DE3924574A1 - Vorrichtung zum messen des dynamischen gleichgewichts eines rotors - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des dynamischen Gleichgewichts der Rotoren von Turboladern, Gasturbinen usw.

Fig. 5 zeigt beispielhaft den fliegend gelagerten Rotor 1 eines Turboladers, der im wesentlichen aus einer Welle 2 und den Laufrädern 3 und 4 besteht, die drehfest den beiden Enden der Welle 2 zugeordnet sind. Der Rotor 1 ist drehbar in einem Paar Kugellager 6 a und 6 b gelagert, die ihrerseits in einem Gehäuse 7 angeordnet sind. Das Kugellager 6 a wirkt mit einem Bund 5 der Welle 2 zusammen, der nahe dem Laufrad 3 als Teil der Welle ausgebildet ist. Das Laufrad 3 ist innerhalb eines Gasführungskanals 8 angeordnet, während das Laufrad 4 innerhalb eines Abgasführungskanals 9 angeord­ net ist.

Bei einem solchen Turbolader oder einer entsprechenden Gastur­ bine ist es wichtig, daß der Rotor 2 während der Rotation gut dynamisch ausgewuchtet ist, weil sonst die Rotation des Rotors Vibrationen der Lager 6 a und 6 b verursacht und auch benachbarte Teile zu ungewollten Schwingungen veranlaßt werden. Dynamisches Ungleichgewicht wird durch Fertigungsungenauigkeiten bei der Herstellung der Laufräder, der Welle und anderer Komponenten des Rotors oder durch Ungenauigkeiten beim Zusammenbau der Komponenten verursacht.

Bekannt ist eine Vorrichtung, mit der das dynamische Gleichge­ wicht solcher Rotoren ermittelt und ausgewertet werden kann. Die übliche Vorrichtung schließt ein Gehäuse ein sowie zwei oder mehr im Gehäuse gehaltene Kugellager zur drehbaren Lage­ rung des Rotors in im wesentlichen horizontaler Position. Ferner ist ein Fühler zum Ermitteln von Vibrationen des Gehäu­ ses vorgesehen, die durch die Rotation des in den Lagern lie­ genden Rotors ausgelöst werden.

Bei der konventionellen Vorrichtung zum Messen des dynamischen Gleichgewichts wird das Rotorgewicht ausschließlich in radialer Richtung (in Richtung senkrecht zur Längsachse der Rotorwelle) gemessen, weil die Rotorwelle in horizontaler Lage angeordnet ist. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Vibrationen in Schubrich­ tung (in Richtung der Längsachse der Rotorwelle) nicht ignoriert werden sollten, um das dynamische Gleichgewicht des Rotors genau auswerten bzw. bestimmen zu können. Das bedeutet, daß mit der konventionellen Vorrichtung ein Teil der Schwingungen in radia­ ler Richtung als Ergebnis der Wellenverschiebung in axialer Richtung unberücksichtigt bleibt, so daß der gemessene Wert einen Meßfehler einschließt, der an sich nicht unberücksichtigt bleiben sollte.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der das dynamische Gleichge­ wicht eines Rotors, wie eines fliegend gelagerten Rotors eines Turboladers oder einer gleichartigen Gasturbine, genau gemessen werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der vorgenannten Gattung vorzuschlagen, die die genannten Nachteile der üblichen Vorrichtung nicht aufweist.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe zeigt die Erfindung eine Vorrichtung auf, die zum Messen des dynamischen Gleichgewichts eines Rotors bestimmt ist, der eine Welle und ein am einen Wellenende drehfest darauf gelagertes Laufrad aufweist, wobei die Welle nahe dem Laufrad einen Bund aufweist, über den die Welle drehbar in einem Lager gelagert ist und wobei die Vor­ richtung folgende Teile aufweist:
ein Gehäuse;
ein im Gehäuse angeordnetes Schublager, das mit dem Bund der Welle zusammenwirkt;
ein im Gehäuse unterhalb des Schublagers angeordnetes Stützglied, das mit der Welle in der Weise zusammenwirkt, daß die Welle in geneigter oder vertikaler Position von dem Stütz­ glied gehalten ist und das eine Wellenende, dem das Laufrad zugeordnet ist, oberhalb des anderen Wellenendes liegt; und
einem mit dem Gehäuse verbundenen Fühler zum Ermitteln der Schwingungen des Gehäuses, wobei während der Rotation des in dem Schublager und an dem Stützglied gelagerten Rotors dessen dynamisches Gleichgewicht von dem Fühler in der Weise ermittelt wird, daß das Maß der Schwingungen des Gehäuses er­ mittelt wird, die von der Rotation des Rotors verursacht werden.

Weil die Rotorwelle in geneigter oder vertikaler Position in dem Schublager und an dem Stützglied gelagert ist, können Vibrationen bzw. Schwingungen genau ermittelt werden, die beispielsweise von einer Durchmesserungleichheit herrühren und ein dynamisches Ungleichgewicht (Unwucht) des Rotors zur Folge haben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Probleme, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Einzelbeschrei­ bung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen, in denen zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung und als Quer­ schnitt die wesentlichen Teile einer Meßvor­ richtung gemäß der Erfindung zum Ermitteln des dynamischen Gleichgewichts,

Fig. 2 in entsprechender, jedoch größerer Darstellung als in Fig. 1 ein Gaslager,

Fig. 3 in schematischer Darstellung und als Querschnitt die wesentlichen Teile einer anderen Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 in größerer Darstellung gegenüber Fig. 3 und als Teilquerschnitt ein Kugellager und

Fig. 5 als Querschnitt und in schematischer Darstellung einen Turbolader mit einem Rotor, der die Erfindung aufweist, um dessen dynamisches Gleichgewicht zu ermitteln.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

Gemäß Fig. 1 der Zeichnung weist der Rotor 1 eine Welle 2 auf, auf der an einen Ende, d.h. fliegend ein Laufrad 3 drehfest angeordnet ist, nahe dem die Welle 2 einen konzentrischen Bund 5 aufweist. Der Bund 5 ist zum Zusammenwirken mit einem Kugellager bestimmt. Bei dem Rotor 1 kann es sich beispiels­ weise um den wesentlichen Teil eines Turboladers handeln, wie er oben im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben wurde.

Die Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schließt ein Gehäuse 31 ein, dem ein Schublager 10 und ein Stützglied 11 zugeordnet sind. Das Schublager 10 und das Stützglied 11 sind unter Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes vertikal überein­ ander angeordnet, so daß die Welle 2 in vertikaler Position gelagert ist. Gemäß Fig. 2 ist bei dieser Ausführungsform das Schublager ein Gaslager, das einen im wesentlichen ring­ förmigen Lagerkörper 16, eine im Lagerkörper 16 gebildete Bohrung 17 zur Aufnahme der Rotorwelle 2 und eine Anzahl von Gasauslaßöffnungen 13 aufweist, die mit gleichmäßigen Abstän­ den auf dem Umfang der die Bohrung 17 umschließenden Wand verteilt sind. Die Gasauslaßöffnungen 13 stehen in Fluidver­ bindung mit einem Gaszuführungskanal 12 im Lagerkörper 16, der seinerseits in Verbindung mit einer nicht gezeichneten Druckgasquelle steht, so daß aus jeder der Gasauslaßöffnun­ gen 13 ein Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit in Richtung auf die Längsachse der Welle 2 ausgeblasen wird. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Stütz­ glied 11 ebenfalls ein Gaslager der beschriebenen Ausführung. Die Umfangsfläche der Bohrung 17 des Gaslagers 10 ist vor­ zugsweise rund, um der Umfangsfläche des Bundes 5 der Rotor­ welle 2 zu entsprechen.

Als Ergebnis der vorbeschriebenen Bauweise wird die Rotor­ welle 2 innerhalb der beiden Gaslager 10 und 11 ohne direkten mechanischen Kontakt allein durch Gasstrahlen konzentrisch und in vertikaler Position gehalten. Beide Lager gemeinsam halten den Rotor 1 in aufrechter Position und das Gaslager 10 hält den Rotor außerdem gegen Verstellbewegungen in Längs­ richtung der Rotorwelle 2, d.h. gegen den Einfluß von Schub­ kräften, weil die konzentrischen Gasstrahlen des Gaslagers 10 unter einen Bund 5 der Rotorwelle 2 in der Nähe des Lauf­ rades 3 gegen die Welle 2 gerichtet sind.

Gemäß Fig. 1 ist mit dem Gehäuse 31 des Rotors 1, das die Lager 10,11 umschließt, ein Fühler 32 verbunden, zum Ermit­ teln und Messen der Vibrationen bzw. Schwingungen des Gehäu­ ses 31, die auftreten, wenn der in den Gaslagern 10 und 11 gelagerte Rotor 1 rotiert.

Solche Fühler sind an sich bekannt, weshalb hier auf seine Beschreibung im einzelnen verzichtet wird. Wesentlich ist, daß der Fühler feststellt, daß beim Anblasen des Laufrades 3 des in den Lagern 10 und 11 gelagerten Rotors 1 mit einem aus einer Düse 30 austretenden Strömungsmittelstrahles, ins­ besondere Gasstrahles, und Drehen des Rotors 1 unter dem Ein­ fluß dieses Strömungsmittelstrahles, beispielsweise infolge eines nicht einheitlichen Wellendurchmessers auf die Gaslager 10 und 11 nicht gleichmäßige Reaktionskräfte zurückwirken und die Lager unter deren Einfluß vibrieren bzw. zu Schwingungen neigen. Die Vibrationen bzw. Schwingungen der Gaslager 10,11 werden auf das Gehäuse 31 übertragen und von dem entsprechend ausgestalteten Fühler 32 ermittelt.

Fig. 3 und 4 stellen jeweils eine andere Ausführungsform der Erfindung dar, bei denen der Rotor 1 entweder in einer vertikalen Position (Fig. 4) oder in einer schräg geneigten Position (Fig. 3) angeordnet ist. Im Bereich des Überganges zum Bund 5 des Rotors 1 ist der Rotor 1 mit seiner Rotorwelle 2 drehbar in einem Kugellager 20 gelagert, dessen Kugeln 21 im Übergangsbereich mit der Welle 2 zusammenwirken und diese bezüglich radialer Seitenbewegungen und bezüglich in Wellen­ längsrichtung gerichteter Schubbewegungen halten. Am unteren Ende ist die Rotorwelle 2 in einem Stützglied 24 gehalten, das gabelförmig ist, wobei die beiden Teile des gabelförmigen Endes 23 durch einen halbkreisförmigen Bogen miteinander ver­ bunden sind, an dem sich die Rotorwelle 2 abstützt. Auch dort kann jedoch ein Kugellager vorgesehen sein, wenn dies zweck­ mäßig erscheint.

Das Lager 20 nimmt sowohl Schub- als auch Radialbelastungen auf, die vom Rotor 1 ausgehen, so daß Schwingungen proportional dem dynamischen Ungleichgewicht des Rotors 1 sind, wenn der Rotor 1 mittels der aus der Düse 30 strahlförmig austretenden Luft gedreht wird. Solche Schwingungen bzw. Vibrationen werden in gleicher Weise wie bei der Anordnung nach Fig. 1 übertragen und zwar auf das Gehäuse, das hier lediglich nicht dargestellt ist, in dem aber das Lager 20 angeordnet ist.

Die Erfindung kann verständerlicherweise auch in anderer Weise realisiert werden, als sie sich aus den dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen ergibt. Die Ausführungs­ formen sollen deshalb zwar bevorzugte Ausführungsmöglichkeiten der Grundgedanken der Erfindung sein, diese aber nicht beschrän­ ken. Die Erfindung ergibt sich aus den durch die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen erläuterten Patentansprüche, die gleichartige Ausführungsformen ebenfalls erfassen sollen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Ermitteln bzw. Messen des dynamischen Gleichgewichts eines Rotors mit einer Welle und einem deren einem Ende drehfest zugeordneten Laufrad, wobei die Welle nahe dem Laufrad einen Bund aufweist, um die Welle drehbar in einem Lager am Bund zu lagern und wobei die Vorrichtung folgende Teile aufweist:
ein Gehäuse (31);
ein in dem Gehäuse (31) angeordnetes Schublager (10; 20) , das die Rotorwelle (2) drehbar im Bereich des Bundes (5) aufnimmt;
ein Stützglied (11; 23, 24) im Gehäuse (31) unter­ halb des Schublagers (10; 20), das mit der Rotorwelle (2) so zusammenwirkt, daß die Rotorwelle in schräger oder vertikaler Position vom Stützglied und vom Schublager gehalten ist, wobei das Wellenende mit dem Rotor (1) das obere Wellenende ist;
ein dem Gehäuse (31) zugeordnetes Glied (32) zum Ermitteln von Vibrationen bzw. Schwingungen des Gehäuses, die als Maß für Abweichungen des drehenden Rotors vom dynamischen Gleichgewicht auftreten und zunächst vom Schublager (10; 20) und dem Stützglied (11; 23, 24) aufge­ nommen und von diesen an das Gehäuse übertragen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schublager und das Stützglied jeweils voneinander in Längsrichtung der Rotorwelle (2) beabstandete Gas-, vorzugsweise Luftlager (10, 11) sind, von denen jedes einen im Gehäuse (31) ge­ haltenen Lagerkörper (16) aufweist, der eine zur Aufnahme der Rotorwelle bestimmte Öffnung umschließt sowie eine Anzahl von Gasauslaßöffnungen aufweist, die von außen her in der Umgrenzungswand der Rotorwellenaufnahmeöffnung enden und radial zur Rotorwelle gerichtete Gasdruckstrahlen führen, so daß der Rotor in vertikaler oder etwa vertikaler Position seiner Welle ohne direkten mechanischen Kontakt von den Gasstrahlen zentriert drehbar gelagert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schublager als Kugellager (20) ausgebildet ist und Schublager und Stütz­ glied den Rotor mit schräger Rotorwelle halten.