DE202009014649U1

DE202009014649U1 - Gleitlager für den Rotor einer rotierenden Maschine, insbesondere eines Hydrogenerators, sowie für ein solches Lager geeignetes Lagersegment

Info

Publication number: DE202009014649U1
Application number: DE202009014649U
Authority: DE
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Renewable Technologies SAS
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2019-10-30

Abstract

Gleitlager für einen Rotor einer rotierenden Maschine (10), insbesondere eines um eine vertikale Drehachse (11) rotierenden Hydrogenerators, welches Lager in einem Schmiermittelbad eine Anzahl kreisringförmig um die Drehachse (11) des Rotors herum angeordneter Lagersegmente (26) umfasst und wobei jedes Lagersegment (26) eine axiale Gleitfläche (24) zur axialen Lagerung des Rotors sowie eine radiale Gleitfläche (25) zur radialen Lagerung des Rotors umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lagersegment (26) mit Mitteln (27, 28, 29, 30, 31) ausgerüstet ist, die einen Abzug von Schmiermittel aus dem radialen Schmiermittelspalt und eine Überleitung desselben in den axialen Schmiermittelspalt bewirken.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der rotierenden Maschinen. Sie betrifft ein Lager für den Rotor einer rotierenden Maschine, insbesondere eines Hydrogenerators, sowie ein dafür geeignetes Lagersegment.
STAND DER TECHNIK
Rotoren grosser rotierender Maschinen, wie sie zum Beispiel Hydrogeneratoren darstellen, werden in der Regel durch hydrodynamische Gleitlager getragen. Bei diesen Lagern werden die axiale und die radiale Führung durch getrennte Lager unterschiedlicher Bauform übernommen. Eine teilweise Zusammenfassung dieser an sich getrennten Lager ist insofern möglich, als ein in einem axialen Lager laufender Laufring zusätzlich radiale Kräfte aufnimmt, indem radiale Führungssegmente um diesen herum angeordnet sind. Ein solches Lager, wie es beispielsweise aus der CH 651 362 der Anmelderin bekannt ist, ist in stark vereinfachter Form in 1 wiedergegeben. Bei der rotierenden Maschine 10 der 1 ist der Rotor mit der Rotorwelle 12 um eine vertikale Drehachse 11 drehbar gelagert. Dazu ist an der Rotorwelle 12 über einen Flansch 13 ein Laufring 14 befestigt, der mit der Unterseite auf der Gleitfläche 20 eines aus einzelnen Segmenten bestehenden Axiallagers oder Traglagers 17 gleitet (senkrechte Pfeile in 1). Das Axiallager 17 ist seinerseits durch eine Abstützung 18 in axialer Richtung abgestützt. Mit der Aussenseite gleitet der Laufring 14 an der Gleitfläche 19 eines Radiallagers oder Führungslagers 15 entlang (waagerechte Pfeile in 1). Das Radiallager 15 wird seinerseits durch Abstützungen 16 in radialer Richtung abgestützt.
Das Axiallager 17 und das Radiallager bzw. Führungslager 15 funktionieren in dieser bekannten Konfiguration unabhängig voneinander. Beide Lager laufen in einem Schmiermittelbad, in der Regel Ölbad. Die Funktion „Tragen des Rotors” wird vom Axiallager 17, die Funktion „Führen des Rotors” wird vom Führungs- bzw. Radiallager 15 wahrgenommen. Beide Lager haben eigene, für die jeweilige Funktion angepasste Lagersegmente.
Diese Bauart hat neben den bekannten Vorteilen bei bestimmten Anwendungsfällen auch gewisse Nachteile. Zur Vermeidung dieser Nachteile sind kombinierte Gleitlager bekanntgeworden, die aus Lagersegmenten aufgebaut sind, welche sowohl axiale Gleitflächen wie auch radiale Gleitflächen aufweisen.
Eine solche Bauart eines kombinierten Gleitlagers, beispielsweise bekannt aus der EP 1 514 033 der Anmelderin, ist, wiederum in stark schematisierter Weise, in 2 wiedergegeben.
Die rotierende Maschine 10 der 2 besitzt einen um die vertikale Drehachse 11 drehbar gelagerten Rotor mit der Rotorwelle 12. An der Rotorwelle 12 ist über den Flansch 13 der Laufring 14 befestigt, dessen Unterseite auf den Gleitflächen 24 einer Anzahl von Lagersegmenten 21 gleitet. Neben den Gleitflächen 24 zur Aufnahme der axialen Last (senkrechte Pfeile in 2) des Rotors besitzen die Lagersegmente 21 ausserdem auf ihrer Innenseite radiale Gleitflächen 25, auf denen die Oberfläche der Rotorwelle 12 gleitet. Die radial inneren Gleitflächen 25 besitzen eine dem Durchmesser der Rotorwelle 12 angepasste Rundung in Umfangsrichtung. Sie nehmen die radialen Kräfte (waagerechte Pfeile in 2) aus der Rotation des Rotors auf. Damit bildet die Gesamtheit der Lagersegmente 21, welches jedes für sich die Form eines Kreisringabschnitts aufweist, ein kombiniertes Axial- und Radiallager, das sowohl die axialen wie auch die radialen Kräfte des rotierenden Rotors aufzunehmen vermag. Die Funktionen „Tragen des Rotors” sowie „Führen des Rotors” werden von dem kombinierten Lager gemeinsam wahrgenommen. Über radiale oder oblique Abstützungen 22 und axiale Abstützungen 23 ist das Lager mit der Tragkonstruktion der Maschine verbunden.
Insbesondere bei hochbelasteten hydrodynamischen Gleitlagern unterliegt das zwischen den stationären und rotierenden Gleitflächen durchgesetzte Schmiermittel, in der Regel Öl, einer enormen Scherbeanspruchung, die zu einer mitunter erheblichen Erwärmung führt. Daher erfordern solche Lager zwingend eine Kühlung des Schmiermittels. Um dies zu erreichen, ist ein möglichst vollständiger Austausch von Schmiermittel beim Übertritt zwischen den aufeinanderfolgenden Lagersegmenten wünschenswert. Dem steht leider der Effekt gegenüber, dass ein mehr oder weniger grosser Anteil des Schmiermittels von Lagersegment zu Lagersegment mitgerissen wird. In der Fachwelt ist dieser Effekt unter dem Begriff Heissölverschleppung bekannt. Um sicherzustellen, dass stets möglichst kaltes frisches Schmiermittel in den Schmiermittelspalt nachfliesst, sind entsprechende Massnahmen geboten, die zum einen einen möglichst vollständigen Austausch an Schmiermittel während des Übertritts von einem Lagersegment zu dem nächsten fördern, und die zum anderen für eine Zuführung von Schmiermittel aus möglichst kalten Bereichen des Schmiermittelbads sorgen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein hydrodynamisches Gleitlager schaffen, das den Effekt der Heissölverschleppung mildert und durch ein Zupumpen relativ kalten Schmiermittels eine Senkung des Temperaturniveaus des Schmiermittelfilms in dem Schmiermittelspalt erwirkt. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lagersegment für ein solches Gleitlager bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Lagersegmente des weniger belasteten Radiallagers als Pumpsegmente auszubilden, und das aus dem Radiallager abgezogene Schmiermittel in den Schmiermittelspalt der Segmente des stärker belasteten Axiallagers einzuführen.
Ein demgemäss ausgebildetes Radialsegment ist dabei innerhalb des Schmiermittelbades so fixiert, dass es bis auf einen schmalen radialen Spalt an der Mantelfläche des Rotors anliegt. Auf seiner dem Rotor zugewandten Innenseite mit der Gleitfläche weist das Radialsegment Strukturelemente auf, die in Verbindung mit der Relativbewegung der korrespondierenden Gleitfläche des Rotors einen Druckaufbau in der Flüssigkeit innerhalb des Spalts erzeugen sowie Strukturelemente zur Ableitung wenigstens eines Teils der dergestalt unter einen erhöhten Druck gesetzten Flüssigkeit aus dem Schmiermittelspalt in Richtung zu dem Schmiermittelspalt des Axialsegments. Hierzu umfasst die Fördervorrichtung für das jeweilige Radialsegment einen Ableitpfad, der am Radialsegment Schmiermittel aus dem Schmiermittelspalt abführt und selbiges in den Schmiermittelspalt des Axialsegments überführt.
Wenn Radialsegment und Axialsegment in einem gemeinsamen Lagersegment vereint sind, ist der Ableitpfad vorzugsweise in Form eines oder einer Anzahl durch das kombinierte Lagersegment verlaufender Strömungskanäle realisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsart eines Lagersegments gemäss der Erfindung für ein kombiniertes Gleitlager für eine radiale und axiale Lagerung eines Rotors besitzt die Oberfläche der radialen Gleitfläche eine kanalartige Ausnehmung, die sich ausgehend von der Eintrittsseite mit im wesentlichen gleichbleibender radialer Tiefe über eine Teillänge der Gleitfläche parallel zur Umlaufrichtung erstreckt. Die Ausnehmung endet in einer Stufe oder sich keilförmig verjüngend in einem Abstand vor der abströmseitigen Austrittskante des Radialspalts. Unmittelbar vor der genannten Stufe bzw. einsetzenden Verjüngung zweigt wenigstens ein Strömungskanal aus der Ausnehmung ab. Infolge des sich in diesem Bereich aufbauenden Drucks innerhalb der Flüssigkeit fließt ein erheblicher Teil der Flüssigkeit über diesen wenigstens einen Strömungskanal ab. Das Lagersegment umfasst weiterhin im Eintrittsbereich der axialen Gleitfläche Mittel zur Zuführung von Schmiermittel. Diese Zuführmittel werden zumindest zu einem Teil aus besagtem Strömungskanal der radialen Gleitfläche gespeist.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, die Mittel zur Zuführung des Schmiermittels in Form eines sich in radialer Richtung erstreckenden länglichen Schlitzes auszubilden. Vorzugsweise ist der Schlitz, in Drehrichtung gesehen, stromab in unmittelbarer Nähe der Eintrittskante der axialen Gleitfläche angeordnet.
Die mit der Erfindung einhergehenden Vorteile sind in erster Linie darin zu sehen, dass infolge des Zupumpens von relativ kaltem Schmiermittel in den Schmiermittelspalt die negativen Auswirkungen der Heissölverschleppung abgemildert werden. Das Temperaturniveau innerhalb des Schmiermittelspalts sinkt signifikant. Gleichzeitig hat sich ein Ansteigen der Schmierfilmdicke um bis zu 30% gezeigt. Diese vorteilhaften Wirkungen tragen wesentlich zu einer Erhöhung die Laufsicherheit des Lagers bei.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 in einer vereinfachten, teilweise längsgeschnittenen Darstellung eine Lagerung des Rotors eines vertikal stehenden Hydrogenerators mit getrenntem Radial- und Axiallager nach dem Stand der Technik;
2 in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung eine Lagerung mit kombiniertem Radial- und Axiallager nach dem Stand der Technik;
3 in einer perspektivischen Ansicht in radialer Richtung ein einzelnes Lagersegment der in 2 gezeigten Lagerung, bei dem der axialen Gleitfläche gezielt Schmiermittel aus dem radialen Spalt des Lagersegments zugeführt wird.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 3 ist ein Lagersegment 26 für ein kombiniertes Radial- und Axiallager 21 der in 2 vorgestellten Art wiedergegeben. Das kombinierte Radial- und Axiallager 21 besteht vorzugsweise aus einzelnen Lagersegmenten 26, welche die Form von Kreisringabschnitten aufweisen und voneinander beabstandet in einem Ring um die Drehachse 11 bzw. Rotorwelle 12 herum angeordnet sind. An jedem der Lagersegmente 26 ist dabei eine axiale Gleitfläche 24 und eine radiale Gleitfläche 25 ausgebildet.
Das kombinierte Radial- und Axiallager 21 ist grundsätzlich in einem Schmiermittelbad, in der Regel Schmieröl, angeordnet. Das Lagersegment 26 umfasst weiterhin im Eintrittsbereich der axialen Gleitfläche 24 Mittel zur Zuführung von Schmiermittel. Diese Zuführmittel werden zumindest zu einem Teil aus dem Abführkanal 30 der radialen Gleitfläche 25 gespeist. Bei diesen Zuführmitteln handelt es sich beispielsweise um eine radial ausgerichtete schlitzförmige Austrittsöffnung 27, welche, in Drehrichtung 34 gesehen, am Anfang der axialen Gleitfläche 24 angeordnet ist. Durch den Austrittsschlitz 27 tritt Schmieröl auf die axiale Gleitfläche 24 aus. Das durch den Schlitz austretende Schmieröl wird so durch den über die Gleitfläche 24 gleitenden Lagerring 14 in Form eines Schmierfilms auf der Gleitfläche 24 verteilt.
An der radialen Gleitfläche 25 ist eine kanalartige Ausnehmung 28 vorgesehen, die sich von der Eintrittsseite des Lagersegments 26 ausgehend parallel zur Drehrichtung 34 des Rotors über eine Teillänge der radialen Gleitfläche 25 hinweg bis zu einer Abstufung 29 hin erstreckt. Unmittelbar vor der Stufe 29 zweigt ein Verbindungskanal 30 aus der kanalartigen Ausnehmung 28 ab. Bei dem Verbindungskanal 30 kann es sich um eine oder mehrere Bohrungen beliebiger Querschnittsform handeln, die das Innere des Lagersegments 26 in Richtung des Austrittsschlitzes 27 der axialen Gleitfläche 24 durchdringen. Vorzugsweise verläuft der Verbindungskanal 30 im Wesentlichen parallel zur axialen Gleitfläche 24 innerhalb der Lagersegments 26, ohne dieses jedoch vollständig bis zu dessen radial aussenliegender Oberfläche zu durchdringen. Kanal 30 endet etwa im äusseren Randbereich des Zuführschlitzes 27. Aus dem Verbindungskanal 30 zweigt eine Reihe von Zuführkanälen 31 ab, welche in der schlitzförmigen Austrittsöffnung 27 der axialen Gleitfläche 24 enden. Die Zuführkanäle 31 sind so zu dimensionieren und über die Länge des Austrittsschlitzes 27 anzuordnen, dass sich eine gewünschte Verteilung des zufliessenden Schmieröls innerhalb des Zuführschlitzes 27 ergibt zu dem Zwecke einer optimalen Verteilung über die Gleitfläche 24.
Infolge des sich durch die Rotation der Rotorwelle 12 in Drehrichtung 34 in dem radialen Schmiermittelspalt aufbauenden Drucks fließt ein erheblicher Teil des Schmiermittels 32 aus der kanalartigen Ausnehmung 28 in den Verbindungskanal 30 ab. Das durch den Verbindungskanal 30 strömende Schmiermittel verteilt sich auf die Zuführkanäle 31 und speist die Austrittsöffnung 27 der axialen Gleitfläche 20 mit frischem Schmieröl 33.
Obgleich vorstehend anhand eines kombinierten Axial- und Radiallagers beschrieben, sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass die Anwendung der Erfindung nicht allein auf diese Gattung von Gleitlagern beschränkt ist. So ist es ohne weiteres möglich, dem Lagersegment 26 keine radiale Führungsfunktion, sondern ausschliesslich eine axiale Lagerfunktion zuzuweisen. In diesem Falle erfüllt die axiale Gleitfläche 24 eine Tragfunktion, wohingegen der radialen Gleitfläche 25 ausschliesslich oder im wesentlichen ausschliesslich eine Pumpfunktion zugewiesen wird. Eine solche Ausführungsart kann der Erfindung auch einen Einsatz an gattungsgemässen Gleitlagern der in 1 gezeigten Art erschliessen.
Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise für einen Einsatz in vertikal stehenden Hydrogeneratoren geeignet. Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Einsatz der erfindungsgemässen Lager und Lagersegmente nicht auf derartige Hydrogeneratoren beschränkt ist.
In diesem Zusammenhang ist auch darauf hinzuweisen, dass die Erfindung, obgleich vorstehend und in den Ansprüchen stets in Verbindung mit einem Schmiermitteltransport von einem weniger belasteten Radiallager in ein stärker belastetes Axiallager beschrieben, sich nicht in dieser Konstellation erschöpft. Je nach den Erfordernissen des Anwendungsfalls kann natürlich in analoger Weise auch Schmiermittel aus dem axialen Lager in das radiale Lager transportiert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Lediglich sind dann dem Axiallager die Pumpfunktion und dem Radiallager die Trag- und Führungsfunktion zuzuweisen. Dies ist für den Fachmann offensichtlich.

10, 10: rotierende Maschine (z. B. Hydrogenerator)
11: Drehachse
12: Rotorwelle
13: Flansch
14, 14: Laufring
15: Radiallager (Führungslager)
16: Abstützung (Radiallager)
17: Axiallager (Traglager)
18: Abstützung (Axiallager)
19: Gleitfläche (Radiallager)
20: Gleitfläche (Axiallager)
21: kombiniertes Radial- und Axiallager
22: radiale Abstützung
23: axiale Abstützung
24: axiale Gleitfläche
25: radiale Gleitfläche
26: Lagersegment
27: Austrittsöffnung (axiale Gleitfläche)
28: kanalartige Ausnehmung
29: Stufe
30: Verbindungskanal
31: Zuführkanal
32: Eintritt Schmiermittel
33: Austritt Schmiermittel
34: Drehrichtung des Rotors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- CH 651362 [0002]
- EP 1514033 [0005]

Claims

Gleitlager für einen Rotor einer rotierenden Maschine (10), insbesondere eines um eine vertikale Drehachse (11) rotierenden Hydrogenerators, welches Lager in einem Schmiermittelbad eine Anzahl kreisringförmig um die Drehachse (11) des Rotors herum angeordneter Lagersegmente (26) umfasst und wobei jedes Lagersegment (26) eine axiale Gleitfläche (24) zur axialen Lagerung des Rotors sowie eine radiale Gleitfläche (25) zur radialen Lagerung des Rotors umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lagersegment (26) mit Mitteln (27, 28, 29, 30, 31) ausgerüstet ist, die einen Abzug von Schmiermittel aus dem radialen Schmiermittelspalt und eine Überleitung desselben in den axialen Schmiermittelspalt bewirken.
Lagersegment für ein Gleitlager nach Anspruch 1, welches Lagersegment (26) die Form eines Kreisringabschnittes aufweist und wenigstens eine axiale Gleitfläche (24) und eine radiale Gleitfläche (25) besitzt und die axiale Gleitfläche (24) mit Mitteln zur Zuführung von Schmiermittel ausgerüstet ist, welches über Austrittsöffnungen (27) auf die Gleitfläche (24) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (27) über einen Verbindungskanal (30) mit Mitteln (28, 29) zur Ableitung von Schmiermittel von der radialen Gleitfläche (25) kommunizierend in Verbindung stehen.
Lagersegment nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ableitung von Schmiermittel eine kanalartige Ausnehmung (28) auf der radialen Gleitfläche (25) umfassen, die sich ausgehend von der Eintrittsseite mit im wesentlichen gleichbleibender radialer Tiefe über eine Teillänge der radialen Gleitfläche (25) parallel zur Drehrichtung (34) des Rotors erstreckt und an einer Abstufung (29) in dem Verbindungskanal (30) endet.
Lagersegment nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung auf der axialen Gleitfläche (24) als sich in radialer Richtung erstreckender Austrittsschlitz (27), der, in Drehrichtung (34) gesehen, am Anfang der axialen Gleitfläche (24) angeordnet ist, ausgebildet ist.
Lagersegment nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsschlitz (27) über Zuführkanäle (31) mit dem Verbindungskanal (30) in Verbindung steht.