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Stiii; zeinrichtuni
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Die Erfindung betrifft eine Stützeinrichtung für einen gelagerten,
relativ zu einem tragenden Teil bewegbaren Teil Bei der Lagerung von Kraft- und
Arbeitsmaschinen, z B. Wasserturbinen und Pumpen, besteht der bewegbare Teil aus
der Welle des Rotors, der üblicherweise in zwei oder mehreren Lagern gelagert ist.
Die Lager wurden bisher so dimensioniert, dass sie die beim Normalbetrieb auftretenden
Kräfte, wie auch die ausnahmsweise auftretenden dynamischen Kräfte aufnehmen. Die
dynamischen Kräfte, die z. B. beim Anfahren, beim Abschalten oder auch beim Umschalten
auftreten, betragen ein Vielfaches der Normalkräfte. Da somit die Lager sehr steif
ausgebildet werden müssen, ergeben sich ausserdem in diesen Zwangskräfte, die durch
Temperaturänderungen hervorgeru--fen werden und ebenfalls ein Vielfaches der Lagerkräfte
betragen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu treffen,
die es ermöglicht, die Lager im wesentlichen nur für die Normalkräfte zu dimensionieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Stützeinrichtung
einen
im tragenden Teil geführten Kolben aufweist, dessen eines Ende dem bewegbaren Teil
zugewendet ist und dessen anderes Ende zur Erzeugung einer auf den bewegbaren Teil
wirkenden, konstanten vorgegebenen Anpresskraft von einem hydraulischen Druckmittel
beaufschlagt ist, das in einem Raum enthalten istX der eine Zuführleitung für das
hydraulische Drucknittel aufweist, in der eine Drosselstelle angeordnet ist, so
dass bei Auftreten dynamischer, auf den bewegbaren Teil wirkender Kräfte die vom
Druckmittel erzeugte Anpresskraft grösser wird.
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Mit Hilfe der neuen Sttitzeinrichtung wird es möglich, die nur- selten
auftretenden dynamischen Kräfte von der Stützeinrichtung aufnehmen zu lassen, so
dass die Lagerung, die elastisch ausgeführt werden kann, von den dynamischen Kräften
praktisch unbeeinflusst bleibt. Die neue Stützeinrichtung ist also im Normalbetrieb
kein Lager im eigentlichen Sinne, denn sie liegt am bewegbaren Teil nur mit der
konstanten, relativ kleinen Kraft an und ist ständig in Bereitschaft, um beim Auftreten
von aus dynamischen Kräften resultierenden plötzlichen Bewegungen den bewegbaren
Teil abzustützen. Langsame Bewegungen des bewegbaren Teiles werden von der Stützeinrichtung
ohne weiteres mitgemacht, da die Drosselstelle solchen Bewegungen des Kolbens praktisch
keinen Widerstand entgegenbringt. Mit der neuen Stützeinrichtung wird also die Lagerung
des bewegbaren Teils weniger stark beansprucht als bisher, so dass sie konstruktiv
einfacher und damit kostensparender hergestellt werden kann; ausserdem ist sie betriebssicherer.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in der
Zufuhrleitung
- in Richtung des dem Raum zuströmenden Druckmittels gesehen - vor der Drosselstelle
ein Abschlussorgan vorgesehen, das normalerweise offen ist und beim Auftreten dynamischer,
über längere Zeit auf den bewegbaren Teil wirkender Kräfte, z. B. bei Umschaltvorgängen,
geschlossen wird.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung
anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. l einen Schnitt durch eine Stützeinrichtung
nach der Erfindung, Fig. la ein Kraft/Weg-Diagramms Fig. 2 einen Schnitt durch eine
Stützeinrichtung zusammen mit einem hydrostatischen Stützkolben und Fig. 3 bis 5
je einen Schnitt durch die erfindungsgemässe Stützeinrichtung mit abgewandeltem
hydrostatischem Stützkolben.
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Gemäss Fig, 1 sind ein tragender Teil 1 und ein bewegbarer Teil 2,
z. B. die Welle einer rotierenden Maschine, schematisch dargestellt.
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Der bewegbare Teil 2 ist in nicht näher dargestellter Weise auf dem
tragenden Teil 1 gelagert, z. B. mittels bekannter hydrodynamischer Lagersegmente.
Diese Lagerung nimmt in üblicher Weise die im Normalbetrieb auftretenden Kräfte
auf.
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Gemäss Fig. 1 ist ausser der erwähnten Lagerung eine StUtzeinrichtung
vorgesehen,
die ein am bewegbaren Teil 2 anliegendes Segment 3 sowie einen im tragenden Tei.l
1 geführtenKolben 4 aufweist. Das Segment 3 ist von einem Schmiermittel umgeben,
so dass sich ein hydrodynamischer Schmierfilin zwischen dem bewegbaren Teil 2 und
dem Segment 3 bildet. Der Kolben 4 ist mit seinem dem bewegbaren Teil 2 zugewendeten
Ende mit dem Segment 3 verbunden Das andere Ende 5 des Kolbens 4 ist von-eineln
hydraulischen Druckmittel beaufschlagt, das über eine Leitung 6 einem in Fig. 1
unterhalb des Kolbens 4 befindlichen Raum 7 zugeführt wird. In StIömungsrichtung
des hydraulischen Druckmittels ist in der Zufuhrleitung 6 ein Abschluss-Organ 9,
z. B. ein Magnetventil, und dahinter eine Drosselstelle 10, z. B. in Form einer
Blende, vorgesehen. Das hydraulische Druckmittel wird mit einem konstanten Druck
dem Raum 7 zugeführt, so dass das Segment 3 mit einem vorgegebenen konstanten Druck
an den bewegbaren Teil 2 angepresst wird.
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Im Normalbetrieb ist das Abschluss-Organ 9 offen, und das Segment
3 und damit der Kolben 4 folgen etwaigen langsamen, nach unten oder oben gerichteten
Bewegungen h des bewegbaren Teiles 2, da das Druckmittel praktisch ungehindert aus
dem Raum 7 abströmen bzw. zuströmen kann. Wirkt jedoch infolge des Auftretens einer
dynamischen Kraft eine plötzliche, in Fig. 1 nach unten gerichtete Bewegung auf
den bewegbaren Teil 2, so können das Segment 3 und der Kolben 4 dieser Bewegung
nicht folgen, weil das Druckmedium im Raum 7 wegen der Drosselstelle 10 an einem
Entweichen gehindert wird. Das im Raum 7 befindliche Druckmittel verhält sich also
wie starr, so dass es auf den Kolben 4 eine progressiv grösser werdende Kraft ausübt
(siehe
ansteigende Linie im Diagramm gemäss Fig. la)> die der plötzlichen Bewegung des
bewegbaren Teiles 2 entgegenwirkt und diesen Teil stützt. Dank dieser Stiitzkraft
wird die übliche Lagerung des bewegbaren Teiles 3 durch die plötzlich auftretende
Kraft nicht überbeansprucht. Werden von vornherein grössere dynamische, über längere
Zeit wirkende Beanspruchungen erwartet, z. B. beim Einleiten von Umschaltvorgängen,
kann das Abschlussorgan 9 geschlossen werden, womit die Stützeinrichtung nicht nur
dämpfend wirkt, sondern den bewegbaren Teil 2 in seiner ursprünglichen Lage abstützt,
da aus dem Raum 7 das Druckmedium nicht entweichen kann.
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Bei dem Ausfiihrung sbe ispiel nach Fig. 2 ist der bewegbare Teil
2 berührungslos von einem hydrostatischen Stützkolben 15 getragen.
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Der Stiitzkolben 15 weist z. B. vier Lagertaschen 16 auf, von denen
in Fig. 2 nur zwei sichtbar sind. Die Lagertaschen 16 sind über Drosselbohrungen
17 mit einem Druckraum 18 verbunden dem über einen Kanal 19 ein hydraulisches Druckmittel
mit einem pro Zeiteinheit im wesentlichen konstanten Volumenstrom zugeführt wird.
Der Stützkolben 15 ist über ein Druckstück 22 und ein Tellerfeder-Paket 20 auf dem
dem bewegbaren Teil 2 zugewendeten Ende des Kolbens 4 der Stützeinrichtung abgestützt.
Der Kolben 4 ist wiederum im tragenden Teil 1 geführt und sein anderes Ende 5 wird
von einem Druckmittel beaufschlagt, das über die Leitung 6 mit im wesentlichen konstanten
Druck zugeführt wird und das von dem über den Kanal 19 zugeführten Druckmittel getrennt
und unabhängig ist.
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Im Normalbetrieb wird über den Kanal 19 das Druckmittel dem Raum 18
zugeführt, von wo aus es über die Drosselbohrungen 17 gedrosselt in die Taschen
16 gelangt. Aus dan Taschen 16 entweicht das Druckmittel
über
den Spalt 71 zwischen dem Stützkolben 15 und dem bewegba ren Teil 2. Dabei stellt
sich zwischen dem bewegbaren Teil 2 und.
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dem Stützkolben 15 ein Druckpohter ein, dessen Grösse direkt von der
Durchflussmenge des Druckmittels und der Grösse des Spaltes 21 und indirekt von
der konstanten vorgegebenen Kraft auf dem Kolben 4, d. h. vom Druck des im Raum
7 befindlichen Druckmittels abhängig ist.
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Wird der Spalt 21 kleiner, so steigt der Druck in den Taschen 16,
konstanter Durchfluss des Druckmittels vorausgesetzt,und somit auch der Druck im
Druckraum 18. Die Grösse des Spaltes 21 andererseits wird jedoch bestimmt von der
Vorspannung des Federpaketes 20, die wiederum vom Druck im Raum 7 bestimmt wird
Der Stützkolben 15 steht immer im Gleichgewicht zwischen den Flüssigkeitskräften
beidseitig des Stützkolbens 15 und der Vorspannkraft des Federpaketes 20.
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Bei langsamen Bewegungen des bewegbaren Teiles 2 folgen der Stützkolben
15, das Federpaket 20 und der Kolben 4, wie beim Ausführurxgsbeispiel nach Fig.
1 beschrieben, da das Druckmittel im Raum 7 entweichen bzw. nachfliessen kann, d.
h. die Vorspannung des Federpaketes 20 wird nicht geändert und somit auch nicht
die Grösse des Spaltes 21. Damit ändert sich auch nicht die Tragkraft des Stützkolbens
15.
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Bei Auftreten dynamischer Kräfte und als Folge davon plötzlich auftretender
Bewegungen des bewegbaren Teiles 2 folgt der Kolben 4
praktisch
nicht, da - wie beim Alsfühungsbeispie1. gemäss Fig. 1 -das Druckmittel aus dem
Raum 7 nicht entweicht. Sind die dynamischen Kräfte länger wirkend, so wird das
Abschluss-Organ 9 geschlossen, so dass auch dann kein Entweichen von Druckmittel
aus dem Raum 7 stattfinden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 ist der Stützkolben 25 im
Prinzip gleich ausgebildet wie im Beispiel gemäss Fig. 2, denn er hat mehrere Taschen
16, die über Drosselbohrungen 17 mit einem Druckraum 18 verbunden sind. Am Stützkolben
25 ist über eine dünne Stange 26 ein Steuerorgan 27 befestigt, das in einer zylindrischen
Aussparung 28 des Kolbens 4 gleiten kann. Die Aussparung 28 ist am in Fig. 3 oberen
Ende des Kolbens durch eine Ringschulter 33 begrenzt. Im in Fig. 3 oberen Bereich
des Kolbens 4 ist im tragenden Teil 1 ein Kanal 29 vorgesehen, der sich über eine
radiale Bohrung 24 im Kolben 4 fortsetzt und über den das hydraulische Druckmittel
für den Stützkolben 25 zugeführt wird. Dieses Druckmittel wird dem Kanal 29 im wesentlichen
mit konstantem Druck zugeführt und vom Steuerorgan 27 abgedrosselt. Das Steuerorgan
27'weist an seinem in Fig. 3 oberen Ende eine Ausnehmung 30 auf, durch die sichergestellt
wird, dass ständig Druckmittel vorn Kanal 29 zum Druckraum 18 strömt. Ausserdem
weist das Steuerorgan 27 eine axiale Bohrung 31 auf, die dem Druckausgleich zwischen
Oberseite und Unterseite des Steuerorgans dient. Wie bei den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 1 und 2 ist der Kolben 4 auf seiner dem bewegbaren Teil 2 abgewendetenSeite
5 von einem Druckmittel beaufschlagt, das über die Leitung 6 dem Raum 7 zugeführt
wird und von der Druckmittelzufuhr über den Kanal 29 unabhängig ist.
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Aehnlich dem Ausführungsb.eispiel nach Fig. 2 wird der Stützkolben
25
mit einer variablen Anpresskraft, die von dem über den Kanal 29 zugeführten Druckmittel
aufgebracht wird, gegen den bewegbaren Teil 2 gedrückt. Ausserdem übt indirekt das
Druckmittel im Raum 7 im Normalfall eine vorgegebene konstante Anspresskraft auf
den Stützkolben 25 aus. Der Stützkolben 25 steht nämlich im Gleichgewicht zwischen
den Flüssigkeitskräften beidseitig des Stützkolbens 25 und des Kolbens 4.
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Da der Druck im Druckraum 18 immer grösser ist als im Raum 7, wird
der Kolben 4 im Normalfall inner gegen das Steuerorgan 27 gedrückt, womit das Druckmittel
normalerweise nur über die Ausnehmung 30 in den Druckraum 18 fliesst und in der
Ausnehmung 30 eine konstante Abdrosselung erfährt. Die daraus resultierende Differenzkraft
wirkt über die Stange 26 der vom Druckmittel im Druckraum 18 auf den Stü.tzkolben
25 erzeugten Kraft entgegen.
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Bei langsamen, in Fig. 3 nach unten oder oben gerichteten Bewegungen
des bewegbaren Teiles 2 bewegen sich sowohl der Stützkolben 25 und damit verbunden
das Steuerorgan 27, als auch der Kolben 4 gemeinsam, sodass das Steuerorgan 27 für
das Druckmittel keine grössere Zuflussöffnung freigibt, d. h. die Druckverhältnisse
bleiben gleich, womit sich auch die Tragkraft des StUtzkolbens 25 nicht ändert.
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Bei plötzlichen Bewegungen des bewegbaren Teiles 2 infolge des Auftretens
von dynamischen Kräften findet jedoch eine Dämpfung statt, weil das im Raum 7 eingeschlossene
Druckmittel wegen der Drosselstelle 10 nicht sofort entweichen bzw. kein Druckmittel
in den Raum 7 nachfliessen kann.
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Bei plötzlichen, in Fig. 3 nach oben gerichteten Bewegungen wird der
Stützkolben 25 über die Stange 26 und das Steuerorgan 27 durch die Ringschulter
33 des Kolbens 4 am Nachfolgen gehindert, sodass sich der zwischen dem bewegbaren
Teil 2 und dem Stützkolben 25 befindende Spalt 21 vergrössert. Damit wird das Druckpolster
zwischen dem bewegbaren Teil 2 und dem Stützkolben 25 verringert und infolge dessen
auch die auf den bewegbaren Teil 2 gerichtete Tragkraft.
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Bei plötilichen, in Fig. 3 nach unten gerichteten Bewegungen des bewegbaren
Teiles 2, bewegt sich mit dem Stützkolben 25 über die Stange 26 das Steuerorgan
27 in Fig. 3 nach unten, der Kolben 4 bleibt jedoch stehen. Damit gibt das Steuerorgan
27 einen grösseren Querschnitt der Bohrung 24 frei, sodass mehr Druckmittel über
den Kanal 29 und weniger stark gedrosselt in den Druckraum 18 gelangt. Die Anspresskraft
des Druckmittels im Raum 18 vergrössert sich also und der Stützkolben 25 bewegt
den bewegbaren Teil 2 in seine unrsprüngliche Lage zurück. Auch bei dieser Ausführungsart
kann bei zu erwartenden dynamischen Kräften das Nachfahren des Kolbens 4 durch vorübergehendes
Schliessen des Abschlussorgans 9 verhindert werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der Stützkolben 35 gleich
ausgebildet wie der Stützkolben 25 in Fig. 3. Auch der Stützkolben 35 ist über eine
dünne Stange 36 mit einem Steuerorgan 37 verbunden, das in einer Aussparung 38 des
Kolbens 4 gleitet.
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ist Der Druck raum 18 unterhalb des Stützkolbens35/über einen Kanal
39 mit einer Druckmittelzufuhr verbunden, - die das Druckmittel mit einem im wesentlichen
konstanten Volumenstrom oder vorteilhafter
mit konstantom Druck
zuführt. Ausserdem ist - ähnlich wje in Fig.
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3 - über einen Kanal 40 eine Druckmittel-Zufuhr vorgesehen, die das
Druckmittel mit einem im wesentlichen konstanten Druck zuführt, der jedoch wesentlich
grösser ist als der im Kanal 39. Der Kanal 40 endet im oberen Bereich des Kolbens
4 und ist über radiale Bohrung gen 4? im Kolben 4 mit dessen Aussparung 38 verbunden.
Das Steuerorgan 37 ist jedoch so ausgebildet, dass im Normalbetrieb kein Druckmittel
über den Kanal 40 und die Bohrlmgt42 zum Druckraum 18 strömen kann. Zum Druckausgleich
zwischen Oberseite und Unterseite des Steuerorgans 37 ist in diesem eine Bohrung
43 vorgesehen.
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Der Kolben 4 ist auf seiner Unterseite wiederum von einem Druckmittel
beaufschlagt, das über die Leitung 6 dem Raum 7 zugeführt wird, wobei die Leitung
ein Abschluss-Organ 9 und eine Drosselstelle 10 aufweist. Der Druck des über die
Leitung 6 zugeführten Druckmittels ist im wesentlichen kleiner als die Drücke der
beiden über die Kanäle 39 und 40 zugeführten Druckmittel.
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Im Normalbetrieb werden die Ringschulter 33 des Kolbens 4 und das
Steuerorgan 37 so gegeneinander gedrückt, dass sie sich gemeinsam bewegen und kein
Druckmittel über den Kanal 40.und die Bohrungen 42 in den Druckraum 18 gelangt.
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Das über den Kanal 39 zugeführte Druckmittel liefert zusammen mit
dem über Leitung 6 zugeführten Druckmittel über den Kolben 4 eine vorgegebene konstante
Anpresskraft auf den beweglichen Teil 2. Bei plötzlichen, in Fig. 4 nach unten gerichteten
Bewegungen des bewegbaren Teiles 2 bewegt sich das Steuerorgan 37 schneller nach
unten
als der Kolben 4, so dass das Steuerorgan 37 die radialen
Bohrungen 42 freigibt und damit Druckmittel über den Kanal 40 in den Druckraum 18
gelangt. Je mehr Druckrnittel einströmt, um so mehr wird sein Druck in den Drosselbohrungen
17 reduziert, so dass die im Druckraum 18 wirkende Druckkraft steigt. Im Maximum
ist der Druck im Raum 18 gleich dem Druck des Druckrnittels im Kanal 40.
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Sobald der Druck im Druckraum 18 grösser ist als im Kanal 39> verhindert
ein Rückschlagventil 44 das Austreten von Druckmittel aus dem Druckraum 18.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist der Stützkolben65 so ausgebildet,
dass die Verbindung mit dem Steuerorgan nicht so dünn zu sein braucht wie bei den
Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 und 4.
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Trotzdem kann sich der Stützkolben 65 relativ zum tragenden Teil 1
etwas neigen und sich dadurch etwaigen Schiefstellungen des bewegbaren Teiles 2
anpassen. Ansonsten ist das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ähnlich dem nach Fig.
4, indem dem Druckraum 18 über einen Kanal 69 ein Druckmittel zugeführt wird. Ausserdem
ist eine weitere Druckmittelzufuhr für den Stützkolben vorgesehen, die am Stützkolben
65 in nicht näher dargestellter Weise angeschlossen ist. Von der Anschluss-Stelle
führt ein Kanal 70 durch den Stützkolben 65 hindurch zu einer Ringnut 71, die in
radiale Bohrungen 72 mündet, die im oberen Bereich des Kolbens 4 angebracht sind.
Das dem Kanal 70 zugeführte Druckmittel weist im wesentlichen konstanten Druck auf,
der wesentlich höher liegt als der Druck der über die Leitungen 69 und .- .- 6 dem
Druckraum 18 bzw. Raum 7 zugeführten Druckmittel. Innerhalb des Kolbens 4 ist ein
Steuerorgan 75 vorgesehen, das wie beim Beispiel nach Fig. 4 im Normalbetrieb die
Druckmittel-Zufuhr
über den Kanal 70 und die Bohrungen 72 absperrt.
Zwischen dem Druckraum 18 und dem in Fig. 5 oberhalb des Kolbens 4 befindlichen
Raum 76 ist eine Verbindungsbohrung 77 vorgesehen, so dass imFalle, dass das Steuerorgan
75 die Druckmittelzufuhr vom Kanal 70 her freigibt, dieses Druckmittel in den Druckraum
18 und damit zu den Lagertaschen 78 gelangen kann. In den Raum 7 ragt ein in axialer
Richtung einstellbarer Anschlag 80, der den Ausweichweg des Kolbens 4 in Fig. 5
nach unten begrenzt. Mit Rücksicht auf die erwähnte Neigbarkeit des Stützkolbens
65 ist der Kolben 4 auf seiner Unterseite mit einem pilzartigen Verschluss 81 versehen,
der gegebenenfalls auf dem Anschlag 80 zum Anliegen kommt. Zwischen dem pilzartigen
Verschluss 81 und dem Steuerorgan 75 ist eine Druckfederi82 vorgesehen, die den
Steuerkolben 75 gegen eine Ringschulter 83 des Kolbens 4 drückt.
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Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 ist gleich
derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4.
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L e e r s e i t e