DE102007052884A1

DE102007052884A1 - Vorrichtung zum Lagern der Wellen einer Maschine, vor allem einer Wasserturbine oder eines Generators

Info

Publication number: DE102007052884A1
Application number: DE102007052884A
Authority: DE
Inventors: Michael Bottenschein
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-14
Also published as: WO2009056225A3; WO2009056225A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lagern der Welle einer Maschine, umfassend die folgenden Elemente: - mehrere als Gleitlager dienende Kippsegmente, die zusammen mit einer Gleitfläche der Welle einen geschmierten Lagerspalt bilden; - eine innere Spanneinrichtung zum Andrücken des betreffenden Kippsegmentes gegen die Gleitfläche der Welle; - eine mit dem Kippsegment fest verbundene Führungseinrichtung zum Führen der inneren Spanneinrichtung bei deren An- und Abfahren gegen die und von der Welle; - eine Stützeinrichtung zum Sichern der Führungseinrichtung und damit des Kippelementes gegen Mitnahme durch die Welle; - eine Federeinrichtung, die sich einerseits gegen das Kippsegment und andererseits gegen die Stützeinrichtung abstützt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lager, insbesondere für eine Wasserturbine oder eines Generators. Dabei geht es um eine Vorrichtung mit Kippsegmenten. Diese dienen als Gleitlager und bilden zusammen mit der Mantelfläche der zu lagernden Welle einen flüssigkeitsgeschmierten Lagerspalt. Der Welle sind mehrere solcher Kippsegmente zugeordnet, die um den Umfang der Welle herumgruppiert sind. Das Lagerspiel zwischen Welle und Kippsegment kann durch eine Verstelleinrichtung eingestellt werden.
Die Durchmesser der Wellen können außerordentlich groß sein und mehrere Meter betragen. Hieraus ergeben sich gravierende Probleme. Bei großen Lagerdurchmessern besteht das Risiko, dass sich die Kippsegmente gegen die Welle verklemmen. Als Ursache kommt vor allem die thermische Ausdehnung der Welle oder des Lagergehäuses, manchmal aber auch Quelleffekte der Gleitlagermaterialien in Frage. Die Gefahr des Verklemmens besteht nicht beim kalten oder betriebswarmen Lager, sondern sehr oft beim sich aufwärmenden Lager. Die Ausdehnungsprozesse sind komplex und nicht immer vorhersehbar. Das Lagerspiel muss deshalb bei Inbetriebnahme mehrere Male nachgestellt werden, bis ein Kompromiss zwischen zulässiger Erwärmung und zulässigen Wellenauslenkungen gefunden wird. Gerade bei großen Wellendurchmessern kann das Betriebslagerspiel um mehrere Zehntel Millimeter größer als geplant ausfallen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Lagern der Welle einer Maschine anzugeben, insbesondere einer Wasserturbine, mit den folgenden Eigenschaften:

– die Lagerung soll sich leicht montieren und demontieren lassen
– ein Nachjustieren des Lagerspiels soll weniger häufig oder gar nicht notwendig sein
– die Steifigkeit der Lagerung soll verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 zeigt eine Welle mit einem Radiallager, und zwar mit Blickrichtung senkrecht zur Längsachse der Welle.
Die in 1 im Querschnitt gezeigte Welle 1 trägt eine Schicht 2 aus Weißmetall.
Ein Kippsegment 3 weist eine Lagerfläche 3.1 auf. Zwischen der Lagerfläche 3.1 und der Weißmetallschicht 2 herrscht während des Betriebes ein Spalt, der mit einem Schmiermittel gefüllt ist, im vorliegenden Falle mit einem Schmieröl.
Eine Schraube 4 mit einem Schaft 4.1 und einem Kopf 4.2 ist in eine Gewindebohrung im Kippsegment 3 eingeschraubt. Der Schaft 4.1 der Schraube 4 ist von einer Innenhülse 5 umgeben. Die Innenhülse umfasst wiederum einen Schaft 5.1 sowie einen Bund 5.2. Sie dient der definierten Vorspannung der Schraube 4. Das freie Ende des Schaftes 5.1 der Innenhülse 5 ist mit dem Kippsegment 3 fest verbunden.
Die Innenhülse 5 ist von einer Außenhülse 6 umgeben. Diese weist wiederum einen Schaft 6.1 und einen Bund 6.2 auf.
Ein entscheidendes Bauteil ist eine Tellerfeder 7. Diese stützt sich einerseits am Kippelement 3 und andererseits an der Außenhülse 6 ab.
Zwischen dem freien Ende des Schaftes 6.1 der Außenhülse und dem Kippsegment 3 besteht ein Luftspalt 8, im Folgenden „Federspiel" genannt.
Der Schraubenkopf 4.2 sowie der Bund 5.2 der Innenhülse 5 sind von einem Stützgehäuse 9 umgeben. Dieses ist glockenförmig. Es umfasst einen Boden 9.1 sowie einen zylindrischen Mantel 9.2. Der Mantel 9.2 stützt sich am Bund 6.2 der Außenhülse ab. Das Stützgehäuse 9 ist durch eine nicht dargestellte Spanneinrichtung derart beaufschlagbar, dass über den Bund der Außenhülse die im Gleitfilm eingeleitete Kraft weitergeleitet werden kann.
In die Lagerfläche 3.1 des Kippsegmentes 3 kann eine Tasche 3.2 eingearbeitet sein, gegebenenfalls auch mehrere solcher Taschen. Diese können Anschlüsse an ein hydrostatisches Medium haben – logischerweise das Schmiermittel, das sich im Lagerspalt befindet.
Die erfindungsgemäße Lagervorrichtung arbeitet wie folgt:
Beim Stillstand herrscht im Allgemeinen ein Lagerspiel, das ist das radiale Maß zwischen der Weißmetallschicht 2 und der Lagerfläche 3.1 des Kippelementes 3 – in der Größenordnung von 0,2 bis 0,1 mm, somit um den Faktor 2 bis 3 kleiner als üblich. Es kann sogar auf 0 herabgesenkt werden. Das Lagerspiel im Ruhezustand lässt sich wie bisher auch durch die Lagerspiel-Verstelleinrichtung einstellen.
Die Tellerfeder 7 wird auf eine bestimmte Kraft (= Druckpunkt) vorgespannt.
Im Betrieb wird Schmieröl oder ein anderes Schmiermittel in den Lagerspalt eingezogen.
Ist die sich im Schmierfilm aufbauende Kraft kleiner wie die Vorspannkraft der Feder, verhält sich das vorgespannte Kippsegment wie ein herkömmliches Kippsegment. Wird die Vorspannkraft überschritten, federt das Segment gegenüber der Außenhülse ein, bis sich ein Kräftegleichgewicht zwischen Schmierfilmkraft und Federkraft einstellt. Das Federspiel verringert sich hierbei.
Das Federspiel ist der Luftspalt zwischen dem freien Ende des Schaftes 6.1 von Außenhülse 6 und dem Kippsegment. Wird beim Federspiel der Wert 0 erreicht, funktioniert das vorgespannte Kippsegment erneut wie ein herkömmliches Kippsegment. Die hydrostatische Tasche in Kombination mit einer hydrostatischen Schmiermittelversorgung ist eine Zusatzoption, um möglichen Verschleiß der Gleitlagerschicht während des Anlaufens/Auslaufens im Mischreibungsbereich zu verhindern.
Das Federspiel – somit der Luftspalt zwischen dem freien Ende des Schaftes 6.1 von Außenhülse 6 und dem Kippelement 3 – wird verringert. Es kann bis auf 0 abgesenkt werden, so dass Außenhülse 6 und Kippelement 3 auf Block gehen. Dies stellt eine Art Notabsicherung dar. Die Lagervorrichtung funktioniert dann wie ein herkömmliches, starr abgestütztes Kippsegment.
Bei der genannten Tellerfeder 7 lässt sich jegliche Art von Feder verwenden, beispielsweise eine Schraubenfeder. Die Gleitlagerschicht kann aus einem beliebigen Material sein. Die Innenhülse 5 könnte auch entfallen. Die Schraube 4 würde die Feder dann direkt vorspannen.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind die folgenden:

– Das Lagerspiel lässt sich minimieren, womit eine höhere Ölfilmsteifigkeit erzielt wird. Das Vibrationsniveau an der Maschine kann gesenkt werden.
– Die Ölfilmsteifigkeit bleibt über den gesamten Arbeitsbereich konstant. Sie ist eindeutig definiert.
– Die Anzahl der Kippsegmente lässt sich verringern und hierdurch wird die Reibleistung vermindert, somit die Verlustleistung, die bei jeder Lagerung auftritt.
– Das Nachjustieren des Lagerspieles entfällt. Der personelle Aufwand wird daher minimiert.

Die Erfindung lässt sich sowohl bei Radiallagern anwenden, so wie in der Figur dargestellt, wie auch bei Axiallagern.
Die Erfindung lässt sich bei Radiallagern für vertikale Wellen anwenden, wie in der Figur dargestellt. Genauso ist die Anwendung bei paarweise angeordneten Kippsegment-Axiallagern von horizontalen Wellen möglich. Also immer dann, wenn eine Welle nicht durch Gewichtskräfte eine gerichtete Kraft erfährt, sondern durch dynamische Kräfte innerhalb des Lagerspiels in radialer oder axialer Richtung ausgelenkt wird.

1: Welle
2: Weißmetallschicht als Gleitlagerschicht
3: Kippsegment
3.1: Lagerfläche des Kippsegmentes
3.2: hydrostatische Tasche
4: Schraube
4.1: Schaft der Schraube
4.2: Kopf der Schraube
5: Innenhülse
5.1: Schaft der Innenhülse
5.2: Bund der Innenhülse
6: Außenhülse
6.1: Schaft der Außenhülse
6.2: Bund der Außenhülse
7: Tellerfeder
8: Luftspalt (= Federspiel)
9: Stützgehäuse
9.1: Boden des Stützgehäuses
9.2: Mantel des Stützgehäuses

Claims

Vorrichtung zum Lagern der Welle (1) einer Maschine, umfassend die folgenden Elemente: 1.1 mehrere als Gleitlager dienende Kippsegmente (3), die zusammen mit einer Gleitfläche der Welle (1) einen geschmierten Lagerspalt bilden; 1.2 eine innere Spanneinrichtung (4) zum Andrücken des betreffenden Kippsegmentes (3) gegen die Gleitfläche der Welle; 1.3 eine mit dem Kippsegment (3) fest verbundene Führungseinrichtung (5) zum Führen der inneren Spanneinrichtung (4) bei deren An- und Abfahren gegen die und von der Welle (1); 1.4 eine Stützeinrichtung (6) zum Sichern der Führungseinrichtung (5) und damit des Kippelementes (3) gegen Mitnahme durch die Welle (1); 1.5 eine Federeinrichtung (7), die sich einerseits gegen das Kippsegment (3) und andererseits gegen die Stützeinrichtung (6) abstützt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung eine Schraube (4) ist, die in das Kippsegment einschraubbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung eine Innenhülse (5) ist, die die Spanneinrichtung (4) umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützeinrichtung eine Außenhülse (6) ist, die die Führungseinrichtung (5) umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung eine Tellerfeder (7) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Spanneinrichtung zum Justieren der Radialposition der Stützeinrichtung (6) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Spanneinrichtung ein Stützgehäuse (9) ist, umfassend einen Boden (9.1) und einen zylindrischen Mantel (9.2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Gleitfläche des Kippelementes (3) wenigstens eine hydrostatische Tasche befindet, die gegen die Mantelfläche der Welle (1) hin offen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kippsegment (3) mit einer Gleitschicht beschichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung der Welle (1) eine Radiallagerung für eine vertikale Welle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung der Welle (1) eine Axiallagerung für eine horizontale Welle ist.