DE19518088A1 - Hochgeschwindigkeits-Fluid-Lager - Google Patents
Hochgeschwindigkeits-Fluid-LagerInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
- F16C32/0681—Construction or mounting aspects of hydrostatic bearings, for exclusively rotary movement, related to the direction of load
- F16C32/0696—Construction or mounting aspects of hydrostatic bearings, for exclusively rotary movement, related to the direction of load for both radial and axial load
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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- F16C32/0662—Details of hydrostatic bearings independent of fluid supply or direction of load
- F16C32/067—Details of hydrostatic bearings independent of fluid supply or direction of load of bearings adjustable for aligning, positioning, wear or play
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19518088A DE19518088A1 (de) | 1995-05-17 | 1995-05-17 | Hochgeschwindigkeits-Fluid-Lager |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19518088A DE19518088A1 (de) | 1995-05-17 | 1995-05-17 | Hochgeschwindigkeits-Fluid-Lager |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19518088A1 true DE19518088A1 (de) | 1996-11-21 |
Family
ID=7762141
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19518088A Withdrawn DE19518088A1 (de) | 1995-05-17 | 1995-05-17 | Hochgeschwindigkeits-Fluid-Lager |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19518088A1 (de) |
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1995
- 1995-05-17 DE DE19518088A patent/DE19518088A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8122 | Nonbinding interest in granting licences declared | ||
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