Gasgeschmiertes, doppeltwirkendes Axiallager Bei Rotoren, die in Gaslagern laufen, wird meist wegen der durch die verlangte Präzision bedingten Schwierigkeiten nur ein einseitig wirkendes Axialla- ger vorgesehen. Die Bewegung des Rotors in der Ge genrichtung versucht man durch Neigung der Maschinenachse in Richtung auf Belastung des Axial lagers zu vermeiden. Die Belastung durch die Ge wichtskomponente, hervorgerufen durch die Maschi nenneigung, soll auch bei Ausfall der Gaskräfte, d. h. bei Stillstand, kleiner Drehzahl, kleinem Druckniveau oder ungünstigem Betriebspunkt noch genügend Schub geben.
Wie die Erfahrung zeigt, ist es schwierig, ohne Betriebseinschränkung ein einwandfreies Funktionie ren des einseitigen Axiallagers sicherzustellen. Der durch die Gaskräfte erzeugte Schub kann kaum ge nau vorausbestimmt werden. Auch ändert er sich stark mit den Betriebsbedingungen. Bei senkrechter Stellung der Maschinenachse ist der Gewichtsschub maximal und durch das Gesamtgewicht des Rotors gegeben.
Meist genügt jedoch die Tragfähigkeit des Axiallagers bei .der geforderten niedrigsten Drehzahl, die gasdynamisch noch einwandfrei gefahren werden soll, nicht, um das ganze Rotorgewicht aufzunehmen, so dass eine senkrechte Aufstellung solcher Maschi nen kaum möglich ist.
Es stellen .sich deshalb immer wieder Betriebszu stände ein, bei denen der Rotor vom Axiallager weg wandert. Ein solcher Betriebszustand ist natürlich auf die Dauer auch dann nicht zulässig, wenn ein An schlag vorgesehen ist, der den Rotorweg so begrenzt, dass kein wichtiger Maschinenteil beschädigt wird. Bei Gaslagern ist es üblich, sowohl die Segmente als auch ganze Lagerplatten einstellbar abzustützen. Die Masse .des beweglich abgestützten Teiles bildet mit dem Gasfilm zusammen ein Schwingungssystem.
Wird das Axiallager entlastet, so ändert sich die Gas filmsteifigkeit so lange, bis das System mit der Dreh zahlfrequenz in Resonanz ist und es hauptsächlich durch den sicher vorhandenen kleinen unplanen Lauf der Kammscheibe angeregt wird. Diese Schwingun gen führen zur Beschädigung der Axiallager. Bei gan zen Axiallagerscheiben kann aber auch ohne Reso nanz direkter Materialkontakt auftreten, wenn der Film nicht mehr genügend Rückstellkraft erzeugt, um die Schwingungsamplitude der Lagerplatte kleiner als das Lagerspiel zu halten.
Vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines Axiallagers, welches die erwähnten Nachteile nicht aufweist, ohne dass dabei die für Gaslager nötige Präzision leidet und unüberwindliche Schwie rigkeiten bei der Herstellung auftreten.
Das gasgeschmierte, doppeltwirkende Axiallager gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine nicht rotierende, einstellbar aufgehängte Scheibe vorgesehen ist, die mit ihren zwei Tragflä chen zwischen zwei rotierenden Kammscheiben sitzt, welche ihrerseits auf .den beiden Stirnflächen einer mit der Laufwelle verbundenen Distanzscheibe befe stigt sind, wobei zur Erhaltung des Lagerspiels die Dicke der Distanzscheibe gegenüber der Axiallager- scheibe grösser ist.
Die Erfindung wird anschliessend anhand eines Ausführungsbeispiels mittels zweier Figuren erläu tert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein doppelseitig wirkendes Axiallager mit Laufscheiben 1 und 2. Eine Distanzscheibe 3 wird durch einen Ring 6 in der Welle 5 zentriert, während die Scheiben 1 und 2 durch Ringe 7 auf der Scheibe 3 koaxial gehalten und zentriert werden. Die Sitze der Zwischenringe in den Scheiben sind so angeordnet, dass die Fliehkraft die Sitzpressung erhöht. Da die Distanzscheibe 3 im Durchmesser kleiner ist als die Laufscheiben 1 und 2, bleibt ein U-förmiger Zwischenraum zwischen den Laufscheiben, in dem eine feststehende Axiallager- scheibe 4 Platz findet.
Die Axiallagerscheibe 4 ist über ein Kardangelenk 9 so an einem Gehäuse 10 befestigt, dass sie sich selbst auf die rotierenden Scheiben 1 und 2 ausrichten kann.
Damit ist auf einfache Weise erreicht, dass die beiden nichtrotierenden Lagerlaufflächen starr ver bunden sind. Mit dieser Anordnung wird auch die kleinste Masse und vor allem wird so das für die Taumelbewegung massgebliche Trägheitsmoment viel kleiner als bei einer Anordnung, wo zwei festste hende Scheiben auf beiden Seiten des rotierenden Kammes sind. Dies gibt bei gegebener Filmsteifigkeit die höchste Eigenfrequenz des Schwingungssystemes und im Bereiche unter dieser die kleinsten Amplitu den.
Die Laufflächen 11 und 12 können entweder auf den Laufscheiben 1 und 2 oder auf beiden Seiten der Axiallagerscheibe 4 die für .den Druckaufbau nötige Bearbeitung erhalten, z. B. in Form von Spiralnuten, Taschen oder Keilen. Axial gerichtete Ringnuten 13 ermöglichen es den Laufscheiben 1 und 2, sich frei zu dehnen. Die Laufscheiben 1 und 2 sind mitsamt der Distanzscheibe 3 mittels Schrauben 8 :auf der Welle 5 befestigt.
Fig. 2 zeigt eine Funktionsskizze eines doppelsei tig wirkenden Axiallagers gemäss Fig.l. Die Rest-Abweichung vom Planlauf der Scheibe 3 auf der Welle 5 und das Lagerspiel sind stark übertrieben dargestellt. Die Teile, soweit dargestellt, sind mit den gleichen Nummern bezeichnet wie in Fig. 1.
In den Lagerspalten 14 und 15 wird bei gasdynamischen Lagern durch die Zähigkeitskräfte bei entsprechender Bearbeitung einer der beiden den Gasfilm begrenzen den Flächen durch die Rotation der Laufscheiben 1 und 2 ein Überdruck aufgebaut, der ,die Scheibe 4 zwischen diesen einspannt.
Die Scheibe 4 wird daher gezwungen, dem urplanen Lauf der Laufscheiben 1 und 2 so lange zu folgen, als die Eigenfrequenz des Schwingungssystemes Scheibe 4-Gasfilm links und rechts in den Lagerspalten 14 und 15 genügend über der Drehzahl der Welle 5 liegt und die Schwin gungsamplitude am äussersten Durchmesser der Scheibe 4 kleiner als das kleinere der beiden Lauf spiele ist.
Bei gegebenem Scheibenträgheitsmoment und gegebener Gasfilmsteifigkeit ist die Grösse des Schwingungsausschlages der feststehenden Scheibe 4 noch von der Grösse .der Abweichung vom Planlauf abhängig. Man wird deshalb einen möglichst guten Planlauf anstreben. Bei der beschriebenen Konstruk tion ist dies durch Planschleifen der Wellenstirnflä- che 17 leicht erreichbar.
Grosse Herstellungsgenauigkeit ist, neben der Ebenheit der Laufflächen, nur bei .den Tragflächen der nichtrotierenden Lagerscheibe 4 :und den Stirn flächen der Distanzscheibe 3 nötig, was mit Plan schleifen und Läppen ohne grosse Schwierigkeit möglich ist. Das Spiel ist durch den Unterschied der Dicke von Distanzscheibe 3 und Axi.allagerscheibe 4 gegeben. Dieses ist ebenfalls ohne sehr grossen Auf wand in der nötigen Toleranz erreichbar.
Es unterstützen sich bei dieser Ausführung die beiden Gasfilme in bezug auf Stabilisierung der Scheibe 4, denn bei einer Verkleinerung des Lager spiels entsteht im Gasfilm ein entsprechender Druck anstieg, welcher das Lagerspiel zu vergrössern trachtet und die Scheibe 4 parallel zu den Laufflächen der Laufscheiben 1 und 2, d. h. in die Mittellage zurück zuführen versucht.
Dieses Spiel der Kräfte wird durch Federn 18 und 19 versinnbildlicht.
Wie eine Berechnung der Filmsteifigkeit für ver schiedenes Laufspiel zeigt, nimmt die resultierende Steifigkeit bei Auslenkung aus der Mittellage zu. Dies bedeutet, dass das Lager in der Mittellage die gering ste Stabilität aufweist. Es ist daher von Vorteil, wenn man die Laufflächenform so auslegt, dass in dieser Lage die einzelnen Gasfilme ihre optimale Steifigkeit besitzen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Aus- nehmungen, z.
B. die Taschen, in den Lagertragflä chen eine Tiefe des ein bis zweieinhalbfachen Wertes des mittleren Laufspieles aufweisen.
In der Mittellage sind die Wirkungen gleich, d. h. doppelt so gross wie bei einem einseitig wirkenden Lager mit gleicher Masse und Laufspiel. In bezug auf Tragfähigkeit wirken die Gasfilme gegeneinander. Der Film auf der belasteten Seite muss neben dem Schub des Rotors auch die vom zweiten Gasfilm auf die Scheibe 4 ausgeübte Kraft .aufnehmen. Diese nimmt aber mit zunehmendem Spiel ab. Sie wird in. a.
Worten bei zunehmender Belastung der Gegen seite durch den Rotorschub immer kleiner, so dass die maximale Tragfähigkeit des Axiallagers nur un wesentlich kleiner ist als bei einem gleichen, nur ein seitigen Lager.
Durch die Ringe 7 zur Zentrierung der Lauf scheiben 1 und 2 auf der Distanzscheibe 3 würden diese einseitig an der Ausdehnung durch die Flieh kraft gehindert und nach dieser Seite gewölbt. Um dies zu verhindern, wird die Lauffläche von der Auf lagefläche durch die Ringnut 13 getrennt, so dass nur noch eine dünne elastische Verbindung :den äusseren Teil der Scheibe 1 bzw. 2 mit ihrem Befestigungs flansch verbindet. So sollte die Verformung der Scheiben 1 und 2 :durch die Fliehkraft auf ein Mini mum :beschränkt bleiben.
Mit einem .derartigen Axiallager kann eine dop pelt so grosse Schubänderung aufgenommen werden wie mit einem einseitigen Lager, und zwar von einem max. Betrag in einer Richtung über den unbelasteten Lagerzustand zu einem gleich grossen Schub in der Gegenrichtung. Wie Berechnungen zeigen, ist es möglich, das Lager auch in unbelastetem Zustand, d. h. bei verschwindendem Schub stabil zu gestalten, so dass die einzige Gefahr für das Lager in einer Überlastung in der einen oder andern Schubrichtung besteht.
Wird .der Schub am Rotor möglichst ausge glichen, so steht als Reserve die ganze Tragfähigkeit in beiden Richtungen zur Verfügung. Mit diesem Lager ist es auch möglich, die Maschine mit horizon taler Rotorachse ,aufzustellen. Aber auch bei vertika ler Aufstellung mit dem Axiallager oben oder unten ist ein doppeltwirkendes Lager von Vorteil, da die Erfahrung zeigt, dass der Rotor von den Gaskräften gegen sein gesamtes Gewicht gehoben werden kann.
In diesem Fall kann durch Änderung .der Taschen tiefe in den Tragflächen die mit dem Rotorgewicht zusätzlich belastete Fläche mit grösserer Tragfähig keit ausgelegt werden als die Gegenfläche, da durch Änderung der Taschentiefe die Tragfähigkeit ändert.
Wenn das Lager unter einer vorbestimmten Vor belastung, z. B. dem Rotor, steht, so wird die Bear beitungstiefe .der Ausnehmungen der vorbelasteten Lagerfläche vorteilhafterweise einhalb bis einmal so gross gemacht wie die Tiefe der Ausnehmungen der nicht vorbelasteten Tragfläche des Lagers.