DE19860783A1

DE19860783A1 - Axiallagerung für schnellaufende Rotoren

Info

Publication number: DE19860783A1
Application number: DE19860783A
Authority: DE
Inventors: Josef Baettig
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 2000-07-20
Also published as: JP2002534647A; WO2000040870A1; EP1141564A1; TW418291B

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Axiallagerung für schnellaufende Rotoren zu schaffen, die in axialer Richtung extrem steif und bezüglich Schiefstellung sehr weich ausgebildet ist. Zudem soll im Lagerbereich in axialer Richtung Bauraum eingespart werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Lasteinleitungskörper (13) einen an den Lagerkamm (12) anschließenden Laufflächenkörper (16), eine mit dem Lagerflansch (6) verbundene Membran (17) sowie einen den Laufflächenkörper (16) mit der Membran (17) verbindenen Zentralring (18) aufweist. Der Lasteinleitungskörper (13) ist vom Laufflächenkörper (16) zum Zentralring (18) verjüngt ausgebildet. Dabei ist die Membran (17) einseitig auf einem inkompressiblen Medium (23) abgestützt, welches einen auf der dem Lagerkamm (12) abgewandten Seite der Membran (17) angeordneten Hohlraum (20) zwischen der Membran (17) und einem den Hohlraum (20) begrenzenden Element (19) füllt, wobei das den Hohlraum (20) begrenzende Element (19) entweder am Lagerflansch (6) abgestützt ist oder von letzterem gebildet wird.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Axiallagerung für schnellaufende Rotoren, mit einer Ein richtung zur Schiefstellungskompensation.

Stand der Technik

Eine Axiallagerung für schnellaufende Rotoren muss eine ausreichende axiale Steifigkeit aufweisen, so dass die Einfederung unter der maximal auftretenden Axiallast einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Herstellungsbedingt tre ten jedoch bei der Abstützung von Wellen und anderen Rotoren Schiefstellungen der Welle und damit des Lagerkammes des Axiallagers auf, in deren Folge die Tragfähigkeit des Lagers sinkt. Um dieser Gefahr zu begegnen wurden zahlreiche konstruktive Lösungen zum Ausgleich der Schiefstellungen gefunden, z. B. durch elastische Verformung, bei exzentrischer Stützung oder durch elastische Verfor mung einer Membran (Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, ISBN 3-540- 57650-9, 18. Aufl., Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1995, G95/96).

Zudem kommt es aufgrund von Rotorunwuchten solcher schnellaufenden Rotoren, wie sie beispielsweise bei Turboladern oder anderen Turbomaschinen Verwen dung finden, zu betriebsbedingten Schiefstellungen. Letztere werden noch ver stärkt, wenn die Turbomaschine im Betrieb zusätzlichen Kippbewegungen ausge setzt ist (z. B. bei Turboladern für Schiffsmotoren).

Mit dem EP 0 362 327 B1 ist eine Lösung zur Schiefstellungskompensation bei ei ner Axiallagerung für eine Turbomaschine bekannt. Dabei wird die Schiefstellung der Welle und damit des Lagerkammes mittels elastischer Stege kompensiert, wo durch die Lagerung einerseits eine ausreichende Elastizität für zulässige Deforma tionen besitzt, andererseits jedoch verschleissfrei ist, um zu grosse Deformationen zu verhindern.

Eine solche Schiefstellungskompensation ist jedoch immer ein Kompromiss zwi schen der erforderlichen axialen Steifigkeit und der gewünschten Nachgiebigkeit für Schiefstellungen. Zudem wird axial relativ viel Bauraum benötigt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Axiallagerung für schnellaufende Rotoren zu schaffen, die in axialer Richtung extrem steil und be züglich Schiefstellung sehr weich ausgebildet ist. Zudem soll im Lagerbereich in axialer Richtung Bauraum eingespart werden.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der Lasteinleitungskörper einen an den Lager kamm anschliessenden Laufflächenkörper, eine mit dem Lagerflansch verbundene Membran sowie einen den Laufflächenkörper mit der Membran verbindenden Zen tralring aufweist. Der Lasteinleitungskörper ist vom Laufflächenkörper zum Zentral ring verjüngt ausgebildet. Die Membran ist einseitig auf einem inkompressiblen Medium abgestützt, welches einen auf der dem Lagerkamm abgewandten Seite der Membran angeordneten Hohlraum zwischen der Membran und einem den Hohlraum begrenzenden Element füllt. Dabei ist das den Hohlraum begrenzende Element entweder am Lagerflansch abgestützt oder wird von letzterem gebildet.

Aufgrund dieser Abstützung der Membran auf einem inkompressiblen Medium kann die axiale Nachgiebigkeit der Membran vermindert und damit ein axial sehr steifes Axiallager realisiert werden. Durch die Verwendung der in axialer Richtung sehr weichen Membran wird jedoch vor allem die Verdrehsteifigkeit des Axialla gers deutlich gesenkt, so dass die auftretenden Schiefstellungen über eine solche Membran besser kompensiert werden können, als das bisher möglich war. In der Folge kann die Tragfähigkeit des Axiallagers über einen längeren Zeitraum ge währleistet und so dessen Lebensdauer erhöht werden.

Bei Einhaltung der geforderten Axialsteifigkeit kann mit der erfindungsgemässen Lösung der axial benötigte Bauraum gegenüber einer konventionellen Schiefstel lungskompensation auf etwa ein Drittel reduziert werden.

Besonders vorteilhaft ist der Lasteinleitungskörper einstückig ausgebildet. Auf die se Weise kann eine hohe Verschleissfestigkeit des Axiallagers erreicht werden.

Es ist besonders zweckmässig, wenn die Membran einen zentralen, an den Zen tralring anschliessenden Bereich, einen mit dem den Hohlraum begrenzenden Ele ment verbundenen Randbereich sowie einen Zwischenbereich aufweist, wobei so wohl der zentrale Bereich als auch der Randbereich gegenüber dem Zwischenbe reich der Membran verdickt ausgebildet sind. Mit dieser Verstärkung der Bereiche, welche die Axialkräfte der entsprechenden Maschine aufnehmen bzw. übertragen müssen, kann die Standzeit des Axiallagers weiter erhöht werden.

Weiterhin vorteilhaft ist am den Hohlraum begrenzenden Element ein in den Hohl raum hineinragender Axialanschlag für den Zentralring angeordnet. Dieser An schlag verhindert die Zerstörung des Axiallagers in einem Havariefall, bei dem ein Verlust des den Hohlraum füllenden inkompressiblen Mediums eintritt. Zudem wirkt der Anschlag als hydraulischer Dämpfer.

Schliesslich wird das den Hohlraum begrenzende Element mit Vorteil als ein Dec kel ausgebildet. Dadurch können sowohl die Herstellung als auch die Montage deutlich vereinfacht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch die Lagerung einer Welle, mit zwei Radial lagern sowie mit einer Axiallagerung, einschliesslich einer Einrichtung zur Schiefstellungskompensation;

Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1, im Bereich der Axiallage rung;

Fig. 3 eine Darstellung analog der Fig. 2, jedoch in einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist beispielsweise der mit der Welle verbundene, eigentliche Ro tor der Maschine.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt eine mittels zwei Radiallagern 1, 2 sowie mit einem Axiallager 3 gelagerte Welle 4. Beispielsweise handelt es sich dabei um die Welle 4 eines hauptsächlich aus einem Radialverdichter sowie einer Turbine bestehenden, hier nicht dargestellten Abgasturboladers. Sowohl die Radiallager 1, 2 als auch das Axiallager 3 sind in einem Lagergehäuse 5 angeordnet. Teil des Lagergehäuses 5 ist ein Lagerflansch 6, welcher zur Befestigung des Lagergehäuses 5 im Inneren eines ebenfalls nicht dargestellten Wellengehäuses des Abgasturboladers dient. Der Lagerflansch 6 ist über als Schrauben ausgebildete Befestigungselemente 7 mit dem Lagergehäuse 5 verbunden. Das verdichterseitige Radiallager 1 ist am Lagerflansch 6 mittels eines Deckels 8 fixiert, wozu weitere als Schrauben ausge bildete Befestigungselemente 9 dienen. Sowohl im Lagergehäuse 5 als auch im Lagerflansch 6 ist eine Schmierölzuführung 10, 11 für das Radiallager 2 bzw. für das Radiallager 1 sowie für das Axiallager 3 angeordnet.

Das Axiallager 3 besteht aus einem mit der Welle 4 fest verbundenen, drehenden Lagerkamm 12, der mit einem feststehenden Lasteinleitungskörper 13 zusammen wirkt. Der Lagerkamm 12 und der Lasteinleitungskörper 13 weisen jeweils eine Lauffläche 14 auf, zwischen denen ein Schmierölspalt 15 des Axiallagers 3 ausge bildet ist (Fig. 1).

Der Lasteinleitungskörper 13 ist einstückig ausgebildet. Er besteht aus einem an den Lagerkamm 12 anschliessenden Laufflächenkörper 16, aus einer mit dem La gerflansch 6 verbundenen Membran 17 sowie aus einem den Laufflächenkörper 16 mit der Membran 17 verbindenden Zentralring 18 und ist vom Laufflächenkör per 16 zum Zentralring 18 verjüngt ausgebildet.

An der dem Laufflächenkörper 16 abgewandten Seite des Lasteinleitungskörpers 13 ist ein Deckel 19 derart zwischen der Membran 17 und dem Lagerflansch 6 an geordnet, dass zwischen dem Deckel 19 und der Membran 17 ein Hohlraum 20 entsteht. Im Deckel 19, der als ein den Hohlraum 20 begrenzendes Element aus gebildet ist, ist ein mit dem Hohlraum 20 verbundener, durch einen Stopfen 21 ver schlossener Zufuhrkanal 22 für ein den Hohlraum 20 füllendes, inkompressibles Medium 23 angeordnet. Als ein solches Medium 23 kommen hauptsächlich Fluide und insbesondere synthetische Öle in Frage. Natürlich sind zu diesem Zweck auch andere Fluide, wie beispielsweise Wasser, aber auch feste Stoffe (z. B. nied rig schmelzende Metalle) geeignet.

Der Deckel 19 besitzt einen in den Hohlraum 20 hineinragenden Axialanschlag 24 für den Zentralring 18. Die Membran 17 weist einen zentralen, an den Zentralring 18 anschliessenden Bereich 25, einen mit dem Lagerflansch 6 verbundenen Randbereich 26 sowie einen Zwischenbereich 27 auf (Fig. 2). Sowohl der zentrale Bereich 25 als auch der Randbereich 26 sind gegenüber dem Zwischenbereich 27 der Membran 17 verdickt ausgebildet, so dass die eigentliche Membran vom Zwi schenbereich 27 gebildet wird.

Der Lagerflansch 6 weist eine entsprechende Ausnehmung 28 zur Aufnahme des Lasteinleitungskörpers 13, d. h. für die Membran 17 auf. Dazu ist im Bereich der Ausnehmung 28, zwischen dem Lagerflansch 6 und der Membran 17 eine Pas sung 29 ausgebildet, in welche der separat gefertigte Lasteinleitungskörper 13 eingepresst wird. Ebenso kann auch eine stoffschlüssige Verbindung von Lager flansch 6 und Membran 17 erfolgen. Eine weitere Passung 30 ist zwischen dem Deckel 19 und der Membran 17 ausgebildet, wobei die entsprechende Verbindung verschweisst ist. Natürlich kann auch eine andere stoffschlüssige Verbindung (beispielsweise durch Verlöten) eine kraftschlüssige oder eine formschlüssige Verbindung realisiert werden.

Der separat gefertigte Lasteinleitungskörper 13 kann bereits vor seiner Montage in den Lagerflansch 6 mit dem Deckel 19 verbunden und der Hohlraum 20 mit dem inkompressiblen Medium 23 gefüllt werden, so dass eine einfache und kostengün stige Herstellung und Endmontage ermöglicht wird. Durch Verwendung eines be schichteten Vergütungsstahls für den Lasteinleitungskörper 13 kann eine hohe Fe stigkeit erreicht werden. Der im Hohlraum 20 befindliche Axialanschlag 24 verhin dert, dass die axiale Steifigkeit des Axiallagers 3 im Falle des Verlustes des in kompressiblen Mediums 23 verlorengeht. Diesem Sicherheitsgedanken kann durch Verwendung eines Materials mit guten Notlaufeigenschaften (z. B. Feder bronze) für den Lasteinleitungskörper 13 weiter Rechnung getragen werden.

Beim Betrieb des Abgasturboladers ist der mit F1 bezeichnete Axialschub der Turbine zum Radialverdichter hin ausgerichtet und beaufschlagt das Axiallager 3 hauptsächlich in axialer Richtung. Dabei werden die auftretenden Axialkräfte über den Lagerkamm 12, den Laufflächenkörper 16, den Zentralring 18 und die Mem bran 17 auf den Lagerflansch 6 übertragen. Durch die lokalen Verdickungen der Membran 17 in ihrem zentralen Bereich 25 und im Randbereich 26, wird die ei gentliche Kraftübertragung unterstützt. Dagegen wird die axiale Nachgiebigkeit der Membran 17 durch die Abstützung auf dem inkompressiblen Medium 23 (z. B. Hy drauliköl) verhindert, so dass es lediglich zu geringen Einfederungen im Zehntel bereich kommen kann. Auch bei pulsierenden Axialkräften wirkt das inkompressi ble Medium 23 als ein axialer Dämpfer und kann somit einem Aufschaukeln der Axialkräfte, welches ansonsten bis hin zu einer Havarie führen könnte, entgegen wirken. Die konstruktiv bzw. betriebsbedingt entstehenden Schiefstellungen der Welle 4 und damit des Lagerkammes 12 des Axiallagers 3 werden über die axial sehr weiche Membran 17 ausgeglichen. Damit kann die Schiefstellungssteifigkeit gegenüber den bekannten Lösungen des Standes der Technik deutlich gesenkt und somit die Standzeit des Axiallagers 3 entsprechend erhöht werden.

Das Schmieröl gelangt über die Schmierölzuführung 10, über eine im Lagerge häuse 5 angeordnete Umfangsnut 31 sowie über eine dementsprechend ausge bildete Zuführung 32 des Radiallagers 2 in dessen Schmierölspalt 33. Der Schmierölspalt 34 des Radiallagers 1 bzw. die Lauffläche 14 des Axiallagers 13 werden über die im Lagerflansch 6 angeordnete Schmierölzuführung 11 mit Schmieröl versorgt.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird der mit dem inkompressiblen Medium 23 gefüllte Hohlraum 20 zwischen der Membran 17 und dem Lagerflansch 6 aus geformt, so cbss letzerer das den Hohlraum 20 begrenzende Element bildet. Da her ist der Zufuhrkanal 22 für das Medium 19 im Lagerflansch 6 angeordnet. Ebenso ist statt dem Deckel 19 der Lagerflansch 6 mit dem Axialanschlag 24 für den Zentralring 18 der Membran 17 versehen (Fig. 3). Durch den Wegfall des Deckels 19 kann bei nahezu analoger Funktion eine einfachere und damit kosten günstigere Konstruktion realisiert.

Bezugszeichenliste

1

Radiallager

2

Radiallager

3

Axiallager

4

Welle

5

Lagergehäuse

6

Lagerflansch, Element

7

Befestigungselement, Schraube

8

Deckel

9

Befestigungselement, Schraube

10

Schmierölzuführung, in

5

11

Schmierölzuführung, in

6

12

Lagerkamm

13

Lasteinleitungskörper

14

Lauffläche

15

Schmierölspalt

16

Laufflächenkörper

17

Membran

18

Zentralring

19

Deckel, Element

20

Hohlraum

21

Stopfen

22

Zufuhrkanal

23

Medium

24

Axialanschlag

25

zentraler Bereich, von

17

26

Randbereich, von

17

27

Zwischenbereich, von

17

28

Ausnehmung

29

Passung, zwischen

6

und

17

30

Passung, zwischen

19

und

17

31

Umfangsnut

32

Zuführung

33

Schmierölspalt, von

2

34

Schmierölspalt, von

1

Claims

1. Axiallagerung für schnellaufende Rotoren, mit einer Einrichtung zur Schief stellungskompensation und mit einem Axiallager, welches aus einem mit einer Welle (4) fest verbundenen, drehenden Lagerkamm (12) sowie aus einem fest stehenden Lasteinleitungskörper (13) besteht, wobei der Lasteinleitungskörper (13) von einem Lagerflansch (6) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lasteinleitungskörper (13) einen an den Lagerkamm (12) anschlies senden Laufflächenkörper (16), eine mit dem Lagerflansch (6) verbundene Membran (17) sowie einen den Laufflächenkörper (16) mit der Membran (17) verbindenden Zentralring (18) aufweist, wobei der Lasteinleitungskörper (13) vom Laufflächenkörper (16) zum Zentralring (18) verjüngt ausgebildet ist und wobei die Membran (17) einseitig auf einem inkompressiblen Medium (23) ab gestützt ist, welches einen auf der dem Lagerkamm (12) abgewandten Seite der Membran (17) angeordneten Hohlraum (20) zwischen der Membran (17) und einem den Hohlraum (20) begrenzenden Element (19) füllt, wobei das den Hohlraum (20) begrenzende Element (19) entweder am Lagerflansch (6) abge stützt ist oder von letzterem gebildet wird.

2. Axiallagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lasteinlei tungskörper (13) einstückig ausgebildet ist.

3. Axiallagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (17) einen zentralen, an den Zentralring (18) anschliessenden Be reich (25), einen mit dem den Hohlraum (20) begrenzenden Element (19, 6) verbundenen Randbereich (26) sowie einen Zwischenbereich (27) aufweist und sowohl der zentrale Bereich (25) als auch der Randbereich (26) gegen über dem Zwischenbereich (27) der Membran (17) verdickt ausgebildet sind.

4. Axiallagerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am den Hohl raum (20) begrenzenden Element (19, 6) ein in den Hohlraum (20) hinein ragender Axialanschlag (24) für den Zentralring (18) angeordnet ist.

5. Axiallagerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das den Hohl raum (20) begrenzende Element (19) als ein Deckel ausgebildet ist.

6. Axiallagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das inkompressible Medium (23) ein Fluid, vorzugsweise ein syntheti sches Öl, ist.

7. Axiallagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lasteinleitungskörper (13) aus einem Vergütungsstahl mit guter Wechselfestigkeit besteht.

8. Axiallagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lasteinleitungskörper (13) aus einer Bronze mit hoher Festigkeit und guten Notlaufeigenschaften besteht.