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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Axialgleitlager,
welches insbesondere für
hohe Beanspruchung ausgelegt ist. Ein solches Axialgleitlager ist
insbesondere anwendbar zur Lagerung von Wellen großer elektrischer
Maschinen, wie beispielsweise Hydrogeneratoren. Die Erfindung betrifft
außerdem
ein statorseitiges Lagersegment für ein derartiges Axialgleitlager
sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Axialgleitlagers.
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Stand der Technik
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Zur
axialen Lagerung der Wellen großer elektrischer
Maschinen, wie zum Beispiel Hydrogeneratoren, werden hochbelastbare
hydrodynamische Axialgleitlager zur Aufnahme der axialen Kräfte eingesetzt,
insbesondere dann, wenn die Welle stehend, also mit vertikaler Rotationsachse,
angeordnet ist. Ein derartiges Axialgleitlager weist mehrere statorseitige,
also stationäre
Lagersegmente sowie wenigstens ein rotorseitiges, also rotierendes
Lagerelement auf. Diese Lagerbauteile, die im Betrieb der Maschine
eine Relativbewegung zueinander ausführen, besitzen einander zugewandte
ebene Gleitflächen, zwischen
denen sich während
des Betriebs ein tragfähiger hydrodynamischer
Schmierfilm aus einem hierzu geeigneten Schmiermittel aufbaut. Die Schmierfilmdicke
hängt dabei
von einer Reihe von Faktoren ab, insbesondere von der Belastung
des Axialgleitlagers. Innerhalb des Axialgleitlagers kommt es in
Folge der erheblichen Scherbeanspruchung des zwischen den stationären und
rotierenden Bauteilen durchgesetzten Schmiermittels zu einer deutlichen
Erwärmung
desselben, die in der Regel eine interne oder eine externe Kühlung des
Schmiermittels erforderlich macht, um eine übermäßige Erwärmung mit der Folge einer thermischen
Schädigung
des Schmiermittels zu verhindern sowie die Funktionsfähigkeit
des Axialgleitlagers überhaupt
zuverlässig
zu gewährleisten.
Hinzu kommt, dass mit zunehmender Temperatur des Schmiermittels
dessen Viskosität
abnimmt, was zu einer Reduzierung der Schmierfilmdicke führt. Als
Folge davon ist das im Schmierfilm verbleibende Schmiermittel noch
höheren
Scherbeanspruchungen ausgesetzt, was dessen thermische Beanspruchung
weiter erhöht.
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Darstellung der Erfindung
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Hier
setzt die Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet
ist, beschäftigt
sich mit dem Problem, für
ein hydrodynamisches Axialgleitlager bzw. für ein zugehöriges stationäres Lagersegment
bzw. für
ein zugehöriges
Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich
insbesondere durch eine reduzierte Erwärmung des Schmiermittels auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Problem durch die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei wenigstens einem
statorseitigen Lagerelement im Bereich einer Abströmkante Schmiermittel
aus dem Schmiermittelspalt abzuführen.
Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass das Schmiermittel
aufgrund seiner Haftung an der rotorseitigen Gleitfläche von
einem statorseitigen Lagersegment zum nächsten statorseitigen Lagersegment mitgeführt wird,
ohne dass es dabei zu einem wesentlichen Schmiermittelaustausch
kommt. Durch das Abziehen von Schmiermittel im Bereich des Abströmendes entsteht
zwangsläufig
ein Schmiermittelbedarf beim Übergang
zum nächstfolgenden
statorseitigen Lagersegment. Dieser Schmiermittelbedarf wird dabei
aus dem sogenannten Plenum gedeckt, in dem sich das Axialgleitlager
befindet und das mit Schmiermittel befüllt ist. Hierdurch kommt es zwangsläufig zu
einem Ersatz des fehlenden Schmiermittels durch kühleres Schmiermittel
aus dem Plenum. Die Temperatur des Schmiermittels im jeweiligen
Schmiermittelspalt kann dadurch reduziert werden, in der Folge nimmt
mit sinkender Temperatur die Viskosität des Schmiermittels zu, was
die Dicke des Schmiermittelsspalts vergrößert und letztlich auch den
Wärmeeintrag
in das Schmiermittel reduziert. Die Gefahr einer Überhitzung
des Schmiermittels kann somit effektiv reduziert werden.
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Um
einen Teil des Schmiermittels aus dem Schmiermittelspalt auszutreiben,
wird in vorteilhafter Weise der im Schmiermittelspalt im Bereich
des Abströmendes
des jeweiligen Lagersegments herrschende Überdruck ausgenutzt. Dementsprechend kann
auf separate Pumpeinrichtungen und dergleichen verzichtet werden,
wodurch die vorgeschlagene Maßnahme
mit geringem Aufwand und besonders kostengünstig realisierbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform kann
in das jeweilige statorseitige Lagersegment eine Quernut eingebracht
werden, die sich quer zur Schmiermittelströmung erstreckt und die zum Schmiermittelspalt
hin offen ist. Zweckmäßig kommuniziert
diese Quernut mit einem Niederdruckbereich, vorzugsweise mit dem
Plenum, wodurch der Überdruck
im Schmiermittelspalt im Bereich der Quernut einen Teil des Schmiermittels
aus dem Schmiermittelspalt austreibt. Eine derartige Quernut lässt sich
in den statorseitigen Lagersegmenten vergleichsweise preiswert einbringen.
Durch eine geeignete Dimensionierung der Quernut lässt sich
ein gewünschter
Volumenstrom abzuführenden
Schmiermittels einstellen. Vorteilhaft ist hierbei, dass derartige,
in der Regel große
Maschinen Nennbetriebspunkte aufweisen, in denen sie im wesentlichen
stationär
betrieben werden, so dass das jeweilige Axialgleitlager im wesentlichen
mit einer konstanten Belastung, insbesondere mit konstanter Drehzahl
des Rotors betrieben wird.
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Um
den Abfluss von Schmiermittel aus der Quernut zu verbessern, kann
das jeweilige Lagersegment zumindest eine Bohrung aufweisen, die einenends
mit der Quernut kommuniziert und die anderenends an einer von der
Gleitfläche
des Lagersegments unterschiedlichen Seite mündet. Beispielsweise kann eine
derartige Bohrung an einer Unterseite oder an einer Innenseite oder
an einer Außenseite oder
an einer Anströmseite
oder an einer Abströmseite
des jeweiligen Lagersegments münden.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei
sch gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche
Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
axiale Draufsicht auf ein statorseitiges Lagersegment eines Axialgleitlagers,
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2 eine
Schnittansicht eines Teils des Lagersegments gemäß Schnittlinien II in 1.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
ein einzelnes Tragsegment oder Lagersegment 1 eines im Übrigen nicht
gezeigten, hoch beanspruchbaren, hydrodynamischen Axialgleitlagers,
wie es beispielsweise an einer vertikalen elektrischen Maschine,
wie einem Hydrogenerator, zum Einsatz kommen kann. Zweckmäßig sind
dabei mehrere dieser Lagersegmente 1 bezüglich einer Rotationsachse
eines nicht dargestellten Rotors dieser Maschine ringförmig angeordnet.
Besagter Rotor stützt
sich dann axial auf diesen Lagersegmenten 1 des Axialgleitlagers
ab. Die Lagersegmente 1 des Axialgleitlagers selbst wiederum
ruhen auf einer festen Unterlage, die Bestandteil eines Stators
dieser Maschine ist. Die Lagersegmente 1 sind somit stationär bzw. statorseitig
angeordnet. Im Einbauzustand ist das Axialgleitlager in ein Schmiermittel,
vorzugsweise ein Schmieröl,
eingetaucht. Dieses Schmiermittelbad kann auch als Plenum bezeichnet
werden.
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Während des
Betriebs der Maschine bildet sich zwischen kommunizierenden Kontaktflächen oder
Gleitflächen
des Rotors einerseits und der Lagersegmente 1 andererseits
ein reibungsvermindernder Schmierfilm aus, der aus dem Schmiermittelbad bzw.
Plenum und/oder über
Kanäle
einer Hochdruckschmierung in an sich bekannter Weise gespeist wird.
Beispielsweise rotiert der Rotor in einer in den 1 und 2 durch
einen Pfeil gekennzeichneten Drehrichtung 2. Hierdurch
ergeben sich am stationären
Lagersegment 1 für
das durch die Rotation des Rotors geförderte Schmiermittel ein Anströmende 3 mit
einer Anströmseite 4 sowie
ein Abströmende 5 mit
einer Abströmseite 6.
Anströmseitig
kann das jeweilige Lagersegment 1 an einer in 1 dem
Betrachter zugewandten Oberseite 7 angefast sein. Eine
entsprechende Fasenlinie ist in 1 mit 8 bezeichnet.
Durch diese Anfasung 8 wird das Eindringen des Schmiermittels
in einen Schmiermittelspalt erleichtert, der sich axial zwischen
einer Gleitfläche 9 des
jeweiligen Lagersegments 1 und einer dazu korrespondierenden
Gleitfläche
des Rotors ausbildet, wenn im Betrieb der Maschine der zuvor genannte Schmiermittelfilm
entsteht. Die Gleitfläche 9 erstreckt sich
hier im wesentlichen über
die gesamte Oberfläche 7 des
Lagersegments 1. Gemäß 2 kann
das Lagersegment 1 an seiner Oberseite 7 eine
spezielle Gleitbeschichtung 10 aufweisen, die z. B. besonders reibungsarm
ist, um so eine geeignete Gleitfläche 9 auszubilden.
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Das
jeweilige Axialgleitlager umfasst somit zwei relativ zueinander
verstellbare Baugruppen, nämlich
eine rotierende Baugruppe und eine stationäre Baugruppe. Die rotierende
Baugruppe ist mit ihrer wenigstens einen Gleitfläche am Rotor ausgebildet, während die
stationäre
Baugruppe die Lagersegmente 1 mit deren Gleitflächen 9 umfasst.
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Beim
erfindungsgemäßen Betrieb
dieses Axialgleitlagers wird innerhalb des Schmiermittelspalts im
Bereich des Abströmendes 5 zumindest
eines solchen Lagersegments 1 eine Teilmenge des Schmiermittels
abgeführt.
Zweckmäßig wird
die abgeführte
Teilmenge des Schmiermittels besagtem Schmiermittelbad oder Plenum
zugeführt.
Das abgeführte
Schmiermittel muss zur Aufrechterhaltung des Schmiermittelspalts
beim in Rotationsrichtung 2 nachfolgenden Lagersegment 1 ersetzt
werden. Dieser Ersatz erfolgt zweckmäßig aus dem Schmiermittelbad
und/oder durch eine geeignete Hochdruckschmierung in an sich bekannter
Weise. Beispielsweise zieht die jeweilige rotierende Gleitfläche 9 im Bereich
der Anfasung 8 des folgenden Lagersegments 1 das
erforderliche Schmiermittel aus einem Spalt, der sich zwischen zwei
in Umfangsrichtung bzw. in Drehrichtung 2 aufeinander folgenden
Lagersegmenten 1 ausbildet, ab, wodurch somit frisches bzw.
kälteres
Schmiermittel aus dem Schmiermittelbad in den Schmiermittelspalt
eingeführt
wird.
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Um
das Schmiermittel im abströmseitigen Bereich
des jeweiligen Lagersegments 1 aus dem Schmiermittelspalt
abführen
zu können,
wird bevorzugt der im Schmiermittel innerhalb des Schmiermittelspalts
herrschende Druck ausgenutzt. Dieser Druck ist im Bereich des Abströmendes 5 signifikant höher als
im Plenum. Infolge der Druckdifferenz kann die gewünschte Abführmenge
für das
Schmiermittel erzielt werden.
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Zur
Realisierung der Schmiermittelentnahme aus dem Schmiermittelspalt
im Bereich des Abströmendes 5 enthält das jeweilige
Lagersegment 1 wenigstens eine Quernut 11. Die
Quernut 11 erstreckt sich quer zu einer hier durch einen
Pfeil angedeuteten Schmiermittelströmung 12, die sich
im Betrieb der Maschine im Schmiermittelspalt ausbildet und die
im wesentlichen der Drehrichtung 2 des Rotors entspricht.
Die Quernut 11 ist dabei in die Oberseite 7 des
Lagersegments 1 eingearbeitet. Das heißt, die Quernut 11 ist
an der Oberseite 7 bzw. an der Gleitfläche 9 offen bzw. zum
Schmiermittelspalt hin offen. Somit kann die Quernut 11 mit
dem Schmiermittelspalt kommunizieren.
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Im
Falle eines Axialgleitlagers einer rotierenden Maschine, auf das
hier beispielhaft Bezug genommen wird, erstreckt sich die Quernut 11 bezüglich der
hier nicht erkennbaren Rotationsachse des Rotors radial oder im
wesentlichen radial. Darüber
hinaus erstreckt sich die Quernut 11 bei der hier gezeigten
Ausführungsform über die
gesamte Breite des jeweiligen Lagersegments 11, die bezüglich der Rotationsachse
in radialer Richtung gemessen ist.
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Vorzugsweise
ist dabei die Quernut 11 an einer bezüglich der Rotationsachse radial
innen liegenden Innenseite 13 des Lagersegments 1 offen.
Zusätzlich
oder alternativ kann die Quernut 11 wie hier auch an einer
bezüglich
der Rotationsachse radial außen
liegenden Außenseite 14 des
Lagersegments 1 offen sein bzw. münden. Auf diese Weise kommuniziert
die Quernut 11 mit dem Schmiermittelbad.
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Bei
der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist das Lagersegment 1 nur
mit einer solchen Quernut 11 ausgestattet. Diese kann bei
entsprechender Dimensionierung ausreichen, die jeweils gewünschte Schmiermittelmenge
aus dem Schmiermittelspalt abzuführen.
Ebenso ist es grundsätzlich
möglich,
zwei oder mehr derartige Quernuten 11 vorzusehen, um die
gewünschte
Schmiermittelmenge aus dem Schmiermittelspalt abzuführen.
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Im
hier gezeigten Ausführungsbeispiel
weist das Lagersegment 1 außerdem wenigstens eine Bohrung 15 auf.
Im Beispiel sind drei derartige Bohrungen 15 vorgesehen.
Es ist klar, dass auch eine von drei abweichende Anzahl an Bohrungen 15 vorgesehen
sein kann. Die jeweilige Bohrung 15 kommuniziert einerseits
mit der Quernut 11 und mündet andererseits an einer
von der Oberseite 7 verschiedenen Seite des Lagersegments 1.
Im Beispiel mündet
die jeweilige Bohrung 15 an einer vom Schmiermittelspalt
abgewandten Unterseite 16 des Lagersegments 1.
Ebenso ist es möglich,
die jeweilige Bohrung 15 so auszuführen, dass sie zum Beispiel mit
der Abströmseite 6 kommuniziert.
Ebenso ist denkbar, dass die jeweilige Bohrung 15 mit der
Innenseite 13 oder mit der Außenseite 14 oder sogar mit
der Anströmseite 4 kommuniziert.
Jedenfalls ist die Bohrung 15 hier so gesetzt, dass sie
die Quernut 11 mit dem Schmiermittelbad oder Plenum verbindet.
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Vorzugsweise
ist die wenigstens eine Quernut 11 in einem durch eine
geschweifte Klammer angedeuteten Längsbereich 17 des
jeweiligen Lagersegments 1 angeordnet. Die Länge des
Lagersegments 1 ist dabei in der Strömungsrichtung der Schmiermittelströmung 12 gemessen,
also bezüglich der
Rotationsachse des Rotors in der Umfangsrichtung der mit Hilfe der
stationären
Lagersegmente 1 aufgebauten ringförmigen stationären Lagerstruktur. Besagter
Längsbereich 17 befindet
sich nun gemessen vom Anströmende 3 des
Lagersegments 1 her in einem hinteren Bereich des Lagersegments,
vorzugsweise in einem Bereich von etwa 80% bis etwa 95%, vorzugsweise
etwa 85% bis 95% der gesamten Länge
des Lagersegments 1. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Quernut 11 bei etwa 90% der gesamten Länge des
Lagersegments 1, gemessen ab der Anströmseite 4, positioniert.
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Bei
einem Axialgleitlager, das in der zuvor beschriebenen Weise mehrere
ringförmig
angeordnete, statorseitige Lagersegmente 1 aufweist, kann wenigstens
eines dieser Lagersegmente 1 in der hier vorgestellten
Weise ausgestaltet sein, um ein Abführen von Schmiermittel aus
dem Schmiermittelspalt des jeweiligen Lagersegments 1 zu
ermöglichen. Ebenso
ist es möglich,
das Axialgleitlager bezüglich der
Rotationsachse umfangsmäßig verteilt
mit mehreren derartigen Lagersegmenten 1 auszustatten. Insbesondere
können
alle Lagersegmente 1 des Axialgleitlagers nach der hier
vorgestellten Bauweise ausgestaltet sein.
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- 1
- Lagersegment
- 2
- Drehrichtung
des Rotors
- 3
- Anströmende
- 4
- Anströmseite
- 5
- Abströmende
- 6
- Abströmseite
- 7
- Oberseite
- 8
- Fase
- 9
- Gleitfläche
- 10
- Gleitbeschichtung
- 11
- Quernut
- 12
- Schmiermittelströmung
- 13
- Innenseite
- 14
- Außenseite
- 15
- Bohrung
- 16
- Unterseite
- 17
- Längsbereich