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Anordnung bei druckgasgeschmierten Lagern zum Dämpfen von radialen-,Auswanderungen
des gelagerten Teils Die Erfindung betrifft eine Anordnung bei druckgasgeschmierten
Lagern zum Dämpfen bzw. Unterdrücken von periodischen radialen Auswanderungen des
mit radialem Spiel gelagerten drehbaren Teils aus seiner zentrischen Lage, bei der
das Druckgas wenigstens drei in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Druckzonen
zugeführt wird und in jedem Strömungsweg des Druckgases ein pneumatischer Widerstand
vorgesehen ist. Die Erfindung läßt sich mit besonderem Vorteil dort verwenden, wo
eine große Laufgenauigkeit bei mit sehr hohen Drehzahlen umlaufenden Wellen gefordert
wird, z. B. bei Turbinen.
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Druckmittelgeschmierte Lager sind allgemein bekannt. Diese werden
entweder mit einer Druckflüssigkeit oder mit einem Druckgas geschmiert. In beiden
Fällen sind über den Lagerflächenumfang verteilt angeordnete Kammern oder Druckzonen
vorgesehen, denen von außen das Druckmittel zugeführt wird, das z. B. zwischen der
Lagerfläche und dem gelagerten Teil oder durch entsprechende Abführungskanäle wieder
nach außen entweicht. Wenn es sich bei dem Druckmittel um eine Flüssigkeit handelt,
also um ein Medium mit geringer Zusammendrückbarkeit, erhält man ein reibungsarmes
Lager, bei dem die Welle zu keinen ungedämpften radialen Auslenkungen oder Schwingungen
angeregt wird, und zwar selbst bei großen Drehzahlen und hoher Belastung nicht.
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Wesentlich anders ist dagegen das Verhalten des gelagerten Teils bei
solchen Lagern, bei denen das zugeführte Druckmittel ein Gas, also ein in erheblichem
Umfange kompressibles Medium ist. Hierbei können erhebliche ungedämpfte Schwingungen
auftreten, die vor allem bei Zunahme der Belastung der Lager außerordentlich störend
werden.
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Die Ursache für das unterschiedliche Verhalten der mit einer Flüssigkeit
und mit Gasen gespeisten reibungsarmen Lager sind bekannt. Trägt man für ein flüssigkeitsgeschmiertes
Lager die unter dem Einfluß äußerer Kräfte auftretende zeitliche Verschiebung der
Welle in einer vorbestimmten Querrichtung und die dadurch bedingte zeitliche Änderung
des Druckes in der dieser Querrichtung zugehörenden Druckzone auf, so ergibt sich
zwischen den Extremwerten der beiden Kurven keine Phasenverschiebung. Erfolgt die
Schmierung dagegen mit Druckgas, so wird die Kurve der Druckänderung gegenüber derjenigen
der zeitlichen Auslenkung der Welle infolge der Kompressibilität des Gases verzögert.
Der Maximalwert des Druckes wirkt daher auf die sich von der zugehörenden Druckzone
bereits wieder entfernende Welle beschleunigend ein. Diese Phasenverschiebung zwischen
der Auslenkung der Welle und den dadurch hervorgerufenen Druckschwankungen kann
daher selbst bei Abwesenheit äußerer Kräfte zu einer ungedämpften periodischen Bewegung
der Welle füh-
ren, die bei flüssigkeitsgeschmierten Lagern dieser Art nicht
zu befürchten sind.
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Man hat versucht, diese Schwierigkeiten bei druckgeschmierten Lagern
dadurch zu beheben, daß man der Entstehung einer Phasenverschiebung entgegenwirkt.
So hat man die die Druckzonen bildenden Kammern fortgelassen und das Druckmittel
statt über Drosseln als freie Gasstrahlen zugeführt. Diese Maßnahme führt aber nicht
zu stabilen Verhältnissen. Bei einem anderen bekannten Lager hat man die Kammern
durch ein Netz von Rillen geringen Querschnitts ersetzt, in denen sich die Kompressibilität
des Druckgases nicht so stark auswirken kann wie in den sonst üblichen, die Druckzonen
bildenden Kammern. Ausschalten läßt sich damit der Einfluß der Zusammendrückbarkeit
und der damit verbundenen Phasenverschiebung zwischen Wellenauswanderung und Druckänderung
nicht.
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Es ist weiterhin bekannt, bei derartigen durch ein Druckmittel gespeisten
Lagern das Druckmittel den die Druckzonen bildenden Kammern über Rückschlagventile
zuzuführen, damit bei extremen radialen Auslenkungen der Welle bei gestörtem Betrieb
sich das Rückschlagventil in der Druckkammer, der
sich die Welle
nähert, schließen und das Druckmittel nicht zur Druckquelle zurückfließen kann.
Wie leicht gezeigt werden kann, arbeitet eine solche Ventilanordnung nur dann in
dem gewünschten Sinne, wenn als Druckmittel eine inkompressible Flüssigkeit verwendet
wird. Darüber hinaus ist diese nur als Sicherung bei gestörtem Betrieb dienende
Vorrichtung während des normalen Betriebes außer Wirkung und kann daher auch keinen
Einfluß auf während des normalen Betriebes etwaig auftretende Phasenverschiebungen
der obenerwähnten Art ausüben.
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Schließlich ist es bei druckmittelgeschmierten Lagern noch bekannt,
willkürlich eine exzentrische Stellung der Welle dadurch aufrechtzuerhalten, daß
den Druckzonen das Druckmittel unter unterschiedlichem Druck zugeführt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Verhältnisse
bei gasdruckgeschmierten Lagern dadurch zu verbessern, daß statt einer
Ab-
schwächung der infolge der Kompressibilität der Druckgase auftretenden
Phasenverschiebung zwischen der radialen Auslenkung der Welle und der dadurch verursachten
Druckänderung eine Beeinflussung der Phasenlage vorgenommen wird, derart, daß statt
ungedämpfter Schwingungen nur noch stark gedämpfte Schwingungen auftreten können.
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Dieses Ziel wird bei Druckgaslagern der eingangs genannten Art dadurch
verwirklicht, daß in jedem Strömungsweg des Druckgases zur oder im Bereich der Lagerfläche
eine zusätzliche pneumatische Kapazität mit einem eigenen pneumatischen Widerstand
angeordnet ist, die zusammen einen Phasenschieber zum Modulieren des Druckes in
der ihnen zugeordneten Druckzone derart bilden, daß das Diuckmaximum in der Druckzone
beim Ausschwingen der Welle aus ihrer zentrischen Lage dann auftritt, wenn die sich
der Druckzone nähernde Welle eine mittlere Stellung zwischen den beiden extremen
exzentrischen Stellungen gegenüber dieser Druckzone einnimmt. Die Erfindung macht
sich damit die bekannten Eigenschaften pneumatischer Schaltungselemente zunutze,
um die oben dargelegten Probleme bei druckgasgeschmierten Lagern zu lösen. Dabei
wird erreicht, daß der höchste Wert der bei den Auslenkungen der Welle auftretenden
Druckänderungen in einer Druckzone nicht wie bisher auf die sich von der Druckzone
entfernende, sondern auf die sich dieser Zone nähernde Welle einwirkt und diese
abbremst, anstatt sie zu beschleunigen. Je nach dem Ausmaß der durch die Mittel
der Erfindung bewirkten Verschiebung der gegenseitigen Phasenlage von Druck und
Auslenkung kann die durch diese Verschiebung hervorgerufene Dämpfung stärker oder
weniger stark wirksam werden. Die größte Dämpfung tritt dann auf, wenn das Druckmaximum
mit dem Maximum der Geschwindigkeit der sich der betreffenden Druckzone nähernden
Welle zusammenfällt.
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Wenn auch mit einem einfachen, aus Widerstand und Kapazität bestehenden
pneumatischen Phasenschieber nicht für jede Drehzahl die gleiche Phasenverschiebung
erzielt werden kann, so ist dies für den angestrebten Zweck insofern von untergeordneter
Bedeutung, als in den meisten Fällen kritische Verhältnisse überhaupt erst bei Erreichen
oder überschreiten einer bestimmten Mindestdrehzahl auftreten können. Es genügt
daher, wenn die optimale Phasenverschiebung bei Erreichen etwa dieser Drehzahl auftritt.
Die weniger optimale Phasenverschiebung in den tiefer liegenden Drehzahlbereichen
reicht dann praktisch stets für eine genügende Dämpfung aus. In schwierigeren Fällen
können für die Zwecke der Erfindung auch kompliziertere pneumatische Phasenschieberanordnungen
verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen an
mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 bis 3 dienen zur Erläuterung einiger theoretischer
überlegungen, die zum besseren Verständnis der Erfindung dienen; F i g. 4
zeigt eine Art bekannter druckgasgeschmierter Lager, und F i g. 5 veranschaulicht
die in dem Lager nach F i g. 4 in Abhängigkeit von der Größe des Lagerspaltes
auftretenden Stützkräfte; F i g. 6 zeigt eine andere Art bekannter druckgeschmierter
Lager, und F i g. 7 veranschaulicht die in dem Lager nach F i g. 6
auftretenden Stützkräfte in Abhängigkeit von der Lagerspaltgröße; F i
g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines gasgeschmierten Lagers gemäß der
Erfindung; F i g. 9 gibt in Vektordiagrammen die Entstehung der bei dem Lager
nach F i g. 8 resultierenden Stützkraft wieder; F i g. 10 ist ein
abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen druckgasgeschn-iierten
Lagers; F ig. 11 gibt in Vektordiagrammen die Verhältnisse in dem Lager nach
F i g. 10 wieder; F i g. 12 und 13 geben ein abgewandeltes
Ausführungsbeispiel eines Lagers gemäß der Erfindung wieder, während in den F i
g. 14 bis 16 weitere Ausführungsbeispiele angedeutet sind.
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Der eigentlichen Beschreibung der Erfindung seien einige zum Verständnis
wesentliche theoretische überlegungen vorausgeschickt.
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Das einfachste Lager für eine umlaufende Welle besteht aus einem ununterbrochenen
Zylinder, dessen Durchmesser etwas größer ist als der der Welle, wobei der verbleibende
Zwischenraum von einem kontinuierlichen Schmierstoff- (öl-) Film ausgefüllt ist,
Wenn das Lager unbelastet ist, dreht sich die Welle konzentrisch innerhalb der Lagerbuchse,
wobei der Schmiermittelfilm mit einer mittleren Geschwindigkeit herumbewegt wird,
die der Hälfte der Umfangsgeschwindigkeit der Welle entspricht. F i g. 1
zeigt eine Welle vom Radius r, dieln einer Lagerbuchse vom Radius r +
3 umläuft, wobei der Zwischenraum 3 mit einem Schmierstoff gefüllt ist.
Wenn nach F i g. 2 auf die Welle eine Last aufgebracht wird, verschiebt sie
sich in der Lagerbuchse in eine exzentrische Lage 0', wobei die Richtung
dieser Verschiebung von 0 nach (Y rechtwinklig zur Wirkungsrichtung der aufgebrachten
Last F ist.
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Die Ibeorie der Schmierung zeigt, daß bei einem unendlich langen Lager
die Beziehung zwischen der Last und der Verlagerung der Welle der Darstellung in
F i g. 2 entspricht, wobei die Achse (Y der Welle von der Achse
0 des Lagers längs einer Linie 0-0' rechtwinklig zur Wirkungslinie der Last
F auswandert.
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Wenn die Verschiebung 0-0' der Hälfte des radialen Lagerspiels entspricht,
ergibt sich am Umfang des Lagers die in F i g. 3 dargestellte Druckverteilung.
Sie
ist symmetrisch zu einem senkrecht zur aufgebrachten Last verlaufenden Durchmesser
A-B. Diese Form der Druckverteilung beruht auf der Tatsache, daß die Welle das Schmiermittel
von A nach B im Uhrzeigersinn herumführt, wobei sich ein konvergenter' Schmierfilm
bildet, der überdurchschnittliche Drücke entstehen läßt. Für die Bewegung von B
nach A im Uhrzeigersinn gilt das Gegenteil, d. h. die Drücke sind
auf dieser Seite des Durchmessers A-B symmetrisch gleich denen auf der anderen Seite,
besitzen jedoch das entgegengesetzte Vorzeichen.
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Es sei nunmehr angenommen, daß die Welle in radialer Richtung festgehalten
wird, so daß die Exzentrizität 0-0' konstant gehalten wird, und ferner sei die Last
F weggenommen. Am Punkt A wird das Schmiermittel nun mit größerer Geschwindigkeit
herumgeführt als bei B, da bei A ein größerer Spalt vorhanden ist. Der Unterschied
zwischen diesen beiden Geschwindigkeiten führt dazu, daß der Mittelpunkt der Welle
bzw. die Achse 0' um die Achse 0 der Lagerbuchse umläuft bzw. kreist,
und zwar mit einer Winkelgeschwindigkeit, von der sich zeigen läßt, daß sie halb
so groß ist wie die Winkolgeschwindigkeit der Drehbewegung der Welle. Das Umlaufen
der Achse 0' der Welle um die Achse 0 der Lagerbuchse ist nachstehend
als »kreisende Bewegung« bezeichnet.
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Unter diesen Bedingungen wird die Fliehkraft das Bestreben haben,
der radialen Hemmkraft mit einer Kraft entgegenzuwirken, die proportional zu der
Masse der Welle, der Exzentrizität 0-0' und dem Quadrat der Geschwindigkeit der
kreisenden Bewegung ist. Beim Fehlen einer radialen Hemmkraft wird sich die Welle
längs einer spiralförmigen Bahn nach außen bewegen, bis sie die Lagerbuchse berührt.
Bei einem mit Luft geschmierten Lager führt-eine solche Berührung zu einer gegenseitigen
Abnutzung der Welle und der Lagerbuchse, weshalb eine solche Berührung vermieden
werden muß.
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Bei den bisher bekannten luftgeschmierten Lagern wird die Welle von
Druckluft getragen, die gemäß F i g. 4 beispielsweise durch mehrere Düsen
als Luftstrahlen zugeführt wird, wobei gewöhnlich mindestens drei Düsen erforderlich
sind. Die Größe der Luftstrahlen richtet sich hierbei hauptsächlich nach dem Querschnitt
der Düsen und der kleinsten Querschnittsfläche des Austrittsweges längs des Lagerspaltes.
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Jeder Luftstrahl j unterstützt die Welle mit einer Kraft die
zunimmt, wenn sich der Austrittsweg über den Lagerspalt h infolge der exzentrischen
Lage der Welle verengt; die Beziehung zwischen der Stützkraft F, und dem Austrittsweg
über den Lagerspalt h ist durch die Kurve in F i g. 5 veranschaulicht, die
erkennen läßt, daß die Kraft F, bei ho negativ wird, wenn sich der Lagerspalt über
ein bestimmtes Maß hinaus vergrößert. Dies ist ein bekannter Effekt.
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F i g. 6 zeigt eine andere bekannte Ausbildung eines druckgasgeschmierten
Lagers. Die äußere Lagerbuchse 2 besitzt mehrere radiale Kammern Co geringer Tiefe,
denen Druckluft jeweils über einen pneumatischen Widerstand, wie Drossel Ro, zugeführt
wird. In diesem Fall variiert die Stätzkraft F, in Ab-
hängigkeit von der
Lagerspaltbreite h annähernd in der in F i g. 7 dargestellten Weise.
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Wenn die Welle unbelastet ist, wird sie in der Lagerbuchse konzentrisch
»schwimmen«, da jeder radialen Verlagerung der Welle aus ihrer konzentrischen Lage
durch die Luftströme entgegengewirkt wird; hierbei ist die Rückstellkraft F, proportional
zur Verlagerung der Welle aus ihrer konzentrischen Lage gegenüber der Lagerbuchse,
bei größter Verlagerung also am größten.
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Lager dieser Bauart arbeiten einwandfrei, solange die Rückstellkraft
F, größer ist als die auf eine kreisende Bewegung zurückzuführende Fliehkraft.
Bei einem mit hoher Drehzahl umlaufenden Rotor, z. B. bei einem Turbinenläufer,
ist jedoch die kritische Rückstellkraft für eine der Hälfte des radialen Spiels
entsprechende Exzentrizität möglicherweise eintausendmal größer als das Gewicht
der Welle, so daß es bei druckgasgeschmierten Lagern der in F i g. 4 und
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dargestellten Art aus wirtschaftlichen Gründen unmöglich ist, diejenigen
Luftdrücke und Luftinengen bereitzustellen, die zum Aufnehmen solcher Kräfte erforderlich
wären.
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Bei den bekannterl druckgasgeschmierten Lagern modulieren die Schwingungen
der Welle die Luftströme, die durch Zuführungskanäle in der Lagerwandung zugeführt
werden, in der Weise, daß in der zugeführten Luft eine periodische Druckänderung
entsteht. Die Spitzenwerte des modulierten Drucks fallen dabei zeitlich mit den
maximalen radialen Auswanderungen der Welle aus ihrer zentralen Lage in der Lagerbuchse
etwa zusammen, wobei die Auswanderungsgeschwindigkeit der Welle bekanntlich in diesen
Zeitpunkten ein Mitimum ist. Die Erfindung geht dagegen von der Erkenntnis aus,
daß dann, wenn der kreisenden Bewegung der Welle der größtmögliche Widerstand entgegengesetzt
werden soll, die Phase der alternierenden Druckkomponente, die durch die Modulation
der Luftzufuhr durch die radialen Auswanderungen der Welle erzeugt wird, verschoben
werden muß, und zwar im Idealfall so, daß die Druckspitzen zeitlich mit der maximalen
Auswanderungsgeschwindigkeit der Welle zusammenfallen. Diese ideale Phasenverschiebung
läßt sich bei praktischen Anordnungen gernäß der Erfindung nicht bei allen Frequenzen
erzielen, doch führt bereits eine Annäherung an die ideale Phasonverschiebung zu
einer erheblichen überlegenheit der erfindungsgemäßen Lager über die bisher bekannten
luftgeschmierten Lager. Diese Phasenverschiebung kann mit den nachstehend beschriebenen
Ausführungsbeispielen von Lagern nach der Erfindung verwirklicht werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 ist die Welle
1 vom Radius r von einer Lagerbuchse 2 mit dem inneren Radius r
+ ö umgeben, und Luft, die durch drei Düsen D zugeführt wird,
deren Radius je-
weils gleich rj ist und die in gleichmäßigen Abständen über
den Umfang der Lagerbuchse verteilt sind, strömt in den Lagerspalt ein und von dort
in drei Hohlräume 3 mit einem Rauminhalt oder einer Kapazität C ein.
Die Luft strömt aus den Hohlräumen 3
größtenteils jeweils durch eine einen
Widerstand R bildende enge öffnung ab. Die übrige Luft entweicht durch den Spalt
zwischen der Welle und der Lagerbuchse.
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Nimmt man zur Vereinfachung der Analyse an, daß der durch den Spalt
abströmende Anteil der Luft vernachlässigbar klein ist, obwohl er in der Praxis
ein merkliches Ausmaß annehmen kann, so begrenzt die Oberfläche der Welle jeweils
jeden der Hohlräume 3, so daß der in jedem Hohlraurn 3 herrschende
Druck auf die Welle eine Kraft ausübt, die gleich dem Produkt aus dem Druck und
der projizierten,
den Hohlraum begrenzenden Fläche der Welle ist.
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Der gemäß F i g. 8 in jeden Hohlraum 3 eintretende Luftstrom
setzt sich aus einer stetigen Komponente und einer »Wechselstromkomponente«
zu-
sammen, deren quadratischer Mittelwert proportional zur Exzentrizität
oder radialen Versetzung der Welle aus ihrer konzentrischen Lage in der Lagerbuchse
ist. Die »Kapazität« C und der Widerstand R setzen der »Wechselstromkomponente«
I des Stroms einen »Wechselstromwiderstand« Z entgegen, und somit ist die »Wechselspannung«
oder der wechselnde Druck p" in dem Hohlraum 3 wie folgt gegeben:
Pw = IZ; hierin ist
und f ist die Frequenz der radialen Schwingungen der Welle.
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Die in jeden Hohlraum 3 eintretende Luft wird dem Lagerspalt
jeweils teilweise von den auf beiden Seiten des Hohlraums liegenden Düsen
D aus zugeführt. Bei dem unte=n Hohlraum in F i g. 8 wird der Luftstrom
Il aus der rechten Düse beim Durchgang durch den Bereich h, des Lagerspaltes mit
einer Phase
moduliert, während der Luftstrom I, aus der linken Düse beim Durchgang durch den
Bereich h, des Lagerspaltes mit einer Phase
moduliert wird; hierin bezeichnet 0 die Phase der periodischen Auslenkung
der kreisenden Welle, bezogen auf den durch die Mitte des Hohlraums hindurchgehenden
Durchmesser der Lagerbuchse, wobei berücksichtigt ist, daß die Düsen gegenüber dem
Hohlraum längs des Lagerumfangs versetzt sind. Der Ausdruck
hebt sich weg, wenn sich die Luftströme von den beiden Düsen vereinigen, so daß
der in den Hohlraum eintretende Luftstrom in Phase mit den Schwingungen der kreisenden
Welle in bezug auf den erwähnten Durchmesser moduliert ist.
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Jeder durch eine der Düsen eintretende Luftstrom trägt zu den Luftströmen
bei, die zu den auf beiden Seiten der Düse D liegenden Hohlräumen gelangen.
Der Druck p, eilt dem Strom I nach, und der Phasenwinkel ist durch folgenden Ausdruck
gegebensin oc = Z (2,7 f C).
Hierin bezeichnet cc den
Nacheilwinkel. Dieser Sachverhalt ist in F i g. 9 vektoriell dargestellt,
wobei der linke Teil des Diagramms die Phasen der Luftströme wiedergibt. Der senkrechte
Vektor IR stellt den in dem Widerstand R fließenden Strom dar, der waagerechte Vektor
Ic den in dem Hohlraum 3 fließenden Strom und der geneigte Vektor I, die
Resultierende dieser beiden Ströme, die mit der durch die Schwingung hervorgerufenen
Verschiebung - der Welle in dem Lager in Phase ist. Der rechte Teil von F
i g. 9
zeigt die Phasenbeziehung zwischen den Drücken und der Auswanderung
der Welle gemäß dem gestrichelten Vektor e. Der Vektor p, der den Wechseldruck
in dem Hohlraum 3 darstellt, ist in Phase mit I.. Er ist hier zerlegt in
eine Komponente p" cos c4, die mit der Strömung in Phase ist, und in eine
Komponente
, die der Strömung um 90'
nächeilt. Diese auf die Fläche
A der Welle gegenüber dem Hohlraum wirkende nacheilende Druckkomponente wirkt
einer Bewegung auf Grund von Schwingungen der Welle entgegen.
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Indem man die Flächen A und die Querschnittsflächen der öffnungen
der Luftdüsen D genügend groß macht, kann man die Frequenz der radialen Schwingung
bzw. der kreisenden Bewegung der Welle auf einen Wert herabdrücken, bei dem die
auf das Kreisen der Welle zurückzuführende Fliehkraft kleiner ist als die Rückstellkraft,
die von der Einwirkung des Luftdrucks in den Hohlräumen 3 auf die jeweils
gegenüberliegenden Flächen der Welle herrührt.
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Bei dem Lager nach F i g. 8 ist angenommen, daß der Lagerspalt
h stets kleiner als der Grenzwert ho in F i g. 5 ist. Das bedeutet, wie oben
erläutert, daß die Rückstellkraft eine gegenüber der Außenatinosphäre positive Druckkraft
ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die Druckluft über Düsen D zugeführt
und über den aus der Kapazität C und dem Widerstand R gebildeten Phasenschieber
zu einem wesentlichen Teil abgeführt. Die Erfindung läßt sich aber, wie F i
g. 10 zeigt, auch bei einem druckgasgeschmierten Lager anwenden, bei dem
der Lagerspalt über den Grenzwert ko hinaus vergrößert ist. Die Rückstellkraft F,
wird dabei - bezogen auf die Außenatmosphäre - zu einer Anzugskraft.
Da es auf das Verhältnis der Drücke gegenüber dem Umgebungsdruck für die Lagerwirkung
letztlich nicht ankommt, liegen auch bei dieser Lagerausbildung Druckmaxima und
Druckminima vor, wobei die Anzugskraft F, dort am größten ist, wo der Druck ein
Minimum aufweist. Ohne die erfindungsgemäße Anordnung nimmt bei einem Lager dieser
Bauart der Druck in einer Druckzone dann seinen kleinsten oder gegenüber dem Umgebungsdruck
negativsten Wert an, wenn die Welle den größten Abstand von dieser Druckzone hat.
Der Druck ist dagegen am größten (oder gegenüber dem Umgebungsdruck am wenigsten
negativ), wenn die Welle sich dieser Druckzone am weitesten genähert hat.
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Bei dem Lager nach F i g. 10 hat nun die Anordnung gemäß der
Erfindung die Aufgabe, die Phase des kleinsten oder »negativsten« Druckwertes gegenüber
der maximalen Abwanderung von der betreffenden Druckzone vorzuverschieben, so daß
dann, wenn die Welle den größten Abstand von der Druckzone besitzt, der Druck in
dieser Zone einen mittleren Wert besitzt und im Ansteigen begriffen ist, wenn sich
die Welle der Druckzone wieder nähert. Bei einer Phasenverschiebung von
90' wird der Druck in der Druckzone dabei am größten oder am wenigsten »negativ«,
wenn sich die der Druckzone nähernde Welle in einem mittleren Abstand von der Druckzone
befindet. Wenn man also von dem Druckverhältnis gegenüber dem Atmosphärendruck absieht,
liegen also bei dem Lager nach F i g. 10 praktisch die gleichen Verhältnisse
und damit auch die gleichen Dämpfungswirkungen vor wie bei dem Lager nach F ig.
8.
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Um die Erfindung in dem Anwendungsfall nach F i g. 10 zu verwirklichen,
wird die Luft jeder der drei mit dem Lagerspalt verbundenen Druckzonen
je-
weils über einen Widerstand R, einen Hohlraum mit
der
Kapazität C und eine öffnung j zugeführt, die von dem Hohlraum in den Lagerspalt
führt. Die verschiedenen Phasenbeziehungen sind in F i g. 11 vektoriell dargestellt.
Wenn die Achse der Welle mit einer Winkelgeschwindigkeit co und einer Exzentrizität
0-0' = e umläuft bzw. kreist, wird der Druck in dem Hohlraum eine »Wechselstromkomponente«
P" aufweisen. Wenn der durch R in den Hohlraum eintretende Luftstrom konstant ist
und wenn man annimmt, daß das Druckverhältnis längs R größer ist als 2, so ist die
»Wechselstromkomponente« IB in der Öffnung j gegeben als IB =
p"wC, und sie eilt dem Druck p, um 900 nach. Die wirksame Größe der
öffnung j variiert umgekehrt zu dem Lagerspalt h, und es ist ein Widerstand
Ro vorhanden, d. h. der Widerstand der Öffnung i bei ruhender Welle,
wobei die Welle mit dem Lager konzentrisch ist. Wenn die Welle schwingt, wird eine
variierende Widerstandskomponente R" hinzugefügt. Das linke Diagramm zeigt einen
Strömungsvektor , der der Strömung IB um 901 voreilt, und
die Resultierende der beiden Strömungen IB und IR, ist I" und sie steht in Gegenphase
zu dem Vektor e der exzentrischen Verschiebung, der in das rechte Diagramm von F
i g. 11
gestrichelt eingetragen ist. Die »Wechselstromkomponente« des Drucks
p" steht in Phase mit IR, und läßt sich zerlegen in eine Komponente p", cos
*, die mit dem Exzentrizitätsvektor in Phase ist, und eine Komponente p",
sin *, die dem Exzentrizitätsvektor e um 90' voreilt, so daß bei steigendem
Wert von h der Wertp" größer wird, wodurch einer Vergrößerung von h entgegengewirkt
wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 12 dargestellt. Die Welle
1 dreht sich in einem Lager 2, das drei Druckzonen in Form von Hohlräumen
geringer Tiefe aufweist. Die Luftzufuhr zu jeder der Hohlräume 3 wird durch
einen pneumatischen Verstärker gesteuert, der auf Druckänderungen in dem Hohlraum
3 mit einer nacheilenden Phasenverschiebung anspricht. Dieses Ansprechen
erfolgt derart, daß eine Steigerung des Drucks in dem Hohlraum 3
zu einer
Verminderung der Strömung führt.
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Die Luft tritt in eine Kammer 4 ein, von der aus ein senkrechter Kanal
zu dem Hohlraum 3 führt. Eine Membran 5, die eine Wand der Kammer
4 bildet, arbeitet mit einer vorspringenden Sitzfläche 6 an dem von dem Hohlraum
3 abgewandten Ende des Kanals zusammen, um den Eintritt der Druckluft zu
dem Hohlraum 3 zu steuern. Die Membran 5 wird durch eine Feder
7 in Richtung auf die Sitzfläche 6
gedrückt. Die Feder 7 läßt
#ich mittels eines Gewindestopfens 7a einstellen. Die Rückseite der Membran
5
bildet eine Wand einer geschlossenen Kammer 9, die über einem pneumatischen
Widerstand mit dem zu der Druckzone führenden Kanal in Verbindung steht. Dieser
Widerstand kann eine Bohrung in der Meinbran sein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 12 ist statt dessen
jedoch ein pneumatisches Netzwerk vorgesehen, das die Phasennacheilung und somit
auch die Dämpfung vergrößert. Wie ersichtlich, steht die Druckzone, die so klein
wie möglich gehalten ist, über einen Kanal 11 mit der Kapazität Cil und einen
engen Kanal 12 und dem Widerstand R12 mit einer Kammer 13 von der Kapazität
Ci. in Verbindung, die ihrerseits über einen engen Kanal 14 mit dem Widerstand R,4
mit der Kammer 9 verbunden ist. Dieser Raum 9 hat den Rauminhalt
C.. Das Netzwerk R,2, C" und R14 tritt somit an die Stelle der obenerwähnten
einfachen Drosselöffnung.
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Beim Betrieb dieses Lagers wird der Kammer 4 Luft unter konstantem
Druck zugeführt, wodurch die Membran 5 entgegen der Wirkung der Feder
7 von dem Ventilsitz 6 abgehoben wird, so daß Luft in den Hohlraum
3 gelangen kann. Die in den Hohlraum 3
eintretende Luft entweicht an
den Enden des Lagers, doch es können auch zusätzliche Abführungskanäle
8
vorgesehen sein. Luft aus dem Hohlraum 3 kann in kleinen Mengen durch
das Netzwerk in die Kammer 9
eindringen. Der Druck in der Kammer
9 baut sich mit einer durch das pneumatische Netzwerk bestimmten Zeitkonstante
auf.
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Bei normalem Betriebszustand möge po der Druck in dem Hohlraum
3 und der, angrenzenden Kapazität Ci. und Ro der Widerstand sein, der dem
Austreten von Luft an den Kanten des Hohlraums 3 entgegengesetzt wird. Wenn
die Welle mit einer Winkelgeschwindigkeit w umläuft bzw. kreist, nimmt der Druck
in dem Hohlxaum 3 den Wert po + p", an, und der Widerstand
gegen das Austreten von Luft den Wert Ro + R, Der an den Kanten des
Hohlraums vorbeistreichende Strom ist durch folgenden Ausdruck gegeben: Ftir,kleineAinplituden
kann man diesen Ausdruck
wie folgt erweitern:
Der letzte Teil dieses Ausdrucks ist klein und kann daher vernachlässigt werden.
Der erste Teil des Ausdrucks gibt die »Gleichstromkomponente« der Strömung durch
den Hohlraum 3 wieder.
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In der Kammer 9 eilt die- Phase des Drucks derjenigen des Drucks
in dem Hohlraum 3 und der angrenzenden Kapazität Cl, nach. Die »Wechselstromkomponente«
Ill der in diese Räume eintretenden Strömung steht. in Gegenphase zu diesem Druck.
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Vektogdiagzaxwne für die Drücke und Strömungen sind in F i
g. 13 wiedergegeben.
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Den zweiten Teil des obigen erweiterten Ausdrucks für die Strömung
kann man mit I& bezeichnen, und er wird durch. den senkrechten Vektor wiedergegeben.
An das obere Ende dieses Vektors ist der Vektor 42 angesetzt, der die Strömung durch
den Widerstand R" darstellt. An das ujatere Ende des Vektors I,R, ist der Vektor
I, angesetzt, der die Strömung durch den variierenden Spalt zwischen der Meinbran
5 und dem Sitz 6 angibt. wobei der Bruch die Bewegung der Membran
angibt, während g
den Verstärkungsfaktor des pnenmatischen Verstärkers darstellt,
der durch die Ventilwirkung der Meinbran 5 zusammen mit dem Sitz
6 gegeben ist. An das linke Ende des Vektors I, ist der Vektor Il, angesetzt,
der gleich p, wCll ist und die Strömung in dem-Hohlraum
3 und den angrenzenden Kanälen 11 angibt. Die Enden der Vektoren 41
und Il. sind durch den Vektor I, verbunden, der den dritten Teil des obigen erweiterten
Ausdrucks für die Strömung
darstellt und mit der durch die Schwingung hervorgerufenen Verschiebung der Welle
in bezug auf einen durch die Mitte des Hohlraums 3 gehenden Durchmesser des
Lagers in Phase isf.
Der rechte Teil von F i g. 13 zeigt
die Druckvektoren. Der senkrechte Vektor p" ist parallel zu dem Strömungsvektor
IR, und die vektorielle Verschiebung e der Welle ist durch eine gestrichelte Linie
angedeutet. Dieser Vektor ist parallel zu dem Vektor I, im linken Teil von F i
g. 13. Der Druck p" hat eine Komponente p" sin cc, die gegenüber der Exzentrizität,-
um 90' nacheilt. Diese auf die Oberfläche der Welle wirkende Druckkomponente
wirkt der Winkelbewegung bzw. der kreisenden Bewegung entgegen, und durch eine geeignete
Wahl der Werte läßt sich ein stabiles Verhalten gewährleisten.
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Beim Fehlen jeder Neigung zum Schwingen wird die Welle 1 in
dem Lager eine Stellung einnehmen, die sich grundsätzlich nach den in die verschiedenen
Hohlräume 3 eintretenden Luftmengen richtet, und diese lassen sich durch
Einstellen der Federn 7 mit Hilfe der Stopfen 7 a derart einregeln,
daß die Welle bei schwingungsfreiem Betrieb konzentrisch mit dem Lager läuft.
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Die Anordnung kann auch so getroffen sein, daß die Membran mit der
Mündung des Zuführungskanals in die oberhalb der Membran liegende Kammer zusammenwirkt.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, statt z. B. drei die doppelte Anzahl
solcher Druckzonen vorzusehen und von diesen die Hälfte in bekannter Weise, z. B.
wie in F i g. 6 dargestellt, mit Druckluft zu speisen und den übrigen Druckzonen
eine Anordnung gemäß der Erfindung, z. B. eine solche nach F i g. 12, zuzuordnen.
Dabei kann die Luft aus allen Druckzonen anstatt über radiale Kanäle über die Enden
des Wellenspaltes entweichen. Um eine größere Anzahl von solchen Druckzonen unterbringen
zu können, können diese nicht nur in Umfangsrichtung verteilt, sondern auch zusätzlich
in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sein.
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Beispiele für die angedeuteten Möglichkeiten sind in den F i
g. 14 bis 16 veranschaulicht. -
Die Anordnung nach F i
g. 14 ähnelt stark derjenigen nach F i g. 8, doch ist die Anordnung
nach F i g. 6
damit kombiniert. Die Hauptlufteinlässe von F i g. 8
sind
durch Kanäle 15 ersetzt, die in Drosselöffnungen 16 münden, die ihrerseits
zu Druckzonen 17 führen. Der größte Teil der in die Druckzonen
17 eintretenden Luft entweicht längs der Stege 19 zu den Hohlräumen
3, die den Hohlräumen 3 in F i g. 8 entsprechen, und von dort
strömt die Luft durchs die Kanäle 20 mit dem Widerstand R ab. Die Arbeitsweise von
pneumatischen Phasenverschiebungseinrichtungen, die durch die Hohlräume
3 und die der Strömung einen Widerstand entgegensetzenden Kanäle 20 gebildet
werden, ist grundsätzlich die gleiche wie. bei den entsprechenden Elementen in F
i g. 8, so daß sich die Vektordiagramme von F i g. 9 auf die Anordnung
nach F i g. 14 anwenden lassen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht gegenüber
F i g. 8 darin, daß sich die radial zugeführten Luftströme durch Eichen der
öffnungen 16 so einstellen lassen, daß die Welle bei schwingungsfreiem Betrieb
in dem Lager zentriert wird; bei der Anordnung nach F i g. 8 hängt dieser
Zentriervorgang dagegen von den Spalten zwischen der Welle und den Stegen ab, welche
die zugeführten Luftströme von den Hohlräumen trennen, sowie von den Abmessungen
der die Widerstände bildenden Kanäle, die aus den Hohlräumen 3 herausführen.
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F ig. 15 und 16 zeigen eine Anordnung,.die derjenigen
nach F i g. 14 ähnelt, doch sind hier zwei Sätze von Zuführungsöffnungen
16 und entsprechenden Hohlräumen 3 und Widerständen R209 die über
den Umfang des Lagers verteilt sind, vorgesehen; die beiden Sätze sind axial gegeneinander
versetzt und um 900 gegeneinander verdreht, so daß die Hohlräume
3 der beiden Sätze gestaffelt sind, um eine zentrierende Unterstützung zu
bilden und eine Schwingungsdämpfung an vier über den Lagerumfang gleichmäßig verteilten
Stellen zu ermöglichen.
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Bei den Anordnungen nach F i g. 14 bis 16 sollen die
geeichten öffnungen 16 einen hohen Widerstand aufweisen, so daß man die Luftströme
durch diese Öffnungen als konstant betrachten kann. Es hat daher keine nachteiligen
Folgen, wenn im Fall von F i g. 15 und 16 ein Teil der in einen Hohlraum
3 eintretenden Luft von einem axial benachbarten Hohlraum 17 aus über
den Spalt zwischen der Welle und dem diese axial benachbarten Hohlräume trennenden
Steg zugeführt wird. Derartige Betrachtungen ergeben sich bei dem Ausführungsbeispiel
nach F i g. 14 nicht, denn die Hohlräume 3 sowie die Hohlräume
17
werden jeweils unabhängig mit Luft versorgt, die axial durch den Lagerspalt
entweicht.