DE2738661A1

DE2738661A1 - Drehlager mit hydrostatisch abgestuetzten kippelementen

Info

Publication number: DE2738661A1
Application number: DE19772738661
Authority: DE
Inventors: Leon Winfield Hollingsworth
Original assignee: Pioneer Motor Bearing Co
Current assignee: Pioneer Motor Bearing Co
Priority date: 1976-09-02
Filing date: 1977-08-26
Publication date: 1978-03-09
Also published as: FR2363728A1; IT1083750B; NL7709701A; SE7709786L; GB1529142A; CH622863A5; JPS6118052B2; FR2363728B1; JPS5332250A; US4059318A

Description

Die Erfindung betrifft Drehlager mit Kippelementen und besonders solche Lager, bei denen ein hydrodynamischer Ölfilm zur hydrostatischen Abstützung der Elemente erzeugt wird.

Bei neuzeitlichen Maschinen, beispielsweise modernen Hochgeschwindigkeitskompressoren, Gasturbinen, Dampfturbinen und dergleichen bereitet der Entwurf von Lagern zum Abstützen der Drehwellen extrem komplizierte Probleme. Die zunehmenden Geschwindigkeiten, die Verwendung flexiblerer Wellen, Überhänge und aerodynamische Belastungen haben,um nur einige wenige Faktoren zu nennen, diese Probleme noch komplizierter gestaltet. Eine Vielzahl von Entwürfen für Lager, darunter elliptische, keulenförmige und Kipplagerelemente wurde entwickelt, um die Instabilitäten von Lagern für rotierende Wellen zu verkleinern. Unter diesen Entwurfsmustern wurden die Kippelemente die im allgemeinen Erfolgreichsten. Jedoch haben konventionelle durchflußgeschmierte Kippelement-Drehlager verschiedene Nachteile, darunter die relativ hohen Leistungsverluste, hohe Anforderungen an das Öl, mechanische Kompliziertheit und die damit verbundenen Kosten. Es stellten sich noch durch das Schwenken hervorgerufener Abrieb und begrenzte Dämpfungskapazität als weitere Nachteile heraus.

In jüngster Zeit wurden Kippelement-Drehlager entwickelt, bei denen die sich drehende Welle einen keilförmigen hydrodynamischen Ölfilter zwischen der Fläche der Welle und dem Lager aufbaut. Solche Kippelement-Drehlager benützen vorteilhaft.erweise den in dem keilförmigen Ölfilm während der Wellendrehung aufgebauten hydrodynamischen Druck, um eine hydrostatische Abstützung für die Kippelemente des Lagers zu erzeugen. Derartige Kippelement-Drehlager bestehen aus einer Anzahl von Elementen, die um die sich drehende Welle herum angeordnet sind und nur durch Elementanschläge daran gehindert werden, sich mit der Welle zu drehen.

Jedes Element wird von einem selbsterzeugten hydrostatischen Ölfilm abgestützt, der durch Abzweigen eines kleinen Anteils des hydrodynamischen Ölfilms der Elemente erzeugt wird. Diese hydrostatische Stützung fUr das Element ermöglicht eine Art von kissenartig nachgebender Bewegung, die dem Element die

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Aufnahme einer Ausbiegung oder einer schlechten Ausrichtung der Drehwelle gestattet. Derartige hydrostatisch gestützte Kippelement-Drehlager sind in der US-PS 3 549 215 beschrieben.

Jedoch sind auch die so beschriebenen Lager nicht ohne gewisse Probleme. Beispielsweise hat es sich herausgestellt, daß die Elemente nicht genau der sich drehenden Welle folgen, wenn verschiedene Exzentrizitäten und Lastbedingungen vorliegen. D.h., daß die Element-Segmente, die durch eine Anzahl längs des Umfangs des Halterings angeordneter Elementanschläge getrennt und in der Bewegung begrenzt werden, durch diese Anschläge daran gehindert werden, sich schräg zu stellen und anzuheben. Die Elementanschläge, die in Radialrichtung zur Welle zu geneigt sind, ergeben für die Radialenden der Elemente eine Begrenzungsfläche, so daß diese einen durch den Anschlag vorgeschriebenen Weg nehmen müssen. Diese Konfiguration begrenzt die Bewegung der Elemente.

Diese Behinderung der Bewegung der Elemente ergibt wiederum eine verminderte Fähigkeit, der Welle bei allen Exzentrizitäten zu folgen und es wird dadurch ein nicht vertikaler Aufnahmeraum für die Welle erzeugt und es werden ungünstige Haltungswinkel unter sich ändernden Lastbedingungen erzeugt. D.h., wenn eine Belastung auf die rotierende Welle erzeugt wird, die im Idealfall die Welle vertikal nach unten drücken würde, hindern die gegenwärtig bekannten Lager diese Bewegung nach unten und führen für den Aufnahmeraum der Welle eine horizontale Komponente ein. Auf diese Weise wird ein nicht vertikaler Aufnahmeraum für die Welle und ein ungünstiger Haltungswinkel hervorgerufen, aus dem sich zwangsweise eine Steifigkeit und ein Dämpfungseffekt ergeben. Die Gesamtwirksamkeit der Dämpfungsfähigkeit des Lagers wird wesentlich reduziert und gleichzeitig wird die Instabilitätsschwelle erniedrigt.

Die vorliegende Erfindung entsprang einer wesentlichen Anstrengung,die oben beschriebenen Probleme bei den bekannten hydrostatischen Kippelement-Drehlagern zu untersuchen. Das Ziel, einen fast vertikalen Aufnahmeraum für die Welle unter verschiedenen Belastungen derselben konnte erreicht werden.

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So schafft die Erfindung ein verbessertes Kippelement-Drehlager zur Stützung einer drehbaren Welle mit einer Vielzahl hydrostatisch innerhalb eines Trägerringes durch einen Ölfilm abgestützter Elemente, wobei der Ölfilm hydrodynamisch erzeugt wird. Die Elemente sind gebogene Lagersegmente, die durch den Trägerring so gehalten werden, daß sie die Welle umgeben. Jedes Element ist mit einander entgegengesetzt liegenden Enden und inneren und äußeren Flächen versehen. Ein hydrostatischer Hohlraum ist an der äußeren Fläche des Elements vorgesehen und so angeordnet, daß die radiale Mittellinie des Hohlraums innerhalb eines Bereiches von 0 bis 12 von der radialen Elementmittellinie nach hinten versetzt ist,wenn man sich auf die Drehrichtung der Welle bezieht. Eine Leitung, die sich von der Innenfläche bis zu dem Hohlraum des Elements erstreckt, verwendet den hydrodynamischen Ölfilm, der durch die Wellendrehung erzeugt wird, um eine Stütze zu schaffen, auf dem das Element sich anheben, schrägstellen und in Axialrichtung kippen kann auf eine Fehlausrichtung hin, bis ein Kraft- und Moment-Gleichgewicht bei jeder speziellen Arbeitsbedingung erreicht ist.

In Umfangsrichtung sind längs des Halterings eine Anzahl von Elementnocken angeordnet, die benachbarte Elemente voneinander trennen. Ihre Funktion ist, die Elemente so zurückzuhalten, daß sie sich nicht mit der Welle drehen. Jeder Elementnocken ist mit zwei geneigten Flächen versehen, die gegeneinander zulaufen, wenn der radial am weitesten innen gelegene Abschnitt des Elementnockens erreicht wird. Jedes der einander entgegengesetzt liegenden Enden des Elements ist entsprechend mit einer gekrümmten Fläche versehen, die der jeweiligen Fläche des Nockens zuliegt.

In der bevorzugten Ausführung werden drei Lagersegmente vorgesehen, die rund um die drehende Welle angeordnet sind. Die Segmente können freier schwimmen und sich der Welle bei allen Exzentrizitäts- und Lastbedingungen besser anpassen, als es bei den bekannten hydrostatischen Kippelement-Drehlagern der Fall ist. Die geneigten Flächen der Elementnocken und die entsprechend gekrümmten, daran anliegenden Endabschnitte der Elemente ergeben Lagersegmente mit wesentlich mehr Freiheit, sich anzuheben und schrägzustellen,

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in einer ähnlichen Weise wie bei den Lagerelementen in mechanisch geschwenkten Drehlagern.

Darüberhinaus ergibt eine Anordnung des Hohlraums mit annähernd 55Z bis 57Z des Abstandes in Umfangsrichtung von der in Drehrichtung vorne liegenden Kante jedes Elements (in einem Dreielement-Lager) eine vorteilhaftere Ausnutzung des erzeugten hydrodynamischen Drucks. Eine solche Anordnung des Hohlraums ergibt die beste und beständigste Unterdrucksetzung aller Elemente in dem gesamten Bereich der Belastungsrichtungen.

Diese Verbesserung ergibt ein genaues Verfolgen der Wellenlage durch das Element und dadurch wird ein nahezu vertikaler Aufnahmeraum für die Drehwelle bei praktisch allen Exzentrizitäten erreicht. Die gegenseitige Beeinflussung der Steifheit und der Dämpfung wird gegenüber den bisher bekannten Lagern weitgehend herabgesetzt. Das erfindungsgemäße Lager bietet gegenüber den bekannten Lagern eine wesentliche Verbesserung der Wirksamkeit des Lagers in Bezug auf Dämpfung und Stabilität.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in dieser Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Frontansicht eines Drehlagers mit hydrostatisch gestützten Kippelementen, teilweise aufgeschnitten,mit den einzelnen durch die Erfindung erreichten Verbesserungen,

Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht des Lagers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eines der Kippelemente,

Fig. 4 einen Schnitt des Elements in Fig. 3 nach Linie 4-4, und

Fig. 5 eine Teilansicht, teilweise aufgeschnitten,eines der Enden eines Kippelements mit einer Verteilnut.

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In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführung eines Kippelement-Drehlagers 10 dargestellt, das eine Drehwelle 12 abstützt. Das Lager 10 enthält einen Trägerring 14, der normalerweise innerhalb eines (nicht gezeigten) Maschinengehäuses enthalten ist. Innerhalb des Trägerrings 14 sind Kippelemente 16 gestützt und gehalten.

Der Trägerring 14 ist ein geteilter Ring, der durch Schrauben 22, die durch Ausrichtdübel 24 eingesetzt sind, zusammengehalten wird. Der Trägerring kann jedoch auch aus einem Stück bestehen. Die Außenfläche 26 des Rings 14 ist mit einem Ölkanal 28 versehen, der durch gebohrte Durchgänge 29 den Elementen Öl zuführt.

Zwischen den jeweiligen benachbarten Kippelementen 16 sind Elementnocken 30 angeordnet. Die Elementnocken 30 sitzen mit Reibpassung in dafür vorgesehenen Öffnungen 31, obgleich auch jedes andere Befestigungsverfahren, beispielsweise Einschrauben, benutzt werden kann. Die Elementnocken 30 bestehen aus einem Kopfabschnitt 32, der durch ein Halsteil 34 getragen wird. Der Kopf 32 des Elementnockens 30 ist nockenförmig gestaltet und weist geneigte Flächen 36 auf, die zum Ende 38 des Elementnockens hin zusammenlaufen.

Die Kippelemente 16 werden durch innere und äußere Flächen 40 bzw. 42 gebildet,sowie durch entgegengesetzt liegende Enden 44. Die Innenfläche 40 hat im wesentlichen den gleichen Krümmungsradius wie die Welle 12. In gleicher Weise ist die Außenfläche 42 jedes Kippelements 16 mit einem solchen Krümmungsradius versehen, das es sich der gekrümmten Fläche 18 des Trägerrings 14 anpaßt. An diesem Punkt ist zu bemerken, daß zwischen der Innenfläche 42 des Kipplagerelements 16 und der Welle 12 ein Arbeitsspiel vorgesehen ist. In gleicher Weise ist ein Arbeitsspiel zwischen der Außenfläche 42 des Elements 16 und dem Trägerring 14 vorgesehen. Diese Spiele erlauben, daß die Kippelemente 16 ihre Schräglage und ihre Kipprichtung auf dynamische Betriebsbedingungen hin und unter der Wirkung des auf sie einwirkenden Ölfilms ändern können, wie im einzelnen später erklärt wird.

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Ein zentral angeordneter Einschnitt 46 ist an jedem Ende 44 des Elements an der Kante 45 ausgebildet, die die Endflächen 44 und die Außenfläche 42 der Elemente miteinander verbindet. Der Einschnitt 46 ist mit einer kreisförmig gebogenen Fläche 48 versehen, die allgemein mit der geneigten Fläche 36 des anliegenden Elementnockens in Eingriff treten und an ihr anliegen kenn. Diese Nocken-Anliegeflache 48 besitzt im allgemeinen einen Krümmungsradius 49 (von der Mitte des Elements gemessen), der im vorliegenden Fall das 1,0104-fache des Krümmungsradius 41 des Kippelements beträgt. Es können jedoch auch andere Radien verwendet werden.

Die Außenfläche 42 jedes Elements ist mit einem flachen Einschnitt oder einem Hohlraum 50 versehen, der durch einen Öldurchlaß 52 mit der Innenfläche 40 in Fluidverbindung steht. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Hohlraum so in die Fläche 42 des Kippeleraents eingearbeitet, daß die Mittellinie 54 des Hohlraums in Drehrichtung hinter der Mittellinie 56 des Durchlasses liegt, wenn die Drehrichtung der Welle, durch den Pfeil 58 angedeutet, in Betracht gezogen wird.

Dem Ende 44 jedes Kippelements 16 benachbart ist an der Innenfläche 40 des Elements eine längliche, axial ausgerichtete Verteilnut 60 vorgesehen. Die Fluidverbindung zwischen jeder Verteilnut 60 und der Außenfläche 42 jedes Elements 16 wird durch Leitungen 62 hergestellt. Die Verteilnuten unterstützen die Schmierung der Welle und ermöglichen die Bildung des bekannten keilförmigen Ölfilms, wie später erläutert.

Im Betrieb wird der Ölkanal 28, der in einem Maschinengehäuse enthalten ist, mit unter Druck stehendem Öl gefüllt. Das Öl wird durch an entsprechenden Stellen mit Abstand voneinander angebrachte Durchlässe 29 zu den Lagerelementen und durch die Verteilnut-Durchlässe 62 zu der Innenfläche 40 des jeweiligen Lageid.ements geleitet. Während der Drehung der Welle 12 nimmt die Welle Öl von der Verteilnut 60 auf, um den keilförmigen Ölfilm zwischen der Innenfläche des Elements und der Außenfläche der Welle aufzubauen.

Die Bildung des keilförmigen Ölfilms setzt das Schmiermittel unter Druck und drückt es von der Innenfläche 40 jedes Elements durch den Durchlaß

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52 in den Hohlraum 50, um dort einen hydrostatischen Film auf der Rückseite jedes Elements zu erzeugen. Dieser hydrostatische Film läßt zu, daß sich jedes Element innerhalb der vorgesehenen Spielräume zwischen dem Ring und der Welle auf eine Fehlausrichtung der Welle hin anhebt und schrägstellt, bis ein Kraft- und Momentgleichgewicht bei jeder Arbeitsbedingung erreicht ist.

Zu diesem Zeitpunkt soll bemerkt werden, daß dieses Anheben und Schrägstellen des Elements durch die erfindungsgemäßen Elementnocken mit größerer Freiheit vor sich geht als es bei den bekannten Lagern möglich ist. Wie oben erwähnt, ergeben die bekannten Elementanschläge, die durch die eben besprochenen Nocken ersetzt werden, eine radial gerichtete Berührungsfläche mit dem Elementende, das das Element bei seiner Bewegung beim Anheben und beim Schrägstellen zwingt, einen durch den Anschlag aufgeprägten Weg einzuschlagen. Das Element ist dadurch daran gehindert, sich um seine Mitte zu drehen und es neigt dazu, sich um die Enden zu drehen.

Bei der vorliegenden Erfindung gestatten die geneigten Flächen 36 der Elementnocken und die entsprechend gekrümmten Flächen 48, die an den Elementnocken anliegen, daß die Elemente um ihre Mitten statt um ihre vorne in Drehrichtung liegenden Kanten geschwenkt werden. Die erfindungsgemäßen Elemente werden bei ihrer Wirkung durch eine Berührung mit einer richtig geformten Elementfläche geführt, so daß sie sich schrägstellen oder neigen können in der gleichen Weise wie die Elemente in mechanisch geschwenkten Drehlagern, wodurch die erforderliche vertikale Wellenaufnahme erreicht wird.

Es wird auch die Betriebswirksamkeit dadurch verbessert, daß - wie oben erklärt - der Hohlraum innerhalb eines Bereichs von 0 bis 12 gegen die Mitte des Elements versetzt wird. Es hat den Anschein, daß ein Versatz um 7 in Drehrichtung vom Zentrum des Elements optimal ist. Die Benutzung von in Drehrichtung versetzten Hohlräumen in dem Bereich von 0 bis 12 scheint den Elementen ein Schwimmen, Drehen und Neigen in freierer Weise zuzulassen und ergibt einen konstanten Druck bei allen Elementen über den gesamten Bereich von möglichen Belastungsrichtungen.

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Es wurden eine Anzahl von erfindungsgemäßen Lagern zur experimentellen Erprobung aufgebaut. Die Erprobung gab den Hinweis, daß die beschriebenen Verbesserungen ein Drehlager mit hydrostatischen Kippelementen ergeben, so daß eine fast vertikale Wellenaufnähme erreicht und damit die Gesamtwirkung verbessert wird. Die Kippelemente sind besser in der Lage, frei zu schwimmen und folgen der Welle besser, da die Elemente um ihre Mitten schwenken können. Die Elemente sind nicht mehr auf einen radialen Weg beschränkt, der von den radial geneigten Elementanschlägen der bekannten Lager aufgezwungen wird, wodurch sich die Verkopplung der Kippelement-Lager nach dem Stand der Technik ergab.

Die Erfindung betrifft also ein verbessertes Drehlager mit Kippelementen zum Stützen einer Drehwelle mit einer Vielzahl von Elementen, die innerhalb eines Trägerrings durch einen hydrodynamisch erzeugten Ölfilm hydrostatisch gestützt werden. Die Erfindung schafft ein Lagerelement mit einem hydrostatischen Hohlraum an seiner Außenfläche, der so angeordnet ist, daß die radiale Mittellinie des Hohlraums sich in dem Bereich von 0 bis 12 in Drehrichtung gegen die radiale Mittellinie des Elements versetzt befindet, wenn die Drehrichtung der Welle in Betracht gezogen wird. Ein verbesserter Elementnocken für die benachbarten Lagerelemente wird gezeigt, der an dem Trägerring befestigt ist und zwei geneigte Oberflächen aufweist, die nach radial innen zu zusammenlaufen. Entsprechend sind die entgegengesetzt liegenden Enden jedes Elements allgemein so gekrümmt, daß sich Element-Endflächen ergeben, die mit den geneigten Elementnockenflachen zusammenpassen. Die Elemente sind dadurch besser in der Lage, um ihre Mitten eine Schwenkbewegung auszuführen, so daß sie wiederum der Drehwelle eine nahezu vertikale Wellenaufnähme unter verschiedenen Lastbedingungen anbieten.

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Claims

Patentansprüche

fl.jKippelement-Drehlager zum Stützen einer Drehwelle, das eine Vielzahl von durch einen hydrodynamisch erzeugten Ölfilm hydrostatisch gestützten Lagerelement-Segmenten aufweist und das eine Trägereinrichtung besitzt, um die Lagerelement-Segmente die Welle umgebend zu stützen, dadurch gekennzeichnet , daß ein Lagerelement mit zwei einander entgegengesetzt liegenden Enden, einer Innenfläche, einer Außenfläche und mit einem länglichen, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Hohlraum in der Außenfläche vorgesehen ist, daß die radiale Mittellinie des Hohlraumes in dem Bereich von 0 bis 12 gegenüber der radialen Mittellinie des Lagerelements in Drehrichtung der Welle versetzt ist, daß eine Leitung vorgesehen ist, die den hydrodynamisch erzeugten Ölfilm mit dem Hohlraum verbindet, um eine hydrostatische Schwenkstützung des Lagerelements zu erzeugen, wenn die Welle sich dreht, wodurch das Lagerelement sich anheben und um seine Mitte schwenken kann.

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DR. C. MANITZ · DirU-INC. M. FINSTEIWALD 8 MONCHtN 99. tOlIIT-KOCH-ITIIAiSI I TEL. 10891 9» 49 H. TCUX OS-99679 FATMF

DIFL.-INC. W. CRAMKOW 7 STUTTGART SO IiAD CANNSTATT) SEELBERCSTR. 93/aS. TEL. I07IIIS6 79 61

ZENTRALKASSC SAVER. VOLKSBANKCN MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7970 FOSTSCHtCKi MÖNCHEN 77069-«05

ORIGINAL INSPECTED
2. Kippelement-Drehlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Mittellinie des Hohlraums annähernd 7 gegen die radiale Mittellinie des Lagerelements in Drehrichtung der Welle versetzt ist.
3. Kippelement-Drehlager nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Trägereinrichtung zum Abstützen der Lagerelement-Segmente in Eingriffbeziehung mit der Welle, dadurch gekennzeichnet , daß ein Elementnocken für die jeweils benachbarten Lagerelemente vorhanden ist, daß der Elementnocken mit Einrichtungen versehen ist, um ihn an der Trägereinrichtung an einer Stelle zwischen zwei Lagerelementen anzubringen und daß an dem Nocken mindestens eine geneigte Fläche gegenüber einem benachbarten gegen die Drehrichtung der Welle liegenden Lagerelement vorhanden ist und daß die Fläche in einer Ebene liegt, die einen Radius des Lagers an einem Funkt zwischen der Mitte des Lagers und dem radial am weitesten innen gelegenen Teil des Elementnockens schneidet.
4. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Lagerelement-Segment zwei einander entgegengesetzt liegende Enden aufweist und daß das in Drehrichtung hinten gelegene Ende jedes Lagerelement-Segments eine gekrümmte Fläche einschließt, die im allgemeinen der geneigten Fläche des Elementnockens gegenüberstehend angeordnet ist.
5. Lager nach Anspruch 3 mit einem Lagerelement mit zwei einander entgegengesetzt liegenden Enden einer Innenfläche,einer Außenfläche und einem länglichen,sich in Umfangsrichtung erstreckenden Hohlraum in der Außenfläche des Elements, dadurch gekennzeichnet , daß die radiale Mittellinie des Hohlraums in dem Bereich von 0 bis 12 gegen die radiale Mittellinie des Lagerelements in Drehrichtung der Welle versetzt ist.
6. Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schmiermittel in dem Lager enthalten ist,

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aus dem bei der Drehung der Welle hydrodynamisch ein Schmierfilm erzeugt wird, der über die Leitung mit dem Hohlraum in jedem Elementsegment in Verbindung steht und dort gesammelt wird, um eine hydrostatische Stützung zu ergeben, auf der jedes Elementsegment schwenkbar gestützt werden kann, daß die geneigten Flächen jedes Element-Nockens in gegenüberstehender Beziehung mit einen der einander entgegengesetzt liegenden Enden jedes Segments stehen, um einen Freiraum zu bilden, der es jedem Segment erlaubt, sich schräg zu stellen und sich um die Mittelachse auf der hydrostatischen Stützung zu neigen, während die Welle rotiert.

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