Gasturbinensystem Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Gasturbinensystem mit einer mit Heißgas aus einer Brennkammer beaufschlagbaren Turbine, die einen in einem Turbinengehäuse angeordneten, um eine Drehachse drehbaren Turbinenrotor hat, und mit einem elektrischen Generator mit einem Läufer und mit einem Stator. Die WO 2005/046021 A2 beschreibt ein Gasturbinensystem der eingangs genannten Art. Dieses Gasturbinensystem enthält einen Generator mit einer Antriebswelle, die zwischen dem Turbinenrotor der Gasturbine und dem Verdichterrotor eines Verdichters in einem Luftlager gehalten ist. In diesem Gasturbinensystem ist zwischen dem Verdichter und dem Generator ein Axialla- ger vorgesehen, das die Antriebswelle in der axialen Richtung ihrer Drehachse fixiert und damit deren axiale Verlagerung unterbindet. Damit wird sichergestellt, dass der Generator bei einem Betrieb der Gasturbine nicht mit Kräften beaufschlagt wird, die in der axialen Richtung der Antriebswelle wirken. Gasturbinensysteme werden insbesondere für das Erzeugen von elektrischer Energie in Kraftwerken eingesetzt. Hier werden Turbinen in der Regel mit sehr hohen Drehzahlen des Turbinenrotors betrieben, die je nach Leistungsklasse zwischen 40.000 U/min und 100.000 U/min oder auch mehr betragen können. Um zu erreichen, dass der Verschleiß des Turbinenrotors beim Be- treiben des Gasturbinensystems möglichst gering ist, ist eine präzise Lagerung des Turbinenrotors erforderlich.

Aus der DE 92 15 696 U1 ist ein Gasturbinensystem bekannt, das ein von einer Generatorwelle durchsetztes Magnetlager hat, mittels dessen die Ge- neratorwelle in der axialen Richtung ihrer Drehachse gehalten wird. Das Magnetlager umfasst einen an dem Wellenkörper der Generatorwelle festgelegten scheibenförmigen Rotor und hat einen in einem Anlagengehäuse an- geordneten Ständer mit einer elektrischen Spule. Aufgrund der Scheibenform des Rotors benötigt dieses Magnetlager viel Platz. Außerdem ist es wegen der Scheibenform des Rotors aufgrund der bei hohen Drehzahlen der Generatorwelle auftretenden Fliehkräfte schwierig, einen verschleißarmen Rund- lauf der Generatorwelle zu gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasturbinensystem bereitzustellen, das einen verschleißarmen Betrieb ermöglicht und einen kompakten Aufbau hat. Diese Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 angegebenen Gasturbinensystem gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß weist der Generator in dem Gasturbinensystem eine den Läufer aufnehmende und den Turbinenrotor frei tragende Generatorwelle auf.

Insbesondere schlägt die Erfindung vor, in einem Gasturbinensystem eine Anordnung mit Magnetlagerung für den schnelldrehenden Rotor der Turbine vorzusehen, die ein Radiallagerblechpaket, einen Permanentmagnet für ein magnetisches Axiallager, einen Permanentmagnet für den Generator, ein weiteres Radiallagerblechpaket, ein Verdichterlaufrad, eine Zwischenwelle und ein Turbinenlaufrad umfasst. Hier ist es eine Idee der Erfindung, dass die radiale Lagerung mittels Magnetlagern an den Blechpaketen erfolgt. Auch die axiale Lagerung erfolgt ebenfalls mittels eines Magnetlagers, das eine vorstehend beschriebene radiale Bauart hat. Zu bemerken ist, dass in dem Gasturbinensystem optional neben den Blechpaketen und/oder zwischen Verdichterlaufrad und Turbinenlaufrad zusätzlich auch Fanglager ausgebildet sein können.

Ein Gedanke der Erfindung ist, in einem Gasturbinensystem den Turbinenrotor der Turbine, den Verdichterrotor des Verdichters und den Läufer des elektrischen Generators auf einer gemeinsamen Welle so aufzunehmen, dass die Turbine und der Verdichter sich thermisch ausdehnen können, ohne dass die Rotationsbewegung des Läufers beeinträchtigt wird. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßes Gasturbinensystem als eine Mikrogasturbine gestaltet sein. Unter einer Mikrogasturbine wird vorliegend ein Gasturbinensystem mit einer kleinen, schnelllaufenden Turbine verstanden, das bei Brennkammerdrücken und Brennkammertemperaturen betrieben wird, die im Vergleich zu einer Industriegasturbine gering sind. Die Leis- tung einer Mikrogasturbine kann weniger als 500 kW betragen und liegt in der Regel zwischen 25 kW und 150 kW. Die Bauform von Mikrogasturbinen ist eine Abwandlung der Bauform von konventionellen Industriegasturbinen.

Eine Mikrogasturbine enthält regelmäßig einen Verdichter, eine Brennkam- mer und eine Turbine. Wie eine Industriegasturbine arbeitet eine Mikrogasturbine nach dem sogenannten Gasturbinenprozess. Entsprechend diesem Prozess wird aus der Umgebung Luft angesaugt und in einem Verdichter komprimiert. Die verdichtete Luft wird dann einer Brennkammer zugeführt, in der aufgrund der Zugabe von vorzugsweise flüssigem oder gasförmigem Brennstoff, z. B. Gas oder Öl, eine Verbrennungsreaktion erfolgt, bei der sogenanntes Rauchgas entsteht. Dieses Rauchgas wird dann in der Turbine der Mikrogasturbine entspannt. Die Turbine treibt einerseits den Verdichter und andererseits z. B. einen Generator für die Stromerzeugung an. In einer Industriegasturbine verlässt das entspannte Rauchgas die Turbine mit einem Abgasstrom, dessen Temperatur in dem Bereich zwischen 400 °C und 600 °C liegt. Die in dem Abgasstrom der Industriegasturbine enthaltene Restwärme wird regelmäßig für das Aufheizen von Medien in einer Industrieanlage genutzt, z. B. für das Aufheizen von Wasser.

Anders als eine Industriegasturbine enthält eine Mikrogasturbine demgegenüber regelmäßig einen Rekuperator. Ein Rekuperator ist ein interner Wärme- tauscher, der mittels Abwärme aus dem Abgas der in der Mikrogasturbine angeordneten Turbine verdichtete Luft vorheizt, die für das Verbrennen mit einem Kraftstoff einer Brennkammer zugeführt wird. Aufgrund des Rekuperators ist die Mikrogasturbine ein Gasturbinensystem, das im Vergleich zu un- rekuperierten Gasturbinen in dem Leistungsbereich zwischen 25 kW und 150 kW mit einem höheren elektrischen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Durch das Vorheizen der verdichteten Luft ermöglicht der Rekuperator das Reduzieren von Abgaswärmeverlusten. In einem erfindungsgemäßen, als eine Mikrogasturbine ausgebildeten Gasturbinensystem kann optional vorgesehen sein, dass die Verbrennungsluft über einen Generator in die Mikroturbine eintritt und diesen dabei kühlt. In einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem kann optional auch vorgesehen sein, dass die Verbrennungsluft in einem Radialverdichter auf etwa 4 bar komprimiert wird. Insbesondere kann in einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem vorgesehen sein, dass die komprimierte Verbrennungsluft mittels des Rekuperators vorgewärmt wird, um einen guten elektrischen Wirkungsgrad trotz niedriger Spitzentemperaturen zu erzielen. Die heißen Verbrennungsgase werden hier als Rauchgas in der Turbine entspannt, wodurch der Verdichter und der Generator angetrieben werden. Nachdem das Rauchgas einen Teil seiner Wärmeenergie in dem Rekuperator abgegeben hat, verlässt es die Mikrogasturbine.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass aus der in dem Rauchgas aufgenommenen Restwärme zusätzlich Prozesswärme gewonnen wird.

Bevorzugt sind in einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem der Generator, die Turbine und der Verdichter auf eine gemeinsame Welle montiert. Mittels eines solchen Gasturbinensystems kann dann z. B. bei einer Wellendrehzahl von etwa 96.000 U/min hochfrequenter Wechselstrom mit einer Frequenz von 1 .600 Hz erzeugt werden. Für das Gleichrichten dieses Wech- selstroms kann ein erfindungsgemäßes Gasturbinensystem eine Leistungselektronik enthalten, die diesen Strom gleichrichtet und dann z. B. einen Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannung von 400 V bereitstellt.

Von Vorteil ist es, wenn der Generator in einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem einerseits als ein Elektromotor und andererseits als ein elektrischer Energieerzeuger betrieben werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Generator zum Starten des Gasturbinensystems als ein Elekt- romotor eingesetzt werden kann, der die Turbine antreibt, bis diese eine bestimmte Startdrehzahl hat. In diesem Betriebszustand muss das Gasturbinensystem elektrische Energie aus einem Stromnetz oder aus Akkumulatoren erhalten. Dieser Motorbetrieb erfolgt solange, bis die mit der Turbine erzeugte Bewegungsenergie groß genug ist, dass damit der Energieverbrauch des Verdichters kompensiert werden kann. Es ist deshalb möglich, ein solches Gasturbinensystem sowohl in einem sogenannten Netzparallel- als auch in einem Inselbetrieb zu nutzen. Bei Netzparallelbetrieb wird die Energie zum Starten der Turbine aus dem Netz bezogen. Bei Inselbetrieb muss diese Energie mit Akkumulatoren bereitgestellt werden. Daher ist es von Vor- teil, wenn das Gasturbinensystem auch Akkumulatoren enthält. Diese Akkumulatoren können dann für den Betrieb des DC/AC/DC-Wandlers genutzt werden.

Aufgrund der Möglichkeit, dass die Leistung eines erfindungsgemäßen Gas- turbinensystems über die Drehzahl der Turbine geregelt werden kann, ist es möglich, bei einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem grundsätzlich auch den Massenstrom zu regeln und damit über weite Lastbereiche die Temperatur der Brennkammer in einem thermodynamisch optimalen Auslegungspunkt zu halten. Ein als eine Mikrogasturbine ausgebildetes, erfin- dungsgemäßes Gasturbinensystem kann deshalb auch bei Teillast mit einem Wirkungsgrad betrieben werden, der sehr viel größer ist als der Wirkungsgrad einer Industriegasturbine. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Gasturbinensystems ist vorgesehen, dass die Generatorwelle zusätzlich auch den Verdichterrotor frei trägt. Der Verdichter kann dabei zwischen dem elektrischen Generator und der Turbine angeordnet sein. Zu bemerken ist allerdings, dass das Axiallager grundsätzlich auch zwischen dem Läufer und dem ersten Radiallager für die Generatorwelle angeordnet sein kann.

Bevorzugt weist der Generator in dem Gasturbinensystem ein den Läufer und den Stator umgebendes Generatorgehäuse mit einem auf einer der Tur- bine, d.h. dem Turbomaschinenrotor zugewandten Seite des Läufers angeordneten ersten Lager sowie einem auf einer der Turbine abgewandten Seite des Läufers angeordneten zweiten Lager für die Generatorwelle auf. Das erste Lager und das zweite Lager können dabei jeweils als ein Radiallager für die Generatorwelle ausgebildet sein.

Eine Idee der Erfindung ist es insbesondere, dass das erste Lager und/oder das zweite Lager als ein Magnetlager gestaltet sind. Dieses Magnetlager kann dann z. B. mehrere Elektromagnete mit wenigstens einem Polschuh für das Erzeugen eines Lagermagnetfelds aufweisen. Günstiger Weise gibt es in dem Magnetlager einen Regelkreis für das Einstellen des Lagermagnetfelds in Abhängigkeit eines mit wenigstens einem Lagersensor erfassten Spaltabstands a zwischen der Generatorwelle und dem wenigstens einen Polschuh.

Für das Lagern der Generatorwelle kann das Gasturbinensystem auch ein als ein Magnetlager ausgebildetes Axiallager aufweisen. Das als ein Magnetlager ausgebildete Axiallager kann hier mehrere in einem Lagerkörper aufgenommene, in der axialen Richtung der Generatorwelle voneinander beab- standete Spulenkörper für das Erzeugen eines Lagermagnetfelds enthalten. Vorteilhafter Weise gibt es hier auch einen Regelkreis für das Einstellen des Lagermagnetfelds in Abhängigkeit einer mit wenigstens einem Positionssensor erfassten Axialposition der Generatorwelle zu dem Lagerkörper. Bevorzugt ist das als ein Magnetlager ausgebildete Axiallager auf der der Tur- bine abgewandten Seite zwischen dem Stator des Generators und dem zweiten Radiallager für die Generatorwelle angeordnet. Die Anordnung dieses Magnetlagers erfolgt dabei günstiger Weise möglichst nahe an den Turbokomponenten.

Die Spulenkörper enthalten jeweils wenigstens eine elektrische Spule für das Erzeugen eines Lagermagnetfelds bei Beaufschlagen der elektrischen Spulen mit elektrischen Strom. Das als Magentlager ausgebildete Axiallager enthält bevorzugt mehrere, an der Generatorwelle angeordnete und von der La- germitte axial beabstandet positionierte und durch das mittels der elektrischen Spulen erzeugte Lagermagnetfeld mit einer zu der Lagermitte hin wirkenden Magnetkraft beaufschlagte Magnetelemente. Die Magnetelemente können in einen Wellenkörper der Generatorwelle eingelassen sein. Um einen guten Rundlauf der Generatorwelle auch beio hohen Drehzahlen zu ge- währleisten, ist eine die Magnetelemente an dem Wellenkörper fixierende Armierung von Vorteil. Die elektrischen Spulen des Magnetlagers können eine zu der Drehachse der Generatorwelle parallele Spulenachse haben. Die Polarität der Magnetelemente kann zu der Drehachse der Generatorwelle parallel sein. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Polarität in der axialen Rich- tung der Generatorwelle benachbart angeordneter Magnetelemente zueinander entgegengesetzt ist und die Polarität an der Generatorwelle azimutal benachbart angeordneter Magnetelemente gleich ist.

Eine elektrische Spule in dem als Axiallager ausgebildeten Magnetlager kann allerdings auch eine Spulenachse haben, die einen zu der Drehachse der Generatorwelle parallelen Mantelflächenabschnitt der Generatorwelle durchsetzt. Die Spulenachse der wenigstens einen elektrischen Spule kann die Drehachse der Generatorwelle senkrecht schneiden. Auch hier haben günstiger Weise die Magnetelemente eine Polarität, die zu einer Geraden parallel ist, die den zu der Drehachse parallelen Mantelflächenabschnitt der Generatorwelle durchsetzt. Insbesondere kann die Polarität der Magnetelemente zu der Drehachse der Generatorwelle senkrecht sein. Bevorzugt ist hier die Po- larität in der axialen Richtung der Generatorwelle benachbart angeordneter Magnetelemente zueinander entgegengesetzt, wobei die Polarität an der Generatorwelle azimutal benachbart angeordneter Magnetelemente gleich ist.

Um zu vermeiden, dass die Generatorwelle, der Verdichterrotor und der Turbinenrotor, also der Turbomaschinenrotor Schaden nehmen, wenn das Magnetfeld in einem Radiallager aufgrund von einer Fehlfunktion zusammenbricht, ist es von Vorteil, in dem Generatorgehäuse ein auf einer der Turbine abgewandten Seite des Stators angeordnetes erstes radiales Fanglager für die Generatorwelle und ein in dem Generatorgehäuse auf einer der Turbine zugewandten Seite des Stators angeordnetes zweites radiales Fanglager für die Generatorwelle vorzusehen. Um die Generatorwelle vor Schäden bei einem Zusammenbruch des Magnetfelds in einem Magnetlager zu schützen, kann außerdem auch zwischen dem Verdichter und der Turbine ein weiteres radiales Fanglager für eine den Verdichterrotor mit dem Turbinenrotor verbindende Zwischenwelle angeordnet sein. Bevorzugt sind die Fanglager in der unmittelbaren Nähe der Magnetlager positioniert. Sie können z. B. als Wälzlager ausgebildet sein, die auch eine axiale Bewegung des Rotors be- grenzen. Eine Idee der Erfindung ist es auch, dass genau eines der vorstehend genannten Fanglager auch Axiallager ist, das bei einem Zusammenbruch des Magnetfelds der Magnetlager die axiale Position der Generatorwelle definiert. Zu bemerken ist, dass in einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem für das Lagern der den Turbinenrotor bzw. den Turbomaschinenrotor frei tragenden Generatorwelle nicht zwingend Magnetlager vorgesehen sein müssen. Es kann z. B. das erste Lager und/oder das zweite Lager auch als ein Wälzlager mit einer Zuführeinrichtung für das Zuführen von einem Schmier- mittel zu an der Generatorwelle anliegenden Lagerflächen und mit einer Abführeinrichtung für das Abführen von einem Schmiermittel von den an der Generatorwelle anliegenden Lagerflächen ausgebildet sein. Eine Idee der Erfindung ist es auch, das erste Lager und/oder das zweite Lager z. B. als ein Wälzlager mit Minimalmengenschmierung zu gestalten. Hier kann insbesondere das erste Lager als ein Radiallager für die Generatorwelle ausgebildet sein und/oder das zweite Lager als ein kombiniertes Radial- und Axialla- ger für die Generatorwelle. Insbesondere ist es möglich, dass die Schmiermittelzufuhr in das erste und/oder zweite Lager durch in einem äußeren Lagerring angeordnete Bohrungen hindurch erfolgt.

In einem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem kann sich das zweite Lager auch auf der dem Verdichter zugewandten Seite des Läufers befinden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schemati- scher Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: ein Schaltbild eines ersten Gasturbinensystems mit einer mit Heißgas aus einer Brennkammer beaufschlagbaren Turbine und mit einem Rekuperator; eine schematische Teilansicht des ersten Gasturbinensystems mit einem Generator und mit einer in dem Generatorgehäuse magnetisch gelagerten Generatorwelle, die einen Verdichterrotor und einen daran angeschlossenen Turbinenrotor frei trägt; den Aufbau eines als ein Magnetlager ausgebildeten Axiallagers mit einer radialen Bauform in dem Generatorgehäuse;

Fig. 4 einen schematischen Schnitt des Magnetlagers entlang der Linie

IV- IV aus Fig. 3; eine schematische dreidimensionale Teilansicht eines Stators des Magnetlagers; den Aufbau eines als ein Magnetlager ausgebildeten Radiallagers in dem Generatorgehäuse; eine schematische Teilansicht eines zweiten Gasturbinensystems mit einem Generator und mit einer in dem Generatorgehäuse magnetisch gelagerten Generatorwelle, die den Verdichterrotor und einen Turbinenrotor frei trägt; einen Schnitt eines Axiallagers in dem zweiten Gasturbinensystem entlang der Linie Vlll-Vlll in Fig. 7; einen weiteren Schnitt eines Axiallagers in dem zweiten Gasturbinensystem entlang der Linie IX-IX in Fig. 7; und

Fig. 10 eine schematische Teilansicht eines dritten Gasturbinensystems mit einem Generator und mit einer in dem Generatorgehäuse me- chanisch gelagerten Generatorwelle, die einen von einem Verdichterrotor und einem daran angeschlossenen Turbinenrotor gebildeten Turbomaschinenrotor frei trägt.

Das in der Fig. 1 gezeigte Gasturbinensystem 10 enthält eine Turbine 12, die mit Heißgas aus einer Brennkammer 14 beaufschlagbar ist. Die Turbine 12 weist einen um eine Drehachse 16 drehbaren Turbinenrotor 18 auf, der in einem Turbinengehäuse 20 angeordnet ist. Die Turbine 12 setzt bei Beaufschlagen mit Heißgas aus der Brennkammer 14 einen Abgasstrom frei, der durch einen mit dem Turbinenrotor 18 drehgekoppelten Verdichter 22 für das Erzeugen von der Brennkammer 14 zuführbarer verdichteter Ansaugluft geführt ist. In dem Gasturbinensystem 10 gibt es einen Rekuperator 24 für das Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf die mittels des Verdichters 22 verdichtete Ansaugluft. Für das Erzeugen von elektrischer Energie hat das Gasturbinensystem 10 einen elektrischen Generator 26 mit einem durch eine Generatorwelle 28 mit dem Turbinenrotor 18 der Turbine 12 drehgekoppelten Läufer.

Die Fig. 2 ist eine schematische Teilansicht des Gasturbinensystems 10 mit dem Generator 26. Der Generator 26 hat eine magnetisch gelagerte Generatorwelle 28, auf welcher der Läufer 30 des Generators 26 angeordnet ist. Die Generatorwelle 28 ist mit dem Verdichterrotor 32 des Verdichters 22 drehfest verbunden und mittels einer an den Verdichterrotor 32 angeschlossenen Zwischenwelle 33 mit dem Turbinenrotor 18 drehgekoppelt. Der Verdichter 22 ist zwischen dem elektrischen Generator 26 und der Turbine 12 angeordnet. Der Generator 26 hat ein Generatorgehäuse 34, das den Läufer 30 des elektrischen Generators 26 und dessen Stator 36 umgibt. In dem Generator- gehäuse 34 ist die Generatorwelle 28 in einem ersten Radiallager 38 drehbeweglich gelagert, das auf der dem Verdichterrotor 32 abgewandten Seite des Stators 36 angeordnet ist. Auf der Seite des Stators 36 des Generators 26 in dem Generatorgehäuse 34, die dem Verdichterrotor 32 und der Turbine 12 zugewandt ist, befindet sich ein zweites Radiallager 42 für die Generator- welle 28.

Das erste Radiallager 38 und das zweite Radiallager 42 beschränken das Bewegungsspiel der Generatorwelle 28 in der radialen Richtung, d. h. in der zu der Drehachse 16 senkrechten Richtung. Das erste Radiallager 38 und das zweite Radiallager 42 sind jeweils als ein Magnetlager ausgebildet. Zwischen dem ersten Radiallager 38 und dem Stator 36 des Generators 26 befindet sich in dem Generatorgehäuse 34 ein ebenfalls als ein Magnetlager ausgebildetes Axiallager 44. Das Axiallager 44 unterbindet das Verlagern der Generatorwelle 28 in der axialen Richtung der Drehachse 16.

Die Fig. 3, die Fig. 4 und die Fig. 5 erläutern die Funktion des Axiallagers 44. Das Axiallager 44 enthält bogenförmig gekrümmte Magnetelemente 46, die in den Wellenkörper der Generatorwelle 28 eingelassen und dort mittels einer Armierung 48 fixiert sind. Das Axiallager 44 weist ferner an einer relativ zu dem Generatorgehäuse 34 ortsfesten Basis 50 festgelegte Spulenkörper 52 für das Erzeugen eines Magnetfelds bei Beaufschlagen mit elektrischem Strom auf. Die Spulenkörper 52 enthalten jeweils eine von der Generatorwelle 28 durchsetzte elektrische Spule 53, die eine zu der Drehachse 16 der Generatorwelle 28 parallele Spulenachse 29 hat. Sie sind zu der auf der Drehachse 16 der Generatorwelle 28 liegenden Lagermitte 54 symmetrisch angeordnet und in der axialen Richtung der Drehachse 16 voneinander be- abstandet. Die elektrischen Spulen 53 der Spulenkörper 52 dienen für das Erzeugen eines Lagermagnetfelds 55 bei Beaufschlagen mit elektrischem Strom. Die Magnetelemente 46 sind an der Generatorwelle 28 in einem die elektrischen Spulen 53 der Spulenkörper 52 durchgreifenden Abschnitt 49 auf beiden Seiten der Lagermitte 54 angeordnet. Die Magnetelemente 46 haben dabei eine zu der Drehachse 16 der Generatorwelle 28 parallele Polarität, wobei die Polarität in der axialen Richtung der Generatorwelle 28 benachbart angeordneter Magnetelemente 46 zueinander entgegengesetzt und die Polarität an der Generatorwelle 28 azimutal benachbart angeordneter Magnetelemente 46 gleich ist.

Das mittels der Spulenkörper 52 erzeugte Magnetfeld zieht die Generatorwelle 28 aufgrund der an der Generatorwelle 28 festgelegten Magnetelemente 46 mittels Magnetkraft in der axialen Richtung zu der Lagermitte 54 des Axiallagers. Für das Einstellen der die Generatorwelle 28 beaufschlagenden Magnetkraft weist das Axiallager 44 einen Regelkreis 56 auf. Der Regelkreis 56 enthält einen Positionssensor 58 für das Erfassen der axialen Position der Generatorwelle 28 und umfasst einen Leistungsverstärker 60, der aufgrund einer in der Regelbaugruppe 62 aus dem Signal des Positionssensors 58 erzeugten Stromsignals die Spulenkörper 52 für das Erzeugen des Magnet- felds derart bestromt, dass die Generatorwelle 28 in dem Axiallager 44 in einer gewünschten axialen Position gehalten wird. Die Fig. 6 dient der Erläuterung der Funktion des ersten Radiallagers 38 und des zweiten Radiallagers 42. Ein jedes der Radiallager 38, 42 enthält Elektromagnete 63 mit wenigstens einem Polschuh 64 für das Erzeugen eines Lagermagnetfelds. Mit einem mehrdimensionalen Regelkreis 66 wird das Lagermagnetfeld in Abhängigkeit eines mit wenigstens einem Lagersensor 68 erfassten Spaltabstands a zwischen der Generatorwelle 28 und einem Polschuh 64 eingestellt. Der Regelkreis 66 enthält eine Regelbaugruppe 72, der das Signal des Lagersensors 68 durch eine Auswerteeinheit 70 zugeführt wird. In dem Regelkreis 66 erzeugt die Regelbaugruppe 72 ein Stromsignal, das über einen Leistungsverstärker 74 in die Elektromagnete 63 einspeist wird. Der Regelkreis 66 dient für das genaue Einstellen der Lage der Drehachse 16 der Generatorwelle 28.

Um zu vermeiden, dass die Generatorwelle 28, der Verdichterrotor 32 und/oder der Turbinenrotor 18 Schaden nehmen, wenn das Magnetfeld in einem Radiallager 38, 42 aufgrund einer Fehlfunktion zusammenbricht, ist in dem Generatorgehäuse 34 auf der dem Verdichter 22 zugewandten Seite des zweiten Radiallagers 42 und auf der dem Verdichter 22 abgewandten Seite des ersten Radiallagers 38 ein erstes Fanglager 76 angeordnet. Das Fanglager 76 dient als ein radiales und axiales Lager für die Generatorwelle 28, wenn das Magnetfeld der Radiallager 38, 42 die Generatorwelle 28 nicht mehr stützt, z. B. weil es aufgrund einer Fehlfunktion zusammenbricht. Das Fanglager 76 schützt die Generatorwelle 28 so vor Beschädigungen. Zu bemerken ist, dass das Gasturbinensystem 10 außerdem ein weiteres Fangla- ger 77 enthält, das in dem Generatorgehäuse 34 zwischen dem Radiallager 42 und dem Verdichter 22 angeordnet ist. Darüber hinaus enthält das Gasturbinensystem 10 auch ein Fanglager 79, das zwischen dem Verdichter 22 und der Turbine 12 angeordnet ist. Zu bemerken ist insbesondere, dass die Fanglager 76, 77, 79 in jedem Fall als Radiallager ausgebildet sein müssen. Genau eines dieser Fanglager 76, 77, 79 muss ein Axiallager sein. Die Fig. 7 ist eine schematische Teilansicht eines zweiten Gasturbinensystems 10'. Soweit die Baugruppen und Elemente des Gasturbinensystems 10' den Baugruppen und Elementen des vorstehend beschriebenen Gasturbi- nensystems 10 entsprechen, sind diese durch die gleichen Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht. In dem Gasturbinensystem 10' ist der Generator 26 zwischen der Turbine 12 und dem Verdichter 22 angeordnet. Das Gasturbinensystem 10' enthält einen Generator 26 mit einer in dem Generatorgehäuse 34 in einem ersten Lager 38' und in einem weiteren Lager 42' drehbar gelagerten Generatorwelle 28. Die Generatorwelle 28 ist hier wiederum in einem als ein Magnetlager ausgebildeten Axiallager 44 aufgenommen.

Die Fig. 8 zeigt das Axiallager 44 als Schnitt entlang der Linie Vlll-Vlll in Fig. 7. In der Fig. 9 ist das Axiallager 44 als Schnitt entlang der Linie IXI-IX in Fig. 7 zu sehen.

Das Axiallager 44 hat eine auf der Drehachse 16 liegende Lagermitte 54 und mehrere in einer Basis 50 aufgenommene, in der axialen Richtung der Gene- ratorwelle 28 voneinander beabstandet angeordnete Spulenkörper 52 mit jeweils einer elektrischen Spule 53 für das Erzeugen eines Lagermagnetfelds 55 bei Beaufschlagen mit elektrischen Strom. Das Axiallager 44enthält ebenfalls an der Generatorwelle 28 angeordnete, von der Lagermitte 54 axial beabstandet positionierte und durch das mittels der elektrischen Spulen erzeug- te Lagermagnetfeld 55 mit einer zu der Lagermitte 54 hin wirkenden Magnetkraft beaufschlagte Magnetelemente 46. Die Magnetelemente 46 sind hier wiederum in den Wellenkörper der Generatorwelle 28 eingelassen.

Die Spulenachse 29 einer elektrischen Spule 53 in dem Axiallager 44 durch- setzt den Mantelflächenabschnitt 59 der Generatorwelle 28 und schneidet die Drehachse 16 der Generatorwelle 28 senkrecht. Dabei haben die Magnetelemente 46 des Axiallagers 44 eine Polarität, die zu einer den Mantelflä- chenabschnitt 59 durchsetzenden Geraden parallel ist, welche die Drehachse 16 der Generatorwelle 28 senkrecht schneidet.

Auch in dem Axiallager 44 des zweiten Gasturbinensystems 10' ist die Polari- tat in der axialen Richtung der Generatorwelle 28 benachbart angeordneter Magnetelemente 46, wie in der Fig. 8 gezeigt, zueinander entgegengesetzt und die Polarität an der Generatorwelle 28 azimutal benachbart angeordneter Magnetelemente 46, wie in der Fig. 9 ersichtlich, gleich. Dem Axiallager 44 in dem zweiten Gasturbinensystem ist ebenfalls ein Regelkreis 56 zugeordnet, der wenigstens einen Positionssensor 58 für das Erfassen der Axialposition der Generatorwelle 28 in Bezug auf den Lagerkörper und/oder die Lagermitte 54 enthält und der das Lagermagnetfeld in Abhängigkeit der erfassten Axialposition der Generatorwelle 28 einstellt.

Die Fig. 10 ist eine schematische Teilansicht eines dritten Gasturbinensystems 10". Soweit die Baugruppen und Elemente des Gasturbinensystems 10" den Baugruppen und Elementen des vorstehend beschriebenen Gasturbinensystems 10 entsprechen, sind diese durch die gleichen Zahlen als Be- zugszeichen kenntlich gemacht. Das Gasturbinensystem 10" enthält einen Generator 26 mit einer in dem Generatorgehäuse 34 in einem ersten Lager 38' und in einem weiteren Lager 42' drehbar gelagerten Generatorwelle 28. Das Gasturbinensystem 10' weist eine Minimalmengen-Schmiereinrichung mit einer Zuführeinrichtung 78, 78' für das Zuführen von einem Schmiermittel zu an der Generatorwelle 28 anliegenden Lagerflächen und mit einer Abführeinrichtung 80, 80' für das Abführen von einem Schmiermittel von an der Generatorwelle 28 anliegenden Lagerflächen auf. Die Zuführeinrichtung 78, 78' umfasst jeweils einen Injektor mit einer Düse für das Zerstäuben des Schmiermittels, um das zerstäubte Schmiermittel in der axialen Richtung dem jeweiligen Lager 38', 42' von der Seite her zuzuführen. Mit der Abführeinrichtung 80, 80' wird das aus den Lagern 38, 42' freigesetzte Schmiermittel aufgenommen und einem Auffangbehälter (nicht gezeigt) zu- geführt. Zu bemerken ist, dass es grundsätzlich auch möglich ist, das zerstäubte Schmiermittel dem jeweiligen Lager 38', 42' über eine Öffnung in einem äußeren Lagerring einzuleiten. In dem Gasturbinensystem 10' ist das in dem Generatorgehäuse 34 angeordnete erste Lager 38' ein als ein Radiallager wirkendes Wälzlager für die Generatorwelle 28. Das in dem Generatorgehäuse 34 angeordnete weitere Lager 42' ist ebenfalls ein Wälzlager. Das weitere Lager 42' wirkt als ein kombiniertes Radial- und Axiallager. Die Generatorwelle 28 trägt auch hier den Verdichterrotor 32 und den Turbinenrotor 18 frei.

Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugte Merkmale festzuhalten: Die Erfindung betrifft ein Gasturbinensystem 10 mit einer mit Heißgas aus einer Brennkammer 14 beaufschlagbaren Turbine 12, die einen in einem Turbinengehäuse 20 angeordneten, um eine Drehachse 16 drehbaren Turbinenrotor 18 hat, mit einem Verdichter 22, der einen mit dem Turbinenrotor 18 drehgekoppelten Verdichterrotor 32 für das Erzeugen von der Brennkammer 14 zuführbarer verdichteter Ansaugluft hat, und mit einem elektrischen Generator 26 mit einem Läufer 30 und mit einem Stator 36. Der Gene- rator 26 hat eine den Läufer 30 aufnehmende und den Turbinenrotor 18 frei tragende Generatorwelle 28.

Bezugszeichenliste

10, 10', 10" Gasturbinensystem

12 Turbine

14 Brennkammer

16 Drehachse

18 Turbinenrotor

20 Turbinengehäuse

22 Verdichter

24 Rekuperator

26 Generator

28 Generatorwelle

29 Spulenachse

30 Läufer

32 Verdichterrotor

33 Zwischenwelle

34 Generatorgehäuse

36 Stator

38, 38' erstes Lager

42, 42' zweites Lager

44 Axiallager

46 Magnetelement

48 Armierung

49 Abschnitt

50 Basis

52 Spulenkörper

53 elektrische Spule

54 Lagermitte

55 Lagermagnetfeld

56 Regelkreis

58 Positionssensor

59 Mantelflächenabschnitt Leistungsverstärker

Regelbaugruppe

Elektromagnet

Polschuh

Regelkreis

Lagersensor

Auswerteeinheit

Regelbaugruppe

Leistungsverstärker, 77, 79 Fanglager

, 78' Zuführeinrichtung, 80' Abführeinrichtung