DE1548962A1

DE1548962A1 - Lagerkonstruktion,insbesondere fuer Turbinen-Stroemungsmesser

Info

Publication number: DE1548962A1
Application number: DE19661548962
Authority: DE
Inventors: Ezekiel Frederick David; Bonarrigo Joseph Francis
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1965-10-22
Filing date: 1966-10-17
Publication date: 1970-09-10
Also published as: US3371531A; BE688607A; NL6614800A; GB1138373A

Description

The Foxbor© Company 1540902

Poxboro^ MaSS₈J USA

Lagerkonstruktion insbesondere tür T

Die Erfindung betrifft ©ine Lag©rkonstruktion insbesondere zur Verwendung bei Turbin©ii«St2?ömungs« bzw, -»Durehsatsmessern»

Turbinen-Meßvorrichtungen besitzen kein konstant; \^?häl:-- nis von Aus gangs frequenz zu volumetrischem Durohtit--:·ε ₈ sofs^: nicht irgend ein Kompensationsmittel vorgesehen ist» Es hat sich gezeigt, daß Turbinen»Keßvorrichtungen üblicher Bauart mit sehr geringe Reibung "besitzenden Lagern in den unteren Durchflußmengenbereichen sine Abweichung in der Ausgangsfrequenz vom tatsächlichen voluraenmäSigen Durchsatz zeigen, die den für die Meßgenauigkeit gewünschten Bereich von + 1% übersteigen kann. Man nimmt an, deß diese Abweichung der Meßkurve vom tatsächlichen Durchsatz auf eine Änderung des Viskositätswiderstands an den Wänden der Turbinen-Meivor« richtung bei niedrigeren Durchsatzvolumina zurückzuführen ist, wodurch eine vergleichsweise höhere Pluidumgeschwindigkejfc an mittleren Stellen in den Meßkanälen hervorgerufen wird» Es wurden bereits verschiedene Einrichtungen vorgesehla-

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gen, um diesen Kurvenbuokel zu vermindern und hierdurch eine Meßgenauigkeit von 1% über den ganzen Durchflußbeiν et zu erzielen, für welchen das Gerät ausgelegt ist; zu diesem Zweck sollten verschiedene Konfigurationen von Turbinenschaufeln, bestimmte Abstände zwischen den inneren Bauteilen der Turbinen-Meßvorrichtung und dgl. angewandt werden.

Die Erfindung richtet sich auf die Erhöhung der Genauigkeit eines Turbinen-Strömungsmessers o.cigl. durch Schaffung eines besonders konstruierten Lagers für eine derartige Vorrichtung, das eine gewisse Lagerreibung besitzt, durch welche eine Verminderung der Abweichung der Meßkurve vom tatsächlichen Durchsatz bewirkt und hierdurch über den ganzen Durchsatzmengenbereich, für welchen die Turbinen-Meßvorrichtung ausgelegt ist, eine Genauigkeit von i 1% oder weniger erzielt wird.

Aufgabe der Erfindung ist mithin die Schaffung einer eine gewisse Lagerreibung besitzenden Lagerkonstruktion insbesondere zur Verwendung bei Turbinen-Meßvorrichtungen, die ein konstantes Verhältnis von Ausgangsfrequenz zu volumetrischem Durchsatz über den ganzen Meßbereich erfordern, für welchen sie ausgelegt sind.

Die erfindungsgemäße Lagerkonstruktion, welche durch das

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se3 ^jc:

den StrSHungSEescssr dF-?efest?©a€aeLe_? sn g®se!iiaieii»fe WiFeLg soll ©in lliad©sfciaaS an Ylsk©sit-EtQ©i£©k~ ten geig'ssij, die eieis aus de» auf das Fliai&nam 1® £ag@i? ©Ib.» wirkendes Scherkräften ergebens sie soll el&an loibBiigs- wlderstand besitzen, wie er ziar¹ Glättung der liaMciiPVa einer Turbinen-Meßvorrlchtung in deren unterem BeFeIMi ohne a@a~ nenewerte Beeinträchtigung der Kurve über den oberen Durch·· eatzbereichen erforderlich ist; si© soll auch dann wirksam arbeiten, wens, das zu messende und gleichzeitig das Lager schmierende Pluidum einen beträchtlichen Anteil an Ver- schmutzungs- und Fremdstoffen enthält und sie soll darüber hinaus den Einbau des von ihr gelagerten Turbinenrotors in die Me8vorrichtung mit minimalen Anforderungen an genaue Toleranzen und Ausrichtung ermöglichen. Außerdem soll die erfindungsgemäße Lagerkonstruktion einen gegenseitigen Austausch der Teile zulassen, eine lange Betriebslebensdauer besitzen und hohe Zuverlässigkeit selbst unter ungünstigen Betriebsbedingungen gewährleisten.

Weitere Ziele und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Turbinenrotor, dessen Achse an beiden Enden in Lagern mit den Merkmalen

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der Erfindung geisgart let, und

FIg₉ 2 Qlnsn Schmitt durch eine Turblnen-MeSvorrichtung vsk-s&i- fepwönilmg einer Aiisführungsform der Erfindung,

Gemäß Fig» 1 iss ©In Tmrbinenrotoj* 10 starr auf eine Welle aufgesetzt, daran Enden im wesentlichen kugelförmige Lagerelemente 12 wiä 13 aufweisen, welche in Axialrichtung durch eine Stirnplatte l*l· bzw. 16 und in Badialrichtung durch ein zylindrisches Gehäuse 15 bzw. 17 abgestützt sind. Es hat sich gezeigt, daß besondere günstige Laufeigenschaften und eine besonders lange Lebensdauer erzielt werden, wenn die Lagerelemente 12 und 13 aus Wolframkarbid bestehen und die Stirnplatten Ik mud 16 aus Saphiren ausgeschnitten und die Gehäuse 1**·, 15 imd 16, 17 aus einem Aluminiumoxyd gedreht sind, obwohl grundsätzlich auch andere dauerhafte Materialkombinationen angewandt werden können, welche sich mit den jeweiligen Betriebsbedingungen, wie Temperatur, chemische Zusammensetzung des zu messenden Fluidums oder von Fluidumverunreinigungen, in Einklang bringen lassen.

Durch entsprechende innere Formgebung der Turbinen-Meßvorrichtung kann auf einfache Weise das Verhältnis von Rotornabe zu den Abmessungen des Durchflußkanals der Meßyorrichtung

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eingestellt werden. Die je nach Fall auf die Stirnplatte 14 oder die Stirnplatte 16 einwirkende, von der Strömungsrichtung durch den Strömungsmesser und dem hierdurch ausgeübten Schub abhängende Axialbelastung wird auf einem Mindestwert gehalten. In der einen Strömungsrichtung berührt das Lagerelement 13 die Stirnplatte 16 im Bereich 16a, während in der anderen Strömungsrichtung das Lagerelement 12 an der Stirnplatte 14 im Bereich 14a angreift.

Bei genauer Ausrichtung zwischen den stützenden Gehäusen 15 und 1? der Lagerelemente 12 bzw. 13 fluchten die Bereiche 14a und 16a mit der Drehachse der Welle 1 und gewährleisten somit Berührungspunkte an den Stellen der kleinsten Geschwindigkeit der Welle 11. Häufig sind diese Bereiche 14a und 16a jedoch infolge ungenauer Ausrichtung zwischen den Lagergehäusen 14, 15 und 16, 17 radial gegenüber der Drehachse der Welle 11 versetzt.

Radialbelastungen werden von den Gehäusen 14, 15 und 16, 17 durch Berührung der Innenflächen der Platten 15, 17 mit den Umfangsflächen 18 bzw. I9 der Lagerelemente 12 bzw. 13 aufgenommen. Da diese Umfangsflächen senkrecht zur Drehachse der Welle 11 liegen, stehen die Lagerelemente 12, I3 somit längs ihrer Umfangsflache 18 bzw. I9 in sogenannter Linienberührung mit der Innenbohrung des Gehäuses 14, 15 bzw. 16,17.

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Die Berührungsflächen 18, 19 auf den Umfangen der Lager, elemente 12 bzw. 13 befinden sich auf den Maxiaaldurchneesern, welche der höchsten Tangentialgeschwindigkeit unterliegen, so daß die längs einer Linienberührung übertragenen Kräfte zu außerordentlich hohen Belastungen an dieser Berührungslinie führen. In der Praxis bildet sich daher infolge Toleranzen und Einlauferscheinungen an den Umfangs-Berührungsflächen 18, 19 der Lagerelemente 12 bzw. 13 schließlich jeweils eine flache Pläche aus, deren Breite zu beiden Seiten des Maximaldurchmessers jeweils gleich groß ist. Diese mit 20 bzw. 21 bezeichnete Planfläche kann durch maschinelle Bearbeitung von vornherein an den Lagerelementen ausgebildet werden, um die gewünschten Lagertoleranzen zu erzielen. Die Berührung der Umfangeflächen 18, 19 mit dem Gehäuseteil 15 bzw. 17 oder, genauer gesagt, die Wirkung der Berührung der Planflächen 20, 21 mit der Innenbohrung der Gehäuse Ik, 15 bzw. 16, 1? bringt die gewünschte Reibungsbelastung der Lagerelemente 12 bzw, 13 in ihren Gehäusen hervor.

Die Planflächen 20, 21 haben eine so geringe Breite, daß von dem den Strömungsmesser durchströmenden Pluidum herrührende Viskositätseffekte vernachlässigbar sind und sich folglich hieraus nur ein geringer oder gar kein Anhub bzw. Abhebeeffekt entwickelt. Die Toleranz zwischen den Planflächen

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20, 21 νΐιά der lmmnbofcc^Wkg äes Jeweils siigsliiFlgea Gehäu ses bestimmt atsSsffüsa die Sig©iasohaft©S2. d©i? Iuag©?i?©

Ee hat sielri gegeigt, da§ &%q Xm Vergleich aus³ s-chKindigkeit IMsigs des Usfeags 18, 19 ©Ines 12 bzw. 13 an den Punkten.neben der entspreciiendea Plan«. fläche 20 bzw _s 21 gröSere fsigsmtialgöseliwindigkelfej» beispielsweise zur Felge faafcj, Sai in dem ti® Turbine durchsfcrönsndan Pluidus «afelialtende Faststoffteilsfeaia ψοη dem Beruhningspunkfe zwigcltea dem Lagerelement und dar Innenbohrung des umgebendem Sefeiuses'wsggeschleudert werden.

Wahlweise kaum Innerhalb €©s lahmens der Erfindung eine nicht besondere dargestellt© Ausftthrungsform angewandt, werden, die ansteile der napfartigen Gehäuse gemäß Fig. 1 kegelförmige bzw» konische Gehäuse zur Aufnahme der kugelförmigen Lagerelement® 12, IJ werwendet. Bei kegelförmiger Konfiguration werden sowohl die Axial- als auch die Badialbelastungen auf einer Linie jeder Lagerkugel übertragen, die durch einen reit der betreffenden Innenfläche des kegelförmigen Gehäuses in Berührung stehenden Kegelschnitt durch das Lager festgelegt wird.

In der Praxis hat es sich gezeigt, daß sich die Planflächen 20, 21 der Lagerelementβ 12 bzw. 13 während längeren Betriebs

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der Welle und des Rotors unter verhältnismäßig starken Belastungen einzulaufen trachten. Der Einlauf- bzw. Abriebgrad ist zu Beginn am höchsten, da die Berührung im wesentlichen längs einer Linie erfolgt, wenn das Lager perfekt sphärisch ist_t Bei zunehmender Breite der Planfläche 20 bzw. 21 längs des Umfangs 18 bzw. 19 nimmt die Abriebgröße entsprechend ab, so daß schließlich eine Planfläche mit ausreichender Breite erzielt wird, bei welcher jeder weitere Abrieb in der Praxis vernachlässigt werden kann. Bei Verwendung einer Kugel von etwa 6,35 mm Durchmesser für das Lagerelement 12 bzw. 13 hat sich eine Planfläche von etwa 0,8 mm als bezüglich der Abriebeigenschaften höchst stabil erwiesen. Diese Planfläohe kann vor den Zusammenbau und der Inbetriebnahme der Turbinen-Meßvorrichtung durch maschinelle Bearbeitung der Kugelfläche ausgebildet werden, wodurch wirksam eine voreingelaufene Lagerkonstruktion geschaffen wird, deren Eigenschaften sich nicht mehr in nennenswertem Ausmaß ändern. Hierdurch kann außerdem die Toleranz zwischen den Lagerelernenten 12, 13 und der Bohrung der umgebenden Gehäuse 14, 15 bzw. 16, 17 praktisch konstant gehalten werden.

Die Lagerelemente 12, 13 brauchen nicht kugelförmige Gestalt zu besitzen, sondern können beispielsweise faßförmig mit beliebigem Krümmungsradius, elliptisch oder parabolisch

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sein oder tatsächlich jede beliebige Form besitzen, die gegenüber der Drehachse abgerundet ist. Weiterhin sind auch Lagerei einen te mit zwei oder mehr Berührungs linien mit dem Gehäuse möglich.

Eine faßförmige Krümmung kann beispielsweise die Tendenz für das Einlaufen einer Planfläche 20, 21 vermindern, so daß das Lagerelement praktisch unendlich lange im wesentlichen die ursprüngliche Form im Betrieb beibehält. Bei Formen, die im Berührungsbereich am Gehäuse längs der Umfangslinie größten Durchmessers verringerte Krümmung besitzen, kann die Notwendigkeit für ein Vordrehen der Planfläche 20 entfallen, da der anfängliche Verschleiß bzw. Abrieb vernachlässigbar und die Toleranzen stabil sein können»

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Turbinen-Meßvorrichtung unter Verwendung einer Ausführungsform der Erfindung, Ein Gehäuse 22 ist mittels eines Flansches 23 an einem Einlaß und mittels eines Flansches 24 an einem Auslaß befestigt. Das zu messende Fluidum. tritt über eine nicht dargestellte Leitung in das Gehäuse ein und beaufschlagt die Kanten 25a von Leitschaufeln 25, an denen entlang es zum Rotor 10 geführt wird, wobei es an in den Leitschaufeln 25 vorgesehenen Ausschnitten 26 vorbeiströmt, welche die Strömung zu stabilisieren trachten. Außerdem strömt das Fluidum längs der

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Außenfläche eines Nabenkegels 27, dessen Inneres eine der Lagerkonstruktionen gemäß Pig. I aufzunehmen vermag. Vom Endpunkt 27a des Nabenkegels 27 strömt das Pluidum zwischen den Schaufeln 9 des Rotors 10 hindurch und versetzt diese hierbei in eine Tagentialbewegung. Das aus den Schaufeln 9 •austretende Pluidum strömt längs der Außenfläche eines Kegels 2b und wird durch Leitschaufeln 29 zum Auslaß 30 der Meßvorrichtung geführt. Bei umlaufendem Rotor 10 laufen die Spitzen der Schaufeln 9 dicht an einem Magnetabnehmer vorbei, wobei jede Schaufelspitze der Reihe nach einen Impuls im Abnehmer 31 induziert und die Folge dieser Impulse liefert die Anzeige des Strömungsmessers. Bei einer Meßvorrichtung mit konstantem Faktor sollte die Impulsfrequenz dem pro Zeiteinheit durch die Meßvorrichtung strömenden Fluidumvolumen proportional sein.

Das Lagerelement 12 des Rotors 10 läuft in einem zentral im Nabenkegel 27 angeordneten Lagergehäuse 15. Der Nabenkegel 27 ist einstückig mit den Leitschaufeln 26 ausgebildet, welche die ganze Anordnung im Inneren des Strömungsmessergehäuses 22 haltern. Auf ähnliche Weise ist das im Lagergehäuse 16, 17 laufende Lager I3 im Kegel 28 angeordnet, der seinerseits mit Hilfe der Leitschaufeln 29 in das Strömungsmeseergehäuse 22 eingebaut ist. Bei der vorstehend angenommenen Strömungsrichtung wird der auf den Rotor 10 ausgeübte Schub auf die

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Stirnplatte 16 des Lagergehäuses 16, 17 übertragen. Die die Lagerelemente 12, 13 miteinander verbindende Welle 11 trägt den aus einer Nabe 8 mit an dieser angebrachten Schaufeln bestehenden Rotor 10. Wenn der Durchmesser der Nabe 8 kleiner ist als der größte Durchmesser an den Funkten 27a und 28a der Kegel 27 bzw. 28, zeigt es sich, daß die auf das die Schubbelastung aufnehmende Lagerelement, d.h. je nach Fall das Lagerelement 12 oder 13, ausgeübten Axialbelastungen herabgesetzt werden. Bei der beschriebenen Strömungsrichtung entsteht an der Stelle 27a des Nabenkegels 27 infolge der erhöhten Geschwindigkeit des Fluidums, während es durch den Nabenkegel 27 an der Kante 27a auf einen kleinsten Strömungequerschnitt gedrosselt wird, ein Niederdruckbereich. Andererseits entsteht im Bereich der Nabe B ein vergleichsweise höherer statischer Druck infolge der Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der geringeren Drosselung um die Nabe 8 herum. Durch diese Anordnung wird um die Nabe 8 herum ein Differenzdruck erzeugt, der einen Gegenschub am Rotor 10 erzeugt, welcher danach trachtet, den durch die Fluidumströmung auf den Rotor 10 ausgeübten Vorwärtsschub aufzuheben. Der geringe restliche, stromab wirkende Schub wird absichtlich im Strömungsmesser vorgesehen, um die Rotorlager aufsitzen zu lassen.

Die beiden Lagergehäuse 14, 15 und 16, 17 brauchen nicht

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genauestens in Axialrichtung miteinander zu fluchten, da die Lagerelemente 12 und 13 im wesentlichen kugelförmig sind und über einen verhältnismäßig großen Betrag verkantet sein können. Diese weitgehende Toleranzfreiheit ermöglicht ein einfacheres und leichteres Zusammenbauen der Meßvorrichtung. Darüber hinaus ermöglichen die bei der Erfindung zulässigen Toleranzen eine gegenseitige Austauschbarkeit der Teile bei am Einbauort vorgenommenen Reparaturen ohne Verlust der Genauigkeit der Meßvorrichtung.

Die Bauteile des Strömungsmessers gemäß Fig. 2 sind gegenüber einer Fluidumströmung in beiden Richtungen symmetrisch angeordnet, so daß die Strömungsrichtung durch die Vorrichtung umgekehrt werden kann, während die Eichung gleich bleibt.

Obgleich vorstehend eine z.Zt. bevorzugte Aueführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist, sind ersichtlicherweise zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Aus diesem Grund soll die Erfindung alle innerhalb des erweiterten Schutzurafangs liegenden Abwandlungen und Änderungen mit einschließen.

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Claims

Patentansprüche

1. Lagerkonstruktion, insbesondere für Turbinen-Strömungsbzw. Durchflußmesser, mit einem Lagerelement und einem dieses aufnehmenden Lagergehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Querschnitt durch das Lagerelement (12; 13) senkrecht zu dessen Längsachse einen Kreis darstellt, dessen Mittelpunkt auf der Längsachse des Lagerelements liegt, daß jeder Querschnitt durch das Lagergehäuse (14, 15; 16,1?) senkrecht zu dessen Längsachse einen Kreis darstellt, dessen Mittelpunkt auf der Längsachse des Lagergehäuses liegt,und daß der das Innere des Lagergehäuses bildende Hohlraum das Lagerelement zumindest längs einer einem der genannten Querschnitte benachbarten Lagerfläche (20; 21) aufnimmt und abstützt.

2. Lagerkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt des Hohlraums des Lage rgehäus es (14, 15; 16, 17) zylindrisch ausgebildet ist und das Lagerelement (12; 13) zumindest längs seines Umfangs an der Stelle seines größten Querschnittsdurchmessers mit dem Lagergehäuse in Berührung steht und von diesem in Radialrichtung abgestützt wird.

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3. Lagerkonstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (12; 13) längs eines abgeflachten Streifens (20; 21) um seinen größten Umfang (18; 19) herujn mit dem Lagergehäuse (14·, 15; 16, 17) in Berührung steht.

4. Lagerkonstruktion nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (12; 13) kugelförmig ausgebildet ist.

5. Lagerkonstruktion nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (12; 13) faßförmig ausgebildet ist.

6. Lagerkonstruktion nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (12; 13) aus Wolframkarbid und der das Gegenlager für die Umfangsfläche des Lagerelements bildende Teil (15» 17) des Lagergehäuses aus einem Aluminiumoxyd hergestellt ist.

7. Lagerkonstruktion nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse neben dem Ende der Achse des Lagerelements (12; 13) einen Schublagerteil (14; 16) zur Aufnahme des Axialschubs zwischen dem Lagerelement und dem Lagergehäuse aufweist.

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8. Lagerkonstruktion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sohublagerteil (1*4·; 16) aus einem Saphir hergestellt ist.

9. Lagerkonstruktion nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur Verwendung bei einem Turbinen-Strömungs- bzw. -Durchsatzmesser, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (8) des Turbinenrotors (10) kleineren Durchmesser besitzt als der das Hotorlager tragende Nabenkegel (27) und das den Strömungsmesser durchströmende Fluidum einen Differenzdruck erzeugt, welcher einen Gegenschub auf den Turbinenrotor ausübt.

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