DE10346647A1

DE10346647A1 - Axiallager mit Druckausgleich

Info

Publication number: DE10346647A1
Application number: DE10346647A
Authority: DE
Inventors: Elmar Weller
Original assignee: Ritz Pumpenfabrik GmbH and Co KG
Current assignee: Ritz Pumpenfabrik GmbH and Co KG
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axiallageranordnung für Unterwassermaschinen, zur Abstützung einer Welle der Unterwassermaschinen gegenüber einem Gehäuseabschnitt, mit einem ersten Kippsegmentlager. Sie weist ferner wenigstens ein axial zu dem ersten Kippsegmentlager beabstandetes, zweites Kippsegmentlager auf, das mit dem ersten Kippsegementlager über ein Druckausgleichssystem derart in Verbindung steht, dass die von der Welle in den Gehäuseabschnitt eingeleitete, axiale Kraft gleichmäßig auf beide Kippsegmentlager verteilbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Axiallageranordnung für Unterwassermaschinen, zur Abstützung einer Welle der Unterwassermaschine gegenüber einem Gehäuseabschnitt, mit einem ersten Spurlager, insbesondere mit einem ersten Kippsegmentlager.

Solche Axiallageranordnungen werden beispielsweise in sog. Unterwassermotor-Pumpen (mehrstufige, einflutige Kreiselpumpen mit wasserfesten Motoren) zur Abstützung deren Antriebswelle verwendet. Der Einbau solcher Unterwassermotor-Pumpen kann mit vertikal stehender oder horizontal liegender Antriebswelle erfolgen. Sie sind aber aufgrund ihrer Bauform mit geringem Durchmesser besonders zum vertikalen Einbau in (Rohr-)Brunnen geeignet, bei deren Bau aus Kostengründen ein minimaler Bohrungsdurchmesser angestrebt wird. Bei einem typischen Anwendungsfall werden diese Pumpen beispielsweise zur Förderung von Grundwasser oder Mineralwasser eingesetzt. Die Axiallageranordnung befindet sich bekanntermaßen meist am unteren axialen Ende der Unterwassermotor-Pumpe und muss im Einsatz oft erhebliche axiale Kräfte bedingt durch das Eigengewicht der Pumpe und das Gewicht der geförderten Wassersäule bzw. – bei liegendem Einbau – den Druck des geförderten Wassers abfangen.

Bekannte Axiallageranordnungen weisen daher typischerweise ein Kippsegmentlager zur Abstützung der Antriebswelle auf, um die hohen axialen Kräfte möglichst gleichmäßig und verschleißfrei, unabhängig von der Spaltgeometrie des Lagers auf die gesamte Lagerfläche zu verteilen und so den partiellen Auflagedruck zu vermindern.

Jedoch ist die Lagerfläche und somit die maximale Krafteinleitung aufgrund der – erwünschtermaßen – radial geringen Baugröße der Unterwassermotor-Pumpen auf einen maximalen axialen Schub von derzeit ca. 2–3 Tonnen begrenzt. Hierdurch ist wiederum der Fördertiefe und der Fördermenge eine Grenze gesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist daher eine Axiallageranordnung zu schaffen, die bei geringer Baugröße eine größere axiale Last tragen kann.

Die Aufgabe wird durch eine Axiallageranordnung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wonach die Axiallageranordnung wenigstens ein axial zu dem ersten Spurlager beabstandetes, zweites Spurlager aufweist.

Durch den Einsatz des zweiten oder weiterer axial in Reihe zu dem ersten Spurlager angeordneten Spurlagers wird die Lagerfläche bei gleichem Lagerdurchmesser verdoppelt bzw. vervielfacht. Die eingeleitete Kraft kann aber nur dann auch auf die entsprechend zur Verfügung gestellte Lagerfläche möglichst gleichmäßig verteilt werden, wenn auch eine flächige Auflage beider Spurlager unabhängig von der Belastung der Welle und ihrer Drehstellung gewährleistet ist. Dies ist durch eine hochpräzise Fertigung der Lagerbauteile und der Welle allein nicht zu bewerkstelligen.

Daher sind die Spurlager erfindungsgemäß über ein Druckausgleichssystem derart miteinander verbunden, dass die von der Welle in den Gehäuseabschnitt eingeleitete, axiale Kraft gleichmäßig auf beide Spurlager verteilt wird, indem das Druckausgleichssystem eine ungleichmäßige Druckverteilung auf beide Spurlager kompensiert.

Zu demselben Zweck, nämlich der Gewährleistung einer maximalen Auflagefläche – hier jedoch innerhalb eines Lagers -, werden als Spurlager bevorzugt Kippsegmentlager (auch Pendelgleitlager genannt) mit kippbaren oder elastischen Segmenten (oder Gleitschuhen) eingesetzt. Solche Lager sind dem Fachmann bekannt. Es ist jedoch zu bemerken, dass die Erfindung auf Kippsegmentlager nicht beschränkt ist. Sie kann beispielsweise auch in Verbindung mit anderen Axialgleit- oder Wälzlagern als Spurlager zum Einsatz kommen.

Bevorzugt weist das Druckausgleichssystem jedem Spurlager zugeordnete hydraulische Druckkammern auf, die miteinander kommunizieren. Dies kann entweder durch eine Druckausgleichsleitung erfolgen oder durch eine elektromechanische Regelung, die beispielsweise Drucksensoren zur Messung des Drucks in den einzelnen Druckkammern oder (außerhalb der Druckkammern) des Auflagedrucks in den Lagern, eine Regelung und den Druckkammern zugeordnete, von der Regelung angesteuerte Hydraulikpumpen umfasst.

Alternativ kann der Druckausgleich auch rein mechanisch oder elektromechanisch, d.h. ohne hydraulische Druckkammern, beispielweise mittels Drucksensoren zur Messung des Auflagedrucks in den Lagern, eine Regelung und Stellelementen (z.B. piezoelektrische Wandler) erfolgen.

Im Folgenden werden oben genannte sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Figur näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lageranordnung.
Der in 1 gezeigte Ausschnitt der erfindungsgemäßen Lageranordnung 10 zeigt insgesamt zwei Kippsegmentlager 20, 40 als Spurlager. Neben diesen Kippsegmentlagern können weitere Spurlager oberhalb bzw. unterhalb des dargestellten Ausschnitts angeordnet sein. Eine solche Axiallageranordnung 10 befindet sich üblicherweise am unteren Ende einer Antriebswelle 12 einer Unterwassermaschine (nicht gezeigt).
Jedes der Kippsegmentlager 20, 40 weist eine obere, mit der Welle 12 verbundene oder gegen diese abgestützte Lagerscheibe 22 bzw. 42 auf. So liegt die obere Lagerscheibe 22 des ersten Kippsegmentlagers 20 beispielweise an einem Absatz 16 der Welle 12 an, während die obere Lagerscheibe 42 des zweiten Kippsegmentlagers 40 durch ein Distanzstück oder eine Distanzhülse 18 zu der oberen Lagerscheibe 22 des ersten Kippsegmentlagers 20 auf Abstand gehalten wird. Die Lagerscheiben 22, 42 liegen jeweils auf mehreren ringförmig um die Welle 12 angeordneten kippbeweglichen Segmenten (oder Gleitschuhen) 24 bzw. 44 auf. Die Kippsegmente 24, 44 liegen ihrerseits einzeln schwenkbar auf einer unteren, indirekt mit einem Gehäuse(-abschnitt) 14 der Lageranordnung (bzw. der Unterwassermaschine) verbundenen Lagerscheibe 26 bzw. 46 auf. Die indirekte Verbindung wird über eine erste bzw. zweite Druckkammer 28, 48 hergestellt, die jeweils auf einem mit dem Gehäuse 14 verbundenen Spurlagerboden 30 bzw. 50 abgestützt ist.
Die beiden Druckkammern 28 und 48 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Druckleitung 60 miteinander verbunden.
Die Kraftfluss (z.B. durch die Gewichtskraft der Maschine und/oder durch den Wasserdruck) erfolgt über die Welle 12, die oberen Lagerscheiben 22, 42, die zugehörigen Kippsegmente 24, 44, die unteren Lagerscheiben 26, 46 und die erste bzw. zweite Druckkammer 28, 48 in das Gehäuse 14.
Eine etwaige geometrische Ungenauigkeit der gezeigten Anordnung oder ein auf die Welle wirkendes Biegemoment kann bei einer starren Anordnung beider Lager dazu führen, dass der Druck beispielsweise auf das obere Kippsegmentlager 20 gegenüber dem Druck auf das untere Kippsegmentlager 40 temporär oder dauerhaft erhöht wird. Bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung wird innerhalb der Druckkammern 28, 48 der Druck auf die Lager ermittelt und eine solche Druckdifferenz durch die Druckausgleichsleitung 60 (oder eine wirkungsgleiche Regelung) abgebaut. Dies gewährleistet, dass sich die Lagerkräfte auf beide Kippsegmentlager 20, 40 zu jeder Zeit gleichmäßig verteilen.
Anders gesagt wird eine Veränderung des Relativabstands zwischen den beiden oberen Lagerscheiben 22, 42, die durch besagtes Biegemoment an der Antriebswelle 12 verursacht werden kann, oder eine fertigungsbedingte Ungenauigkeit der Abstände zwischen den jeweiligen oberen und/oder unteren Lagerscheiben 22, 26 bzw. 42, 46 durch einen Längenausgleich der miteinander verbundenen Druckkammern 28 und 48 kompensiert.
Als Druckkammern können beispielsweise ringförmige Druckdosen (Druckmessdosen) mit oder ohne Kolben zum Einsatz kommen, mit denen ein Hub in Achsrichtung von wenigen Millimetern ausgeführt werden kann.
Ferner führt eine schiefe Anordnung einer oder beider oberer Lagerscheiben 22 bzw. 42 während der Drehung der Antriebswelle 12 zu einer Taumelbewegung. Um diese Taumelbewegung zu vermeiden oder zu kompensieren, ist es zweckmäßig, jeweils bei beiden Lagern 20, 40 entweder die obere oder die untere Lagerscheibe in sich kippbeweglich auszugestalten. Dies geschieht vorzugsweise durch eine kugelig konkave, axiale Ausformung auf der der Lagerauflagefläche gegenüberliegenden Seite einer der beiden Lagerscheiben 22 oder 26 bzw. 42 oder 46 (nicht dargestellt). Mit dieser Ausformung liegt die Lagerscheibe an einem nicht dargestellten Lagerschreibenträgers an, der einen kugelsegmentförmig konvex geformten Ansatz mit demselben Radius aufweist, um dessen Mittelpunkt die entsprechende Lagerscheibe schwenken kann. Der Lagerschreibenträger ist – je nachdem, ob die obere oder untere Lagerscheibe kippbeweglich ausgestaltet sein soll – entweder mit der Welle 12 oder der Druckkammer 28, 48 verbunden und somit in den Kraftfluss zwischen die Welle 12 und die obere Lagerscheibe 22, 42 oder die untere Lagerscheibe 26, 46 und die Druckkammer 28, 48 zwischengeschaltet.
Bevorzugt sind die Druckkammern 28, 48, wie in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, zwischen den unteren Lagerscheiben 26, 46 und dem Gehäuse 14 bzw. dem jeweiligen Spurlagerboden 30, 50 angeordnet. Diese Anordnung ist jedoch nicht wesentlich für die erfindungsgemäße Funktion der Lageranordnung. Das Druckausgleichssystem kann grundsätzlich ebenso zwischen den jeweils oberen Lagerscheiben 22 bzw. 42 und der Welle 12 angeordnet sein. Entscheidend ist lediglich, dass entsprechende Drucksensoren und/oder Druckkammern und eine der oben beschriebenen Ausgleichs- oder Regelelemente irgendwo in den Kraftfluss von der Welle in das Gehäuse eingebracht werden. Vorteilhaft ist jedoch die in 1 gezeigte Lösung dahingehend, dass das Druckausgleichssystem jeweils an den statischen und nicht den beweglichen Elementen der Lageranordnung, nämlich den unteren, mit dem Gehäuseabschnitt 14 verbundenen Lagerscheiben 26, 46 angreift und sich somit nicht mitdreht. Jedoch sei festgehalten, dass im Fall der alternativen Lösung beispielsweise die Welle 12 eine Druckausgleichsleitung aufweise, selbst als Druckausgleichsleitung ausgebildet sein oder zur Kabelführung im Fall eines elektromechanischen Druckausgleichssystem dienen kann.
Im Falle einer erfindungsgemäßen Lageranordnung mit mehr als zwei Spur- oder Kippsegmentlager sind die Druckkammern aller Lager durch eine oder mehrere Druckausgleichsleitungen untereinander zu verbinden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform, bei der ausschließlich Gleitlager verwendet werden können, sind beide (ggf. auch weitere) Druckkammern und die auf diesen aufliegenden Lagerscheiben segmentiert und ringförmig um die Welle angeordnet. Alle Segmente beider Druckkammern können miteinander kommunizieren. Hierdurch ist es nicht nur möglich, einen Ausgleich der auf die axial hintereinander angeordneten Lagern wirkenden Gesamtkräfte zu schaffen, sondern es findet auch ein differenzierter Druckausgleich zwischen allen Segmenten beider Lager statt, um eine optimale Lastverteilung auf die gesamte zur Verfügung stehende Lagerfläche zu erzielen. Eine solche segmentierte Anordnung der Druckkammern und Lagerscheiben kann die in 1 gezeigten Kippsegmente 24, 44 ersetzen oder zusätzlich zu diesen vorgesehen sein.

Claims

Axiallageranordnung (10) für Unterwassermaschinen, zur Abstützung einer Welle (12) der Untenassermaschinen gegenüber einem Gehäuseabschnitt (14), mit einem ersten Kippsegmentlager (20), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein axial zu dem ersten Kippsegmentlager (20) beabstandetes, zweites Kippsegmentlager (40) vorgesehen ist, das mit dem ersten Kippsegmentlager (20) über ein Druckausgleichssystem derart in Verbindung steht, dass die von der Welle (12) in den Gehäuseabschnitt (14) eingeleitete, axiale Kraft gleichmäßig auf beide Kippsegmentlager verteilbar ist.
Lagervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichssystem jedem Kippsegmentlager zugeordnete hydraulische Druckkammern (28, 48) aufweist, die miteinander kommunizieren.
Lagervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammern (28, 48) über eine Druckausgleichleitung (60) miteinander kommunizieren.
Lagervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammern über eine elektromechanische Regelung miteinander kommunizieren.
Lagervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichssystem mechanisch, elektromechanisch oder pneumatisch ist.
Lagervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Kippsegmentlager jeweils eine gegen die Welle (12) abgestützte Lagerscheibe (22, 42) aufweisen, wobei die erste und zweite Lagerscheibe (22, 42) mittels einem Distanzstück (18) auf Abstand gehalten werden.