DE19834914A1 - Wassergeschmiertes Wellenlager - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine wassergeschmierte Kippsegmentlagerung mit aus monolithischer Keramik bestehenden Kippsegmenten zur Aufnahme radialer Wellenlasten. Die Kippsegmente weisen eine Anordnung auf, bei der zur Aufnahme von Stillstandskräften immer zwei Kippsegmente der Lageranordnung dienen. Bei geringen Umfangsgeschwindigkeiten einer an den Kippsegmenten anliegenden Lagerhülse wird somit die Berührungszone vergrößert und die aus der Mischreibung resultierenden Probleme erheblich reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein wassergeschmiertes, radiales Gleitlager mit Kippseg­ menten aus monolithischer Keramik zur drehbaren Aufnahme einer sich durch ein Gehäuse erstreckenden Welle.

Es gibt verschiedene Bauarten von solchen Kippsegmentlagern. So zeigt die DE-A-22 30 950 eine Lageranordnung bei der bogenförmige Kippsegmente peripher um die Welle verteilt und mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Kippsegmente stützen sich an einem aus zwei Hälften zusammengesetzten ringförmigen Gehäuseteil ab und werden durch Anschläge zueinander auf Abstand gehalten. Zum Erreichen der Kippfunktionen weist die dem Gehäuse zu­ gekehrte Seite der Kippsegmente einen Radius auf, der kleiner ist als der Radius vom Innendurchmesser des Gehäuseteiles. Der Radienunterschied schafft die Voraussetzung für die Gelenkfunktion der Kippsegmente. Die gezeigte Lagerbau­ art ist zwar einfach in der Herstellung und im Aufbau, sie ist aber auf eine Öl­ schmierung zwingend angewiesen. Zum Einsatz in Pumpen, beispielsweise Krei­ selpumpen zur Förderung heißer Medien, bei denen das heiße Fördermedium mit seiner niedrigen Viskosität als Schmiermittel dienen soll, ist die gezeigte Lager­ bauart nicht geeignet.

Durch die DE-A-21 54 217 ist eine Lageranordnung für sehr große Maschinen, z. B. Turbogeneratoren, bekannt, deren Wellen einen Durchmesser von mehr als 400 mm aufweisen, mit Drehzahlen über 3600 U/min betrieben werden und wobei die Lagerbelastung über 22 500 kp liegt. Solche ebenfalls auf Ölschmierung an­ gewiesene Lager sehen einzelne Kippsegmente vor, in denen spezielle Kühl­ kanäle angeordnet sind. Eine Ölschmierung ist bei solchen Lagerungen deshalb eine zwingende Voraussetzung, weil Öl aufgrund seine viskoelastischen Eigen­ schaften für Festkörperreibung besonders geeignet ist. Ein zusätzlicher äußerer Kühlkreislauf sorgt für den Abtransport der in solchen Lagern aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeit auftretenden Wärme. Verantwortlich dafür ist die beim eigentlichen Schmiervorgang im Schmierkeil auftretende Scherbeanspruchung im zähflüssigen Öl. Ein Verzicht auf die Anordnung von Kippsegmenten in der oberen Lagerhälfte reduziert die während des Dauerbetriebes entstehende Be­ triebstemperatur um bis zu 100 Celsius.

Bei kritischen Bedingungen zur Lagerung eines rotierenden Bauteils, häufig bei der Verwendung von niedrigviskosen Schmiermitteln, z. B. Wasser, sind Lager aus keramischen Werkstoffen und einfacher Geometrie bekannt. Sie bestehen übli­ cherweise aus einer gehäusefesten zylindrischen Buchse aus Siliziumkarbid und einer darin rotierenden zylindrischen Lagerhülse aus dem gleichen Material. Vari­ anten solcher Bauformen sehen den Einsatz anderer Materialpaarungen oder die Verwendung von Schmiernuten vor, um ein Schmiermittel mit niedriger Viskosität in den Lagerspalt zu transportieren. Es ist auch aus dem Katalog der Firme Glacier RPG, DHB 15, Glacier-Kemel Ceramic Axial & Radial Bearings bekannt, einfach gestaltete Kippsegmente aus monolithischer Keramik Anwendung finden zu lassen. Die einfache Geometrie resultiert aus der Bruchempfindlichkeit dieser Werkstoffe.

Die Auslegung solcher hydrodynamischen Lagers ist üblicherweise abhängig von dem hauptsächlichen Belastungs- oder Betriebspunkt desjenigen Gerätes, in dem das Lager eingebaut ist. Bei Verwendung in Pumpen wird ein Gleitlager üblicher­ weise so ausgelegt, daß es bei Normalbetrieb hydrodynamisch operiert und damit die relativ zueinander bewegten Teile berührungs- und verschleißfrei durch einen Schmierfilm getrennt sind. Keramische Werkstoffe haben sich für solche Betriebs­ bedingungen, insbesondere bei denen auch gelegentlich mit Mischreibung zu rechnen ist, aufgrund ihres geringen Verschleisses als sehr geeignet erwiesen. Trotzdem hat es sich gezeigt, daß solche keramischen hydrodynamischen Lager aus nicht nachvollziehbaren Gründen während eines Betriebes Schaden nehmen und auch zu Ausfällen führen können. Dies tritt besonders bei dünnflüssigen Schmiermitteln mit kleiner Viskosität auf, z. B. Wasser. Dies wird gravierender im Kraftwerkseinsatz, da dort im Heißwasserbereich die Viskosität auf 1/10 der Vis­ kosität des Kaltwasser bei 20°C abnimmt.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, für Lagersituationen mit be­ grenzten Raumverhältnissen beim Vorhandensein von hohen radialen Lasten und einem Schmiermittel kleiner Viskosität, z. B. Heißwasser, für keramische Lager­ elemente eine Verbesserung der Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Die Lösung dieses Problems sieht vor, daß die drehfest mit der Welle verbundene Lagerstelle als Lagerhülse aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem dazwi­ schen befindlichen Bindemittel besteht und daß sich die Massenkräfte der Welle auf zwei im Lagerteil angeordnete Kippsegmente aufteilen.

Erfindungsmäßig wurde erkannt, daß für einen zuverlässigen Betrieb solcher Lager nicht nur der hydrodynamische Betriebspunkt von Bedeutung ist. Vielmehr müssen verstärkt diejenigen kurzfristigen Betriebszustände Berücksichtigung finden, bei denen ein Anfahren oder Abfahren einer Pumpe stattfindet.

Bei Gleitlagern mit horizontal angeordneter Welle werden beim Stillstand der Maschine die Lagerflächen der Kippsegmente mit den gesamten auf eine Welle einwirkenden Gewichtskräften belastet. Bei einer mehrstufigen Pumpe mit hori­ zontaler Welle wäre es das Gewicht der Welle, das Gewicht der darauf befind­ lichen Laufräder, deren Befestigungsmittel und weitere mit der Welle rotierende Teile. Ein solches Lager beim Anfahr- oder Abfahrvorgang mit seiner Radiallast im Bereich der Trocken- oder Mischreibung betrieben.

Bei einer senkrechten Wellenanordnung hat das Lager die umlaufenden Massen­ kräfte aufzunehmen, d. h. die während einer Rotationsbewegung entstehenden Kräfte. Hier kommt während des Betriebes die Mischreibung aufgrund unter­ schiedlicher Einflüsse zum Tragen.

Bisher wurde angenommen, daß Mischreibungszustände für keramische Gleit­ lager aufgrund ihrer hohen Verschleißbeständigkeit kein Problem darstellen.

Es wurde nun erkannt, daß während eines Anfahr- oder Abfahrvorganges auf­ grund von Gewichtskräften oder von umlaufenden Massenkräften Mischreibungs­ zustände im Lager auftreten können, bei denen unzulässig hohe Reibleistungs­ dichten existieren. Bei diesen Betriebszuständen ist die Umfangsgeschwindigkeit einer Welle schon relativ hoch, aber der hydrodynamische Schmiereffekt ist noch nicht vollständig zum Tragen gekommen. In einem solchen Betriebspunkt bildet sich eine höchste Reibleistung zwischen den aus keramischen Werkstoffen be­ stehenden Reibpartnern, also zwischen Lagerbuchse und Lagerhülse aus. Da Keramik im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen keinen bzw. nur einen gerin­ gen Verschleiß aufweist, erschien bisher ein solcher Betriebszustand für diese Werkstoffe als ungefährlich. Tatsächlich entsteht aber eine unzulässige Aufhei­ zung der einander berührenden Reibflächen. Ursächlich dafür ist die Reibleistung, die auf eine begrenzte, im Zusatz der Mischreibung befindliche Lagerfläche einwirkt. Die geringe Größe einer solchen tragenden, mischreibenden Fläche führt zu sehr kurzfristigen, lokal konzentrierten und exzessiv hohen Reib­ leistungsdichten. Eine solche Überschreitung einer kritischen Grenze kann bei diesen Werkstoffen Wärmespannungsrisse und in der Folge davon einen Gewalt­ bruch auslösen.

Die Reibleistungsdichten ergeben sich aus dem Quotienten zwischen der in die Lagerpaarung eingebrachten Reibleistung dividiert durch die tragende Fläche. Diese tragende Fläche ist jedoch nur ein Bruchteil der gesamten Lagerfläche, so daß sich in der tragenden Fläche ein Mischreibungsgebiet ausbildet, das durch die Reibwärme thermisch hochbelastet wird. Es wurde erkannt, daß die maximale Reibleistungsdichte kurz vor der vollständigen Ausbildung eines hydrodyna­ mischen Trageffektes erreicht wird. Also bereits bei relativ hohen Reibgeschwin­ digkeiten. Schon eine kurze Einwirkdauer einer solchen Überbelastung führt zu einer thermischen Zerstörung des Lagers.

Die erfindungsgemäße Lageranordnung hat sich nach umfangreichen Versuchen für Mischreibungszustände als eine äußerst betriebssichere und auch hohe Standzeiten aufweisende Lösung bei den unterschiedlichsten Betriebsverhält­ nissen erwiesen. Dieses erklärt sich dadurch, daß beim Kippsegmentlager beim Betrieb im Mischreibungsgebiet größere tragende Flächen zur Verfügung stehen und damit die Hertz'sche Pressung gegenüber einem zylindrischen Lager verringert ist. Besteht die untere Lagerhälfte anstatt aus einer einteiligen Lager­ schale oder aus einem im Tiefpunkt angeordneten Kippsegment dagegen aus mindestens zwei Kippsegmenten, dann wird allein dadurch schon die Hertz'sche Pressung gegenüber einer einzelnen Berührzone fast halbiert. Die Stillstandslast verteilt sich nun im Mischreibungsgebiet auf zwei Berührungszonen und damit steht gegenüber einer einzelnen Berührungszone eine fast doppelte so große Fläche zur Verfügung.

Weiterhin verbessert die Verwendung von zwei Kippsegmenten zur Aufnahme der Gewichtskräfte die Hydrodynamik der jeweiligen Lagerstelle. Damit kann bereits bei kleineren Umfangsgeschwindigkeiten der hydrodynamische Trageffekt wirk­ sam werden. Auch bei Kreiselpumpen mit einem hohen Läufergewicht tritt bereits bei kleinerer Gleitgeschwindigkeit der den Verschleiß ausschließende hydrody­ namische Abhebeeffekt ein. Gegenüber einem zylindrischen Keramiklager wird damit die maximale Belastung erheblich verkleinert.

Die auf das Lager einwirkende Belastung hat die Dimension einer Wärmeleistung und ergibt sich aus dem Produkt der maximalen auftretenden Flächenpressung im Lager multipliziert mit der Gleitgeschwindigkeit an der Lagerstelle. Die auf eine Lagerung einwirkende Reibleistungsdichte P_reib. ist nun abhängig von den Mischreibungseigenschaften der beteiligten Lagermaterialen, die sich in der Reib­ zahl f ausdrückt. Sie wird mit nachstehender Formel ermittelt:

P_reib. = p × v × f [Watt/mm²],

wobei
p = maximal auftretende Flächenpressung im Lager
v = Gleitgeschwindigkeit im Lager
f = Reibzahl der Lagerpaarung
ist.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß eine Lagerpaarung von Kippsegmenten aus monolithischer Keramik mit einer Lagerhülse aus Faserverbundwerkstoff ein für die aufgabengemäßen Betriebsbedingungen wesentlich besseres aber vor allem reproduzierbares Reibverhalten besitzt. Der Faserverbundwerkstoff führt im Bereich der Oberfläche zu einer spezifischen Oberflächenstruktur, die eine re­ produzierbare Mikrohydrodynamik bei sehr kleiner Reibzahl f = 0,02 zur Folge hat.

Die Lagerhülse aus einem Faserverbundwerkstoff hat gegenüber einer Lager­ hülse aus monolithischer Keramik eine wesentlich geringere Wandstärke, wo­ durch der zu lagernde Wellendurchmesser größer gehalten werden kann. Damit nimmt die Welle höhere Lasten auf. Die Befestigung auf einer Welle ist wesentlich unproblematischer da der Werkstoff gegenüber einer monolithischen Keramik dehnungstoleranter ist und somit auch mit Schrumpfspannung gehalten werden kann.

Durch die Verwendung einer Lagerhülse aus einem Faserverbundwerkstoff ergibt sich zusätzlich eine Eigenelastizität, wodurch eine Kantenpressung verringert und damit die maximale Flächenpressung reduziert wird. Das Bindemittel in dem Faserverbundwerkstoff verbessert die Trageigenschaften der mit der Welle rotie­ renden Lagerhülse. Es verschließt in der Lagerhülse die Poren im Faserverbund­ werkstoff und unterstützt die Ausbildung der hydrodynamischen Schmierkeile. Ohne Bindemittel könnte infolge einer Werkstoffporösität das Schmiermittel in die offenen Poren eindringen und dadurch die Trageigenschaften schwächen.

Bei groben Gewebestrukturen kann die Verwendung eines zweiten Bindemittels im Form eines porenfüllenden Stoffes vorteilhaft sein. Dies kann ein Harz sein, welches nach der Einbringung in das Gewebe und zusammen mit diesem durch pyrolytische Umwandlung verfestigt wird. Anstelle des Harzes sind auch noch andere aushärtbare Füllmaterialien verwendbar. Auch hier ist ein zum Faser­ werkstoff verträglicher Temperaturausdehnungskoeffizient anzustreben.

Nach Ausgestaltungen der Erfindung haben die als Gelenke wirkenden Kippunkte die Form von über die Oberfläche hinausragenden Vorsprüngen. Sie können direkt an den Kippsegmenten oder an einem die Kippsegmente aufnehmenden Gehäuseteil angeordnet sein. Eine solche Ausbildung reduziert den Bearbeitungs­ aufwand eines aus monolithischer Keramik bestehenden Kippsegmentes.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht der Faserverbundwerk­ stoff überwiegend aus einem Fasergewebe, zwischen denen ein Bindemittel angelagert ist. Zur Vermeidung von Unverträglichkeiten im Temperaturausdeh­ nungsverhalten können Faser- und Bindemittel aus chemisch gleichen Materialen bestehen, zum Beispiel aus Siliziumkarbid oder Kohle. Wenn eine Lagerhülse Verwendung findet, bei der der Faserverbundwerkstoff und das Bindemittel aus chemisch unterschiedlichen Werkstoffen besteht, dann ist bei der Wahl solcher Werkstoffe ein möglichst gleiches Temperaturausdehnungsverhalten anzustreben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die

Fig. 1 eine Lastverteilung an einem Lager mit zylindrischen Teilen und

Fig. 2 eine Lastverteilung an einem Lager mit Kippsegmenten und Lagerhülse aus Faserverbundwerkstoff.

Die Fig. 1 zeigt die Lastverteilung bei einem üblichen Keramiklager, bei dem in einer äußeren, stillstehenden Lagerbuchse 1 eine innere Lagerhülse 2 rotiert. Die Lagerhülse 2 ist dabei mit einer Welle oder einem zu lagernden Teil drehfest ver­ bunden (hier nicht dargestellt). Es ist der Mischreibungszustand gezeigt bei dem aufgrund geringer Rotationsgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch den Pfeil ω, und aufgrund der auf die Lagerstelle einwirkenden und durch den großen Pfeil F gekennzeichnete Last, noch kein hydrodynamischer Schmierkeil existiert. Die tragende Fläche zwischen Lagerbuchse 1 und Lagerhülse 2 beschränkt sich auf eine Berührzone A, in der die Mischreibung auftritt. In Abhängigkeit von der auf das Lager einwirkenden Last F sowie der Größe der Berührzone A kann es trotz der guten Materialeigenschaften von keramischen Werkstoffen infolge der auftre­ tenden Reibleistungsdichte zu einer sehr kurzfristigen und unzulässigen Aufhei­ zung der Reibflächen kommen. Dies ist der Auslöser für das Überschreiten von kritischen Werkstoffgrenzen, die bisher unerklärliche Schäden zur Folge hatten. Die Durchmesser zwischen Lagerbuchse 1 und Lagerhülse 2 sind sehr unterschiedlich dargestellt, um die schmale Berührzone A deutlicher hervorzu­ heben.

Die über der Berührzone A zwischen den aneinander reibenden Flächen aufge­ tragene Verteilungskurve 3 stellt die Druckverteilung dar. Das Flächenintegral dieser Druckverteilung entspricht der durch den Pfeil F symbolisierten Lagerlast.

In der Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Lösung gezeigt, mit deren Hilfe bei wasser­ geschmierten Lagern aus keramischen Bauteilen die Überlastungsgefahr der Bauteile reduziert wird. Auch hier wurde aus Gründen der besseren Übersicht­ lichkeit das Lagerspiel vergrößert gezeichnet und der Mischreibungszustand gezeigt. Eine aus einem Faserverbundwerkstoff bestehende Lagerhülse 4, die sehr dünnwandig ausgebildet ist, hat aufgrund geringer Umfangsgeschwindigkeit ω noch nicht abgehoben. Beim Vorhandensein eines hydrodynamischen Schmierkeils wäre die rotierende Lagerhülse 4 durch das - hier nicht dargestellte - Schmiermittel vollständig von den Kippsegmenten 5 getrennt. Ein Verschleiß zwischen diesen Lagerteilen tritt dann nicht mehr auf.

In dem gezeigten Betriebszustand mit geringer Umfangsgeschwindigkeit ω, entsteht in den hier doppelt vorhandenen Berührzonen A eine wesentlich geringere Anpressung. Bei solchen Lagern ist das verwendete Schmiermittel mit niedriger oder geringer Viskosität, beispielsweise das Fördermedium von Pumpen in Form von heißem Wasser. Die Anordnung von mindestens zwei Kipp­ segmenten 5 in demjenigen Lagerteil, der zumindest im Stillstand einer Welle 6 die jeweilige Lagerlast F aufzunehmen hat, reduziert bereits in entscheidendem Maße durch das Vorhandensein von zwei Berührzonen A die Flächenpressung zwischen der aus Faserverbundwerkstoff bestehende Lagerhülse 4 und den mo­ nolithischen Kippsegmenten 5. Bei einem Betriebszustand mit geringer Umfangs­ geschwindigkeit ω, beispielsweise beim Anfahren oder Abfahren einer Pumpen­ welle 6, werden die Probleme beim Durchfahren der Mischreibungszone gravierend verringert. Dies ist besonders wichtig bei Schmiermitteln geringer Viskosität.

Die Verwendung von Kippsegmenten bietet den Vorteil, daß geringfügige Schrägstellungen der Welle, die durch die auf die Welle einwirkende und eine Wellendurchbiegung verursachende Wellenlast bedingt sind, nicht zu Kantenpressungen führen. Die Kippsegmente 5 passen sich stattdessen der Wellendurchbiegung an und stellen somit immer eine großflächige Berührfläche zwischen den aufeinandergleitenden Teilen sicher.

Die Verwendung einer Lagerhülse aus einem Faserverbundwerkstoff und einem dazwischen befindlichen Bindemittel verfügt gegenüber einer Lagerhülse aus mo­ nolithischer Keramik über eine wesentlich größere Elastizität. Diese Elastizität verhindert ebenfalls die Kantenpressung. Solche Kantenpressungen können, auch wenn sie nur äußerst kurzfristig auftreten, zu unzulässig hohen, das Lager schädigenden Reibleistungsdichten führen.

Das in der aus Faserverbundwerkstoffen bestehenden Lagerhülse 4 befindliche Bindemittel dient zur Ausbildung einer möglichst porenfreien Struktur. Damit wird die Ausbildung von hochbelastbaren hydrodynamischen Schmierkeilen zwischen Kippsegment 5 und Lagerhülse 4 unterstützt. Versuche haben ergeben, daß sich bei einer zu hohen Porösität innerhalb der Lagerhülse eine Zirkularströmung ausbildet, die eine frühzeitige Ausbildung des hydrodynamischen Schmierkeiles behindert. Das Bindemittel schließt die Poren und somit kann, in Verbindung mit dem aus monolithischer Keramik bestehenden Kippsegmenten, ein äußerst geringer Reibungsbeiwert im Bereich von f = 0,02 erreicht werden.

Es entsteht wesentlich frühzeitiger ein hydrodynamischer Schmierkeil, welcher be­ reits bei geringen Umfangsgeschwindigkeiten ω in der Lage ist, die Tragfunktion zu übernehmen. Die Verweildauer, in der diese Lagerung bei einem An- oder Abfahren ein hoch belastetes Mischreibungsgebiet durchfährt, wird damit ebenfalls reduziert. In der Summe führt die erfindungsgemäße Gestaltung zu einer gravierenden Reduzierung der Reibleistungsdichte beim Passieren einer Mischreibungszone. Die Betriebssicherheit einer solchen Lagerung und im Endeffekt einer damit ausgestatteten Maschine wird in entscheidendem Maße gesteigert.

An den Kippsegmenten können die Kippunkte 7 integraler Bestandteil sein. Eine andere Ausführungsform zeigt das Beispiel des Kippunktes 8, der hier als Bestandteil des Lagergehäuses 9 ausgebildet ist.

Claims (5)

1. Wassergeschmiertes, radiales Gleitlager mit Kippsegmenten aus mono­ lithischer Keramik zur drehbaren Aufnahme einer sich durch ein Gehäuse erstreckenden Welle, wobei mehrere bogenförmig gestaltete Kippsegmente im Abstand zueinander eine Lagerstelle der Welle umgeben, dadurch gekennzeichnet, daß die drehfest mit der Welle (6) verbundene Lagerstelle als Lagerhülse (4) aus einem Faserverbundwerkstoff und einem zwischen den Fasern befindlichen Bindemittel besteht und daß sich die Massenkräfte der Welle (6) auf zwei im Gehäuseteil (9) angeordnete Kippsegmente (5) aufteilen.

2. Kippsegmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite der Kippsegmente (5) angeordnete Vorsprünge die Kipp­ punkte (7) bilden.

3. Kippsegmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuseteil (9) angeordnete Vorsprünge die Kippunkte (8) bilden.

4. Kippsegmentlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundwerkstoff aus einem Fasergewebe mit einem oder mehreren im Gewebe angelagerten Bindemitteln besteht.

5. Kippsegmentlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel eine porenfüllende, trockenlauffähige Eigenschaft aufweist.