Diese Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2020 130 125.1 vom 16.11.2020 in Anspruch.

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraft- oder Arbeitsmaschine mit zumindest einer Statoreinrichtung und zumindest einer Rotoreinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 . Insbesondere betrifft die Erfindung eine Gasturbine und besonders bevorzugt ein Strahltriebwerk, beispielsweise ein Strahltriebwerk eines Luftfahrzeugs.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Kraft- und Arbeitsmaschinen, die eine große Leistung erbringen sollen, weisen häufig Rotoreinrichtungen von großem Durchmesser auf. Diese Rotoreinrichtungen können während des Betriebs, insbesondere bei hohen Drehzahlen, zu flattern anfangen, das heißt, dass die Rotationsbewegung der Rotoreinrichtung von einer alternierenden Axialbewegung überlagert wird, deren Amplitude mit zunehmendem Radius größer wird. Um ein derartiges Flattern zu vermeiden, kann versucht werden, die entsprechende Rotoreinrichtung sehr steif auszulegen, was jedoch zur Folge hat, dass die Masse der Rotoreinrichtung erheblich ansteigt, wodurch wiederum die Trägheit der Kraft- oder Arbeitsmaschine erhöht wird. Eine solche Erhöhung der Trägheit ist aber häufig unerwünscht.

Besonders oft treten derartige Probleme bei elektrischen Scheibenläufermotoren auf, die auch als Axialflussmotoren bezeichnet werden. Dort ist eine rotierende Scheibe vorgesehen, in oder auf der in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und radial weit außen liegend Permanentmagnete vorgesehen sind. Dieser Rotorscheibe in Axialrichtung gegenüber gelegen ist ein elektrische Wicklungen aufweisender Stator, dessen elektrische Wicklungen mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden. Dieser Wechselstrom induziert ein in Umfangsrichtung umlaufendes elektromagnetisches Wechselfeld, das die mit den Permanentmagneten versehene Rotorscheibe in Rotation versetzt. Je weiter radial außen die Permanentmagnete angeordnet sind, desto größer ist das mit diesem Axialflussmotor erzeugbare Drehmoment, das über eine mit der Rotorscheibe verbundene Axialwelle abgeführt wird.

Der alternierend wechselnde magnetische Fluss zwischen dem Stator und dem Rotor erzeugt axiale Kräfte, deren Kraftrichtung sich mit dem elektromagnetischen Wechselfeld ändert, so dass auf die Rotorscheibe ständig wechselnde Biegekräfte einwirken, die um so größer sind, je weiter die Permanentmagnete und die diesen gegenüber gelegene Statorspule radial von der Rotationsachse entfernt sind. Die sich daraus ergebende Biegeschwingung der Rotorscheibe bewirkt das wahrnehmbare Flattern und führt dazu, dass sich der Abstand zwischen dem Stator und der Rotorscheibe periodisch ändert, was wiederum einen Einfluss auf die zwischen dem Stator und dem Rotor wirkenden elektromagnetischen Kräfte hat. Da die Rotorscheibe nicht beliebig dick (in Axialrichtung) gemacht werden kann, um deren Steifigkeit zu erhöhen, ist der Radius, auf dem die Permanentmagnete auf der Rotorscheibe angebracht werden können, in seiner Erstreckung von der Rotationsachse begrenzt. Damit ist auch das erzielbare Drehmoment eines solchen Axialflussmotors begrenzt.

Ein anderer Anwendungsfall einer solchen Kraft- oder Arbeitsmaschine ist bei einem Verdichterlaufrad einer Flugzeugturbine oder allgemein einer Gasturbine gegeben, wo es auch angestrebt wird, ein hohes Drehmoment über einen großen Radius zu erreichen. Hier tritt das Problem des Flatterns der einzelnen Turbinenschaufeln auf, die nur im Bereich der Nabe gelagert sind. In diesem Fall werden die Axialkräfte von der anströmenden Luft erzeugt, die ein Biegemoment auf die jeweilige Turbinenschaufel ausübt. Da auch die Turbinenschaufeln nicht beliebig massiv und steif herstellbar sind, weil ansonsten die rotierende Masse zu groß wird, ist auch hier der Radius begrenzt. Diese Problematik tritt insbesondere bei Strahltriebwerken von Luftfahrzeugen auf, besonders wenn sie als Mantelstromtriebwerk (Fan-Triebwerk) mit einem oder mehreren Verdichterlaufrädern mit großem Durchmesser ausgebildet sind.

STAND DER TECHNIK

Aus der DE 10 2006 036 707 B3 ist eine trägheitsarmer elektrischer Direktantrieb in Form eines Axialflussmotors bekannt. Die mechanische Lagerung des Rotors relativ zum Stator erfolgt über Kugellager, die radial innerhalb oder radial außerhalb des Rotors vorgesehen sind. Die Präzision von derartigen Kugellagern als Rotationslager mit großem Durchmesser ist im Hinblick auf die Abstützung von Axialkräften sehr eingeschränkt, so dass sich ein Flattern einer mittels eines solchen Kugellagers gelagerten rotierenden Scheibe nicht vermeiden lässt.

Aus der EP 2 667 485 B1 ist ein Axialflussmotor bekannt, der eine ringförmige Rotorscheibe aufweist, die über eine flexible Rotormembran mit der Rotorachse verbunden ist. Die ringförmige Rotorscheibe ist über als Kugellager ausgebildete Axiallager im Bereich des Umfangs der ringförmigen Rotorscheibe in Axialrichtung abgestützt. Abgesehen davon, dass derartige Axialkugellager bei großen Durchmessern ein hohes Gewicht aufweisen, ist auch deren Präzision in Axialrichtung begrenzt.

Die DE 10 2007 028 905 B3 zeigt und beschreibt eine Lagereinrichtung zur berührungsfreien Lagerung eines mit einer Rotorwelle mechanisch verbundenen Rotors gegen einen Stator, bei der der Rotor mit radial voneinander beabstandeten und in Umfangsrichtung verlaufenden Ringvorsprüngen versehen ist. Jedem dieser rotorseitigen Ringvorsprünge ist ein in Umfangsrichtung umlaufender statorseitiger Ringvorsprung zugeordnet. Im Bereich der Statorseitigen Ringvorsprünge sind Luftauslässe vorgesehen, durch die Luft in den Spalt zwischen Stator und Rotor eintreten kann. Dabei kann sich für die Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator kein in der Axialerstreckung gleichbleibender ebener Luftspalt bilden. Alternativ kann die Rotorwelle stirnseitig mit einem axial wirkenden Luftlager versehen sein.

Die EP 2 985 893 A1 zeigt und beschreibt eine elektrische Maschine mit Luftspaltkontrolle, wobei die Maschine zumindest einen Stator und einen Rotor aufweist. Der Stator enthält mindestens zwei Statorsegmente, die in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind. Beide Statorsegmente sind relativ zur Rotorachse in Axialrichtung beweglich ausgeführt. Jedem Statorsegment ist eine Rotorscheibe zugeordnet, die die Statorsegmente auf einer axialen Stirnseite abdeckt. Die Statorsegmente weisen kreisringförmige Bereiche auf, in denen sogenannte Statorzähne angeordnet sind. In Radialrichtung ist zwischen zwei dieser mit den Statorzähnen versehenen Bereichen jeweils ein kreissegmentförmiger erhabener Bereich (Vorsprung) ausgebildet, in welchem sich eine Reihe von kreissegmentförmig angeordneten Luftaustrittsdüsen befindet. Diese Luftaustrittsdüsen sind derart ausgerichtet, dass die aus ihnen austretende Druckluft gegen eine entsprechende Oberfläche der Rotorscheibe drückt. Dieser abstoßenden Kraft der Druckluft steht eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Statorzähnen und der Rotorscheibe gegenüber. Ist die von der Druckluft ausgeübte Druckkraft größer als die magnetische Anziehungskraft, so wird das Statorsegment von der Rotorscheibe wegbewegt und der Luftspalt zwischen dem Statorsegment und der Rotorscheibe wird vergrößert. Auf diese Weise kann durch die Einstellung des Drucks der aus den Druckluftdüsen austretenden Luft der Motor-Luftspalt zwischen dem Statorsegment und der Rotorscheibe konstant gehalten werden. Die mit den Druckluftdüsen versehene statorseitige Lagerfläche ist nicht systemfest, sondern in Axialrichtung bewegbar. Dadurch sollen Unebenheiten des Rotors durch axiale Nachführung des Statorsegments ausgeglichen werden, so dass der Luftspalt stets konstant bleibt. Das Ziel, den Luftspalt konstant zu halten, erfolgt aus elektrodynamischen Gründen. Der Luftspalt ist hier kein Lagerspalt und die Luftaustrittsdüsen bilden keine Luftlagerung für die Rotorscheibe.

Ein weiteres Problem von Wälzlagern (Kugellagern und Rollenlagern) mit großem Durchmesser besteht darin, dass die Umfangsgeschwindigkeit der sich im Betrieb drehenden Wälzkörper (Kugeln, Rollen) mit zunehmendem Lagerdurchmesser ansteigt und so der maximale Lagerdurchmesser eines Wälzlagers durch die maximale Umfangsgeschwindigkeit der Wälzkörper begrenzt ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Kraft- oder Arbeitsmaschine so zu verbessern, dass auch bei großem Durchmesser ein präziser Rundlauf ohne axiales Flattern gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Kraft- oder Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .

Eine Kraft- oder Arbeitsmaschine mit einer Struktur, zumindest einer strukturfesten Statoreinrichtung und zumindest einer Rotoreinrichtung sowie zumindest einer mit der Rotoreinrichtung zur Drehmomentübertragung gekoppelten oder koppelbaren und um eine Rotationsachse drehbaren Rotorwelle, die in oder an der Struktur drehbar und im Wesentlichen axialfest gelagert ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Rotoreinrichtung an ihrem Außenumfang oder im Bereich ihres Außenumfangs in achsparalleler Richtung mittels zumindest eines aerostatischen Lagers axialgelagert ist, das zumindest eine an der Statoreinrichtung ausgebildete strukturfeste statorseitige Lagerfläche und zumindest eine an der Rotoreinrichtung ausgebildete rotorseitige Lagerfläche aufweist, zwischen denen ein Lagerspalt gebildet ist. Die Statoreinrichtung ist mit der Struktur beispielsweise verbunden oder bildet einen Teil der Struktur aus und ist auf diese Weise strukturfest. Sowohl die zumindest eine statorseitige Lagerfläche als auch die zumindest eine rotorseitige Lagerfläche sind vorteilhafterweise eben ausgebildet.

Im Wesentlichen axialfest bedeutet hier, dass die Rotorwelle axial festgelegt ist und allenfalls im Rahmen der üblichen Toleranzen eines Radiallagers oder einer so genannten schwimmenden Lagerung axial beweglich sein kann. Unter einer Struktur der Kraft- oder Arbeitsmaschine ist ein Körper oder eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Körpern zu verstehen, die innerhalb der Kraft- oder Arbeitsmaschine einen statischen Teil der Kraft- oder Arbeitsmaschine bilden. Die Struktur kann beispielsweise von einem Maschinengehäuse, einem Strukturfachwerk oder einem Strukturrahmen der Kraft- oder Arbeitsmaschine gebildet sein. Die Struktur dient vorzugsweise auch dazu, die Kraft- oder Arbeitsmaschine an einem externen Körper zu haltern, wozu die Struktur mit dem externen Körper verbunden oder verbindbar ist.

Der Begriff „strukturfest' ist hier so zu verstehen, dass rotierende und/oder axialbewegliche Teile der Kraft- oder Arbeitsmaschine ihre Bewegungen relativ zu nicht-beweglichen, strukturfesten Teilen der Kraft- oder Arbeitsmaschine ausführen können. Dies schließt nicht aus, dass die Kraft- oder Arbeitsmaschine und damit ihre Struktur selbst relativ zu externen Körpern bewegbar ist.

Das aerostatische Lager ist vorzugsweise ein Gasdrucklager wie beispielsweise ein Luftlager, insbesondere ein hochtragfähiges Luftlager mit Mikrolöchern als Luftaustrittsdüsen.

VORTEILE

Die erfindungsgemäße Kraft- oder Arbeitsmaschine weist im Bereich des Außenumfangs ihrer jeweiligen (zumindest einen) Rotoreinrichtung zumindest ein sich entlang des (vorzugsweise gesamten) Umfangs der betreffenden Rotoreinrichtung ringförmig erstreckendes aerostatisches Lager auf, das die von Extern auf die Rotoreinrichtung einwirkenden Axialkräfte im Bereich des Außenumfangs abstützt, nämlich dort wo der mechanische Hebel (von der Rotationsachse ausgehend in Radialrichtung betrachtet) besonders lang ist. Externe achsparallele Kräfte, die zwischen der Rotationsachse und dem ringförmigen aerostatischen Lager auf die Rotoreinrichtung einwirken, können daher keine Axialschwingungen im Bereich des Umfangs der Rotoreinrichtung erzeugen, so dass ein Flattern der Rotoreinrichtung in Axialrichtung verhindert wird. Das sich entlang des Umfangs der betreffenden Rotoreinrichtung ringförmig erstreckende aerostatisches Lager kann eine in sich geschlossene ringförmige Lagerfläche aufweisen, die Lagerfläche kann aber auch entlang des Umfangs unterbrochen und dadurch segmentiert sein.

Die prinzipbedingt geringe Masse eines aerostatischen Lagers (zum Beispiel gegenüber einem im Bereich des Umfangsrands der Rotoreinrichtung wirkenden Wälzlager) bewirkt ein niedriges Gewicht der ringförmigen Lageranordnung, wodurch der Abstützradius in Axialrichtung deutlich weiter radial nach außen positioniert werden kann als das bei einem Wälzlager vernünftigerweise möglich ist ohne das Gewicht der gesamten Kraft- oder Arbeitsmaschine auf ein inakzeptables Maß ansteigen zu lassen. Zudem unterliegen aerostatische Lager nicht der oben erwähnten Durchmesserbeschränkung, die bei Wälzlagern im Hinblick auf den Lagerdurchmesser aufgrund der maximalen Umfangsgeschwindigkeit der Wälzkörper auftritt.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Kraft- oder Arbeitsmaschine sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 15.

Vorzugsweise weist das aerostatische Lager zumindest eine an der Statoreinrichtung ausgebildete statorseitige Lagerfläche und zumindest eine an der Rotoreinrichtung ausgebildete rotorseitige Lagerfläche auf, zwischen denen ein Lagerspalt gebildet ist, wobei in zumindest einer der Lagerflächen eine Mehrzahl von als Mikrolöcher ausgebildeten Gasaustrittsdüsen vorgesehen ist, die in den Lagerspalt münden. Die Vielzahl der von Mikrolöchern ausgebildeten Gasaustrittsdüsen und ein dadurch möglicher extrem dünner Lagerspalt (beispielsweise zwischen 5 pm und 35 pm, vorzugsweise zwischen 10 pm und 20 pm) sorgen für eine sehr hohe Lagersteifigkeit und damit für eine hohe Präzision des aerostatischen Lagers. Diese Dicke des Lagerspalts wird im rechten Winkel zur jeweiligen Lagerfläche gemessen. Dabei ist es von Vorteil, wenn die die Gasaustrittsdüsen bildenden Mikrolöcher in der zumindest einen statorseitigen Lagerfläche ausgebildet sind. Allerdings kann es bei anderen Ausführungsformen auch vorteilhaft sein, die die Gasaustrittsdüsen bildenden Mikrolöcher in der zumindest einen rotorseitigen Lagerfläche vorzusehen.

Die Mikrolöcher sind mittels eines hochenergetischen Strahls, beispielsweise mittels eines Laserstrahls, in die Lagerflächenwandung eingebrachte Löcher mit einem jeweiligen Austrittsdurchmesser der so gebildeten Gasaustrittsdüse in der Lagerfläche zwischen 15 pm und 150 pm, bevorzugt zwischen 15 pm und 50 pm, vorzugsweise zwischen 20 pm und 35 pm, weiter vorzugsweise zwischen 25 pm und 30 pm.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die zumindest eine statorseitige Lagerfläche und die zumindest eine rotorseitige Lagerfläche in jeweils einer Ebene verlaufen, die rechtwinklig zur Rotationsachse verläuft. Diese Ausführungsform ermöglicht eine maximale Abstützung von achsparallel auf die Rotoreinrichtung wirkenden Kräften.

Alternativ kann es von Vorteil sein, wenn die zumindest eine statorseitige Lagerfläche und die zumindest eine rotorseitige Lagerfläche in jeweils einer Ebene verlaufen, die in einem spitzen Winkel zur Rotationsachse verläuft. Hierbei können nicht nur achsparallel auf die Rotoreinrichtung wirkende Kräfte, sondern auch Radialkräfte abgestützt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die mit anderen Ausführungsformen kombinierbar ist, sieht vor, dass die Rotoreinrichtung zumindest eine erste rotorseitige Lagerfläche an einer ersten axialen Stirnseite der Rotoreinrichtung und zumindest eine zweite rotorseitige Lagerfläche an einer von der ersten axialen Stirnseite abgewandten zweiten axialen Stirnseite der Rotoreinrichtung aufweist, dass der zumindest einen ersten rotorseitigen Lagerfläche zumindest eine erste statorseitige Lagerfläche gegenübergelegen ist, wobei zwischen der zumindest einen ersten rotorseitigen Lagerfläche und der zumindest einen ersten statorseitigen Lagerfläche zumindest ein erster Lagerspalt gebildet ist und dass der zumindest einen zweiten rotorseitigen Lagerfläche zumindest eine zweite statorseitige Lagerfläche gegenübergelegen ist, wobei zwischen der zumindest einen zweiten rotorseitigen Lagerfläche und der zumindest einen zweiten statorseitigen Lagerfläche zumindest ein zweiter Lagerspalt gebildet ist. Diese Variante ermöglicht eine "schwimmende" axiale Lagerung der Rotoreinrichtung mit einer Abstützung von achsparallelen Kräften in beiden Richtungen und weist verbesserte Dämpfungseigenschaften des Lagers auf. Der zweite Lagerspalt weist dabei vorzugsweise die gleichen Eigenschaften auf wie der erste Lagerspalt und die Dicke des zweiten Lagerspalts liegt insbesondere im gleichen Bereich wie die des ersten Lagerspalts.

Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die zumindest eine erste oder zweite statorseitige Lagerfläche in achsparalleler Richtung bewegbar ist oder in achsparalleler Richtung bewegbare Lagerelemente aufweist. Diese axiale Bewegbarkeit des zumindest eine ringförmigen Lagerelements auf einer der beiden Lagerseiten bewirkt, dass der jeweilige Lagerspalt konstant dünn gehalten werden kann, wodurch die Lagersteifigkeit hoch bleibt.

Vorzugsweise sind die ersten und die zweiten Lagerflächen jeweils parallel zueinander ausgerichtet.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, die auch mit anderen Ausführungsformen kombinierbar ist und bei der die Rotoreinrichtung nur an ihrem Außenumfang oder im Bereich ihres Außenumfangs in achsparalleler Richtung mittels zumindest eines aerostatischen Lagers axialfest gelagert ist und relativ zur Rotorwelle axialbeweglich gelagert ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Rotoreinrichtung ausschließlich im Bereich ihres größten Durchmessers axialfest gelagert und die Lagerung an oder auf der Rotorwelle, also zum Beispiel im Bereich des Zentrums der Rotoreinrichtung, lässt eine zumindest geringfügige Bewegbarkeit relativ zur Rotorwelle in Axialrichtung zu. Die Kopplung zwischen der Rotorwelle und der Rotoreinrichtung ist daher nur in Umfangsrichtung fest, vorzugsweise nur in der Hauptrotationsrichtung der Rotoreinrichtung. Eine solche Hauptrotationsrichtung ist beispielsweise jene Rotationsrichtung; in der die Rotorwelle und die Rotoreinrichtung im normalen Arbeitsbetrieb, zum Beispiel im Vorwärtslauf einer Turbine, drehen.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die ebenfalls mit anderen Ausführungsformen kombinierbar ist, sieht vor, dass die Rotoreinrichtung mittels einer zugeordneten Kupplung derart mit der Rotorwelle zur Drehmomentübertragung gekoppelt ist, dass die Rotoreinrichtung in Axialrichtung parallel zu Rotationsachse und/oder in Radialrichtung rechtwinklig zur Rotationsachse bewegbar ist. Die Kupplung ermöglicht hier eine Relativbeweglichkeit zwischen der Rotorwelle und der Rotoreinrichtung in Axialrichtung und/oder in Radialrichtung und entkoppelt die Rotoreinrichtung von der Rotorwelle bis auf eine Koppelung in Rotationsrichtung. So wird eine ausschließlich momentensteife Koppelung geschaffen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Rotoreinrichtung von einer Rotorscheibe eines Elektromotors, vorzugsweise eines Axialflussmotors, gebildet.

Vorzugsweise ist die Rotorscheibe eine mit radial angeordneten Permanentmagneten versehene Magnetrotorscheibe des Elektromotors. Dieser Anwendungsfall ermöglicht den "flatterfreien" Aufbau von Axialflussmotoren mit großem Durchmesser der Rotoreinrichtung und damit mit hohem Drehmoment bei gleichzeitig geringer Masse und (in Axialrichtung) schmalem Aufbau, da die Rotoreinrichtung sehr leicht und in Axialrichtung sehr dünn ausgebildet sein kann.

In einer alternativen, ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Rotoreinrichtung von einem Laufrad, beispielsweise einem Verdichterrad, einer Turbine, vorzugsweise einer Antriebsturbine, gebildet. Eine solche Antriebsturbine ist beispielsweise ein Fan-Triebwerk oder Mantelstromtriebwerk für ein Luftfahrzeug. Dieser Anwendungsfall ermöglicht den Aufbau von Turbinen-Fans mit großem Durchmesser und einer damit verbundenen hohen Verdichterleistung. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Laufrad eine Vielzahl von sich in Radialrichtung erstreckenden Turbinenschaufeln aufweist, die an einer mit der Rotorwelle drehbar gekoppelten Nabe angebracht oder gelagert sind, und wenn die Turbinenschaufeln an ihren radial äußeren Endabschnitten mit einem die zumindest eine rotorseitige Lagerfläche aufweisenden Lagerring verbunden oder gekoppelt sind.

Bei der Ausführung der Rotoreinrichtung mit einem umlaufenden Außenumfangsbereich mit zumindest einer ununterbrochenen rotorseitigen Lagerfläche kann die zugeordnete statorseitige Lagerfläche unterbrochen sein und beispielsweise in Umfangsrichtung voneinander beabstandete statorseitige Lagerpads mit jeweils einem Lagerflächenabschnitt aufweisen.

Alternativ weist das Laufrad eine Vielzahl von sich in Radialrichtung erstreckenden Turbinenschaufeln auf, die an einer mit der Rotorwelle drehbar gekoppelten Nabe angebracht oder gelagert sind, und die Turbinenschaufeln sind an einem jeweiligen radial äußeren Endabschnitt mit zumindest einem rotorseitigen Lagerflächenabschnitt versehen. Bei dieser Ausführungsform ist die zumindest eine rotorseitige Lagerfläche durch die Mehrzahl der in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Lagerflächenabschnitte der einzelnen Turbinenschaufeln gebildet und die zugehörige zumindest eine statorseitige Lagerfläche ist als geschlossener statorseitiger Lagerring ausgebildet.

Besonders vorteilhaft ist eine erfindungsgemäße Kraft- oder Arbeitsmaschine, bei der eine Mehrzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten und erfindungsgemäß ausgebildeten Paarungen aus Statoreinrichtung und Rotoreinrichtung vorgesehen sind, wobei zumindest ein Teil der Rotoreinrichtungen mit der Rotorwelle zur Drehmomentübertragung gekoppelt ist und wobei vorzugsweise ein Teil der Rotoreinrichtungen mit einer weiteren Rotorwelle zur Drehmomentübertragung gekoppelt ist. Die (in Axialrichtung) geringe Baulänge der erfindungsgemäßen Kraft- oder Arbeitsmaschine bei gleichzeitig großem Durchmesser ermöglicht es, in Axialrichtung hintereinander mehrere dieser Kraft- und/oder Arbeitsmaschinen anzuordnen und damit eine kompakte und gleichzeitig leistungsstarke Kraft- und/oder Arbeitsmaschinenanordnung zu bauen. Die einzelnen hintereinander angeordneten Kraft- und/oder Arbeitsmaschinen können mittels einer gemeinsamen Rotorwelle gekoppelt sein oder sie können an unterschiedliche Rotorwellen angekoppelt sein, von denen zumindest eine mit einer ersten Kraft- oder Arbeitsmaschine gekoppelte Rotorwelle als Hohlwelle ausgebildet ist, in der eine weitere Rotorwelle relativ dazu drehbar gelagert ist, die mit einer anderen Kraft- oder Arbeitsmaschine gekoppelt ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Schaubild des mechanischen Prinzips der Erfindung anhand einer ersten Variante einer ersten beispielhaften Anwendung des erfinderischen Prinzips am Rotor eines Axialfluss-Elektromotors;

Fig. 2 eine zweite Variante der ersten beispielhaften Anwendung des erfinderischen Prinzips am Rotor eines Axialfluss-Elektromotors;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Stirnansicht der zweiten Variante entlang der Linie III - III in Fig. 2

Fig. 4 eine dritte Variante der ersten beispielhaften Anwendung des erfinderischen Prinzips am Rotor eines Axialfluss-Elektromotors;

Fig. 5 eine zweite beispielhafte Anwendung des erfinderischen Prinzips an einem Schaufelrad der Verdichterstufe eines Turbinentriebwerks. DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Schaubild des mechanischen Prinzips der Erfindung gezeigt. Eine Kraft- oder Arbeitsmaschine 1 weist eine Statoreinrichtung 10 und eine Rotoreinrichtung 12 auf, die drehfest, also momentensteif, mit einer um eine Rotationsachse X drehbaren Rotorwelle 14 gekoppelt ist. Die Rotorwelle 14 ist in oder an einer in den Figuren nur schematisch dargestellten Struktur 11 der Kraft- oder Arbeitsmaschine 1 mittels eines beispielsweise als Radiallager ausgebildeten Rotationslagers 1 T drehbar gelagert. Auch die Statoreinrichtung 10 ist mit der Struktur 11 fest verbunden oder bildet einen Teil der Struktur 11 aus; die Statoreinrichtung 10 ist daher strukturfest. Eine solche Struktur 11 kann beispielsweise von einem Maschinengehäuse, einem Strukturfachwerk oder einem Strukturrahmen der Kraft- oder Arbeitsmaschine 1 gebildet sein. Die Struktur 11 dient vorzugsweise auch dazu, die Kraft- oder Arbeitsmaschine 1 an einem externen Körper zu haltern, wozu die Struktur 11 mit dem externen Körper verbunden ist.

Die Rotoreinrichtung 12 weist eine Rotorscheibe 13 auf, die sich in einer Ebene rechtwinklig zur Rotationsachse X erstreckt. Die in Axialrichtung gemessene Dicke d der Rotorscheibe 13 ist um ein Vielfaches kleiner als der Radius R der Rotorscheibe 13.

Die Rotoreinrichtung 12 ist relativ zur Rotorwelle 14 in Axialrichtung der Rotationsachse X verschiebbar auf der Rotorwelle 14 gelagert und beispielsweise über eine Klauenkupplung 16 (Einzelheit A) mit der Rotorwelle 14 momentensteif gekoppelt. Die Klauenkupplung 16 ist mit der Rotorwelle 14 drehfest verbunden und weist eine Mehrzahl von sich von der Rotorwelle 14 radial nach außen erstreckenden Klauen 16' auf, die über den Umfang gleichmäßig verteilte und vorzugsweise in Radialrichtung nach außen offene Klauentaschen 16" ausbilden. In diese Klauentaschen 16" greifen an der Rotorscheibe 13 ausgebildete oder mit dieser verbundene Klauenzapfen 15 ein, die im Bereich des Innenumfangs 12" der Rotoreinrichtung 12 vorgesehen sind und sich von der Rotorscheibe 13 in Axialrichtung erstrecken. Die Klauenzapfen 15 stehen mit den Klauen 16' der Klauenkupplung 16 in Eingriff und stellen dadurch die drehfeste Verbindung zwischen der Rotorwelle 14 und der Rotoreinrichtung 12 her. Sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung sind die Klauenzapfen 15 in den Klauentaschen 16" relativ zu den Klauen 16' bewegbar. Die Klauenkupplung 16 weist somit einen axialen und einen radialen Freiheitsgrad auf und ist lediglich momentensteif ausgebildet. Zudem ist bei momentensteifer Kopplung eine Kippbarkeit der Rotoreinrichtung 12 relativ zur Rotationsachse X um wenige Winkelgrad aus der sich rechtwinklig zur Rotationsachse X erstreckenden Ebene gegeben.

Eine weitere Variante einer momentensteifen, aber axial und radial bewegbaren und kippbaren Ankopplung der Rotationseinrichtung an die Rotorwelle ist das Vorsehen einer so genannten Flex-Kupplung, die momentensteif aber ansonsten flexibel ist.

Alternativ kann die Rotoreinrichtung 12 auch über eine Axialverzahnung 17 axial beweglich aber drehfest mit der Rotorwelle 14 gekoppelt sein, doch weist die Klauenkupplung 16 den Vorteil auf, dass sie aufgrund des ihr immanenten radialen Freiheitsgrades auch ein Radialspiel zulässt.

Die Rotoreinrichtung 12 ist im Bereich ihres Außenumfangs 12' mittels eines an der Statoreinrichtung 10 ausgebildeten aerostatischen Lagers 2 in achsparalleler Richtung X' axial gelagert. Radial innerhalb des aerostatischen Lagers 2 ist auf der Rotorscheibe 13 der Rotoreinrichtung 12 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten und sich radial erstreckenden Permanentmagneten 30 einer elektromagnetischen Wirkeinrichtung 3 vorgesehen. Die Permanentmagnete 30 der elektromagnetischen Wirkeinrichtung 3 wirken mit in der Statoreinrichtung 10 vorgesehenen elektrischen Wicklungen 32 (Einzelheit B) zusammen. Die elektromagnetische Wirkeinrichtung 3 kann entweder — im Fall einer Kraftmaschine — einen Axialfluss-Elektromotor oder — im Fall einer Arbeitsmaschine — einen Axialfluss-Generator bilden. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um einen Axialfluss-Elektromotor 3'. Das aerostatische Lager 2 ist als Gasdrucklager ausgebildet, welches im gezeigten Beispiel mit Druckluft betrieben wird, also ein Luftlager bildet. Das aerostatische Lager weist eine an der Statoreinrichtung 10 ausgebildete ringförmige, statorseitige Lagerfläche 20 sowie eine dem Außenumfang 12' der Rotoreinrichtung 12 benachbarte und an der der statorseitigen Lagerfläche 20 zugewandten Stirnseite 13' der Rotorscheibe 13 vorgesehene ringförmige rotorseitige Lagerfläche 22 auf. Zwischen der statorseitigen Lagerfläche 20 und der rotorseitigen Lagerfläche 22 ist ein dünner Lagerspalt 21 ausgebildet.

In der statorseitigen Lagerfläche 20 ist eine Vielzahl von in Radialrichtung und in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Mikrolöchern 24 vorgesehen, die sich als Bohrungen von der statorseitigen Lagerfläche 20 bis zu einer im Inneren der Statoreinrichtung 10 vorgesehenen Druckgaskanalanordnung 26 erstrecken. Die in den Lagerspalt 21 mündenden Mikrolöcher bilden Gasaustrittsdüsen 25 für ein Druckgas, das durch eine Druckgasleitung 26' in die Druckgaskanalanordnung 26 und von dort durch die Mikrolöcher 24 in den Lagerspalt 21 eingeleitet wird. Das in den Lagerspalt 21 eingeleitete Druckgas bildet im Lagerspalt ein Druckgaspolster, beispielsweise ein Luftdruckpolster, auf dem die Rotorscheibe 13 der Rotoreinrichtung 12 relativ zur Statoreinrichtung 10 schwebt. Der im Lagerspalt 21 herrschenden Druckgaskraft, die bestrebt ist, die Rotorscheibe 13 von der Statoreinrichtung 10 weg zu drücken, wirkt die in der elektromagnetischen Wirkeinrichtung 3 von den Permanentmagneten 30 erzeugten Anziehungskraft zwischen der Rotorscheibe 13 und der Statoreinrichtung 10 entgegen, so dass die Rotorscheibe 13 der Rotoreinrichtung 12 berührungsfrei und damit nahezu reibungsfrei relativ zur Statoreinrichtung 10 rotieren kann.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die oben beschriebene räumlich getrennte (radiale) Anordnung der Lagerfläche(n) des aerostatischen Lagers 2 und der Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten und sich radial erstreckenden Permanentmagnete 30 der elektromagnetischen Wirkeinrichtung 3 beschränkt. Die Permanentmagnete 30 können auch in einer der Lagerflächen 20, 22 des aerostatischen Lagers 2 vorgesehen sein, wobei dann Gasaustrittsdüsen 25, 25' bildende Mikrolöcher 24, 24' in den zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Permanentmagneten 30 gebildeten Radialstegen vorgesehen sein können.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Variante eines aerostatischen Lagers 2' in der Kraftoder Arbeitsmaschine 1 aus Fig. 1 , bei der der Statorkopf 23 im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist und den Umfangsrandbereich der Rotorscheibe 13 umgreift. Zur Ermöglichung der Montage kann der U-förmige Statorkopf 23 teilbar ausgebildet sein, wie es durch die Linie 23' in Fig. 2 symbolisch angedeutet ist. Fig. 3 zeigt eine geschnittene Draufsicht auf die Kraft- oder Arbeitsmaschine 1 aus Fig. 2 in Richtung der Pfeile Ill-Ill.

Zusätzlich zu der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Paarung aus der statorseitigen Lagerfläche 20 und der auf der ersten Stirnseite 13' der Rotorscheibe 13 vorgesehenen rotorseitigen Lagerfläche 22, die zwischen sich den Lagerspalt 21 bestimmen, ist auf der von der statorseitigen Lagerfläche 20 abgewandten zweiten Stirnseite 13" der Rotorscheibe 13 ebenfalls dem radialen Außenumfang 12' der Rotoreinrichtung 12 benachbart, eine zweite rotorseitige Lagerfläche 22' vorgesehen, die ebenfalls kreisringförmig im radialen Außenrandbereich der Rotorscheibe 13 ausgebildet ist. Der zweiten rotorseitigen Lagerfläche 22' gegenübergelegen ist eine zweite ringförmige, statorseitige Lagerfläche 20' an einem mittels Federn 27, 27' in einer Lagerbocktasche 18 der Statoreinrichtung 10 axial verschiebbar gelagerten und bezüglich der Rotorachse X kreisringförmigen Lagerbocks 28 ausgebildet. Zwischen der zweiten rotorseitigen Lagerfläche 22' und der zweiten statorseitigen Lagerfläche 20' ist ein zweiter Lagerspalt 21' ausgebildet.

Auch der ringförmige Lagerbock 28 ist mit einer inneren Druckgaskanalanordnung 29 versehen, die über eine flexible und kompressible Schlauchanbindung 29' mit einer im Inneren der Statoreinrichtung 10 vorgesehenen zweiten Druckgaskanalanordnung 29" in Fluidverbindung steht. Auch die zweite Druckgaskanalanordnung 29" wird — wie die erste Druckgaskanalanordnung 26 — mit Druckgas, beispielsweise mit Druckluft, versorgt. Zwischen der inneren Druckgaskanalanordnung 29 im Lagerbock 28 und der zweiten statorseitigen Lagerfläche 20' erstreckt sich ebenfalls in Radialrichtung voneinander beabstandet und in Umfangsrichtung voneinander beabstandet eine Vielzahl von weiteren Mikrolöchern 24' , die dort, wo sie in den zweiten Lagerspalt 2T münden, weitere Gasaustrittsdüsen 25' bilden. Die Rotorscheibe 13 ist auf diese Weise auf ihren beiden Stirnseiten vom doppelten aerostatischen Lager 2' in Axialrichtung abgestützt.

Fig. 4 zeigt eine im Bereich der Statoreinrichtung 110 abgewandelte Ausführung des in Fig. 3 dargestellten doppeltwirkenden aerostatischen Lagers 102 einer erfindungsgemäßen Kraft- oder Arbeitsmaschine 101. Die statorseitigen Lagerflächen 120, 120' und die rotorseitigen Lagerflächen 122, 122' sind um einen spitzen Winkel ß (vorzugsweise größer als 45° und kleiner als 90°, weiter vorzugsweise größer als 60° und kleiner als 90°) zur Rotationsachse X der Rotorwelle 114 geneigt. Auch der äußere Umfangsrandbereich 113" der Rotorscheibe 113 ist um diesen Winkel zur Rotorachse X geneigt und bildet mit dem sich rechtwinklig zur Rotorachse X erstreckenden zentralen Bereich 113' der Rotorscheibe 113 der Rotoreinrichtung 112 einen im Verhältnis zu ß um 90° vergrößerten stumpfen Winkel a (a = ß + 90°).

Zwischen den ersten Lagerflächen 120 und 122 ist ein erster Lagerspalt 121 ausgebildet und zwischen den zweiten Lagerflächen 120' und 122' ist ein zweiter Lagerspalt 121' ausgebildet. Im Übrigen entspricht der Aufbau dem in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Aufbau. Insbesondere ist die elektromagnetische Wirkeinrichtung 103 mit den Permanentmagneten 130 und der elektrischen Wicklung 132 - wie im Beispiel der Fig. 3 - im sich rechtwinklig zur Rotorachse X erstreckenden Bereich 113' der Rotorscheibe 113 angeordnet. Der Vorteil dieses abgewandelten aerostatischen Lagers 102 liegt darin, dass in geringem Maße auch Radialkräfte vom aerostatischen Lager 102 abgestützt werden. Überwiegend bleibt das aerostatische Lager 102 aber ein Axiallager. Auch hier ist der Statorkopf 123 im Querschnitt U-förmig ausgebildet und umgreift den Umfangsrandbereich 113" der Rotorscheibe 113. Zur Ermöglichung der Montage kann der U-förmige Statorkopf 123 auch bei dieser Variante teilbar ausgebildet sein, wie es durch die Linie 123' in Fig. 4 symbolisch angedeutet ist. Fig. 5 zeigt ein zweites Beispiel einer eine Flugzeugturbine bildenden erfindungsgemäßen Kraft- oder Arbeitsmaschine 201. Die Rotoreinrichtung 212 ist hier von einem Verdichterschaufeln 219 aufweisenden Verdichterrad 213 der Flugzeugturbine gebildet. Das Verdichterrad 213 ist mittels einer Nabe 213' - wie die Rotorscheibe 13 im Beispiel der Fig. 1 und der Fig. 3 - auf einer Verdichterwelle 214 momentensteif aber in Axialrichtung X frei gelagert. Den Außenumfang 212' der Rotoreinrichtung 212 bildet ein umlaufender Lagerung 212", auf dessen Stirnseiten die rotorseitigen, ringförmigen Lagerflächen 222, 222' ausgebildet sind. Der Umfangsrand des Lagerrings 212" ist von einem im Querschnitt U-förmig ausgebildeten Statorkopf 223 der Statoreinrichtung 210 umgriffen.

Die rotorseitigen Lagerflächen 222, 222' wirken wie im Beispiel der Fig. 4 mit statorseitigen Lagerflächen, von denen in Fig. 5 nur die zweite statorseitige Lagerfläche 220' zu sehen ist, zur Bildung eines doppeltwirkenden aerostatischen Axiallagers 202 zusammen. Der Querschnitt dieses Axiallagers 202 entspricht daher im Wesentlichen dem Aufbau des doppeltwirkenden aerostatischen Axiallagers 2' aus Fig. 3. Die Verdichterschaufeln 219 des Verdichterrads 213 sind auf herkömmliche Weise an der Nabe 213' um eine jeweilige Radialachse schwenkbar gelagert. Zudem sind die einzelnen Verdichterschaufeln 219 an ihrem jeweiligen radialen Ende um die zugeordnete Radialachse schwenkbar am Lagerring 212" gelagert.

Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken. Bezugszeichenliste

Es bezeichnen:

1 Kraft- oder Arbeitsmaschine

1 ' Kraft- oder Arbeitsmaschine

2 aerostatisches Lager

2' doppeltes aerostatisches Lager

3 elektromagnetische Wirkeinrichtung

3' Axialfluss-Elektromotor

10 Statoreinrichtung

11 Struktur

11 ' Rotationslager

12 Rotoreinrichtung

12' Außenumfang der Rotoreinrichtung

12" Innenumfang der Rotoreinrichtung

13 Rotorscheibe

13' erste Stirnseite der Rotorscheibe

13" zweite Stirnseite der Rotorscheibe

14 Rotorwelle

15 Klauenzapfen

16 Klauenkupplung

16' Klaue

16" Klauentasche

17 Axialverzahnung

18 Lagerbocktasche

20 erste statorseitige Lagerfläche

20' zweite statorseitige Lagerfläche

21 erster Lagerspalt

21' zweiter Lagerspalt

22 erste rotorseitige Lagerfläche

22' zweite rotorseitige Lagerfläche Statorkopf .' Linie Mikroloch ' Mikroloch Gasaustrittsdüse ' Gasaustrittsdüse Druckgaskanalanordnung ' Druckgasleitung Feder ' Feder Lagerbock erster Druckgaskanal ' flexible und kompressible Schlauchanbindung " zweiter Druckgaskanal Permanentmagnet elektrische Wicklung 1 Arbeitsmaschine 2 aerostatisches Lager 0 Statoreinrichtung 2 Rotoreinrichtung 3 Rotorscheibe 3' zentraler Bereich 3" Umfangsrandbereich 4 Rotorwelle 0 statorseitige Lagerfläche 0' statorseitige Lagerfläche 1 Lagerspalt 1' Lagerspalt 2 rotorseitige Lagerfläche 2' rotorseitige Lagerfläche 3 Statorkopf 3' Linie 130 Permanentmagnet

132 elektrische Wicklung

201 Kraft- und Arbeitsmaschine

202 aerostatisches Axiallager

202' statorseitige Lagerfläche

210 Statoreinrichtung

212 Rotoreinrichtung

212' Außenumfang

212" Lagerung

213 Verdichterrad (Laufrad)

213' Nabe

214 Verdichterwelle (Rotationswelle)

219 Verdichterschaufeln (Turbinenschaufeln)

220' statorseitige Lagerfläche

222 ringförmige rotorseitige Lagerfläche

222' ringförmige rotorseitige Lagerfläche

223 Statorkopf

X Rotationsachse

X' Rotationsachse