DE2924815C2

DE2924815C2 - Fanglager für überkritisch laufende Rotoren

Info

Publication number: DE2924815C2
Application number: DE2924815A
Authority: DE
Inventors: Dieter 8900 Augsburg Hirt; Richard 8904 Friedberg Steigenberger
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1979-06-20
Filing date: 1979-06-20
Publication date: 1986-06-26
Also published as: DE2924815A1; GB2055992B; NL8003080A; GB2055992A; US4324440A; JPS6316599B2; JPS5612096A

Description

Die Erfindung betrifft ein Fanglager für überkritisch laufende Rotoren, das den Rotor umgibt und aufgrund radialer Rotorschwingungen zwecks Stabilisierung des Rotors betätigbar ist, mit definiertem, zwischen Fanglager und Rotor vorgesehenem Spalt, der mindestens so groß ist wie die Maximalamplitude 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 der Stabilisieru, gsversuche 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, 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 Ankopplung 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 Grunde sollte das Fangl* «er-Rotor-System in den Laufperioden zwischen den kritischen Drehzahlen und insbesondere im Nennbetrieb reibungsfrei und im Einsatz des Lagers reibungsarm sein. Deshalb ist bei einem bekannten Fanglager (DE-PS 27 59 324 zwischen diesem und dem Rotor ein definierter Spalt vorgesehen, der mindestens so groß ist wie die maximale Amplitude des Rotors im Nennbetrieb. Der Rotor wird beim Durchlaufen einer kritischen Drehzahl erst nach Überbrücken des vorbestimmten Luftspalts durch das Fanglager abgefangen, wodurch ein berührungsloses Freilaufen des Rotors und andererseits ein frühzeitiges Wirksamwerden des Dämpfers in den kritischen Bereichen gewährleistet ist. Das An- und Freilaufen kann mit oder ohne eine hochverschleißfeste, schlecht wärmeleitende, selbstschmierende Anlaufbuchse erfolgen, die gegebenenfalls am Lager oder am Rotor im Spaltbereich befestigt ist.

Im Augenblick eines Tätigwerdens eines Fanglagers beim Durchlaufen einer kritischen Drehzahl treten nicht nur extreme Umfangsbeschleunigungskräfte auf das Fanglager auf, sondern auch extreme Radialstößc. die nur schwer kontrollierbar sind und leicht ein Lager beschädigen können. Nach dem Stand der Technik sind nicht nur die bei Nennbetrieb wirksamen Hauptlnger mit einer Dämpfungseinrichtung versehen, sondern es weist auch das Fanglager eine Dämpfungseinrichtung auf. Als Dämpfungsmittel für Fanglager kennt man vornehmlich hydrostatische Systeme, die vergleichsweise aufwendig konzipiert sein müssen, um eine hinreichende

Dämpfungscharakteristik im Betrieb zu erzielen (DE-PS 27 59 324, DE-OS 27 11 065). Insbesondere muß dein Abdichtungsproblem hydrostatischer Dämpfungssysteme besondere Sorgfalt geschenkt werden, und ein zuverlässiger Betrieb des Fanglagers ist nur bei einwandfreier Abdichtung der Dämpfungseinrichtung gewährleistet.

Aus der DE-OS 26 58 925 ist ein Fanglager bekannt, das einen Kugelkäfig hat, das in einem federnd und gedämpft gelagerten Außenring axial verschiebbar angeordnet ist Im Einsatz des Fanglagers verschiebt sich der Kugelkäfig, so daß der Spalt zwischen Rotor und Fanglager kleiner wird und damit eine rasche Stabilisierung des Rotors erreicht wird. Eine nähere Ausgestaltung der aus einem Dämpfer und einer Feder bestehenden Dämpfungseinrichtung für das Fanglager ist jedoch nicht angegeben.

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung des eingangs genannten Fanglagers für überkritisch laufende Rotoren mit Spaltausbildung, bei dem durch einfache, nicht störanfällig mechanische Mittel eine gute Dämpfungs- bzw. Federcharakteristik erzielt wird.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß der Außenring des Fanglagers durch eine koaxial zum Rotor in dessen Verlängerung angeordnete langgestreckte federnde Hülse abgestützt ist, deren vom Rotor entfernter Bereich drehfest eingespannt ist.

Die an einer ortsfesten Halterung einseitig eingespannte langgestreckte Hülse schafft zwischen der Einspannstellc und der Anlaufstelle des Rotors einen Hebelarm, der die Dämpfungs- und Federungscharakteri stik der Hülse wesentlich bestimmt und entsprechend einer individuellen Rotorausführung optimal gewählt werden kann. Der Außenring des Fanglagers und somit das Fanglager insgesamt ist in elastischer Weise in Radialrichtung des Rotors abgestüzt, dämpft Radialstöße des Rotors beim Durchlaufen der kritischen Drehzahl und ermöglicht durch die Rückstellkraft der federnden Hülse ein Freilaufen des Rotors im überkritischen Drehzahlbereich.

Vorteilhafterweise weist die federnde Hülse auf ihrem Umfang gleich verteilte Längsschlitze auf. Durch Zahl und Anordnung der Längsschlitze kann die Federcharakteristik der Hülse beeinflußt werden.

Der Außenring des Fanglagers is; zweckmäßigerweise in einer bezüglich der federnden Hülse steifen, langgestreckten Lagerhülse angeordnet, die ihrerseits zur federnden Hülse konzentrisch und am nicht eingespannten Ende der federnden Hülse befestigt ist. Damit wird das Fanglager selbst ohne Beeinträchtigung der Feder- und Dämpfungseigenschaft der Hülse in einer stabilen Anordnung gehalten.

Die Lagerhülse ist zweckmäßigerweise auf der federnden Hülse aufgesteckt und unverschieblich angeordnet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen der Befestigungsstelle der Lagerhülse am nicht eingespannten Ende der federnden Hülse bis zum aufgesteckten Ende der Lagerhülse ein Umfangsspalt ausgebildet ist, der von der Befestigungsstelle der Lagerhülse zum aufgesteckten Ende in der Breite zunimmt. Insbesondere ist der Spalt im Axialschnitt der Hülsen keilförmig ausgebildet. Die Keilform wird zweckmäßigerweise dadurch geschaffen, daß der Aufsteckteil der Lagerhülse zylindrisch und der Nichteinspannbereich der federnden Hülse konisch erweiter: ausgebildet ist. Aufgrund dieser Anordnung wird die lineare Steifigkeit der Feder umgewandelt in eine progressive Federsteifigkeit, deshalb, weil nunmehr durch die Spaltausbiidung zwischen federnder Hülse und Lagerhülse ein geringer Winkelunterschied im Axialschnitt vorhanden ist, der bewirkt, daß mit zunehmender Auslenkung des Fanglagers nach dem Anlaufen des Rotors der »effektive Hebelarm« verkürzt wird. Im Augenblick des Anlaufens des Rotors ist die federnde Hülse bei koaxialer Ausrichtung der Lagerhülse zur federnden Hülse bei maximalem wirksamen Hebelarm vergleichsweise weich, während mit zunehmender Auslenkung des Fanglagers die Lagerhülse bezüglich der federnden Hülse aufgrund der Spaltausbildung abgewinkelt, d. h. der wirksame Hebelarm und der wirksame elastische Bereich der federnden Hülse verkürzt und dadurch eine progressive Steifigkeit der federnden Hülse erreicht wird.

Vorteilhafterweise überdeckt der Aufsteckbereich der steifen Lagerhüke bei einer geschlitzten federnden Hülse in Axialrichtung den Schlitzbereich der federnden Hülse, so daß eine sehr große Federsteifigkeit bei extrem kurzem wirksamen Hebelarm ivzielt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Axialschnitt der Hülsen der Spalt stufen- bzw. treppenförmig ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine sprunghaft progressive Federcharakteristik im Betrieb, was el:; Freilaufen des Rotors vom Fanglager im überkritischen Drehzahlbereich begünstigt.

Die Dämpfungscharakteristik kann individuell gestaltet werden, wenn im Aufsteckbereich der beiden Hülsen eine dazwischenliegende Dämpfungsmasse an- oder eingebracht ist. wobei Spaltausbildung beibehalten bleibt. Als Dämpfungsmasse wird vorteilhafterweise ein Vulkanisat gewählt.

Zweckmäßigerweise wird der Aufsteckteil der steifen Lagerhülse am Innenumfang verbreitert, um die Dämpfungsmasse unter Beibehaltung einer Spaltausbildung in der Anordnung aufnehmen zu können.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der aus einer Figur bestehenden Zeichnung erläutert, in der ein Lagerabschnitt eines Rotors im Axialschnitt dargestellt is«

Gemäß Zeichnung ist ein Rotor 10 über ein Hauptdämpfungslager 13 am ortsfesten Gehäuse 9 drehbar abgestützt. Das Hauptdämpfungslager 13 .veist einen Magnetring 14 auf, dem ein gegenpoüger Masnetring 16 des Rotors 10 zugeordnet ist, wobei bei Nennbetrieb des Rotors ein berührungsfreier Lauf gegeben ist.

Der Schaft 12 des Rotors 10 ist vergleichsweise kurz als Achsstumpf ausgebildet und läuft bei Nennbetrieb des Rotors, d. h. bei Rotorschwingungen begrenzter Amplitude, berührungsfrei innerhalb eines Fanglagers 1. das seinerseits am ortsfesten Gehäuse 9 über den Außenring 5 des Fanglagers, eine steife langgestreckte Lagerhülse 30 und eine darin aufgenommene federnde Hülse 20 in radialfedernder Weise abgenützt ist. Der Innenring des Fanglagers 1 weist eine hochverschleißfeste, schlecht wärmeleitende, selbstschmierende Anlaufbuchse 3 auf, wobei im zusammengebauten Zustand der Anordnung bei Stillstand oder Nennbetrieb des Rotors 10 ein Spa't b zwischen Anlaufbuchse 3 und Rotorschaft 12 ausgebildet ist.

Die federnde Hülse 20 ist an ihrem obcen Ende drehfest am ortsfesten Gehäuse 9 eingespannt und verläuft koaxial zum Rotor 10 unter konischer Erweiterung nach unten in Richtung p.uf den Rotorschaft 12. Zwischen ihren Enden ist die Hülse 20 mit Längsschlitzen 18 versehen, die gleichmäßig auf den Hülsenumfang verteilt sind. Die langgestreckte, zylindrische Lagerhülse 30

nimmt an ihrem unteren Ende den Außenring des Fanglagers 1 auf und ist nahe diesem Ende auf das untere Ende 24 der federnden Hülse 20 aufgesteckt. Ihr oberes Ende liegt oberhalb des Bereiches der federnden Hülse 20, in dem diese die Längsschlitze 18 aufweist. Infolge der Konizität der federnden Hülse 20 und der zylindrischen Form der Lagerhülse 30 liegt zwischen beiden ein konischer nach oben sich erweiternder Umfangsspalt a vor.

Durch die keil- oder stufenförmige Ausbildung des Umfangsspaltes a wird im Betrieb eines Rotors eine progressive Steifigkeit der »Feder« (d. h. der federnden Hülse 20) erzielt, und zwar nach dem Anlaufen des Rotors 10 am Fanglager 1. wobei sich Rotorschaft 12 und Anlaufbuchse 3 berühren. Progressive Steifigkeit der Feder wird insbesondere durch zunehmende Auslenkung des Fanglagers 1 erzielt, wobei die Lagerhülse 30 bezüglich der federnden Hülse 20 aufgrund der Spaltausbildung zwischen den Teilen abgewinkelt und dadurch der wirksame Hebelarm zur hinspannsteiie 22 der federnden Hülse verkürzt wird.

Aufgrund der progressiven Federsteifigkeit wird das Fanglager 1 beim Durchlaufen der kritischen Drehzahl minimal belastet und zugleich eine Rückstellkraft der Feder erzeugt, die eine Selbststabilisierung des Rotors 10 nach Überschreiten der kritischen Drehzahl besorgt, d. h. ein Freilaufen des Rotorschafts 12 von der Anlaufbuchse 3 begünstigt.

Wenn die Dämpfung der federnden Hülse 20 durch die Lagerhülse 30 nicht ausreichend oder nicht über den jo gesamten Frequenzbereich wirksam ist. so kann durch Anbringung einer Dämpfungsmasse im Umfangsspalt a zwischen den Hülsen 20, 30 eine verstärkte Dämpfung für den anlaufenden Rotor erreicht werden. Gegebenenfalls wird vor An- bzw. Aufbringung der dämpfenden Masse, die vorteilhafterweise ein Vulkanisat ist, der Umfangsspalt a durch Aufbohren oder Ausdrehen der Lagerhüise 30 verbrciicii. um den entsprechenden Raum für die Dämpfungsmasse zu schaffen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Fanglager für überkritisch laufende Rotoren, das den Rotor umgibt und aufgrund radialer Rotorschwingungen zur Stabilisierung des Rotors betätigbar ist, mit definiertem, zwischen Fanglager und Rotor vorgesehenem Spalt, der mindestens so groß ist wie die Maximalamplitude des Rotors im Nennbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (5) des Fanglagers (1) durch eine koaxial zum Rotor (10) in dessen Verlängerung angeordnete langgestreckte, federnde Hülse (20) abgestützt ist, deren vom Rotor entfernter Bereich (22) drehfest eingespannt ist.

2. Fanglager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Hülse (20) auf ihren Umfang gleichmäßig verteilte Längsschlitze (18) aufweist

3. Fanglagcr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (H) des Fanglagers (1) in einer bezüglich der federnden Hülse (20) steifen, langgestreckten Lagerhülse (30) angeordnet ist, die ihrerseits zur federnden Hülse (20) konzentrisch und am nicht eingespannten Ende (24) der federnden Hülse befestigt ist.

4. Fanglager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerhülse (30) auf der federnden Hülse (20) aufgesteckt und unverschieblich angeordnet ist.

5. Fanglagcr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich zwischen der Befestigungsstelle der Lagerhülse (30) am nicht eingespannten Ende (24) der federnden "Hülse (20) und dem eingespannten Ende (22) der federncLn Hülse zwischen beiden Hülsen (20,30) ein Umfangsspalt fajausgebildet ist, der sich von der Befestigungsstelle (24) der Lagerhülse (30) am nicht eingespannten Ende der federnden Hülse zum eingespannten Ende der federnden Hülse hin erweitert.

6. Fanglager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Spalt (a) konisch erweitert.

7. Fanglager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufsteckteil der Lagerhülse (30) zylindrisch und der Nichteinspannbereich (24) der federnden Hülse (20) konisch erweitert ausgebildet ist.

8. Fanglager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (a) im Axialschnitt der Hülsen (20,30) stufenförmig ausgebildet ist.

9. Fanglager nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Aufsteckbereich der Hülsen (20, 30) eine dazwischenliegende Dämpfungsmasse an- oder eingebracht ist.

10. Fanglager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmasse ein Vulkanisat ist.