DE1525303A1 - Einreihiges Radial-Gaslager - Google Patents

Description

TELDIX
LUFTFAHRT-AUSRÜSTUNGS G.M.B

Heidelberg
Grenzhöfer Weg 36

Heidelberg, 2. März 1966 E/Pt~Ei/Vö, E-Nr. 79

Einreihiges Radial-Gaslager

Statische, das heißt von einer äußeren Druckquelle gespeiste Gaslager, sind in vielen Formen .bekannt. Als vollständiges Lager setzen sie sich aus einem Radiallager (Querlager) und einem oder zv;ei Axiallagern (Platten- oder Längslagern) zusammen und werden vorzugsweise für Lagerungen mit kleiner V/inkelgeschwindigkeit verwendet, z. B. als Präzessionsachsenlagerung in der Kreiseltechnik.

Die Erfindung betrifft statische Radial-Gaslager und setzt sich zum Ziel, ein solches Lager zu schaffen, das einfach herstellbar ist und eine gute Tragfähigkeit und Kippsteifigkeit besitzt.

Bekannt sind einerseits sog. zweireihige Radiallager ohne Mittelabströmung, das sind solche mit zwei Kränzen von Einblasöffnungen, die etwa im ersten und letzten Drittel der Längsausdehnung des Lagers liegen. Vergl. zum Beispiel: First International Symposium on Ga3-Lubricated Bearings, 26.-28. Oktober 1959 V/ashington, D.C₁ ACR-49, Office of Naval Research - Department of the Navy, Washington, D.C, Seite 547, Fig. 1. Bei diesem Lager int die Druckverteilung im Lagerspalt in axialer Richtung (Druckprofil) etwa trapezförmig; der Druck fällt von beiden Einblaskränzen nach den La-

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gerenden hin stetig ab und ist im mittleren Bereich zwischen den beiden Kränzen konstant.

Damit kein Turbinenmoment auftritt, müssen die Achsen der Einblasbohrungen sich alle in einem Punkt schneiden. Diese Forderxing ist um so schwerer zu erfüllen, je größer die Anzahl der Bohrungen ist. Eine Verringerung der Einblassteilen wäre daher im Interesse der Herstellungsvereinfachung und im Interesse eines kleineren Turbinenmomentes wünschenswert. In der Verringerung der Einblasstellen eines Kranzes ist man aber beschränkt,wenn die Gleichförmigkeit der Strömungs- und Druckverteilung am Umfang er-' halten bleiben soll. Hier führt erst der übergang auf nur einen Kranz von Einblasstellen weiter.

Derartige einreihige Lager sind ebenfalls bekannt. Vergl. Gas Film Lubrication, W.A. Gross, I.B.M. Research Laboratory, San Jose, California, erschienen bei John Wiley and Sons, Inc. New Tork, London, (1962) Seite 2?9, Fig. 5.3.1. (g), (h). Einfache einreihige Lager (g) haben jedoch infolge des dreieckförmigen Druckprofils eine geringere Tragfähigkeit und sind weniger steif gegen Verkippen, d. h. bei einer Drehung des Lagerzapfens um eine zur Lagerachse senkrechte Achse wird kaum ein Rückstellmoment erzeugt. Man mußte daher auch dem einreihigen Lager eine trapezförmige Druckverteilung geben. Dazu wurden an der äußeren Lagerfläche, d.h. auf der Innenseite der Lagerschale, rechteckige Flächenteile, in deren Zentrum je eine Einblasmündung liegt, ein wenig abgetragen und dadurch tiefer eingelassen (h). Die so gebildeten Stautaschen, die gegeneinander durch Stege gleichen Niveaus wie die übrige Oberfläche getrennt sind, bewirken, daß der Gasdruck innerhalb der Tasche praktisch konstant bleibt und erst voa Hand der Tasche zu den Enden der Lagerschale hin abfällt. Damit ist das gewünschte trapezförmige Druckprofil erreicht.

Es ist jedoch außerordentlich schwierig, diese Stautaachen auszusparen, deren Tiefe zwar ein Mehrfaches des normaltη Gaeepaltes

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beträgt, immerhin aber in der Größenordnung von nur etwa 30,^ liegt. Der mit dieser Arbeit verbundene Herstellungsaufwand überwiegt sogar denjenigen für eine zweite Reihe von Einblasöffnungen, weshalb solche Lager auch praktisch nicht verwendet wurden.

Erfindungsgemäß wird ein Radial-Gaslager mit nur einem Kranz von Einblasöffnungen vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, daß wenigstens eine der beiden Lagerflächen, d. h. die Mantelfläche des Lagerzapfens oder die Innenfläche der Lagerschale einen zusammenhängenden Ringbereich aufweist, dessen Oberfläche gegenüber der übrigen Oberfläche vertieft ist, und daß dieser λ Ringbereich etwa in der Mitte der Längsausdehnung des Lagers liegt, die Mündungen sämtlicher Einblasöffnungen einschließt und sich über den vollen Umfang erstreckt.

Dieser vertiefte Ringbereich, der im zusammengebauten Zustand des Lagers eine Ring-Staukammer bildet, ist sehr einfach durch Hinterdrehen der Lagerschale oder durch Abdrehen des Lagerzapfens herzustellen. Außerdem sind nur noch die beiden äußeren Ringbereiche, welche zwischen sich den schmalen Lagerspalt bilden, mit großer Oberflächengüte und Maßhaltigkeit zu fertigen. Darin liegt eine ebenso wichtige Fertigungserleichterung gegenüber den bekannten Lagern. Die Oberflächengüte des vertieften Oberflächenteils, d. h. des Staukanunerringes, brauchen nicht diese extremen (j Forderungen wie die Begrenzungsflächen des engen Lagerspaltes zu erfüllen. Dies erklärt sich daraus, daß die Strömungsgeschwindigkeit in der Staukammer im Vergleich zum Lagerspalt wesentlich geringer ist und daher Obeiflächenfehler nicht wie im engen Lagerspalt Strömungsdeformationen verursachen. Ferner haben geringe Schwankungen der Staukammerhöhe als Folge von Oberflächenfehlern kaum einen Einfluß auf den Druckverlauf in der Staukammer, da die Spalthöhe mit 1/h* in die Formel des Druckabfalles eingeht d. h. <\er Druckabfall in der Staukammer klein ist gegenüber dem im Lagerspalt. Der Druck kann daher, wie schon erwähnt, über

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der Längsausdehnung der Staukammer als konstant angenommen werden.

Der Erfindung stand ein beträchtliches Vorurteil entgegen. Man erwartete nämlich, daß sich ohne die Stege zwischen den einzelnen Haschen des bekannten einreihigen Lagers (h) «ine Strömung in Umfangsrichtung und damit ein Druckausgleich zwischen dem unteren und oberen Bereich der Ring-Staukammer ausbilden würde. Um dies zu erläutern, ist davon auszugehen, daß bei abgestellter Gaszufuhr und horizontaler Lage der Achse der Lagerzapfen sich in Folge seines Gewichts unten auf die Lagerschale auflegt. Aa.die- w ser Stelle ist dann die Spalthöhe h = 0, und an der gegenüber liegenden Stelle ist h = 2 h_Q, wenn h die mittlere Spalthöhe bedeutet. Warum sollte nun das aus der untersten und den angrenzenden Einblasöffnungen quellende Gas den Zapfen anheben und sich durch den entstehenden engen Spalt pressen, wo doch über die Hing-Staukammer und den oberen maximal geöffneten Lagerspalt ein Weg frei ist ? Man folgerte aus dieser Überlegung, daß ein solches Lager überhaupt nicht abheben würde und daher nicht zu gebrauchen sei. In Wirklichkeit bildet sich aber in der Ring-Staukammer eine sog. Quellengitterströmung aus, deren in Längsrichtung fließende Anteile gewissermaßen einen"Windvorhang^w für eine etwaige Umfangsströmung, d. h. einen hohen Widerstand für diese bedeuten. In diesem Zusammenhang sei zur Abgrenzung gesagt, daß die Ring-Staukammer nicht beliebig tief gemacht werden darf, da dann der Windvorhang-Effekt nicht oder nur in unbefriedigendem Maße auftritt.

Vielseitige Anwendungen der Erfindung sind möglich. Insbesondere eignet sie sich für Präzessionslager in der Kreiseltechnik oder zur Lösung anderer Lagerungsaufgaben, bei denen es auf Störmomentfreiheit besonders ankommt. Sehr günstig und einfach ist die Kombination des erfindungsgemäßen Radiallagers ait einem oder zwei Stufenplattenlagern als Axiallager, wobei diese von der Abluft des Radiallagers gespeist werden und zentripetale Ströaungs·

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richtungen haben. Bei dieser Art von Plattenlagern wird vorzugsweise eine äußere Ringzone mit größerem Spalt als Staukammer und eine innere Ringzone, welche die Ausblasöffnung umgibt, mit kleinerer Spalthöhe und besonders fein bearbeiteter Oberfläche als Lagerspalt ausgebildet.

An Hand der Zeichnungen werden'Ausführungsbeispiele der Erfindung und das Strömungsbild weiter erläutert:

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schnittbild durch ein Lager nach der Erfindung mit Darstellung des Druckprofils oben und unten,

Fig. 2 dasselbe Lager gekippt,
Fig. 3 ist eine räumliche Darstellung der Lagerschale mit der Gasströmung. Der Lagerzapfen ist zur besseren Übersicht

herausgenommen,
Fig. 4 gibt als zweites Ausführungsbeispiel ein mit Plattenlagern kombiniertes Radiallager im Schnitt wieder·

In Fig. 1 ist die Lagerschale mit 1 und der Lagerzapfen mit 2 bezeichnet. Die Lagerfläche des Zapfens, hier also seine gesamte Mantelfläche, stellt einen exakten Kreiszylinder dar. Die Innenfläche der Lagerschale ist in drei zylindrische Ringzonen 3» 4 und 5 unterteilt, wobei die mittlere Zone vertieft liegt und damit eine Ring-Staukammer bildet. Die Einblasöffnungen, von denen eine mit 6 bezeichnet ist, sind über den Umfang gleichmäßig verteilt und bilden so einen in der Mitte des Lagers liegenden Kranz. Der Einfachheit halber sind die Einblasöffnungen als zylindrische Radialbehrungen gezeichnet, ohne daß die dort bekanntlich vorzusehenden Drosselstellen (Düsen, Filter oder dgl.) näher gezeigt sind. Der Lagerzapfen ist infolge seines Gewichtes ua die Exzentrizität e aus der Mitte verschoben.« Die Spalthöhe h des Lagerspaltes hat bei Mittellage des Lagerzapfens eine Größenordnung von etwa 15/4 _f während die entsprechende Spalthohe h_r der Staukaaver zum Beispiel 35/*· beträgt.

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Für den aus der Zeichnung ersichtlichen oberen und unteren Spalt ist jeweils das Druckprofil P aufgetragen. Die beiden gleichen Trapezkurven 7 und 8 beziehen sich auf die Mittellage des Lagerzapfens. Die Kurve 9 und 10 dagegen auf die gezeigte exzentrische Lage. Die Eckpunkte der Trapezform entsprechen jeweils den seitlichen Kanten der Ring-Staukammer. Oben, wo der Spalt weiter ist, ergibt sich ein geringerer Druck als unten beim engeren Spalt. Die Differenz der jeweils in der oberen und unteren Hälfte auf den Lagerzapfen ausgeübten Druck— halfte in vertikaler Richtung ergibt eine resultierende Kraft, welche dem Gev/icht des Lagerzapfens das Gleichgewicht hält.

ψ In Fig. 2 ist der Lagerzapfen um den Winkel gekippt. Man erhält auf diese Weise sich erweiternde (Diffusorströmung) und sich verengende Spalte (Düsenströmung).Auch in diesem Fall bleibt über die Längsausdehnung der Staukammer der Druck konstant. Dagegen hängt die Druckkurve bei divergierendem Spalt durch und beult sich bei konvergierendem Spalt nach oben aus. Die als Kurve gezeigte Differenz der oberen und unteren Druckkurve erzeugt das Rückstellmoment,durch welches das Lager kippsteif wird.

Fig. 5 zeigt die sich ausbildende Strömung, wenn der Lagerzapfen seine normale Mittellage inne hat. Der Zapfen ist jedoch zur besseren Übersichtlichkeit herausgenommen. Das Gas tritt wieder durch die radialen Bohrungen 6 in die Ring-Staukammer ein. Im Hahbereich der Mündungen auf der Innenseite verläuft die Strömung noch radial und geht dann in eine Parallelströmung in Achsrichtung über. In der Mitte zwischen den Einblasmündungen entsteht jeweils ein Punkt ohne Strömungsgeschwindigkeit. Bei exzentrischer Lage des Lagerzapfens wird die Parallelströmung allenfalls ein wenig seitlich abgedrängt. Eine durchgehende Strömung in ümfangsrichtung kann sich aber innerhalb der Ring-Staukammer nicht ausbilden.

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In dem Ausführungsbeispiel nach FIg. 4 ist der Lagerzapfen in der Mitte eingedreht (Bereich 4·¹ ), während die Lagerschale durchweg gleichen Durchmesser hat. Die Wirkungsweise und das Strömungsbild werden dadurch jedoch nicht beeinflußt. An den Stirnseiten sind hier je ein Plattenlager vorgesehen, welche die axiale Führung geben. Auch bei den Plattenlagern ist eine äußere Ringzone 12 mit größerem Spalt und eine kleinere innere Ringzone 13 mit hochfeiner Oberfläche vorgesehen. Ob die Vertiefung in die Platte oder in die Stirnseite des Lagerzapfens eingebracht wird, ist nicht von Bedeutung.

- Patentanspruch -

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Claims (1)

1. Patentanspruch

   Radial-Gaslager mit nur einem Kranz von Einblasöffnungen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Lagerflächen (Lagerzapfen oder Lagerschalen) einen zusammenhängenden Ringbereich (4 bzw. 4·') aufweist, dessen Oberfläche gegenüber der übrigen Oberfläche vertieft ist, und daß dieser Ringbereich etwa in der Mitte der Längsausdehnung des Lagers liegt, die Mündungen sämtlicher Einblasöffnungen (6) einschließt und sich über den vollen Umfang erstreckt.

   Heidelberg, den ?, März 1966
   ß/Pt-Jäi/Wö, S-Nr. 79

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