DE622266C - Einrichtung zur Vermeidung von Drehschwingungen in Maschinenanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Vermeidung von Drehschwingungen in Maschinenanlagen mit einer Arbeit übertragenden Welle und besteht darin, daß die Welle wenigstens in zwei Teile von verschiedener Elastizität geteilt ist, von denen bei den verschiedenen Umdrehungszahlen derjenige Teil zur Übertragung der Arbeit verwendet wird, welcher bei der betreffenden ₍io Umdrehungszahl keine kritischen Schwingungen ergibt.

Die Arbeit übertragenden Wellen von Maschinenanlagen ergeben entsprechend der Eigenschwingungszahl und der Frequenz der periodischen Störungen kritische Schwingungen, welche hohe zusätzliche Spannungen verursachen und im Lauf der Zeit zu Brüchen führen. Insbesondere bei Maschinenanlagen, deren Wellen bei verschiedenen Umdrehungszahlen Arbeit übertragen sollen, können die Wellen nicht so ausgebildet werden, daß die kritischen Drehzahlen außerhalb des Arbeitsbereiches der Maschine fallen. Bei bestimmten Betriebsbedingungen müssen also die Maas schinen mit derjenigen Drehzahl arbeiten, bei der die kritischen Schwingungen auftreten. Es wurde schon in Vorschlag gebracht, Resonanzschwingungen in Maschinenanlagen durch geeignete Bemessung der elastischen Länge des Systems zu verhüten. Die Maschine konnte dann in einem bestimmten Drehzahlbereich ohne Schwingungen arbeiten, während in anderen Drehzahlbereichen Resonanzschwingungen auftraten. Nach anderen Vorschlägen sollen die Schwungmassen von Maschinen unterteilt oder Hilfsschwungmassen· vorgesehen und die einzelnen Teilmassen !einzeln, nacheinander beschleunigt oder verzögert werden. Durch die Beschleunigung bzw. Verzögerung der Massen wird aber so viel Zeit verloren, daß unter Umständen in der Zwischenzeit die kritischen Schwingungen auftreten und die Maschinenanlage beschädigen.

Durch die Erfindung wird der neue Vorteil erzielt, daß die Lage der Eigenschwingung ohne Verzögerung durch Massenträgheit und unter Vermeidung von Schlägen und Zwischenschwingungen augenblicklich unter Berücksichtigung der Betriebsdrehzahl eingestellt werden kann.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt und erläutert.

Fig. ι zeigt drei verschieden lange Wellen mit den zugehörigen, die Schwingungen in Abhängigkeit von der Drehzahl darstellenden Kurven.

Fig. 2" ist eine Maschinenanlage nach der Erfindung.

Fig. 3 und 4 zeigen ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 stellt die Ausbildung einer Welle für eine Maschinenanlage nach der Fig. 4 dar. Die als Kurbelwellen ausgebildeten, die Arbeit übertragenden Wellen 1, 2 und 3 der Maschinenanlage nach Fig. 1 sind jede für eine gleiche Kolbenmaschine 4 gezeichnet, besitzen aber verschiedene Längen I₁, I₂, I₃. Entsprechend den verschiedenen Längen ergeben sich für jede der Wellen 1 bis 3 verschiedene elastische Eigenschaften, welche in den Diagrammen (rechts in Fig. 1) dargestellt sind. Auf der Abszisse ist die Umdrehungszahl U der Wellen 1, 2 bzw. 3 aufgetragen, als Ordinaten sind die zusätzlichen Spannungen, welche durch Schwingungen in der Welle entstehen, gewählt. Die kurze Welle 1 ergibt hauptsächlich'in zwei Fällen R_Hl und R_Nl bei den sog. kritischen Drehzahlen K_Hl und i?^ sehr große zusätzliche Beanspruchungen R_n~ und R^₁ der Welle, herrührend von den kritischen Schwingungen. Entsprechend der geringen Elastizität der kurzen Welle 1 sind die kritischen Drehzahlen K_Hl und K_Nl sehr hoch. Die längere Welle 2 besitzt ebenfalls zwei kritische Drehzahlen Κ_Ηΐ und K_Vv bei denen die zusätzlichen Spannungen auf die Werte R^₂ und Rf/ ansteigen. Als Folge der größeren Länge I₂ der Welle 2 sind die kritischen Drehzahlen K_H2 und K_Ns kleiner als die kritischen Drehzahlen der Welle 1. Schließlich ergibt die Welle 3, welche die größte Länge I₃ aufweist, kritische Beanspruchungen R_Hs, R_N._ä bei den kritischen Drehzahlen K_Hz und K_Ns> die entsprechend der großen Länge I₃ niedriger sind als die kritischen Drehzahlen der. Wellen ι und 2.

Wird für die Maschine 4 ein Drehzahlbereich verlangt, der mit U_n^_n — U_max' bezeichnet sei, so ergibt jede der Wellen bei zwei Umdrehungszahlen kritische Verhältnisse, bei denen nicht nur die ganze Maschinenanlage unruhig arbeitet, d. h. Schwingungen erleidet, sondern auch die Welle hoher Bruchgefahr ausgesetzt ist, weil bei längerem 4-5 Betrieb mit kritischen Drehzahlen Brüche entstehen.

" Zur Verhinderung dieses Nachteiles ist gemäß der Erfindung bei der Maschinenanlage nach Fig.-2. die Welle, welche die Arbeit überträgt, in drei Teile geteilt, von denen bei den verschiedenen im Betrieb notwendigen Umdrehungszahlen derjenige Teil zur Übertragung der Arbeit verwendet wird, welcher bei der betreffenden Umdrehungszahl keine kritischen Schwingungen ergibt.

Die Kraftmaschine 4 treibt das Ritzel 5, welches mit einem Zahnrad 6 kämmt. Durch die Kupplungsflanschen 7, 8 und 9 ist die Welle 10 so in drei Teile zerlegt, daß einer *6o die Länge Z₁ der. Welle 1 (Fig. 1) besitzt, der andere die Länge I₂ der Welle 2 und der dritte die Länge I₃ der Welle 3. Je nachdem die zu übertragende Arbeit vom Kupplungsflansch 7 auf den Kupplungsflansch 11 des Zahnrades 5 oder vom Kupplungsflansch 8 der Welle 10 auf den Kupplungsflansch 12 des Zahnrades 5 oder vom Kupplungsflansch 9 der Welle 10 durch Übertragung des Rohres 13 auf den Kupplungsflansch 12 des Zahnrades 5 übertragen wird, sind die in der Maschinenanlage entstehenden Schwingungen die gleichen wie die der Welle 1 bzw. der Welle 2 oder 3 der Fig. i.

Soll die Maschinenanlage mit niedrigen Drehzahlen arbeiten, so kann der Wellenteil mit der Länge I₃ (Fig. 2) nicht verwendet werden, weil sie bei niedrigen Drehzahlen kritische. Schwingungen ergibt. Wird dagegen ' entweder ein Wellenteil mit der Länge I₂ oder I₁ zur Übertragung der Arbeit verwendet, so arbeitet die Maschinenanlage ruhig, und Schwingungen können nicht entstehen, weil bei niedrigen Umdrehungszahlen für beide Längen keine kritischen Drehzahlen vorhanden sind. Vorteilhaft wird von den 8g beiden Wellenteilen derjenige gewählt, welcher die geringeren Nebenschwingungen ergibt.

Bei Umdrehungszahlen von mittlerer Größe würden sich beim Wellenteil mit der Länge I₂ (Fig. 2) Schwingungen ergeben. Die Arbeit wird daher vorteilhaft durch die Wellenteile mit der Länge I₁ oder mit der Länge l_s übertragen.

Schließlich kann bei hohen Umdrehungszahlen der Wellenteil mit der Länge I₁ (Fig. 2) nicht verwendet werden, weil die-kritischen Schwingungen bei diesem im Bereich der hohen Drehzahlen stattfinden. Es werden dann die Wellenteile mit den Längen I₂ oder I₃ eingeschaltet.

Die Kupplungsflanschen 7, 8 und 9 werden mit ihren entsprechenden Gegenfianschen dadurch in starre Verbindung gebracht, daß durch vorgesehene Löcher Paßbolzen gesteckt werden. -

Weist der Betriebsdrehzahlbereich einer •Maschinenanlage einen kleinen Umfang auf, so kann die Unterteilung der Welle, wie beispielsweise die Fig. 3 zeigt, auch in nur zwei Teile genügen. Liegt beispielsweise ein Lei-■stüngsbereich zwischen den Umdrehungszahlen' U._u und CZ₁₀ vor, so wird vorteilhaft zwischen ■ den 'Umdrehungszahlen U₁₄, U₁₅ eine Länge der Welle I₂₁ und zwischen den Um-"drehungszahlen U₁₅, U₁₆ eine Länge der Welle gewählt, um Schwingungserscheinungen für die ganze Maschinenanlage zu verhindern. : - In der -Maschinenanlage nach Fig. 4 wird die Arbeit der Kraftmaschine 4 adf ein Ritzel übertragen, welches mit dem Zahnrad" 18 kämmt. Die Welle 19 ist in zwei Teile auf-

geteilt, von denen der eine eine Länge I₂₁ wie die Welle 21 (Fig. 3) besitzt und der andere eine Länge I₂₂ wie die Welle 22 (Fig. 3). Die Welle 19 besitzt zwei Kupplungsflanschen 23 und 24, an die zylindrische Teile 25 bzw. 26 angeschlossen sind. Auf den zylindrischen Teilen gleiten, durch Keile "oder Nuten an einer Relativdrehung bezüglich des Kupplungsflansches verhindert, die Gleitstücke 27 bzw. 28, welche Klauen· besitzen und mit Klauen der Kupplungsteil 29 bzw. 30 in Eingriff gebracht werden können. Durch Ineingriffbringen der Kupplung 23, 29. läuft die Maschinenanlage nach der Fig. 4 mit der Charakteristik der Welle 21 von Fig. 3. Wird anstatt dessen die Kupplung 24, 30 eingeschaltet, so läuft die Maschinenanlage mit der Charakteristik der Welle 22 (Fig. 3).

Die Ausbildung einer Welle für eine Maschinenanlage nach Fig. 4 zeigt die Fig. 5. Die Kurbelwelle 30 einer nicht gezeichneten Brennkraftmaschine ist in. einem Endlager 31 der Brennkraftmaschine gelagert und besitzt einen Kupplungsflansch 32. Am Kupplungsflansch 32 ist ein Schwungrad 33 aufgeflanscht, welches zugleich einen Konus 34 besitzt, in den eine Welle 35 eingekeilt ist. Gleichzeitig besitzt das Schwungrad 33 auch einen als Kupplung dienenden Klauenring 36, welcher mit einem entsprechenden Klauenkranz 2>7 in starren Eingriff gebracht werden kann. Der Klauenkranz 37 sitzt seinerseits auf einem Klauenring 38 einer Hohlwelle 40 und kann auf diesem in Richtung der Wellenachse gegen das Schwungrad 33 mit Hilfe der Hülse 50 bis in die strichpunktiert gezeichnete Lage 27a verschoben werden. Der Klauenring 38 'ist unmittelbar auf der mit einem Ritzel 39 aus einem Stück bestehenden Verlängerung 40 aufgesetzt. Am anderen Ende ist die Welle 35 mittels eines Flansches 41 durch die Schrauben 42 starr mit dem Flansch 43 des Ritzels 39 verbunden. Das Ritzel 39 selber kämmt mit einem Zahnrad 44, welches die Arbeit an die Verbrauchsstellen weiterleitet. Das Ritzel 39 ist in zwei Lagern 45 und 46 gelagert, und der Ring 47 zentriert die Welle 35 gegen das Ritzel 39·, so daß beide 'zentrisch laufen.

Soll die Maschinenanlage mit niedrigen Umdrehungszahlen betrieben werden, so wird mittels der Ringhülse 50 der Klauenkranz 37 über den Klauenring 36 geschoben, so daß zwischen dem Schwungrad 33 und dem Zahnrad 39 durch die Verlängerung 40 eine Verbindung entsteht. Dabei wird die Arbeit vom Schwungrad 33 unmittelbar auf das Zahnrad 39 übertragen, ohne daß dabei die Elastizität der Welle 35 zur Wirkung kommen kann.

Soll dagegen mit hoher Drehzahl gearbeitet werden, so wird der Klauenkranz 37 mittels der Ringhülse 50 in die ausgezogen gezeichnete Lage verschoben, so daß zwischen dem Schwungrad 33 und dem Zahnrad 39 durch die Verlängerung 40 keine Verbindung mehr vorhanden ist und die Arbeit über die elastische Welle 35 und die Kupplung 41, 43 übertragen wird.

Soll die Maschinenanlage längere Zeit nur mit niedrigen Drehzahlen betrieben' werden, so kann die Kupplung zwischen den Flanschen 41 und 43 durch Entfernen der Bolzen 42 und des Ringes 47 gelöst-werden. Dabei muß die Welle 35 in einem besonderen Lager 48 des Deckels 49 gehalten werden.

Die Kupplungsflanschen können mit den entsprechenden Gegenflahschen in beliebiger Weise gekuppelt werden. Es können Klauenkupplungen, Reibungskupplungen, elektrische Kupplungen, magnetische Kupplungen, hydraulische Kupplungen und andere dabei Verwendung finden. Die Kupplungen können dabei so ausgebildet sein, daß sie in eingerücktem Zustande in radialer Richtung starr, in axialer Richtung dagegen nachgiebig sind, um bei der Verwendung von Pfeilzahnrädem eine gleichmäßige Kraftübertragung auf die beiden Hälften der Pfeilräder zu sichern.

Vorteilhaft wird die Betätigung solcher Kupplungen in Abhängigkeit von einer Drehzahlmeßvorrichtung entweder von Hand öder selbsttätig ein- und ausgeschaltet, so daß bei jeder Umdrehungszahl diejenigen Wellenteile ausgeschaltet werden, welche kritische Schwingungen ergeben, und nur diejenigen Verwendung finden, welche bei der betreffenden Drehzahl ruhig arbeiten. Das Ausschalten einzelner Teile kann auch in Abhängigkeit vom Auftreten von Schwingungserscheinungen selbsttätig geregelt werden.

In gewissen Fällen können, um besondere Schwingungscharakteristiken für die einzelnen Wellenteile zu erhalten, noch besondere Schwungmassen mit den Wellenteilen fest oder unter Umständen auch lösbar verbunden werden.

Zur Betätigung der Kupplungsvorrichtung können alle möglichen Servomotoren verwendet werden, beispielsweise mechanische, hydraulische, magnetische oder elektrische.

Es kann eine Welle auch auf andere Weise in mehrere Teile von verschiedener Elastizität geteilt werden. Es können beispielsweise verschiedene konzentrische Rohre von verschiedener elastischer Wirkung übereinandergestülpt werden, wobei jeweils das eine oder das andere der Rohre, welches bei den betreffenden Umdrehungszahlen keine kritischen Schwingungen ergibt, zur Übertragung der Arbeit verwendet wird. Die Erfindung kann angewendet werden auf Kolbenmaschinen mit hin und her gehenden Kolben oder mit

drehenden Kolben oder auch auf Rotationsmaschinen, beispielsweise auf Turbinen, elektrische Motoren oder Stromerzeuger, d. h. auf alle Maschinenanlagen, welche Wellen besitzen, die kritischen Drehzahlen unterworfen sind. Besonders vorteilhaft kann der Erfindungsgegenstand bei Schiffsmaschinen Verwendung finden, welche in einem weiten Dreh-

, zahlbereich regelbar sein müssen.

Claims (6)

"Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Vermeidung von Drehschwingungen in Maschinenanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Arbeit übertragende Welle wenigstens in zwei Teile von verschiedener Elastizität geteilt ist, von denen bei den verschiedenen Umdrehungszahlen derjenige Teil zur Übertragung der Arbeit verwendet wird, welcher bei der betreffenden Umdrehungszahl keine kritischen Schwingungen ergibt.

2. Maschinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die Arbeit übertragenden Wellenteile als konzentrisch angeordnete Rohre ausgebildet sind.

3, Maschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einzelnen Wellenteilen Schwungmassen verbunden sind.

4, Maschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Arbeit durch Kupplungen, welche in radialer Richtung starr, in axialer Richtung dagegen nachgiebig ausgebildet sind, erfolgt.

5. Maschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Übertragung der Arbeit von einzelnen Wellenteilen vorgesehenen Kupplungen durch Servomotoren beeinflußt werden.

6. Maschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Übertragung der Arbeit von einem Wellenteil auf den anderen Wellenteil selbsttätig, z. B. in Abhängigkeit von der Drehzahl oder von Schwingungserscheinungen, erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen