Axiallageranordnung zur Lagerung eines Turbinenrotors

Die Erfindung betrifft eine Axiallageranordnung zur Lagerung eines Turbinenrotors nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruch 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Axiallageranordnung nach dem Patentanspruch 6 sowie eine Turbomaschine mit einer solchen Axiallageranordnung nach Patentanspruch 8.

Turbinen, beispielsweise Gas- oder Dampfturbinen, weisen ei ^¬ nen mit Turbinenschaufeln bestückten und rotierbar gelagerten Rotor auf. Die Turbinenschaufeln werden von einem Strömungs ^¬ medium angeströmt, hierbei wird die kinetische Energie des Strömungsmediums in Rotationsenergie umgewandelt. Aufgrund der Anströmung des Strömungsmediums wird auf den Rotor eine Axialkraft ausgeübt. Die resultierende aller auf den Rotor einwirkenden Axialkräfte bezeichnet man als Axialschub. Die ^¬ ser Axialschub führt dazu, dass der Rotor gegenüber dem umge ^¬ benden Turbinengehäuse verschoben wird. Um ein Anlaufen der Turbinenschaufel am Turbinengehäuse und damit eine mögliche Zerstörung wesentlicher Turbinenteile zu vermeiden, muss dem Axialschub bzw. einer durch diesen verursachte größere Aus ^¬ lenkung des Rotors entgegengewirkt werden. Hierzu weist die Turbine eine Axiallageranordnung zur Axiallagerung des Rotors auf .

Die Axiallageranordnung umfasst eine drehfest mit dem Rotor verbundene Spurscheibe, welche axialbeweglich zwischen zwei in axialer Richtung links und rechts neben der Spurscheibe angeordneten fest in einem Gehäuse befestigten Radiallagern angeordnet ist und dadurch eine erste und eine zweite Lager ^¬ seite ausbilden. Zwischen den jeweiligen Radiallagern und der Spurscheibe ist ein Lagerspalt vorhanden, der mit einem

Schmierstoff beaufschlagbar ist. Als Schmiermittel wird übli ^¬ cherweise ein Lageröl verwendet. Als Lager finden üblicher ^¬ weise Segmentlager Anwendung. Die Spurscheibe wird dabei möglichst mittig zwischen den bei ^¬ den Radiallagern positioniert, d.h. je nach Lastpunkt werden die erste oder die zweite Lagerseite belastet. Die Lagersei ^¬ ten sind daher hinsichtlich Segment- und Schmierstoffzufuhr- geometrie symmetrisch ausgeführt. Die den jeweiligen Lager ^¬ spalten zugeführte Schmierstoffmenge verteilt sich zu 50% auf die belastete Lagerseite und zu 50% auf die unbelastete La ^¬ gerseite, unabhängig von der Spurscheibenposition. Folglich wird die unbelastete Lagerseite mit einer zu hohen Schmier- stoffmenge beaufschlagt, was einen erhöhten Schmierstoffver ^¬ brauch sowie größere Reibverluste in den Lagern verursacht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Axial ^¬ lageranordnung zur Lagerung eines Turbinenrotors bereitzu- stellen, welcher einen verringerten Schmierstoffverbrauch aufweist und bei dem die Reibungsverlusten in den Lagern re ^¬ duziert sind. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfin ^¬ dung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Axiallageran ^¬ ordnung bereitzustellen.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Axiallageranordnung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruch 1 und hinsicht ^¬ lich des Verfahrens durch die Merkmale des unabhängigen Pa ^¬ tentanspruchs 6 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche . Die erfindungsgemäße Axiallageranordnung zur Lagerung eines Turbinenrotors, wobei die Axiallageranordnung eine drehfest mit dem Turbinenrotor verbundene Spurscheibe aufweist, welche axialbeweglich zwischen zwei fest in einem Gehäuse befestig ^¬ ten Axiallager angeordnet ist und wobei die jeweilige Spalte zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Axiallager mit

Schmierstoff beaufschlagbar sind, zeichnet sich dadurch aus, dass die jeweilige Schmierstoffmenge, welche dem jeweiligen Spalt zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Axiallager zugeführt wird, eine Funktion der axialen Spurscheibenpositi ^¬ on ist.

Die Schmierstoffmengenzufuhr wird somit erstmals nicht mehr unabhängig von der Lage der Spurscheibe innerhalb der Axial ^¬ lageranordnung zu jeweils 50 % auf erste und zu 50% auf die zweite Lagerseite aufgeteilt. Die Schmierstoffmengenzufuhr wird vielmehr bedarfsgerecht auf die jeweilige Lagerseite verteilt. Hierdurch lassen sich erhebliche Schmierstoffmengen einsparen. Außerdem werden aufgrund der Reduzierung der

Schmierstoffmengen Reibverluste innerhalb der Radiallageran ^¬ ordnung deutlich reduziert.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mit abneh- mender Spaltweite, zwischen der Spurscheibe und dem jeweili ^¬ gen Radiallager, die zugeführte Schmierstoffmenge erhöht und mit zunehmender Spaltweite, zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Radiallager die zugeführte Schmierstoffmenge ver ^¬ ringert wird. Befindet sich die Spurscheibe in ihrer Mitten- läge wird die Schmierstoffmenge jeweils zu 50 % auf die erste und zu 50 % auf die zweite Lagerseite verteilt. Kommt es auf ^¬ grund eines Axialschubs zu einer Verschiebung der Spurschei ^¬ be, so wird dem Spalt, welcher sich aufgrund der Radialver ^¬ schiebung verkleinert eine höhere Schmierstoffmenge zuge- führt, als dem Spalt, der sich aufgrund der Axialverschiebung der Spurscheibe vergrößert. Aufgrund der höheren Schmier ^¬ stoffmengenzufuhr im engeren Spalt wird eine Kompensation des Axialschubs erreicht und die Spurscheibe wieder in Richtung ihrer Mittellage bewegt. Durch diese bedarfsgerechte Zufuhr von Schmierstoff zu dem jeweiligen Spalt ergibt sich eine Re ^¬ duktion des Schmierstoffdurchsatzes innerhalb der Axiallager ^¬ anordnung im Vergleich zu konventionellen Axiallageranordnung von bis zu 40 %. Bei großen Axiallageranordnungen lassen sich somit bis zu 200 Liter pro Minute und mehr einsparen. Durch die geringere Zufuhr an Schmierstoff im jeweils größeren

Spalt können zudem die Reibverluste deutlich reduziert wer ^¬ den. Erste Rechnungen haben gezeigt, dass die gesamt Verlust ^¬ leistung der Axiallageranordnung um bis zu 40 % gegenüber konventionellen Axiallageranordnungen reduziert werden kann. Bei größeren Axiallageranordnungen können somit bis zu 100 Kilowatt und mehr eingespart werden. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine lineare Funktion zwischen der zugeführten Schmierstoffmenge und der Spaltweite zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Radi ^¬ allager besteht. Dies bedeutet, dass mit abnehmender Spalt ^¬ weite die zugeführte Schmierstoffmenge linear erhöht und im Gegenzug dazu die Schmierstoffmenge für den gegenüberliegen ^¬ den sich erweiterten Spalt linear verringert wird. Insgesamt bleibt damit die gesamte zugeführte Schmierstoffmenge gleich, wobei diese gesamte Schmierstoffmenge gegenüber einer her ^¬ kömmlichen Axiallageranordnung deutlich verringert ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Spurscheibenposition mittels eines Axialwächter ermittelt wird. Der Axialvektor wird für einen Großteil von Turbinen standardmäßig verwendet, sodass keine zusätzlichen Sensoren zur Ermittlung der Spurscheibenposition notwendig sind. Hier ^¬ durch können die Kosten für eine derartige Axiallageranord ^¬ nung gering gehalten werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Schmierstoff Lageröl verwendet wird. Lageröl weist eine gute Schmiereigenschaft und eine hohe Temperaturbeständigkeit auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Axialla ^¬ geranordnung zeichnet sich durch die nachfolgenden Verfah- rensschritte aus:

- Bestimmung der Spurscheibenposition innerhalb der Axial ^¬ lageranordnung;

- Ermittlung der axialen Auslenkung der Spurscheibe aus ihrer Mittenlage;

- Zuführung von Schmiermittel zwischen dem jeweiligen

Spalt, zwischen der Spurscheibe und dem jeweiligen Radi ^¬ allager, wobei die zugeführte Schmierstoffmenge eine Funktion der Spurscheibenposition ist. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit ge ^¬ genüber dem Stand der Technik dadurch, dass die Schmierstoff ^¬ mengenzufuhr zu den entsprechenden Spalten zwischen der Spur ^¬ scheibe und dem jeweiligen Radiallager von der entsprechenden Lage bzw. der axialen Auslegung der Spurscheibe abhängt und nicht wie bislang unabhängig hiervon erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine gezielte Zufuhr von Schmierstoff zu dem jeweiligen Spalt, wodurch sich erhebliche Schmierstoffmengen einsparen lassen und die Reib ^¬ verluste innerhalb der Radiallageranordnung verringert werden können .

Eine Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben der Axialla- geranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schmier ^¬ stoffmenge auf der Seite mit abnehmender Spaltweite erhöht und auf der gegenüberliegenden Seite mit zunehmender Spalt ^¬ weite verringert wird. Hierdurch wird eine besonders hohe Einsparung an Schmiermittel erzielt, und die Reibverluste mi- nimiert .

Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Turbomaschine mit ei ^¬ ner entsprechenden Axiallageranordnung. Nachfolgend wird die Erfindung sowie weitere Vorteile der Er ^¬ findung anhand der Figuren beschrieben.

Es zeigt: - Fig.l den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen

Radiallageranordnung;

- Fig.2 die Zuführung der Schmierstoffmengen in Abhängig ^¬ keit von der axialen Position der Spurscheibe innerhalb der Radiallageranordnung.

Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsge ^¬ recht .

Fig.l zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemä- ßen Axiallageranordnung zur Lagerung eines Turbinenrotors. Die Axiallageranordnung 1 umfasst eine Spurscheibe 3 die drehfest mit dem Turbinenrotor 2 verbunden ist. Die Spur ^¬ scheibe 3 kann hierzu beispielsweise einstückig mit dem Tur ^¬ binenrotor 2 ausgebildet sein oder mittels einer Schrumpfver- bindung auf dem Turbinenrotor aufgeschrumpft werden. Die

Spurscheibe 3 ist axialbeweglich zwischen zwei fest in einem Gehäuse befestigten Radiallagern 4,5 angeordnet. Die Radial ^¬ lager 4,5 sind als Segmentlager ausgebildet. Die Radiallager 4,5 weisen Axialklötzchen 8,9 auf, die aus Weißmetall beste- hen und einen Verschleiß bzw. Abtrag des Radiallagers beim

Anstreifen der Spurscheibe 3 verhindern sollen. Zwischen dem jeweiligen Radiallager 4,5 und der Spurscheibe 3 ist ein Spalt 6,7 vorhanden. Die Spalte 6,7 werden mit einem Schmier ^¬ stoff üblicherweise einem Lageröl versorgt, sodass eine mög- liehst geringe Reibung zwischen den bewegten und den stehen ^¬ den Bauteilen besteht. Die Position der Spurscheibe 3 wird über einen in der Fig.l nicht dargestellten Axialwächter überwacht. Der Axialwächter ist ein Sensor, welcher die Posi ^¬ tion der Spurscheibe 3 exakt bestimmen kann. Die Spurscheibe 3 sollte sich während des Lagerbetriebes vorzugsweise in ih ^¬ rer Mittellage befinden. Die maximale axiale Verschiebung der Spurscheibe zwischen den beiden Axiallagern 4,5 wird als Axi ^¬ alspiel bezeichnet. Die Mittenlage der Spurscheibe 3 ist da ^¬ durch gekennzeichnet, dass die Spalten 6,7 jeweils gleich groß sind. Sobald sich die Spurscheibe 3 aus ihrer Mittenlage entfernt, müssen Maßnahmen ergriffen werden, die Spurscheibe 3 wieder in ihrer Mittellage zu bringen um ein Anstreifen der Spurscheibe 3 am einem der Axiallager 4,5 zu verhindern.

Hierzu wird Schmierstoff in die Spalte 6,7 zwischen den Radi- allagern 4,5 und der Spurscheibe 3 eingebracht und so eine Axialkraft erzeugt, die dem Axialschub, welcher verantwort ^¬ lich ist für die Axialverschiebung entgegenwirkt. Die jewei ^¬ lige Schmierstoffmenge, welche dem jeweiligen Spalt 6,7 zwi- sehen der Spurscheibe 3 und dem jeweiligen Radiallager 4,5 zugeführt wird ist dabei eine Funktion der Spurscheibenposi ^¬ tion. Bei mittiger Spurscheibenposition wird den beiden La ^¬ gerseiten und damit den jeweiligen Spalten 6,7 jeweils die gleiche Schmierstoffmenge zugeführt. Bewegt sich die Spur ^¬ scheibe 3 aufgrund eines Axialschubes in Richtung der ersten Lagerseite und verringert damit den ersten Spalt 7, so wird auf diese Seite der Axiallageranordnung 1 mehr Schmierstoff zugeführt und gleichzeitig die zugeführte Schmierstoffmenge zum zweiten Spalt 6 reduziert. Hierdurch wird eine Axialkraft erzeugt, die dem Axialschub entgegenwirkt und die Spurscheibe 3 wieder zurück in ihrer Mittenlage bringt. Durch die be ^¬ darfsgerechte Zuführung von Schmierstoff ergeben sich gegen ^¬ über dem Stand der Technik bei denen beiden Spalten, links und rechts der Spurscheibe 3 jeweils die gleiche Schmier- stoffmenge zugeführt werden erhebliche Vorteile. Zum einen kann aufgrund der Reduzierung der Schmierstoffmenge auf der unbelasteten Seite (größerer Spalt) eine erhebliche Menge an Schmierstoff eingespart werden. Der Schmierstoffdurchsatz kann gegenüber konventionellen Ausführungen um bis zu 40 % reduziert werden. Bei einem größeren Axiallager können somit 200 Liter pro Minute und mehr eingespart werden. Zugleich werden die Reibverluste in der Axiallageranordnung aufgrund der geringeren Füllung des Spaltes der unbelasteten Lagersei- te ebenfalls reduziert. Erste Rechnungen haben gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Axiallageranordnung die Gesamtver ^¬ lustleistung der Axiallageranordnung um bis zu 40 % reduziert werden kann, was bei größeren Axiallagern 100 Kilowatt und mehr ausmachen kann.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, welches den

Schmierstoffmengedurchsatz durch die jeweilige Lagerseite in Abhängigkeit von der Spurscheibenposition darstellt. Lager ^¬ seite 1 bezeichnet dabei die sich in axialer Richtung rechts von der Spurscheibe befindliche Lagerseite und Lagerseite 2 die links von der Spurscheibe befindliche Lagerseite. Bei ei ^¬ ner mittigen Spurscheibenposition, ist der Spalt zur linken und rechten Seite gleich groß. Bei einer Verschiebung der Spurscheibe nach links verringert sich der Spalt auf der lin ^¬ ken Seite wobei sich zugleich der Spalt auf der rechten Seite vergrößert. Bei einer Verschiebung der Spurscheibe nach rechts verringert sich der Spalt auf der rechten Seite bei gleichzeitiger Vergrößerung des Spalts auf der linken Seite. Wird vom Axialrichter eine Axialverschiebung der Spurschei ^¬ benposition aus der Mittenlage festgestellt, so wird in Ab ^¬ hängigkeit vom der Richtung der Axialverschiebung, die

Schmierstoffmenge welche dem jeweiligen Spalt zugeführt wird, entsprechend verändert. Bei einer Verschiebung der Spurschei ^¬ be zur linken Seite wird beispielsweise dem Lagerspalt auf der linken Lagerseite mehr Schmierstoff zugeführt, bei gleichzeitiger Reduktion der Schmierstoffmenge auf der gegen ^¬ überliegenden rechten Lagerseite. Hierdurch wird eine Axial- kraft erzeugt, welcher die Spurscheibe wieder in Richtung ih ^¬ rer Mittenlage verschiebt. Befindet sich die Spurscheibe in ihrer Mittenlage, so wird beiden Lagerseiten jeweils 50 % der gesamten Schmierstoffmenge zugeführt. Um eine hinreichende Schmierung der jeweiligen Lagerseite zu gewährleisten, muss jeder Lagerseite immer eine minimale Schmierstoffmenge zuge ^¬ führt werden, d.h. auch bei einer maximalen Verschiebung der Spurscheibe in eine Richtung muss dem gegenüberliegenden Spalt eine gewisse Schmierstoffmenge zugeführt werden. Diese sollte vorzugsweise nicht unter 10 % der gesamten

Schmierstoffmengr liegen.

Die im Fig. 2 dargestellte lineare Regelung der Schmierstoff ^¬ mengenzufuhr hat eine gute Regelbarkeit der Axialposition der Spurscheibe gezeigt. Grundsätzlich ist die Erfindung aber nicht auf eine lineare Funktion beschränkt. Denkbar ist auch jegliche andere Funktion der Schmierstoffmenge als Funktion der Spurscheibenposition innerhalb der Axiallageranordnung.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die erfindungs ^¬ gemäße Axiallageranordnung aufgrund ihrer bedarfsgerechten Zuführung von Schmierstoff zu den jeweiligen Lagerseiten eine erhebliche Einsparung des Öldurchsat zes an der Axiallageran ^¬ ordnung ermöglicht, wodurch große Mengen an Schmiermitteln eingespart werden können, wobei gleichzeitig eine Reduktion der Reibverluste realisierbar ist, die zu einer deutlichen Verringerung der Gesamtverlustleistung beiträgt.