DE2111973B2 - Hydrostatisches Hilfslager für die Rotorlagerung einer Turbomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Hilfslager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die verhältnismäßig schweren Rotoren von Turbomaschinen werden in der Regel außerhalb der Gehäuse in Gleitlagern gelagert. Diese Lager werden normalerweise mit öl oder schwer brennbaren Flüssigkeiten als Schmiermittel betrieben. Da damit die entsprechende Gehäuselänge den Lagerabstand bestimmt, haben derartige Rotoren eine verhältnismäßig tiefe Eigenfrequenz. Außerdem weisen sie den Nachteil auf, daß im Falle von Vibrationen des Wellenstranges nur sehr bedingt Abhilfe geschaffen werden kann, da die von außen zugänglichen Wellenteile durch die Lagerung in einem Schwingungsknoten des Schwingungsgebildes liegen. Da der Knoten keinen oder nur einen sehr geringen Schwingweg vollzieht, sind irgendwelche Dämpfungseinrichtungen an den Lagerstellen fast wirkungslos.

Um die Welle stabil abzustützen, wird in der DD-PS 616 vorgeschlagen, zusätzlich zur normalen Lagerung zwei hydrostatische Hilfslager anzuordnen, welche als echte Traglager auszubilden sind. Diese Lager sind starr am Gehäuse der Turbomaschine befestigt und demnach radial nicht beweglich. Beim Hochfahren der Turbomaschine kann die kritische Drehzahl gefahrlos durchfahren werden und beim Normalbetrieb werden i-<cCK- UPiu opäiiVcfiüSic gcFiilg genauen.

Eine weitere Möglichkeit, wie die beim Durchfahren der kritischen Drehzahl möglicherweise auftretenden Beschädigungen zu vermeiden sind, ist in der CH-PS 160 247 aufgezeigt Zur Verschiebung der kritischen Drehzahl während des Betriebes wird ein Hilfslager zweckmäßigerweise an der Stelle des Rotors angeordnet, an der ohne dieses Lager die größte Durchbiegung des Rotors infolge der Fliehkräfte auftreten würde. Es handelt sich bei diesem Lager jedoch nicht um ein hydrostatisches, sondern um ein reines Gleitlager, dessen Lagerschalen bei Stillstand und beim anfänglichen Hochfahren der Turbomaschine mittels Federdruck fest zusammengepreßt werden und so den Rotor fest umschließen. Bei weiterem Hochfahren sowie bei Betriebsdrehzahl bleibt das Lager hingegen von der Welle abgehoben. Das Ansetzen und Abheben geschieht über mechanische resp. hydraulische Hilfsmittel.

Da bei beiden bekannten Lösungen die Lagerungsverhältnisse durch Anordnung von echten Traglagern verändert werden, die während ihres Eingriffes radial nicht verschiebbar sind, wird auf die Biegelinie der Welle eingewirkt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hilfslager zu schaffen, durch dessen gezielte örtliche Anordnung die Eigenfrequenz der Welle auf das Mehrfache angehoben wird und das strukturell so ausgebildet ist, daß es nicht auf die Biegelinie der Welle einwirkt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß das Stabilitätsverhalten des Turbomaschinenrotors in Bezug auf Spalterregung im Schaufelkanal wesentlich verbessert wird, da durch Anheben der Eigenfrequenz die sog. Grenzleistung der Maschine erhöht wird: die Spalterregung kommt durch unsymmetrische Spaltströmungen im Schaufelkanal zustande, und als Grenzleistung wird die Leistung der Maschine betrachtet, ab welcher ohne Übergang ein Vibrationspegel auftritt, der den Bestand der Gesamtanlage gefährden könnte.

Durch die Verwendung von Arbeitsmittel aus der

Turbomaschine — unabhängig vom Aggregatzustand — als Schmiermittel wird durch dessen Dämpfungseigenschaften Energie aus dem von Erregungseinflüssen zu Schwingungen angefachten Rotor herausgenommen.

Hierbei wird die Biegelinie der Welle nicht verändert,

sondern das Hilfslager schwingt mit derselben Frequenz wie die Welle, jedoch mit geringerer Amplitude.

In der Tat rührt die geringe resultierende Kraft, die von den Lagerschuhen auf die Welle ausgeübt wird, nur von den flexiblen Befestigungselementen her. Das Hilfslager übt demnach keine wesentlichen statischen Kräfte auf den Rotor aus, hat jedoch durch die dynamische Stützwirkung eine beträchtlich versteifende Wirkung in Bezug auf Wellenschwingungen.

Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Turbomaschine gemäß der Erfindung schematisch dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eint:n Längsschnitt durch eine Turbomaschine,

Fig.2 einen Längsschnitt durch das Hilfslager in vergrößertem Maßstab,
F i g. 3 einen Querschnitt durch das Hilfslager.

In F i g. 1 i:5t das Gehäuse 1 der Turbomaschine, einer Dampfturbine, erkennbar, wobei das Gehäuse 1 aus dem Außengehäü:>e 2 und dem als Leiischauielträger

ausgebildeten Innengehäuse 3 in den Hauptteilen besteht. Der Rotor 4 ist mittels der Lagerböcke 5 an den Lagern 5' abgestützt, die ohne direkte Verbindung zum Gehäuse 1 auf dem Fundament 6 ruhen.

Der Rotor 4 durchdringt das Gehäuse 1 an den Stopfbuchsen 7, die im Außengehäuse 2 angeordnet sind. Das Außengehäuse 2 ist beispielsweise längs einer axialen Ebene geteilt und mit einem Flansch 2' versehen.

Im Mittelbereich des Gehäuses 1 ist die Arbeitsdampfzufühiuiig 8 angeordnet, welche Über die mit einem Balg 9 ausgerüstete wärmebewegliche Durchführung 10 sowohl mit dem AuBengehäuse 2 als auch mit dem Innengehäuse 3 verbunden ist

Die Arbeitsdampfzuführungen 8 münden in Ringkanäle 11, von wo der Arbeitsdampf dem Schaufelkanal 12 über den Düsenkranz 13 zuströmt und seine Energie durch mehrstufige Entspannung zwischen den Leit- 14 und Laufschaufeln 15 abgibt

Zwischen den Ringkanälen 11 ist ein hydrostatisch arbeitendes Hilfslager 16 angeordnet, das den Rotor 4 an der bei Zweipunktlagerung auftretenden Stelle der maximalen Grundschwingungsamplitude der Turbomaschinenwelle unterstützt Damit wird die Eigenfrequenz des Rotors 4 angehoben und die Voraussetzung für die günstige Beeinflussung der Laufruhe geschaffen.

Neben den Arbeitsdampfzuführungen 8 ist im Mittelbereich des Gehäuses 1 eine nicht dargestellte Schmiermittelleitung vorgesehen, durch die das Hilfslager 16 mit Schmiermittel versorgt wird.

Vorteilhafterweise kann das Schmiermittel derart gewählt werden, daß es mit dem Arbeitsmedium der Turbomaschine ohne Betriebsstörung mischbar ist. Beispielsweise wird bei einer Dampfturbine Wasser oder Kondensat als Schmiermittel des Lagers bevorzugt, wobei der Aggregatzustand des Schmiermittels J5 während des Schmiervorganges verändert werden kann. Desgleichen ist die Möglichkeit gegeben, Gase oder Dämpfe als Schmiermittel einzubringen.

In Fig.2 zeigt der Längsschnitt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Hilfslagers 16 nach der Erfindung. Entsprechende Teile sind in den F i g. 2 und 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie in F i g. 1. Im Innengehäuse 3 ist ein geteilter Stützring 17 und 17' angeordnet, dessen Außenseite mit der Ausnehmung 18 im Innengehäuse 3 einen Ringraum 19 bildet. Der Stützring 17 ist entsprechend dem Gehäuse 1 der Turbine zweiteilig ausgeführt und trägt die Lagerschuhe 20 des Hilfslagers 16. Vorteilhafterweise wird das Hilfslager 16 mit drei Lagerschuhen 20 ausgerüstet, wobei diese über Rohrleitungen 21 und Bohrungen 22 mit Schmiermittel aus dem Ringraum 19 versorgt werden. Das Schmiermittel wird von außen über die Zuführung 31 in den Ringraum 19 eingebracht.

Die einzelnen Lagerschuhe 20 sind über elastische Teile, beispielsweise Membranen 23, sowie Federn 29 mit Führungszapfen 30, am Stützring 17 befestigt und weisen in der Art eines hydrostatischen Lagers Taschen

24 auf, die die Ausbildung eines Schmierfilms zwischen der Hilfslagerstelle 16 des Rotors 4 und den Gleitflächen

25 der Lagerschuhe 20 ermöglichen. Dabei sind bo zwischen den Bohrungen 22 und den Taschen 24 in F i g. 3 dargestellte Drosselstellen 26 vorgesehen.

In F i g. 3 ist das gleiche Ausführungsbeispiel wie in F i g. 2 dargestellt, wobei das Querschnittsbild die Anordnung der drei Lagerschuhe 20 besser erkennen läßt. Die einzelnen Lagerschuhe 20 sind über die elastischen Ankerplatten 27 und die Federelemente 29 Hill Füiii uiigSZäpicn 30 aiii Stüizniig 17 und \T befestigt Das Schmiermittel wird den Lagerschuhen 20 über die flexiblen Rohrleitungen 21 vom Ringraum 19 zugeführt und mittels der Bohrungen 22 über die Drossilstellen 26 zur Gleitfläche 25 geleitet

Die Lagerschuhe 20 sind mit Membranen 23 oder Bälgen ausgerüstet, an denen Begrenzungsnocken 34 befestigt sind, die durch einen Durchlaß 32 in den Ringraum 19 ragen. Die Membranen 23 sind im Membranenraum 28 untergebracht und stellen derart eine flexible Abstützung des Lagerschuhs 20 am Stützring 17 und 17' her. Im Durchlaß 32 des Stützringes 17 bzw. 17' ist eine Drossel 33 angeordnet, die den Durchfluß des Schmiermittels regelt

Die Wirkungsweise des Hilfslagers 16 wird nachfolgend beschrieben, wobei hauptsächlich auf die verdeutlichte Ausführungsform nach Fig.2 und 3 Bezug genommen wird.

Das dem Hilfslager 16 zugeführte Schmiermittel hat mehrere Aufgaben zu erfüllen. Einerseits fließt das Schmiermittel durch die Rohrleitungen 21 und die Bohrung 22 über die Drosselstelle 26 in die Taschen 24, um den Schmierfilm zwischen dem Rotor 4 und den Gleitflächen 25 der Lagerschuhe 20 auszubilden. Andererseits ist im Ruhezustand der Turbomaschine, also ohne Schmiermitteldruck, zwischen den Gleitflächen 25 der Lagerschuhe 20 und dem Rotor 4 ein Abstand dvorgesehen. Dadurch kann der Rotor 4 in den außerhalb des Gehäuses 1 liegenden Lagern 5' gedreht werden, ohne daß eine Schmiermittelzufuhr zum Hilfslager 16 nötig ist Bei vermehrter Zufuhr von Schmiermittel und Steigerung des Schmiermitteldrukkes fließt dasselbe auch über den Ringraum 19 und die Drosselstelle 33 in den Membranraum 28 und übt eine radiale Kraft auf den Lagerschuh 20 aus, so daß dieser gegen den Rotor 4 gedrückt wird. Das Spiel c/wird dabei verkleinert, und zwar so lange, bis Gleichgewicht zwischen der Membrankraft und der durch den hydrostatischen Druck des Schmierfilms aufgebauten Gegenkraft eintritt Wenn der Schmiermitteldruck abfällt und damit auch die Membrankraft holen die Federn 29 den Lagerschuh 20 wieder in die Ausgangslage zurück.

Wenn aus irgendeinem Grund die Schmiermittelzufuhr zu einer Gleitfläche der Lagerschuhe versagt, während die Membrankraft erhalten bleibt dann könnte es zwischen Lagerschuh 20 und Rotor 4 zu trockener Reibung kommen. Als mögliche Ursache kommen Bruch einer Rohrleitung 21 oder Verstopfung der Drosselstelle 26 in Betracht Der Gleitflächenbelag des Lagerschuhs 20 ist vorteilhafterweise zum Material des Rotors 4 derart abgestimmt, daß er abgetragen wird, ohne den Rotor 4 zu beschädigen. Die Nocken 34 begrenzen außerdem den Hub Λ der Lagerschuhe 20 derart, daß das Grundmaterial derselben nicht mit demjenigen des Rotors 4 in Berührung kommen kann. Der Hub Λ der Nocken 34 ist kleiner als die Summe aus Spiel d und Dicke des Laufflächenbelages der Lagerschuhe 20.

Der Lagerschuh 20 wird durch die radial gerichtete Kraft der Federn 29 und durch die tangential wirkende Ankerplatte 27, die an den Enden mit dem Stützring 17 bzw. ?⁷' und dem Lagerschuh 20 verbunden ist in seiner Lage festgehalten. Die Ankerplatte 27 ist elastisch ausgebildet, wobei sie die Zustellbewegung des Lagerschuhs 20 zum Rotor 4 infolge der Membrankrart ohne nennenswerten Kraftaufwand zuläßt und trotzdem seitliche Bewegungen und Verdrehbewegungen des ns 20 vcf niriiicri.

Die Rohrleitungen 21 sind ebenfalls elastisch gestaltet, damit die radialen Bewegungen der Lagerschuhe 20 nicht beeinträchtigt werden.

Bringen irgendwelche Kräfte, z. B. Unwucht, den Rotor 4 zum Schwingen, so überträgt sich die Bewegung über das hydrostatisch ausgebildete Hilfslager 16 auf die einzelnen Lagerschuhe 20, welche den Membranraum 28 zu verkleinern oder zu vergrößern suchen. Dabei wird Schmiermittel durch die Drossel 33 gepreßt oder gesogen und eine dämpfende Wirkung auf die Schwingung des Rotors 4 ausgeübt Die dämpfende Wirkung ist daher von der Kompressibilität des Schmiermittels, von der Größe des Membranraumes 28, von der Geschwindigkeit der Bewegung des Rotors 4 und von der Größe der Drossel 33 abhängig.

ιΠ5υ€5ΟΠιι£Γ€ Wiiu uüfCii uäS iiilfSiEgcr 16 die

kritische Drehzahl des Rotors 4 oder einer Welle erhöht. Dem Rotor 4 wird durch die dynamische Stützwirkung des Hilfslagers 16 eine neue Schwingungsform aufgezwungen, die einer höheren Eigenfrequenz entspricht. Führt der Rotor 4 eine langsame, radial gerichtete Bewegung aus, z. B. durch geringes Anheben in den außerhalb des Gehäuses 1 liegenden Lagern 5' infolge Änderung des Ölfilms, dann hat das Schmiermittel genügend Zeit, um aus dem Membranraum 28 zu entweichen, oder, im umgekehrten Fall, in diesen einzudringen, wobei der Druck darin nicht wesentlich verändert wird. Die geringe resultierende Kraft, die die Lagerschuhe 20 gemeinsam auf den Rotor 4 ausüben,

ιυ rührt einzig von der elastischen Verformung der Federn 29, Ankerplatte 27' und der Rohrleitungen 21 her.

Daraus ergibt sich, daß das Hilfslager 16 keine wesentliche statische Kraft auf den Rotor 4 ausübt, jedoch eine starke, versteifende Wirkung in Bezug auf Rotorschwingungen aufweist, weil bei radial schnell bewegtem Rotor 4 durch die Abstimmung von Membran 23, Membranraum 28 und Drossel 33 zueinander, ein den Bewegungskräften entsprechender dämpfender Widerstand entgegengesetzt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Hydrostatisches Hilfslager für die Rotorlagerung einer Turbomaschine, insbesondere eine Hochdruckdampfturbine, welches am hochdruckseitagen Teil des Innengehäuses der Turbomaschine außerhalb der Beschaufelung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfslager an oder nahe an der Stelle der maximalen Grundschwingungsamplitude des Rotors angeordnet ist, daß drei radial bewegliche, unabhängig voneinander angeordnete Lagerschuhe (20) sowohl auf der inneren, dem zu lagernden Rotor (4) zugekehrten Gleitfläche (25) als auch unmittelbar auf der äußeren, im Innengehäuse (3) eingesetzten Seite (28) mit Arbeitsmittel der Turbomaschine beaufschlagbar sind, worauf sie im Eingriff stehen und dabei nur über flexible Elemente (23,21,27) mit dem Innengehäuse (3) verbunden sind, ferner dadurch, daß eine Drossel (33) im Zu- resp. Abfluß des Arbeitsmittels zur Rückseite der Lagerschuhe (20) vorgesehen ist, sowie dadurch, daß bei Fortfall der Beaufschlagung mit Arbeitsmittel die Lagerschuhe (20) über mechanische Mittel (29, 30) außer Eingriff und im Anschlag am Innengehäuse (3) gehalten sind.

2. Hilfslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Elemente Membrane (23), Rohrleitungen (21) und Ankerplatten (27) sind.

3. Hilfslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Mittel Führungszapfen (30) mit Federelementen (29) sind.

4. Hilfslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschuhe (20) mit Taschen (24) an den Gleitflächen (25) versehen sind, die derart angeordnet sind, daß der gleiche Druck auf der ganzen Gleitfläche herrscht.