DE3831928A1 - Vorrichtung zur stabilisierung von achsen bzw. wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Stabi­ lisierung von Achsen bzw. Wellen.

Beispielsweise während des Betriebs von Rotoren im Turbo­ maschinenbau, bei Anwendungen in der Raumfahrt sowie in der Vakuumtechnologie können eine Reihe von Schwingungs­ problemen bis hin zu Instabilitäten auftreten. Für diese unerwünschten Effekte gibt es eine Vielzahl von Ursachen, wie beispielsweise Unwucht- oder Fundamenterregung, In­ stabilitäten von Eigenbewegungen durch innere Dämpfungen oder Querkräfte infolge unsymmetrischer Strömungsverhält­ nisse in Turbinenstufen, Spalterregung und Schmierfilm­ dynamik bei Gleitlagern. Eine Abstimmung der Konstruk­ tionsparameter in den variierbaren Grenzen führt oft zu einem Kompromiß, mit dem sich das gewünschte dynamische Verhalten bei weitem nicht erzielen läßt.

Eine Abhilfe ist in diesen Fällen nur noch durch den Ein­ satz aktiver Elemente in Verbindung mit einer Regelung erzielbar.

Es ist bekannt, im Rahmen derartiger Regelungen die Regel- bzw. Stellkräfte mit Hilfe von Magnetlagern aufzubringen. Magnetlager und elektromagnetische Stellglieder benötigen jedoch relativ viel Platz im Verhältnis zu den realisier­ baren Magnetkräften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Stabilisierung von Achsen bzw. Wellen derart weiter­ zubilden, daß der Platzbedarf durch die Elemente, die die Regelkräfte aufbringen, gegenüber bekannten Elementen wesentlich verringert wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß eine Lösung der gestellten Aufgabe bei einer Vorrichtung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 dadurch erzielt wird, daß eine aus zwei Komponenten bestehende Stelleinrichtung für die Re­ gelkräfte verwendet wird:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist wenigstens ein hydraulisches Servoventil auf, das die elektrischen Aus­ gangssignale einer (bekannten) Erfassungseinrichtung für auftretende Unwuchten etc. in Durchfluß- bzw. Druckände­ rungen eines Hydraulikfluids umsetzt, das sich in einem Kammersystem befindet. Das Kammersystem überträgt die erzeugten Druckänderungen als Kraftwirkungen auf die äuße­ ren Lagerschalen des Rotors bzw. auf die Achse.

Dieses erfindungsgemäße Konzept führt zu einem System, das bei geringem Bauvolumen relativ hohe Kräfte erzeugt, die auch in der Lage sind, Turbinen, deren Gewicht im Tonnen­ bereich liegt, zu beeinflussen. Dennoch ist bei Auswahl eines geeigneten Servoventils und geeigneter strömungs­ mechanischer Auslegung ein guter Frequenzgang bis über 200 Hz gewährleistet.

Der erfindungsgemäße Grundgedanke kann auch bei sogenann­ ten Kippsegmentlagern, d. h. Lagern, deren Segmente dreh­ bar um eine Achse parallel zur Rotorachse gelagert sind, und die sich somit im Betrieb selbstständig auf optimalen Kippwinkel bezüglich Tragkraft, Reibung und Dämpfung ein­ stellen, verwendet werden. Bei derartigen Kippsegmentla­ gern können zusätzlich oder an Stelle der Kammern zum Aufbringen der Stellkräfte auch Piezo-Stellelemente ver­ wendet werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben:
Prinzipiell ist es möglich, eine Welle durch ein einziges Element zu stabilisieren, das an einer geeigneten Stelle eine Kraft senkrecht zur Wellenachse erzeugt.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn vier Kammern bzw. Piezo-Stellelemente vorgesehen sind, die mit einem Winkelabstand von etwa 90° am Außenumfang der Achse bzw. des Lagergehäuses angeordnet sind (Anspruch 3).

Im Anspruch 4 ist eine Ausbildung der Kammer gekennzeich­ net, die gegenüber der Verwendung beispielsweise von Stellkolben den Vorteil hat, daß bei den gewünschten klei­ nen Stellwegen, die typischerweise im Bereich von einigen 0,1 mm liegen, nur geringe Massen bewegt werden müssen, so daß sich ein sehr guter Frequenzgang ergibt. Darüber hinaus können durch die Verwendung einer oder mehrerer Membrane keine Dichtungs- oder Reibungsprobleme auftreten.

In jedem Falle ist es besonders vorteilhaft, wenn die Lagerschalen bzw. Kugellagern gegenüber dem die Kraft erzeugenden Element, also beispielsweise dem Membransystem derart abgestützt sind, daß Kräfte nur senkrecht zur Achse übertragen und daß insbesondere die von den verschiedenen Beaufschlagungseinheiten in unterschiedlichen Richtungen senkrecht zur Achse ausgeübten Kräfte entkoppelt werden. Dies kann beispielsweise durch Linearkugel- bzw. -Rollen­ führungen (Anspruch 5), aber auch durch andere konstrukti­ ve Maßnahmen, wie beispielsweise mittels einer Abstützung durch elastische Stäbe (Anspruch 6), Platten etc. erfol­ gen, die in ihrer Längsachse die Stellkräfte übertragen, in Querrrichtung aber biegeweich sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrie­ ben, in der zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Modifikation dieses Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung bei Anwendung auf Kipp­ segmentlager, und

Fig. 4 eine Modifikation dieses Ausführungsbeispiels.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem in einem Lagergehäuse 1 ein Rotor 2 in einem Gleitlagerring 3 gelagert ist. An dem Gleitlager­ ring 3 sind mit einem Winkelabstand von 90° vier Beauf­ schlagungseinheiten angeordnet, die auf dem Gleitlagerring 3 eine Kraft in einer Ebene (x, y) senkrecht zur Drehachse z des Rotors 2 ausüben und von denen in den Figuren ledig­ lich eine Beaufschlagungseinheit, nämlich die in den Figu­ ren oben angeordnete Beaufschlagungseinheit detailliert dargestellt ist.

Jede Beaufschlagungseinheit weist eine zylindrische Kammer 4 auf, die an ihrer Ober- und Unterseite jeweils durch elastische Membrane abgeschlossen ist. Die Kammer 4 ist über einen Ölanschluß 5 mit einem nicht näher dargestell­ ten Servoventil verbunden. Ferner sind Justierschrauben 6 zum Justieren der Ölkammer 4 relativ zum Rotor 2 vorge­ sehen. Die von den Abschlußmembranen der Kammern 4 ausge­ übten Kräfte werden durch Betätigungselemente derart auf den Gleitlagerring 3 übertragen, daß lediglich die Kraft­ komponente in Richtung senkrecht zur Achse des Rotors wirkt.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Modifikationen un­ terscheiden sich lediglich in der Ausbildung der Betäti­ gungselemente, die die Kraft von der Beaufschlagungsein­ heit auf den Gleitlagerring 3 übertragen:
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Betätigungselemente 7 eine Linearkugel- bzw. -Rollen­ führung 7 auf, während bei der in Fig. 2 dargestellten Modifikation die Betätigungselemente aus Biegestangen 8 bestehen, die in Richtung ihrer Längsachse die Stellkräfte übertragen und in Querrichtung biegeweich sind. Im übrigen sind bei der in Fig. 2 dargestellten Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels gleiche Bauteile mit densel­ ben Bezugszeichen versehen.

Wie bereits ausgeführt, sind die Kammern 4 mit einem Ser­ voventil verbunden. Dabei werden bevorzugt jeweils gegen­ überliegende Kammern 4 durch jeweils ein Servoventil ange­ steuert, d. h. es ist in jeder Stellrichtung lediglich ein Servoventil vorgesehen. Typischerweise zeugen die Servo­ ventile eine Druckdifferenz in gegenüberliegenden Kammern, die je nach Auslegung 5 bis 10% des angelegten Nominal­ drucks von beispielsweise 35 bar beträgt. Die Auslegung, die beispielsweise mit Finite-Elemente-Rechnungen durchge­ führt werden kann, ist so abgestimmt, daß bei einem durch die Wölbung der Membrane erzeugten Stellweg von z.B. 0,4 mm eine zulässige Spannung von beispielsweise 500 N/mm² nicht überschritten wird.

Selbstverständlich ist es aber möglich, die Parameter ent­ sprechend dem jeweiligen Anwendungsfall zu wählen.

Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, daß in den Fig. 1 und 2 lediglich Modifikationen eines Ausführungsbeispiels exemplarisch dargestellt sind, und daß noch weitere Ab­ wandlungen denkbar sind:
Beispielsweise ist bei kleinen Stellwegen auch ein Kammer­ system mit nur einer Membran denkbar. Die Anzahl der Kam­ mern kann auch höher oder niedriger als bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sein. Ferner kann die Ansteuerung auch einzeln erfolgen.

Das Übertragungsverhalten des hydraulischen Stellsystems kann durch eine mathematische Beschreibung der Regelstrec­ ke Servoventil-Membransystem-Rotor unter Verwendung der Kontinuitäts- und Bernoulligleichung bei Berücksichtigung der hydraulischen Verluste, des Eigenverhaltens des Servo­ ventils und des Kräftegleichgewichts an der Stellmembran beschrieben werden. Als Führungsgrößen der Regelung können an sich bekannte Ausgangssignale von Meßaufnehmern, die Unwuchten des Rotors etc. erfassen, verwendet werden. Dabei ergibt sich typischerweise ein Frequenzgang von bis zu 200 Hz und darüber.

Die in den Fig. 1 und 2 als Abschluß der Kammern ver­ wendeten Membrane haben gegenüber der Verwendung bei­ spielsweise von Stellkolben den Vorteil, daß sie bei den gewünschten kleinen Stellwegen im Bereich von einigen 0,1 mm vergleichsweise kleine Massen besitzen, so daß sich ein guter Frequenzgang ergibt.

Darüber hinaus kann die Membransteifigkeit so gewählt wer­ den, daß sich die Beanspruchungen lediglich im linear­ elastischen Bereich bewegen.

In jedem Falle hat jedoch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 den Vorteil, daß sie ein kleines Bauvolumen bei großen ausgeübten Kräften aufweist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das auf sogenannte Kippsegmentlager ange­ wendet ist. Kippsegmentlager haben gegenüber Mehrflächen­ gleitlagern den Vorteil, grundsätzlich stabile Eigenwerte zu besitzen. Ihr Nachteil besteht jedoch in einer geringen Stabilitätsreserve.

Für den Einsatz hochgenauer Lagerungen besitzen Gleitlager den Nachteil, daß sich die Rotorachse aufgrund äußerer Kräfte auf den Rotor außerhalb der Gleitlagermitte befin­ det. Diese Mittelpunktsabsenkung ist im wesentlichen ab­ hängig von der Richtung und Größe der äußeren Kräfte und von der Rotordrehzahl.

In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen ändern sich die Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften der Gleit­ lager; dies kann bei Mehrflächengleitlagern unter Umstän­ den sogar zu Instabilitäten führen.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Modifikationen des zweiten Ausführungsbeispiels verhindern mit Hilfe von radial beweglichen Segmenten, eine adäquate Stelleinrich­ tung für diesen Bewegungsfreiheitsgrad und einer dafür ausgelegten Regelung bzw. Steuerung die vorstehend be­ schriebenen Nachteile.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Modifikationen des zweiten Ausführungsbeispiels weisen wiederum ein La­ gergehäuse 11 auf, in dem ein Rotor 12 drehbar angeordnet ist. Der Rotor 12 ist in Kippsegmenten 13 gelagert, die sich in einem Käfig 14 abstützen. Ferner ist mit 15 eine Zentrierbohrung und mit 16 eine Ölzufuhr bezeichnet.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Modifikationen unterscheiden sich durch die Ausbildung der Beaufschla­ gungseinrichtung, die die Kippsegmente 13 mit einer Kraft senkrecht (Richtung x bzw. y) zur Achse z des Rotors 12 beaufschlagt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Modifikation werden die Kräfte der mit einem Winkelabstand von 90° angeordneten Beaufschlagungseinrichtungen von Piezo-Stellelementen 17 erzeugt, die über Verbindungselemente 18 eine Kraft senk­ recht zur Achse z des Rotors 12 ausüben. Die Verbindungs­ elemente 18 entkoppeln ferner die Wirkung von senkrecht zueinander angeordneten Stellelementen 17.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Modifikation weisen die Beaufschlagungseinrichtungen mit einem Hydraulikfluid gefüllte Kammern 4 auf, wie sie beispielsweise in den Fig. 1 und 2 näher dargestellt sind. Zur Ausbildung die­ ser Kammern und der Kraft-Übertragungselemente (Betäti­ gungselemente) wird ausdrücklich auf die Beschreibung zu den Fig. 1 und 2 Bezug genommen.

Durch radial verstellbare Gleitlagersegmente können drei grundsätzlich verschiedene Verbesserungen der statischen und/oder dynamischen Eigenschaften des Rotorsystems er­ reicht werden:

• (1) Durch eine gleichmäßige Verstellung aller Segmente in in gleicher Richtung wird eine Änderung des Nominal­ schmierspalts und somit der Tragkraft sowie der Däm­ pfungs- und Steifigkeitseigenschaften der Gleitlager bewirkt. Bei diesem Vorgehen wird vorab für bestimmte Betriebsbedingungen die optimale Schmierspalthöhe durch Rechnung und/oder Messung bestimmt und im Be­ trieb in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen ent­ sprechend der vorliegenden Werte durch Regelung ange­ paßt.
• (2) Durch eine Einzelansteuerung jedes Segments kann neben dem in 1 beschriebenen Vorgehen zusätzlich die Seg­ mentlage den Betriebsbedingungen so angepaßt werden, daß sich die Rotorachse immer zentrisch in den Gleit­ lagern befindet. Dadurch können Mittelpunktsabsen­ kungen aufgrund äußerer Kräfte und Änderungen der Drehzahl kompensiert werden. Dies kann durch eine adaptive Anpassung oder durch ein entsprechendes Re­ gelungskonzept bewerkstelligt werden. Dadurch sind hochgenaue Lagerungen erreichbar.
• (3) Sind Stellsysteme verfügbar, deren Stellfrequenz im Bereich der im Rotorsystem auftretenden Schwingungs­ frequenzen liegt (dafür sind in erster Linie aktive Kammernsysteme, Kap. 1, geeignet), läßt sich ein La­ gerregelkreis verwirklichen. Damit lassen sich Schwin­ gungen, sofern sie steuer- und beobachtbar sind, aktiv ausregeln.

Eine Überlagerung der "schnellen" Regelung mit der "lang­ samen" adaptiven Anpassung der Gleitlagerdynamik führt zu einer weiteren Verbesserung der Rotordynamik.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan­ kens beschrieben worden, innerhalb dessen selbstverständ­ lich die verschiedensten Modifikationen möglich sind:
Beispielsweise ist es möglich, an Stelle von Kippsegmenten auch Segmente mit Festkippwinkel einzusetzen, sofern dies für den jeweiligen Anwendungsfall von Vorteil ist.

Weiterhin können auch Piezo-Stellelemente zusätzlich oder anstelle von Fluid-beaufschlagten Kammern eingesetzt werden.

Auch ist es möglich, aus funktionellen Gründen die Membra­ ne im zentralen Bereich durch entsprechende Zusatzplatten zu versteifen, so daß die Kraftwirkung verbessert wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Stabilisierung von Achsen bzw. Wellen, die eine einstellbare Kraft senkrecht zur Achse bzw. Welle aufbringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung wenigstens eine Kammer (4) aufweist, die zur Erzeugung der einstell­ baren Kraft am Außenumfang der Achse bzw. des Lagergehäu­ ses (3) angeordnet ist, und in die ein Fluid eingebracht ist, dessen Druck mittels eines Servoventils regelbar ist.

2. Vorrichtung zur Stabilisierung von Kippsegmentlagern, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens ein Kippsegment (13) eine einstellbare Kraft senkrecht zur Welle (12) durch ein Piezo-Stellement (17) und/oder eine Kammer (4) aufbringbar ist, in die ein Fluid eingebracht ist, dessen Druck mittels eines Servoventils regelbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier Kammern (4) bzw. Piezo- Stellelemente (17) vorgesehen sind, die mit einem Winkel­ abstand von etwa 90° am Außenumfang der Achse bzw. des Lagergehäuses (3, 13) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Anspüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Außenwand jeder Kammer (4) eine Membran bildet, die über ein Betäti­ gungselement (7, 8) lediglich Kräfte senkrecht (Richtung x bzw. y) zur Achse (z) auf das Lagergehäuse (3, 13) bzw. die Achse überträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement eine Linearführung (7) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement eine Biegestange (8) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einander gegenüberliegende Kammern durch jeweils ein Servoventil ansteuerbar sind.