DE19518088A1 - Hochgeschwindigkeits-Fluid-Lager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeits-Fluid-Lager welches mit Flüssigkeit oder Gas (oft wird Luft verwendet) als Tragfluid betrieben wird.

Fluid-Lager werden bei hohen Ansprüchen an Laufqualität und Geräusch eingesetzt.

Konventionelle Lager dieser Art versagen bei hohen Drehzahlen weil entweder eine dynamische Instabilität eintritt, oder die Verlustleistung - infolge Aufheizung und thermischer Dehnung - das Lager so weit verzerrt, daß die Tragkraft oder Steifheit unzulässig absinkt, oder sogar Berührung zwischen Stator und Rotor mit sofortigem katastrophalen Versagen eintritt. Gleiches passiert, wenn zu hohe Fliehkräfte das Lager zu stark verzerren.

Oft sind diese Effekte miteinander verkoppelt.

Eine wesentliche Wirkung dieser Effekte besteht in der Verzerrung der ursprünglich erzeugten Geometrie der Lagerspalte insbesondere der Spaltweiten, welche einen Tragkraftverlust bei Spalterweiterung verursacht, und überproportional ansteigende Verlustleistung bei Spaltverengung mit dadurch erzeugter weiterer Spaltverengung, dann Berührung und Totalversagen.

Zur Beseitigung des Versagens bei hohen Drehzahlen und somit zur Realisierung einer extrem schnell drehenden Fluid-Lagerung wurde eine Lösung gesucht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch Kombination eines kegeligen mit einem ebenen Lager, wobei das ebene Lager weich axial gegen das kegelige Lager vorgespannt ist.

Infolge der weichen axialen Vorspannung bleiben die Spalte des ebenen und des kegeligen Lagers bei radialer Dehnung des Kegels fast unverändert, weil die Vorspannfeder sich axial dehnt, der Stator des kegeligen Lagers sich axial verschiebt und damit dem radial gedehnten Rotor des kegeligen Lagers ein entsprechend größeres Stück Stator-Kegel verfügbar macht.

Weiche axiale Verspannung bedeutet, daß die Federsteifheit deutlich kleiner als die Axialsteifheit des Lagers ist. Wenn das axiale Lager sich radial dehnt dann verändert sich die Form des Axialspalts prinzipiell nicht.

Wenn das kegelige Lager (im Falle Rotor innen) sich radial dehnt dann verschiebt es gegen die Vorspannfeder das Axiallager ein wenig.

Dabei bleibt die Form des Kegelspalts ebenfalls unverändert, sofern für eine gleichmäßige Dehnung des kegeligen Lagers gesorgt ist.

Die Vorspannfeder kann als mechanische, elektrische, magnetische oder pneumatische oder hydraulische Feder realisiert werden. Sie muß axial weich sein, um eine axiale Verschiebung des Axial- Lagers relativ zum Kegel-Lager zuzulassen, sobald sich das Kegel-Lager radial aufweitet.

Bei kleinen Dehnungen kann die Lagerfederung die Vorspannfeder ersetzen.

Der Lagerspalt im Grundzustand ohne Dehnung, d. h. normalerweise bei kleinen Drehzahlen, wird durch einen Anschlag definiert begrenzt, so daß auch bei kleiner Drehzahl ein definierter Spalt existiert.

Bei sich aufweitendem Rotor des Kegel-Lagers steigt die aus der Vorspannung der Lager vorhandene Axialkraft an und hebt, sobald diese Axialkraft größer als die axiale Vorspannkraft wird, den Anschlag ab und erlaubt somit bei fast konstantem Spalt einen wachsenden Durchmesser.

Genauso ist es möglich, ein Lager ohne Anschlag zu realisieren, bei dem der hydrostatische Druck des Fluids schon im Stillstand einen geeigneten Spalt erzeugt.

Die Vorspannfeder kann kippweich aufgebaut sein, dann ist die Tragkraft und Steifheit gegenüber Kippmomenten nur durch das Kegel- oder das Axial-Lager definiert, je nachdem welches mit seinem Stator starr zur Umgebung befestigt ist. Zylindrische Schraubenfedern, auch Stücke davon, welche nur über einen begrenzten Winkel sich erstrecken, sind typische kippweiche Federn.

Die Vorspannfeder kann auch kippsteif aufgebaut sein. Dann tragen beide Lagerteile die Kippmomente. (Kippmomente sind Momente senkrecht zur Drehachse).

Doppel-Parallelfedern auch als Feder-Vier-Gelenk bezeichnet sind typische kippharte Federn. Diese werden sinnvollerweise mehrfach kombiniert mit Federrichtung in Umfangsrichtung zur zylindrischen Bauform passend aufgebaut. Auch in radialer Richtung als Doppel-Federstern ist eine derartige Anordnung sinnvoll.

Der Lagerspalt von typisch nur 0,1 bis 1 Promille des Lager­ durchmessers bleibt auch bei Dehnungen von dieser Größe und darüber hinaus fast unverzerrt erhalten.

Damit sind wesentlich höhere Drehzahlen möglich, als in bisher bekannten Konstruktionen.

Werden die Dehnungen viel größer als der Lagerspalt ist durch zusätzliche Maßnahmen dafür zu sorgen, daß die Dehnungen soweit gleichmäßig erfolgen, daß der Kegelwinkel des Stators auch im gedehnten Zustand ausreichend gut zum Kegelwinkel des Rotors paßt, oder aber die Dehnung in ihrer Ungleichmäßigkeit so erzeugt wird, daß sich der oder die Lagerspalte grundsätzlich in Richtung des abströmenden Fluids verengen, wie es aus auslaßgedrosselten Lagern bekannt ist.

Dies läßt sich durch dünnwandige Gestaltung der Bereiche kleinen Durchmessers des kegeligen Lagerabschnitts, und dickwandige Gestaltung der Bereiche großen Durchmessers erreichen.

Ebenso wie Fliehkraftdehnungen sind thermische Dehnungen in der hier vorgestellten Lagerbauform erstmals in einem erheblichen Ausmaß erlaubt.

Durch die Kombination eines kegeligen mit einem ebenen Lager, axial weich vorgespannt, eventuell mit Anschlag zwischen kegeligem und ebenem Lager, wird es erstmalig möglich, Fluidlager bei extrem hohen Drehzahlen mit deutlichen thermischen oder fliehkrafterzeugten Dehnungen zu betreiben.

Damit werden ganz neue Einsatzgebiete erschlossen und schon bekannte Verwendungsgebiete werden wesentlich effektiver, weil bei besser geeigneten Geschwindigkeiten und schneller gearbeitet werden kann.

Als Variante ist auch eine Bauart aus zwei kegeligen Lagern mit ebenfalls dazwischenliegender axial weicher Vorspannung möglich.

Alle bekannten Mechanismen der Tragkrafterzeugung, statisch oder dynamisch, über die Spaltgeometrie oder Muster können sinnvoll verwendet werden, sofern sie für die hohen Drehzahlen ausgelegt werden.

Ist die Instabilität eines konventionellen Lagers nicht nur durch die Veränderung der Spaltgeometrie sondern durch dynamische Effekte im Fluid und, oder der Struktur bedingt, so ist natürlich primär eine Verschiebung dieser Instabilitäten zu ausreichend hohen Drehzahlen erforderlich.

Dieses kann in bekannter Weise z. B. durch Aufteilung der Lagerfläche in einzelne Inseln erreicht werden.

In der üblichen Bauform liegt der Rotor innen, aber genauso kann natürlich der Stator nach innen gelegt werden.

Die Vorspannfeder sollte dabei üblicherweise im Stator verbleiben.

Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemäße Bauart eine Fülle neuer Anwendungsmöglichkeiten und einer stark verbesserten Kosten/Nutzen-Relation.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 1 als Schnitt dargestellt.

Teil (1) ist der Stator des Kegel-Lagers mit dem über eine Feder (2) der Stator des Axial-Lagers (3) verbunden ist. Teil (4) ist der Rotor des Lagers mit dem kegeligen Abschnitt (5) zur Ausbildung der kegeligen Lagerfläche (6) und dem ebenen Abschnitt (7) zur Ausbildung der axialen Lagerfläche (8). Teil (9) ist der Axialanschlag.

Luftkanäle und Düsen können in bekannter Art in den Stator eingebracht sein.

Fig. 2 ist eine typische Ausführungsformen für eine kippweiche Vorspannfeder, welche aus Federblech gefertigt wird, in der Aufsicht, Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform.

Der Anschluß erfolgt am inneren und äußeren Umfang. Fig. 4 ist eine typische Ausführungsform für eine kippharte Vorspannfeder, welche aus zwei Federn (10) wie Fig. 2 oder Fig. 3 und einem Zwischenstück (11) und zwei Endstücken (12) besteht. Der Anschluß erfolgt beidseits an den Endstücken.

Fig. 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform bei der zwei kegelige Lagerteile axial-weich und kipp-hart gegeneinander (ohne Anschlag) mit einer Vorspannfeder wie Fig. 4 verspannt sind. Bei der Montage wird als letzter Schritt das Zwischenstück der Vorspannfeder an der Fügestelle (13) verschraubt oder sonstwie gefügt.

Die Befestigung des Lagers zur Umgebung erfolgt z. B. durch Bolzen, die in einem der kegeligen Statorteile befestigt sind, durch die Durchbrüche der Federn wie Fig. 2 geführt sind und an einem starren Teil der tragenden Maschine verschraubt sind.

Eingestrichelt im Rotor (14) der Fig. 5 ist eine für extreme Drehzahlen bevorzugte Innenkontur (15) des Rotors, die infolge unterschiedlicher radialer Steifheit des Rotors die aus der Kegelgestalt des Rotors folgenden unterschiedlichen Fliehkräfte in weitgehend gleichmäßige Dehnungen umsetzt, und außerdem zu Spaltverhältnissen wie beim auslaßgedrosselten Lager mit Verengungen in den Austrittsquerschnitten führt.

Auch andere Formen der Innenkontur mit geringen Wandstärken im kleinen Durchmesserbereich des Kegels und großen Wandstärken im großen Durchmesserbereich sind sinnvoll.

Eine Motorisierung über Elektromotor oder Turbine erzeugt den benötigten Antrieb.

Claims (9)

1. Fluid-Lagerung mit beliebiger Flüssigkeit oder Gas als Fluid gekennzeichnet durch eine Kombination von einem ebenen und einem kegeligen Lager und axial-weicher Vorspannung zwischen ebenem und kegeligen Lager.

2. Fluid-Lagerung gekennzeichnet durch eine Kombination von einem ebenen und einem kegeligen Lager und axial-weicher und kipp-steifer Vorspannung zwischen ebenem und kegeligen Lager.

3. Fluid-Lagerung gekennzeichnet durch eine Kombination von einem ebenen und einem kegeligen Lager und axial-weicher und kipp-weicher Vorspannung zwischen Axial- und Kegellager.

4. Fluid-Lagerung gekennzeichnet durch eine Kombination von einem kegeligen und einem weiteren kegeligen Lager und axial-weicher Vorspannung zwischen den beiden Kegellagern.

5. Fluid-Lagerung nach Anspruch 1 bis 4 gekennzeichnet durch einen Axialanschlag, der eine Mindest-Spaltweite erzeugt.

6. Fluid-Lagerung nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet durch eine ebene Vorspannfeder.

7. Fluid-Lagerung nach Anspruch 1 bis 6 gekennzeichnet durch zwei oder mehr ebene Vorspannfedern, welche durch Distanzstücke beidseitig fest verbunden sind.

8. Fluid-Lagerung nach Anspruch 1 bis 7 gekennzeichnet durch eine Vorspannfeder mit radial oder tangential verlaufenden Federstäben oder Blattfedern.

9. Fluid-Lagerung nach Anspruch 1 bis 8 gekennzeichnet durch eine innere Kontur des kegeligen Bereichs des Rotors die im Bereich kleinen Durchmessers des Kegels einen dünnwandigen Querschnitt erzeugt und im großen Durchmessers des Kegels einen dickwandigen Querschnitt.