DE68913098T2

DE68913098T2 - Lagertraganordnung.

Info

Publication number: DE68913098T2
Application number: DE68913098T
Authority: DE
Inventors: Leslie Charles Kun; Neno Todorov Nenov
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1988-08-15
Filing date: 1989-08-14
Publication date: 1994-05-26
Anticipated expiration: 2009-08-15
Also published as: ES2049284T3; CA1316202C; DE68913098D1; JPH02138520A; EP0355656A2; US4900165A; BR8904076A; EP0355656B1; JPH0781588B2; EP0355656A3

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft allgemein den Bereich der mit hoher Drehzahl rotierenden Maschinen, und genauer betrifft sie eine Traganordnung für die in diesen eingesetzten Lager, sowie die Steuerung und Modulation des axialen Schubs, der durch Fluidkräfte und den Rotor betätigende beschleunigende Wirkungen auf die Lager ausgeübt wird.

Stand der Technik

Die Rotoren bei mit hoher Drehzahl rotierenden Maschinen werden oft durch Kugel- oder Rollenlager getragen, bei denen der äußere Lagerring in der radialen Richtung federnd gehalten wird, wobei für Dämpfung parallel der Elastizität gesorgt wird (US-A-4 025 130 und US-A-4 214 796). Während dies das Lager gegen eine hohe radiale Belastung schützen wird, bietet es keine Verbesserung zur Verminderung der axialen Lagerkräfte, oder um deren Spitzenwert zu begrenzen, falls dynamische Bedingungen vorherrschen. Bei vielen Anwendungen, insbesondere bei einem turbinengetriebenen Radialstromverdichter wird die Lebensdauer des Lagers üblicherweise von der Axiallast bestimmte. Um für die erforderliche Lebensdauer des Lagers zu sorgen, sollte entsprechend die auf das Lager wirkende Betriebsschublast gesteuert und die Wirkung der dynamischen Last auf das Lager erheblich vermindert werden.
Es ist bekannt, daß es zuweilen recht schwierig ist, in der Entwurfsphase die Axiallast zu berechnen und sie bei einem geringen Wert in einer vorbestimmten Richtung wirken zu lassen. Zum Beispiel trifft dies für den Fall eines durch eine Radialturbine angetriebenen Zentrifügalverdichters zu, da die sich ergebende Schubkraft des Rotors die Differenz der beiden relativ großen Kräfte ist, die nur näherungsweise durch Integration der Drücke über die Laufräder in der axialen Richtung bestimmt werden können. Falls sich ferner die Einlaß- und Auslaßbedingungen der Turbine und/oder des zugehörigen Verdichters aus geplanten oder ungeplanten Gründen ändern, kann sich die Stärke oder sogar die Richtung der axialen Schublast ändern. Solch ein ungeplanter Grund kann zum Beispiel ein Notfallabschalten der Turbineneinheit aufgrund von externen Gründen sein. Während solch eines Abschaltens können bei axial befestigten Laufringen die Spannungen zwischen den Lagerkugeln und den Laufringen leicht auf einen Spitzenwert ansteigen, der die Fließgrenze übersteigt, wodurch ernsthafte Schäden verursacht werden, die die Lebensdauer herabsetzen. Eine Richtungsänderung der Axiallast bei Hochgeschwindigkeits-Kugel- oder -Rollenlagern könnte sowohl für den Rotor als auch die Lager unmittelbar fatal sein, da sich in deren axial unbelasteter Position oder ausreichend nahe zu dieser Mehrfacheinwirkungen, die üblicherweise als Erschütterung bezeichnet werden, zwischen den Kugeln oder Rollen und den Laufringen entwickeln könnten, wodurch beträchtlicher Schaden verursacht wird.
Eine wichtige Anforderung für eine lange Lagerlebensdauer besteht unter anderem darin, den Axialschub auf einen vorbestimmten niedrigen Wert einzustellen, und dessen Abweichungen eng um diese Entwurfsvorlast zu steuern. Um die Stärke der verschiedenen Kräfte durch Verhältnisse zu veranschaulichen, könnte die erwünschte Axiallastwirkung auf das Lager nur bis 1/10 der tatsächlichen ungesteuerten axialen Hydrauliklast betragen. Für einen sicheren Betrieb und eine maximale Lebensdauer des Lagers sollte die auf das Lager wirkende Axiallast innerhalb von 20 bis 30 % der auf das Lager wirkenden Entwurfsaxiallast liegen. Ein Auszacken der Turbine oder des Verdichterrades ist ein konventionelles Verfahren zur Steuerung der Stärke und/oder der Richtung der Schublast (Broschüre "AiResearch Turboexpanders", The Garrett Corporation, 1984), jedoch ist dieses Verfahren im allgemeinen mit einer Verminderung des Wirkungsgrad es verbunden, die speziell im Falle von Verdichtern erheblich sein könnte. Ein anderes Verfahren zur Steuerung des Schubs benutzt eine angemessen ausgelegte Schubkammer (US-A-3 828 610), in die meistens ein gasförmiges Fluid, üblicherweise das Arbeitsfluid, eingeleitet und auf einem vorbestimmten Druck gehalten wird, indem eine Labyrinthdichtung zwischen deren bewegten Oberflächen eingesetzt wird, indem ein Gerät benutzt wird, das den Druck in den besagten Kammern mißt, und indem ein Ventilsteuergerät benutzt wird, das mit dem besagten Gerät und einem Ventil verbunden ist, durch das Druckfluid strömt, das gegen eine Druckfläche des rotierenden, dadurch zu tragenden Bauteils wirkt, wo durch der Axialschub auf das Lager ausgeglichen und die Axiallast innerhalb eines gewünschten Bereichs gehalten wird.
Ferner treten die Lagertrag- und Schubsteuerprobleme auch bei nicht rollenden Lagern auf, wie z.B. hydrodynamisch oder hydrostatisch betätigte Gleit- und Drucklager. Das Tragvermögen des letzteren muß so ausgelegt werden, daß die maximale Schublast getragen werden kann, die in dem System während dessen Betriebsdauer auftreten wird. Diese Last kann beträchtlich höher sein, als die stetige Entwurfslast. Eine nachgebend gedämpfte axiale Aufhängung mit vorzugsweise konstanten Eigenschaften der Last gegenüber der Verstellung würde die dynamische Belastung in einer optimalen Weise vermindern, und eine aktive Schubsteuerung würde die Entwurfslast senken. Die Folge davon wäre ein kleineres Drucklager, was wichtig ist, da bei vielen Anwendungen die maximale Schublast und der Energieverlust in dem Drucklager um ein Mehrfaches größer sind, als in dem Gleitlager. Bezüglich Gleitlagern wurde vor langem erkannt, daß deren Stabilitätsgrenze erheblich vergrößert wird, indem sie in einem elastischen und gedämpften Träger montiert werden. So ist ein Lagertragsystem, wie es im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist, bekannt von FR-A-1 546 285. Es wäre jedoch wünschenswert, die Aufhängevorrichtung des Lagers besser zu dämpfen.
Demgemäß ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Tragsystem für Lager zu schaffen, die ein rotierendes Bauteil einer mit hoher Drehzahl rotierenden Maschine tragen, das eine Verminderung der axialen Lagerkräfte bewirken und radiale Kräfte auf das Lager dämpfen kann, und das somit dazu dient, die Lebensdauer des Lagers zu verlängern.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obige und andere Aufgaben der Erfindung, die Fachleuten aus dem Lesen dieser Beschreibung offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, die in Anspruch 1 definiert ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist eine Frontansicht im Querschnitt eines Teils einer Lagertraganordnung.
FIG. 2 ist eine Querschnittansicht der Lagertraganordnung von FIG. 1 entlang der Linie A-A, wie sie mit dem Gebrauch von Wä]zlagern aussehen würde.
FIG. 3 ist eine Querschnittansicht der Lagertraganordnung von FIG. 1 entlang der Linie B-B, wie sie mit dem Gebrauch von Gleitlagern aussehen würde.
FIG. 4 ist ein schematisches Diagramm einer Lagertraganordnung gemäß der Erfindung, durch die auf die Lager wirkende Axialschubkräfte gesteuert und moduliert werden können.
FIG. 5 ist ein schematisches Diagramm einer anderen Lagertraganordnung gemäß der Erfindung, durch die auf die Lager wirkende Axialschubkräfte gesteuert und moduliert werden können.

Detaillierte Beschreibung

Die Lagertraganordnung gemäß dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Unter Bezugnahme auf FIG. 1 besteht ein Innenring 1 aus einer Metallegierung, die vorzugsweise strukturelle Dämpfungseigenschaften aufweist, wie z.B. manganlegierte Stähle, wobei der Innenring mit mindestens 2 radial in Abstand liegenden Schlitzen 2 versehen ist, um für radiale Flexibilität und Dämpfung zu sorgen. Der geschlitzte Innenring 1 dient dazu, ein oder mehrere Lager in einem Raum 51 zu halten, das (die) dazu dient (dienen), ein rotierendes Bauteil, wie z.B. eine Welle in einem Raum 52 zu halten. Die Lager werden von dem Innenring durch eine geeignete Passung oder durch Rückhalteringe gehalten.
Die Schlitze 2 können eine radiale Breite im Bereich von 0,05 bis 2,5 mm (0,002 bis 0,100 inch) haben, und sie sind in einem radialen Abstand zueinander von mindestens 0,76 mm (0,030 inch) angeordnet. Die Schlitze 2 können in einem Muster und versetzt angeordnet sein, wie z.B. bei 180, 120 oder 90 Grad. Die Schlitze 2 können eine Tiefe im Bereich des Ein- bis Zweifachen der Breite des Gleit- oder Wälzlagers haben, und sie können leer oder mit Dämpfungsmaterial gefüllt sein, wie z.B. flexiblem Gummi oder Kunststoff mit hohen Dämpfungseigenschaften. Diese Materialien können in Form eines Schaums ausgebildet sein, bei dem, falls er offenzellig ist, die Hohlräume mit einem viskosen Fluid aufgefüllt sein können, um die Dämpfung zu vergrößern. Es können auch gewobene Textileinsätze oder filzartige Einsätze benutzt werden, die das Dämpfungsfluid durch ihre Kapillarwirkung halten können. Alternativ sind dünne flexible Metalleinsätze mit oder ohne Dämpfungsfluid nützlich, um die Dämpfung zu erhöhen. Zum Beispiel können Nitrit- oder Neoprengummi, Epoxidharze und Polyurethanverbindungen bei Lagern benutzt werden, die mit Mineralöl geschmiert werden. Das Füllmaterial kann einfach in die Schlitze eingeführt werden, oder es kann in flüssiger Form eingebracht und dort ausgehärtet werden. Offenzelliger elastomerer Schaum, der mit viskosem Fluid gefüllt ist, könnte ebenfalls benutzt werden. Solch ein Fluid kann das Schmiermittel selbst sein, wobei der Vorteil darin liegt, daß die Kapillarität das Dämpfüngsfluid zwischen den sich bewegenden Oberflächen halten wird, ohne daß Dichtungen oder 0-Ringe erforderlich sind. Dieses Authängungssystem könnte auch mit Filz benutzt werden, wobei, wenn es einmal mit Öl gefüllt ist, die Ölnebelschmierung des Kugellagers das Filzmaterial gesättigt und die Schlitze 2 gefüllt halten kann.
Der Außenring 5 wird radial in Abstand von dem Innenring 1 gehalten, und er kann an einem stationären Bauteil angebracht werden, wie z.B. dem Gehäuse oder einem anderen Rahmen der Maschine, um so ein Befestigen der Lagertraganordnung innerhalb der Maschine zu ermöglichen.
Zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 5 und in Kontakt mit diesen befinden sich mindestens zwei in Umfangsrichtung in Abstand liegende Bauelemente 3, die dazu dienen, den Innenring 1 an dem Außenring 5 zu halten. Die Bauelemente 3 sind in der radialen Richtung steif, jedoch flexibel in der axialen Richtung, indem das geeignete Seitenverhältnis für deren Querschnitt gewählt wird. Ein geeignetes Kriterium für die Auswahl des axialen Flexibilitätswertes für die Bauteile 3 besteht darin, eine Auslenkung von 20 bis 80 %, vorzugsweise von 50 bis 70 % des minimalen axialen Spielraums der Rotors unter der erwarteten maximalen Axiallast zu gestatten. Vorzugsweise sind die Bauteile 3 in Umfangsrichtung in einem gleichmäßigen Abstand angeordnet.
Die Bauelemente 3 können gedämpft werden, indem sie mit flexiblen Gummi- oder Kunststoffverbindungen überzogen werden, die mit der Umgebung verträglich sind und die gute Dämpfüngseigenschaften haben. Alternativ kann ein Fluidfilmdämpfer an einer oder an beiden Seiten des Innenrings 1 vorgesehen werden, oder es kann dort ein geeignetes Elastomer für die Dämpfung benutzt werden, um die maximale axiale Bewegung des Innenrings 1 zu begrenzen. Vorzugsweise ist mindestens ein Bauelement 3 mit einem Sensor ausgestattet, der die auf den Rotor wirkende Axialkraft erfassen kann.
Fachleute für mechanische Entwürfe werden erkennen, daß obschon der Innenring 1 so ausgelegt ist, daß er für radiale Flexibilität und Dämpfüng sorgt, er auch zu der Flexibilität und Dämpfung in der axialen Richtung beitragen wird. In gleicher Weise können die Bauelemente 3 ein gewisses radiales Federungsvermögen beisteuern. Der Aufbau gemäß dieser Erfindung wird jedoch die Entwurfsfreiheit vergrößern, da die beiden Teile, die für die radialen und axialen Freiheitsgrade sorgen, im wesentlichen voneinander getrennt sein.
FIG. 2 ist eine Querschnittansicht von FIG. 1 entlang Linie A-A, und sie zeigt die Lagertraganordnung, die ein Wälzlager 57 trägt. Außerdem sind externe Anschläge 6 gezeigt die die maximale axiale Bewegung des Rotors begrenzen. Die Spalten 7 zwischen den Anschlägen 6 und dem Innenring 1, die auf den gegenüberliegenden Seiten unterschiedlich sein können, können im Bereich von 20 bis 80 %, vorzugsweise von 50 bis 70 % des minimalen axialen Spielraums zwischen den rotierenden und den stationären Bauteilen der Maschine für Turbomaschinen, wie z.B. einem Turbolader oder einer Expansionsturbine, liegen. Um die axiale Bewegung zu begrenzen und um die Wirkung der dynamischen Axiallast auf das Lager zu minimieren, kann der Spalt 7 auch mit Dämpfungsmaterial versehen werden. Alternativ kann das Dämpfungsmaterial auch auf die Außenseite der Bauelemente 3 aufgebracht werden.
FIG. 3 ist eine Querschnittansicht von FIG. 1 entlang der Linie B-B, und sie zeigt die Lagertraganordnung, die ein Gleitlager 54 trägt.
Der praktische Anwender kann die axiale Steifheit und die Dämpfung basierend auf dem Gewicht des Rotors und den auf den Rotor wirkenden dynamischen Axiallastbedingungen optimieren. Die zum Erreichen solch einer Optimierung erforderliche Flexibilität ergibt sich aus dem Vermögen, die Anzahl der eingesetzten Bauelemente 3, deren radiale Länge und deren axiale Abmessungen zu variieren.
FIG. 4 ist eine schematische Darstellung einer Lagertraganordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eingesetzt werden kann, um die auf die Lager wirkenden axialen Schubkräfte zu steuern und zu modulieren.
Unter Bezugnahme auf FIG. 4 nimmt ein Lager 11 alle unausgeglichenen axialen Rotorschubkräfte des Rotors 53 auf. Dieses Lager ist in einer Axialfeder aufgehängt. Mindestens eines der Bauelemente der Lagertraganordnung ist mit Sensoren ausgestattet, um die axialen Rotorschubkräfte zu erfassen. Die Sensoren 12 können auf Spannung (Spannungsmesser), lineare Bewegung (Induktions-, Kapazitäts- oder optische Verstellungsgeber), direkte Kraft (Wandler) oder ähnliches ansprechen. Die Induktions-, Kapazitäts- oder optischen Verstellungsgeber können die Bewegung des Innenrings oder des Lagers direkt erfassen. Das Ausgangssignal der axialen Rotorverstellungs-/Kraftsensoren wird dann an eine Signalverarbeitungsvorrichtung 13 übertragen. Das verarbeitete Signal kann an einem Anzeigefeld 14 als eine Ablesung der Rotorkraft angezeigt werden. Für einen Steuerungsbetrieb mit Rückkopplung wird das Signal einem Steuergerät 15 (elektrisch oder pneumatisch) und einer Steuervorrichtung 16 zugeleitet, bei der es sich im allgemeinen um ein Steuerventil handelt.
Das Ventil 16 verbindet die schubausgleichende Druckkammer 17 über eine geeignete Versorgungsleitung mit einer geeigneten Quelle von unter höherem Druck stehenden Fluid 55 stromaufwärts des Steuerventils. Bei 56 sind Labyrinthdichtungen gezeigt. Die Stärke des Drucks in dieser Druckkammer wird dadurch kontinuierlich zu allen Zeiten so gesteuert, daß die Axiallast auf das belastete Lager 11 bei der gewünschten Stärke und Richtung gehalten wird. Dies erfolgt automatisch durch Einstellung des gewünschten Wertes an der Wählscheibe des automatischen Steuergeräts. Dem anderen Lager 18 kann erlaubt werden, sich axial zu bewegen, während dessen axiale Vorlast einzig durch die Federn aufrechterhalten werden könnte.
Der Kraftsensor 12 wird vor dessen Inbetriebnahme gegen induzierte axiale Rotorlasten vorkalibriert. Es kann eine geeignete Schutzvorrichtung wie z.B. ein Kraftmeßrelais 19 eingesetzt werden, um den Rotorbetrieb innerhalb der maximalen und minimalen Axialschublasten zu begrenzen, um das Lager zu schützen, falls der Steuerschaltkreis aus irgendeinem Grund versagen sollte. Dies erhöht die Verläßlichkeit und die Lebensdauer des Lagers.
Die oben beschriebene Anordnung für die Axialschublast-Steuerschaltung in einem rückgekoppelten oder aktiven Betrieb ist ein bevorzugtes Verfahren der Steuerung der axialen Rotorschublast. Bei bestimmten Rotorbetriebsbedingungen kann jedoch auch ein hybrides oder semipassives System für die Steuerung der Axialschublast anwendbar und nützlich sein, und solch ein System ist in FIG. 5 schematisch veranschaulicht. Es beinhaltet in ähnlicher Weise Kraftsensoren 12, eine Signalverarbeitungsvorrichtung 13, eine Kraftanzeige 14 und die Schutzvorrichtung 19. Bei dieser Ausführungsform ist das Steuerventil ein differentielles Drucksteuergerät 30, das in Reihe mit einem Absperr-Magnetventil 31 in der Versorgungsleitung zu der schubausgleichenden Druckkammer 17 angebracht ist. Die anderen in FIG 5 veranschaulichten Bauteile sind die gleichen, wie jene von FIG. 4, und sie tragen die gleichen Bezugszeichen.
Es wurde festgestellt, daß bei einem turbinengetriebenen Verdichter die gesamte Axialschublast auf den Rotor eine Funktion von dessen Geschwindigkeit ist. Falls sich dessen normale Betriebsgeschwindigkeit nicht nennenswert ändert, ist außerdem die Druckdifferenz zwischen der den Axialschub ausgleichenden Druckkammer und einer anderen Prozeßvariablen, in diesem Fall der Verdichteransaugdruck, ebenfalls eine Funktion dessen Geschwindigkeit. Somit kann der Druck in der Steuerkammer für die Axialschublast durch diesen differentiellen Druckregulator folgend den Prozeßbedingungen gesteuert werden.
Die Wirkung des Steuermagnetventils ist durch ein geeignetes Geschwindigkeitsmeßrelais 32 direkt mit der Rotorgeschwindigkeit verknüpft. Dieses System der Steuerung der Axialschublast bietet Einfachheit, jedoch ist dessen Nachteil eine etwas veränderliche axiale Rotorlast.
Nun können durch den Gebrauch der Lagertraganordnung gemäß dieser Erfindung sowohl die radialen als auch die axialen Schublasten ohne weiteres gesteuert werden, die auf Lager in mit hoher Drehzahl rotierenden Maschinen, wie z.B. Turbokompressoren und Turboexpandern ausgeübt werden.

Claims

1. Lagertraganordnung für mit hoher Drehzahl rotierende Maschinen mit einem Innenring (1) für das Halten eines oder mehrerer Lager(s) zum Abstützen eines rotierenden Bauteils (53) der Maschine, einem radial in Abstand von dem Innenring (1) liegenden Außenring (5), der an einem feststehenden Bauteil einer Maschine anbringbar ist, und mindestens zwei in Umfangsrichtung in Abstand voneinander liegenden, zwischen dem Innen- und dem Außenring (1,5) angeordneten und mit diesen in Kontakt stehenden Bauelementen (3), die dem Abstützen des Innenringes (1) an dem Außenring (5) dienen und die in radialer Richtung steif, jedoch in axialer Richtung flexibel sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (1) mindestens zwei radial in Abstand voneinander liegende Schlitze (2) aufweist, daß mindestens ein Bauelement (3) mit einem Sensor (12) ausgestattet ist, der eine auf das Bauelement (3) einwirkende Axialkraft ermitteln kann, oder daß eine Anordnung (32) zum Ermitteln der Drehzahl des rotierenden Bauteils (53) vorgesehen ist, und daß der Kraftsensor (12) oder die Anordnung (32) zum Ermitteln der Drehzahl des rotierenden Bauteils (53) mit einer Ventilsteuerung (15, 30), elektronisch verbunden ist, die ein Ventil (16) steuert, über das Hochdruckfluid läuft, das auf eine Druckfläche des rotierenden Bauteils (53) einwirkt, um dadurch den Axialschub auf das Lager zu kompensieren und die Axiallast innerhalb eines gewünschten Bereichs zu halten.

2. Lagertraganordnung nach Anspruch 1 mit als Wälzlagern (57) ausgebildeten Lagern.

3. Lagertraganordnung nach Anspruch 1 mit als Gleitlagern (54) ausgebildeten Lagern.

4. Lagertraganordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Schlitze (2) um 90º mit Bezug aufeinander versetzt sind.

5. Lagertraganordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Schlitze (2) um 120º mit Bezug aufeinander versetzt sind.

6. Lagertraganordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Schlitze (2) um 180º mit Bezug aufeinander versetzt sind.

7. Lagertraganordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Schlitze (2) leer sind.

8. Lagertraganordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Schlitze (2) Dämpfungsmaterial enthalten.

9. Lagertraganordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Schlitze (2) eine Breite im Bereich von 0,05 bis 2,5 mm (0,002 bis 0,100 inch) und eine Tiefe im Bereich vom Ein- bis Zweifachen der Breite des Lagers haben.

10. Lagertraganordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Bauelemente (3) in Umfangsrichtung in gleichen gegenseitigen Abständen angeordnet sind.

11. Lagertraganordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Bauelemente (3) durch einen Überzug aus Dämpfüngsmaterial gedämpft sind.

12. Lagertraganordnung nach Anspruch 1, bei welcher der Innenring (1) Dämpfungsmaterial auf mindestens einer seiner Stirnseiten aufweist.

13. Lagertraganordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Flexibilität der Bauelemente (3) in axialer Richtung eine Auslenkung von 20 bis 80 % des minimalen Spiels des rotierenden Bauteils in der axialen Richtung unter der erwarteten maximalen Axiallast erlaubt.