DE2736423A1

DE2736423A1 - Axial-drucklager

Info

Publication number: DE2736423A1
Application number: DE19772736423
Authority: DE
Inventors: Earl C Kuhn
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-09-03
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1978-03-09
Also published as: BE858378A; JPS6149896B2; ES462070A1; FR2363726A1; CH626959A5; US4103979A; CA1085899A; FR2363726B1; IT1087815B; BR7705826A; JPS5332309A; SE7709918L; GB1591396A

Description

Die Erfindung betrifft ein Axial-Drucklager für Maschinen mit axial stehender Welle, die durch das Axial-Drucklager an einer axialen Verschiebung gehindert wird mit einer Vielzahl von um die Welle herum verteilten kippbaren Drucksegmenten, welche sich radial erstrecken und mit einer Gleitfläche an einem Druckring anliegen.

Derartige Axial-Drucklager mit kippbaren Drucksegmenten werden in der Regel für hohe Lasten verwendet, wobei ein an der Welle befestigter Druckring auf einer Vielzahl von kippbaren ,Drucksegmenten aufliegt, die sich durch eine Unterstützung hinter der Mitte der Bewegungsrichtung schräg stellen und dadurch zwischen dem Druckring und den Drucksegmenten eine keilförmige Schmierschicht entstehen lassen. Wenn eine Welle auf einem solchen Axial-Drucklager gelagert ist, bei dem die einzelnen Drucksegmente in Bewegungsrichtung hinter der

Fs/gf

Mitte

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Mitte unterstützt sind, ergibt sich eine hydrodynamisch korrekte Schmierung nur in einer Drehrichtung. Wenn die Welle in entgegengesetzten Richtungen drehbar sein soll, wie z.B. für Pumpspeichergeneratoren, sind Alternativlösungen anstelle der kippbaren Segmente für das Axial-Drucklager erforderlich.

Eine Lösung hierfür ist bekannt (US-PS 3 784 266), bei der die Lagersegmente mit Rillen versehen sind, durch welche Schmierflüssigkeit unter Druck zugeführt werden kann, um eine Kippstellung der Drucksegmente zu simulieren, welche zentrisch unterstützt sind. Bei einer anderen bekannten Version (US-PS 3 398 996) sind mit den zentrisch unterstützten kippbaren Drucksegmenten zwei Servomechanismen verbunden, die die Kippstellung in der jeweiligen Drehrichtung der Welle simulieren. Bei beiden Ausführungsformen sind zusätzliche Schmiersysteme und Betätigungsmechanisme.n erforderlich. Außerdem haben derartige Servomechanismen zur Simulation der Schrägstellung eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer, womit auch die Wartungsabstände bzw. die Zeitabstände zwischen Reparaturen wesentlich verkürzt werden. Grundsätzlich sind derartige kippbare Drucksegmente für Axial-Drucklager bei Maschinen mit wechselnden Drehrichtungen wünschenswert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, um bei einem axialen Drucklager die hydrostatischen Verhältnisse derart zu beeinflussen, daß die Drucksegmente eine wesentlich längere Lebensdauer haben und eine erhöhte Belastung aufnehmen können, wobei die in dem Drucklager abgestützte Welle für einen Betrieb mit entgegengesetzten DreJirichtungen geeignet ist.

Ausgehend

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Ausgehend von dem eingangs erwähnten Axial-Drucklager wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Einrichtungen vorhanden sind, um die radiale Verbiegungsfähigkeit um die radial verlaufende Mittellinie eines jeden Drucksegmentes zu variieren, und um einen nachgiebigen Auflageträger längs der radialen Mittellinie zu schaffen, daß der Auflageträger in Umfangsrichtung verhältnismäßig schmal ist und eine veränderliche Nachgiebigkeit in· radialer Richtung derart hat, daß sich der Auflageträger längs der Mittellinie gleichförmig verbiegt, wenn Betriebslasten auf die Drucksegmente einwirken, daß eine Vielzahl von stationären Stützelementen in einer fixierten Position vorhanden ist, auf welchen der nachgiebige Auflageträger abgestützt ist, und daß die Gleitflächen, wenn sie unter Belastung stehen, eine im wesentlichen zylindrisch ballige Form annehmen, wobei sich die Zylinderachse in radialer Richtung erstreckt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

In vorteilhafter Weise wird durch die Maßnahmen der Erfindung erreicht, daß die Drucksegmente und die Auflageelemente unter Betriebslast eine zylindrisch ballige Verformung der Gleitfläche der Drucksegmente bewirken, was für einen Betrieb der im Axiallager abgestützten Welle in entgegengesetzten Richtungen besonders vorteilhaft ist. Die Achse der zylindrisch balligen Oberflächenform erstreckt sich radial zur Welle der Maschine. Durch diese Verformung der Gleitfläche wird erreicht, daß die Drucksegmente entsprechenden Drucksegmenten mit planen Gleitflächen überlegen sind. Die radiale Verbiegungsfähigkeit der Drucklageranordnung ändert sich in radialer Richtung bezogen auf die Welle der Maschine

und

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und ist längs Umfangslinien mit unterschiedlichen Radien im wesentlichen konstant. Die Drucklagerkonstruktion umfaßt Auflageträger, die in radialer Richtung unter der Mittellinie der Drucksegmente verlaufen und elastisch nachgiebig sind. Die sich ändernde Nachgiebigkeit in radialer Richtung ist derart, daß die Auflageträger eine gleichförmige Verbiegung längs der Mittellinie der Segmente erfahren. Die Auflageträger sind ihrerseits auf Stützelementen aufgelegt, die eine fixierte Position im Axial-Drucklager haben.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine zusätzlichen Mechanismen benötigt werden, um die hydrodynamische Abstützung der Lagerelemente für in gegensätzlicher Richtung drehbare Wellen zu schaffen. Vielmehr werden durch die Maßnahmen der Erfindung einfache Mittel zur Verfügung gestellt, die den Aufbau einer Schmierschicht während des Betriebs unabhängig von der Drehrichtung der Welle sicherstellen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine in einem Axial-Drucklager gelagerte Maschinenwelle;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die die Welle umgebenden Drucksegmente;

Fig. 3 die Verteilung der Betriebslasten auf ein zentrisch unterstütztes Drucksegment in schematischer Darstellung mit einer Ansicht auf den Außenrand des Drucksegmentes;

Fig. 4-

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Fig. 4 die Verteilung der Betriebslasten auf einem Drucksegment in schematischer Darstellung in einer Ansicht längs der radialen Erstreckung;

Fig. 5A und 5B eine schematische Darstellung der hydrodynamischen Idealstellung eines gekippten Drucksegmentes mit einer der Drehrichtung der Welle zugeordneten außermittigen Unterstützung;

Fig. 6A eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 6B eine Umfangsansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 6A;

Fig. 7A eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7B eine Ansicht auf den Umfang der Ausführungsform gemäß Pig. 7A;

Fig. 7C eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Ausführungsform gemäß den Fig. 7A und 7B;

Fig. 8A eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8B eine Ansicht auf den Umfang der Ausführungsform gemäß Fig. 8A;

Fig. 9A eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9B eine Ansicht auf den Umfang des Drucksegmentes nach der Ausführungsform gemäß Fig. 9A;

Fig. 1OA

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Fig. 1OA und 10B eine Seitenansicht sowie eine Ansicht auf den Umfang des Drucksegmentes der Ausführungsfonn gemäß Fig. 8A und 8B, wobei das Drucksegment im Zustand der Betriebsbelastung maßstäblich verstärkt dargestellt ist.

In Fig. 1 ist eine vertikal . verlaufende Welle 20 dargestellt, die am oberen Ende mit einem Druckring 22-verbunden ist, der seinerseits eine Läuferscheibe 24 trägt, die mit der Welle umläuft. Um die Welle 20 herum sind eine Vielzahl von Drucksegmenten 26 angeordnet, die mit ihrer sich radial erstreckenden Oberfläche bzw. ihrer Gleitfläche an der Unterseite der Läuferscheibe 24- im Stillstand der Maschine anliegen. Wenn keine Läuferscheibe 24 vorgesehen wäre, wurden die Drucksegmente 26 direkt an dem Druckring 22 im Ruhebetrieb anliegen. Wenn sich die Welle 20 dreht, werden die Drucksegmente 26 durch eine dünne Schicht des Schmiermittels von der Läuferscheibe 24 abgehoben. Jedes der Drucksegmente 26 ist auf einem Stützstab 28 gehaltert, der seinerseits wieder auf einem Stützzapfen bzw. einem Stützelement 30 aufliegt. Dieses Stützelement 30 wird am Lagergehäuse 22 in Position gehalten. Der in Fig. 1 dargestellte Aufbau ist grundsätzlich typisch für ein Axial-Drucklager mit Drucksegmenten.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf acht Drucksegmente 26 gezeigt, die um die Welle 20 herum angeordnet sind. Jedes Drucksegment hat einen Innenrand 34, der benachbart zur Welle 20 liegt, sowie einen Außenrand 36 und seitliche Längskanten 38. Die einzelnen Drucksegmente 26 sind durch schmale Zwischenräume parallel zu den Längskanten 38 voneinander getrennt.

In

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In Pig. 3 ist die öldruckverteilung an einem zentrisch unterstützten Drucksegment 26 in einer Ansicht auf den Außenrand 36 dargestellt. Diese Druckverteilung verläuft etwa parabolisch symmetrisch zur radialen Mittellinie 4-2 des Drucksegmentes 26. In Fig. 4 ist die Druckverteilung dargestellt, die sich längs der radial verlaufenden Mittellinie 4-2 unter Lastbedingungen im Betrieb einstellt. Der Druck nimmt grundsätzlich von dem Innenrand 34 ausgehend in radialer Richtung zu und erreicht ein Maximum, um zum Außenrand 36 hin wieder abzufallen.

In den Fig. 5A und 5B sind die hydrodynamischen Verhältnisse angedeutet, wie sie sich im Optimalzustand bei einem kippbar außermittig abgestützten Drucksegment 26 einstellen, wobei die Läuferscheibe 24 bei den beiden Darstellungen entgegengesetzte Drehrichtung hat. Es kann gezeigt werden, daß ein Drucksegment, für welches eine zylindrisch ballige Form angenommen wird, unter Lastverhältnissen eine wesentlich günstigere Lastaufnahme hat, als dies bei den ebenen Drucksegmenten mit einer außermittigen Unterstützung gemäß den Fig. 5A und 5B möglich ist.

Die Drucksegmente 26A gemäß den Fig. 6A und 6B nehmen unter Last einen zylindrisch balligen Oberflächenverlauf bezüglich einer Ansicht auf den Außenrand 36 an. Das Drucksegment 26A ist mit einem Steg 46A versehen, der von dem Innenrand 3^A bis zum Außenrand 36A verläuft. Dieser Steg 46A verläuft längs der Mittellinie des Drucksegmentes 26A und liegt über Stifte bzw. Zapfen 5OA auf einem elastischen Auflageträger 48A auf. Die Stifte bzw. Zapfen 5OA sind von unterschiedlicher Breite in radialer Ansicht, jedoch haben sie eine gleichbleibende Breite und eine gleichbleibende Länge. Durch die Verwendung von Stiften mit unterschiedlichem

Querschnittsbereich •09810/0661

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Querschnittsbereich kann der Steg 46A gleichmäßig in Längsrichtung verbogen werden, wenn die Drucksegmente 26A unter Last stehen. Durch ein Verändern der Dicke der Drucksegmente 26A in radialer Richtung kann dafür gesorgt werden, daß die Oberfläche bzw. Gleitfläche 52A eine zylindrisch ballige Form annimmt, bezogen auf die gegenüberliegende Läuferscheibe 24, wobei sich die Zylinderachse in radialer Richtung erstreckt. Eine zylindrisch ballige Gleitfläche kann, wenn das Drucksegment in der Mittellinie abgestützt ist, hydrodynamisch für jede Drehrichtung der Läuferscheibe 24 optimiert werden.

In den Fig. 7A und 7B ist eine zweite Ausführungsform eines Drucksegmentes 26B dargestellt, das über Zapfen 5OB auf einem Auflageträger 48B abgestützt ist. Dieses Drucksegment 26B ändert sich im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Fig. 6A und 6B nicht kontinuierlich in der Dicke, sondern vielmehr stufenweise, wobei in radialer Richtung gesehen zunächst vom Innenrand ausgehend das Drucksegment dicker wird und nach dem Erreichen einer maximalen Dicke wieder abnimmt. Die Zapfen 5OB sind bei der dargestellten Ausführungsform unterschiedlich lang und wirken mit einem Auflageträger 48B zusammen, um den gewünschten Effekt einer gleichmäßigen Verbiegung des Steges 46B sowie des Drucksegmentes 26B in radialer Richtung zu bewirken, wenn die Betriebslast einwirkt .

In Fig. 8A und 8B ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einem Drucksegment 26C dargestellt, das auf einem Auflageträger 48C über Stifte 5OC mit unterschiedlichem Durchmesser abgestützt ist. Durch die unterschiedlichen Durchmesser der Stifte 5OC kann die Elastizität in radialer Richtung variiert werden, um eine gleichmäßige Verbiegung des Steges 46C unter Lastbedingungen möglich zu

machen.

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machen. Das Ändern der Dicke des Drucksegmentes 26C in radialer Erstreckung, wobei dasselbe kontinuierlich dicker und dann wieder dünner wird, dient dazu, daß die Gleitfläche 52C einen nahezu perfekten zylindrisch balligen Verlauf annimmt, wobei sich die Zylinderachse in radialer Richtung erstreckt, wenn die Betriebslast einwirkt.

In den Fig. 1OA und 1OB ist eine fünfte Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht und in Umfangsansicht dargestellt, wobei ein Drucksegment 26C mit seinem Steg 46C über Zapfen 5OC auf einem Auflageträger 48C abgestützt ist. Diese Ausführungsform entspricht der Ausführungsform gemäß Fig. 8A und 8B, jedoch unter der Annahme, daß das Drucksegment unter Lastbedingungen steht. Die Verformung der Gleitfläche ist aus der Abbildung gemäß Fig. 1OB überproportional dargestellt entnehmbar.

Es sind auch noch weitere Möglichkeiten gegeben, um die gewünschte Elastizität des Drucksegmentes mit der gewünschten Verformung zu erreichen, indem insbesondere die Querschnittsverhältnisse und die Längenverhältnisse der Zapfen 50 verändert werden. Dadurch läßt sich die Verformung unter Lastbedingungen allen gewünschten Bedingungen anpassen. Der Steg 46 ist nicht immer erforderlich, jedoch ist er in der Regel von Vorteil, um die Steifigkeit des Drucksegmentes längs der Mittellinie 42 zu erhöhen. Beim Fehlen eines solchen Ausgleichssteges ist die Herstellung der Drucksegmente 26 einfacher. Ein solches Drucksegment 26D ist in den Fig. 9A und 9B dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung erstrecken sich die Zapfen 5OD von dem Auflageträger 48D bis an die gewölbte Oberfläche auf der Unterseite des Drucksegmentes 26D„

Unter den Lastbedingungen verursachen der hydrodynamische Druck, die thermischen Effekte und andere Kräfte eine Ver

formung 109810/0881

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formung der Drucksegmente. Indem man dafür sorgt, daß diese Verformung eine zylindrisch ballige Gleitfläche schafft, ist es möglich, Drucksegmente unter korrekten hydrodynamischen Verhältnissen für ein Axial-Drucklager zu verwenden,das sich entsprechend der gelagerten Welle in entgegengesetzten Bewegungsrichtungen unter Lastbedingungen dreht. Durch die Maßnahmen der Erfindung wird erreicht, daß derartige mit den Drucksegmenten gemäß der Erfindung ausgestattete Axial-Drucklager in der Lage sind, höhere Betriebslasten aufzunehmen als dies bei entsprechenden Axial-Drucklagern mit außermittiger Unterstützung der kippbaren Drucksegmente der Fall ist.

Patentansprüche:

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eerse if e

Claims

Patentansprüche

Axial-Drucklager für eine Maschine mit axial stehender Welle, die durch das Axial-Drucklager an einer axialen Verschiebung gehindert wird, mit einer Vielzahl von um die Welle herum verteilten Drucksegmenten, welche sich radial erstrecken und mit einer Gleitfläche an einem Druckring anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorhanden sind, um die radiale Verbiegungsfähigkeit um die radial verlaufende Mittellinie (42) eines jeden Drucksegmentes (26) zu variieren, und um einen nachgiebigen Auflageträger (48A, 48B, 48C, 48D) längs der radialen Mittellinie zu schaffen, daß der Auflageträger in Umfangsrichtung verhältnismäßig schmal ist und eine veränderliche Nachgiebigkeit in radialer Richtung derart hat, daß sich der Auflageträger längs der Mittellinie gleichförmig verbiegt, wenn Betriebslasten auf die Drucksegmente (26) einwirken, daß eine Vielzahl von stationären Stützelementen (30) in einer fixierten Position vorhanden ist, auf welchen der nachgiebige Auflageträger abgestützt ist, und daß die Gleitflächen (52A, 52B, 52C, 52D), wenn sie unter Belastung stehen, eine im wesentlichen zylindrisch ballige Form annehmen, wobei sich die Zylinderachse in radialer Richtung erstreckt.

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ORIGINAL INSPECTED

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2. Axial-Drucklager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Schaffung der radialen Verbiegungsfähigkeit eine Dicke haben, die in radialer Richtung vom Innenrand (34-) und vom Außenrand (36) aus zunimmt, wobei eine maximale Dicke in einem Mittelbereich vorhanden ist, in dem die größte Betriebslast auftritt.
3· Axial-Drucklager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicke der Drucksegmente (26) stufenförmig oder kontinuierlich in radialer Richtung ändert.
4. Axial-Drucklager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennze ichne t, daß längs der axialen Mittellinie (42) der Drucksegmente (26) ein schmaler Steg (46A, 46B, 46C) verläuft, der im wesentlichen eine konstante Verbiegungsfähigkeit hat.

5· Axial-Drucklager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckelement im Bereich des Steges (46A, 46B, 46C) und längs einer Umfangslinie, bzw. eines Umfangsbereiches im wesentlichen unverändert ist, um eine im wesentlichen konstante Verbiegungsfähigkeit zu erhalten.

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