DE1400943A1

DE1400943A1 - Lagerung fuer Drehwellen

Info

Publication number: DE1400943A1
Application number: DE19631400943
Authority: DE
Inventors: Endres Dr Wilhelm
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1963-11-29
Filing date: 1963-12-19
Publication date: 1968-12-12
Also published as: CH409536A

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden

Lagerung für Drehwellen.

Ee ist bekannt, dass die rotierenden Teile bei hochtourigen Maschinen im Betrieb elastische Schwingungen ausführen, deren Berechnung für relativ einfache Ro~ tationekörper mit kleiner Anzahl Lagerstellen noch möglich ist. Handelt es sich aber um komplizierte Maschinen, auf entsprechenden Fundamenten, wie z.B. mehrgehäusige Turbinen, elektrische Generatoren, elektrische Hilfagroppen u.a., so entzieht sich das Betriebsverhalten solcher Gruppen oft einer exakten Voraussage. Lager leichter Ro* toren hoher Drehzahl und kleiner Abmessungen werden be· kannterweise mechanisch gefedert, wobei deren federung mit hydraulischer Schwingungsdämpfung kombiniert werden kann. Sowohl Steifigkeit der Federung eis Charakteristik der Dämpfung wird ^Jeweils den Rechnungen und Erfahrungen entsprechend ausgelegt*

Diese Art der Federung beansprucht vor allem bei grossen Einheiten vergleichsweise viel Raum. Ausserdem pflegen solche mechanische Federn infolge der ständigen Beanspru-

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ehung durch dao Rotorgewicht langfristig zu ermüden, wodurch sich die Gleichgewichtslage der Welle absenkt,- Was . zu Störungen und schliesslich zu Betriebsuntüchtigkeiife der Maschine führen kann.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu umgehen.

Die erfindungsgemässe iagerung für Drehwellen mit mindestens einer Lagerstelle, insbesondere von Turbomaschinen lit dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lagerstelle mit hydraulisch^neuiiftliischen Wcl|#j3t*Abstu:|^tte^ pr- ,; sehen ist. . ".-"■■■ * ,

Ein Ausführungsbeispiel des Erfiiidungsgegonstandes wird im folgenden anhand von Figuren erlfcutert. Be aeigfct^

Fig. 1 die Lagervorrichtung einer furfe©»aeÄHine im [.}; Schnitt, in schematischer Darstellung, '

Fig, 2 einen Querschnitt dtireh-eiiuiV^eeriuif\A^lög'*'Fi£»X: mit konstruktiven iiiiaelöeiten_f ;; V: ^

Fig. 3 einen Axialschnitt durch die Lageryorrichtung : nach Fig. 2 gemüse Schnittlinie 111*111» ν

In Flg.l ist in schematischer Ausführung eine Lagervorrichtung ersichtlich. Sie dient der Lagerung eines Rotors mit einer Welle 1. Die Lagervorrichtung weist ein GÜitlager auf mit zwei Lagerschalen 2 und 12 und, einem ebenfalls zweiteiligen Lagerkörper 3. Am Lagerkörper 3 befinden sich hydraulische Kolben 4. Diese arbeiten in den in einem Lagergehäuse 5 befindlichen Zylindern 6, in welchen sich ein Druck-

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riedium, vorzugsweise ein Lageröl 7 befindet. Die Raupe de;r Zylinder 6 sind ,über Je eine Druckleitung 8 mit je einem Akkumulator ider Druckbehälter 10 verbunden, wobei in der Druckleitung 8 ein Drosselorgan 9 mit veränderbarem Querschnitt angeordnet ist. Der Druckbehälter

.sieh 10 ist teilweise mit Lageröl 7 gefüllt, üf welchemYein Druckgaapoister in Form einer grossen von aussen eingefüllten. Blase 11 befindatJDer Druckbehälter 10 weist einen Stahlmantel auf,.in dessen Innerem sich diese Blase,z.B. eine Gummiblase, befindet, die über eine Fülleinrichtung, beispielsweise mit Luft oder Stickstoff, auf einen vorbestimmten Druck, entsprechend der Grosse und dem Gewicht der Lagerung, aufgeblasen werden kann_o

Auf diese Weise ist der Läufer über seine Welle 1 hydraulisch-pneumatisch abgestützt. Dabei wird die Gasblase 11.

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entsprechend komprimiert. Die Bewegung der· Welle 1 und der Lagerschalen 2 und 12 sowie de» Lagerkörpers 3 wird nach Massgabe des Querschnittes des Drosselorganes 9 gedämpft. Das Mass der Dämpfung kann durch Aenderung dieses Querschnittes auch während des Betriebes der Maschine den Verhältnissen angepasst werden. Das Drosselorgan 9 kann z.B. ein von aussen regulierbarer Durchgangshahn sein.

In den Figo2 und 3 ist das Innere des Lagergehäuses 5 im Einzelnen dargestellt. Am LagerkSrper 3 befinden sich ebene Anf lachungen 15 mit Zent rierzapf en 18, Auf de ti Anf lachungen 15 liegen Beilagen 16 auf. Ueber diese werden Ringe 17 gebracht und mit den Zentrierzapfen 18 auf das Lagerkör-

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per 3 zentriert und verbunden. In den Zentrierzapfen 18 ist «in Steuerbolsen 23 mit gehorteter und geschliffener Stirnfläche

24 eingepresste . - .

Auf der Stirnseite der Zentrierzapfen 18 enden Bohrungen 27, welche das Innere der Lagerschalen 2 und 12 mit dem radial ausserhalb den Ringen 17 gelegenen\Räumen verbinden* Auf der Aussenseite sind die Ringe 17 durch Kugelkalott>enf lachen 19 begrenzt, welche ihr Zentrum im Lagermittelpunkt 20 haben und der Welle 1 bzw, dem Läufer ein Einstellen in Axrichtung ermöglichen, um die Durchbiegungen der Welle 1 zu berücksichtigen. Die Ringe IT weisen ausserdem Ringnuten 21 auf _t welche der Aufnahme von

. oder anderen «lastischen Ringen elastischen Kolbenringen 22 «ienen. Ueber die Kolbenringe 22 werden Zylinder 25 gestreift* Diese Z ylinder ^5 sind je mit einer zentrischen Bohrung 33 versehen. Jeder.Zylinder 25
•weist eine kugelkalottenförioige konkave Innenfläche 2€ auf.,
deren. Zentrum im LaLgermittelpunkt 20 liegt. In^: der Bohrung
33 des Zylinders 25 ist ein Köhrohen.30 befestigt. Ausserdem weist jeder Zylinder HS einen Druckleitungsanschluss 31 auf, voll dem aus die Druckleitung 8 zum einstellbaren uroeselorgan 9 und anschlieesend zum Druckbehälter 10 führt* Die Zylinder

25 werden ihrerseits im Lagergehäuse 5 befestigt»

Im RuhesuBtand stützt sich die Welle 1 über die Lagerechalen 2 und 12, den Lagerkörper 3, die Beilagen 16, die Hing« It,
die Kalottenflächen 19 und 26 auf die Zylinder 25 und von die» «en auf das Lagergehäuse 5 ab.

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* Sobald die Welle 1 zu rotieren beginnt, baut sich syrischen ihr und den Lagerschalen 2 und 12 Ijb. Schmierölfilm (nicht dargestellt) ein Druck auf, der sich durcb die Bohrungen 27 in die Räume zwischen den Ringen--17-und den Zylindern 25 fort«·- pflanzt. Die Abstande zwischen den Steuerbolzen 23 und den Röhrchen 30 sind so bemessen, dass sich diese beiden Teile jeweils stirnseitig gerade dannberühren, wenn die beiden entspreehenden Kalottenflächen 13 und 26 aufeinander aufliegen. Diese Lage wird γοή den unteren Ringen 17 und Zylindern (Fig.2) infolge des Gewichts der Anordnung gerade im Ruhesustand eingenommen. Das wahrend des AnlaufVorganges durch die beiden unteren Bohrungen 27 gepresste OeI kann also vorerst nirgends entweichen, im Gegensatz zum oberen, mit Drucköl be* aufschlagten Zylinderraum. In diesem besteht zwischen den Kalottenflächen 19 und 2S und damit auch zwischen dem Steuerbölsen 23 und dem Röhrchen 30 ein vorbestimmtes Spiel und awar so lange, als das Lager infolge seines Gewichtes auf den beiden untern Flächen metallisch abgestützt ist. Während des Anlaufe kann also das durch die obere Bohrung 27 gepresste OeI durch das obere Röhrchen 30 in den Oelsumpf (nicht dargestellt) entweichen. - ■ - -.... -.·. Zwischen den unteren Ringen 17 und den'entsprechendeorZylindern 25 wird sich also der Druck so lange aufbauen, bis er gerade gross genug ist, um die Welle 1 und den Rotor anzuheben. Sobald die» der Fall ist, werden die Oeffnungen der unteren Röhrchen 30

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durch die entsprechenden iJteuerbolzen 23 freigegeben und
«war urasomehr, je weiter die zwei unteren Ringe 17 und damit der Lagerkörper 3 abgehoben werden. Gleichzeitig :wird der frei* Strdmungsquerschnitt zwischen dem oberen Steuerbolsen 23 und dem zugehörigen Röhrchen 30 verringert, so dass dar dortige Druck »it steigendem Lagerkörper grosser wird, so lange., bis «wischen den Druckkräften auf die unteren Ringe 17 einerseit-s und der Summe »on Schwerkraft und Druckkraft auf den oberen Ring" andererseits bei Betriebs^drehsrahl Gleichgewicht ßerrscht. Die
Bohrungen 27\ die als Blenden wirken sowie die St ruerbolaen 23 und die Röhrchen 30 erfüllen hierbei die Punktion einer
hydraulischen Absteuerung.

Die zwischen den Zylindern 25 und den Ringen 17 bei Bewegung des LagerköYpers 3 auftretenden seitlichen Relativbewegungen werden durch da& !seitliche Spiel der Kolbenringe 22 aüfgeüo»—-men. Die Querschnitte der Bohrungen 27 und der hydraulischen Ansteuerung zwischen den Steuerbolzen 23 und den Röhrchen 30 sind so bemessen, das» dem Lager nur diejenige Öelmenge entzogen wird_r welche dessen Funktion nicht beeinträchtigt *.
EiTwerden ia.a^W. die OeldrÜcke im Schmierspalt zwischen der
Welle 1 und den Lagersohalen S und 12 nicht Merklich gemin-

nun die beschriebene hydraulische Lager abs tut *ung federnd gestellt en, sind die Druckr flume »wischen den Eiitgeit 17 und den Zylindern 25 über die DruckleitungeanBchlüsse 31 und die Drückleitunsen Ö mit den DruckbehiUtern 10 Ter*unden. Ia der

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Druckleitung 8 befindet sich das im Querschnitt veränderbare hydraulische Drosselorgan 9, welches· vorzugsweise als' Hahn mit stufenlos verstellbarem Querschnitt ausgebildet ist.

vglB

■ Während des Anlaufvorgängewird aus dem Zylinder 6 (Fig.1) (iurch die Druckleitung 8 solange Lager öl 7 in den Druckbehälter IO gepresst,-bis der mittlere Druck im Zylinder gleich demjenigen des in der Blase 11 komprimierten Druckgases ist. Die Blase 11, welche im Ruhezustand dank der Vorspannung des Druckgases das ganze Volumen des Druckbehälters 10 eingenommen hat,^ wird im Betrieb also auf ein Teilvolumen zusammengepresst, derart, dass sich Innen- und Aussendruck die Wage halten.

Wenn nun von der Welle 1 Schwingungen über don OeIfilm auf den. in Gleichgewichtslage schwimmenden Lagerkorper 3 übertragen werden, so wird OeI aus den Zylindern 6 über die Druckleitung 8 in den jeweiligen Druckbehälter 10 gepresst bzw· aus demselben entnommen. Hierbei entstehen im veränderbaren Drosselorgan 9 je nach Massgabe des freigegebenen Querschnittes dea Röhrchens 30 erhebliche Strömungsgeschwindigkeiten und daher Druckverluste. Die Blase 11 wird in der Frequenz der Schwin-» gung um den Mittelwert des' Systeradruckes kontrahiert und expandiert*

Bei diesem schwingenden Wechsel zwischen Kompression und Expansion erfüllt das Druckgas die Funktion einer Feder» Der erwähnte Mittelwert des 8y Steindruckes ist nur vom Oelkeildruck im Schmierspalt zwischen der Welle 1 und der Lagerschale 2 bzw*

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12 sowie von den Querschnitten der Bohrungen 27 und den übrigen Teilen, der hydraulischen Absteuerung, bestehend aus dem Steu« erbolzen 23 .und den Röhrchen 30, abhängig· Demgegenüber ist die bei einer gegebenen Schwingung der Welle 1 im Druckbehälter 10 auftretende Druckschwankung abhängig vom Verhältnis der Volumenänderung im Zylinder 6 zum Volumen des beim Mittelwert des Systemdruckes in der Blase 11 eingeschlossenen Druckgasvolumens* Ist dieses letztere Volumen gross_r so bedeutet ein starker Ausschlag der Weile 1 einen geringen Druckanstieg bzw» Abfall, d.h» eine geringe Steifigkeit "der Federung· Ist ■■■ das Volumen in der Blase 11 aagegen klein^ so hat der gleiche Ausschlag der Welle 1 eine stärke Druckänderung, zur Folge, d.h. ctie Steifigkeit der Lagerung ist gross. Durch Veränderung des. Querschnittes" des Dröäselorgans 9 können andererseits, die, ,bei einer nach Amplitude und Frequenz vorgegebenen Vibration.derWelle 1 im Drosselquerschnitt auftretenden Geschwindigkeiten und damit die ' Druckverluste beeinflusst werden _t was einer veränderbaren Dämpfung dieser Vibrationen gleichkommt·

Diese beiden Möglichkeiten der Einstellung sowohl-der BlasengrÖs» se wie.des Drosselquerschnittea befriedigen ein Bedürfnis der Praxis, wie es sich bei Konstruktion und Betrieb von Turbo-" maschinen ergeben ha-fc«

Beispielsweise können bei Inbetriebnahme solcher Maschinen Steifigkeit und Dämpfung einer oder mehrerer Lagerabstütaungen so lange verändert werden, bis die Vibrationen bei Betriebsdrehaahl minimal werden. Dies kann von Wichtigkeit sein, wenn es sich beispielsweise anlässlich der Inbetriebnahme zeigt, dass ein Teil der Welle

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bei Betriebsdrehzahl ganz oder beinahe im Bereiche der kritischen Drehzahl läuft. Durch Verändern von steifigkeit und/oder Dämpfung der betreffenden Lagerabstiitzungen, kanu, die kritische Drehzahl für diesen Teil.verschoben und eine bei Betriebsdrehzahl unkritische elastische Schwingung erzwungen werden. Die Verwendung einer pneumatischen Federung anstelle einer metallischen bietet ausserdem vor allem bei grossen Einheiten, räumliche Torteile.

Durch blosses Verändern des in der Blase 11 eingeschlosssenen Volumens kann also die Steifigkeit der federnden Lagerung nach Belieben stufenlos>und zwar im Betrieb, verändert werden. Ferner kann die Stärke der Dämpfung durch Verändern des Querschnittes des Drosselorganss 9 im Betrieb verändert werden.

Om bei mehrfach gelagerten Wellen ein gleich&assiges Tragen insbesondere benachbarter Lager zu erreichen, können die mit LagerOl 7 angefüllten gleichgelegenen Räume zwischen den Z-ylindern 6 und den Kolben 4 dieser Lager untereinander verbunden werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Lagerung für ßrehwellen. mit mindestens einer Lagerstelle,, insbesondere von Turbomasebenen* dadurch gekennzeichnet* dass mindestens eine Lagerstelle mit hydraul scb,-*pneumatisuchen Wellen-Absttitzmitteln (4*6,7,10,11) versehen ist»

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel angeordnet sind, um die Absttifezaittel (4,6,7*10*11} während des Betriebes zu verstellen.

3. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» dass hydraulische Wellensehwingungs-Därapfungsmittel (9) angeordnet sind»

4. Lagerung nach Anspruch 1 und 3* dadurch gekennzeichnet, dass Wittel angeordnet sind, um die Dampfungsmittel (9) während des Betriebes zu verstellen.

5« Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (2,3,12) Im zugehörigen Gehäuse (5) mindestens radial verschiebbar angeordnet 1st, wobei die Verbindung zwischen Lager (2,3,12) und Gehäuse (5) über mindestens zwei hydraulisch 4jetätigbare Kolben (4) und Zylinder (6) erfolgt.

6. Lagerung nach Anspruch 1 und 5* dadurctfe. gekennzeichnet, dass das Wellenlager (2,3,12) mindestens zwei Kolben (4) aufweist* welche in Zylindern(6) des Gehäuses (5) hydraulisch verschiebbar gelagert sind.

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7.' Lagerung nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet* dass die Lauffläche der- Lagerschale (2,12). mit dem-Zylinderra'um verbunden ist, um SehmieEfltlssigkeifc (7) vom Lager- in den Zylinder/ (6) zu führen. - ' - : ·, ,

8. Lagerung nach. Anspruch 1 und % gekennzeichnet durch Steuermittel (25,2T,50Ϊ zum Steuern des Abflusses des hydraulischen Abstützu.dttels (7) im Zylinder

9·. . Lagerung nach Anspruch 1, 5 y^ °*. dadurch -gekennzeichnet, dass Mittel (23) angeordnet sind, um den Abfltrssquerschnitt in Abhängigkeit der Hubgrösse des Kolbens- (ΛΪ im Zylinder^ zu steuern* "' ·-■*··■■■---■·; ■'-■■ ■ · .— ., ·:■.-■■.'-\r* .-■>.,. ;_r .-.·-■· ,.-

10. Lagerung nach Anspruch 1 und 5» dadurch gekennzeichnet, dass die zum Aufeinanderliegen vorgesehenen^ Kolben^ und Zylinderendf lichen 03*£&ί kugelförmig ausgebildet' siώ& und der- ge meinsame fiktive Kugelmittelpunict: (20). auf^r'-'&er Weilenaxe liegt.

11. Lagerung nach Anspruch 1 und 5*"dadurcft gekiitßizelefe«et_y dass die zum Aufeinanderilegen vorgesehenen Kolben- und^: Zylinderendf!Sehen (19,26) izylindrisM ausgebildet sind lind .dle'esemeinsame Zylinderachse di^^: Vi^ller£äxe^f senkrecht .schneidet.

12. Lagerung nach-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Afc ^:it" " stUtzmittel einön hydratiliachen Akkumulator (lot)

IJ. Lagerung nach Anspruch 1 und lÖ, dadurch gekennzeichnet,, dass der Akkumulator (10) im betriebsfertigen Zustand teilweise mit Flüssigkeit (7) und teilweise mit einem Gas (11) angefüllt ist. '

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14. Lagerung nach Anspruch 1, 5-7, 10-und 11» dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (XQ) mit dem Zylinderraum und der Lauffläche der Lagerschale (2,12) derart hydraulisch verbunden ist,, dass das Schmiermittel (7} aus: dem--Lager in den^ Zylinderraum und von diesem in den Akkumulator. (10) %elangen ^ '^ ^ ^

ϊ -■-■--■ ^J 15.. Iiagerung"_:nach»Anspruch^vl und 5, ^dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmittel (9) einen im Betrieb veränderbaren Querschnitt aufweisen. .

16. Lagerung nach Anspruch 1, j5 und 15* dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmittel (9) im hydraulisch-pneumatischen Abstützsystem (4,6,10,11) eingebaut sind.

17. Lagerung nach Ansprach I, % 3-, 12, 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmittel (9) zwischen dem Zylinderraum und dem Akkumulator (10) angeordnet sind»

18. Lagerung nach Ansprvreh 1, 9, 12 und IJ, dadurch gekennzeichnet^ dass der Akkumulator (10) einen nach aussen führenden, abschllessbaren Anschluss aufweist, um die im Akkumulator eingeschlossene Qasmenge während des Betriebes zu verändern.

19; Lagerung nach Anspruch 1 .und 5* gekennzeichnet durch Kolbenringe (22) zur Aufnähme von Querbewegungen der Welle "(1).

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2o. Lagerung mit mindestens zwei Lagersteilen nach Anspruch 1 . und 5* dadurch gekennzeichnet, dass entsprechende Zylinderräume je mindestens zweier Lagerstellen miteinander hydraulisch verbunden sind.

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