DE60314609T2

DE60314609T2 - Anisotroper stützdämpfer für ein gasturbinenlager

Info

Publication number: DE60314609T2
Application number: DE60314609T
Authority: DE
Inventors: Mohsiul Chandler ALAM; Doug K. Mesa SPENCER
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2023-04-02
Also published as: AU2003260233A1; EP1490583A1; CA2481068A1; DE60314609D1; WO2003085236A1; US6682219B2; CA2481068C; US20030190099A1; EP1490583B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbomaschinen und insbesondere ein System und eine Vorrichtung, die Lagerelemente und die statische Stützstruktur für Turbomaschinen aneinander koppelt.
Durch Massenunwucht verursachte synchrone Schwingungen treten bei rotierenden Maschinen häufig auf und werden in der Regel durch die Unwucht einer rotierenden Masse verursacht. Es kommt häufig zu Unwucht, wenn der Schwerpunkt des Rotors nicht mit seinem geometrischen Mittelpunkt zusammenfällt. Eine andere Schwingungsform sind asynchrone Rotorturbulenzen, zu denen es kommt, wenn eine radiale Durchbiegung des Rotors zu einer zur Durchbiegung senkrecht verlaufenden Tangentialkraft führt. Das Ausmaß der Tangentialkraft nimmt mit der Durchbiegung zu. Das System wird instabil, wenn ungenügende Dämpfung vorliegt. Schwingungsdämpfung in einer Turbomaschine gewährleistet ruhigen und zweckmäßigen, effizienten Betrieb der Maschine, verminderte Dauerschwingspannung an der Maschine und an ihren Stützvorrichtungen sowie einen Schutz gegen Schäden, die durch instabile Schwingungen verursacht werden können.
Im Allgemeinen sind bei rotierenden Maschinen mindestens zwei Lager erforderlich, um die rotierende Welle zu stützen, und diese Lager müssen Fehlausrichtungen zwischen dem Lager und dem Rotor Rechnung tragen. Fehlausrichtungen können verursachen, dass einige Lager eine übermäßige Last tragen, während andere Lager sehr wenig Last tragen. Es sind verschiedene Lösungsversuche unternommen worden, um Fehlausrichtung, Manöverauslenkung und Schwingungen zu verringern.
Die US-PS 4 872 767 offenbart eine Lagerstützvorrichtung für eine Gasturbine. Die Lagerstütze weist eine oder mehrere Umfangsblattfederelemente auf, die eine radial elastische Stütze für die Welle bereitstellen, während sie axial steif sind, um Schubbewegung der Welle zu verringern. Die Federkonstante der Stütze ist so ausgelegt, dass die Motorschwingungsresonanzen so verschoben werden, dass sie außerhalb des normalen Geschwindigkeitsbereichs des Motors liegen, und die Stütze kann eine innere Dämpfung enthalten, um Resonanzschwingungsspitzen auf ein Minimum zu reduzieren. Des Weiteren werden verschiedene Lagerstützausführungsformen offenbart. Obgleich die US-PS 4 482 767 einen bedeutenden Fortschritt in der Technik darstellt, fehlt dort ein Ausgleichsmerkmal, das das Lager im Hohlraum des hydraulischen Lagers gegen die statische Durchbiegung aufgrund des Gewichts des Rotors oder eines Manövers zentriert, und ein Schaufelverlustreaktionsbegrenzungsmerkmal. Weiterhin fehlt dort eine Verteilung der anisotropen Steifigkeit der Stütze.
In der Technik ist ebenfalls bekannt, Dämpfung bei der Federbefestigung mit aufzunehmen. In der Regel wird dies durch Zuführen von Fluid (in der Regel Öl) in einen Hohlraum zwischen der Lagerstützvorrichtung und dem Motorrahmen erreicht. Ein Großteil des Stands der Technik ist solchen Dämpfungsmethoden gewidmet worden. Die US-PS 5 201 585 zum Beispiel offenbart die Verwendung eines verbesserten Fluidfilms mit einem Squeeze-Film-Dämpfer, der auf die dynamischen Schwingungseigenschaften zugeschnitten ist. Kompakte auskragende Federstäbe stützen den Squeeze-Film-Dämpfer und die Lagefläche für den dünnen Fluidfilm gegen die Rotorwelle. Die Federstäbe passen kompakt in das Lager. Der Squeeze-Film-Dämpfer enthält Ölkammern, die ein Fluidbehältnis bereitstellen und verhindern, dass Luft in den Dämpfer und den dünnen Fluidfilm eindringt. Solch ein System trägt keinem Wälzlager Rechnung, und die in zwei Hälften montierten vier Verriegelungsabschnitte weisen eine komplizierte Ausführung auf. Die durch den Squeeze-Film erforderte genaue Maßsteuerung lässt sich nur schwer erreichen, und die Verwendung des Squeeze-Films zwischen zwei Gliedern der gleichen auskragenden Stützstruktur erzeugt keine effektive Dämpfung.
Die US-PS 4 668 108 offenbart eine anisotrope LagerStützvorrichtung für einen Hochgeschwindigkeitsrotor, der mindestes zwei Stützvorrichtungen mit verschiedenen Steifigkeitswerten aufweist. Die beiden Stützvorrichtungen wirken im Wesentlichen an der gleichen Stelle am Umfang des Rotors entlang Radialrichtungen, die winkelförmig voneinander beabstandet sind. Die sich ergebende anisotrope Lager Stützvorrichtung verringert das Auftreten und die Schwere von Rotorschwingungen und verbessert die Rotorstabilität. Die US-PS 4 668 108 erreicht Anisotropie durch Drehlager und Blöcke. Somit kann solch ein System nur einem Zapfenlager Rechnung tragen. Des Weiteren fehlt bei der US-PS 4 668 108 ein Stützvorrichtungsausgleichsmerkmal zum Zentrieren gegen statischen Ausschlag aufgrund des Gewichts des Rotors und ein Manöver- und Blattverlustsreaktionsbegrenzungsmerkmal.
Die US-A-4084861 offenbart ein Schublagerdämpfungsmittel.
Die US-A-4947639 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Stützen einer rotierenden Welle in einer umlaufenden Maschine.
Wie zu sehen ist, besteht Bedarf an einer flexiblen anisotropen Stützvorrichtung, die einen offenen, geschlossenen oder rückführenden Squeeze-Film-Dämpfer parallel aufnehmen kann, einen verbesserten inneren Wälzkörperzwischenraum aufweist, Manöver- und Blattverlust durch Begrenzung der Rotordurchbiegung begrenzt und ein Ausgleichsmerkmal aufweist, das den Rotor gegen statische Durchbiegung aufgrund des Gewichts des Rotors zentriert und ziemlich einfach auf genaue Dimensionierung, die für die optimale Leistung des Squeeze-Films erforderlich ist, gesteuert werden kann.
Demgemäß besteht die Erfindung aus einer Vorrichtung zum Stützen und Stabilisieren einer rotierenden Welle in einer Maschine nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
eine einen Rotor umfassende Rotorgruppe; und
ein Stützgehäuse, das zur Verbindung mit einem Motorgehäuse und zur Aufnahme eines Stützdämpfers angeordnet ist, der aus mindestens zwei Ringen besteht, die durch Träger verbunden sind, wobei der Dämpfer lösbar an dem Stützgehäuse befestigt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rotorgruppe durch mindestens zwei Lageranordnungen gestützt wird;
das Stützgehäuse die Lageranordnungen umgibt und eine nicht konzentrische Bohrung aufweist, die in der Mitte des Rotors angeordnet ist, wenn das Stützgehäuse von dem Gewicht des Rotors statisch durchgebogen wird;
der Dämpfer die Lageranordnungen und das Stützgehäuse aneinander koppelt; und
die Träger asymmetrisch angeordnet sind, so dass der Dämpfer ein anisotroper Dämpfer ist.
Die Vorrichtung beseitigt instabile Schwingungen und verbessert synchrone Schwingungen. Sie unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik, als asymmetrisch angeordnete Träger Flexibilität und Lagerstützanisotropie erreichen. Die LagerStützvorrichtung kann einen offenen, geschlossenen oder rückführenden Squeeze-Film-Dämpfer parallel aufnehmen. Die LagerStützvorrichtung kann des Weiteren der Lageraußenring sein, was zu verbesserten inneren Wälzkörperzwischenräumen für ein besseres dynamisches Verhalten führt. Die LagerStützvorrichtung schützt den Rotor vor einer starken Manöver- und Blattverlustreaktion durch Begrenzung des Rotorausschlags.
Mindestens zwei Muttern und mindestens zwei Bolzen können zur Befestigung des anisotropen Stützdämpfers am Stützgehäuse vorgesehen sein.
Der anisotrope Stützdämpfer kann aus einem hinteren Ring und einem vorderen Ring mit variablem Durchmesser bestehen.
Der anisotrope Stützdämpfer kann aus einem hinteren Ring und einem vorderen Ring mit variablem Durchmesser bestehen.
Es kann auch ein Innenring für die Lageranordnung vorgesehen sein. Des Weiteren kann ein hydraulisches Lager vorgesehen sein, das durch den Spalt zwischen dem Innendurchmesser des Stützgehäuses und dem anisotropen Stützdämpfer gebildet wird.
Jede der Lageranordnungen kann mindestens ein Rollenlager und einen Außenring enthalten.
Das Stützgehäuse kann einen Squeeze-Film-Dämpfer parallel aufnehmen, der darin eine Ölversorgungsleitung zur Zuführung von Öl durch eine Ringnut zu dem hydraulischen Lager aufweist, wobei das hydraulische Lager ein geschlossenes Lager ist, das durch den Spalt zwischen dem Innendurchmesser des Stützgehäuses und dem anisotropen Stützdämpfer gebildet wird und Kolbenringnuten aufweist.
Diese und andere Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche besser verständlich.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung gemäß einer Ausführungsform; und
2 eine isometrische Ansicht der vorliegenden Erfindung gemäß der gleichen Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Zentriermerkmal für das Lager von Turbomaschinen bereit, das instabile Schwingungen beseitigt und synchrone Schwingungen verbessert. Sie unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik, als asymmetrisch angeordnete Träger Flexibilität und Lagerstützanisotropie erreichen. Vorzugsweise nimmt die LagerStützvorrichtung einen offenen, geschlossenen oder rückführenden Squeeze-Film-Dämpfer parallel auf. Die LagerStützvorrichtung kann des Weiteren der Lageraußenring sein, was zu verbesserten inneren Wälzkörperzwischenräumen für ein besseres dynamisches Verhalten führt, und die LagerStützvorrichtung begrenzt Manöver- und Blattverlust durch Begrenzung des Rotorausschlags.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Stützen und Stabilisieren einer rotierenden Welle in einer Maschine, die eine durch mindestens zwei Lageranordnungen gestützte Rotorgruppe und ein die Lageranordnungen umgebendes und mit dem Motorgehäuse verbundenes Stützgehäuse umfasst. Die Lageranordnung kann mit einem Wellenstumpf gestapelt und durch eine Mutter festgeklemmt sein. Es versteht sich, dass die Lageranordnung ein beliebiges, im Stand der Technik bekanntes Lager enthalten kann. Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei dem Lager um ein Rollenlager handeln. Das Stützgehäuse weist eine nicht konzentrische Bohrung auf, die den Rotor zentriert, wenn die Stützvorrichtung durch das Gewicht des Rotors statisch durchgebogen wird. Das Stützgehäuse nimmt mindestens einen anisotropen Stützdämpfer auf, der aus mindestens zwei Ringen besteht, die durch asymmetrisch angeordnete Träger miteinander verbunden sind, wobei der anisotrope Dämpfer lösbar am Stützgehäuse befestigt sein kann und die Lageranordnungen und das Stützgehäuse aneinander koppelt. Der Querschnitt, die Länge und die Anzahl der asymmetrisch angeordneten Träger werden so gewählt, dass Querkupplungssteifigkeit bereitgestellt wird. Der anisotrope Dämpfer kann hydraulisch offen, geschlossen oder rückführend montiert sein.
Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird in 1 gezeigt. Es versteht sich, dass die Maschine eine beliebige Form annehmen kann, wie zum Beispiel eine Turbine oder einen Verdichter, wobei ihre umlaufenden Komponenten an einer sich allgemein horizontal erstreckenden Welle oder an irgendeiner anderen Anordnung angebracht sind, wobei der Rotor auf das Lager eine relativ hohe statische Last ausüben kann. Zwei oder mehr Lageranordnungen stützen die Rotorgruppe. Diese Erfindung ist auf eine beliebige Lagerstützanordnung anwendbar. Der Innenring 13 des Rollenlagers kann mit dem Rotor 11 festgelegt sein. Das Lager kann mit dem Wellenstumpf 12 gestapelt und durch eine Mutter 23 festgeklemmt sein. Das Stützgehäuse 18 kann am Motorgehäuse festgeklemmt sein. Das Stützgehäuse 18 kann eine Ölversorgungsleitung, die eine ringförmige Nut 19 speist, sein. Die ringförmige Nut 19 kann Öl durch mehrere Zuführlöcher 20 zum hydraulischen Lager 26 speisen, das durch den Spalt zwischen dem Innendurchmesser des Stützgehäuses 18 und dem anisotropen Stützdämpfer 15 gebildet wird.
Der anisotrope Stützdämpfer 15 kann durch Bolzen und Muttern 21 am Lagerstützgehäuse 18 befestigt sein. Der Außendurchmesser des hinteren Rings 16 des anisotropen Stützdämpfers 15 kann zum Innendurchmesser des Stützgehäuses 18 und des vorderen Rings 17 mit variablem Durchmesser exzentrisch sein. Dieser Versatz wird in Abhängigkeit von der Vertikalsteifigkeit der LagerStützvorrichtung durch das Gewicht des Rotors 11 bestimmt. Der Versatz zentriert den Rotor 11 innerhalb des hydraulischen Lagerspalts 26 zwischen dem anisotropen Stützdämpfer 15 und dem Lagerstützgehäuse 18. Die Grenzflächenbohrung der LagerStützvorrichtung kann exzentrisch sein, um dem anisotropen Stützdämpfer 15 das gleiche Rotorzentriermerkmal zu verleihen. Der anisotrope Stützdämpfer 15 kann den Außenring für die Rollen 24 bilden. Dieses Merkmal kann es dem Lager ermöglichen, mit verringertem Radialzwischenraum zu laufen, um Schwingungen zu verbessern.
2 zeigt den anisotropen Stützdämpfer 15. Die Länge, der Querschnitt und die Anzahl der Träger 25 können die erforderliche Steifigkeit des anisotropen Stützdämpfers 15 für optimales Rotordynamikdesign bestimmen. Die Abmessung der Trägerprofile und ihre nicht symmetrische Anordnung kann das Stützsteifigkeitsmerkmal mit der erforderlichen Anisotropie versehen. Diese Anisotropie kann Querkupplungssteifigkeit für das dynamische Rotorsystem bereitstellen, um der sich aus dem Turbinenspitzenzwischenraum, der inneren Reibung, den Arbeitskeilnuten, der Labyrinthdichtung usw. ergebenden Instabilität entgegenzuwirken. Die gezeigte Ausführungsform weist sechs Träger auf, es ist jedoch vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung für eine beliebige Anzahl von Trägern oder irgendein anderes Tragelement zwischen dem vorderen Ring 17 mit variablem Durchmesser und dem hinteren Ring 16 anwendbar sein kann. Der hintere Ring 16 kann zur Bohrung 18 des Stützgehäuses 18 exzentrisch sein, um den Rotor zu zentrieren. Der Außendurchmesser des hinteren Rings 16 kann zum Innendurchmesser des hinteren Rings 16 und zum vorderen Ring 17 mit variablem Durchmesser exzentrisch sein.
Wieder auf 1 Bezug nehmend, kann der vordere Ring 17 mit variablem Durchmesser des anisotropen Stützdämpfers 15 den Außenring für die Lagerelemente bereitstellen. Der Außendurchmesser kann zwei Nuten 22 zur Aufnahme des Kolbenrings für ein geschlossenes hydraulisches Lager 26 darstellen. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das geschlossene hydraulische Lager der Kolbenringart beschränkt ist, sondern dies rein der Veranschaulichung dient. Das hydraulische Lager 26 kann eine Anzahl von in der Technik bekannten Lagern sein, einschließlich eines offenen Lagers, bei dem es keine Kolbenringnuten 22 aufweist. Ein Querschnitt des vorderen Rings 17 mit variablem Durchmesser kann ein abgestufter Durchmesserquerschnitt sein, um einen Stoßdämpfer 27 (2) zu bilden und Auslenkung bei Manövern und starker Unwucht, die bei plötzlichem Blattverlust, Vogelschlag und Vereisungszuständen erzeugt wird, zu begrenzen. Die vorliegende Erfindung kann zum Beispiel auf Gasturbinen sowie auf irgendwelche andere Turbomaschinen anwendbar sein. Obgleich der anisotrope Stützdämpfer 15 einen Lageraußenring bildet, könnte er auch einen getrennten Lageraußenring aufnehmen, der durch Presspassung in den Innendurchmesser des vorderen Rings 17 eingebracht werden kann. Er ist auf irgendeine Form von Lagerelementen, zum Beispiel Kugeln, Rollen usw., anwendbar. Die LagerStützvorrichtung kann aus einem beliebigen Material, Metall, Verbundwerkstoff usw., hergestellt werden.
Das hydraulische Lager kann ein geschlossenes Lager sein, wie oben angeführt, und einen Zwischenraum zwischen 7,9 μm und 39 μm (0,0020 und 0,01 Zoll) aufweisen, der durch einen Spalt zwischen dem Innendurchmesser des Stützgehäuses und dem anisotropen Stützdämpfer gebildet wird, und Kolbenringnuten aufweisen. Es können mindestens zwei Muttern und mindestens zwei Bolzen zur Befestigung des anisotropen Stützdämpfers am Stützgehäuse vorgesehen sein. Das Stützgehäuse kann auch eine Grenzflächenbohrung aufweisen, die exzentrisch ist, um eine Zentrierung des Rotors zu gewährleisten.
Die Leistung des hydraulischen Lagers kann durch die Querkupplungssteifigkeit, die Weichheit der Lagerstütze, gleichzeitiges Begrenzen der Stützträgerbelastung und Vermeiden von Blattspitzenreibung durch Begrenzen der Durchbiegung der Rotorkomponenten bei starken Manövern und Blattverlust weiter verbessert werden. Es versteht sich, dass diese rein veranschaulichend sind, und Instablilitätskräfte auf verschiedenste Art und Weise verursacht werden können. Die Weichheit des Federkäfigs kann zwischen 4,4 MN/m und 122 MN/m (25 klb/in und 700 klb/in) liegen. Der Fluiddämpfungsfilm kann in einem Squeeze-Film-Dämpfer enthalten sein, der offener, geschlossener oder rückführender Art ist.

Claims

Vorrichtung zum Stützen und Stabilisieren einer rotierenden Welle in einer Maschine, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine einen Rotor (11) umfassende Rotorgruppe; und ein Stützgehäuse (18), das zur Verbindung mit einem Motorgehäuse und zur Aufnahme eines Stützdämpfers (15) angeordnet ist, der aus mindestens zwei Ringen (16, 17) besteht, die durch Träger (25) verbunden sind, wobei der Dämpfer lösbar an dem Stützgehäuse befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorgruppe durch mindestens zwei Lageranordnungen gestützt wird; das Stützgehäuse (18) die Lageranordnungen umgibt und eine nicht konzentrische Bohrung aufweist, die in der Mitte des Rotors (11) angeordnet ist, wenn das Stützgehäuse von dem Gewicht des Rotors statisch durchgebogen wird; der Dämpfer (15) die Lageranordnungen und das Stützgehäuse (18) aneinander koppelt; und die Träger (25) asymmetrisch angeordnet sind, so dass der Dämpfer (15) ein anisotroper Dämpfer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der anisotrope Stützdämpfer (15) einen hinteren Ring (16) und einen einen variablen Durchmesser aufweisenden vorderen Ring (17) aufweist, wobei der hintere Ring (16) und der vordere Ring (17) durch die Träger (25) verbunden sind und der vordere Ring (17) den Außenring für eine der Lageranordnungen bildet; und die Lageranordnungen jeweils einen Innenring (13) umfassen, wobei die Vorrichtung weiterhin Folgendes umfasst: mindestens zwei Muttern (21) und mindestens zwei Bolzen zur Befestigung des anisotropen Stützdämpfers (15) an dem Stützgehäuse; und ein hydraulisches Lager (26), das durch den Spalt zwischen dem Innendurchmesser des Stützgehäuses und dem anisotropen Stützdämpfer (15) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der jede der Lageranordnungen mindestens ein Rollenlager und einen Außenring enthält; das Stützgehäuse (18) einen Squeeze-Film-Dämpfer aufnimmt, der parallel zum Stützgehäuse angeordnet ist und eine darin enthaltene Ölversorgungsleitung zur Zuführung von Öl durch eine Ringnut zu dem hydraulischen Lager (26) aufweist; und das hydraulische Lager (26) ein geschlossenes Lager ist und Kolbenringnuten aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Querschnitt, die Länge und die Anzahl der Träger (25) zur Bereitstellung einer stabilisierenden Querkupplungssteifigkeit gewählt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der anisotrope Dämpfer hydraulisch offen montiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, bei der der anisotrope Dämpfer hydraulisch geschlossen montiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, bei der der anisotrope Dämpfer hydraulisch rückführend montiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine der Lageranordnungen mit einem Wellenstumpf (12) gestapelt und durch eine Mutter (23) festgeklemmt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 8, bei der mindestens eine der Lageranordnungen ein Rollenlager ist.