DE2711065A1 - Fanglager fuer ueberkritisch laufende rotoren - Google Patents

Fanglager fuer ueberkritisch laufende rotoren

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DE2711065A1 DE19772711065 DE2711065A DE2711065A1 DE 2711065 A1 DE2711065 A1 DE 2711065A1 DE 19772711065 DE19772711065 DE 19772711065 DE 2711065 A DE2711065 A DE 2711065A DE 2711065 A1 DE2711065 A1 DE 2711065A1
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Description

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Aktiengesellschaft
gü/sd '
München, den 18. Februar 1977
Fanglager für überkritisch laufende Rotoren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Fanglager für überkritisch laufende Rotoren, das den Rotor umgibt und aufgrund von radialen Rotorbewegungen zum Einsatz ein- bzw. ausgeschaltet wird.
Im Bestreben, insbesondere im Turbinen-, Verdichter-Sektor und in ähnlichen Gebieten, die Rotoren mit immer höheren Drehgeschwindigkeiten zu betreiben, ist man bereits in Nennbereiche gelangt, die oberhalb der biegekritischen Drehzahl des Rotors liegen. Es wurde versucht, beim Anfahren den Rotor mit verstärktem Antrieb durch die kritischen Drehzahlen zu reißen. Dieses gelingt jedoch nur bei sehr gut ausgewuchteten Rotoren, so daß sich der Schwerpunkt der Stabilisierungsversuche vielmehr auf die Lagertechnik konzentriert. In dieser Beziehung gewinnt das sogenannte Fanglager immer mehr an Bedeutung.
Fanglager üben bei ruhigem Lauf des Rotors keine Lagerfunktion aus, sie kommen erst bei höheren Schwingungsamplituden zum Ein-
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satz, indem sie, ausgelöst durch Rotorauslenkungen, mechanisch angekoppelt werden.
Ein Fanglager wirkt also im Gegensatz zu den üblichen, den Rotor tragenden und stützenden Dämpfungslagern sozusagen als Hilfslager, indem es nur kurzzeitig, insbesondere beim Durchfahren der kritischen Drehzahlbereiche zur Wirkung kommt.
Beim Anlaufen des Rotors im Fanglager infolge zunehmender Amplitude wird dem Rotor über den mit dem Fanglager verbundenen Dämpfer Energie entzogen, und durch Ankoppelung der Fanglagermasse die Eigenfrequenz des Systems verändert. Beide Umstände bewirken, daß sich der Rotor nicht unzulässig auslenken kann, und daß beim Hochlauf der Rotor wieder früher aus dem kritischen Bereich freikommt.
Die Wirksamkeit eines Fanglagers hängt von verschiedenen Faktoren ab, wobei insbesondere der Zeitpunkt, in dem das Lager zum Einsatz kommt, sowie die Ansprechbereitschaft zu nennen sind.
Weitere Anforderungen eines Fanglagers werden im Hinblick auf die erwünschten hohen Drehgeschwindigkeiten der Rotoren gesetzt. Es ist erforderlich, daß der Antriebsenergieentzug möglichst gering gehalten wird. Aus diesem Grund sollte das Fanglager-Rotor-System in den Laufperioden zwischen den kritischen Drehzahlen und insbesondere im Nennbetrieb reibungsfrei und im Einsatz des Lagers reibungsarm sein.
809838/0098
18.02.1977 - 3 -
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fanglager der eingangs genannten Art zu schaffen, das neben einer möglichst kurzen Ansprechzeit einen reibungslosen Freilauf des Rotors sicherstellt.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Fanglager und dem Rotor ein definierter Spalt vorgesehen ist, der mindestens so groß wie die maximale Amplitude des Rotors im Nennbetrieb ist.
Der Rotor wird beim Durchlaufen einer kritischen Drehzahl erst nach Oberbrücken des vorbestimmten Luftspaltes durch das Fanglager abgefangen, wodurch ein berührungsloses Freilaufen des Rotors und andererseits ein frühzeitiges Wirksamwerden des Dämpfers in den kritischen Bereichen gewährleistet ist.
Im allgemeinen setzt der Rotor bei der Ankopplung des Fanglagers eine Masse in Rotation. Die bei diesem Beschleunigungsvorgang auftretenden Reibungsverluste können mit einer beweglich gelagerten Anlaufbuchse minimalisiert werden, die ein kurzzeitiges Gleiten der sich berührenden Flächen erlaubt. Zu diesem Zweck kann eine aus hochverschleißfestem, schlecht wärmeleitendem, selbstschmierendem Werkstoff bestehende Anlaufbuchse vorgesehen sein.
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809838/0098
Nach einer fertigungstechnisch einfachen erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist das Fanglager als ein mit einer Dämpfungseinrichtung verbundenes Kugellager ausgebildet, in dessen Innenring die Anlaufbuchse eingesetzt ist, und wobei zur Verringerung der zu beschleunigenden Masse die Anlaufbuchse, der Innenring und die Kugeln des Lagers aus einem spezifisch leichten Material bestehen. Zur Ableitung der durch die unvermeidliche Restreibung entstehenden Wärme an Gehäuseteilen oder, wenn hydrostatische Dämpfungseinrichtungen vorgesehen sind, an die Dämpferflüssigkeit, ist es vorteilhaft, daß die das Fanglager bildenden Teile sowie mit dem Lager verbundene Dämpferkörper aus gut wärmeleitendem Material ausgebildet sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, kann das Fanglager aus mehreren drehbar gelagerten Stahlhülsen zur Herabsetzung der Umfangsgeschwindigkeit ausgebildet sein. Die Stahlhülsen können entweder schwimmend oder in mehreren Kugelreihen gelagert sein.
Die den sicheren Freilauf gewährleistende Zentrierung des Fanglagers kann durch zwei, jeweils dem Rotor und dem Fanglager zugeordneten Permanentmagneten unterstützt werden.
Es können ferner zusätzliche aktive, magnetische Lager vorgesehen werden, die zur Dämpfung unter- und überkritischer Rotorumschärfen dienen, und die gleichzeitig zur Sicherstellung der Mittenzentrierung des Fanglagers in den Dämpferkörper integriert werden.
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Bei Rotoren, die am einen Ende ein Lager haben und bei denen das Fanglager im Bereich dieses Lagers angeordnet ist, ist es vorteilhaft, wenn das Endlager mit seinem Dämpfer in das Dänipferfanglager integriert ist, wodurch eine verstärkte Sicherung einer exakten Mittenzentrierung gegeben ist.
Die Zentrierung des Fanglagers im nicht mitrotierenden Gehäuse kann durch mechanische Federelemente oder einem elastischen Dichtungsbalg oder aber durch Permanentmagnete erfolgen.
Das dynamische Verhalten sowie die Lagerbeanspruchung läßt sich vorteilhaft durch Reduzierung der Masse aller das Dämpferfanglager bildenden Teile optimieren.
In der Zeichnung sind in Fig. 1 bis 4 je ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung scbematisch dargestellt.
In Fig. 1 ist ein mit Ringmagneten 10 gelagerter, als Welle ausgebildeter Rotor 11 gezeigt. Um den Rotorschaft 12 ist ein Fanglager 13 angeordnet, das wiederum mit einer Dämpfurgseinrichtung 14 im Rotorgehäuse 15 gelagert ist. Das Fanglager 13 besteht aus einem mit Kugeln 18 gelagerten Innen- und einem Außenring 19 bzw. 20. Als gleitfähiges Kontaktstück für den Rotorschaft 12 dient eine mit dem Innenring 19 verbundene Anlaufbuchse 22, die aus einem selbstschmierenden Werkstoff hergestellt ist.
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18.02.1977 809838/0098 " 6 "
Das Fanglager 13 ist mit dem Außenring 20 an eine Dämpferhülse 25 der Dämpfungseinrichtung 14 befestigt. Die Dämpfungseigenschaft wird unterstützt durch mehrere Dämpferscheiben 26, die gemeinsam mit der Dämpferhülse 25 in eine Dämpfungsflüssigkeit 27 eintauchen. Eine Membran 28 dichtet den mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllten Raum zwischen der Dämpfungsvorrichtung 14 und dem Gehäuse 15 ab.
Die integrierte Dämpfer-Fanglager-Baueinheit 13, 14 ist radial beweglich auf Kugeln 30 abgestützt, während die Zentrierung durch die federnd ausgebildete Membran 28 erfolgt. Dem Dämpferfanglager und dem Rotor 11 zugeordnete Magnetringe 31 unterstützen die Zentrierfunktion des Lagers, um sicherzustellen, daß während des normalen Betriebes des Rotors jeder Kontakt zwischen dem Schaft 12 und dem Fanglager 13 ausgeschlossen ist.
Während des normalen Betriebes des Rotors 11 sorgen die den Rotor tragenden Dämpfungslager, von denen nur eins, nämlich das Magnetlager 10 gezeigt ist, für die Stabilisierung des Rotationssystems. Alle im normalen Nennbetrieb aufkommenden Schwingungen sowie die Schwingungen mit relativ geringen Rotoramplituden beim Auf- und Ablaufen des Rotors werden mit diesem Dämpfungssystem das aktiv oder passiv magnetisch, hydraulisch oder mechanisch oder eine Kombination dieser Systeme sein kann, während das Dämpferfanglager 13, 14 inaktiv in Einsatzbereitschaft steht. Das Fanglager, das möglichst entfernt von Schwingungsknoten
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/ι-
angeordnet ist, umgibt den Rotor bzw. den Rotorschaft 12 mit der Anlaufbuchse 22 unter Beibehaltung eines Luftspaltes ö, der gerade etwas größer ist als die normale Uniaufschärfe des Rotors im Nennbetrieb, so daß jeder Kontakt zwischen dem Rotor und dem Fanglager ausgeschaltet bleibt. Mit Hilfe der Zentriereinrichtungen, wie z.B. die Magnetringe 31 und/oder eine Federmembran 28, läßt sich der Spalt knapp über der normalen Rotoramplitude an der Fanglagerstelle bemessen, so daß der Freilauf des Rotors gesichert ist, während andererseits das Fanglager rasch einsetzen kann, sobald der Rotor 11 stärker aufschwingt. Sobald die Rotoramplitude den Wertί übersteigt, berührt der Schaft 12 die Anlaufbuchse stoßartig. Durch die Gleitfähigkeit des Werkstoffes der Anlaufbuchse wird mit geringstmöglichem Energieentzug sozusagen das Trägheitsmoment der beschleunigten Masse überwunden und die beweglichen Teile des Fanglagers 13 auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt. Das Inertialsystem erhält nunmehr eine neue Einspanncharakteristik durch die Ankopplung des Dämpfers 14 und der Federmembran 28, die die Eigenfrequenz des Systems verändert. Die bis dahin aufgebrachte Schwingungsenergie wird über die Dämpfungseinrichtung entzogen, so daß das Schwingungssystem rasch stabilisiert und mit Hilfe der Zentriermagnete 31 das Fanglager wieder entkoppelt wird und der Rotor nur nach einer kurzzeitigen Kopplung des Dämpferfanglagers wieder frei laufen kann.
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809838/0098
. Al-
Die Anordnung des Fanglagers kann auch im umgekehrten Sinn erfolgen, d.h., daß sich die drehenden Teile des Fanglagers mit dem Rotor verbunden sind, während die Anlaufbuchse 35 der Dämpfungseinrichtung 36 zugeordnet ist, Fig. 2. In diesem Fall wird anstatt das eine Lagerkomponente positiv beschleunigt, der Außenring abgebremst. Auch kann eine Lageranordnung nach Fig. 1 jedoch mit der Anlaufbuchse am Rotorschaft 12 verbunden, gewählt werden, wodurch sich die zu beschleunigende Masse vermindern läßt.
Bei Lagerstellen des Rotors mit geringem Durchmesser kann, wie in Fig. 3 dargestellt ist, die Anlaufbuchse in mehreren konzentrischen Kleinkugellagern 39 geführt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Dämpferlagersystem 40, 39 mit Federstäben 41, deren eines Ende am Gehäuse 15 befestigt ist, zentriert.
In Fig. 4 ist ein AusfUhrungsbeispiel gezeigt, in dem das Fanglager 45 aus mehreren konzentrisch angeordneten und kugelgelagerten Hülsen 46 besteht. Durch Verminderung der Relativgeschwindigkeiten zwischen je zwei benachbarter Hülsen könnendie Reibungsverluste herabgesetzt werden. Die Anlaufbuchse 47 ist mit dem Rotor 11 verbunden.
18.02.1977 - 9 -
309838/0098
Leerse ι t e

Claims (1)

  1. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
    Aktiengesellschaft
    München, den 18. Februar 1977 Patentansprüche
    Fanglager für überkritisch laufende Rotoren, das den Rotor umgibt und aufgrund von radialen Rotorbewegungen zum Einsatz ein- bzw. ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fanglager (13) und dem Rotor (12) ein definierter Spalt ( ) vorgesehen ist, der mindestens so groß ist, wie die maximale Amplitude des Rotors im Nennbetrieb.
    2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anlaufbuchse (22) vorgesehen ist, die ein kurzzeitiges Gleiten der sich berührenden Flächen erlaubt.
    3. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufbuchse (22) aus einem hochverschleißfesten, schlecht wärmeleitenden und selbstschmierenden Werkstoff ausgebildet ist.
    7.1649 - 10 -
    809838/0090
    ORiGfNAL INSPECTED
    a.
    4. Lager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufbuchse (22) kugelgelagert ist.
    5. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Fanglager ein mit einer Dämpfungseinrichtung (14) verbundenes Kugellager (13) vorgesehen ist, in dessen Innenring (19) die Anlaufbuchse (22) eingesetzt ist.
    6. Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (19) und die Kugeln (18) des Lagers aus einem spezifisch leichten, gut wärmeleitenden und hochtemperaturbeständigen Werkstoff ausgebildet sind.
    7. Lager nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (19, 20) des Kugellagers (13) aus einem spezifisch
    .leichten, temperaturbeständigen Schmierstoff enthaltenden Werkstoff ausgebildet ist.
    8. Lager nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring des Kugellagers von einem gut wärmeleitenden Dämpferkörper (25) aufgenommen ist.
    9. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere drehbar gelagerte Stahlbüchsen (46) mit unterschiedlichem Durchmesser vorgesehen sind.
    18.02.1977 809838/0098 - 11 -
    10. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fanglager an eine Rotorwelle anlenkt.
    11. Lager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der mit dem Fanglager (13) zusammenwirkende Bereich der Rotorwelle (12) aus einem hochverschleißfesten gut wärmeleitenden Werkstoff ausgebildet ist.
    12. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rotor (11) und Fanglager (13) zueinander durch zwei Magnetringe (31) zwangsgeführt sind.
    13. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfer-Fanglagereinheit gegenüber dem stationären Gehäuse durch mechanische Federelemente zentriert ist.
    14. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zentrierung der Dämpfer-Fanglagereinheit gegenüber dem stationären Gehäuse eine elastische Membran vorgesehen ist.
    15. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierung der Dämpfer-Fanglagereinheit im stationären Gehäuse durch Permanentmagnetringe erfolgt.
    809838/0098 " 12 "
    16. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche, aktive magnetische Quellen vorgesehen sind, die in den Dämpferkörper des Fanglagers integriert sind.
    17. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile einer Dämpfer-Fanglagereinheit auf kleinste Masse hin optimiert sind.
    18. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Fanglager selbst mit Schmiermittel aus einem Vorratsgefäß versorgen.
    19. Lager nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermittelförderung vom Innenring des Kugellagers oder vom Kugelkäfig übernommen wird.
    7.1649
    18.02.1977
    809838/0098
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