CH668644A5 - DEVICE FOR MEASURING THE AXIAL SHIFT IN PRESSURE BEARINGS, ESPECIALLY TO MEASURE THE SHIFT OF SHIP SHAFTS. - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 mit dem Ziel einer einfachen Messung im Dauerbetrieb. The invention relates to a device according to the preamble of claim 1 with the aim of a simple measurement in continuous operation.
Vorzugsweise soll diese Einrichtung in separate oder in Getriebe und Antriebe und Antriebsmaschinen integrierte Axialdrucklager auf Schiffen zur Messung des Propellerschubes genutzt werden. This device should preferably be used in separate or integrated in transmission and drives and prime movers thrust bearings on ships to measure the propeller thrust.
Bekannt sind verschiedene mechanische, hydraulische und elektrische Schubmessvorrichtungen, die jedoch nicht genügend wartungsfrei im Dauerbetrieb arbeiten. Es sind auch Axialschubmesser für Einscheiben-Drucklager bekannt (DR-PS 601 405 ; DD-PS 64 592), die Hydrauliksysteme und Druckzylinder verwenden, jedoch zusätzliche Abdichtungen und mechanische AnStellvorrichtungen erfordern. Ausserdem sind sogenannte Simplex-Propellerschubmessan-lagen bekannt, die mit Hilfe von hydraulischen Druckkolben und Kolbenpumpen einen Axialschub entsprechend der Grösse des Propellerschubes erzeugen. Alle bekannten Systeme konnten jedoch im praktischen Schiffsbetrieb nicht allgemein verwendet werden, da infolge der schwierig kontrollierbaren Axialverschiebungen und der zusätzlichen Überwachung des Verschiebeweges die Sicherheit der Schubübertragung beeinträchtigt wird. Various mechanical, hydraulic and electrical shear measuring devices are known, but they do not work in maintenance-free operation in continuous operation. Thrust knives for single-disc thrust bearings are also known (DR-PS 601 405; DD-PS 64 592), which use hydraulic systems and pressure cylinders, but which require additional seals and mechanical adjusting devices. In addition, so-called simplex propeller thrust measuring systems are known which use hydraulic pressure pistons and piston pumps to produce an axial thrust corresponding to the size of the propeller thrust. However, all known systems could not be used generally in practical ship operation, since the safety of the thrust transmission is impaired as a result of the difficult to control axial displacements and the additional monitoring of the displacement path.
Weiter sind hydraulische Kraftmessvorrichtungen und thermohydraulische Druckerzeuger für die Anforderungen des Schiffsbetriebes vorgeschlagen worden, die diese Nachteile nicht mehr aufweisen. Diesen Systemen ist die direkte oder indirekte Messung der auf einen raumfesten Bezugspunkt bzw. raumfeste Bezugsebene wirkenden Schubkraft gemeinsam. Infolge der Abmessungen und Zusatzkonstruktionen sind jedoch auch diese Lösungen für den allgemeinen Einbau und Betrieb noch nicht ausreichend geeignet. Furthermore, hydraulic force measuring devices and thermohydraulic pressure generators have been proposed for the requirements of ship operation, which no longer have these disadvantages. These systems have in common the direct or indirect measurement of the shear force acting on a fixed reference point or reference plane. However, due to the dimensions and additional structures, these solutions are not yet sufficiently suitable for general installation and operation.
Ziel der Erfindung ist es, eine einfache, betriebssichere fernbedienbare und im Dauerbetrieb wartungsfreie Einrichtung zur Messung des Axialschubes in Drucklagern mit sicherer Axialwegbegrenzung von geringer Einbauhöhe zu schaffen. Die mit Schubmesseinrichtungen ausgerüsteten Drucklager sollen die unverminderte Zuverlässigkeit der bewährten Drucklager ohne Schubmessung haben, infolge geringer Axialverschiebung der Druckwelle bei Messungen keine zusätzlichen Axialwegbegrenzungen erfordern und keinen zusätzlichen Verschleiss verursachen, fernbedienbar sein, zwischen den Messungen keine Wirkungen im Schublager erzeugen, jedoch im Betrieb jederzeit funktionsbereit sein. Mit Hilfe der Schubmesseinrichtung soll in Kombination mit Leistungsmessungen der jeweilige Umwandlungsgütergrad der Wellendrehleistung in Schub ermittelbar sein. The aim of the invention is to provide a simple, reliable, remotely operable and maintenance-free device for measuring the axial thrust in thrust bearings with reliable axial travel limitation of a small installation height. The thrust bearings equipped with thrust measuring devices should have the undiminished reliability of the proven thrust bearings without thrust measurement, due to the small axial displacement of the pressure wave during measurements, do not require any additional axial travel limits and cause no additional wear, can be operated remotely, do not produce any effects in the drawer between measurements, but are always operational during operation be. With the help of the thrust measuring device, the respective degree of conversion of the shaft turning power in thrust should be ascertainable in combination with power measurements.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zur Messung des Axialschubes zu schaffen, bei der solche flüssigkeitsgefüllte und kommunizierend verbundene Kammern in Axialschubsegmenthaltern oder Drucklagergehäusen angeordnet werden, durch die bereits bei kleinsten Axialverschiebungen der Druckwelle gegenüber einer raumfesten, fundamentverbundenen Bezugsebene des Drucklagers Kräftegleichheit eintritt zwischen dem Axialschub und der durch das Hydrauliksystem bewirkten Kraft. The object of the invention is therefore to provide a device for measuring the axial thrust, in which such liquid-filled and communicatively connected chambers are arranged in axial thrust segment holders or thrust bearing housings, by means of which even with the smallest axial displacements of the pressure wave compared to a fixed, fundamentally connected reference plane of the thrust bearing, equality of forces occurs between the axial thrust and the force caused by the hydraulic system.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gemäss dem Wortlaut des Anspruchs 1 gelöst. Für die hauptsächlich vorgesehenen Einscheibenaxialdrucklager auf Schiffen besteht der wesentliche erfinderische Gedanke also in der Verwendung von flachen, der erwünschten Durchbiegung entsprechend besonders geformten Membranen, die in einfacher Weise am Axialschubsegmenthalter oder am Drucklagergehäuse angebracht werden können und kleinste Flüssigkeitsvolumen bei Vermeidung störanfälliger Rohrverbindungen kommunizierend abschliessen. According to the invention the object is achieved according to the wording of claim 1. For the mainly intended single-disc thrust bearings on ships, the essential inventive idea is to use flat membranes that are specially shaped to meet the desired deflection, which can be easily attached to the axial thrust segment holder or the thrust bearing housing and which communicate with the smallest volume of liquid while avoiding interference-prone pipe connections.
Der weitere Gedanke der erfinderischen Lösung besteht in der dosierten Volumen- und Druckänderung der von den biegeelastischen Membranen abgegrenzten Flüssigkeit durch Temperaturveränderungen, wobei die Wärmezufuhr unmittelbar an den Druckmembranträger (Schubsegmenthalter The further idea of the inventive solution consists in the metered change in volume and pressure of the liquid delimited by the flexible membranes due to temperature changes, the heat being supplied directly to the pressure membrane support (thrust segment holder
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oder Drucklagergehäuse) oder zur Vermeidung von Lagertemperaturänderungen unter Verwendung eines separaten thermohydraulischen Druckerzeugers erfolgt. or thrust bearing housing) or to avoid changes in storage temperature using a separate thermo-hydraulic pressure generator.
Die erfinderische Lösung wird am Beispiel eines Ein-scheiben-Kippsegment-Axialdrucklagers für Schiffsantriebsanlagen an Fig. 1 bis Fig. 3 erläutert. Darin zeigt: The inventive solution is explained using the example of a single-disc tilting segment thrust bearing for ship propulsion systems on FIGS. 1 to 3. It shows:
Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Drucklager mit Messeinrichtung, 1 shows an axial section through a thrust bearing with a measuring device,
Fig. 2 mehrere Beispiele der Messeinrichtung, und 2 shows several examples of the measuring device, and
Fig. 3 zwei Ausführungsformen der Membran. Fig. 3 shows two embodiments of the membrane.
Die Druckwelle ist mit der Druckwellenscheibe 1 im Drucklagergehäuse 2,3 und den Grundlagerschalen 4,5,6 mit einem begrenzten axialen Spiel Ax gelagert. Der durch die Drehleistung Pd erzeugte Axialschub Fx wird über die Druckwellenscheibe 1 und Axialschub-Kippsegmente 8,11, die durch Kippsegmentbolzen 9, 12 oder andere Lagerungen selbsteinstellend sind und über axial verschiebliche Axial-schub-Kippsegmenthalter 7,10 an das Drucklagergehäuse 2 übertragen. The pressure wave is supported with the pressure wave washer 1 in the pressure bearing housing 2, 3 and the base bearing shells 4, 5, 6 with a limited axial play Ax. The axial thrust Fx generated by the rotational power Pd is transmitted to the thrust bearing housing 2 via the pressure shaft washer 1 and axial thrust tilting segments 8, 11, which are self-adjusting by means of tilting segment bolts 9, 12 or other bearings, and via axially displaceable axial thrusting tilting segment holders 7, 10.
Bei einer vorzugsweisen Ausführung ist der Axialschub-Kippsegmenthalter 10 im Drucklagergehäuse gesondert gelagert und nicht mit der Grundlagerschale 5 verbunden, so dass eine separate Axialverschiebung des Kippsegmenthalters 10 gewährleistet ist. Eine andere Ausführungsvariante sieht feststehende Schubstückhalter und axial verschiebliche Axialschub-Kippsegmente vor. Zur Messung des Vorausschubes ist der Axialschub-Kippsegmenthalter 10 an seiner axialen Abstützfläche zum Drucklagergehäuse 2 derart mit biegeelastischen Schubmessmembranen 13 versehen, dass durch Bohrungen 14 kommunizierend verbundene abgeschlossene flüssigkeitsgefüllte Kammern gebildet werden. Bei dosierter Wärmezufuhr zur abgegrenzten Flüssigkeitsmenge oder Zufuhr einer dosiert zugeführten, entsprechend kleinen Druckflüssigkeitsmenge erfolgt eine solche Druckerhöhung in den Kammern, bis die hydraulische Gesamtdruckkraft dem Axialschub Fx entspricht. Die biegeelastischen Membranen können in der erforderlichen Anzahl symmetrisch als kommunizierend verbundene Einzelmembranen durch Schweissverbindung oder in anderer Art als Ringmembrane am Kippsegmenthalter angeordnet sein, z.B. 13a bis 13j Fig. 2, oder bei anderen Ausführungsvarianten durch biegeelastische Kippsegmenthalter gebildet werden. Die Ausbildung von biegeelastischen Kippsegmenthaltern und die Anordnung von Einzelmembranen nach der erfinderischen Lösung ermöglichen eine Nachrüstung üblicher Axialdrucklager mit Schubmesseinrichtungen ohne Veränderung der Drucklagergehäuse. Bei geeigneten Konstruktionen des Drucklagergehäuses können die biegeelastischen Konstruktionselemente auch am Drucklagergehäuse 2 angeordnet werden. In a preferred embodiment, the axial thrust segment holder 10 is mounted separately in the thrust bearing housing and is not connected to the base bearing shell 5, so that a separate axial displacement of the segment holder 10 is ensured. Another embodiment variant provides fixed thrust piece holders and axially displaceable axial thrust tilting segments. To measure the advance, the axial thrust tilting segment holder 10 is provided on its axial support surface to the thrust bearing housing 2 with flexurally elastic thrust measuring membranes 13 in such a way that closed liquid-filled chambers communicating through bores 14 are formed. In the case of metered supply of heat to the delimited quantity of liquid or supply of a metered, correspondingly small amount of pressure fluid, such a pressure increase takes place in the chambers until the total hydraulic pressure force corresponds to the axial thrust Fx. The flexible membranes can be arranged in the required number symmetrically as communicating single membranes by welding or in another way as a ring membrane on the tilting segment holder, e.g. 13a to 13j Fig. 2, or in other embodiments are formed by flexurally elastic tilting segment holder. The formation of flexurally elastic tilting segment holders and the arrangement of individual membranes according to the inventive solution enable retrofitting of conventional thrust bearing with thrust measuring devices without changing the thrust bearing housing. With suitable constructions of the thrust bearing housing, the flexurally elastic construction elements can also be arranged on the thrust bearing housing 2.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und Fig. 2 zeigt eine Kombination von elastischen metallischen Biegelementen, abgeschlossenen Flüssigkeitsräumen und gesondertem ther-mohydraulischem Druckerzeuger 15. Bei dieser Variante wird der Axialschub im Dauerbetrieb durch Flächen des Kippsegmenthalters 10 oder dem biegesteifen Rand der Membranen 13 an das Drucklagergehäuse 2 übertragen. Durch Temperaturerhöhung im thermohydraulischen The exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2 shows a combination of elastic metallic bending elements, closed liquid spaces and separate ther-hydraulic pressure generator 15. In this variant, the axial thrust in continuous operation is caused by surfaces of the tilting segment holder 10 or the rigid edge of the membranes 13 Transfer thrust bearing housing 2. By increasing the temperature in the thermohydraulic
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Druckerzeuger 15, dessen Flüssigkeitsraum kommunizierend 16, 14 mit den Flüssigkeitsräumen des Kippsegmenthalters verbunden ist, erfolgt der temperaturabhängige Druckanstieg auf die dem Axialschuss entsprechende Grösse der hydraulischen Gesamtdruckkraft. Zwischen dem thermohydraulischen Druckerzeuger 15 und den Membrankammern 13 befindet sich in der Druckleitung 16 ein Absperrventil 17. Aufgabe dieses Ventils 17 ist es, nach dem Auffüllen der Membrankammern 13 auf den zur Herstellung des Kräftegleichgewichts mit der wirkenden Schubkraft Fx notwendigen Druck, z.B. mittels der thermischen Volumendehnung des Druckerzeugers 15, diese Druckkammern sicher zu ver-schliessen. Pressure generator 15, the fluid space of which communicates 16, 14 is connected to the fluid spaces of the tilting segment holder, the temperature-dependent pressure increase to the magnitude of the total hydraulic pressure force corresponding to the axial shot. A shut-off valve 17 is located in the pressure line 16 between the thermohydraulic pressure generator 15 and the diaphragm chambers 13. After filling the diaphragm chambers 13, the task of this valve 17 is to the pressure necessary to establish the balance of forces with the acting thrust force Fx, e.g. by means of the thermal volume expansion of the pressure generator 15 to securely close these pressure chambers.
Da sich durch das Auffüllen der Membrankammern 13 eine Wölbung der Membranfläche ergibt, wird der Segmenthalter 10 vom Drucklagergehäuse 2 entgegen der Schubkraft Fx weggedrückt. Diese Verschiebung wird mittels einer geeigneten Methode, wie beispielsweise durch induktive oder kapazitive elektrische Wegaufnehmer, gemessen und dient als Messsignal für die Gültigkeit des gemessenen Druckes am Manometer 18, als Äquivalentwert zur Schubkraft Fx selbst in einer bekannten Abhängigkeit des Verschiebeweges vom wirkenden Schub Fx. Since the membrane surfaces 13 are arched due to the filling of the membrane surface, the segment holder 10 is pushed away from the thrust bearing housing 2 against the thrust force Fx. This displacement is measured using a suitable method, such as, for example, by inductive or capacitive electrical displacement transducers, and serves as a measurement signal for the validity of the measured pressure on the pressure gauge 18, as an equivalent value to the thrust force Fx itself, in a known dependence of the displacement path on the acting thrust Fx.
Beim Ausführungsbeispiel hat der Kippsegmenthalter 3 Einschweissmembrane 13a, 13e von 200 mm Wirkdurchmesser, 10 mm Randdicke und 1,5 mm Membrandicke. Eine Axialverschiebung von A x = 0,1 mm erfordert eine dosierte Volumenzunahme der eingeschlossenen Druckölmenge von weniger als 20 cm3, bei einem Druck von etwa 10 MPa und einer Axialkraft von etwa 750 kN. Der thermohydraulische Druckerzeuger bewirkt bei einem Füllvolumen von 101 (104 cm3) Hydrauliköl mit einem kubischen Ausdehnungskoeffizienten ak — 0,74 • 10"3/ grad bereits bei einem AT von 10°C einen Volumenzuwachs von AV = ak • Vo • AT = 74 cm3. Unter Abzug der temperatur- und druckbedingten Vergrösserung der Druckbehälter sowie der Ölkompressibi-lität sind die erforderlichen Volumen- und Druckzunahmen innerhalb AT < 35°C ausreichend, so dass genügend Reserven durch grössere Temperaturdifferenzen oder grössere Füllmengen für höhere Axialschübe oder Axialwege verfügbar sind. In the exemplary embodiment, the tilting segment holder has 3 weld-in membranes 13a, 13e with an effective diameter of 200 mm, 10 mm edge thickness and 1.5 mm membrane thickness. An axial displacement of A x = 0.1 mm requires a metered increase in volume of the enclosed quantity of pressure oil of less than 20 cm3, at a pressure of approximately 10 MPa and an axial force of approximately 750 kN. With a filling volume of 101 (104 cm3) hydraulic oil with a cubic coefficient of expansion ak - 0.74 • 10 "3 / degree, the thermohydraulic pressure generator causes a volume increase of AV = ak • Vo • AT = 74 cm3 even at an AT of 10 ° C Deducting the temperature and pressure-related enlargement of the pressure vessel and the oil compressibility, the required volume and pressure increases within AT <35 ° C are sufficient so that sufficient reserves are available due to larger temperature differences or larger fill quantities for higher axial thrusts or axial travel.
Fig. 3a zeigt ein Ausführungsbeispiel für Membrane mit biegesteifem Rand und Fig. 3b zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel mit biegeweichem Membranrand. Fig. 3a shows an embodiment for diaphragm with a rigid edge and Fig. 3b shows another embodiment with a flexible membrane edge.
Die Membran 22 nach Fig. 3b ist mit einer Eindrehung 26 am oberen Rand versehen, so dass ein Kragen 27 des Befestigungsringes über die Membran greifen kann und diese gegen ein unzulässiges Abheben sichert, womit eine unerwünschte Verringerung des notwendigen Axiallagerspiels sicher verhindert wird. Zwischen Kragen 27 und Eindrehung 26 ist konstruktiv ein Abstand in dem Masse vorgesehen, dass die im interessierenden Schubmessbereich liegende Membranverschiebung erfolgen kann. The membrane 22 according to FIG. 3b is provided with a recess 26 at the upper edge, so that a collar 27 of the fastening ring can grip over the membrane and secure it against unauthorized lifting, which reliably prevents an undesirable reduction in the necessary axial bearing play. A constructive distance is provided between the collar 27 and the recess 26 to the extent that the diaphragm displacement lying in the thrust measurement range of interest can take place.
In einer Ringnut 28 des Membrankörpers 22 ist weiterhin ein aus zwei Halbringen bestehender Formring 25 angeordnet, der vor der Montage in die Ringnut 28 eingelegt wird. Mittels des Formringes 25 werden die Schubkräfte durch den gefährdeten Membranbereich in der Nähe des Befestigungsringes 23 für den Fall geleitet, dass das Drucklager ohne Hydraulikdruck in den Membrankammern betrieben wird. In an annular groove 28 of the membrane body 22, a two-ring shaped ring 25 is further arranged, which is inserted into the annular groove 28 before assembly. By means of the form ring 25, the thrust forces are guided through the endangered membrane area in the vicinity of the fastening ring 23 in the event that the pressure bearing is operated without hydraulic pressure in the membrane chambers.
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