DE2154217A1 - Kippsegmentlager - Google Patents

Kippsegmentlager

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Description

FJLTB ITTAlT-WAtT
Dipl. ing. B. HOLZES «ft ACTGS HtTRG
EXSJrR-STKÄBSlü 14 VMbIiPOM ι ■!» 7 S
W. Augsburg, den 25. Oktober 1971
Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania 15 222, V.St.A.
Kippsegtnentlager
Die Erfindung betrifft Kippsegtnentlager mit mindestens zwei in einer Hälfte, normalerweise der unteren Hälfte, eines Gehäuses untergebrachten Kippsegmenten. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Kippsegmentlager, welche verhältnismäßig große Kippsegmente aufweisen und mit
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hohen Drehzahlen betrieben werden, wie sie beispielsweise bei großen Rotoren von Turbogeneratoren auftreten.
Große Dampfturbinen- und Generatorrotoren werden im allgemeinen in Gleitlagern mit geteilten Lagerschalen gelagert. Solche Lager genügen den bisherigen Anforderungen, jedoch führt die technische Entwicklung zu immer größer werdenden Maschinen. Es hat sich gezeigt, daß bei Maschinen mit Lagerzapfendurchmessern von mindestens 4-2 cm Instabilitäten bzw. sich selbst erregende Schwingungen auftreten. Diese als Ölfilmschwingungen bekannten Erscheinungen führen zu ernsthaften Schwingungsproblemen. Dabei wurde festgestellt, daß Kippsegmentlager frei von Ölfilmschwingungen sind.
Jedoch war es bisher nicht möglich, Kippsegmentlager für verhältnismäßig große Lagerzapfen und hohe Drehzahlen zu verwenden, wie sie bei Turbogeneratoren und ähnlichen Maschinen auftreten, da die Gleitflächen dabei während des Betriebes nicht innerhalb annehmbarer Temperaturgrenzen gehalten werden können. Die bekannten Kippsegmentlager weisen mehrere, normalerweise vier, aus Stahl bestehende und mit Lagerwerkstoff beschichtete Kippsegmente auf, welche mit gleichmäßigem Abstand um
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die zu lagernde Welle herum angeordnet sind und jeweils in ihrer Mitte mit einem eine Lagerstelle bildenden Ansatz versehen sind. Ferner wird bei den bekannten Kippsegmentlagern jeweils von einer äußeren Druckquelle her öl in die zwischen den einzelnen Kippsegmenten vorhandenen Zwischenräume eingebracht und über Auslässe wieder abgeführt, welch letztere jeweils zwischen der zu lagernden Welle und Dichtungsringen an beiden Enden des betreffenden Lagers gebildet sind.
Für das Heißwerden der bekannten Kippsegmentlager bei höheren Drehzahlen und höheren Belastungen gibt es mehrere Gründe: Die großen Ölfilm-Schubwerte haben große Wärmeverluste an den Kippsegment-Gleitflächen und ein daraus resultierendes Wärmegefälle über die Dicke der Kippsegmente hinweg zur Folge, Dieses Wärmegefälle bewirkt seinerseits, daß sich die Kippsegmente verbiegen, wobei diese verbiegungen noch zu den Auslenkungen hinzukommen, die durch die Belastung um die Schwenkachsen verursacht werden, was dünnere Ölfilme und noch höhere Temperaturen im mittleren Abschnitt der Kippsegmente zur Folge hat. Ein weiterer Faktor ist, daß die äußere Ölversorgungsquelle das öl nur mit einem Druck von ungefähr 1,06 kp/cm zuführt, so daß der ölstrom
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nicht ausreicht, die mittlere öltemperatur an den Kippsegmenten auf einem annehmbaren Wert zu halten. Diejenigen Kippsegmentlager, welche sowohl um die oberen als auch um die unteren Teile des Lagers kippbare Kippsegmente aufweisen, haben höhere Verluste zur Folge als vergleichbare Lagerbüchsen- oder Lagerschalen-Gleitlager, da bei solchen Kippsegmentlagern sowohl der obere Teil als auch die unteren Kippsegmente belastet sind, während bei Lagerbüchsen- oder Lagerschalen-Gleitlagern normalerweise die obere Lagerhälfte entlastet ist.
Die Temperaturgrenzen können bei Kippsegmentlagern insbesondere bei Kippsegment-Drucklagern, dadurch erweitert werden, daß man durch die Kippsegmente nahe deren Gleitflächen Kühlmittel hindurchtreibt und dadurch Wärme abführt. Ein auf diese Weise gekühltes Kippsegment-Drucklager ist in der US-PS 2 955 003 beschrieben.
Ferner ist in der SW-PS 89 546 ein Kippsegmentlager mit zu den Gleitflächen führenden ölkanälen für die Schmierung durch ein unabhängiges bzw. in sich geschlossenes Versorgungssystem beschrieben. Diese SW-PS zeigt auch ein Zapfenlager, welches sowohl
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Kippsegmente als auch feste Lagerschalenteile aufweist.
Des weiteren ist aus der US-PS 2 315 674 ein Lagerbüchsen-Gleitlager für verhältnismäßig große Lasten und hohe Drehzahlen bekannt.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, Kippsegmentlager so auszubilden, daß sie auch für verhältnismäßig große Belastungen (Lagerzapfen von beispielsweise 42 cm Durchmesser und mehr) und hohe Drehzahlen (beispielsweise 3600 U/min, und mehr) verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die in der genannten einen Gehäusehälfte untergebrachten Kippsegmente jeweils aus einem an das Gehäuse angrenzenden Segmentteil und einem von letzterem getragenen, eine größere Wärmeleitfähigkeit als dieser und eine Gleitfläche aufweisenden weiteren Segmentteil bestehen und jeweils mit, mit dem genannten weiteren Segmentteil in Verbindung stehenden Kanälen versehen sind, und daß Mittel zum Hindurchleiten von Kühlmittel von einer äußeren Quelle her durch die in den genannten
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Kippsegmenten gebildeten Kanäle hindurch vorgesehen sind, derart, daß diese Kanäle das Kühlmittel mit den genannten weiteren Segmentteilen in Berührung bringen.
Das Kühlmittel wird von einer außerhalb des Lagers angeordneten Druckquelle geliefert. Gemäß der Erfindung ist in der betreffenden anderen Gehäusehälfte, welche normalerweise die obere Gehäusehälfte ist, eine in das Gehäuse führende Einlaßöffnung gebildet, und die an diese Einlaßöffnung angrenzende Gleitfläche ist derart ausgebildet, daß sich bei Drehung der zu lagernden Welle eine Viskositäts-Pumpwirkung ergibt. Das Kühlmittel ist vorzugsweise gleichzeitig auch Schmiermittel, z.B. ein öl, welches sich derart verteilt, daß es auf den Gleitflächen einen Schmierfilm bildet.
In der genannten anderen Gehäusehälfte können Kippsegmente untergebracht sein, welche nicht gekühlt zu werden brauchen. Abweichend hiervon kann in der genannten anderen Gehäusehälfte auch ein Lagerschalenteil untergebracht sein, welches in Kombination mit den gekühlten Kippsegmenten der genannten einen Gehäusehälfte mit Bezug auf bekannte Kippsegmentlager und
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Lagerbüchsen- und Lagerschalen-Gleitlager kleinere
Verluste aufweist.
Die genannte Viskos!täts-Pumpwirkung in der genannten anderen Gehäusehälfte kann dadurch bewirkt werden, daß gemäß der Erfindung eine Umfangsnut oder Umfangsvertiefung vorgesehen ist, welche entweder eine abgeschrägte Tiefe oder mit Bezug auf die Gleitflächen der in der genannten einen Gehäusehälfte untergebrachten Kippsegmente eine gleichmäßig zurückgesetzte Grundfläche hat.
Erfindungsgemäße Kippsegmentlager sind insbesondere in Verbindung mit großen Maschinen, z.B. Turbogeneratoren, von Vorteil, deren Wellen einen Durchmesser von mehr als 1IO cm haben und mit Drehzahlen von 3600 U/min,
und mehr betrieben werden sowie mit mindestens 22 500 kp belastet werden. Der Anmeldungsgegenstand kann in
Verbindung mit Wellen von Turbogeneratoren Anwendung finden, welche einen Durchmesser von 53 cm haben und sich mit 3600 U/min, drehen. Diese Werte können noch viel größer werden, beispielsweise wenn erfindungsgemäße Kippsegmentlager bei Turbogeneratoren mit einer Leistung von 1000 MW und mehr Anwendung finden.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Pig. I einen schematischen Quer
schnitt einer Einrichtung mit einem Kippsegmentlager nach der Erfindung und
Fig. 2 einen schematischen Quer
schnitt einer weiteren Einrichtung mit einer anderen Ausführungsform eines Kippsegmentlagers nach der Erfindung.
Das in Fig. 1 dargestellte, eine Welle 12 lagernde Kippsegmentlager 10 nach der Erfindung weist ein Metallgehäuse Ik von im wesentlichen zylindrischer Gestalt auf. Mehrere Kippsegmente 16, 17, 18 und 19 haben jeweils eine zum Gehäusemittelpunkt gerichtete Gleitfläche 20, welche jeweils die Welle 12 tragen und eine Drehbewegung derselben zulassen. Die aus Lagerwerkstoff bestehenden Gleitflächen können durch eine Weißmetall- oder Preßstoffauflage bzw. Babbittmaterial
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gebildet sein. Bei dem hier beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiel sind vier Kippsegmente vorgesehen, von welchen zwei 16, 17 in der oberen Hälfte und zwei 18, 19 in der unteren Hälfte des Gehäuses .14 angeordnet sind. Die Anzahl der vorhandenen Kippsegmente kann an sich beliebig sein, jedoch müssen sich mindestens in einer Hälfte des Gehäuses, normalerweise der unteren Gehäusehälfte, zwei Kippsegmente befinden.
Die beiden in der unteren Gehäusehälfte angeordneten Kippsegmente 18 und 19 bestehen jeweils aus einem an das Gehäuse Ik angrenzenden Segmentteil 22 und aus einem letztere tragenden, die Gleitfläche aufweisenden weiteren Segmentteil 23. Der weitere Segmentteil 23 hat jeweils eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der zugehörige eine Segmentteil 22, indem beispielsweise der weitere Segmentteil 23 aus Kupfer und der zugehörige eine Segmentteil 22 aus Stahl bzw. Eisen besteht. In den unteren Kippsegmenten 18 und 19 sind jeweils Kanäle 2k gebildet, von welchen jeweils mindestens ein Wandungsteil von dem genannten weiteren Segmentteil 23 gebildet ist. d.h. von dem die höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisenden, beispielsweise also aus
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Kupfer bestehenden Segmentteil 23. Beispielsweise können in den unteren Flächen der aus Kupfer bestehenden weiteren Segmentteile 23 jeweils Nuten gebildet sein, welche durch die Oberflächen der aus Stahl bestehenden einen Segmentteile 22 unter Bildung der Kanäle 24 abgedeckt sind.
Durch das Kippsegmentlager wird ein als Kühl- und Schmiermittel dienendes Strömungsmittel hindurchgeleitet. Dieses Strömungsmittel, normalerweise öl, wird von einer Druckquelle 26 geliefert und strömt über einen Einlaß 28 in die obere Hälfte des Gehäuses und von diesem durch eine Einlaßöffnung 30 in das Gehäuseinnere. Bei einem in der dargestellten Weise vier Kippsegmente aufweisenden Kippsegmentlager befindet sich die Einlaßöffnung 30 zweckmäßigerweise zwischen den beiden oberen Kippsegmenten 16 und
In der Zeichnung dargestellte Pfeile zeigen den ölströmungsweg an, welcher durch die Konstruktion des Kippsegmentlagers und durch die Drehrichtung der Welle 12 bestimmt ist. Das Kippsegment 16 ist in Drehrichtung von der Einlaßöffnung 30 weg so geformt, daß es als Viskositätspumpe wirkt. In das Gehäuse ein-
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tretendes öl wird von der Welle 12 mitgenommen und durch eine im Kippsegment 16 gebildete innere Nut hindurchgetrieben. Das öl wird in die untere Hälfte des Lagers getragen, wo es durch die Kanäle 24 der unteren Kippsegmente 18 und 19 hiridurchströmt. Ein Teil des Öles gelangt außerdem auf die Gleitflächen und bildet auf diesen einen dünnen Schmierfilm. Tatsächlich ist das ganze Innenvolumen des Kipplagers während des Betriebes mit öl, d.h. Kühl- und Schmiermittel, gefüllt, wobei jedoch stets eine bestimmte Strömung zwischen der Einlaßöffnung 28 und einer Auslaßöffnung 34 vorhanden sein muß und das öl innerhalb des Lagers nicht beliebig strömen und insbesondere nicht rezirkulieren darf. Ein solches Rezierkulieren des Öles in einem vollständig in sich geschlossenen ölumlauf innerhalb des Lagers ist zur Kühlung von großen und mit hoher Drehzahl betriebenen Kippsegmentlagern nach der Erfindung ungeeignet. Demgegenüber wird gemäß der Erfindung das öl über die Auslaßöffnung 31I wieder abgezogen und gekühlt, vor es dann gegebenenfalls erneut in das Lager eingebracht wird.
Die im oberen Kippsegment 16 gebildete Nut 32, über welche das öl nach unten in den unteren Lagerteil
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strömt, wirkt als Viskositätspumpe, durch welche der Druck des zuströmenden Öles über den Druck der Versorgungsquelle 26 hinaus vergrößert wird, um dadurch durch die Kühlkanäle 2*1 der unteren Kippsegmente 18 und 19 hindurchgetrieben zu werden. Die Nut 32 kann entweder mit Bezug auf die Wellenumfangsflache eine gleichmäßige Tiefe oder von der Welle eine keilförmig größer werdende Tiefe haben, wobei sich die Grundfläche der Nut 32 von der Einlaßöffnung 30 her in Wellendrehrichtung erstreckt. Das andere obere Kippsegment 17 weist eine gleichmäßig an der Welle 12 anliegende Gleitfläche auf, welche eine Strömungssperre bildet, so daß das Öl nicht oder lediglich nur in unbedeutender Menge wieder in die obere Lagerhälfte zurückkehren kann, sondern durch die Auslaßöffnung .31J abfließt, nachdem es im Lager einen Weg von ungefähr 270° zurückgelegt hat. Durch die unteren Kippsegmente 18, 19 hindurchströmendes öl vermindert die an den die größte Last tragenden Gleitflächen auftretende Temperatur auf einen annehmbaren Wert und hat außerdem eine Verringerung des Temperaturgradienten über den Kippsegmenten zur Folge.
Die Kippsegmente können entweder einen Kippunkt oder eine Kipplinie aufweisen, welche sich zwecks Erzielung
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einer größten Tragkraft und größten Stabilität in axialer Richtung von einem Lagerende zum anderen Lagerende erstreckt. Ferner kann der Kippunkt oder die Kipplinie um wenige Grade in Wellendrehrichtung- mittenversetzt sein, um dadurch die Stabilität zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße Merkmalskombination hat sich insbesondere bei der Lösung von Problemen als zweckmäßig erwiesen, welche bei schnellaufenden, großen Lagern auftreten, insbesondere wenn der Wellendurchmesser mindestens 42 cm, die maximale Drehzahl mindestens 3600 U/min, und die Belastung mindestens 22 500 kp beträgt.
Bei einem praktischen Beispiel eines in Pig. I dargestellten Kippsegmentlagers nach der Erfindung betrug der Innendurchmesser 48,3 cm und die Kippsegmente waren 40 cm lang. Der Viskositätspumpenschlitz in einem der oberen Kippsegmente war 0,76 cm tief und 14,7 cm breit. Das nominelle radiale Spiel zwischen der Welle und den Gleitflächen betrug 0,48 mm. Das im Lager verwendete öl hatte eine Viskosität von
ca. 33 cSt (150 SSU bei 100° P) und wurde mit einem
Druck von 1,055 kp/cm zugeführt. In die Lagerwerk-
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stoff (Babbittmaterial) aufweisenden Kupfer-Segmentteile 23 der unteren Kippsegmente 18, 19 wurden Thermoelemente eingebettet. Mit einem solchen Lager wurden unter einer Belastung von 29 250 kp, was einem Druck
p
von 15 kp/cm entspricht, mehrere Versuche mit einer Wellendrehzahl bis zu 3600 U/min, gefahren. Hierbei erwärmten sich die unteren Kippsegmente nur innerhalb zulässiger praktischer Grenzen, wobei die Temperatur selbst bei höchsten Drehzahlen unter 80 0C und damit weit unterhalb denjenigen Temperaturen blieb, welche üblicherweise bei weniger belasteten kleineren Kippsegmentlagern auftreten. Bei hohen Drehzahlen wurden die oberen Segmente 16, 17 merklich heißer als die unteren Kippsegmente 18, 19S obwohl die oberen Kippsegmente eine viel kleinere Belastung zu tragen haben. Dieser Temperaturunterschied zeigt die kombinierte Wirkung von aus Kupfer bestehenden Kippsegmenten mit einer großen Wärmeleitfähigkeit und von Kühlkanälen 3owie von mittenversetzten Kippunkten bzw. Kipplinien bei den unteren Kippsegmenten. Bei den genannten Versuchen hatten die oberen Kippsegmente ihre Kipplinien jeweils in der Mitte. Die mechanische Stabilität war selbst bei einer Umdrehung von 3600 U/min, zufriedenstellend.
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Die in Pig. 2 dargestellte weitere Ausführungsform der Erfindung weist einige Merkmale der in Fig. dargestellten Ausführungsform auf, beispielsweise in den unteren Kippsegmenten 18 und 19 zwischen den Segmentteilen 22 und 23 verschiedener Wärmeleitfähigkeit gebildete Kanäle 24 zur verbesserten Kühlung durch ein diese Kanäle durchströmendes Kühlmittel. Gleiche Elemente der Fig. 1 und 2 sind jeweils mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist in der oberen Lagerhälfte ein entlastetes bzw. unbelastetes festes Lagerschalenteil 36 mit einem Schlitz bzw. einer Nut 32 für die ölzirkulation auf. Diese Ausführungsform weist mit Bezug auf diejenige in Fig. 1 einen kleineren Verlust auf. In Fig. 2 tritt das Kühlmittel, beispielsweise öl durch die Einlaßöffnung 30 in der oberen Hälfte an einer Stelle in das Lager ein, welche zu einer horizontalen Mittellinie um 45° versetzt ist. Dieses über die Einlaßöffnung 30 eintretende öl strömt durch die Nut 32, anschließend durch die Kanäle 24 der unteren Kippsegmente 18, 19 und dann durch die Auslaßöffnung 34. Unmittelbar oberhalb der Auslaßöffnung 34 ist ein ölabstreifer angeordnet, welcher ein Rezirkulieren von öl innerhalb
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des Lagers auf ein kleinstes Maß herabsetzt. Der ölabstreifer 38 erstreckt sich vom Gehäuse 14 radial nach innen und weist eine vorzugsweise mit einem Lagerwerkstoff beschichtete Fläche 39 auf, welche von der Welle 12 nur einen kleinsten Abstand von beispielsweise 0,5 mm hat und dadurch von dieser Welle öl abstreift.
Unter den bereits hergestellten Lagern nach den Flg. 1 und 2 nach der Erfindung befinden sich unter anderem auch solche mit einem Durchmesser von 53 cm und einer Länge von 46 cm. Versuche wurden in einem Drehzahlbereich bis zu 36OO U/min, gefahren. Während beide Ausführungsformen der Erfindung sehr zufriedenstellende Wärmeeigenschaften und mechanische Stabilitäten zeigten, wies die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform niedrigere Betriebstemperaturen (beispielsweise ungefähr 10 C an den unteren Flächen der unteren Kippsegmente) und niedrigere Betriebsverluste (ungefähr 15 % niedriger bei 36OO U/min.) auf.
In den Fig. 1 und 2 sind verschiedene, im Lagerbau allgemein als gut erwiesene Einzelheiten nicht dargestellt. Beispielsweise sind auch bei dem erfin-
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dungsgemäßen Kippsegmentlager Enddichtungen zur Vermeidung von Kühlmittelverlusten längs der Welle erforderlich, welche unter Vermeidung unzulässiger Verluste so wirksam wie möglich ausgeführt sein sollten.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    Iy Kippaegmentlager mit mindestens zwei in einer Hälfte, normalerweise der oberen Hälfte, eines Gehäuses untergebrachten Kippsegmenten, dadurch gekennzeichnet, daß die in der genannten einen Gehäusehälfte untergebrachten Kippsegmente (18, 19) jeweils aus einem an das Gehäuse (14) angrenzenden Segmentteil (22) und einem von letzterem getragenen, eine größere Wärmeleitfähigkeit als dieser und eine Gleitfläche (20) aufweisenden weiteren Segmentteil (23) bestehen und jeweils mit, mit dem genannten weiteren Segmentteil (23) in Verbindung stehenden Kanälen (24) versehen sind, und daß Mittel (28, 30, 32, 34) zum Hindurchleiten von Kühlmittel von einer äußeren Quelle (26) her durch die in den genannten Kippsegmenten (18, 19) gebildeten Kanäle (24) hindurch vorgesehen sind, derart, daß diese Kanäle das Kühlmittel mit den genannten weiteren Segmentteilen (23) in Berührung bringen.
  2. 2. Kippsegmentlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel (28, 30, 32, 34)
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    zum Hindurchleiten von Kühlmittel einen im Gehäuse (14) gebildeten Kühlmittel-Zufuhrkanal (bei 28) mit einer Einlaßöffnung (30) aufweisen, welch letztere an der zu der genannten einen Gehäusehälfte abgewandten anderen Gehäusehälfte in das Gehäuse mündet, und daß eine an diese Einlaßöffnung (30) angrenzende Gleitfläche (bei 16 bzw, bei 36) mit Bsaug auf die Gleitfläche der genannten Kippsegmente (18, 19) derart zurückgesetzt ist oder mindestens eine derart in Umfangsrichtung verlaufende Nut (32) aufweist, daß über diese zurückgesetzte Gleitfläche bzw. über deren Umfangsnut Kühlmittel zu den genannten Kippsegmenten (18, 19) strömen kann.
  3. 3. Kippsegmentlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel gleichzeitig ein Schmiermittel ist, welches von der genannten Einlaßöffnung (30) her sich auch über die Gleitflächen verteilt und auf diesen einen Schmierfilm bildet.
  4. 4. Kippsegmentlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten einen Segmentteile (22) im wesentlichen aus Stahl bzw.
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    Eisen bestehen und daß die genannten, jeweils zugehörenden weiteren Segmentteile (23) jeweils im wesentlichen aus Kupfer bestehen.
  5. 5. Kippsegmentlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der betreffenden anderen Gehäusehälfte, welches normalerweise die obere Gehäusehälfte ist, mindestens zwei weitere Kippsegmente (16, 17) untergebracht sind, welche jeweils einstückig sind und im wesentlichen aus Stahl bzw. Eisen bestehen (Fig. 1).
  6. 6. Kippsegmentlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der betreffenden anderen Gehäusehälfte, welches normalerweise die obere Gehäusehälfte ist, ein Lagerschalenteil (36) fest angeordnet ist, das mit Bezug auf die tfelle berührungsmäßig im wesentlichen entlastet ist und/oder mit mindestens einer Nut (32) für Kühlmittel versehen ist, welches von einer bzw. der in dieser anderen Gehäusehälfte gebildeten Einlaßöffnung (30) her zu den in den Kippsegmenten (18, 19) gebildeten Kanälen (24) und von diesen dann durch einen Auslaß (34) strömt.
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