DE2337190B2 - Schwingungsdaempfer fuer lagerungen von mit hoher drehzahl umlaufenden rotoren - Google Patents

Description

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

Schnellaufende Kreisel unterliegen physikalischen Gesetzen, die hinsichtlich der Lagerkonstruktion besondere Forderungen stellen. Bekannte Ausführungs formen von Kreisellagerungen weisen besondere Dfimpfungselemente auf. um einen stabilen Lauf des Rotors zu gewährleisten. Diese Dämpfungselemente ermöglichen das Durchfahren kritischer Drehzahlen beim Hochlaufen des Rotors und stellen die Stabilität des Rotors gegen äußere Störungen, z. B. Anregung von Eigenschwingungsformen, im Nennbetrieb sicher. Zu den z.B. durch die DT-AS 15 75 264 bekannten Ausführungsformen von Dämfungselementen 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 Hohlzylinder umgesetzt wird. Diese beiden ineinanderliegenden Hohlzylinder stellen die obengenannten Dämpferteile dar. Durch die Zirkumpolarbewegung der Dämpferteile wird in der Dämpferflüssigkeit eine oszillierende 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 Flüssigkeits-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 möglicht großen Frequenz- und Amplitudenbereich zu schaffen, d. h. den Dämpfungsbeiwert von der Geschwindigkeit unabhängig zu machen. Die Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Schwingungsdämpfer erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens eines der im Lagergehäuse angeordneten hohlzylindrischen Dämpferteile mit siebartig angeordneten, der Flüssigkeit einen radialen Strömungsweg öffnenden Durchbrüchen versehen ist. Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung kann durch Abstimmung von Form und bzw. oder Querschnittsfläche der einzelnen Durchbrüche zusammen mit dem Verhältnis der Durchbruchsfläche zur von der Flüssigkeit umspülten Fläche des Dämpferteils die Durchströmgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Durchbrüche so beeinflußt werden, daß sie im wesentlichen nicht über der Geschwindigkeit der eingeleiteten Zirkumpolarbewegung liegt. Die die Wirkung des Dämpfers ausmachenden Wandschubspannungen werden also erzeugt, ohne daß in der Flüssigkeit örtlich hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit die unerwünschten hohen kinetischen Energien auftreten. Die frequenz- und amplitudenabhängige Beeinflussung der Dämpfermasse ist beträchtlich reduziert. Es kann bei relativ kleinem gesamten Bauvolumen des Dämpfers eine nahezu geschwindigkeitsunabhängige Dämpfung erreicht werden.

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Pas Prinzip der Erfindung sei anhand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel tür einen Dampfer im Längsschnitt,

Fi g. 2a bis 2d zeigen einen Dampfer nach Fi g. 1 im Querschnitt bei verschiedenen Phasenlagen des Dampferteils,

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

F i g. 3a zeigt eine Abwandlung der F i g. 3, to

Fig.4a bis 4b zeigen Querschnitte des Dämpfers nach F i g. 3 in verschiwlener Phasenlage, und

Fig.5 zeigt eine Ausführungsform 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 Weile 32. die an ihrem anderen Ende fest verbunden eine Kugel 33 trägt. Das kugelige Wellenende 33 ruht in einer Lagerkalotte 2. Die Lagerkalotte 2 wird in axialer Richtung durch eine Feder 4 im Lagergehäuse 1 abgestützt. Der Boden des Lagergehäuses 1 trägt ein hohlzylindrisches festes Dämpferteil 11. Die Lagerkalotte 2 trägt ih.erseits ein ebenfalls hohlzylindrisches Dämpferteii 21, das mit der Kalotte 2 im Lagergehäuse 1 mit der Frequenz und Amplitude der zu dämpfenden Schwingungen eine Relativbewegur.g ausführen kann. Die beiden hohlzylindrischen Dämpferteile 11 und 21 liegen ineinander und bilden miteinander bzw. mit der Wand des Lagergehäuses 1 die Dämpferspalte 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 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 F i g. 1 im Schnitt sichtbar und außerdem ist in der obersten Reihe der Durchbrüche angedeutet, daß diese Durchbrüche 5 auch auf dem Umfang des Dämpferteils 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 Fig.2a bis 2d zeigen Querschnitte durch die festen und beweglichen Dämpferteile und das Lagergehäuse Mit M1 ist der Mittelpunkt bzw. die Mittelachse der festen Dämpferteile 11 bzw. des Lagergehäuses 1 bezeichnet. Ml ist der Mittelpunkt des beweglichen Dämpferteils 21. Das bewegliche Dämpferteil 21 ist. wie die F i g. 2a zeigt, exzentrisch zu den festen Dämpferteilen 1 { bzw. Lagergehäuse 1 angenommen. Während des Betriebs führt das bewegliche Dämpferteil 21 eine Zirkumpolarbewegung zum feststehenden Dämpferteii 11 aus. Der Mittelpunkt Ml des beweglichen Dämpferteils 21 beschreibt dabei einen Kreis, der in Fig.2a durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Fig.2a bis 2d stellen verschiedene Phasenlagen einer solchen Zirkumpolarbewegung dar. Zum weiteren Verständnis der Wirkungsweise sind die Dämpferspalte 6 und 7 nach den Quadraten des Achsenkreuzes aufgeteilt in die Teilspalte6abis6c/und7abis7d
RPi den bisher bekannten Flüssigkeitsdämpfern

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erfolgte bei der Zirkumpolarbewegung des beweglichen Dlmpferteils 21 eine Flüssigkeitsströmung vom Quellbereich in einen Senkenbereich ausschließlich entlang der Oberfläche der Dampferteile. Dabei traten Oberhöhte Flüssigkeitsgeschwindigkeiten auf, die zu den eingangs aufgezählten Nachteilen fahrten. Bei der hier Vorgeschlagenen Ausbildung jedoch wird ein weiterer Strömungsweg für die Flüssigkeit geöffnet. Die Flüssigkeit kann nunmehr durch die Durchbrüche 5 im beweglichen Dämpferteil 21 hindurchtreten und von einem Quellbereich in einen benachbarten Senkenbereich treten. Diese Strömung ist in der F i g. 2b durch Pfeile für den Obergang von der Phasenlage F i g. 2a in die Phasenlage der Fig.2b eingezeichnet Dabei herrscht im Quadranten b eine im wesentlichen radial nach innen gerichtete Strömung vom Spalt 6b in den Spalt 7bund im Quadranten deine im wesentlichen nach außen gerichtete Strömung nach Spalt 7</zum Spalt 6d In der F i g. 2c ist die Strömung eingezeichnet für den Übergang von der Phasenlage der F i g. 2b in die Phasenlage der F i g. 2c. Entsprechend zeigt die F i g. 2d die radial gerichtete Strömung für die weiteren Phasenlagenänderungen. Wie ersichtlich, läuft die Richtung der Radialströmung durch die Durchbrüche 5 hindurch zusammen mit der Zirkumpolarbewegung des beweglichen Dämpferteils 21 um. Es entsteht dabei eine oszillierende Strömung von Quellbereichen zu Senkenbereichen durch die einzelnen Durchbrüche 5 hindurch. Die kinetisch Energie der Strömung wird vom Verhältnis der Querschnitte der Durchbrüche zur Dämpferoberfläche beeinflußt. Die durch die Flüssigkeitsbewegung 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 Form und Querschnittsfläche der Durchbrüche sowie durch das Verhältnis der Querschnittsflächen der Durchbrüche zur Oberfläche des Dämpferteils und durch die Spaltabmessungen. Dabei werden vorzugsweise die Querschnittsflächen der Durchbrüche zur Verbindung der mit der Frequenz der Zirkumpolarbewegung umlaufenden Quellen- und Senkenbereiche so dimensioniert, daß hohe Wandschubspannungen ohne kavitationsauslösende Übergeschwindigkeiten und Ablösungen entstehen, so daß die sogenannte laminare Einlaufströmung (stationär betrachtet) zusammen mit der Anlaufströmung die Strömungsverhältnisse kennzeichnen. Der Maximalwert der oszillierenden Strömung zwischen den Dämpferspalten 6 und 7 hängt am Verhältnis der Exzentrizität der Zirkumpolarbewegung des Dämpferteils 21 zum Ruhespalt des betreffenden Ringraums 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 Geschwindigkeit der Flüssigkeit erzielt wird, die im wc\_t,..i· hen nicht über der der Zirkumpolarbcv egung selbst liegen. Die Form der Durchbrüche kann ganz den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. So ist es möglich, wie in F i g. angedeutet, einfach runde Durchbrüche zu verwenden, oder die Durchbrüche in der Art eines Blütenmusters

oder Siernmusters zu gestalten. Die siebartige Ausgestaltung des Dämpferteils mit seinen Durchbrüchen kann sogar so weit gelrieben werden, daß als Dämpferteil ein reines Gittersieb verwendet wird. Ferner ist es möglich, die Kanten der Durchbrüche scharf zu lassen oder zu runden bzw. den Durchbrüchen sogar eine querschnittsverändernde Form, z. B. nach Art eines Düsenquerschnitts 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 Dämpferteile.

Der Schwingungsdämpfer gemäß F i g. 3 zeigt im wesentlichen den gleichen ürundaufbau wie in Fig. 1. Der einzige Unterschied besteht darin, daß hier in Fig.3 das feststehende Dämpferteil 11 Durchbrüche 5 aufweist, und daß an der Lagerkalotte 2 nicht nur ein zylindrisches Dämpferteil, sondern deren zwei angeordnet sind. Die beiden an der Lagerkakmc 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 8 zwischen dem 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 w dem festen Dämpferteil Il und dem beweglichen Dampferteil 21 sind in der oben beschriebenen Weise wirksam und ermöglichen eine radiale Durchsirömung vom Quellenbereich zum Senkenbereich.

Die Strömungsverhähnisse der F i g. 3 sind in /.wei verschiedenen Phasenlagen in den Fig.4a und 4b dargestellt. Bei der Zirkumpolarbcwcgung der beweglichen Dämpferteile mit ihrem Mittelpunkt M 2 um den Mittelpunkt Af 1 des festen DämpferteiU entsteht wieder eine Strömung zwischen dem Quellbereich im Spalt 7/) und dem Senkenbereich im Spalt 6b bzw. Spalt 6c/und Spalt Td. Die Pfeile in Fig.4b kennzeichnen die im wesentlichen radiale Strömung von Spalt 76 nach 66 und von Spalt 6c/nach Td.

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

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 D1. D 2, D 3 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 DA 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 D1 bis D 4 durch unterschiedliche Viskosität der in ihnen enthaltenen Flüssigkeiten oder durch unterschiedliche Geometrie der Spalt- und Durchbruchsverhältnisse aul unterschiedlicher Frequenz- und Amplitudenbereiche abzustimmen, so daß die Unabhängigkeit des Dämp fungsbeiwerts von der Geschwindigkeit über der Arbeitsbereich des Schwingungsdämpfers optimal ge staltet werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schwingungsdämpfer für Lagerungen von mit hoher Drehzahl umlaufenden Rotoren, z.B. bei Kreiseln, bei denen in einem feststehenden und mit Flüssigkeit gefüllten Lagergehause hohlzylindrische Dämpferteile beweglich angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der im Lagergehäuse (1) angeordneten hohlzylindrischen Dämpferteile (ti, 21, 22) mit '° siebartig angeordneten, der Flüssigkeit einen radialen Strömungsweg öffnenden Durchbrüchen (5,51, 52)versehenTst

2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Abstimmung von Form und bzw. »5 oder Querschnittsfläche der einzelnen Durchbrüche (5, Sl, 52) zusammen mit dem Verhältnis von Durchbruchsfläche zur von der Flüssigkeit umspülten Fläche des Dämpferteils (11, 21, 22) derart, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im wesentlichen nicht über der Geschwindigkeit der eingeleiteten Zirkumpolarbewegung liegt.

3. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen zwei festen hohlzylindrischen Dämpferteilen (1, 11) liegendes bewegliches Dämpferteil (21) mit Durchbrüchen (5) versehen ist.

4. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von zwei beweglichen hohlzylindrischen Dämpferteilen (21, 22) umschlossenes festes hohlzylindrisches Dämpferteil

(11) mit Durchbrüchen (5) versehen ist.

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

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

7. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schwingungsdämpfer (Di bis D 4) unterschiedliche Geometrie der zwischen den festen und beweglichen hohlzylindrischen Dämpferteilen liegenden Spalte (6, 7) und bzw. oder unterschiedliche Geometrie der Durchbrüche aufweisen.

8. Schwingungsdämpfer nacn Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schwingungsdämpfer (D 1 bis D 4) Flüssigkeiten unterschiedlicher Vikosität enthalten.