DE1208561B

DE1208561B - Gas-lubricated radial bearing for a shaft

Info

Publication number: DE1208561B
Application number: DES55287A
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1957-08-30
Filing date: 1957-09-26
Publication date: 1966-01-05

Description

Gas-eschmiertes Radiallager für eine Welle C Die Erfindung bezieht sieh auf ein gasgeschmiertes Radiallager für eine Welle, insbesondere für die Welle von hochtourigen Maschinen, bei dem die Welle von mehreren Kippsegmenten getragen wird, die zwischen dem festen Lagerteil und der Welle angebracht und mit einer dem Wellenumfang angepaßten Tragfläche versehen sind.Gas-lubricated radial bearing for a shaft C The invention relates to a gas-lubricated radial bearing for a shaft, in particular for the shaft of high-speed machines, in which the shaft is supported by several tilting segments that are attached between the fixed bearing part and the shaft and with a the shaft circumference adapted wing are provided.

Es sind derartige Wellenlager für ölschmierung bekannt, bei denen zur Lagerung der Kippsegmente im Lagergehäuse Gewindebolzen angeordnet sind, deren radial inneres, abgerundetes Endstück in eine Aussparung entsprechender Form der Kippse-mente eingreift. Durch eine Bohrung in jedem Gewindebolzen und durch Kanäle in den Kippsegmenten wird Schmiermittel unter Druck in den Spalt zwischen Welle und ore-enüberliegender Tragfläche eines jeden Kippsegments eingespeist. Das sich in dem kalottenartigen Raum zwischen dem Bolzen und der Aussparung der Kippsegmente ausbildende Druckölpolster kann nur die radial von der Welle ausgeübten Kräfte aufnehmen. Die tangential zur Welle auftretenden Schubkräfte, die bei hochtourigen Wellen von erheblicher Größe sind, können jedoch von dem zwischen Bolzen und Kippsegment ausströmenden Öl nicht auf"enommen werden. Dies hat aber zur Folge, daß bei seitlicher Verschiebung oder Drehung eines Kippsegments ein metallisches Aufliegen des Bolzens am Kippse-Ment unvermeidlich ist. Hierdurch wird das Einpendeln der Kippsegmente in ihre den Betriebsverhältn'ssen erforderliche Stellung behindert.Such shaft bearings for oil lubrication are known in which threaded bolts are arranged in the bearing housing for mounting the tilting segments, the radially inner, rounded end piece of which engages in a recess of the corresponding shape of the tilting elements. Through a bore in each threaded bolt and through channels in the tilting segments, lubricant is fed under pressure into the gap between the shaft and the bearing surface of each tilting segment. The pressure oil cushion that forms in the dome-like space between the bolt and the recess of the tilting segments can only absorb the forces exerted radially by the shaft. The thrust forces occurring tangentially to the shaft, which are of considerable magnitude in high-speed shafts, cannot, however, be absorbed by the oil flowing out between the bolt and the tilting segment Bolt on the Kippse-Ment is unavoidable.

Bei einer anderen bekannten Ausführungsforrn eines Wellenlagers, bei dem die Welle zwar von mehreren Kippseginenten getragen wird, die zwischen dem Lagergehäuse und der Welle angebracht und mit einer dem Wellenumfan- an-epaßten Tragfläche versehen sind, wird das Schmiermittel ausschließlich durch zwischen den Kippseor- g menten im LaaeraeIlluse an-eordnete Kanäle in den Z, C C Lagerspalt zwischen Welle und Lagergehäuse einnn sich jedoch zwischen den gespeist. Hierbei ka Kippse,-menten und den Aussparungen im Lager-Phäuse kein hydrostatisches Lager ausbilden, so daß nicht mit Sicherheit ein metallischer Kontakt zwischen den Segmenten und dem Lagergehäuse bei Verschiebung oder Drehung der Segmente vermieden werden kann. Bei Verwendung von Gas als Schmiermittel kann diese La-Crausbilduna auf keinen Fall in der ang estrebten Weise funktionieren.In another known embodiment of a shaft bearing, in which the shaft is indeed carried by several tilting segments, which are attached between the bearing housing and the shaft and are provided with a supporting surface adapted to the shaft circumference, the lubricant is fed exclusively through between the tilting organs Channels arranged in the LaaeraeIlluse in the Z, CC bearing gap between the shaft and the bearing housing, however, are fed between the two. In this case, tilts, ducks and the recesses in the bearing housing cannot form a hydrostatic bearing, so that metallic contact between the segments and the bearing housing when the segments are shifted or rotated cannot be avoided with certainty. If gas is used as a lubricant, this La-Crausbilduna cannot function in the intended way under any circumstances.

Bei einer bekannten Ausführungsiorrn einer gasgeschmierten Wellenlaggerung sind drei um 120' gegeneinander versetzt angeordnete Kippsegmente mittels Kugelgelenke im festen Lagerteil mechanisch abgestützt. Beim Betrieb wird Druckgas in den Spalt zwischen Welle und KippsegInenten eingeleitet, so daß sich eine hydrostatische Gaslagerung der Welle auf den Kippsegmenten ausbildet. Infolge der mechanischen Abstützung, der einzelnen Kippsegmente in dem festen La-erteil tritt Reibung auf. Auch ist eine derartige Kugelgelenklaggerung für kleine Aggregate, wie z. B. hochtourige Expansionsturbinen, fabrikatorisch schwer mit der erforderlichen Genauigkeit herstellbar.In a known embodiment of a gas-lubricated shaft bearing are three tilting segments offset from one another by 120 'by means of ball joints Mechanically supported in the fixed bearing part. During operation, pressurized gas is in the gap initiated between the shaft and tilting segment, so that there is a hydrostatic gas bearing the shaft forms on the tilting segments. Due to the mechanical support, of the individual tilting segments in the fixed part, friction occurs. Also is one such ball joint storage for small units, such. B. high-speed expansion turbines, Difficult to manufacture with the required accuracy in terms of manufacturing.

Die Erfindung hat sich eine gasgeschmierte Wellenlagerung zum Ziel gesetzt, die sich insbesondere für hochtouriae Maschinen mit Rotoren von verhältnismäßig geringem Gewicht eignet, z. B. für Ex-C tD pansionsturbinen mit einer Drehzahl von beispielsweise 10 000 bis 20 000 Umdr./Min. und mehr und mit beispielsweise sehr kleinem Rotor, dessen Durchmesser gegebenenfalls nur wenig größer, gleich oder so"ar kleiner als der Wellendurchmesser im Lager ist. Besonders vorteilhaft finden Gaslager gerade für Hochdrehzahlaebiete infolg C C C _,e ihres geringen Reibungsverlustes Anwendung. Die Drehzahl wird aber vielfach durch das Auftreten der sogenannten Lagerunruhe nach oben begrenzt, und zwar tritt bei einer Wellendrelizahl von etwa dem doppelten Betrag der kritischen Lagerfrequenz (Lager-Eigenfrequenz) eine Zusatzrotation der Wellenachse um die Lagerachse auf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kippse-mente so zu lagern und auszubilden, daß sie in ihrer Einstellbewegung möglichst wenig behindert werden und den auf die Welle ausgeübten Störungen entgegenwirken.The invention has set itself a gas-lubricated shaft bearing as its goal, which is particularly suitable for high-speed machines with rotors of relatively low weight, such. B. for Ex-C tD expansion turbines with a speed of, for example, 10,000 to 20,000 rev / min. and more and, for example, very small rotor whose diameter is equal to or so "ar smaller than the shaft diameter in the bearing optionally only slightly larger. It is particularly advantageous find gas bearing just for Hochdrehzahlaebiete infolg CC C _, e of its low friction loss application. The speed is but often limited upwards by the occurrence of so-called bearing unrest, namely with a shaft endreli number of about twice the amount of the critical bearing frequency (bearing natural frequency) an additional rotation of the shaft axis about the bearing axis occurs. to store and train elements so that they are hindered as little as possible in their adjustment movement and counteract the disturbances exerted on the shaft.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Kippsegmente, die im Bereich ihrer Auslaufkante mit einer zur Lagerachse parallelen, die Tragfläche C -vermindernden Ausnehmung versehen sind, jeweils im festen Lagerteil in, 1 i- bekannten zylindrischen Stützfläche in einer bekannten, zur Lagerachse parallel verlaufenden zylindrischen Ausnehmung auf Drack(Yas gelagert sind, das durch Kanäle im lesten Lagertell ausschließlich -zwischen die Mantelfläche der Ausnehmungen des festen Lagerteils und die Stützfläche der Kippsegmente eingebracht wird, während die Gassehmierung zwischen Welle und Tragfläche der Kippsegmente hydrodynamisch ist.This is inventively achieved in that the tilting segments, the parallel in the region of its outlet edge with a to the bearing axis, the supporting surface C -reducing recess are provided respectively in the fixed bearing part, in 1 i- known cylindrical support surface in a known, to the bearing axis running parallel cylindrical recess on Drack (Yas, which is introduced through channels in the last bearing part exclusively -between the outer surface of the recesses of the fixed bearing part and the support surface of the tilting segments, while the gas absorption between the shaft and the support surface of the tilting segments is hydrodynamic.

Mit einem so ausgebildeten Lager wird erreicht, daß die Kippsegmente während des Betriebes vollständig im Gas schweben. Die Tragwirkung der Welle auf den Kippsegmenten wird dabei im Betrieb lediglich durch die dynamischen Kräfte des durch die Wellendrehung eingesaugten Gases zustande gebracht (dynamisches Lager), während die Kippsegmente in den Ausnehmungen im festen Lagerteil auf einem Druckgaspolster schweben, das durch das unter Druck eingeleitete Lagergas erzeugt wird.With a bearing designed in this way it is achieved that the tilting segments Float completely in the gas during operation. The load-bearing capacity of the shaft the tilting segments is only activated by the dynamic forces of the brought about by the rotation of the shaft sucked in gas (dynamic bearing), while the tilting segments in the recesses in the fixed bearing part on a pressurized gas cushion float, which is generated by the bearing gas introduced under pressure.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht außer in einem geringen Gasverbrauch im Lagerspalt zwischen Welle und Kippsegmenten in einer äußerst reibungsarmen Lagerung der Kippsegmente. Die Stellung der Kippsegmente wird sich im Gas selbsttätig einregulieren, sobald im Betrieb Druckgas in die Lagerspalte zwischen Kippsegmenten und Ausnehmungen im festen Lagerteil eingeleitet wird.One particular advantage of the invention is a minor one Gas consumption in the bearing gap between the shaft and tilting segments in an extremely low-friction way Storage of the tilting segments. The position of the tilting segments is automatic in the gas Adjust as soon as pressurized gas enters the bearing gap between tilting segments during operation and recesses is initiated in the fixed bearing part.

Auf Grund der sich über einen Teil der Tragfläche erstreckenden Ausnehmung jedes Kippsegments läßt sich die zur Wellenachse parallele Mittellinie (Flächenschwerpunktlinie) der wirksamen Tragfläche jedes Kippsegments aus der Kippachse herausrücken und erreichen, daß die Resultierende der Druckkräfte des keilförmigen Gasspaltes zwischen Welle und Kippsegment entsprechend einem Kippelement bei den bekannten Mitchell-Lagern stets wenigstens in guter Annäherung durch die Drehachse des Kippsegments (bei Mitchell-Lager-Kippachse) weist (exakt durch die Drehachse, nur wenn die Reibungskraft = 0 ist), so daß sich das Kippsegment selbsttätig in eine stabile Lage einstellt. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn jeweils die Achse der zylindrischen Ausnehmung des festen Lagerteils und der Stützfläche des Kippsegments auf der dem Wellenumfang angepaßten Tragfläche des Kippsegments liegt.Due to the recess of each tilting segment extending over part of the wing, the center line (centroid) of the effective wing, parallel to the shaft axis, of the effective wing of each tilting segment can be moved out of the tilting axis and the resultant of the pressure forces of the wedge-shaped gas gap between the shaft and tilting segment can be achieved according to a tilting element with the known Mitchell bearings always at least in good approximation through the axis of rotation of the tilting segment (with Mitchell bearing tilting axis) points (exactly through the axis of rotation, only if the frictional force = 0 ), so that the tilting segment is automatically in a stable position adjusts. This is especially the case when the axis of the cylindrical recess of the fixed bearing part and of the support surface of the tilting segment lie on the supporting surface of the tilting segment that is adapted to the circumference of the shaft.

In der Zeichnung ist ein Lager gemäß der Erfindung dargestellt.In the drawing, a bearing according to the invention is shown.

F i g. 1 zeigt das Lager im Schnitt senkrecht zur Lagerachse, F i g. 2 eine vergrößerte Teildarstellung des in der F i g. 1 dargestellten Schnittbildes.F i g. 1 shows the bearing in a section perpendicular to the bearing axis, FIG . FIG. 2 shows an enlarged partial illustration of the FIG. 1 shown sectional view.

In der F i g. 1 sind zwischen einem festen Lagerteil 1 und der Welle 3 drei über den Wellenumfang verteilt angeordnete Kippsegmente 16 benutzt. Diese sind in zylindrischen Ausnehmungen 17 des Lagerteiles 1 gelagert, in die Kanäle 6 zur Zuführung von Druckgas münden. Zum Abführen des Lagergases dienen die Kanäle 22. Die Kippsegmente sind auf den den Ausnehmungen 17 und auf den der Welle 3 zugekehrten Seiten ebenfalls mit zylindrischen Flächen 18, 19 versehen und um die Achse 21 der durch die Flächen 18 gebildeten Zylinder drehbar. Jedes Kippsegment 16 weist an dem einen Ende seiner der Welle 3 zugekehrten Tragfläche 19 eine Ausnehmung 26 auf, die achsparallel verläuft und sich über einen Teil der Tragfläche 19 erstreckt. Durch die Ausnehmung 26 wird die bei vollkommen symmetrischer Ausbildung der Kippsegmente bei 21 liegende, achsparallele Mittellinie der Zylinderfläche 19 aus der ebenfalls bei 21 liegenden Drehachse der Kippseamente 16 heraus nach rechts verlegt, und zwar derart, daß bei Auslenkung der Welle 3 die Resultierende der von dem keilförmig sich von rechts nach links verjüngenden Spalt 5 herrührenden Druckkräfte ständig durch die Drehachse 21 geht, so daß eine entsprechend den Kippelementen bei Mitchell-Lagern ähnliche Tragbewegung und eine stabile Stellung der Kippsegmente 16 im Rahmen der um die Achse 21 möglichen Drehung entsteht.In FIG. 1 , three tilting segments 16 distributed over the circumference of the shaft are used between a fixed bearing part 1 and the shaft 3 . These are mounted in cylindrical recesses 17 of the bearing part 1 , into which channels 6 open for the supply of pressurized gas. The channels 22 serve to discharge the storage gas. The tilting segments are also provided with cylindrical surfaces 18, 19 on the recesses 17 and on the sides facing the shaft 3 and are rotatable about the axis 21 of the cylinders formed by the surfaces 18. Each tilting segment 16 has, at one end of its supporting surface 19 facing the shaft 3 , a recess 26 which runs parallel to the axis and extends over part of the supporting surface 19 . Through the recess 26 , the axially parallel center line of the cylinder surface 19 , which is located at 21 with a completely symmetrical design of the tilting segments, is shifted to the right from the axis of rotation of the tilting segments 16 , which is also located at 21, in such a way that when the shaft 3 is deflected, the resultant of the the wedge-shaped tapering gap 5 from right to left pressure forces constantly going through the axis of rotation 21, so that a similar support movement and a stable position of the tilting segments 16 in the context of the possible rotation about the axis 21 is created corresponding to the tilting elements in Mitchell bearings.

Während des Betriebes sind die Kippsegmente 16 von dem in die Spalte 4 eingeleiteten Druckgas getragen, das heißt, es bildet sich im Spalt 4 ein statisches Gaslager aus. In den Spalt 5 wird das Gas durch seine Viskosität und infolge der Drehung der Welle 3 eingesaugt, so daß sich zwischen Welle und Kippsegmenten ein dynamisches Gaslager ausbildet. Wenn aus irgendeinem Grund die Welle mit ihrer Achse 23 eine Zusatzrotation um die bei der Darstellung gemäß der F i g. 1. ebenfalls bei 23 liegende Lagerachse ausführen sollte, so nähert sie sich dabei wechselweise einem der Kippsegmente 16. Das betreffende Kippsegment kann in diesem Fall sowohl in radialer Richtung nach außen unter Annäherung der Flächen 17, 18 ausweichen als sich - falls sich die Welle 3 nicht z. B. bei Beginn der Zusatzrotation oder bei sprunghafter Vergrößerung des während der Zusatzrotation durch die Achse 23 beschriebenen Kreises momentan auf einem durch die Achse 21 gehenden Radius 24, sondern daneben bewegt - um die Achse 21 in der einen oder anderen Richtung drehen. Wandert die Welle 3 während der Zusatzrotation etwas an der inneren Tragfläche 19 des Kippsegments vorbei, so verschwenkt sich dieses entsprechend um seine Achse 21, bis sich die Welle wieder von dem Kippsegment unter Vergrößerung von Spalt 5 entfernt und gleichzeitig dem folgenden Kippsegment nähert.During operation, the tilting segments 16 are carried by the pressurized gas introduced into the gap 4, that is to say, a static gas bearing is formed in the gap 4. The gas is sucked into the gap 5 due to its viscosity and as a result of the rotation of the shaft 3 , so that a dynamic gas bearing is formed between the shaft and the tilting segments. If for any reason the shaft with its axis 23 is subject to additional rotation by the amount shown in FIG . 1. should also run the bearing axis located at 23, it alternately approaches one of the tilting segments 16. The tilting segment in question can in this case both move outward in the radial direction, approaching the surfaces 17, 18 , and - if the shaft 3 not z. B. at the beginning of the additional rotation or with a sudden increase in the circle described by the axis 23 during the additional rotation momentarily on a radius 24 passing through the axis 21, but moved next to it - rotate about the axis 21 in one direction or the other. If the shaft 3 wanders slightly past the inner support surface 19 of the tilting segment during the additional rotation, it swivels accordingly about its axis 21 until the shaft moves away from the tilting segment again, increasing gap 5 and at the same time approaching the following tilting segment.

Es ist auch möglich, die Drehachse 21 etwas anders anzuordnen. Sie sollte aber auf dem durch die Achsen 23, 21 gehenden Radius 24 liegen.It is also possible to arrange the axis of rotation 21 somewhat differently. However, it should lie on the radius 24 passing through the axes 23, 21.

In der F i g. 2 ist im Rahmen einer Zusatzrotation oder Auslenkung der Wellenachse 23 gemäß Pfeil 27 ein Momentanbild wiedergegeben, bei dem die Welle 3 mit ihrer Achse 23 aus der Lagerachse A herausgerückt ist. Dabei befindet sich der Umfang 28 der Welle in der ausgezogenen Stellung, während er sich, wenn die Welle keine Zusatzrotation ausführt und Achsen 23 und A zusammenfallen, in der gestrichelten Stellung 29 befindet. Das Kippsegment 16 hat sich ferner um die Achse 21 in die dargestellte, stabile Stellung verschwenkt, in der die Tragfläche 19 die ausgezogen wiedergegebene Lage einnimmt. Mittelachse der dieser Lage entsprechenden Zylinderfläche ist die Achse B, die aus der ursprünglichen, mit der Lagerachse A zusammenfallenden Lage auf dem um 2:1 beschriebenen Kreis 38 in der Figur nach rechts gerückt ist. In der ursprünglichen, gestrichelt eingezeichneten Stellung 30 der Tragfläche 19 liegt die zugehörige Mittelachse in der Lagerachse A. In FIG. 2 shows an instantaneous image in the context of an additional rotation or deflection of the shaft axis 23 according to arrow 27 , in which the shaft 3 with its axis 23 has moved out of the bearing axis A. The circumference 28 of the shaft is in the extended position, while it is in the dashed position 29 when the shaft is not performing any additional rotation and axes 23 and A coincide. The tilting segment 16 has also pivoted about the axis 21 into the stable position shown, in which the support surface 19 assumes the position shown in solid lines. The center axis of the cylinder surface corresponding to this position is the axis B, which has moved to the right in the figure from the original position coinciding with the bearing axis A on the circle 38 described by 2: 1. In the original position 30 of the wing 19 , shown in dashed lines, the associated central axis lies in the bearing axis A.

Claims

Claims: 1. Guest-lubricated radial bearing for a shaft, especially for the shaft of high-speed machines, in which the shaft is supported by several tilting segments, which are attached between the fixed bearing part and the shaft and provided with a support surface adapted to the shaft circumference are, characterized in that the tilting segments (16), which are provided in the area of their outlet edge with a recess (26) parallel to the bearing axis and reducing the trailing area, each in the fixed bearing part (1) with a known cylindrical support surface (18) are mounted on compressed gas in a known recess (17) running parallel to the bearing axis, which is introduced through channels (6) in the fixed bearing part exclusively between the outer surface of the recesses (17) of the fixed bearing part and the support surface of the tilting element, while the Gas lubrication between the shaft (3) and the wing (19) of the Kippse, -mente is dynamic.

2. Storage according to claim 1, characterized in that in each case the axis (21) of the cylindrical recess (17) of the fixed bearing part (1) and the support surface (18) of the Kippse-Mentes on the shaft circumference adapted support surface (19) of the Kippse -mentes (16) lies. C, Documents considered: German Patent Nos. 863 8M 846 345, 840 634; British Patent Nos. 695 116, 553 673, 547 306; U.S. Patent Nos. 2,348,928, 2,106,860.