DE1575552A1

DE1575552A1 - Wellenlager fuer Turbinen,insbesondere Dampfturbinen

Info

Publication number: DE1575552A1
Application number: DE19661575552
Authority: DE
Inventors: Hideo Sagara
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1965-08-27
Filing date: 1966-08-26
Publication date: 1972-04-13
Also published as: FR1490848A; DE1775979C3; DE1575552B2; CH469204A; GB1161895A; DE1775979A1; US3462204A; DE1775979B2; DE1575552C3

Description

0r.-lng. G. Eichenberg 4 Düsseldorf, den...2S... August..ι_M6 :

Dipl.-lng.H.Sayerland cediienaiiee to 1575552

Patentanwälte

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Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha, JJo₀ 10, Marunouchi 2-chome, öhiyoda-ku, Tokio / Japan

"Wellenlager für Turbinen, insbesondere Dampfturbinen"

Die Erfindung bezieht sich auf Wellenlager, insbesondere auf ein neues Wellehlager für Turbinenläufer mit hoher Drehzahl, das in besonderem Maß der Verhinderung von Läuferschwinguhgen dient„

: Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein

Wellenlager für Läufer„ die mit Drehzahlen von mehreren -'. '

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tausend ITpm arbeiten, wie beispielsweise eine direkt mit einem" Gebläse verbundene Turbine oder Schiffsschrauben antreibende Schraubenturbinen, Die Läufer von Rotationsmaschinen dieser Art besitzen bei Maximalleistung eine sehr hohe Drehzahl, sowie eine etwas geringere Drehzahl bei verringerter Leistung, wobei sie darüber hinaus über lange Zeiträume bei unterschiedlichen Drehzahlen ununterbrochen angetrieben werden müssen«

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Die herkömmliehen Rotationsmasehinen der vorerwähnten Art wurden zur Vermeidung kritischer Schwingungen üblicherweise so ausgelegt, daß bei einer Läuferlagerung in Wellenlagern die maximale Betriebsdrehzahl der Turbine stetsunter der kritischen Drehzahl ersten Grades, nachfolgend als kritische Drehzahl bezeichnet, lag. Selbst wenn jedoch die kritische Drehzahl 120$ der maximalen Betriebsdrehzahl, d„h. beispielsweise -14000 Upm beträgt, unterliegt der Läufer, dessen Welle in ölgesehmierten Gleitlagern gelagert ist, häufig im Betrieb einer kritischen Schwingung unter 6000 bis 7000 TJpm. Diese nachteilige Erscheinung resultiert aus den sich in den Lagern bildenden Ölfilmen und der Nachgiebigkeit der Lagerböcke* Der Schwingungsaus schlag kann zur Vermeidung von Schwierigkeiten durch Steigerung der sehwingungsdämpfenden.Eigenschaften des Schmieröls und dadurch begrenzt werden, daß der Läufer dynamisch ausgewuchtet ist,, Unter Berücksichtigung dieser Kriterien kann eine Rotationsmaschine ohne Beachtung der Beziehung zwischen, kritischer Drehzahl und maximaler Betriebsdrehzahl des Läufers konstruiert werden₀

Bei Dampfturbinen ist ein Auswuchten des Läufers wegen der während der langen Laufdauer unvermeidlich auftretenden Verformung oder wegen einer vorübergehenden Verformung beim Anfahren bzw. Abstellen nicht möglich. Liegt die kritische Drehzahl höher als die Maximaldrehzahl, dann unterliegen Läufer und Lager einer beträchtlichen Schwingung, da

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die sicli aus der dynamischen Unwucht des Laufers ergebende Zentrifugalkraft dem Quadrat der Drehzahl proportional ist, so daß die Zentrifugalkraft ihren größten Wert bei der höchsten Drehzahl erreicht,

Sind die Wellenlager so ausgelegt, daß sie in der Lage sind, die auftretenden Schwingungen zu dämpfen und · liegt die kritische Drehzahl im Bereich der Betriebsdrehzahl, dann ergeben sich kritische Schwingungen bereits-während-des A normalen Betriebes. In diesem Falle wirkt eine" Reaktionskraft des Lagers auf den Wellenzapfen und schwingt demzufolge die Hauptmasse des Läufers um den Wellenzapfen. Die sich "daraus ergebende Wellendeflektion führt zu einer hohen Zentrifugalkraft, die wiederum eine beträchtliche Schwingung·- des Läufers und des Lagers verursacht. Um weitere -Schwierigkeiten infolge dieser Schwingung zu vermeiden mußte man schwingungsarme Maschinen und Lager konstruieren. Darüber hinaus war es erforderlich, bei dynamisch nicht ausgewuchtetem Läufer die Turbine bei einer unterhalb der maximalen ΐ Betriebsdrehzahl oder der kritischen Drehzahl zu fahren.:

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, die zuvor erwähnten Fachteile der herkömmlichen Hochleistungsturbinen zu vermeiden.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, ein neues La- "' ger für einen Läufer für hohe Betriebsdrehzahlen zu schaffen, wobei das den Wellenzapfen" aufnehmende Lager ein für das

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.25... Aiig;. 1.96.6. _αη J!Wellenlag.er .....f ür.,.jMfeJ^en ^ _s., ^ __; _B!att A

Einleiten einer. Flüssigkeit zwischen Lager und Wellenzapfen ausreichendes radiales Spiel /besitzt und die Druckfläche des Lagers so gestaltet ist, daß der Mittelpunkt oder die Achse des Zapfens bei dynamisch nicht ausgewuchtetem Läufer ungehindert eine Schwingungsbahn beschreiben, kann, deren minimaler Krümmungsradius größer; ist, als das Radialspiel zwischen Lager und Y/ellenzapfen, ,■-.-. - .:

ψ Weiterhin'ist die Erfindung "darauf gerichtet, ein

Lager für einen Turbinenläufer zu schaffen, "bei-däm die' : " untere Grenze des erwähnten Krümmungsradius 0,1 5^r'*mm~ und bei einer kritischen Lauferdrehzahl bis 7000 TJpm der betreffende untere Grenzwert 0,10 mm beträgt sowie bei einer unteren Betriebsdrehzahl von mindestens 3000 Upm der untere Grenzwert umgekehrt proportional zum Quadrat der unteren Grenzdrehzahl abnimmt und bei 0,05 mm liegt.

Außerdem soll bei dem erfindungsgemäßen Wellenlafc ger die Hauptmasse des Läufers eine Pendelbewegung vollführen können, deren Drehzahl der Eigenschwingung sehr gering ist und entweder-unter dem unteren Grenzwert der Betriebsdrehzahl oder unter 3000 Upm liegt. Ein derartiges Lager verhindert auch während einer beträchtlichen dynamischen Unwucht des Läufers ein Schwingen der Hauptmasse desselben, wenn der Läufer' eine Umlaufgeschwindigkeit von über . 3000 Upm besitzt.

Darüber hinaus soll bei dem erfindungsgemäßen . .

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Wellenlager, wenn die Lauferdrehzahl unter 3000 Upm liegt und auch, "bei im Bereich, der Eigenschwingung auftretenden Schwingungen die die Schwingungen verursachende Kraft sehr niedrig liegen,, Schließlich soll bei dem erfindungsgemäßen Lager, auch wenn der Schwingungsausschlag größer wird und sich über die Hälfte des Umfanges der Druckfläche des Lagers erstreckt, der Wellenzapfen in der Nähe der Umkehrpunkte der Schwingungsbahn aufgrund der äußeren Kräfte im Abstand ä von der Druckfläche des Lagers liegen, so daß er sich frei im Lager bewegen kann, ohne die Pendelbewegung fortzusetzen, so daß das Lager die kritische Läuferdrehzahl nicht beeinflußt. Weiterhin soll nach der Erfindung ein o'lge schmiert es Gleitlager oder ein statisch-hydraulisches Drucklager mit einem Druckteil versehen sein, an dem der Zapfen der Läuferwelle unter der auf den Läufer wirkenden Schwerkraft oder äußerer Kräfte anliegt, wobei die Lagerfläche des Druckteils sich über etwa ein viertel de. s inneren Lagerumfangs erstreckt·

Die Erfindung besteht auch darin, ein ölgeschmiertes Gleitlager oder ein statisch-hydraulisches Drucklager der vorerwähnten Art zu schaffen, bei dem das betreffende . Druckteil in bezug auf das übrige Lagerteil austauschbar und mittels Feder oder Rollen beweglich gelagert ist und sich senkrecht zur Richtung der Außenkräfte mit einseitiger.. :;.·■ Amplitude von über 30$ des Radialspiels des Lagers bewegen kann_e

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Nach der Erfindung soll bei dem vorerwähnten Lager das Druckteil so nachgiebig ausgebildet sein, daß die Amplitude der Abwärtsverlagerung der Druckfläche unter dem Einfluß der auf den läufer wirkenden Schwerkraft bzw. äußerer Kräfte an beiden Enden des Druckteils über 30$ des Radialspiels des lagers beträgt und im mittleren Bereich des Druckteils geringer ist. .

Ein weiteres Ziel' der Erfindung besteht darin, ein statisch-hydraulisches Drucklager der obenerwähnten Art vorzusehen, bei dem durch Verstellen sowohl des Druckteils : als auch des Parameters der in das Lager eingeleiteten Flüssigkeit der Wellenzapfen bei Einwirkung einer Kraft auf ihn im mittleren Bereich des Druckteils ein Spiel von 50$ und an anderen Stellen von etwa 10$ des radialen Lagerspiels besitzt, so daß der Mittelpunkt des Zapfens bei jeder Betriebsdrehzahl in einer im wesentlichen ebenen Bahn schwingen kanne

Weiterhin zielt die Erfindung darauf ab, ein ölgeschmiertes Wellengleitlager zu schaffen, bei dem der Ölfilm im mittleren Bereich des obenerwähnten Druckteils dikker ist als in den übrigen Bereichen des Lagers, so daß der Krümmungsradius der Schwingungsbahn des Mittelpunktes des im Lager sitzenden Wellenzapfens größer ist als das Radialspiel des Lagers·, und bei dem die Schwingungsbahn eben wird, wenn die Dicke des Ölfilms 50$ des Radialspiels des

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lagers im. mittleren Bereich des obenerwähnten Druckteils und die -Dicke- des Ölfilms in den übrigen Bereichen der Lagerinnenfläche 10$. des Radialspiels des Lagers beträgt.

Darüber hinaus ist Gegenstand der Erfindung ein · Wellenlager der vorerwähnten Art,- bei dem für den "Pail, daß der vorerwähnte .Dickenunterschied des Ölfilms sieh wegen - . einer niedrigen Drehzahl nicht erreichen läßt, ein niedri- ■'■ gerer Grenzwert des Krümmungsradius der Schwingungsbahn bei einer Lauferdrehzahl von 3000 Upm.im Bereich von 0,15 mm bis 0,05 mm entsprechend, sowohl der kritischen Drehzahl als auch dem unteren_;,-,G-renzwert der Betriebsdrehzahl des. Rotors veränderbar ist, und bei dem im Falle einer Drehzahlsteigerung des. Läufers die Ölfilmdicke im mittleren Bereich: des Druckteils ansteigt, ohne,ein wesentliches Anwachsen der Ölfilmdieke in den übrigen Bereichen des Lagers, so daß .die Schwingungsbahn eben wird«, _: ■ . _i . ^

Schließlich besteht die Erfindung noch darin,, daß . bei dem·vorerwähnten Wellenlager die Schwingungsbahn des Mittelpunktes des im Lager sitzenden Wellenzapfens im PaIIe einer erzwungenen Bewegung gegen den Druckteil, des Lagers kontrolliert ist, während der Zapfen- beim Abbiegen in Richtung auf andere Teile der Lageroberfläche im wesentlichen frei von üeaktionskräften ist,

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in.der,- ■ Zeichnung dargestelltenAusführungsbeispielen des näheren ν

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^Wellenlager f^...iitobiiien;.,.;....;,......'^,,...; glatt .,.,.

erläutert. In der. Zeichnung zeigen: ,. . . . ,

Fig. 1 die Seitenansicht der erfindungsgemäßen Y/ellenla-

gerung .des Lauf ers einer ein Gebläse treibenden Dampfturbine, ' ... ■■-'"'■

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie X - X der Figo 2,

Fig. 3 ein anderes'Ausführungsbeispiel in einer der Fig. 2 ähnlichen Ansicht und " - ;

Fig» 4 eine Ansicht der abgewickelten Innenfläche des lagers nach Figo 3.

■Wenn ein sich.drehender Läufer unter dem- Einfluß .-■-. einer äußeren Kraft mit seinem Wellenzapfen gegen ein Lager wirkt, besitzt er, bezogen auf seine Hauptmasse, eine dynamische Unwucht, so daß seine Hauptmasse eine Pendelbewegung beschreibt, während der Mittelpunkt oder die Achse des in den Druckteil des Lagers eingreifenden Zapfenseine Schwingungsbahn beschreibt, die im wesentlichen entweder eine Kurvenfläche mit einem Kurvenradius ist, der größer ist als das Radialspiel des Lagers bzw. als 0,15 mm, oder die eine Kurvenfläche mit einem Krümmungsradius größer als 0,1 mm bzw. 0,05 mm entsprechend der kritischen Drehzahl und des unteren Grenzwertes der Betriebsdrehzahl des Läufers besitzt. Die Drehzahl der Eigenschwingung N_n-Q-D des Läufers bei der Pendelbewegung läßt sich wie folgt ermitteln, Wenn g die als ein- ' zige äußere Kraft auf den Läufer v/irkende Schwerkraft, R der Schwingungsradius der Hauptmasse des Läufers in mm, r der

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'■■''. 157555a 3

Krümmungsradius der Bewegungsbahn der Schwingung des Zapfen«· mittelpunktjä in-mm, Y die Verlagerung des. Mittelpunkts der Läuferhauptmasse in bezug auf den Wellenzapfen aufgrund der Wellendeflektion in min und IaL., die kritische Drehzahl des Läufers in Upm ist, dann ergibt sich folgende Abhängigkeit:

V¹'⁰⁰⁰ /¹A⁺Y CD";

Y = g(6O/2^F_OE)^? = (1,000/M₀J₁)² (2)

Bei R =oC ist M_CRB = 0, während bei E = 0,15 mm

¹GRB " ^70Q0 Upm ist Y = 0,02 mm_o In diesem Falle ist bei r = 0,10 mm R= (r+y) = 0,10 +0,02 = 0,12 mm und H_GSB = 2900 Upm. Beträgt die untere G-renzdreh-.

zahl des Läufers 4500 Upm, so ist r = 0,010 (3000/4500. )² ==0,05 mm. Demzufolge ergibt sich R = (r + y) = 0,05 + 0,02 = 0,07 mm und U_n-D-D = 3800 Upm. -

Da ΙΤγ,τλ-γ. kleiner als 3000 Upm ist bzw. unterhalb

V.A-P .

der unteren Betriebsdrehzahl liegt, beginnt die Hauptmasse ■ des Läufers leicht zu schwingen, wenn die Läuferdrehzahl ■die betreffenden G-eschwindigkeiten übersteigt. Hur der Wellenzapfen schwingt, wenn auch sehr leicht, mit einseitig gerichteter Amplitude etwa gleich der Abweichung des Sehwerkraftmittelpunkts aufgrund der dynamischen Unwucht der Hauptmasse des Läufers_o Ist der Krümmungsradius der Schwingungsbahn R größer als die betreffende Abweichung, dann wird die auf das Lager wirkende Kraft sehr klein,,

Wenn andererseits die untere Grenze der Betriebs»·

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drehzahl des läufern unter 3000 üpm "bzw. die Drehzahl zufällig gleich Ig-g-g ist, dann ist die absolute Sröße der Läuferunwueht gering, weil ein Läufer für hohe Drehzahlen klein und leicht ist.,, Darüber hinaus ist die ein Schwingin bei Läuferd.rehzahlen unter 5000 üpm verursachende Kraft sehr gering, so daß Läufer und Lager nur leicht schwingen.. Auch wenn die Unwucht groß ist,^: kann der Läufer, wenn sein Zapfen auf dem Druckteil des Lagers bei einer einseitig gerichteten •Amplitude von über einem viertel des inneren LagerumfangeB schwingt, vor einer kritischen !schwingung bewahrt werden,, ■weil der Zapfen infolge der äußerem gräfte* die den Zapfen ini. Abstand yon 4er Innenflache des Ijagers in der liähe der Enden der Schwingungsbahn halten, eine ungehinderte Bewegung in bezug auf das Lager vollführen kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Lager vollführt die Hauptmasse des Läufers, wenn der Wellenzapfen sich unter dem Einfluß äußerer Kräfte dreht, eine Pendelbewegung, deren EigenschwingungsdrehzahJ gering ist» Auch wenn der Läufer nicht dynamisch ausgewuchtet ist, werden die durch den Zapfen und in Bewegungsrichtung verursachten Schwingungen der Hauptmasse des Läufers geringer. Schwingt jedoch die Hauptmasse des Läufers aufgrund der Zentrifugalkraft und der Reaktionsfcraft des Lagers in einer Richtung senkrecht zur Richtung der erwähnten Bewegung, treten beide Kräfte in Abhängigkeit von der dynamischen Unwucht des Läufers auf. Die Drehzahl der Eigenschwingung liegt wegen der Nachgiebigkeit

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25.S sÄfig 1-9.66 _än ..'!Welleiila^er für...Turbinen.,.-....ο^..«,.^....., _B|_att __44.

des KLüssigkeitsfilms auf dem Druckteil des Lagers unter der kritischen. Lauferdrehzahl. ■ Wird der Läufer bei.der obenerwähnten Drehzahl der Eigenschwingung betrieben, dam unter-liegt er einer kritischen Schwingung,, Mit wachsender Ampli-" tude ändert sich jedoch -die-Bahn der Pendelbewegung, so daß im Bereich des Mittelpunkts dieser Bewegung sich, der ,Zapfen von dem Druckteil des Lagers wegbewegtρ Das heißt, der Zapfen kann sich frei.im Lager bewegen und eine kritische Schwingung wird,, vermiedene

Dreht sich der Läufer mit höherer'Drehzahl, dann beginnt seine Hauptmasse wegen der Nachgiebigkeit der Flüssigkeit zwischen dem Wellenzapfen und dem Druckteil'des Lagers beträchtlich zu "schwingen₀ Anderseits wird bei niedrigeren Lauf erdrehzahlen .die eine Schwingung in Abhängigkeit von der aus der dynamischen ^Unwucht des Läufers resultierenden Zentrifugalkraft.bewirkende Kraft gering, so daß.sowohl das Lager als auch der Läufer stark schwingen«, Daraus ergibt sich, daß bei den erwähnten Drehzahlen der Flüssigkeits— film auf dem Druckteil des Lagers dicker und der KLüssigkeitsfilm auf der übrigen Lagerfläche dünner gemacht werden sollte, um die Schwingungsbahn des Zapfenmittelpunktes abzuflachen und eine einseitig gerichtete SchwingungSamplitude des Zapfens zu erhalten, die wenigstens dem Zweifachen der möglichen Abweichung des Schwerkraftmittelpunkts der Hauptmasse des Läufers entspricht, ohne daß eine Reaktionskraft . über das Läufergewicht hinaus 'auftritt„ Die vorerwähnte ein-,

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11, Aug._ft..... 1...96.6... _αη■ iäCg 11 enlage.r....f^r.....^rbinen.,......_Ä;>.......... _Biatt ..M.

seitig gerichtete SchwingungSamplitude beträgt "beispielsweise über 0,035 mm..

TJm die Parameter und die Wirkungen des erfindungs gemäßen Läufers zu bestimmen, sollte der Läufer bei verschiedenen Drehzahlen und Abweichungen des Schwerkräftmittelpunkts der Hauptmasse des Läufers zwischen 0,005 und 0,015 mm versuchsweise betrieben werden. Auf diese Weise können die Schwingungsbahnen der Mittelpunkte einer Kraft und des Zapfens mittels eines elektronischen Vibrämeters gemessen und gegebenenfalls auch das Radialspiel-ύ-es Lagers, die Abmessungen des Druekteils-sowie die Parameter des'unter Druck stehenden Schmiermittels geändert werden,,

In Fig» 1 ist ein erfindungsgemäßes Lager für einen Horizontalläufer 1 einer Dampfturbine als Antrieb für ein Gebläse dargestellte Die Hauptmasse des Läufers ist mit 2 bezeichnet, und die Läul'erwelle besitzt Zapfen 3, die in den erfindungsgemäß ausgebildeten Lagern 4 von Lagerböcken 4' liegen. Die Lager 4 sind als ölgeschmierte Gleitlager ausgebildet und besitzen ein Radialspiel von 0,06 mm zwischen jedem Lager und dem betreffenden Wellenzapfen 3. Jedes Lager 4 ist mit verschleißfestem Weißmetall ausgekleidet. Die Schwerkraft ist die einzige äußere Kraft, die auf das Laufrad ein-• wirkt, wobei die Wellenzapfen 3 in Abhängigkeit von den äußeren Kräften gegen die Lager 4 gedruckt werden. Der Läufer ist für eine maximale Betriebsdrehzahl von 10000 Upm bei einer kritischen Drehzahl von 3000 Upm ausgelegt»

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Ciemäß Fig. 2 ist der untere Mittelteil des Lagers 4 vom übrigen Lager 4 getrennt und stellt das obenerwähnte Druckteil 5 dar« Pie Breite dieses Lagersegmentes 5 beträgt ein. viertel des inneren Lagerumfangs, Das Lagersegment 5 ist auf beispielsweise sechs Rollen beweglich gelagert und kann mit einem Schwingungsausschlag von. Q ₁ 02 mm nach links und rechts (in lig» 2) schwingen. -Die ortsfesten Druckflächen der Lager 4 sind mit 8, 9 und 10 bezeichnet. Unter Druck stehendes und über einen Einlaß 11 eingeführtes Öl schmiert, sämtliche Oberflächen einschließlich der Druckfläche auf dem Lagersegment 5. Die Spalte zwischen dem Lagersegment 5 und den festen Lagerteilen sind ebenfalls mit Öl gefüllt, das . den Aufprall zwischen dem Lagersegment 5 und den übrigen Lagerteilen während der Schwingungsbewegung des Lagersegments 5 dämpfte

Da das Lagersegment 5 in horizontaler Richtung frei aussehwingen kann, wenn der aufgrund der auf den Läufer t wirkenden Schwerkraft■gegen die Druckfläche des Lager-■se.gm.ents 5 gepreßte Wellenzapfen 3 sich dreht, ergibt sich eine auf den Wellenzapfen 3 wirkende Reaktionskraft, die nur in einer Richtung bzw.. der äußeren Kraft entgegenwirkt, insbesondere nur eine aufwärtsgerichtete Kraft* Demzufolge schwingt die Hauptmasse· 2 des Läufers 1 in nicht horizontaler Richtung, während der Wellenzapfen 3 um die Hauptmasse 2 schwingt ο Da der Läufer 1 keine kritische Schwingung verursacht, ergibt sich auch für das Lager 4 mit Ausnahme des

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Lagersegments 5 keine Schwingung, so daß die Maschine ruhig arbeitet_o - -

Bei dem Aus führung s bei spiel nach den Fig. 3 und 4 ■ "besitzt das lager 4' ' mehrere Druekflachen 7, 8, 9 und 10. Zwei Ölkanäle 12 liegen in den Druckflächen 8, 9, 10 und erstrecken sich über den Lagerumfang (vgl. Fig. 4-). Außerdem erstrecken sich zwei Ölkanäle 13 in axialer Richtung, wobei das Schmieröl unter Druck über die Öleinlässe 11, 11^r eintritt und sich ein 0,03 mm dicker Ölfilm insbesondere auf der Druckfläche 7 bildet, wenn der Wellenzapfen 3,-sich mit einer Drehzahl über 3000 Upm dreht» Der eich, auf den Druckflächen 8, 9 und 10 ergebende Druckfilm beträgt jedoch 0,006 mm, wenn auf den Wellenzapfen 3 eine dem Läufergewicht entsprechende Kraft wirkt. Demzufolge beschreibt der Mittelpunkt des Zapfens 3, der um die Hauptmasse 2 des Läufers 1 schwingt, eine Bahn, die nahezu eben oder flach ist» Der Wellenzapfen 3 schwingt im wesentlichen ohne eine Reaktionskraft in horizontaler Richtung und führt insofern zu der obenerwähnten ?/irkung der Erfindung.

Da es im Falle des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 und 4 wünschenswert ist, daß die Schwingungsbahn des Zapfenmittelpunkts im wesentlichen eben oder flach· ist _t muß wegen der Tatsache, daß die kritische Drehzahl des Läufers 1 3000 Upm beträgt'und der Läufer eine ausreichende Nachgiebigkeit besitzt, der Ölfilm auf der Druckfläche 7 dicker sein

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als auf den anderen Druckflächen B₁ 9·, 10 und der Krümmungsradius der Schwingungsbahn vorzugsweise größer als das Ea-, . dialspiel des Lagers 4¹', d.h₀ über O₅10 mm sein. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich die oben bereits erwähnte Verlagerung Y aus der Gleichung (2) und beträgt

= 0,11 M. :..■ ^

Aus Gleichung (1) ergibt sich der Wert für I_CHB = 1000 « j ^y = 2o200 Upm.

Obgleich, die Hauptmasse 2 des Läufers 1 bei einer Betriebsdrehzahl von 3000 Upm stark schwingt und. der Wellenzapfen 3 anderseits bei dieser Drehzahl ebenfalls mit einem, Schwingungsausschlag in einer einzigen Richtung etwa gleich der Abweichung des Schwerkraftmittelpunkts der. Hauptmasse 2 aufgrund der Unwucht· des Läufers schwingt, nimmt der in eine Richtung fallende Schwingungsausschlag ab und wird geringer als die erwähnte Verlagerung, da der Läufer 1 so nachgiebig ist, 4aß der berechnete Wert für Y = 0,11 mm beträgt. Gleichzeitig wird die vom Wellenzapfen 3 auf den Läufer und das Lager 4'' ausgeübte Kraft klein. Steigt die. Drehzahl des Läufers 1 über 3000 Upm, dann wird die Dicke des Ölfilms auf der Druckfläche 7 vergrößert, während der Ölfilm auf den anderen Druckflächen 8, 9 und 10 nicht wesentlich stärker wird, weil diese Druckflächen durch die Ölkanäle 12 in drei verhältnismäßig schmale Teile unterteilt sind, an deren Seiten der Ölverlust ansteigt. Demzufolge wird die Schwin-

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.., Aug.,, .1.9.6,6... an .."..I.ell.enlager....fürJEua&inen, <,........!!. Blatt -*£>.

gungsbahn wesentlich flacher und nimmt die vo.m Wellenzapfen 3 auf den Läufer 1 und das Lager 4¹¹ ausgeübte Kraft ab„

Andererseits wird die Dicke des Ölfilms auf der Druckfläche 7 bei Läuferdrehzahlen unter 3OOO TJpm verringert und demzufolge der Krümmungsradius der Schwingungsbahn so verkleinert, daß er nahezu gleich dem Radialspiel von 0,06 mm ist. Außerdem steigt die Eigenfrequenz der Pehdelbewegung der Hauptmasse 2 leicht an« Bei Drehzahlen knapp unter 2400 Upm erhöht sich die kritische Drehzahl, doch arbeitet die Turbine trotzdem ruhig, weil die von der Unwucht des Läufers 1 verursachte Zentrifugalkraft unter 1/4 = 1/16 der Zentrifugalkraft bei maximaler Betriebsdrehzahl von 10000 Upm liegt und die vom Wellenzapfen 3 auf das Lager 4¹' und die Hauptmasse 2 ausgeübte und ein Schwingen verursachende Kraft sehr klein ist«. Liegt die Abweichung des Schwerkraftmittelpunkts aufgrund der Läuferunwucht über 0,01 mm und wird .demzufolge aufgrund der Zentrifugalkraft die in Abhängigkeit der Pendelbewegung des Läufers 1 ein Schwingen verursachende Kraft so groß,-daß ein Schwingungsausschlag des Wellenzapfens 3" über den gesamten Bereich der Druckflächen T₁ 8 und 9 sich bis in die obere Druckfläche 10 erstreckt, dann bewirkt die auf den Läufer 1 drückende Schwerkraft g eine Terlagerung des Zapfens 3 in bezug auf die Druckfläche 10. Das heißt, der Wellenzapfen 3 bewegt sich an den Endpunkten der Schwingungsbahn weg von der Druckfläche

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10, und zwar freibeweglich im Lager 4^M ohne die Pendelbewegung beizubehalten, und fällt in Sichtung auf die Druckfläche 7 oder die Druckflächen 8 und 9₀ Da die Ölfilme auf den Druckflächen 8, 9 und 10 verhältnismäßig dünn sind, beträgt der in einer Richtung liegende Schwingungsausschlag, innerhalb dessen der Wellenzapfen 3 sich frei bewegen kann, ohne, eine Reaktionskraft zu ergeben, die über das Läufergewicht hinausgeht, etwa dem Radialspiel des Lagers von 0,06 mm₀ Die vom Wellenzapfen 3 auf den Läufer 1 und das Lager 4'' oder den Lagerbock 4¹ ausgeübte Kraft ist demzufolge gering und besitzt keine feste Richtung und Phase. Somit ergibt sich keine kritische Schwingung dieser Seile. · .

Wenn der Wellenzapfen 3 infolge des hohen Drucks des über- einen Öleinlaß 14 zu einem Öllcanal 1 5 in der Druckfläche 7 eingeleiteten Öls bewegt wird, dann ergibt sich ein ähnlicher Effekt wie in einem statisch-hydraulischen Drucklager. Auch bei Drehzahlen unter 3000 Upm wird die Schwingungsbahn des Wellenzapfens 3 eben und kann demzufolge die Schwingung der Hauptmasse 2 in derselben Weise vollständig verhindert werden wie im Falle des Lagers"4 nach Pig» 2. Im Falle einer Schwingung in einer Richtung senkrecht zur Pendelbewegung des Läufers 1 tritt eine kritische Schwingung bei Drehzahlen unter 3000 Upm infolge der Hachgiebigke.it .-des Ölfilms auf der Druckfläche 7 auf, weil die. kritische . ·; Lauf er drehzahl bei 3000 Upm liegt. ■ . _; ._;. ,.,■

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Wenn sich jedoch der Schwingungsausschlag der Schwingungenahn vergrößert, bewegt sich der Wellenzapfen 3 von der Druckfläche 7 weg und besitzt dann eine freie Beweglichkeit. Somit ergibt sich keine kritische Schwingung, wie im lalle des Betriebes bei der Drehzahl der Eigenschwingung der Pendelbewegung. Die die Schwingung verursachende Kraft, die der Wellenzapfen 3 bei Drehzahlen über oder unter der Drehzahl der Eigenschwingung auf die Hauptmasse 2 oder " auf die lager 4 bzw«, 4^!l ausübt, ist sehr gering. Somit ergibt sich ohne weiteres, daß die Lager 4 und 4'' nach der vorliegenden Erfindung bei geringerer kritischer Drehzahl des Läufers 1 wirksamer sind. Liegt die kritische Drehzahl des Läufers T 1T_GR unter 7000 Upm, beispielsweise bei 6000 Upm, während die untere Grenze der Betriebsdrehzahl über 3000 Upm, beispielsweise bei 3900 Upm liegt, dann ist

r = 0,1 · (3OOO/39OO)² = 0,06 mm.

Aus GrlßMiung(2) ergibt sich die Verlagerung zu * Y = (1000/6000)² = 0,028 mm. ■ . '

Demzufolge ist nach Gleichung (1)

H_CRB;>1000 · / Ι/θ",088 = 3.400 Upm.

In diesem lalle ist, wenn r größer als das radiale Lagerspiel von 0,06 mm ist, die Hauptmasse 2 während der Laufradbewegung keine Ursache für eine kritische Schwingung aufgrund der Pendelbewegung, so daß die Turbine ruhig arbeitet«, Die Drehzahl der Eigenschwingung des Läufers 1, der in

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einer Richtung senkrecht zur Pendelbewegung schwingt, nimmt wegen der Ölfilme auf dem Lager und der Nachgiebigkeit der Druckflache 7 einen kritischen Wert an. Wendet man das auf ; den Pail an, bei dem der Läufer 1 in einem Lager 4 nach -Fig. 2 gelagert ist,: besitzt der Mittelpunkt des Wellenzapfens"^ eine Schwingungsbahn., die nahezu eben ist. Wenn die Dicke des Ölfilms auf dem beweglichen Lagersegment 5 oder auf der Druckfläche 7 bei der Drehzahl der Eigenschwingung oder darüber besonders erhöht wird und diese Teile demzufolge so nachgiebig sind,- daß die Deflektron-aufgrund der sich ^: aus dem Gewicht des teilweise von den Druckteilen getragenen Läufers 1 ergebenden Kraft nahezu gleich dem radialen Lagerspiel ist, dann kann die Drehzahl der Eigenschwingung unter . die untere Grenze der Betriebsdrehzahl verringert werden,, Ist eine weitere Verringerung der Drehzahl der Eigenschwingung wünschenswert, dann können die das bewegliche Lagersegment 5 der Figo 2 tragenden Rollen 6 durch eine Feder ersetzt oder die Rückseite bzw. die äußere Radialfläche der Druckfläche 7 nach Fig. 3 zur Erhöhung der Nachgiebigkeit abgetragen werdeno Auch wenn die Drehzahl der Eigenschwingung oberhalb der unteren Grenze der Betriebsdrehzahl liegt und eine.kritische. Schwingung während des Betriebes,verursacht, läßt sich eine derartige kritische Schwingung vermeiden, da der Wellenzapfen 3 sich im Abstand von den,Druckflachen der Lager 4 .und 4¹¹ befindet. . . ;-,.;

_BsnAn 2 0 9 816/0112

BADORfGiNAL

.2.5... Aug. 1966... _αη.'.'.Iellenlager.;...!ür.....Türkisen., „.._?.ο..". Blatt «£$..

157S552

Wie sich, aus Vorstehendem ergibt, kann mit dem erfindungsgemäßen Lager zur Aufnahme eines unter der Wirkung der auf den Läufer wirkenden Schwerkraft und anderer äußerer Kräfte arbeitenden Wellenzapfens aufgrund der erfindungsgemäßen 'Druckflächen die Schwingungsbahn des 'Zapfenmittelpunkts in eine Richtung senkrecht zur äußeren Kraft gebracht werden. Andererseits ist das erfindungsgemäße Lager so ausgelegt, daß die Hauptmasse des Läufers eine Pendelbewegung vollführen kann, deren Drehzahl der Eigenschwingung 3000 Upm beträgt oder unter der unteren G-renze der Betriebsdrehzahl liegt. Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäße Lager eine freie Bewegung des Wellenzapfens in anderen Richtungen. Um diese vorteilhaften Wirkungen zu erreichen, ist es wünschenswert, das radiale Spiel des Lagers innerhalb bestimmter Grenzen soweit wie möglich zu vergrößern, um die Dicke des Flüssigkeitsfilms an den Druckflächen des Wellenzapfens zu erhöhen, so daß sie wesentlich dicker ist als der llüssigkeitsfilm zwischen dem Wellenzapfen und den übrigen Lagerflächen und die Nachgiebigkeit des in den Lagern sitzen den Läufers erhöht wird. Das heißt, es ist wünschenswert, daß die kritische Drehzahl ersten Grades der seitlichen Schwingung verringert wird. Demzufolge unterscheidet sich das erfindungsgemäße Lager wesentlich von einem Drucklager, bei dem ein Wellenzapfen, der durch' Öldruck nach einer Seite hin gepreßt wird, an einer freien Bewegung gehindert und dadurch die Schwingungsdämpfung verbessert wird. Das erfin-

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an .."..Iellenlaggr... ..£.ür ...lurMftgn., ...*..,.!..... Blatt Stf..

dungsgemäße Lager unterscheidet sich des weiteren wesentlich von einem Kipplager, bei dem ein Lagerzapfen zwischen einer Kippdruckfläche vor freier Bewegung geschützt ist. Des weiteren unterscheidet sich das erfindungsgemäße -Lager wesentlich von einem Lager, bei dem der Ölfilm über den gesamten
Umfang eine gleiche Dicke besitzt und durch Verringerung
der. Druckflächen verdünnt wird, so daß ein Flattern verhindert wird»

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Claims

2Sla Aug..₉.......196.6.. _αη .„...!^Wellenlager. ... jfür....TurbinexL^ *..»...„.» Blatt....

Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha, -No, 10, Marunouchi 2-chome, Chiyoda-ku, Tokio / Japan

.5"

Patentansprüche;

1. Wellenlager zur Aufnahme des Wellenzapfens eines Läufers für hohe Drehzahlen, gekennzeichnet durch einen zwischen Wellenzapfen und Lagerflächen befindlichen, mit Drucköl gefüllten Ringspalt, Mittel zum Einleiten des Drucköls in den Ringspalt sowie eine Druckfläche des Lagers, auf die der V/ellenzapfen unter der Einwirkung äußerer Kräfte gedrückt wird, wobei· der'Druckteil so konstruiert und in bezug auf die übrigen Lagerflächen angeordnet ist, daß bei Unwucht des Läufers und einer 3000 Upm-übersteigenden Drehzahl der Zapfenmittelpunkt seitwär.ts von dem Lager durch eine Bewegungsbahn mit einem Radius der Längskrümmung schwingt, dessen unterer Grenzwert größer ist als das Radialspiel.

2. Wellenlager nach Anspruch Ϊ, d ad u ,r c h g e, k e η η zeichnet, daß die Lagerfläche mindestens einen radial nach einwärts geöffneten Umfangskanal besitzt, der durch das Druckteii unterbrochen und in den das Schmiermittel · eingeleitet wird.

3. Wellenlager nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η· -

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J 9.6,6 . an "I§21enlager für Turbinen, _Α..^η Blatt 3

ζ e i c h ne t , daß der Radius der Längskrümmung mindestens 0,1'5 nun" "beträgt'-. '

4ο Wellenlager nach Anspruch 2, dadurch gekennz e i. ch η e t , daß der untere Grenzwert der.Längskrümmung "bei einer ,kritischen Läuferdrehzahl ersten Grades von höchstens 7000 TJpm 0,10 im "beträgt.

5. Wellenlager"nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß bei einer unteren Grenzdrehzahl des Läufers von 3000 Upm der untere Grenzwert des Radius der . _v Längskrümmung umgekehrt proportional zum Quadrat der unteren Grenzdrehzahl verringert wird und 0,05 mm "beträgt.

c Wellenlager nach Anspruch 2, da d u r c h g e kenn.-' 2 e i c h η e. t , daß der Druckteil in "bezug auf die übrigen Lagerteile beweglich angeordnet und die Bewegungsbahn im wesentlichen eben ist· : / ' ·

7. Wellenlager nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e· η η ζ ei c h η et , daß der Druckteil auswechselbar in bezug auf die übrigen Lagerflächen angeordnet ist_o

8. Wellenlager nach Anspruch 6, dad u rc h ' g e k e η η -

ζ e i c h η et , daß der Druckteil in bezug auf die übrigen : Lagerflächen nachgiebig angeordnet ist.

9ο Y/ellenlager nach Anspruch 2, g e k 'e η η ζ *e i c h η e t d Ur c h einen dicken Flüssigkeitsfilm auf dem Druckteil und einen dünnen tflüssigkeitsfilm.auf den übrigen Lager-- -■ fläche.n₀ , ' ... . . , - - -

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10. Wellenlager nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der dünne und der dicke Ölfilm eine
freie Bewegung des Zapfenmittelpunkts entlang einer einseitigen Amplitude von mindestens 0,035 mm gestattet, ehe eine das auf den Wellenzapfen wirkende Gewicht des Läufers übersteigende Reaktionskraft im lager auftritt_e

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