DE102016215482A1 - Thrust bearing arrangement for mounting a turbine rotor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Axiallageranordnung (1) zur Lagerung eines Turbinenrotors (2), wobei die Axiallageranordnung (1) eine drehfest mit dem Turbinenrotor (2) verbundene Spurscheibe (3) aufweist, welche axialbeweglich zwischen zwei fest in einem Gehäuse befestigten Axiallagern (4, 5) angeordnet ist und wobei die jeweilige Spalte (6, 7) zwischen der Spurscheibe (3) und dem jeweiligen Axiallager (4, 5) mit Schmierstoff beaufschlagbar sind. Die jeweilige Schmierstoffmenge, welche den jeweiligen Spalt (6, 7) zwischen der Spurscheibe (3) und dem jeweiligen Axiallager (4, 5) zugeführt wird, ist dabei eine Funktion der axialen Spurscheibenposition.The invention relates to a thrust bearing arrangement (1) for mounting a turbine rotor (2), wherein the thrust bearing arrangement (1) has a track disc (3) connected in a rotationally fixed manner to the turbine rotor (2), which is axially movable between two thrust bearings (4, 4) fixedly secured in a housing. 5) is arranged and wherein the respective gaps (6, 7) between the track disc (3) and the respective thrust bearing (4, 5) can be acted upon with lubricant. The respective amount of lubricant which is supplied to the respective gap (6, 7) between the track disc (3) and the respective thrust bearing (4, 5) is a function of the axial track disc position.
Description
Die Erfindung betrifft eine Axiallageranordnung zur Lagerung eines Turbinenrotors nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruch 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Axiallageranordnung nach dem Patentanspruch 6 sowie eine Turbomaschine mit einer solchen Axiallageranordnung nach Patentanspruch 8. The invention relates to a thrust bearing assembly for supporting a turbine rotor according to the preamble of
Turbinen, beispielsweise Gas- oder Dampfturbinen, weisen einen mit Turbinenschaufeln bestückten und rotierbar gelagerten Rotor auf. Die Turbinenschaufeln werden von einem Strömungsmedium angeströmt, hierbei wird die kinetische Energie des Strömungsmediums in Rotationsenergie umgewandelt. Aufgrund der Anströmung des Strömungsmediums wird auf den Rotor eine Axialkraft ausgeübt. Die resultierende aller auf den Rotor einwirkenden Axialkräfte bezeichnet man als Axialschub. Dieser Axialschub führt dazu, dass der Rotor gegenüber dem umgebenden Turbinengehäuse verschoben wird. Um ein Anlaufen der Turbinenschaufel am Turbinengehäuse und damit eine mögliche Zerstörung wesentlicher Turbinenteile zu vermeiden, muss dem Axialschub bzw. einer durch diesen verursachte größere Auslenkung des Rotors entgegengewirkt werden. Hierzu weist die Turbine eine Axiallageranordnung zur Axiallagerung des Rotors auf. Turbines, for example gas or steam turbines, have a turbine blades equipped with rotatably mounted rotor. The turbine blades are impinged by a flow medium, in which case the kinetic energy of the flow medium is converted into rotational energy. Due to the flow of the flow medium, an axial force is exerted on the rotor. The resulting axial forces acting on the rotor are called axial thrust. This axial thrust causes the rotor to be displaced relative to the surrounding turbine housing. In order to avoid tarnishing of the turbine blade on the turbine housing and thus a possible destruction of essential turbine parts, the axial thrust or caused by this greater deflection of the rotor must be counteracted. For this purpose, the turbine has a thrust bearing arrangement for axial bearing of the rotor.
Die Axiallageranordnung umfasst eine drehfest mit dem Rotor verbundene Spurscheibe, welche axialbeweglich zwischen zwei in axialer Richtung links und rechts neben der Spurscheibe angeordneten fest in einem Gehäuse befestigten Radiallagern angeordnet ist und dadurch eine erste und eine zweite Lagerseite ausbilden. Zwischen den jeweiligen Radiallagern und der Spurscheibe ist ein Lagerspalt vorhanden, der mit einem Schmierstoff beaufschlagbar ist. Als Schmiermittel wird üblicherweise ein Lageröl verwendet. Als Lager finden üblicherweise Segmentlager Anwendung. The thrust bearing assembly comprises a non-rotatably connected to the rotor track pulley, which is arranged axially movable between two in the axial direction left and right next to the track disc fixedly mounted in a housing radial bearings and thereby form a first and a second bearing side. Between the respective radial bearings and the track disc, a bearing gap is present, which can be acted upon by a lubricant. As a lubricant, a bearing oil is usually used. As bearings usually find segment bearings application.
Die Spurscheibe wird dabei möglichst mittig zwischen den beiden Radiallagern positioniert, d.h. je nach Lastpunkt werden die erste oder die zweite Lagerseite belastet. Die Lagerseiten sind daher hinsichtlich Segment- und Schmierstoffzufuhrgeometrie symmetrisch ausgeführt. Die den jeweiligen Lagerspalten zugeführte Schmierstoffmenge verteilt sich zu 50% auf die belastete Lagerseite und zu 50% auf die unbelastete Lagerseite, unabhängig von der Spurscheibenposition. Folglich wird die unbelastete Lagerseite mit einer zu hohen Schmierstoffmenge beaufschlagt, was einen erhöhten Schmierstoffverbrauch sowie größere Reibverluste in den Lagern verursacht. The track disc is positioned as centrally as possible between the two radial bearings, i. Depending on the load point, the first or the second bearing side are loaded. The bearing sides are therefore symmetrical in terms of segment and lubricant feed geometry. The lubricant supplied to the respective bearing gaps is distributed 50% on the loaded bearing side and 50% on the unloaded bearing side, irrespective of the track disc position. Consequently, the unloaded bearing side is subjected to an excessive amount of lubricant, which causes increased lubricant consumption and greater friction losses in the bearings.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Axiallageranordnung zur Lagerung eines Turbinenrotors bereitzustellen, welcher einen verringerten Schmierstoffverbrauch aufweist und bei dem die Reibungsverlusten in den Lagern reduziert sind. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Axiallageranordnung bereitzustellen. The object of the present invention is therefore to provide a thrust bearing assembly for supporting a turbine rotor, which has a reduced lubricant consumption and in which the friction losses are reduced in the bearings. It is another object of the present invention to provide a method for operating such a thrust bearing assembly.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Axiallageranordnung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruch 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 6 gelöst. The object is achieved in terms of thrust bearing assembly by the features of
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche. Further embodiments of the invention, which are used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Axiallageranordnung zur Lagerung eines Turbinenrotors, wobei die Axiallageranordnung eine drehfest mit dem Turbinenrotor verbundene Spurscheibe aufweist, welche axialbeweglich zwischen zwei fest in einem Gehäuse befestigten Axiallager angeordnet ist und wobei die jeweilige Spalte zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Axiallager mit Schmierstoff beaufschlagbar sind, zeichnet sich dadurch aus, dass die jeweilige Schmierstoffmenge, welche dem jeweiligen Spalt zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Axiallager zugeführt wird, eine Funktion der axialen Spurscheibenposition ist. The thrust bearing arrangement according to the invention for supporting a turbine rotor, wherein the thrust bearing assembly has a rotatably connected to the turbine rotor track disc, which is arranged axially movable between two fixedly mounted in a housing thrust bearing and wherein the respective gaps between the track disc and the respective thrust bearing are acted upon with lubricant records is characterized in that the respective amount of lubricant which is supplied to the respective gap between the track disc and the respective thrust bearing is a function of the axial track disc position.
Die Schmierstoffmengenzufuhr wird somit erstmals nicht mehr unabhängig von der Lage der Spurscheibe innerhalb der Axiallageranordnung zu jeweils 50 % auf erste und zu 50% auf die zweite Lagerseite aufgeteilt. Die Schmierstoffmengenzufuhr wird vielmehr bedarfsgerecht auf die jeweilige Lagerseite verteilt. Hierdurch lassen sich erhebliche Schmierstoffmengen einsparen. Außerdem werden aufgrund der Reduzierung der Schmierstoffmengen Reibverluste innerhalb der Radiallageranordnung deutlich reduziert. The supply of lubricant quantity is thus for the first time no longer divided independently of the position of the track disc within the thrust bearing assembly into 50% each on first and 50% on the second bearing side. The lubricant supply is rather distributed as needed to the respective bearing side. This can save considerable amounts of lubricant. In addition, friction losses within the radial bearing assembly are significantly reduced due to the reduction of lubricant quantities.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mit abnehmender Spaltweite, zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Radiallager, die zugeführte Schmierstoffmenge erhöht und mit zunehmender Spaltweite, zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Radiallager die zugeführte Schmierstoffmenge verringert wird. Befindet sich die Spurscheibe in ihrer Mittenlage wird die Schmierstoffmenge jeweils zu 50 % auf die erste und zu 50 % auf die zweite Lagerseite verteilt. Kommt es aufgrund eines Axialschubs zu einer Verschiebung der Spurscheibe, so wird dem Spalt, welcher sich aufgrund der Radialverschiebung verkleinert eine höhere Schmierstoffmenge zugeführt, als dem Spalt, der sich aufgrund der Axialverschiebung der Spurscheibe vergrößert. Aufgrund der höheren Schmierstoffmengenzufuhr im engeren Spalt wird eine Kompensation des Axialschubs erreicht und die Spurscheibe wieder in Richtung ihrer Mittellage bewegt. Durch diese bedarfsgerechte Zufuhr von Schmierstoff zu dem jeweiligen Spalt ergibt sich eine Reduktion des Schmierstoffdurchsatzes innerhalb der Axiallageranordnung im Vergleich zu konventionellen Axiallageranordnung von bis zu 40 %. Bei großen Axiallageranordnungen lassen sich somit bis zu 200 Liter pro Minute und mehr einsparen. Durch die geringere Zufuhr an Schmierstoff im jeweils größeren Spalt können zudem die Reibverluste deutlich reduziert werden. Erste Rechnungen haben gezeigt, dass die gesamt Verlustleistung der Axiallageranordnung um bis zu 40 % gegenüber konventionellen Axiallageranordnungen reduziert werden kann. Bei größeren Axiallageranordnungen können somit bis zu 100 Kilowatt und mehr eingespart werden. An embodiment of the invention provides that increases with decreasing gap width, between the track disc and the respective radial bearing, the supplied amount of lubricant and with increasing gap width, between the track disc and the respective radial bearing, the supplied amount of lubricant is reduced. If the track disc is in its center position, the lubricant is distributed 50% to the first and 50% to the second bearing side. If there is a displacement of the track disc due to an axial thrust, then the gap, which is reduced due to the radial displacement, a larger amount of lubricant supplied as the gap, due to the axial displacement of the Enlarged track disc. Due to the higher supply of lubricant in the narrower gap, a compensation of the axial thrust is achieved and the track disc is moved again in the direction of its central position. This demand-based supply of lubricant to the respective gap results in a reduction of the lubricant throughput within the thrust bearing assembly compared to conventional thrust bearing assembly of up to 40%. With large thrust bearing arrangements, it is thus possible to save up to 200 liters per minute and more. Due to the lower supply of lubricant in each larger gap also the friction losses can be significantly reduced. First calculations have shown that the total power loss of the thrust bearing assembly can be reduced by up to 40% compared to conventional thrust bearing arrangements. With larger thrust bearing arrangements, it is thus possible to save up to 100 kilowatts and more.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine lineare Funktion zwischen der zugeführten Schmierstoffmenge und der Spaltweite zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Radiallager besteht. Dies bedeutet, dass mit abnehmender Spaltweite die zugeführte Schmierstoffmenge linear erhöht und im Gegenzug dazu die Schmierstoffmenge für den gegenüberliegenden sich erweiterten Spalt linear verringert wird. Insgesamt bleibt damit die gesamte zugeführte Schmierstoffmenge gleich, wobei diese gesamte Schmierstoffmenge gegenüber einer herkömmlichen Axiallageranordnung deutlich verringert ist. An embodiment of the invention provides that there is a linear function between the supplied amount of lubricant and the gap width between the track disc and the respective radial bearing. This means that with decreasing gap width, the amount of lubricant supplied increases linearly and, in turn, the lubricant quantity for the opposing widened gap is reduced linearly. Overall, so that the total amount of lubricant supplied remains the same, this total amount of lubricant compared to a conventional thrust bearing assembly is significantly reduced.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Spurscheibenposition mittels eines Axialwächter ermittelt wird. Der Axialvektor wird für einen Großteil von Turbinen standardmäßig verwendet, sodass keine zusätzlichen Sensoren zur Ermittlung der Spurscheibenposition notwendig sind. Hierdurch können die Kosten für eine derartige Axiallageranordnung gering gehalten werden. A further embodiment of the invention provides that the track disc position is determined by means of an axial monitor. The axial vector is used as standard for most turbines, eliminating the need for additional sensors to determine the position of the pulley. As a result, the cost of such a thrust bearing assembly can be kept low.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Schmierstoff Lageröl verwendet wird. Lageröl weist eine gute Schmiereigenschaft und eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. A further embodiment of the invention provides that bearing oil is used as the lubricant. Bearing oil has a good lubricating property and a high temperature resistance.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Axiallageranordnung zeichnet sich durch die nachfolgenden Verfahrensschritte aus:
- – Bestimmung der Spurscheibenposition innerhalb der Axiallageranordnung;
- – Ermittlung der axialen Auslenkung der Spurscheibe aus ihrer Mittenlage;
- – Zuführung von Schmiermittel zwischen dem jeweiligen Spalt, zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Radiallager, wobei die zugeführte Schmierstoffmenge eine Funktion der Spurscheibenposition ist.
- - Determining the pulley position within the thrust bearing assembly;
- - Determination of the axial deflection of the track disc from its center position;
- - Supply of lubricant between the respective gap, between the track disc and the respective radial bearing, wherein the supplied amount of lubricant is a function of the pulley position.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit gegenüber dem Stand der Technik dadurch, dass die Schmierstoffmengenzufuhr zu den entsprechenden Spalten zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Radiallager von der entsprechenden Lage bzw. der axialen Auslegung der Spurscheibe abhängt und nicht wie bislang unabhängig hiervon erfolgt. The method according to the invention thus differs from the prior art in that the lubricant quantity supply to the corresponding gaps between the track disc and the respective radial bearing depends on the corresponding position or the axial configuration of the track disc and does not take place as hitherto independently thereof.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine gezielte Zufuhr von Schmierstoff zu dem jeweiligen Spalt, wodurch sich erhebliche Schmierstoffmengen einsparen lassen und die Reibverluste innerhalb der Radiallageranordnung verringert werden können. The inventive method thus allows a targeted supply of lubricant to the respective gap, which can save considerable amounts of lubricant and the friction losses can be reduced within the radial bearing assembly.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben der Axiallageranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schmierstoffmenge auf der Seite mit abnehmender Spaltweite erhöht und auf der gegenüberliegenden Seite mit zunehmender Spaltweite verringert wird. Hierdurch wird eine besonders hohe Einsparung an Schmiermittel erzielt, und die Reibverluste minimiert. An embodiment of the method for operating the thrust bearing assembly is characterized in that the amount of lubricant on the side increases with decreasing gap width and is reduced on the opposite side with increasing gap width. This results in a particularly high savings of lubricant, and minimizes friction losses.
Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Turbomaschine mit einer entsprechenden Axiallageranordnung. Furthermore, the invention comprises a turbomachine with a corresponding thrust bearing arrangement.
Nachfolgend wird die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung anhand der Figuren beschrieben. The invention and further advantages of the invention will be described below with reference to the figures.
Es zeigt: It shows:
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Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgerecht. The same or functionally identical components are cross-figurative provided with the same reference numerals. The illustrations in the figures are schematic and not necessarily true to scale.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die erfindungsgemäße Axiallageranordnung aufgrund ihrer bedarfsgerechten Zuführung von Schmierstoff zu den jeweiligen Lagerseiten eine erhebliche Einsparung des Öldurchsatzes an der Axiallageranordnung ermöglicht, wodurch große Mengen an Schmiermitteln eingespart werden können, wobei gleichzeitig eine Reduktion der Reibverluste realisierbar ist, die zu einer deutlichen Verringerung der Gesamtverlustleistung beiträgt. In summary, it can be stated that the thrust bearing assembly according to the invention, due to their need-based supply of lubricant to the respective bearing sides a significant saving of oil flow to the thrust bearing arrangement allows whereby large amounts of lubricant can be saved, while reducing the frictional losses can be realized at the same time significant reduction in overall power loss.
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- 2017-07-04 WO PCT/EP2017/066546 patent/WO2018033289A1/en active Application Filing
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