DE2324029A1

DE2324029A1 - Wellenlagerung mit selbstkuehlung

Info

Publication number: DE2324029A1
Application number: DE2324029A
Authority: DE
Inventors: Christopher Louis Coccio
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-05-15
Filing date: 1973-05-12
Publication date: 1973-11-29
Also published as: FR2185263A5; JPS4947727A; CA994402A; JPS5321057B2

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Wellenlagerungen in großen Maschinen mit rotierender Welle und insbesondere betrifft die Erfindung die Kühlung der Lager der Welle und die Beseitigung von "heißen Flecken", welche dort auftreten können.

bei großen Maschinen mit rotierender Welle, beispielsweise bei Turbinen-Generator-Anlagen, werden Wellenlager verwendet, welche mit einem weichen Metall ausgekleidet oder ausgegossen sind, beispielsweise mit ßabbitt-Metall, um eine Beschädigung uer Welle durch Schmutzteilchen während des Normalbetriebes und durch eine Verminderung der Ölzufuhr in einer Ausnahmesituation zu verhindern. Es wii*d erwartet, daß unter ungünsti-

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gen Belastungsverhältnissen anstelle der nur mit großen Kosten zu reparierenden //eile das weiche Ba'obitt-Metall beschädigt wird.

Babbitt-Metali besitzt eine relativ niedrige Festigkeit und kann sogar unter normalen Betriebsbedingungen beschädigt werden, wenn bei der örtlichen Betriebstemperatur der örtliche Druck des Ölfilms die Kriechfestigkeit erreicht. Da sich die Lagertemperatur mit der Belastung erhöht und die Festigkeit des Babbitt-Metalls mit der Temperatur vermindert, wird die mögliche Druckbelastung für z. Zt. verfügbare Lager festgelegt durch die Unfähigkeit des Babbitt-Metalls, höheren Belastungen und den zugehörigen höheren Temperaturen zu widerstehen. In einem ölgekühlten Lager sind die Lagertemperaturen am größten in der Nähe der Stelle mit der kleinsten Dicke des Ölfilms und diese örtlichen Maximalwerte setzen die Betriebsgrenzen fest.

Ein Lösungsweg zur Erhöhung der Leistungsgrenzen des Lagers besteht in der Verminderung der Gesamtbetriebstemperatur des Lagers durcn Abführung von Wärme aus der ganzen aus Babbitt-Metali bestehenden Oberfläche in einen externen Wärmeaustauscher. Dieser Lösungsweg besitzt jedoch mehrere Nachteile. Die Leistung ist nach wie vor begrenzt durch die örtliche Temperatur heißer Flekken, welche weit oberhalb der Durchschnittswerte für die Temperatur des Babbitt-Metalls liegt. Ebenso v/erden hierbei externe «i/armeaustauscher und Hilfseinrichtungen benötigt.

Ein wirksamer erster Lösungsweg zur Verbesserung der Leistung würde darin bestehen, die Temperatur der "heißen Flecken" in dem Babbitt-Metali auf den Durchschnittswert der Temperatur des Babbitt-Metalls zu vermindern durch Übertragung der Wärme aus dem heißen Fleck an solche Bereiche des Babbitt-Metalls, welche eine Temperatur unterhalb der Durchschnittstemperatur besitzen. Wenn jedoch eine maximale Ausnutzung dieses selbstkühlenden Effektes stattgefunden hat, können weitere Verminderungen des Temperaturpegels erhalten werden durch eine Gesamtübertragung von Wärme an externe Wärmeaustauscher.

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Ungeachtet der für die Kühlung der heißen Flecken im Babbitt-Xetall verwendeten Wärmesenke besteht das Hauptproblem darin, einen WärmeÜbertragungsmechanismus zur Abführung der Wärme zu finden, welcher genau so wirksam ist wie der Mechanismus, mit dem die Wärme in das Babbitt-Metall eintritt. Der Ölfilm eines großen Lagers verteilt große Mengen von Wärmeenergie über kleine Flächen durch Viskosescheerwirkung, und diese Wärme wird leicht auf das Babbitt-Metall durch erzwungene Konvektion infolge der nohen Geschwindigkeit des Ölfilms parallel zur Oberfläche übertragen.

Wenn die Heißflecktemperaturen des Babbitt-Metalls vermindert werden können, dann werden die nachstehenden Vorteile erhalten. Da mit Erhönung des Durchmessers des Lagers die Temperatur des Ölfilms auf unzulässige Werte ansteigt, gestattet eine Kühlung der heißen Flecken durch verbesserten Wärmeübergang im Lager die Verwendung von Lagern mit größerem Durchmesser. Die Kühlung der heißen Flecken im Babbitt-Metall bei Lagern mit den gegenwärtig vorhandenen Durchmessern gestattet es, die gegenwärtig verwendeten Belastungen durch kürzere Lager aufzunehmen und vermindert daher die schädlichen Leistungsverluste über die Lagerlänge und führt zu einer Erhönung der Lagerstabilität. Schließlich gestattet der verbesserte Wärmeübergang eine Korrektur derjenigen Lagerprobleme, welche auf eine übermäßige Temperatur des Babbitt-Metalls zurückzuführen sind, wie sie bei den bereits in Verwendung befindlichen Maschinen auftreten kann.

Daher besitzt ein erfindungsgemäßes Lager für eine große Maschine mit rotierender Welle, beispielsweise ein Turbinen-Generatorsatz, eine Lageroberfläche, die in Kontaktbeziehung mit einem rotierenden Schaftteil steht. Ein Wärmerohr ist unmittelbar benachbart zur Kontaktoberfläche angeordnet und verläuft zwischen den "heißen Flecken" und relativ kühlen Lagerteilen und bewirkt dadurch einen Wärmeübergang zwischen diesen Stellen, sodaß das Lager auf einem durchschnittlichen Temperaturwert arbeitet..

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Et, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Wellenlager für eine große Maschine mit rotierender Welle zu schaffen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine in sich selbst abgeschlossene Einrichtung zur Verbesserung der Lagerkühlung zu erhalten.

Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, eine durchschnittliche Lagertemperatur ohne Auftreten von heißen Flecken aufrechtzuerhalten.

Figur 1 zeigt eine Aufsicht eines Wärmerohrs im Schnitt entlang seiner vertikalen Achse.

Figur 2 ist eine Endansicht eines Schnittes eines elliptischen Lagers für eine große Maschine mit rotierender Welle und zeigt die gemäß dieser Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung eingefügten Wärmerohre.

Figur 3 ist ein Schnitt längs der Linie III-III in Figur 2, wobei die Welle weggelassen ist.

Figur 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der unteren Lagerhälfte gemäß Figur 3.

Figur 5 zeigt eine alternative Konstruktion zur Konstruktion nach Figur 4.

Figur β ist eine ähnliche Ansicht wie in Figur 2 ; sie zeigt jedoch ein Drucklager mit Druckstück (pad) in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 7 ist eine Ansicht eines Druckstückes und eines Teils einer Ölzufuhreinrichtung und zeigt den Einbau der Wärmerohre vor dem Aufbringen der Oberfläche aus Babbitt-Metall.

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Figur 1 zeigt den allgemeinen Aufbau und die Arbeitsweise eines Wärmerohres, welches an sich nicht neu ist, jedoch für die Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das Wärnerohr besteht allgemein aus einer verschlossenen metallischen wärmeleitenden Umhüllung, in der Kapillareinrichtungen angeordnet sind, beispielsweise ein metallischer poröser Docht. Vor dem Verschließen der Wärmerohrumhüllung wird diese evakuiert und dann teilweise mit einer geeigneten Flüssigkeit gefüllt. Der metalliscne poröse Docht kann aus einem gesinterten Metall oder aus einer Maschendrahtrolle bestehen. Die Flüssigkeit für das Wärmerohr wird so gewählt, daß ihr Siedepunkt bei Normalatmosphäre angenähert angepaßt ist an die erwartete Arbeitstemperatur des Wärmerohrs und dadurch ein übermäßiger Dampfdruck vermieden wird. Für das Wärmerohr können andere konstruktive Formen und Materialien verwendet werden, wie sie beispielsweise im US-Patent 3 ^02 767 beschrieben sind. Die im einzelnen hier wiedergegeb<=ene Konstruktion des Wärmeronrs dient lediglich zur Veranschaulichung und ist nicht als ein beschränkendes Merkmal der Erfindung zu betrachten.

Die Arbeitsweise des Wärmerohrs ist dargestellt durch die Richtung der Strömungslinien (Pfeile) in Figur 1. Ein Ende des Wärmerohrs wird einem Wärmeeingang oder einem "heißen Fleck" ausgesetzt und dieser bewirkt, daß die Flüssigkeit an diesem Ende des Rohrs verdampft oder ihre Phase ändert. Diese Phasenänderung ist zurückzuführen auf die Wärmeabsorption oder -adsorption und auf eine überführung der Wärmeenergie von dem heißen Fleck zur metallischen Umhüllung und dann zu der Flüssigkeit, welche dabei verdampft wird. Der Dampf bewegt sich dann zum gegenüberliegenden Ende des Wärmerohrs, das relativ kalt ist. Der an diesem Ende des Rohrs kondensierte Dampf überträgt dabei die Wärmeenergie an die Umgebung und andererseits wird das Flüssigkeitskondensat von dem kühlen Ende des Rohrs zu dem heißen Fleck durch die Kapillarwirkung des porösen metallischen Dochtes zurückgesaugt. Daher ist hierbei eine zweite Phasenänderung erfolgt. Die Wärmeübertragungskoeffizienten für Verdampfung sind normalerweise sehr hoch; ein Wärmerohr erzielt jedocn- noch höhere Werte, da die Verdampfung in den vielen Menisken erfolgt, welche durch den porösen Docht ge-

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schaffen sind.

in den Figuren 2, 3> ^ und 5 ist die Anwendung des Wärmerohrprinzips auf eine elliptische Wellenlagerung dargestellt. Ein elliptisches Lager 11, wie es bei großen Maschinen mit rotierenden Wellen 15 verwendet wird, kann mit einem horizontalen Verbindungsteil 17 ausgestattet sein. Die Lageroberfläcne 19 ist gewöhnlich aus einer Auskleidung mit einem weichen Metall gebildet, um eine Beschädigung der Welle zu verhindern, wenn die Schmierung ausfällt oder die Welle überlastet wird; dieses weiche Metali kann beispielsweise Babbitt-Metall sein. Sin Ölfilm wird im Kreislauf über die Lageroberfläche geführt mit Hilfe eines Öleinlasses 21 und eines Ölauslasses 23. Innerhalb, des Lagers und unmittelbar .benachbart zur Lageroberfläche oder der Auskleidung mit Babbitt-Metall sind mindestens ein Paar von halbzylindriscnen Wärmerohren 25 vertikal ausgerichtet. In jeder Lagerhälfte ist mindestens ein Rohr enthalten und sie sind vertikal Ende an Ende so zueinander ausgerichtet, daß die jeweiligen Enden zwecks eines besseren Wärmeübergangs am Lager in Kontakt miteinander sind. Es ist sorgfältig zu beachten, daß die Wärmerohre nicht die Öffnungen für den Öleinlaß und ölauslaß nachteilig beeinflussen.

In den Figuren 3 und 4 ist ein Weg zur Anpassung der Wärmerohre an die Oberfläche des elliptischen Lagers dargestellt. Er besteht darin, das Lager so maschinell oder spanabhebend zu bearbeiten, daß kreisringförmige Tragstreben 29 gebildet werden, welche abwechselnde Kanäle Jl definieren, in denen mehrere halbzylindrische Wärmerohre 25 so angeordnet werden, daß sie im allgemeinen umkreisförmig bezüglich der Wellenachse angeordnet sind. In den Figuren 3 und 4 enthält das Wärmerohr eine metallische Umhüllung oder Hülle 35 und einen metallischen porösen Docht 37· tfie ersichtlich, tragen sowohl die Streben 29 und auch die Hülle 35 die Auskleidung aus weichem Metall oder die Lageroberfläche 19· Für Lager in einem Turbinen-Generatorsatz kann die metallische Hülle 35 aus einem Material mit hoher 7estigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit bestehen, beispielsweise aus Beryllium-Kupfer, während andererseits der poröse Docht aus einem gesinterten Metall oder

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einem Drahtnetz oder Maschendraht bestehen kann. Das Wärmerohr wird auch noch mit einer Fiü^ji_oKeit wie beispielsweise Wasser oder Alkohol gefüllt.

Eine andere Konstruktion ist in Figur 5 dargestellt, wobei hier die metallische Umhüllung 35 gemäß Figur 4 weggelassen ist. In' der Konstruktion nach Figur 5 wird die kapillare Einrichtung oder der poröse Docht 37 verwendet, um die Kanäle 31 auszukleiden oder zu füllen, welche durch die Streben 29 definiert sind. Die Lagerung selbst bildet dann einen Teil des Wärmerohrs. Zwischen der Lageroberfläche 19 aus Babbitt-Metall und dem Lager selbst ist ein Verkleidungsring 39 aus Beryllium-Kupfer eingefügt, welcher eine Wärmeübergangsoberfläche zwischen der Oberfläche des ßabbitt-Metalls und dem Wärmerohr 25 darstellt.

Die Figur 6 zeigt ein kippbares Drucklager Hl, welches eine Vielzahl von am Umfang im Abstand angeordneten Lagerdruckstücken 43 besitzt, welche zwischen diesen Teilen angeordnete Ölzuführungsbohrungen 45 und Wischer '47 besitzen. Eine rotierende Welle 49 ist in einer Bohrung durch das Lager angebracht und der Ansatzteil der Welle wurde zur Verdeutlichung der Darstellung weggelassen. Die Lageroberfläche 44 jedes der Druckstücke 43 kann mit Babbitt-Metall ausgekleidet sein.

Die Figur 7 zeigt die Anwendung von Wärmerohren 55 bei jedem einzelnen Lagerdruckstück 43. Die Konstruktion dieses Teils 43 kann so ausgelegt sein, daß der poröse Docht unmittelbar in die in dem Teil 43 ausgebildeten Kanäle eingesetzt ist, oder sie kann eine metallische Umhüllung als Teil des Wärmerohrs beinhalten. Die Wärmerohre verlaufen am Umkreis und führen in radialer Richtung von den Ölzuführungsbohrungen weg, so daß sie den "heißen Bereich" des Teils 43 erreichen können, welcher bezüglich der Ölzuführungsbohrung oder des kühlen Bereichs diagonal gegenüberliegt.

Im allgemeinen arbeitet die Einrichtung gemäß der Erfindung wie folgt: Unter Bezugnahme-auf Figur 2 und bei Betrachtung der Ansicht als "Zifferblatt einer Uhr" kann ein "heißer Fleck" auf der

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Laseroberfläche" infolge eines dünnen Ölfilms beispielsweise an einer Stelle entsprechend 5 ü;^' auftreten. Die Wärme wird von diesem Fleck in das untere Rohr hinein abgeführt und auf das obere Rohr, beispielsweise an einer Stelle entsprechend 11 Uhr, im oberen Lager übertragen- Daher wird die Lagertemperatur über die ganze Lageroberfläche einen Mittelwert einnehmen und eine zusätzliche Kühlung kann, wenn erforderlich, wirksamerweise ausgeführt werden unter Verwendung von Einrichtungen, die sich außerhalb des Lagers selbst befinden.

Das Lager mit Druckstück gemäß den Figuren β und 7 arbeitet in ähnlicher Weise. Die Wärme ertsteht an der Stelle der Oberfläche, welche diagonal der Olzuführungsbohrung für die dargestellte Drehung der Welle gegenüberliegt. Die Wärme wird von diesem entfernt gelegenen Ort auf den benachbart zur olzuführungsbohrung liegenden Bereich übertragen, welcher relativ kühl ist. Das Lagerstück arbeitet dann bei einem Mittelwert der Temperatur.

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Claims

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Pat entansprüche

Lager für eine rotierende Welle rr.it einer benachbart zur Welle definierten Lageroberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mit Zwei-Phasensystem ausgestattete, in sich abgeschlossene Wärmeübertragungseinrichtung (25) besitzt, welche sich zwischen einem heißeren Teil und einem kälteren Teil der Lageroberfläche (19) erstreckt zur Leitung der Wärme von Bereichen mit hoher Temperatur zu Bereichen mit niedriger Temperatur und zur Aufrechterhaltung einer durchschnittlichen Lagertemperatur.
2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung mindestens ein verschlossenes wärmeleitendes Rohr (25) besitzt, weiches sich an die äußere Gestalt mindestens eines Teils der Lageroberfläche (19) anpaßt.
3. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß· das verschlossene wärmeleitende Rohr enthält:

eine verschlossene wärmeleitende Hülle (35), eine im Innern dieser wärmeleitenden Hülle untergebrachte Kapillareinrichtung (37) und einen Vorrat von Flüssigkeit, welcher teilweise die wärmeleitende Hülle (35) füllt.
4. Lager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die kapillare Einrichtung ein poröser Docht (37) ist.
5. Lager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet., daß der poröse Docht (37) ein gesintertes Metall ist.
6. Lager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , -daß der poröse Docht ein Drahtnetz ist.

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7· Lager nach einem der vorgenannten Ansprüche3 dadurch gekennzeichnet , daß die Lageroberfläche (19) durch eine Bohrung durch das Lager benachbart zur rotierenden Welle (It)) definiert ist.
8. Lager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Lager mit kreisringförmigen Tragstreben (29) ausgestattet ist, welche unmittelbar benachbart zu der Lageroberfläche (19) sind.
9. Lager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmeübertragungseinrichtung wenigstens ein Wärmerohr (25) umfaßt, welches zwischen je einem Paar von kreisringförmigen Tragstreben (29) angebracht ist, und daß das Lager (15) für jedes Wärmerohr (25) eine getrennte wärmeleitende Hülle (35) aufweist.
10. Lager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmeübertragungseinrichtung mindestens ein Wärmerohr (25) umfaßt, welches zwischen je einem Paar der kreisringförmigen: Tragstreben (29) angeordnet ist· und weiterhin einen wärmeleitenden Ring (39) konzentrisch zur rotierenden Welle zum Verschluß des Wärmerohrs im Lager enthält.
11. Lager nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet , daß die Lageroberfläche durch eine Vielzahl von am Umfang angeordneten Druckstücken (43) definiert ist.
12. Lager nach Anspruch 11, dadurch gekennzei chnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung mindestens ein Wärmerohr (55) für jedes dieser Druckstücke (^3) enthält.

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13· Lager nach Anspruch 12 _a dadurch gekennzeichnet , daß sich das Wärmerohr (55) bezüglich der Vv'ellenachse sowohl in radialer als auch in umkreisförmiger Richtung erstreckt.

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