Wärmeschutz eines Lagers Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Wärmeschutz eines Lagers, vorwiegend eines Gasla gers, einer Turbomaschine mit Hohlwelle, deren heisses Laufrad nahe an das Lager herangerückt ist.
Bei Turbomaschinen, deren Laufräder während des Betriebes einer hohen Temperatur ausgesetzt sind, ist es wichtig, die Lager vor ungleichmässiger Wärme einwirkung zu schützen, vor allem dann, wenn ein Laufrad nahe an ein Lager herangerückt ist. Stahl als der gebräuchliche Werkstoff für Wellen hat keine genügend grosse Wärmeleitfähigkeit, um eine ausrei chend rasche Verteilung der auf einer Seite in die Welle einfliessenden Wärme zu gewährleisten. Bis zum Wellenende ergibt sich somit ein beträchtliches Tem peraturgefälle, das unterschiedliche Wärmedehnun gen der Welle bewirkt, die schon innerhalb der Lager breite so gross werden können, dass sie Anlass zu Havarien geben.
Diese Gefahr ist bei Gaslagern be sonders gross, weil sie grosse Breite und ein Lager spiel von nur wenigen Tausendstel Millimeter haben. Die bekannte Gaskühlung einer Hohlwelle durch Eigenventilation bringt im vorliegenden Falle wegen der starken einseitigen Erwärmung keine Abhilfe.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird erfin dungsgemäss ein Wärmeverteil- und Kühlkörper ver wendet, der in die Hohlwelle gut anliegend einge setzt ist und sich angenähert über die Lagerbreite erstreckt.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Fig. <B>1</B> zeigt ein Schema der Laufradlagerung mit dem Kühlgas-Kreislauf dazu; Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen Teil der An lage nach Fig. <B>1;</B> die Fig. <B>3,</B> 4 und<B>5</B> sind<B>je</B> ein Radialschnitt durch mehrere Ausführungsformen eines erfindungsgemässen Einzelteiles. In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Hinweiszahlen ver sehen.
Fig. <B>1</B> zeigt das fliegend angeordnete Laufrad<B>1</B> eines Verdichters zur Förderung heissen Gases, das von einer Hohlwelle 2 getragen wird, die in den Lagern<B>3,</B> 4 gelagert ist. Zum Schutze der Anlage, hauptsächlich des Lagers<B>3</B> vor zu hoher Tempera tur, ist ein Kühlkreislauf<B>5</B> vorgesehen, bei welchem das Kühlgas am äusseren Ende der Hohlwelle 2 ein tritt und zwischen Laufrad<B>1</B> und Lager<B>3,</B> die aus konstruktiven Gründen nahe aneinander herange rückt sind, wieder austritt. Für den Kühlkreislauf ist kein Gebläse nötig, da die Hohlwelle das Kühlgas selbsttätig ansaugt und wieder nach aussen fördert. Die so entstehende Druckdifferenz genügt, um die Leitungswiderstände im wasserdurchströmten Gas kühler<B>6</B> zu überwinden.
Nach Fig. 2 ist das Laufrad<B>1</B> mit Schrauben <B>7</B> an der Hohlwelle 2 befestigt. An der Stossstelle tritt die Wärme vom heissen Laufrad in die Hohl welle über und breitet sich nach rechts aus. Da sie nicht genügend rasch abgeführt oder verteilt werden kann, würde sich ein Wärmestau ergeben, der nun durch einen Wärmeverteil- und Kühlkörper<B>8</B> ver hindert wird. Er besteht in der einfachsten Ausfüh rung aus einem Hohlzylinder (Fig. <B>3),</B> der in die Hohlwelle 2 eingepasst ist und sich angenähert über die Breite des Lagers<B>3</B> erstreckt.
Wenn es die Kon struktion zulässt, wird man ihn noch möglichst weit nach links über das Lager vorziehen (Fig. 2). Auf diese Weise kommt er mit dem heissesten Teil der Hohlwelle in Berührung, die in dieselbe einfliessende Wärme wird rasch abgeleitet und über den Wärme- verteil- und Kühlkörper gleichmässig verteilt, weil er aus einem Werkstoff bester Wärmeleitfähigkeit besteht.
Wegen der raschen und gleichmässigen Wärme verteilung über den Kühlkörper<B>8</B> und wegen seiner thermischen Eigenschaften ist seine Kühlung, gleiche Bedingungen vorausgesetzt, wirksamer als die be kannte Kühlung derHohlwelle. Wie schon bei Fig. <B>1</B> beschrieben, saugt die Hohlwelle 2 das Kühlgas selbsttätig an. Dieses durchströmt den Kühlkörper, wobei es ihm Wärme entzieht, und wird durch die Kanäle<B>9</B> wie bei einem Radialverdichter nach aussen gefördert, wo es gesammelt und dem Kühler<B>6</B> zur Rückkühlung zugeführt wird. Zur Verkleinerung der Strömungswiderstände ist es vorteilhaft, die in neren Kanten des Kühlkörpers mit einer Abrundung <B>10</B> zu versehen.
Selbstverständlich muss er auch gegen axiale Verschiebung gesichert sein.
Zweckmässigerweise sind die Kanäle<B>9</B> als Aus- nehmungen an der Stirnseite der Hohlwelle aus geführt, wodurch deren Auflagefläche am heissen Laufrad wesentlich verkleinert wird. Die Kanäle wir ken als Wärmedrossel, und die in die Hohlwelle einströmende Wärmemenge wird somit verringert. Zur weiteren Wärmedämmung kann auch eine Iso lierschicht zwischen Laufrad und Hohlwelle vor gesehen werden. Da eine Kühlung des Laufrades durch das vorbeiströmende Kühlgas unerwünscht ist, wird es innerhalb der Hohlwelle mit einer Isolierung <B>11</B> abgedeckt.
Um die Kühlfläche und damit die Wirkung des Wärmeverteil- und Kühlkörpers<B>8</B> zu erhöhen, kön nen an seiner Innenseite Kühlrippen 12 angebracht werden (Fig. 4), die entweder achsparallel oder spira lig verlaufen.
Der Wärmeverteil- und Kühlkörper besteht aus einem gegenüber Stahl hochwärmeleitfähigen Werk stoff, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer oder Silber. Diese Werkstoffe haben einen höheren Wär- meausdehnungskoeffizienten als Stahl. Der Kühl körper wird sich daher stärker ausdehnen als die Hohl welle, die ihn wie ein Schrumpfring umgibt und da durch Spannungen in ihr verursachen. Es wäre nun möglich, zwischen Kühlkörper und Hohlwelle ein be stimmtes Durchmesserspiel vorzusehen, das sich dann bei der Erwärmung ausgleicht, doch erforderte dies eine sehr genaue Bearbeitung beider Stücke, was die Herstellungskosten erhöhen würde.
Ausserdem wäre beim Anlaufen, wenn der Kühlkörper nur we nig an der Hohlwelle anliegt, die Wärmeablei tung und-verteilung schlecht, so dass das Lager ge fährdet wäre.
Zur Beseitigung dieser Mängel wird ein radialer Schlitz<B>13</B> im Kühlkörper<B>8</B> angebracht, der über dessen ganze Länge reicht und entweder achsparallel verläuft oder sich dem Lauf der Kühlrippen anpasst. Der sonst starre Kühlkörper wird dadurch in radia ler Richtung nachgiebig und elastisch. Er kann nun gut passend oder mit einem kleinen übermass des Durchmessers hergestellt und durch Zusammendrük- ken federnd in die Hohlwelle eingesetzt werden.
Dadurch liegt er schon beim Anlaufen der Ma- schine gut wärmeleitend an der Hohlwelle an und wird während des Betriebes unter der Einwirkung der Fliehkraft noch fester angepresst. Unterschied liche Wärmedehnungen verursachen keine Spannun gen mehr in der Hohlwelle, da sie vom Schlitz<B>13</B> ausgeglichen werden. Da das Durchmessermass nicht genau eingehalten werden muss, kann mit weiten To leranzen gearbeitet werden, was sich bei den Her stellungskosten verbilligend auswirkt.
Eine Weiterentwicklung des Wärmeverteil- und Kühlkörpers zeigt Fig. <B>5.</B> Es ist nicht nur ein einziger Schlitz<B>13</B> vorhanden, sondern mehrere Schlitze 14, die an ddr Aussenseite des Kühl körpers<B>8</B> beginnen, über dessen ganze Länge sich erstrecken, radial verlaufen und in die Kühlrippen 12 hineinreichen.
Diese Ausführung hat den Vor teil, dass sie elastischer ist als jene nach Fig. 4, weil der Kühlkörper durch die grössere Anzahl Schlitze in einzelne Abschnitte<B>15</B> unterteilt ist, die eine ge wisse Bewegungsfreiheit gegeneinander haben und sich dadurch während des Betriebes besser und ver- lässlicher an die Hohlwelle anlegen. Auch ist dieser Kühlkörper leichter zusammendrückbar, was für die Montage günstig ist.
Thermal protection of a bearing The invention relates to a device for thermal protection of a bearing, predominantly a Gasla gers, a turbo machine with a hollow shaft, the hot impeller of which has moved close to the bearing.
In the case of turbomachinery, the impellers of which are exposed to high temperatures during operation, it is important to protect the bearings from uneven heat effects, especially when an impeller has moved close to a bearing. Steel as the common material for shafts does not have a sufficiently high thermal conductivity to ensure a sufficiently rapid distribution of the heat flowing into the shaft on one side. Up to the end of the shaft there is therefore a considerable temperature gradient, which causes different heat expansions of the shaft, which can become so large within the bearing width that they give rise to accidents.
This risk is particularly great with gas bearings because they have a large width and a bearing clearance of only a few thousandths of a millimeter. The known gas cooling of a hollow shaft by self-ventilation does not provide any remedy in the present case because of the strong one-sided heating.
To avoid these disadvantages, a heat distribution and cooling body is used according to the invention, which is inserted well into the hollow shaft and extends approximately over the width of the bearing.
The subject matter of the invention is shown in the drawing, for example. Fig. 1 shows a diagram of the impeller bearing with the cooling gas circuit; FIG. 2 shows an axial section through part of the system according to FIG. 1; FIGS. 3, 4 and 5 are each A radial section through several embodiments of an individual part according to the invention. In all figures, the same parts are seen with the same reference numbers ver.
Fig. 1 shows the overhung impeller <B> 1 </B> of a compressor for conveying hot gas, which is carried by a hollow shaft 2, which is in the bearings <B> 3, </ B > 4 is stored. To protect the system, mainly the bearing <B> 3 </B> from excessively high temperatures, a cooling circuit <B> 5 </B> is provided, in which the cooling gas enters the outer end of the hollow shaft 2 and between the impeller <B> 1 </B> and bearing <B> 3 </B>, which are moved closer to each other for structural reasons, emerges again. No fan is required for the cooling circuit, as the hollow shaft automatically sucks in the cooling gas and delivers it to the outside again. The resulting pressure difference is sufficient to overcome the line resistance in the gas cooler <B> 6 </B> through which water flows.
According to FIG. 2, the impeller <B> 1 </B> is fastened to the hollow shaft 2 with screws <B> 7 </B>. At the point of contact, the heat from the hot impeller passes into the hollow shaft and spreads to the right. Since it cannot be dissipated or distributed sufficiently quickly, a build-up of heat would result, which is now prevented by a heat distribution and cooling body <B> 8 </B>. In the simplest version, it consists of a hollow cylinder (Fig. 3) which is fitted into the hollow shaft 2 and extends approximately over the width of the bearing 3.
If the construction allows, you will prefer it as far as possible to the left over the camp (Fig. 2). In this way, it comes into contact with the hottest part of the hollow shaft, the heat flowing into it is quickly dissipated and evenly distributed over the heat distribution and cooling body because it is made of a material with excellent thermal conductivity.
Because of the rapid and even distribution of heat over the heat sink <B> 8 </B> and because of its thermal properties, its cooling, assuming the same conditions, is more effective than the known cooling of the hollow shaft. As already described in connection with FIG. 1, the hollow shaft 2 automatically sucks in the cooling gas. This flows through the heat sink, removing heat from it, and is conveyed to the outside through the channels 9, like a centrifugal compressor, where it is collected and fed to the cooler 6 for recooling . To reduce the flow resistance, it is advantageous to provide the inner edges of the heat sink with a rounding <B> 10 </B>.
Of course, it must also be secured against axial displacement.
The channels 9 are expediently designed as recesses on the end face of the hollow shaft, as a result of which its contact surface on the hot impeller is significantly reduced. The channels act as a heat throttle, and the amount of heat flowing into the hollow shaft is thus reduced. For further thermal insulation, an insulating layer can also be seen between the impeller and the hollow shaft. Since cooling of the impeller by the cooling gas flowing past is undesirable, it is covered with insulation <B> 11 </B> inside the hollow shaft.
In order to increase the cooling surface and thus the effect of the heat distribution and cooling body <B> 8 </B>, cooling fins 12 can be attached to its inside (FIG. 4), which run either axially parallel or in a spiral.
The heat distribution and cooling body consists of a material that is highly thermally conductive compared to steel, for example aluminum, copper or silver. These materials have a higher coefficient of thermal expansion than steel. The cooling body will therefore expand more than the hollow shaft, which surrounds it like a shrink ring, causing tension in it. It would now be possible to provide a certain diameter play between the heat sink and the hollow shaft, which then compensates for the heating, but this required a very precise machining of both pieces, which would increase the manufacturing costs.
In addition, when starting up, if the heat sink is only in contact with the hollow shaft, the heat dissipation and distribution would be poor, so that the bearing would be endangered.
To eliminate these deficiencies, a radial slot <B> 13 </B> is made in the heat sink <B> 8 </B>, which extends over its entire length and either runs parallel to the axis or adapts to the course of the cooling fins. The otherwise rigid heat sink is flexible and elastic in the radial direction. It can now be made to fit well or with a small oversize of the diameter and be inserted resiliently into the hollow shaft by compressing it.
As a result, it already lies on the hollow shaft with good thermal conductivity when the machine starts up and is pressed on even more tightly during operation under the effect of centrifugal force. Different thermal expansions no longer cause stresses in the hollow shaft, as they are compensated by the slot <B> 13 </B>. Since the diameter does not have to be precisely adhered to, wide tolerances can be used, which has a lowering effect on manufacturing costs.
A further development of the heat distribution and cooling body is shown in FIG. 5. There is not just a single slot 13, but several slots 14 which are located on the outside of the cooling body > 8 </B> begin, extend over its entire length, run radially and reach into the cooling fins 12.
This embodiment has the advantage that it is more elastic than that of FIG. 4, because the heat sink is divided by the larger number of slots into individual sections <B> 15 </B>, which have a certain freedom of movement against each other and thereby Apply better and more reliably to the hollow shaft during operation. This heat sink is also easier to compress, which is beneficial for assembly.