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Title:
SHAFT AXIAL BEARING ARRANGEMENT AND TURBOMACHINE HAVING THE SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/043881
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a shaft axial bearing arrangement (AB) comprising a shaft (SH) with a magnetic bearing arrangement (AMB), wherein the shaft (SH) has a first axial bearing shoulder (AS1), the radial extent of which from a first, inner radius (R1) to a second, outer radius (R2) interacts, for the axial mounting of the shaft (SH), with the static part of the magnetic bearing arrangement (AMB). To make it possible to realize a high-performance turbomachine with a simultaneously small structure, it is proposed that at least one first shaft seal (SS1) of the shaft axial bearing arrangement (AB) be provided on the shaft (SH) at the first radius and a second shaft seal (SS2) of the shaft axial bearing arrangement (AB) be provided on the shaft (SH) at the second radius, wherein the axial magnetic bearing arrangement (AMB) is situated axially between the first shaft seal (SS1) and the second shaft seal (SS2), wherein a first pressure chamber (PR1) of the shaft axial bearing arrangement (AB) is delimited by the first shaft seal (SS1), the second shaft seal (SS2), the shaft (SH) with the first axial bearing shoulder (AS1), and a housing (CAS) of the shaft axial bearing arrangement (AB), wherein a first pressure line (PL1) of the shaft axial bearing arrangement (AB) is connected to the first pressure chamber (PR1), via which first pressure line the first pressure (P1) in the first pressure chamber (PR1) can be varied.

Inventors:
SCHLEER, Matthias (Franz-Liszt-Str. 22D, Freinsheim, 67251, DE)
Application Number:
EP2014/068467
Publication Date:
April 02, 2015
Filing Date:
September 01, 2014
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
International Classes:
F16C32/04; F01D3/00; F01D25/16; F04D29/051; F04D29/058; F16C39/04
Domestic Patent References:
WO2001016466A12001-03-08
WO2009135802A12009-11-12
Foreign References:
US5104284A1992-04-14
JP2010190088A2010-09-02
JP2006234075A2006-09-07
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Claims:
Patentansprüche

Wellenaxiallageranordnung (AB) , insbesondere für eine Fluidenergieturbomaschine (TM) ,

umfassend eine sich entlang einer Achse (X) erstreckende Welle (SH),

umfassend eine Magnetlagerung (AMB) der Welle (SH) , wobei die Welle (SH) einen ersten Axiallagerabsatz (AS1) aufweist, dessen radiale Erstreckung von einem ersten inneren Radius (Rl) zu einem zweiten äußeren Radius (R2) mit dem stehenden Teil der Magnetlagerung (AMB) zur axialen Lagerung der Welle (SH) zusammenwirkt,

wobei an der Welle (SH) mindestens eine erste Wellen¬ dichtung (SSI) der Wellenaxiallageranordnung (AB) an dem ersten Radius (Rl) und eine zweite Wellendichtung (SS2) der Wellenaxiallageranordnung (AB) an dem zweiten Radius

(R2) an dem Axiallagerabsatz (AS1) vorgesehen sind, wobei die axiale Magnetlagerung (AMB) sich axial zwischen der ersten Wellendichtung (SSI) und der zweiten Wellendichtung (SS2) befindet, wobei ein erster Druckraum

(PR1) der Wellenaxiallageranordnung (AB) von der ersten Wellendichtung (SSI), der zweiten Wellendichtung (SS2), der Welle (SH) ) mit dem ersten Axiallagerabsatz (AS1) und einem Gehäuse (CAS) der Wellenaxiallageranordnung

(AB) begrenzt ist, wobei eine erste Druckleitung (PL1) der Wellenaxiallageranordnung (AB) mit dem ersten Druckraum (PR1) verbunden ist, mittels derer der erste Druck

(PI) in dem ersten Druckraum (PR1) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass

die erste Druckleitung (PL1) mit einem Druckreservoir (PR) der Wellenaxiallageranordnung (AB) in Verbindung steht und ein erstes Regelventil (SV1) aufweist, mittels dessen der erste Druck (PI) veränderbar ist.

2. Wellenaxiallageranordnung (AB) nach Anspruch 1,

wobei eine zentrale Steuerung (CU) der Wellenaxiallageranordnung (AB) vorgesehen ist, die die Stellung des ersten Regelventils (SV1) und den ersten Druck (PI) in Ab¬ hängigkeit von einer ersten Druckmessung des ersten Drucks (PI) und/oder einer Schubmessung an der Welle (SH) steuert.

3. Wellenaxiallageranordnung (AB) nach Anspruch 2,

wobei die Schubmessung Bestandteil des axialen Magnetla¬ gers (ABM) ist.

4. Wellenaxiallageranordnung (AB) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

wobei der erste Axiallagerabsatz (AS1) Bestandteil einer Axiallagerscheibe (ABD) ist, wobei der erste Axiallager¬ absatz auf einer ersten axialen Seite der Axiallagerscheibe (ABD) angeordnet ist und auf der gegenüberlie¬ genden zweiten axialen Seite die Axiallagerscheibe (ABD) einen zweiten Axiallagerabsatz (AS2) aufweist, wobei die Axiallagerscheibe (ABD) eine Symmetrieebene (SYL) defi¬ niert und auf der zweiten axialen Seite ein zweiter Druckraum (PR2) begrenzt ist durch die Welle (SH) mit dem zweiten Axiallagerabsatz (AS2), die zweite Wellendichtung (SS2), das Gehäuse (CAS) und eine dritte Wel¬ lendichtung (SS3) , wobei eine zweite Druckleitung (PL2) mit dem zweiten Druckraum (PR2) verbunden ist, mittels derer der zweite Druck (P2) in dem zweiten Druckraum (PR2) veränderbar ist.

5. Wellenaxiallageranordnung (AB) nach Anspruch 4,

wobei der zweite Axiallagerabsatz (AS2) mit dem stehenden Teil einer Magnetlagerung (AMB) Axiallagerscheibe (ABD) zusammenwirkt.

6. Turbomaschine mit einer Wellenaxiallageranordnung (AB) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-5.

Description:
Beschreibung

WELLE NAXIALLAGERANORDNUNG UND TURBOMASCHINE MIT EINER SOLCHEN

5

Die Erfindung betrifft eine Wellenaxiallageranordnung, insbesondere für eine Fluidenergieturbomaschine,

umfassend eine sich entlang einer Achse erstreckende Welle, umfassend eine Magnetlagerung der Welle,

0 wobei die Welle einen ersten Axiallagerabsatz aufweist, des ¬ sen radiale Erstreckung von einem ersten inneren Radius zu einem zweiten äußeren Radius mit dem stehenden Teil der Magnetlagerung zur axialen Lagerung der Welle zusammenwirkt, wobei an der Welle mindestens eine erste Wellendichtung der5 Wellenaxiallageranordnung an dem ersten Radius und eine zweite Wellendichtung der Wellenaxiallageranordnung an dem zweiten Radius an dem Axiallagerabsatz vorgesehen sind, wobei die axiale Magnetlagerung sich axial zwischen der ersten Wellendichtung und der zweiten Wellendichtung befindet, wobei ein0 erster Druckraum der Wellenaxiallageranordnung von der ersten Wellendichtung, der zweiten Wellendichtung, der Welle mit dem ersten Axiallagerabsatz und einem Gehäuse der Wellenaxiallageranordnung begrenzt ist, wobei eine erste Druckleitung der Wellenaxiallageranordnung mit dem ersten Druckraum verbunden5 ist, mittels derer der erste Druck in dem ersten Druckraum

veränderbar ist.

Bei der Lagerung von Wellen, insbesondere von Fluidenergie- turbomaschinen, mittels aktiver Magnetlagerung wird diese ak-0 tive Magnetlagerung regelmäßig auf die volle axiale Betriebs ¬ last ausgelegt. Dadurch muss eine Axialschubseite an der Wel ¬ le mit großem Durchmesser und entsprechend großer Fläche eingesetzt werden, damit die aktive Magnetlagerung in der Lage ist, entsprechend große Schubkräfte zu erzeugen. Zusätzlich5 ergeben sich signifikante technische Herausforderungen aus

der elektrischen Leistungsfähigkeit der Magnetlagerung. Die bei größeren Axialschüben erforderlichen größeren Durchmesser der Axiallagerscheibe limitieren die maximal mögliche Dreh- zahl in Folge limitierender Materialfestigkeit der Axialla ¬ gerscheibe. Eine große Magnetkraft erfordert außerdem eine große Leistungsaufnahme und eine beträchtliche Wärmeentwick ¬ lung der Axiallager, die möglicher Weise eine zusätzliche Kühlung der Magnetlagerung erforderlich macht.

Aus der JP2010190088A ist zumindest teilweise bereits eine Anordnung der eingangs definierten Art bekannt. Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, eine Axiallagerung mit magnetischen Lagern auch für Maschinen, insbesondere für Fluidenergieturbomaschinen, bereitzustellen, die mit größeren Axialschüben kompatibel ist. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird eine Anordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen mit den zusätzlichen Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1. Die jeweils rück ¬ bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbil ¬ dung der Erfindung. Weiterhin wird eine Turbomaschine mit diesen Merkmalen vorgeschlagen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass die Leis ¬ tung bzw. der durch die aktive Magnetlagerung aufzubringende Axialschub durch Nutzung der Axiallagerscheibe als Druckkol- ben reduziert werden kann. Auf diese Weise muss die aktive Magnetlagerung nicht mehr auf die volle Betriebslast ausge ¬ legt werden. Im Einzelnen wird vorgeschlagen, dass mindestens ein erster Druckraum mittels zweier Wellendichtungen im Bereich des Wellenabsatzes zur Magnetlagerung vorgesehen ist, der mittels einer ersten Druckleitung hinsichtlich seines Innendrucks gesteuert wird. Hierzu kann entweder der Axialschub der Magnetlagerung in der Steuerelektronik des Steuergerätes der aktiven Magnetlagerung ausgelesen werden bzw. bestimmt werden oder auf eine andere Art bestimmt werden. Weiterhin ist eine Messung des Drucks in dem Druckraum sinnvoll und ein Abgleich dieser Druckmessung mit dem Axialschub aus der Steuereinheit der Magnetlagerung. Eine zentrale Steuerung kann den Druck in dem ersten Druckraum, oder ggf. in weiteren Druckräumen dieser Anordnung derart steuern, dass der Schubausgleich mittels der Magnetlagerung sich reduziert.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass bei ei ¬ ner Anwendung der Erfindung auf eine Fluidenergieturbomaschi- ne regelmäßig entsprechende Druckniveaus zur Beaufschlagung des ersten Druckraums zur Verfügung stehen und dementspre ¬ chend ein nur geringer Zusatzaufwand zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lagerung entsteht. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung auf einen Turboverdichter, bei dem die entsprechenden Druckniveaus aus einer Anzapfung von Verdichterstufen naturgemäß im Betrieb zur Verfügung stehen .

Grundsätzlich ist eine Axiallagerscheibe ein Wellenabsatz im Sinne der Erfindung, der mittels eines über die Axiallagerscheibe aufgebrachten Differenzdrucks im Sinne der Erfindung als Wellenabsatz derart genutzt werden kann, dass eine Axial ¬ schubkompensation erfolgt. Ein zentrales Merkmal der Erfindung ist demnach die auf dem äußeren Durchmesser der Axiallagerscheibe bzw. des Axiallagerwellenabsatzes befindliche Wel ¬ lendichtung, damit unterschiedliche Druckniveaus an dem Wel ¬ lenabsatz des Axiallagers für einen entsprechenden Axialschub sorgen, der einen Axialschub aus der eigentlichen angeschlossenen Turbomaschine an der Welle kompensieren kann.

Die erfindungsgemäße Idee ist auf der Axiallagerscheibe auf einer Seite mittels eines ersten im Druck regelbaren Druckraums realisierbar oder bevorzugt mit Druckräumen auf beiden Seiten der Axiallagerscheibe, so dass auf jeder axialen Seite ein Druckraum gegenüber der Umgebung und zu dem anderen

Druckraum abgedichtet ist mittels Wellendichtungen und ein bestimmtes Druckniveau in den jeweiligen Druckräumen derart einstellbar ist, dass die Druckdifferenz über die Axiallagerscheibe in Zusammenwirkung mit der axialen Projektionsfläche der Axiallagerscheibe einen entsprechenden Schub zur Folge hat, der die Axialkraft an der Welle und damit den axialen Schub am axialen Magnetlager reduziert. Die Erfindung eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit, dass mittels der Regelung des Drucks in den Druckräumen eine nur ungefähre Axialschubkompensation stattfindet, während die axiale Magnetlagerung den Axialschub schließlich exakt kompensiert .

Nach der Erfindung wird nicht die Schubkraft mit der axialen Wellenverlagerung mittels der magnetischen Axiallager über die Lässigkeit der Wellendichtungen eingestellt sondern mit ¬ tels des Regelventils ohne zwingende Axialverlagerung. Dies ermöglicht einen geringeren Axialspielbedarf.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine erste Druckleitung ein Druckreservoir mit dem ersten

Druckraum verbindet und ein erstes Regelventil in der Druck ¬ leitung vorgesehen ist, mittels dessen ein Fluidzufluss aus dem ersten Druckreservoir regelbar ist und damit der erste Druck in dem ersten Druckraum veränderbar ist. Auf diese Wei- se kann mittels des Regelventils und der Lässigkeit der den ersten Druckraum abschließenden Wellendichtungen der Druck gezielt derart eingestellt werden, dass die gewünschte Axial ¬ schubkompensation eintritt. Bei dem Druckreservoir kann es sich um ein Behältnis mit einem Druck größer oder auch kleiner als der Druck in der Maschine handeln. Auf diese Weise kann eine gezielte und gere ¬ gelte Druckerhöhung bzw. eine Druckabsenkung in einem (oder beiden) Druckraum (Druckräumen) durchgeführt werden. Aus dem Druckunterschied in diesen Druckräumen ergibt sich dann der Axialschub .

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine zentrale Steuerung die Stellung dieses ersten Regelventils steuert und den ersten Druck in Abhängigkeit von einer ersten Druckmessung des ersten Drucks in dem ersten Druckraum und/oder einer Schubmessung an der Welle bevorzugt mittels der aktiven Magnetlagerung bzw. der daran angeschlossenen Steuerung durchführt.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen

Wellenaxiallageranordnung .

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Wellenaxiallageranordnung AB als Bestandteil einer Turbomaschine TM, die als Verdichter CO (nur symbolisch angedeutet) dargestellt ist.

Eine Welle SH der Anordnung erstreckt sich entlang einer Achse X durch das erfindungsgemäße Wellenaxiallager und dient gleichzeitig der Übertragung eines Drehmoments auf den Ver ¬ dichter CO. Die Wellenaxiallageranordnung AB weist ein Gehäu- se CAS auf, welches bevorzugt eine Fortsetzung des Gehäuses des Verdichters CO ist. Die Welle SH trägt eine Axiallager ¬ scheibe ABD, die einen ersten Axiallagerabsatz AS1 und einen zweiten Axiallagerabsatz AS2 aufweist. Bei der Axiallagerscheibe ABD handelt es sich um eine auf die Welle SH aufge- schrumpfte Scheibe. Alternativ kann die Axiallagerscheibe ABD auch einstückig mit der Welle SH ausgebildet sein.

In dem in der Figur 1 abgebildeten Teil des Gehäuses CAS befindet sich beidseitig der Axiallagerscheibe ABD jeweils ein Magnetlagerträger MSUP, der einen stehenden Teil eines Axialmagnetlagers AMB und einen stehenden Teil eines Radialmagnet ¬ lagers RMB trägt. Spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene SYL der Axiallagescheibe ABD befinden sich beidseitig der Axiallagerscheibe ABD der entsprechend spiegelsymmetrisch ausgebildete Magnetlagerträger MSUP.

Die beidseitig der Axiallagescheibe ABD angeordneten axialen Magnetlager AMB stehen mittels Signalleitungen Sl, S2 mit ei- ner zentralen Steuerung CU in Verbindung, so dass die Axialkräfte aus der aktiven Magnetlagerung mittels der zentralen Steuerung geregelt werden können bzw. dass der Schub aus dem Verdichter CO auf die Welle SH mittels des Magnetaxiallagers AMB bestimmt und kompensiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird zusätzlich der Axialschub mittels Diffe ¬ renzdruckbeaufschlagung auf die Axiallagerscheibe ABD kontrolliert. Linksseitig des ersten Axiallagerabsatzes AS1 ist auf einem ersten Radius Rl eine erste Wellendichtung SSI vorgesehen und rechtseitig (mit links und rechts ist jeweils Be ¬ zug genommen auf die Axialrichtung der Achse X) ist auf der Axiallagerscheibe ABD am äußersten Radius bzw. einem zweiten Radius R2 eine zweite Wellendichtung SS2 vorgesehen. Auf die- se Weise ist ein erster Druckraum PR1 begrenzt durch das Ge ¬ häuse CAS, die Welle SH mit der Axiallagerscheibe ABD und die beiden Wellendichtungen, die erste Wellendichtung SSI und die zweite Wellendichtung SS2. Der Druck in diesem ersten Druckraum PR1 wird mittels einer ersten Druckleitung PL1 und ein in der ersten Druckleitung PL1 vorgesehenes Regelventil CV1 gesteuert sowie mittels der zentralen Steuerung CU kontrol ¬ liert. Der in dem ersten Druckraum PR1 herrschende Druck wirkt auf die axiale Projektionsfläche der Axiallagerscheibe ABD in Abhängigkeit von der Radien-Differenz zwischen dem ersten Radius und dem zweiten Radius R2. Spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieebene SYL de Axiallagescheibe ABD befindet sich auf der anderen Axiallagerscheibe der Symmetrieebene SYL die schematisch identische Anordnung aus Wellendichtungen, Axiallagerabsatz, Welle SH und Gehäuse CAS. Rechtsseitig sind diese Elemente bezeichnet als zweiter Axiallagerabsatz AS2, und dritte Wellendichtung SS3 auf einem Radius R3, wobei die zweite Wellendichtung SS2 in der Symmetrieebene SYL der Axiallagerscheibe ABD und dementsprechend gleichzeitiger Be ¬ standteil beider Druckraumanordnungen ist. Der zweite rechts- seitige Druckraum PR2 ist dementsprechend begrenzt durch die dritte Wellendichtung SS3, die Welle SH, die Axiallagerschei ¬ be ABD, die zweite Wellendichtung SS2 und das Gehäuse CAS. In den beiden Druckräumen PR1, PR2 befinden sich vollständig die stehenden Bestandteile der Magnetlagerungen (AMB, RMB) jeweils gehalten durch einen Magnetlagerträger MSUB. Auch der zweite Druckraum PR2 ist an eine zweite Druckleitung PL2 angeschlossen, dessen Zufuhr aus dem an die zweite Druckleitung PL2 angeschlossenen Druckreservoir PR gesteuert wird mittels eines zweiten Regelventils CV2, das ebenfalls mit der zentra ¬ len Steuerung CU mit einer fünften Signalleitung S5 in Verbindung steht. Mittels der ersten Druckleitung PL1 wird - gesteuert durch die zentrale Steuerung CU - in dem ersten Druckraum PR1 ein erster Druck PI eingestellt. Mittels der zentralen Steuerung CU wird mit dem zweiten Regelventil CV2 über die zweite

Druckleitung PL2 in dem zweiten Druckraum PR2 ein zweiter Druck P2 eingestellt. Der Differenzdruck aus der Differenz des ersten Drucks PI und des zweiten Drucks P2 wirkt als Axi ¬ alschub auf die Axiallagerscheibe ABD und wird mittels eines Drucksensors PS gemessen und mittels einer dritten Signallei ¬ tung an die zentrale Steuerung CU mitgeteilt.

Optional kann die in der Figur 1 dargestellte Ausbildung der Erfindung mit nur einem Druckraum (PR1, PR2) ausgestattet sein, wenn aus der angeschlossenen Turbomaschine Tm bzw. dem Verdichter CO der Schub hauptsächlich in nur eine Richtung zu erwarten ist. Auf diese Weise können ggf. der Druckraum PR2, die dritte Wellendichtung SS3, das zweite Regelventil CV2 und die zweite Druckleitung PL2 eingespart werden.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung auf ei- nen Turboverdichter, bei dem die entsprechenden Druckniveaus aus einer Anzapfung EX von Verdichterstufen naturgemäß im Betrieb zur Verfügung stehen, welche Anzapfung mit dem Druckreservoir PR verbunden sind.