DE102020115918A1

DE102020115918A1 - Anlage mit einer hydraulischen Maschine mit horizontaler Welle und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102020115918A1
Application number: DE102020115918.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Schabasser; Helmut Auer
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Anlage umfassend eine hydraulische Maschine mit wenigstens einem Laufrad (1), eine elektrische Maschine mit einem Rotor (2), eine horizontal angeordnete Welle (3), und wenigstens zwei die Welle führende Radiallager (4, 5, 6), wobei die Welle mit dem Laufrad und dem Rotor verbunden ist, und wobei vom Laufrad aus betrachtet ein erstes Radiallager jenseits des Rotors und wenigstens ein zweites Radiallager zwischen Laufrad und Rotor angeordnet ist, und wobei dasjenige Radiallager, welches am nächsten zum Laufrad angeordnet ist, eine Vielzahl von Lagersegmenten (8) umfasst, welche rings um die Welle angeordnet sind, und wobei sich die Lagersegmente außen an einem Lagergehäuse abstützen, und wobei zwischen wenigstens einem Lagersegment und dem Lagergehäuse Mittel (9) zum Anpressen des betreffenden Lagersegmentes an die Welle vorgesehen sind, und wobei die Mittel so ausgebildet sind, dass der Betrag der Anpresskraft F größer als der maximale Betrag einer während dem Betrieb der Anlage auftretenden dynamischen Kraft FDist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage mit einer hydraulischen Maschine mit einer horizontalen Welle, welche durch wenigstens zwei Lager in radialer Richtung gelagert wird. Bei der hydraulischen Maschine kann es sich um eine Pumpe, Pumpturbine oder um eine Turbine handeln. Die Anlage umfasst dabei eine elektrische Maschine deren Rotor mit der Welle verbunden ist. Die Anlage betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage.
Die Patentschrift AT 279 518 B offenbart eine solche Anlage. Auf der horizontalen Welle sind sowohl der Rotor der elektrischen Maschine als auch die Laufräder der hydraulischen Maschine angeordnet. Die Welle wird durch drei Lager in radialer Richtung geführt. Zwei der Radiallager sind beidseitig des Rotors angeordnet. Da der Rotor der elektrischen Maschine in der Regel bedeutend schwerer ist, als die Laufräder der hydraulischen Maschine, sind die den Rotor der elektrischen Maschine flankierenden Radiallager statisch viel stärker belastet, als das dritte Lager, welches in der AT 279 518 B vom Rotor aus gesehen jenseits der Laufräder angeordnet ist. Es sind auch Anlagen bekannt, bei denen das dritte Lager komplett entfällt, oder bei denen das dritte Lager diesseits der Laufräder angeordnet ist. Im letzteren Fall befinden sich zwischen Rotor und Laufräder zwei Lager, wobei eines der Lager näher an den Laufrädern angeordnet ist.
Die Erfindung bezieht sich auf Anlagen mit einer horizontalen Welle, auf der ein Rotor, wenigstens ein Laufrad und wenigstens zwei Radiallager angeordnet sind, und wobei wenigstens ein Lager zwischen Rotor und Laufrad angeordnet ist.
Die Erfinder haben erkannt, dass es bei solchen Anlagen zu dynamischen Problemen kommen kann. Diese Probleme beziehen sich dabei auf ein Radiallager, das vom Laufrad aus gesehen in Richtung des Rotors angeordnet ist. Dabei ist das problembehaftete Lager dasjenige, welches sich am nächsten zum Laufrad befindet, falls es zwischen Laufrad und Rotor mehr als ein Radiallager gibt. Diese bestehen darin, dass sich die auf das besagte Lager wirkende Last während dem Betrieb stark ändert. Die beschriebene Variabilität der auf dieses Lager wirkenden Last kann dabei darin bestehen, dass in ein und demselben Betriebspunkt der Anlage die Last periodisch variiert, oder dass es zu einer Änderung der Last kommt, wenn der Betriebspunkt der Anlage variiert wird. Bei einer von den Erfindern untersuchten Anlage änderte sich die Last in einer radialen Richtung betrachtet von +100% zu -100% bei einer Variation des Betriebspunktes innerhalb des spezifizierten Betriebsbereiches der Anlage. Ein solches Verhalten führt zu diversen Problemen bei der Auslegung der Anlage. Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt eine gattungsgemäße Anlage anzugeben, bei der die beschriebenen dynamischen Probleme reduziert werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Lösung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 Gattungsgemäße Anlage
2 Erfindungsgemäße Anordnung eines Radiallagers

1 zeigt in stark schematischer Darstellung eine gattungsgemäße Anlage. Die Anlage umfasst eine hydraulische Maschine mit wenigstens einem Laufrad, welches mit 1 bezeichnet ist, eine elektrische Maschine mit einem Rotor, welcher mit 2 bezeichnet ist, eine horizontal angeordnete Welle, welche mit 3 bezeichnet ist, ein erstes Radiallager, welches mit 4 bezeichnet ist, ein zweites Radiallager, welches mit 5 bezeichnet ist, und ein drittes Radiallager, welches mit 6 bezeichnet ist. Dabei könnte auch eines der Radiallager 5 und 6 entfallen. Die Welle 3 ist mit dem Laufrad 1 der hydraulischen Maschine und dem Rotor 2 der elektrischen Maschine verbunden. In 1 ist die Welle 3 als durchgehende Welle dargestellt. Genauso gut könnte die Welle 3 auch aus mehreren Teilwellen bestehen. Die drei Radiallager 4, 5 und 6 führen die Welle 3 an drei verschiedenen Stellen, welche vom Laufrad 1 aus betrachtet folgendermaßen angeordnet sind: Das erste Lager 4 ist jenseits des Rotors 2 angeordnet. Das zweite Lager 5 und das dritte Lager 6 sind zwischen Rotor 2 und Laufrad 1 angeordnet, wobei sich das dritte Lager 6 näher am Laufrad 1 befindet als das zweite Lager 5. In der in 1 gezeigten Anordnung ist das dritte Lager 6 das problembehaftete Lager. Würde eines der Lager 5 oder 6 fehlen, dann wäre jeweils das verbleibende Lager das problembehaftete Lager.
Zwischen dem zweiten Lager 5 und dem dritten Lager 6 kann optional ein Schwungrad angeordnet sein, welches in 1 mit 7 bezeichnet ist.
Während das erste Lager 4 und das zweite Lager 5 auf herkömmliche Weise ausgebildet sind, weist das dritte, d.h. das problem behaftete, Lager 6 erfindungsgemäß eine abweichende Bauart auf, welche in 2 in schematischer Darstellung gezeigt ist. Das dritte Lager 6 umfasst eine Vielzahl von Lagersegmenten, von denen eines mit 8 bezeichnet ist. Die Lagersegmente 8 sind rings um die Welle 3 angeordnet. Die Lagersegmente 8 stützen sich außen an einem Lagergehäuse ab. Dabei ist die Abstützung am Lagergehäuse in 2 durch die sich außen an die Lagersegmente 8 anschließenden schraffierten Bereiche andeutend dargestellt. In der Regel umfassen die Mittel zur Abstützung am Lagergehäuse auch Mittel zum Einstellen des Lagerspaltes, welche in 2 jedoch nicht dargestellt sind. Zwischen wenigstens einem Lagersegment 8 und dem Lagergehäuse sind Mittel zum Anpressen des betreffenden Lagersegmentes 8 an die Welle 3 vorgesehen. In 2 umfassen die genannten Mittel eine Feder und sind mit 9 bezeichnet. Der Betrag der Anpresskraft ist in 2 mit F bezeichnet, und der nach unten gerichtet Pfeil deutet die Richtung der Anpresskraft an. Der Betrag F der Anpresskraft wird dabei durch eine entsprechende Vorspannung der Feder eingestellt. Die Mittel 9 könnten jedoch auch anders ausgebildet sein und z.B. einen Hydraulikzylinder umfassen. Die Mittel 9 zum Anpressen des betreffenden Lagersegments 8 an die Welle 3 bringen die Anpresskraft mit Betrag F dabei unabhängig bzw. zusätzlich zu den ansonsten im Lager 6 wirkenden Kräften auf. Beispielsweise könnten auch die beiden unteren Lagersegmente über Mittel 9 zum Anpressen verfügen. Auf diesen beiden Segmenten lastet die Welle 3, sodass diese Lagersegmente eine entsprechende Gegenkraft aufbringen müssen. Die Anpresskraft mit Betrag F wirkt in diesem Fall zusätzlich zu der genannten Gegenkraft. Entsprechendes gilt auch für dynamisch auftretende Kräfte.
Die Erfinder haben erkannt, dass wenn der Betrag F der Anpresskraft größer ist als der maximale Betrag einer während dem Betrieb der Anlage auftretenden dynamischen Kraft F_D, dann ist sichergestellt, dass die Belastung, unter der das Lager 9 während dem Betrieb steht, nicht ihre Richtung wechselt. Dadurch reduzieren sich die durch die dynamische Kraft mit maximalen Betrag F_D verursachten Auslegungsprobleme der Anlage erheblich. Der maximale Betrag F_D der dynamischen Kraft kann dabei beispielsweise mit Hilfe einer numerischen Simulation vorab ermittelt werden.
Aus dem Gesagten ist dabei klar, dass wenigstens während dem Betrieb der Anlage permanent eine Anpresskraft durch die Mittel 9 aufgebracht wird, wobei der Betrag der Anpresskraft F einen vorherbestimmten Wert überschreitet, welcher so vorherbestimmt wird, dass der Betrag F der Anpresskraft zu jedem Zeitpunkt größer ist als der maximale Betrag einer während dem Betrieb der Anlage auftretenden dynamischen Kraft F_D.
Das Lager 6 muss selbstverständlich für die durch die Anpresskraft mit Betrag F erhöhten Kräfte ausgelegt werden. Dazu kann es notwendig sein, dass das Fluid zur Schmierung des Lagers mit erhöhten Druck in den Raum zwischen den Lagersegmenten 8 und der Welle 3 eingepresst wird.
Bezugszeichenliste

1: Laufrad der hydraulischen Maschine
2: Rotor der elektrischen Maschine
3: Welle
4: Erstes Radiallager
5: Zweites Radiallager
6: Drittes Radiallager
7: Schwungrad
8: Lagersegment
9: Mittel zum Anpressen eines Lagersegments

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

AT 279518 B [0002]

Claims

Anlage umfassend eine hydraulische Maschine mit wenigstens einem Laufrad (1), eine elektrische Maschine mit einem Rotor (2), eine horizontal angeordnete Welle (3), und wenigstens zwei die Welle (3) führende Radiallager (4, 5, 6), wobei die Welle (3) mit dem Laufrad (1) und dem Rotor (2) verbunden ist, und wobei vom Laufrad (1) aus betrachtet ein erstes Radiallager (4) jenseits des Rotors (2) und wenigstens ein zweites Radiallager (5, 6) zwischen Laufrad (1) und Rotor (2) angeordnet ist, und wobei dasjenige Radiallager (6), welches am nächsten zum Laufrad (1) angeordnet ist, eine Vielzahl von Lagersegmenten (8) umfasst, welche rings um die Welle (3) angeordnet sind, und wobei sich die Lagersegmente (8) außen an einem Lagergehäuse abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einem Lagersegment (8) und dem Lagergehäuse Mittel (9) zum Anpressen des betreffenden Lagersegmentes (8) an die Welle (3) vorgesehen sind, und wobei die Mittel (9) so ausgebildet sind, dass der Betrag der Anpresskraft F größer als der maximale Betrag einer während dem Betrieb der Anlage auftretenden dynamischen Kraft F_D ist.
Anlage nach Anspruch 1, wobei die Mittel (9) eine Feder umfassen.
Anlage nach Anspruch 1, wobei die Mittel (9) einen Hydraulikzylinder umfassen
Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anlage ein Schwungrad (7) umfasst, welches zwischen dem zweiten und dritten Radiallager (5, 6) angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mittel (9) das betreffende Lagersegment (8) permanent mit einer Kraft an die Welle (3) anpressen, wobei der Betrag der Anpresskraft F einen vorherbestimmten Wert überschreitet, welcher so vorherbestimmt wird, dass der Betrag F der Anpresskraft zu jedem Zeitpunkt größer ist als der maximale Betrag einer während dem Betrieb der Anlage auftretenden dynamischen Kraft F_D.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der maximale Betrag der während dem Betrieb der Anlage auftretenden dynamischen Kraft F_D mit Hilfe einer numerischen Simulation bestimmt wird.