DE2355938A1

DE2355938A1 - Segment-drucklager

Info

Publication number: DE2355938A1
Application number: DE2355938A
Authority: DE
Inventors: Isao Ishida; Yutaka Kitano
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-11-10
Filing date: 1973-11-08
Publication date: 1974-05-30
Also published as: JPS4967063A; US3905657A

Description

Patentanwälte
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8l-21..656P(21.657H) 8. 11. 1973

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Segment-Drucklager

Segment-Drucklager besitzen meist einen an der umlaufenden Welle befestigten Lager-Mitläufer oder eine Lager-Druckscheibe, die sich gleitend auf einer Vielzahl von Lagerklötzen abstützt und die zusammen mit den Lagerklötzen von einem mit Schmieröl gefüllten Behälter umgeben ist. Bei einer solchen Lageranordnung wird das gesamte Gewicht der rotierenden Teile beispielsweise eines Wasserturbinen-Generators von den Lagerklötzen gleitend aufgenommen.

Der Leistungsverlust derartiger Segment-Drucklager setzt-sich aus dem Reibungsverlust an der Gleitfläche zwischen der Lagerdruckscheibe und den Lagerklötzen und einem durch die Bewegung der Lager-

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druckscheibe im Schmieröl verursachten Wirbelverlust zusammen. Der Wirbelverlust des Schmieröls vergrößert sich mit ansteigender Umfangsgeschwindigkeit der Lagerdruckscheibe. Meist ist es unmöglich, die Vergrößerung des Wirbelverlustes zu steuern, weil die Lagerdruckscheibe in Kontakt mit dem Schmieröl umläuft, und zwar über einen beträchtlichen Teil ihrer Flächen inklusive ihrer Gleitfläche mit den Lagerklötzen. Zur Verringerung der Wirbel Verluste ist es zweckmäßig, den Schmierölstand bis nahe an die Gleitfläche zu senken. Ein abgesenkter Ölstand führt jedoch aufgrund der im Öl rotierenden Lager-Druckscheibe zu einer in Fig. 1 strichpunktiert gezeigten Ölverteilung im Behälter, durch die die Gleitfläche oberhalb des Ölspiegels gelangen kann, was zum Aufhören der Schmierung und zum Festfressen der Lager führt. Daher ist ein einfaches Absenken des Olpegels ohne geeignete Überwachung oder Messungen nicht durchführbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Wirbelverluste bei einem Segment-Drucklager der eingangs genannten Art um einen höchstmöglichen Wert zu senken. Hierzu wird das Schmieröl nur zur Gleitfläche zwischen der umlaufenden Lagerdruckscheibe und den Lagerklötzen gefördert, wobei die anderen Flächen der Lagerdruckscheiben vom Öl frei bleiben, so daß der durch die Verwirbelung des Schmieröls durch die Lagerdruckscheibe verursachte Verlust wesentlich gesenkt und der Wirkungsgrad der Maschine gesteigert wird.

Erfindungsgemäß ist eine Öl-Überström-Kammer um jeden sektorförmigen Lagerklotz an seinen radialen und äußeren Seiten und mindestens an der in Drehrichtung der Lagerdruckscheibe vorderen Seite

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des Klotzes vorgesehen, die zur Gleitfläche des Klotzes offen ist und aus der Schmieröl in einer zur Ausbildung eines, Gleit- und Kühlfilmes ausreichenden Menge zu der Gleitfläche zwishhen dem Lager-' klotz und der Lagerdruckscheibe gelangt. ^

Im folgenden werden verschiedene Ausführungen von Segment-Drucklagern anhand der Zeichnung genauer beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein herkömmliches Segment-Drucklager einer vertikalen Wasserturbine,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Segment-Drucklager gemäß der Erfindung,

Fig. 3 bis 6 verschiedene Ausführungen von in dem Segment-Drucklager gemäß der Erfindung verwendeten Lagerklötzen in perspektivischer Darstellung,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Lagsrklotz,

Fig. 8 einen vertikalen Längsschnitt durch ein mit einem Führungslager versehenes Segment-Drucklager gemäß der Erfindung,

Fig. 9 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen den Drehzahlen und den Lagerverlusten.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Segment-Druck-

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ORlGiMAL INSPECTED

lager stützt sich eine fest mit einer umlaufenden Welle 1 verbundene Lager-Druckscheibe 2 gleitend auf einer Vielzahl von Lagerklötzen 3 ab. Die Lager-Druckscheibe 2 ebenso wie die Klötze 3 sind von einem mit Schmieröl 5 gefüllten Behälter oder Gehäuse 4 umgeben. Bei einer derartigen Anordnung wird das gesamte Gewicht der rotierenden Teile, z'. B. eines Wasserturbinen-Generators, gleitend von den Klötzen getragen. Beträgt beispielsweise die Abgabeleistung des Wasserturbinen-Generators 100 MVA und die Drehzahl 112,5 Upm, dann sind der Reibungsverlust annähernd 100 kW und der Rühr- bzw. Wirbelverlust 100 kW. Aufgrund wirtschaftlicher Erwägungen besteht die Tendenz, die Größen und Drehzahlen von Wasserturbinen-Generatoren zu vergrößern, was wiederum weitere Probleme insbesondere hinsichtlich einer Vergrößerung der Lagerverluste auf überraschend hohe Werte ergibt. Bei einem Wasserturbinen-Generator mit einer Leistung von beispielsweise 300 MVA und einer Drehzahl von 500 Upm liegen die Lagerverluste bei 6000 kW, von denen 5000 kW auf die Rühr- bzw. Wirbelverluste entfallen. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Reibungsverluste proportional der l,5ten Potenz (dritte Potenz/zweite Potenz) der Umfangsgeschwindigkeit der Lagerscheibe, wohingegen die Wirbelverluste proportional zur dritten Potenz der Umfangsgeschwindigkeit der Lagerscheibe sind. Wird daher das Schmieröl im Gehäuse (nicht) auf einem Stand oberhalb der Gleitfläche der die Lagerklötze berührenden Lagerscheibe gehalten, können die Wirbelverluste nicht verringert werden, wie es bei herkömmlichen Segment-Drucklagern der Fall ist. Wird dagegen der Ölstand unter die Gleitflächen abgesenkt, dann ist die Möglichkeit einer unerwünschten Verwirbelung des Schmieröls durch die Lagerscheibe beseitigt, und keine Wirbelverluste vergrößern somit die Lagerverluste.

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Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Segment-Drucklagers wird anhand der Fig. 2 und 3 im einzelnen beschrieben. Die mit einem Rotor eines Wasserturbinen-Generators fest verbundene Drehwelle 1 ist mit einem Läufer einer Wasserturbine am unteren Ende verbunden. Eine an der Welle befestigte profilierte Lager-Druckscheibe 2 stützt sich mit ihrer ringförmigen Gleitfläche auf mehreren Lagerklötzen 3 von in horizontaler Ebene sektorförmiger Gestalt ab. In einem Ölbehälter 4 wird Schmieröl 5 gesammelt, nachdem es die Schmierung der tragenden Teile der Lagerklötze 3 und danach der Lag er scheibe 2 und der Lagerklötze 3 vollendet hat. An den radial inneren und äußeren Seiten des Lagerklotzes 3 sind Platten 6 A und 6 B vorgesehen, die sich in einer weiteren Platte 7 an der Vorderseite des Klotzes "fortsetzen, die entgegen der Drehrichtung der Lagerscheibe 2 liegt. Diese Platten 6 A, 6B und 7 erstrecken sich bis zur Unterseite des Lagerklotzes 3 und bilden eine Ölüberströmkammer 8, die zu der in Gleitkontakt zur Fläche F des Klotzes 3 stehenden Fläche der Lagerscheibe 2 hin offen ist. Durch ein Ölzuströmrohr 9 wird gekühltes Schmieröl in die Überströmkammer 8 gefördert. Durch eine Ölrücklaufleitung 10 wird das Öl in den Behälter 4 zurückgeführt. Zwischen die Rücklauf leitung 10 und die Förderleitung 9 sind eine Ölpumpe 11 und ein Ölkühler 12 eingeschaltet, die eine Fördereinheit bilden.

Beim Betrieb des Wasserturbinen-Generators wird durch die Pumpe, 11 kontinuierlich gekühltes Schmieröl in die Über ström kammer 8 gefördert, aus welcher ein Ölüberlauf erfolgt« Sobald daher die Lagerscheibe 2· anläuft, gelangt das überströmende Schmieröl auf die Fläche des gegenüber der Lagerscheibe 2 gleitenden Klotzes

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und schmiert und kühlt gleichzeitig die Scheibe 2 und den Klotz 3. Die Menge an zur Überstrom kammer 8 gefördertem Öl sollte so gewählt werden, daß ein Ölfilm im Spalt zwischen der Scheibe 2 und dem Lagerklotz 3 erhalten wird. Die Förderung von einer den erforderlichen Wert übersteigenden Ölmenge führt zu keiner wesentlich verbesserten Wirkung.

Erfindungsgemäß wird somit die Schmierung und Kühlung der Lagerscheibe 2 und der Klötze 3 durch die an den Seiten jedes Lagerklotzes 3 vorgesehene Über ström kamm er 8 bewirkt, so daß der Ölstand L in dem Ölbehälter 4 bis zu einem mittleren Bereich des Klotzes 3 abgesenkt werden kann. Dadurch kann die Öl-Berührungs-Fläche der Lagerscheibe 2 auf ihre Gleitfläche begrenzt werden, wobei ihre anderen Flächen das Schmieröl nicht mehr berühren. Dies führt zu einer außerordentlich großen Verringerung der Wirbelverluste des Schmieröls.

Die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Lagerausführung ist für eine in einer Dretirichtung umlaufende Maschine geeignet. Bei einem Segment-Drucklager für in beiden Drehrichtungen umlaufeide Maschinen ist eine den Lagerklotz 3 allseitig umgebende Platte 7 A vorgesehen, durch die eine zur relativen Gleitfläche S des Blockes 3 offene Uberströmkammer 10 gebildet wird, aus der Schmieröl zur Gleitfläche S des Lagerblockes 3 unabhängig von der Drehrichtung der Maschine gefördert werden kann.

Wie dargelegt, werden bei diesen Ausführungen die Ölüber ström kammern 8 und 10 durch die Außenseiten der Lagerklötze 3 umgebende

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Platten 6A, 6B, 7 und 7A gebildet. Anstatt der Platten 6A, 6B, 7 und 7 A kann die Überströmkammer auch durch Nuten 13 oder 14 am Umfang der Gleitfläche S des Klotzes 3 gebildet werden (Fig. 5 oder 6). Der Lagerklotz nach Fig. 5 wird in einer in beiden Drehrichtungen umlaufenden Maschine verwendet, wobei die innere Umfangsnut 13 die gesamte Gleitfläche S des Lagerklotzes 3 innerhalb der Peripherie umgibt. Der Lagerklotz 3 nach Fig. 6 wird in einer in der durch den Pfeil gekennzeichneten Drehrichtung umlaufenden Maschine eingesetzt. Bei diesem Klotz erstreckt sich die Nut 14 an den radialen Innen- und Außenseiten sowie an der bezogen auf die Drehrichtung der Lagerscheibe vorderen Seite des Klotzes.

Bei einer allseitigen, durchgehenden Überströmkammer für eine in beiden Drehrichtungen umlaufende Maschine am Rande der Gleitfläche S des Lagerklotzes 3 sind zwei Nuten 15 A und 15 B rechtwinklig zur Drehrichtung (an den linken und rechten Seiten in Fig. 7) der umlaufenden Lagerscheibe 2 ausgebildet (Fig. 7). Wenn Schmieröl kontinuierlich durch die Anschlüsse 9 A und 9 B in diese beiden Nuten 15 A und 15 B gefördert wird und die Lagerscheibe 2, wie in Fig. 7 gezeigt, von rechts nach links dreht, dann strömt das zu der linken Nut 15 B geförderte Öl entgegen der Drehrichtung der Lager scheibe aus der Nut 15 B in den Ölbehälter, ohne daß es zur Kontaktfläche zwischen der Lagerscheibe 2 und dem Lagerklotz 3 gelangt ist. Aus diesem Grund sind Ventile 9 C, 9D in den jeweiligen Anschlüssen 9 A, 9 B vorgesehen, so daß bei einer von rechts nach links drehenden Scheibe 2 Schmieröl nur zur Nut 15 A an der rechten Seite des Klotzes 3 gefördert wird und nur in

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Richtung des voll ausgezogenen Pfeiles strömt. Dadurch tritt nur eine geringe Schmierölmenge entgegen der Drehrichtung der Lagerscheibe 2 aus der Nut aus und fließt zum Ölbehälter zurück, wohingegen der Hauptteil des Schmieröls in den Spalt zwischen die Lagerscheibe 2 und den Klotz 3" bei einer Rotation der Scheibe eintritt und dabei einen Schmierfilm bildet, welcher gleichzeitig die Lagerscheibe und den Klotz kühlt. Läuft dagegen die Lagerscheibe 2 in Fig. 7 von links nach rechts, dann wird nur die Nut 15 B an der linken Seite des Lagerklotzes 3 mit Schmieröl beaufschlagt, so daß es in Richtung des gestrichelten Pfeiles strömt und in gleicher Weise wie beim Rechts-nach-Links-Betrieb wirkt.

Wird eine solche Anordnung getroffen, daß während des Überströmens von Schmieröl aus der Nut 15 A ein Unterdruck an der der Nut 15A gegenüberliegenden Nut 15 B anliegt, dann wird das Schmieröl aus dem Gleitraum zwischen der Lagerscheibe 2 und dem Klotz 3 abgesäugt, ohne daß bereits erwärmtes Öl zum nächstfolgenden Klotz gelangen kann, der nur mit gekühltem Öl beaufschlagt wird, so daß sich dadurch die Kühlwirkung des Segment-Drucklagers vergrößert.

Unter den oben beschriebenen Lagerausführungen kann bei einem bestimmten Lagertyp ein Führungslager vorgesehen werden. Bei einer solchen, in Fig. 8 gezeigten Lagerausführung führt eine vom Ölzulauf 9 abzweigende Leitung 9' ,zu einer von einem Lagertragarm 17 umschlossenen Überströmkammer 19. Der Lagerarm stützt sich an einem Führungsklotz 16 ab und.trägt eine Platte 18. Zur Erzeugung einer Umströmung kann Schmieröl in diese Kammer

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gefördert werden, wobei der Führungsklotz nicht in das in den Ölbehälter 4 eingespeiste Schmieröl eintauchen soll, um so nur einen geringen Anstieg der Lagerverluste aufgrund einer Ölverwirbelung durch die Lagerscheibe 2 zu erhalten. In Fig. 8 sind die der Fig. 2 entsprechenden Teile nicht erklärt und mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 9 sind die Lagerverluste eines Generators bei unterschiedlichen Drehzahlen graphisch dargestellt, dessen Läufer einen Außendurchmesser von 3100 mm hat und der eine Abgangs leistung von 300 MVA. besitzt. Die Kurve I kennzeichnet die Lagerverluste bei einem herkömmlichen Segment-Drucklager mit Führungslager, bei dem das Führungslager in das Schmieröl eintaucht. Die Kurve II gibt die Lagerverluste eines erfindungsgemäßen Drucklagers nach Fig. 8 an.

Den Kurven kann entnommen werden, daß bei einer Konstruktion mit einem zur relativen Gleitfläche des Lagerklotzes abgesenkten Ölstand eine Verringerung der Verluste von annähernd 5000 kW bei 500 Upm erreicht wird, was beweist, daß eine derartige Ausführung außerordentlich vorteilhaft für eine hochtourig umlaufende Maschine ist.

Gemäß der Erfindung wird eine Überströmkammer am Umfang der tragenden Gleitfläche eines jeden Lagerklotzes vorgesehen, um die Lagerscheibe und den Lagerklotz durch aus dieser Kammer überfließendes Öl zu schmieren und gleichzeitig zu kühlen, wobei der Öl-

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stand in dem die Lagerscheibe und die Lagerklötze umgebenden Behälter bis unter die Gleitflächen der Lagerscheibe und der Klötze abgesenkt werden kann. Aufgrund des geringen durch die Rotation der in das Schmieröl eingetauchten Lagerscheibe verursachten Wirbelverluste ergibt sich eine außerordentlich hohe Reduktion der Lagerverluste im Segment-Drucklager. Der geringe Ölstand erlaubt eine Verkleinerung des Ölbehälters und der erforderlichen Ölmenge, die lediglich zur Ausbildung eines Ölfilmes zwischen der Lagerscheibe und dem Lagerklotz ausreichen muß, was unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten einen außerordentlichen Vorteil darstellt.

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Claims

A ηsprüche

r 1J Segment-Drucklager für Maschinen mit senkrechter rotierender Welle, bei dem eine Lager-Drucks cheibe auf der Welle befestigt ist, die sich gleitend auf mehreren Lager klotzen von horizontal sektorförmigem Querschnitt abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den radial inneren und äußeren Seiten und an der in Drehrichtung der Lager-Druckscheibe (2) vorderen Seite jedes Lagerklotzes (3) eine' Überströmkammer (8) erstreckt, die zur Gleitfläche (S) des Lagerklotzes offen ist, und daß die Überströmkammer. (8, 10) an einen Ölkreis (9 - 12) angeschlossen ist, der eine zur Ausbildung eines Schmier- und Kühlfilmes auf der Gleitfläche (S) ausreichende Menge an Schmieröl liefert.
2. Segment-Drucklager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine durchgehende Überstrom kamm er (10) die Gleitfläche (S) allseitig umgibt und zwei Teile (15 A, 15B) rechtwinklig zur Drehrichtung der Lagerdruckscheibe (2) verlaufen, zu denen Sperrventile (9 C, 9D) enthaltende Zuflußleitungen (9 A, 9B) führen, so daß je nach Drehrichtung der eine oder andere Teil (15 A bzw. 15B) der Kammer (10) mit Schmieröl beaufschlagbar ist.
3. Segment-Drucklager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Ölbehälter (4) zur Über.strömkammer (8, 10) führenden Schmierölkreis (9, 10) eine Pumpe (ll) und ein Kühler (12) eingeschaltet sind.

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4. Segment-Drucklager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmkammer (8) als die Gleitfläche (S) des Lagerklotzes (3) begrenzende, in den Lag er klotz eingearbeitete Nut (13, 14, 15) ausgebildet ist.
5. Segment-Drucklager nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Führungslager, dadurch gekennzeichnet, daß sich Lager-Führungsklötze (16 ) unter Ausbildung einer an den Ölkreis (9, 12) angeschlossenen Ölkammer (19) an einem stationären Tragarm (17) abstützen, an dem eine Platte (18) befestigt ist.

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