CH682687A5

CH682687A5 - Einrichtung zum Schmieren von Drucklagern einer Maschine.

Info

Publication number: CH682687A5
Application number: CH280789A
Authority: CH
Inventors: James Dennis Mchugh
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1989-07-27
Publication date: 1993-10-29
Also published as: JPH0266316A; DE3924065A1

Description

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CH 682 687 A5

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Schmieren von Drucklagern einer Maschine, wie sie in grösseren Maschinen mit rotierenden Wellen benutzt werden, und insbesondere auf Ausführungen, die auf einen axialen Druck innerhalb der Maschine ansprechen, um das Schmiermittel entweder zu einem aktiven oder passiven Lager zuzuführen.

Maschinen mit rotierenden Wellen, wie z.B. Turbinen, sind mit festsitzenden Drucklagern zur Verhinderung einer übermässigen axialen Bewegung der rotierenden Welle ausgestattet. Die rotierende Welle hat einen Druckring, der mit der Welle rotiert und in axialer Richtung zwischen einem aktiven und einem passiven Drucklager angeordnet ist. Den beiden Lagern wird zur Bildung einer Schmiermittelschicht an den Lagerflächen Schmierflüssigkeit zugeführt, damit der Druckring geschützt ist, wenn sich die Welle in axialer Richtung hin- und herbewegt. Das aktive Lager ist dasjenige, welches normalerweise die höhere Last trägt, während das inaktive Lager nur zeitweise diese Last trägt.

Das durch die vorliegende Erfindung gelöste Problem besteht in der Reduktion des gesamten Schmiermittelflusses zu den beiden Lagern auf ein Mindestmass, während gleichzeitig verschiedene Betriebsbedingungen berücksichtigt werden, die dazu führen können, dass normalerweise inaktive Lager beiastet werden.

Bisher war es bei der Konstruktion von Drucklagern für Turbomaschinen üblich, die Grösse des erforderlichen, aktiven Drucklagers auf Grund einer angenommenen, stabilen Betriebsbedingung festzulegen. Axiale Druckkräfte, die auf verschiedenen Komponenten eines Rotors, beispielsweise einschliesslich der Schaufeln, Radscheiben etc. beruhen, werden geschätzt, und der Netto-Axialdruck wird für diesen stabilen Zustand festgelegt. Der axiale Nettodruck ist typischerweise die kleine Differenz zwischen zwei grossen Druckwerten im Rotor, in der Vorwärts- und der Rückwärtsrichtung. Es ist den Konstrukteuren bekannt, dass diese axiale Nettodruckberechnung bedeutenden Fehlern unterliegen kann. Trotzdem werden die aktiven Drucklager normalerweise auf der Grundlage der Nettodrucklast und der zulässigen Belastung pro cm2 der Lagerfläche berechnet. Die Schmiermittelzufuhr zu diesem normalerweise aktiven Lager beruht dann auf Überlegungen betreffend deren Grösse, Last und Reibgeschwindigkeit.

Bei der Konstruktion von Hochleistungs-Gasturbinen ist es üblich, ein normalerweise inaktives Lager kleiner auszuführen als das aktive Lager, indem angenommen wird, dass der inaktive Druck nicht 50% des Konstruktionspunktes der aktiven Druckiast übersteigt. Die Grösse des inaktiven Lagers und die erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten basieren deshalb auf dieser Annahme. Die Gesamtströmung zu den Drucklagern hängt vom Bedarf des aktiven Lagers für Vollast und der reduzierten Kapazität des inaktiven Drucklagers ab. Die übliche Vorrichtung zur Zufuhr von Schmierflüssigkeit zum Drucklager schliesst einen gemeinsamen Flüssigkeitsbehälter ein, der ein Drehlager und die beiden Drucklager beliefert. Die Strömungsgeschwindigkeit zu den beiden Drucklagern wird von Öffnungen unterschiedlicher Grösse oder Bohrlöcher in den Gussteilen gesteuert, durch die die Schmierflüssigkeit vom Einlass-Flüssigkeitsbehälter fliessen muss.

Die Konstruktionsannahme für die Grösse der inaktiven Drucklager hat den Vorteil einer reduzierten Schmierflüssigkeitsströmung. Unter bestimmten Bedingungen kann aber die dem inaktiven Lager zugeführte Schmierflüssigkeit für die vorhandene Belastung unzureichend sein oder in einem Randbereich liegen. Wie bereits erwähnt, ist die Berechnung der Netto-Drucklast sogar im Konstruktionspunkt mit Fehlern behaftet. Bei Bedingungen, die im normalen oder in einem transienten Maschinenbetrieb oder auch bei der Abnutzung von einigen kritischen Bauteilen auftreten, kann das normalerweise inaktive Lager einer hohen Druckbelastung ausgesetzt werden. In einem solchen Fall ist eine stärkere Strömung zum inaktiven Lager wünschenswerter, als dies normalerweise erforderlich ist.

Es ist übliche Praxis, dass ein Rotor einer Turbomaschine sowohl mit aktiven als auch mit inaktiven Drucklagern ausgestattet ist. Für denjenigen Fall, dass die Turbomaschine mit gleich grossen aktiven und inaktiven Drucklagern ausgestattet ist, wird die Schmierflüssigkeit normalerweise mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die für die beiden Lager ausreicht.

Aufgabe der Erfindung ist die Herabsetzung der erforderlichen Schmierflüssigkeits-Strömungsmenge zu den beiden Lagern, und zwar unabhängig davon, ob sie gleich gross sind oder nicht. Im Falle von zwei gleich grossen Lagern ist die erforderliche Mindestmenge diejenige, welche für eines der beiden Lager benötigt wird. Wenn die Lager ungleich gross sind, ist die gesamte Strömungsgeschwindigkeit diejenige, welche für das grössere Lager benötigt wird.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Schmieren von Drucklagern einer Maschine mit rotierender Welle mit einem Druckring, der zwischen einem aktiven und einem inaktiven Drucklager montiert ist. Eine Schmierflüssigkeit wird einer Verteilvorrichtung zugeführt, die ein Steuerventil (spool valve) einschliesst. Die Position dieses Ventils wird von Steueröffnungen bestimmt, die mit der Wellenposition zur Verteilvorichtung verbunden ist, während die Position des Steuerventils die Schmierflüssigkeitsströmung durch die Verteilöffnungen der Verteilvorrichtung steuert, die sowohl mit dem aktiven als auch mit dem inaktiven Drucklager verbunden ist. In dieser Weise wird die Position des Druckrings relativ zum aktiven und inaktiven Drucklager zur Schmierflüssigkeits-Verteilvorrichtung gesendet, wonach die erforderliche Schmier-flüssigkeitsmenge den Lagern zugeführt wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Maschine mit einer rotierenden Welle im Bereich der Drucklager,

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Fig. 2 eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einem Drucklager,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Steuerventil, das in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, mit dem Ventil in neutraler Position,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Steuerventil, das in der Verteilvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung benutzt wird, wenn das Ventil mehr Schmierflüssigkeit zum einen als zum anderen Drucklager befördert, und

Fig. 5 ein Lastdiagramm der vorhandenen Kräfte zur Bestimmung der Position der rotierenden Welle.

Das Einlassende 1 einer rotierenden Maschine ist in Fig. 1 im Querschnitt gezeigt. Dieses Ende umfasst einen Einlassring 3 zum Einsaugen von Einlassgasen in die Maschine. Ein Endteil eines Rotors oder einer rotierenden Welle 5 ist innerhalb der Maschine positioniert und schliesst einen Druckring 7 ein, der an der rotierenden Welle befestigt ist. Ein inneres Gehäuse 9 umgibt das Ende des Rotors und stützt ein aktives Drucklager 11 sowie ein inaktives Drucklager 13. Diese beiden Lager werden im allgemeinen von der Druckrichtung der bewegten Flüssigkeit gemäss dem Pfeil 15 bestimmt. In Fig. 1 ist das aktive Lager 11 grösser als das inaktive Lager 13, um dadurch den Druck in der Richtung des Pfeiles 15 zu absorbieren.

Die Lagerschmierung erfolgt durch ein Zufuhrrohr 19, welches das Schmieren des aktiven Lagers 11 durch das Rohr 21 zum inaktiven Lager 13, durch das Rohr 23, und zum Drehlager 27 durch das Rohr 25 bewirkt. Die einzelnen Zufuhrrohre 21, 23 oder 25 können verschiedene Grössen oder unterschiedliche Abmessungen der Begrenzer haben, um die passende Menge von Schmierflüssigkeit den jeweiligen Lagern zuzuführen.

Fig. 2 zeigt ein Schmiersystem 20 für Drucklager gemäss der vorliegenden Erfindung. Eine rotierende Welle 31 einer nicht gezeigten rotierenden Maschine schliesst einen einstückig mit der Welle verbundenen Druckring 33 ein, der mit ihr zusammen drehbar ist. Aktive und inaktive oder erste und zweite Drucklager 35 und 37 umgeben jeweils die rotierende Welle und sind gleich gross, obschon sie, wie dies bereits erwähnt wurde, auch ungleich gross sein können, indem das aktive Lager grösser ist als das inaktive. Die Auslegung oder Konstruktion von Drucklagern ist bereits bekannt und muss deshalb hier nicht näher erläutert werden, obschon zu erwähnen ist, dass sie im allgemeinen einen ringförmigen Käfig aufweisen, der auf einer Vielzahl von Tragkonsolen abgestützt ist. Somit ist das Lager selbst eine ringförmige Struktur, die aus einer Vielzahl von bogenförmigen Segmenten oder Lagerkonsolen zusammengesetzt ist.

Die Einrichtung zum Schmieren von Drucklager einer Maschine gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst eine Verteilvorrichtung 41 zur Verteilung der Schmierflüssigkeit, die ferner einen Eingang für die Lager-Schmierflüssigkeit, angezeigt durch den Pfeil für die Strömung 43, einschliesst. Die Verteilvorrichtung 41 für die Schmierflüssigkeit ist eigentlich ein Vielfachrohr mit Ein- und Ausgängen gemäss der folgenden Beschreibung. Wenn von einer Druckrichtung in Fig. 2 ausgegangen wird, welche derjenigen nach Fig. 1 entspricht, d.h. von links nach rechts, ist das aktive Lager dasjenige 35 und das inaktive Lager dasjenige 37. Jedes Druckiager wird hinsichtlich Schmierfilmdruck zwischen der Vorderfläche des Drucklagers und der Fläche des Druckringes überwacht. Somit wird der Schmierflüs-sigkeitsschichtdruck am aktiven Drucklager an einer ersten Druckleitung 45, und der Schmierflüssigkeits-schichtdruck am inaktiven Drucklager an einer zweiten Druckleitung 47 überwacht, welche beide eine Rückkopplung oder ein Steuersignal zur Schmier-flüssigkeits- Verteilvorrichtung 41 zurücksenden, was durch die Pfeile angedeutet wird, um ein Mittel zur Ermittlung der Richtung und der Position des axialen Druckes vorzusehen. Ferner sind ausgehende Fluidverteilleitungen 49 und 51 vorhanden, welche die Verteilvorrichtung 41 für die Schmierflüssigkeit jeweils mit dem aktiven 35 und dem inaktiven Lager 37 verbinden.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Verteilvorrichtung 41 für die Schmierflüssigkeit und insbesondere ein Steuerventil (spool valve) 55, das gleitbar innerhalb der Verteilvorrichtung angeordnet ist. Die Verteilvorrichtung 41 schliesst ferner erste und zweite Fluidverteilöffnungen 59 und 61 ein, die jeweils mit der aktiven und der inaktiven Auslass-Fluidverteillei-tung 49 und 51 verbunden ist. Die Verteilvorrichtung 41 schliesst ferner erste und zweite Steueröffnungen 65 und 67 ein, die jeweils mit der eingehenden aktiven ersten Druckleitung 45 und der passiven zweiten Druckleitung 47 verbunden sind.

Fig. 5 zeigt eine Druckverteilkurve zwischen dem aktiven und dem inaktiven Drucklager 35 und 37, jeweils mit der aktiven Lagerfläche 75 des Druckringes 33 und der inaktiven Lagerfläche 77. Aus dem inaktiven Druckverteilungsdiagramm 81 geht hervor, dass je dichter der Druckring 33 am Lager aufliegt, je grösser wird der in der zweiten Druckleitung 47 ermittelte Druck. In ähnlicher Weise sinkt der in der normalerweise aktiven ersten Druckleitung 45 ermittelte Druck mit zunehmendem Abstand des Druckrings 33, wie dies aus dem Diagramm 83 hervorgeht.

Bezugnehmend auf Fig. 4 ist die gesamte Strömung 43 in die Verteilvorrichtung 41 (Vielfachrohr) vom ermittelten Druck an den jeweiligen Lagern, von der axialen Position des Druckringes und somit vom eigentlichen Rotor abhängig. Gemäss Fig. 5 hat sich der Rotor zum inaktiven Lager hin bewegt, wobei ein erhöhter Fluiddruck in der zweiten Druckleitung 47 entsteht, die mit der Steueröffnung 67 verbunden ist. Der erhöhte Druck treibt das Ventil 55, wie gezeigt, nach links, was die Fluidverteilöff-nung 61 abdeckt, um einen grösseren Anteil der gesamten Strömung 43 der Schmierflüssigkeit in die Fluidverteilleitung 51 zu bewirken. Dies wurde durch einen Druck gegen den doppelseitigen Kolben 90 bewirkt, um eine resultierende Kraft in der einen oder der anderen Richtung zu erzeugen, die dann die Kolben 95 und 97 in entgegengesetzten Richtungen bewegen, um jeweils entweder die aktive erste 59 oder die passive zweite Fluidverteilöff-nung 61 abzudecken.

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Ferner wird erfindungsgemäss angenommen, dass dort, wo die Drucklager gleich gross sind, die gesamte, aufzuteilende Strömung 43 der Schmierflüssigkeit der angenommenen Strömung für ein Lager entspricht. In demjenigen Fall, in welchem die beiden Lager ungleich gross sind, wird angenommen, dass die gesamte aufzuteilende Strömung 43 der Schmierflüssigkeit der maximalen Strömung entspricht, welche für das grössere Lager angenommen wird.

In Abweichung von der gezeigten Ausführung ist zu bemerken, dass gleichwertige Wege zur Feststellung der Position des Druckringes relativ zu den Lagerflächen vorhanden sind. Dabei können bei der Druckermittlung elektronische Lastzellen eingesetzt werden, um die Positionssignale der Schmierflüssig-keits-Verteilvorrichtung zuzuführen.

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Schmieren von Drucklagern einer Maschine mit einer rotierenden Welle (5, 31) mit einem mit ihr drehbaren Druckring (7, 33), wobei ein erstes Druckiager (11, 35) auf der einen Seite des Druckringes (7, 33) und ein zweites Drucklager (13, 37) auf der anderen Seite des Druckringes (7, 33) vorhanden ist, und mit einer Schmierflüssigkeitszufuhr für die Drucklager (11, 13, 35, 37), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verteilvorrichtung (41) zur Verteilung der Schmierflüssigkeit entweder zum ersten oder zum zweiten Drucklager (11, 13, 35, 37), je nach der Richtung des axialen Druckes aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine mit der Verteilvorrichtung zusammenarbeitende Ermittlungsvorrichtung zur Ermittlung der Richtung des axialen Druckes aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilvorrichtung (41) ein Steuerventil (55) mit einer ersten (59) und einer zweiten Fluidverteilöffnung (61), erste (65) und zweite Steueröffnungen (67) aufweist, und dass das Steuerventil (55) einen doppelseitigen Kolben (90) ein-schliesst, der zwischen der ersten (65) und zweiten Steueröffnung (67) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungsvorrichtung eine erste Druckleitung (45) zwischen dem ersten Drucklager (35) und der Verteilvorrichtung (41 ) und eine zweite Druckleitung (47) zwischen dem zweiten Drucklager (37) und der Verteilvorrichtung (41) aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilvorrichtung (41) ein Steuerventil (55) mit ersten (59) und zweiten Fluidver-teilöffnungen (61) und erste (65) und zweite Steueröffnungen (67) aufweist, und das Steuerventil (55) einen doppelseitigen Kolben (90) einschliesst, der zwischen der ersten (65) und der zweiten Steueröffnung (67) gleitbar ist, dass eine erste Fluidleitung (49) das erste Drucklager (35) mit der ersten Fluidverteilöffnung (59) verbindet und die erste Druckleitung (45) das erste Drucklager (35) mit der ersten Steueröffnung (65) verbindet, eine zweite Fluidleitung (51) das zweite Drucklager (37) mit der zweiten Fluidverteilöffnung (61) verbindet und die zweite Druckleitung (47) das zweite Drucklager (37) mit der zweiten Steueröffnung (67) verbindet, und dass der Schmierflüssigkeitsdruck am ersten und am zweiten Drucklager (35, 37) zur Rückführung zur Verteilvorrichtung (41) vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (55) ferner erste und zweite Zapfen (95, 97) einschliesst, die mit dem doppelseitigen Kolben (90) in entgegengesetzten Richtungen verbunden sind, und dass jeder Zapfen (95, 97) mit dem Kolben (90) gleitbar ist, um jeweils die erste und die zweite Fluidverteilöffnung (59, 61) zuzudecken oder zu öffnen.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verteilvorrichtung (41) für die Schmierflüssigkeit mit einem Steuerventil (55) mit ersten und zweiten Ventilzapfen (95, 97) aufweist, die sich in entgegegengesetzten Richtungen vom doppelseitigen Kolben (90) erstrecken, die erste und zweite Fluidverteilöffnungen (59, 61) steuern, dass erste und zweite Steueröffnungen (65, 67) mit entgegengesetzten Seiten des doppelseitigen Kolbens (90) und mit den jeweiligen ersten und zweiten Drucklagern (35, 37) verbunden sind, wobei eine Zunahme im Lagerdruck in einem der Lager (35, 37) bewirkt, dass das Steuerventil (55) in der einen oder anderen Richtung bewegt wird, und dass die eine oder die andere Fluidverteilöffnung (59, 61) zur Zuteilung der Schmierflüssigkeitszufuhr zum einen oder anderen der Lager zugedeckt oder geöffnet wird.

8. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleich grossen Drucklagern (35, 37) der Gesamt-fluss der Schmierflüssigkeit die höchstgeschätzte Schmierflüssigkeitsmenge ist, die für ein Drucklager (35, 37) erforderlich ist.

9. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Drucklager (35) das grösser ist als das andere Drucklager (37) der Gesamtfluss der Schmierflüssigkeit die höchstgeschätzte Schmierflüssigkeitsmenge ist, die für das grössere Drucklager (35) erforderlich ist.

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