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Title:
TILTING-SEGMENT RADIAL BEARING FOR A SINGLE-SHAFT TURBOMACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/010735
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a tilting-segment radial bearing for a single-shaft turbomachine, comprising a support ring (3), a tilting-segment mounting (4) and a tilting segment (5), which in the installed state of the tilting-segment radial bearing (1) is supported on the support ring (3) such as to be seated on top and be radially displaceable by the tilting-segment mounting (4), said mounting comprising a preload device (20), by means of which the tilting segment (5) is preloaded in the direction toward the shaft of the single-shaft turbomachine when the operating rotational speed of the single-shaft turbomachine is above a predetermined tilting-segment preload rotational speed, such that the tilting segment (5) can be radially moved without preload when the operating rotational speed of the single-shaft turbomachine is below the tilting-segment preload rotational speed.

Inventors:
BRAHM BERNADETTE (DE)
BOECKEL FRANK (DE)
DETTMAR DIETHELM (DE)
DROSCHINSKI ANNA CHRISTINA (DE)
LUENEBURG BERND (DE)
MERMERTAS UEMIT (DE)
SOGGEBERG JAN (DE)
STRAENGER MARCEL (DE)
WINKLER ANDREAS (DE)
Application Number:
EP2012/061433
Publication Date:
January 24, 2013
Filing Date:
June 15, 2012
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
BRAHM BERNADETTE (DE)
BOECKEL FRANK (DE)
DETTMAR DIETHELM (DE)
DROSCHINSKI ANNA CHRISTINA (DE)
LUENEBURG BERND (DE)
MERMERTAS UEMIT (DE)
SOGGEBERG JAN (DE)
STRAENGER MARCEL (DE)
WINKLER ANDREAS (DE)
International Classes:
F16C17/03
Foreign References:
FR2574503A11986-06-13
US3497276A1970-02-24
DE1425111A11969-02-20
FR2574503A11986-06-13
US3497276A1970-02-24
DE1425111A11969-02-20
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Kippsegmentradiallager für eine Einwellenströmungs¬ maschine,

mit einem Stützring (3), einer Kippsegmenthalterung (4) und einem Kippsegment (5) , das im Einbauzustand des Kippseg¬ mentradiallagers (1) obenliegend und radial verschiebbar von der Kippsegmenthalterung (4) an dem Stützring (3) abgestützt ist, die eine Vorspanneinrichtung (20) und ein Hal¬ teteil (8) aufweist mit einem Arretiermittel (13), einem am Stützring (3) radialverschiebbar gelagerten Schaft (9) und einem am Schaft (9) vorstehenden und befestigten Teller (10), an dem radial innenseitig das Kippsegment (5) und radial außenseitig die Vorspanneinrichtung (20) abstützbar sind,

wobei mit dem Arretiermittel (13) der Schaft (9) derart am Stützring (3) radial nach innen begrenzt festgelegt ist, dass, erst wenn die Betriebsdrehzahl der Einwellenströ¬ mungsmaschine gleich einer vorherbestimmten Kippsegmentvorspanndrehzahl ist, das Kippsegment (5) an dem Teller (10) abgestützt und von der Vorspanneinrichtung (20) mit einer vorherbestimmten Schwellenvorspannung vorgespannt ist, wodurch mit der Vorspanneinrichtung (20) das Kippsegment (5) bei allen Betriebsdrehzahlen der Einwellenströmungsmaschine oberhalb der Kippsegmentvorspanndrehzahl in Richtung zur Welle der Einwellenströmungsmaschine hin vorge¬ spannt ist und bei allen Betriebsdrehzahlen der Einwellenströmungsmaschine unterhalb der Kippsegmentvorspanndrehzahl das Kippsegment (5) vorspannungsfrei radial beweglich ist.

2. Kippsegmentradiallager gemäß Anspruch 1,

wobei die Vorspanneinrichtung (20) eingerichtet ist, dass die Vorspannung des Kippsegments (5) beim Betrieb der Ein¬ wellenströmungsmaschine mit einer Betriebsdrehzahl oberhalb der Kippsegmentvorspanndrehzahl mit der Betriebsdrehzahl der Einwellenströmungsmaschine zunimmt.

3. Kippsegmentradiallager gemäß Anspruch 2,

wobei die Vorspanneinrichtung (20) eine Tellerfeder (22) aufweist, die an dem Stützring (3) und an dem Kippsegment (5) radial abgestützt ist.

4. Kippsegmentradiallager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,

wobei die Radialbewegung des Kippsegments (5) nach außen begrenzt ist.

5. Kippsegmentradiallager gemäß Anspruch 4,

wobei der Teller (10) an seiner radial außen liegenden Seite (12) zum Anschlagen an den Stützring (3) einen Anschlag (18) aufweist, durch den die Radialbewegung des Kippsegments (5) nach außen begrenzt ist.

6. Kippsegmentradiallager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,

wobei der Schaft (9) von dem Teller (10) radial nach innen mit einem Vorsprung (15) vorsteht, der mit dem Kippsegment

(5) in Eingriff steht, so dass das Kippsegment (5) radial verschiebbar und in Umfangsrichtung fest gelagert ist.

7. Kippsegmentradiallager gemäß Anspruch 6,

wobei die Kippsegmenthalterung (4) einen Haltestift (24) aufweist, mit dem die minimale radiale Position des Kipp¬ segmentradiallagers (1) so begrenzt ist, dass das Kippseg¬ ment (5) mit dem Vorsprung (15) nicht außer Eingriff gerät. 8. Kippsegmentradiallager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,

wobei das Halteteil (8) bei seinem Radialverschieben am Stützring (3) radial geführt ist.

Description:
Beschreibung

Kippsegmentradiallager für eine Einwellenströmungsmaschine

Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentradiallager für eine Einwellenströmungsmaschine .

Eine Strömungsmaschine, wie z.B. eine Einwellenströmungs- maschine, weist einen Rotor mit einer Welle auf. Für eine

Lagerung der Welle kommt u.a. ein Kippsegmentradiallager in Frage, in dem die Welle um ihre Achse rotieren kann. Das Kippsegmentradiallager weist in der Regel drei oder vier Kippsegmente auf, wobei zwischen unteren und oberen Kippseg- menten unterschieden wird. Die unteren Kippsegmente tragen die Gewichtskraft der Welle, die über die unteren Kippseg ¬ mente, den Stützring und das Lagergehäuse in ein Fundament abgeleitet wird. Die oberen Kippsegmente verhindern in einem Störfall ein Abheben der Welle von den unteren Kippsegmenten und wirken auf die Welle schwingungsdämpfend . Die oberen

Kippsegmente liegen entweder lose auf der Welle oder sie wer ¬ den mittels Federn auf die Welle gedrückt.

Zum Schmieren und zum Kühlen wird durch die Kippsegmente ein Öl in den Dichtspalt zwischen der Welle und den Gleitflächen der Kippsegmente geströmt. Bei einer Rotation der Welle bil ¬ det sich ein hydrodynamischer Ölfilm, auf dem die Welle „schwimmt". Treten Unwuchten bei der Rotation auf, so können Schwingungen auftreten. Liegen die oberen Kippsegmente lose auf der Welle, so kann von ihnen nur eine geringe Schwingungsdämpfung ausgehen. Herkömmlich werden zur Schwingungsdämpfung die oberen Kippsegmente mittels Federn auf die Welle gedrückt. Wird die Maschine abgeschaltet, so muss die Welle in einem sogenannten Turnbetrieb langsam gedreht werden, so dass sie beim Abkühlen nicht durchbiegt. In diesem Turnbe ¬ trieb sowie beim Anfahren der Maschine ist es jedoch nachtei ¬ lig, dass die oberen Kippsegmente auf die Welle drücken, da dadurch Beschädigungen an den Gleitflächen der Kippsegmente und der Oberfläche der Welle verursacht werden können. Ferner kann nur eine geringe Menge Öl in den Dichtspalt geströmt werden, so dass sich nur eine geringe Kühlung ergibt. Des Weiteren werden aufgrund des schlechten Gleitverhaltens im Turnbetrieb hohe Antriebskräfte benötigt, wodurch sich der Wirkungsgrad der Maschine verringert.

In FR 2574503 AI ist ein hydrodynamisches Lager beschrieben, bei dem in dem Spalt zwischen einer Welle und einem Kippseg- ment ein Fluid sich befindet, welches mit einer Druckkammer in Verbindung steht, wobei die Druckkammer einen Druck auf das Kippsegment ausübt. Weitere Lager sind in US 3 497 276 A und DE 14 25 111 AI beschrieben. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kippsegmentradiallager für eine Einwellenströmungsmaschine zu schaffen, wobei das Kipp ¬ segmentradiallager eine gute Schwingungsdämpfung ermöglicht und im Betrieb gut kühlbar ist. Das erfindungsgemäße Kippsegmentradiallager für eine Einwel ¬ lenströmungsmaschine weist einen Stützring, eine Kippsegment- halterung und ein Kippsegment auf, das im Einbauzustand des Kippsegmentradiallagers obenliegend und radial verschiebbar von der Kippsegmenthalterung an dem Stützring abgestützt ist, die eine Vorspanneinrichtung aufweist, mit der das Kippseg ¬ ment in Richtung zur Welle der Einwellenströmungsmaschine hin vorgespannt ist, wenn die Betriebsdrehzahl der Einwellenströ ¬ mungsmaschine oberhalb einer vorherbestimmten Kippsegmentvor- spanndrehzahl liegt, so dass, wenn die Betriebsdrehzahl der Einwellenströmungsmaschine unterhalb der Kippsegmentvorspann- drehzahl liegt, das Kippsegment vorspannungsfrei radial be ¬ weglich ist.

Bei einer geringen Drehzahl der Einwellenströmungsmaschine ist der Abstand der Welle zu den unteren Kippsegmenten gering, weil sich kein hydrodynamischer Ölfilm ausbilden kann, auf dem die Welle „schwimmt". Das Kippsegment des erfindungs ¬ gemäßen Kippsegmentradiallagers liegt in diesem Fall nur mit seiner Gewichtskraft auf der Welle. Wird die Drehzahl der Welle erhöht, bildet sich der hydrodynamische Ölfilm aus, der die Welle anhebt. Wird die vorherbestimmte Kippsegmentvor- spanndrehzahl überschritten, so hat die Welle einen so großen Abstand von den unteren Kippsegmenten, dass die Vorspanneinrichtung des erfindungsgemäßen Kippsegmentradiallagers vorteilhaft über das Kippsegment einen Druck auf die Welle aus ¬ übt . Die Vorspanneinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, dass die Vorspannung des Kippsegments beim Betrieb der Einwellenströ ¬ mungsmaschine mit einer Betriebsdrehzahl oberhalb der Kipp- segmentvorspanndrehzahl mit der Betriebsdrehzahl der Einwellenströmungsmaschine zunimmt. Die Vorspanneinrichtung weist bevorzugt eine Tellerfeder auf, die an dem Stützring und an dem Kippsegment radial abgestützt ist. Des Weiteren ist die Vorspanneinrichtung erfindungsgemäß eingerichtet, dass die Vorspannung des Kippsegments beim Betrieb der Einwellenströ ¬ mungsmaschine bei der Vorspanndrehzahl eine vorherbestimmte Schwellenvorspannung hat. Erfindungsgemäß weist die Kippseg- menthalterung ein Halteteil mit einem Arretiermittel, einem am Stützring radialverschiebbar gelagerten Schaft und einem Teller auf, an dem radial innenseitig das Kippsegment und radial außenseitig die Vorspanneinrichtung abgestützt sind, wobei mit dem Arretiermittel der Schaft derart am Stützring begrenzt festgelegt ist, dass, wenn die Betriebsdrehzahl der Einwellenströmungsmaschine gleich der Kippsegmentvorspann- drehzahl ist, das Kippsegment an dem Teller abgestützt und von der Vorspanneinrichtung mit der Schwellenvorspannung vor- gespannt ist.

Bevorzugtermaßen ist die Radialbewegung des Kippsegments nach außen begrenzt. Ferner weist der Teller bevorzugt an seiner radial außen liegenden Seite zum Anschlagen an den Stützring einen Anschlag auf, durch den die Radialbewegung des Kippseg ¬ ments nach außen begrenzt ist. Des Weiteren steht der Schaft bevorzugt von dem Teller radial nach innen mit einem Vorsprung vor, der mit dem Kippsegment in Eingriff steht, so dass das Kippsegment radial verschiebbar und in Umfangsrich- tung fest gelagert ist. Bevorzugtermaßen weist die Kippseg- menthalterung einen Haltestift auf, mit dem die minimale radiale Position des Kippsegmentradiallagers so begrenzt ist, dass das Kippsegment mit dem Vorsprung nicht außer Eingriff gerät. Ferner ist das Halteteil bevorzugt bei seinem Radial ¬ verschieben am Stützring radialgeführt.

Rotiert die Einwellenströmungsmaschine mit einer Drehzahl unterhalb der Kippsegmentvorspanndrehzahl , so kann sich das Kippsegment des erfindungsgemäßen Kippsegmentradiallagers vorteilhaft radialgeführt an dem Vorsprung des Schaftes frei bewegen. Erreicht die Drehzahl der Maschine die Kippsegment ¬ vorspanndrehzahl, so wirkt vorteilhaft zusätzlich zu der Gewichtskraft des Kippsegments eine Kraft, die von der vorher ¬ bestimmten Schwellenvorspannung der Tellerfeder herrührt. Ferner können durch die Tellerfeder Schwingungen der Welle vorteilhaft gedämpft werden.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kippsegmentradiallagers anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Figur 1 einen Querschnitt der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kippsegmentradiallagers mit einem oben liegenden Kippsegment.

Figur 2 einen Längsschnitt durch das oben liegende Kippseg ¬ ment der Ausführungsform.

Wie es aus Figur 1 und 2 ersichtlich ist, weist ein Kippseg ¬ mentradiallager 1 in seiner oberen Lagerhälfte 2 einen Stützring 3, ein Kippsegment 5 sowie eine Kippsegmenthalterung 4 auf, mit der das Kippsegment 5 an dem Stützring 3 befestigt ist. An der radialen Innseite des Kippsegments 4 befindet sich die Kippsegmentgleitfläche 6, welche eine Zylinderfläche ist, dessen Rotationsachse im Einbauzustand mit der Maschi ¬ nenachse zusammenfällt. Im Einbauzustand liegt das Kippseg- ment 5 auf einer Welle. Das Kippsegment 5 weist auf der der Kippsegmentgleitflache 6 abgewandten Seite einen Kippsegment ¬ rücken 7 auf, welcher parallel zu der Kippsegmentgleitflache 6 ist .

Wie es aus Figur 1 und 2 ersichtlich ist, weist die Kippseg- menthalterung 4 ein hohl ausgebildetes Halteteil 8 auf, wel ¬ ches mit einem Schaft 9 am Stützring 3 radialverschiebbar gelagert ist. Des Weiteren weist das Halteteil 8 einen in Axi- alrichtung und in Umfangsrichtung außen liegenden Teller 10 auf. Ferner weist das Halteteil 8 an der radial innen liegen ¬ den Tellerinnenseite 11 einen Vorsprung 15 auf, dessen Innenseite in Axialrichtung und in Umfangsrichtung mit der Innenseite des Schafts 9 eine durchgehende Fläche bildet.

Wie es aus Figur 1 und 2 ersichtlich ist, ist an der der Tellerinnenseite 11 abgewandten Telleraußenseite 12 eine Vor ¬ spanneinrichtung 20 abgestützt. Die Vorspanneinrichtung 20 weist eine Tellerfeder 22, eine Unterlegscheibe 23, ein Schuh 16, eine Ausgleichsscheibe 17 sowie eine Ringmutter 13 auf. Die Federkraft der Tellerfeder 22 ist radial gerichtet. Die Unterlegscheibe 23 liegt radial innenseitig auf der Teller ¬ außenseite 12 an und in Axialrichtung ist sie am Schaft 9 an ¬ geordnet. Die Tellerfeder 22 liegt radial innenseitig auf der Unterlegscheibe 23 und in Axialrichtung ist sie am Schaft 9 angeordnet. Der Schuh 16 ist in einer Aussparung in der Innenseite des Stützrings 3 eingebracht, wobei der Schuh 16 radial innenseitig an der Tellerfeder 22 anliegt. Zwischen dem Schuh 16 und dem Stützring 3 ist die Ausgleichsscheibe 17 eingebracht. Am radial außenseitigem Ende des Schafts 9 und axial außenseitig ist die Ringmutter 13 aufgebracht, welche via einer Abstützscheibe 14 in einer außenseitigen Aussparung des Stützrings 3 abgestützt ist. Wie es aus Figur 1 und 2 ersichtlich ist, weist der Schuh 16 einen Anschlag 18 auf, mit dem der Teller 10 bei seiner Radi ¬ albewegung anschlagen kann, so dass die Radialbewegung nach außen begrenzt ist. Die Unterlegscheibe 23 hat eine längere axiale Erstreckung als die Tellerfeder 22, so dass zwischen der Tellerfeder 22 und dem Anschlag 18 ein Tellerfederhohlraum 21 ausgebildet ist, in dem sich die Tellerfeder 22 beim Zusammenstauchen axial ausdehnen kann.

Wie es aus Figur 1 und 2 ersichtlich ist, steht der Vorsprung 15 mit dem Kippsegment 5 am Kippsegmentrücken 7 in Eingriff, so dass das Kippsegment 5 an dem Vorsprung 15 radial geführt ist. Im Kippsegment 5, an seinem Kippsegmentrücken 7 ist ein Gewinde 25 eingebracht, in das das untere Ende eines Halte ¬ stifts 24 eingebracht ist. Der Haltestift 24 ist durch das hohl ausgebildeten Halteteil 8 und eine Lochplatte 27 ge ¬ führt, welche auf dem außen liegenden Ende des Halteteils 8 abgestützt ist. An der Außenseite der Lochplatte 27 ist der Haltestift 24 mit einer Haltemutter 26 versehen, mit der der Haltestift 24 auf der Lochplatte 27 abgestützt ist, so dass die minimale radiale Position des Kippsegments 5 festgelegt ist . Wie es aus Figur 1 und 2 ersichtlich ist, kann sich das Kippsegment 5 am Vorsprung 15 radial geführt und nur durch seine Gewichtskraft beeinflusst bewegen. Dreht die Welle mit der Kippsegmentvorspanndrehzahl , so „schwimmt" sie auf einem hydrodynamischen Film auf und das auf der Welle liegende Kipp- segment 5 schlägt mit seinem Kippsegmentrücken 7 and die Tel ¬ lerinnenseite 11 an und auf das Kippsegment 5 wirkt zusätz ¬ lich zu der Gewichtskraft eine Kraft, die von der durch die Vorspanneinrichtung 20 eingestellte Schwellenvorspannung der Tellerfeder 22 herrührt.

Wie es aus Figur 1 und 2 ersichtlich ist, ist in dem Hohlraum zwischen dem Haltestift 24 und dem Halteteil 8 ein Ölkanal 28 ausgebildet, welcher in einem in dem Kippsegment 5 ausgebil ¬ deten Ölplenum 29 mündet. In der Kippsegmentgleitfläche 6 ist ein Ölaustritt 30 vorgesehen, der mit dem Ölplenum 29 verbunden ist. Wie es aus Figur 2 ersichtlich ist, ist in einem Loch des Tellers 10 und des Anschlags 18 ein radial orientierter Füh ¬ rungsstift 19 vorgesehen, so dass das Halteteil 8 bei seinem Radialverschieben am Stützring 3 radial geführt ist.

Zur Voreinstellung des Spiels der Kippsegmente 5 wird das Kippsegmentradiallager 1 hochkant angeordnet und eine Wellenattrappe wird in das Kippsegmentradiallager 1 eingelegt. Über die Dicke der Unterlegscheibe 17 wird die gewünschte Schwel- lenvorspannung eingestellt. Anschließend wird die Ringmutter 13 auf Block gezogen und die Haltemutter 26 wird so weit angezogen, dass das Kippsegment 5 gerade nicht auf der Wellen ¬ attrappe aufliegt. In dieser Anordnung wird das maximale Spiel des Kippsegments 5 gemessen und wenn das Spiel nicht eine Montagespezifikation erfüllt, wird die Dicke der Aus ¬ gleichsscheibe 17 angepasst. Anschließend wird die Ringmutter 13 so weit gelöst, dass das Kippsegment 5 mit einem vorherbe ¬ stimmten Spiel über der Welle hängt. Diese Position der Ringmutter 13 wird durch eine Markierung gekennzeichnet.

Zur Endeinstellung des Spiels, nach dem Einbau des Kippseg ¬ mentradiallagers 1 in ein Maschinengehäuse und dem Einbau der Welle in das Kippsegmentradiallager wird zunächst die Ringmutter 13 auf Block gezogen und das maximale Spiel gemessen. Die Dicke der Ausgleichsscheibe 17 wird eventuell angepasst. Anschließend wird die Ringmutter 13 bis zu der Markierung ge ¬ löst und das Spiel wird gemessen. Durch Nachstellen der Ringmutter 13 wird das Spiel eventuell angepasst. Abschließend wird die Haltemutter 26 so weit gelöst, dass das Kippsegment 5 lose auf der Welle aufliegt und die Ringmutter 13 sowie die Haltemutter 26 werden gegen verdrehen gesichert.