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Sicherheitseinrichtung für Maschinen mit in Gleitlagern geführten
umlaufenden Teilen Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für Maschinen
mit in axialen und/oder radialen Gleitlagern geführten umlaufenden Teilen, insbesondere
für Dampf- und. Gasturbinen, bei der eine feststehende Ausströmöffnung eines Druckflüssigkeitssystems
mit einer .eingebauten Drosselstelle in geringem Abstand gegenüber einer Fläche
des umlaufenden Teiles angeordnet ist und der bei Abnutzung des Gleitwerkstoffes
und/oder unzulässigen Lageänderungen des umlaufenden Teiles sich ändernde Druck
zwischen Drosselstelle und Ausströmöffnung als Impuls für eine mechanisch-hydraulische
Auslöse- bzw. Anzeigeeinrichtung dient.
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Bekannt ist eine Sicherungseinrichtung von Wellen gegen axialen Vorschub,
bei der ein mittels einer mechanischen übersetzung mit dem die Wellenbewegung berührungsfrei
verfolgenden Gleitstück verbundener Differentialkolben als Ablaufkolben ausgebildet
ist. Der Abstand zwischen Ausströmöffnung des zusätzlichen Gleitstückes und dem
als Prallwand wirkenden Wellenbund und damit der in dem Druckölsystem herrschende
Öldruck wird stets konstant gehalten. Als Meß- und übertragungsgröße dienen die
Auslenkungen des Gleitstückes bzw. des an diesem System angelenkten mechanisch-hydraulischen
Systems. Diese Anordnung ist jedoch nicht als Lösung der Aufgabe des Gegenstandes
der vorliegenden Erfindung anwendbar.
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Weiter ist eine Sicherheitsvorrichtung für Antriebsmaschinen, insbesondere
für Dampf- und Gasturbinen, bekanntgeworden, die bei Klotzlagerabnutzung über ein
zulässiges Maß ein Stillsetzen der Maschine herbeiführt. Bei dieser Vorrichtung
ist vor einer Wellenstirnfläche in geringem Abstand von dieser eine Austrittsöffnung
eines Druckölsystems, die den Druck im System unmittelbar beeinflußt, so angeordnet,
daß bei Abnutzung des Klotzlagers der Druck im Druckölsystem sinkt. Dieser Druck
dient als Impuls für die Schnellschlußauslösevorrichtung der Treibmittelzufuhr.
Bei dieser Anordnung vergrößert sich also bei der axialen Verschiebung der Welle
während der Abnutzung des Klotzlagers der Spalt zwischen- der Austrittsöffnung und
der ihr gegenüberstehenden Wellenstirn$äche. Diese Vergrößerung des Spaltes bewirkt
eine Vergrößerung des Austrittsquerschnittes für das Drucköl und damit eine Druckabsenkung
innerhalb des Druckölsystems, die bei Unterschreiten des zu der höchstzulässigen
Lageänderung der Welle zugeordneten Öldruckes die angeschlossene Schnellschlußauslösevorrichtung
der Treibmittelzufuhr auslöst.
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Nachteilig wirkt sich bei dieser Anordnung aus, daß durch die infolge
der Spaltüberwachung erfolgte räumliche Trennung der Austrittsöffnung von der letztlich
zu überwachenden Schicht aus Gleitwerkstoff die Gefahr besteht, daß der Öldruck
innerhalb der Druckleitung durch Störeinflüsse beeinflußt wird. Beispielsweise können
Wärmedehnungsdifferenzen zwischen der Welle und dem zwischen Gleitwerkstoff und
Austrittsöffnung gelegenen Gehäuseteil auftreten, die eine von der Abnutzung des
Gleitwerkstoffes unabhängige und also nicht erwünschte Änderung des zu überwachenden
Spaltes und damit des Druckes im Druckölsystem hervorrufen.
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Weiterhin können derartige, die Umwandlung und übertragung der Meßgröße
störenden Spaltänderungen durch Durchbiegungen oder Schwingungen der Welle oder
des Gehäuseabschnittes entstehen.
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Durch die Drosselwirkung der zwischen der Drosselstelle und dem Austrittsquerschnitt
befindlichen Druckleitung erfolgt außerdem eine starke Verringerung des erzielbaren
Unterschiedes zwischen normalem Überwachungsdruck des Gleitlagers und dem niedrigeren
Auslösedruck für die Sicherheitseinrichtung. Dieser zusätzliche Druckabfall ist
sehr nachteilig und erfordert entweder eine sehr empfindlich gestufe Meßeinrichtung
oder Druckleitungen großen Querschnitts.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile dieser bekannten
Sicherheitsvorrichtung zu beseitigen und eine wesentlich verbesserte Sicherheitseinrichtung
der Art zu schaffen, daß neben der direkten Messung des zu überwachenden Teiles
auch eine gewisse Unempfindlichkeit des Druckflüssigkeitssystems gegen Druckschwankungen
in den Leitungen durch eine große Druckdifferenz zwischen niedrigem normalem überwachungsdruck
und hohem Auslösedruck bei unzulässiger Lagerabnutzung gewährleistet ist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausströmöffnung
in der Schicht aus Gleitwerkstoff
befindet und daß in der Lauffläche
dieser Schicht ein oder mehrere Abflußkanäle für die aus der Ausströmöffnung austretende
Druckflüssigkeit angeordnet sind.
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Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß sich allein durch Abnutzung
der Schicht aus Gleitwerkstoff der Querschnitt der zur Abführung der Druckflüssigkeit
dienenden Abflußkanäle verengen kann. Während des Betriebes des Gleitlagers nimmt
infolgedessen die Drosselwirkung dieser Ausströmöffnung und damit der auf die mechanisch-hydraulische
Auslöseeinrichtung einwirkende Flüssigkeitsdruck zu, so daß diese bei überschreiten
eines Grenzdruckes ausgelöst wird.
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Die durch die Anordnung nach der Erfindung erreichte Abhängigkeit
des Überwachungsdruckes von der Schichtstärke des Gleitwerkstoffes führt zu folgenden
weiteren Vorteilen: Der Überwachungsdruck bleibt während der ganzen Zeit geringer
Abnutzung des Gleitwerkstoffes niedrig. Deshalb wirken sich Schwankungen des vor
der Drosselstelle wirkenden Druckes nur unwesentlich auf den Überwachungsdruck aus.
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Außerdem bleiben die bei größeren Drehzahländerungen des umlaufenden
Teiles erfolgenden Änderungen der Ausströmverhältnisse, vor allem Wechsel von laminarer
in turbulente Strömung, oder umgekehrt, als Störeinflüsse wegen des niedrigen Betrages
des Überwachungsdruckes auf diesen weitgehend unwirksam. Die Einstellung des der
Sicherheitseinrichtung vorgeschalteten Druckerzeugers oder der in der Druckleitung
eingebauten Drosselstelle oder der Auslöseeinrichtung so, daß diese Auslöseeinrichtung
genau bei der höchstzulässigen Abnutzung ausgelöst wird, läßt sich einfach und sehr
genau durchführen, da eine große Druckdifferenz zwischen Überwachungsdruck bei geringer
und Auslösedruck bei unzulässig großer Lagerabnutzung zur Verfügung steht.
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Eine Drosselwirkung der Druckleitung zwischen Drosselstelle und Ausströmöffnung
hat eine Erhöhung des Meßdruckes zur Folge, das bedeutet also ein gleichsinniges
Arbeiten mit der Wirkungsweise der Sicherheitseinrichtung, so daß also besonders
große und strömungstechnisch vorteilhafte Leitungen nicht erforderlich sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung empfiehlt es sich, die Tiefe
der Abflußkanäle annähernd gleich groß zu bemessen wie die Stärke desjenigen Teiles
der Schicht aus Gleitwerkstoff, welche während des Betriebes der Maschine ohne Gefährdung
abgenutzt werden darf. Bei Erreichen bzw. überschreiten dieser Abnutzung verschwinden
diese Abflußkanäle, und die Ausströmung wird fast völlig unterbunden. Das Verhältnis
Auslösedruck zu Vordruck und damit der Unterschied zwischen Betriebsdruck bei normalem
Zustand des Lagers und Auslösedruck erreicht auf diese Weise einen Höchstwert. Dadurch
wird eine hohe Unabhängigkeit des Überwachungsdruckes von äußeren Störeinflüssen
gewährleistet.
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Weiter wird vorgeschlagen, zwei an eine gemeinsame Druckleitung angeschlossene
Ausströmöffnungen in der Schicht aus Gleitwerkstoff anzuordnen. Wird die Tiefe des
von der einen Ausströmöffnung ausgehenden Abflußkanals kleines gewählt als die Stärke
der Schicht aus Gleitwerkstoff, welche während des Betriebes abgenutzt werden darf,
und die Tiefe des von der zweiten Ausströmöffnung abzweigenden Abflußkanals gleich
groß bemessen wie die Stärke dieser Schicht, so stellt sich im Verlauf der Lagerabnutzung
in der gemeinsamen Druckleitung dann ein plötzlicher Druckanstieg ein, wenn der
zuerste angeführte Abflußkanal verschwindet. Dieser Druckanstieg. kann dazu benutzt
werden, um einen Warnimpuls auszulösen, der anzeigt, daß das Erreichen der höchstzulässigen
Abnutzung bevorsteht. Hierzu muß an die gemeinsame Druckleitung eine weitere Auslöseeinrichtung
angeschlossen werden, welche durch diesen Druckimpuls ausgelöst wird. Der von dieser
zweiten Auslöseeinrichtung umgewandelte Impuls wird einer geeigneten Warneinrichtung
zugeleitet. Diese zweite Auslöseeinrichtung kann beispielsweise in Form eines Kontaktmanometers
ausgeführt sein.
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Bei Anwendung der Sicherheitseinrichtung nach der Erfindung für axiale
Drucklager, welche in Form von Klotzlagern ausgeführt sind, empfiehlt es sich, den
zwischen einer feststehenden Fixierung, beispielsweise der Drosselstelle, und einem
Lagerklotz des Klotzlagers befindlichen Teil der Druckleitung als leicht biegsame
Rohrleitung auszuführen. Die Verwendung biegsamer Leitungen als Verbindung in z.
B. pneumatischen Meßgeräten ist zwar allgemein bekannt, jedoch hat sie für die Sicherungseinrichtung
gemäß der Erfindung den Vorteil, daß die Leitungsquerschnitte klein gehalten werden
können, da die starke Drosselwirkung der Verbindung sich nicht nachteilig auf den
Auslösedruck auswirkt.
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In der F i g. 1 der Zeichnung ist die Anordnung der Sicherheitseinrichtung
gemäß der Erfindung bei Verwendung an einem als Klotzlager ausgeführten axialen
Drucklager schematisch dargestellt.
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Das in der F i g. 2 wiedergegebene Schaubild zeigt die Abhängigkeit
des Überwachungsdruckes von der Größe des Ausströmquerschnittes bei der bekannten
Anordnung und bei der Anordnung gemäß der Erfindung.
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F i g. 3 zeigt einen Halbschnitt durch einen Klotz des Klotzlagers
der F i g. 1, der mit zwei an dieselbe Druckleitung angeschlossenen Ausströmöffnungen
und Abflußkanälen versehen ist. Die Ausströmöffnung 24 befindet sich innerhalb der
Schicht 11 aus Gleitwerkstoff, welche an der Laufseite der Lagerklötze 12 des axialen
Drucklagers 1 aufgetragen ist. Die Tiefe s der zur Abführung der ausgetretenen Druckflüssigkeit
vorgesehenen Abflußkanäle 13 entspricht dabei der Stärke der Schicht aus Gleitwerkstoff,
welche ohne Beschädigung des Drucklagers 1 und ohne Gefährdung des umlaufenden Teils
14 infolge Anstreifens an feststehenden Teilen der Maschine ausgenutzt werden darf.
Die in der Druckleitung 2 angeordnete Drosselstelle 21 ist in dem dargestellten
Beispiel verstellbar ausgeführt. Vor und hinter dieser Drosselstelle ist je ein
Manometer 31 und 32 zur Anzeige des Vordrucks p" und des überwachungsdrucks
p. vorgesehen. Die Differenz der beiden Drücke ist ein Maß für die Stärke der abgenutzten
Schicht.
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Die an den Druckraum 22 zwischen der Drosselstelle 21 und der Ausströmöffnung
24 angeschlossene mechanisch-hydraulische Auslöseeinrichtung 4 ist in Form eines
in einem Gehäuse 42 angeordneten Zweikolbenschiebers 41 ausgeführt, welcher sich
bei Erreichen des Auslösedruckes in die Auslösestellung bewegt und dabei eine hydraulische
Schnellschlußeinrichtung 5 für die Treibmittelzufuhr der Maschine
betätigt.
Das Kontaktmanometer ( dient bei Anordnung zweier Ausström- und Abflußkanäle in
dem Lagerklotz 12 zur Umwandlung des im Laufe der Abnutzung entstehenden Druckanstiegs
bei Verschwinden des weniger tiefen Abflußkanals in einen elektrischen Warnimpuls.
Der zischen der feststehenden Fixierung 9 und dem Lagerklotz 12 befindliche Teil
23 der Druckleitung ist als leicht biegsame Rohrleitung ausgebildet.
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In dem Schaubild der F i g. 2 sind entlang der Abszisse Strecken und
entlang der Ordinate der in dem Druckraum 22 wirkende Überwachungsdruck p. aufgetragen.
Die beiden gebrochen dargestellten Kurven I und 1o zeigen die Abhängigkeit dieses
Druckes von dem Abnutzungsweg für den Fall der bekannten Anordnung, bei der sich
während der Abnutzung der Ausströmquerschnitt vergrößert und dementsprechend der
Überwachungsdruck pü sinkt. Die gestrichelte Kurve 1o gilt für den theoretischen
Fall eines reinen Zweiblendensystems von Ausströmöffnung und Drosselstelle und die
strichpunktierte Kurve I für eine ausgeführte Sicherheitsvorrichtung unter Berücksichtigung
des Druckverlustes in dem Abschnitt zwischen der Drosselblende und der Ausströmöffnung.
Für die Anordnung gemäß der Erfindung gilt die durchgezogene Kurve Il. Bei dieser
Anordnung kann ein wesentlich größerer Druckunterschied A pII zwischen den
Betriebspunkt B für geringe Lagerabnutzung und dem Auslösepunkt A erzielt werden
als dies bei der bekannten Anordnung möglich ist, für welche jener Druckunterschied
A pI beträgt. Dies wird dadurch ermöglicht, daß die Drosselwirkung der Verbindungsleitung
zwischen Ausströmöffnung 24 und Drosselstelle 21 im Sinne der Meßeinrichtung arbeitet
und erwünscht ist. Die Strecken SA, bzw. SA I, bedeuten die zulässigen
Abnutzungswege und die Strecken .sL I und sL I, die Lagerspiele in den Gleitlagern
bei der schon bekannten und bei der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Der in F i g. 3 abgebildete Lagerklotz 12 des in der F i g. 1 dargestellten
axialen Drucklagers 1 weist zwei durch den Ouerkana115 miteinander verbundene Ausströmöffnungen
241 und 242 auf, welche in Abflußkanäle 131 bzw. 132 verschiedener Tiefe münden.
Bei Abnutzung der Schicht 11 aus Gleitwerkstoff bis zu der Ausströmöffnung 241 wird
in dem Druckraum 22 der zur Auslösung des Kontaktmanometers (6) erforderliche Druck
erreicht, und bei Abnutzung dieser Schicht bis zum Verschwinden des Abflußkanals
132 tritt die an die Schnellschlußeinrichtung 5 angeschlossene mechanisch-hydraulische
Auslöseeinrichtung 4 in Tätigkeit.