DE2711065C3

DE2711065C3 - Radial gedämpftes Fanglager für überkritisch laufende Rotoren

Info

Publication number: DE2711065C3
Application number: DE2711065A
Authority: DE
Inventors: Richard 8904 Friedberg Steigenberger; Gernot Dr. 6000 Frankfurt Zippe
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1977-03-14
Filing date: 1977-03-14
Publication date: 1982-05-19
Also published as: FR2384156B1; DE2711065A1; NL7802272A; DE2711065B2; JPS53113947A; JPS6157493B2; GB1595371A; US4334718A; FR2384156A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein radial gedämpftes Fanglager für überkritisch laufende Rotoren, das den Rotor umgibt und aufgrund von radialen Rotorbewegungen zum Einsatz kcmmt; das Fanglager weist eine gleitfähige Anlaufbuchse auf, zwischen der und dem Rotor ein definierter Spalt vorgesehen ist, der mindestens so groß ist, wie die maximale Amplitude des Rotors im Nennbetrieb.

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 aer 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 Einsatz, indem sie, ausgelöst durch Rotorauslenkungen, zur Wirkung gebracht 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, um die Amplitude des Rotors beim Durchfahren der kritischen Drehzahl zu verringern, bzw. ihr Ansteigen über einen bestimmten Wert hinaus zu vermeiden.

Die einfachste Methode, die Amplitude des Rotors beim Durchfahren einer kritischen Drehzahl zu begrenzen, besteht darin, daß dem Rotor in seiner Mitte eine Fanglager zugeordnet wird, zwischen dem und dem Rotor ein Spiel vorgesehen ist, das sich mit zunehmender Annäherung der Rotordrehzahl an eine kritische Drehzahl infolge zunehmender Rotorauslenkung zunehmend verringert, bis der Rotor am Fanglager zur Anlpge kommt und damit eine weitere Auslenkung verhindert ist. Diese Lösung ist jedoch praktisch nicht brauchbar, weil der Rotor entweder die jeweilige kritische Drehzahl überhaupt nicht durchfahren kann oder aber bricht, wenn er am Fanglager angelaufen ist, und seine Drehzahl weiter gesteigert wird.

Eine andere Möglichkeit ist eine entsprechende Veränderung der Rotormasse. Hat der Rotor die für eine kritische Drehzahl charakteristische Auslenkung erreicht, so läuft er an einer Hülse an und nimmt diese mit, und an dem Rotor wird über die Hülse eine Zusatzmasse angekoppelt. Dadurch wird die jeweilige kritische Rotordrehzahl verschoben und der Rotor kann bei verringerter Ausgangsamplitude über die vorherige kritische Drehzahl hinaus beschleunigt werden.

Ein entsprechender Effekt kann auch dadurch erzielt werden, daß beim Erreichen einer kritischen Drehzahl dem Rotor ein Teil der Energie wieder entzogen wird, die beim Beschleunigen bis zur kritischen Drehzahl aufgebracht werden mußte, um den Hotor auszulenken. Durch den Energieentzug wird ohne Verringerung der Drehzahl die Amplitude verringert und der Rotor kann wiederum über die ursprünglich erreichte kritische Drehzahl hinaus bei kleinerer Ausgangsamplitude beschleunigt werden. In der CH-PS 4 68 566 ist eine Lösung offenbart, bei der diese Energievernichtung mit einem Bremssystem erfolgt, das dem Rotor beim Erreichen einer kritischen Drehzahl zugeschaltet wird. Der Nachteil dieser Lösung wird darin gesehen, daß das Bremssystem über eine Hülse zugeschaltet wird, die den Rotor umgibt und eine relativ große Masse hat. Die relativ große Masse der Hülse hat zwei erhebliche Nachteile zur Folge. Das anzukoppelnde Bremssystem unter Einschluß der Hülse ist relativ träge und seine Mitnahme durch den Rotor erfolgt mit relativ großer zeitlicher Verzögerung, was sich nachteilig auf den Rotorbetrieb auswirkt. Außerdem findet bereits beim Anlaufen des Rotors an der Hülse eine Vernichtung eines Teiles der zu vernichtenden Energie statt, was aus mehreren Gründen unerwünscht ist, vor allem deswe-

gen, weil Reibungsverluste auftreten, die sich darin äußern, daß die Hülse in unerwünschter Weise erwärmt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Ausgestaltung dieser bekannten Lösung in der Weise, daß ein möglichst verlustarmes Durchfahren des Bereiches einer kritischen Drehzahl möglich ist

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Anlaufbuchse kugelgelagert und aus einem hochverschleißfesten, schlecht wärmeleitenden und selbstsdimierenden Werkstoff ausgebildet ist, während das geschmierte Kugellager massearm aus gut wärmeleitendem Werkstoff ausgebildet ist

Während beim Stand der Technik die Anlaufbuchse gleichsam Teil des Bremssystems ist und aufgrund der großen Masse zu Verlusten und einer erheblichen Trägheit des Systems führt, ist bei der Erfindung die Anlaufbuchse mit dem Kugellager ausschließlich Übertragungsmittel zwischen Rotor und Bremse. Das Übertragungsmittel hat eine sehr geringe Masse, so daß es den Rotorlauf beim Ankoppeln der Bremse nicht beeinträchtigt, andererseits aber mit extrem geringer zeitlicher Verzögerung an dem Rotor ankoppelt. Die geringe Trägheit der Anlaufbuchse in Verbindung mit dem massearmen, selbstschmierenden Kugellager führt zu einem insgesammt massearmen Fanglager. Dadurch, daß die Anlaufbuchse aus schlecht wärmeleitendem, das Kugellager aus gut wärmeleitendem Stoff ausgebildet ist, wird selbst die geringe im Fanglager erzeugte Wärme vom Rotor ferngehalten und kontinuierlich nach außen abgeführt.

Mit den Merkmalen der Unteransprüche wird die Erfindung in zweckmäßiger Weise ausgestaltet.

In der Zeichnung sind in F i g. 1 bis 4 je ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schematisch dargestellt

In F i g. 1 ist ein mir Ringmagneten 10 gelagerter, als Welle ausgebildeter Rotor 11 gezeigt Um den Rotorschaft 12 ist ein Fanglager 13 angeordnet, das wiederum mit einer Dämpfungseinrichtung 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.

Das Fanglager 13 ist mit dem Außenring 20 an eine Dämpferhülso 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 eines, nämlich das Magnetlager 10 gezeigt ist, für die Stabilisierung des Rotationssystemes. Alle im normalen Nennbetrieb aufkommenden Schwingungen sowie die Schwingungen mit telativ geringen Rotorampütuden 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 Dämpfungslager 13, 14 inaktiv in Einsatzbereitschaft steht. Das Fanglager, das möglichst entfernt von Schwingungsknoten angeordnet ist, umgibt den Rotor bzw. den Rotorschaft 12 mit der Anlaufbuchse 22 unter Beibehaltung eines Luftspaltes ό, der gerade etwas größer ist als die normale Umlaufschärfe des Rotors im Nennbetrieb, so daß jeder Kontakt zwischen dem Rotor und dem Fanglager ausgeschaltet bleibt. Mit Hilfe der Zentriervorrichtungen, 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 ausschwingt. Sobald die Rotoramplitude den Wert ö übersteigt, berührt der Schaft 12 die Anlaufbuchse stoßartig. Durch die Gleitfähigkeit des Werkstoffes der Anlaufb'ichse 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.

Die Anordnung des Fanglagers kann auch im umgekehrten Sinn erfolgen, d. h., daß die sich 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 Lagerkomponent 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 Fi g. 3 dargestellt ist, die Anlaufbuchse in mehreren konzentrischen Kleinkugellagern 39 geführt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Dämpferfangsystem 40, 39 mit Federstäben 41, deren eines Ende am Gehäuse 15 befestigt ist, zentriert.

In F i g. 4 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem das Fangiager 45 aus mehreren konzentrisch angeordneten und kugelgelagerten Hülsen 46 besteht. Durch Verminderung der Relativgeschwindigkeit zwischen je zwei benachbarter Hülsen können die Reibungsverluste herabgesetzt werden. Die Anlaufbuchse 47 ist mit dem Rotor 11 verbunden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Radial gedämpftes Fanglager für überkritisch laufende Rotoren, das den Rotor umgibt und aufgrund von radialen Rotorbewegungen zum Einsatz kommt, mit einer gleitfähigen Anlaufbuchse, zwischen der und dem Rotor ein definierter Späh vorgesehen ist, der mindestens so groß ist, wie die maximale Amplitude des Rotors im Nennbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufbuchse (22) kugelgelagert und aus einem hochverschleißfesten, schlecht wärmeleitenden und selbstschmierenden Werkstoff ausgebildet ist, während das geschmierte Kugellager (13) massearm aus gut wärmeleitendem Werkstoff ausgebildet ist

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (19) des Kugellagers (13) in die Anlaufbuchse (22) eingesetzt ist

3. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (20) des Kugellagers (13) von einem gut wärmeleitenden Dämpferkörper (25) aufgenommen ist.

4. Lager nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kugellager (13) ein an sich bekanntes Mehrringlager,' vorzugsweise Dreiringlager (46) vorgesehen ist.

5. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugellager mit seinem einen Ring dem Rotor zugeordnet ist und sich der Spalt zwischen der den anderen Ring tragenden Anlaufbuchse und der Dämpfervorrichtung befindet.

6. Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Rotors (12), dem der Innenring des Kugellagers zugeordnet ist, aus einem hochverschleißfesten gut wärmeleitenden Werkstoff besteht, si

7. Lager nach einem der Ansprüche 1 —6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfer-Fanglagereinheit gegenüber dem stationären Gehäuse durch mechanische Federelemente zentnert ist.

8. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zentrierung der Dämpfer-Fanglagereinheit gegenüber dem stationären Gehäuse eine elastische Membrane vorgesehen ist.

9. Lager nach einem der Ansprüche 1 —8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Kugellager selbst mit Schmiermittel aus einem Vorratsgefäß versorgt.

10. Lager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermittelförderung vom Innenring des Kugellagers oder vom Kugelkäfig übernommen wird.