformen und deren Kombinationen sind sowohl für einzelne Reibelemente 6 als auch für mit dem Tragring 9 einstückig verbundene Reibelemente 6 denkbar.