DE2056884A1 - Hydrodynamisches Spurlager - Google Patents

Description

Westinghouse 6. Nov. 1970

Electric Corporation
Pittsburgh

Mein Zeichen: VPA 70/8474 . D/Win

Hydrodynamisches Spurlager

Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden USA-Anmeldung Ser.No. 874 753 vom 7. November 1969 beansprucht.

Es ist üblich, zur Lagerung senkrecht angeordneter Wellen oder als Axialdrucklager horizontaler Wellen Spurlager zu verwenden, deren Tragflächen als Segmente ausgebildet sind. Diese liegen, ebenso wie der mit der Welle verbundene Spurring, in einem Spurlagertopf, der mit einem Schmiermittel, z.B. Öl, gefüllt ist. Bei Eotation der Welle bildet sich zwischen dem mit der Welle verbundenen Spurring und den Tragflächen der Segmente ein Schmiermittelfilm, der die Lagerkräft'e aufnimmt und eine direkte metallische Berührung der Lagerflächen vermeidet. Die Tragsegmente sind oft schwenkbar angeordnet, um dem sich bildenden Schmiermittelfilm eine günstige Form zu geben.

Die Belastungen, die von dem Spurlager aufgenommen werden können, sind von der Dicke des Ölfilmes an der Tragfläche und dem Temperaturanstieg des Schmiermittels infolge der Lagerreibung abhängig. Bei hohen Temperaturen des Schmiermittels verändert sich dessen Viskosität und die Tragfähigkeit 'des Lagers sinkt für einen gegebenen Wert der Filmdicke ab. Außerdem tritt während des Betriebes ein wacbselnder Wärmefluß quer durch das Tragsegment auf. Dieser Wärmefluß verursacht Temperaturgefälle in dem Tragsegment und ruft Verformungen der Tragfläche hervor. Diese Verformung der ursprünglich ebenen Tragfläche setzt die Tragfähigkeit des Spurlagers noch weiter herab, da diese weitgehend von der Oberflächengenauigkeit der Tragflächen abhängig ist.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Tragfähigkeit hydrodynamischer Spurlager zu erhöhen. Zur Lösung dieser Aufgabe enthalten bei einem hydrodynamischen Spurlager, bestehend aus einem mit der Welle verbundenen Spurring und Tragsegmenten, die in einem mit Schmiermittel gefülltem Spurlagertopf angeordnet sind, gemäß der Erfindung die Tragsegmente in der Nähe der Tragfläche Kühlkanäle, die von einem vom Schmiermittel unabhängigen Kühlmittel durchflossen werden. Jedes Tragsegment ist also in der Nähe der Tragfläche zusätzlich zum normalen Schmiermittelumlauf zwangsgekühlt. Die Verlustwärme wird daher unmittelbar vom Entstehungsort abgeführt. Weiterhin kann man das Kühlmittel allein aufgrund seiner Wärmeübergangseigenschaften auswählen, da es nicht gleichzeitig zu Schmierzwecken im Lager verwendet wird. Dadurch erhält man den Vorteil, daß die für eine wirksame Kühlung erforderliche Durchflußmenge des Kühlmittels durch das Tragsegment nicht zu groß wird.

In Durchführung des Erfindungsgedankens ist es weiterhin vorteilhaft, im Spurlager Mittel zur Erfassung der Temperatur des die Tragsegmente durchfließenden Kühlmittels sowie der de3 Schmiermittels vorzusehen und Mittel, welche die Temperatur eines der beiden Medien in Abhängigkeit von der Temperatur des anderen ändern. Man kann auf diese Weise innerhalb vorbestimmter Grenzen eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen dem Schmiermittel und dem Kühlmittel einhalten, derart, daß im wesentlichen innerhalb des Tragsegmentes kein Wärmegefälle auftritt. Dadurch wird eine thermische Verformung der Tragfläche und das Auftreten von Wärmespannungen in dem Tragsegment vermieden. Auch dies verbessert die Tragfähigkeit des Spurlagers. Diese Regelung der Temperaturdifferenz erfolgt z.B. dadurch, daß Temperaturfühler die Temperaturwerte des Schmiermittels und des Kühlmittels erfassen und daß in Abhängigkeit vorher bestimmter Grenz-

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werte der Temperaturdifferenz zwischen beiden eine Kühlschlange, die im Schmiermittel angeordnet ist und von dem gleichen Kühlmittel wie die Tragsegmente durchflossen wird, zeitweilig zu- bzw. abgeschaltet wird, so daß die Schmiermitteltemperatur verändert und in gewünschter Weise angepaßt wird.

Zur Vereinfachung der Herstellung der Tragsegmente empfiehlt es sich, die Tragsegmente Jeweils aus zwei getrennt gefertigten Teilen ausunterschiedlichen Werkstoffen zusammenzusetzen. Der eine, obere Teil enthält die Kühlkanäle und die Tragfläche und besteht aus einem gut wärmeleitfähigem Material. Der tragende untere feil besteht dagegen aus einem Werkstoff guter mechanischer Festigkeit. Er ist ia allgemeinen wesentlich dicker als der obere Teil mit den Kühlkanälen. Bieser kann an der Tragfläche auch mit einer Schicht von Lagermetall mit guten Gleiteigenschaften versehen sein. ' -

Im folgtnden sei die Erfindung noch anhand der in den Figuren 1 bis 6 dtrgestellten Ausführungsbeiepiele näher erläutert.

Pig. 1 sseigt schematisch, teilweise im Schnitt dargestellt, den Aufbau eines hydrodynamischen Spurlagers einer vertikalen Welle.

Fig. 2 zeigt die Ansicht eines einzelnen Tragsegmentes, das gemäß der Erfindung ausgebildet ist.

Fig. 3 zeigt den Teil eines Schnittes durch das Tragsegment gemäß der Schnittlinie III-III in Fig. 2 und

Fig. 4 zeigt einen Teil eines Schnittes entlang der Linie IV-IV in Fig. 3.

In Fig. 5 ist prinzipiell der Aufbau des Kühlsystems der Tragsegmente gemäß der Erfindung dargestellt.

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Fig. 6 zeigt einen teilweisen Schnitt durch ein etwas abweichend aufgebautes Tragsegment gemäß der Erfindung.

Ein hydrodynamisches Spurlager 1 für eine senkrecht angeordnete Welle 2 besteht aus dem mit der Welle 2 verbundenen Spurring 3 und mehreren, ringförmig angeordneten Tragsegmenten 4. Es ist üblich, diese Tragsegmente 4 über nicht näher dargestellte Mittel schwenkbar zu lagern.

In den Fig. 2 bis 4 sind Einzelheiten des Aufbaus eines gemäß der w Erfindung ausgebildeten Tragsegmentes 4 dargestellt. Das Tragsegment 4 besteht aus einem unteren, tragenden Teil 5 und einem die Tragflächen 6 aufweisenden oberen Teil 7. Durch die Verwendung von zwei getrennt hergestellten Tragsegmentteilen, die dann miteinander verbunden werden, können unterschiedliche Werkstoffe im Hinblick auf ihre jeweilige Funktion ausgewählt werden. Der obere Teil 7, welcher die Kühlkanäle 8 enthält und von dem Kühlmittel durchflossen wird, besteht in vorteilhafter Weise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das gleichzeitig eine gute Korrosionsfestigkeit gegen das gewählte Kühlmittel besitzt. Wird als Kühlmittel Wasser verwendet, so empfiehlt es sich, den oberen Teil 7 des Tragsegmentes 4 aus Kupfer herzustellen. Der untere tragende . Teil 5 des Tragsegmentes 4 besteht dagegen in vorteilhafter V/eise aus einem Werkstoff guter mechanischer Festigkeit, wie z.B. Stahl.

Zur einfacheren Herstellung der Kühlkanäle 8 in dem oberen Teil 7 ■ des Tragsegmentes 4 empfiehlt es sich, diesen Teil 7 auch aus zwei getrennten Teilen 9 und 10 aus Kupfer zusammenzusetzen, in dessen später aneinander zur Anlage gelangenden jeweiligen Außenflächen bzw. 12 die Kühlkanäle 8 als Aussparungen eingearbeitet sind. Sie sind dann nach dem Zusammenfügen der beiden Teile 9 und 10, z.B. durch Verlöten, allseitig von Kupfer umgeben.

Der obere Teil 7 des Tragsegmentes 4 aus Kupfer ist insgesamt

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verhältnismäßig dünn, damit sich die Kühlkanäle 8 in unmittelbarer Nähe der Tragfläche 6 befinden. Diese ist zur Verbesserung der Grleiteigenschaften mit einer Auflage 13 aus Lagermetall versehen, obwohl dies bei einem hydrodynamischen Spurlager nicht immer unbedingt notwendig ist. Fehlt die Auflage 13 aus Lagermetall, so ist die Wärmeleitung von der Tragfläche 6 zu den Kühlkanälen 8 besser.

Um die bei Betrieb des Lagers entstehende Verlustwärme möglichst gleichmäßig von der gesamten Oberfläche der Tragfläche 6 abzuführen, ist es zweckmäßig, die Kühlkanäle 8 im Tragsegment 4 in einen Kühlmittelzuflußkanäl 14 und einen Kühlmittelabflußkanal zu unterteilen, die parallel zu den radial gerichteten Seitenkanten 16 des Tragsegmentes 4 verlaufen. Der Kühlmittelzuflußkanal 14 und der Kühlmittelabflußkanäl 15 sind untereinander durch mehrere parallel verlaufende Querkanäle 17 verbunden. Wie in Pig. 4 dargestellt, verläuft die untere Begrenzungsfläche des Kühlmittelzuflußkanals 14 bzw. des Kühlmittelabflußkanals geneigt, d.h. diese haben einen mit dem Abstand von der Kühlmittelzufluß- bzw. der Kühlmittelabflußöffnung 18 allmählich abnehmenden Querschnitt. Die Querkanäle 17 weisen dagegen über ihre gesamte Länge einen konstanten Querschnitt auf. Dadurch wird ein im wesentlichen gleichmäßiger Durchfluß des Kühlmittels durch die Kühlkanäle 8 ermöglicht, damit die gesamte Oberfläche des Tragsegmentes 4 gleichmäßig gekühlt wird.

Die Kühlmittelzuflußöffnung liegt vorzugsweise an der äußeren Ecke des Tragsegmentes 4, die von einem bestimmten Radius des Spurringes 3 zuletzt überquert wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn zwischen der Zufluß- und der Abflußöffnung ein wesentlicher Anstieg der Kühlmitteltemperatur eintritt.

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Bei einem derartigen gleichmäßigen Querschnitt der Querkanäle im Tragsegment 4 läßt sich auch die Wärmeberechnung des Spurlagers 1 verhältnismäßig einfach durchführen. Die zwischen den Querkanälen 17 jeweils verbleibenden Rippen 19 leiten die Wärme von der Tragfläche 6 ab. Wenn das durch die Querkanäle 17 zwischen den Rippen 19 fließende.Kühlmittel so viel Wärme abführt, daß die Temperatur an der unteren Außenkante der Rippen (Außenfläche des Teiles 9, welche mit der Außenfläche 12 des Teiles 10 in Berührung steht,) genauso groß ist, wie die Temperatur der oberen W Begrenzungsfläche 20 des unteren tragenden Teiles 5 des Tragsegmentes 4, so besteht kein Wärmegefälle zwischen den Enden der Rippen 19 und der unteren im Schmiermittel liegenden Außenfläche des Tragsegmentes 4, so daß eine thermische Verformung des Tragsegmentes 4 mit Sicherheit vermieden ist.

Bei einem gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Spurlager 1 können diese Bedingungen leicht eingehalten werden. Entweder können die Abmessungen der Rippen 19 so gewählt werden, daß sie die gegebenen Temperaturbedingungen erfüllen, oder für eine gegebene Rippenkonstruktion können die Temperaturen des Kühlbzw. Schmiermittels, die notwendig sind, um einen !Wärmeabfall zu verhindern, bestimmt werden. Im folgenden ist ein Beispiel einer derartigen Berechnung angegeben:

Bei Einhaltung folgender Gleichung (1) wird erreicht, daß kein Temperaturgefälle in dem unteren tragenden Teil des Tragsegmentes auftritt:

(1) q

ο = 2Hl 'cosh(Nl) + (kWN + ψ- l'²) sinn (Nl)

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In dieser Gleichung bedeuten:

q = die Wärmeverluste an der Tragfläche in Watt/Querschnitt der

Rippen 19,

t = Temperatur des Schmiermittels

t = Temperatur des Kühlmittels an der Zuflußöffnung

h = Wärmeübergangskoeffizient von der Rippe zum Kühlmittel

k = Wärmeleitfähigkeit der Rippe

W = Parallel zur Tragfläche vorhandene Breite der Rippen

1 = Höhe der Rippen

1' = Breite der Querkanäle

k W

Die hydrodynamischen Verluste des Spurlagers, also q , sind einem Lagerkonstrukteur bekannt. Auch läßt sich die erforderliche KühlmJJtfcelmenge bestimmen, die jedes Tragsegment durchströmen muß, um die entstehende Verlustwärme mit einem vernachlässigbaren Temperaturanstieg des Kühlmittels abzuführen. Daraus läßt sich dann die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels bei gegebenem Kühlkanalquerschnitt und der Wärmeübergangskoeffizient berechnen, so daß sich die rechte Seite der Gleichung (Ό als Zahlenwert bestimmen läßt. Daraus ergibt sich aber ebenfalls die auf der linken Seite der Gleichung (1) stehende Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels und der Temperatur des Schmiermittels als Zahlenwert. Solange diese so ermittelte Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem Schmiermittel angenähert eingehalten wird, entsteht keinerlei Temperaturgefälle in dem tragenden unteren Teil des Tragsegmentes.

Um bei dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Spurlager die berechnete Temperaturdifferenz innerhalb bestimmter Grenzen einhalten zu können, sind Mittel zur Beeinflussung der Temperatur

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eines der beiden im Lager vorhandenen Medien vorgesehen. Am leichtesten ist es, die Temperatur des im Spurlagertopf vorhandenen Schmiermittels zu beeinflussen. Der schematische Aufbau der Kühlsysteme eines derartig gemäß der Erfindung ausgebildeten Spurlagers ist in Fig. 5 dargestellt.

Zur Kühlung des Tragsegmentes 4 wird Wasser verwendet, während als Schmiermittel Öl benutzt wird. Das Kühlwasser wird über eine Rohrleitung 20 zugeführt, die sich an der Rohrverzweigung 22 in zwei Wege teilt. Die Hauptmenge des Kühlwassers fließt zu den Kühlkanälen 8 des Tragsegmentes 4 und wird dann der Abflußleitung 23 zugeführt. Der Nebenweg für das Kühlwasser verläuft durch die Kühlschlange 24, die innerhalb des den Spurlagertopf 25 ausfüllenden Schmiermittels angeordnet ist. In diesem Spurlagertopf 25 liegen ebenfalls die Tragsegmente 4. Ein Temperaturfühler 26 erfaßt die Temperatur des Schmiermittels im Spurlagertopf 25. Ein anderer Temperaturfühler 27 mißt die Temperatur des Kühlwassers, bevor dieses in die Tragsegmente 4 eintritt. Die Temperaturfühler 26 bzw. 27 können z.B. Thermoelemente sein, und sind elektrisch mit einem Thermostat 28 verbunden, der das Hubmagnetventil 29 steuert. Dieses Hubmagnetventil 29 ist normalerweise geschlossen und unterbindet dadurch den Kühlwasaerfluß in der Kühlschlange 24.

Überschreitet nun die Differenz zwischen den beiden von den Temperaturfühlern 26 und 27 gemessenen Temperaturen einen gewissen vorgegebenen Wert, so wird über den Thermostat 28 das Hubmagnetventil 29 geöffnet. Das Kühlwasser fließt nun solange durch die Kühlschlange 24 und beeinflußt damit die Temperatur des Schmiermittels bis die Temperaturdifferenz auf einen unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes liegenden Wert zurückgeht und das Hubmagnetventil 29 wieder geschlossen wird und somit den Kühlmittelfluß durch die Kühlschlange 24 unterbricht.

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Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel ist nur eine der vielen möglichen Ausführungsformen der Kühlsysteme bei einem gemäß der Erfindung ausgebildetem lager. Man kann sowohl zur Temperaturerfassung, als auch zur Temperaturbeeinflussung eines der beiden Medien andere Mittel verwenden. So kann z.B. auch ein Heizgerät im Spurlagertopf vorgesehen sein, wenn als Kühlmittel für das Tragsegment ein ungewöhnlich warmes Medium verwendet wird. Die Temperatur eines der Medien läßt sich auch . durch eine Veränderung des Strömungsflusses in der Kühlschlange ändern, ohne daß diese ein- oder abgeschaltet zu werden braucht.

Das für den oberen Teil des Tragsegmentes verwendete, gut wärmeleitfähige Material und die meisten für den unteren Teil des Tragsegmentes verwendeten Stahlsorten haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, so daß sich beide miteinander verbundenen Teile unterschiedlich ausdehnen. Die wesentlich größere Masse und Festigkeit des unteren tragenden Teiles des Tragsegment8s und das gemäß der Erfindung vorgesehene Kühlsystem verhindert aber eine durch diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingte übermäßige Verformung der Tragflächen. Man kann jedoch diese thermische Fehlanpassung der beiden für die Teile der Tragsegmente verwendeten Materialien auch durch die besondere Ausbildung ihrer Befestigung aneinander vermeiden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt. Hier erfolgt die Verbindung zwischen dem oberen Teil 7 aus Kupfer und dem tragenden unteren Teil 5 aus Stahl nicht durch ein Verlöten der beiden Teile miteinander, sondern über Stifte 30, die in dem Stahlteil 5 eingepaßt und lose durch das Kupferteil 7 geführt sind und sich parallel zur Tragfläche erstrecken. Weiterhin kann man auch eine Passungsverbindung vorsehen.

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Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes hydrodynamisches Spurlager kann durch die besondere vorgesehene Zwangskühlung der einzelnen Tragsegmente in der Nähe der Tragfläche mit einer außergewöhnlich hohen Flächenpressung betrieben werden. Die Verwendung eines derartigen Lagers ist daher besonders bei der lagerung großer Maschinen mit vertikaler Welle, z.B. Wasserkraftgeneratoren großer Leistung, vorteilhaft, es kann aber ebenfalls bei horizontalen Wellen zur Aufnahme großer Axialdruckkräfte eingesetzt werden.

7 .Ansprüche
6 Figuren

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Claims (7)

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   Patentansprüche

   ίΐ ./Hydrodynamisches Spurlager, bestehend aus einem mit der Welle verbundenen Spurring und Tragsegmenten, die in einem mit Schmiermittel gefüllten Spurlagertopf angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragsegmente (4) in der Nähe der Tragfläche (6) ■Kühlkanäle (8) enthalten, die von einem vom Schmiermittel unabhängigen Kühlmittel durchflossen werden.
2. 2. Spurlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (26,27) zur Erfassung der Temperatur des die Tragsegmente (4) durchfließenden Kühlmittels, sowie der des Schmiermittels, vorgesehen sind und Mittel (24,28,29), welche durch Änderung der Temperatur eines der beiden Medien in Abhängigkeit von der Temperatur des anderen einen bestimmten Temperaturdifferenzbereich einstellen.
3. 3. Spurlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Schmiermittel eine Kühlschlange (24) angeordnet ist, die, zeitweise zu- bzw. abgeschaltet, von dem gleichen Kühlmittel wie die Tragsegmente (4) durchflossen wird.
4. 4. Spurlager nach Anspruch 1 oder.2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragsegmente (4) jeweils aus einem die Kühlkanäle (8) und die Tragfläche (6) enthaltenen oberen Teil (7) aus gut wärmeleitfähigem Material und einem tragenden unteren Teil (5) aus •einem \ erkstoff guter mechanischer Festigkeit, die miteinander verbunden sind, bestehen.

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5. 5; Spurlager nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (8) im Tragsegment (4) in einen jeweils radial gerichteten Kühlmittelzu- (14) bzw. Kühlmittelabflußkanal (15) unterteilt sind und daß diese untereinander durch mehrere parallel verlaufende Querkanäle (17) verbunden sind.
6. 6. Spurlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kühlmittelzu- (14) bzw. Kühlmitfcelabflußkanals (15) mit dem Abstand von der Zufluß- bzw. Abflußöffnung (18) abnimmt.
7. 7. Spurlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der obere Teil (7) der Tragsegmente (4) jeweils aus zwei getrennt hergestellte Teile (9 bzw. 10) besteht, an deren miteinander zur Anlage gelangenden Auflachen (11 bzw. 12) die Kühlkanäle (8) als Aussparungen·eingearbeitet sind.

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