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Title:
TILTING-SEGMENT RADIAL BEARING, AND METHOD FOR CONTROLLING AN OIL MASS FLOW IN A TILTING-SEGMENT RADIAL BEARING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/161946
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a tilting-segment radial bearing (1) for mounting a shaft (2), comprising a plurality of tilting segments (3) which are distributed over the circumference of the tilting-segment radial bearing (1) and are spaced apart from one another, wherein oil pockets (4) are configured between the individual tilting segments (3), which oil pockets (4) can be loaded via an oil feed (5) with an oil mass flow (m). Each oil pocket (4) has a dedicated individually controllable oil feed (5), via which the oil mass flows (m1 to m4) are fed to the respective oil pocket (4) and can be set. Furthermore, the invention relates to a method for controlling the oil mass flow (m) in a tilting-segment radial bearing (1) of this type.

Inventors:
HOFMANN, Andreas (Im Gereut 23, Horheim, 79793, DE)
Application Number:
EP2018/079365
Publication Date:
August 29, 2019
Filing Date:
October 26, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
F16C17/03; F16C33/10
Foreign References:
JP2003120675A2003-04-23
DE102011105762A12012-12-27
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Claims:
Patentansprüche

1. Radial -Kippsegmentlager (1) zur Lagerung einer Welle (2) umfassend mehrere, über den Umfang des Radial -Kippseg mentlagers (1) verteilte und zueinander beabstandete Kipp segmente (3), wobei zwischen den einzelnen Kippsegmenten

(3) Öltaschen (4) ausgebildet sind, die über eine Ölzufüh rung (5) mit einem gesamt Ölmassenstrom (m) beaufschlagbar sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

jede Öltasche (4) eine eigene individuell regelbare Ölzu führung (5) aufweist, über die der jeweilige Ölmassen strom (ihi, m2, m3 , m4) , der der jeweiligen Öltasche (4) zu geführt wird, einstellbar ist.

2. Radial -Kippsegmentlager (1) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Ölzuführung (5) ein Drosselventil (6) umfasst.

3. Verfahren zur Regelung des gesamt Ölmassenstrom (m) bei einem Radial -Kippsegmentlager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

der jeweilige Ölmassenstrom (ihi, m2, m3 , m4) , der jeder Öltasche (4) über die jeweilige Ölzuführung (5) zugeführt wird, bedarfsgerecht erfolgt.

4. Verfahren zur Regelung des gesamt Ölmassenstrom (m) bei einem Radial -Kippsegmentlager (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

der jeweilige Ölmassenstrom (ihi, m2, m3 , m4) je Öltasche

(4) so eingestellt wird, dass die Wellenamplitude und/oder die Lagertemperatur und/oder die Verlustleistung ein Minimum erreicht .

5. Verfahren zur Regelung des gesamt Ölmassenstrom (m) bei einem Radial -Kippsegmentlager (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass

die Regelung des gesamt Ölmassenstrom (m) und des jeweili- ge Ölmassenstrom (iήi, m2, m3, m4) anhand von festen Kenn linien erfolgt.

6. Verfahren zur Regelung des gesamt Ölmassenstrom (m) bei einem Radial -Kippsegmentlager (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass

die Regelung des gesamt Ölmassenstrom (m) und des jeweili ge Ölmassenstrom (itii, m2, m3 , m4) mittels eines selbstler nenden Systems erfolgt.

Description:
Beschreibung

Radial-Kippsegment-Lager sowie Verfahren zur Regelung eines Ölmassenstroms bei einem Radial-Kippsegment-Lager

Die Erfindung betrifft ein Radial-Kippsegment-Lager gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruch 1 sowie ein Ver fahren zur Regelung des Ölmassenstroms bei einem Radial - Kippsegment-Lager .

Für die radiale Lagerung von rotierenden Wellen werden übli cherweise Lager mit feststehenden Lagerschalen verwendet, die die Welle vollständig umschließen. Das Öl zur Schmierung des Lagers wird dabei über eine oder mehrere über den Lagerumfang verteilte, axiale verlaufende Nuten zugeführt. Gleitlager, bei denen die Lagerschale, längs des Umfangs durch Axialnuten in Teillagerflächen unterteilt ist, bezeichnet man auch als Mehrflächenlager mit festem Segment.

Für schnelllaufende Wellen kommen daher häufig Radial- Kippsegment-Lager zum Einsatz, bei denen der Wellenumfang nicht vollständig vom Lager umschlossen ist. Die Welle wird bei einem Radial-Kippsegment-Lager durch mehrere, in der Re gel 3 bis 5, Kippsegmente gehalten, die je nach Belastung und Verwendungszweck des Lagers gleich oder ungleiche Umfangslän gen aufweisen. Die Gleitlagerflächen der KipplagerSegmente sind dabei üblicherweise kreiszylindrisch ausgebildet. Solche Radial-Kippsegment-Lager sind aus dem Stand der Technik, bei spielsweise aus der DE 10 2011 1057 62 Al hinlänglich be kannt .

Die hydrodynamische ÖlZuführung der Radial-Kippsegment-Lager erfolgt üblicherweise über die Öltaschen zwischen den einzel nen Kippsegmenten. In wenigen Fällen kann die Ölzuführung auch direkt in den Kippsegmenten erfolgen. Zur Regulierung des Ölmassenstroms werden dabei üblicherweise Düsen oder Blenden innerhalb der Lageranordnung verwendet. Die deutliche Mehrheit der Anwendungen weist dabei je Öltasche die gleiche Ölzuführgeometrie das heißt dieselben Düsen- und/oder Blen dendurchmesser auf. Jedem Kipplager-Segment wird also der gleiche Ölmassenstrom zugeführt. Der Ölmassenstrom je

Öltasche ergibt sich dabei durch den Gesamtölmassen

strom/Öltaschenanzahl. Figur 1 zeigt hierzu eine beispielhaf te Ausführung eines Radial-Kippsegment-Lagers .

Der erforderliche Ölmassenstrom der Kippsegmente ist jedoch nicht gleichgroß und zudem abhängig vom jeweiligen Betriebs punkt. Die oberen Kippsegmente benötigen aufgrund des größe ren Schmierspaltes beispielsweise mehr Öl. Bei Unterversor gung des Schmierspalts besteht die Gefahr des sogenannten Segmentflatterns . Diesem Zustand kann über eine taschenabhän gige Ölmassenzuführung entgegen gewirkt werden. Hierbei wer den Düsen- oder Blendenanzahl sowie Düsen- oder Blendendurch messer öltaschenabhängig ausgelegt. Das Radial-Kippsegment- Lager ist hierdurch drehrichtungsunabhängig. Die Düsen oder Blenden werden dabei hinsichtlich ihrer Anzahl und/oder ihres Durchmessers dabei so ausgewählt, dass sie einen möglichst guten Kompromiss für die zu durchfahrenden Betriebspunkte darstellen .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Radial-Kippsegment-Lager be reit zu stellen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Regelung eines Ölmassenstroms bei einem solchen Radial-Kippsegment-Lager bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Radial-Kippsegment-Lagers durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst . Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merk male des unabhängigen Patentanspruchs 3 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche ein zeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche. Das erfindungsgemäße Radial -Kippsegment-Lager zur Lagerung einer Welle umfassen mehrere, über den Umfang des Radial - Kippsegment-Lagers verteilte und zueinander beabstandete Kippsegmente, wobei zwischen den einzelnen Kippsegmenten Öl- taschen ausgebildet sind, die über eine Ölzuführung mit einem Ölmassenstrom beaufschlagbar sind, zeichnet sich dadurch aus, dass jede Öltasche eine eigene individuell regelbare Ölzufüh rung aufweist, über die der Ölmassenstrom, der der jeweiligen Öltasche zugeführt wird, einstellbar ist. Durch die für jede Öltasche eigene individuelle regelbare Ölzuführung kann der Öldurchsatz im Vergleich zu den konventionellen Radial - Kippsegment-Lagern deutlich reduziert werden. Gleichzeitig kann die Gefahr einer Unterversorgung des Schmierspaltes ins besondere im Bereich der oberen Kippsegmente wirkungsvoll vermieden werden, wodurch die Gefahr des Segmentflatterns ausgeschlossen werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ölzuführung ein Drosselventil umfasst. Über das Drossel ventil in der Ölzuführung kann der Ölbedarf auf einfache Wei se individuell angepasst werden. Auch eine Nachrüstung beste hender Radial-Kippsegment-Lager ist möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung des gesamt Ölmas senstroms bei einem Radial-Kippsegment-Lager zeichnet sich dadurch aus, dass der jeweilige Ölmassenstrom, der jeder Öltasche über die jeweilige Ölzuführung zugeführt wird, be darfsgerecht erfolgt. Dies bedeutet, dass den einzelnen Ölta- schen vorzugsweise nur jeweils so viel Öl zugeführt wird wie diese für einen einwandfreien Betrieb des Radial-Kippsegment- Lagers nötig ist.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens zur Regelung des gesamt Öl- massenstroms bei einem Radial-Kippsegment-Lager zeichnet sich dadurch aus, dass der jeweilige Ölmassenstrom je Öltasche so eingestellt wird, dass die Wellenamplitude und/oder die La gertemperatur und/oder die Verlustleistung ein Minium er reicht. Die Verlustleistung lässt sich dabei auf einfache Weise über einen Temperaturvergleich zwischen der Ölein- trittstemperatur und der Ölaustrittstemperatur ermitteln.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens zur Regelung des gesamt Öl- massenstroms bei einem Radial-Kippsegment-Lager sieht vor, dass die Regelung des gesamt Ölmassenstroms und des jeweili gen Ölmassenstroms je Öltasche anhand von festen Kennlinien erfolgt. Die Regelung über feste Kennlinie ist besonders ein fach, da die Kennlinien nur einmal aufgenommen werden müssen und die Regelung danach entsprechende dieser Kennlinien er folgt .

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Regelung des gesamt Ölmassenstroms bei einem Radial-Kippsegment-Lager sieht vor, dass die Regelung des gesamt Ölmassenstroms und des jeweiligen Ölmassenstroms je Öltasche mittels eines selbstlernenden Systems erfolgt. Hierbei werden keine festen Kennlinien aufgenommen, sondern das System lernt selbständig welche Einstellungen notwendig sind um die Wellenamplitude und/oder die Lagertemperatur und/oder die Verlustleistung auf ein Minimum zu reduzieren. Die selbstlernenden Systeme sorgen für eine noch genauere Regelung des Ölmassenstroms und damit für eine verbesserten Betrieb des Radial-Kippsegment-Lagers .

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde nur anhand eines Radial- Kippsegment-Lagers beschrieben. Grundsätzlich kann das erfin dungsgemäße Verfahren auch für sämtliche anderen hydrodynami schen Lager eingesetzt werden, ohne dass hierdurch der Be reich der Erfindung verlassen wird.

Durch das erfindungsgemäße Radial-Kippsegment-Lager und das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung des Ölmas senstroms bei einem solchen Radial-Kippsegment-Lager ergeben sich folgende Vorteile:

- Reduzierung des gesamt Ölmassenstroms im Vergleich zum konventionellen Radial-Kippsegment-Lager, - Reduktion der Reibverluste (die Reibverluste sind im We sentlichen abhängig vom Ölmassenstrom) ,

- Möglichkeit zur Optimierung der Rotordynamik (mit Va

rianz des Öldurchsatzes können Feder-und Dämpfungszahl des Lagers bestimmt werden und damit auch die Rotordyna mik beeinflusst werden) .

Nachfolgend sollen weitere Vorteile der Erfindung anhand ei nes Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigen:

- Figur 1: ein Radial-Kippsegment-Lager nach dem Stand der Technik;

- Figur 2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines Radial- Kippsegment-Lagers nach dem Stand der Technik und

- Figur 3: ein erfindungsgemäßes Radial-Kippsegment-Lager mit individuell regelbarer Ölzuführung.

Bei den Figuren handelt es sich jeweils um stark vereinfachte Darstellungen, bei denen im Wesentlichen nur die zur Be schreibung der Erfindung notwendigen Bauteile gezeigt sind. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen verstehen. Die Figuren sind nicht zwangsläufig maßstabgerecht dargestellt.

Figur 1 zeigt eine Radial-Kippsegment-Lager nachdem Stand der Technik. Das Radial-Kippsegment-Lager 1 dient zur Lagerung einer Welle 2 und umfasst mehrere, über den Umfang des Radi al-Kippsegment-Lager 1 verteilte und zueinander beabstandete Kippsegmente 3. Zwischen den einzelnen Kippsegmenten 3 sind Öltaschen 4 ausgebildet, die über Ölzuführungen 5 mit einem gesamt Ölmassenstrom m beaufschlagbar sind. Anstelle von Öl können auch andere geeignete Schmiermittel zugeführt werden. Das im Ausführungsbeispiel gezeigte Radial-Kippsegment-Lager 1 weist 4 gleich große Kippsegmente 3 auf. Üblicherweise ver fügen Radial -Kippsegmente-Lager über 3 bis 5 Kippsegmente, wobei dies je nach Radial-Kippsegment-Lager variieren kann. Zur Regulierung des Ölmassenstroms m werden üblicherweise Düsen oder Blenden 5 eingesetzt. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 weist jede Ölzuführung die gleiche Ölzuführungsgeo metrie (Düsen, Blendendurchmesser) auf und jedem Kippsegmente 3 wird der gleiche Ölmassenstrom m/4 zugeführt. Der Ölbedarf der einzelnen Kippsegmente 3 ist jedoch nicht gleichgroß und zudem abhängig vom Betriebspunkt . Die oberen Kippsegmente 3 benötigen aufgrund des größeren Schmierspalts beispielsweise mehr Öl als der untere Schmierspalt. Bei einer Unterversor gung des Schmierspalts mit Öl besteht die Gefahr des Segment flatterns .

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Radial- Kippsegment-Lages 1 nach dem Stand der Technik. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine taschenabhängige Ölzufüh rung, dabei errechnet sich der gesamt Ölmassenstrom m aus der Addition der Ölmassenströme itii, m 2 , m 3 , m 4 . Dies kann Bei spielsweise über eine unterschiedliche Anzahl an Dü

sen/Blenden 3 und/oder Düsen- Blendendurchmessern erreicht werden. Die Anzahl der Düsen/Blenden und/oder des Düsen- Blendendurchmessers wird dabei als Kompromiss aus den zu durchfahrenden Betriebspunkten gewählt. Ein solches Radial - Kippsegment -Lager 1 ist drehrichtungsabhängig.

Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Radial-Kippsegment-Lager 1 zur Lagerung einer Welle 2. Der prinzipielle Aufbau des Ra- dial-Kippsegment-Lager 1 ist wiederum identisch zu den Aus führungsbeispielen in Figuren 1 und 2. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Radial-Kippsegment-Lagern weist das erfindungsgemäße Radial-Kippsegment-Lager 1 jedoch eine für jede Öltasche 4 eigene individuell regelbare

Ölzufuhr 5 auf, über die der jeweilige Ölmassenstrom itii, m 2 , m 3 , m 4 der der jeweiligen Öltasche 4 zugeführt wird, ein stellbar ist. Der gesamt Ölmassenstrom m ergibt sich aus ei ner Addition der Ölmassenströme itii, m 2 , m 3 , m 4 . Die jeweiligen Ölzuführungen 5 weisen jeweils ein eigenes Drosselventil 6 auf über das der jeweilige Ölmassenstrom mi-m 4 für die jewei lige Öltasche 4 individuell einstellbar ist. Das Verfahren zur Regelung des gesamt Ölmassenstrom m sieht vor, dass der jeweilige Ölmassenstrom mi-m 4 der der jeweili gen Öltasche 4 über die jeweilige Ölzuführung 5 zugeführt wird bedarfsgerecht erfolgt. Durch die bedarfsgerechte Zufüh rung des jeweilige Ölmassenstrom mi-m 4 ist es nicht notwendig wie beim Stand der Technik, die Düsen als Kompromiss für die zu durchfahrenden Betriebspunkte zu wählen. Der Ölmassenstrom zu den einzelnen Öltaschen 4 kann vielmehr abhängig vom La gerspalt und dem jeweiligen Betriebspunkt gewählt werden. Der jeweilige Ölmassenstrom mi-m 4 je Öltasche 4 wird dabei so ein gestellt, dass die Wellenamplitude und/oder die Lagertempera tur und/oder die Verlustleistung ein Minimum erreicht. Sowohl die Wellenamplitude als auch die Lagertemperatur können auf einfachem Wege ermittelt werden. Die Verlustleistung lässt sich ebenfalls leicht über die Temperaturdifferenz des Öls zwischen Eintritt und Austritt ermitteln. Die Regelung des gesamt Ölmassenstrom m sowie der jeweiligen Ölmassenströme mi-m 4 kann dann auf einfache Weise anhand fester Kennlinien erfolgen. Ein alternatives Verfahren zur Regelung des gesamt Ölmassenstrom m bei dem Radial-Kippsegment-Lager 1 weist eine Regelung des gesamt Ölmassenstrom m sowie der jeweiligen Öl- massenströme mi-m 4 mittels eines selbstlernenden Systems auf. Hierbei werden keine festen Kennlinien aufgenommen und abge fahren sondern das System lernt selbständig bei welchem Öl- massenstrom die geringste Wellenamplitude und/oder die ge ringste Lagertemperatur und/oder die geringste Verlustleis tung auftreten und stellt sich somit selbständig ein.

Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass das erfin dungsgemäße Radial-Kippsegment-Lager 1 sowie das erfindungs- gemäße Verfahren zur Regelung des gesamt Ölmassenstrom m bei einem solchen Radial-Kippsegment-Lager 1 zu einer deutlichen Reduktion des Öldurchsatzes im Vergleich zu konventionellen Ölzuführung führt. Darüber hinaus können die Reibverluste welche abhängig sind vom Öldurchsatz ebenfalls deutlich redu ziert werden. Durch die Varianz des Ölmassenstroms können desweiteren die Feder-und Dämpfungszahlen des Lagers ver- stimmt werden und damit das Rotordynamikverhalten optimiert werden .