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Die Erfindung betrifft eine Gleitlageranordnung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Gleitlager nach Patentanspruch 7 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Gleitlagers nach Patentanspruch 8.
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Für die Lagerung von Rotoren mit großen Massen, wie beispielsweise Dampfturbinenrotoren oder Strömungsmaschinenrotoren allgemein, werden üblicherweise Gleitlager eingesetzt. Dabei kommen häufig hydrodynamische Gleitlager zum Einsatz, bei denen das Schmiermittel, in der Regel Öl, durch die Umfangsbewegung des Rotors in einen sich verengenden Schmierspalt befördert wird und dort seine Tragfunktion erfüllt. Aus dem Lagerspalt fließt das Schmiermittel in Umfangsrichtung (Schleppwirkung des Rotors) sowie quer dazu aus den Lageröffnungen ab (Quetschölströmung). Das abfließende Schmiermittel muss ersetzt werden, hierzu werden Schmierölpumpen eingesetzt.
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Dem Vorteil einer hohen Tragfähigkeit der Gleitlager steht der Nachteil einer nennenswerten Verlustleistung entgegen. Die Verlustleitung setzt sich zusammen aus der viskosen Reibung im Schmierspalt (abhängig von der örtlichen Viskosität, der Schmierspaltdicke, der Differenzgeschwindigkeit, sowie der Größe der Lagerfläche) und der Pumpleistung zur Bereitstellung des Schmiermittels.
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Bei der Wahl der Schmiermittelviskosität muss ein Kompromiss gefunden werden, da die optimale Schmiermittelviskosität durch gegensätzliche Faktoren bestimmt wird. Eine kleine Viskosität hat den Vorteil, dass die viskose Reibung im Schmierspalt verringert wird. Auf der anderen Seite bedeutet eine kleine Viskosität aber auch, dass sich bei gleichen Lagerabmessungen eine kleinere Schmierspalthöhe einstellt und dass mit höherer Quetschölströmung zu rechnen ist. Wünschenswert wäre somit eine niedrigere Viskosität des Schmiermittels auf der Lagerfläche, um die Reibverluste klein zu halten, bei gleichzeitig höherer Viskosität in den Randbereichen der Lagerflächen, um die Schmierölverluste durch Quetschölströmung zu minimieren.
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Ausgehend vom zuvor beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Gleitlageranordnung bereitzustellen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Gleitlager bereitzustellen und letztendlich ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gleitlagers aufzuzeigen.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Gleitlageranordnung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Gleitlagers wird die Erfindung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 7 und hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben eines Gleitlagers durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 8 gelöst.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Gleitlageranordnung, umfassend ein Gleitlager, eine im Gleitlager gelagerte Welle, sowie ein Schmiermittel, welches zur Reduzierung der Reibung zwischen dem Gleitlager und der rotierenden Welle im Lagerspalt dem Lagerspalt (S) zugeführt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass das Gleitlager partiell kühlbar ausgebildet ist, dergestalt, dass die Viskosität des Schmiermittels partiell innerhalb des Lagerspaltes veränderbar ist. Die Viskosität des Schmiermittels ist temperaturabhängig. Durch eine partielle Kühlung des Gleitlagers kann die Temperatur und damit die Viskosität des Schmiermittels partiell beeinflusst werden. Hierdurch kann die Viskosität über die Lagerbreite unterschiedlich eingestellt und somit optimal auf die Lagerverhältnisse eingestellt werden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Gleitlager partiell im Bereich der Lageröffnungen kühlbar ausgebildet ist. Durch die partielle Kühlung im Bereich der Lageröffnung wird die Viskosität des Schmiermittels am Rande des Lagers erhöht. Dies führt zu einer verringerten Quetschströmung und damit zu geringeren Schmiermittelverlusten im Lager. Gleichzeitig nimmt hierdurch die Tragfähigkeit des Lagers in den Außenbereichen zu, wodurch sich eine bessere Tragfähigkeit des gesamten Gleitlagers ergibt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Kühlung des Gleitlagers das Schmiermittel selbst verwendet wird. Hierzu kann das Schmiermittel zunächst durch Kühlkanäle im Lager hindurch geleitet werden, so dass es die Wärme des Gleitlagers aufnehmen und damit das Gleitlager partiell kühlen kann. Anschließend kann das Schmiermittel dem Gleitlager zugeführt werden, so dass es dann die Tragfunktion übernehmen kann. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Kühlung des Gleitlagers ein separates Kühlmittel verwendet wird. Das Kühlmittel kann dann vorzugsweise in einen separaten Kreislauf gefördert werden. Als Kühlmittel eignen sich unter anderem Wasser, Luft, ein organisches Fluid oder andere geeignete Wärmeträgermedien als auch Mischungen dieser Fluide.
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Das erfindungsgemäße Gleitlager zeichnet sich dadurch aus, dass das Gleitlager lokal ausgebildete Kühlkanäle aufweist, die mit einem Kühlfluid durchströmbar sind. Die Kühlkanäle sind dabei vorzugsweise nahe den Lagerflächen angeordnet, so dass eine möglichst effektive Kühlung des Lagerbereichs erfolgt. Die Kühlkanäle sind so ausgebildet, dass eine hinreichende Wärmeabfuhr gewährleistet ist. Bevorzugt sind die Kühlkanäle im Randbereich des Lagers ausgebildet, so dass eine hohe Kühlleistung in diesem Bereich gewährleistet ist, wodurch die Viskosität des Schmiermittel im Außenbereich des Lagers erhöht werden kann, wodurch eine Verringerung der Quetschströmung erzielbar ist, was zu geringeren Schmiermittelverlusten über die Lageröffnungen beiträgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Gleitlagers bzw. einer Gleitlageranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass während des Lagerbetriebs das Gleitlager durch das Schmiermittel selbst oder mittels eines externen Kühlfluids partiell gekühlt wird, dergestalt, dass die Viskosität im Lager partiell variiert wird. Bei dem Verfahren wird ein so großer Kühlfluidmassenstrom durch die Kühlkanäle des Gleitlagers gefördert, dass eine erhöhte Viskosität in bestimmten Bereichen des Gleitlagers erzielt wird. Die erhöhte Viskosität trägt zu einer geringeren Quetschströmung und damit zu geringeren Schmierverlusten bei. Gleichzeitig wird durch die erhöhte Viskosität eine gleichmäßige Tragfähigkeit des Lagers über die gesamte Lagerbreite erzielt.
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Dadurch dass die Viskosität des Schmiermittels nur lokal erhöht wird, kann das Schmiermittel insbesondere im mittleren Bereich des Gleitlagers eine geringe Viskosität aufweisen und damit für eine geringe Reibung und damit geringe Reibungsverluste im Gleitlager beitragen. Die Erfindung trägt somit zu einem effektiveren Betrieb des Gleitlagers bei. Gleichzeitig wird die Tragfähigkeit des Lagers erhöht.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 Den grundsätzlichen Aufbau einer Gleitlageranordnung;
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2 die Verteilung des Druckes P sowie der Viskosität η der Schmierflüssigkeit über die Lagerbreite B;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lageranordnung;
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4 die Verteilung des Druckes P sowie der Viskosität η der Schmierflüssigkeit über die Lagerbreite B der erfindungsgemäßen Lageranordnung.
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1 zeigt einen grundsätzlichen Aufbau einer Gleitlageranordnung mit hydrodynamischen Gleitlagern 1. Das Gleitlager 1 weist eine Gleitlagerschale 6 auf, die aus einem besonders geeigneten Gleitwerkstoff besteht. Die Gleitlagerschale 6 sorgt dafür, dass beim Anlaufen des Lagers eine möglichst geringe Reibung zwischen dem Rotor 2 und dem Gleitlager 1 auftritt, da beim Anlaufen des Gleitlagers zunächst Trocken- bzw. Mischreibung besteht. Nachdem der Rotor 2 eine gewisse Drehzahl erreicht hat, baut sich der dynamische Schmierkeil auf der den Rotor 2 im Gleitlager 1 trägt. Dabei stellt sich zwischen der Gleitlagerschale 6 und dem Rotor 2 ein Gleitlagerspalt S ein, der mit dem Schmiermittel/ Schmierflüssigkeit gefüllt ist.
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2 zeigt die Verteilung des Druckes P sowie der Viskosität η des Schmiermittels 3 über die Lagerbreite B. Wie 2 zeigt, ist die Druckverteilung bzw. die Traglast des Gleitlagers 1 in der Mitte des Gleitlagers 1 am größten und nimmt zu den Außenbereichen hin ab. Dies liegt daran, dass es im Bereich der Lageröffnungen 4 zu einem Abfließen des Schmiermittels 3 aufgrund von Quetschströmungen kommt. Hierdurch wird die Tragfähigkeit des Gleitlager 1 in den äußeren Bereichen des Gleitlager 1 deutlich reduziert. Das Schmiermittel 3, welches durch die Quetschströmung aus dem Schmierspalt S abfließt, muss mittels Schmiermittelpumpen ständig nachgeführt werden. Dies führt zu einem erhöhten Energiebedarf. Die Viskosität η ist über die gesamte Lagerbreite B weitgehend konstant.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Lageranordnung mit einem erfindungsgemäßen Gleitlager 1. Die Gleitlageranordnung entspricht grundsätzlich von ihrem Aufbau der bereits aus dem Stand der Technik beschriebenen Gleitlageranordnung. Das Gleitlager 1 verfügt jedoch jeweils in axial äußeren Bereich des Gleitlager 1 über Kühlmittelkanäle 5. Durch die Kühlmittelkanäle 5 kann ein Kühlmittel geleitet werden. Das Kühlmittel sorgt für eine partielle Abkühlung des Gleitlagers 1 im Randbereich des Gleitlager 1 und damit für eine Abkühlung des Schmiermittels 3 in diesem Bereich. Die Abkühlung des Schmiermittels 3 verändert dessen Viskosität η in diesem Bereich. Die partielle Änderung der Viskosität η im äußeren Bereich des Gleitlagers 1 sorgt dafür, dass die Quetschströmung reduziert wird und daher weniger Schmiermittel aus dem Schmiermittelspalt S entweichen kann.
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4 zeigt den Verlauf des Druckes P sowie der Viskosität η über die axiale Breite B des Gleitlagers 2 aus 3. Wie aus der 4 ersichtlich ist, ist die Druckverteilung deutlich gleichmäßiger als im Stand der Technik. Dies bedeutet, dass das Gleitlager 1 eine deutlich verbesserte Tragfähigkeit insbesondere im Randbereich des Gleitlagers 1 aufweist. Die erhöhte Tragfähigkeit des Gleitlagers 1 im Bereich des Lagerrandes resultiert aus der erhöhten Viskosität η des Schmiermittels 3 in diesem Bereich, welche ebenfalls aus 4 ersichtlich ist. Aufgrund der erhöhten Viskosität η des Schmiermittels 3 wird die Quetschölströmung wie bereits beschrieben reduziert. Die reduzierte Quetschströmung führt zusätzlich zu einem verringerten Energieaufwand, da die Schmiermittelpumpen, aufgrund des geringeren Schmiermittelverlustes im Randbereich, nicht mehr soviel Schmiermittel nachführen müssen.
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Zur Kühlung des Gleitlagers 1 kann das Schmiermittel 3 selbst verwendet werden. Das Schmiermittel 3 durchströmt dabei zunächst die Kühlkanäle 5 und nimmt die Wärme des Schmiermittels 3 im Lagerspalt S auf. Das dermaßen erwärmte Schmiermittel wird dann dem Lagerspalt S zugeführt und übernimmt dort die Schmierfunktion. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass in den Kühlkanälen 5 anstelle des Schmiermittels 3 ein spezielles Kühlfluid zirkuliert. Dies kann in einem offenen oder einem geschlossenem Kreislauf erfolgen. Als separates Kühlmittel eignet sich insbesondere Wasser, Luft, organische Fluide oder eine Mischung hieraus. Grundsätzlich sind alle Fluide geeignet, die eine große Wärmemenge aufnehmen können. Die aufgenommene Wärmemenge kann vorzugsweise über einen Wärmeaustauscher an die Umgebung abgegeben werden.
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Die Kühlkanäle 5 sind vorzugsweise im Bereich der Lagerschale 6 angeordnet. Durch die Nähe zur Lagerschale 6 kann die Wärme besonders gut aus dem Lagerspalt abgeführt werden. Grundsätzlich ist es auch möglich die Kühlkanäle 6 direkt in der Lagerschale 6 auszubilden. Die Kühlkanäle 5 sind vorzugsweise lediglich im äußeren Bereich des Gleitlagers 1 angeordnet. Hierdurch wird die Viskosität η des Schmiermittels 3 im Lagerspalt nur lokal erhöht. Im mittleren Bereich des Gleitlagers 1 bleibt die Viskosität η des Schmiermittels 3 niedrig, wodurch sich eine geringe Reibleistung in diesem Bereich ergibt. Gleichzeitig führt die Erhöhung der Viskosität η im Randbereich des Gleitlagers 1 zu einer Begrenzung der seitlichen Leckströmung (Quetschströmung).
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Die erfindungsgemäße Gleitlageranordnung mit dem erfindungsgemäßen Gleitlager 1 ermöglicht es, die Gleitlageranordnung so zu betreiben, dass im Lagerbetrieb unterschiedliche lokale Viskositäten η des Schmiermittels 3 innerhalb des Schmierspalts einstellbar sind. Hierzu wird während des Lagerbetriebes das Schmiermittel 3 partiell gekühlt.
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Die Erfindung wurde anhand eines hydrodynamischen Gleitlagers beschrieben. Allerdings ist die Erfindung nicht auf hydrodynamische Gleitlager beschränkt, sondern eignet sich auch für hydrostatische Lager. Sie ist für Lager mit festen Lagerflächen ebenso verwendbar wie für Kippsegmentlager. Für Kippsegmentlager wird das Kühlmittel bevorzugt durch eine bewegliche Schlauchverbindung zugeleitet, welche die Einstellbewegung der Segmente aufnehmen kann.
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Als Schmiermittel für das Gleitlager sind Öl aber auch andere Schmiermittel geeignet, sofern ihre Viskosität durch Kühlung merklich beeinflusst werden kann.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Erfindung es erstmals erlaubt, eine Gleitlageranordnung mit einem Öl niedriger Viskosität und damit geringer Reibleistung zu betreiben, bei gleichzeitig stark begrenzter seitlicher Leckageströmung.
