Gasgeschmierte WeHenlagerumg Die Erfindung bezieht sich auf eine gasge schmierte Wellenlagerung, besonders für die Welle von hochtourigen Maschinen mit Rotoren von ver hältnismässig geringem Gewicht, etwa von Expan sionsturbinen mit einer Drehzahl von beispielsweise <B>10 000</B> bis 200<B>000</B> min-, und mehr und mit bei spielsweise sehr kleinem Rotor, dessen Durchmesser gegebenenfalls nur wenig grösser, gleich oder sogar kleiner als der Wellendurchmesser ist. Die Erfindung besteht darin, dass mindestens ein zwischen dem festen Lagerteil und der drehenden Welle ange brachtes, zur Aufnahme der Welle gerundetes, wäh rend des Betriebes im Lagergas schwebendes Trag glied für die Welle vorgesehen ist.
Das Zwischen- tragglied ist vorteilhaft in gewissen Grenzen in Achsrichtung gesichert, im übrigen aber so gelagert, dass zwischen Welle und Zwischentragglied sowie zwischen diesem und dem festen Lagerteil ein Spiel vorhanden ist, welches sich während des Betriebes dahin auswirkt, dass das Zwischentragglied im La gergas schwebt. Während der Betriebsruhe wird dann die Welle an einer Stelle ihres Umfangs auf dem Zwischentragglied und dieses auf dem festen Lager teil aufliegen; wenn es sich um eine horizontale Lagerung handelt, liegen dann die Teile während der Betriebsruhe infolge der Schwerkraft jeweils unten aufeinander.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die bei einer Wellendrehzahl von etwa dem doppelten Betrag der kritischen Lagerfrequenz (Lager-Eigen- frequenz) eintretende Zusatzrotation der ausgebo genen Wellenachse um die Lagerachse zu vermeiden bzw. in einen so hohen Drehzahlbereich zu verlegen, dass bei den in Betracht kommenden Betriebszahlen der Welle keine Zusatzrotation entfacht werden kann. Wird demnach dafür gesorgt, dass die kritische Frequenz (Eigenfrequenz)<B>-</B> no des Lagers genügend hoch ist, so lässt sich die Zusatzrotation vermeiden.
Die kritische Lagerfrequenz ist von der Elastizität des Gaslagers und von der Masse des in dem Lager schwingenden Teils, also der in dem Lager etwa eine Zusatzrotation ausführenden Welle abhängig, und zwar ist
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wobei M die Masse der Welle bzw. des ganzen Ro tors ist. (Die die Zusatzrotation ausführende Welle bzw. der Rotor lässt sich mit einem zwischen zwei Federn gehaltenen Oszillator vergleichen, der ge dämpfte harmonische Translationsschwingungen aus führt.
Den Federn entspricht das Gaspolster des La gers und dem Oszillator die Welle bzw. der Ro tor.) Fügt man zwischen den festen Lagerteil und die Welle ein Zwischentragglied für die Welle ein, das ebenfalls ira Gas schwebt und im Vergleich zu der Welle bzw. dem Rotor eine geringere Masse m be sitzt, so wird die kritische Frequenz des aus Welle und Zwischentragglied bestehenden Lagers
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(Welle und Zwischentragglied lassen sich nun mehr mit zwei über eine Feder miteinander gekop pelten Oszillatoren oder Pendeln vergleichen,
von denen eines die grössere Masse M und das andere die kleinere Masse m besitzt. Dem Pendel mit Masse M -entspricht die Welle, dem mit Masse m das Zwischentragglied, und der Feder zwischen bei den das zwischen Welle und Zwischentragglied gebil dete Gaslager.) Ist die Masse des Zwischentraggliedes klein im Vergleich zu der der Welle, also M <B> < </B> M, so wird die kritische Lagerfrequenz no überwiegend durch die geringere Masse des Zwischentraggliedes bestimmt und damit verhältnismässig hoch. Die Zu satzrotation entsteht dann erst bei relativ hoher Wellendrehzahl.
Die Verhältnisse lassen sich im all gemeinen so gestalten, dass die Betriebsdrehzahl unterhalb davon liegt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung mit einem einzigen Zwischentragglied ist das Zwischen- tragglied eine die Welle umschliessende Büchse, die in dem festen Lagerteil auf Druckgas gelagert ist, welches durch in dem Lagerteil enthaltene Kanäle zugeführt ist. Die Zwischenbüchse kann während des Betriebes im allgemeinen selbst umlaufen, und zwar mit einer kleineren Drehzahl als die Welle.
Die Welle kann in der Büchse von der dynamischen, auf .,ergases zustandekom- Grund der Viskosität des Lag menden Kraft des zwischen Welle und Büchse ein <B>-</B> saugten Gases oder durch die Druckkraft von unter ge überdruck eingeführtem Lagergas getragen sein. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung be sitzt die Zwischenbüchse Kanäle zum Zuführen des Druckgases in das Büchseninnere, wo das Gas zur Lagerung der Welle selbst benutzt ist. Das Gas dringt dann zum Teil auf Grund seines Druckes, zum Teil auf Grund der Drehung der Welle durch die Zuführkanäle der Büchse zwischen Welle und Büchse hinein.
Bei einer Bauart der Erfinduno, ist die Zwischen büchse gegen Drehung gesichert, jedoch radial be weglich. Hierbei können wiederum ZufOrkanäle in der Zwischenbüchse enthalten sein, durch die ent weder das äussere Lagerdruckgas oder unter anderem Druck, gegebenenfalls Atmosphärendruck, stehendes Gas in die Büchse zur Lagerung der Welle eingeleitet bzw. -gesaugt wird.
Die Zuführkanäle beginnen beispielsweise unmit telbar gegenüber der innern Mündung der in dem festen Lagerteil befindlichen Zuführkanäle.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Zwischentraggliedern sind die Zwischen- tragglieder in Ausnehmungen des festen Lagerteils untergebrachte, über den Wellenumfang verteilt an geordnete Segmente, die auf Druckgas gelagert sind, welches durch in dem festen Lagerteil enthaltene Kanäle zugeführt ist. Während bei der die Welle umschliessenden Zwischenbüchse im Fall einer Zu satzrotation die Büchse als Ganzes ausweichen kann, vermag bei dem Beispiel mit mehreren Zwischen segmenten jedes Segment einzeln auszuweichen.
Vorteilhaft sind jede in dem festen Lagerteil an- aebrachte Ausnehmung und das zugehörige Zwi- C schensegment an den einander zugekehrten Flächen zylindrisch gestaltet, und die Achse der Zylinder fläche ist parallel zur Lagerachse gestellt. Dabei liegt zweckmässig die Achse jeder Zylinderfläche etwa auf der der Welle zugekehrten Tragfläche jedes Zwischensegments. Die Zwischensegmente kön nen sich dann im Rahmen ihrer Ausweichbewegung um ihre Mittelachse drehen.
Die Zwischensegmente können Kanäle zum Zu führen von Lagergas für die Welle selbst besitzen. Es wird dann auch zwischen Segmente und Welle Druckgas, gegebenenfalls das zwischen Segmente und festem Lagerteil eingeleitete Druckgas geführt. Bei andern Ausführungsbeispielen kann die Trag wirkung der Welle in den Segmenten lediglich durch die dynamischen Kräfte des durch die Wellendrehung eingesaugten Gases entstehen.
Jedes Zwischensegment kann am einen Ende seiner der Welle zugekehrten Tragfläche eine achs- parallele, sich über einen Teil der Tragfläche er streckende Ausnehmung besitzen. Damit lässt sich die zur Lagerachse parallele Mittellinie der wirk samen Tragfläche jedes Segments aus der Dreh- oder Kippachse des Segments herausrücken und erreichen,
dass die Resultierende der Druckkräfte des keilförmi gen Gasspaltes zwischen Welle und Segment entspre chend einem Kippelement bei den bekannten Mi- chell-Lagern stets durch die Drehachse des Segments (bei Michell-Lagern: Kippachse) weist, so dass sich das Segment selbsttätig in eine stabile Lage stellt, in der es tragend zu wirken vermag. Bei diesem Bei spiel kann auf besondere Gaszuführkanäle in den Segmenten selbst verzichtet sein.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. <B>1</B> ist ein Vertikalschnitt in achsparalleler Richtung durch eine erste Bauart der Wellenlagerung, Fig. 2 ein zugehöriger Vertikalschnitt quer zur Achse.
Fig. <B>3</B> und 4 sind zwei entsprechende Darstellun gen durch eine zweite Bauart.
Fig. <B>5</B> ist ein Horizontalschnitt durch eine dritte Bauart und Fig. <B>6</B> eine Teildarstellung eines Horizontal schnittes durch ein weiteres Ausführungsbeispiel. In einen festen Lagerteil<B>1</B> (Fig. <B>1</B> und 2) ist eine Zwischenbüchse 2 mit Spiel eingeschoben, die eine Welle<B>3</B> mit Spiel umschliesst und in nicht darge stellter Weise gegen Verschiebung in Achsrichtung der Welle gesichert ist. Zwischen dem Lagerteil<B>1</B> und der Büchse 2 und zwischen der Büchse 2 und der Welle<B>3</B> bestehen während des Betriebes Ring spalte 4,<B>5.</B> Der Lagerteil<B>1</B> enthält Kanäle<B>6</B> zum Zuführen von unter überdruck stehendem Lagergas, z. B.
Luft, dampfförmigem Kältemittel usw. in den Spalt 4. Die Zwischenbüchse 2 kann sich während des Betriebes drehen; ihre Drehzahl wird im allge meinen beträchtlich kleiner sein als die der Welle<B>3.</B> Die Büchse 2 besitzt in Fig. <B>1</B> und 2 gestrichelt ein gezeichnete Kanäle<B>7</B> zum Weiterleiten des durch die Kanäle<B>6</B> zugeführten, unter Cberdruck stehenden Lagergases in den Spalt<B>5.</B> Bei<B>8, 9</B> tritt das Lager gas aus dem Spalt<B>5</B> aus.
In den Spalt<B>5</B> zwischen Büchse und Welle wird Gas auf Grund der Viskosität des Gases bzw. der zwischen Gas und Welle be stehenden Grenzflächenspannung (Oberflächenspan nung) und auf Grund der Drehung der Welle herein- gesaugt und die Welle wird von der dynamischen Kraft des eingesaugten Gases in der Büchse und dem festen Lagerteil<B>1</B> getragen.
Bei der Bauart nach Fig. <B>3</B> und 4 ist Büchse 2 durch einen Gewindebolzen<B>11,</B> der in den festen Lagerteil eingeschraubt ist, gegen Drehung gesichert, jedoch ist sie in radialer Richtung beweglich. Der Lagerteil<B>1</B> besitzt ausserdem Lagergas-Hauptzuführ- kanäle 12 und die Büchse 2 unmittelbar gegenüber der Mündung<B>13</B> der Kanäle 12 beginnende Weiter- leitkanäle 14, die sich in achsparallele Abschnitte<B>15</B> verzweigen, an denen die Radialkanäle <B>7</B> angeschlos sen sind.
Bei dieser Ausführungsform ist unter Druck, und zwar gegebenenfalls unter anderem Druck als das über Kanäle<B>6</B> eingeleitete Gas, stehendes Lagergas in den Spalt<B>5</B> eingeführt mit dem Unterschied, dass sich Büchse 2 nicht drehen kann.
Bei einem abgewandelten Beispiel, bei dem der Bolzen<B>11</B> weggelassen ist und Büchse 2 rotieren kann, münden die Kanäle 12 bei<B>13</B> in einen sich über den ganzen Innenumfang des Lagerteils<B>1</B> er streckenden Ringraum, aus dem die Kanäle 14,15,7 während der Rotation der Büchse 2 mit Lagergas von gegebenenfalls anderem Druck als das Gas in den Kanälen<B>6</B> gespeist sind.
Bei einer andern Ausführungsfonn ist die Büchse 2 mittels eines Keils<B>10</B> mit der Welle<B>3</B> auf Drehung gekuppelt, jedoch radial beweglich. Bolzen <B>11</B> ist in diesem Fall weggelassen. Hierbei entsteht nur zwischen dem Umfang der Büchse 2 und dem Innenumfang des festen Lagerteils<B>1,</B> also zwischen den den Spalt 4 begrenzenden Flächen eine gegen seitige Verschiebung zwischen Welle und Büchse, also zwischen den den Spalt<B>5</B> begrenzenden Flächen aber nicht. Beschädigungen infolge Berührung kön nen dann praktisch nur dahin entstehen, dass die Büchse an dem festen Lagerteil anschlägt.
Durch passende Wahl des Materials für die Büchse 2 lässt sich erreichen, dass in einem solchen Fall nur die Büchse beschädigt wird. Sie ist jedoch leicht aus wechselbar. Der feste Lagerteil<B>1</B> und insbesondere die Welle<B>3</B> bzw. der Rotor bleiben unbeschädigt.
Bei den Bauarten nach Fig. <B>1</B> bis 4 kann sich grundsätzlich, sofern Büchse 2 nicht gegen Drehung gesichert ist, in Spalt 4 sowie in Spalt<B>5</B> Druckgas oder durch Viskosität bzw. Grenzflächen- oder Oberflächenspannung eingesaugtes Gas befinden. Ist Büchse 2 gegen Drehung gesichert, so muss in Spalt 4 Druckgas eingeleitet werden.
Im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach Fig. <B>1</B> bis 4, bei denen zwischen festem Lagerteil<B>1</B> und Welle<B>3</B> ein einziges, die Welle umschliessendes Zwischentragglied eingefügt ist, sind bei der Bauart nach Fig. <B>5</B> mehrere, bei dem dargestellten Beispiel drei, über den Wellenumfang verteilt angeordnete Segmente<B>16</B> benutzt. Diese sind in zylindrischen Ausnehmungen <B>17</B> des Lagerteils<B>1</B> untergebracht, in welche die Kanäle<B>6</B> zur Zuführung von Druckgas münden.
Die Seginente sind auf den den Ausneh- mungen <B>17</B> zugekehrten und auf den der Welle<B>3</B> zu gekehrten Seiten ebenfalls mit passenden zylindri- sehen Flächen<B>18, 19</B> versehen und um die Achsen 21 der durch die Flächen<B>18</B> gebildeten Zylinder drehbar. Die Achsen 21 sind zugleich achsparallele Mittellinien der die Welle<B>3</B> tragenden Zylinder flächen<B>19.</B> Ferner besitzen die Segmente<B>16</B> Zu führungskanäle 14,<B>15, 7,</B> durch die Druckgas un mittelbar von aussen in die Spalte<B>5</B> geführt wird.
Die Kanäle<B>15, 7</B> können auch aus Spalt 4 bzw. den Kanälen<B>6</B> mit Druckgas gespeist sein, wobei dann auf die Kanäle 14 verzichtet sein kann. In dem La gerteil<B>1</B> sind schliesslich Kanäle 22 zum Abführen des Lagergases enthalten.
Während des Betriebes sind die Welle<B>3</B> und die Segmente<B>16</B> von in die Spalte<B>5,</B> 4 eingeleitetem Druckgas getragen. Wenn aus irgendeinem Grund die Welle mit ihrer Achse<B>23</B> eine Zusatzrotation um die bei der Darstellung gemäss Fig. <B>5</B> ebenfalls bei<B>23</B> liegende Lagerachse ausführen sollte, so nähert sie sich dabei wechselweise einem der<B>Seg-</B> mente<B>16.</B> Das betreffende Segment kann in diesem Fall sowohl in radialer Richtung nach aussen unter Annäherung der Flächen<B>17, 18</B> ausweichen als sich auch<B>-</B> falls sich die Welle<B>3</B> nicht gerade auf einem durch die Segmentachse 21 gehenden Radius 24, sondern daneben bewegt<B>-</B> um die Achse 21 in der einen oder andern Richtung drehen.
Wandert die Welle<B>3</B> während der Zusatzrotation etwas an der innem Tragfläche<B>19</B> des Segmentes vorbei, so ver- schwenkt sich dieses entsprechend um seine Achse 21, bis sich die Welle wieder von dem Segment unter Vergrösserung von Spalt<B>5</B> entfernt und gleich zeitig dem folgenden Segment nähert.
Bei andern Ausführungsforinen liegt die Drehachse 21 und damit die Mittelachse der Zylinderflächen <B>17, 18</B> etwas anders. Sie kann grundsätzlich auf dem durch die Achsen<B>32,</B> 21 gehenden Radius 24 lie gen, zweckmässig jedoch in einem Bereich zwischen den Punkten 20,<B>32.</B> Punkt 20 ist der Schnittpunkt der beiden an den Umfang<B>28</B> der Welle<B>3</B> bzw. an die Zylinderfläche<B>19</B> in den Endpunkten<B>35, 36</B> der Segmente<B>16</B> gelegten Tangenten<B>33,</B> 34 miteinan der, und Punkt<B>32</B> ist der Schnittpunkt von Radius 24 mit der durch die beiden Punkte<B>35, 36</B> gehenden Sekante<B>37.</B>
Bei der Bauart nach Fig. <B>6</B> besitzt jedes Segment <B>16</B> an dem einen Ende<B>25</B> seiner der Welle<B>3</B> zu gekehrten Tragfläche<B>19</B> eine Ausnehmung <B>26,</B> die achsparallel verläuft und sich über einen Teil der Tragfläche<B>19</B> erstreckt. Auf Gaszuführkanäle in dem Segment<B>16</B> ist verzichtet; Druckgas wird ledig lich in den zwischen dem nicht dargestellten Lager teil<B>1</B> und dem Segment<B>16</B> gebildeten Spalt 4 ein geleitet. In Spalt<B>5</B> wird das Gas durch seine Visko sität und infolge der Drehung der Welle<B>3</B> einge saugt.
Durch die Ausnehmung <B>26</B> wird die gemäss dem Beispiel nach Fig. <B>5</B> bei 21 liegende achsparallele Mittellinie der Zylinderfläche<B>19</B> aus der ebenfalls bei 21 liegenden Drehachse der Seginente <B>16</B> heraus in Fig. <B>6</B> nach rechts verlegt, derart, dass die Re sultierende der von dem keilförmig sich von rechts nach links verjüngenden Spalt<B>5</B> herrührenden Druck kräfte ständig durch die Drehachse 21 geht,
so dass eine entsprechend den Kippsegmenten bei Mitchell- Lagern ähnliche Tragbewegung und eine stabile Stel lung der Segmente<B>16</B> im Rahmen der um Achse 21 möglichen Drehung entsteht.
Bei der Darstellung nach Fig. <B>6</B> ist für den Fall einer Zusatzrotation der Wellenachse<B>23</B> gemäss Pfeil<B>27</B> ein Momentbild wiedergegeben, bei dem die Welle<B>3</B> mit ihrer Achse<B>23</B> aus der Lagerachse<B>A</B> herausgerückt ist. Dabei befindet sich der Umfang <B>28</B> der Welle in der ausgezogenen Stellung, während er sich, wenn die Welle keine Zusatzrotation aus führt und Achsen<B>23</B> und<B>A</B> zusammenfallen, in der gestrichelten Stellung<B>29</B> befindet. Das Segment<B>16</B> hat sich ferner um Achse 21 in die dargestellte stabile Stellung verschwenkt, in der die Tragfläche <B>19</B> die ausgezogen wiedergegebene Lage einnimmt.
Mittelachse der dieser Lage entsprechenden Zylin derfläche ist die Achse B, die aus der ursprüngli chen mit der Lagerachse<B>A</B> zusammenfallenden Lage auf dem um 21 beschriebenen Kreis<B>3 8</B> in der Figur nach rechts gerückt ist. In der ursprüng lichen, gestrichelt eingezeichneten Stellung<B>30</B> der Tragfläche<B>19</B> liegt die zugehörige Mittelachse in der Lagerachse<B>A.</B>
Bei abgewandelten Ausführungsformen sind auch in dem Segment<B>16</B> nach Fig. <B>6</B> Gaszuführungskanäle angebracht, so dass im Spalt<B>5</B> Druckgas ist. Ferner können die Zuführkanäle <B>7</B> in Zwischenbüchsen oder Seginenten statt radial schräg zu dem jeweili gen Wellendurchmesser gestellt sein.