AT414161B - Führungslagervorrichtung - Google Patents

Description

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HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Führungslagereinrichtung, die zum Beispiel in einem Generatormotor eines Speicherkraftwerks verwendet wird und eine Ankerwelle einer dynamoelektrischen Maschine mit stehender Welle und bidirektionaler Rotation stützt. 2. Beschreibung des Standes der Technik

Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht, welche ein Beispiel einer herkömmlichen Führungslagereinrichtung zeigt, und Fig. 3 ist eine Schnittansicht nach Linie lll-lll der Fig. 2. In den Figuren ist ein zylinderförmiger Abschnitt 1a in einem äußeren entjang des Umfanges herum befindlichen Teil einer Ankerwelle 1 vorhanden. Ein kreisförmiger Ölbehälter 2 ist rund um die Ankerwelle 1 angeordnet. Im Ölbehälter 2 wird Turbinenöl 3 gelagert, welches als Schmiermittel dient. Der zylinderförmige Abschnitt 1a wird in das Turbinenöl 3 eingeführt und darin eingetaucht.

Zahlreiche drehbare Stützvorrichtungen 4 sind im Ölbehälter 2 angeordnet. Diese drehbaren Stützvorrichtungen 4 sind radial rund um den zylinderförmigen Abschnitt 1a angeordnet, während sie in Umfangsrichtung der Ankerwelle 1 gleichmäßig zueinander beabstandet sind. Ein Führungslagerabschnitt 5 zum Stützen einer radialen Last der Ankenwelle 1 ist an jeder einzeln drehbaren Stützvorrichtung 4 befestigt. Die Führungslagerabschnitte 5 sind so angeordnet, daß sie der äußeren Mantelfläche der Ankerwelle 1 entgegengerichtet sind, während sie in umfänglicher Richtung der Ankerwelle 1 gleichmäßig zueinander beabstandet sind. Darüber hinaus befindet sich ein Spalt C zwischen einer äußeren Mantelfläche 1b des zylinderförmigen Abschnitts 1a und einer Führungslageroberfläche 5a des Führungslagerabschnitts 5.

Fig. 4 ist eine erklärende Ansicht, welche schematisch eine Positionsbeziehung zwischen der Ankerwelle 1 und dem Führungslagerabschnitt 5 von Fig. 3 zeigt. In der Figur bezeichnet das Referenzsymbol Rj einen äußeren Radius der Ankerwelle 1; Oj bezeichnet einen Mittelpunkt der Ankerwelle 1; Rb bezeichnet einen Arbeitsradius der Führungslageroberfläche des Führungslagerabschnitts 5; und Ob bezeichnet einen Bearbeitungsmittelpunkt der Führungslageroberfläche des Führungslagerabschnitts 5.

Darüber hinaus ist Fig. 5 eine Abwicklungsansicht, welche die Positionsbeziehung zwischen der Ankerwelle 1 und dem Führungslagerabschnitt 5 von Fig. 4 in einem abgewickelten Zustand darstellt und die äußere Mantelfläche 1b des zylinderförmigen Abschnitts 1a zeigt, die sich zu einer Ebene abgewickelt hat. Der Unterschied zwischen der Krümmung der äußeren Mantelfläche 1b des zylinderförmigen Abschnitts 1a und der Krümmung der Führungslageroberfläche 5a des Führungslagerabschnitts 5 entspricht der Tatsache, daß die Führungslageroberfläche 5a einen Verformungsgrad δ aufweist, wenn davon ausgegangen wird, daß die äußere Mantelfläche 1 b eine Ebene ist.

Weiters, Fig. 6 ist eine Ansicht, welche eine Positionsbeziehung zwischen der Ankerwelle 1 und den Führungslagerabschnitten 5 zeigt, wenn die Ankerwelle 1 von Fig. 3 exzentrisch ist, und sie zeigt die Richtung der Exzentrizität der Ankerwelle 1 als Richtung eines Winkels 0=0 Grad. Wenn davon ausgegangen wird, daß die Anzahl der Führungslagerabschnitte 5 gleich n ist, wird die Position eines jeden einzelnen Führungslagerabschnitts 5 in der Figur repräsentiert durch 0i.

Als nächstes wird die Funktionsweise im Betrieb beschrieben. Das Turbinenöl 3 wird durch die Rotation des zylinderförmigen Abschnitts 1a der Rotation der Ankenveile 1 nachgezogen und fließt in die Spalten zwischen der äußeren Mantelfläche 1b des zylinderförmigen Abschnitts 1a und den Führungslageroberflächen 5a der Führungslagerabschnitte 5. Wenn das Turbinenöl 3 auf die Führungslageroberflächen 5a fließt, werden Keilfilme auf den Führungslageroberflächen 3

AT 414 161 B 5a gebildet. In der Folge wird die Rotorwelle 1 durch die Keilfilme so geführt, daß sie ohne direkten Kontakt mit den Führungslagerabschnitten 5 gedreht wird. Dieser Zustand wird als Flüssigkeitsschmierung bezeichnet. 5 Eine grundlegende Gleichung hinsichtlich des Ölfilmdrucks p der in den Führungslagerabschnitten 5 erzeugten Keilfilme, das heißt, eine Reynolds-Gleichung, ist im folgenden Ausdruck enthalten: 10

d_ dx r ο ί d + — r a > h3 0P 8xJ dz l BzJ * ..öh öh = 6μυ- + 12μ- ...(D öt wobei p der Druck im Ölfilm, h eine Spaltverteilung zwischen der Ankenwelle 1 und den Führungslagerabschnitten 5, U eine Umfangsgeschwindigkeit der Ankerwelle 1, μ die Viskosität des 15 Turbinenöls 3, x ein Koordinatenelement, z ein Koordinatenelement und t die Zeit ist.

Darüber hinaus wird die Lastkapazität W der einzelnen Führungslagerabschnitte 5 durch Integration des durch den Ausdruck (1) ermittelten Ölfilmdrucks p über alle Führungslageroberflächen 5a ermittelt. 20 W = jjpdxdz --(2)

Die Lastkapazität WG der gesamten Führungslagereinrichtung im Hinblick auf die radiale Last wird durch Summierung der Lastkapazitäten W der jeweiligen Führungslagerabschnitte 5 ermit-25 telt. WG = ZWiCos& (3) i=1 \ / wobei i eine Führungslagerabschnittsnummer, n die Anzahl der Führungslagerabschnitte 5, Wi 30 eine Lastkapazität jedes einzelnen Führungslagerabschnitts 5 und 0i ein Winkel in Bezug zur Lastrichtung der einzelnen Führungslagerabschnitte 5 ist.

Wie aus den Ausdrücken (1) bis (3) hervorgeht, werden die Verteilung des Ölfilmdrucks und die Lastkapazität der Führungslagereinrichtung von der Spaltverteilung h zwischen der Ankenwelle 35 1 und den Führungslagerabschnitten 5 und dhldx beeinflußt.

So wird zum Beispiel eine Führungslagereinrichtung, welche in einer dynamoelektrischen Maschine mit bidirektionaler Rotation, wie zum Beispiel einem Generatormotor eines Speicherkraftwerks, in symmetrischer Form im Hinblick auf die jeweiligen Rotationsrichtungen gebildet, 40 so daß die Merkmale eines Führungslagers den jeweiligen Rotationsrichtungen entsprechen. Darüber hinaus werden die drehbaren Stützvorrichtungen 4 zum Halten der Rückseiten der Führungslagerabschnitte 5 ebenfalls in den Mittelpunkten der Führungslagerabschnitte 5 angeordnet. Ein derartiges Haltesystem für die Führungslagerabschnitte 5 wird als Zentralstützsystem bezeichnet. 45

Im Falle der Führungslagereinrichtung des Zentralstützsystems ist allgemein bekannt, daß die Leistung des Lagers verbessert wird, wenn den Führungslageroberflächen 5a ein bestimmter Grad an Vorsprungsverformung δ verliehen wird. In der Folge wird der Arbeitsradius Rb der Führungslagerabschnitte 5 zur Errichtung der Beziehung im folgenden Ausdruck so eingestellt, so daß ein bestimmter Grad an Vorsprungverformung δ in einem zusammengebauten Zustand gegeben ist.

Montageradiusspalt C < Arbeitsradius Rb des Führungslagerabschnitts - Achsschenkelradius Rj ... (4) 55 4

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Im allgemeinen wird die vorhergehende Schaffung der Vorsprungverformung δ am Führungslagerabschnitt 5 als Druckbeaufschlagung bezeichnet, und ein Druckbeaufschlagungskoeffizient m wird als ein Koeffizient eingeführt, welcher den Grad dieser Druckbeaufschlagung repräsentiert. 5

Der Wertebereich, den der Druckbeaufschlagungskoeffizient m annehmen kann, beträgt 0 < m < 1, und wenn m=0 (konzentrische Kreise, also C=Rb-Rj), ist die Vorsprungsverformung gleich 0. m=1 - {CI (Rb-Rj)}... (5) io Die Eigenschaften des Führungslagers werden wesentlich vom Druckbeaufschlagungskoeffizienten m beeinflußt. Bei einer herkömmlichen Konstruktion wird dem Druckbeaufschlagungskoeffizienten m im allgemeinen ein Wert im Größenbereich von 0 bis 0,75 zugewiesen. Dies ist ein Wert, der ausschließlich auf Grund von Erfahrungswerten ermittelt wurde und nicht immer die Erzielung einer optimalen Lastkapazität WG gewährleistet. 15

Eine radiale Last auf Grund magnetischer Unwucht oder eine radiale Last auf Grund mechanischer, durch die Exzentrizität in der Mitte des Schwerpunkts oder ähnliches verursachte Unwucht, wirkt während des Betriebs auf die dynamoelektrische Maschine ein. Diese Lasten übersteigen bei einem Generatormotor mit großer Kapazität 1000 kN. Es ist daher für die Führungs-20 lagereinrichtung notwendig, eine Lastkapazität zu gewährleisten, welche die Beibehaltung eines geeigneten Flüssigkeitsschmierungszustandes erlaubt, ohne daß die Ankerwelle 1 und die Führungslagerabschnitte 5 einander berühren, selbst wenn diese Lasten angelegt werden. Darüber hinaus stellt die Einstellung des Druckbeaufschlagungskoeffizienten m auch aus diesem Gesichtspunkt einen wichtigen Konstruktionsparameter dar. 25

Weiters wird eine herkömmliche Lagerführungsvorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, zum Beispiel auch in JP 6 - 330936 A offenbart.

Da der Druckbeaufschlagungskoeffizient m bei einer herkömmlichen Führungslagereinrichtung, 30 wie sie oben beschrieben ist, nicht auf einen optimalen Wert eingestellt wurde, ist die Lastkapazität im Hinblick auf die radiale Last der dynamoelektrischen Maschine unzureichend, so daß zu starke Vibrationen an der Welle auftreten oder in manchen Fällen die Ankerwelle 1 und die Führungslagerabschnitte 5 einander direkt berühren, was zu einem Überhitzen der Führungsmetalle in den Führungslagerabschnitten 5 führt. 35

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Hydrodynamische Lagerungen von Wellen sind in verschiedenen Ausführungsformen (JP-07-293 553 A, JP10-288220 A, US 5 772 335 A) bekannt, weisen jedoch den Mangel auf, 40 daß die Lastkapazität im Hinblick auf die radiale Last einer dynamoelektrischen Maschine unzureichend ist (Gefahr von Vibrationen und von metallischer Berührung zwischen Welle und Wellenlagerung).

Die vorliegende Erfindung hat daher das Ziel, die vorerwähnten Probleme einer Lösung zuzu-45 führen, so daß es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Lagerführungseinrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, eine ausreichende Lastkapazität zu sichern, einen geeigneten Flüssigkeitsschmierungszustand beizubehalten und die Zuverlässigkeit zu verbessern.

Zu diesem Zweck wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Führungslagerein-50 richtung geschaffen, welche zahlreiche Führungslagerabschnitte, mit Führungslageroberflächen aufweist, die einer äußeren Mantelfläche einer Ankerwelle über Spalte C zwischen der äußeren Mantelfläche und den Führungslageroberflächen gegenüberliegen und, um die Ankenveile herum in Umfangsrichtung der Ankenveile voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Führunglagereinrichtung weiters zahlreiche Stützvorrichtungen zum Stützen der schwenkbaren 55 Führungslagerabschnitte in deren Zentren; und eine Schmierflüssigkeit aufweist, die zwischen 5

AT 414 161 B die äußere Mantelfläche und die Führungslageroberflächen geführt ist. Eine solche Führunglagereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß erfindungsgemäß ein Druckbeaufschlagungskoeffizient m, welcher als m=1-{C/(Rb-Rj)} definiert ist, wobei Rj einen äußeren Radius der Ankenwelle und Rb einen Arbeitsradius der Führungslageroberfläche bedeutet, auf einen Wert 5 zwischen 0,96 und 0,99 eingestellt ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den begleitenden Zeichnungen ist: 10

Fig. 1 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Druckbeaufschlagungskoeffizienten m und einer Lastkapazität WG in einer Führungslagereinrichtung eines Zentralstützsystems zeigt; Fig. 2 eine Längsschnittansicht, welche ein Beispiel einer herkömmlichen Führungslagereinrichtung zeigt; 15 Fig. 3 eine Schnittansicht nach Linie lll-lll der Fig. 2;

Fig. 4 eine erklärende Ansicht, welche schematisch eine Positionsbeziehung zwischen einer Ankerwelle und einem Führungslagerabschnitt von Fig. 3 zeigt;

Fig. 5 eine Abwicklungsansicht ist, welche die Positionsbeziehung zwischen der Ankerwelle und dem Führungslagerabschnitt von Fig. 4 in einem abgewickelten Zustand darstellt; und 20 Fig. 6 eine erläuternde Ansicht, welche eine Positionsbeziehung zwischen der Ankerwelle und den Führungslagerabschnitten zeigt, wenn die Ankenwelle von Fig. 3 exzentrisch ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM 25 Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Druckbeaufschlagungskoeffizienten m und einer Lastkapazität WG in einer Lagerführungsvorrichtung eines Zentralstützsystems 30 zeigt. Im Diagramm zeigt die horizontale Achse den Druckbeaufschlagungskoeffizienten (Vor-last-Verhältnis) m, und die vertikale Achse die Lastkapazität WG (kN) an. Darüber hinaus zeigt das Diagramm Fälle, in denen ein Exzentrizitätsverhältnis e 0,25, 0,5 bzw. 0,75 beträgt.

Hierbei bedeutet das Exzentrizitätsverhältnis e eine dimensionslose Zahl, welche einen Grad 35 der Exzentrizität eines Mittelpunktes einer Ankerwelle darstellt und als ein Verhältnis zwischen einem Exzentrizitätsausmaß e und einem Baugruppenradiusspalt C (e = e/C) angegeben wird. Das heißt, daß das Exzentrizitätsverhältnis e Werte im Bereich von 0 < e < 1 annehmen kann. Wenn e = 0 ist, bedeutet dies, daß der Mittelpunkt der Ankenwelle mit dem Mittelpunkt des Lagers übereinstimmt. Wenn darüber hinaus € = 1 ist, bedeutet dies, daß eine äußere Mantel-40 fläche der Ankerwelle mit den Führungslageroberflächen der Führungslagerabschnitte (Führungsmetalle) in Berührung steht. Eine Gesamtkonfiguration der Führungslagereinrichtung entspricht jener, wie sie in Fig. 2 und 3 dargestellt ist.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Druckbeaufschlagungskoeffizient m, bei dem die Lastkapazität 45 WG am größten ist, im Bereich von 0,96 bis 0,99 liegt, wenngleich dies abhängig vom Exzentrizitätsverhältnis e geringfügig davon abweichen kann. Insbesondere dann, wenn das Exzentrizitätsverhältnis e groß ist, da die Lastkapazität WG in jenem Bereich, in welchem der Druckbeaufschlagungskoeffizient den Wert 0,99 übersteigt, stark zunimmt, ist die Verwendung der Führungslagereinrichtung in diesem Bereich nicht empfehlenswert. 50

Daher ist es in der Führungslagereinrichtung des Zentralstützsystems möglich, die in der Führungslagereinrichtung inherent vorhandene Lastkapazität durch Einstellung des Druckbeaufschlagungskoeffizienten m auf einen Wert zwischen 0,96 und 0,99 größtmöglich zu erweitern. Das heißt, daß es möglich ist, eine ausreichende Lastkapazität sicherzustellen, einen geeigne-55 ten Flüssigkeitsschmierungszustand beizubehalten und die Zuverlässigkeit zu verbessern.

Claims (1)

1. 6 AT 414 161 B Patentanspruch: Führungslagereinrichtung, welche aufweist: zahlreiche Führungslagerabschnitte (5), mit Führungslageroberflächen (5a), die einer äußeren 5 Mantelfläche (1b) einer Ankerwelle (1) über Spalte (C) zwischen der äußeren Mantelfläche (1b) und den Führungslageroberflächen (5a) gegenüberliegen und welche um die Ankerwelle herum in Umfangsrichtung der Ankenwelle voneinander beabstandet angeordnet sind; zahlreiche Stützvorrichtungen (4) zum Stützen der schwenkbaren Führungslagerabschnitte (5) in deren Zentren; und io Schmierflüssigkeit, die zwischen die äußere Mantelfläche (1b) und die Führungslageroberflächen (5a) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckbeaufschlagungskoeffizient m, welcher als m=1-{C/(Rb-Rj)} definiert ist, wobei Rj einen äußeren Radius der Ankenwelle (1) und Rb einen Arbeitsradius der Führungslageroberfläche (5a) bedeutet, auf einen Wert zwischen 0,96 und 15 0,99 eingestellt ist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 20 25 30 35 40 45 50 55