DE2514054A1

DE2514054A1 - Kombiniertes gasgeschmiertes lager fuer gasturbinenrotoren

Info

Publication number: DE2514054A1
Application number: DE19752514054
Authority: DE
Inventors: Alois Dipl Ing Rohra
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1975-03-29
Filing date: 1975-03-29
Publication date: 1976-10-07
Also published as: DE2514054C2

Description

Kombiniertes gasgeschmiertes Lager für Gasturbinenrotoren Die Erfindung betrifft eine gasgeschmiert Radiallager in aerostatisch und aerodynamisch kombinierter Bauart, insbesondere für die Verwendung in Gasturbinen mit hoher Prozeßtemperatur.
Für Gasturbinen mit erhöhten Prozeßtemperaturen ist der Einsatz konventioneller Wälz- und Gleitlager vor allem wegen der hohen thermischen Schmierstoffbelastung nahezu aussichtslos.
Demgegenüber erscheint die Anwendung von gasgeschmierten Lagern erfolgversprechend.
Schwierigkeiten bereitet Jedoch die genaue Einhaltung des Schmierspaltes des Lagers während des Betriebes und der Verschleiß der Lagerteile während der An- und Auslaufvorgänge des Turbinenläufers. Der Forderung nach geringer Spalt änderung kann mit Werkstoffen älirdioher oder gleicher Wärmeausdehnungskoef fizientenfür Welle und Lagerschale entsprochen werden, wenn zusätzlichdafür gesorgt wird, daß beide Teile während des Betriebes annähernd gleiche Temperaturen aufweisen. Bei Verwendung von Laufrädern mit integral verbundener Welle aus keramischen Werkstoffen bietet sich als eine Lösungsmöglichkeit,die Lagerschale aus dem gleichen Werkstoff herzustellen, aus dem auch die Welle besteht.
Ein weiteres Problem ist der Verschleiß der Lagerteile während der An- und Auslaufvorgänge. Dieser kann dadurch geeignete Wahl der Gleitpaarungen und durch eine aerostatische Druckbeaufschlagung des Lagers während dieser Phasen vermindert werden.
Bei gasgeschmierten Lagern kann es zudem zu unerwünschten Lagerschwingungen kommen. Diese Instabilitäten sind bei konventionellen aerostaischen Lagern bereits bei Wellenstillstand möglich.
Sie werden dadurch hervorgerufen, daß bei Eintritt des Schmiermediums über die Einstrbmöffnungen (Düsen) zunächst in den unteren Lagerkammern ein größerer Druckaufbau erfolgt als in den oberen. Das führt dazu, daß die Welle angehoben wird' infolge ihrer Trägheit über'die Gleichgewichtslage hinausschwingt, um anschließend wieder nach unten zu fallen und den Vorgang von neuem zu beginnen. Diese Instabilität kann wie bekannt durch Verwendung eines porösen Werkstoffs für die Lagerschale, durch die das Schmiermedium in den Lagerspalt strömen kann, weitgehend vermieden werden.
Eine weitere Instabilität gasgeschmierter Lager stellt der Halbfrequenzwirbel dar. Er wird durch aerodynamische Einrlttsse - hervorgerufen und begrenzt den Drehzahlbereich dieser Lager ;-cnach oben, da hier der Schmierfilm zur Selbsterregung des Läufers führt.
Es ist bekannt, daß eine gewisse Drehzahlsteigerung ohne Auftreten des Halbfrequenzwirbels u.a. durch höhere Lagersteifigkeit, durch erhöhten Speisedruck, durch Verringerung der Rotormasse, durch Einbringen von Staufeldern in Lagerschale oder Lagerzapfen oder durch eine Aufhängung der Lagerschale mit Hilfe elastischer Elemente, die zusätzlich gute Dämpfungseigenschaften aufweisen, erzielt werden kann.
So sind aerostatisch arbeitende Lager bekannt geworden, deren Lagerschalen z B. über O-Ringe im Gehäuse aufgehängt wurden, die sowohl zur Abdichtung des Druckraumes als auch zur Dämpfung des Lagers dienten.
Für erhöhte Lagertemperaturen sind die üblicherweise aus Gummi oder Elastomeren bestehenden O-Ringe aber weder zur Abdichtung, noch zur Dämpfung des Lagers geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für ein kombiniert aerostatisch und aerodynamisch arbeitendes Radiallager ein Element oder eine Kombination von Elementen zu finden, die bei den vorhandenen Betriebsbedingungen inder Lage sind, den Druckraum des Lagers abzudichten und eine äußere Lagerdämpfung zu bewirken.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß das Lager aus einem Außenring, einer Lagerschale, zwei oder mehr Dämpfungselementen und vier oder mehr Dichtringen besteht, wobei durch entsprechende Anordnung der Dichtringe zwischen Außenring und Lagerschale ein Ringraum und damit ein Druckraum für das schmierende Gas entsteht, in dem auch die Dämpfungselemente und die. Dichtringe angeordnet sind.
Die durch die Aufhängung der Lagerschale über die Dämpfungselemente erzielte äußere Lagerdämpfung sowie der zusätzliche Dämpfungseffekt durch mechanische Reibung der Dichtringe aneinander bietet die Möglichkeit einer Drehzahlsteigerung ohne Einsetzen des Halbfrequenzwirbels.
In weiterer Ausbildung bestehen der Außenring, die Lagerschale, die Dämpfungselemente und die Dichtringe aus einem keramischen Werkstoff, wodurch eine hohe Wärmebeständigkeit des Lagers erzielt wird.
In weiterer Ausgestaltung wird die Anordnung der Dämpfungselemente jeweils an den beiden Enden des Druckraumes vorgenommen, wodurch das Lager unempfindlicher gegen Schrägstellung der Welle, Lagerverkantung u.ä. wird.
In weiterer Ausgestaltung bestehen die Dämpfungselemente aus einer Kombination von plättchenförmigen Teilen und einem keramischen Faserwerkstoff, der in die durch die Anordnung der plättchenförmigen Teile gebildeten Zwischenräume eingebracht ist. Die plättchenförmigen Teile dienen im wesentlichen zur Zentrierung, der Faserwerkstoff im wesentlichen zur Dämpfung der Lagerschale.
Als Faserwerkstoff kann z.B. eine aus Porzellanerde geblasene ToneSde-Silikat-Faserder Fa. Morganite Ceramic Fibres Limsted Cheshire, England, mit der Bezeichnung Triton-Kaowool verwendet werden.
In weiterer Ausgestaltung sind die Dichtringe paarweise an den beiden Enden des Druckraumes angeordnet, wodurch das Entweichen des Schmiermediums verhindert wird. Zusätzlich wird ein weiterer Dämpfungseffekt durch mechanische Reibung der durch die Druckluft gegeneinander gepreßten Dichtringe erzeugt.
In weiterer Ausgestaltung sind für die Zufuhr des Schmiermittels eine oder mehrere Gffnungen im Außenring vorgesehen. Dadurch kann das Schmiermedium in einfacher Weise in den Druckraum eingeführt und rundum verteilt werden.
In weiterer Ausgestaltung weist die Lagerschale eine poröse Werkstoffstruktur auf. Dadurch wird die Tragluft einfach und gleichmäßig über die gesamte Lagerbreite verteilt und die oben beschriebene Instabilität verhindert.
Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren dargestellt und wird näher erläutert: Es zeigen: Fig. 1 einen iängsschnitt durch ein erfindungsgernäßes lager Fig. 2 einen Schnitt durch das Lager nach Fig. 1 gemaß Schnittlinie II - II.
Das Lager besteht aus einem Außenring 1 und einer porosen Lagerschale 3. Die erforderliche Abdichtung des Druekraumes 6 erfolgt über die Dichtringe 4 und 5, die an beiden Enden des Lagers angeordnet sind. Die Zufuhr des Schmiermediums in den Druckraum wird über die im Außenring 1 befindlichen Öffüungen 7 vorgenommen. Von dort gelangt das Schmiermittel durch die Vielzahl der durch den porösen Werkstoff der Lagerschale 3 gebildeten Drosselstellen in den Lagerspalt 8. Die innerhalb des Druckraumes auf beiden Seiten des Lagers angeordneten Dämpfungselemente, bestehend aus Plättchen 2 und keramischem Faserwerkstoff 9, dienen zur Dämpfung und Zentrierung der lagerschale 3 im Außenring 1 und damit im Gehäuse. Die Dämpfungseleinente sind dabei zweckmäßigerweise mit Ihrer Mittelpartie lo an der Lagerschale befestigt.

Claims

Patentansprüche

1.Gasgeschmiertes Radiallager in aerostatisch und aerodynamisch kombinierter Bauart, insbesondere für die Verwendung in Gasturbinen mit hoher Prozeßtemperatur, dadurch kennzeichnet, daß das Lager aus einem Außenring (1), einer Lagerschale (3), zwei oder rnehr Dämpfungselementen (2, 9) und vier oder mehr Dichtringen (5, 6) besteht, wobei durch entsprechende Anordnung der Dichtringe zwischen Außenring und Lagerschale ein Ringraum und damit ein Druckraum (6) für das schmierende Gas entsteht, in dem die Dämpfungselemente und die Dichtringe angeordnet sind.

2. Gasgeschmiertes Radiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring, die Lagerschale, die Dämpfungselemente und die Dichtringe aus keramischem Werkstoff bestehen.

3. Gasgeschmiertes Radiallager nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem axialen Lagerende ein Dämpfungselement bestehend aus keramischen Plättchen (2) und keramischem Faserwerkstoff (9) angeordnet ist.

4. Gasgeschmiertes Radiallager nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente aus plättchenförmigen Teilen (2), die im wesentlichen zur Zentrierung der Lagerschale im Außenring dienen, und aus Faserwerkstoff (9) der, in die durch die Anordnung der plättchenförmigen Teile entstehenden Zwischenräume eingebracht, im wesentlichen zur Dämpfung der Lagerschale dient, bestehen.

5. Gasgeschmiertes Radiallager nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (4, 5) paarweise an den beiden Enden des Druckraumes angeordnet sind.

6. Gasgeschmiertes Radiallager nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zufuhr des Schmiermittels eine oder mehrere Uffnungen(7) im Außenring vorgesehen sind.

7. Gasgeschmiertes Radiallager nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale eine poröse Werkstoffstruktur aufweist.

8. Gasgeschmiertes Radiallager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die plättchenförmigen Teile mit ihrer Mittelpartie (lo) an der Lagerschale befestigt sind und sich mit ihren Endpartien am Außenring abstützen.