Anordnung mit einer Wärmequelle, Wärmesenke und einer drehbar gelagerten Welle

Abstract

 Es wird eine Anordnung (1) mit einer Wärmesenke (2) und einer Wärmequelle (3) und mit einer drehbar gelagerten Welle (4) in einer Gas- oder Dampfturbine vorgestellt, wobei sich die Welle zumindest von einem Bereich der Wärmequelle (3) in einen Bereich der Wärmesenke (2) längs erstreckt. Insbesondere der Verwendung von aktiven Magnetlagern (Lager 6) an Dampfturbinen (10) oder Gasturbinen ist die Kühlung der empfindlichen Lager (6) ein bisher noch ungelöstes Problem. Die Erfindung schafft hier Abhilfe, indem in der Welle (4) ein Hohlraum (15) vorgesehen ist, der sich zumindest von dem Bereich der Wärmequelle (3) zu dem Bereich der Wärmesenke (2) erstreckt und sich in dem Hohlraum ein Kühlmittel (16) befindet, das derart ausgebildet ist, dass es im Bereich der Wärmequelle (3) zumindest teilweise verdampfbar ist und im Bereich der Wärmesenke zumindest teilweise kondensierbar ist. Auf diese Weise wird der Wärmetransport von einem Heißbereich (9), dem die Welle (4) ausgesetzt ist, zu einer Wärmesenke (2) erheblich befördert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Wärmesenke und einer Wärmequelle und mit einer drehbar gelagerten Welle, die sich zumindest von einem Bereich der Wärmequelle in einen Bereich der Wärmesenke längs erstreckt. Insbesondere bei Dampfturbinen und Gasturbinen oder bei Turboverdichtern kommt es vor, dass in bestimmten Bereichen ein besonders hoher Wärmeeintrag aufgrund einer in der Nähe befindlichen Wärmequelle erfolgt. Hierbei kann es zu Beeinträchtigung der Werkstoffqualität der Welle selbst oder unmittelbar benachbarter Bauteile zu der Welle kommen. Ein Beispiel hierfür ist der Versuch, eine Dampfturbine mittels Magnetlager, insbesondere aktive Magnetlager zu lagern. Schon aus rotordynamischen Gründen kann der Abstand der Magnetlager zu der Wärmequelle des Heißbereichs der Dampfturbine nicht beliebig weit gewählt werden, so dass der Wärmeeintrag auch signifikant die Temperatur an dem Magnetlager beeinflusst. Verschiedene Komponenten des Magnetlagers, insbesondere eine Lamination halten den bis zu 600°C heißen Temperaturen nicht stand. Dieses Problem verhinderte bisher den Einsatz von aktiven Magnetlagern an Dampfturbinen oder Gasturbinen.

[0002] Ein anderes Problem des Einsatzes von Magnetlagern ist die Abfuhr der Wärmeenergie aus den selbst als Wärmequelle arbeitenden Magnetlagern. Je nach Lagerkapazität kommt es an diesen Stellen zu signifikanter Erwärmung, die in Ermangelung einer Kühlung die betroffenen Bauteile zerstören kann. Darüber hinaus ist es insbesondere im Bereich von Turbomaschinen besonders interessant, den thermischen Einsatzbereich mittels der Kühlung der Welle zu erweitern.

[0003] Ausgehend von den vorgenannten Problemen hat es sich die Erfindung daher zur Aufgabe gemacht, die Wärme aus einem bestimmten Bereich einer Welle, welcher im Einflussbereich einer Wärmequelle sich befindet, möglichst effizient abzuführen bzw. diesen Bereich zu kühlen.

[0004] Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Anordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei welcher in der Welle ein Hohlraum vorgesehen ist, der sich zumindest von dem Bereich der Wärmequelle zu dem Bereich der Wärmesenke erstreckt und sich in dem Hohlraum ein Kühlmittel befindet, das derart ausgebildet ist, dass es im Bereich der Wärmequelle zumindest teilweise verdampfbar ist und im Bereich der Wärmesenke zumindest zum Teil kondensierbar ist.

[0005] Ein entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt in der faktischen Verbesserung der eigentlichen Wärmeleitfähigkeit der Welle gegenüber derjenigen des Wellenmaterials. Unter Ausnutzung der Aufnahme und des Freisetzens der Verdampfungsenthalpie des Kreislaufmediums bzw. Kühlmittels wird im Querschnitt der Welle ein Wärmetransport erreicht, der die Wärmeleitfähigkeit des eigentlichen Grundwerkstoffs um Größenordnungen übertrifft. Hierbei ist die Drehung der Welle von besonderem Vorteil, da aufgrund der Dichteunterschiede zwischen dem flüssigen Kühlmedium und dem gasförmigen eine vorteilhafte Separation dieser beiden Aggregatzustände beschleunigt wird. Die inneren Oberflächen des Hohlraums, die aufgrund der Wärmesenke primär der Kondensation des Kühlmittels dienen, sind vorteilhaft so angeordnet, dass kondensiertes, flüssiges Kühlmedium von der Fliehkraft getrieben in andere Regionen, bevorzugt in den Bereich der Wärmequelle gefördert werden.

[0006] Besonders zweckmäßig wird die Erfindung eingesetzt, wenn die Wärmequelle ein Heißbereich einer Dampfturbine oder Gasturbine ist. Hierbei ist die Wärmesenke bevorzugt in einem gekühlten Bereich der Welle angeordnet. Die Wärmesenke kann beispielsweise ein mit Kühlrippen versehener Bereich der Welle sein, der ggf. mit einem äußeren kälteren gasförmigen oder flüssigen Medium beaufschlagt wird. Die Kühlrippen können hierbei vorteilhaft auch als Strömungsleitelemente dienen, die derart ausgebildet sind, dass eine Überströmung über die Wellenoberfläche durch das umgebende Fluid, angetrieben wird. Beispielsweise können die Strömungsleitelemente als Laufschaufeln ausgebildet sein, die ständig frische Umgebungsluft fördern und gleichzeitig die Funktion einer Kühlrippe aufweisen. Diese Strömungsleitelemente bzw. Kühlrippen sind zweckmäßig aus einem besonders wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, gefertigt.

[0007] Besonders vorteilhaft kann die Erfindung eingesetzt werden, wenn die Anordnung ein Lager umfasst, mittels dessen die Welle drehbar gelagert ist und das sich an der Welle zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke befindet. Das Lager wird auf diese Weise nicht der vollen Wirkung der Wärmequelle ausgesetzt sondern die Wärme wird durch die Welle an dem Lager vorbei zu der Wärmesenke geführt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Lager ein Magnetlager, insbesondere ein aktives Magnetlager ist.

[0008] Weitere Verbesserungen des Wärmetransports von der Wärmequelle zu der Wärmesenke ergeben sich, wenn der Hohlraum im Bereich der Wärmesenke einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Sammelbereich für kondensiertes Kühlmittel aufweist. Dieser Sammelbereich kann von dem Rest des Hohlraums ggf. mittels eines umlaufenden Steges teilweise getrennt sein oder einfach in Folge einer Konizität des Hohlraums sich derart ergeben, dass das Kühlmedium höherer Dichte in Folge der Fliehkraft sich in dem Bereich des größten Durchmessers der Konizität sammelt.

[0009] Konstruktive Vorteile ergeben sich, wenn sich die Wärmesenke im Bereich einer Stirnseite der Welle befindet. Die Stirnseite des Hohlraums kann bei dieser Ausbildung als Fläche zur Kondensation vorgesehen sein, die aufgrund ihrer Parallelität zur Wirkrichtung der Fliehkraft stets frei von Kondensat ist, und auf diese Weise einen außerordentlich guten Wärmeübergang gewährleistet. Auch das Innere des Hohlraums kann zweckmäßig mit Strömungsleitelementen versehen sein, die eine Kühlmittelströmung in dem Hohlraum unterstützen oder führen. Daneben ist es zweckmäßig, wenn in dem Hohlraum im Bereich der Wärmesenke und/oder im Bereich der Wärmequelle räumliche Strukturen, beispielsweise Wärmeübergangsrippen, die die Fläche im Wärmeübergangsbereich vergrößern, vorgesehen sind und auf diese Weise den Gesamtwärmeübergang verbessern bzw. den Wärmetransport beschleunigen.

[0010] Im Folgenden ist ein spezielles Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung zur Verdeutlichung der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1

einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer Welle, einer Wärmequelle, einer Wärmesenke und einem Lager.

[0011] Figur 1 zeigt eine Anordnung 1 mit einer Wärmesenke 2 und einer Wärmequelle 3 an einer Welle 4. Zwischen der Wärmesenke 2 und der Wärmequelle 3 ist in der Längserstreckung der Welle 4 entlang einer Längsachse 5 eine Lageranordnung 6 angeordnet, bestehend aus einem aktiven Magnetradiallager 7 und einem aktiven Magnetaxiallager 8. Sowohl das Radiallager 7 als auch das Axiallager 8 sind temperaturempfindlich und ertragen nicht mehr als 130°C aufgrund der verwendeten Werkstoffe. Die Wärmequelle 3 ist Teil eines in der Figur 1 nur andeutungsweise dargestellten Heißbereichs 9 einer Dampfturbine 10. Zwischen der Wärmesenke 2 und der Wärmequelle 3 weist die Welle 4 im Inneren einen Hohlraum 15 auf, in dem ein im Kreislauf 40 umlaufendes Kühlmittel 16 sich befindet. Die treibende Kraft des Kühlmittelumlaufs liegt einerseits in der Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke 2 und Wärmequelle 3 und andererseits in der Fliehkraft, die aufgrund der Rotation der Welle 4 die flüssigen Bestandteile des mitrotierenden Kühlmittels 16 von den gasförmigen Bestandteilen trennt. Das Kühlmittel 16 verdampft in dem Bereich der Wärmequelle 3 des Hohlraums 15 und separiert sich in Folge des Dichteunterschiedes und der Fliehkraft in Richtung des Zentrums der Welle 4. Im Bereich der Wärmesenke 2 kondensiert das Kühlmittel 16 und das flüssige Kondensat 20 wird von der Fliehkraft getrieben in einen Sammelbereich 21 befördert, welcher Sammelbereich mittels eines im Hohlraum 15 auf dem Außenumfang umlaufenden Steges 22 gebildet ist. Ausnehmungen 23 in dem Steg 22 sorgen für eine dosierte Zufuhr des Kühlmittels 16 zu den Bereichen der Wärmequelle 3 des Hohlraums 15, wo der Wärmeübergang zwischen der inneren Oberfläche des Hohlraums 15 und dem Kühlmittel 16 mittels räumlicher Strukturen 25 in Form von Rippen unterstützend befördert wird. Die Welle 4 endet in dem Bereich der Wärmesenke 2 mit einer Stirnseite 26, an welcher der Hohlraum 15 der Welle 4 mittels eines an der Welle 4 befestigten Deckels 27 verschlossen ist. Der Deckel 27 bzw. die Stirnseite 26 sind mit Kühlrippen 29, die gleichzeitig als äußere Strömungsleitelemente 30 arbeiten, versehen. Das umgebende Fluid 31 bzw. die Umgebungsluft wird durch die als Strömungsleitelemente 30 fungierenden Kühlrippen 29 im Sinne eines guten Wärmeübergangs über die Oberfläche befördert. Die im Inneren des Hohlraums 15 befindlichen räumlichen Strukturen 25 arbeiten ebenfalls im Sinne eines guten Wärmeübergangs als innere Strömungsleitelemente 33.

[0012] Die von der Wärmequelle 3 in die Welle 4 eingebrachte Wärmeenergie wird durch die erfindungsgemäße Anordnung 1 in dem Ausführungsbeispiel die Lageranordnung 6 passierend zügig zu der Wärmesenke 2 transportiert und dort abgeführt, was die Temperatur in dem Bereich des Lagers 6 reduziert, so dass die empfindlichen Magnetlager keinen Schaden nehmen.

Ansprüche

1. Anordnung (1) mit einer Wärmesenke (2) und einer Wärmequelle (3) und mit einer drehbar gelagerten Welle (4), die sich zumindest von einem Bereich der Wärmequelle (3) in den Bereich der Wärmesenke (2) längs erstreckt, dadurch
gekennzeichnet, dass
in der Welle (4) ein Hohlraum (15) vorgesehen ist, der sich zumindest von dem Bereich der Wärmequelle (3) zu dem Bereich der Wärmesenke (2) erstreckt und sich in dem Hohlraum (15) ein Kühlmittel (16) befindet, derart ausgebildet ist, dass es im Bereich der Wärmequelle (3) zumindest teilweise verdampfbar und im Bereich der Wärmesenke zumindest teilweise kondensierbar ist.

2. Anordnung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmequelle (3) ein Heißbereich (9) einer Dampfturbine (10) oder Gasturbine ist.

3. Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmesenke (2) ein gekühlter Bereich der Welle (4) ist.

4. Anordnung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Welle (4) im Bereich der Senke (2) mit Kühlrippen (29) versehen ist.

5. Anordnung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Welle (4) im Bereich der Wärmesenke (2) außen mit mitrotierenden äußeren Strömungsleitelementen (30) versehen ist, die derart ausgebildet sind, dass eine Überströmung einer Wellenoberfläche durch umgebendes Fluid (31), insbesondere Umgebungsluft, angetrieben wird.

6. Anordnung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung ein Lager (6) umfasst, mittels dessen die Welle (4) drehbar gelagert ist und dass sich an der Welle (4) zwischen der Wärmequelle (3) und der Wärmesenke (2) befindet.

7. Anordnung (1) mit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lager (6) ein Magnetlager ist.

8. Anordnung (1) nach Anspruch (7)
dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlager ein aktives Magnetlager ist.

9. Anordnung (1), nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlraum (15) im Bereich der Wärmesenke (2) einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Sammelbereich (21) für kondensiertes Kühlmittel (16) aufweist.

10. Anordnung (1), nach mindesten einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Wärmesenke (2) im Bereich einer Stirnseite (28) der Welle (4) befindet.

11. Anordnung (1) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stirnseite (28) mit Kühlrippen (29) versehen ist.

12. Anordnung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlraum (15) mit inneren Strömungsleitelementen (33) versehen ist, die eine Kühlmittelströmung in dem Hohlraum (15) unterstützen oder führen.

13. Anordnung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Hohlraum (15) im Bereich der Wärmesenke (2) und/oder der Wärmequelle (3) räumliche Strukturen (25) an einer den Hohlraum (15) begrenzenden Wandoberfläche vorgesehen sind, die einen Wärmeübergang verbessern.

14. Anordnung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlraum (15) derart ausgebildet ist, dass sich das Kühlmittel in dem Hohlraum (15) in einem geschlossenen Kreislauf bewegt.

Zeichnung