AT390129B - Hydrodynamische gleitlageranordnung fuer drehende lagerzapfen bzw. wellenzapfen - Google Patents

Description

Nr. 390 129

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Gleitlageranordnung für insbesondere schnell drehende Lagerzapfen bzw. Wellenzapfen mit kippbar an einem äußeren Haltering abgestützten Lagersegmenten, von welchen mindestens eines als Spannsegment zu selbsttätiger Anpassung des Lagerspiels bzw. Schmiermittelfilms so ausgebildet ist, daß der Druck an dem an ihm gebildeten Schmierspalt mittels Anordnung eines Speisekanals durch die Gleitfläche des Segmentkörpers im Spannsegment hindurch in eine am Segmentkörper gebildete rückwärtige Druckkammer geleitet wird.

Bei einem aus DE-PS 20 40 798 bekannten Kippsegment-Radialgleitlager dieser Art weist die am Segmentkörper gebildete rückwärtige Druckkammer keine Abdichtung auf, so daß das von der Gleitfläche des Segmentkörpers her in diese rückwärtige Druckkammer geleitete Schmiermittel mehr oder weniger Undefiniert abfließen kann. Es soll bei diesem bekannten Kippsegment-Radialgleitlager lediglich ein freies Schwimmen des Kippsegmentes zwischen zwei Ölfilmen hervorgerufen werden, um die Reibungsverluste in dem Gleitlager minimal zu halten. Ein reproduzierbares, selbsttätiges Anpassen der hydrodynamischen Gleitlageranordnung, insbesondere der Weite ihrer Schmierspalte an den jeweiligen Betriebszustand, ist bei diesem bekannten Kippsegment-Radialgleitlager nicht möglich.

Bei einem aus EP-PS 23 657 bekannten hydrodynamischen Gleitlager ist jedes der Segmente mit einer rückwärtigen kugeligen Ringfläche auf einer eine Druckentlastungskammer umgebenden entsprechenden Abstützfläche gelagert. Die Druckentlastungskammer steht zwar über eine Verbindungsbohrung mit dem am jeweiligen Segment bildenden Schmierspalt in Verbindung, je zusätzlich noch mit einer Druckmittelpumpe. Das in die Druckentlastungskammer unter Druck eingeführte hydraulische Druckmittel tritt zwischen die beiden kugeligen Abstützflächen und fließt von dort in Undefinierter und nicht reproduzierbarer Menge ab, so daß an diesen Abstützflächen kein reproduzierbares, selbsttätiges Anpassen der hydrodynamischen Gleitlageranordnung an den jeweiligen Betriebszustand stattfindet. Allerdings sind gemäß EP-PS 23 657 bei einem Segment die Abstützfläche und die Druckentlastungskammer in ihrer Gesamtheit an einem radial verstellbaren Hydraulikkolben gebildet Die mit diesem Hydraulikkolben zusammenwirkende Druckkammer ist jedoch nicht an denjenigen Schmierspalt angeschlossen, der am eigenen Lagersegment gebildet ist, sondern an eine Druckentlastungskammer eines anderen Lagersegmentes, sowie an die zusätzliche Druckmittelpumpe und an Steuerleitungen zum Steuern dieser Druckmittelpumpe. Insgesamt wird somit ein kompliziertes Druckmittelsystem gebildet, in welchem nur dadurch einigermaßen reproduzierbare Druckverhältnisse aufrechterhalten werden können, daß eine aufwendige Druckmittelsteuerung an der das System beschickenden Druckmittelpumpe vorgesehen wird.

Mit Lagersegmenten ausgebildete hydraulische Radialgleitlager, bei welchen die Lagersegmente mit kugeliger Stirnfläche ausgebildete Abstützzapfen aufweisen, sind auch aus der US-PS 36 10 711 bekannt. Diese Abstützzapfen sind aber lediglich rückseitig in die Lagersegmente eingesetzt und haben keine mit Schmiermittel beschickte Druckkammer, also keinerlei Bedeutung in Verbindung mit einer Schmiermittel aus dem Schmierspalt des Lagers aufnehmenden, aufgrund des im Schmierspalt herrschenden Druckes gesteuerten Einrichtung.

In der US-PS 3 675 977 wird ein hydrostatisches Radiallager mit mehreren Segmenten beschrieben, die paarweise miteinander verbunden sind, um eine vernünftige Lastverteilung zu erreichen. Das gesamte System ist aber ohne eine Fremdölversorgung nicht funktionsfähig, d. h. die Arbeitsweise ist nicht hydrodynamisch. Wie insbesondere aus den Fig. 4 und 5 zu ersehen, sind zusätzliche Steuerleitungen vorgesehen, die an einer externen Druckmittelpumpe angeschlossen sind. Es handelt sich also um ein hydrostatisches Gleitlager mit Fremdspeisung, bei welchem jeweils zwei Segmente miteinander verbunden sind, um die Traganteile festzulegen.

In der US-PS 4 490 054 wird eine Hybrid-Lagerung mit Radialkippsegmenten beschrieben. Die Radialkippsegmente erlauben, daß mit Hilfe einer Ölpumpe das Lager zusätzlich belastet werden kann. Auch dieses System ist nur funktionsfähig, wenn es an einer Fremdölversorgung angeschlossen ist

Bei allen oben erörterten hydrodynamischen Gleitlageranordnungen tritt insbesondere bei schnell drehenden Wellenzapfen, wie beispielsweise bei Turbinenwellen, das Problem auf, daß die Welle bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten zum Schwingen neigt Dieses Problem läßt sich nicht immer mit den bekannten Zwei- bzw. Mehrflächengleitlagem beherrschen. Zudem sind die bekannten hydrodynamischen Gleitlager der oben angegebenen Art, insbesondere solche für schnell drehende Wellenzapfen, in ihrem mechanischen Aufbau relativ aufwendig und somit kostenintensiv. Trotz ihres großen technischen Aufwandes sind sie nur bedingt in der Lage, die oben genannten Schwingungen unter Kontrolle zu bringen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine hydrodynamische Gleitlageranordnung der oben angegebenen Art so zu verbessern, daß auf einfache Weise die oben genannten Schwingungen unter Kontrolle gebracht werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Druckkammer begrenzt ist durch die Wandung einer auf der Rückseite des Spannsegmentkörpers befindlichen Kammer und durch einen in dieser Kammer abgedichtet geführten, rieh gegen den Haltering abstützenden Spannkolben.

Gemäß der Erfindung wird ein Spannkolben mit dem an einer ausgesuchten Stelle der Gleilfläche des eigenen Segementes herrschenden Schmiermitteldruck beaufschlagt, wobei außer dieser einen Verbindung kein anderer Zulauf oder Ablauf für Schmiermittel an der Druckkammer vorhanden ist. Durch diese Anordnung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Dicke des Schmiermittelfilms am Spannsegment nahezu konstant bleibt, und zwar unabhängig von den Betriebsparametern, wie z. B. spezifische Belastung, Größe der Umfangsgeschwindigkeit, Viskosität des Schmierstoffes und Wärmedehnung. 2-

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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin von Vorteil, daß die Regelung des Druckers am Spannkolben ausschließlich selbsttätig aus dem Schmierspalt heraus erfolgt und somit keine übergeordnete, d. h. zusätzliche fremde Regeleinheit notwendig ist. Vielmehr entsteht gemäß der Erfindung die durch die Konstruktion vorgegebene Schmierfilmdicke am Spannsegment durch eine sich selbsttätig verstellende Druckwaage, die zwischen der herrschenden Aktionskraft im Schmierspalt und der Reaktionskraft am Spannkolben reproduzierbar aufgebaut wird. Hiedurch werden die Auswirkungen der Änderungen der vorstehend genannten Betriebsparametra' überraschend auf einfache Weise wirkungsvoll ausgeglichen.

Eine Schwingungserregung durch das Kolbensystem läßt sich in einfacher Weise dadurch vermeiden, daß die zur Druckkammer des Spannkolbens führenden Querschnitte der Speisekanäle im Vergleich zur Gleitfläche des Spannsegments klein sind, beispielsweise maximal 5 % der Gleitfläche betragen.

Die erfindungsgemäße Gleitlageranordnung kann kostengünstig und ohne großen technischen Aufwand in Kippsegment-Gleitlager vorgesehen werden, da keine engen Toleranzen mehr erforderlich sind.

Die Stützkontur des Spannkolbens kann kugelig sein. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Spannkolben eine umlaufende Schulter zur Anlage eines Dichtungsringes aufweisen. Hiedurch wird in einfacher Weise der unerwünschte seitliche Abfluß auch geringer Mengen von Schmiermittel aus der Druckkammer des Spannkolbens unterbunden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Kippsegment-Gleitlageranordnung im Schnitt, Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung der Fig. 1 im Bereich des Spannsegmentes, Fig. 3 ein Diagramm einer möglichen Druckverteilung auf die gesamte Länge eines Schmierspaltes sowie beispielhaft zwei mögliche Positionen des Speisekanals, Fig. 4 ein Spannsegment in perspektivischer Explosionsdarstellung.

Die Fig. 1 zeigt eine Kippsegment-Gleitlageranordnung zur Lagerung einer rotierenden Welle (1) mit drei Lagersegmenten, von denen die beiden Tragsegmente jeweils mit (2) und das eine Spannsegment in seiner Gesamtheit mit (3) bezeichnet sind. Wie die Fig. 1 verdeutlicht, sind die Segmente (2) und (3) in ihrem Aufbau und, wie noch erläutert wird, auch in ihrer Funktionsweise verschieden.

Bei den Tragsegmenten (2) handelt es sich um normale Lagersegmente, welche durch am Haltering (4) befindliche, in die Fixierbohrungen (5) greifende Fixierstifte (6) arretiert werden. Ihre Gleitflächen sind mit (7) bezeichnet.

Das Spannsegment (3), wie insbesondere Fig. 2 und 4 zeigen, besteht im wesentlichen aus einem Segmentkörper (8) mit Gleitflächen (7') und dem Spannkolben (9). Im Segmentkörper (8) ist eine Kammer (10) ausgebildet, in welcher sich der Spannkolben (9) befindet Wie die Figuren weiterhin zeigen, besitzt der Spannkolben (9) einen Freiraum (11) sowie eine umlaufende Schulter (12), an welcher ein Dichtring (13) anliegt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird durch den Spannkolben (9) und den Segmentkörper (8) eine Druckkammer (14) gebildet, in welche ein durch die Gleitfläche (7') hindurchgehender, außermittig zur Mitte (21) angeordneter Speisekanal (15) endet Spannkolben (9) und Segmentkörper (8) werden durch die miteinander korrespondierenden Elemente wie Fixierstift (16) und Fixierbohrung (17) in verdrehsicherer Position zueinander gehalten. Die Arretierung des Spannkolbens (9) am Haltering (4) erfolgt wie bei den Tragsegmenten (2) auch hier durch einen Fixierstift (6), welcher in eine Bohrung (5) eingreift Die Drehrichtung der Welle (1) ist durch den Pfeil (18) angedeutet, und der Schmierspalt ist mit (20) bezeichnet.

Funktion und Arbeitsweise des Spannsegments (3) ist nachstehend beschrieben: Sobald die Welle (1) in eine rotierende Bewegung versetzt wird, baut sich selbsttätig ein hydrodynamischer Schmierstoffilm (22) im Schmierspalt (20) auf. Hierbei fließt solange Schmierstoff durch den Speisekanal (15) in die Druckkammer (14), bis diese gefüllt ist und die Kraft auf den Segmentkörper (8), d. h„ Aktionskraft und Reaktionskraft auf beiden Seiten gleich ist. Wie bekannt und wie in Fig. 3 dargestellt, ist der hydrodynamische Druck im Schmierspalt (20) im Anfang- und Endbereich seiner Länge (L) geringer als in der Mitte (21) der Gleitfläche (71). Es hat sich deshalb als vorteilhaft herausgestellt, den Speisekanal (15) im Bereich des Druckanstiegs bzw. den Speisekanal (15) im Bereich des Druckabfalls des Schmierspaltes (20) - bezogen auf die Drehrichtung (18) - vorzusehen. Durch diese Maßnahme werden weitestgehend die Einflüsse der Betriebsparameter vermieden. Als günstig hat es sich erwiesen, wenn der Abstand (23,23') des Speisekanals (15,15') von der Mitte (21) (= 50 % von Schmierspaltlänge (L)) der Gleitfläche (7') des Segmentkörpers (8) mindestens 10 % der Gleitflächenlänge ist, max. 40 %. Links in Fig. 3 ist der Speisekanal (15) bei 82 % von Schmierspaltlänge (L) eingezeichnet, das entspricht 82 - 50, nämlich 32 % außermittig zur Mitte (21). Der Speisekanal (15) ist hier also im besonders stark abfallenden Druckbereich angeordnet.

Rechts in Fig. 3 ist alternativ die Position des Speisekanals (15') bei 16 % der Länge (L) des Schmierspaltes (20) angedeutet. Das entspricht einer Außermittigkeit von 50 -16, d. h. 34 %.

Die optimale Lage des Speisekanals (15,15') ist allerdings schlußendlich abhängig von der jeweiligen Schmierspaltgeometrie, der Spannkolbengiöße und der gewünschten Schmierspaltdicke.

Die Fig. 4 zeigt die Ausführung des Spannsegmentes (3) nach Figuren 1 und 2. Die Oberfläche (24) des Spannkolbens (9) ist hier kugelig ausgeführt, während es genügen kann, wenn die Oberfläche (25) des Segmentkörpers (8), wie dargestellt, zylindrisch ausgeführt ist.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung flüssiger Schmierstoffe beschränkt, sondern es können auch -3-

Claims (3)

1. Nr. 390 129 gasförmige Schmiermittel, wie z. B. Luft, Anwendung finden. Es können auch Lager Anwendung finden, die mehr als ein Spannsegment (3) enthalten, die sowohl radial als auch axial angeordnet sein können. Ebenso kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform ein Spannsegment (3) mit mehreren Spannkolben (9) ausgebildet sein. PATENTANSPRÜCHE 1. Hydrodynamische Gleitlageranordnung für insbesondere schnell drehende Lagerzapfen bzw. Wellenzapfen mit kippbar an einem äußeren Haltering abgestützten Lagersegmenten, von welchen mindestens eines als Spannsegment zu selbsttätiger Anpassung des Lagerspiels bzw. Schmiermittelfilms so ausgebildet ist, daß der Druck in dem an ihm gebildeten Schmierspalt mittels Anordnung eines Speisekanals durch die Gleitfläche des Segmentkörpers im Spannsegment hindurch in eine am Segmentkörper gebildete rückwärtige Druckkammer geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (14) begrenzt ist durch die Wandung einer auf der Rückseite des Spannsegmentkörpers (8) befindlichen Kammer (10) und durch einen an dieser Kammer abgedichtet geführten, sich gegen den Haltering (4) abstützenden Spannkolben (9).
2. 2. Gleitlageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkontur (26) des Spannkolbens (9) kugelig (Oberfläche (24)) ist (Fig. 2,4).
3. 3. Gleitlageranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannkolben (9) eine umlaufende Schulter (12) zur Anlage eines Dichtungsringes (13) aufweist (Fig. 2). Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -4-