DE102011085611A1

DE102011085611A1 - Lagerkomponente, Lager, Antriebswelle und Unterwasserkraftwerk

Info

Publication number: DE102011085611A1
Application number: DE102011085611A
Authority: DE
Inventors: Fred Menig; Johannes Götz
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-05-02
Also published as: WO2013064384A1; EP2773865A1

Abstract

Ein Konzept zur Abdichtung einer Lagerkomponente (110; 110a; 110b) für ein Lager (100), die eine Befestigungsmöglichkeit (120) zur Befestigung an einem zu lagernden Bauelement (130) umfasst, wobei die Lagerkomponente (110; 110a; 110b) oder das zu lagernde Bauteil (130) eine Ausnehmung (115, 117) für eine Dichtung (119) aufweist, derart dass die Lagerkomponente (110; 110a; 110b) mit dem zu lagernden Bauelement (130) zumindest wasserdicht verbindbar ist. Das Konzept sieht auch ein Unterwasserkraftwerk vor mit einer Lagerkomponente (110; 110a; 110b) oder einem Lager (100) und einer Antriebswelle (130), die miteinander mechanisch gekoppelt sind und zwischen denen sich zur Abdichtung eine Dichtung (119) befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Unterwasserkraftwerke, insbesondere der Lagerung und Abdichtung von Antriebswellen in Unterwasserkraftwerken.
Aus dem Bereich der konventionellen Technik sind Unterwasserkraftwerke bereits bekannt. Im Folgenden werden bekannte Lagerungskonzepte für Unterwasserkraftwerke kurz zusammengefasst. Die Druckschrift DE 10 2009 005 556 A1 offenbart ein Konzept zur Spülung von Unterwasserkraftwerken, bei denen bewusst auf eine Kapselung der eingesetzten Lager verzichtet wird. Bei derartigen Konstruktionen ist der Bereich, der in direktem Kontakt mit dem Umgebungswasser steht, gegen einen übermäßigen Sedimenteinfall zu schützen. Des Weiteren muss der Bewuchs in diesem Bereich begrenzt werden. Eine der diesbezüglichen Maßnahmen besteht darin, den gefluteten Bereich und insbesondere die Lager sowie die diesen zugeordneten Komponenten, wie Dichtungselemente und dergleichen, zu spülen.
Ein Konzept sieht vor, an einem Unterwasserkraftwerk mindestens einen Spülanschluss anzulegen, durch den der Anlage von außen ein Spülmedium zugeleitet werden kann. Demnach liegt in der Anlage selbst zwischen dem externen Spülanschluss und dem zu spülenden Bereich kein Fördersystem, wie eine Pumpe oder dergleichen, für das Spülmedium vor. Des Weiteren wird auf ein zusätzliches Filtersystem verzichtet. Stattdessen wird am externen Spülanschluss das Spülmedium mit einem solchen Überdruck zugeführt, dass eine hinreichend starke Durchströmung des zu spülenden Bereichs und eine Abströmung zum Außenbereich erfolgt, wodurch Sedimente und, bevorzugt ein ursprünglich vorliegender Bewuchs, nach außen transportiert werden.
Ein Konzept zur optimierten Leistungsregelung und Steuerung von Unterwasserkraftwerken ist in der Druckschrift DE 10 2008 053 732 B3 offenbart. Die Druckschrift DE 10 2008 031 615 A1 zeigt eine als Ganzes handhabbare und als Einheit montierbare Generator-Baueinheit, die von der eigentlichen Antriebswelle eines Unterwasserkraftwerks getrennt transportiert und montiert werden kann. Diese umfasst mit einem Generatorläufer und einem Generatorstator die Grundkomponenten eines elektrischen Generators. Zusätzlich ist ein Generatorgehäuse Teil der Generator-Baueinheit. Die Steuerungs- und Leistungskomponenten des elektrischen Generators können zusätzlich in die Generator-Baueinheit aufgenommen werden.
Die Druckschrift DE 10 2008 061 912 A1 beschäftigt sich mit Lagerkissen, beispielsweise für seewassertaugliche Gleitlager. Für einen sich hydrodynamisch aufbauenden Schmierfilm und der damit verbundenen parabolischen Druckentwicklung für weiche beziehungsweise elastische Gleitbeläge tritt eine konkave Einfederung im zentralen Bereich auf. Diese führt zu einer Lagerspalterweiterung und einem Einbruch der Druckverteilung im mittleren Bereich der Gleitfläche. Dem wird dadurch entgegengewirkt, dass die Materialstärke des Gleitbelags in Richtung der Flächennormalen der Gleitfläche an den beim Betrieb auftretenden Schmierfilmdruck angepasst wird. In den Bereichen hohen Drucks, welche um das Flächenzentrum der Gleitfläche liegen, wird eine verringerte Materialstärke verwendet, während die Randbereiche eine hohe Materialstärke aufweisen. Dabei bleibt das Profil der Gleitfläche erhalten, das typischerweise jenem der Gegenlauffläche entspricht. Die Anpassung der Materialstärke des Gleitbelags erfolgt durch eine entsprechende Profilierung der Auflagefläche am Grundkörper, die der Rückseite des Gleitbelags gegenüberliegt. Im einfachsten Fall wird ein erhabener Sockel im Zentralbereich der Auflagefläche des Grundkörpers vorgesehen. Eine genauere Anpassung kann durch einen mehrfach gestuften oder konvexen Verlauf der Auflagefläche bewirkt werden.
Die Druckschrift DE 10 2008 006 899 A1 offenbart ein Konzept zur Lagerung einer Antriebswelle eines Unterwasserkraftwerks. Hier wird eine Lageranordnung zur Lagerung einer Welle bereitgestellt, wobei die Lageranordnung wenigstens ein Radialgleitlager und wenigstens ein Axialgleitlager aufweist und wobei die Lageranordnung durch von außen eindringendes Wasser schmierbar ist.
Die 3 zeigt einen schematischen Aufbau eines Unterwasserkraftwerks. Die 3 illustriert eine Maschinengondel 300 mit einem segmentierten Aufbau. An die Maschinengondel 300 schließen sich im vorderen Bereich eine Haube 305 und eine propellerförmige Wasserturbine 310 an. Die Maschinengondel 300 umfasst zwei Segmente 315 und 320, die die Antriebswelle 325 enthalten. In einem weiteren Segment 330 befindet sich ein Generator 335, der mit der Antriebswelle 325 gekoppelt ist. Eine weitere Haube 340 schließt das Unterwasserkraftwerk nach dem Generator 335 ab.
Die Haube 305 bildet mit der Wasserturbine 310 eine umlaufende Einheit, die mit der Antriebswelle 325 gekoppelt ist. Zur Lagerung der Antriebswelle 325 sind mehrere Gleitlager vorgesehen. Im der Wasserturbine 310 zugewandten vorderen Bereich der Antriebswelle 325 befindet sich ein Radialgleitlager 345. Im dem Generator 335 zugewandten hinteren Bereich der Antriebswelle 325 befindet sich ein weiteres Radialgleitlager 350. Axiale Kräfte der Antriebswelle werden durch die beiden Axialgleitlager 355 und 360 aufgenommen, die eine mit der Antriebswelle 325 verbundene Spurscheibe 365 axial abstützen.
Die Gleitlager 345, 350, 355 und 360 können dabei seewasserfest ausgeführt sein, insbesondere wassergeschmiert. Damit ist es möglich den gesamten Innenbereich der Maschinengondel 300 zu fluten und auf aufwändige Abdichtungen, insbesondere der Lager zu verzichten.
Die zum Einsatz kommenden Gleitlager 345, 350, 355 und 360 werden teilweise direkt auf der Antriebswelle 325 realisiert. Zur Realisierung der Radialgleitlager 345, 350 werden an den beiden jeweiligen Enden der Welle 325 über eine Breite von ca. 100–4000 mm sehr harte Beschichtungen aufgetragen, die dann jeweils den Innenring für eines der Radialgleitlager 345, 350 darstellen. Als Beschichtungsverfahren kann z.B. das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (auch HVOF, abgeleitet von High-Velocity-Oxygen-Fuel) oder ein anderes thermisches Beschichtungsverfahren zur Oberflächenbehandlung verwendet werden. Darüber hinaus kann an diesen Stellen zunächst ein Stahlring durch Schweißen aufgebracht werden und auf dessen Oberfläche die Beschichtung erfolgen. Das Lager läuft dabei direkt im Wasser bzw. Seewasser.
Bei der konventionellen Vorgehensweise werden Abschnitte der Antriebswelle 325 mit einer Beschichtung versehen, bzw. erfolgt zunächst eine Befestigung von Lagerringen auf den jeweiligen Wellenenden durch Schweißen und anschließend eine Beschichtung dieser Ringe. Darüber hinaus müssen die beschichteten Stellen nachbearbeitet werden, z.B. durch Schleifen. Ein Austausch der Lager bei einem Schaden ist nicht direkt möglich, so dass im Schadenfall die komplette Welle repariert bzw. ausgetauscht werden muss.
Nachteilig an den konventionellen Konzepten ist die Notwendigkeit, eine große einteilige Welle handhaben zu müssen. Die Länge einer solchen Antriebswelle kann mehrere Meter betragen, wobei der Durchmesser ebenfalls über einem Meter liegen kann. Typische Werte sind 0,1–15 m Länge bei einem Durchmesser von 30 mm–6000 mm und dies bei einer Leistung um 0,5 kW–15 MW. Darüber hinaus kann sich das Gewicht einer solchen Antriebswelle leicht auf mehrere Tonnen belaufen, ein typisches Gewicht wäre 0,01–100 t.
Ein Problem besteht nun darin, dass eine sehr große und schwere Antriebswelle 325 gehandhabt, transportiert, auf eine Maschine aufgespannt, ggf. beschichtet werden muss. Dies ist sehr kostenintensiv. Neben der oben beschriebenen Handhabung bei der Montage und der Lagerwartung stellt bei solch großen Wellen die Handhabung generell ein Problem dar. Insbesondere unter Wasser, wo eine solche Welle meist angeseilt bewegt wird, stellt das Bewegen und Ausrichten eine große Herausforderung dar. Nicht zuletzt das hohe Gewicht dieser Wellen bringt für die verwendeten Lager eine hohe Belastung mit sich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zur Lagerung einer Antriebswelle für ein Unterwasserkraftwerk zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch eine Lagerkomponente, ein Lager, eine Antriebswelle und ein Unterwasserkraftwerk gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Ausführungsbeispiele können beispielsweise auf der Erkenntnis beruhen, dass die wirkenden Drehmomente bei einem Unterwasserkraftwerk sehr groß sind. Flansche, die zur mechanischen Kopplung von Lagern und Wellen verwendet werden, müssen dementsprechend dimensioniert werden. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele auf der Erkenntnis beruhen, dass Hohlwellen als Antriebswellen bei Unterwasserkraftwerken eingesetzt werden können. Um die Belastung der Lager zu reduzieren können diese mit Luft oder einem Gas gefüllt werden. Der daraus resultierende Auftrieb kann die Belastung der Lager verringern. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele auf dem Kerngedanken beruhen, dass insbesondere bei mit Luft oder Gas gefüllten Hohlwellen die Flansche abgedichtet sein sollten, um ein Eindringen von Wasser in die Hohlwelle bzw. ein Entweichen des Gases aus der Hohlwelle zu vermeiden. Ausführungsbeispiele können daher zwischen diesen Komponenten eine Dichtung vorsehen.
Ausführungsbeispiele können ferner auf der Erkenntnis beruhen, dass entgegen dem konventionellen Abdichten durch Schweißen und einem entsprechend großen Dimensionieren der Flansche, auch Dichtungen vorgesehen werden können. Diese können insbesondere dann eine gute Dichtwirkung erzielen, wenn diese an den jeweiligen Bauteilen, wie z.B. Lagern, Wellen und Flanschen, in dafür vorgesehenen Ausnehmungen oder Nuten vorgesehen sind. Hier und im Folgenden werden unter den Begriffen Bauteil oder Bauelement z.B. Komponenten eines Unterwasserkraftwerks verstanden, d. h. Lagerringsegmente, Lagerringe, Lager, Wellen, an diesen vorgesehene Flansche, etc.
Ausführungsbeispiele können daher eine Lagerkomponente für ein Lager bereitstellen, die eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung der Lagerkomponente an einem zu lagernden Bauelement umfasst, wobei die Lagerkomponente eine Ausnehmung für eine Dichtung aufweist, derart dass die Lagerkomponente mit dem zu lagernden Bauelement zumindest wasserdicht verbindbar ist. In Ausführungsbeispielen kann die Lagerkomponente als Lagersegment, Lagerscheibensegment, Lagerringsegment, Lagerring oder Lagerscheibe ausgebildet sein. Die wasserdichte Verbindung kann beispielsweise verhindern, dass beim Einsatz unter Wasser, Wasser in das Innere einer Hohlwelle oder eines Lagers gelangt. Das Lager kann beispielsweise ein Radiallager oder ein Axiallager sein. Insofern umfassen Ausführungsbeispiele Lagerringe, Lagerringsegmente, Lagerscheiben oder deren Segmente eines Axiallagers, etc.
In einigen Ausführungsbeispielen kann auch vorgesehen sein, dass das abgedichtete Innere einer Konstruktion aus einem Lager und einer Welle unter Druck steht, d. h. beispielsweise unter Druck mit Gas oder Luft befüllt wird. Dieser Druck kann dann dem Druck des Wassers entgegenwirken. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Konstruktion im Innern auch ein Vakuum aufweisen, beispielsweise um den Auftrieb weiter zu erhöhen. In Ausführungsbeispielen kann die Lagerkomponente mit dem zu lagernden Bauelement gasoder luftdicht verbindbar sein. Im Falle eines Axiallagers kann die Lagerkomponente als Axiallagerscheibensegment oder als Axiallagerscheibe ausführt sein, so dass das Lagerringsegment oder der Lagerring auch selbst als Abdichtung der Hohlwelle dienen kann.
In manchen Ausführungsbeispielen können Dichtungen besonders vorteilhaft sein, wenn an den Verbindungsflächen der Bauteile Reibbeschichtungen vorgesehen sind, um eine Reibkraft zwischen den Bauteilen zu erhöhen. So kann zum einen auf eine Verschweißung verzichtet werden und, aufgrund der Reibkraft zwischen den Bauteilen, kann des Weiteren auf Montagemittel, wie Bohrungen, Bolzen, Schrauben, etc. verzichtet werden. Der Vorteil der Verringerung der Montagemittel kann jedoch einen Nachteil der erschwerten Abdichtung mit sich bringen. Diesen Nachteil können Ausführungsbeispiele durch dafür vorgesehene Ausnehmungen an den Bauteilen beheben, da die Ausnehmungen eine Verwendung von Dichtungen erlauben, die wiederum eine Abdichtung der Bauteile untereinander ermöglichen.
Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele vorsehen, die notwendigen Befestigungsmittel, wie z.B. Schrauben oder Bolzen, die zur Befestigung der Lagerkomponente an einem zu lagernden Bauteil verwendet werden, möglichst aufwandgünstig zu halten, d. h. beispielsweise mit möglichst wenig Schrauben auszukommen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Beschichtung an der Lagerkomponente bzw. an dem zu lagernden Bauteil aufgebracht wird, die eine Reibkraft zwischen dem Lagerring/-komponente und dem zu lagernden Bauteil erhöht. Durch die erhöhte Reibkraft können Befestigungsmittel, wie z.B. Schrauben oder Bolzen, eingespart werden. Dies reduziert den Wartungs- und Montageaufwand, da die entsprechenden Teile somit schneller montiert und demontiert werden können. Dabei braucht durch die oben beschriebenen Abdichtungsmaßnahmen nicht auf eine Verwendung von Luft oder Gas gefüllten Hohlwellen, bzw. auf unter Vakuum stehende Bauteile, verzichtet zu werden.
Ausführungsbeispiele können daher eine Lagerkomponente vorsehen, die eine Beschichtung umfasst, die eine Reibkraft zwischen der Lagerkomponente und dem zu lagernden Bauteil erhöht und die Ausnehmung an die Beschichtung grenzt.
Ein weiterer Kerngedanke von einigen Ausführungsbeispielen liegt in der Ausstattung eines Lagers oder der Lagerkomponente mit einem Flansch, so dass dieses oder diese kraftschlüssig mit einer Antriebswelle gekoppelt werden kann und/oder in einer entsprechenden Beschichtung des Flansches. Eine derartige Ankopplung kann dann an beiden Enden der Antriebswelle erfolgen, d. h. im Falle eines Unterwasserkraftwerks zur Lagerung des einer Wasserturbine zugewandten Bereichs und/oder des einem Generator zugewandten Bereichs. Die Radiallager oder auch Axiallager können an den jeweiligen Enden der Welle angeflanscht werden. Die Lager können dann aus einem Stück bestehen, ein Aufschweißen von Ringen auf die Welle kann entfallen. Die Handhabung der Lager kann somit bei ihrer Herstellung erleichtert werden. Diese können beliebig beschichtet werden, ein Beschichten der Welle mit einer Gleitbeschichtung kann entfallen. Zur Abdichtung kann dementsprechend eine Ausnehmung für eine Dichtung an dem Flansch und/oder an der Welle bzw. deren Flansch vorgesehen sein.
In Ausführungsbeispielen kann als Befestigungsmöglichkeit auch ein Flansch an einer Lagerkomponente z.B. an dessen axialem Ende, vorgesehen sein. Dieser kann ebenfalls aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein, die jeweils untereinander gleich oder unterschiedlich sein können. In Ausführungsbeispielen können beispielsweise Lagerringsegmente entsprechende Flanschsegmente aufweisen. Wenn im Folgenden der Flansch beschrieben wird, kann dieser daher ebenfalls einstückig bzw. einteilig, oder mehrstückig bzw. mehrteilig, d. h. aus Flanschsegmenten zusammengesetzt, ausgebildet sein. In Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung oder die Ausnehmung demnach auch an dem Flansch vorgesehen sein.
Dieser Flansch dient z. B. zur Befestigung der Lagerkomponente an der Antriebswelle. In Ausführungsbeispielen kann der Flansch sowohl an einem Lagerinnenring als auch an einem Lageraußenring als Lagerkomponente angebracht sein. In Ausführungsbeispielen kann der Lagerring oder die Lagerscheibe mit dem Flansch einstückig ausgebildet sein. In anderen Ausführungsbeispielen können Lagerring und Flansch auch mehrstückig ausgebildet sein.
Durch die mechanische Trennung von Lager und Antriebswelle kann sich die Wartung erheblich erleichtern. Bei Wartungsarbeiten an dem Lager oder der Welle muss nicht mehr die ganze Antriebswelle, bzw. der ganze Antriebsstrang gewechselt werden, sondern Antriebswelle und Lager können nach der mechanischen Entkopplung auch getrennt voneinander entnommen und gewartet werden. Dieser Vorteil wächst mit der Anzahl der mechanisch entkoppelten Lager. In anderen Worten kann die Antriebswelle über mehrere entkoppelte bzw. angeflanschte Lager gelagert werden, wobei sich der Wartungsaufwand aufgrund der Möglichkeit der getrennten Handhabung für jedes entkoppelte Lager reduziert.
Darüber hinaus kann der Wartungsaufwand durch die reibkrafterhöhende Beschichtung weiter gesenkt werden, da die Befestigungsmittel, z.B. für die Befestigung des Lagers an der Antriebswelle, und damit Montage- und Wartungszeiten reduziert oder minimiert werden können. An einer Hohlwelle vorgesehene Ventile können darüber hinaus auch ermöglichen, diese nach der Montage mit Luft oder Gas zu befüllen. Z.B können diese über entsprechend vorgesehene Ausnehmungen an den Bauteilen gegeneinander entsprechend abgedichtet werden. In Ausführungsbeispielen kann demnach an einem Bauteil eine Ausnehmung für eine Dichtung angepasst sein, um bei Befestigung einer Antriebswelle, einen Hohlraum, der sich in der Antriebswelle und/oder in dem Lager befinden kann, abzudichten.
Ausführungsbeispiele können demnach auch ein Lager mit einer oben beschriebenen Lagerkomponente schaffen. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele auch eine Antriebswelle für ein Unterwasserkraftwerk umfassen, die eine Ausnehmung für eine Dichtung aufweist, derart dass die Antriebswelle mit einer Lagerkomponente zumindest wasserdicht verbindbar ist. Die Antriebswelle kann dabei als Hohlwelle ausgeführt sein, es sind aber auch Ausführungsbeispiele möglich, bei denen die Antriebswelle massiv ist und dennoch mit der Lagerkomponente wasserdicht verbindbar ist, um die Lagerkomponente oder einen Spalt zwischen der Antriebswelle und der Lagerkomponente abzudichten. Die Antriebswelle kann eine Beschichtung aufweisen, die eine Reibkraft zwischen der Antriebswelle und einer daran anzubringenden Lagerkomponente erhöht, wobei die Ausnehmung an die Beschichtung grenzt.
Ferner können Ausführungsbeispiele auch ein Unterwasserkraftwerk mit einer Lagerkomponente oder einem Lager und einer Antriebswelle gemäß der obigen Beschreibung umfassen, wobei die Lagerkomponente mit der Antriebwelle zumindest wasserdicht verbunden ist. Alternativ kann das Unterwasserkraftwerk eine Lagerkomponente, ein Lagerringsegment, einen Lagerring oder ein Lager auch ohne Ausnehmung umfassen und eine Antriebswelle ohne Ausnehmung, sofern diese miteinander mechanisch gekoppelt sind und sich zwischen diesen zur Abdichtung eine Dichtung befindet. Ausführungsbeispiele von Unterwasserkraftwerken und deren Komponenten können an den Einsatz unter Wasser generell angepasst sein. Beispielsweise können Ausführungsbeispiele für den Einsatz in Ozeanen, in Flüssen, Schleusen, Sperrwerken, etc. angepasst sein, d. h. allgemein für den Einsatz in Salz- und Süßwasser. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele für verschiedene Tiefen, variablen Wasserdruck, Temperaturen usw. ausgelegt sein.
Ausführungsbeispiele können eine separate Fertigung der Lager ermöglichen. Darüber hinaus reduzieren sich das Gewicht der Antriebswelle und das Gewicht des Lagers. Insgesamt können der Logistikaufwand und die damit verbundenen Kosten reduziert werden.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Bearbeitung der nun kleineren Bauteile, d. h. Lager und Antriebswelle, getrennt voneinander ermöglicht werden. Dadurch können kleinere Fertigungsanlagen genutzt werden, was die Fertigungskosten weiter reduzieren kann. Darüber hinaus kann die Fertigungspräzision erhöht werden und die Lager können separat individuell beschichtet werden. Dadurch ergeben sich auch hinsichtlich der Beschichtung weitere Möglichkeiten, wie z.B. Tauchen/Badbehandlung, da eine direkte Beschichtung auf der Wellenoberfläche nicht mehr notwendig ist. Auch kommt es nicht mehr zu Verzug durch Schweißen und es sind keine Reinigungsarbeiten notwendig, die bei konventionellen Konzepten nach dem Verschweißen anfielen. Durch an den Bauteilen vorgesehene Ausnehmungen können bei der Montage Dichtungen verwendet werden, die ein völliges Abdichten der Komponenten untereinander ermöglichen.
Das komplexe konventionelle System kann somit durch Ausführungsbeispiele in mehrere vereinfachte Teilsysteme zerlegt werden. Die einzelnen Teilsysteme können aufwandsgünstiger bearbeitet werden, bzw. können diese erst aufgrund der Zerlegung bestimmten Prozess- oder Bearbeitungsschritten zugänglich gemacht werden. Dies kann eine bessere Anpassung bzw. Optimierung der Prozesse an die Teilsysteme und damit eine Kostenreduktion ermöglichen. Stillstandszeiten der Anlage können reduziert werden, insbesondere dadurch, dass nunmehr Lagerwechsel vor Ort möglich sind. Auch wird durch Ausführungsbeispiele eine Lageraufbereitung ohne großen Logistikaufwand möglich. Auch dadurch kann eine Kostenreduktion bei Herstellung – Montage und Wartung erzielt werden. In Ausführungsbeispielen können Lager separat bearbeitet werden, dadurch werden tribologisch günstigere Oberflächengestaltungen möglich, beispielsweise ein Einbringen von anwendungsgerechten Schmiernuten und Bohrungen wird erleichtert und nicht zuletzt auch das Vorsehen von Ausnehmungen für die Dichtungen. Darüber hinaus können Schmierstoffleitungen und Zuführsysteme für Schmierstoffe leichter in das System eingebracht werden, wodurch sich letztendlich wiederum der Wartungsaufwand und damit die Betriebskosten senken lassen können.
Durch Beschichtung der Antriebswelle oder der Befestigungsseite des Lagers oder von beiden kann der Befestigungsaufwand des entkoppelten Lagers reduziert werden. Die Befestigungsmittel können entsprechend reduziert werden, wenn die Reibung zwischen Lagerringsegment bzw. Lagerring oder Lagerscheibe auf deren Befestigungsseite entsprechend vergrößert werden kann. Entsprechend weniger Befestigungsmittel, wie Schrauben, Nieten, etc. sind notwendig, um eine sichere Befestigung zu gewährleisten. Um eine sichere Befestigung zu gewährleisten, muss ein Verdrehen bzw. Mitwandern des Lagerrings in Umfangsrichtung verhindert werden. Dies sollte auch dann gewährleistet sein, wenn es zu einem Kontakt zwischen Lagerinnen- und Lageraußenring, bzw. zwischen Lagerscheibe und Scheibenführung kommen sollte.
Ausführungsbeispiele können daher eine Beschichtung der Lagerkomponente und/oder einem zu lagernden Bauteil derart vorsehen, dass sich ein Kraftschluss zwischen dem jeweiligen Lagerring und dem zu lagernden Bauteil, wie z.B. der Antriebswelle erhöht. Die Beschichtung kann verschiedene Eigenschaften besitzen wie z.B. einen extrem großen Reibkoeffizienten. Die Gegenseite kann ebenfalls beschichtet werden, d. h. in Ausführungsbeispielen können sowohl die Lagerkomponente, z.B. der Lagerring, bzw. dessen Segment, als auch das zu lagernde Bauteil, z.B. eine Antriebswelle, beschichtet sein. Die Ausnehmungen für die Dichtung können dabei auch innerhalb der Beschichtung liegen, in manchen Ausführungsbeispielen können sich die Ausnehmungen auch nur auf die Beschichtung beziehen, d. h. eine Ausnehmung kann auch durch eine Unterbrechung der Beschichtung realisiert sein.
Die Segmente können in Ausführungsbeispielen so auf die Welle montiert werden, dass die Seite mit der Reibbeschichtung auf der Stirnseite der Antriebswelle bzw. auf der Wellenschulter und/oder auf der Wellenachse liegt. Die Befestigung kann z.B. mittels Schrauben, Bolzen, Stiften, Nieten, Kleben, Stecken, etc. erfolgen. Durch die Reibbeschichtung kann der Widerstand der Segmente gegen ein Mitdrehen bzw. Mitwandern in Umfangsrichtung stark erhöht werden. Dies kann in Ausführungsbeispielen zur Folge haben, dass wesentlich weniger Befestigungselemente für die Anbringung der Segmentstücke an der Wellenschulter erforderlich sind. Dadurch wird auch die Welle selbst weniger stark geschwächt. Gleichzeitig können auch die Ausnehmungen für die Dichtung an der Stirnseite der Antriebswelle vorgesehen sein, z.B. so, dass sich eine Ausnehmung an der Antriebswelle mit einer Ausnehmung an dem Lagerring oder der Lagerscheibe oder dessen/deren Flansch überdeckt. In dem so entstehenden Hohlraum kann eine Dichtung derart vorgesehen werden, dass diese zwischen den Ausnehmungen verklemmt und so eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet.
Die genannten Vorteile können insbesondere in Ausführungsbeispielen von Gleitlagern auftreten, da hier, insbesondere beim Einsatz in wassergeschmierten Unterwasserkraftwerken, hohe Anlaufmomente und damit Anlaufbelastungen vorkommen können. Die Überwindung dieser hohen Anlaufdrehmomente kann gerade durch die Beschichtung und die erhöhte Reibkraft in Ausführungsbeispielen erleichtert werden, wobei durch die vorgesehenen Ausnehmungen und Dichtungen nicht auf eine Nutzung des Hohlraums zur Erzielung von zusätzlichem Auftrieb der Welle verzichtet werden braucht.
Ausführungsbeispiele können demnach beispielsweise an den Seitenflächen der Lager, der Welle, eines Rotor, eines Generators oder einer Turbine eine Beschichtung mit einem Reibbelag und eine Dichtung vorsehen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert. Es zeigen
1a–e Ausführungsbeispiele von Lagerkomponenten, Lagerringen, bzw. Lagerringsegmenten, und Antriebswellen;
2a ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lagerrings, bzw. von Lagerringsegmenten;
2b eine Übersicht verschiedener Dichtungsquerschnitte in Ausführungsbeispielen;
2c eine Übersicht verschiedener Montagemöglichkeiten und Abdichtungsmöglichkeiten in Ausführungsbeispielen; und
3 ein konventionelles Unterwasserkraftwerk.
Die 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lagerkomponente in Form eines Lagerrings 110a, bzw. eines Lagerringsegments 110a. Unter einem Lagerringsegment 110a wird im Folgenden ein Teil eines Lagerrings 110a verstanden. Das Lagerringsegment kann demnach beispielsweise einen gewissen Winkelbereich eines Lagerrings 110a umfassen, d. h. in Ausführungsbeispielen können mehrere gleiche oder auch ungleiche Lagerringsegmente einen Lagerring bilden. Ausführungsbeispiele von Lagerringsegmenten sind nicht auf eine bestimmte Unterteilung eines Lagerrings in Lagerringsegmente beschränkt, es sind beliebige axiale und auch radiale Segmentierungen denkbar. Darüber hinaus können in Ausführungsbeispielen sowohl Radiallager- als auch Axiallagersegmente vorkommen, ein Beispiel eines Radiallagers wird in der 1a erläutert.
In der 1a ist dabei das gesamte Radiallager 100 mit einem Innenring 110a und einem Außenring 140 in einem Querschnitt dargestellt. In anderen Worten ist der Lagerring 110a, bzw. das Lagerringsegment 110a, in dem Ausführungsbeispiel der 1a als Lagerinnenring 110a, bzw. als Lagerinnenringsegment 110a, ausgeführt. Bei der folgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen wird Bezug auf einen Lagerring genommen, wobei sich die Ausführungen ebenso auf ein Lagerringsegment, auf Lagerscheibensegmente und auf Lagerscheiben beziehen. Auf eine Wiederholung gleicher Ausführungen für einen Lagerring und ein Lagerringsegment kann teilweise zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet werden. Dies betrifft ebenso Ausführungen hinsichtlich eines Flansches bzw. eines Flanschsegmentes.
Die 1a zeigt darüber hinaus einen Teil der Antriebswelle 130. Das Lagerringsegment 110a für ein Radiallager 100, bzw. allgemein die Lagerkomponente für ein Lager, umfasst eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung des Lagerringsegments 110a an einem zu lagernden Bauelement 130, wobei das Lagerringsegment 110a eine Ausnehmung 115 für eine Dichtung 119 aufweist, derart dass das Lagerringsegment 110a mit dem zu lagernden Bauelement 130 zumindest wasserdicht verbindbar ist. Selbiges gilt für ein Ausführungsbeispiel eines ganzen Lagerrings 110a bzw. allgemein einer Lagerkomponente, die in Ausführungsbeispielen als Lagersegment 110, 110a, 110b, Lagerscheibensegment, Lagerringsegment 110, 110a, 110b, Lagerring 110, 110a, 110b oder Lagerscheibe ausgebildet sein kann. In der 1a und im Folgenden sind die einzelnen Komponenten jeweils nur oben in der Figur mit Bezugszeichen versehen. In den Querschnittsansichten sind die Komponenten im unteren Teil der jeweiligen Figur ebenfalls zu erkennen. Die Ausnehmungen 115, 117 können demnach beispielsweise in der Stirnfläche der Komponenten verlaufende geschlossene Nuten sein.
Ausführungsbeispiele umfassen auch Lagerkomponenten wie Lagerringe, Lagerscheiben oder Segmente derselben von Axiallagern. Insofern bezeichnet der Begriff Lagerkomponente bei Axiallagern auch Lagerscheiben. Beispielsweise können diese eine Axiallagerscheibe vorsehen, an die eine Antriebswelle 130 befestigt wird. Die Antriebswelle 130 kann z.B. in zwei Teile geteilt sein, zwischen die die Axiallagerscheibe angeordnet wird. Die Axiallagerscheibe kann dann einseitig oder beidseitig Ausnehmungen für Dichtelemente zur Abdichtung der jeweiligen Antriebswellenteile gegenüber der Axiallagerscheibe aufweisen.
Beispielsweise kann ein Axiallagerscheibensegment oder eine Axiallagerscheibe zum Einsatz in einem Gleitlager einer Antriebswelle 130 eines Unterwasserkraftwerks angepasst sein. Ausführungsbeispiele können aber auch allgemein den Einsatz in Gleitlagern vorsehen. In Ausführungsbeispielen können auch Dichtungen zwischen den Segmenten vorgesehen sein. Dadurch kann z.B. ein Hinterspülen der Segmente verhindert werden. Darüber hinaus kann eine Dichtung oder ein Dichtmittel zwischen den Segmenten dazu beitragen, einen herstellungs- und/oder montagebedingten Spalt zwischen den Segmenten zu schließen. Dies kann ferner dazu beitragen, Abrisse des Schmierfilms im Betrieb zu reduzieren bzw. zu verhindern. Beispielsweise können hier Dichtlippen zwischen den Segmenten eingesetzt werden. In Ausführungsbeispielen können die Axiallagerscheibensegmente oder Radiallagerringsegmente auch anvulkanisierte Dichtlippen oder Dichtungen aufweisen.
Ferner zeigt die 1a, dass die Lagerkomponente, d. h. z.B. das Lagerringsegment bzw. der Lagerring 110a eine Beschichtung 125 umfasst, die eine Reibkraft zwischen dem Lagerringsegment 110a und dem zu lagernden Bauteil 130 erhöht. Die 1a zeigt dabei die Beschichtung 125 am Beispiel des Innenlagerrings 110a. Darüber hinaus zeigt die 1a eine beidseitige Beschichtung 125, d. h. sowohl der Innenlagerring 110a ist gemäß einem Ausführungsbeispiel beschichtet als auch die Antriebswelle 130. Die Antriebswelle selbst weist ferner ebenfalls eine Ausnehmung 117 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel der Ausnehmung 115 des Lagerrings 110a gegenüberliegt. In Ausführungsbeispielen können Ausnehmungen 115, 117 generell als Nuten, Gräben, An- oder Abschrägungen, Beschichtungsunterbrechungen, Vertiefungen, etc. ausgeführt sein. In Ausführungsbeispielen kann eine Ausnehmung 115, 117 derart ausgebildet sein, dass sich im Zusammenspiel mit dem lagernden Bauteil 130 ein Hohlraum für eine Dichtung 119 ergibt, wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird.
Im Allgemeinen umfassen Ausführungsbeispiele demnach auch eine Antriebswelle 130 für ein Unterwasserkraftwerk, die eine Ausnehmung 117 für eine Dichtung aufweist, derart dass die Antriebswelle 130 mit einer Lagerkomponente, z.B. einem Lagerringsegment 110a oder einem Lagerring 110a, zumindest wasserdicht verbindbar ist. Die Antriebswelle 130 kann dabei als Hohlwelle oder massiv ausgeführt sein, je nachdem wo sich der abzudichtende Hohlraum im Antriebsstrang befindet. Die Antriebswelle 130 kann eine Beschichtung 125 aufweisen, die eine Reibkraft zwischen der Antriebswelle 130 und einer daran anzubringenden Lagerkomponente, wie einem Lagerringsegment 110a oder einem daran anzubringenden Lagerring 110a, erhöht, wobei die Ausnehmung 117 an die Beschichtung 125 grenzt.
Die Lagerkomponente kann mit dem zu lagernden Bauelement 130 gas- oder luftdicht verbindbar sein, d. h. die Verbindung kann derart abgedichtet werden, das auch ein unter Druck stehendes Gas nicht entweicht. Darüber hinaus kann die Abdichtung derart ausgebildet sein, dass selbst wenn sich im Innern der mit dem Lager abgedichteten Hohlwelle ein Vakuum befindet und die ganze Anordnung sich unter Wasser befindet, kein Wasser ins Innere der Anordnung dringen kann. Der Wasserdruck kann dabei, gerade in größeren Tiefen, erheblich sein. Der Wasserdruck erhöht sich um etwa je 1bar pro 10 m Wassertiefe. Die Abdichtung kann in Ausführungsbeispielen ausgebildet sein, um einem Wasserdruck von 1 bar, 5 bar, 10 bar, 20 bar, 50 bar, 100 bar, 200 bar, 500 bar oder 1000 bar standzuhalten. Es sei darauf hingewiesen, dass im Folgenden die Beschichtung in den Figuren jeweils zweiseitig dargestellt ist, Ausführungsbeispiele können aber ebenfalls einseitige Beschichtungen umfassen. Darüber hinaus ist die Beschichtung in den Figuren der Übersichtlichkeit halber lokal begrenzt dargestellt. In Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung auch größere Flächen wie z.B. ganze Seitenflächen oder Oberflächen umfassen.
In Ausführungsbeispielen kann die Lagerkomponente, z.B. das Lagerringsegment 110a oder der Lagerring 110a, als Befestigungsmöglichkeit an einem axialen Ende einen Flansch 120 aufweisen, wobei der Flansch 120 die Ausnehmung 115 und/oder die Beschichtung 125 aufweist. In einfachen Ausführungsbeispielen kann die Befestigungsmöglichkeit auch beispielsweise durch Bohrungen realisiert sein. Ein solches Ausführungsbeispiel illustriert die 1b. Der dort gezeigte Lagerring 110a für ein Radiallager 100 für eine Antriebswelle 130 weist an einem axialen Ende einen Flansch 120 auf, wobei der Flansch 120 die Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung des Lagerrings 110a an der Antriebswelle 130 aufweist. Die Befestigungsmöglichkeit kann beispielsweise Befestigungsmittel, wie z.B. Bohrungen, Gewinde, Schweißbolzen, Schweißmuttern, Schrauben, Stege oder Nuten, Klemmen, etc. umfassen.
Unter einem Flansch sei hier ein Steg, eine Nase, eine Feder, ein Fortsatz o. ä. verstanden, der zur Befestigung an einem anderen Bauelement dient. Das jeweilige andere Bauelement kann dabei ebenfalls Befestigungsmittel oder Befestigungsmöglichkeiten wie Bohrungen, Gewinde, Schrauben, Schweißbolzen, Stege oder Nuten, Klemmen etc. aufweisen.
Darüber hinaus kann der Flansch 120 in Ausführungsbeispielen Nuten, Stege, oder eine Verzahnung aufweisen, um beispielsweise einen sicheren Eingriff an der Antriebswelle 130 und eine gegen ein Verdrehen gesicherte Verbindung mit der Antriebswelle 130 zu erreichen. Die Antriebswelle kann in Ausführungsbeispielen entsprechend ausgebildet sein.
Wie sich aus den 1a und 1b erkennen lässt, kann das Lagerringsegment 110a oder der Lagerring 110a zur Lagerung einer Antriebswelle 130 eines Unterwasserkraftwerks angepasst sein, wobei die Ausnehmung 115 für die Dichtung 119 angepasst ist, um bei Befestigung an einer Antriebswelle 130, einen Hohlraum der Antriebswelle 130 und/oder eines Lagers abzudichten. In Ausführungsbeispielen kann die Antriebswelle 130 als Hohlwelle oder massiv ausgeführt sein. In Ausführungsbeispielen kann zur Abdichtung des Lagerrings 110a an dessen dem zu lagernden Bauteil abgewendeten axialen Ende, eine weitere Abdichtung vorgesehen sein. Z. B. kann hier eine Art Abdeckung erfolgen oder es kann sich eine Abdeckung mit einem oder durch ein Gehäuse ergeben. Beispielsweise kann sich dann der Hohlraum einer Antriebswelle um denjenigen eines Lagerrings erweitern und durch ein Gehäuse abgeschlossen werden.
In Ausführungsbeispielen kann der Lagerring 110 als Lagerinnenring 110a, wie in den 1a und 1b gezeigt, oder als Lageraußenring 110b ausgeführt sein. Die 1c zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem der Lagerring 110b als Lageraußenring 110b ausgebildet ist. In anderen Worten ausgedrückt, kann der Flansch 120 auch an einem Lageraußenring 110b angebracht sein. In der 1c ist der Lagerinnenring mit den Bezugszeichen 140 gekennzeichnet. Die Ausnehmung 115 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls an dem Flansch 120. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann die Abdichtung eines Hohlraums der Antriebswelle 130 durch den Flansch 120 selbst erfolgen, insofern kann dieser eine Abdeckung bilden. In anderen Ausführungsbeispielen können die nachfolgenden Komponenten, die in den Figuren nicht gezeigt sind, wie z.B. weitere Wellen, ein Gehäuse oder ein Lager eine Abdichtung des Lagers 100 vorsehen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Flansch 120 auch an einer Axiallagerscheibe vorgesehen sein. Beispielsweise kann dieser die Antriebswelle 130 umfassen oder auch in diese hineinragen (Hohlwelle) und dabei die Ausnehmung 115 für die Dichtung 119 aufweisen.
Wie in den Ausführungsbeispielen, die in den 1a, 1b und 1c dargestellt sind, zu erkennen ist, kann sich der Flansch 120 entlang der Rotationsachse des Lagers 100, das heißt in axialer Richtung, erstrecken. Wie die oben aufgeführten Ausführungsbeispiele zeigen, kann der Flansch 120 zumindest teilweise die Antriebswelle 130 umschließen und mit dieser beispielsweise verschraubt, vernietet, o. ä. werden. Da in Ausführungsbeispielen auch Hohlwellen zum Einsatz kommen, ist es darüber hinaus denkbar, dass der Flansch 120 auch in die Antriebswelle 130 hineinragt und von innen an der Antriebswelle 130 befestigt wird, wo sich in diesen Fällen dann auch die Ausnehmung 115 für die Dichtung 119 befinden kann. Die Antriebswelle 130 kann in Ausführungsbeispielen über radiale Befestigungsbohrungen verfügen. Je nachdem, ob der Flansch 120 die Antriebswelle 130 innen oder außen überlappt, können die Befestigungsbohrungen, Gewinde oder allgemein die Befestigungsmittel innen oder außen an der Antriebswelle 120 vorgesehen sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der 1d gezeigt. Die 1d zeigt wiederum ein Radiallager 100 mit einem Lagerring 110a, der hier als Lagerinnenring 110a ausgebildet ist. Die 1d zeigt darüber hinaus einen Lageraußenring 140. In diesem Ausführungsbeispiel ist darüber hinaus der Flansch 120 zu erkennen, der hier auch über eine radiale Ausdehnung verfügt. Die radiale Ausdehnung des Flansches 120 ermöglicht eine Befestigung an der Stirnseite der Antriebswelle 130, die dann beispielsweise Befestigungsbohrungen in axialer Richtung aufweisen kann. An der in radialer Richtung ausgedehnten Seite des Flansches 120 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel auch die Ausnehmung 115. Die Beschichtung 125 kann sich demnach in Ausführungsbeispielen auch auf der Stirnseite des Flansches 120 befinden.
Die 1e zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Lagerring 110b als Lageraußenring 110b ausgebildet ist. Auch hier ist zu erkennen, dass der Flansch 120 neben einer axialen Ausdehnung auch eine radiale Ausdehnung mit entsprechend angeordneter Beschichtung 125 und entsprechend angeordneter Ausnehmung 115 aufweist. Denkbar sind auch andere Ausführungsbeispiele, bei denen der Flansch 120 lediglich eine radiale Ausdehnung aufweist, das heißt nicht primär in axialer Richtung von dem Lagerring 110 weg ragt. In anderen Worten, kann der Lagerring 110 oder die Lagerkomponente in Ausführungsbeispielen einen Flansch 120 aufweisen, der sich in axialer und/oder in radialer Richtung erstreckt und die Beschichtung 125 und/oder die Ausnehmung an einer dem zu lagernden Bauteil 130 zugewandten Seite aufweist.
Ausführungsbeispiele können auch eine Lagerkomponente 110, 110a, 110b ein Lagerringsegment 110, 110a, 110b bzw. einen Lagerring 110, 110a, 110b für ein Lager 100 für eine Antriebswelle 130 eines Unterwasserkraftwerks umfassen. Ferner kann an einem axialen Ende ein Flansch 120 oder ein Flanschsegment 120 vorgesehen sein, wobei der Flansch 120 oder das Flanschsegment 120 eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung des Lagerringsegments 110, 110a, 110b an der Antriebswelle 130 und/oder eine Ausnehmung 115 für eine Dichtung 119 aufweist. Ferner können Ausführungsbeispiele die Beschichtung 125 umfassen, die die Reibkraft zu dem zu lagernden Bauelement 130 erhöht.
Auch das Lagerringsegment 110, 110a, 110b kann als Lagerinnenringsegment 110a oder als Lageraußenringsegment 110b ausgeführt sein. Der Flansch 120 oder das Flanschsegment 120 kann sich in Ausführungsbeispielen in axialer und/oder in radialer Richtung erstrecken. In anderen Worten, kann die Reibkraft zwischen dem Lagerringsegment oder dem Lagerring bzw. der Lagerkomponente 110, 110a, 110b und dem zu lagernden Bauelement 130 entlang der Rotationsachse des Bauelementes 130 erhöht werden, d. h. auf einer axialen Berührungsfläche (Berührungsfläche mit axialer Ausdehnung) mit dem Bauelement 130, wie z.B. in den 1b und 1c gezeigt. In weiteren Ausführungsbeispielen, wie z.B. in den 1a, 1d und 1e gezeigt, kann die Berührungsfläche auch eine radiale Ausdehnung aufweisen. Die Ausnehmung 115 kann in einer einfachen Unterbrechung der Beschichtung 125 bestehen, d. h. sie kann einfach eine Ausnehmung in der Beschichtung darstellen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung 125 im Bereich der Ausnehmung 115 auch eine geringere Dicke aufweisen, sodass die Ausnehmung 115 beispielsweise als Vertiefung in der Beschichtung ausgeführt sein kann.
Ausführungsbeispiele umfassen demnach auch ein Lager 100, z.B. ein Gleit- oder Wälzlager 100, welches eine der oben genannten Lagerkomponenten, wie z.B. Lagerringe 110, 110a, 110b, Lagerscheiben bzw. deren Lagersegmente 110, 110a, 110b aufweist.
Die 2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem auf der linken Seite ein Ausschnitt eines Lagers 100 gezeigt ist. Von dem Lager 100 ist der Lagerring 110 zu sehen. Es ist ferner zu erkennen, dass der Lagerring 110 einen Flansch 120 aufweist, über den der Lagerring 110 an die Antriebswelle 130 befestigt werden kann. Darüber hinaus ist die Beschichtung 125 an der der Antriebswelle 130 zugewandten Seite des Lagerrings 110 bzw. des Flansches 120 zu sehen. An dieser Seite befindet sich ebenfalls die Ausnehmung 115. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich auf gleicher Höhe die Ausnehmung 117 der Antriebswelle 130. In diesem Ausführungsbeispiel bilden die beiden Ausnehmungen 115 und 117 eine kreisförmige Nut in der Stoßebene zwischen dem Lagerring 110 und der Antriebswelle. In dieser Nut kann eine beispielsweise kreisförmige Dichtung verlaufen. Der Querschnitt der Nut wird dabei durch die beiden Ausnehmungen 115, 117 gebildet und ist vorliegend rechteckig. In der 2a ist ferner zu erkennen, dass sowohl der Flansch 120 als auch die Antriebswelle 130 über Bohrungen verfügen, über die eine Verschraubung vorgenommen werden kann. Beispielsweise können hier Schrauben vom Typ M 4–48 zum Einsatz kommen. In Ausführungsbeispielen können die Bohrungen beispielsweise einen Durchmesser größer gleich 3–70 mm, z. B. 10 mm, 20 mm oder 30 mm aufweisen. In gleicher Weise kann auch eine Lagerscheibe oder deren Segment mit einer Antriebswelle zumindest wasserdicht verbunden werden.
Der Lagerring 110 selbst kann in Ausführungsbeispielen einen Außendurchmesser von beispielsweise 2200 mm aufweisen, wobei in der 2a der Außenradius 155 zur Rotationsachse 145 des Lagers dargestellt ist. Generell kann der Außendurchmesser (doppelter Außenradius 155) auch größer gleich 40, 60, 100, 1000, 2000, 3000, 4000, 6000 oder 10000 mm sein. In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Innendurchmesser (der doppelte Innenradius 150) des Lagerrings 110 etwa 1800 mm. In Ausführungsbeispielen kann der Innendurchmesser (doppelter Innenradius 150) des Lagerrings 110 auch größer gleich 20, 30, 50, 500, 1000, 1500, 2000, 3000, 5000 oder 10000 mm sein.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Innendurchmesser des Lagermantels 2000 mm umfassen, dies entspricht dem doppelten Innenradius 160 des Lagermantels gemäß 2a. In anderen Worten ausgedrückt, kann der Lagerring 110 eine Mantelstärke von 200 mm aufweisen. In Ausführungsbeispielen sind aber auch doppelte Innenradii 160 des Lagermantels größer gleich 10, 20, 50, 80, 100, 1000, 2000, 3000, 4000, 6000 oder 10000 mm denkbar. Die Mantelstärke des Lagerrings 110 kann in Ausführungsbeispielen auch größer gleich 10, 30, 50, 100, 200, 300 oder 400 mm sein.
Die Lagerhöhe 170, d. h. die axiale Erstreckung des Lagerrings 110, kann beispielsweise 1000 mm betragen. In Ausführungsbeispielen sind aber auch Lagerhöhen 170 größer gleich 10, 20, 50, 100, 200, 300, 500, 1000, 2000, 3000 oder 4000 mm denkbar.
Wie bereits oben erläutert, können Ausführungsbeispiele auch eine Antriebswelle 130 für ein Unterwasserkraftwerk umfassen, die an zumindest einem axialen Ende Befestigungsmittel oder eine Befestigungsmöglichkeit für den Flansch 120 einer Lagerkomponente, eines Lagerrings 110 oder den Lagerring selbst und die Beschichtung 125 aufweist, sowie eine Ausnehmung 117 für eine Dichtung. Die Antriebswelle 130 kann axiale und oder radiale Bohrungen aufweisen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Antriebswelle 130 selbst wiederum einen Flansch umfassen, um an dem Lagerring 110 oder dessen Flansch 120 befestigt zu werden. Die Ausnehmung 117 kann sich dann auch in dem Flansch der Antriebswelle 130 befinden. In Ausführungsbeispielen kann die Antriebswelle 130 auch Verzahnungen als Befestigungsmittel für den Flansch 120 oder dessen Segmente aufweisen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Antriebswelle 130 auch Bohrungen und eine zusätzliche Verzahnung aufweisen.
Ausführungsbeispiele umfassen auch ein Unterwasserkraftwerk mit einer Lagerkomponente, einem Lagerringsegment 110, 110a, 110b, einem Lagerring 110, 110a, 110b oder einem Lager 100 und einer Antriebswelle 130 gemäß obiger Beschreibung. Alternativ kann ein Ausführungsbeispiel eines Unterwasserkraftwerks auch eine Lagerkomponente, ein Lagerringsegment 110, einen Lagerring 110 oder ein Lager 100 ohne Ausnehmung 115 und eine Antriebswelle 130 ohne Ausnehmung 117 umfassen, sofern diese miteinander mechanisch gekoppelt sind und sich zwischen diesen zur Abdichtung eine Dichtung 119 befindet.
Die Beschichtung 125 kann in Ausführungsbeispielen ein anderes Material als die Lagerkomponente, das Lagerringsegment 110, 110a, 110b, der Lagerring 110, 110a, 110b oder die Antriebswelle 130 umfassen. In Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung 125 Nickel, Wolfram, Kobalt, Chrom, Aluminium, Diamant oder einen keramischen Werkstoff umfassen. Die Beschichtung 125 kann generell Partikel mit einer Mohshärte größer gleich 9 aufweisen.
In Ausführungsbeispielen können die Lagerkomponente, das Lagerringsegment 110, 110a, 110b, der Lagerring 110, 110a, 110b oder die Antriebswelle 130 einen metallischen, einen keramischen oder einen Mischwerkstoff bzw. einen teilkeramischen Werkstoff umfassen. Die Beschichtung 125 kann in Ausführungsbeispielen einseitig, d. h. entweder auf der Seite der Lagerkomponente, des Lagerrings oder auf der Seite der Antriebswelle, oder auch beidseitig vorgesehen sein.
Die Beschichtung 125 dient dazu, eine Reibkraft und damit den Kraftschluss zu dem zu lagernden Bauelement zu erhöhen. Die Reibbeschichtung 125 kann dabei als Hauptbestandteil ein hochfestes, zähes und hartes Metall aufweisen, wobei die Beschichtung 125 in wenigstens einem Oberflächenbereich mit einer quadratähnlichen Grundfläche mit einer Seitenlänge im Bereich um einen Millimeter herum, durch ein Profil mit vielen spitzen Bergen und Tälern gekennzeichnet sein kann. In diesem Oberflächenbereich kann ein Anteil derjenigen Berge und Täler, die eine zur Grundfläche planparallele Ebene überragen, die vom höchsten Berg einen Abstand im Bereich zwischen 15 und 30 pm aufweist, größer als etwa 20% sein.
Die Topographie der Reibbeschichtung 125, insbesondere bei Ausbildung der Beschichtung als flammgespritzte Molybdänbeschichtung, kann einen hohen Flächentraganteil, beispielsweise größer 20%, sowie große Haftreibungszahlen, beispielsweise größer 0,6 oder sogar größer 0,65 bezogen auf eine Paarung besagter Beschichtung mit einem stählernen Gegenstück, bzw. mit der Stirnseite der Antriebswelle, der Wellenspurscheibe oder der Wellenschulter, aufweisen. Analoges gilt in umgekehrter Konfiguration für einen Lagerring, wenn die Wellenseite beschichtet ist.
In Ausführungsbeispielen kann die Reibbeschichtung 125 Partikel mit einer Mohshärte größer gleich 9 und/oder einer vorgebbaren mittleren Korngröße aufweisen. In Ausführungsbeispielen können aber auch Partikel mit einer Mohshärte größer gleich 6, 7 oder 8 vorkommen. Ferner kann die Beschichtung eine Dicke in etwa entsprechend der halben mittleren Korngröße aufweisen. Der Beschichtungsträger, d. h. die unbeschichtete Lagerkomponente, das unbeschichtete Lagerringsegment 110, 110a, 110b, der unbeschichtete Lagerring 110, 110a, 110b oder die unbeschichtete Antriebswelle 130 kann eine Vertiefungen umfassende Oberfläche aufweisen. Ein Anteil von ca. 85% oder mehr der Vertiefungen kann gegenüber einer die jeweilige Vertiefung umgebenden Oberflächenumgebung mit einer Tiefe kleiner ca. 10% und/oder einer Öffnungsweite kleiner gleich ca. 15% der Beschichtungsdicke ausgebildet sein. Die Beschichtung 125 kann auf der Oberfläche des Beschichtungsträgers aufgebracht sein und die Partikel wenigstens in einem unteren, zum Beschichtungsträger hin orientierten Bereich, umschließen.
Die Oberfläche des Beschichtungsträgers, kann demnach derart ausgebildet sein, dass die furchenartigen Vertiefungen gegenüber einer die jeweilige Vertiefung umgebenden Oberflächenumgebung, eine Tiefe kleiner ca. 10% der Beschichtungsdicke und/oder einer Öffnungsweite kleiner ca. 15% der Beschichtungsdicke aufweisen. So kann eine optimale Haftung für die Beschichtung 125 sichergestellt und gleichzeitig verhindert werden, dass Partikel derart in Vertiefungen verschwinden, dass sie nicht zur Reibungserhöhung der Beschichtungsanordnung beitragen.
Die Reibbeschichtung 125 kann beispielsweise Nickel, Wolfram, Kobalt, Chrom, Aluminium, Diamant oder einen keramischen Werkstoff aufweisen. Die Beschichtung 125 kann beispielsweise aus galvanisch aufgebrachtem Nickel gebildet werden, so dass für den Beschichtungsträger gleichzeitig eine Schutzschicht gegen Korrosion verursachende und andere Umwelteinflüsse erzeugt wird.
Darüber hinaus kann die Beschichtung oder können die Beschichtungen Hartpartikel, insbesondere Partikel mit dem Härtegrad von Diamant oder kubischem Bor-Nitrat (CBN) oder von Korund oder Carbid, aufweisen. Die Beschichtungen können sich dadurch auszeichnen, dass sie als reibwerterhöhende Beschichtungen die lösbare Verbindung zwischen den Bauteilen verbessern.
In Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung Zinksilicat umfassen oder die Partikel können z.B. durch Spritzverzinken oder dergleichen entsprechend mit einer reibwerterhöhenden Beschichtung ausgebildet sein. Dadurch, dass die Verbindung spritzverzinkt ist, kann ebenfalls eine zuverlässige, reib-werterhöhende Beschichtung bereitgestellt werden.
In Ausführungsbeispielen können als Partikel Hartpartikel, wie z.B. Diamant verwendet werden, wobei die Partikelgröße größer als 30 pm, vorzugsweise mehr als 35 pm betragen kann. Z.B. kann eine Beschichtung 125 galvanisch auf Nickelbasis zur Diamantbeschichtung mit einer mittleren Partikelgröße von 46 pm (Diamant D46) erzeugt werden.
In Ausführungsbeispielen mit einseitiger Beschichtung 125 kann das Material der Lagerkomponente, des Lagerringsegments 110, 110a, 110b, der Lagerrings 110, 110a, 110b oder der Antriebswelle 130 mit einer größeren Mohshärte und/oder einer größeren Zugfestigkeit gewählt werden als das Material der Antriebswelle 130 oder auch eines Gehäuses, also des zu lagernden Bauelements. Daher können sich die über die Beschichtung 125 hinausragenden Bereiche der Partikel in das zu lagernde Bauelement eindrücken und so die Reibung erhöhen. Die Beschichtung 125 unterhalb der Partikel sowie die Bereiche des Beschichtungsträgers unterhalb der Partikel können gegenüber dem Eindrücken in das Gegenelement/Bauelement nur geringfügig verformt werden. In beidseitig beschichteten Ausführungsbeispielen können auch insbesondere eine harte Beschichtung mit den o. g. Eigenschaften und eine weichere Beschichtung, die gerade zum Aufnehmen oder sich Eindrücken der Partikel vorgesehen ist, vorliegen.
In Ausführungsbeispielen können als Reibbeschichtung 125 Partikel in einer oder wenigen Lagen aufgetragen werden, mit einem sich daran anschließenden Fixieren der Partikel durch ein galvanisch aufgebrachtes Metall, insbesondere Nickel, so dass eine Partikellage fixiert wird, wobei beim Auftragen mehrerer Lagen die überschüssigen Lagen beispielsweise durch ein Bürsten nach dem Fixieren entfernt werden können. Beispielsweise ist eine Beschichtung 125 denkbar, bei der aus der Nickelschicht herausragende Partikelbereiche über 25%, oder bis 40% der Oberfläche der Beschichtung ausmachen, womit letztendlich sehr hohe Haftreibungszahlen von größer 0,7 und auch über 0,8 erzielbar sind. Dabei ist unter einlagig zu verstehen, dass bei einem überwiegenden Anteil der beschichteten Oberfläche, insbesondere größer 75%, tatsächlich nur eine Lage von Partikeln fixiert wird, und lediglich in kleineren Teilbereichen der beschichteten Oberfläche die Partikel auch mehrlagig, insbesondere zweilagig anhaften können.
Als Beschichtungsverfahren sind z.B. thermoplastisches Polymerbeschichten, Nanobeschichten, Plasmabeschichten, Karbidbeschichten, PVD, CVD (Beschichten durch chemisches Gasphasenabscheiden, von engl. chemical vapour depostion), Beschichten mit TiC, TiCN, TiN, AlTiN, DLC (Beschichten mit diamantähnlichem Kohlenstoff, von engl. diamond-like carbon), HVOF, etc., denkbar.
2b zeigt eine Übersicht verschiedener Dichtungsquerschnitte 201 bis 215, wie sie in Ausführungsbeispielen vorkommen können. Die 2b zeigt einen rechteckigen Querschnitt mit einer nach innen gewölbten Seite 201, einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt 202, einen bauchigen oder ovalen Querschnitt 203, einen trapezförmigen Querschnitt 204, stempelförmige sich verjüngende Querschnitte 205, 206, einen kreis- oder ringförmigen Querschnitt 207, einen kreuz- oder sternförmigen Querschnitt 208, einen dreieckigen Querschnitt 209, einen trichterförmigen Querschnitt 210, einen lippenartigen Querschnitt 211, einen an zwei Seiten nach innen gewölbten Querschnitt 212, einen an zwei Seiten nach außen gewölbten Querschnitt 213, Querschnitte mit mehreren Dichtlippen oder Fortsätzen 214, 215 etc.
Die Vielfalt der gezeigten Querschnittsvarianten deutet bereits darauf hin, dass Ausführungsbeispiele nicht auf bestimmte Geometrien von Dichtungen beschränkt sein sollen. Beliebige Querschnitte mit beliebigen Anordnungen von Dichtlippen sind denkbar. Als Dichtung können beispielsweise Runddichtringe, eine Dichtschnur, Klebe-Dichtstoffe (z.B. stoffschlüssige Verbindungen, Kleber, Kitte, Elastomere, etc.), Spezialdichtungen, Metallverbunddichtungen, Textildichtungen, aufblasbare Dichtungen, Flachdichtungen, Profildichtungen, Muffendichtungen, etc. verwendet werden. Diese Dichtungen können aus verschiedenen Materialen und aus unterschiedlichen Formen bestehen. Der Einbau kann radial, axial oder auch in Kombination radial und axial sein.
Die 2c zeigt verschiedene Bauteile mit den Ausnehmungen 115, 117 und deren Kombination mit der Reibschicht 125 und der Dichtung 119. Die 2c I) zeigt einen Ausschnitt eines Lagerrings 110 bzw. eines Lagerringsegmentes 110, wie es bereits anhand der 2a dargestellt wurde. Dabei sind an den beiden Stirnflächen der Lagerings oder auch des Flansches zwei Ausnehmungen 115 gezeigt, in die entsprechende Dichtungen zur Abdichtung eingebracht werden können. Die 2c II) zeigt einen Ausschnitt eines Lagerrings 110 und einer Antriebswelle 130, wobei in dieser Konstellation die Ausnehmung 117 an der Antriebswelle 130 angebracht ist. Dieses Ausführungsbeispiel illustriert, wie der Lagerring mittels eines die Antriebswelle überlappenden Flansches an diese befestigt werden kann.
Die 2c III) illustriert ein Ausführungsbeispiel bei dem die Ausnehmungen 115, 117 an den Kanten der Stirnfläche einer Antriebswelle 130 und eines Lagerrings 110 vorgesehen sind. In der 2c IV) ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Lagerring 110 die Antriebswelle 130 überlappt und sowohl Lagerring 110 als auch Antriebswelle 130 an ihren Stirnflächen eine Reibbeschichtung 125 aufweisen. Eine Ausnehmung 117 ist dabei in Form einer Abschrägung am Rand der Stirnfläche der Antriebswelle 130 vorgesehen, so dass sich die Dichtung 119 in den Eckbereich zwischen der Ausnehmung 117 und den Lagerring 110 einbringen lässt. Die 2c V) illustriert ein Ausführungsbeispiel einer Antriebswelle 130 oder eines Lagerrings 110 mit einer Reibbeschichtung 125, die eine Ausnehmung 115, 117 für eine Dichtung 119 aufweist.
Die 2c VI) zeigt eine Verbindung eines Lagerrings 110 und einer Antriebswelle 130, die jeweils eine Reibbeschichtung 125 aufweisen, und mit zwei gegenüberliegenden Ausnehmungen 115, 117 an ihren Stirnflächen einen Spalt für die Dichtung 119 bilden. Die 2c VII) verdeutlicht noch einmal die wirkenden Kräfte in einem Unterwasserszenario. Der Lagerring 110 und die Antriebswelle 130 sind verschraubt, so dass auf diese die Kräfte F_Schraub jeweils von der rechten und der linken Seite her wirken. Zwischen den beiden Ausnehmungen 115, 116 ist so die Dichtung 119 verklemmt. Von außen, d. h. in der Figur aus der Richtung von oben wirkt Wasserdruck oder die Kraft F_Wasser auf die Dichtung 119 ein. In diesem Ausführungsbeispiel wird von einer mit Gas gefüllten Hohlwelle 130 ausgegangen, so dass auf die Dichtung 119 von innen der Gasdruck oder die Kraft F_Gas wirkt. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Hohlwelle auch unter Vakuum stehen, d. h. einen Unterdruck aufweisen. Für diesen Fall würde die Kraft F_Gas in die entgegengesetzte Richtung wirken.
Die 2c VIII) und 2C IX) zeigen je ein Ausführungsbeispiel eines Unterwasserkraftwerks mit einem Lagerringsegment 110 oder einem Lagerring und einer Antriebswelle 130, die miteinander mechanisch gekoppelt sind und zwischen denen sich zur Abdichtung eine Dichtung 119 befindet. Beide Komponenten weisen dabei eine Reibbeschichtung 125 auf, jedoch keine Ausnehmungen.
Bezugszeichenliste

100: Lager
110a: Lagerinnenring
110b: Lageraußenring
115: Ausnehmung
117: Ausnehmung
119: Dichtung
120: Flansch
125: Beschichtung
130: Antriebswelle
140: Lagerring
145: Rotationsachse
150: Innenradius des Lageraußenrings
155: Außenradius
160: Innenradius des Lagermantels
170: Lagerhöhe
201–215: Dichtungsquerschnitt
300: Maschinengondel
305: Haube
310: Wasserturbine
315: Segment
320: Segment
325: Antriebswelle
330: Segment
335: Generator
340: Haube
345: Radialgleitlager
350: Radialgleitlager
355: Axialgleitlager
360: Axialgleitlager
365: Spurscheibe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009005556 A1 [0002]
DE 102008053732 B3 [0004]
DE 102008031615 A1 [0004]
DE 102008061912 A1 [0005]
DE 102008006899 A1 [0006]

Claims

Eine Lagerkomponente (110; 110a; 110b) für ein Lager (100), die eine Befestigungsmöglichkeit (120) zur Befestigung der Lagerkomponente (110; 110a; 110b) an einem zu lagernden Bauelement (130) umfasst, wobei die Lagerkomponente (110; 110a; 110b) eine Ausnehmung (115) für eine Dichtung (119) aufweist, derart dass die Lagerkomponente (110; 110a; 110b) mit dem zu lagernden Bauelement (130) zumindest wasserdicht verbindbar ist.
Die Lagerkomponente (110; 110a; 110b) gemäß Anspruch 1, die als Lagersegment (110; 110a; 110b), Lagerscheibensegment, Lagerringsegment (110; 110a; 110b), Lagerring (110; 110a; 110b) oder Lagerscheibe ausgebildet ist.
Die Lagerkomponente (110; 110a; 110b) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die mit dem zu lagernden Bauelement (130) gas- oder luftdicht verbindbar ist.
Die Lagerkomponente (110; 110a; 110b) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die eine Beschichtung (125) umfasst, die eine Reibkraft zwischen der Lagerkomponente (110; 110a; 110b) und dem zu lagernden Bauteil (130) erhöht und die Ausnehmung (115) an die Beschichtung (125) grenzt.
Die Lagerkomponente (110; 110a; 110b) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die als Befestigungsmöglichkeit an einem axialen Ende einen Flansch (120) aufweist, wobei der Flansch (120) die Ausnehmung (115) oder die Beschichtung (125) aufweist.
Die Lagerkomponente (110; 110a; 110b) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die zur Lagerung einer Antriebswelle (130) eines Unterwasserkraftwerks angepasst ist, wobei die Ausnehmung (115) für die Dichtung (119) angepasst ist, um bei Befestigung an einer Hohlwelle als Antriebswelle (130), den Hohlraum der Antriebswelle (130) abzudichten.
Ein Lager (100) mit einer Lagerkomponente (110; 110a; 110b) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Eine Antriebswelle (130) für ein Unterwasserkraftwerk, die eine Ausnehmung (117) für eine Dichtung aufweist, derart dass die Antriebswelle (130) mit einer Lagerkomponente (110; 110a; 110b) zumindest wasserdicht verbindbar ist und/oder wobei die Antriebswelle (130) als Hohlwelle ausgeführt ist.
Die Antriebswelle (130) gemäß Anspruch 8, die eine Beschichtung (125) aufweist, die eine Reibkraft zwischen der Antriebswelle (130) und einer daran anzubringenden Lagerkomponente erhöht, wobei die Ausnehmung (117) an die Beschichtung (125) grenzt.
Ein Unterwasserkraftwerk mit einer Lagerkomponente (110; 110a; 110b) und einer Antriebswelle (130) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lagerkomponente (110; 110a; 110b) oder das Lager (100) mit der Antriebwelle (130) zumindest wasserdicht verbunden ist oder mit einer Lagerkomponente, einem Lagerringsegment (110; 110a; 110b), einem Lagerring (110; 110a; 110b) oder einem Lager (100) und einer Antriebswelle (130), die miteinander mechanisch gekoppelt sind und zwischen denen sich zur Abdichtung eine Dichtung (119) befindet.