DE2111973C3 - - Google Patents

Description

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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 ⁴'' 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 *>^r> Turbomaschine kann die kritische Drehzahl gefahrlos durchfahren werden und beim Normalbetrieb werden Leck- und Spaltverluste gering gehalten.

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 ^m 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 e.% nicht auf die Biegeünie 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 Turbomaschinenroiors 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 Erregungseinflfissen 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 einen 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 ist das Gehäuse 1 der Turbomaschine, einer Dampfturbine, erkennbar, wobei das Gehäuse I aus dem Außengehäuse 2 und dem als Leitschaufelträger

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ausgebildeten Innengehäuse 3 in den Hauptteilen befestigt, Pas Schmiermittel wird den Lagerschuhen 20

besteht. Der Rotor 4 ist mittels der Ugerböcke 5 an den über die flexiblen Rohrleitungen 21 vom Ringraum 19

Lagern 5' abgestützt, die ohne direkte Verbindung zum zugeführt »nd mittels der Bohrungen 22 über die Gehäuse 1 auf dem Fundament 6 ruhen. Drosselstellen 26 zur Gleitfläche 25 geleitet Der Rotor 4 durchdringt das Gehäuse | an den 5 Die Lagerschuhe 20 sind mit Membranen 23 oder Stopfbüchsen 7, die im Außengehäuse 2 angeordnet Bälgen ausgerüstet, an denen Begrenzungsnocken 34

sind. Das Außengehäuse 2 ist beispielsweise längs einer befestigt sind, die durch einen Durchlaß 32 in den

axialen Ebene geteilt und mit einem Flansch 2* versehen. Ringraum 19 ragen. Die Membranen 23 sind im

Im Mittelbereich des Gehäuses 1 ist die Arbeits- Membranenraum 28 untergebracht und stellen derart

dampfzuführung 8 angeordnet, welche über die mit io eine flexible Abstützung des Lagerschuhs 20 am

einem Balg 9 ausgerüstete wärmebewegliche Durchfüh- Stützring 17 und 17' her. Im Durchlaß 32 des Stützringes

rung 10 sowohl mit dem Außengehäuse 2 als auch mit 17 bzw. 17' ist eine Drossel 33 angeordnet, die den

dem Innengehäuse 3 verbunden ist Durchfluß des Schmiermittels regelt

Die Arbeitsdampfzuführungen 8 münden in Ringka- Die Wirkungsweise des Hilfslagers 16 wird nachfol-

näle 11, von wo der Arbeitsdampf dem Schaufelkanal 12 15 gend beschrieben, wobei hauptsächlich auf die verdeut-

über den Düsenkranz 13 zuströmt und seine Energie lichte Ausführungsform nach Fig.2 und 3 Bezug

durch mehrstufige Entspannung zwischen den Leit- 14 genommen wird,

und Laufschaufeln 15 abgibt. Das dem Hilfslager 16 zugeführte Schmiermittel hat

Zwischen den Ringkanälen 11 ist ein hydrostatisch mehrere Aufgaben zu erfüllen. Einerseits fließt das

arbeitendes Hilfslager 16 angeordnet, das den Rotor 4 20 Schmiermittel durch die Rohrleitungen 21 und die

an der bei Zweipunktlagerung auftretenden Stelle der Bohrung 22 über die Drosselstelle 26 ■,> die Taschen 24,

maximalen Grundschwingungsamplitude der Tnrboma- um den Schmierfilm zwischen dem Roter 4 und den

schinenwelle unterstützt Damit wird die Eigenfrequenz Gleitflächen 25 der Lagerschuhe 20 auszubilden,

des Rotors 4 angehoben und die Voraussetzung' für die Andererseits ist im Ruhezustand der Turbomaschine,

günstige Beeinflussung der Laufruhe geschaffen. 25 also ohne Schmiermitteldruck, zwischen den Gleitflä-

Neben den Arbeitsdampfzuführungen 8 ist im chen 25 der Lagerschuhe 20 und dem Rotor 4 ein Mittelbereich des Gehäuses I eine nicht dargestellte Abstand t/vorgesehen. Dadurch kann der Rotor 4 in den Schmiermittelleitung vorgesehen, durch die das Hilfsla- außerhalb des Gehäuses 1 liegenden Lagern 5' gedreht

ger 16 mit Schmiermittel versorgt wird. werden, ohne daß eine Schmiermittelzufuhr zum

Vorteilhafterweise kann das Schmiermittel derart 30 Hilfslager 16 nötig ist. Bei vermehrter Zufuhr von

gewählt werden, daß es mit dem Arbeitsmedium der Schmiermittel und Steigerung des Schmiermitteldruk-

Turbomaschine ohne Betriebsstörung mischbar ist kes fließt dasselbe auch über den Ringraum 19 und die Beispielsweise wird bei einer Dampfturbine Wasser Drosselstelle 33 in den Membranraum 28 und übt eine

oder Kondensat als Schmiermittel des Lagers bevor- radiale Kraft auf den Lagerschuh 20 aus, so daß dieser

zugt wobei der Aggregatzustand des Schmiermittels 35 gegen den Rotor 4 gedrückt wird. Das Spiel d wird dabei

während des Schmiervorganges verändert werden verkleinert, und zwar so lange, bis Gleichgewicht

kann. Desgleichen ist die Möglichkeit gegeben, Gase zwischen der Membrankraft und der durch den

oder Dämpfe als Schmiermittel einzubringen. hydrostatischen Druck des Schmierfilms aufgebauten

In F i g. 2 zeigt der Längsschnitt den Aufbau eines Gegenkraft eintritt Wenn der Schmiermitteldruck Ausführungsbeispiels des Hilfslagers 16 nach der 40 abfällt und damit auch die Membninkraft holen die Erfindung. Entsprechende Teile sind in den F i g. 2 und 3 Federn 29 den Lagerschuh 20 wieder in die Ausgangsla-

mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie in F ί g. 1. ge zurück.

Im Innengehäuse 3 ist ein geteilter Stützring 17 und 17' Wenn aus irgendeinem Grund die Schmiermittelzu-

angeordnet, dessen Außenseite mit der Ausnehmung 18 fuhr zu einer Gleitfläche der Lagerschuhe versagt

im Innengehäuse 3 einen Ringraum 19 bildet Der 45 während die Membrankraft erhalten bleibt, dann könnte

Stützring 17 ist entsprechend dem Gehäuse 1 der es zwischen Lagerschuh 20 und Rotor 4 zu trockener Turbine zweiteilig ausgeführt und trägt die Lagerschuhe Reibung kommen. Als mögliche Ursache kommen

20 des Hilfslagers 16. Vorteilhafterweise wird das Bruch einer Rohrleitung 21 oder Verstopfung der

Hilfslager 16 mit drei Lagerschuhen 20 ausgerüstet Drosselstelle 26 in Betracht. Der Gleitflächenbelag des

wobei diese über Rohrleiningen 21 und Bohrungen 22 50 Lagerschuhs 20 ist vorteilhafterweise zum Material des

mit Schmiermittel aus dem Ringraum 19 versorgt Rotors 4 derart abgestimmt, daß er abgetragen wird,

werden. Das Schmiermittel wird von außen über die ohne den Rotor 4 zu beschädigen. Die Nocken 34

Zuführung 31 in den Ringraum 19 eingebracht begrenzen außerdem den Hub h der Lagerschuhe 20 Die einzelnen Lagerschuhe 20 sind Ober elastische derart daß das Grundmaterial derselben nicht mit Teile, beispielsweise Membranen 23, sowie Federn 29 55 demjenigen des Rotors 4 in Berührung kommen kann.

mit Führungszapfen 30, am Stützring 17 befestigt und Der Hub Λ der Nocken 34 ist kleiner als die Summe aus

weisen in der Art eines hydrostatischen Lagers Taschen Spiel d und Dicke des Laufflächenbelages der

24 auf, die die Ausbildung eines Schmierfilms zwischen Lagerschuhe 20.

der Hilfslagerstelle 16 des Rotors 4 und den Gleitflächen Der Lagerschuh 20 wird durch die radial gerichtete

25 der Lagerschuhe 20 ermöglichen. Dabei sind 60 Kraft der Federn 29 und durch die tangential wirkende zwischen den Bohrungen 22 und den Taschen 24 in Ankerplatte 27, die an den Enden mit dem Stützring 17 F i g. 3 dargestellte Drosselstellen 26 vorgesehen. bzw. 17' und dem Lagerschuh 20 verbunden ist, in !»einer

In F i g. 3 ist das gleiche Ausführungsbeispiel wie in Lage festgehalten. Die Ankerplatte 27 ist elastisch F i g. 2 dargestellt, wobei das Querschnittsbild die ausgebildet wobei sie die Zustellbewegung des Lager-Anordnung der drei Lagerschuhe 20 besser erkennen 65 schuhs 20 zum Rotor 4 infolge der Membrankraft ohne läßt. Die einzelnen Lagerschuhe 20 sind über die nennenswerten Kraftaufwand zuläßt und trotzdem elastischen Ankerplatten 77 und die Federelemente 29 seitliche Bewegungen und Verdrehbewegungen des mit Führungszapfen 30 am Stützring 17 und 17' Lagerschuhs 20 verhindert.

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.

Insbesondere wird durch das Hilfslager 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 I liegenden Lagern 5' infolge Änderung des Ölfilms, dann hat das Schmiermit-ί tel 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.

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 HiJfslager für die Rotorlagerung einer Turbomaschine, insbesondere eine Hochdruckdampfturbine, welches am hochdrucksei- s tigen 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 angeord- ι ο net ist, daß drei radial bewegliche, unabhängig voneinander angeordnete Lagerschuhe (20) sowohl auf der inneren, dem zu lagernden Rotor (4) zugekehrten Gleitfläche (2S) als auch unmittelbar auf der äußeren, im Innengehäuse (3) eingesetzten >⁵ 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 gekenn- Jo zeichnet, 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) verseh--n sind, die derart J5 angeordnet sind, daß der gleiche Druck auf der ganzen Gleitfläche herrscht.