DE2648328B2 - Lagerung für einen mit hoher Drehzahl rotierenden Keramikläufer in einem Metallgehäuse einer thermischen Turbomaschine - Google Patents

Lagerung für einen mit hoher Drehzahl rotierenden Keramikläufer in einem Metallgehäuse einer thermischen Turbomaschine

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Description

15
25
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerung für einen mit hoher Drehzahl rotierenden Keramikläufer in einem Metallgehäuse einer thermischen Turbomaschine mit einem sphärischen Luftlager, zwischen dessen Lageraußenring und Lagerinnenring ein Luftschmier- m film aufrechterhalten wird.
Aus der DE-PS / 35 668 ist ein Keramikläufer für eine thermische Turbomaschine offenLart Aus der CH-PS 3 75 956 isi eine Luftlagerung für den Rotor einer thermischen Turbomaschine offenb. X bei der Wellenenden des Rotors in zylindrischen Lagerschalen laufen. Die Verwendung von Luftlagern in Turbomaschinen, die in besonders hohen Temperaturbereichen laufen und deren Einzelteile insbesondere im Bereich der Hochtemperaturzonen als Keramikbauteile ausgebildet sind, erfolgt im Hinblick auf die Schmierfähigkeit solcher Turbolager, da bei ölschmierung nur eine maximale Lagertemperatur von 200 bis 3000C zulässig ist, bei Keramikläufern jedoch Temperaturen von 500° und mehr zugelassen werden können. v>
Für die Lagerung von Rotorwellen solcher Turbomaschinen ist es bekannt, sphärische Lager zu verwenden, was durch die, während des Betriebs auftretenden thermischen Veränderungen der Gehäuseteile bedingt ist. Beim Einsatz von sphärischen Luftlagern für die % beschriebenen Anwendungsfälle tritt nun das Problem auf, daß wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Metallgehäuse und Keramikrotoren solcher im Hochtemperaturbereich laufender Turbomaschinen (die Wärmeausdehnungskoeffizienten von bestimmter γ, Keramik unterscheidet sich von denen der üblichen Gehäusemetalle um nahezu eine Zehnerpotenz), im Lauf des Betriebs eine Axialverschiebung zwischen Wellenlagersteile einerseits und Gehäuselagerstelle andererseits auftritt. Eine solche Verschiebung kann f,o aber von den sphärischen Luftlagern nicht aufgenommen werden und führt deshalb zu deren Zerstörung.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine gattungsgemäße Lagerung zu schaffen, die einerseits Durchbiegungen der Welle des Keramikläufers zuläßt, anderer- b5 seiis stark unterschiedliche Wärmedehnungen von Keramikläufer und Lagerträger (Gehäuse) zuläßt, ohne Schaden zu erleiden. Darüber hinaus soll die Lagerung einfach aufgebaut sein, insbesondere eine einfache Montage ermöglichen.
Zur Lösung dieser "Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Passungsdurchmesser des Lagerinnenrings und der Welle des Keramikläufers so aufeinander abgestimmt sind, daß die Differenz zwischen Außendurchmesser der Welle und Innendurchmesser des Lagerinnenrings über dem gesamten Temperatur- und Drehzahlbereich der Turbomaschine etwa konstant bleibt, so daß bei niederer Drehzahl der Maschine ein Reibschluß zwischen Lagerinnenring und Welle besteht, bei hoher Drehzahl dagegen sich ein dynamischer Luftschmierfilm zwischen Welle und Lagerinnenring aufbaut
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die gestellte Aufgabe in einfachster Weise gelöst, indem nämlich bei laufender Turbomaschine praktisch ein doppeltes Luftlager zwischen der Welle des Keramikläufers und dem Gehäuse besteht wovon das äußere das sphärische Lager ist, während es sich bei dem inneren um ein zylindrisches Luftlager handelt das eine widerstandslose Axialverschiebung der Welle gegenüber der Lagerstelle zuläßt Bei niedrigen Drehzahlen, die nicht ausreichen, um in einem schmalen zylindrischen Ringspalt einen dynamischen Luftschmierfilm aufzubauen, wird das zweite Luftlager ausgeschaltet und es entsteht ein Eeibschluß zwischen dem Lagerinnenring und der Welle. Vom Stillstand ausgehend läuft die Welle also unter Mitnahme des sphärischen Lagerinnenrings bis auf eine mittlere Drehzahl, im Lageraußenring des sphärischen Luftlagers, wobei zwischen den Lagerringen durch Druckluftzufuhr ein Luftspalt auch bei niederen Drehzahlen aufrechterhalten werden kann.
Sobald eine Grenzdrehzahl, die durch entsprechende Einstellung von Parametern vorherbestimmt werden kann, überschritten ist baut sich zwischen der Welle und der zylindrischen Lagerinnenringbohrung ein dynamischer Luftspalt auf, so daß dann auch Relativbewegung zwischen der Welle und dem Lagerinnenring auftritt, d. h.die Welle selbst läuft Iuftgeschiriert im Lagerinnenring. Zur Konstanthaltung des Spaltes zwischen Welle und Lagerinnenring ist zu berücksichtigen, daß von der Welle zum Lagerinnenring ein Temperaturgefälle herrscht, das durch einen geringfügig größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Lagerinnenrings als der Welle auszugleichen ist. Bei jedem Temperaturniveau der Turbomaschine kann sich die Welle axial gegen die Lagerstelle verschieben bzw. umgekehrt die im Gehäuse sitzende Lagerstelle gegen die rotierende Welle.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung soll für eine Radialbelastung einer Lagerstelle von etwa 20 kp und einer Nenndrehzahl von 50 000 U/ min. folgende Parameter eingehalten werden:
Nenndurchmesser der Welle 50 mm
Breite des Lagerinnenringes 50 mm
Mittenrauhwcrt von Welle
und Lagerinnenring R1, = 0,2 - 0,3
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Welle
des Lagerinnenrings
,, = 4,2· 10""
x, = 4,5 · K)""
des Lageraußenrings
Durchmesserdifferenz
zwischen Welle und Lagerinnenring und zwischen
Lagerinnen- und Lageraußenring
= 4,8
grd
\d= 0,04- 0,06mm
Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen Abstimmung der Lagerparameter der Lagerinnenring bei Nenndrehzahl der Welle f/v=50 000) mit einer Drehzahl von etwa 10 000 U/min, umläuft Die genaue Drehzahldifferenz und die Ausbildung eines dynamischen Schmierfilms zwischen Innenring und Welle hängt ab von der Belastung und der Drehzahl der Welle.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lagerung im Schnitt gezeigt
In der Zeichnung wird eine Keramikwelle 5 von der zylindrischen Bohrung eines Lagerinnenrings 1 aufgenommen, dessen Außenfläche eine sphärische Lagerfläche ist Zwischen der sphärischen Lagerfläche des Lagerinnenrings 1 und einer dieser zugeordneten sphärischen Lagerfläche eines aus zwei Halbschalen 2 bestehenden Lageraußenrings besteht ein Luftspalt 8, der durch Zufuhr von Druckluft durch Zufuhrbohrungen 7 auch bei niedrigen Drehzahlen des Lagerinnenrings 1 im Lageraußenring aufrechterhalten wird. Die beiden Lagerschalen 2 sollen in einem nicht dargestellten Gehäuse über eine fertigungsbedingte Zwischenschicht 3 axial verspannt sein. Zwischen der Welle 5 und der Bohrung des Lagerinnenrings 1 soll ein Luftspalt 6 bestehen, der eine widerstandslose Axialverschiebung zwischen Welle 5 und Lagerinnenring 1 zuläßt und die Bildung eines aerodynamischen Schmierfilms bei hohen Drehzahlen zuläßt
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Lagerung für einen mit hoher Drehzahl rotierenden KeramikJäufer in einem Metallgehäuse einer thermischen Turbomaschine mit einem sphärischen Luftlager, zwischen dessen Lageraußenring und Lagerinnenring ein Luftschmierfilm aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Passungsdurchmesser des Lagerinnenrings (1) und der Welle (5) des Keramikläufers so aufeinander abgestimmt sind, daß die Differenz zwischen Außendurchmesser der Welle und Innendurchmesser des Lagerinnenringes (1) über dem gesamten Temperatur- und Drehzahlbereich der Turbomaschine etwa konstant bleibt, so daß bei niederer Drehzahl der Maschine ein Reibschluß zwischen Lagerinnenring (1) und Welle (5) besteht, bei hoher Drehzahl dagegen sich ein dynamischer Luftschmierfilm zwischen Welle (5) und Lagerinnenring (1) aufbaut
    10
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