DE2337190A1

DE2337190A1 - Schwingungsdaempfer fuer lager von mit hoher drehzahl umlaufenden rotoren

Info

Publication number: DE2337190A1
Application number: DE19732337190
Authority: DE
Inventors: Herbert Belzig; Eckhard Dipl Ing Dietrich; Albert Dr Ing Fritzsche; Dieter Schneller
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1973-07-21
Filing date: 1973-07-21
Publication date: 1975-02-06
Also published as: NL7407532A; DE2337190C3; GB1425691A; NL163312C; NL163312B; DE2337190B2; FR2238093B1; FR2238093A1

Description

DORNIER GMBH
Friedrichshafen

Reg. 2360

Schwingungsdämpfer für Lager von mit hoher Drehzahl umlaufenden Rotoren

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer für Lagerungen von mit hoher Drehzahl umlaufenden Rotoren, bei denen in einem feststehenden und mit Flüssigkeit gefüllten Lagergehäuse zylindrische Dämpferteile beweglich angeordnet sind. Als Beispiel seien Kreisellagerungen genannt.

Schnellaufende Kreisel unterliegen physikalischen Gesetzen, ^ie hinsichtlich der Lagerkonstruktion besondere Forderungen stellen. Bekannte Ausführungsformen von Kreisellagerungen weisen besondere Dämpfungselemente auf, um einen stabilen Lauf des Rotors zu gewährleisten. Diese Dämpfungselemente ermöglichen das Durchfahren kritischer Drehzahlen bein Hochlaufen des Rotors und stellen die Stabilität des Rotors gegen äußere Störungen, z. B. Anregung von Eigenschwingungsformen, im Nennbetrieb sicher. Zu den bekannten Ausführungsformen von Dämpfungselementen gehört der sogenannte Flüssigkeits-Verdrängungsdämpfer. Bei diesem Dämpfertyp sind üblicherweise die dämpfenden Lagerteile in einem Lagergehäuse untergebracht und konzentrisch ineinanderliegend angeordnet. Das Lagergehäuse selbst ist mit einer Dämpferflüssigkeit gefüllt. Bei derartigen Dämpfern wird eine hohe Dämpferleistung dadurch erzeugt, daß die eingeleitete und zu dämpfende Bewegung - im allgemeinen eine Zirkumpolarbewegung - in eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der Dämpferflüssigkeit zwischen einem beweglichen und einem feststehenden Zylinder umgesetzt wird. Diese beiden ineinanderliegenden Zylinder stellen die obengenannten Dämpferteile dar. Durch die Zirkumpolarbewegung der Dämpferteile wird in der Dämpferflüssigkeit eine oszil-

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lierende Bewegung hervorgerufen. Diese Dämpfungsart ist mit dem Nachteil verbunden, daß eine hohe kinetische Energie der Dämpferflüssigkeit pulsierend erzeugt und vernichtet wird, woraus außerordentliche Schwierigkeiten für die sinnvolle Abstimmung des Dämpfers resultieren, da diese Energie eine frequenz- und amplitudenabhängige scheinbare Vergrösserung der Dämpfermasse darstellt. Derartige Dämpfer wirken also nur vorteilhaft bei einer bestimmten Frequenz. Sie sind aber nicht brauchbar zur Verwirklichung eines geschwindigkeitsunabhängigen Dämpfungsbeiwertes. Die erwähnten hohen Strömungsgeschwindigkeiten können insbesondere bei Verwendung der FlUssigkeits-Verdrängungsdämpfer im Vakuum bzw. in evakuierten Behältern zu Kavitation führen und die Wirkung eines derartigen Dämpfers wesentlich beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dämpfer für einen möglichst großen Frequenz- und Amplitudenbereich zu schaffen, d. h. den Dämpfungsbeiwert von der Geschwindigkeit unabhängig zu machen. Die Aufgabe wird bei einem eingangs genanntet) Schwingungsdämpfer erfindungsgemäß

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dadurch gelöst, daß wenigstens eines der im Lagergehäuse angeordneten zylindrischen Düinpferteile mit siebartigen, der Flüssigkeit einen radialen Strömungsweg öffnenden Durchbrochen versehen ist. Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung kamt durch Abstimmung von Form und bzw. oder QuerschnittsFlüche der einzelnen Durchbrüche zusammen mit dem Verhältnis der Durchbruchsflüche zur von der Flüssigkeit umspülten fläche des Dämpferteiles die Durchstrotngüüchwindigkeit der Flüssigkeit durch die Durchbrüche so beeinflußt werden, daß sie im wesentlichen nicht über der Geschwindigkeit d«r eingeleiteten /i rl-uinpolarbewegung liegt. Die die Wirkung des Diimpiexs ausmachenden Wcincl:,ihubspannungen werden also erzeugt, ohno dull in der Flüssigkeit örtlich holm Strömungsgeschwindigkeiten und damit die utieiwünsthten hohen kirieti ,(.hni Energien auftreten. Die frequenzund amplitudenabhängige Beeinflussung di;r Dämpf entlasse ist

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beträchtlich reduziert. Es kann bei relativ kleinen gesaroten Bauvolumen des Dämpfers eine nahezu geschwindigkeitsunabhängige Dämpfung erreicht werden.

Das Prinzip der Erfindung sei anhand der Zeichnung an einigen Ausfuhrungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Dämpfer im Längsschnitt,

Fig. 2a bis 2d zeigen einen Dämpfer nach Fig. 1 im Querschnitt bei verschiedenen Phasenlagen des Dämpferteiles,

Fig. 3 zeigt eine andere Ausbildung eines Dämpfers im Längsschnitt, Fig. 3a zeigt eine Abwandlung der Fig. 3,

Fig. 4a und 4b zeigen Querschnitte des Dämpfers nach Fig. 3 in verschiedener Phasenlage, und

Fig. 5 zeigt eine AusfUhrungsform mit mehrfacher Anordnung von Dämpfern.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Lager für einen Rotor 3 mit senkrechter Drehachse angedeutet. Als Rotor ist beispielsweise eine Zentrifuge angenommen, deren Wandung mit 31 bezeichnet ist. Der Rotor 3 sitzt auf einer Welle 32, die an ihrem anderen Ende fest verbunden eine Kugel 33 trägt. Das kugelige Wellenende 33 ruht in einer Lagerkalotte Die Lagerkalotte 2 wird in axialer Richtung durch eine Feder 4 im Lagergehäuse 1 abgestutzt. Der Boden des Lagergehäuses 1 trägt ein zylindrisches festes Dämpferteil 11. Die Lagerkalotte 2 trägt ihrerseits ein ebenfalls zylindrisches Dämpferteil 21, das mit der Kalotte 2 im Lagergehäuse 1 mit der Frequenz und Amplitude der zu dämpfenden Schwingungen eine Relativbewegung ausfuhren kann. Die beiden zylindrischen Dämpferteile 11 und 21 liegen ineinander und bilden miteinander bzw. mit der Wand des Lagergehäuses 1 die Dämpfspalte 6 und 7. Das Innere des Lagergehäuses und somit die Dämpferspalte 6 und 7 sind mit Flüssigkeit gefüllt. Der Übersichtlichkeit halber ist die Flüssigkeit nicht besonders

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dargestellt. Es wird angenommen, daß das Dämpferteil 21 voll in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Insoweit entspricht die Anordnung dem bisher bei Flüssigkeitsdämpfern üblichen Aufbau. Darüber hinausgehend ist aber das bewegliche Dämpferteil 21 mit Durchbrüchen 5 versehen, die auf seiner Oberfläche siebartig verteilt angeordnet sind. Ein Teil der Durchbrüche 5 ist in der Fig. 1 im Schnitt sichtbar und außerdem ist in der obersten Reihe der Durchbrüche angedeutet, daß diese Durchbrüche 5 auch auf dem Umfang des Dämpferteiles 21 verteilt angeordnet sind. Auf die Form der Durchbrüche braucht hier zunächst nicht näher eingegangen zu werden. Die Durchbrüche sind hier der Einfachheit halber als runde Löcher dargestellt.

Die Figuren 2a bis 2d zeigen Querschnitte durch die festen und beweglichen Dämpferteile und dos Lagergehäuse. Mit MI ist der Mittelpunkt bzw. die Mittelachse der festen Dämpferteile 11 bzw. des Lagergehäuses 1 bezeichnet. M2 ist der Mittelpunkt des beweglichen Dämpferteiles 21. Das bewegliche Dämpferteil 21 ist, wie die Fig. 2a zeigt, exzentrisch zv den festen Dämpferteilen 11 bzw. Lagergehäuse 1 angenommen. Während des Betriebes führt das bewegliche Dämpferteil 21 eine Zirkurapolarbewegung zum feststehenden Dämpferteil 11 aus. Der Mittelpunkt M2 des beweglichen Dämpferteiles 21 beschreibt dabei einen Kreis, der in Fig. 2a durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Figuren 2a bis 2d stellen verschiedene Phasenlagen einer solchen Zirkumpolarbewegung dar. Zum weiteren Verständnis der Wirkungsweise sind die Dämpferspalte 6 und 7 nach den Quadranten des Achsenkreuzes aufgeteilt in die Teilspalte 6a bis od und 7a bis 7d.

Bei den bisher bekannten Flüssigkeitsdämpfern erfolgte bei der Zirkumpolarbewegung des beweglichen Dämpferteiles 21 eine Flüssigkeitsströmung vom Quellbereich in einen Senkenbereich ausschließlich entlang v.·
der Oberfläche der Dämpferteile. Dabei traten überhöhte Flüssigkeits-

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geschwindigkeiten auf, die zu den eingangs aufgezählten Nachteilen führten. Bei der hier vorgeschlagenen Ausbildung jedoch wird ein weiterer Strömungsweg fUr die Flüssigkeit geöffnet. Die Flüssigkeit kann nunmehr durch die DurchbrUche 5 im beweglichen Dämpferteil 21 hindurchtreten und von einem Quellbereich in einen benachbarten Senkenbereich treten. Diese Strömung ist in der Fig. 2b durch Pfeile für den Übergang von der Phasenlage Fig. 2a in die Phasenlage der Fig. 2b eingezeichnet. Dabei herrscht im Quadranten b eine im wesentlichen radial nach innen gerichtete Strömung vom Spalt ob in den Spalt 7b und im Quadranten d eine im wesentlichen nach außen gerichtete Strömung vom Spalt 7d zum Spalt 6d. In der Fig. 2c ist die Strömung eingezeichnet für den Übergang von der Phasenlage der Fig. 2b in die Phasenlage der Fig. 2c. Entsprechend zeigt die Fig. 2d die radial gerichtete Strömung für die weiterei Phasenlagenänderungen.Wie ersichtlich, läuft die Richtung der Radialströmung durch die DurchbrUche 5 hindurch zusammen mit der Zirkumpolarbewegung des beweglichen Dämpferteiles 21 vm. Es entsteht dabei eine oszillierende Strömung von Quellbereichen zu Senkenbereichen durch die einzelnen DurchbrUche 5 hindurch. Die kinetische Energie der Strömung wird vom Verhältnis der Querschnitte der DurchbrUche zur Dämpferoberfläche beeinflußt. Die durch die FlUssigkeitsbewegung entstehende Schubspannung an der aktiven Dämpferfläche steht mit der eingeleiteten Dämpfungsleistung im Gleichgewicht. Die Abstimmung des gesamten Schwingungsdämpfers erfolgt durch Optimierung der Spalt- und Lochgeometrie, d. h. durch geeignete Wahl von Fora und Querschnittsfläche der DurchbrUche sowie durch das Verhältnis der Querschnittsflächen der DurchbrUche zur Oberfläche des Dämpferteiles und durch die Spaltabmessungen. Dabei werden vorzugsweise die Querschnittsflächen der DurchbrUche zur Verbindung der mit der Frequenz der Zirkumpolarbewegung umlaufenden Quellen- und Senkenbereiche so dimensioniert, daß hohe Wandschubspannungen ohne kavitations-

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auslösende Übergeschwindigkeiten und Ablösungen entstehen, und daß die sogenannte laminare Einlaufströmung (stationär betrachtet) zusammen mit der Anlaufströmung die Ströraungsverhältnisee kennzeichnen. Der Maximalwert der oszillierenden Strömung zwischen den Dämpferspalten 6 und 7 hängt vom Verhältnis der Exzentrizität der Zirkumpolarbewegung des Dämpferteiles 21 zum Ruhespalt des betreffenden Ringraumes ab. Auf diesem Weg wird die Dämpfung durch Scherspannungen, die ausschließlich dem Geschwindigkeitsgradienten an der Wand proportional sind, ohne den Aufwand an hoher kinetischer Energie bei relativ zum gesamten Bauvolumen bescheidener Größe der benetzten Dämpferoberfläche erreicht.

Die Querschnittsflächen und die hydraulischen Durchmesser sind so dimensioniert, daß die laminare Dämpfung mit Geschwindigkeiten der Flüssigkeit erzielt wird, die im wesentlichen nicht Über der der Zirkumpolarbewegung selbst liegen. Die Form der Durchbrüche kann ganz den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. So ist es möglich, wie in Fig. 1 angedeutet, einfache runde Durchbrüche ζυ verwenden, oder die Durchbrüche in der Art eines Blütenmusters oder Sternmusters zu gestalten. Die siebartige Ausgestaltung des Dämpferteiles mit seinen Durchbrüchen kann sogar so weit getrieben werden, daß als Dämpferteil ein reines Gittersieb verwendet wird. Ferner ist es möglich, die Kanten der DurchbrUche scharf zu lassen oder zu runden bzw. den DurchbrUchen sogar eine querschnittsverändernde Form, z. B. nach Art eines DUsenquerschnittes zu geben.

Die vorgeschlagene Ausbildung vermeidet hohe kinetische Energien und hohe Geschwindigkeiten und unterdrückt daher die eingangs genannten nachteiligen Wirkungen der Strömungen in Umfangsrichtung der Däopferteile.

Der Schwingungsdämpfer gemäß Fig. 3 zeigt im wesentlichen den gleichen" Grundaufbau wie in Fig. 1. Der einzige Unterschied besteht

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darin, daß hier in Fig. 3 das feststehende Dämpferteil 11 DurchbrUche 5 aufweist, und daß an der Lagerkalotte 2 nicht nur ein zylindrisches Dämpferteil, sondern deren zwei angeordnet sind. Die beiden an der Lagerkalotte 2 angeordneten Dämpferteile sind mit 21 und 22 bezeichnet. Sie umschließen zu beiden Seiten das feststehende Dämpferteil 11« Die beweglichen Dämpferteile 21 und 22 weisen hier keine siebartigen Durchbrüche auf. Bei dieser Anordnung werden die drei Dämpferspalte 6, 7 und 8 gebildet. Dabei ist der Dämpferspalt zwischen den Lagergehäuse 1 und dem beweglichen Dämpferteil 21 in der bekannten Art wirksam. Die Dämpferspalte 6 zwischen dem beweglichen Dämpferteil 22 und dem festen Dämpferteil 11 sowie Dämpferspalt 7 zwischen den festen Dämpferteil 11 und dem beweglichen Dämpferteil 21 sind in der obenbeschriebenen Weise wirksam und ermöglichen eine radiale Durchströaung vom Quellenbereich zum Senkenbereich.

Die Strömungsverhältnisse der Fig. 3 sind in zwei verschiedenen Phasenlagen in den Fig. 4a und 4b dargestellt. Bei der Zirkumpolarbewegung der beweglichen Dämpferteile mit ihrem Mittelpunkt M2 um den Mittelpunkt MI des festen Dämpferteiles entsteht wieder eine Strömung zwischen dem Quellbereich im Spalt 7b und dem Senkenbereich im Spalt 6b bzw. Spalt 6d und Spalt 7d. Die Pfeile in Fig. 4b kennzeichnen die im wesentlichen radiale Strömung von Spalt 7b nach 6b und von Spalt 6d nach 7d.

Die Fig. 3a zeigt eine Abwandlung der Fig. 3. Hier ist nicht nur das feste Dämpferteil 11, sondern auch das bewegliche Dämpferteil mit Durchbrochen versehen. Die DurchbrUche im festen Dämpferteil 11 sind mit 51 und die DurchbrUche im benachbarten beweglichen Dämpferteil 21 mit 52 bezeichnet. Die Geometrie der DurchbrUche braucht in den beiden benachbarten Dämpferteilen nicht die gleiche zu sein, vielmehr können unterschiedliche Formen und Querschnittsverhältnisse gewählt werden.

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Bei dieser Ausbildungsform wird Flüssigkeit aus einem Quellbereich in zwei benachbarte Senkenbereiche bzw. umgekehrt aus zwei Quellbereichen in einen Senkenbereich transportiert.

Auch die Mehrfachanordnung von Dämpfern ist möglich. So zeigt die Fig. 5 die Mehrfachanordnung von vier einzelnen Schwingungsdämpfern DI, D2, D3 und D4. Jeder dieser Schwingungsdämpfer besitzt z. B. gemäß Fig. 1 ein festes Dämpferteil 11 und ein bewegliches Dämpferteil 21 und weist die Dämpferspalte 6 und 7 auf. Die einzelnen beweglichen Dämpferteile sind starr miteinander verbunden, wie durch ein Verbindungsteil 9 angedeutet ist. Sämtliche Einzeldämpfer DI bis D4 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 1 untergebracht, so daß auch die festen Dämpferteile starr miteinander verbunden sind. Durch diese Mehrfachanordnung kann die Dämpfungsleistung, bezogen auf das Bauvolumen vergrößert werden. Ferner ist es möglich, die einzelnen Dämpfer DI bis D4 durch unterschiedliche Viskosität der in ihnen enthaltenen Flüssigkeiten oder durch unterschiedliche Geometrie der Spalt- und Durchbruchsverhältnisse auf unterschiedliche Frequenz- und Amplitudenbereiche abzustimmen, so daß die Unabhängigkeit des Dämpfungsbeiwertes von der Geschwindigkeit Über den Arbeitsbereich des Schwingungsdämpfers optimal gestaltet werden kann.

17.7.1973
Bau/ro

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Claims

Reg. 2360

PatentonsprUche:

(1JSchwingungsdämpfer für Lagerungen von mit hoher Drehzahl umlaufenden Rotoren, z. B. bei Kreiseln, bei denen in einem feststehenden und mit Flüssigkeit gefüllten Lagergehäuse zylindrische Dämpferteile beweglich angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der im Lagergehäuse (i) angeordneten zylindrischen Dämpferteile (11, 21, 22) mit siebartigen, der Flüssigkeit einen radialen Strömungsweg öffnenden Durchbrüchen (5, 51, 52) versehen ist.

2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Abstimmung von Form und bzw. oder Querschnittsfläche der einzelnen DurchbrUche (5, 51, 52) zusammen mit dem Verhältnis von Durchbruchsfläche zur von der Flüssigkeit umspulten Fläche des Dämpferteiles (11, 21, 22) derart, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im wesentlichen nicht Über der Geschwindigkeit der eingeleiteten Zirkurapolarbewegung liegt.

3. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen zwei festen zylindrischen Dämpferteilen Q, 11)

liegendes bewegliches Dämpferteil (21) mit Durchbrüchen (5) versehen ist.

4. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von zwei beweglichen zylindrischen Dämpferteilen (21, 22) unschlossenes festes Dämpferteil (11) mit Durchbrüchen (5) versehen ist.

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5. Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte feste und bewegliche Dämpferteile (11, 21) mit Durchbrüchen (51, 52) versehen sind.

6. Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Parallelanordnung mehrerer einzelner Schwingungsdämpfer (DI bis D4) mit starr miteinander verbundenen beweglichen Dämpferteilen (21) sowie ebenfalls starr miteinander verbundenen festen Dämpferteilen (l, 11).

7. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schwingungsdämpfer (DI bis D4) unterschiedliche Geometrie der zwischen den festen und beweglichen Dämpferteilen liegenden Spalte (6, 7) und bzw. oder unterschiedliche Geometrie der DurchbrUche aufweisen.

8. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schwingungsdämpfer (DI bis D4) Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität enthalten.

17.7.1973 ßau/ro

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