DE2043550C2 - Control device for the axial thrust compensation of a hydrodynamic thrust bearing arrangement - Google Patents
Control device for the axial thrust compensation of a hydrodynamic thrust bearing arrangementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für den Zentrifugalkompressors zeigt.The invention relates to a control device for the centrifugal compressor.
AxTälschublTgfeSh einer hydrodynamischen Druckla- Der dargestellte Zentrifuge>™^r »t d^emAxTälschublTgfeSh a hydrodynamic pressure load- The centrifuge shown> ™ ^ r »t d ^ em
«sranordnune nach dem Oberbegriff des Patentan- 35 mit 10 bezeichnet und weist eine Welle ii auf, die in«Sranordnune is designated by 10 according to the preamble of patent no. 35 and has a shaft ii, which is shown in
r^chs Zylinderlagern 12a und 13a drehbar gelagert ist, vonr ^ chs cylinder bearings 12a and 13a is rotatably supported by
Bei mit hoher Drehzahl laufenden Maschinen, wie denen eine Fläche 14a oder 15a Bestandteile eines be-In the case of machines running at high speed, such as those where a surface 14a or 15a is part of a loading
Zemrifugalpumpen, Kompressoren, Turbinen, Turbo- kannten Drucklagertyps ist und d.e zu einer ebenenZemrifugal pumps, compressors, turbines, turbo-known pressure bearing types and d.e to a plane
«blasen u del sind die Drucklager die Hauptursache Fläche rotierender, scheibenförmiger Drucklager 14“Bubbles and thrust bearings are the main cause of surface rotating, disc-shaped thrust bearings 14
S^nSirStemeVd. der'auf die Welle einwir- 40 bzw. 15 paßt, die auf der Welle 11 fest angeordnet sind.S ^ nSirStemeVd. der'auf the shaft engages 40 or 15, which are fixedly arranged on the shaft 11.
kende Druck infolge vieler Faktoren, wie z. B. Druck- Die Lageranordnungen, d.e aus den Zylinderlagern 12apressure due to many factors, such as B. Compression The bearing assemblies, i.e. consisting of the cylinder bearings 12a
oder Las änderungen in den Maschinen sowie schlechte und 13a sowie Drucklagern 14 und 15 bestehen werdenor Las changes in the machines as well as bad and 13a and thrust bearings 14 and 15 will exist
Dichtungskonstruktionen, relativ großen Schwankun- durch Schmierkanäle 16 und 17 geschmiert die,sichSealing constructions, relatively large fluctuations through lubrication channels 16 and 17 lubricated, themselves
„nterlieet durch die Zylinderlager 12a und 13a hindurch und in die"Nterlieet through the cylinder bearings 12a and 13a and into the
Im Unterschied zu Zylinderlagern, die eine umlaufen- 45 Zylinderlagerspalten 12b und 136 zwischen Welle 11In contrast to cylinder bearings, which encircle 45 cylinder bearing gaps 12b and 136 between shaft 11
de Umfangslagerfläche besitzen, weisen Drucklager ra- und Zylinderlager 12a und113a hineinerstrecken.De have peripheral bearing surface, have thrust bearings ra- and cylinder bearings 12a and 113a extend into it.
dfal gerichtet! Flächen auf. Dies hat zur Folge, daß Das Schmiermittel aus dem Behalter 18 wird über diedfal directed! Surfaces on. This has the consequence that the lubricant from the container 18 is over the
dann Senn die Schmierung einmal momentan aussetzt, Pumpe 19, den Kühler 20, das Filter 21 und den Druck-then if the lubrication is momentarily interrupted, pump 19, cooler 20, filter 21 and the pressure
die Zentrifugalkraft dahingehend wirkt, daß das restli- regler 21a umgewälzt, durch Strömungse.nschnurungenthe centrifugal force acts to the effect that the remaining regulator 21a circulates, through flow constrictions
ehe Schmieröl nach außen geschleudert wird, wodurch 50 22 und 23 gefördert und daraufh.n in d.e Schm.ermitlel-before lubricating oil is thrown to the outside, whereby 50 22 and 23 are promoted and then in the Schm.ermitlel-
die geschmierten Metallflächen trocken laufen. kanäle 16 und 17 gepumpt Das^Schmiermittel,das in d.ethe lubricated metal surfaces run dry. channels 16 and 17 pumped The ^ lubricant that is in d.e
Bei dem gattungsgemäßen Stand der Technik ist es Zylinderlagerspalten 12i> und 13i> hineingedruckt wird,In the generic prior art, it is cylinder bearing gaps 12i> and 13i> is printed in,
bekannt den auf die Welle einwirkenden Druck zu be- strömt in Axialrichtung an der Welle 11 entlang wöbe.known to flow in the axial direction along the shaft 11, the pressure acting on the shaft.
rechnen und eine Axialschubausgleichsvorrichtung vor- ein Teil in die Lagerspalten 24 und 25 zwischen d.ecalculate and an axial thrust compensation device in front of a part in the bearing gaps 24 and 25 between d.e
zusehen, die den berechneten Druck der Schub neutral.- 55 aufeinanderpassenden Flächen der Lageranordnungensee that the calculated pressure of the thrust is neutral. - 55 mating faces of the bearing assemblies
siert oder die auftretenden Druckdifferenzen zumindest tritt und radial zwischen den Flachen nach außen FHeBtor the pressure differences that occur at least occur and lift radially between the surfaces to the outside
gering hält. In den Fällen, in denen jedoch die Druckbe- und in die Lagerkammer 11a entweicht, in der es durchkeeps it low. In those cases, however, in which the Druckbe- and escapes into the storage chamber 11a, in which it is through
lastung nicht bekannt ist, ist eine solche Ausgleichsvor- den Ablauf 11b in die Leitung lic und den Behalterload is not known, such a compensation pre-flow 11b in the line lic and the container
richtung von geringem Wert. Bisher sind keine einfa- zurückläuft.direction of little value. So far there are no simple runs back.
chen oder genauen Verfahren zur Messung der Druck- 60 Die Stärke des Schmierm.ttelstroms w.rd durch die belastung bekannt geworden, die in Verbindung mit ei- Einschnürungen 22 und 23 begrenzt' Die zusammenpasner Steuervorrichtung für den Axialschubausgleich ei- senden Lagerflächen enthalten an ihren Austnttskan en ner dynamischen Drucklageranordnung verwendet ebenfalls Einschnürungen 26 und 27, mit denen starker werden könnten. In diesem Zusammenhang hat sich Schmiermittelverlust aus den Lageranordnung«1 verbuch das blolk Ableiten des Druckmittels aus dem La- μ hindert wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, bilden Kcrspall bzw' der den Axialhub erzeugenden Kammer die Einschnürungen 26 und 27 Lippen, die sich rund um und seine Zurückführung in den Laufradeiniritt als eine den Umfang der Drucklagerflächen der Zy inderlager nicht zufriedenstellende Methode zum Ausgleich des 12a und 13a erstrecken. Man erkennt, daß dann, wennor exact procedure for measuring the pressure 60 The strength of the lubricant flow w.rd through the load has become known, which in connection with a constrictions 22 and 23 limits' The co-pasner Control device for the axial thrust compensation have bearing surfaces on their Ausnttskan en A dynamic thrust bearing arrangement also uses constrictions 26 and 27, which are stronger could become. In this context, the loss of lubricant from the bearing arrangement «1 book the blolk draining of the pressure medium from the La- μ is prevented. As can be seen from the drawing, form Kcrspall or 'the axial stroke generating chamber, the constrictions 26 and 27 lips, which are around and its return to the impeller as one of the circumference of the thrust bearing surfaces of the cylinder bearings unsatisfactory method of balancing the 12a and 13a extend. You can tell that if
f| das Schmiermittel in die Anordnung hineingepreßt wird, ■|j jede Verschiebung der Welle 11 in Richtung auf das ί Zylinderlager 12a zu einer Vergrößerung des Strö- |£ mungswiderstandes des Schmiermittels zwischen der |j Lippe der Einschnürungen 26 und dem Drucklager 14f | the lubricant is pressed into the arrangement, ■ | j any displacement of the shaft 11 in the direction of the ί Cylinder bearings 12a to increase the flow resistance of the lubricant between the | j lip of the constrictions 26 and the thrust bearing 14
I führt und einen Schmiermitteldruckaufbau im Lager-I leads and a lubricant pressure build-up in the bearing
II spalt 24 zur Folge hat Die Druckverteilung ist nicht || notwendigerweise einheitlich, sondern hängt von dem i Lagertyp ab, wobei jeweils bekannt ist, wo sich die ι* Druckaufbaazone befindet, so daß die Leitungen 28,29, ξ\ mit denen die Druckaufbauzone angezapft wird, ent- ;: sprechend angeordnet werden.II gap 24 results in the pressure distribution is not || necessarily uniform, but depends on the type of storage, it being known where the ι * pressure build-up zone is located, so that the lines 28, 29, ξ \ with which the pressure build-up zone is tapped, are arranged accordingly.
Der Druckanstieg im Lagerspalt 24 ist bestrebt, das J? rotierende Drucklager 14 von der Druckfläche des Zy-Il linderlagers 12a als Bestandteil der Drucklageranordp nung so lange wegzudrücken, bis das Spiel zwischen der ρ Lippe der Einschnürung 26 und dem Drucklager 14 ein- !' gestellt ist.The increase in pressure in the bearing gap 24 tends to that J? rotating thrust bearing 14 from the pressure surface of the Zy-Il linderlagers 12a as part of the Drucklageranordp voltage so long to push away until the game between the ρ lip of the constriction 26 and the thrust bearing 14! ' is posed.
ψ Da, wie aus der Zeichnung hervorgeht, zwei entge- ψ Since, as can be seen from the drawing, two opposing
|I gengesetzte Drucklageranordnungen vorhanden sind, j| um die Axiallage der Welle 11 beizubehalten, kann die B- Druckmessung, wie sie für das Drucklager 14 im obigen ;| beschrieben ist, auch in bezug auf das Drucklager 15 mit !§ Hilfe der Leitung 29 vorgenommen werden, die an die ty, Druckaufbauzone angeschlossen ist Wenn der i'i Schmiermittelstrom, der durch die Einschnürungen 22 K und 23 in die entsprechenden Lageranordnungen ein-[;. tritt, im wesentlichen gleich ist, wird jegliche axiale Ver-IJ Schiebung der Welle 11 durch Druckänderung in den l"; Lagerspalten 24 und 25 erkennbar. Wenn sich die Weile If 11 beispielsweise in Richtung auf das Zylinderlager 12a fi verschiebt, steigt der Druck im Lagerspalt 24 in bezug R; auf denjenigen im Lagerspalt 25 an. Demzufolge wird durch die Druckdifferenzmessung zwischen den Lager-.;".;■; spalten 24,25, die mit Hilfe des Differenzdruckmeßgeräi:: tes 30 vorgenommen werden kann, das an die Leitungen I''' 28 und 29 angeschlossen ist, eine direkte Anzeige des auf ;'■■'· der Welle 11 lastenden Axialdruck bewirkt, die sich in dem unterschiedlichen Axialdruck widerspiegelt, der [_ von den beiden entgegengesetzten Drucklageranordj ί nungen aufgenommen wird.| I opposite thrust bearing arrangements exist, j | in order to maintain the axial position of the shaft 11, the B pressure measurement, as described for the thrust bearing 14 in the above; | is described, can also be made with respect to the thrust bearing 15 with the help of the line 29, which is connected to the ty, pressure build-up zone. ;. occurs, is essentially the same, any axial displacement of the shaft 11 is recognizable by a pressure change in the bearing gaps 24 and 25. If the shaft If 11 shifts, for example, in the direction of the cylinder bearing 12a, the pressure in increases Bearing gap 24 with respect to R; to that in bearing gap 25. Accordingly, by measuring the pressure difference between the bearings - .; ".;■; columns 24,25, which can be made with the help of the differential pressure measuring device 30, which is connected to the lines I '''28 and 29, causes a direct display of the axial pressure on the shaft 11, which the [_ is received by the two opposite Drucklageranordj ί voltages reflected in the different axial thrust.
:>: Der in der Zeichnung dargestellte Kompressor 10:>: The compressor 10 shown in the drawing
ijj weist ein Laufrad 31 auf, das auf der Welle 11 befestigt i ist und sich mit ihr dreht. Das zu komprimierende Strömungsmittel tritt an der Kompressoreintrittsöffnung 32 ein und wird an der Kompressoraustrittsöffnung 33 :, nach seinem in Radialrichtung nach außen erfolgenden i Durchlauf durch die im Laufrad 31 vorhandenen Kanäle ausgetragen, wobei sich das komprimierte Strömungsmittel in den Kanälen 35 sammelt, bevor es durch die Austrittsöffnung 33 ausströmt. Ein großer Teil des Druckanstiegs in dem Strömungsmittel, das komprimiert wird, wenn es durch die Laufradkanäle 34 strömt, so daß der Strömungsmitteldruck im Kanal 35 sehr viel größer ist als in der Eintrittsöffnung 32. Der hohe im Kanal 35 herrschende Druck wird weitgehend auch in dem Spalt 36 zwischen der Stirnseite des Laufrades 31 und dem Gehäuse des Kompressors 10 übertragen. Dieser Spalt wird an seinem inneren Rand durch eine Labyrinthdichtung 38 verschlossen. Diese Dichtung läßt eine kleine Strömungsmittelmenge aus dem Spalt 36 heraus und führt sie über die Eintrittsöffnung 32 in den Ansaugbereich zurück. Die Wirkung dieser kleinen Leckagemenge, die nur wenige Prozent des Gesamtstroms ausmacht, auf das System ist vernachlässigbar gering. ijj has an impeller 31 which is mounted on the shaft 11 and rotates with it. The fluid to be compressed enters at the compressor inlet opening 32 and is discharged at the compressor outlet opening 33: after its radial outward passage through the channels in the impeller 31, the compressed fluid collecting in the channels 35 before it passes through the outlet opening 33 flows out. Much of the pressure increase in the fluid that is compressed as it flows through the impeller channels 34 so that the fluid pressure in channel 35 is much greater than that in inlet port 32. The high pressure in channel 35 is largely also in the Transfer gap 36 between the end face of the impeller 31 and the housing of the compressor 10. This gap is closed at its inner edge by a labyrinth seal 38. This seal lets a small amount of fluid out of the gap 36 and returns it via the inlet opening 32 to the suction area. The effect of this small amount of leakage, which makes up only a few percent of the total flow, on the system is negligible.
In ähnlicher Weise pflanzt sich der in den Kanälen 35
herrschende hohe Druck weitgehend in den Spalt 37 hinein fort, der zwischen der Rückseite des Laufrades 31
und dem Gehäuse des Kompressors 10 vorhanden ist Auch hier hindert eine Labyrinthdichtung 39 bis auf eine
vernachlässigbare Strömungsmittelleckage das ganze Strömungsmittel daran, in den Spalt 40 einzudringen.
wenn sich der Kompressor in Betrieb befindet Dennoch wirft diese kleine Leckagemenge, die Ober den Spalt 37
durch die Labyrinthdichtung 39 hindruchströmt, ein erhebliches Problem auf, und zwar aufgrund der Tatsache,
daß sie, sobald sie in den Spalt 40 zwischen der Rückseite des Laufrades 31 und dem Gehäuse des Kompressors
10 eingedrungen ist, über die Fläche der Rückseite des
Laufrades 31 innerhalb der Dichtung 39 gedrückt wird, wodurch sich ein erheblicher Axialschub ergeben kann,
der auf das Laufrad 31 ausgeübt wird und das Laufrad von der Welle 11 wegdrückt, weil die Fläche auf der
entgegengesetzten Seite innerhalb der Dichtung 38 nicht mit Druck beaufschlagt wird, um diesen Axialschub
auszugleichen. Um dieses Axialschubproblem zu beseitigen, wird bei mit hoher Drehzahl rotierenden
Maschinen der genannten Art ein Ausgleichssystem vorgesehen, mit dem dieser Druck aufgehoben werden
kann, wodurch eine ernsthafte Beschädigung der Lager verhindert wird. Eine solche in der Zeichnung gezeigte
Druckausgleichsanordnung weist eine Entspannungsleitung 41 auf, die von dem Spalt 40 zur Entspannungsleitung
42 und über das Ventil 43 führt, um von dort über die Leitung 44 in dem Ansaugstutzen der Einlaßöffnung
32 des Kortipressors 10 zu münden. Das Ventil 43 ist
normalerweise geöffnet, so daß das gerade komprimierte Strömungsmittel, das in den Spalt 40 hineingepreßt
wird, zum Ansaugstutzen der Einlaßöffnung 32 zurückströmen kann. Die Leckagemenge, die in die Spalten 36
und 37 einströmt, ändert sich jedoch in Abhängigkeit von der Rauhigkeit der angeschlossenen Leitungen und
der durch die Dichtung 39 hindurchtretenden Leckagemenge. Das bloße Abziehen des Strömungsmittels aus
dem Spalt 40 und seine Zurückführung in die Einlaßöffnung 32 über die Leitung 41, die Leitung 42, das Ventil
43 und die Leitung 44 ist deshalb zum Ausgleich des Axialschubs nicht ausreichend, so daß zur Vermeidung
dieses Nachteils in die die Lagerspalten 24 und 25 verbindenden Leitungen 28 und 29 ein Differenzdruckmeßgerät
30 eingebaut wird, das mit dem Ventil 43 in der Weise in Verbindung steht, daß die Meßgröße des Differenzdruckmeßgerätes
30 als Stellglied zur automatischen Einstellung des Ventils 43 zugeführt wird, um dadurch
den gewünschten Axialschubausgleich zu bewirken.
Die obige Konstruktion beruht auf der Überlegung, daß dann, wenn der Schub gegen die Welle und von der
Eintrittsöffnung des Laufrades 31 weggerichtet ist, der in dem Spalt 40 herrschende Druck offensichtlich geringer
ist, als er sein sollte, bzw. das Strömungsmittel zu ungehindert in die Eintrittsöffnung 32 zurückströmen
kann. Um dies zu vermeiden, ließe sich nun das Ventil 43 etwas schließen, um dadurch den Strömungsmittelausfluß
aus dem Spalt 40 in die Leitungen 41 und 42 etwas zu hemmen und den Druck in dem Spalt 40 hoch genug
zu halten, um das Laufrad 31 von der Welle wegzubewegen. Wenn andererseits der Druck in dem Spalt 40 geringer
ist, als er sein sollte, wodurch die Welle ti vom Laufrad 31 durch einen geringen nicht ausgeglichenen
Schu^ weggedrückt wird, dann vergrößert sich der Druck im Lagerspalt 24, während er sich im Lagerspalt
25 verringert. Diese Veränderung in den Relativdrücken der beiden Lagerspalten wird sofort von dem Differenzdruckmeßgerät
30 erfaßt. Wenn das Differenzdruckmeßgerät 30 als Differenzdruckschreib- oder Differenz-In a similar way, the high pressure prevailing in the channels 35 is largely propagated into the gap 37, which is present between the rear side of the impeller 31 and the housing of the compressor 10 to penetrate into the gap 40. When the compressor is in operation, however, this small amount of leakage, which flows through the labyrinth seal 39 via the gap 37, poses a considerable problem due to the fact that, as soon as it enters the gap 40 between the rear of the impeller 31 and the housing of the compressor 10 has penetrated, is pressed over the surface of the rear side of the impeller 31 within the seal 39, which can result in a considerable axial thrust which is exerted on the impeller 31 and pushes the impeller away from the shaft 11 because the Area on the opposite side within the seal 38 is not pressurized to compensate for this axial thrust. In order to eliminate this axial thrust problem, a compensation system is provided in machines of the type mentioned rotating at high speed, with which this pressure can be relieved, thereby preventing serious damage to the bearings. Such a pressure equalization arrangement shown in the drawing has an expansion line 41 which leads from the gap 40 to the expansion line 42 and via the valve 43 to open from there via the line 44 into the suction port of the inlet opening 32 of the cortipressor 10. The valve 43 is normally open so that the fluid which has just been compressed, which is being forced into the gap 40, can flow back to the suction port of the inlet opening 32. The amount of leakage which flows into the gaps 36 and 37 changes, however, as a function of the roughness of the connected lines and the amount of leakage passing through the seal 39. The mere withdrawal of the fluid from the gap 40 and its return into the inlet opening 32 via the line 41, the line 42, the valve 43 and the line 44 is therefore not sufficient to compensate for the axial thrust, so that to avoid this disadvantage in the Bearing gaps 24 and 25 connecting lines 28 and 29, a differential pressure measuring device 30 is installed, which is connected to the valve 43 in such a way that the measured variable of the differential pressure measuring device 30 is supplied as an actuator for the automatic adjustment of the valve 43 to thereby achieve the desired axial thrust compensation cause.
The above construction is based on the consideration that when the thrust is directed against the shaft and away from the inlet opening of the impeller 31, the pressure prevailing in the gap 40 is obviously less than it should be, or the fluid is too unimpeded in the inlet opening 32 can flow back. To avoid this, the valve 43 could now be closed somewhat, thereby somewhat inhibiting the flow of fluid from the gap 40 into the lines 41 and 42 and keeping the pressure in the gap 40 high enough to keep the impeller 31 off the shaft move away. If, on the other hand, the pressure in the gap 40 is less than it should be, whereby the shaft ti is pushed away from the impeller 31 by a slight unbalanced shock, then the pressure in the bearing gap 24 increases, while it decreases in the bearing gap 25. This change in the relative pressures of the two bearing gaps is detected immediately by the differential pressure measuring device 30. If the differential pressure measuring device 30 is used as a differential pressure writing or differential
j^tamat^inrj ^ tamat ^ inr
drucksteuervorrichtung ausgebildet wird, die mit einer Einrichtung zur automatischen Einstellung des Ventils 43 versehen ist, wie dies vorliegend der Fall ist, dann läßt sich der Druck in dem Spalt 40 ständig auf der gewünschten Höhe halten und zwar unabhängig von den Veränderungen des Axialschubs, die im System auftre ten können. Somit wird dadurch, daß ein gewisser Strömungsmittelabfluß aus dem Spalt 40 ermöglicht wird, eine genaue Steuerung der auf das rotierende System einwirkenden Schubkräfte erreicht.pressure control device is formed with a device for automatically adjusting the valve 43 is provided, as is the case here, then the pressure in the gap 40 can always be at the desired level Maintain height regardless of the changes in axial thrust that occur in the system th can. Thus, by allowing some fluid outflow from gap 40, a precise control of the thrust acting on the rotating system is achieved.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
1515th
2020th
2525th
4040
4545
5050
5555
6060
6565
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