DE1575369B1 - Einrichtung zur Aufnahme des Axialschubes einer Turbomaschine - Google Patents
Einrichtung zur Aufnahme des Axialschubes einer TurbomaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit Axialgleitlagern zur Aufnahme des an der Hauptwelle einer
schnellaufenden Turbomaschine angreifenden Axialschubes.
Üblicherweise wird der an den Rädern oder Schaufein einer Turbomaschine zufolge Druckdifferenz wirkende,
nicht ausgleichbare Restschub durch ein auf dem Rotor angeordnetes Axialgleitlager aufgenommen.
Solche Lager sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt, ihre Belastungsfähigkeit ist jedoch
begrenzt, da bei hohen Drehzahlen die Lagergröße nicht beliebig gesteigert werden kann. Zudem steigen
bei hohen Drehzahlen die Lagerverluste stark an. Auch muß bei hohen Drehzahlen und großen Lagern mit
einer wesentlichen Herabsetzung der Betriebssicherheit gerechnet werden.
Es ist auch bekannt, eine Welle gegen axiale Verschiebung mit Hilfe von annähernd gleich schnell
oder schneller rotierenden, achsparallel zur Welle angeordneten Lagerelementen zu sichern, die mit Wülsten
versehen sind, zwischen denen ein Flansch der Welle abgestützt ist (USA.-Patentschrift 2 914 366)
oder die in Nuten der Welle eingreifen (USA.-Patentschrift 2 981 568). Derartige Konstruktionen sind in
der Feinmechanik anwendbar, lassen sich jedoch nicht auf Turbomaschinen des Schwermaschinenbaues
übertragen, bei denen die Axialschübe in die Tonnen gehen.
Zur Zentrierung einer Welle ist es bekannt (französische Patentschrift 417 813), sie mit drehbaren
Scheiben abzustützen, die zwischen zwei auf der Welle befestigte Ringflansche hineinragen. Eine
Schubübertragung von der Welle auf die Scheiben ist bei dieser Einrichtung weder vorgesehen noch möglich,
was auch die Lagerung der Scheiben mit Radialkugellagern beweist.
Ist zwischen zwei leistungsübertragenden Wellen ein Getriebe geschaltet, so kann das Problem der
Aufnahme des Axialschubes gelegentlich mit den bekannten Axiallagern gelöst werden, weil dann eine
der beiden Wellen langsamer läuft, dort die auftretenden Schwierigkeiten kleiner sind und es im Prinzip
gleichgültig ist, welche von zwei leistungsübertragenden Wellen mit Axiallagern ausgestattet wird.
Eine auf eine schnellaufende Turbomaschine in Ein-Wellenanordnung anwendbare Lehre ist daraus nicht
zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Aufnahme des Axialschubes der
Hauptwelle einer schnellauf enden Turbomaschine zu schaffen, die dazu in der Lage ist, große Schubkräfte
auch bei hoher Wellendrehzahl sicher aufzunehmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Axialgleitlager einem Ringflansch einer
von der Hauptwelle über eine Synchronisier-Zahnradübersetzung ins Langsame angetriebenen, zu ihr
parallelen Nebenwelle zugeordnet sind und daß die Hauptwelle mittels wenigstens eines auf ihr angebrachten
Ringflansches, der am Ringflansch der Nebenwelle stirnseitig abwälzt, gegen die selber keine
Maschinenleistung übertragende Nebenwelle axial abgestützt ist.
Nach vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung wird auf mechanischem oder hydraulischem Wege
eine gleichmäßige Aufteilung des Axialschubes auf die Gleitlager der Nebenwellen erzielt und sie so vor
einer Überlastung geschützt.
Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 schematisch eine prinzipielle Ausführungsform der Erfindung mit zwei Nebenwellen,
F i g. 2 a bis 2 c in schematischer stirnseitiger Ansicht die Anordnung mit einer, zwei oder drei Nebenwellen,
Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform ähnlich F i g. 1 mit abgefederten Lagerelementen,
Fig. 4 eine Ausführungsform mit mechanischem
Ausgleich der Schubaufnahme,
F i g. 5 eine Ausführungsform mit hydrostatischem
Ausgleich der Schubaufnahme.
Gemäß Fig. 1 ist die Hauptwelle 1 einer Turbomaschine,
die in Radiallagern 3 gelagert ist, mit dem Zahnkranz 5 versehen und treibt zwei Nebenwellen 7
an, die in eigenen Radiallagern 9 gelagert sind. Zum Antrieb ist auf jeder Nebenwelle 7 der Ringflansch 11
angebracht, der mit dem Zahnkranz 13 versehen ist, welcher mit dem Zahnkranz 5 der Hauptwelle 1 im
Eingriff steht. Die Übersetzung von der Hauptwelle 1 zu den Nebenwellen 7 erfolgt hierbei ins Langsame,
beispielsweise mit einem Drehzahlverhältnis von 2 :1 bis 4 : 1. Die Nebenwellen 7 sind axial durch beidseits
des Ringflansches 11 angeordnete Axialgleitlager 15, 17 gehalten.
Zur Übertragung des Axialschubes von der Hauptwelle 1 auf die Nebenwellen 7 und damit auf die
Axialgleitlager 15,17 sind auf der Hauptwelle 1 zwei mitrotierende Ringflansche 19,21 angebracht und mit
dieser fest verbunden. Die Ringflansche 19,21 sowie der Ringflansch 11 weisen aneinanderliegende Stirnflächen
23 bzw. 25 auf, deren radiale Lage ungefähr dem Teilkreisdurchmesser der Verzahnung 5,13 entspricht.
Die Turbomaschinenwelle 1 stützt sich axial mittels der Ringflansche 19, 21 über die Stirnflächen
23 bzw. 25 auf die Ringflansche 11 der Nebenwellen 7 und somit auf die Axialgleitlager 17 bzw. 15 ab,
je nachdem, ob der Schub in die Richtung des Pfeiles 27 oder des Pfeiles 29 geht.
Es sind ferner in F i g. 1 nicht dargestellte Schmiereinrichtungen
vorgesehen, um die Stirnflächen 23, 25 der Ringflansche 19, 21 bzw. des Ringflansches 11
mit Schmiermitteltragschichten zu versehen. Die Stirnflächen können konisch sein, wodurch das
Schmiermittel in Form eines Schmierkeiles in die Druckzone gepreßt wird.
Der Axialschub der schnellaufenden Hauptwelle 1 wird in der beschriebenen und dargestellten Anordnung
über die Ringflansche 19, 21 auf die wesentlich langsamer laufenden, synchron angetriebenen Nebenwellen
7 übertragen und kann dort von üblichen, großen Axialgleitlagern 15,17 aufgenommen werden,
ohne daß große Lagerverluste auftreten und eine Havarieanfälligkeit wegen hoher Drehzahl zu befürchten
ist. Hierbei wird keine Maschinenleistung übertragen, so daß die Ringflansche 19, 21 dank der
an ihren Stirnflächen 23,25 herrschenden kleinen Gleitgeschwindigkeiten und dank der vorhandenen
Schmierkeile, das heißt hydrodynamischer Schmierverhältnisse, auf kleinstem Raum große Axialkräfte
sicher übertragen können und an den Antrieb der Nebenwellen 7 durch die Verzahnung 5,13 keine besonderen
Anforderungen gestellt werden müssen.
Die beschriebene Anordnung kann bei einer oder mehreren gekuppelten Turbomaschinen angewendet
werden und als separate Einheit zwischen die Ma-
schinen gekuppelt sein oder konstruktiv einen Teil der Maschinen bilden.
Gemäß der schematischen Darstellung der F i g. 2 a bis 2 c sind eine bzw. zwei bzw. drei Nebenwellen 7
zur Aufnahme des Axialschubes von der Hauptwelle 1 vorgesehen, die beliebig zur Hauptwelle angeordnet
sein können.
In den nachfolgenden Fig. 3 bis 5 sind Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, durch welche eine mindestens angenähert
gleichmäßige Verteilung des Axialschubes auf zwei oder mehrere Nebenwellen bewirkt wird und dadurch
die Axialgleitlager der Nebenwellen vor einer Überlastung geschützt werden.
Gemäß F i g. 3 treibt die teilweise dargestellte Maschinenhauptwelle
1 über die Verzahnung 5,13 und den Ringflansch 11 die Nebenwelle 7 an. Zur Übertragung
des Axialschubes auf die angetriebene Nebenwelle sind wiederum auf der Hauptwelle 1 angebrachte
Ringflansche 19, 21 vorgesehen.
Die Axialgleitlager der Nebenwelle 7 weisen Lagerelemente 31 auf, die über Druckfedern 33 auf
einem festen Lagergehäuseteil 35 abgestützt sind. Durch diese Einzelabfederung der Lagerelemente 31
wird eine mindestens angenähert gleichmäßige Belastung aller Elemente 31 auf jeweils einer Seite des
Ringflansches 11 erzielt.
In der Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Anordnung mit einer mechanischen Ausgleichsvorrichtung
für die Schubaufnahme durch die Axiallager der Nebenwellen dargestellt. Die Übertragung
des Axialschubes von der Hauptwelle 1 auf zwei angetriebene Nebenwellen 7 erfolgt über Ringflansche
19, 21 in der vorbeschriebenen Weise. Die Axialgleitlagerelemente 51 der Nebenwellen sind in Lagergehäusen
53 untergebracht, welche sich über die Enden der Nebenwellen 7 hinaus erstrecken und in einem
Schublagerbock 55 in axialer Richtung beweglich gelagert sind. Hierzu sind in der dargestellten Anordnung
Rollenketten 57 vorgesehen, welche zwischen der Außenwand jedes Lagergehäuses 53 und entsprechenden
Innenwandteilen des Schublagerbockes 55 angeordnet sind. Statt der dargestellten Rollenketten
können auch hydrostatische Lager vorgesehen werden.
Die axiale Abstützung der Lagergehäuse 53 erfolgt über ein Gelenkhebelsystem 59, das einen fixen Drehpunkt
61 in der Achse der Hauptwelle 1 hat und sich bei axialer Verschiebung der Lagergehäuse 53 in den
durch Pfeile 63 dargestellten Richtungen verschiebt bzw. dreht. Die Nebenwellen 7 übertragen den von
der Hauptwelle 1 über die Ringflansche 19, 21 übernommenen Axialschub mittels der Lagerelemente 51
auf die axial beweglich angeordneten Lagergehäuse 53. Das die Lagergehäuse verbindende Gelenkhebelsystem
59 bewirkt somit einen Schubausgleich auf die Nebenwellen 7, indem eine nur auf der einen Seite
der einen Nebenwelle 7 wirksame Lagerdruckerhöhung durch eine entsprechende Lagerdruckerhöhung
auf der anderen Seite der anderen Nebenwelle 7 ausgeglichen wird.
In F i g. 5 ist eine Ausführungsform mit hydrostatischem Ausgleich der Schubaufnahme durch die Nebenwellen
dargestellt. Zur Übertragung des Axialschubes der Hauptwelle 1 auf zwei oder mehrere angetriebene
Nebenwellen 7 sind wie bei den vorgängig beschriebenen Ausführungsformen die Ringflansche
19, 21 vorgesehen. An den beidseitigen Enden 77, 79 jeder Nebenwelle 7 sind Druckzylinder 71 koaxial zu
der jeweiligen Nebenwelle 7 fest angeordnet. Jeder Druckzylinder 71 weist einen Druckraum 73 (linksseitige
Wellenenden) bzw. 75 (rechtsseitige Wellenenden) auf, in welchem das entsprechende Wellenende
77 bzw. 79 als axial verschiebbarer Kolben liegt.
In jedem Druckzylinder 71 einer der Nebenwellen 7 ist ferner ein Steuerkolben 81 angeordnet, der
ίο eine Zufluß-Steuerkante 83 und eine Steuerfläche 85
aufweist. Die Steuerkante 83 öffnet oder schließt durch axiale Bewegung des Steuerkolbens 81 einen
Zuflußkanal 87 für Drucköl, das bei offenem Kanal 87 in den Druckraum 73 bzw. 75 gelangen kann. Die
Steuerfläche 85 dichtet in der einen Lage des Steuerkolbens 81 den Druckraum 73 bzw. 75 durch Anliegen
an das Wellenende 77 bzw. 79 gegen eine im Steuerkolben 81 angebrachte axiale Bohrung 89 ab.
In der abgehobenen Lage des Steuerkolbens 81 verbindet ein Spalt den Druckraum 73 bzw. 75 mit der
Bohrung 89 im Steuerkolben 81. Jeder Steuerkolben 81 steht zudem unter dem axialen Druck einer sich
auf den Druckzylinder 71 abstützenden Feder 91 und ist in seiner axialen Bewegung durch einen Anschlag
92 begrenzt.
Zur Versorgung der Druckräume 73 und 75 mit Drucköl ist der Zuflußkanal 87 jedes Druckzylinders
71 an eine Druckölleitung 93 angeschlossen, in welche von einer Pumpe 95 Drucköl aus einem nicht dargestellten
Ölbehälter geliefert wird. Mit einem Überströmventil 97 wird der Druck auf einem Wert ρ
konstant gehalten.
Die axiale Bohrung 89 jedes Steuerkolbens 81 mündet in eine Öl-Ablaufleitung 99. Ferner sind die
Druckräume 73 und 75 der gleichseitigen Wellenenden 77 bzw. 79 durch Leitungen 101 bzw. 103
miteinander verbunden, so daß in beiden Druckräumen 73 der gleiche Druck pL bzw. in beiden
Druckräumen 75 der gleiche Druck pR, der vom Druck Pi verschieden sein kann, herrscht.
Die Wirkungsweise der dargestellten Anordnung ist die folgende:
Auf die Stirnseiten der Wellenenden 77 und 79 der Nebenwellen 7 wirken die in den Druckräumen 73
bzw. 75 herrschenden Öldrücke pL bzw. pR. Die
Differenz der Drücke pL und pR, multipliziert mit der
wirksamen Stirnfläche, bildet die Gegenkraft zum Axialschub, den die Nebenwellen 7 über die Ringflansche
19, 21 von der Hauptwelle 1 in der einen oder anderen, mit Pfeilen 105 bzw. 107 dargestellten
Richtung übernehmen. Da die linksseitigen Druckräume 73 und die rechtsseitigen Druckräume 75 untereinander
verbunden sind, ist die dem Axialschub entgegenwirkende Kraft für alle Nebenwellen 7 die
gleiche, so daß ein Schubausgleich erzielt wird.
Wenn nun beispielsweise die Nebenwellen 7 vom Ringflansch nach rechts in Pfeilrichtung 107 gedrückt
werden, so schließt sich durch die Verschiebung der Nebenwellen der zwischen jedem rechtsseitigen WeI-lenende
79 und der Steuerfläche 85 des Steuerkolbens 81 liegende Spalt und damit der Ablauf von Drucköl
in die Leitung 99. Der Steuerkolben 81 wird vom Wellenende 79 nach rechts verschoben und läßt über
seine Steuerkante 83 Drucköl aus der Speiseleitung 93 in den Druckraum 75 fließen. Dadurch steigt der
Druck pR an und übt über die wirksame Stirnfläche
des Welenendes79 die Gegenkraft zum einwirkenden Axialschub aus.
An den entgegengesetzten Wellenenden 77 geht währenddessen der umgekehrte Ablauf vor sich. Der
unter dem Druck der Feder 91 nachlaufende Steuerkolben 81 schließt mit seiner Steuerkante 83 den Zuflußkanal
87 und kommt am Anschlag 92 zum Anliegen. Durch die Verschiebung der Nebenwelle 7
nach rechts hebt sich demnach die Stirnseite des Wellenendes 77 von der Steuerfläche 85 des Steuerkolbens
81 ab, so daß durch den gebildeten Spalt Drucköl durch die Bohrung 89 in die Ablaufleitung
fließen kann. Der Druck pL im Druckraum 73 wird kleiner, was eine Verschiebung der Nebenwelle 7
nach links in Pfeilrichtung 105 erleichtert.
Claims (6)
1. Einrichtung mit Axialgleitlagern zur Aufnahme des an der Hauptwelle einer schnellaufenden
Turbomaschine angreifenden Axialschubes, dadurchgekennzeichnet, daß die Axialgleitlager
(15,17) einem Ringflansch (11) mindestens einer von der Hauptwelle (1) über eine
Synchronisier-Zahnradübersetzung (5, 13) ins Langsame angetriebenen, zu ihr parallelen Nebenwelle
(7) zugeordnet sind und daß die Hauptwelle (1) mittels wenigstens eines auf ihr angebrachten
Ringflansches (19, 21), der am Ringflansch (11) der Nebenwelle (7) stirnseitig abwälzt, gegen die
selber keine Maschinenleistung übertragende Nebenwelle (7) axial abgestützt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringflansch (11) der
Nebenwelle (7) mit einer Stirnverzahnung (13) in eine zwischen zwei Ringflanschen (19,21) liegende
Stirnverzahnung (5) der Hauptwelle (1) eingreift.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lagerelemente (31) der Axialgleitlager
(15,17) in an sich bekannter Weise einzeln abgefedert angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 mit zwei Nebenwellen, dadurch gekennzeichnet, daß Lagerelemente
(51) der Axialgleitlager (15,17) in längs jeder Nebenwelle (7) axial beweglich gelagerten
Lagergehäusen (53) fest angeordnet sind und daß zur Erzielung einer gleichmäßigen Schubverteilung
auf die Axialgleitlager (15,17) alle Lagergehäuse (53) durch ein einen fixen Drehpunkt
(61) aufweisendes Gelenkhebelsystem (59) derart miteinander verbunden sind, daß die axiale Verschiebung
eines Lagergehäuses (53) in der einen Richtung eine axiale Verschiebung des anderen
Lagergehäuses (53) in der anderen Richtung bewirkt.
5. Anordnung nach Anspruch 1 mit mindestens zwei Nebenwellen, dadurch gekennzeichnet, daß
als zusätzliche Axialgleitlager die Wellenenden (77, 79) aller Nebenwellen (7) als entgegengesetzt
wirkende, im Druckraum (73,75) eines feststehenden Zylinders (71) einem Öldruck ausgesetzte
Kolben ausgebildet sind, wobei zur Erzielung einer gleichmäßigen Schubverteilung auf
alle Axialgleitlager (15,17) die Druckräume (73 bzw. 75) aller auf der gleichen Wellenendenseite
angeordneten Zylinder (71) durch Druckausgleichleitungen (101 bzw. 103) miteinander
verbunden sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zylinder (71) ein
durch eine axiale Verschiebung der zugehörigen Nebenwelle (7) betätigbarer Steuerkolben (81)
angeordnet ist, durch welchen der Druckraum (73 bzw. 75) des Zylinders (71) mit einer Druckölspeiseleitung
(93) oder einer Druckölablaufleitung (99) derart verbindbar ist, daß die Druckänderung
im Druckraum (73 bzw. 75) der axialen Verschiebung der Nebenwelle (7) entgegenwirkt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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E771 | Valid patent as to the heymanns-index 1977, willingness to grant licences | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |