DE1575369C - Einrichtung zur Aufnahme des Axial Schubes einer Turbomaschine - Google Patents
Einrichtung zur Aufnahme des Axial Schubes einer TurbomaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit Axialgleitlagern zur Aufnahme des an der Hauptwelle einer
schnellaufenden Turbomaschine angreifenden Axialschubes.
Üblicherweise wird der an den Rädern oder Schaufein einer Turbomaschine zufolge Druckdifferenz wirkende,
nicht ausgleichbare Restschub durch ein auf dem Rotor angeordnetes Axialgleitlager aufgenommen.
Solche Lager sind in zahlreichen.Ausführungs- ·
formen bekannt, ihre Belastungsfähigkeit ist jedoch begrenzt, da bei hohen Drehzahlen die Lagergröße
nicht beliebig gesteigert werden kann. Zudem steigen bei hohen Drehzahlen die Lagerverluste stark an. Auch
muß bei hohen Drehzahlen und großen Lagern mit einer wesentlichen Herabsetzung der Betriebssicherheit
gerechnet werden.
Es ist auch bekannt, eine Welle gegen axiale Verschiebung mit Hilfe von annähernd gleich schnell
oder schneller rotierenden, achsparallel zur Welle angeordneten Lagerelementen zu sichern, die mit Wül- ao
sten versehen sind, zwischen denen ein Flansch der Welle abgestützt ist (USA.-Patentschrift 2 914 366)
oder die in Nuten der Welle eingreifen (USA.-Patentschrift 2 981 568). Derartige Konstruktionen sind in
der Feinmechanik anwendbar, lassen sich jedoch as
nicht auf Turbomaschinen des Schwermaschinenbaues übertragen, bei denen die Axialschübe in die
Tonnen gehen.
Zur Zentrierung einer Welle ist es bekannt (französische Patentschrift 417 813), sie mit drehbaren
Scheiben abzustützen, die zwischen zwei auf der Welle befestigte Ringflansche hineinragen. Eine
Schubübertragung von der Welle auf die Scheiben ist bei dieser Einrichtung weder vorgesehen noch möglich,
was auch die Lagerung der Scheiben mit Radialkugellagern beweist.
Ist zwischen zwei leistungsübertragenden Wellen ein Getriebe geschaltet, so kann das Problem der
Aufnahme des Axialschubes gelegentlich mit den bekannten Axiaflagern gelöst werden, weil dann eine,
der beiden Wellen langsamer läuft, dort die auftretenden Schwierigkeiten kleiner sind und es im Prinzip
gleichgültig ist, welche von zwei leistungsübertragenden Wellen mit Axiallagern ausgestattet wird.
Eine auf eine schnellaufende Turbomaschine in Einwellenanordnung anwendbare Lehre ist daraus nicht
zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Aufnahme des Axialschubes der
Hauptwelle einer schnellaufenden Turbomaschine zu schaffen, die dazu in der Lage ist, große Schubkräfte
auch bei hoher Wellendrehzahl sicher aufzunehmen. ■ ■
Diese Aufgäbe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Axialgleitlager einem Ringflansch einer von der Hauptwelle über eine Synchronisier-Zahnradübersetzung
ins Langsame angetriebenen, zu ihr parallelen Nebenwelle zugeordnet sind und daß die
Hauptwelle mittels wenigstens eines auf ihr angebrachten Ringflansches, der am Ringflansch der Nebenwellc
stirnscitig abwälzt, gegen die selber keine Maschinenleistung übertragende Nebenwelle axial
abgestützt ist.
Nach vorteilhaften Ausgestaltungen derErfindung wird auf mechanischem oder hydraulischem Wege
eine gleichmäßige Aufteilung dos Axialschubes auf die Gleitlager der Nebenwcllen erzielt und sie so vor
einer Überlastung geschützt.
Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 schematisch eine prinzipielle Ausführungsform der Erfindung mit zwei Nebenwellen,
Fig. 2a bis 2c in schematischer stirnseitiger Ansicht die Anordnung mit einer, zwei oder drei Nebenwellen,
F i g. 3 schematisch eine Ausführungsform ähnlich F i g. 1 mit abgefederten Lagerelementen,
Fig. 4 eine Ausführungsform mit mechanischem Ausgleich der Schubaufnahme,
F i g. 5 eine Ausführungsform mit hydrostatischem Ausgleich der Schubaufnahme.
Gemäß F i g. 1 ist die Hauptwelle 1 einer Turbomaschine, die in Radiallagern 3 gelagert ist, mit dem
Zahnkranz 5 versehen und treibt zwei Nebenwellen 7 an, die in eigenen Radiallagern 9 gelagert sind. Zum
Antrieb ist auf jeder Nebenwelle 7 der Ringflansch 11 angebracht, der mit dem Zahnkranz 13 versehen ist,
welcher mit dem Zahnkranz 5 der Hauptwelle 1 im Eingriff steht. Die Übersetzung von der Hauptwelle 1
zu den Nebenwellen 7 erfolgt hierbei ins Langsame, beispielsweise mit einem Drehzahlverhältnis von 2 :1
bis 4 : 1. Die Nebenwellen 7 sind axial durch beidseits
des Ringflansches 11 angeordnete Axialgleitlager 15, 17 gehalten.
Zur Übertragung des Axialschubes von der Hauptwelle 1 auf die Nebenwellen 7 und damit auf die
Axialgleitlager 15,17 sind auf der Hauptwelle 1 zwei
mitrotierende Ringflansche 19, 21 angebracht und mit dieser fest verbunden. Die Ringflansche 19, 21 sowie
der Ringflansch 11 weisen aneinanderliegende Stirnflächen 23 bzw. 25 auf, deren radiale Lage ungefähr
dem Teilkreisdurchmesser der Verzahnung 5,13 entspricht.
Die Turbomaschinenwelle 1 stützt sich axial mittels der Ringflansche 19, 21 über die Stirnflächen
23 bzw. 25 auf die Ringflansche 11 der Nebenwellen 7 und somit auf die Axialgleitlager 17 bzw. 15 ab,
je nachdem, ob der Schub in die Richtung des Pfeiles 27 oder des Pfeiles 29 geht.
Es sind ferner in F i g. 1 nicht dargestellte Schmiereinrichtungen
vorgesehen, um die Stirnflächen 23, 25 der Ringflansche 19, 21 bzw. des Ringflansches 11
mit Schmiermitteltragschichten zu versehen. Die Stirnflächen können konisch sein, wodurch das
Schmiermittel in Form eines Schmierkeiles in die Druckzone gepreßt wird.
Der Axialschub der schnellaufenden Hauptwelle 1 wird in der beschriebenen und dargestellten Anordnung
über die Ringflansche 19, 21 auf die wesentlich langsamer laufenden, synchron angetriebenen Nebenwellen
7 übertragen und kann dort von üblichen, großen Axialgleitlagern 15,17 aufgenommen werden,
ohne daß große Lagerverluste auftreten und eine Havarieanfälligkeit wegen hoher Drehzahl zu befürchten
ist. Hierbei wird keine Maschinenleistung übertragen, so daß die Ringflansche 19, 21 dank der
an ihren Stirnflächen 23,25 herrschenden kleinen Gleitgeschwindigkeiten und dank der vorhandenen
Schmierkeile, das. heißt hydrodynamischer Schmierverhältnisse, auf kleinstem Raum große Axialkräfte
sicher übertragen können und an den Antrieb der Nebenwellen 7 durch die Verzahnung 5,13 keine besonderen
Anforderungen gestellt werden müssen.
Die beschriebene Anordnung kann bei einer oder mehreren gekuppelten Turbomaschinen angewendet
werden und als separate Einheit zwischen die Ma-
schinen- gekuppelt sein oder konstruktiv einen Teil
j der Maschinen bilden.
! Gemäß der schematischen Darstellung der F i g. 2 a bis 2 c sind eine bzw. zwei bzw. drei Nebenwellen 7
zur Aufnahme des Axialschubes von der Hauptwelle 1 vorgesehen, die beliebig zur Hauptwelle angeordnet
sein können. ν '
Ir. den nachfolgenden Fig. 3 bis 5 sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt,
durch welche eine mindestens angenähert gleichmäßige Verteilung des Axialschubes auf zwei
oder mehrere Nebenwellen bewirkt wird und dadurch die Axialgleitlager der Nebenwellen vor einer Überlastung
geschützt werden.
Gemäß F i g. 3 treibt die teilweise dargestellte Maschinenhauptwelle
1 über die Verzahnung 5,13 und den Ringflansch 11 die Nebenwelle 7 an. Zur Übertragung des Axialschubes auf die angetriebene Nebenwelle
sind wiederum · auf der Hauptwelle 1 angebrachte
Ringflansche 19, 21 vorgesehen.
Die Axialgleitlager der Nebenwelle 7 weisen Lagerelemente
31 auf, die über Druckfedern 33 auf einem festen Lagergehäuseteil 35 abgestützt sind.
Durch diese Einzelabfederung der Lagerelemente 31 wird eine mindestens angenähert gleichmäßige Belastung
aller Elemente 31 auf jeweils einer Seite des Ringflansches 11 erzielt.
In der Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform
der Anordnung mit einer mechanischen Ausgleichsvorrichtung für die Schubaufnahme durch die Axiallager der Nebenwellen dargestellt. Die Übertragung
des Axialschubes von der Hauptwelle 1 auf zwei angetriebene Nebenwellen 7 erfolgt über Ringflansche
19, 21 in der vorbeschriebenen Weise. Die Axialgleitlagerelemente
51 der Nebenwellen sind in Lagergehäüsen 53 untergebracht, welche sich über die Enden
der Nebenwellen 7 hinaus erstrecken und in einem Schublagerbock 55 in axialer Richtung beweglich gelagert
sind. Hierzu sind in der dargestellten Anordnung Rollenketten 57 vorgesehen, welche zwischen
der Außenwand jedes Lagergehäuses 53 und entsprechenden Innenwandteilen des Schublagerbockes
55 angeordnet sind. Statt der dargestellten Rollenketten können auch hydrostatische Lager vorgesehen
werden.
Die axiale Abstützung der Lagergehäuse 53 erfolgt über ein Gelenkhebelsystem 59, das einen fixen Drehpunkt
61 in der Achse der Hauptwelle 1 hat und sich bei axialer Verschiebung der Lagergehäuse 53 in den
durch Pfeile 63 dargestellten Richtungen verschiebt bzw. dreht. Die Nebenwellen 7 übertragen den von
der Hauptwelle 1 über die Ringflansche 19, 21 übernommenen Axialschub mittels der Lagerelemente 51
auf die axial beweglich angeordneten Lagergehäuse 53. Das die Lagergehäuse verbindende Gelenkhebelsystem
59 bewirkt somit einen Schubausgleich auf die Nebenwellen 7, indem eine nur auf der einen Seite
der einen Nebenwelle 7 wirksame Lagerdruckerhöhung durch eine entsprechende Lagerdruckerhöhung
auf der anderen Seite der anderen Nebenwelle 7 ausgeglichen wird.
In F i g. 5 ist eine Ausführungsform mit hydrostatischem Ausgleich der Schubaüfnahmc durch die Nebenwellen
dargestellt. Zur Übertragung des Axialschubes der Hauptwelle 1 auf zwei oder mehrere angetriebene
Nebenwellen 7 sind wie bei den vorgängig beschriebenen Ausführungsformen die Ringflansche
19, 21 vorgesehen. An den beidseitigen Enden 77, 79 jeder Nebenwelle 7 sind Druckzylinder 71 koaxial zu
der jeweiligen Nebenwelle 7 fest angeordnet. Jeder Druckzylinder 71 weist einen Druckraum 73 (linksseitige
Wellenenden) bzw. 75 (rechtsseitige Wellenenden) auf, in welchem das.entsprechende Wellenende
77 bzw. 79 als axial verschiebbarer Kolben
In jedem Druckzylinder 71 einer der Nebenwellen 7 ist ferner ein Steuerkolben 81 angeordnet, der
ίο eine Zufluß-Steuerkante 83 und eine Steuerfläche 85
aufweist. Die Steuerkante 83 öffnet oder schließt durch axiale Bewegung des Steuerkolbens 81 einen
Zuflußkanal 87 für Drucköl, das bei offenem Kanal 87 in den Druckraum 73 bzw. 75 gelangen kann. Die
Steuerfläche 85 dichtet in der einen Lage des Steuerkolbens 81 den Druckraum 73 bzw. 75 durch Anliegen an das Wellenende 77 bzw. 79 gegen eine im
Steuerkolben 81 angebrachte axiale Bohrung 89 ab. In der abgehobenen Lage des Steuerkolbens 81 ver-
ao bindet ein Spalt den Druckraum 73 bzw. 75 mit der Bohrung 89 im Steuerkolben 81. Jeder Steuerkolben
81 steht zudem unter dem axialen Druck einer sich auf den Druckzylinder 71 abstützenden Feder 91 und
ist in seiner axialen Bewegung durch einen Anschlag 92 begrenzt.
Zur Versorgung der Druckräume 73 und 75 mit Drucköl ist der Zuflußkanal 87 jedes Druckzylinders
71 an eine Druckölleitung 93 angeschlossen, in welche von einer Pumpe 95 Drucköl aus einem nicht dargestellten
ölbehälter geliefert wird. Mit einem Überströmventil 97 wird der Druck auf einem Wert ρ
konstant gehalten. -
Die axiale Bohrung 89 jedes Steuerkolbens 81 mündet in eine Öl-Ablaufleitung 99. Ferner sind die
Druckräume 73 und 75 der gleichseitigen Wellenenden 77 bzw. 79 durch Leitungen 101 bzw. 103
miteinander verbunden, so daß in beiden Dr'uckräumen 73 der gleiche Druck pL bzw. in beiden
Druckräumen 75 der gleiche Druck pR, der vom Druck pL verschieden sein kann, herrscht.
Die Wirkungsweise der dargestellten Anordnung ist die folgende:
Auf die Stirnseiten der Wellenenden 77 und 79 der Nebenwellen 7 wirken die in den Druckräumen 73
bzw. 75 herrschenden Öldrücke p^ bzw. ρ%. Die
Differenz der Drücke pL und pR, multipliziert mit der
■ wirksamen Stirnfläche, bildet die Gegenkraft. zum Axialschub, den die Nebenwellen 7 über die Ringflansche 19, 21 von der Hauptwelle 1 in der einen
oder anderen, mit Pfeilen 105 bzw. 107 dargestellten Richtung übernehmen. Da die linksseitigen Druckräume 73 und die rechtsseitigen Druckräume 75 untereinander
verbunden sind, ist die dem Axialschub entgegenwirkende Kraft für alle Nebenwellen 7 die
gleiche, so daß ein Schubausgleich erzielt wird.
Wenn nun beispielsweise die 'Nebenweilen 7 vom Ringflansch nach rechts in Pfeilrichtung 107 gedrückt
weiden, so schließt sich durch die Verschiebung der Nebenwellen der zwischen jedem rechtsseitigen WeI-lenende
79 und der Steuerfläche 85 des Steuerkolbens 81 liegende Spalt und damit der Ablauf von Drucköl
in die Leitung 99. Der Steuerkolben 81 wird vom Wellenende 79 nach rechts verschoben und läßt über
seine Steuerkante 83 Drucköl aus der Speiseleitung 93 in den Druckraum 75 fließen. Dadurch steigt der
Druck Pn an und übt über die wirksame Stirnfläche
des Welenendes 79 die Gegenkraft zum einwirkenden Axialschub aus.
An den entgegengesetzten Wellenenden 77 geht währenddessen der umgekehrte Ablauf vor sich. Der
unter dem Druck der Feder 91 nachlaufende Steuerkolben 81 schließt mit seiner Steuerkante 83 den Zur
flußkanal 87 und kommt am Anschlag 92 zum Anliegen; Durch die Verschiebung der Nebenwelle 7
nach rechts hebt sich demnach die Stirnseite des Wellenendes 77 von der Steuerfläche 85 des Steuerkolbens
81 ab, so daß durch den gebildeten Spalt Drucköl durch die Bohrung 89 in die Ablaufleitung
fließen kann. Der Druck pL im Druckraum 73 wird kleiner, was eine Verschiebung der Nebenwelle 7
nach links in Pfeilrichtung 105 erleichtert.
Claims (6)
1. Einrichtung mit Axialgleitlagern zur Aufnahme des an der Hauptwelle einer schnellaufenden
Turbomaschine angreifenden Axialschubes, ao dadurchgekennzeichnet, daß die Axialgleitlager
(15,17) einem Ringflansch (11) mindestens einer von der Hauptwelle (1) über eine
Synchronisier-Zahnradübersetzung (5, 13) ins Langsame angetriebenen, zu ihr parallelen Neben- as
welle (7) zugeordnet sind und daß die Hauptwelle (1) mittels wenigstens eines auf ihr angebrachten
Ringflansches (19, 21), der am Ringflansch (11) der Nebenwelle (7) stirnseitig abwälzt, gegen die
selber keine Maschinenleistung, übertragende Nebenwelle (7) axial abgestützt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringflansch (11) der
Nebenwelle (7) mit einer Stirnverzahnung (13) in eine zwischen zwei Ringflanschen (19,21) liegende
Stirnverzahnung (5) der Hauptwelle (1) eingreift.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lagerelemente (31) der Axialgleitlager
(15,17) in an sich bekannter Weise einzeln abgefedert angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 mit zwei Nebenwellen, dadurch gekennzeichnet, daß Lagerelemente
(51) der Axialgleitlager (15,17) in längs jeder Nebenwelle (7) axial beweglich gelagerten
Lagergehäusen (53) fest angeordnet sind und daß zur Erzielung einer gleichmäßigen Schubverteilung auf die Axialgleitlager (15,17) alle Lagergehäuse
(53) durch ein einen fixen Drehpunkt (61) aufweisendes Gelenkhebelsystem (59) derart
miteinander verbunden sind, daß die axiale Verschiebung eines Lagergehäuses (53) in der einen
Richtung eine axiale Verschiebung des anderen Lagergehäuses (53) in der änderen Richtung bewirkt. -. ■. '.■■.- -- ■ ■ : ■ .■■; . ;v :;■■"■■'
5. Anordnung nach Anspruch 1 mit mindestens zwei Nebenwellen, dadurch gekennzeichnet, daß
als zusätzliche Axialgleitlager die Wellenenden (77,79) aller Nebenwellen (7) als entgegengesetzt
wirkende, im Druckraum (73,75) eines feststehenden Zylinders (71) einem Öldruck ausgesetzte
Kolben ausgebildet sind, wobei zur Erzielung einer gleichmäßigen Schubverteilung auf
alle Axialgleitlager (15,17) die Druckräume (73 bzw. 75) aller auf der gleichen Wellenendenseite
angeordneten Zylinder (71) durch Druckausgleichleitungen (101 bzw. 103) miteinander
verbunden sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zylinder (71) ein
durch eine axiale Verschiebung der zugehörigen Nebenwelle (7) betätigbarer Steuerkolben (81)
angeordnet ist, durch welchen der Druckraum (73 bzw. 75) des Zylinders (71) mit einer Druckölspeiseleitung
(93) oder einer Druckölablaufieitung (99) derart verbindbar ist, daß die Druckänderung
im Druckraum (73 bzw. 75) der axialen Verschiebung der Nebenwelle (7) entgegenwirkt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3047334A1 (de) * | 1980-12-16 | 1982-07-08 | Zahnräderfabrik Renk AG, 8900 Augsburg | Druckkammgetriebe |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3047334A1 (de) * | 1980-12-16 | 1982-07-08 | Zahnräderfabrik Renk AG, 8900 Augsburg | Druckkammgetriebe |
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