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Beschreibung Schwingungsschutzvorrichtung Die Erfindung betrifft eine
Schwingungsschutzvorrichtung, beispielsweise für umlaufende Maschinen wie Wasserturbinen-Generatoren,
insbesondere eine Schwingungsschutzvorrichtung fUr umlaufende Großmasebinen mit
vertikaler oder stehender Welle, die in einem konkaven Fundament gelagert sind,
wobei die Schwingungsschutzvorrichtung zwischen der umlaufenden Maschine und dem
Fundament angeordnet ist.
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Umlaufende Großmaschinen erzeugen in all ihren Teilen sehr viel Wärme,
so daß ihre Wärmedehnung groß ist. Weml beispielsweise bei einem Wasserturbinen-Generator
mit stehender Welle sich eine ein Lager der Rotorwelle tragende Endstütze durch
die Wärme ausdehnt, so wird sie zwischen dem Lager umd dem Fundament einer Druckbeanspruchung
ausgesezt. Sie muß daher stark und steif aus gebildet sein. Handelt es sich bei
der umlaufenden Maschine um eine schnellaufende Maschine , so entstehen zusätzliche
Schwingungsprobleme, so daß die Endstütze weiter versteift werden mu3, um die natürliche
Frequenz der Welle der urlauienden Maschine zu erhöhen und damit stabile Laufeigenschaften
zu gewährleisten. In diesem Fall bestehen natürlich keine Probleme, wenn die Endstütze
eine erhöhte Steifigkeit besitzt oder starr ist. Je größer jedoch die leistung der
Maschine und ihre Drehzahl sind, umso stärker steigen die Schwingungen an, so daß
für eine hohe Steifigkeit sehr große Endstützen notwendig sind. Es wird daher in
unwirtschaftlicher Weise sehr viel Material benötigt. Darüber hinaus wird die umlaufende
Maschine selbst in Anbetracht der großen Endstütze sehr groß.
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Am idealsten ist daher eine Endstütze oder ein Lagerung derselben,
die gegenüber Schwingungen sehr steif und gegenüber der Wärmedehnung elastisch ist.
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Es wurden bisher einige Ausführungsbeispielevorgeschlagen, um diese
Forderungen zu erfüllen. Diese eigenen sich zwar für mittlere und kleine umlaufende
Maschinen, es ist jedoch schwierig, sie umlaufenden Maschinen mit großer leistung
anzupassen.
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Die vorstehend erwähnte Tatsache soll am Beispiel des Wassertürbinen-Generators
mit stehender Welle näher erläutert werden.
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Die umlaufende Maschine ist in einem konkaven Teil eines Fundamentes
angeordnet. Sie enthält einen am Fundament befestigten und von diesem getragenen
Stator, einen in einem Lager drehbar gelagerten Rotor und eine Endstütze, an der
das Lager befestigt ist und die auf dem Stator ruht. Um die Schwingumgen des umlaufenden
Rotors zu absorbieren ist zwischen der Endstütze und einer Seitenwand der Ausnehmung
der Basis eine Schwingungsschutzvorrichtung ailgeordnet. Diese besteht aus Stahl,
einem elastischen Körper oder dergleichen.
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Hierbei tritt eine Temperaturdifferenz zwischen dem lager, der Endstütze,
dem Stator und dem Fundament auf. Wenn die Schwingungsschutzvorrichtung beispielsweise
aus sehr steifem Stahl besteht, so entstehen bei der Dehnung jedes dieser Teile
durch Wärmedehnung hohe Beanspruchungen. Es besteht daher die Möglichkeit2iese Teile
oder das Fundament brechen.
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Aus diesem Grund wird eine Konstruktion gewählt, bei der ein elastischer
Körper, beispielsweise Gummi, in die Schwingungsschutzvorrichtung eingelegt wird,
um die Beanspruchungen infolge Wärmedehnung bis zu einem gewissen Maß zu verringern.
In diesem Fall müssen auch der Stator, die Endstütze und die Schwingungsschutzvorrichtung
eine
ausreichende CTesamtsteifigkeit besitzen und die Anordnung muß für die thermischen
Beanspruchungen ausreichend stark bemessen sein. Bei großen Konstruktionen wird
jedoch auch die Dehnung groß. Daher wird eine die obigen Bedingungen erfüllende
Vorrichtung in ihrer Konstruktion kompliziert und unpraktisch.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwingungsschutzvorrichtung
dieser Art, insbesondere für umlaufende Maschinen, zu schaffen, mit der die obigen
Schwierigkeiten insgesamt beseitigt werden. Die Schwingungsschutzvorrichb tung noll
in der Lage sein, die umlaufende Maschine im wesentlichen zu halten und sie soll
eine hohe natürliche Frequenz aufweisen. Die Schwingungsschutzvorricht-an oWll sich
frei dehnen können, ohne daß beispielsweise die Mitte der umlaufenden Maschine verschoben
wird. Sie soll Wärmebeanspruchungen infolge der Wärmedehnung innerhälb der umlaufenden
Maschine vermeiden.
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Ferner soll die Schwingungsschutzvorrichtung leicht und einfach herzustellen
sein, insbesondere ohne eine spezielle Behandlung oder Ausbildung der umlaufenden
Maschine selbst, ohne daß eine höher entwickelte Technik oder eine größere Präzision
notwendig sind. Die Montage- und Installationsarbeiten sollen leicht ausführbar
sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schwingungsschutzvorrichtung,
insbesondere für umlaufende Maschinen, gelöst, die zwischen den oberen Teilen der
umlaufenden Maschine und dem
Fundament der Maschine angeordnet ist.
Die Schwingungsschutzvorrichtung enthält wenigstens zwei Kolben-Zylinder-Einrichtungen,
die gegenüber der Maschine symmetrisch angeordnet sind. Die beiden Enden der Kolben-Zylinder-Einrichtnrgen
sind an der umlaufenden Maschine bzw. dem Fundament befestigt. Sie enthalten ae
einen durch den Kolben in zwei Kammern unterteilten Zylinder, von denen die eine
an der Maschinenseite und die andere an der Fundament.seite angeordnet ist. Die
an der Maschinenseite der Kolben-Zylinder-Einrichtung angeordnete Zylinderkammer
ist jeweils über eine eine Flüssigkeit fE1rcnde Leitungmit der auf der Fundamentseite
liegenden Kammer der paarweise angeordneten Ivrolben-Zylinder-Einrichtung verbunden.
Die anderen beiden Zylinderkammern sind entsprechend durch eine weitere Leitung
miteinander verbunden.
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Anhand des in der bgefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt einer umlaufenden Maschine mit
stehender Welle, die mit einer erfindungsgemäßen Schwingungsschutzvorrichtung versehen
ist und in einem Fundament liegt; Fig. 2 den Querschnitt einer mit strichpunktierten
Linien umrandeten Einzelheit der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab; und Fig. 3 ein
Ersatzfunktionsbild einer Schwingungsschutsvorrichtung und der sie umgebenden Teile.
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Fig. 1 zeigt eine umlaufende Maschine mit stehender Welle in einer
Ausnehmung eines Fundaments. Die Maschine enthält einen Rotor 1, einen Stator 2
und eine Endstütze 3, in der ein Lager 5 ruht, das die Welle des Rotors 1 trägt.
Das untere Ende des Stators ist an einem Fundament 6 befestigt. Die Endstütze 3
ist am oberen Ende des Stators 2 befestigt. Eine Schwingungsschutzvorrichtung 8
befindet sich zwischen den oberen Teilen der Maschine, beispielsweise der Endstütze
3 und einer Stützeinrichtung, beispielstreise einer Seitenwand 7 der Ausnehmung
des Fundaments 6.
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Gemäß Fig. 2 enthält die Schwingungsschutzvorrichtung zwei Kolben-Zylinder-Einrichtungen
9 und zwei Leitungen 16 und 17. Die Kolben-Zylinder -Einrichtung 9 enthält einen
Kolben 10 und einen Zylinder 13. Der Kolben 10 ist mit zwei Kolbenstangen versehen,
die vor und hinter einem Teil angebracht sind, das in einer Zylinderkammer des Zylinders
19 gleitet. Eine der Eolbenstangen ist mit einem Flansch versehen und mit diesem
mittels Schrauben 12 an einer Außenfläche 4 der Endsttitze 5 befestigt.
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Der Zylinder 13 ist durch den Kolben 10 in zwei Zylinderkammern 19a
und 20a unterteilt. An einem Ende des Zylinders 13 ist ein Flansch 14 angebracht,
der mittels Schrauben 15 an der Seitenwand 7 des Fundaments 6 befestigt ist. Die
Leitungen 16 und 17 sind an die Zylinderkammern 19a bzw 20a angeschlossen.
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Die Zylinderkammern 19a und 20a sind abgedichtet, so daß die in den
Kammern enthaltene Flüssigkeit 18 nur in die Leitungen 16 und 17 strömen kann.
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Die Kolben-Zylinder-Einrichtungen 9 sollten paarweise angeordnet
sein, wobei jedes Paar gegerniber der Mitte der umlaufenden Maschine symmetrisch
angeordnet sein sollte. Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, sind mehrere
Paare der Kolben-Zylinder-Einrichtmlgen in trorherbestimmtenAbständen außerhalb
des äußeren Umfangs 4 der Endstütze 5 angeordnet.
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Bei den so angeordneten Eolben-Zylinder-Einrichtungen 9 sind die
Zylinderkammern 19a und 20a über die Flüssigkeit 18 durch die Leitungen 16 und 17
mit Zylinderkammern 20b bzw. 19b verbunden, die gegenüber der Mitte der Maschine,
d. h. der Achse des Rotors 1 symmetrisch angeordnet sind. Wie aus den Figuren 1
und 2 hervorgeht, ist die Zylinderkammer 19a nicht mit der Zylinderkaminer 19b verbunden,
die symmetrisch zur Maschine liegt, sondern über die Flüssigkeit durch die Leitung
16 mit der Zylinderkammer 20b. Die Zylinderkammer 20a ist über die Flüssigkeit durch
die Leitung 17 mit der Zylinderkammer 19b verbunden.
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Die Querschnittsflächen der Zylinderkammern 19a, 19b, 20a und 20b
sind hinsichtlich-der Verschiebung des Kolbens 10 jeweils einander gleich. Die Holbenstangen
sind vor und hinter dem gleitenden Teil angeordnet, um die Gleichhaltung der Flächen
zu vereinfachen.
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Die Kolbenstange 11 der Eolben-Zylinder-Einrichtung9 kann mit der
Seitenwand 7 des Fundaments 6 verbunden sein, wahrend der Zylinder 13 der Kolben-Zylinder-Einrichtung
9 ohne Schwierigkeit mit der umlaufenden Maschine verbunden sein kann.
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Im folgenden soll nunmehr die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen
Schwingimgsschutzvorrichtung beschrieben werden. Wenn infolge der Temperaturdifferenzen
zwischen den jeweiligen Teilen Wärmedehnungen auftreten, so bewegen sich die Kolben
10 nach rechts bzw. links, so daß sich das Volumen der Zylinderka=mern 19a, 20a,
19b und 20b ändert. Dabei kann angenommen werden, daß die Wärmedehnungen konzentrisch
und gleichförmig hinsichtlich der Achse der umlaufenden Maschine auftreten. Daher
bewirken die Kolbenbewegungen innerhalb der Zylinder nach links und rechts gleiche
Verschlebungen in den Zylinderkammern bei beliebigen Stellungen, so daß die Volumenänderungen
ebenfalls gleich sind.
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Da die Zylinderkanunern 19a bzw. 20a über Kreuz mit den Zylinderkammern
19b bzw. 20b auf der entgegengesetzten Seite verbunden sind, wird die Flüssigkeit
in der Zylinderkammer 20a des Zylinders 13 in die Zylinderkammer 19b des paarweise
angeordneten Zylinders 13 gefördert, so daß die Kolbenbewegungen nicht behindert
werden. Auf diese Weise entstehen keine Wärmedehnungsbeanspruchungen in den Teilen.
Schließlich werden durch die Kolbenbewegungen die inneren Volumen nicht geändert,
so daß auch der Innendruck in den Zylinderkammern unverändert bleibt.
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Wenn der Schwingungsschntzvorrichtung vom Rotor über das Lager 5
und die Endstütze 3 Schwingungen zugeführt werden, so arbeitet dieselbe folgendermaßen:
Wenn auf den oberen Teil, beispielsweise die Endstütze 5 der umlaufenden Maschine
eine Kraft einwirkt, durch die dieser in einer Richtung, beispielsweise nach
rechts
verschoben würde, so wird durch ein Kolbenpaar 10 eine Kraft ausgeübt, die eine
Verschiebung nach rechts bewirken würde. Die Flüssigkeit in den beiden Zylinderkammern
20a und 19b wird nämlich durch die Kolben 10 komprimiert. Wenn sich der obere Teil
der umlaufenden Maschine nach links verschieben würde, so neigt ebenso ein Kolbenpaar
10 dazu, sich nach links zu verschieben, da die Flüssigkeit in den Zylinderkammern
19a und 20b durch die Kolben 10 komprimiert wird. Da die Flüssigkeit im Vergleich
mit elastischem Gummi oder dergleichen praktisch vollkommen inkompressibel ist,
wird die Steifigkeit der Halterung, d. h.
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der Kolben-Zylinder-Einrichtung, extrem hoch und die natürliche Frequenz
der Maschine oder des Wellensystems kann leicht angehoben werden. Da somit Verschiebungen
des oberen Teils nach rechts oder links verhindert werden, werden auch Schwingungen
des oberen Teils der Maschine verhindert.
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Es soll nun das Ersatzfunktlonsbild der Fig. 3 erläutert werden.
Die Wärmedehnungen der jeweiligen Teile, nämlich der Endstütze 3, des Stators 2
und einer Schwingungsschutzvorrichtung 21 (mit 1, 6 und 7 sind der Rotor, das Fundament
bzw. die Seitenwand des Fundaments bezeichnet) seien d li, O l2 bzw. a 13, ihre
Steifigkeiten seien E , K2 bzw. 1 . Dann ist die Kraft infolge Wärmedehnung auf
die Schwingungsschutzvorrichtung 21:
Die Gesamtsteifigkeit eines Teils, das das Lager 5 trägt, ist:
.Daher muß, auch wenn es sich bei der Schwingungsschutzvorrichtung 21 um eine solche
herkömmlicher Art handelt, die elastisches Gummi oder dergleichen enthält, die Gesamtsteifigkeit
gemäß Gleichwlg (2) ausreichend hoch sein, und die Anordnung muß der Kraft gemäß
Gleichung (1) standhalten.
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Ist jedoch der Aufbau groß, so daß die Wäremdehnungen #11, #12 und
#13 groß werden, so ist es kornpliziert und unpraktisch, den elastischen Körper
in die bekannte Schwingungsschutzvorrichtung einzulegen und so die Bedingungen der
Gleichungen (1) und (2) zu erfüllen.
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Die erfindungsgemäße Schwingungsschutzvorrichtung 21 erfüllt beide
obige Bedingungen bei einfacher Konstruktion. Die erfindungsgemäße Schwingungsschutzvorrichtung
hat gleichzeitig den im folgenden beschriebenen besonderen Effekt. Sie wirkt selbstausrichtend,
so daß, wie oben beschrieben, obwohl bei zur Achse symmetrischen Deformationen kein
Widerstand ausgeübt wird, die aus der Zylinderkammer eines Zylinders ausgeleitete
Flüssigkeit in die Zylinderkammer auf der entgegengesetzten Seite des anderen Zylinders
in der symmetrischen Stellung bei asymmetrischen Deformationen geleitet wird, so
daß schließlich radiale Verschiebungen zwangsweise vermieden werden.
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Falls eine ungleichmäßige Reibungskraft und dergleichen, beispielsweise
m~~dem die Stütze oder den Stator tragenden Teil gegen freie Wärmedehnungen vorhanden
ist, so daß eine ungleichmäßige Deformation erzeugt wird und die Mitte der Endstütze
mit der Achse nicht mehr fluchtet, so wird diese Verschiebung automatisch korrigiert.
Somit befinden sich die Drehachse und die Lagermitte stets genau an der vorherbestimmten
Stelle, so da13 abnorme Schwingungen verhindert, die Lebensdauer der Maschine verlängert
und die Unterhaltungskosten verringert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Schwingungsschutzvorrichtung sind die Eolben-Zylinder-Einrichtungen
zwischen der Endstütze, d. h. der Lagerhalterung und dem Fundament in besonderer
Weise in Paaren angeordnet, so daß der Rotor durch die LagerhalteruYlg starr gehalten
wird. Die natürliche Frequnez der Rotorwelle ist damit hoch, so daß ein stabiler
Betrieb möglich ist.
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Da ferner die Vorrichtung auf Wärmedehnungen und -schrumpfungen der
Lagerhalterung flexibel reagiert, braucht die Lagerhalterung nicht besonders fest
ausgeführt zu werden. Die Tendenz, daß die umlaufende Maschine wegen der Lagerhalterung,
wie bei bekannten Ausführungsformen, groß dimensioniert werden muß, ist damit beseitigt.
Ferner eignet sich die erfindungsgemäße Schwingungsschutzvorrichtung für Maschinen
großer Leistung.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schwingungsschutzvorrichtung
sind. im Vergleich mit bekannten Vorrichtungen dieser Art keine komplizierteren
Veriahrenswe:isell oder spezielle Behandlungen hoher Genauigkeit erforderlich. Zusätzlich
weichen Montage und Installation nicht von denen benner Schwingungsschutzvorrichtungen
ab.
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Patentansprüche