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Segmentlager, insbesondere fün grosse rotierende Maschinen
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Segmentlager gemäss dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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An Lagerungen für Wellen von Kraftwerksturbogruppen und Wasserkraftgeneratoren
werden infolge der grossen Gewichte der rotierenden Komponenten, Läufer plus Welle,
hohe Anforderungen gestellt. Durch die hohe Gewichtsbelastung und durch äussere,
vom Arbeitsmittel herrührende Kraftwirkungen treten dabei hohe spezifische Lagerflächenpressungen
(20 -60 bar) und Zapfenumfangsgeschwindigkeiten von weit über 100 m/s auf.
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Für diese Beanspruchungen hat sich das heute für diesen Zweck ausschliesslich
verwendete hydrodynamische Lager mit Kippsegmenten durchwegs bewährt und es hat
daher auch einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Es ist bei dieser Bauart möglich,
durch Selbstschmierung eine für einwandfreie Schmierung ausreichende Schmierfilmdicke
zu erzeugen. Die erforderliche Schmierfilmdicke wird dabei bestimmt durch die Grösse
der Verformung, welche die Gleitschuhe bei einem Axiallager eines Wasserkraftgenerators
bzw. die Lagerschalensegmente eines Querlagers von Kraftwerksturbogruppen erleiden.
Diese Verformung der Laufflächen der Gleitschuhe bzw. Lagerschalensegmente wird
verursacht durch den während des Laufes herrschenden hydrostatischen Druck des Oelschmierfilms.
Er wirkt als über die Lagerfläche ungleichmässig verteilte Belastung, die zu den
Rändern hin abfällt und eine Verbiegung der Laufflächen verursacht.
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Dieser mechanischen Verformung überlagern sich Deformationen
infolge
Erwärmung der Gleitschuhe oder der Lagerschalensegmente und der dazugehörigen Tragelemente,
d.h., der Tragplatten bei Axiallagern und Tragsegmente bei Querlagern.
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Um ein Abreissen des Schmierfilms und metallische Berührung der Lagerflächen
und damit Mischreibung zu vermeiden, muss die Dicke des im Betrieb entstehenden
Schmierfilms immer grösser sein als die durch die oben erwähnten Faktoren erzeugte
resultierende Verformung. Nur dann ist gewährleistet, dass die Lagergleitfläche
und der Wellenzapfen durch den Schmierfilm voneinander getrennt bleiben. Andernfalls
kann es zu Beschädigungen oder gar zur Zerstörung von Lagerflächen und Welle kommen.
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Die Aufgabe der im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Erfindung besteht
demnach in der Schaffung eines Lagers, bei dem die Lagerflächen durch die auftretenden
mechanischen und thermischen Beanspruchungen praktisch nur parallel zu ihrer ursprünglichen,
unverformten Form verschoben werden und die geometrischen Abweichungen der deformierten
Lagerflächen von ihrer Gestalt im unbelasteten Zustand innerhalb sehr enger Grenzen
liegen und kleiner sind als die normalerweise im Betrieb entstehenden Schmierfilmdicken,
so dass unter allen Umständen flüssige Reibung gewährleistet ist.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher beschrieben. In der Zeichnung stellen dar: Fig. 1 die linke Hälfte eines Schnittes
durch die Lagerung eines Wasserkraftgenerators,
Fig. 2 einen Teil
eines Axialsegmentlagers mit Gleitschuh, Stützelementen desselben, Tragplatte und
Einstellspindel, Fig. 3 eine Ausführungsform des Gleitschuhs mit schematischer Darstellung
der auf seine Stützelemente wirkenden Kräfte, Fig. 4 eine graphische Darstellung
des Verformungsfeldes durch die Druckbeanspruchung beim Gleitschuh nach Fig. 3,
Fig. 5 das Verformungsfeld infolge Druckbeanspruchung bei einer Tragplatte für den
Gleitschuh gemäss Fig. 3, Fig. 6 das Verformungsfeld des obigen Gleitschuhs unter
Temperatureinfluss, Fig. 7 das Verformungsfeld des obigen Gleitschuhs unter kombinierter
Druck- und Wärmebeanspruchung, Fig. 8, 9 und 10 -Gleitschuhe mit verschiedenen Ausführungsformen
ihrer Stützelemente, und Fig. 11 ein Segmentquerlager gemäss der Erfindung.
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In Fig. 1 ist der oberste Teil eines hängenden Wellenstranges eines
Generators mit Wasserturbine mit 1 bezeichnet. Er besitzt zwei Kupplungsflansche
2 und 3, von denen der untere Flansch 2 zur Befestigung einer nicht dargestellten
Wasserturbinenwelle und der obere Flansch 3 zur Befestigung eines ebenfalls nicht
dargestellten Generator-
läufers dient. Am unteren Ende des Generatorläufers
ist ein Spurkranz befestigt. Letzterer ist aus einer Ringscheibe 5, einem Zwischenring
6, einem Querlagerring 7 und aus einem Spurlagerring 8 zusammengesetzt. Der Querlagerring
7 weist eine zylindrische Lauffläche auf und wirkt mit einem Segmentquerlager zusammen,
von dem in Fig. 1 ein Lagersegment 9 dargestellt ist. Die freie, untere Stirnfläche
des Spurlagerringes 8 bildet die Lauffläche, die mit einem Axialsegmentlager 10
zusammenwirkt, von dem in Fig. 1 ein Gleitschuh 11, eine Tragplatte 12, eine Einstellspindel
13 sowie Stückbolzen 14 dargestellt sind.
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Innerhalb des Lagergehäuses 15 ist ein wasserdurchflossener Oelkühler
16 mit Sammelkammern 17 und 18 und einer Kühlschlange 19 angeordnet. Am Umfang des
Lagergehäuses befinden sich in sternförmiger Anordnung Tragrippen 20, über die sich
die Lagerung auf ein Fundament 21 abstützt.
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Fig. 2 zeigt, in Schnittdarstellung und in Umfangsrichtung des Lagers
gesehen, eine der Segmenteinheiten, die zusammen ein Axialsegmentlager bilden, in
einer gegenüber Fig. 1 etwas abweichenden Ausführung in grösserem Massstab.
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Diese Segmenteinheit besteht wiederum aus einem Gleitschuh 11, einer
Tragplatte 12, die gegenüber der Einstellspindel 13 um einen bombierten Kippzapfen
22 nach allen Richtungen kippbar ist, um im Betrieb eine Einstellung entsprechend
dem sich zwischen Spurlagerring und Gleitschuh ausbildenden Schmierölkeil zu ermöglichen,
und den Stützbolzen 14 zwischen Gleitschuh und Tragplatte.
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Fig. 3 zeigt den Grundriss eines Gleitschuhs und ein beispielweises
Schema für die Anordnung der Stützbolzen 14 für ein konkretes berechnR uWfiAr,ugsbeispiel
. Ausserdem
ist hier auch die Lage des Kippzapfens 22 strichliert
eingezeichnet. Die durch die Mittelpunkte der Stützbolzenquerschnitte verlaufenden
Pfeile 23 symbolisieren in axonometrischer Darstellung die auf die einzelnen Stützbolzen
14 wirkenden Druckkräfte aus der Gleitschuhbelastung durch den während des Betriebes
zwischen Spurzapfenring 8 (Fig. 1) und Gleitschuh 11 entstehenden Schmierfilmkeil.
Diese Kräfte wirken im wesentlichen normal zur Gleitschuhebene und ihr Grössenverhältnis
wird in Fig. 3 durch die unterschiedliche Länge der, wie gesagt, axonometrisch dargestellten
Vektoren 23 ausgedrückt.
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Fig. 4 stellt das Verformungsfeld des gemäss Fig. 3 belasteten und
auf den dort eingezeichneten Stützbolzen gelagerten Gleitschuhs dar unter der Voraussetzung,
dass die Auflageflächen der Stützbolzen in einer Ebene verbleiben festgehalten sind.
Anstelle der Stützbolzen sind in Fig. 4 nur deren Durchstosspunkte 24 mit der Lauffläche
des Gleitschuhs eingezeichnet. Die Linien 25 stellen die Oerter gleicher Durchsenkung
dar, wobei der Unterschied der Durchsenkungen zweier benachbarter Linien 2 µm beträgt.
Weiter unten wird beschrieben, wie die Stützbolzen unter Berücksichtigung der Verformung
der Tragplatte zu dimensionieren sind, damit sich ihre oberen Stirnseiten unter
der in Fig. 3 dargestellten Belastung sämtlich um den gleichen Betrag absenken,
so dass also alle Stützpunkte im belasteten Zustand in ein und derselben Ebene bleiben,
die gegenüber ihrer ursprünglichen Lage im unbelasteten Zustand lediglich parallel
verschoben wurde. Die Durchsenkung eines beliebigen Punktes der Laufflächenebene
gegenüber einem benachbarten Stützpunkt ergibt sich aus der Anzahl von Linien gleicher
Durchsenkung zwischen dem betrachteten Punkt und diesem Stützpunkt. Danach beträgt
gegenüber dem Stützpunkt 28 die Durch-
senkung des Punktes 26 4
x 2 Mm = 8 µm und jene des Punktes 27 5 x 2 µm = 10 µm, da sich zwischen dem Stützpunkt
28 und dem Punkt 26 vier Linien und zwischen 28 und 27 fünf Linien gleicher Durchsenkung
befinden.
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Fig. 5 zeigt das Verformungsfeld der Tragplatte, auf die sich über
die Stützbolzen 14 die Belastungen des Gleitschuhs übertragen. Die Linien stellen
wiederum die Oerter gleicher Durchsenkung dar. Da die Tragplatte lediglich durch
den aussermittig vorgesehenen Kippzapfen 22 gestützt ist, sind ihre Biegeverformungen
trotz ihrer wesentlich grösseren Biegesteifigkeit viel grösser als jene des Gleitschuhs.
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In Fig. 5 beträgt der Unterschied in der Durchsenkung zweier benachbarter
Linien 5 µm, woraus folgt, dass die Durchsenkung an den vom Kippzapfen am weitesten
entfernten Rändern 60pm beträgt gegenüber einer grössten Durchsenkung von 10 beim
Gleitschuh nach Fig. 4.
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Hier sei bemerkt, dass die Ermittlung der Verformungsfelder für die
statisch vielfach unbestimmten Systeme nach den Fig. 4 und 5 sowie der Verformungen
infolge der thermischen Beanspruchung und auch die verhältnismässig einfache Bestimmung
der Drucksteifigkeiten der Stützelemente mittels Elektronenrechner und Rechenprogramm
mit dem Verfahren der finiten Elemente schnell und einfach durchzuführen ist.
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Sobald die Verformungsfelder und Reaktionskräfte für den Gleitschuh
und die Tragplatte gemäss den Fig. 4 und 5 vorliegen, lässt sich die erforderliche
Drucksteifigkeit der einzelnen Stützbolzen aus der Bedingung ermitteln, dass die
Durchsenkungen aller Stützstellen des Gleitschuhs gleich sein müssen. Dann ist nämlich
die eingangs gestellte Bedingung erfüllt, dass sich die Lagergleitfläche des Gleitschuhs
lediglich parallel zu sich selbst verschiebt und damit ihre
Ebenheit
gewährt bleibt.
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Die Durchsenkungen der genannten Stützstellen setzen sich zusammen
aus der Durchsenkung der Tragplatte unter dem betrachteten Stützbolzen und der Stauchung
des letzteren selbst unter der auf ihn wirkenden Druckkraft.
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Da die Summe dieser Durchsenkungen für alle Stützstellen gleich sein
muss, ist die erforderliche Drucksteifigkeit der Stützbolzen an den stärker durchgebogenen
Bereichen der Tragplatte, gemäss Fig. 5 also gegen die Ränder zu, grösser als im
Bereich um den Kippzapfen 22 herum. Bei Verwendung kreiszylindrischer, gleichlanger
Bolzen werden diese also im inneren Bereich kleineren Durchmesser aufweisen als
im äusseren, wo der Hauptteil der Durchsenkung auf die Tragplatte entfällt und die
Stützbolzen dementsprechend drucksteifer sein müssen. Ueber dem Kippzapfen 22 ist
die Durchsenkung der Tragplatte gleich Null, so dass dort die gesamte Druckverformung
auf einen in diesem Bereich eventuell vorhandenen Stützbolzen entfällt.
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Neben der Verformung des Gleitschuhs infolge der Druckbelastung durch
den Schmierfilmkeil tritt im Betrieb noch eine Verformung durch die Lagerreibungswärme
auf. Diese heizt die gleitflächennahe Schicht am stärksten auf, wodurch diese auch
die grösste Wärmeausdehnung erfährt und damit konvex verbogen wird. Der ungestützte
Gleitschuh erfährt damit, wie aus Fig. 6 hervorgeht, Deformationen, die an den Rändern
etwa gleich gross sind wie jene der Tragplatte. In Fig. 6 entspricht dem Abstand
zweier Linien, die wiederum Oerter gleicher Durchsenkung darstellen, ein Durchsenkungsunterschied
von 10 µm, so dass die Durchsenkung in den Ecken sogar bei über 50 µm liegt. Da
aber die
Tragplatte immer sehr viel biegesteifer ist als der Gleitschuh,
so wird sie die aus der Wärmedehnung resultierenden Durchsenkungen des Gleitschuhs
weitgehend aufheben, ohne dadurch selbst grosse zusätzliche Verformungen zu erleiden.
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Am Gleitschuh erhält man durch die geringe verbleibende Durchsenkung
aus der Wärmedehnung eine leicht ballige Lagergleitfläche, die sich aber für das
Laufverhalten des Lagers, insbesondere für die Schmierkeilbildung, als günstig erwiesen
hat.
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Ist beispielsweise die Tragplatte dreimal so hoch wie der Gleitschuh,
so beträgt ihre Biegesteifigkeit das 27fache der Gleitschuhsteifigkeit, da das für
die Biegesteifigkeit massgebende äquatoriale Flächenträgheitsmoment mit der 3. Potenz
der Querschnittshöhe wächst. Dadurch werden für diesen Fall die Deformationen des
Gleitschuhs auf 1/27 reduziert.
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Der Vollständigkeit halber ist in Fig. 7 noch das aus der mechanischen
und thermischen Belastung resultierende Verformungsfeld wiedergegeben, in dem der
Linienabstand einem Durchsenkungsunterschied von 10 µm entspricht. Man erkennt,
dass die Durchsenkung in einem stark überwiegenden Anteil der Gleitschuhfläche unterhalb
20 µm liegt. Es ergibt sich also ein sehr vorteilhaftes Tragbild für die Gleitschuhfläche.
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Fig. 8 zeigt eine Ausführung eines Axiallagersegments mit Gleitschuh
29 und Tragplatte 30, bei dem die unterschiedliche Steifigkeit der durchmessergleichen
kreiszylindrischen Stützbolzen 31 durch Abstufung ihrer Längen erzielt wird. In
der Mitte sind hier die längeren Bolzen mit kleinerer
Drucksteifigkeit,
im äusseren Bereich befinden sich die kürzeren und daher steiferen Bolzen.
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Eine weitere Ausführungsform stellt die Fig. 9 dar. Die Stützelemente
bestehen hier aus Rohren 32, deren Drucksteifigkeit durch verschiedene Wandstärken
variiert werden kann.
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Bei der Ausführung nach Fig. 10 bestehen die Stützelemente aus Tellerzylindern
33, bei denen neben der Druckverformung auch eine Biegeverformung auftritt. Die
Steifigkeit kann durch verschieden grosse Wandstärke des Tellerrandes und/ oder
des Bodens und durch verschieden grosse Basisdurchmesser variiert werden.
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Es sind natürlich auch beliebige Kombinationen der hier beschriebenen
Massnahmen zum Variieren der Steifigkeiten der Stützenelemente möglich, ebenfalls
Verwendung konzentrisch angeordneter Rohrelemente mit verschiedenen Wandstärken,
Längen usw. Auch könnten die Bolzen beispielsweise aus verschiedenen Materialien
mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen hergestellt werden.
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Dieselbe Vielfalt von Stützelementausführungen gilt auch für Quersegmentlager
mit entsprechenden, der Tragsegment-und Gleitlagersegmentform angepassten Modifikationen.
Fig.
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11 zeigt ein Quersegmentlager, bei dem zwischen Gleitlagersegment
34 und Tragsegment 35 kreiszylindrische Bolzen 36 unterschiedlichen Durchmessers
als Stützelemente vorgesehen sind.