Wellendrehvorrichtung für Turbosätze und Verfahren zu ihrem Betrieb

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Drehen der Welle (1) eines Turbosatzes, wobei die Welle in mehreren Lagern gelagert ist. Erfindungsgemäß wird ein Hydrogetriebemotor (15, 16) unter Zwischenschaltung einer Überholkupplung (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) an der Stirnwand des vorderen Lagergehäuses unmittelbar am vordersten Lager (3) der Welle (1) direkt befestigt, wobei die Überholkupplung Welle (1) des Turbosatzes und Welle (14) des hydrogetriebemotors (15, 16) direkt verbindet. Zur Vermeidung von Exzentrizitäten zwischen Wälzlagern (11) der Überholkupplung und Lagern (3) der Welle (1) wird das vorderste Lager (3) mit einer zusätzlichen hydrostatischen Lagerung (3b, 4) zur Zentrierung ausgerüstet. Der Hydromotor (15) und das hydrostatische Lager (3b, 4) werden von der Ölversorgung des Wellenanhebesystems gespeist, so daß keine Zusatzaggregate oder Zusatzsteuerungen nötig sind.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Drehen der Welle eines Turbosatzes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Wellendrehvorrichtung.

[0002] Aus der DE-PS 975 646 ist eine zwar einfache Wellendrehvorrichtung mit von Drucköl angetriebenen auf eine Kupplung aufgesetzten Schaufeln beschrieben, die jedoch als Nachteil beim Anfahren und während des Betriebes einen erheblichen Ölverbrauch aufweist.

[0003] Aus der DE-AS 19 56 178 und der DE-PS 27 32 036 ist ferner die Verwendung von hydrostatischen Motoren, im folgenden kurz Hydromotoren bezeichnet, zum Losbrechen und Drehen von Wellen bekannt. Auch die Einbindung in die verschiedenen Versorgungs- und Regelsysteme wird beschrieben. Während aus der DE-AS 19 56 178 der prinzpielle Aufbau eines Antriebssystems mit Hydromotor bekannt ist, ist in der DE-PS 27 32 036 die mechanische Anordnung eines Hydromotors und einer Überholkupplung beschrieben, wobei diese beiden Bauteile neben einer Welle angeordnet und durch Getriebezahnräder mit dieser in Eingriff sind. Diese Anordnung erfordert einerseits viel Platz seitlich neben der Welle und außderdem eine zusätzliche Lagerung von Hydromotor und Zahnrädern.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die platzsparende und mit der Welle fluchtende Anordnung einer Wellendreh vorrichtung und die Einbindung dieser Wellendrehvorrichtung in die ohnehin für das Anfahren notwendigen Ölversorgungssysteme. Zusätzliche Lager sollen nach Möglichkeit vermieden werden.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung gemäß dem Hauptanspruch vorgeschlagen. Als Antriebssystem dient ein Hydromotor mit einem integrierten anschließenden Getriebe, ein sogenannter Hydrogetriebemotor, wie er inzwischen handelsüblich ist. Ein solcher Hydrogetriebemotor wird unter Zwischenschaltung einer handelsüblichen Überholkupplung an die Stirnwand des vorderen Lagergehäuses befestigt, wobei die Überholkupplung die Welle des Turbosatzes über die Welle eines Nebenaggregates, z. B. über die ebenfalls im vorderen Lagergehäuse angeordnete Hauptölpumpe, mit der Welle des Hydrogetriebemotors kuppelt bzw. diese Wellen trennt. Während in der DE-PS 27 32 036 die Überholkupplung zwischen Motor und Getriebe liegt und Motor und Getriebe getrennt gelagert sind, ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Hydrogetriebemotor mit der Überholkupplung am vorderen Lagergehäuse aufgehängt, und zwar fluchtend mit der Turbinenwelle und dem Nebenaggregat. Eine Relativbewegung der Wellendrehvorrichtung zum Nebenaggregat kann nicht auftreten, da dieses ebenfalls fest mit dem Lagergehäuse verbunden ist. Gesonderte Lager sind wegen der Kompaktheit des Aufbaues nicht nötig.

[0006] Ein grundsätzliches Problem kann jedoch auftreten, wenn die Überholkupplung, was bei den verwendeten handelsüblichen Systemen meist der Falle ist, für ein einwandfreies Funktionieren nur ein gewisses Spiel zwischen den beiden zu kuppelnden konzentrischen Kupplungsringen zuläßt. Während nämlich der äußere Ring einer handelsüblichen Überholkupplung gewöhnlich durch Wälzlager gelagert ist, ist die Welle des Nebenaggregates, welche mit dem inneren Teil einer Überholkupplung verbunden werden soll, durch hydrodynamische Lager gelagert, welche beim Anfahren und bei geringen Drehzahlen noch nicht mit den nötigen Toleranzen zentrierbar sind. Als Abhilfe wird gemäß dem Anspruch 2 vorgeschlagen,daß dieses vorderste hydrodynamische Lager des Nebenaggregates, mit dessen Gehäuse die Wellendrehvorrichtung fest verbunden ist, eine hydrostatische Lagerung zur Zentrierung in bezug auf die Überholkupplung aufweisen soll. Dies kann durch geeignete Ausgestaltung des Lagers erreicht werden.

[0007] Besonders einfach wird das Anfahren eines Turbosatzes bei einer Ausführung gemäß dem Anspruch 3. Dabei wird der Hydrogetriebemoter mit der Ölversorgung des ohnehin notwendigen Wellenanhebesystems verbunden. Das Wellenanhebesystem läßt die Welle durch Zuführung von unter hohem Druck, beispielsweise 180 bar, in den unteren Bereich der Wellenlager aufschwimmen, wodurch erst ein Drehen der Welle möglich wird. Bei gleichzeitiger Versorgung des Hydrogetriebemotors aus der Ölversorgung des Wellenanhebesystems wird der Anfahrvorgang besonders einfach, da der Hydromotor auch gerade dann anläuft, wenn die Welle aufschwimmt. Zur Regelung des Hydrogetriebemotors kann eine verstellbare Drossel vorgesehen werden, welche zunächst beim Losbrechen der Welle den vollen Druck des Ölsystems zum Hydromotor gelangen läßt, jedoch anschließend ein zu schnelles Drehen verhindert. Ggf. kann auch ein sogenanntes Stromregelventil statt der Drossel verwendet werden, was den Vorteil hat, daß die Motordrehzahl bei allen Lastzuständen etwa konstant bleibt. Bei reiner Drosselregelung steigt bzw. fällt die Motordrehzahl bei Laständerungen. Durch eine zusätzliche Absperrarmatur kann die Wellendrehvorrichtung vom Wellenanhebesystem ggf. getrennt werden, z. B. um Einstellarbeiten durchzuführen.

[0008] Gemäß Anspruch 4 wirdweiterhin vorgeschlagen, daß die Ölzuleitung des Hydrogetriebemotors mit dem Schmierölsystem des Turbosatzes in Verbindung stehen soll, vorzugsweise über eine verstellbare Drossel und ein Rückschlagventil. Im Überholfall, wenn der Hydrogetriebemotor nicht mehr gebraucht wird, kann es zur Verhinderung von Lagerschäden nötig sein, wie an sich bekannt ist, den Hydromotor langsam weiterdrehen zu lassen. Dies kann durch eine Anbindung an das Schmierölsystem, welches nur einen geringen Druck von beispielsweise 2 bar hat, erreicht werden. Durch geeignete Einstellung einer Drossel kann dabei die Leerlaufdrehzahl vorgewählt werden. Die Einbindung des Hydrogetriebemotors in das Wellenanhebe- bzw. Schmierölsystem erfordert im allgemeinen keine Zusatzaggregate, da einerseits der Ölverbrauch des Hydromotors relativ klein ist, und andererseits die Systeme in den meisten Fällen genügend groß ausgelegt sind. In Einzelfällen kann eine Änderung der Dimensionierung dieser Ölversorgungssysteme nötig sein.

[0009] Auch die zusätzliche, der Zentrierung dienende hydrostatische Lagerung des vordersten Lagers, kann im allgemeinen aus der Ölversorgung des Wellenanhebesystems gespeist werden, ohne daß es umfangreicher weiterer Änderungen bedarf. Mit dem Aufschwimmen der Welle wird dann das vorderste Lager hydrostatisch zentriert, wodurch eine einwandfreie Funktion der Überholkupplung sichergestellt wird.

[0010] Handelsübliche Hydrogetriebemotore sind bereits intern mit einem Schmiersystem versehen, welches das Lecköl des Hydromotors dem Getriebe zur Schmierung zuführt und erst dann zu einem Auslaß weiterleitet. Gemäß Anspruch 6 wird für die vorgeschlagene Anordnung zusätzlich vorgeschlagen, daß das aus dem Getriebe des Hydrogetriebemotors austretende Öl mit einem Ölzulauf der Überholkupplung in Verbindung steht, so daß das Lecköl des Hydrogetriebemotors nicht nur das Getriebe, sondern auch anschließend die Überholkupplung schmiert. Auch die bisher beschriebenen Ausgestaltungen zeigen, daß die erfindungsgemäße Wellendrehvorrichtung keine zusätzlichen Aggregate und nur in sehr geringem Umfang zusätzliche Leitungen und Steuereinrichtungen benötigt.

[0011] Die Ansprüche 7 und 8 beschreiben den genauen Aufbau der Überholkupplung, welche anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird. Hinzuweisen ist darauf, daß die Überholkupplung in Überholfall vollständig trennt, so daß dann kein mechanischer Verschleiß auftritt.

[0012] Die Ansprüche 9, 10 und 11 betreffen Verfahren zum Betrieb der bisher beschriebenen Vorrichtung mit ihren verschiedenen Ausgestaltungen. Die Einfachheit der dabei auszulösenden Vorgänge ermöglicht problemlos eine Automatisierung des Anfahrvorganges, da die Funktion des Hydrogetriebemotors von den übirgen ohnehin schon benötigten Systemen vollständig abhängt und keine gesonderten regelungstechnischen Maßnahmen erfordert.

[0013] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 einen Längsaxialschnitt durch das vorderste Lager der Welle eines Turbosatzes und eine daran befestigte Überholkupplung mit Hydrogetriebemotor und

Fig. 2 die Einbindung der erfindungsgemäßen Wellendrehvorrichtung in die vorhandenen Ölversorgungssysteme eines Turbosatzes.

[0014] In Fig. 1 ist die Anbindung einer Wellendrehvorrichtung an das vorderste Ende einer Welle 1 eines Turbosatzes in einem Längsaxialschnitt dargestellt. Im vorliegenden Falle ist das vorderste Aggregat auf dem Wellenstrang des Turbosatzes die Hauptölpumpe 2, deren Umrisse angedeutet sind. Dementsprechend ist das vorderste Lager 3 der Welle 1 ein Lager der Hauptölpumpe 2, was jedoch für das Prinzip der Erfindung nicht von entscheidender Bedeutung ist. Dieses vorderste Lager 3 der Welle 1 ist, wie auch die übrigen Lager, mit einem Öleinlaß 5 versehen, so daß durch Einspeisung von Öl in den Lagerteil 3a eine hydrodynamische Schmierung der Welle möglich ist. Zusätzlich ist dieses Lager, im Gegensatz zu den übrigen im Wellenstrang, mit einem zusätzlichen Lagerteil 3b und einer Öleinspeisung 4 versehen, welche der hydrostatischen Zentrierung dienen. Auf dem aus dem Lager 3 herausragenden äußersten Ende der Welle 1 ist der Innenring 6 der Überholkupplung befestigt, vorzugsweise mit einer Mutter 9 festgeschraubt. Der Außenring 7 der Überholkupplung kann über Klemmkörper 8 mit dem Innenring verbunden werden, wobei die Klemmkörper mit dem Innenring 6 umlaufen und im Überholfall bei höheren Drehzahlen des Innenringes 6 einschwenken, so daß kein Verschleiß am Außenring 7 und den Klemmkörpern 8 auftritt. Der Außenring 7 ist mit der Welle 14, vorzugsweise einer Profilwelle, über einen entsprechenden Profilwellenflansch 13 und einen Haltering 10 verbunden, im dargestellten Falle verschraubt. Haltering 10 und Profilwellenflansch 13 sind durch Kugellager 11 in einem Gehäuse 12 gelagert. Das Gehäuse 12 selbst ist über das Lagergehäuse mit dem Gehäuse des vordersten Lagers bei der Welle 1 verbunden und so aufgesetzt bzw. angeschraubt, daß Relativbewegungen zwischen beiden nicht möglich sind. An das Gehäuse 12 der Überholkupplung ist der Hydromotor 16 mit seinem integrierten Getriebe 15 ebenfalls fest angeschraubt, so daß beide ohne zusätzliche Halterung vom Gehäuse 12 der Überholkupplung getragen werden. Die Ölversorgung des Hydromotors 16 erfolgt über eine Ölzuleitung 17, die Entsorgung über eine Ölablaufleitung 18. Das Lecköl des Hydrogetriebemotors versorgt zunächst intern das integrierte Getriebe 15 und gelangt von dort über einen Leckölauslaß 19 und eine Ölleitung 20 zur Überholkupplung, die im Innern einen Ölzulauf 21 zum Profilwellenflansch aufweist. Der Profilwellenflansch 13 wiederum besitzt einen Ölsammelkragen 22, in welchem das zulaufende Öl unter Einwirkung der Schwerkraft gesammelt und durch Ölablaufbohrungen 23 den Klemmkörpern 8 und den Kugellagern 11 zugeleitet wird, bis es zu einem nicht dargestellten Ablauf gelangt. Handelsübliche Überholkupplungen, welche im vorliegenden Fall eingesetzt werden können, sind relativ empfindlich gegen Exzentrizitäten von Innenring 6 und Außenring 7. Eine bei Versuchen verwendete Kupplung schaltete einwandfrei bis zu Exzentrizitäten zwischen Außen- und Innenring von 0,25 mm (Rundlaufabweichung 0,5 mm). Da auch Fertigungstoleranzen der Teile 3, 2, 12, 11 und 10 zu berücksichtigen sind, so muß die tatsächliche Exzentrizität jedoch stets kleiner sein als etwa die Hälfte des Lagerspiels zwischen 1 und 3. Damit wird andererseits auch Lagerschäden durch exzentrischen Kupplungseingriff vorgebeugt. Das max. Lagerspiel wird durch den steigenden Ölverbrauch auf 0,4 mm begrenzt.

[0015] Die Forderung nach Begrenzung der Exzentrizität auf die Hälfte des Lagerspiels kann nicht ohne Zusatzmaßnahmen eingehalten werden. Ein zusätzlich in das vorderste Lager 3 integriertes hydrostatisches, selbstzentrierendes Lager 3b kann jedoch das Wellenende mit dem Innenr 6 der Überholkupplung so gut zentrieren, daß bei normalem Lagerverschleiß keine oberhalb der Toleranzgrenze liegenden Exzentrizitäten auftreten. Da ansonsten die gesamte Wellendrehvorrichtung alle Bewegungen des vorderen Lagergehäuses vollständig mitmacht, müssen weitere Faktoren nicht berücksichtigt werden.

[0016] Fig. 2 zeigt die erfindunsgsgemäße Einbindung der Wellendrehvorrichtung in die vorhandenen Ölsysteme. Die Ölversorgung 30 des Wellenanhebesystemes, die beispielsweise einen Druck von etwa 180 bar aufweist, speist einerseits die Zuleitungen 31, 32 zu den einzelnen Lagern der Welle 1 und andererseits die Ölzuleitung 33, 17 zum Hydromotor 16. Durch regelbare Drosselventile 34, 37 läßt sich die Aufteilung der Ölmengen auf Pumpenlager und Hydromotor einstellen, wobei beim Anfahren zunächst der volle Druck zum Hydromotor gelangt. Ein Druckmeßgerät 35 und eine Absperrarmatur 36 zum Absperren des Hydromotors können vorgesehen werden. Ferner kann die Ölzuleitung 17 des Hydromotors über ein Rückschlagventil 40 und eine regelbare Drossel 39 zusützlich mit dem Schmierölkreislauf 38 des Turbosatzes verbunden sein, der beispielsweise einen Druck von etwa 2 bar aufweist. Nach Abschalten der Ölzufuhr 30 des Wellenanhebesystems öffnet dann das Rückschlagventil 40 und versorgt den Hydromotor 16 mit Ö1 unter geringem Druck, wodurch ein langsames Weiterdrehen zur Vermeidung von Lagerschäden bewirkt wird.

[0017] Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch einen besonders einfachen, platzsparenden Aufbau aus und benötigt kleine zusätzlichen Steuer- und Regelorgane beim Anfahrbetrieb. Hydrogetriebemotor und Überholkupplung können handelsübliche Bauteile sein, wobei für unterschiedliche Drehmomente unterschiedlich starke, aber ansonsten gleichartig aufgebaute Hydromotoren mit entsprechenden Überholkupplungen eingesetzt werden können. Ein Auswechseln des Hydromotors ist bei laufender Welle relativ leicht möglich, eine Nachrüstung mit dem System bei vorhandenen Turbosätzen mit nur geringem Aufwand verbunden.

[0018] Hingewiesen sei auch darauf, daß bei der erfindungsgemäßen Drehvorrichtung während des Turnbetriebes eine Abschaltung der Vollast-Hilfsölpumpen nach Abkühlung der Turbine möglich ist, da dann alle Lager und der Hydromotor vom Wellenanhebesystem versorgt werden können.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Drehen der Welle (1) eines Turbosatzes, wobei die Welle (1) in mehreren Lagern gelagert ist, wobei die Lager vorzugsweise hydrodynamische Lager mit zusätzlichen Öleinlässen eines Wellenanhebesystems sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hydrogetriebemotor (15, 16) unter Zwischenschaltung einer Überholkupplung (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) an der Stirnwand des vordersten Lagers (3) der Welle (1) befestigt ist, wobei die Überholkupplung (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) die Welle (1) des Turbosatzes und die Welle (14) des Hydrogetriebemotors (15, 16) kuppelt bzw. im Überholfall trennt.

2.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überholkupplung (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) durch Wälzlager (11) und die Welle (1) des Turbosatzes durch hydrodynamische Lager gelagert sind, wobei das vorderste Lager (3) der Welle (1) eine zusätzliche hydrostatische Lagerung (3b, 4) zur Zentrierung in bezug auf die Überholkupplung (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölzuleitung (17) des Hydrogetriebemotors (15, 16) mit der Ölversorgung (30) des Wellenanhebesystems in Verbindung (33) steht, vorzugsweise über eine verstellbare Drossel (37) und eine Absperrarmatur (36).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölzuleitung (17) des Hydrogetriebemotors (15, 16) mit dem Schmierölsystem (38) in Verbindung steht, vorzugsweise über eine verstellbare Drossel (39) und ein Rückschlagventil (40).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche hydrostatische Lagerung (3b, 4) direkt mit der Ölversorgung (30) des Wellenanhebesystems in Verbindung steht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leckölauslaß (19) des Hydrogetriebemotors (15, 16) mit einem Ölzulauf (21) der Überholkupplung (6, 7, 8. 9, 10, 11, 12) in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überholkupplung (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) einen auf der Welle (1) des Turbosatzes befestigten Innenring (6) und einen außen in einem Gehäuse (12) kugelgelagerten (11) Außenring (7) aufweist, der über einen Profilwellenflansch (13) mit der Profilwelle (14) des Hydrogetriebemotors (15, 16) verbunden ist, wobei Klemmkörper (8) den Außenring (7) mit dem Innenring (6) bis zum Überholfall lösbar verbinden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilwellenflansch (13) einen Ölsammelkragen (22) aufweist zum Auffangen von Öl aus dem Ölzlauf (21), wobei Bohrungen (23) als Abfluß für das Öl in Richtung Klemmkörpern (8) und Kugellager (11) vorhanden sind.

9. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydrogetriebemotor (15, 16) gleichzeiting mit dem Wellenanhebesystem aus dessen Ölversorgung (30), vorzugsweise über eine verstellbare Drossel (37), gespeist wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das der Überholkupplung (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) benachbarte Lager (3) der Welle (1) durch zusätzliche Öleinspeisung zur hydrostatischen Lagerung, vorzugsweise aus der Ölversorgung (30) des Wellenanhebesystems in bezug auf die Überholkupplung zentriert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Lagerschäden der Hydrogetriebemotor (15, 16) im Überholfall nicht ganz abgeschaltet, sondern durch Anschließen an das Schmierölsystem (38) mit niedrigem Druck langsam weitergedreht wird.

Zeichnung