Schwebender Rotor für Dampfturbinen

Vollkommen berührungs­frei halten die geregelten Magnetfelder des neuen Magnet­lager­system von Siemens zehn Tonnen schwere Rotoren in der Lager­mitte – und das selbst bei Maximaldrehzahl mit einer maximal haardünnen Abweichung. Das aktive Magnet­lager­system beruht auf bewährten Standardelektronikkomponenten, die sonst zur Ansteuerung von Elektromotoren in Werkzeug­maschinen­anwendungen eingesetzt werden. Haupt­anwendungen dieser Simotics AMB-Technologie sind große Elektro­maschinen, Kompressoren für die Gas- und Ölin­dustrie oder Dampf­turbinen. Erste Systeme sind bereits im Feld.

Siemens integrierte die Techno­logie in seine durch­gängigen Antriebs­konzepte. Damit ist es möglich, alle Komponenten des Antriebs­strangs in einheit­licher Art und Weise zu konfi­gurieren und sie in dieselbe Steuerungs­architektur zu integrieren. Außerdem werden die im Magnet­lager erhobenen Informa­tionen über den Anlagen­zustand direkt zugänglich für eine Fernüber­wachung. Das Bedien- und Service­konzept des Antriebs­strangs ist einfacher, weil Motor­umrichter und Magnet­lager­schrank auf den gleichen Regelungs­komponenten und Bedien­schnitt­stellen basieren.

Aktive Magnet­lager halten den Rotor durch magne­tische Kräfte von Elektro­magneten in der Schwebe. Lage­sensoren erfassen die Position des Rotors, und die Magnetkräfte werden entsprechend nach­geregelt. Die Lager arbeiten reibungs­frei und brauchen kein Öl. Das macht sie attraktiv in Branchen, wo wegen Brand- oder Natur­schutz besondere Sicherheits­maßnahmen gelten. Außerdem benötigen Magnet­lager kaum Wartung. Die Technik eignet sich besonders für Anwen­dungen mit hohen Umfangs­geschwindig­keiten, also für schnell drehende Rotoren mit großem Durch­messer. Die aktive Regelung der Rotor­position ermöglicht es, Schwingungen des Rotors zu dämpfen. Bei konven­tionellen Lagern treten in bestimmten Drehzahl­bereichen Rotor­resonanzen auf, weshalb diese Bereiche nur schnell durchfahren werden dürfen. Mit Magnet­lagern lässt sich die Rotation dagegen stufenlos regeln.

Derzeit ist die Simotics AMB-Techno­logy ausgelegt für Rotoren mit zwei Tonnen Gewicht und 17.000 Umdre­hungen pro Minute bis hin zu siebzehn Tonnen schweren Läufern mit 6.000 U/min. Lage­sensoren erfassen 16.000-mal pro Sekunde die Rotor­position. Selbst bei maximalen Dreh­zahlen halten die Rotoren ihre Position auf etwa 0,03 Millimeter. Die Standard-Um­richter liefern genügend Leistung, um Luftspalte von ein bis zwei Millimetern zwischen Rotor und Lager zu realisieren. Das vereinfacht die Aus­richtung der einzelnen Kompo­nenten erheblich und macht das System robust. Da es sich vorwiegend um Blind­leistung handelt, sind die Lager dennoch energie­effizienter als konven­tionelle Gleitlager.

Für die Digita­lisierung von Industrie­prozessen spielen solche Magnet­lager einen weiteren Vorteil aus. Während übliche Gleit­lager nur Informa­tionen über die Position des Rotors liefern, stellt die digitale Regelung des Magnet­lagers zusätzliche Betriebs­parameter wie am Rotor wirkende Kräfte bereit. Aus den Daten werden kleinste Änderungen im Antriebs­system, in der angetrie­benen Maschine und damit auch im nachge­lagerten Prozess erkennbar. Sie bilden die Grundlage für die Überwachung der Maschinen­zustände und ermög­lichen, durch voraus­schauende Wartung Still­stands­zeiten zu minimieren. Die Technologie ist bereits in zwei Kompressor­antrieben mit je 23 Megawatt Leistung und 6.300 U/min in einem Gasfeld bei Groningen sowie bei einer Dampf­turbine mit 10 MW und 5.700 U/min im Kraftwerk Jänsch­walde in Deutschland im Einsatz.

Siemens / JOL