DE1575358A1

DE1575358A1 - Gaslager

Info

Publication number: DE1575358A1
Application number: DE19661575358
Authority: DE
Inventors: Dee William Colin
Original assignee: DAVIS GILBERT COLIN
Current assignee: DAVIS GILBERT COLIN
Priority date: 1965-06-25
Filing date: 1966-06-24
Publication date: 1970-01-02
Also published as: US3410616A; GB1097730A

Description

Gaslager Die Erfindung bezieht sich auf Gaslager und insbesondere auf die Erhöhung der Stabilität hochtouriger Luftturbinenrotoren und die Verhinderung unerwünschter Vibrations- und l,','irbeleffekte, uie auftreten, wenn der Rotor, dessen Geschwindigkeit variiert werden kann, mit einer bestimmten Geschwindigkeit läuft. Einer dieser Effekte ist in Fachkreisen als "Halbgeschwindigkeitswirbel" bekannt. Er tritt bei Vorrichtungen mit in Gaslagern laufendem Rotor auf, und zwar dann, wenn dieser an eine bestimmte kritische Geschwindigkeit herankommt, bei der 'die Schicht verdichteten Gases, auf der der Rotor läuft, anfängt sich mit dem Rotor zu bewegen und mit einer Geschwindigkeit, die halb so hoch wie aie des 'LLotors ist um die Lager-1H.ngdachse zu kreisen. Der Effekt' wird jedoch abgenchwächt und verschwindet schliesslich schnell, sobald -der 1.otor seine Geschwindi-keit während der i'Ilnlaufzeit weiter erhöht. Solange der Effekt jedoch noch vorhanden ist, kann es sein, dass sich der L*.otor sehr unrefelmässig dreht, was luicht zu gegenseitig-er FlächenberUhrung zwischen dem Rotor und den uagereinheiten und zur akuten ','Tefahr des Pestfressens führen kann. Ein anderer «iIi-ffekt, der bei Vorrichtungen wie Graslagern mit Geschwindigkeiten, die eine Höhe von ungefähr 5G UU-G bis 15ü 000 Umdrehungen in der blinute und mehr erreichen, auftreten kann, ist, dass es, verursacht durch die unregeli.lässige Bewegung des Rotors zur Neigung der £-.otorachse gegenüber der Lagereinheitenachse kommt, wobei die beiden Enden der --otorachse Kreise um die Lagereinheitenachse beschreiben.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine bessere Konstruktion von Vorrichtun-en wie iaolagern zu ermöglichen, bei der diese beiden unangenehmen Auswirkungen in so starkem Llpz---se abgeschwächt sind, dase selbst relativ schwere hotoren mit höheren Geschwindigkeiten betrieben werden'können, a1.--2 dies beim bisherigen Stand der Technik mö"-,lich war. Eine erfindungegemässe rotierende Vorrich-#un,- wie z.B. eine mit verdichteter Luft oder anderem Gas betriebene Turbine umfasst einen Stator, in'den eine Lagereinheit elastisch eingebaut ist, wodurch die Lagereinheit begrenzt, radial zu Ihrer Achse bewegbar ist und einen Rotorg der in dieser Lagereinheit von zwei in axialem Abstand angeordneten I.',lellengaslagern und von zwei in axialem '.bi3t.ind an""eorüneten -*,'-iildruckgaslas-ern getr#i- eii wird.
In dieser Anordnun,- ermöglicht die elastische Halterung fL!r die I-Ii-lereinheiten es diesen, sich be#ilirenzt radial zu beso dass es zu keiner gegenseitigen Flächenb,-#rUhrung mi# v',egen, dem -1,otor kommt. wenn ir-enaeine ausserachsige Ver-chiebung, die z.B. durch eine uiire elmüssige vom 1,otor und der Gasschicht ausLeh-nde Bewegung hervorgerufen wird, auftritt. Dadurch, dass der -'-,otor von zwei mit axialem jibstand angeordneten lagern und von zwei mit #ixialem Ab.-Itr,.ind angeordneten Drucklag, rn retr.z-",n wird wird es- ausserdem weitjehendst oder gar Zanz v#,#;r##iiieden dass der #.totor ir--,endeine andere Bewegung als eine einfache .-,ot"it4-onsbeweg"ung um die 'Uängsachse der Lagz!reinheiten ausführt. Vorzugsweise sollte jedes mit einem ents,)r(2c#-l#..nden Sttitorteil ver#,#eii,.;;n sein, das jeweils einzeln und in den Stntor ein---.,;b,-l-ut ist. Jedes di--ser Statorteile k,-3nn zu einein entsL,reolie.nden und zu einem ent#ii-rechenden ..xi.ildrucklag-r gehören.
Die beiden mit -ixialem Abstand axigeoirdneten Drucklager köniien sich zwischen den beiden mit axialem Abstand angeordneten "!ellenla-#ern befinden und in einer bevorzu#7ten ilusführungsform sind (lie beiden mit axialem t'äbstand angeordneten Drucklager jeweils auf einer der beiden Seitenflächen eines gemeinsamen Gich zwischen den befindlichen Druckkörpers an-..ebr##cht. Diose j1.Itnordnung hat den Vorteil, dass die von beiden Seiten in axialer I_.,ichtung iauf den 3,-#imeinsamen Druckkörper ausi,L-übten Druckstösse gleich stark sind, so dass sieh diuser hörper9 wenn er auf dicse *,'eire belastet wird, nicht verbiegen kann. 'Jenn die rotierende Vorrichtung wie da.-estellt, sowohl mit einem Wellengaslager nls auch mit einem .IIxialdruckL-,al##-la-,er ausgestattet ist und wenn eng beieinanderliegeng kann es passieren, dass das aus dein angrenzenden :Ende der '..'ellenlager ausströmende Gas in das radiale .1,3,;iel (jer Drucklager ein,;ringt und dort den Strömungsverlauf des Gases beeinträchti.,ult, so dass ein einwanufreies Arbeiten der Drucklager nicht mehr c#,i-r-eintiert ist. Um Uic-sen I[achteil auszuschalten, ist es not-'ig, da- Gas auf ein= !inderen"" eg abzuleiten. Gemäss einem wend weiteren 1.T£erkmal der l,.rfin.:i;ng b,-.,t der i:emeinsame Druckkörrier eine Abzugsvorrichtung für _'j"iZerZas, drs am Lnde jeden la,ers ausströmt; der JIbzu!7 erfolgt z.B. Über eine ..eihe von kleinen axialen i#ffnun-en im Druckkörper die jeweils von einem an das Ende des ents.irechenden '#'ellenlagerspiels an-,.,renzenden-2unkt eine Verbindung zu einer Abzugsvorrichtung ,Z innerhalb des Druckkörpers herstellen. Dieses 'as kann noch besser ausströmen, wenn der Druckkörper als Zentrifugal-ZD pumpe au#-gebildet ist, indem man ihn Z.B. mit radialen Durchgängen versieht, die sich zum Aussenumfang des Körpers hin öffnen und die mit der .'äbzu-rsvorrichtung verbunden sind. Die U Kühlung des J,otors wird erleichtert, wenn man in ihm eine Strömungsbahn für Kühlluft vorsieht, die mit den radialen 'Durchgängen verbunden ist, so dass die Zentrifugalpumpe ununterbrochen einen Luftstrom durch den Lotor zieht. In den Zeichnun.,endit eine AusfUhrungsform der Erfindung zeigen, ist:-Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine 111.Iiiltliiftanl"igetl; Fig. 2 ein Teilradial#-chnitt auf der Jr-inie II-II in Pig. 3 ein Teilradialschnitt auf der Linie III-III in C11 Fig. 1 , und F g. 4 eine Ansicht einer Druckscheibe in axialer ic, .I.ichtung gesehen. ' der Technik als "K.,iltluft"inltr#811 Eine nach dem Stand Zi bekannte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Kompre##sor und einer Turbine, die je an einem Ende des i,otors, der mit einer Geschivindi#-keit von bis zu 100 000 Umdrehungen in der Minute drehbar sein muss, befestigt sind. Bisher hatten solche mit konventionellen Kugellagern ausgestatteten Anlagen nur eine verhältnismässig kurze Lebensdauer, die auf die Verwendung von Kugellagern und auf die dazu nötige Anwendung von Schmiermitteln zurückzuführen ist. Ein Grund fUr die weitere Verkürzung der Lebensdauer solcher Anlagen waren die hohen Detriebstemperaturen. Um die Nachteile von Kugt#llagern auszuschalten#wurden solche Anlagen bereits mit Gaslagern konstruiert. Dadurch konnte zwar die 7,otationsgeschwindigkeit erhöht werden, der notor solcher Anlagen blieb jedoch weiterhin den oben erwähnten starken Abnutzungen ausgesetzt. Dieses Abnutzungsproblem hat bisher die maximale Betriebsgeschwindigkeit eines solchen Rotors,sehr niedrig gehalten. Die in Pig. 1 dar!7est(--;llte best-,ht nuz; uin-:,m St;--itor,-,uhiuse 1 und einer dirin rotierbaren .,otorvielle 2, an deren einem Ende eine Turbine 3 und ran dereii ";nder#.-,m Ende ein Kompressor 4 an-ebracht sinci. -In dem ii'eln#-use 1 befinüet sich eine Lamner 59 in der in axialem j'.-bst#ind zwei r# mit 6 bezeichnete Lagereinheiten an-eordnet -ind. Deiae einheiten 6 sind mit Hilfe z,-lleier el.--.stisch;-#r im Querse."riitt S-förmiZer Mütallringe 7 in dem ent21rechenden Teil der Kam-.er 5 bef estigt. Z-#-.,ischen dem Linendurchmesser beider 1a,-ereinheiten 6 und dem entsprechenden Au#isendurchme.-jer zweier Buchsen 8 in der 1,otorwelle 2 bleibt ein 9. Verdichtete-j Gas für diese **..'ell.#-.-nlt!gerspiele 9 aringt durch die U;'ffnu.n", lü am Gehäuse 1 über die 1.an!i-le 11 in die Kammer 5 ein. Beide Lagereinheiten 6 sind mit einer ,-,eihe von radialen Durch,--ängen 12, an die sich Längsbohrun-en 13 anschliessen, versehen. An das Ende der Bohrungen 13 schliessen sich äusserst schmal;-radinle Schlitze 14 an, uie das Gas in die Lagerspiele 9 leiten. Ein Verfahren zur Herjtt#llung dit;.#er 'D'chlitze 14 --iird in der britischen latentanmeldung Nr. 25 840/65 vom 18. u-uni 1965 beschrieben. In der Alitte ist um die kotorwelle 2 ein Dr,.zckkör,tzr 15 befestigt, in dem sich eine feste Scheibe mit einer Anzahl radialer Durchgänge 16 befindet, die sich zum 4usseren Aifang der Scheibe 15 hin öffnen. Zwischen aen beiden -,-ro.--sen .7,11;,chen der Drucksoheibe 15 und den entsilrechenden Stirnflächen der beiden Lagereinheiten 6 befinden sich entsprechende Axialdruckgaslagerspiele 17 und 18. Verdichtetes Gas für diese Axialdruck, #a-##lagersi)jele, uringt aus den I.;inGsbohrungen 13 über 2(, in di# sich daran anschliessenden um die Ach se angeordneten kreisförmi..en jelilitze lq, in dicse iele 17 und 18. der - otor sich dreht, strömt aus den beiden '.ellenlzi,#ers.#.ielen 9 veruiel,-tete--# Gas aus. ALn den beiden, l«iu"-,-eren u #-;nuen entweiclit d.i.#-! kis- tinf-e.,iin(jert, während, falls keine tiUS-ströinvorriclitun.--eil #in.ebricht --,urden, das Gas, das an Clen itin#--ren Enden, nahe der P)rue.-.-cheibe 15, ausstr'jmt, sich leicht mit dem ilrasstrQ.i. der in-renzenden 17 und 18- vermi:.,cht. 111--# di#2s --u vermeiden, ist die '.,'and der 1--)rizcit--ch--:ibe 15 mit .-ffnu-,i,7c.n 21 verschen 9 - ..0 d, -iss das "as '-Iber die radialen 1)urc',.."an,#e 16 Üer icheibe 1 ausströmen kann. 5 egen äer äu2serst hohen Geschwindipkeit mit der sich #u -- 9 die Druc.'##scheibe 15 dr,-#ht una viegen der raainlen Durch--,änge 16 hat sie die Yunktion einer "K#*..;ntrifugalgasi)umpe und erzeugt ##, u - cz, im Be# eich ihrer Achse einen Unterdruck. Dieser Unterdruck bewirkt nicht nur, dass dis Lag.11-r,3as besser ausstr:-Imen kann, sonuern er hat tuch uie luf",-#be, l##.-.ihlluft durch den ;.otor zu S nunen. Die #.otorwelle 2'ist'mit (,iner mittleren b'chulter 2a , Z- - - und zwei Endschultern 2b und c-)e ver.--hen, die alle den "#leichen T )urchm"sser haben; er ist et#"",s -crö--ser als der Durchmesser der #ibriL,en #'."elle. J'.uf der u#.--ise-Ylsaite aieser Schultern sind mit symmetrischem Abst.-ind parallel zur '..-ellenachse vier L.ängsnuten eini-efräst (siehe Pig. 3). -.-.'enn die Buchsen 8 fest auf die entsprechenden Schultern 2a., 2-b und 2c der 'Jelle 2 aufgelegt werden, werden oie 22 -eb-.J1.ldet. Die Kanäle 22 der mittl(;ren Schulter 2a münden in die inneren Enden der radialen Kanäle 16 der Druckscheibe 15. Dementsprechend wird durch die 1"otationsbe-.-ie..-yung des 1--Lotors atmophärische Luft C-D durch die Kanäle 22 der Endschultern 2b und 2c angesaugt. Die Luft strömt dann innerhalb der Buchsen 8 an der Aussenseite der '."elle 2 entlang, dringt durch die Lanäle 22 der mittleren Schultez 2a in die radialen Durchgänge 16 der Druckscheibe 15 ein, von wo sic durch die Üffnunen am Aussenumfang ausgestossen wird. Die DruckGchr-;ibe 15 ist mit vier radial nach innen ragenden Nasen 15a ver2ehen, die in dir; vier Kanäle 22 auf der Aussenseite der mittleren Schulter 2a eingreifen, so daso die Druck.#,cheibe 15 bei der hotationsbewegung fest mit dieser Schulter verkeilt bleibt (siehe illig. 2). In der hier beschriebenen Anla,#e läuft die rotierende Einheit auf einer Schicht verdichteten Gases, so dass zwei verschiedene Lagertyp#,-n -ntstehen, nämlich zwei mit axialem Abstand angeordnete #!el lenlager und zwei mit axialem Abstand angeordnete A;:ialdrucklager, von denen keines das andere be-,einflusat. D..s Gas gelangt auf..anderem ',.-ege in die Lager als die Luftg die durch diG ganze Anlage strömt. Um die Schwieri-,keiten beim Ein- und Ausschalten der Anlageg die dann auftretZn. wenn möglicherweise ein Streichkontakt zwischen dem liotor unä seinen Lagern besteht, zu vermeiden, und auch um die Gefahr des Festfressens bei hoher Geschwindigkeit, die dann besteht, wenn wegen Instabilität möglivherweise ein Kontakt zwischen dem izotor 2 und seinen Lagern, hergestellt witd, auszuschalten, werden die rotierenden ,Peile vorzugsweise aus hochwertigem rostfreiem .1-'tahl, wie z.B. dem, der unter der Handelsbezeichnung G.ANDVIK oder dem, der unter der Hanuelsbezeichnung HGFQ7L%-.O (Spezifikation 440C) bekannt ist, hergestelltg währenü die feststehenden Teile, sowohl der alo auch der Drucklager atLs keramischem c-, 9 Silizium-Nitrid gefertigt sind. Dieses Material beweist bei der Verarbeitung grosse Stabilität und ist unempfindlich -e-en Temperaturen bis zu 1000 0 C. Es hat auch einen äus.serst niedri"en 1,eibungskoeffizient. Das Material hat den besonderen Vorteil, dass es in einem vorüber.ehenden 11grünen11 Zustand ohne weiteres bearbeitet und geformt und hinterher, ohne seine Form oder Ma-se zu verändern, durch VergUtun- in seinen Endzustand gebracht werden kann, in dem es so hart ist, dass es nur mit einer Diamant-Läppsche..ibe oder einem j.,leichwertigen Gerät poliert werden kann, Die elastischen, im Querschnitt S-förmigen Metallringe 7, die die Lagereinheiten 6 festhalten, dienen nicht nur als elastische Halterung, die die.durch Instabilitäten verursachten Schwierickeiten beim An- und Auslaufenlassen ver-U hindern, sondern haben auch die Aufgabe die Kammer 5 so abzudichten, daso das durch die Kanäle 11 zugeführte Lagergas nicht entweichen kann. Die grossen Flächen der in Fig. 4 dargestellten Druckta scheibe 15 sind mit kreiabogenartigen Nuten 23 versehen. Die gestrichelten Linien deuten die nach dem Stand der Technik - bereits bekannte "V;hippleu-Nut 24 an. Die Nuten 23 unterscheiden ,ich von "ieser bereits bekannten Nut du£ch ihren grösseren l,adius und ausserdem enden sie an ihren inneren Enden mit einem grösseren l#adius-zur ..-#.,--hse der --,cheibe. Diese Nuten 23 erhöhen die Festigkeit der #'Lxialdrucklager bei niedi,igerem Gaszuführdruck.

Claims

P a t e n t a n s p r ä c h e 1. hotierende Vorrichtung, trekennzeiclinet durch einen g Stator (1), in den eine üagereinheit (6) elnstisch eingebaut ist, wodurch die Lagereinheit (6) begrenzt, radial zu ihrer Achse bewegbar ist und einen l#otor (2), der in dieser Lagereinheit (6) von zwei in axialem Abstand angeordnüten `ellengaslagern und von zwei in axialem Abstand angeordneten druckga,-lagern --etragen wird, 2. itotierende Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch ,-ekennzcic'hnet, dnss jedes mit einem ent-U C, sprechenden jeweils einzeln und elastisch in den Stator (1) eingebauten 'Statorteil verbunden ist. 3. -totierende Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Statorteil zu einem entsprechenden #%Iollengaslager und einem entsprechenden Axialdruckgaslager gehört. 4. hotierende Vorrichtung nach irgendeinem der vorangegangenen -#-ate#ita---:sprüche" dadurch gekennzeichnet, dass sich die zwei mit jixialem 11.bstand angeordneten Axialdruckgaslager zwischen den beiden mit axialem Abstand angeordneten 1,7ellengaslagern befitiden. 5. -üotierende Vorrichtung nach Patt5nta.Lispruch 4, dadurch gekennzeichnet, daso die beiden mit axialem Abstand angeordneten Axialdruckgaslager sich je auf einer Seitenfläche eines gemeinsamen Druckkörpers (15) befinden. 6. Rotierende Vorrichtung nach 1-atentaris.#.iruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Druckkörper (15) mit-einem Abzug für das Lagergas versehen ist, wobei das Gas jeweils an einem Ende jedes '17ellenlagers ausströmt. 7-. Rotierende Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Druckkörper (15) radiale Durchgänge (16) aufwei.i---t, uie sich zum äusseren Umfang der Scheibe (15) hin öffnen, wodurch die Scheibe (15) als Zentrifugalpumpe dient und ihre radialen Durchgänge (16) mit dem Ab,.,-ug verbunden sind. j 8. hotierende Vorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der hotor (2) eine Ströhmungsbahn für KUhlluft aufweist, die mit den radialen Durchgängen (16) verbunden ist. g. 1#otierende Vorrichtung nach Eatentatispruch 1 , dadurch gekennzeichnetg dass der 11otor (2) mit einer entsprechenden Rotordruckscheibe (15) versehen ist9 an der sich beidseitig Axialdruckgaslagerspiele befinden und deren b(,#ide Druckflächen kreisbogenartige, sich vom Aussenumfang der Scheibe über einen Teil ihres 1-Ladius nach innen,erstreckende Nuten (23) aufweisen. 10. J.-loti.erende Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daso das Gas für die Viellengaalagerspiele und die Axialdrucklager-spiele auf demselben 'Jege zugeführt wird. 11. Ilotierende Vorrichtung nach Patentansk;ruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorteile aus keramischem Matirial, wie z.B. Silizium-Nitrid, hergestellt sind.