DE2644026A1 - Verfahren zum lagern eines rotors und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein flexibles gedämpftes Lager und insbesondere auf Mittel zum Tragen des Eigengewichtes des Rotors innerhalb des Lagersystems.

Ein Konzept für ein flexibles gedämpftes Lager zur Überwindung der Instabilität in einem Rotoraufbau einer Maschine ist in dem US-Patent Nr. 3 456 992 von Kulina offenbart. In dieser Patentschrift wird beschrieben, dass die Welle einer Turbinenmaschine drehbar in dem Maschinengehäuse vermittels eines Walzenlagers getragen wird. Das Lager seinerseits ist in einem beweglichen Tragteil befestigt, das an dem Maschinengehäuse an einer Reihe von Biegefedern hängt. Der Träger mit den flexiblen Federn liefert eine Lageranordnung mit einer mechanischen Ansprache, die die zerstörerischen Effekte von Wellenvibration abschwächt. Ein Strömungsmittelfilm ist zwischen dem flexibel befestigten Lagerträger und dem Maschinengehäuse eingerichtet, der zur Dämpfung der Reaktion des Systems auf die von der Welle induzierten Vibrationen dient.

Schwierigkeiten sind entstanden bei der Anwendung des Konzepts von flexiblen gedämpften Lagern bei schweren Rotationsmaschinen wie Turbinen und Kompressoren. Damit das Lager in kontrollierter Weise reagiert, ist es wesentlich, dass die Lagerkomponenten in axialer Ausrichtung mit der Welle zusammengesetzt werden, um die Gleichmäßigkeit des Druckfilmes aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass die flexiblen Federn symmetrisch beansprucht werden. In den meisten Rotationsmaschinen hängt jedoch der schwere Rotoraufbau horizontal in dem Maschinengehäuse und das Eigengewicht des Rotors übt eine hohe statische Vorspannung auf das Lagersystem aus, was seinerseits eine nicht gleichförmige Beanspruchung des Lagers bewirkt. Unter diesen Bedingungen ist die richtige Ausrichtung der Lagerkomponenten in dem Aufbau schwierig.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Drehlager vorgesehen, dass drehbar einen horizontal ausgerichteten Rotoraufbau, ein bewegliches Teil zum Tragen des Lagers in einem stationären Gehäuse, eine flexible Federanordnung zur Aufhängung des beweglichen Teils an dem Gehäuse und zur Zentrierung des Lagers bezüglich der Welle, einen beweglichem Strömungsmitteldruckfilm zwischen Gehäuse und dem gewerblichen Gehäuse zum Dämpfen der Lagerreaktion und schließlich eine Hilfsfeder trägt, die so angeordnet ist, dass sie auf das bewegliche Teil wirkt, um das Eigengewicht des Rotoraufbaus zu tragen.

Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer weiteren Merkmale wird Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen genommen, bei denen:

Figur 1 eine Seitenschnittansicht einer Rotationsmaschine ist, die eine Rotorwelle darstellt, die in einem flexiblen gedämpften Lager getragen ist

und

weiter eine Hilfsfeder zur Kompensierung des Gewichts des Rotoraufbaus besitzt; und

Figur 2 eine vergrößerte Schnittansicht ist, die die in Figur 1 gezeigte Hilfsfeder darstellt.

In Figur 1 ist gemäß der Lehren der vorliegenden Erfindung ein flexibles gedämpftes Lager 10 gezeigt, das zum Tragen einer Welle 11 einer Rotationsmaschine in einer Öffnung 12 angeordnet ist, die in der Endwand 13 ausgebildet ist. Es dürfte einleuchten, dass die Rotationsmaschine jede beliebige Form wie eine Turbine oder ein Kompressor haben kann, wobei die Rotationskomponenten auf einer sich im Wesentlichen horizontal erstreckenden Welle oder einer anderen Anordnung befestigt sind, bei der der Rotor in der Lage ist, eine relativ hohe statische Last für das Lager darzustellen. Die Lageranordnung besitzt ein äußeres stationäres Gehäuse 15 mit einer ringförmigen Öffnung zentral darin angeordnet, in der ein zylindrisches bewegliches Teil 16 getragen wird. Eine Reihe von Kippschuhlagern 20 ist beweglich auf nicht gezeigten Dämpfungskissen innerhalb des beweglichen Teils befestigt und die Welle ist zur Rotation innerhalb der Kippschuhe mit einem Zapfen versehen. Obwohl ein Kippschuhlager in der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dürfte es einleuchten, dass jedes geeignete Lager gleichermaßen hierbei verwendet werden kann, ohne dass von den Lehren der vorliegenden Erfindung abge- wichen wird. Ein Paar Endabdeckungen 22 und 23 sind an dem beweglichen Teil befestigt, wobei die Innenflächen derart angeordnet sind, dass sie den Kippschuh und die Dämpfungskissen im Zusammenbau einschließen.

Das bewegliche Teil 16 wird nachgiebig innerhalb des Lagergehäuses auf einer Reihe von sich axial erstreckenden Biegefedern 25 getragen, die in gleichem Abstand um den Körper des Teiles herum angeordnet sind. Die Federn 25 enden in einem Schließring 26, der an der Winkelstirnseite des Gehäuses mit Hilfe von Bolzen 27 oder ähnlichem befestigt ist, wie es aus Figur 1 zu ersehen ist. Das Gehäuse seinerseits wird in einer ringförmigen Öffnung 28 getragen, die in der Endwand ausgebildet ist, und wird an seinem Platz mit Bolzen 29 festgehalten.

Im Zusammenbau wird eine gleichmäßige ringförmige Druckfilmausnehmung 20 zwischen dem Außenumfang des beweglichen Teiles 16 und der Innenwand der Öffnung in dem Gehäuse 15 eingerichtet. Ein Strömungsmittel, das unter einem Druck steht, der hoch genug ist, um ein Reißen des Druckfilmes aufgrund der geschwindigkeitsabhängigen dynamischen Kräfte zu verhindern, die während des Maschinenbetriebes entstehen, wird in die Ausnehmung über eine ringförmige Kammer 32 innerhalb des stationären Gehäuses zugeführt. Im Betrieb strömt das unter hohem Druck stehende Strömungsmittel von der Ausnehmung durch die Bemessungsöffnungen 35 und läuft in die Kippschuhregion, wo es weiterhin verwendet wird, um einen hydrodynamischen Keil zwischen Schuhen und Welle zu erzeugen.

Um die Druckfilmausnehmung gegen unerwünschte Lecks abzudichten, ist ein Paar ringförmiger Dichtungen wie O-Ringe 37, 38 vorgesehen, die auf der Außenseite der Druckfilmausnehmung angeordnet sind. Die Dichtungen sind dazu ausgelegt, in ringförmigen Rillen getragen zu werden, die in zwei gegenüberliegenden sich radial erstreckenden Seitenwänden des Lagergehäuses eingearbeitet oder anderweitig geformt sind. Ein Paar sich radial erstreckender Flansche 41, 40, die auf dem beweglichen Teil 16 getragen werden, überragen die Seitenwände des Lagergehäuses und wirken gegen die O-Ringe, um eine Dichtung für das Strömungsmittel dazwischen zu liefern. Die kompressive Dichtungskraft jeder Dichtung wirkt im Wesentlichen rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Teils 16 und hat somit wenig Einfluss auf die horizontalen Dämpfungskräfte. Gleichermaßen verhindert das Anordnen der Dichtungen außerhalb der Ausnehmung, dass die Dichtungen weiter zusammengedrückt werden durch das bewegliche Teil, wenn es sich radial in Übereinstimmung mit der Welle bewegt, wenn die Welle sich unter vibrationsinduzierten Belastungen verformt. Als Ergebnis wirken die Dichtungen nicht mit der Dämpfung zusammen, die durch den Strömungsmittelfilm vorgesehen sind, somit kann der Dämpfungsfilm in vorhersehbarer Weise über einen weiten Bereich von Betriebsfrequenzen reagieren. Weiterhin können die Dichtungen aus einem Material mit relativ niedriger Oberflächenspannung wie z.B. Teflon hergestellt werden, wodurch der Betrag an Reibungsentwicklung zwischen Dichtung und den sich radial erstreckenden Flanschen gering gehalten wird.

Es dürfte einleuchten, dass die nachgiebigen Biegefedern und der Strömungsmitteldruckfilm dazu ausgelegt sind, sowohl eine radiale Steifheit als auch ein Dämpfen der Lageranordnung vorzusehen, wobei das Lager auf Wellenvibrationen reagieren kann, um die schädlichen Auswirkungen dieser Vibrationen zu vermindern. Es ist wichtig für den richtigen Betrieb des flexiblen gedämpften Lagers, dass das Lager die Fähigkeit besitzt, in gleicher Weise um den gesamten Umfang der Welle anzusprechen. Um solche gleichmäßige und symmetrische Reaktion aufrechtzuerhalten, ist es wesentlich, dass jede der gleich beabstandeten Biegefedern etwa in der gleichen Rate auf eine gegebene von der Welle induzierte Belastung reagiert. Gleichermaßen ist es, um eine gleichmäßige Dämpfung um das Lager vorzusehen, ebenso notwendig, die Gleichmäßigkeit des Druckfilmes aufrecht zu erhalten, der zwischen dem beweglichen Teil und dem stationären Gehäuse sitzt. Wenn das flexible gedämpfte Lager verwendet wird, um einen relativ schweren Rotoraufbau zu tragen, wie er typischerweise in Turbinen oder Kompressoren gefunden wird, ist das Gewicht des Rotors derart, dass es eine hohe, einseitig gerichtete statische Vorbelastung auf das Lager ausübt, das eine Anfangsdeformation in jeder der Biegefedern hervorruft. Als Ergebnis dieser Vorbelastung neigt der bewegliche Träger dazu, sich im Zusammenbau zu senken und zerstört so die Gleichmäßigkeit und Einheit der Filmausnehmung.

Wenigstens eine Hilfsfeder 44 ist hier in der Vorrichtung vorgesehen die derart angeordnet ist, dass sie das Eigengewicht der Welle trägt und somit die schädlichen Beeinflussungen des schweren Rotors auf die Biegefedern und die Druckfilmausnehmung eliminiert. Wie aus den Figuren 1 und 2 zu erkennen ist, wird die Hilfsfeder in einer länglichen Rinne 42 getragen, die in der Innenwand 43 des Lagergehäuses 15 ausgebildet ist. Obwohl die Hilfsfeder jede geeignete Form besitzen kann, wird es bevorzugt, dass die Feder ein Längsträger 45 ist, der axial mit der Rotorwelle 11 ausgerichtet ist. Wie es deutlicher in Figur 2 dargestellt ist, ist der Träger in der Gehäuserille direkt unter dem beweglichen Teil 16 befestigt. Die beiden Außenenden des Trägers sind mit erhobenen Trägerkissen 47 und 48 ausgestattet, die auf dem Lagergehäuse ruhen, um dazwischen den Träger aufzuhängen. Die Oberfläche des Trägers ist ebenfalls mit einem zentral angeordneten Reaktionskissen 50 versehen, was mit dem Außenumfang des sich beweglichen Teiles in Berührung stehen kann. In der Praxis ist der Träger derart angeordnet, dass das Reaktionskissen gegen die vertikale Mittellinie des Lagerschuhs wirkt, der in dem beweglichen Teil getragen wird. Die Tiefe der Längsrille, die den Träger aufnimmt, ist derart, dass der Träger im Zusammenbau vorgespannt wird, um eine kontinuierlich drückende Kraft gegen das bewegliche Teil zu liefern, um das Eigengewicht des Rotoraufbaus aufzunehmen.

Obwohl eine einzige Hilfsfeder in der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, dürfte es einleuchten, dass eine Mehrzahl ähnlicher Hilfsfedern gleichermaßen verwendet werden kann, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann ein Paar Hilfsfedern unter der horizontalen Mittellinie der Welle in ungefähr 30° von der vertikalen Mittellinie abweichend befestigt werden, das gemeinsam wirkt, um das Eigengewicht des Rotors zu tragen.

Während die Erfindung in Bezug auf den hier geoffenbarten Aufbau beschrieben wurde, ist sie nicht auf die genannten Einzelheiten beschränkt, und diese Anmeldung soll alle Modifikationen und Änderungen umfassen, die in den Rahmen der folgenden Ansprüche fallen.

Claims (11)

1. Verfahren zur drehbaren Lagerung eines Rotors in einem stationären Maschinengehäuse, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Befestigen eines Lagers zum Tragen der Rotorwelle in einem beweglichen Teil,

Aufhängen des Teiles an dem Maschinengehäuse an einer Reihe von nachgiebigen Federn,

Einrichten eines Dämpfungsfilms aus einem Strömungsmittel zwischen dem Teil und dem Maschinengehäuse, und

Einwirkenlassen einer Kraft auf das bewegliche Teil mit einer Größe und einer Richtung, die ausreichend, das Eigengewicht des Rotoraufbaus aufzunehmen, um eine Vorbelastung in nachgiebigen Federn und eine Verminderung des Dämpfungsfilmes zu verhindern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wirkende Kraft derart ausgelegt ist, dass sie zwischen dem Maschinengehäuse und dem beweglichen Teil wirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsfilm, der zwischen dem beweglichen Teil und dem Maschinengehäuse eingerichtet ist, eine gleichmäßige Dicke um das Teil besitzt, wenn das statische Gewicht des Rotors durch die wirkende Kraft aufgenommen ist.

4. Rotationsmaschine mit einer Rotorwelle, die in einem Lager befestigt ist, das nachgiebig an einem stationären Maschinengehäuse mit einer Reihe von nachgiebigen Federn aufgehängt ist und mit einem Strömungsmittelfilm gedämpft wird, der zwischen dem Lager und dem Maschinengehäuse wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsvorrichtung (44) zwischen dem Maschinengehäuse und dem Lager angeordnet ist, die dazu ausgelegt ist, das statische Gewicht der Rotorwelle (11), die auf das Lager wirkt, aufzunehmen, um die nachgiebigen Federn (25) daran zu hindern, vorgespannt zu werden und den Dämpfungsfilm (30) daran zu hindern, unter der statischen Belastung der Welle deformiert zu werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungsmittel (44) wenigstens eine Feder (45) besitzen, die gegen die in etwa axiale Mitte des Lagers wirkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Feder im Zusammenbau vorgespannt ist, um eine kontinuierlich wirkende Kraft gegen das Lager zu liefern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsmittelfilm zwischen dem Lager und dem Maschinengehäuse eine ringförmige Ausnehmung (42) zwischen dem Lager und dem Maschinengehäuse besitzt, Mittel (32,35) aufweist, um unter Druck stehendes Strömungsmittel in die Ausnehmungen einzulassen, und Dichtungen (37,38) hat, die außerhalb der Ausnehmung dichtend angeordnet sind, um das Austreten des unter Druck stehenden Strömungsmittels aus der Ausnehmung zu verhindern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsmittel mit einem Druck zugeführt wird, der ausreicht sicherzustellen, dass das Strömungsmittel in der Ausnehmung nicht aufgrund von geschwindigkeitsabhängigen dynamischen Kräften, die während des Maschinenbetriebs entstehen, reißt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannmittel eine Hilfsfeder (39) ist, die unter der horizontalen Mittellinie der Welle (11) angeordnet ist, und dazu dient, zwischen dem stationären Teil (15) und dem beweglichen Teil (16) zu wirken, um das Gewicht des Rotors, das auf das Lager wirkt, zu tragen, wobei die Feder ein Träger (45) ist, der ein erhobenes Tragkissen (47,48) an jedem Ende hat, das dazu ausgelegt ist, gegen eines der Teile anzusitzen, und ein erhobenes Reaktionskissen (50) etwa in der Mitte des Trägers, das in Berührung dem anderen der Teile anliegt.

10. Lageranordnung zum drehbaren Lagern eines horizontal ausgerichteten Rotoraufbaus in einem stationären Maschinengehäuse mit einem Lager zum rotierbaren Tragen der Welle des Rotoraufbaus, einem beweglichen Teil zum Tragen des Lagers bezüglich der Welle, wobei das bewegliche Teil an dem Maschinengehäuse an eine Mehrzahl von Biegefedern aufgehängt ist, die umfangsmässig um das bewegliche Teil beabstandet sind, ein gleichförmiger Strömungsmitteldruckfilm zwischen dem beweglichen Teil und dem stationären Gehäuse zum Dämpfen des Lagers aufrechterhalten wird, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Hilfsfedern (44), die unter der horizontalen Mittellinie der Welle (11) angeordnet sind, wobei jede Feder einen Träger (45) besitzt, der axial mit der Welle ausgerichtet ist und ein erhobenes Trägerkissen (47,48) an jedem Ende hat, das in Berührung dem Maschinengehäuse (15) anliegt, sowie ein erhobenes Reaktionskissen (50) das gegen das bewegliche Teil (16) anliegt, wobei die Federn gemeinsam wirken, um die statische Last des Rotors, die auf das Lager wirkt, zu tragen.

11. Lageranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionskissen (50) jedes Trägers in etwa in der Mitte des Trägers (45) angeordnet ist und gegen das bewegliche Teil etwa in der Mitte des darin getragenen Lagers wirkt.