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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleitlager, insbesondere ein aerodynamisches Gleitlager, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bekannte aerodynamische und hydrodynamische Gleitlager weisen eine mit der Rotationsgeschwindigkeit ansteigende Steifigkeit und bestimmte Dämpfungseigenschaften (eine Dämpfung, die mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit abnimmt) auf, wobei diese Eigenschaften im Wesentlichen durch das Lagerspiel und die Viskosität des im Lagerspalt (Zwischenraum zwischen Lagerbuchse und Welle) vorhandenen Schmiermittels (Gas, Dampf, Flüssigkeit) limitiert werden. Aerodynamische und hydrodynamische Lager werden daher im Vergleich zu Standardwälzlagern als eine geringe Steifigkeit besitzend angesehen, wodurch die Belastbarkeit eingeschränkt sei. Ein geringeres Lagerspiel erhöht aufgrund des Gleitfilmeffekts die Steifigkeit und die Belastbarkeit. Ein geringeres Lagerspiel erlaubt jedoch nur deutlich geringere Rotorumlaufbahnen, dies kann jedoch problematisch sein, wenn die Umlaufweite beim Durchlaufen von Biegeschwingungsformen oder Starrkörperschwingungsformen zunimmt. Das Lagerspiel verhindert oft die Überwindung der ersten Biegeschwingungsform und große Schwierigkeiten treten hinsichtlich eines Zusammenstoßes beim Überwinden der Starrkörperschwingungsformen auf. Ein Zusammenstoß des Rotors bzw. der Welle mit dem stationären Lagerungsmittel (Lagerbuchse, Lagerschale) resultiert in einem dauerhaften Versagen des Lagers.
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Gewöhnliche Wälzlager haben eine deutlich höhere Steifigkeit als aerodynamische Lager. Daraus folgt, dass Biegeschwingungsformen oder Starrkörper-Eigenfrequenzschwingungsformen leicht überwunden werden. Während aerodynamische und hydrodynamische Lager aufgrund des geringen Lagerspiels nur mit Schwierigkeiten die ersten beiden Starrkörperschwingungsformen (Eigenfrequenzschwingungsform) überwinden können, sind gewöhnliche Wälzlager deutlich robuster und ermöglichen es der Welle ohne Schwierigkeiten deutlich mehr Schwingungsformen zu überwinden.
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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Belastbarkeit von aerodynamischen und hydrodynamischen Gleitlagern deutlich zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gleitlager mit einem ersten bevorzugt stationären Lagerungsmittel bzw. einer Lagerbuchse mit einem zumindest abschnittsweise zylinderförmigen Innenraum und mit einer zumindest abschnittsweise innerhalb des Innenraums angeordneten, relativ dazu, d. h. zum ersten Lagerungsmittel, drehbaren Welle, wobei sich zwischen dem ersten Lagerungsmittel und der Welle in einem ersten Spalt ein erster Schmierstoff, insbesondere ein erstes Fluid, befindet. Als Schmierstoff sind neben Feststoffschichten, wie z. B. eine oder mehrere Schichten aus Graphit, Molybdändisulfit, PTFE, technischer Keramik, Al-, Cu-, Pb-, Sn-Partikel, Al-, Cu-, Pb-, Sn-Legierungen oder Kombinationen daraus, auch fluidische Schmierstoffe, wie Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten, denkbar.
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Erfindungsgemäß ist die Welle zumindest abschnittsweise hohl und darin ist ein zweites ebenfalls bevorzugt stationäres Lagerungsmittel angeordnet, wobei das zweite Lagerungsmittel konzentrisch und bevorzugt im Wesentlichen fixiert, insbesondere räumlich fixiert, zum ersten Lagerungsmittel angeordnet ist. Besonders bevorzugt sind die Längsachsen bzw. Rotationsachsen der Lagerungsmittel zumindest im Wesentlichen parallel und zumindest im Wesentlichen in konstanten Abstand zueinander angeordnet.
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Bei großem Lagerspiel werden große Auslenkungen aufgrund Selbstanregung bzw. Taumel- oder Wirbelbewegung bei der Überwindung von Biegeschwingungsformen oder Starrkörperschwingungsformen verhindert, wodurch ein Kontakt zwischen dem Rotor und einem stationären Teil verhindert wird. Es wird somit ein Gleitlager, insbesondere ein aerodynamisches oder hydrodynamisches Gleitlager, bereitgestellt, das quasi-konzentrische kontaktfreie Rotationen der Welle ermöglicht und dadurch dem Verhalten eines gewöhnlichen Wälzlagers mit relativ großer Steifigkeit ähnelt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das zweite Lagerungsmittel zumindest abschnittsweise zylinderförmig bzw. zapfenförmig ausgebildet.
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Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da das erste und zweite Lagerungsmittel so bevorzugt im Wesentlichen konstant zueinander beabstandete Wirkflächen ausbilden, wodurch eine Schwingungsanregung auch bei hohen Geschwindigkeiten vermeidbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem zweiten Lagerungsmittel und der Welle ein zweiter Spalt ausgebildet, in dem sich ein zweiter Schmierstoff, insbesondere ein Fluid, befindet.
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Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da durch den zweiten Schmierstoff bevorzugt eine Beabstandung des zweiten Lagerungsmittels von der Welle erfolgt. Hierbei wird ein Kontakt zwischen der Welle und dem Lagerungsmittel durch Aufschwimmen der Welle auf dem Schmierstoff vermieden. Es ist aber auch denkbar, dass das zweite Lagerungsmittel durch den zweiten Schmierstoff in fester Form gebildet wird bzw. aus dem zweiten Schmierstoff teilweise besteht bzw. mit diesem beschichtet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der erste Schmierstoff und der zweite Schmierstoff bevorzugt derselbe Schmierstoff, wobei die beiden Schmierstoffe auch voneinander verschieden sein können. Es ist denkbar, dass zwischen einem Lagerungsmittel und der Welle ein Feststoff und zwischen dem anderen Lagerungsmittel und der Welle ein Fluid zur Reibungsreduzierung eingesetzt wird. Sind die Schmierstoffe als Fluide ausgeführt, dann können das erste Fluid und das zweite Fluid ebenfalls verschiedene Fluide oder dasselbe Fluid sein.
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Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da die jeweilige Auswahl des geeigneten Schmierstoffs einsatzabhängig bestimmbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste und/oder das zweite Fluid (der erste und/oder zweite Schmierstoff) ein Gas, insbesondere Luft, eine Flüssigkeit, insbesondere auf Ölbasis, ein Dampf, oder eine Kombination daraus, insbesondere ein Ölnebel.
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Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da Fluide geringere Reibungskennzahlen aufweisen als Feststoffe und dadurch bei höheren Drehzahlen weniger Abrieb und Wärme erzeugt wird, wodurch die Dauerfestigkeit des Lagers, bei derartigen Drehzahlen, erhöht wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bei einem nichtkonzentrischen Lauf der Welle zwischen der Welle und dem ersten stationären Lagerungsmittel ein erster asymmetrischer Druckverlauf einstellbar und zwischen der Welle und dem zweiten stationären Lagerungsmittel ist ein zweiter asymmetrischer Druckverlauf einstellbar, wobei die zwischen den stationären Lagerungsmitteln und der Welle auftretenden Kräfte eine Verringerung der Exzentrizität in Richtung eines konzentrischen Laufs bewirken.
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Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da die entstehenden Kräfte der Erzeugung von größeren Auslenkungen (exzentrischem Lauf der Welle) aufgrund selbsterregter Eigenfrequenzschwingungen entgegenwirken und somit einen stabilen Lauf auch bei extrem hohen Drehzahlen ermöglicht und/oder die Verwendung eines kleineren Innenraums erlaubt.
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Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft Gleitlager dargestellt sind. Bauteile der Gleitlager, welche in den Figuren wenigsten im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Bauteile nicht in allen Figuren beziffert oder erläutert sein müssen.
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Darin zeigen:
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1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Gleitlager;
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2 ein erfindungsgemäßes Gleitlager in einem ersten Zustand; und
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3 ein erfindungsgemäßes Gleitlager in einem zweiten Zustand.
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Das in 1 gezeigte Gleitlager 1 ist ein aerodynamisches oder hydrodynamisches Gleitlager. Dieses Gleitlager 1 weist ein erstes stationäres Lagerungsmittel 2 auf, das einen Innenraum 4 ausbildet. In dem Innenraum 4 ist eine Welle 6 angeordnet. Zwischen der Welle 6 und dem ersten stationären Lagerungsmittel ist ein Schmierstoff, insbesondere ein Gas, wie z. B. Luft, vorgesehen. Die Welle 6 weist ebenso wie das erste stationäre Lagerungsmittel 2 ein Zentrum 22, 20 auf. Die Zentren 20, 22 sind in dem in 1 gezeigten Betriebszustand nicht überlagernd, sondern voneinander beabstandet angeordnet. Dies resultiert aus der Zentrifugalkraft 24, durch welche die Welle 6 in Richtung des Wandungsbereichs des stationären Lagerungsmittels 2 gezwungen wird. Mit dem Bezugszeichen 26 ist die Dämpfungskraft gekennzeichnet, die rechtwinklig zur Zentrifugalkraft gerichtet ist. Der Dämpfungskraft 26 wirkt die tangentiale Lagerungskraft 28 entgegen und der Zentrifugalkraft 24 wirkt die Lagerungskraft 30 entgegen. Aus der tangentialen Lagerungskraft 28 und der Lagerungskraft 30 ergibt sich die resultierende Kraft 32. Die Gleitfilmkraft steigt mit der Abnahme der Gleitfilmdicke an. Die Welle 6 dreht sich in Pfeilrichtung 34 und führt eine Taumel- oder Wirbelbewegung in Richtung des Pfeils 36 durch. Somit dreht sich die Welle 6 um ihr Zentrum 22 und entlang des Innenumfangs des stationären Lagerungsmittels 2. Zwischen dem stationären Lagerungsmittel 2 und der Welle 6 bildet sich durch das Fluid ein Gleitfilm aus, der gemäß der Darstellung in 1 einen Hochdruckbereich 38 und einen Niederdruckbereich 40 aufweist. Die Taumelbewegung bewirkt bei ansteigenden Geschwindigkeiten ansteigende Vibrationen, wodurch das Gleitlager 1 gemäß dem Stand der Technik nicht hoch belastbar ist, da ein kleiner Innenraum nicht erreicht werden kann.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes Gleitlager 1 in einem Idealzustand dargestellt. Das Gleitlager 1 umfasst ein erstes stationäres Lagerungsmittel 2, einen Innenraum 4, in dem eine Welle 6 und ein Schmierstoff (ein Fluid, insbesondere ein Gas wie z. B. Luft) angeordnet ist. Die Welle 6 ist zumindest abschnittsweise und bevorzugt vollständig als Hohlwelle 6 ausgebildet und umschließt ein zweites stationäres Lagerungsmittel 10. In dieser Darstellung liegen die Zentren der Lagerungsmittel 2, 10 und der Welle 6 deckungsgleich übereinander. Zwischen dem zweiten Lagerungsmittel 10 und der Welle 6 ist ebenfalls ein schmierendes (tragendes) Fluid, insbesondere ein Gas, das ebenfalls bevorzugt Luft ist, vorgesehen. Die Fluide in dem ersten Spalt 8 und in dem zweiten Spalt 12 können kommunizierend miteinander verbunden sein, wobei ebenfalls denkbar ist, dass sie voneinander isoliert sind. Es ist ebenfalls denkbar, dass in einem der Spalte 8 oder 12 ein Gas vorgesehen ist, während in dem anderen Spalt 8 oder 12 eine Flüssigkeit vorgesehen ist.
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In 3 befindet sich das in 2 abgebildete Gleitlager 1 in einem Bewegungszustand, in dem die Welle 6 eine Rotation in Richtung des Pfeils 34 vornimmt. Es ist der Darstellung zu entnehmen, dass sich das Zentrum der Hohlwelle 6 verschoben hat und somit exzentrisch angeordnet ist. Die Hohlwelle 6 ist mit einem Abschnitt Ihrer Außenseite dem ersten stationären Lagerungsmittel 2 angenähert und mit einem Abschnitt der Innenseite dem zweiten stationären Lagerungsmittel 10 angenähert. In dem jeweiligen Annäherungsbereich stellt sich ein Gleitfilm, wie bzgl. 1 ausgeführt, ein. Somit wirken in zwei Hochdruckbereichen die resultierenden Kräfte 42 einer Verschiebung der Welle 6 aus der zentrischen Position heraus entgegen. Die Welle 6 steht somit konstant unter dem Einfluss gleichgerichteter Gleitfilmkräfte, analog zur Kraft 32 (vgl. 1), wodurch die Steifigkeit des Lagers erhöht wird und der die Taumelbewegung erzeugende Versatz reduziert wird. Die Gleitfilmkräfte sind bevorzugt im Wesentlichen oder genau gleich groß, wobei auch denkbar ist, dass eine der beiden Gleitfilmkräfte, d. h. die am ersten oder am zweiten Lagerungsmittel 2, 10 auftretende Gieitfilmkraft, größer, insbesondere ein Vielfaches, wie z. B. 1,1–10-faches, der anderen Gleitfilmkraft beträgt. Die Auslenkung der Welle 6 erfolgt demnach in unerwünschter Weise in die Richtung 44 und wird durch die Schmierfilmkräfte 32 in der Richtung zurückgestellt, bzw. diese Kräfte 32 wirken einer Verstellbewegung in Richtung 44 entgegen.
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An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, dass sich die Anmelderin vorbehält sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale zu beanspruchen soweit sie einzeln oder in Kombination miteinander gattungsgemäße oder aus dem Stand der Technik bekannte Gleitlager vorteilhaft weiterentwickeln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleitlager
- 2
- Erstes stationäres Lagerungsmittel
- 4
- Innenraum
- 6
- Welle
- 8
- Erster Spalt
- 10
- Zweites stationäres Lagerungsmittel
- 12
- Zweiter Spalt
- 20
- Zentrum
- 22
- Exzentrische Stellung
- 24
- Zentrifugalkraft
- 26
- Dämpfungskraft
- 28
- Erster entgegenwirkender Kraftanteil/Tangentiale Lagerungskraft
- 30
- Zweiter entgegenwirkender Kraftanteil/Lagerungskraft
- 32
- Resultierender entgegenwirkender Kraftanteil
- 34
- Rotationsbewegung der Welle
- 36
- Taumelbewegung im Innenraum
- 38
- Hochdruckbereich
- 40
- Niederdruckbereich
- 42
- Rückstellrichtung
- 44
- Verschieberichtung
