Einrichtung zur Zufuhr des Träggases zum Lagerspalt eines aerostatischen Lagers Bei aerostatischen Lagern wird Druckgas, welches einer ausserhalb des Lagers befindlichen Quelle ent nommen wird, über eine oder mehrere Zufuhrdüsen dem Lagerspalt zugeleitet. Von den Zufuhrstellen strömt das Gas durch den Lagerspalt ab.
Die Zufuhr düsen drosseln das zuströmende Gas und haben den Zweck, die durchtretende Gasmenge zu beschränken, so dass sich der Druck im Lagerspalt in Abhängigkeit von der Grösse des Spaltes ändert und sich bei einer vorgegebenen Lagerbelastung eine bestimmte Gleich gewichtslage der Welle einstellt.
Bei den bisher bekannten Bauarten von aerostati schen Lagern wurden die Zufuhrdüsen als zylindrische Bohrungen oder parallelwandige Ringspalte ausgebil det. Bei diesen Düsen wirkt sich indessen nachteilig aus, dass bei vorgegebenem Eintrittsdruck die Durch trittsmenge verhältnismässig rasch abfällt, wenn. der Gegendruck über den kritischen Druck, bei dem in der Düse Schallgeschwindigkeit auftritt, ansteigt. Der Gegendruck entspricht aber dem Eintrittsdruck des Lagerspaltes und man ist daran interessiert,
diesen möglichst nahe dem zur Verfügung stehenden Druck der Lagergasquelle zu wählen, um eine hohe Trag fähigkeit des Lagers zu erhalten. Bei vorgegebenem minimalem Lagerspalt ist dann auch die Durchfluss- menge bestimmt und man ist infolge des Abfalles der Menge bei steigendem Gegendruck genötigt, einen verhältnismässig grossen Querschnitt für die Zufuhr düse zu wählen.
Dies bringt nicht nur den Nachteil, dass auf der Gegenseite des Lagers, an der der Spalt grösser ist, eine verhältnismässig grosse Gasmenge aus tritt, sondern beeinträchtigt auch die Stabilität, indem der Gegendruck der Düse und damit der Gasdruck im Lagerspalt auf Veränderungen der Spaltweite weniger empfindlich wird.
Die Erfindung betrifft nun eine Einrichtung zur Zufuhr des Traggases zum Lagerspalt eines aerosta- tischen Lagers, bei welchem das Gas dem Lagerspalt über eine oder mehrere Zufuhrdüsen zugeleitet wird. Erfindungsgemäss werden hierbei die erwähnten Nach teile dadurch vermieden, dass die Zufuhrdüse als Lavaldüse ausgebildet ist.
Bei diesen sich vorerst verengenden und nachher sich wieder erweiternden Düsen bleibt wie bei den zylindrischen oder parallelwandigen Düsen die Durch trittsmenge auf jenen Wert beschränkt, bei welchem im engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit herrscht.
Im Gegensatz zu den letztgenannten Düsen, bei wel chen der Gegendruck nicht über den kritischen Druck an der Mündung steigen kann, ohne dass sich die Durchtrittsmenge verringert, kann aber bei der Laval- düse auch ein den kritischen Druck weit übersteigen der Gegendruck praktisch ohne Verringerung der Durchtrittsmenge erreicht werden.
Ein Ausfühungsbeispiel des Erfindungsgegenstan- des ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Radiallager, Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Düse in grö sserem Massstab.
Fig. 4 ist ferner ein Schaubild für den Verlauf der Durchtrittsmenge durch die Düse und den Lagerspalt in Abhängigkeit vom Gegendruck der Düse.
Gemäss Fig. 1 bis 3 ist in einem Lagerträger 1 ein ringförmiger Lagerkörper 2 eingesetzt, welcher eine Welle 3 mit dem für den Durchtritt des Lager gases erforderlichen Spiel umschliesst. Der Lagerkör per 2 ist axial in seiner Mittelebene mit acht am Um fang gleichmässig verteilten radialen Bohrungen 4 ver sehen, welche sich in der Nähe der innern Oberfläche des Lagerkörpers 2 verengen.
In die verbleibende innere Öffnung jeder Bohrung 4 ist ein Düsenkörper 5 eingesetzt, dessen Düse 6 als Lavaldüse ausgebildet ist und in den in Fig. 3 mit s bezeichneten Lagerspalt zwischen Welle 3 und Lagerkörper 2 ausmündet. Die Bohrungen 4 sind durch einen am äussern Umfang des Lagerkörpers 2 eingearbeiteten Ringkanal 7 mitein ander verbunden. Der Lagerkörper 2 ist im Lager träger 1 durch Dichtungsringe 8 abgedichtet.
Das Traggas wird von einer nicht gezeigten Quelle, welche das Gas mit einem Druck po liefert, über eine Leitung 9 und eine den Lagerträger 1 radial durch querende Bohrung 10 in den Ringkanal 7 eingeführt und von diesem Kanal aus über die Bohrungen 4 und die Lavaldüsen 6 dem Lagerspalt s zugeleitet. In der Düse 6 entspannt das Gas auf den Druck pl. Nach Durchströmen des Lagerspaltes tritt das Gas in die Umgebung aus.
Die mit der beschriebenen Einrichtung erreichten Vorteile lassen sich aus dem Schaubild nach Fig. 4 erkennen. Als Abszisse ist der Gegendruck pl der Düse bzw. der Eintrittsdruck des Lagerspaltes aufgetragen und als Ordinate das sekundliche Durchflussgewicht G, des Lagergases. Die Kurve s,"i" zeigt den Verlauf des Durchtrittsgewichtes bei der minimalen Weite des Lagerspaltes, die Kurve s.", jenen auf der Gegen seite. po ist der Druck vor der Düse.
Soll am Eintritt des Lagerspaltes s.i" ein nur ver- hältnismässig wenig unter dem Druck po liegender Druck p* erreicht werden, so ergibt sich der Punkt P* mit dem sekundlichen Durchflussgewicht G*. Der minimale Querschnitt F der Lavaldüse muss so ge wählt werden, dass die Durchflusskurve über pl als Gegendruck durch den Punkt P* hindurchgeht. Man erhält die Kurve a.
Da die Kurve für die Lavaldüse, wie bereits erwähnt, auf grossem Bereich verhältnis- mässig flach verläuft, ist die maximale Durchfluss- menge G, nur wenig grösser als G*. Eine zylindrische Düse mit dem gleichen Querschnitt F1 - F würde die Kurve bi ergeben, welche schon von kleineren Drük- ken an stark abfällt und den Punkt P* nicht erreicht.
Wollte man für die gleichen Bedingungen eine zylindrische Düse vorsehen, so müsste eine solche mit grösserem Querschnitt F2 gewählt werden, welche die durch den Punkt P* gehende Kurve bz mit einer ent sprechend grösseren Maximalmenge G, ergeben würde.
Die Kurve s"", für den grässern Lagerspalt der unbelasteten Gegenseite schneidet die Kurve a im Punkt Q, und die Kurve bz im Punkt Q2. Der Gas verlust ist also weit grösser für die zylindrische Düse als für die Lavaldüse. Aus Fig.4 ist auch zu er kennen, dass die Kurve a im Punkt P* wesentlich fla cher verläuft als die Kurve b2, das heisst, eine kleine Änderung der Weite des Lagerspaltes s ",i,
ergibt bei der Lavaldüse eine viel stärkere Druckänderung als bei der zylindrischen Düse. Die stabilisierende Wir kung ist also grösser.
Statt, wie gezeigt, Lavaldüsen mit Kreisquer schnitt zu verwenden, können mit der gleichen Wir kung auch als Lavaldüsen ausgebildete Spalte, ins besondere ein rings um das Lager herum laufender Ringspalt vorgesehen werden.
Device for supplying the carrier gas to the bearing gap of an aerostatic bearing In the case of aerostatic bearings, pressurized gas, which is taken from a source outside the bearing, is fed to the bearing gap via one or more feed nozzles. The gas flows from the supply points through the bearing gap.
The supply nozzles throttle the inflowing gas and have the purpose of limiting the amount of gas passing through, so that the pressure in the bearing gap changes depending on the size of the gap and a certain equilibrium position of the shaft is set at a given bearing load.
In the previously known types of aerostati's bearings, the feed nozzles were ausgebil det as cylindrical bores or parallel-walled annular gaps. In the case of these nozzles, however, it is disadvantageous that, at a given inlet pressure, the flow rate drops relatively quickly when. the back pressure rises above the critical pressure at which the speed of sound occurs in the nozzle. However, the counter pressure corresponds to the entry pressure of the bearing gap and one is interested in
to choose this as close as possible to the available pressure of the storage gas source in order to obtain a high load capacity of the bearing. With a given minimum bearing gap, the flow rate is then also determined and, due to the decrease in the amount with increasing counterpressure, it is necessary to choose a relatively large cross section for the feed nozzle.
This not only has the disadvantage that a relatively large amount of gas escapes on the opposite side of the bearing, where the gap is larger, but also impairs the stability, as the counterpressure of the nozzle and thus the gas pressure in the bearing gap are less responsive to changes in the gap width becomes sensitive.
The invention relates to a device for feeding the carrier gas to the bearing gap of an aerostatic bearing, in which the gas is fed to the bearing gap via one or more feed nozzles. According to the invention, the mentioned disadvantages are avoided in that the feed nozzle is designed as a Laval nozzle.
With these nozzles, which initially narrow and then widen again, as with the cylindrical or parallel-walled nozzles, the flow rate is limited to the value at which the speed of sound prevails in the narrowest cross-section.
In contrast to the last-mentioned nozzles, in which the counter pressure cannot rise above the critical pressure at the mouth without reducing the flow rate, but with the Laval nozzle the counter pressure can also far exceed the critical pressure with practically no reduction in the Throughput can be achieved.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown in the drawing. 1 shows an axial section through a radial bearing, FIG. 2 shows a cross section along the line II-II in FIG. 1, FIG. 3 shows a cross section through a nozzle on a larger scale.
Fig. 4 is also a diagram for the course of the amount of passage through the nozzle and the bearing gap as a function of the back pressure of the nozzle.
1 to 3, an annular bearing body 2 is used in a bearing bracket 1, which encloses a shaft 3 with the game required for the passage of the bearing gas. The Lagerkör per 2 is seen axially in its center plane with eight at the circumference evenly distributed radial holes 4 ver, which narrow in the vicinity of the inner surface of the bearing body 2.
A nozzle body 5 is inserted into the remaining inner opening of each bore 4, the nozzle 6 of which is designed as a Laval nozzle and opens into the bearing gap between shaft 3 and bearing body 2, denoted by s in FIG. The bores 4 are connected to one another by an annular channel 7 incorporated on the outer circumference of the bearing body 2. The bearing body 2 is sealed in the bearing carrier 1 by sealing rings 8.
The carrier gas is introduced into the annular channel 7 from a source, not shown, which supplies the gas at a pressure po, via a line 9 and a bore 10 radially crossing the bearing bracket 1, and from this channel via the bores 4 and the Laval nozzles 6 fed to the bearing gap s. In the nozzle 6, the gas relaxes to the pressure pl. After flowing through the bearing gap, the gas escapes into the environment.
The advantages achieved with the device described can be seen from the diagram according to FIG. The back pressure pl of the nozzle or the inlet pressure of the bearing gap is plotted as the abscissa and the secondary flow weight G of the bearing gas is plotted as the ordinate. The curve s, "i" shows the progression of the passage weight at the minimum width of the bearing gap, the curve s. ", Those on the opposite side. Po is the pressure in front of the nozzle.
If a pressure p * is to be achieved at the entry of the bearing gap si "which is only relatively slightly below the pressure po, then the point P * results with the secondary flow weight G *. The minimum cross-section F of the Laval nozzle must be selected so that that the flow curve passes through the point P * as counter pressure via pl. The curve a is obtained.
Since the curve for the Laval nozzle, as already mentioned, runs relatively flat over a large area, the maximum flow rate G is only slightly greater than G *. A cylindrical nozzle with the same cross section F1 - F would result in the curve bi, which drops off sharply even from lower pressures and does not reach the point P *.
If one wanted to provide a cylindrical nozzle for the same conditions, one would have to be selected with a larger cross section F2, which would result in the curve bz going through the point P * with a correspondingly larger maximum quantity G.
The curve s "", for the larger bearing gap on the unloaded opposite side, intersects curve a at point Q and curve bz at point Q2. The gas loss is therefore much greater for the cylindrical nozzle than for the Laval nozzle. From FIG. 4 it can also be seen that curve a at point P * is much flatter than curve b2, that is, a small change in the width of the bearing gap s ″, i,
results in a much greater pressure change with the Laval nozzle than with the cylindrical nozzle. The stabilizing effect is therefore greater.
Instead of using Laval nozzles with a circular cross-section, as shown, columns designed as Laval nozzles can also be provided with the same effect, in particular an annular gap running around the bearing.