DE1400438B1

DE1400438B1 - Self-pumping thrust bearing for electrical machines with vertical shaft, especially for hydroelectric generators

Info

Publication number: DE1400438B1
Application number: DE19601400438D
Authority: DE
Inventors: Ulbrich Dipl-Ing Eberhard
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-05-20
Filing date: 1960-05-20
Publication date: 1970-05-14

Description

Zur Lagerung von elektrischen Maschinen mit vertikaler Welle, insbesondere für Wasserkraftgeneratoren, dienen bekanntlich unter Öl liegende Spurlager, deren Tragflächen als Segmente ausgebildet sind. Zwischen dem Spurring des umlaufenden Tragkopfes der Welle und den Tragflächen der Segmente entsteht ein Ölfilm, der die Lagerkräfte aufnimmt und eine direkte metallische Berührung der Lagerflächen vermeidet. Die durch die Lagerreibung entstehende Wärme im Öl wird durch einen ständigen Ölumlauf abgeführt.For mounting electrical machines with a vertical shaft, in particular for hydropower generators, thrust bearings are known to serve under oil, their Wings are designed as segments. Between the track ring of the revolving The bearing head of the shaft and the bearing surfaces of the segments creates an oil film, which the Absorbs bearing forces and avoids direct metallic contact with the bearing surfaces. The heat in the oil resulting from bearing friction is caused by constant oil circulation discharged.

Die Erfindung befaßt sich mit einem selbstpumpenden Spurlager für elektrische Maschinen mit vertikaler Welle, insbesondere für Wasserkraftgeneratoren, bei dem der Ölumlauf durch im umlaufenden Spurring vorgesehene radiale Bohrungen bewirkt wird, die das Öl aus einem Ansaugraum absaugen, der sich unmittelbar unterhalb eines zwischen den feststehenden Teilen des Spurlagerkopfes und dem rotierenden Tragkopf gebildeten Spaltes befindet, der oberhalb des Ansaugraumes unter Einwirkung eines erhöhten Öldruckes im Spalt gegen das Eindringen von Luftblasen abgedichtet ist. Ein derartiges selbstpumpendes Spurlager ist beispielsweise in der britischen Patentschrift 720 816 beschrieben.The invention is concerned with a self-pumping thrust bearing for electrical machines with vertical shaft, especially for hydropower generators, in which the oil is circulated through radial bores provided in the circumferential track ring is effected, which suck the oil from a suction chamber, which is immediately below one between the fixed parts of the thrust bearing head and the rotating one Support head formed gap is located above the suction space under action an increased oil pressure in the gap is sealed against the ingress of air bubbles is. Such a self-pumping thrust bearing is for example in the British U.S. Patent 720,816.

Bei selbstpumpenden Spurlagern für elektrische Maschinen, die mit hoher Drehzahl umlaufen, also beispielsweise bei selbstpumpenden Spurlagern für 8-bis 12polige Wasserkraftgeneratoren, können im Ansauggebiet des Öles turbulente Störungen entstehen, so daß durch den im Ansauggebiet herrschenden Unterdruck in Zusammenwirkung mit Wirbelbildungen sich oberhalb des Ölspiegels befindende Luft angesaugt wird. Gelangen Luftblasen in den Ölkreislauf, so führt dies zu einem starken Absinken des für die Ölumwälzung benötigten Öldruckes und damit zu einer Beeinträchtigung der Kühlung des Lagers.With self-pumping thrust bearings for electrical machines that use rotate at high speed, for example with self-pumping thrust bearings for 8 to 12 pole hydropower generators can be turbulent in the oil intake area Disturbances arise, so that due to the negative pressure in the intake area Combination with the formation of eddies, air located above the oil level is sucked in. If air bubbles get into the oil circuit, this leads to a strong Lowering of the oil pressure required for the oil circulation and thus an impairment the cooling of the warehouse.

Bei dem aus der genannten britischen Patentschrift bekannten selbstpumpenden Spurlager ist daher die den Spalt gegenüber dem rotierenden Tragkopf begrenzende feststehende Innenwand des Spurlagertopfes mit einem ringförmigen Ansatz versehen, der unter Bildung eines engen Schlitzes in eine Ausdrehung des Tragkopfes hineinragt. Beim Drehen des mit der Welle verbundenen Tragkopfes wird das im Spalt zwischen dem Spurlagertopf und dem Tragkopf befindliche Öl mitgenommen, so daß dieses Öl, in das bei turbulenten Störungen im Spalt Luftblasen eintreten können, infolge der auftretenden Zentrifugalkräfte gegen die den Spalt begrenzende Wand des Tragkopfes gedrückt wird. Dieser erhöhte Öldruck hängt von der Größe der Zentrifugalkräfte und damit von der Differenz zwischen den Radien des Spaltes und des engen Schlitzes ab. Da diese Differenz sehr klein ist, ist trotz der besonderen Formgebung des Spaltes, die durch den in eine Ausdrehung des Tragkopfes hineinragenden ringförmigen Ansatz erzielt wird, ein sicheres Abdichten des Spaltes gegenüber bei turbulenten Störengen auftretenden Luftblasen nicht mit Sicherheit gewährleistet. Da außerdem die Saugwirkung des unmittelbar unter dem engen Schlitz befindlichen Ansaugraumes bestehen bleibt, besteht die Gefahr, daß Luftblasen in den Ölkreislauf gesaugt werden und damit die Kühlung des Lagers beeinträchtigen.In the self-pumping known from the aforementioned British patent Thrust bearing is therefore the one that delimits the gap with respect to the rotating support head the fixed inner wall of the thrust bearing pot is provided with an annular shoulder, which protrudes into a recess in the support head, forming a narrow slot. When turning the carrying head connected to the shaft, this is in the gap between the thrust bearing pot and the bearing head are taken with oil, so that this oil, in which air bubbles can occur in the case of turbulent disturbances in the gap, as a result of the occurring centrifugal forces against the gap delimiting wall of the support head is pressed. This increased oil pressure depends on the magnitude of the centrifugal forces and thus on the difference between the radii of the gap and the narrow slot away. Since this difference is very small, despite the special shape of the gap, through the annular shoulder protruding into a recess in the support head is achieved, a reliable sealing of the gap against turbulent disturbance occurring air bubbles cannot be guaranteed with certainty. There is also the suction the suction space located directly under the narrow slot remains, there is a risk that air bubbles will be sucked into the oil circuit and thus the Impair the cooling of the bearing.

Aus der britischen Patentschrift 780 094 ist ein selbstpumpendes Spurlager bekannt, bei dem zwischen der feststehenden Innenwand des mit Öl gefüllten Spurlagertopfes und einem mit dem rotierenden Tragkopf verbundenen Zylinder ein in axialer Richtung des Spurlagers sehr langer Spalt gebildet ist. Auch ein derart langer Spalt reicht jedoch nicht aus, um insbesondere bei den auftretenden starken Turbulenzbewegungen des Öles das Ansaugen von Luftblasen durch diesen Spalt zu vermeiden.From British patent 780 094 is a self-pumping thrust bearing known, in the case of the between the stationary inner wall of the oil-filled thrust bearing pot and a cylinder connected to the rotating support head in the axial direction the thrust bearing is formed very long gap. Such a long gap is also sufficient however, this is not enough, especially in the case of the strong turbulence movements that occur of the oil to prevent air bubbles from being sucked in through this gap.

In der britischen Patentschrift 571745 ist ein selbstpumpendes Spurlager beschrieben, bei dem der im äußeren Teil des Spurlagertopfes gebildete Druckraum gegen die Außenluft mit Hilfe eines langen Spaltes abgedichtet ist, in welchem das Öl durch Zentrifugalkräfte unter Druck steht. Mit Hilfe dieses Spaltes soll ein Aufschäumen des Öles und damit ein Eindringen von Luftbläschen in den Ölkreislauf verhindert werden. Eine Abschirmung des Ansaugraumes gegen Luftblasen, die durch den zwischen der feststehenden Innenwand des Spurlagertopfes und dem rotierenden Tragkopf gebildeten Spalt in den Ansaugraum gelangen können, ist bei diesem bekannten Spurlager nicht vorgesehen.In British Patent 571745 there is a self-pumping thrust bearing described in which the pressure space formed in the outer part of the thrust bearing pot is sealed against the outside air with the help of a long gap in which the Oil is pressurized by centrifugal forces. With the help of this gap a Foaming of the oil and thus the penetration of air bubbles into the oil circuit be prevented. A shielding of the suction space against air bubbles, which through between the stationary inner wall of the thrust bearing pot and the rotating one Support head formed gap can get into the suction space is known in this Thrust bearing not provided.

Auch sind bei Wellen zur Abdichtung von zwei gasförmigen Medien gegeneinander Flüssigkeitsdichtungen bekannt (deutsche Patentschrift 852 481 und britische Patentschriften 780 537 und 815 884), bei denen zwischen die abzudichtenden Medien eine Flüssigkeit gebracht wird, die insbesondere unter Druck stehen kann. Bei diesen bekannten Abdichtungen handelt es sich um Abdichtungen für umlaufende Wellen, bei denen das Hindurchtreten von Gas oder Luft durch das Wellenlager bzw. durch eine Gehäusedurchführung der Welle vermieden werden soll.Shafts are also used to seal two gaseous media from one another Liquid seals known (German patent specification 852 481 and British patents 780 537 and 815 884) with a liquid between the media to be sealed is brought, which can be under pressure in particular. With these known seals it concerns seals for rotating shafts, in which the passage of gas or air through the shaft bearing or through a housing bushing of the Wave should be avoided.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem selbstpumpenden Spurlager der erstgenannten Art das Abdichten des Ansaugraumes gegenüber dem Eindringen von Luftblasen mit Hilfe des unmittelbar oberhalb des Ansaugraumes befindlichen Spaltes zwischen den feststehenden Teilen des Spurlagertopfes und dem rotierenden Tragkopf zu verbessern. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß oberhalb des Ansaugraumes in den feststehenden Teilen des Spurlagertopfes eine zum Spalt offene, zur Welle konzentrische Kammer angeordnet ist, der das unter erhöhtem Druck stehende Öl aus dem am radialen Umfang des als Kreiselpumpe wirkenden Spurringes gebildeten Druckraum zugeführt ist. Hierdurch wird oberhalb des Ansaugraumes eine Zone erhöhten Druckes gebildet, welche ein Hindurchtreten von Luftblasen durch den Spalt in den Ansaugraum mit Sicherheit ausschließt. Gleichzeitig ist ein Unterschreiten des Druckes im Ansaugraum unter einen Wert, der einen Eintritt von Luftblasen in den Ölkreislauf ermöglichen würde, ausgeschlossen.The invention is based on the object of a self-pumping Thrust bearings of the first-mentioned type seal the intake space against penetration of air bubbles with the help of the one located directly above the suction chamber Gap between the stationary parts of the thrust bearing pot and the rotating one To improve the carrying head. This object is achieved according to the invention in that above of the suction space in the stationary parts of the thrust bearing pot one to the gap open chamber concentric to the shaft is arranged, which under increased pressure standing oil from the track ring acting as a centrifugal pump on the radial circumference formed pressure space is supplied. This creates a Zone of increased pressure formed, which prevents the passage of air bubbles through the Certainly excludes a gap in the suction chamber. At the same time there is a fall below of the pressure in the suction chamber below a value that allows air bubbles to enter would enable the oil cycle, excluded.

Als Ausführungsbeispiel ist in der Figur eine schematische Zeichnung eines gemäß der Erfindung ausgebildeten selbstpumpenden Spurlagers für einen Wasserkraftgenerator mit vertikaler Welle dargestellt.As an exemplary embodiment, a schematic drawing is shown in the figure a self-pumping thrust bearing designed according to the invention for a hydropower generator shown with a vertical shaft.

Die vertikale Welle 1 eines Wasserkraftgenerators wird über den Tragkopf 2 mit dem Spurring 3 von dem Spurlager getragen, das aus dem Traglager 4 und dem Führungslager 5 besteht. Das Traglager 4 besteht aus einzelnen Spursegmenten 6, die in bekannter Weise auf dem Boden 7 des Spurlagertopfes gelagert sind. Der Spurlagertopf schließt mit der Wand 8 gegen die Welle 1 ab und ist mit Öl gefüllt, das zur Kühlung des Lagers dient. Zur Ermöglichung eines ständigen Ölumlaufs ist der umlaufende Spurring 3 mit radialen Bohrungen 9 versehen, die beim Umlaufen nach Art einer Kreiselpumpe eine Pumpenwirkung hervorrufen und das Öl zu einer nicht dargestellten Kühleinrichtung fördern. Von dieser Kühleinrichtun, wird das Öl auf ebenfalls nicht dargestelltem Wege wieder den Spursegmenten 6 zuaeführt.The vertical shaft 1 of a hydropower generator is over the support head 2 with the track ring 3 carried by the thrust bearing, which consists of the support bearing 4 and the Guide bearing 5 consists. The support bearing 4 consists of individual track segments 6, which are stored in a known manner on the bottom 7 of the thrust bearing pot. The thrust bearing pot closes with the wall 8 against the shaft 1 and is filled with oil for cooling of the camp. To enable constant oil circulation, the circulating Track ring 3 provided with radial bores 9, which when rotating produce a pumping effect like a centrifugal pump and the oil to one not Promote cooling device shown. From this cooling device, the oil is on The track segments 6 are also fed back to the track segments 6, which is also not shown.

Im Innern des Spurlagertopfes ist die über den Öl- spiegel hinausragende Wand 10 konzentrisch zur Wand 8 angeordnet. Die Wand 10 ist mit einer oder mehreren Bohrungen 11 zum öldurchtritt versehen. Im oberen Teil trägt die Wand 10 zwei ringförmige Ansätze 18 und 19, die mit einem möglichst engen Spalt 13 gegen den Tragkopf 2 abschließen. Durch diese ringförmigen Ansätze 18 und 19 wird in Verbindung mit dem Tragkopf 2 die feststehende, zur Welle konzentrische Kammer 12 gebildet. Dieser Kammer 12 wird Öl unter erhöhtem Druck zugeführt, das über die Leitung 14 aus dem Druckraum 15 entnommen wird, der durch die kreiselpumpenartige Wirkung der Bohrungen 9 am radialen Umfang des Spurringes 3 entsteht. Von der Kammer 12 tritt Öl erhöhten Druckes in den Spalt 13 oberhalb und unterhalb der Kammer 12 aus. Trotz der Saugwirkung des Ansaugraumes 16, der sich unmittelbar unterhalb des Spaltes 13 befindet, sinkt daher der Öldruck im Spalt 13 nicht so weit ab, daß Luftblasen von dem mit Luft gefüllten Raum 17 durch den Spalt 13 hindurchgesaugt werden, und zwar auch dann nicht, wenn Turbulenzerscheinungen und Wirbelbildungen im Raum 16 auftreten. Es kann also keine Luft mehr aus dem Raum 17 in die radialen Bohrungen 9 des Spurringes 3 und damit in den Ölumlauf geraten. Die Abschirmwirkung der Druckzone läßt sich durch eine besondere Formgebung der Begrenzungswände noch erhöhen. So kann man z. B. die Begrenzungswände der Kammer zu dem rotierenden Tragkopf in an sich bekannter Weise labyrinthähnlich ausbilden.In the interior of the thrust bearing pot, the wall 10 protruding beyond the oil level is arranged concentrically with the wall 8. The wall 10 is provided with one or more bores 11 for the passage of oil. In the upper part, the wall 10 carries two ring-shaped projections 18 and 19, which end with the support head 2 with the narrowest possible gap 13. By means of these annular projections 18 and 19, in connection with the support head 2, the stationary chamber 12 which is concentric to the shaft is formed. This chamber 12 is supplied with oil under increased pressure, which is withdrawn via the line 14 from the pressure chamber 15, which is created by the centrifugal pump-like effect of the bores 9 on the radial circumference of the track ring 3. Oil at increased pressure exits from the chamber 12 into the gap 13 above and below the chamber 12. Despite the suction effect of the suction space 16, which is located directly below the gap 13, the oil pressure in the gap 13 therefore does not drop so far that air bubbles are sucked from the air-filled space 17 through the gap 13, even then, when turbulence phenomena and eddy formations occur in space 16. So it can no longer get air from the space 17 into the radial bores 9 of the track ring 3 and thus into the oil circulation. The shielding effect of the pressure zone can be increased by a special shape of the boundary walls. So you can z. B. form the boundary walls of the chamber to the rotating support head in a manner known per se like a labyrinth.

Claims

Claims: 1. Self-pumping thrust bearing for electrical machines with a vertical shaft, in particular for water power generators, in which the oil circulation is brought about by radial bores provided in the circumferential track ring, which suck the oil out of a suction space which is located directly below one between the stationary parts of the thrust bearing pot and the rotating support head is located, which is sealed above the suction space under the action of an increased oil pressure in the gap against the ingress of air bubbles, characterized in that above the suction space (16) in the stationary parts (10) of the thrust bearing pot a gap ( 13) open chamber (12) concentric to the shaft is arranged. which is supplied with the oil under increased pressure from the pressure chamber (15) formed on the radial circumference of the track ring (3) acting as a centrifugal pump.

2. Thrust bearing according to claim 1, characterized in that the gap (13) forming boundary walls of the chamber (12) to the rotating support head (2) labyrinthine are trained.