DE3248097A1

DE3248097A1 - Radialgleitlager, insbesondere fuer die welle einer wasserturbine

Info

Publication number: DE3248097A1
Application number: DE19823248097
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: KARL OTTO TECH BUERO fur VERF
Current assignee: KARL OTTO TECH BUERO fur VERF
Priority date: 1982-12-24
Filing date: 1982-12-24
Publication date: 1984-06-28
Also published as: DE3248097C2

Description

"Radialgleitlager, insbesondere für
die Welle einer Wasserturbine Die Erfindung betrifft ein Radialgleitlager zur Aufnahme einer Welle, insbesondere einer Wasserturbine, mit einer Lagerschale und einer Schmierwasser-Zufuhr.
Dabei kann es sich grundsätzlich um das Führungslager einer Wasserturbine mit vertikaler Wellenanordnung handeln. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um die Aufnahme einer angenähert horizontal angeordneten Welle, wobei dann die Schmierwasser-Zufuhr in die unbelastete Lagerzone geführt ist.
Die Lagerung der Welle z.B. einer Kaplan-Turbine ist üblicherweise in Form einer starren Lagerschale mit Fettschmierung und zusätzlicher Wasserschmierung in der unbelasteten Lagerzone ausgelegt. Diese Lager haben sich grundsätzlich bewährt. Unter Berücksichtigung der verschärften Umweltschutzbedingungen erweist es sich jedoch als sehr nachteilig, daß das aus dem Lager austretende Fett unmittelbar in das Umgebungswasser, bei einer Kaplan-Turbine also in das Flußwasser gelangt. Vergleichbare Lagerkonstruktionen finden auch z.B. bei Kühlwasserpumpen Anwendung, Hier gelangt das aus den Lagern austretende Fett in den Kühlwasserkreislauf und kann sich dann als Fettfilm in den Kondensatorrohren niederschlagen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, für das eingangs erläuterte Radialgleitlager eine Ersatzlösung zu finden, bei der eine Verschmutzung des das Lager umgebenden Mediums durch aus dem Lager austretendes Fett vermieden wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst: a) Die Lagerschale besteht aus Gummi; b) der zwischen Welle und Lagerschale gebildete Lagerspalt mündet in seinen beiden Stirnseiten in je eine Ringkammer, die gegenüber dem das Radiallager umgebenden Medium durch je eine elastische Ringdichtung abgedichtet ist; c) die Ringdichtung ist schlauchförmig ausgebildet und mit einem eine Vorspannung erzeugenden Medium gefüllt; d) die ortsfest angeordnete Ringdichtung liegt unter Wirkung ihrer Vorspannung abdichtend an einer mit der Welle umlaufenden starren Dichtfläche an; e) die Vorspannung der Ringdichtung ist so gewählt, daß Schmierwasser aus der Ringkammer zwischen Ringdichtung und starrer Dichtfläche nach außen austritt.
Es handelt sich also um ein vollhydrodynamisch wassergeschmiertes Gummilager, bei dem die beiden seitlich angeordneten Ringdichtungen den seitlichen Schmiermittelabfluß im Bereich der unbelasteten Lagerzone reduzieren sollen. Durch das hydrostatische Prinzip stellt sich an den Ringdichtungen immer gleicher Druck ein, so daß man auch jeweils gleiche, also kontrollierte Schmiermittelabströmung erhält. In dem Anlagespalt zwischen Ringdichtung und starrer Dichtfläche erhält man eine laminare, radial austretende Verdrängungsströmung in Verbindung mit einer tangential gerichteten Schleppströmung. Durch die Vorspannung der Ringdichtung wird das Eindringen von verschmutztem Wasser sowie abrasiver Bestandteile in das Gummilager verhindert.
Das Schmierwasser kann wie bisher in der unbelasteten Lagerzone zugeführt werden, das üblicherweise gefiltert bzw. auf andere Weise gereinigt worden ist. Die Ringdichtungen sind in den Lager-Schmiermittelkreislauf integriert.
Grufldsätzlich wäre es möglich, die Vorspannung der Ringdichtung pneumatisch zu erzeugen. Jedoch erscheint es zweckmäßig, wenn der Hohlraum der Ringdichtung einen Anschluß für Druckwasser zur Erzeugung einer hydrostatischen Vorspannung aufweist. Dabei reicht ein Überdruck von ca. 0,5 bisl,Sbar gegenüber dem Umgebungsdruck.
Der Schmiermittel fluß hängt ab von der Auslegung der Schmierwasserpumpe, dem Durchflußwiderstand des Gummilagers und dem Druckabfall an der Ringdichtung. Daher ist es vorteilhaft, wenn die hydrostatische Vorspannung der Ringdichtung einstellbar ist, um so den Druckabfall an dieser Dichtung zu justieren. Die hydrostatische Vorspannung läßt sich erzeugen durch einen von einer Pumpe beaufschlagten Speicher, der über einen Druckregler an den Hohlraum der Ringdichtung angeschlossen ist.
Die Halterung für die Ringdichtung ist vorzugsweise gekennzeichnet durch einen als Ringflansch ausgebildeten und in die Ringkammer ragenden Dichtungsträger, auf dessen der Lagerschale abgewandten Seite die Ringdichtung befestigt ist.
Die genannte starre Dicht fläche ist zweckmäßigerweise als Konus ausgebildet, der sich in Richtung auf die Lagerschale verjüngt, und an dem die Ringdichtung mit einem axial äußeren, radial innenliegenden Abschnitt anliegt. Dabei beträgt die Konizität vorzugsweise 45° zur Wellenachse. Die vorzugsweise weitgehend konstruktiv gleich ausgeführten Lagerabdichtungen erlauben somit eine ausreichende radiale und axiale Wellenverlagerung.
In dem an der starren Dichtfläche anliegenden Abschnitt der Ringdichtung kann zumindest eine Kapillare von außen in den Hohlraum der Ringdichtung geführt sein. Derartige Kapillaren können sich bei stark verschmutzten Wässern empfehlen, um so eine Spülung in der Dichtzone zu erzielen. In diesem Fall wird dann die Vorspannung der Ringdichtung zusätzlich noch durch den Druckabfall an den Kapillaren beeinflußt.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform kann sich die Ringdichtung auf ihrer radial außenliegenden Seite an einem auf dem Dichtungsträger zweckmäßig lösbar befestigten Stützring abstützen. Dabei kann dessen an der Ringdichtung anliegende Ringfläche als Konus ausgebildet sein, der sich in Richtung auf die Lagerschale erweitert und die eine Wandung einer hinterschnittenen Ringnut bildet, deren radial innenliegende Wandung durch den Dichtungsträger selbst gebildet sein kann. In dieser hinterschnittenen Ringnut ist der Fuß der Ringdichtung in Umdrehungsrichtung gesehen kraftschlüssig gehalten.
Die Ringdichtung weist im Querschnitt vorzugsweise angenähert die Form eines liegenden U auf, dessen freien Schenkelenden wulstartig verdickt sind. Im Hohlraum der Ringdichtung kann eine Spreizschiene angeordnet sein, die einen konischen Querschnitt aufweist und durch Anziehen von durch den Dichtungsträger geführten Spannschrauben die genannten U-Schenkel der Ringdichtung auseinanderspreizt und dadurch gegen die genannten Wandungen der hinterschnittenen Ringnut preßt. Dabei kann der Druckwasseranschluß für die hydrostatische Vorspannung in der Ringdichtung durch eine oder mehrere Bohrungen etwa auf dem Teilkreis der Spannschrauben geführt sein.
Die untere Gummi-Lagerschale liegt vorzugsweise in einer starren Lagerbuchse, die ihrerseits auf einem Lagerträger befestigt ist.
Dichtungsträger, Stützring,Ringdichtung und Spreizeinrichtung bilden vorzugsweise eine Baugruppe, die an einem stirnseitigen Flansch der Lagerbuchse oder aber unmittelbar am Lagerträger lösbar festgelegt ist. Dadurch läßt sich die genannte Baugruppe und somit das gesamte Abdichtsystem sehr einfach ausbauen.
Da das Gummi lager während des normalen Turbinenbetriebes vollhydrodynamisch geschmiert wird, ist eine hydrostatische Wellenstützung an sich nicht erforderlich. Um jedoch Beschädigungen der Lagerschale nach längeren Stillstandszeiten zu vermeiden, kann eine hydrostatische Lagerschmierung für die Anlaufphase vorgesehen werden. Hierfür können in den Bereich der maximalen Pressung der unteren Gummi-Lagerschale zumindest zwei Bohrungen münden, an die eine Druckwasserzufuhr angeschlossen ist. Der erforderliche Wasserdruck ist dabei abhängig von der Lagerbelastung, Gummihärte sowie der Dicke der Gummi-Lagerschale und wird in der Größenordnung zwischen 10 und 20 bar liegen. In der Druckwasser-Zuleitung sollte ein Rückschlagventil vorgesehen sein, um nach dem Abschalten der Druckwasserpumpe ein Rückströmen von Wasser zu verhindern.
Bei der Montage der Welle drückt sich diese in die untere Gummi-Lagerschale ein. Dieses Eindrückmaß ist natürlich abhängig von der Shore-Härte sowie der Dicke des Lagergummis und von der spezifischen Lagerpressung. Die Größenordnung der Lagereinpressung kann bei der Montage der Welle einer üblichen Kaplan-Turbine in einer Größenordnung von 1,5 mm liegen. Die erfindungsgemäße Lagerabdichtung ist so ausgelegt, daß sie dieser statischen Wellenverlagerung folgen und dabei nicht nur radiale, sondern auch axiale Wellenverlagerungen in begrenztem Umfange aufnehmen kann.
Bei den in der Einleitung erläuterten, bisher üblichen Lagerkonstruktionen finden Labyrinthdichtungen mit engen Spalten sowie Messerringe aus Messing Verwendung. Wegen der vorstehend erläuterten statischen Wellenverlagerung müssen beim Umrüsten dieser Lagerungen auf Ausführungsformen gemäß der Erfindung alle diese Dichtelemente entfallen.
Um die üblicherweise vorgegebene maximal zulässige Wellenverlagerung von 0,8 mm bei der Welle einer Kaplan-Turbine nicht zu überschreiten, kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, die starre Lagerbuchse um das Maß exzentrisch nach oben anzuordnen, um das sich die Welle bei ihrer Montage in die untere Gummi-Lagerschale eindrückt. Die Lagerverformung wird also durch exzentrische Lagerung der Lagerschale vollständig kompensiert, so daß die belastete Welle im Betrieb eine bezogen auf die Bohrung des Lagergehäuses zentrische Position einnimmt.
Die erfindungsgemäße Lagerausführung paßt sich im übrigen weitgehend an bisherige Lagerkonstruktionen an, so daß nur geringe Umbaumaßnahmen erforderlich sind. Die weiteren wesentlichen Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen: Abdichtung und Schutz des Lagers gegen das Eindringen von Fremdkörpern und abrasiver Bestandteile aus dem Umgebungswasser; Schutz des Lagergummis gegen die Einwirkung chemisch aggressiver Wasser-Zumischungen; Sicherung eines geordneten Schmiermittelflusses; Regulierung des Schmiermittelstromes; wirksamer Stillstandschutz des Gummilagers; Gewährleistung konstanter Lagereigenschaften im langjährigen Betrieb; Dämpfung von Wellenschwingungen.
In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Figur 1 in verkleinertem Maßstab im Längsschnitt den Lagerbereich der Welle einer Kaplan-Turbine, wobei die Darstellung in eine linke Figur 1a und eine rechte Figur 1b unterteilt ist; Figur 2 in vergrößertem Maßstab den in Figur 1b dargestellten rechten oberen Lagerbereich und Figur 3 in einer Darstellung gemäß Figur 2 den rechten unteren Lagerbereich.
Die in den Figuren dargestellte Lagerung einer Welle 1 umfaßt eine obere Gummi-Lagerschale 2 und eine untere Gummi-Lagerschale 3, die in einer starren Lagerbuchse 4 sitzt, die an ihrer in der Zeichnung rechts liegenden Stirnseite einen Flansch 4a trägt, über den die Lagerbuchse 4 mit einem Lagerträger 5 verschraubt ist.
Der zwischen Welle 1 und Lagerschale 2,3 gebildete Lagerspalt 6 mündet an seinen beiden Stirnseiten in je eine Ringkammer 7, die gegenüber dem das Radialgleitlager umgebenden Medium durch je eine elastische Ringdichtung 8 abgedichtet ist. Letztere ist schlauchförmig ausgebildet, ortsfest angeordnet und liegt unter Wirkung einer Vorspannung abdichtend an einer mit der Welle 1 umlaufenden starren Dichtfläche 9 an, die als Konus ausgebildet ist, der sich in Richtung auf die Lagerschale 2,3 verjüngt.
Die Ringdichtung 8 ist auf einem Dichtungsträger 10 befestigt, der als Ringflansch ausgebildet ist, in die Ringkammer 7 ragt und über Schrauben 11 mit dem Flansch 4a der starren Lagerbuchse 4 bzw. dem Lagerträger 5 verschraubt ist. Ein Stützring 12 ist über Schrauben 13 auf dem Dichtungsträger 10 lösbar befestigt und weist eine konisch ausgebildete, sich in Richtung auf die Lagerschale 2,3 erweiternde radial innenliegende Ringfläche 12a auf, gegen die sich die Ringdichtung 8 abstützt. Letztere umschließt einen Hohlraum 14, in den eine im Querschnitt konisch ausgebildete Spreizschiene 15 eingelegt ist, die über durch den Dichtungsträger 10 geführte Spannschrauben 16 verstellbar ist.
Die Figuren lassen erkennen, daß die Ringdichtung 8 im Querschnitt angenähert die Form eines liegenden U aufweist, deren freien Schenkelenden 8a wulstartig verdickt sind. Durch Anziehen der Spannschrauben 16 werden die U-Schenkel der Ringdichtung nach außen gespreizt und dadurch gegen die Wandungen einer hinterschnittenen Ringnut gepreßt, deren radial außenliegende Wandung durch die Ringfläche 12a des Stützringes 12 und die radial innenliegende Wandung 10a durch den Dichtungsträger 10 gebildet sind.
Die Ringdichtung 8 liegt mit einem axial äußeren, radial innenliegenden Abschnitt 8b an der konischen Dichtfläche 9 an. Durch den genannten Abschnitt 8b sind Kapillaren 17 von außen in den Hohlraum 14 der Ringdichtung 8 geführt, um hier insbesondere beim Anlauf der Welle und bei starker Wasserverschmutzung eine Verbesserung der Schmierung zu erreichen.
Zur Erzielung einer hydrostatischen Vorspannung der Ringdichtung 8 steht deren Hohlraum 14 mit einem Anschluß 18 für Druckwasser in Verbindung und zwar über Bohrungen etwa auf dem Teilkreis der Spannschrauben 16. Die Zufuhr des Druckwassers erfolgt über eine Druckwasserleitung 19.
An die unbelastete Lagerzone 20 ist eine Schmierwasser-Zufuhr 21 angeschlossen, die beim Betrieb der Turbine eine vollhydrodynamische Lagerschmierung gewährleistet. Für die Anlaufphase kann zusätzlich eine hydrostatische Lagerschmierung vorgesehen sein.
Hierfür sind zwei in den Bereich der maximalen Pressung der unteren Gummi-Lagerschale 3 mündende Bohrungen 22 vorgesehen, an die eine Druckwasserzufuhr 23 angeschlossen ist.
Das durch die Schmierwasser-Zufuhr 21 in die unbelastete Lagerzone 20 geleitete Schmierwasser gelangt durch den sich in der unbelasteten Lagerzone bildenden verhältnismäßig großen Lagerspalt 6 in die beiden sich stirnseitig anschließenden Ringkammern 7, aus denen es durch den Gleitbereich zwischen Ringdichtung 8 und konischer Dichtfläche 9 nach außen abströmt. Eine geregelte Abströmmenge wird erreicht durch Einstellung eines bestimmten hydrostatischen Drucks im Hohlraum 14 der Ringdichtungen 8 sowie eines bestimmten Pumpendrucks.

Claims

Patentansprüche: 1. Radialgleitlager zur Aufnahme einer Welle.(1), insbesondere einer Wasserturbine, mit einer Lagerschale (2,3) und einer Schmierwasser-Zufuhr (21), g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Merkmale: a) Die Lagerschale (2,3) besteht aus Gummi; b) der zwischen Welle (1) und Lagerschale (2,3) gebildete Lagerspalt (6) mündet in seinen beiden Stirnseiten in je eine Ringkammer (7), die gegenüber dem das Radiallager umgebenden Medium durch je eine elastische Ringdichtung (8) abgedichtet ist; c) die Ringdichtung (8) ist schlauchförmig ausgebildet und mit einem eine Vorspannung erzeugenden Medium gefüllt; d) die ortsfest angeordnete Ringdichtung (8) liegt unter Wirkung ihrer Vorspannung abdichtend an einer mit der Welle (1) umlaufenden starren Dichtfläche (9) an; e) die Vorspannung der Ringdichtung (8) ist so gewählt, daß Schmierwasser aus der Ringkammer (7) zwischen Ringdichtung (8) und starrer Dichtfläche (9) nach außen austritt.
2. Radialgleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (14) der Ringdichtung (8) einen Anschluß (18) für Druckwasser zur Erzeugung einer hydrostatischen Vorspannung aufweist.
3. Radialgleitlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrostatische Vorspannung einstellbar ist.
4. Radialgleitlager nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen als Ringflansch ausgebildeten und in die Ringkammer (7) ragenden Dichtungsträger (10), auf dessen der Lagerschale (2,3) abgewandten Seite die Ringdichtung (8) befestigt ist.
5. Radialgleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte starre Dichtfläche (9) als Konus ausgebildet ist, der sich in Richtung auf die Lagerschale (2,3) verjüngt, und an dem die Ringdichtung (8) mit einem axial äußeren, radial innenliegenden Abschnitt (8b) anliegt.
6. Radialgleitlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch den genannten Abschnitt (8b) der Ringdichtung (8) zumindest eine Kapillare (17) von außen in den Hohlraum (14) der Ringdichtung (8) führt.
7. Radialgleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ringdichtung (8) auf ihrer radial außenliegenden Seite zumindest über eine Teilhöhe ihrer axialen Länge an einem Stützring (12) abstützt.
8. Radialgleitlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (12) auf dem Dichtungsträger (10) lösbar befestigt ist.
9. Radialgleitlager nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Ringdichtung (8) anliegende, radial innenliegende Ringfläche (12a) des Stützringes (12) als Konus ausgebildet ist, der sich in Richtung auf die Lagerschale (2,3) erweitert.
10.Radialgleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den an dem Dichtungsträger (10) festgelegten Fuß der Ringdichtung (8) eine Spreizeinrichtung (15,16) eingreift, die den Fuß in eine hinterschnittene Ringnut preßt.
11.Radialgleitlager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die radial außenliegende Wandung (12a) der hinterschnittenen Ringnut durch den Stützring (12), die radial innenliegende Wandung (10a) aber durch den Dichtungsträger (10) selbst gebildet sind.
12.Radialgleitlager nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizeinrichtung (15,16) aus einer im Hohlraum (14) der Ringdichtung (8) angeordneten Spreizschiene (15) sowie aus durch den Dichtungsträger (10) geführten Spannschrauben (16) besteht.
13.Radialgleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdichtung (8) im Querschnitt angenähert die Form eines liegenden U aufweist, dessen freien Schenkelenden (8a) wulstartig verdickt sind.
14. Radialgleitlager nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der DruckwasseranschluB(18) für die hydrostatische Vorspannung in der Ringdichtung (8) durch eine oder mehrere Bohrungen etwa auf dem Teilkreis der Spannschrauben (16) geführt ist.
15. Radialgleitlager nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Gummi-Lagerschale (3) in einer starren Lagerbuchse (4) liegt, die an zumindest einer Stirnseite einen Flansch (4a) aufweist, an dem der Dichtungsträger (10) lösbar befestigt ist.
16. Radialgleitlager nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Dichtungsträger (10), Stützring (12), Ringdichtung (8) und Spreizeinrichtung (15,16) eine Baugruppe bilden, die an der Lagerbuchse (4) oder einem Lagerträger (5) lösbar festgelegt ist.
17. Radialgleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine hydrostatische Lagerschmierung in den Bereich der maximalen Pressung der unteren Gummi-Lagerschale (3) zumindest zwei Bohrungen (22) münden, an die eine Druckwasserzufuhr (23) angeschlossen ist.
18. Radialgleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Lagerbuchse (4) um das Maß exzentrisch nach oben angeordnet ist, um das sich die Welle (1) bei ihrer Montage in die untere Gummi-Lagerschale (3) eindrückt.