DE19514830A1 - Kippbacken-Lagervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kippbacken-Lagervorrichtung (Mehrflächengleitlagervorrichtung) zur Verwendung in einer Rotationsmaschine.

Im allgemeinen sind bei einer in Fig. 10 schematisch dargestellten Kippbacken-Lagervorrichtung mehrere Backen bzw. Gleitlagerteile (Kippbacken) 102 zur Lagerung einer drehbaren Welle 101 in einer Umfangsrichtung geteilt und mittels Zapfen oder Bolzen 103 an einem Lagergehäuse für Winkelbewegung ge­ haltert. Im Vergleich zu einem feststehenden Lager, bei dem jede Backe (pad) am Lagergehäuse fest angebracht ist, besitzt die Kippbacken-Lagervorrichtung ausgezeichnete Eigenschaften bezüglich Stabilität und dgl. Die Kippbacken-Lagervorrichtung wurde bereits verbreitet als Lager für eine Rotationsmaschi­ ne, wie einen Dampfturbinen-Stromgenerator großer Abmessun­ gen, eingesetzt.

Als Schmiersystem für die Kippbacken-Lagervorrichtung werden ein Öltauchschmiersystem und ein Düsen-Zwangsschmier­ system vorgesehen. Bei jedem Schmiersystem sind Öffnungen oder Düsenöffnungen zum Zuführen von Schmieröl zu den Lager­ abschnitten zwischen den benachbarten Backen angeordnet und Nuten zum Zuspeisen des Schmieröls zu ihnen an der Gehäuse­ seite vorgesehen.

Als eine derartige herkömmliche Kippbacken-Lagervorrich­ tung ist im folgenden eine solche eines Wellenzapfentyps mit Düsen-Zwangsschmiersystem anhand der Fig. 3 und 4 beschrie­ ben.

Gemäß den Fig. 3 und 4 ist eine (drehbare) Welle 1 mittels einer Anzahl von in einer Umfangsrichtung angeord­ neten Kippbacken 2a-2e gelagert, die jeweils mit Hilfe fester Positionierzapfen 3a-3e für Winkelbewegung an einem Gehäuse 6 gelagert bzw. gehaltert sind.

Die Positionierzapfen 3a-3e sind innerhalb einer Umfangsnut 9 im Gehäuse 6 mit einem vorgegebenen (gegensei­ tigen) Abstand in der Umfangsrichtung festgelegt. Mehrere Ölzuführstücke 4a-4c, in denen an der Schmieröl-Einlaßseite mehrere Düsenöffnungen 5a-5c ausgebildet sind, sind relativ zur Rotationsrichtung A der Kippbacken 2e, 2a und 2b an den Lagerschnitten, die nahezu das gesamte Gewicht und die Ar­ beitskraft der Welle 1 aufnehmen, angeordnet.

Das Schmieröl, das einen Ölspeisezulaß 8 an der Außen­ umfangsseite des Gehäuses 6 und die Umfangsnut 9 passiert hat und mit einer vorbestimmten Druckdifferenz vom Ölspeisezulaß 8 zugespeist worden ist, kann gleichmäßig in Richtung von Pfeilen C0, C1, C2, C3, C4, C5 und C6 in dieser Reihenfolge strömen und wird zu einer Schmierfläche (an) der Innenum­ fangsfläche der Kippbacken für die Lagerung der Welle 1 zu­ geführt. Das Gehäuse 6 ist dabei in einen äußeren Gehäuseteil zur Festlegung der Ölzuführ-Umfangsnut 9 eingesetzt.

Aufgrund der jüngsten Forderung nach Hochgeschwindig­ keitseignung, Kompaktheit und höherer Betriebsleistung der Rotationsmaschine wurde ein Oberflächendruck des Lagers bei einer solchen Kippbacken-Lagervorrichtung erhöht, so daß unter Erhöhung des Reibungsverlusts der Schmierflächenabstand oder -zwischenraum (clearance) verkleinert wurde. Eine höhere Lagerleistung wird auch unter noch schwereren Bedingungen gefordert. Insbesondere hat sich aufgrund des erhöhten Rei­ bungsverlusts eine auf die Kippbacke wirkende Wärmemenge vergrößert, so daß sich eine Metall(ober)flächentemperatur der Kippbacken und eine Ölfilmtemperatur der Schmierfläche erhöht haben. Infolgedessen besteht dabei die Gefahr für ein Festfressen unter Wärmeeinfluß (heat sticking). Zudem besteht dabei die Gefahr für das Auftreten instabiler Schwingung aufgrund der Viskositätssenkung und Dämpfungsminderung des Schmieröls infolge der erhöhten Temperatur.

Bei einer solchen herkömmlichen Kippbacken-Lagervorrich­ tung können jedoch die Außenumfangsseiten (Rückseiten) der Kippbacken 2e, 2a und 2b, die einer hohen Last oder Belastung ausgesetzt sind, in enge Berührung mit dem Gehäuse gelangen, wodurch der Schmierölfluß zum Stagnieren gebracht wird. In­ folgedessen erhöht sich der Wärmewiderstand, und die von der Schmierfläche an der Seite der Innenumfangsfläche eingelei­ tete Wärme kann kaum abgeführt werden. Demzufolge tritt eine Temperaturdifferenz zwischen der Innen- und der Außenumfangs­ fläche einer jeden Kippbacke auf, was zu einem Anstieg der Metall(ober)flächentemperatur der Kippbacken und einer Er­ höhung der Ölfilmtemperatur an der Schmierfläche führt. Die herkömmliche Kippbacken-Lagervorrichtung ist mithin mit dem ernsthaften Nachteil behaftet, daß sie nicht als Lagervor­ richtung oder -anordnung bei einer Rotationsmaschine einer höheren Leistung eingesetzt werden kann.

Zur Ausschaltung der geschilderten zahlreichen Probleme bei der herkömmlichen Kippbacken-Lagervorrichtung besteht so­ mit die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Lagers bzw. einer Lagervorrichtung, bei dem bzw. der ein Tempera­ turanstieg der Kippbacken sowie ein Festfressen derselben unter Wärmeeinfluß und auch die Erzeugung der mit dem Tempe­ raturanstieg einhergehenden instabilen Schwingung vermieden sind und das bzw. die das Schmieröl zur Gewährleistung einer stabilen, hohen Betriebsleistung wirksam nutzt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Kippbacken-Lagervor­ richtung zur Lagerung einer Welle mittels einer Anzahl von Kippbacken, die auf an einem Innenumfang eines Gehäuses festgelegten Zapfen für Winkelbewegung gelagert oder ge­ haltert sind, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Außenumfangsfläche jeder Kippbacke und/oder eine der Außen­ umfangsfläche gegenüberliegende Innenumfangsfläche des Ge­ häuses mit mehreren in der Umfangsrichtung verlaufenden oder umlaufenden Nuten versehen ist und eine Anzahl von einen kleinen Durchmesser aufweisenden Düsenöffnungen zum Ausstoßen von Schmieröl unmittelbar zu den Nuten oder zur Außenumfangs­ fläche im Gehäuse oder in einem Ölzuführstück, das zwischen jeweiligen, in der Umfangsrichtung benachbarten Kippbacken angeordnet ist, angeordnet, d. h. ausgebildet sind.

Erfindungsgemäß sind die mehreren umlaufenden bzw. Um­ fangsnuten in der Außenumfangsfläche oder in der letzterer zugewandten bzw. gegenüberstehenden Innenumfangsfläche des Gehäuses ausgebildet, so daß (etwa) stagnierendes Schmieröl ohne weiteres zum Fließen gebracht wird. Zudem sind die mehreren Düsenöffnungen kleinen Durchmessers zum Ausstoßen des Schmieröls unmittelbar zu den Nuten oder zur Außenum­ fangsfläche im Gehäuse oder in dem (den) zwischen den in der Umfangsrichtung benachbarten Kippbacken angeordneten Ölzu­ führstück(en) vorgesehen, so daß der Wärmewiderstand (heat resistance) der Außenumfangsfläche (einschließlich der Rück­ seiten) der Kippbacke unter Erhöhung der Wärmeabfuhr und Senkung der Bezugstemperatur herabgesetzt ist.

Da insbesondere die der Strom oder Strahl aus den mehreren kleinen Düsenöffnungen in Form von Düsenstrahlen vorliegt und der Wärmeübergangskoeffizient (entsprechend dem Kehrwert des Wärmewiderstands) örtlich sehr hoch ist, ist es mit einer Verkleinerung des Durchmessers jeder Düsenöffnung und einer Optimierung des Teilungsabstands der Anordnung möglich, eine große Kühlwirkung mit einer kleinen Schmier­ ölmenge sicherzustellen.

Vorzugsweise sind eine Anzahl von einen kleinen Durch­ messer aufweisenden Düsenöffnungen zum Ausstoßen des Schmier­ öls unmittelbar zu den umlaufenden Nuten sowie zur Außenum­ fangsfläche der Kippbacken im Gehäuse und im Ölzuführstück vorgesehen, d. h. ausgebildet.

Bei einer solchen Anordnung gemäß der Erfindung wird Schmieröl einer Temperatur, die nahezu derjenigen an den Nuten und an der Außenumfangsfläche entspricht, diesen Teilen zugespeist, um die Abführmenge an Wärme zu vergrößern.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die einen kleinen Durchmesser aufweisenden Düsenöffnungen und das Ölzuführstück an einer Schmieröleinlaßseite relativ zur (in der) Wellen-Rotationsrichtung von in einem unteren Bereich der Lagervorrichtung angeordneten Kippbacken vorgesehen sind, kann das Schmieröl unter Gewährleistung der Kühlwirkung zügig oder gleichmäßig längs der Nuten und der Außenumfangsfläche der Kippbacken fließen.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Gehäuse Öffnungen zum Austragen oder Abführen des Schmieröls vom Außenumfang der Kippbacken vorgesehen sind, kann das Schmier­ öl, das erwärmt worden ist, abgeführt werden, wobei die Menge der durch das Schmieröl abgeführten Wärme vergrößert sein kann.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittansicht einer Kippbacken-Lager­ vorrichtung (bzw. Mehrflächengleitlager­ vorrichtung) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Querschnittansicht einer herkömmlichen Kippbacken-Lagervorrichtung,

Fig. 4 eine Längsschnittansicht der Vorrichtung nach Fig. 3,

Fig. 5 eine graphische Darstellung einer Beziehung zwischen einer Ölmenge an der Rückseite einer Kippbacke und einer Schmierflächentemperatur zur Verdeutlichung der Wirkung der Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Wärmeübergangskoeffizienten an der Rückseite einer Kippbacke und der Schmierflächen­ temperatur zur Verdeutlichung der Wirkung der Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Stroms (an) einer Kühlstrahl-Öldüsenöffnung zur Verdeutlichung der Wirkung der Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine graphische Darstellung eines örtlichen Wärme­ übergangsgradienten der Kühlstrahl-Öldüsenöffnung zur Verdeutlichung der Wirkung der Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung der Lagenbeziehung zwischen dem Ölzuführstück und den Kühlstrahl-Öl­ düsenöffnungen bei der erfindungsgemäßen Vor­ richtung und

Fig. 10 eine (schematische) Darstellung des Konzepts der Kippbacken-Lagervorrichtung.

Die Fig. 3 und 4 sowie 10 sind eingangs bereits er­ läutert worden.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist eine drehbare Welle 1 mittels mehrerer in der Umfangsrichtung geteilter Kippbacken 2a-2e gelagert, die ihrerseits mittels fester Positionierzapfen 3a-3e für Winkelbewegung an einer Innenumfangsfläche eines Gehäuses 6 gelagert bzw. gehaltert sind. Die festen Posi­ tionierzapfen 3a-3e sind in einem vorgegebenen (gegensei­ tigen) Abstand in der Umfangsrichtung, d. h. Umfangsabstand, in einer Umfangsnut 9 des Gehäuses 6 festgelegt.

Mehrere Ölzuführstücke 4a-4c, in denen (jeweils) mehrere Düsenöffnungen 5a-5c an der Schmieröleinlaßseite geformt sind, sind relativ zur Rotationsrichtung A der Kippbacken 2e, 2a und 2b, die sich an den Lagerabschnitten zum Aufnehmen nahezu des gesamten Gewichts und der Arbeits­ kraft der Welle 1 befinden, angeordnet. Zudem sind im Öl­ zuführstück 4c mehrere Kühlstrahl-Öldüsenöffnungen 13a ausgebildet.

Fig. 9 zeigt die Lagenbeziehung des Ölzuführstücks 4c und der Kühlstrahl-Öldüsenöffnungen 13a bei der erfindungsge­ mäßen Anordnung bei nicht dargestellter Welle 1.

Gemäß Fig. 9 ist das Ölzuführstück 4c zwischen den jeweils in das Gehäuse 6 eingebauten Kippbacken 2a und 2b angeordnet. An beiden axialen Enden des Gehäuses 6 sind Dichtringe 6a und 6b vorgesehen.

Im Ölzuführstück 4c sind die mehreren Ölzuführdüsen­ öffnungen 5c für die Zufuhr von Schmieröl zur Schmierfläche vorgesehen und auch die mehreren Kühlstrahl-Öldüsenöffnungen 13a zum Ausspritzen oder Ausstoßen von Kühlöl auf die Kipp­ backe 2a zum Abführen von Wärme an der Schmierölauslaßseite der auf eine hohe Temperatur erwärmten Kippbacke 2a ausge­ bildet.

Gemäß Fig. 2 sind in der Innenumfangsfläche des Gehäuses 6 an der Außenumfangsseite (Rückseite) der Kippbacken 2a-2e mehrere Umfangsnuten 14a und 14b vorgesehen. Mehrere Kühl­ strahl-Öldüsenöffnungen 11a2 und 11b2 sind relativ zur (in der) Rotationsrichtung A in der Nähe jeder Schmieröleinlaß­ öffnung in der Rückseite der Kippbacken 2e, 2a und 2b, die mit einer hohen Last oder Belastung beaufschlagt werden, angeordnet. Ferner sind Öffnungen 12a2 und 12b2 für den Austrag oder das Abführen vom Schmieröl, das zum Kühlen der Außenumfangsseiten der erwärmten Kippbacken benutzt wird, der Innenumfangsfläche des Gehäuses 6 zugewandt (bzw. bis zu dieser verlaufend) angeordnet.

Weiterhin sind die erwähnten Nuten 14a und 14b oder mehrere Düsenöffnungen 13a und 13b kleinen Durchmessers zum Ausstoßen des Schmieröls unmittelbar auf die Außenfläche der Kippbacken in den Ölzuführstücken 4a-4c vorgesehen, die zwischen den in der Umfangsrichtung benachbarten Kippbacken angeordnet sind.

Die Fig. 5 bis 8 veranschaulichen die Ergebnisse von Wärmeleitfähigkeitsanalysen der Wirkung der vorstehend beschriebenen Anordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine Beziehung zwischen einer Menge an Schmieröl, das durch die bzw. zur Rückseite der Kippbacken des Lagers zum Strömen gebracht wird, und einer Schmier­ flächentemperatur der Kippbacken. Ersichtlicherweise führt das Hindurchleiten einer kleinen Schmierölmenge (einige 1/min) zu einer Temperatursenkungswirkung um einige 10°C.

Fig. 6 veranschaulicht eine Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit der Rückseite der Kippbacken und der Schmierflächentemperatur der Kippbacken. Ersichtlicherweise gewährleistet die Wärmeleitfähigkeit von etwa einigen oder mehreren 1000 kcal/m²h°C die Temperatursenkungswirkung in gleicher Weise.

Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen eine(n) örtliche(n) Wärmeübergangskoeffizientgradienten oder -verteilung aus oder von der Kühlstrahl-Öldüsenöffnung 22. Es ist darauf hinzu­ weisen, daß der Strahlstrom-Wärmeübergangskoeffizient αN des Kühlölstrahls aus jeder Düsenöffnung an jeder Stelle (anywhere) in einem Umfangsabstand γ 1000 kcal/m² oder mehr beträgt und die mehreren Düsenöffnungen angeordnet sind, um damit an der Kippbacken-Rückseite ohne weiteres den Wärme­ übergangskoeffizienten der nötigen Größe von 1000 kcal/m²h°C, wie in Fig. 6 gezeigt, zu erzielen.

Erfindungsgemäß sind die mehreren Umfangsnuten in der Außenumfangsfläche oder in der dieser gegenüberliegenden (facing) Innenumfangsfläche des Gehäuses ausgebildet; hierdurch wird ein Fließen von etwa stagnierendem Schmieröl begünstigt. Zudem sind die zahlreichen engen Düsenöffnungen zum Ausstoßen des Schmieröls unmittelbar zu den Nuten oder zur Außenumfangsfläche im Gehäuse oder in dem zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Kippbacken angeordneten Öl­ zuführstück ausgebildet, wodurch der Wärmewiderstand (thermal resistance) der Außenumfangsfläche (einschließlich der Rückseite) der Kippbacke verringert wird und damit die Wärmeabfuhr verstärkt und die Bezugstemperatur herabgesetzt werden.

Da insbesondere der Strom oder Fluß (des Öls) aus den mehreren engen Düsenöffnungen in Form von Strahlen vorliegt und der Wärmeübergangskoeffizient (entsprechend dem Kehrwert des Wärmewiderstands) örtlich sehr hoch ist, ist es bei Verkleinerung des Durchmessers jeder Düsenöffnung und Optimierung des Teilungsabstands der Anordnung möglich, eine große Kühlwirkung mit einer kleinen Schmierölmenge zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, das zugespeiste Schmieröl in der Kippbacken-Lagervorrichtung wirksam zu nutzen und ein Lager bereitzustellen, das eine höchst stabile Betriebsleistung aufweist und bei dem ein (unzulässiger) Temperaturanstieg vermieden wird.

Claims (4)

1. Kippbacken-Lagervorrichtung zur Lagerung einer Welle mittels einer Anzahl von Kippbacken, die auf an einem Innenumfang eines Gehäuses festgelegten Zapfen für Winkel­ bewegung gelagert oder gehaltert sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Außenumfangsfläche jeder Kippbacke (2a-2e) und/oder eine der Außenumfangsfläche gegenüberliegende Innenumfangsfläche des Gehäuses (6) mit mehreren in der Umfangsrichtung verlaufenden oder umlaufenden Nuten (14) versehen ist und eine Anzahl von einen kleinen Durchmesser aufweisenden Düsenöffnungen (11, 13) zum Ausstoßen von Schmieröl unmittelbar zu den Nuten oder zur Außenumfangs­ fläche im Gehäuse (6) oder in einem Ölzuführstück (4), das zwischen jeweiligen, in der Umfangsrichtung benachbarten Kippbacken (2a-2e) angeordnet ist, angeordnet, d. h. aus­ gebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von einen kleinen Durchmesser aufweisenden Düsenöffnungen zum Ausstoßen des Schmieröls unmittelbar zu den umlaufenden Nuten (14) sowie zur Außen­ umfangsfläche der Kippbacken (2a-2e) im Gehäuse (6) und im Ölzuführstück (4) vorgesehen, d. h. ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einen kleinen Durchmesser aufweisen­ den Düsenöffnungen (11) und das Ölzuführstück (4) an einer Schmieröleinlaßseite relativ zur (in der) Wellen-Rotations­ richtung von in einem unteren Bereich der Lagervorrichtung angeordneten Kippbacken (2a, 2b, 2e) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (6) Öffnungen (12) zum Austragen oder Abführen des Schmieröls vom Außenumfang der Kippbacken (2a-2e) vorgesehen sind.