DE2043550C2

DE2043550C2 - Steuervorrichtung für den Axialschubausgleich einer hydrodynamischen Drucklageranordnung

Info

Publication number: DE2043550C2
Application number: DE19702043550
Authority: DE
Inventors: Judson S. Los Angeles Calif. Swearingen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-01-07
Filing date: 1970-09-02
Publication date: 1985-10-03
Also published as: NL169629C; JPS5841455B1; GB1346066A; GB1346065A; DE2043550A1; NL169629B; NL7016036A; FR2075029A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für den Zentrifugalkompressors zeigt.

AxTälschublTgfeSh einer hydrodynamischen Druckla- Der dargestellte Zentrifuge>™^r »t d^em

«sranordnune nach dem Oberbegriff des Patentan- 35 mit 10 bezeichnet und weist eine Welle ii auf, die in

r^chs Zylinderlagern 12a und 13a drehbar gelagert ist, von

Bei mit hoher Drehzahl laufenden Maschinen, wie denen eine Fläche 14a oder 15a Bestandteile eines be-

Zemrifugalpumpen, Kompressoren, Turbinen, Turbo- kannten Drucklagertyps ist und d.e zu einer ebenen

«blasen u del sind die Drucklager die Hauptursache Fläche rotierender, scheibenförmiger Drucklager 14

S^nSirStemeVd. der'auf die Welle einwir- 40 bzw. 15 paßt, die auf der Welle 11 fest angeordnet sind.

kende Druck infolge vieler Faktoren, wie z. B. Druck- Die Lageranordnungen, d.e aus den Zylinderlagern 12a

oder Las änderungen in den Maschinen sowie schlechte und 13a sowie Drucklagern 14 und 15 bestehen werden

Dichtungskonstruktionen, relativ großen Schwankun- durch Schmierkanäle 16 und 17 geschmiert die,sich

„nterlieet ^{durch die} Zylinderlager 12a und 13a hindurch und in die

Im Unterschied zu Zylinderlagern, die eine umlaufen- 45 Zylinderlagerspalten 12b und 136 zwischen Welle 11

de Umfangslagerfläche besitzen, weisen Drucklager ra- und Zylinderlager 12a und113a hineinerstrecken.

dfal gerichtet! Flächen auf. Dies hat zur Folge, daß Das Schmiermittel aus dem Behalter 18 wird über die

dann Senn die Schmierung einmal momentan aussetzt, Pumpe 19, den Kühler 20, das Filter 21 und den Druck-

die Zentrifugalkraft dahingehend wirkt, daß das restli- regler 21a umgewälzt, durch Strömungse.nschnurungen

ehe Schmieröl nach außen geschleudert wird, wodurch 50 22 und 23 gefördert und daraufh.n in d.e Schm.ermitlel-

die geschmierten Metallflächen trocken laufen. kanäle 16 und 17 gepumpt Das^Schmiermittel,das in d.e

Bei dem gattungsgemäßen Stand der Technik ist es Zylinderlagerspalten 12i> und 13i> hineingedruckt wird,

bekannt den auf die Welle einwirkenden Druck zu be- strömt in Axialrichtung an der Welle 11 entlang wöbe.

rechnen und eine Axialschubausgleichsvorrichtung vor- ein Teil in die Lagerspalten 24 und 25 zwischen d.e

zusehen, die den berechneten Druck der Schub neutral.- 55 aufeinanderpassenden Flächen der Lageranordnungen

siert oder die auftretenden Druckdifferenzen zumindest tritt und radial zwischen den Flachen nach außen FHeBt

gering hält. In den Fällen, in denen jedoch die Druckbe- und in die Lagerkammer 11a entweicht, in der es durch

lastung nicht bekannt ist, ist eine solche Ausgleichsvor- den Ablauf 11b in die Leitung lic und den Behalter

richtung von geringem Wert. Bisher sind keine einfa- zurückläuft.

chen oder genauen Verfahren zur Messung der Druck- 60 Die Stärke des Schmierm.ttelstroms w.rd durch die belastung bekannt geworden, die in Verbindung mit ei- Einschnürungen 22 und 23 begrenzt' Die zusammenpasner Steuervorrichtung für den Axialschubausgleich ei- senden Lagerflächen enthalten an ihren Austnttskan en ner dynamischen Drucklageranordnung verwendet ebenfalls Einschnürungen 26 und 27, mit denen starker werden könnten. In diesem Zusammenhang hat sich Schmiermittelverlust aus den Lageranordnung«1 verbuch das blolk Ableiten des Druckmittels aus dem La- μ hindert wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, bilden Kcrspall bzw' der den Axialhub erzeugenden Kammer die Einschnürungen 26 und 27 Lippen, die sich rund um und seine Zurückführung in den Laufradeiniritt als eine den Umfang der Drucklagerflächen der Zy inderlager nicht zufriedenstellende Methode zum Ausgleich des 12a und 13a erstrecken. Man erkennt, daß dann, wenn

f| das Schmiermittel in die Anordnung hineingepreßt wird, ■|j jede Verschiebung der Welle 11 in Richtung auf das ί Zylinderlager 12a zu einer Vergrößerung des Strö- |£ mungswiderstandes des Schmiermittels zwischen der |j Lippe der Einschnürungen 26 und dem Drucklager 14

I führt und einen Schmiermitteldruckaufbau im Lager-

II spalt 24 zur Folge hat Die Druckverteilung ist nicht || notwendigerweise einheitlich, sondern hängt von dem i Lagertyp ab, wobei jeweils bekannt ist, wo sich die ι* Druckaufbaazone befindet, so daß die Leitungen 28,29, ξ\ mit denen die Druckaufbauzone angezapft wird, ent- ;: sprechend angeordnet werden.

Der Druckanstieg im Lagerspalt 24 ist bestrebt, das J? rotierende Drucklager 14 von der Druckfläche des Zy-Il linderlagers 12a als Bestandteil der Drucklageranordp nung so lange wegzudrücken, bis das Spiel zwischen der ρ Lippe der Einschnürung 26 und dem Drucklager 14 ein- !' gestellt ist.

ψ Da, wie aus der Zeichnung hervorgeht, zwei entge-

|I gengesetzte Drucklageranordnungen vorhanden sind, j| um die Axiallage der Welle 11 beizubehalten, kann die B- Druckmessung, wie sie für das Drucklager 14 im obigen ;| beschrieben ist, auch in bezug auf das Drucklager 15 mit !§ Hilfe der Leitung 29 vorgenommen werden, die an die ty, Druckaufbauzone angeschlossen ist Wenn der i'i Schmiermittelstrom, der durch die Einschnürungen 22 K und 23 in die entsprechenden Lageranordnungen ein-[;. tritt, im wesentlichen gleich ist, wird jegliche axiale Ver-IJ Schiebung der Welle 11 durch Druckänderung in den l"; Lagerspalten 24 und 25 erkennbar. Wenn sich die Weile If 11 beispielsweise in Richtung auf das Zylinderlager 12a fi verschiebt, steigt der Druck im Lagerspalt 24 in bezug R; auf denjenigen im Lagerspalt 25 an. Demzufolge wird durch die Druckdifferenzmessung zwischen den Lager-.;".;■; spalten 24,25, die mit Hilfe des Differenzdruckmeßgeräi:: tes 30 vorgenommen werden kann, das an die Leitungen I''' 28 und 29 angeschlossen ist, eine direkte Anzeige des auf ;'■■'· der Welle 11 lastenden Axialdruck bewirkt, die sich in dem unterschiedlichen Axialdruck widerspiegelt, der [_ von den beiden entgegengesetzten Drucklageranordj ί nungen aufgenommen wird.

:>: Der in der Zeichnung dargestellte Kompressor 10

ijj weist ein Laufrad 31 auf, das auf der Welle 11 befestigt i ist und sich mit ihr dreht. Das zu komprimierende Strömungsmittel tritt an der Kompressoreintrittsöffnung 32 ein und wird an der Kompressoraustrittsöffnung 33 ^:, nach seinem in Radialrichtung nach außen erfolgenden i Durchlauf durch die im Laufrad 31 vorhandenen Kanäle ausgetragen, wobei sich das komprimierte Strömungsmittel in den Kanälen 35 sammelt, bevor es durch die Austrittsöffnung 33 ausströmt. Ein großer Teil des Druckanstiegs in dem Strömungsmittel, das komprimiert wird, wenn es durch die Laufradkanäle 34 strömt, so daß der Strömungsmitteldruck im Kanal 35 sehr viel größer ist als in der Eintrittsöffnung 32. Der hohe im Kanal 35 herrschende Druck wird weitgehend auch in dem Spalt 36 zwischen der Stirnseite des Laufrades 31 und dem Gehäuse des Kompressors 10 übertragen. Dieser Spalt wird an seinem inneren Rand durch eine Labyrinthdichtung 38 verschlossen. Diese Dichtung läßt eine kleine Strömungsmittelmenge aus dem Spalt 36 heraus und führt sie über die Eintrittsöffnung 32 in den Ansaugbereich zurück. Die Wirkung dieser kleinen Leckagemenge, die nur wenige Prozent des Gesamtstroms ausmacht, auf das System ist vernachlässigbar gering.

In ähnlicher Weise pflanzt sich der in den Kanälen 35 herrschende hohe Druck weitgehend in den Spalt 37 hinein fort, der zwischen der Rückseite des Laufrades 31 und dem Gehäuse des Kompressors 10 vorhanden ist Auch hier hindert eine Labyrinthdichtung 39 bis auf eine vernachlässigbare Strömungsmittelleckage das ganze Strömungsmittel daran, in den Spalt 40 einzudringen. wenn sich der Kompressor in Betrieb befindet Dennoch wirft diese kleine Leckagemenge, die Ober den Spalt 37 durch die Labyrinthdichtung 39 hindruchströmt, ein erhebliches Problem auf, und zwar aufgrund der Tatsache, daß sie, sobald sie in den Spalt 40 zwischen der Rückseite des Laufrades 31 und dem Gehäuse des Kompressors 10 eingedrungen ist, über die Fläche der Rückseite des Laufrades 31 innerhalb der Dichtung 39 gedrückt wird, wodurch sich ein erheblicher Axialschub ergeben kann, der auf das Laufrad 31 ausgeübt wird und das Laufrad von der Welle 11 wegdrückt, weil die Fläche auf der entgegengesetzten Seite innerhalb der Dichtung 38 nicht mit Druck beaufschlagt wird, um diesen Axialschub auszugleichen. Um dieses Axialschubproblem zu beseitigen, wird bei mit hoher Drehzahl rotierenden Maschinen der genannten Art ein Ausgleichssystem vorgesehen, mit dem dieser Druck aufgehoben werden kann, wodurch eine ernsthafte Beschädigung der Lager verhindert wird. Eine solche in der Zeichnung gezeigte Druckausgleichsanordnung weist eine Entspannungsleitung 41 auf, die von dem Spalt 40 zur Entspannungsleitung 42 und über das Ventil 43 führt, um von dort über die Leitung 44 in dem Ansaugstutzen der Einlaßöffnung 32 des Kortipressors 10 zu münden. Das Ventil 43 ist normalerweise geöffnet, so daß das gerade komprimierte Strömungsmittel, das in den Spalt 40 hineingepreßt wird, zum Ansaugstutzen der Einlaßöffnung 32 zurückströmen kann. Die Leckagemenge, die in die Spalten 36 und 37 einströmt, ändert sich jedoch in Abhängigkeit von der Rauhigkeit der angeschlossenen Leitungen und der durch die Dichtung 39 hindurchtretenden Leckagemenge. Das bloße Abziehen des Strömungsmittels aus dem Spalt 40 und seine Zurückführung in die Einlaßöffnung 32 über die Leitung 41, die Leitung 42, das Ventil 43 und die Leitung 44 ist deshalb zum Ausgleich des Axialschubs nicht ausreichend, so daß zur Vermeidung dieses Nachteils in die die Lagerspalten 24 und 25 verbindenden Leitungen 28 und 29 ein Differenzdruckmeßgerät 30 eingebaut wird, das mit dem Ventil 43 in der Weise in Verbindung steht, daß die Meßgröße des Differenzdruckmeßgerätes 30 als Stellglied zur automatischen Einstellung des Ventils 43 zugeführt wird, um dadurch den gewünschten Axialschubausgleich zu bewirken.
Die obige Konstruktion beruht auf der Überlegung, daß dann, wenn der Schub gegen die Welle und von der Eintrittsöffnung des Laufrades 31 weggerichtet ist, der in dem Spalt 40 herrschende Druck offensichtlich geringer ist, als er sein sollte, bzw. das Strömungsmittel zu ungehindert in die Eintrittsöffnung 32 zurückströmen kann. Um dies zu vermeiden, ließe sich nun das Ventil 43 etwas schließen, um dadurch den Strömungsmittelausfluß aus dem Spalt 40 in die Leitungen 41 und 42 etwas zu hemmen und den Druck in dem Spalt 40 hoch genug zu halten, um das Laufrad 31 von der Welle wegzubewegen. Wenn andererseits der Druck in dem Spalt 40 geringer ist, als er sein sollte, wodurch die Welle ti vom Laufrad 31 durch einen geringen nicht ausgeglichenen Schu^ weggedrückt wird, dann vergrößert sich der Druck im Lagerspalt 24, während er sich im Lagerspalt 25 verringert. Diese Veränderung in den Relativdrücken der beiden Lagerspalten wird sofort von dem Differenzdruckmeßgerät 30 erfaßt. Wenn das Differenzdruckmeßgerät 30 als Differenzdruckschreib- oder Differenz-

j^tamat^inr

drucksteuervorrichtung ausgebildet wird, die mit einer Einrichtung zur automatischen Einstellung des Ventils 43 versehen ist, wie dies vorliegend der Fall ist, dann läßt sich der Druck in dem Spalt 40 ständig auf der gewünschten Höhe halten und zwar unabhängig von den Veränderungen des Axialschubs, die im System auftre ten können. Somit wird dadurch, daß ein gewisser Strömungsmittelabfluß aus dem Spalt 40 ermöglicht wird, eine genaue Steuerung der auf das rotierende System einwirkenden Schubkräfte erreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Axialdruckes bzw. Schubs erwiesen. Patf-ntansnruch· Es ist zwar eine Anordnung zur Entlastung von Spur-

Patentansprucn. ^ Traglagern bekannt (AT-PS 2 04 335) mit der ein

Steuervorrichtung für den Axialschubausgleich ei- Axiallager durch eine ^gSSS" S£ ner hydrodynamischen Drucklageranordnung einer 5 eines von der Welle

Z.Z™ dem Lagerpak über !^Zuführleitung ,o Druckraum angeschlossene Manometer nur zur Mes-LugSten Schmiermittel einen Druck aufbauen, sung eines Druckluftpolsters dient, mit dessen H.lfe d,c der über eine an dem Lagerspalt angeschlossene Welle angehoben oder abgesenkt wird Le tung abTreifbär ist, wobei die hydrodynamische Aus der GB-PS 6 93 021 ist es schheßhch auch be-

LaeeranordnSngTn einem stationären Gehäuse ein kannt, den Axialschub am Lager e.ner Turb.nenwe Ie tSd aSS das zusammen mit jedem Gehäuse „ durch ein ^!druckabhängig betätigtes Ventil » beuteben axial beweglichen, durch einen Dichtungskör- tigtes Ventil zu bestimmen ohne daß geeignete MaB-per aSedichteten, Axialschub erzeugenden Spalt nahmen vorgesehen sind, die ermittelten Druckverhalt' bfldet der In Strömungsverbindung mit dem Laufrad nisse als Steuergrößen für den Ax.alschubausgle.ch zu 7ii«:trömendem Fördermittel sowie mit einer zum verwenden. ,,„.-.·

LaSeTnS führenden Entspannungsleitung 20 Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb dann d,e ϋΐΠβϊβ ein Ventil enthält, dadurch ge- Steuervorrichtung der genannten Art so auszubilden, kenn zeichnet, daß die beiden an die Lagerspal- daß über den in den Lagespalten gemessenen Differenzten?245)angeschlossenen Leitungen(28,29)über druck eine automatische Herbe.fuhrung des Axialein Differenzdruckmeßgerät (30) miteinander ver- Schubausgleichs gewährleistet ist bunden s nd dessen Meßgröße als Stellsignal zur 25 Die Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Paautomätischen Einstellung des Ventils (43) diesem tentanspruchs gelöst Durch d.ese Losung wird erreicht, SSSdfühmng de! Axialschubausgleichs zu- daß die Axiallage der Welle der Strömungsmasch.ne 7"^erDeirunru"^{6 u 6} _unter allen Betriebsbedingungen aufrechterhalten w.rd.

SSSdfühmng de! Axialschubausgleichs zu- daß die Axiallage der Welle der Strömungs rh h7r"^erDeirunru"^{6 u 6} _unter allen Betriebsbedingungen aufrechterhalten w.rd. iunrDarisi. ^ _{Erfindung wird} nachfolgend anhand des in der 30 Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, das eine teilweise geschnittene Ansicht eines mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung versehenen iflk it

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