DE4311117A1

DE4311117A1 - Axiales Gleit-Schublager, insbesondere für Turbolader

Info

Publication number: DE4311117A1
Application number: DE4311117A
Authority: DE
Inventors: Josef Perewusnyk
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1993-04-05
Publication date: 1994-10-06

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axiallagerung einer Welle mit Schiefstellungskompensation, mit einem Träger zur Aufnahme der starr auf der Stirnfläche des Trägers angeordneten Axialla gersegmenten, sowie mit einem Befestigungsflansch zur Befestigung des Trägers des Axiallagers im Lagergehäuse einer rotierenden Ma schine, insbesondere eines Turboladers.

Technisches Gebiet

Bei Turbomaschinen werden die axial im Betrieb wirkenden Kräfte durch ein Axiallager aufgenommen. Dieses Axiallager ist üblicher weise ein Gleitlager. Es ist bekannt zur Übertragung solcher Axial-Kräfte (Schübe), welche bei Turbomaschinen proportional mit der Drehzahl bzw. mit dem Durchsatz ansteigen dazu ein Mehrseg mentlager mit radial starr angeordneten Einzelsegmenten zu ver wenden. Die einzelnen Segmente weisen dabei je Segment eine Keil fläche mit daran anschließend je einer angeformten planparalle len Rastfläche auf und sind in der Regel aus Gleitlagermetall hergestellt.

Solche Flächen, sowohl mit seitlichen Rändern begrenzt oder auch ohne solche Ränder, erzeugen bei der Rotation und gleichzeitiger Belastung einen tragenden Ölfilm, welcher einerseits die "Reib flächen" trennen und andererseits die axialen Kräfte (rotieren des Teil via stehendes Teil) auf nimmt. Die Reibungsarbeit wird mit einer derartigen Konstruktion also auf einen Bruchteil der Trockenreibung vermindert, gleichwohl sind jedoch noch Verlust leistungen im Bereich von mehreren KW zu absorbieren.

Das führt natürlich zu einer erheblichen dynamischen und thermi schen Belastung der einzelnen Segmente die bei Drehzahlen von 500 U/sec eines Turboladers etwa Temperaturspitzen von 150°C aushal ten müssen.

Die eigentliche axiale Gleitlagerung besteht also im wesentlichen aus einem Träger mit einem Mehrsegmentlager und einem Wellenkamm. Diese sind in einem Lagergehäuse untergebracht, wobei das Mehr segment-Lager fest mit dem Lagergehäuse verschraubt ist.

Die Schmierölmenge, welche zur Schmierung und zur Kühlung der Lagerung benötigt wird, wird dem Mehrsegmentlager üblicherweise von oben zugeführt und erwärmt sich im Sammelraum des Lagergehäu ses (Stators).

Zwischen den einzelnen Segmenten sind Ölabflußeinrichtungen vor gesehen.

Die Temperatur des frisch zugeführten Schmieröls ist somit immer wesentlich tiefer als die des austretenden Öls, welches die Ver lustleistung und andere Wärmeströme des Lagers aufzunehmen hat.

Diese Temperaturdifferenz zwischen dem oberen Teil des Lagerge häuses (geprägt durch die entsprechende Öleintrittstemperatur) und dem unteren Teil des Lagergehäuses deformiert das an sich steife Lagergehäuse und bewirkt so eine Schiefstellung zwischen der Welle (Wellenkamm) und den Segmenten des Axiallagers.

Diese Schiefstellung wiederum führt zu einer ungleichmäßigen Lastverteilung auf einzelne Tragsegmente des Axiallagers, was bis zum Auslösen einer Havarie führen kann.

Stand der Technik

Es ist nun eine Lagereinrichtung mit Schiefstellungskompensation für einen Turbolader bekannt (DE-OS . . . ) bei der ein den Stützring des Axiallagers aufnehmendes Lagergehäuse mit einem Flansch versehen ist, dessen Umfang als steifer Ring ausgebildet ist, der mit dem die Lagerelemente aufnehmenden Nabenteil durch eine im Verhältnis zum genannten Ring dünnwandige Scheibe verbun den ist, die bei starken, insbesondere schlagartigen Lagerbela stungen auf das Axiallager dämpft und damit Abnützungen auf die Gleitflächen vermeidet.

"Dünnwandig" ist die genannte Scheibe aber nur im Verhältnis zum Umfang des Flansches, der als steifer, starkwandiger Ring zum Be festigen des Lagergehäuses am Wellengehäuse des Turboladers aus gebildet ist. Absolut genommen muß die Scheibe aber so steif sein, daß ihre bei entsprechender Belastung auftretende Verfor mung ein bestimmtes zulässiges maß nicht überschreitet.

Es hat sich nun gezeigt, daß eine solche Dimensionierung allein ohne Mittel zur Begrenzung der zulässigen Deformation keine Ge währ für ihre Einhaltung bietet.

Bei einer Weiterentwicklung einer solchen Lagerung für einen Tur bolader (DE-OS . . . ) ist daher die erwähnte, den steifen Flanschring mit dem Nabenteil des Lagergehäuses verbindende Scheibe relativ dünn, praktisch als steife Membran ausgeführt, die demnach durch Lasten, die auf die Welle wirken, leichter zu verformen ist, deren Verformung aber durch einen sehr steifen, durch die Betriebslasten praktisch nicht merklich deformierbaren Zwischenflansch auf einen definierten zulässigen Wert begrenzt wird. Dieser Zwischenflansch ist zwischen dem Wellengehäuse und dem Membranflansch des Lagergehäuses eingespannt und seine inne re Umfangspartie dient als Ausschlag für eine Ringpartie am in neren Umfang des Membranflansches, wobei im unbelasteten Zustand zwischen der ringförmigen Stirnfläche dieser Ringpartie und dem Zwischenflansch ein axiales Spiel vorhanden ist, das die maximale Verformbarkeit des Membranflansches, etwa durch Kippen der Lager gleitfläche des Axiallagers, bestimmt. Bei auftretender maximaler Verformung kommt die Stirnseite der erwähnten Ringpartie am inne ren Umfang des Membranflanches an die benachbarte Umfangspartie des Zwischenflansches zur Anlage, was bei einer über den Lagerum fang wandernden Last, z. B. bei Unwuchten, zu einer punktförmigen, über den ganzen Umfang der aufeinander gleitenden ringförmige Flächen wandernden Gleitreibung und im Laufe der Zeit zu einer Vergrößerung des Spieles zwischen denselben führt.

Es sind aber auch weiter mechanisch kompensierte Axiallagerungen bekannt (DE-OS . . . ) bei denen das Lagergehäuse solcher Mehrsegmentlager durch am Umfang unterbrochene Schlitze in zwei zur Lagerachse normalen Ebenen in einen dem Flansch benachbarten, mittleren Gehäuseteil und in einen äußeren Gehäuseteil unter teilt ist. Die Enden der entsprechenden Schlitze sind dabei in achsparalleler Richtung erweitert. Sie begrenzen dabei mindestens je ein Paar einander diametral gegenüberliegender Stege. Dabei sind die Stege der einen Ebene gegenüber den Stegen der zweiten Ebene um den halben Winkelabstand zweier in der gleichen Ebene befindlicher und einander benachbarter Stege versetzt.

Diese Art der Lagerung schafft wohl durch die quasi kardanische Ausbildung des Lagergehäuses ein recht elastisches Axiallager, das auf stoßartige Belastungen unempfindlicher reagiert, nach teilig aber ist die Tatsache, daß die Gesamtstabilität der Lageranordnung geschwächt werden mußte.

Zudem ist beim gesamten zuvor skizzierten Stand der Technik, insbesondere bei der sogenannten *Membran*-Kompensation als auch bei der *Quasikardanaufhängung* immer vorausgesetzt, daß genü gend Kraft vorhanden ist, diese Schiefstellung zu kompensieren. Dies führt in der Praxis aber zu erheblichen Auslegungsproblemen. Nachteilig wirkt sich zudem aus, daß durch die Anpassung der "Reibflächen" unter Last (elastische Verformung) natürlich zu sätzliche Kräfte an die schon maximal belasteten Segmente ange legt werden.

Kommt hinzu, daß alle diese Schiefstellungskompensationen heikel in der Konstruktion und teuer in der Fertigung sind.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht alle diese vorskizzierten Nachteile der bekannten Axiallageranordnungen zu vermeiden, d. h. eine steife Lagerung mit hoher Tragfähigkeit derart zu gestalten, daß sie geometrisch so gestaltet ist, daß die erst im Betrieb auftreten de, thermisch bedingte Schiefstellungskomponente und damit die ungleichmassige Lastverteilung auf die einzelnen Tragsegmente des Axiallagers (die an sich bekannt ist) mechanisch kompensiert, und daß dadurch die Lebensdauer der bekannten Anordnungen erheblich übertroffen wird.

Die Erfindung ist als passive Schiefstellungs-Kompensation eines Axialschublagers zu verstehen (es sind keine Axialkräfte zur Kom pensation der Schiefstellung nötig!) und schlägt eine fertigungs technische Korrektur vor, die erst im Betrieb auftretende Defor mationen kompensiert.

Es werden mit dieser Maßnahme also keineswegs alle zufällig auf tretenden Deformationen bzw. Schiefstellungen zwischen dem Wel lenkamm und der Axiallagerung kompensiert, sondern nur solche, welche systematisch im Betrieb auftreten und sich durch bekannte Meßverfahren (beispielsweise Temperaturmessung an den Rastflä chen) ermitteln lassen.

Andererseits wird bewußt in Kauf genommen, daß bei kleinen Axi alkräften (etwa bei tiefen Drehzahlen und Durchsätzen an der ent sprechenden Betriebskennlinie eines Turboladers!) es nicht erfor derlich ist, daß alle Tragsegmente gleich viel tragen (ein ein ziges Tragsegment ist meistens in der Lage problemlos die in sol chen Betriebszuständen vorhandene Axialkraft zu übernehmen).

Die erfindungsgemäße Konstruktion einer solchen Axiallagerung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schiefstellungskompensation in konstruktiven Maßnahmen besteht, die dafür sorgen, daß die Lastverteilung bei Nennbetrieb bzw. bei höchster Belastung also bei maximaler Drehzahl bzw. Durchsatz gleichmäßig auf die ein zelnen Tragsegmente verteilt wird.

Die erfindungsgemäße Axiallagerung ist dabei so ausgebildet, daß die einzelnen Keilprofile mit den entsprechenden Rastflä chen gegeneinander axial derart versetzt sind, daß die erst im Nennbetrieb auftretende Deformationen fertigungstechnisch vor kompensiert sind.

Es ist daher zweckmäßig vorzusehen, die sich anschließenden Rastflächen gegeneinander anzuheben bzw. abzusenken und daß diese Anhebung bzw. Absenkung bezogen auf den Außendurchmesser der Tragsegmente im Bereich etwa 0.1-5%, vorzugsweise von 0.1-2% liegt.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines die Segmente tragenden Teils eines Mehrsegment-Axiallagers;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines auf einer Turbolader welle aufgebauten Axiallagers.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Teil eines Mehrsegment-Axialla gers ist mit 1 ein Befestigungsflansch bezeichnet, der mit einem Träger 2 aus einem Stück besteht. Dieser Träger 2 trägt an seiner Stirnfläche vier einzelne Tragsegmente, wobei ein erstes Tragseg ment mit 3, ein zweites Tragsegment mit 4, ein drittes Tragseg ment mit 5 und ein viertes Tragsegment mit 6 bezeichnet sind. Diese vier Tragsegmente 3, 4, 5, und 6 sind fest mit der Stirn fläche des Trägers 2 verbunden. Jedes der vier Tragsegmente be steht aus einer planparallelen Rastfläche und einer daran anschließenden Keilfläche. Um die Zugehörigkeit zu den jeweiligen Tragsegmenten zu verdeutlichen ist daher die Rastfläche des er sten Tragsegmentes mit 3′, die des zweiten Tragsegmentes mit 4′, die des dritten Tragsegmentes mit 5′ und die des vierten Trag segmentes mit 6′ bezeichnet. Um die Zugehörigkeit der einzelnen Keilflächen zu den entsprechenden Tragsegmenten zu verdeutlichen sind diese mit den Bezugszeichen 3′′ für die Keilfläche des ersten Tragsegmentes, 4′′ für die Keilfläche des zweiten Tragsegmentes, 5′′ für die Keilfläche des dritten Tragsegmentes und 6′′ für die Keilfläche des vierten Tragsegmentes, bezeichnet.

Zwischen den einzelnen Segmenten sind radial nach außen gehende Nuten 7 vorgesehen, um das einfliesende Öl aufzunehmen und über Ölzufuhrkanäle 8 auf die einzelnen Keilflächen der Tragsegmente 3, 4, 5 oder 6 wegzubringen beziehungsweise wieder abfließen zu lassen.

Die Bohrungen 9 im Befestigungsflansch 1 sind zur Verbindung mit einem in Fig. 2 noch näher zu beschreibenden Wellengehäuse 12 vorgesehen. In die Gewindebohrungen 10 lassen sich Montagewerk zeuge einschrauben, und das gesamte Lager demontieren.

Zum Aufbau eines Tragfilms baut sich beim Auffahren auf Nenndreh zahl mit auf etwa 60 bis 90°C gekühltem Schieröl an den Keilflä chen 3′′, 4′′, 5′′ und 6′′ ein Tragpolster auf.

Über die Wellenöffnung 11 wird die Lagerhälfte wie in Fig. 2 ge zeigt- auf die Welle 13 des Turboladers geschoben.

Aufgrund des Zeichnungsmaßstabes kann nicht gezeigt werden, daß die einzelnen Tragsegmente mit ihren Rastflächen 3′, 4′, 5′ und 6′ und ihren Keilflächen 3′′, 4′′, 5′′ und 6′′ gegen einander angeho ben oder abgesenkt sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel be trägt die Absenkung des zweiten Tragsegmentes 4 gegenüber dem er sten Tragsegment 3 etwa 0.01 bis 0.02 mm und die Absenkung zwi schen dem ersten Tragsegment 3 und dem dritten Tragsegment 5 so wie dem vierten Tragsegment 6 beträgt etwa 0.02 bis 0.03 mm, was bezogen auf den Außendurchmesser des Trägers 2 im Bereich von 0.1 . . . 5‰ liegt.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß diese geringfügigen, bewußt vorgenommenen Korrekturen, zu einer wesentlichen Erhöhung der Tragfähigkeit führen und die Lebensdauer solcher Axialschub lager beträchtlich verlängern.

Die Rastflächen 3′, 4′, 5′ und 6′ und Keilflächen 3′′, 4′′, 5′′ und 6′′ der Tragsegmente 3, 4, 5, und 6 sind übrigens so dimensio niert, daß sie problemlos in der Lage sind, den in der Anlauf phase eines Turboladers auftretenden Schub aufzunehmen.

Im Nennbetrieb hingegen führt die Ölbeaufschlagung der Keilflä chen 3′′, 4′′, 5′′ und 6′′ dazu, daß soviel Öl "eingeschleppt" wird, daß kein eigentliches Gleiten der Tragsegmente auf der Stirnflä che des Wellenkamms erfolgt, sondern ein "schwimmen".

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist von einem Mehrsegmentla ger mit vier Tragsegmenten ausgegangen. Selbstverständlich be schränkt sich die Erfindung nicht auf ein Vier-Tragsegmentlager, sondern das Verfahren und die entsprechenden konstruktiven Maßnahmen lassen sich auf jedes axiale Mehrtragsegment-Schublager übertragen.

In Fig. 2 wird in einer Prinzipdarstellung der Aufbau einer ge samten Axiallager-Schublager-Anordnung auf einer Turboladerwelle gezeigt. Dabei wird diese Lager-Anordnung von einem auf der Ver dichterseite einer Welle 13 des Turboladers - gegen welche der Axialschub der Turbine gerichtet ist - befestigtes Lagergehäuse 12 umfaßt und der Befestigungsflansch 1 ist über entsprechende nicht dargestellte - via die Befestigungsbohrung 18 einsetzbarer - Halteschrauben, fest mit diesem Lagergehäuse 12 verbunden.

Im unteren Teil des Lagergehäuses 12 sind Ölabflußbohrungen 15 vorgesehen und im oberen Teil des Lagergehäuses 12 ist der Anschluß eines Öleintrittsschlitzes 16 angedeutet mit der das zufließende Schmieröl eingebracht werden kann, und beispielsweise nach Einsatz als Tragflüssigkeit und nach entsprechender Wärme aufnahme über die Ölabflußbohrung 15 einem Kühlprozeß zuge führt zu werden, um einer erneuten Verwendung als Schmieröl zur Verfügung zu stehen.

Auf der gegenüberliegenden Seite des Lagergehäuses 12 sitzt fest mit der Welle 13 des Turboladers verbunden, ein Wellenkamm 14 über den der Axialschub der Turbine ins Lager eingeleitet wird.

Es muß darauf hingewiesen werden, daß in der Prinzipdarstellung dieser Fig. 2 bewußt ein vergrößerter Abstand zwischen der Stirnfläche des Trägers 2 und dem Wellenkamm 14 gezeichnet wurde, um die angedeutete Keilform der auf der Stirnfläche starr ange ordneten Tragsegmente besser darstellen zu können. In der Praxis ist diese Keilfläche maßstabgerecht gezeichnet von Auge nicht sichtbar, da sie nur wenige tausendstel Millimeter ausmacht. Zur Verdeutlichung der Keilform wurde diese bezüglich des Maßstabes ebenfalls übertrieben dargestellt.

Bezugszeichenliste

1 Befestigungsflansch
2 Träger
3 1. Tragsegment
4 2. Tragsegment
5 3. Tragsegment
6 4. Tragsegment
3′ Rastfläche des 1. Tragsegmentes
4′ Rastfläche des 2. Tragsegmentes
5′ Rastfläche des 3. Tragsegmentes
6′ Rastfläche des 4. Tragsegmentes
3′′ Keilfläche des 1. Tragsegmentes
4′′ Keilfläche des 2. Tragsegmentes
5′′ Keilfläche des 3. Tragsegmentes
6′′ Keilfläche des 4. Tragsegmentes
7 Nute
8 Ölzufuhrkanal
9 Bohrung
10 Gewindebohrung
11 Wellenöffnung
12 Lagergehäuse
13 Welle
14 Wellenkamm
15 Ölabflußbohrungen
16 Öleintrittschlitz
17 Öleintritts
18 Befestigungsboh rung

Claims

1. Axiallagerung einer Welle mit Schiefstellungskompensation, mit einem Träger (2) zur Aufnahme der starr auf der Stirn fläche des Trägers (2) angeordneten Axiallager-Tragsegmen ten (3, 4, 5, 6), sowie mit einem Befestigungsflansch (1) zur Befestigung des Trägers (2) des Axiallagers im Lagerge häuse (12) einer rotierenden Maschine, insbesondere eines Turboladers, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiefstellungskompensation in konstruktiven Maßnahmen besteht, die dafür sorgen, daß die geometrische Anordnung der Rastflächen (3′, 4′, 5′, 6′) der einzelnen Axiallager- Tragsegmente (3, 4, 5, 6) bei der Nennbetriebsdrehzahl so gewählt wird, daß eine im wesentliche gleiche Lastvertei lung auf den einzelnen Axiallager-Tragsegmenten (3, 4, 5, 6) vorhanden ist.

2. Axiallagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konstruktiven Maßnahmen in der fertigungstechnischen Korrektur der Axiallager-Tragsegmente (3, 4, 5, 6) derart bestehen, daß die höher belasteten Tragsegmente mit ihren zugehörigen Rast- (3′, 4′, 5′,6′) und Keilflächen (3′′, 4′′, 5′′, 6′′) tiefer in die Stirnfläche des Trägers (2) eingear beitet sind.

3. Axiallagerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes einem ersten Axiallager-Tragsegment (3, 4, 5, 6) folgende Tragsegment (3, 4, 5, 6) um 0.1-5%, vorzugswei se auf 0.1-2%, bezogen auf den radialen Außendurchmesser der angeordneten Tragsegmente abgesenkt bzw. angehoben wird, so daß sich der Kreis gebildet aus Absenkungen und Anhebungen schließt.