DE3025876A1 - Keilflaechen-drucklager - Google Patents

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Keilflächen-Drucklager

Die Erfindung bezieht sich auf ein Drucklager, insbesondere ein Keilflächen-Drucklager.

Ein Drucklager, insbesondere ein Keilflächen-Drucklager, weist auf seiner Lagerfläche normalerweise eine Mehrzahl Keilflächen, ebene Flächen und Nuten auf, die in Rotationsrichtung eines an der Lagerfläche positionierten Druckbunds angeordnet sind. Dieser Typ von Keilflächen-Drucklager ist z. B. aus der Veröffentlichung "Bearing Design And Application", McGraw-Hill Book Incorporated, bekannt. Das Keilflächen-Drucklager wird wegen seiner hohen Belastbarkeit auf vielen Gebieten eingesetzt.

Bei dem bekannten Keilflächen-Drucklager sind üblicherweise Schmierölzufuhrmittel vorgesehen, die entweder Umfangsnuten zur Ölzufuhr sind, die an der Innenseite von zwischen den ebenen und den Keilflächen des Lagers vorgesehenen Radialnuten gebildet sind und die Radialnuten miteinander verbinden, oder die Öffnungen in den Zwischenabschnitten der Radialnuten zur Ölzufuhr zu diesen sind. Auch sind Radialnuten

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jeweils an ihrer Außenseite mit Drosselmitteln versehen, so daß der Durchsatz des längs den Radialnuten nach außen strömenden Schmieröls gedrosselt wird.

Bei diesem Typ von Keilflächen-Drucklager wird eine Druckbelastung von einem Hochdruck-Schmierölfilm, der zwischen den Keilflächen und den ebenen Flächen der Lagerfläche und einem an der Lagerfläche positionierten Druckbund durch die Rotation des Druckbunds gebildet wird, aufgenommen. Da der Durchsatz des längs den Radialnuten nach außen strömenden Öls durch die Drosselmittel begrenzt ist, besteht die Gefahr, daß die Temperatur des Schmieröls zwischen dem Druckbund und der Lagerfläche infolge der Umlaufbewegung des Druckbunds erhöht wird, und es besteht ferner die Gefahr, daß das Hochtemperatur-Schmieröl auf die benachbarte Keilfläche übertragen wird, indem es durch jede der Nuten strömt. Diese Erscheinung, die normalerweise als Überlaufen von Hochtemperaturöl bezeichnet wird, kann einen Temperaturanstieg des Schmieröls über den höchstzulässigen Temperaturbereich, der durch eine Festigkeitsminderung des Lagerwerkstoffs, die Oxidation des Öls und andere Faktoren bestimmt wird, zur Folge haben. Wenn also ein Drucklager unter Hochdrehzahl- und Hochbelastungs-Bedingungen verwendet wird, besteht die Gefahr, daß das Drucklager infolge von Festfressen ausfällt.

Das Überlaufen von Hochtemperatur-Schmieröl erfolgt im übrigen auch bei Segment-Drucklagern. Ein Vorschlag zur Beseitigung dieser Erscheinung ist z. B. in der 3A-Patentveröffentlichung Nr. 4130/73 angegeben, wobei zwischen den benachbarten Segmenten ein Schirm-Sprühsystem vorgesehen ist, so daß der Vorderkante jedes Segments gekühltes Schmieröl zuführbar ist und außerdem das vom vorhergehenden Segment überführte Hochtemperatur-Schmieröl abgestreift wird.

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Wenn ein mit diesem System ausgerüstetes Segment-Drucklager in einer großen Rotationsmaschine, z. B. einer Turbine, einem Verdichter od. dgl., eingesetzt wird, die für hohe Drehzahlen und Belastungen ausgelegt ist, wobei die Drehzahl über 15 000 U/min liegt und der die Lagerfläche be-

2 aufschlagende Druck bis zu 50 kg/cm betragen kann, ergibt sich nachstehendes Problem. Der Normalbetrieb des Lagers würde nicht nur eine Ölzufuhr und eine Druckerhöhung des zugeführten Öls, sondern auch eine Ölfilmdicke über dem niedrigsten Wert und eine Beschränkung der Lager-Höchsttemperatur erfordern. Bei dem vorstehend erläuterten Segment-Drucklager wird zwar den Segmenten gekühltes Schmieröl zugeführt, aber die Segmente selbst werden nicht gekühlt. Somit würde sich die Temperatur der Segmente selbst erhöhen, womit sich natürlich die Temperatur des Ölfilms zwischen den Segmenten und dem Druckbund auch erhöhen würde. Dadurch ergäbe sich eine Verminderung der Viskosität des Ölfilms, und die Ölfilmdicke würde vermindert werden und könnte die hohen Belastungen nicht mehr aufnehmen. Es ist also ersichtlich, daß es nicht möglich ist, ein Drucklager normalerweise unter Hochdrehzahl- und Hochbelastungs-Bedingungen zu betreiben, indem der Lagerfläche einfach gekühltes Schmieröl zugeführt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Keilflächen-Drucklagers, das unter hohen Drehzahl- und Belastungs-Bedingungen einsetzbar ist, bei dem niedrige mechanische Verluste auftreten, und das einerseits einen Schmierölfilm großer Dicke vorsieht, während gleichzeitig ein Überlaufen von Hochtemperatur-Schmieröl kleingehalten und die Temperatur des Schmieröls und der Lagerfläche vermindert werden können.

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Uas Keilflächen-Drucklager nach der Erfindung, mit einer Lagerfläche, mit mehreren in der Lagerfläche gebildeten und radial dazu verlaufenden Schmierölnuten, und mit mehreren Keilflächen und ebenen Flächen, wobei jede Keilfläche und jede ebene Fläche zwischen den benachbarten, radial zur Lagerfläche verlaufenden Schmierölnuten angeordnet ist, ist gekennzeichnet durch mehrere in den Schmierölnuten gebildete Düsenöffnungen zur Ölzufuhr, wobei wenigstens eine Düsenöffnung nahe der jeweiligen Keilfläche der Lagerfläche angeordnet ist.

Durch die Erfindung wird also ein Drucklager bzw. ein Keilflächen-Drucklager mit einer Mehrzahl von Düsenöffnungen zur Ölzufuhr angegeben. Wenigstens eine der Düsenöffnungen ist nahe der Vorderkante einer Keilfläche einer Lagerfläche des Drucklagers vorgesehen. Dadurch kann das Überlaufen von Hochtemperatur-Schmieröl kleingehalten und die Temperatur eines zwischen der Lagerfläche und einem an ihr anliegenden Druckbund gebildeten Schmierölfilms sowie eines Lagerkörpers des Drucklagers vermindert werden. Somit eignet sich das Drucklager zum Einsatz unter Hochdrehzahi- und Hochbelastungs-Bedingungen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Drucklagers nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht II-II nach Fig. 1; Fig. 3 eine Schnittansicht III-III nach Fig. 2;

Fig. 4· die Öltemperatur-Verteilung, die bei dem Drucklager nach der Erfindung gegenüber einem bekannten Drucklager erzielbar ist;

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Fig. 5 eine schematische Ansicht, der Anordnung

der Düsenöffnungen bei einem weiteren

Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 eine andere Ausführungsform der Ölnuten

des Drucklagers nach der Erfindung; Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch ein anderes

Ausführungsbeispiel der Erfindung; und Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch ein weiteres

Ausführungsbeispiel des Drucklagers.

Bei dem Drucklager nach den Fig. 1-3 ist eine Läuferwelle in einem Radiallager 3 und einem Drucklager 4- gelagert, die in einer Lagerschale 2 montiert sind, und das Drucklager 4· umfaßt einen Druckbund 5, der auf der Läuferwelle 1 gesichert ist, und einen mit dem Druckbund 5 in Gleitkontakt stehenden Axialgleitlagerteil 6. Der Axialgleitlagerteil 6 ist mit der Lagerschale 2 einstückig ausgeführt.

Der Axialgleitlagerteil 6 weist eine Lagerfläche 8 auf, die eine Mehrzahl Ölnuten 7 hat, die radial in ihr verlaufen (vgl. Fig. 2), so daß zwischen benachbarten Ölnuten 7 eine Keilfläche 8a und eine ebene Fläche 8b gebildet sind. Die Ölnuten 7 sind so ausgebildet, daß sie keine Drosselmittel wie beim Stand der Technik aufweisen, wodurch das Abfördern von Öl aus den Ölnuten 7 erleichtert wird. Den Ölnuten 7 wird Öl zugeführt, und die zugeführte Ölmenge wird bestimmt, durch Düsenöffnungen 9, die je in einer Ölnut 7 gebildet sind. Die Düsenöffnungen 9 stehen mit Ölzufuhr kanälen lü in Verbindung, und jede Düsenöffnung 9 ist so angeordnet, daß sie sich in den Grund jeder Ölnut 7 an einer Stelle nahe einer Keilfläche 8a öffnet, so daß das zugeführte Öl schnell zu der entsprechenden Keilfläche 8a gelangen kann.

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Anschließend wird die Arbeitsweise des Drucklagers erläutert. Niedrigtemperatur-Schmieröl wird durch die Ölzufuhrkanäle 10 und Düsenöffnungen 9 zugeführt und als Ölstrahl gegen den Druckbund gespritzt. Zu diesem Zeitpunkt kühlt das zugeführte Öl die Lagerfläche 8 und vermindert die Temperatur der Lagerfläche 8, während es durch die ölzufuhrkanäle 10 und Düsenöffnungen 9 strömt, die nahe der Vorderkante jeder Keilfläche 8a angeordnet sind. Die Hauptmenge des so zugeführten Öls wird zwischen den Druckbund 5 und die Drucklagerfläche 8 durch die Saugkraft gezogen, die durch die Rotation des Druckbunds 5 erzeugt wird, und bildet zwischen beiden einen Hochdruck-Schmierölfilm. Ein Teil des Schmieröls bläst oder drückt durch seinen strahlenförmigen Austritt das Hochtemperatur-Schmieröl weg, das von der ebenen Fläche 8b der vorhergehenden Stufe abgegeben wurde, so daß das Hochtemperatur-Schmieröl nach außen abgeführt wird. Damit kann das von der ebenen Fläche 8b der vorhergehenden Stufe abströmende Öl nicht auf die Keilfläche 8a der nächstfolgenden Stufe strömen, wodurch die Temperatur des Schmieröls zwischen der Lagerfläche 8 und dem Druckbund 5 vermindert wird.

Fig. 4- zeigt die Temperaturverminderung des auf die konische Fläche 8a des angegebenen Drucklagers strömenden Öls. Dabei ist auf der Ordinate die Temperatur T und auf der Abszisse die Länge L der Drucklagerfläche aufgetragen. Die Kurve A bezeichnet die Schmieröltemperatur bei einem Drucklager nach dem Stand der Technik, und die Kurve B bezeichnet die Schmieröltemperatur bei dem hier angegebenen Drucklager. Wie aus der Figur ersichtlich ist, übersteigt die Schmieröltemperatur auf der ebenen Fläche 8b der Drucklagerfläche des herkömmlichen Drucklagers eine Höchsttemperatur T , bei dem hier angegebenen Drucklager kann jedoch a

die entsprechende Schmieröltemperatur auf einem Pegel unter-

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halb des höchstzulässigen Pegels T gehalten werden. T

a s

bezeichnet die Temperatur des soeben zugeführten Schmieröls. Durch diese Verminderung der Öltemperatur kann eine zufriedenstellende Schmierung und Kühlung des Drucklagers erfolgen, so daß das Drucklager unter Hochdrehzahl- und Hochbelastungs-Bedingungen einsetzbar ist. Durch das Drucklager kann ein Temperaturanstieg des Schmieröls und der Lagerfläche vermindert werden. Dies trägt zu einer geringeren Viskositätsabnahme des Schmieröls und einer erhöhten Dicke des Ölfilms bei, wodurch mechanische Verluste kleingehalten werden können.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist in jeder Ölnut 7 eine Mehrzahl Düsenöffnungen 9 an Stellen nahe der Vorderkante der jeweiligen Keilfläche 8a gebildet, wodurch der Wirkungsgrad, mit dem die Kühlung des Drucklagers erfolgt, noch weiter verbessert wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 haben die Ölnuten 7 einen größeren Umfang, und der Bereich der Drucklagerfläche 8 ist vermindert. Dadurch können mechanische Verluste, die durch den Gleitkontakt des Druckbunds 5 an der Drucklagerfläche 8 auftreten, vermindert werden. Die Umfangsabmessungen der Ölnuten 7 sind dadurch bestimmbar, daß man die Dicke und die Viskosität des Ölfilms, die Umfangsgeschwindigkeit des Druckbunds 5 und den Oberflächendruck des Drucklagers 4· in Betracht zieht. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist jede Ölnut 7 eine Düsenöffnung 9 auf. Es können aber in jeder Ölnut 7 auch mehrere Düsenöffnungen 9 gebildet sein.

Bei den vorstehend angegebenen Ausführungsbeispielen ist der das Drucklager 4- bildende Axialgleitlagerteil 6 mit der Lagerschale 2 einstückig ausgeführt. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Ausbildung beschränkt, und der Axialgleitlagerteil 6a kann (vgl. Fig. 7) gesondert von der

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Lagerschale 2 ausgebildet und ζ. B. mit ihr verbolzt sein. Nach Fig. 8 kann eine Kugelsitzfläche 11 zur Montage
des Axialgleitlagerteils 6b an der Lagerschale 2 verwendet werden, wodurch ein ungleichmäßiger Kontakt der
Drucklagerfläche 8 mit dem Druckbund 5 vermieden wird.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß durch das angegebene Drucklager das Überlaufen von Hochtemperatur-Schmieröl kleingehalten wird und die Temperaturen des Öls
und der Drucklagerfläche vermindert werden können. Auch
wird eine Abnahme der Viskosität des Schmieröls kleingehalten, und die Dicke des Ölfilms kann erhöht werden. Infolgedessen kann das Drucklager unter Hochdrehzahl- und Hochbelastungs-Bedingungen bei gleichzeitigen geringen mechanischen Verlusten eingesetzt werden, und ferner wird die
Herstellung des Drucklagers vereinfacht.

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Claims (4)

1. Ansprüche

   I 1J Keilflächen-Drucklager, mit

   - mehreren in der Lagerfläche gebildeten und radial dazu verlaufenden Schmierölnuten; und

   - mehreren Keilflächen und ebenen Flächen, wobei jede Keilfläche und jede ebene Fläche zwischen den benachbarten, radial zur Lagerfläche verlaufenden Schmierölnuten angeordnet ist,

   gekennzeichnet durch

   - mehrere in den Schmierölnuten (7) gebildete Düsenöffnungen (9) zur Ölzufuhr,

   - wobei wenigstens eine Düsenöffnung (9) nahe der jeweiligen Keilfläche (8a) der Lagerfläche (8) angeordnet ist.
2. 2. Keilflächen-Drucklager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß in jeder Schmierölnut (7) nur eine Düsenöffnung (9) zur Schmierölzufuhr gebildet ist und im wesentlichen mittig zwischen den entgegengesetzten Nutenden nahe der Vorderkante der jeweiligen Keilfläche (8a) liegt

   (Fig. 2).
3. 3. Keilflächen-Drucklager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   81-(A 4789-02)-Schö

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   - daß in jeder Schmierölnut (7) mehrere Düsenöffnungen (9) für die Schmierölzufuhr gebildet und längs der Schmierölnut (7) nahe der Vorderkante der jeweiligen Keilfläche (8a) angeordnet sind

   (Fig. 5).
4. 4. Keilflächen-Drucklager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Umfangsabmessungen der Ölnuten (7) größer als die Umfangsabmessung der zwischen benachbarten Schmierölnuten (7) befindlichen Keilfläche (8a)und ebenen Fläche (8b) sind

   (Fig. 6).

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