DE102006026123B3

DE102006026123B3 - Verfahren zum Dämpfen von Bewegungen eines um eine Rotorachse rotierenden Rotors und Lager zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102006026123B3
Application number: DE102006026123A
Authority: DE
Inventors: Stefan Homann; Elmar Dr. Breitbach
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-06-03
Filing date: 2006-06-03
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2026-06-04

Abstract

Zum Dämpfen von Bewegungen eines um eine Rotorachse (2) rotierenden Rotors (3) radial zu der Rotorachse (2), wobei ein um die Rotorachse (2) herum verlaufender Ringspalt (9) mit einem viskosen Medium (10) gefüllt wird, wird das Medium (10) in dem Ringspalt (9) in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Betriebszustand des Rotors (3) mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Dämpfen von Bewegungen eines um eine Rotorachse rotierenden Rotors radial zu der Rotorachse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Lager für einen um eine Rotorachse rotierenden Rotor zur Durchführung dieses Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Patentanspruchs 5.
STAND DER TECHNIK
In vielen Bereichen des Maschinenbaus müssen rotierende Teile gelagert werden. Hierzu werden insbesondere Wälz- und Gleitlager verwendet. Im Betrieb durchlaufen die rotierenden Teile jedoch häufig Resonanzen, die zu unerwünschten Amplitudenerhöhungen von Bewegungen der rotierenden Teile radial zu ihrer Rotorachse führen können. Eine bekannte Möglichkeit, diese Amplitudenerhöhungen abzumindern, besteht in dem Einsatz von Dämpfern, wie beispielsweise Quetschöldämpfern, Blechpaketdämpfern, Drahtkissendämpfern und Lamellendämpfern. Diese Dämpfer müssen jedoch sehr sorgfältig ausgelegt werden, damit sie bei den auftretenden Resonanzen einen positiven Effekt zeigen und damit sie nicht bei anderen Betriebszuständen die Gesamteigenschaften des jeweiligen Systems verschlechtern. Deshalb sind bei der Auslegung derartiger Dämpfer häufig Kompromisse zu machen, die ihren Wirkungsgrad in nachteiliger Weise beschränken. Insbesondere können nicht alle auftretenden Resonanzen gleichermaßen gut abgedämpft werden.
Von den bekannten Lagern mit Dämpfer entspricht ein Lager mit einem Quetschöldämpfer dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruchs 5 und dient zur Durchführung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei einem beispielsweise aus der GB 1309826 bekannten Lager mit einem Quetschöldämpfer kommt eine äußere Lagerdämpfung eines als Wälz- oder Gleitlager ausgeführten Drehlagers zur Anwendung. Diese Lagerdämpfung baut auf einem um das Gleit- bzw. Wälzlager und damit um die Rotorachse herum verlaufenden Ringspalt auf, der mit einem viskosen Medium, in der Regel Öl, gefüllt ist. Bei Bewegungen des Rotors radial zu der Rotorachse nimmt dieser das Wälz- bzw. Gleitlager bis zu dem Ringspalt mit. In dem Ringspalt wird aufgrund der Bewegungen radial zu der Rotorachse das viskose Medium entsprechend der Richtung der Bewegung verdrängt und es entsteht durch die viskosen Eigenschaften des Mediums eine dämpfende Wirkung auf diese Bewegungen. Über die Geometrie des Ringspalts und die Wahl des viskosen Mediums sind die Eigenschaften der äußeren Lagerdämpfung beeinflussbar. Durch eine Abstimmung dieser Parameter ist es jedoch häufig nur möglich, die Amplitudenerhöhung des Rotors im Bereich einer einzigen seiner Resonanzen deutlich abzumindern.
Die EP 0 430 083 A1 beschreibt ein Lager mit einem Quetschöldämpfer, bei dem eine Temperatursteuerung des viskosen Mediums in dem Ringspalt erfolgt, um die Viskosität des viskosen Mediums in Abhängigkeit von dem aktuellen Schwingungszustand der rotierenden Massen im Sinne einer optimalen Laufruhe zu verändern. Dabei ist ein Schwingungsaufnehmer vorhanden, der den Schwingungszustand des rotierenden Systems registriert. Weiterhin wird die aktuelle Temperatur des viskosen Mediums erfasst. Schwingungs- und Temperaturdaten werden in einer Steuerung mit einem vorgegebenen Viskositäts-Temperatur-Diagramm verglichen, und eine Heiz-/Kühlvorrichtung wird in dem Sinne angesteuert, dass sich eine optimale Laufruhe des rotierenden Systems einstellt. Auf diese Weise werden die statischen Eigenschaften des Quetschöldämpfers über die Viskosität des viskosen Mediums an den jeweiligen Betriebszustand des Rotors angepasst.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes Lager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Patentanspruchs 5 aufzuzeigen, mit denen eine Abminderung von Amplitudenüberhöhungen des Rotors mit hohem Wirkungsgrad im Bereich mehrerer seiner Resonanzen möglich ist.
LÖSUNG
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch ein Lager mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 5 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 4 definiert. Die abhängigen Patentansprüche 6 bis 10 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Lagers.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der Erfindung wird das Medium in dem Ringspalt in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Betriebszustand des Rotors mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt. Durch die Druckbeaufschlagung des viskosen Mediums werden Kräfte auf das Medium und damit auf den Rotor ausgeübt. Mit dem Druck des Mediums ändert sich aber auch seine Viskosität.
Indem unmittelbar die Bewegungen bzw. die Beschleunigungen des Rotors oder auch seines Lagers unmittelbar erfasst werden, was auch jenseits des Ringspalts erfolgen kann, ist es möglich, den Rotor dynamisch, d. h. aktiv zu dämpfen. Hierzu werden dann zu den radial zu der Rotorachse auftretenden Beschleunigung des Rotors gegenphasige Gegenkräfte auf den Rotor durch die Druckbeaufschlagung des Mediums in dem Ringspalt hervorgerufen, wodurch die resultierenden Beschleunigungen und Bewegungen des Rotors in dieser Richtung reduziert werden.
Um diese Gegenkräfte auf den Rotor besonders effektiv hervorzurufen, wird der Ringspalt in unterschiedlichen Bereichen um die Rotorachse mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt. Die Druckdifferenz zwischen diesen Bereichen resultiert unmittelbar in eine Kraft auf den Rotor in der Richtung zwischen den Bereichen.
Um in beliebigen Richtungen um die Rotorachse radial zu der Rotorachse wirkende Gegenkräfte auf den Rotor hervorrufen zu können, muss der Ringspalt in mindestens drei um die Rotorachse verteilten Bereichen mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagbar sein. Vorzugsweise sind diese Bereiche gleichmäßig um die Rotorachse herum verteilt. Sie können aber auch in einer Vorzugsbelastungsrichtung des Rotors, in der die zu manipulierenden Resonanzen bevorzugt auftreten, konzentriert sein.
Der Ringspalt kann bei der Erfindung um das Drehlager des Rotors herum verlaufen. Die Erfindung ist dabei auch anwendbar, wenn der Rotor außen liegt und sich an einer innen liegenden Basis abstützt. In diesem Fall würde das Drehlager des Rotors den Ringspalt umschließen.
Es ist grundsätzlich bekannt, dass die Viskosität eine viskosen Mediums, wie beispielsweise Öl, stark von der Temperatur des Mediums abhängt. Es ist daher bei der Erfindung bevorzugt, die Temperatur des viskosen Mediums auf einen definierten Wert einzustellen, wozu beispielsweise ein Temperiermittel in Form eines Wärmetauschers für das Medium vorgesehen sein kann. Zumindest aber ist es sinnvoll, die Temperatur des viskosen Mediums zu erfassen, um etwaige Temperaturveränderungen bei der Festlegung des Drucks auf das viskose Medium so zu berücksichtigen, dass letztlich die gewünschte Dämpfung unabhängig von der Temperatur des Mediums erreicht wird.
Zur Druckbeaufschlagung des Mediums in dem Ringspalt kann ein oder eine Mehrzahl von Linearaktuatoren vorgesehen sein, wobei jeder Linearaktuator eine das Medium begrenzende Wandung, also beispielsweise eine Kolbenfläche, abstützt. Durch Abstimmung der Größe der Kolbenfläche auf das Gesamtvolumen des viskosen Mediums können auch Linearaktuatoren mit vergleichsweise geringem Hub, wie beispielsweise Piezo-Aktuatoren effektiv eingesetzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt ein nicht unter die Patentansprüche fallendes Lager im Querschnitt, wobei ein Gleitlager für den Rotor vorgesehen ist.
2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagers im Querschnitt, wobei ein Wälzlager für den Rotor vorgesehen ist; und
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagers im Querschnitt, wobei ebenfalls ein Wälzlager für den Rotor vorgesehen ist.
FIGURENBESCHREIBUNG
Das Lager 1 gemäß 1 dient zur Lagerung eines um eine Rotorachse 2 umlaufenden Rotors 3, von dem hier nur eine Rotorwelle 4 wiedergegeben ist. Für den Rotor 3 ist gemäß 1 ein Gleitlager 5 vorgesehen, in dem die Rotorwelle 4 unter Zwischenordnung eines Schmiermittels 6 von einem Gleitring 7 umschlossen ist. Der Gleitring 7 stützt sich rückwärtig an einer Basis 8 ab, wobei aber zwischen dem Gleitring 7 und der Basis 8 ein um die Rotorachse 2 verlaufender Ringspalt 9 vorgesehen ist, indem ein viskoses Medium 10 angeordnet ist. Dabei kann ein Verdrehen des Gleitrings 7 um die Rotorachse 2 mit dem Rotor 3 durch hier nicht wiedergegebene Maßnahmen, die beispielsweise wechselseitig ineinander eingreifende Fortsätze, unterbunden sein. Der mit dem viskosen Medium 10 gefüllte Ringspalt 9 ist dazu vorgesehen, Bewegungen des Rotors 3 radial zu seiner Rotorachse 2 zu dämpfen. Diese Bewegungen des Rotors 3 führen zu einer Lageveränderung des Gleitrings 7 gegenüber der Basis 8. Diese hat eine Deformation des Ringspalts 9 und damit eine Strömung des viskosen Mediums 10 innerhalb des Ringspalts 9 zur Folge. Die durch die Viskosität des Mediums gebremste Strömung hat die gewünschte Dämpfung des Rotors 3 zur Folge. Durch die Auswahl des Mediums 10 sowie durch die Gestaltung und Dimensionierung des Ringspalts 9 ist die Dämpfung des Rotors 3 so abstimmbar, dass sie im Bereich einer Resonanz, die durch den Rotor potenziell abgeregt wird, besonders groß ist. Häufig treten aber verschiedene Resonanzen auf, die durch den Rotor 3, wenn dieser einen größeren Drehzahlbereich durchfährt, potenziell angeregt werden. Um die Dämpfung des Rotors 3 für jeweils die Resonanzen zu optimieren, die in dem jeweiligen Betriebszustand des Rotors 3 potenziell angeregt werden, ist ein Linearaktuator 11 vorgesehen, der über einen Kolben 12 das Medium 10 in dem Ringspalt 9 beaufschlagt, wobei er sich an der Basis 8 abstützt. Konkret wird der Linearaktuator 11 so angesteuert, dass er das Medium 10 jeweils mit dem Druck beaufschlagt, der bei dem aktuellen Betriebszustand des Rotors 3 erforderlich ist, um die in diesem Betriebszustand potenziell angeregten Resonanzen des Rotors 3 effektiv zu unterdrücken. Die Ansteuerung des Linearaktuators 11 kann dabei konkret in Abhängigkeit von dem Signal eines hier nicht dargestellten Sensors erfolgen, der die aktuelle Drehzahl des Rotors 3 erfasst.
Die Ausführungsform des Lagers 1 gemäß 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 1 zunächst darin, dass hier ein Wälzlager 13 mit Wälzkörpern 14 zwischen einem inneren Lagerring 15 und einem äußeren Lagerring 16 vorgesehen ist. Der innere Lagerring 15 ist mit der Rotorwelle 4 verbunden. Der äußere Lagerring 16 ist mit einem Außenring 19 verbunden, der an den mit dem viskosen Medium 10 gefüllten Ringspalt 9 angrenzt. Von dem Außenring 19 abstehende Fortsätze 20 greifen mit Spiel in Bohrungen 21 in der Basis 8 ein, um ein unerwünschtes Mitdrehen des Außenrings 19 um die Rotorachse 2 zu verhindern. Weiterhin ist ein Unterschied des Lagers 1 gemäß 2 zu demjenigen gemäß 1 darin zu sehen, dass neben dem auf den Kolben 12 wirkenden Linearaktuator und diesem über die Rotorachse 12 diametral gegenüberliegend eine Feder 17 vorgesehen ist, die einen weiteren an das Medium 10 angrenzenden Kolben 18 abstützt. Durch unterschiedliche Beaufschlagung des Kolbens 12 mit dem Linearaktuator 11 kann hier nicht nur der Druck des Mediums 10 in dem Ringspalt 9 variiert werden, sondern es kann auch eine gezielte Durchströmung des Ringspalts 9 mit dem Medium 10 in Richtung zwischen den Kolben 12 und 18 hervorgerufen werden, um aktiv Kräfte auf den Rotor 3 in der Richtung zwischen den beiden Kolben 12 und 18 hervorzurufen. Diese Kräfte entstehen im Übrigen nicht erst aufgrund der Reibung des durch den Ringspalt 9 strömenden Mediums 10 sondern auch schon durch den auf der einen Seite des Ringspalts 9 durch den Kolben 12 ausgeübten anderen Druck, als er auf der anderen Seite des Ringspalts 9 im Bereich des Kolbens 18 herrscht. In jedem Fall können durch die Beaufschlagung des Kolbens 12 mit dem Linearaktuator 11 hier gegenphasige Kräfte zu Beschleunigungen des Rotors in der Richtung zwischen den Kolben 12 und 18 hervorgerufen werden, die die Bewegungen des Rotors 3 radial zu der Rotorachse 2 aktiv dämpfen. Um die Beschleunigungen des Rotors 3 radial zu der Rotorachse 2 zu erfassen, ist ein hier nicht wiedergegebener Beschleunigungssensor vorgesehen, der die Beschleunigung des Rotors 3 selbst oder auch resultierende Beschleunigungen der Basis 8 erfasst. Das Signal eines solchen Beschleunigungssensors kann auch verwendet werden, um den Druck des Mediums 10 mit dem Linearaktuator 11 auch nur quasi-statisch zu variieren, weil auch bei einer optimalen quasistatischen Einstellung dieses Drucks diese Beschleunigungen minimiert sind.
Die in 3 wiedergegebene Ausführungsform des Lagers 1 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 2 zunächst darin, dass hier drei Kolben 12 zur Beaufschlagung des Mediums 10 in dem Ringspalt 9 vorgesehen sind. Darüber hinaus ist jeder der Kolben 12 mit einem Linearaktuator 11 gegenüber der Basis 8 aktiv verfahrbar. Der Außenring 19 mit den Fortsätzen 20 gemäß 2 könnte auch hier zusätzlich vorgesehen sein. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Kolben 12 in Umfangsrichtung um die Rotorachse 2 können so Kräfte auf den Rotor 3 in jeder radial zu der Rotorachse 2 verlaufenden Richtung ausgeübt werden, um den Rotor 3 bezüglich Bewegungen radial zu seiner Rotorachse 2 aktiv zu dämpfen.
Längs der Rotorachse 2 können mehrere Anordnungen mit einem oder mehreren aktiv beaufschlagten Kolben 12 vorgesehen sein, um neben rein linearen Beschleunigung des Rotors 3 normal zu der Rotorachse 2 auch Kippmomente des Rotors 3 zu der Rotorachse 2 aktiv abzufangen. So kann auch ein Taumeln des Rotors 3 um seine Rotorachse 2 unterdrückt werden. Ausreichend ist hierfür die Anordnung von zwei Lagern 1 um die Rotorwelle 4 in möglichst großem Abstand längs der Rotorachse 2.

1: Lager
2: Rotorachse
3: Rotor
4: Rotorwelle
5: Gleitlager
6: Schmiermittel
7: Gleitring
8: Basis
9: Ringspalt
10: Medium
11: Linearaktuator
12: Kolben
13: Wälzlager
14: Wälzkörper
15: Lagerring
16: Lagerring
17: Feder
18: Kolben
19: Außenring
20: Fortsatz
21: Bohrung

Claims

Verfahren zum Dämpfen von Bewegungen eines um eine Rotorachse rotierenden Rotors radial zu der Rotorachse, wobei ein um die Rotorachse herum verlaufender Ringspalt mit einem viskosen Medium gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Indikator für den Betriebszustand des Rotors (3) Bewegungen und/oder Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen des Rotors (3) radial zu der Rotorachse (2) erfasst werden und dass das Medium (10) in dem Ringspalt (9) in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Betriebszustand des Rotors (3) in unterschiedlichen Bereichen um die Rotorachse (2) mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt wird, um den Rotor (2) aktiv zu dämpfen, wobei die Beaufschlagung des Mediums (10) in dem Ringspalt (9) mit unterschiedlichen Drücken so erfolgt, dass die Bewegungen und/oder Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigung des Rotors (3) radial zu der Rotorachse (2) minimiert werden, indem durch das Beaufschlagen des Mediums (10) in dem Ringspalt (9) mit unterschiedlichen Drücken zu den Beschleunigungen des Rotors (3) radial zu der Rotorachse (2) gegenphasige Gegenkräfte auf dem Rotor (3) hervorgerufen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (10) in dem Ringspalt (9) in mindestens drei gleichmäßig um die Rotorachse verteilten Bereichen mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Mediums (10) in dem Ringspalt (9) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Viskosität des Mediums (10) mit der Temperatur beim Beaufschlagen des Mediums (10) in dem Ringspalt (9) mit unterschiedlichen Drücken berücksichtigt werden und/oder das Medium (10) in dem Ringspalt (9) auf eine gewünschte Temperatur temperiert wird.
Lager für einen um eine Rotorachse rotierenden Rotor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem um die Rotorachse herum verlaufenden Ringspalt, der mit einem viskosen Medium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen Sensor umfasst, der den aktuellen Betriebszustand des Rotors (3) erfasst, indem er Bewegungen und/oder Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen des Rotors (3) radial zu der Rotorachse (2) erfasst, und dass eine Einrichtung vorgesehen ist, die das Medium (10) in dem Ringspalt (9) in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Betriebszustand des Rotors (3) in unterschiedlichen Bereichen um die Rotorachse (2) mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt, um den Rotor (3) aktiv zu dämpfen, wobei die Einrichtung die Bewegungen und/oder die Geschwindigkeiten und/oder die Beschleunigungen minimiert, indem sie zu den Beschleunigungen gegenphasige Gegenkräfte auf den Rotor (3) hervorruft.
Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung den Ringspalt (9) in mindestens drei gleichmäßig um die Rotorachse (2) verteilten Bereichen mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt.
Lager nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (9) ein Drehlager des Rotors (3) umschließt.
Lager nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen Sensor zum Erfassen der Temperatur des Mediums (10) in dem Ringspalt (9) aufweist.
Lager nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein Mittel zum Temperieren des Mediums (10) in dem Ringspalt (9) auf eine gewünschte Temperatur aufweist.
Lager nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Beaufschlagen des Mediums mit unterschiedlichen Drücken einen Linearaktuator (11) aufweist, der eine das Medium (10) begrenzende Wandung abstützt.