CH626959A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Axial-Drucklager für eine Maschine mit vertikaler Welle, die mit einem Tragring versehen ist und durch das Axial-Drucklager an der axialen Verschiebung gehindert wird, mit einer Mehrzahl von um die Welle herum verteilt angeordneten Drucksegmenten.

Derartige Axial-Drucklager mit kippbaren Drucksegmenten werden in der Regel für hohe Lasten verwendet, wobei ein an der Welle befestigter Tragring auf einer Mehrzahl von kippbaren Drucksegmenten aufliegt, die sich durch eine Abstützung hinter der Mitte in Bewegungsrichtung schräg stellen und dadurch zwischen dem Tragring und den Drucksegmenten eine keilförmige Schmierschicht entstehen lassen. Wenn eine Welle auf einem solchen Axial-Drucklager gelagert ist, bei dem die einzelnen Drucksegmente in Bewegungsrichtung hinter der Mitte unterstützt sind, ergibt sich eine hydrodynamisch korrekte Schmierung nur in einer Drehrichtung. Wenn die Welle in beiden Richtungen drehbar sein soll, wie z.B. für Pumpspeichergeneratoren, sind Alternativlösungen anstelle der kippbaren Segmente für das Axial-Drucklager erforderlich.

Eine Lösung hierfür ist bekannt (US-PS 3 784 266), bei der die Lagersegmente mit Rillen versehen sind, durch welche Schmierflüssigkeit unter Druck zugeführt werden kann, um eine Kippstellung der Drucksegmente herbeizuführen, welche zentrisch unterstützt sind. Bei einer anderen bekannten Version (US-PS 3 398 996) sind zentrisch unterstützte kippbare Drucksegmente mit zwei Servomechanismen verbunden, um die Kippstellung in der jeweiligen Drehrichtung der Welle herbeizuführen. Bei beiden Ausführungsformen sind zusätzliche Schmiersysteme und Betätigungsmechanismen erforderlich. Ausserdem haben derartige Servomechanismen zur Schrägstellung eine verhältnismässig kurze Lebensdauer, womit auch die Wartungsabstände bzw. die Zeitabstände zwischen Reparaturen wesentlich verkürzt werden. Grundsätzlich sind derartige kippbare Drucksegmente für Axial-Drucklager bei Maschinen mit wechselnden Drehrichtungen wünschenswert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Massnahmen zu schaffen, um bei einem axialen Drucklager die hydrodynamischen Verhältnisse derart zu beeinflussen, dass die Drucksegmente eine wesentlich längere Lebensdauer haben und eine erhöhte Belastung aufnehmen können, wobei die in dem Drucklager abgestützte Welle für einen Betrieb mit entgegengesetzten Drehrichtungen geeignet ist.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe geht aus dem Patentanspruch 1 hervor.

Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.

In vorteilhafter Weise wird durch die Massnahmen der Erfindung eine zylindrisch gewölbte Verformung der Gleitfläche der Drucksegmente unter Betriebslast bewirkt, was für einen Betrieb der im Axiallager abgestützten Welle in beiden Drehrichtungen besonders vorteilhaft ist. Die Achse der zylindrisch gewölbten Oberfläche erstreckt sich radial zur Maschinenwelle. Durch diese Verformung der Gleitfläche wird erreicht, dass solche Drucksegmente starren Drucksegmenten mitplanen Gleitflächen überlegen sind. Die Verbiegungs-fähigkeit der Drucksegmente ändert sich in radialer Richtung bezogen auf die Welle der Maschine und ist längs Umfangs-bereichen mit gleichem Radius im wesentlichen konstant. Die sich in radialer Richtung ändernde Deformation der Drucksegmente ist derart, dass eine gleichförmige Verbiegung längs der radialen Mittellinie der Segmente resultiert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass keine zusätzlichen Mechanismen benötigt werden, um eine hydrodynamisch einwandfreie Abstützung der aufeinander gleitenden Lagerelemente für in beiden Drehrichtungen umlaufende Wellen zu schaffen. Vielmehr werden durch die Massnahmen der Erfindung einfache Mittel zur Verfügung gestellt, die den Aufbau eines Schmierschicht während des Betriebs unabhängig von der Drehrichtung der Welle sicherstellen.

Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Axial-Drucklager im Vertikalschnitt;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die die Welle umgebenden Drucksegmente;

Fig. 3 die Verteilung der Partial-Betriebslasten auf ein zentrisch unterstütztes Drucksegment in schematischer Darstellung mit einer Ansicht auf den Aussenrand des Drucksegmentes;

Fig. 4 die Verteilung der Partial-Betriebslasten an einem Drucksegment in schematischer Darstellung bezogen auf dessen radiale Erstreckung;

Fig. 5A und 5B eine schematische Darstellung der hydrodynamischen Idealstellung eines kippbaren Drucksegmentes mit einer der Drehrichtung der Welle zugeordneten ausser-mittigen Unterstützung;

Fig. 6A eine partielle Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 6B eine Umfangsansicht der Ausführungsform gemäss Fig. 6A;

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Fig. 7 A eine partielle Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 7B eine Umfangsansicht der Ausführungsform gemäss Fig. 7A;

Fig. 7C eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Ausführungsform gemäss den Fig. 7A und 7B ;

Fig. 8A eine partielle Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 8B eine Umfangsansicht der Ausführungsform gemäss Fig. 8A;

Fig. 9 A eine partielle Seitenansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung sind

Fig. 9B eine Umfangsansicht der Ausführungsform gemäss Fig. 9A; und

Fig. 10A und 10B eine Seitenansicht sowie eine Umfangsansicht auf die Drucksegmente der Ausführungsform gemäss Fig. 8 A und 8B, wobei das Drucksegment im belasteten Zustand masstäblich übertrieben gekrümmt dargestellt ist.

In Fig. 1 ist eine vertikal stehende Welle 20 dargestellt, die am oberen Ende mit einem Tragring 22 versehen ist, der seinerseits eine Läuferscheibe 24 trägt, die mit der Welle umläuft. Um die Welle 20 herum sind eine Mehrzahl von Drucksegmenten 26 angeordnet, deren Oberseite bzw. deren Gleitfläche an der Unterseite der Läuferscheibe 24 im Stillstand der Maschine anliegen. Wenn keine Läuferscheibe 24 vorgesehen wäre, würden die Drucksegmente 26 im Ruhezustand direkt am Tragring 22 anliegen. Wenn sich die Welle 20 dreht, werden die Drucksegmente 26 durch eine dünne Schmiermittelschicht von der Läuferscheibe 24 abgehoben. Jedes der Drucksegmente 26 ist auf einer schematisch dargestellten Stützanordnung 28 gehaltert, die ihrerseits wieder auf einem Stützzapfen bzw. einem Stützglied 30 aufliegt. Dieses Stützglied 30 ist am Maschinengehäuse 32 befestigt. Der in Fig. 1 dargestellte Aufbau ist typisch für ein Axial-Drucklager mit Drucksegmenten.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf acht Drucksegmente 26 gezeigt, die um die Welle 20 herum angeordnet sind. Jedes Drucksegment hat einen Innenrand 34, der benachbart zur Welle 20 liegt, sowie einen Aussenrand 36 und seitliche Längskanten 38. Die einzelnen Drucksegmente 26 sind durch schmale Zwischenräume parallel zu den Längskanten 38 voneinander getrennt.

In Fig. 3 ist die Öldruckverteilung 40 an einem zentrisch unterstützten Drucksegment 26 in einer Ansicht auf den Aussenrand 36 dargestellt. Diese Druckverteilung verläuft etwa parabolisch symmetrisch zur radialen Mittellinie 42 des Drucksegmentes 26. In Fig. 4 ist die Druckverteilung 44 dargestellt, die sich längs der radial verlaufenden Mittellinie 42 unter Lastbedingungen im Betrieb einstellt. Der Druck nimmt grundsätzlich von dem Innenrand 34 ausgehend in radialer Richtung zu und erreicht ein etwa zentrales Maximum, um zum Aussenrand 36 hin wieder abzufallen.

In den Fig. 5A und 5B sind die hydrodynamischen Verhältnisse angedeutet, wie sie sich im Optimalzustand bei einem kippbar aussermittig abgestützten Drucksegment 26 einstellen, wobei die Läuferscheibe 24 bei den beiden Darstellungen entgegengesetzte Drehrichtung hat. Es ist leicht einzusehen, dass ein Drucksegment, welches in Bewegungsrichtung der Läuferscheibe 24 eine zylindrisch gewölbte Form besitzt, unter Lastverhältnissen ein wesentlich günstigeres Betriebsverhalten zeigt, als dies bei ebenen Drucksegmenten mit einer ausser-mittigen Unterstützung gemäss den Fig. 5A und 5B möglich ist.

Die Drucksegmente 26A gemäss den Fig. 6A und 6B nehmen unter Last, betrachtet vom äussern Lagerrand 36A her einen zylindrisch gewölbten Oberflächenverlauf an. Das Drucksegment 26A, in Fig. 6B unbelastet und somit eben gezeigt, ist mit einem Steg 46A versehen, der sich vom Lagerinnenrand 34A bis zum Aussenrand 36A erstreckt. Dieser Steg 46A ist auf die radiale Mittellinie des Drucksegmentes 26A ausgerichtet und liegt über Stiften 50A auf einem elastischen Auflageträger 48A auf. Der Steg 46A, die Stifte bzw. Zapfen 50A und der Auflageträger 48A sind mit der in Fig. 1 schematisch gezeigten Stützanordnung 28 identisch. Gleiches gilt auch für entsprechende Teile in den Fig. 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B und 10A, 10B.

Die Stifte 50A besitzen in Seitenansicht unterschiedliche Abmessungen, haben aber alle gleiche Breite und gleiche Länge. Bei Verwendung von Stiften 50A mit unterschiedlichem Querschnitt kann bei Belastung der Drucksegmente 26A der Steg 46A in Längsrichtung gleichmässig eben gehalten werden. Durch Verändern der Dicke d der Drucksegmente 26A in radialer Richtung kann dafür gesorgt werden, dass die Oberfläche bzw. Gleitfläche 52A eine in Lagerumfangsrichtung zylindrisch gewölbte Form annimmt, wobei sich die Zylinderachse in radialer Richtung des Drucksegmentes 26A erstreckt.

In den Fig. 7A und 7B ist eine zweite Ausführungsform eines Drucksegmentes 26B dargestellt, das über Zapfen 50B auf einem Auflageträger 48B abgestützt ist. Die Dicke dieses Drucksegmentes 26B ändert sich im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäss Fig. 6A und 6B nicht kontinuierlich, sondern stufenweise, wobei das Drucksegment in radialer Richtung gesehen vom Innenrand ausgehend zunächst dicker wird und nach dem Erreichen einer maximalen Dicke wieder abnimmt. Die Zapfen 50B sind bei der dargestellten Ausführungsform unterschiedlich lang und wirken mit dem Auflageträger 48B so zusammen, dass der Steg 46B und das Drucksegment 26B in radialer Richtung unter Betriebslast gleichmässig gerade bleibt.

In Fig. 8A und 8B ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einem Drucksegment 26C dargestellt, das auf einem Auflageträger 48C über Stifte 50C mit unterschiedlichem Durchmesser abgestützt ist. Durch die unterschiedlichen Durchmesser der Stifte 50C kann die Elastizität der Druck-segment-Auflageträger-Kombination in radialer Richtung variiert werden, um einen gleichmässig geraden Verlauf des Drucksegmentes 26C unter Lastbedingungen möglich zu machen. Das Ändern der Dicke des Drucksegmentes 26C in radialer Erstreckung, wobei dasselbe kontinuierlich dicker und dann wieder dünner wird, dient dazu, dass die Gleitfläche 52C einen nahezu perfekten zylindrisch gewölbten Verlauf annimmt, wenn die Betriebslast einwirkt, wobei sich die Zylinderachse in radialer Richtung erstreckt.

In den Fig. 10A und 10B ist eine fünfte Ausführungsform der Drucksegment-Auflageträger-Kombination in Seitenansicht und in Umfangsansicht dargestellt, wobei das Drucksegment 26C mit seinem Steg 46C über Zapfen 50C auf einem Auflageträger 48C abgestützt ist. Diese Ausführungsform entspricht der Ausführungsform gemäss Fig. 8A und 8B, jedoch unter der Annahme, dass das Drucksegment unter Lastbedingungen steht. Die Verformung der Gleitfläche 52C ist aus der Abbildung gemäss Fig. 10B überproportional dargestellt entnehmbar.

Es sind auch noch weitere Möglichkeiten gegeben, um die gewünschte Elastizität des Drucksegmentes mit der gewünschten Verformung zu erreichen, indem insbesondere die Querschnittsverhältnisse und die Längenverhältnisse der Zapfen 50 verändert werden. Dadurch lässt sich die Verformung unter Lastbedingungen allen gewünschten Bedingungen anpassen. Der Steg 46 ist nicht immer erforderlich, jedoch ist er in der Regel von Vorteil, um die Steifigkeit des Drucksegmentes längs der Mittellinie 42 zu erhöhen. Beim Fehlen eines solchen Ausgleichssteges ist die Herstellung der Drucksegmente 26 einfacher. Ein solches Drucksegment 26D ist in den Fig. 9A und 9B dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung erstrecken sich

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die Zapfen 50D von dem Auflageträger 48D bis an die gewölbte Oberfläche auf der Unterseite des Drucksegmentes 26D.

Unter den Lastbedingungen verursachen der hydrodynamische Druck, die thermischen Effekte und andere Kräfte eine Verformung der Drucksegmente. Indem man dafür sorgt, dass diese Verformung eine zylindrisch gewölbte Gleitfläche 52 schafft, ist es möglich, Drucksegmente eines Axial-Drucklagers unter korrekten hydrodynamischen Verhältnissen bei Drehung der Welle in beiden Richtungen zu belasten. Durch die Massnahmen der Erfindung wird erreicht, dass derartige mit den Drucksegmenten gemäss der Erfindung ausgestattete Axial-s Drucklager in der Lage sind, höhere Betriebslasten aufzunehmen als dies bei entsprechenden Axial-Drucklagern mit aus-sermittiger Stützung der kippbaren Drucksegmente der Fall ist.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

626959 PATENTANSPRÜCHE

1. Axial-Drucklager für eine Maschine mit vertikaler Welle (20), die mit einem Tragring (22) versehen ist und durch das Axial-Drucklager an der axialen Verschiebung gehindert wird, mit einer Mehrzahl von um die Welle herum verteilt angeordneten Drucksegmenten (26), dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (52A, 52B, 52C, 52D) jedes Drucksegmentes (26) unter Belastung in eine im wesentlichen zylindrisch gewölbte Form deformierbar ist, deren Zylinderachse sich in radialer Richtung erstreckt; dass jedem Drucksegment (26)

in radialer Richtung sich erstreckende elastische Abstützmittel (28; 46A; 46B; 46C; 50A; 50B; 50C; 50D) zugeordnet sind, wobei diese Abstützmittel relativ zur Breite des Drucksegmentes (26) in Umfangsrichtung des Lagers schmal sind und zusammen mit dem Drucksegment (26) eine in radialer Richtung derart variable elastische Verformbarkeit aufweisen, dass das belastete Drucksegment längs der radialen Mittellinie (42) im wesentlichen gleichmässig gerade bleibt, und dass jedem Segment (26) ein stationäres Stützglied (30) zugeordnet ist, welches für die Abstützmittel und das Drucksegment eine feste Auflage bildet.

2. Axial-Drucklager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Verformbarkeit sowohl vom Innenrand (34) des Segmentes radial auswärts als auch vom Aussen-rand (36) des Segmentes radial nach innen abnimmt, wobei die maximale Steifigkeit in einem Mittelbereich vorhanden ist, in dem die grösste Lagerlast auftritt.

3. Axial-Drucklager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die elastische Verformbarkeit stufenförmig (Fig. 7A) oder kontinuierlich (Fig. 6A, 8A, 9A, 10A) in radialer Richtung ändert.

4. Axial-Drucklager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Drucksegmentes beidseits der Abstützmittel und längs einer Umfangslinie im wesentlichen gleich ist, um eine praktisch konstante Oberflächenkrümmung zu erzielen.