DE7811525U1

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Info

Publication number: DE7811525U1
Application number: DE7811525U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1978-03-29
Publication date: 1980-02-14

Description

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Segmentlager, insbesondere für gro.s.se rotierende Maschinen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Segmentlager gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

An Lagerungen für Wellen von Kraftwerksturbogruppen und Wasserkraftgeneratoren werden infolge der grossen Gewichte der rotierenden Komponenten, Läufer plus Welle, hohe Anforderungen gestellt. Durch die hohe Gewichtsbelastung und durch äussere, vom Arbeitsmittel herrührende Kraftwirkungen treten dabei hohe spezifische Lagerflächenpressungen (20 60 bar) und Zapfenumfangsgeschwindigkeiten von weit über 100 m/s auf.

Für diese Beanspruchungen hat sich das heute für diesen Zweck ausschliesslich verwendete hydrodynamische Lager mit Kippsegmenten durchwegs bewährt und es hat daher auch einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Es ist bei dieser Bauart möglich, durch Selbstschmierung eine für einwandfreie Schmierung ausreichende Schmierfilmdicke zu erzeugen. Die erforderliche Schmierfilmdicke wird dabei bestimmt durch die Grosse der Verformung, welche die Gleitschuhe bei einem Axiallager eines Wasserkraftgenerators bzw. die Lagerschalensegmente eines Querlagers von Kraftwerksturbogruppen erleiden. Diese Verformung der Laufflächen der Gleitschuhe bzw. Lagerschalensegmente wird verursacht durch den während des Laufes herrschenden hydrostatischen Druck des Oelschmierfilms. Er wirkt als über die Lager-5 fläche ungleichmässig verteilte Belastung, die zu den Rändern hin abfällt und eine Verbiegung der Laufflächen verursacht.

Dieser mechanischen Verformung überlagern sich Deformationen

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infolge Erwärmung der Gleitschuhe oder der Lagerschalensegmente und der dazugehörigen Tragelemente, d.h., der Tragplatten bei Axiallagern und Tragsegmente bei Querlagern.

Um ein Abreissen des Schmierfilms und metallische Berührung der Lagerflächen und damit Mischreibung zu vermeiden, muss die Dicke des im Betrieb entstehenden Schmierfilms immer grosser sein als die durch die oben erwähnten Faktoren erzeugte resultierende Verformung. Nur dann ist gewährleistet, \ dass die Lagergleitfläche und der Wellenzapfen durch den Schmierfilm voneinander getrennt bleiben. Andernfalls kann es zu Beschädigungen oder gar zur Zerstörung von Lager- ; flächen und Welle kommen.

Die Aufgabe der im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Erfindung besteht demnach in der Schaffung eines Lagers, bei dem die Lagerflächen durch die auftretenden mechanischen und thermischen Beanspruchungen praktisch nur parallel zu ^ ihrer ursprünglichen, unverformten Form verschoben werden ι

und die geometrischen Abweichungen der deformierten Lager- ·

flächen von ihrer Gestalt im unbelasteten Zustand inner- y

halb sehr enger Grenzen liegen und kleiner sind als die f

normalerweise im Betrieb entstehenden Schmierfilmdicken, j

so dass unter allen Umständen flüssige Reibung gewährleistet ist.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 die linke Hälfte eines Schnittes durch die Lagerung eines Wasserkraftgenerators,

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Fig. 2 einen Teil eines Axialsegmentlagers mit Gleitschuh, Stützelementen desselben, Tragplatte und Einstellspindel,

Fig. 3 eine Ausführungsform des Gleitschuhs mit schema-S tischer Darstellung der auf seine Stützelemente

wirkenden Kräfte,

Fig. 4- eine graphische Darstellung des Verformungsfeldes durch die Druckbeanspruchung beim Gleitschuh nach Fig. 3,

lÜ Fig. 5 das Verformungsfeld infolge Druckbeanspruchung bei einer Tragplatte für den Gleitschuh gemäss Fig. 3,

Fig. S das Verformungsfeld des obigen Gleitschuhs unter Temperatureinfluss,

fig· 7 das Verformungsfeld des obigen Gleitschuhs unter kombinierter Druck- und Wärmebeanspruchung,

Fig. 8, 9 und 10 Gleitschuhe mit verschiedenen Ausführungsformen ihrer Stutζelemente, und

Fig. 11 ein Segmentquerlager gemäss der Erfindung.

In Fig. 1 ist der oberste Teil eines hängenden Wellenstranges eines Generators mit Wasserturbine mit 1 bezeichnet. Er besitzt zwei Kupplungsflansche 2 und 3, von denen der untere Flansch 2 zur Befestigung einer nicht dargestellten Wasserturbinenwelle und der obere Flansch 3 zur Befestigung eines ebenfalls nicht dargestellten Generator-

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laufera dient. Am unteren Ende des Generatorläufers ist ein Spurkranz befestigt, Letzterer ist aus einer Ringscheibe 5, einem Zwischenring 6, einem Querlagerring 7 und aus einem Spurlagerring 8 zusammengesetzt. Der Querlagerring 7 weist eine zylindrische Lauffläche auf und wirkt mit einem Segmentquerlager zusammen, von dem in Fig. 1 ein Lagersegment 9 dargestellt ist. Die freie, untere Stirnfläche des Spurlagerringes 8 bildet die Lauffläche, die mit einem Axialsegmentlager 10 zusammenwirkt, von dem in Fig. 1 ein Gleitschuh 11, eine Tragplatte 12, eine Einstellspindel 13 sowie Stückbolzen IM- dargestellt sind.

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Innerhalb des Lagergehäuses 15 ist ein wasserdurchflossener Oelkühler 16 mit Sammelkammern 17 und 18 und einer Kühlschlange 19 angeordnet. Am Umfang des Lagergehäuses befinden sich in sternförmiger Anordnung Tragrippen 20, über die sich die Lagerung auf ein Fundament 21 abstützt.

Fig. 2 zeigt, in Schnittdarstellung und in Umfangsrichtung des Lagers gesehen, eine der Segmenteinheiten, die zusammen ein Axialsegmentlager bilden, in einer gegenüber Fig. 1 etwas abweichenden Ausführung in grosserem Massstab.

Diese Segmenteinheit besteht wiederum aus einem Gleitschuh 11, einer Tragplatte 12, die gegenüber der Einstellspindel 13 um einen bombierten Kipp zapfen 22 nach allen Richtungen kippbar ist, um im Betrieb eine Einstellung entsprechend dem sich zwischen Spurlagerring und Gleitschuh ausbildenden Schmierölkeil zu ermöglichen, und den Stützbolzen 14 zwischen Gleitschuh und Tragplatte.

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Fig. 3 zeigt den Grundriss eines Gleitschuhs und ein beispielweises Schema für die Anordnung der Stützbolzen 14 für ein konkretes berechnetes Ausführungsbeispiel. Ausserdem

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ist hier auch die Lage des Kippzapfens 22 strichliert ein-P gezeichnet. Die durch die Mittelpunkte der Stützbolzenquer-

schnitte verlaufenden Pfeile 23 symbolisieren in axonometrischer Darstellung die auf die einzelnen Stützbolzen 14 wirkenden Druckkräfte aus der Gleitschuhbelastung durch den während des Betriebes zwischen Spurzapfenring 8 (Fig. 1) und Gleitschuh 11 entstehenden Schmierfilmkeil. Diese Kräfte wirken im wesentlichen normal zur Gleitschuhebene und ihr

f. Grössenverhältnis wird in Fig. 3 durch die unterschiedliche

10 Länge der, wie gesagt, axonometrisch dargestellten Vektoren 23 ausgedrückt.

Fig. 4 stellt das Verformungsfeld des gemäss Fig. 3 belastest ten und auf den dort eingezeichneten Stützbolzen gelagerten

L Gleitschuhs dar unter der Voraussetzung, dass die Auflage-

15 flächen der Stützbolzen in einer Ebene verbleiben festgehalten sind. Anstelle der Stützbolzen sind in Fig. 4 nur deren Durchstosspunkte 24 mit der Lauffläche des Gleitschuhs eingezeichnet. Die Linien 25 stellen die Oerter gleicher Durchsenkung dar, wobei der Unterschied der Durch-Senkungen zweier benachbarter Linien -2 um beträgt. Weiter unten wird beschrieben, wie die Stützbolzen unter Berücksichtigung der Verformung der Tragplatte zu dimensionieren sind, damit sich ihre oberen Stirnseiten unter der in Fig. dargestellten Belastung sämtlich um den gleichen Betrag absenken, so dass also alle Stützpunkte im belasteten Zustand in ein und derselben Ebene bleiben, die gegenüber ihrer ursprünglichen Lage im unbelasteten Zustand lediglich parallel verschoben wurde. Die Durchsenkung eines beliebigen Punktes der Laufflächenebene gegenüber einem benachbarten Stützpunkt ergibt sich aus der Anzahl von Linien gleicher Durchsenkung zwischen dem betrachteten Punkt und diesem Stützpunkt. Danach beträgt gegenüber dem Stützpunkt 28 die Durch-

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Senkung des Punktes 26 t χ 2 pi = 8 um und jene des'Punktes 27 5 χ 2 pn = 10 jum, da sich, zwischen dem Stützpunkt 28 und dem Punkt 26 vier Linien und zwischen 28 und 27 fünf Linien gleicher Durchsenkung befinden.

Fig. 5 zeigt das Verformungsfeld der Tragplatte, auf die sich über die Stützbolzen IM- die Belastungen des Gleitschuhs übertragen. Die Linien stellen wiederum die Oerter gleicher Durchsenkung dar. Da die Tragplatte lediglich durch den aussermittig vorgesehenen Kippzapfen 22 gestützt ist, sind ihre Biegeverformungen trotz ihrer wesentlich grösseren Biegesteifigkeit viel grosser als jene des Gleitschuhs. In Fig. 5 beträgt der Unterschied in der Durchsenkung zweier benachbarter Linien 5 Aim, woraus folgt, dass die Durchsenkung an den vom Kippzapfen am weitesten entfernten Rändern 60 ^irn beträgt gegenüber einer grössten Durchsenkung von 10 /um beim Gleitschuh nach Fig. 4-,

j Hier sei bemerkt, dass die Ermittlung der Verformungsfelder

für die statisch vielfach unbestimmten Systeme nach den

j Fig. 4 und 5 sowie der Verformungen infolge der thermischen

20 Beanspruchung und auch die verhältnismässig einfache Be-

jj Stimmung der Drucksteifigkeiten der Stützelemente mittels

Elektronenrechner und Rechenprogramm mit dem Verfahren der finiten Elemente schnell und einfach durchzuführen ist.

Sobald die Verformungsfelder und Reaktionskräfte für den

25 Gleitschuh und die Tragplatte gemäss den Fig. 4 und 5 vorliegen, lässt sich die erforderliche Drucksteifigkeit der einzelnen Stützbolzen aus der Bedingung ermitteln, dass die Durchsenkungen aller Stützstellen des Gleitschuhs gleich sein müssen. Dann ist nämlich die eingangs gestellte Bedingung erfüllt, dass sich die Lagergleitfläche des Gleitschuhe lediglich parallel zu sich selbst verschiebt und damit ihre

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Ebenheit; gewährt bleibt.

Die Durchsenkungen der genannten Stützstellen setzen sich zusammen aus der Durchsenkung der Tragplatte unter dem betrachteten Stützbolzen und der Stauchung des letzteren selbst unter der auf ihn wirkenden Druckkraft.

Da die Summe dieser Durchsenkungen für alle Stützstellen gleich sein muss, ist die erforderliche Drucksteifigkeit der Stützbolzen an den stärker durchgebogenen Bereichen der Tragplatte, gemäss Fig. 5 also gegen die Ränder zu, grosser als im Bereich um den Kippzapfen 22 herum. Bei Verwendung kreiszylindrischer, gleichlanger Bolzen werden diese also im inneren Bereich kleineren Durchmesser aufweisen als im äusseren, wo der Hauptteil der Durchsenkung auf die Tragplatte entfällt und die Stützbolzen dementsprechend drucksteifer sein müssen. Ueber dem Kippzapfen 22 ist die Durchsenkung der Tragplatte gleich Null, so dass dort die gesamte Druckverformung auf einen in diesem Bereich eventuell vorhandenen Stützbolzen entfällt.

Neben der Verformung des Gleitschuhs infolge der Druckbelastung durch den Schmierfilmkeil tritt im Betrieb noch eine Verformung durch die Lagerreibungswärme auf. Diese heizt die gleitflächennahe Schicht am stärksten auf, wodurch diese auch die grösste Wärmeausdehnung erfährt und damit konvex verbogen wird. Der ungestützte Gleitschuh erfährt damit, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Deformationen, die an den Rändern etwa gleich gross sind wie jene der Tragplatte. In Fig. 6 entspricht dem Abstand zweier Linien, die wiederum Oerter gleicher Durchsenkung darstellen, ein Durchsenkungsunterschied von 10 um, so dass die Durchsenkung in den Ecken sogar bei über 50 um liegt. Da aber die

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Tragplatte immer sehr· viel biegesteifer ist als der Gleitschuh, so wird sie die aus der Wärmedehnung resultierenden Durchsenkungen des Gleitschuhs weitgehend aufheben, ohne dadurch selbst grosse zusätzliche Verformungen zu erleiden.

^b Am Gleitschuh erhält man durch die geringe verbleibende § Durchsenkung aus der Wärmedehnung eine leicht ballige Lager-

gleitfläche, die sich aber für das Laufverhalten des Lagers, insbesondere für die Schmierkeilbildung, als günstig erwiesen hat.

1^Q Ist beispielsweise die Tragplatte dreimal so hoch wie der Gleitschuh, so beträgt ihre Biegesteifigkeit das 27fache der Gleitschuhsteifigkeit, da das für die Biegesteifigkeit massgebende äquatoriale Flächenträgheitsmoment mit der 3. Potenz der Querschnittshöhe wächst. Dadurch werden für diesen Fall die Deformationen des Gleitschuhs auf 1/27 reduziert.

Der Vollständigkeit halber ist in Fig. 7 noch das aus der mechanischen und thermischen Belastung resultierende Verformungsfeld wiedergegeben, in dem der Linienabstand einem Durchsenkungsunterschied von 10 yum entspricht. Man erkennt, dass die Durchsenkung in einem stark überwiegenden Anteil der Gleitschuhfläche unterhalb 20 um liegt. Es ergibt sich also ein sehr vorteilhaftes Tragbild für die Gleitschuhfläche .

Fig. 8 zeigt eine Ausführung eines Axiallagersegments mit Gleitschuh 29 und Tragplatte 30, bei dem die unterschiedliehe Steifigkeit der durchmessergleichen kreiszylindrisehen Stützbolzen 31 durch Abstufung ihrer Längen erzielt wird. In der Mitte sind hier die längeren Bolzen mit kleine-

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rer Drucksteifigkeit, im äusseren Bereich befinden sich die kürzeren und daher steiferen Bolzen.

Eine weitere Ausführungsform stellt die Fig. 9 dar. Die Stützelemente bestehen hier aus Rohren 32, deren Drucksteifigkeit durch verschiedene Wandstärken variiert werden kann.

Bei der Ausführung nach Fig. 10 bestehen die StützeDemente aus Tellerzylindern 33, bei denen neben der Druckverformung auch eine Biegeverformung auftritt. Die Steifigkeit kann durch verschieden grosse Wandstärke des Tellerrandes und/ oder des Bodens und durch verschieden grosse Basisdurchmesser variiert werden.

Es sind natürlich _uch beliebige Kombinationen der hier be schriebenen Massnahmen zum Variieren der Steifigkeiten der Stützenelemente möglich, ebenfalls Verwendung konzentrisch angeordneter Rohrelemente mit verschiedenen Wandstärken, Längen usw. Auch könnten die Bolzen beispielsweise aus ver schiedenen Materialien mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen hergestellt werden.

Dieselbe Vielfalt von Stützelementausführungen gilt auch für Quersegmentlager mit entsprechenden, der Tragsegment- und Gleirlagersegmentform angepassten Modifikationen. Fig. 11 zeigt ein Quersegmentlagei', bei dem zwischen Gleitlager segment 34 und Tragsegment 35 kreiszylindrische Bolzen 36 unterschiedlichen Durchmessers als Stützelemente vorgesehen sind.

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Bezeichnung. S liste

1	Oberster Teil des Wellenstranges
2	Kupplungsflansch
3	Kupplungsflansch
4	Spurkranz
5	Ringscheibe
6	Zwischenring
7	Querlagerring
δ	Spurlagerring
9	Querlagers egment
10	Axialsegmentlager
11	Gleitschuh
12	Tragplatte
13	Einstellspindel
14	Stützbolzen
15	Lagergehäuse
16	Oelkühler
17	Sammelkammer¹
18	Sammelkammer
19	Kühlschlange
20	Tragrippen
21	Fundament
22	Kippzapfen
23	Kraftpfeile
24	Durchstosspunkt der Stützbolzenachsen
	mit der Lauffläche eines Gleitschuhs
25	Linien gleicher Durchsenkung
26	Ein beliebiger Punkt der Gleitschuhlauf
	fläche
27	Ein beliebiger Punkt der Gleitschuhlauf
	fläche
28	Ein Durchstosspunkt der Gleitschuhlauf
	fläche ■ ».. * ·«. · · · - - - »- ·-·-

BBC Baden : .* . : ::.:.. .· Λ0/7Β

29	Gleitschuh
•0	Tragplatte
ti	Stützbolzen
12	Stützrohr
93	Tellerzylinder
·*	Gleitlagersegment
15	Tragsegment
•6	Stützbolzen

Claims

Schut zans.prüche

1. Segmentlagerj insbesondere für grosse rotierende Maschinen, bei dem die Lagerlauffläche von mehreren Gleitlagersegmenten gebildet wird, die sich auf kippbare Tragsegmente abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleitlagersegmenten und den Tragsegmenten eine Mehrzahl vor Stützelementen vorgesehen ist, die unter sich verschiedene, über ihre Länge konstante oder veränderliche Querschnittsgrössen und/oder verschiedene Längen aufweisen.

2. Segmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente als kreiszylindrische Bolzen (14) gleicher Länge und verschiedener Durchmesser ausgeführt sind.

3. Segmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente als verschieden lange kreiszylindrische Bolzen (31) gleichen Durchmessers ausgeführt sind.

Ά . Segmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente als gleich lange Hohlzylinder (32) verschiedener Wandstärke ausgeführt sind.

5. Segmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente als Tellerzylinder (33) ausgeführt sind.

6. Segmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Elastizitätsmodulen bestehen.