DE4092301C2 - Einrichtung in Druckfilm-Dämpfern für Wellenlagerungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Zentrierung einer Wellenlagerung mit Druck­ filmdämpfer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wenn Wellen in Maschinen wie beispielsweise Turbinen und Generatoren rotieren, treten nicht ausgeglichene Kräfte und verschiedene Arten von Instabilitäten auf, die zum Ergebnis haben können, daß der Rotor in der Ma­ schine wegen hoher Vibrationsamplituden in der Maschine nicht laufen kann. Zusätzlich führen die Vibrationen zu erhöhten Lagerbeanspruchungen in den Wellenlagerungen, was einen erhöhten Verschleiß und eine reduzierte Le­ bensdauer zur Folge hat. Das Problem kann auf ver­ schiede Arten gelöst werden. Eine der Lösungen dieses Problems besteht darin, zur Reduzierung der Vibrationen Dämpfer vorzusehen.

Bei bestimmten Maschinentypen wie beispielsweise leichten Gasturbinen für Flugzeuge stellen Dämpfer in Form von Druckfilm-Dämpfern schon lange eine Stand­ ardlösung dar. Diese Art der Dämpfer hat sich auch bei größeren Maschinen als ebensogut brauchbar erwiesen.

Wenn zwei Flächen mit einem dazwischen befindlichen viskosen Medium, wie beispielsweise Öl, mit einer bestimmten Geschwindigkeit zusammengebracht werden, entsteht ein zur Geschwindigkeit proportionaler Druckaufbau. Ein Druckfilm-Dämpfer verwendet einen Ölfilm als Dämpfungsmittel zwischen zwei konzen­ trischen Flächen. Bei einem Druckfilm-Dämpfer entsteht der Druckaufbau zwischen den konzentrischen Flächen, wenn diese Flächen relativ zueinander in Vibration sind. Der Dämpfer ähnelt daher einem zylindrischen La­ ger mit dem Unterschied, daß der innere Teil des Dämpfers nicht rotiert. Der innere Teil des Dämpfers besteht aus einer Wellenlagerung der Maschine, die von irgendeiner beliebigen Art sein kann. Im Falle des Auftretens von Vibrationen bewegt sich das Lager, das heißt, der innere Teil des Dämpfers auf einer mehr oder weniger kreisförmigen Bahn, was dazu führt, daß in dem Ölfilm eine Quetsch-Fortbewegung entlang des kreisförmigen Ölfilms zwischen den konzentrischen Flächen auftritt, die von der Außenfläche des inneren Teils des Dämpfers und der umgebenden inneren Fläche der Halterung des Dämpfers gebildet sind. Die Quetschung erzeugt eine rotierende Druckfront innen­ seitig des kreisförmigen Ölfilms. Die Druckfront wirkt in einer dämpfenden Weise auf die Vibrationen der Welle. Die Maschine reagiert mit niedrigen Vibrations­ amplituden, erhöhter Stabilität und, wie man hofft, mit reduzierter Lagerbeanspruchung.

Heutzutage sind Druckfilm-Dämpfer standardisierte Ma­ schinenelemente bei beispielsweise Gasturbinenwellen, die in Rollenlagern laufen. Es gibt sie in zwei Versionen, mit zentrierter und nicht zentrierter Anordnung. Der zentrierte Dämpfer ist im allgemeinen mit Federungsmitteln gekoppelt. Die Federungsmittel halten den inneren Teil des Dämpfers zentriert und nehmen das Gewicht der Welle und der an dieser befind­ lichen Last auf. Der nicht zentrierte Dämpfer ist lose angeordnet, und nur daran gehindert, zu rotieren. In beiden Arten von Dämpfern gelangt das Öl, welches einen Druckfilm mit rotierender Druckfront aufbaut, durch radiale Bohrungen in der Halterung für den Dämp­ fer in eine ringförmige Nut, die entlang des Umfangs des ganzen Dämpfers in Form einer Ausnehmung entweder im inneren Teil des Dämpfers oder in der Halterung verläuft. Aufgrund des vorhandenen Öldrucks wird das Öl aus der erwähnten Nut heraus in den ringförmigen Spalt zwischen dem inneren Teil des Dämpfers und deren Halterung gedrückt. Das Spiel in diesem Spalt liegt in der Größenordnung von 0,25 mm. Da das Öl an beiden Seiten der Nut in axialer Richtung gesehen herausge­ drückt wird, entsteht ein dünner Ölfilm an beiden Seiten der Nut des Dämpfers. Dieser Ölfilm stellt das viskose Medium des Dämpfers für die rotierende Druck­ front dar, und die Aufgabe dieses Mediums besteht darin, den durch die Vibrationen entstehenden Belastungen entgegenzuwirken.

Der Öldruck, mit dem der Dämpfer betrieben wird, ist für die dynamische Steifheit des Dämpfers von großer Wichtigkeit.

Bei Ausführungsformen mit einem zentrierten Dämpfer stellen die Stützfedern die kritische Komponente dar, besonders bei großen Maschinen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, die Zentrierung einer Wellenla­ gerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß sie eine möglichst niedrige dynamische Steifheit hat und ohne mechanische Federn auskommt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Anspruch 1.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kombinierte Ra­ diallagerung und einen Druckfilm-Dämpfer, der an einer rotierenden Welle einer Maschine fest angeordnet ist. Der Dämpfer ist als Ringflansch ausgebildet, der die Lagerung konzentrisch umgibt. Der Flansch besitzt zuäußerst eine zylindrische Fläche. Dieser Flansch des Dämpfers ist wiederum in einer Halterung mit einer in­ neren zylindrischen Fläche angeordnet. Diese einander benachbarten zylindrischen glatten Flächen stellen die sogenannten Dämpfungsbereiche dar. Zwischen dem Dämpfer und der Halterung, das heißt zwischen den Dämpfungs­ bereichen, ist ein Spiel vorhanden. Dieses Spiel stellt einen Raum dar, welcher das viskose Medium ein­ schließt, welches das Druckmedium des Dämpfers dar­ stellt und den Druckfilm entstehen läßt. Dieser Druckfilm wird beispielsweise mit Öl als viskoses Medium von einer Nut beschickt, die entweder in der Mitte der nach außen zeigenden zylindrischen Umfangsfläche der Flanschaußenseite oder in der Mitte der nach innen zeigenden zylindrischen Umfangsfläche der Halterung für den Dämpfer ausgebildet ist. Diese Nut erstreckt sich nicht vollständig herum, sondern ist in dem unteren Teil unterbrochen. Anstelle der Ölnut sind ein oder mehrere Taschen im unteren Teil des Flansches ausgebildet und bilden getrennte Kammern, die nicht miteinander oder mit der langen Nut des Drucköls kommunizieren. Durch die Malterung des Dämpfers er­ strecken sich Bohrungen in diese Kammern hinein, durch welche die Kammern mit Öl versorgt werden. Wenn Öl mittels einer Pumpe durch die Bohrungen gedrückt wird und die genannten Kammern unter Druck setzt, wird die Maschinenwelle aus der Ruhestellung in der Halterung angehoben. Bei richtig angepaßtem Öldruck kann die Maschinenwelle dann ohne die Verwendung von Zentrie­ rungsfedern zentriert werden. Infolge dessen handelt es sich dann um einen hydrostatisch angeordneten Dämpfer. Dieser hydrostatische Dämpfer ist mit Öl zum Anheben von einer Pumpe mit einem Ventil zum Aufrechterhalten des Drucks versorgt, welches in der Lage ist, den Öldruck aufrechtzuerhalten, und den inneren Teil des Dämpfers in einer zentrierten Stellung zu halten. Das Druckniveau wird so gewählt, daß der Dämpfer eine niedrige dynamische Steifheit erhält. Die Höhe dieses Drucks bestimmt sich außer durch die Wellenabmessungen und die Lasten außerdem auch durch die Geometrie des Dämpfers, wie beispielsweise durch die Anzahl der Kam­ mern, die mit dem Öl zum Anheben versorgt werden, wie auch durch die Gesamtfläche und Lage dieser Kammern.

Öl ist hier als viskoses Medium zur Ausbildung des Druckfilms und als Druckübertragungsmedium für die hy­ drostatische Lagerungsanordnung vorgeschlagen worden. Es liegt jedoch kein Grund vor, der die Verwendung ei­ nes anderen viskosen Mediums für diesen Zweck aus­ schließen würde. Anstelle einer Pumpe als Transport­ mittel für das Öl zum Anheben können natürlich auch andere Einrichtungen zum Fördern eine Mediums verwendet werden. Die Überwachung des Drucks des Mediums in der hydrostatischen Lagerung kann mit anderen automatischen Regeleinrichtungen wie beispielsweise mit geregelten Pumpen oder mit geregelten Ventilen erreicht werden.

Mit der beschriebenen Erfindung ist die angestrebte Zentrierung des inneren Teils des Dämpfers ohne die Verwendung mechanischer Mittel erreicht, was insofern möglich ist, als die Welle mittels hydraulischer Mittel in der zentrierten Stellung gehalten ist. Das Ventil zum Druck-Aufrechterhalten hat eine geringe Steifheit der Zentrierung zum Ergebnis. Auf diese Weise ist die mechanische Steifheit eliminiert, die normalerweise bei hydrostatischen Lagerungen groß ist und im hier vor­ liegenden Zusammenhang unerwünscht ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform entlang der Rotorwelle mit den zugehörigen Lagerungen und dem Dämpfer einschließlich der Versorgungseinrichtung für das Öl zum Anheben und für den Druck­ film;

Fig. 2 einen radialen Schnitt des Dämpfers gemäß Fig. 1, aus dem die Ausgestaltung der Ölnut und der verschiedenen Kammern hervorgeht.

Eine Ausführungsform des beschriebenen Dämpfers geht aus den Zeichnungen hervor. Die gedämpfte Welle 1 ist von einem Radiallager 2 umschlossen, welches wiederum von einem Flansch 3 des Dämpfers umschlossen ist. In der Mitte des Flansches 3 ist außen eine Nut 4 ausge­ bildet, welche mit Öl gefüllt ist, welches in den Ab­ standsraum zwischen dem Flansch 3 und der Halterung 6 für den Dämpfer austritt. Die beiden einander zuge­ kehrten Flächen der Halterung 6 und des Flansches 3 stellen die Dämpfungsflächen oder -bereiche 5 dar. Die Oberflächen dieser Dämpfungsbereiche 5 sind zylindrisch oder stellen kurvenförmige Flächen von zwei konzentri­ schen sphärischen Segmenten zweier Basiskörper dar. Der Abstandsraum zwischen diesen Flächen ist mit Öl ge­ füllt, welches das eigentliche Dämpfungsmittel dar­ stellt. Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Nut 4 in dem Flansch 3 kreisringförmig ist, aber sich nicht über den vollen Umfang erstreckt. Die Kammern 7 sind Ausnehmun­ gen im unteren Teil des Flansches, und sie sind vonein­ ander wie auch von der Nut 4 durch Trennwände getrennt. Zu diesen Kammern 7 führende Bohrungen 8 erstrecken sich durch die Halterung 6 in radialer Richtung gegen das Zentrum. Durch die Förderung von unter Druck ste­ hendem Öl durch die Bohrungen 8 wird der Flansch 3 des Dämpfers einschließlich der Lagerung 2 und der ge­ dämpften Welle 1 in eine zentrierte Stellung angehoben. Die beiden Ölkammern 7 sind beispielsweise symmetrisch zu beiden Seiten einer vertikalen Symmetrieachse ange­ ordnet, um von den ölgefüllten Kammern 7 Zentrie­ rungskräfte zu erhalten. Das Öl 9 gelangt zu den Kam­ mern 7 von dem Ölbehälter 10, von welchem eine Pumpe 11 den Dämpfer mit Öl versorgt. Auf diesem Weg zum Dämpfer strömt das Öl durch ein Ventil 12 zur Aufrechterhaltung des Drucks, welches den Druck in der Leitung regelt, und dadurch den inneren Teil des Dämp­ fers auf dem gewünschten Niveau hält und außerdem die dynamische Steifheit der Dämpfer kleiner werden läßt. Der Ölzulauf für die Druckfilm-Dämpfung erfolgt durch den Einlaß 13, durch den auch die Lagerung 2 mit Öl versorgt wird.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann der Dämp­ fer mit einer abweichenden Anzahl von Kammern 7 ausge­ stattet sein. Ebenfalls ist es möglich, sich nur auf eine Kammer 7 zu beschränken. Bei einer solchen Aus­ führungsform kann es schwieriger sein, eine ausrei­ chende Zentrierungsfunktion zu erreichen, die auf den Dämpfer vom Druckmedium wirkt, wenn dieses unter Druck gesetzt wird. Die Form und die Länge dieser einzelnen Kammer 7 kann jedoch die Zentrierungsfunktion des Dämpfers bei einer solchen Ausführungsform beeinflus­ sen.

Eine größere Möglichkeit, die Zentrierungsfunktion und die Steifheit des Dämpfers direkt zu regeln, erhält man, wenn die Anzahl der Kammern 7 drei oder mehr beträgt. Wenn beispielsweise drei Kammern 7 vorhanden sind, kann beispielsweise eine Kammer direkt unterhalb des Wel­ lenzentrums und die anderen beiden Kammern 7 können dann zu beiden Seiten der ersteren entlang des Umfangs des Dämpfers angeordnet sein. Auf diese Weise erreicht man die gewünschte Zentrierung.

Bei der hier beschriebenen Ausführungsform sind die Kammern 7 für das zum Anheben bestimmte Öl aus dem inneren Teil der Kammer nämlich dem Flansch 3 des Dämpfers herausgearbeitet. Statt dessen können die Kammern auch in entsprechender Weise und an ent­ sprechenden Stellen in der Halterung 6 ausgebildet sein.

Claims (5)

1. Einrichtung in Druckfilm-Dämpfern für Wellenlagerungen,

• - mit einem auf einer Welle (1) angeordneten Lager (2),
• - mit einem außerhalb des Lagers (2) angeordneten Dämp­ fungsflansch (3), der konzentrisch von einer Halterung (6) für den Dämpfungsflansch umschlossen ist,
• - mit einer in dem Flansch (3) oder der Halterung (6) in Umfangsrichtung verlaufenden Nut (4), die an eine Druckmittelquelle (13) anschließbar ist,
• - mit einem zwischen einander zugewendeten konzentrischen Flächen (5) des Dämpfungsflansches (3) und der Halterung (6) vorhandenen, in Umfangsrichtung verlaufenden Spiel­ raum, der in Verbindung mit der Nut (4) steht und einen Raum für den Druckfilm des Dämpfers bildet,

dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich der Nut (4) eine oder mehrere gegenüber der Nut und gegebenenfalls voneinander durch Trennwände getrennte Kammer(n) (7) vorhanden ist/sind, die an eine Druckmittelquelle (10, 11, 12) anschließbar ist/sind, de- ren Druck auf einen Wert einstellbar ist, der so be­ messen ist, daß er den Dämpfungsflansch (3) zwecks Zentrierung der Welle anzuheben vermag.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckmittelquelle (10, 11, 12) aus einer Einrich­ tung, zum Beispiel einer Pumpe (11), besteht, die Druckmit­ tel (9) mit einem überhöhten Druck aus einem Druckmittelbe­ hälter (10) zur Verfügung stellt, und daß an die Zuführlei­ tung (8) zu der/den Kammer(n) (7) ein einstellbares oder ge­ regeltes Überdruckventil (12) angeschlossen ist.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder mehreren Kammer(n) (7) durch Kanäle (8) in der Halte­ rung (6) des Dämpfers mit einer Einrichtung (11) für den Transport des Druckmittels beschickbar ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (4) durch einen getrennten Kanal (13) mit einem viskosen Medium zur Bildung des Druckfilms beschickbar ist.