CH683451A5 - Antriebseinheit mit einer Niedrigdrehzahl-Antriebswelle und einer Hochdrehzahlwelle. - Google Patents

Description

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CH 683 451 A5

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Beschreibung

Die im Betrieb mit hohen Drehzahlen laufenden Laufräder von Zentrifugalkompressoren werden oft von relativ langsam drehenden Elektromotoren angetrieben, mit denen sie über ein Getriebe verbunden sind, das eine Anzahl Zahnräder und zugehörige Wellen enthält. Die gegenseitige Anordnung und Ausrichtung der Zahnräder und Wellen sowie der Traglager für dieselben sollte im Interesse einer hohen Zuverlässigkeit möglichst genau eingehalten werden. Insbesondere sollten parallele Zahnradwellen möglichst genau ausgerichtet gehalten werden, um einen vorzeitigen Verschleiss der miteinander kämmenden Zahnradzähne und der Traglager zu vermeiden. Wenn die Wellen im Betrieb nicht genau ausgerichtet sind, konzentriert sich die Belastung der Zahnräder auf ein Ende der Zähne, statt sich gleichmässig auf die ganze Breite des Zahnrades zu verteilen, so dass das Zahnrad schliesslich versagen kann. Ähnlich haben solche Fehlausrichtungen in den Lagern zur Folge, dass sich die Belastung in ein kleines Gebiet des Lagers verschiebt, statt sich über die ganze Fläche zu verteilen, wodurch eine Überbeanspruchung entsteht, die schliesslich zum Versagen führen kann. Dies gilt besonders auch bei Spurlagern.

In Kompressorantriebseinheiten, in denen der Motor freitragend am Getriebe angeordnet ist, ist die Gefahr der Fehlausrichtung der Welle beträchtlich erhöht, weil Exzentrizitäten in benachbarten Lagern in entgegengesetzten Richtungen auftreten. Ein anderer Faktor, der zum Fehlausrichtungsproblem mit beiträgt, ist die Tatsache, dass bei freitragend angeordnetem Motor die Lager nur einen kleinen Abstand voneinander haben, wenn die Maschine in erwünschter Weise kompakt sein soll. Der kleine Lagerabstand vergrössert natürlich bei einer gegebenen Grösse der Exzentrizität die Fehlausrichtung. Aus wirtschaftlichen Gründen ist jedoch der freitragend angeordnete Motor ansonsten vorteilhaft.

Üblicherweise werden für die Getriebewellen in Zentrifugalkompressoren zylindrische Traglager verwendet. Solche Lager müssen notwendigerweise ein relativ grosses Spiel aufweisen, damit sie befriedigend arbeiten. Wegen des grossen Spiels kann sich die Welle unter Belastung an eine Stelle grösserer Exzentrizität verschieben. Bei freitragend angeordnetem Motor können also Fehlausrichtungen leicht auftreten und die beschriebenen Probleme verursachen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einer Antriebseinheit der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art die Lagereinrichtung für die Niedrigdrehzahl-Antriebswelle derart auszubilden, dass z.B. in einem Zentrifugalkompressor, die Niedrigdrehzahl-Antriebswelle im Betrieb weitgehend parallel zur Hochdrehzahlwelle gehalten werden kann. Auch ein gegebenenfalls freitragend an der Niedrigdrehzahl-Antriebswelle angebrachter Rotor des Motors sollte keine übermässigen Fehlausrichtungen der Niedrigdrehzahl-An-triebswelle verursachen können. Dabei sollte die Antriebseinheit wirtschaftlich herstellbar und im Betrieb zuverlässig sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Zur Lösung eines mit den vorstehend geschilderten Problemen in keinem Zusammenhang stehenden anderen Problems, bei dem die Rotordynamik eine Rolle spielt, ist schon eine Lagerkonstruktion mit mehreren Lagerflächen, kurz ein mehrflächiges Lager, vorgeschlagen worden, um übermässige seitliche Wellenvibrationen zu verhindern, die bei wenig belasteten, mit hohen Drehzahlen drehenden Wellen auftreten können. Die hauptsächliche vorteilhafte Eigenschaft eines mehrflächigen Lagers in einer solchen Anwendung ist, dass die «Steifigkeit» des Lagers in radialer Richtung erhöht ist. Solche Lager wurden jedoch für die Lagerung von relativ langsam drehenden Wellen, d.h. für Drehzahlen unter etwa 4000 U/min, bisher nicht in Betracht gezogen, da die Eigenschaft der erhöhten «Steifigkeit» hier nicht erforderlich ist und die zusätzlichen Kosten normalerweise nicht rechtfertigen würde. Zudem sind die mehrflächigen Lager relativ neu, ihre Verwendung zur Verringerung der Exzentrizität ist noch nie vorgeschlagen worden und lag für den Fachmann auch nicht nahe.

In der erfindungsgemässen Antriebseinheit hat die besondere innere Geometrie der mehrere Lagerflächen aufweisenden Lager zur Folge, dass die Achse der Niedrigdrehzahl-Antriebswelle auch unter Belastung sehr nah bei der geometrischen Mitte der Lager gehalten werden kann, so dass Fehlausrichtungen der Welle weitgehend vermieden werden und die zur getriebenen Hochdrehzahlwelle parallele Lage der Niedrigdrehzahlwelie weitgehend erhalten bleibt. Dadurch wird die ungleichmässige Belastung der Zahnräder und der Lager beträchtlich verringert.

Anhand der Zeichnungen wird nachstehend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Zentrifugalkompressors, der eine erfindungsgemässe Antriebseinheit enthält,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zylindrischen Traglagers gemäss dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Lagers gemäss Fig. 2 in einem belasteten Zustand,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines dreiflächigen Lagers, wie es in der erfindungsgemässen Antriebseinheit verwendbar ist, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Lagers gemäss Fig. 4 in einem belasteten Zustand.

Die Fig. 1 zeigt eine Lagereinrichtung 10 in einem Kompressoraggregat 11 mit einem Elektromotor 12 am einen Ende und einem Zentrifugalkompressor 13 am anderen Ende. Der Kompressor 13 und der Motor 12 sind miteinander durch ein Getriebe 14 verbunden.

Der Motor 12 besitzt ein äusseres Gehäuse 16, auf dessen innerer Umfangsfläche eine Statorwicklung 17 angeordnet ist. Innerhalb der Statorwicklung 17 befindet sich ein Rotor 18, der mit einer

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Rotorwelle 19 drehbar ist. Die Rotorwelle 19 ist freitragend von dem Getriebe 14 getragen, wie im nachstehenden noch eingehender erläutert wird. Da der Rotor 18 an seinem freien Ende nicht abgestützt ist und weil der Rotor 18 bezüglich der Statorwicklung 17 zentriert gehalten werden sollte, ist es wichtig, die Positionierung und Abstützung des Rotors mit engen Toleranzen aufrecht zu erhalten. Diesem Zweck dient unter anderem die vorliegende Erfindung.

Das Getriebe 14 besitzt ein Getriebegehäuse 21 mit einem sich radial erstreckenden, ringförmigen Flansch 22, der mit einer Mehrzahl von Schrauben 24 zwischen dem Motorgehäuse 16 und dem Kompressorgehäuse 23 befestigt ist. Das Getriebegehäuse 21 ist also im äusseren Gehäuse des Aggregates 11 starr aufgehängt.

In dem Getriebegehäuse 21 ist eine Getriebewelle 28, die vorzugsweise als Verlängerung der Motorwelle 19 einstückig mit dieser ausgebildet ist, durch zwei im axialen Abstand voneinander angeordnete mehrflächige Lager 26 und 27 drehbar gelagert. Ein auf die Welle aufgeschrumpfter Bund 29 dient dazu, axiale Schubkräfte von der Welle 28 auf den Spurlagerteil des Lagers 26 zu übertragen. Das Ende der Welle 28 erstreckt sich aus dem Getriebegehäuse 21 heraus und trägt ein Antriebszahnrad 31, welches mittels einer Halteplatte 32 und einer Schraube 33 an der Welle befestigt ist. Das Antriebszahnrad 31 kämmt mit einem getriebenen Zahnrad 34, welches seinerseits eine Hochdrehzahlwelle 36 und damit direkt ein Kompressorlaufrad 37 antreibt. Typische Drehzahlen der Wellen sind etwa 3550 U/min für die Getriebewelle 28 und 16 000 U/min für die Hochdrehzahlwelle 36. Die Hochdrehzahlwelle 36 ist vorzugsweise in konventionellen Gleitlagern gelagert, von denen eines bei 39 dargestellt ist, während das andere in einem Gehäuse 40 beim anderen Ende der Welle 36 angeordnet ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass für die Welle 36 auch mehrflächige Lager verwendet werden könnten, wenn solche, bedingt durch den Niederlast-/Hochdrehzahlbetrieb, für eine gleichförmige Steifigkeit und Stabilität erforderlich sind. Für Ausrichtungszwecke sind jedoch keine mehrflächigen Lager erforderlich, da Exzentrizitäten der Hochdrehzahlwelle in beiden Lagern gleiche Richtung haben, so dass hier die Reduktion der radialen Verschiebung keinen Vorteil bringt.

Zu Vergleichszwecken sei nun zunächst ein Fall betrachtet, in welchem die Getriebewelle 28 in konventionellen zylindrischen Gleitlagern gelagert wäre. Die Beziehungen zwischen der Welle und einem solchen Lager sind in Fig. 2 für einen theoretischen, unbelasteten Zustand und in Fig. 3 für einen belasteten Zustand dargestellt. Im unbelasteten Zustand liegt die Welle koaxial zur zylindrischen Lagerfläche, wobei das radiale Spiel zwischen den beiden notwendigerweise relativ gross ist. Wenn das Lager nun belastet wird, zum Teil durch die vom freitragenden Motor auf die Welle 28 ausgeübten Kräfte, mehr noch aber durch die vom Antriebszahnrad ausgeübten Betriebskräfte, dann verschiebt sich die Welle aus der koaxialen Lage gegen den unteren Teil des Lagers, wie in Fig. 3 gezeigt.

Durch die Drehung der Welle 28 wird diese zusätzlich nach links verschoben, weil das Öl 41 kontinuierlich in den rechts liegenden hydrodynamischen Keil gezogen wird. Der Abstand zwischen der Wellenachse und der Achse des Lagers (d.h. die Exzentrizität) ist mit dem Mass «e» bezeichnet. Man sieht also, dass in diesem konventionellen Lager die Welle in einem beträchtlichen Ausmass verschoben werden muss, damit ein hydrodynamischer Keil entsteht und die entsprechenden Druckverteilung erhalten wird. Wenn die Welle in den beiden Lagern in entgegengesetzten Richtungen so stark verschoben wird, dann entsteht eine beträchtliche Winkelabweichung der Welle 28 von der zur getriebenen Hochdrehzahlwelle 36 parallelen Lage, wodurch eine ungleichmässige Abnützung der Zahnräder 31 und 34 verursacht wird.

Die erfindungsgemässe Verwendung eines mehrflächigen Lagers wird nachstehend anhand der Fig. 4 und 5 erläutert, in denen die Welle 28 in einem mehrflächigen Lager in unbelastetem Zustand (Fig. 4) und in einem belasteten Zustand (Fig. 5) dargestellt ist. Das dargestellte Lager ist ein dreiflächiges Lager; die Zahl der Flächen könnte jedoch auch auf zwei beschränkt sein oder über drei hinaus erhöht sein.

Aus Fig. 4 ist zu ersehen, dass das mehrflächige Lager nicht kreisrund ist, sondern sich aus drei Flächen 42, 43 und 44 zusammensetzt, welche um Achsen 46 bzw. 47 bzw. 48 gekrümmt sind. Zwischen den Lagerflächen und der kreisrunden Welle ist damit ein radiales Spiel vorhanden, das längs des Umfangs der Welle ändert. In der Mitte jeder der Lagerflächen, wo das Spiel zwischen der Welle 28 und der Lagerfläche minimal ist, ist das Spiel typischerweise etwa halb so gross wie das Spiel in einem konventionellen, zylindrischen Gleitlager. Da die hydrodynamischen Keile 49, 51 und 52 aus mitgeschlepptem Öl ihre Form durch die in das Lager eingearbeiteten Profile der Flächen 42, 43 und 44 erhalten, ist für die Erzeugung des hydrodynamischen Druckes keine Verschiebung der Welle wie beim konventionellen, zylindrischen Lager erforderlich. Zudem bewirken die durch diese Keile erzeugten Druckkräfte, wie durch Pfeile dargestellt, eine Zentrierung der Welle auch im unbelasteten Zustand. Um den Zustrom von Öl zu den Lagerflächen 42, 43 und 44 zu erleichtern, sind in üblicher Weise mehrere Kanäle 50, 60 und 70 vorgesehen, welche die Lagerflächen miteinander verbinden und durch erhöhtes Spiel zur Welle Platz für die Zufuhr von Öl zu den Keilen schaffen.

Wen eine Belastung aufgebracht wird, welche wegen der wie in Fig. 4 gezeigt auf die Welle wirkenden Kräfte eine Verschiebung der Welle im Lager zur Folge hat, dann sind diese Verschiebung und damit die Exzentrizität «e» nur minimal. Die auf die Welle wirkenden Kräfte sind dann wie in Fig. 5 dargestellt. Man sieht, dass nur eine kleine Verschiebung der Welle erforderlich ist, um die erhöhten Druckkräfte zu erzeugen, welche der aufgebrachten Belastung entgegenwirken. Die Verschiebung der Welle unter Belastung ist also auf ein Minimum beschränkt.

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Antriebseinheit mit einer Niedrigdrehzahl-An-triebswelle (28), welche von einem Motor (12) antreibbar ist, der an einem Ende der Welle (28) angebracht ist, und welche an ihrem anderen Ende ein Zahnrad (31) trägt, das mit einem Zahnrad (34) auf einer zur Niedrigdrehzahlwelle (28) parallelen Hochdrehzahlwelle (36) kämmt, und mit einer Lagereinrichtung für die Niedrigdrehzahl-Antriebswelle (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung zwei in axialem Abstand voneinander um die Niedrigdrehzahlwelle (28) herum angeordnete und diese tragende Lager (26, 27) enthält, welche als mehrflächige Lager ausgebildet sind, um die axiale Fehlausrichtung der Niedrigdrehzahlwelle (28) bezüglich ihrer zur Hochdrehzahlwelle (36) parallelen Lage auf ein Minimum zu beschränken.

2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (12) durch einen freitragend angeordneten Rotor (18) antriebsmässig mit der Niedrigdrehzahl-Antriebswelle (28) verbunden ist.

3. Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden in axialem Abstand voneinander angeordneten Lager (26, 27) je wenigstens zwei Lagerflächen aufweisen.

4. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden mehrflächigen Lager (27) benachbart zu dem von der Niedrigdrehzahl-Antriebswelle (28) getragenen Zahnrad (31) angeordnet ist und das andere mehrflächige Lager (26) benachtbart zum Motor (12) angeordnet ist.

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