DE3505048C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydro- oder gasdynamisches Gleitlager nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist z. B. aus dem NASA-Bericht TND-6568 vom April 1972, Fig. 1 und 2, Seite 15, ein Gleitringdichtungssystem mit gasdynamischer Schmierung für hochtourige Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerke bekannt, das zwei zur Bildung eines Dichtspaltes mit ihren radialen Gegenflächen zusammenwirkende Dichtringe aufweist, von denen der eine mit einem Maschinenwellenstrang drehfest verbunden, der andere zur Kompensation thermisch beeinflußter Dehnungen stationär, jedoch axial flexibel aufgehängt ist, wobei der im Betrieb mitrotierende eine Dichtring von Kühlbohrungen radial durchsetzt ist, die mit einer in den Wellenstrang integrierten Kühlflüssigkeitszufuhr kommunizieren.

Als Primärdichtung weist hier der im Betrieb mitrotierende stationäre, unter Federwirkung axial flexibel aufgehängte Dichtring in dessen Dichtfläche eingearbeitete, untereinanderliegende Vertiefungen als Dichtlabyrinthe auf. Darunter befinden sich in der betreffenden Dichtfläche selbstwirkende sogenannte "lift pads", d. h. also gezielt hergestellte Aufgleitflächen zur Erzeugung gasdynamischer Schmierkeile.

Neben dem vergleichsweise hohen Fertigungsaufwand einer derartigen Dichtflächenprofilierung wird deren wesentlicher Nachteil in der vergleichsweise rasch zu erwartenden, verhältnismäßig hohen Abnutzung gesehen, die komplizierte Nachbearbeitungen und gegebenenfalls Reparaturen erforderlich macht; beim Anfahren der Strömungsmaschine kann sich nämlich noch kein homogener Schmier-Tragspalt ausbilden, was sinngemäß auch für den Auslaufvorgang (Abschaltung der Maschine) gilt, weil dann das mühsam aufgebaute gasförmige Tragspaltpolster zusammenbricht, mit der Folge überwiegend metallischer Reibungs- und Verschleißzustände. Letzteres gilt sowohl für hydro- als auch aerodynamisch arbeitende Gleitlagerkonzepte.

Sofern bei einem derartigen bekannten Dichtungssystem - anstelle eines aero- bzw. gasdynamischen Tragpolsteraufbaus - als Schmiermittel Öl oder anderweitige, bei hohen Betriebstemperaturen rasch verkrackende, flüssige Schmierstoffe in Betracht gezogen werden sollten (hydrodynamisches Tragpolster), so besteht ferner die Gefahr einer vergleichsweise frühzeitigen Unbrauchbarkeit und eines hohen Dichtungsverschleißes als Ursache von Dichtfluidverkokungen innerhalb der von den "lift pads" dabei ausgebildeten, sogenannten "Hydrodynamisierungsvertiefungen", woraus wiederum eine Verstopfung dieser Vertiefungen resultiert. Auch in Kombination mittels beim vorliegenden bekannten Dichtungssystem dichtflächenparallel verlaufend im mitrotierenden anderen Dichtring angeordneter Kühlbohrungen dürfte den erwähnten nachteiligen Folgen nicht durchgreifend Abhilfe geschaffen werden können.

Später noch näher erläuterte, z. B. als "Spiralrillenlager" bekannt­ gewordene und ausgeführte Luftlager, haben im allgemeinen den weiteren Mangel, daß die Tragfähigkeit als Folge der vergleichsweise geringen Zähigkeit der Luft vergleichsweise gering ist.

Ferner sind aerodynamische, radiale Folienluftlager bekannt (DE-PS 29 34 271), die eine den Lagerzapfen unmittelbar umschlingende Folie aufweisen, deren den Zapfen unmittelbar umschlingender Folienteil die Lauffläche bereitstellt, während übrige Folienwicklungen die Dämpfung und Federung bereitstellen sollen. Dabei ist eine ganz besondere, hoch-präzise Vorfertigung der Folie erforderlich, bevor sie zwischen der äußeren, stationären Lagerschale und dem Drehzapfen eingebracht worden ist. Ferner sind derartige Folienluftlager extrem schmutzempfindlich; bereits feinste Ablagerungen von Schmutz- oder anderweitigen Metallpartikelchen, insbesondere am bandablaufseitigen inneren Folienende, können zu erheblichen Betriebsstörungen führen. Die bei derartigen Lagern erforderliche Quetsch-Spalt-Filmdämpfung setzt auch hier erst bei Erreichen einer vergleichsweise hohen Drehzahl ein, weshalb der Lebensdauer derartiger, extrem dünner Folien enge Grenzen gesetzt sind.

Aus der DE-PS 31 19 467 ist eine Gleitringdichtung mit gasdynamischer Schmierung für hochtourige Strömungsmaschinen bekannt mit in mindestens einem der beiden Gleitpartner befindlicher, in Umfangsrichtung periodisch gleichförmig zu- und wieder abnehmender Anzahl angeordneten Kühlbohrungen, um damit eine dem gewünschten "Schmierkeilverlauf" entsprechende Gleitfläche am rotierenden Gleitpartner erzeugen zu wollen; die Tragfähigkeit auch dieser bekannten Dichtung ist an die Erreichung einer vorgegebenen Betriebsdrehzahl gebunden, so daß Anfahr- oder Auslaufvorgänge der Maschine mit unmittelbarer Gleitflächenkontaktierung und entsprechendem Materialverschleiß verknüpft sind.

Aus der DE-OS 34 38 807 ist eine linear oder rotatorisch arbeitende schieberartige Einrichtung bekannt, bei der ein angetriebenes Element linear bzw. rotatorisch mit mindestens einer Berührungsfläche entlang einer wellenartig verformbaren Oberfläche eines elastischen Führungselements bewegbar sein soll. Als Funktion erzeugter Wellenlänge und - Anzahl an der Oberfläche des elastischen Führungselementes soll im bekannten Fall eine je nach Lastanfall möglichst konstante und verhätnismäßig geringe Reib- und Bewegungskräfte erfordernde, lagerartige Bauteilflächenkontaktierung - ohne besondere Schmiermittelzufuhr - erreichbar sein. Die jeweils - nach Lastanfall - benötigte Oberflächenwellenstruktur am elastischen Führungselement soll im bekannten Fall durch mindestens ein unmittelbar am Führungselement (lineare Bewegungsführung) oder diesem benachbartes scheibenartiges piezoelektrisches Element (rotatorische Bewegungsführung) steuerbar sein. Die bekannte Einrichtung setzt mithin eine in sämtliche Betriebszuständen vorhandene gegenseitige Bauteil- bzw. Reibflächenkontaktierung (Rotationselement/Führungselement) voraus, so daß - neben vergleichsweise hohen Reibkräften - mit einem verhältnismäßig frühzeitig einsetzenden Materialverschleiß, oder gar Unbrauchbarwerden der betreffenden Elemente zu rechnen sein dürfte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlager nach der eingangs genannten Art (Oberbegriff des Patentanspruchs 1) anzugeben, das über den gesamten Betriebszustand praktisch verschleißlos ausgebildet ist.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Somit läßt sich also über den gesamten Betriebszustand ein homogener Schmier-Tragspalt ausbilden, dessen Tragwirkung gegenüber Bekanntem wesentlich verbessert ist. Dies läßt sich ohne komplizierte, mechanisch erzeugte Aufgleitflächen ("liftpads") oder Hydrodynamisierungsvertiefungen an den Lagergleitflächen bzw. ohne gleitringseitige Kühlbohrungen erreichen; es entfallen dabei die Bekanntem nachgesagten Verschleiß- oder Nachbearbeitungsfolgen; unabhängig von einem vorgegebenen Drehzahl- und Temperaturniveau, läßt sich also über den gesamten Betriebszustand hinweg ein homogener Schmier-Trag-Spaltaufbau in die Wege leiten.

Die folgenden Ausführungen sollen die Entstehungs- und Wirkungsweise der vorliegenden Gleitringdichtung im Rahmen physikalischer Gesetzmäßigkeiten weiter verdeutlichen.

Ein Gleitlager wird gebildet, wenn die Körpergrenzen zweier benachbarter, in mechanischer Wechselwirkung zueinander befindlicher Bauteile konstruktiv so gestaltet werden, daß eine gemeinsame Kontaktfläche entsteht, über die Kräfte übertragen werden können und die dabei eine planare Bewegung der beiden Kontaktpartner relativ zueinander zuläßt. Bei dieser Bewegung unter gegenseitiger Stützung treten Gleitvorgänge auf. Aufgabe der Schmierung ist es, in diesem Bereich zwischen den zwei benachbarten Grenzflächen eine Trennschicht aufzubauen und aufrechtzuerhalten, die eine direkte körperliche Berührung der Kontaktpartner ausschaltet, so daß hohe Reibungskräfte und Verschleißvorgänge vermieden werden.

Auch im vorliegenden Fall nach der Erfindung soll also diese Trennschicht aus einem Fluid gebildet werden (Luft, Öl o. ä.). Aufgabe dieses Fluids ist es, die Grenzflächen der zwei Gleitpartner zu trennen, die Stützkräfte zu übertragen, Reibungskräfte möglichst minimal zu machen und diesen Zustand kontinuierlich aufrechtzuerhalten.

Die besagten Schmierfluide haften an den Grenzflächen der sie einschließenden Körper. In ihnen wirken Scherspannungen, sobald Strömungsbewegungen in der trennenden Fluidschicht entstehen.

Verdrängungsvorgänge, die durch zeitliche Veränderungen des Abstandes zwischen den Wirkflächen des Gleitlagers verursacht werden, erzeugen Strömungsvorgänge im dazwischen eingeschlossenen Fluid. Unter der Wirkung der dabei auftretenden Scherspannungen werden Druckfelder im Fluid aufgebaut, die nach den Gesetzen der Hydro- oder Aerodynamik Kräfte auf die begrenzenden Flächen ausüben und somit die tragenden Eigenschaften des Schmierfilms erzeugen.

Die maßgebliche Stoffgröße, die bei diesen Effekten auf die Bildung von tragenden Druckfeldern im Schmiermittel Einfluß nimmt, ist die dynamische Zähigkeit η.

Die Voraussetzungen für die Tragkrafterzeugung sind daher:

• 1. Zeitlich sich verändernde Volumina im Schmierspalt durch Relativbewegung der Wirkflächen gegeneinander in normaler oder planarer Richtung. Zur permanenten Erzeugung der Tragwirkung müssen diese Bewegungen kontinuierlich oder zyklisch wiederholbar sein.
• 2. Vorhandensein einer genügenden Menge des Wirkmediums (Luft, Öl) im Spalt zwischen den zu trennenden körperlichen Grenzflächen.
  Zur Aufrechterhaltung der Kontinuität der Tragwirkung muß daher ein Fließgleichgewicht zwischen abfließender und zufließender Menge des Mediums bestehen.

Nach diesen Prinzipien arbeiten alle aero- und hydrodynamischen Lager. Zur mathematischen Beschreibung der dabei auftretenden Effekte werden die Ansätze nach Navier-Stokes benutzt, die zur Ableitung der Reynold′schen Gleichung führen:

Die auf der rechten Seite dargestellten Ausdrücke beschreiben die Wirkung der im Schmierspalt auftretenden Verdrängungsvorgänge, und zwar das erste Glied die Verdrängung des Schmiermittels dadurch, daß der Schmierspalt seine Weite h in Richtung der Erstreckung der seitlichen Wandungen ändert und zwischen dieser sich verändernden Spaltgeometrie und den zwei Wandungen, an denen das Schmiermittel haftet, in planarer Richtung die Geschwindigkeitsdifferenzen U₁ bzw. U₂ bestehen. Dabei ist es im Prinzip belanglos, ob die Wandungen gegenüber der ortsfesten Spaltgeometrie bewegt werden, wie das bei herkömmlichen aero- oder hydrodynamischen Gleitlagern der Fall ist, oder ob - wie im vorliegenden Fall der Erfindung - die Spaltgeometrie gegenüber den Wandungen fortschreitet. Das zweite Glied auf der rechten Seite der Reynold′schen Gleichung beschreibt die Wirkung der Verdrängung des Schmiermittels durch zeitliche Änderung des Schmierspaltes in normaler Richtung.

Das erste Glied berücksichtigt somit einen Effekt, der bei allen jenen aero- oder hydrodynamischen Gleitlagern ausgenutzt wird, bei denen auf einer der den Schmierspalt bildenden Lagerflächen Profilierungen vorgesehen sind, durch die sich örtlich unterschiedliche Spaltweiten ergeben und bei denen die andere Lagerfläche demgegenüber bewegt wird. Der durch das zweite Glied repräsentierte Effekt wird technisch bei instationären Belastungen ausgenutzt, die periodisch auftreten, wie z. B. in Pleuel- oder Kurbelwellenlagern von Kolbenmaschinen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf axiale Luftlager, die mit einer stationären Kraft, z. B. dem axialen Schub eines Turbinenrotors, belastet sind. Dies schließt aber nicht den vorteilhaften Einsatz der Erfindung bei anderweitigen Radiallagertypen aus.

Luftlager, die dieser Funktion dienen, sind bisher beispielsweise als Spiralrillenlager ausgeführt worden. Dabei wird der Transport des Schmiermediums von der rotierenden Scheibe übernommen, an deren bewegten Oberflächen die Luft haftet. Die Tragwirkung kommt dadurch zustande, daß diese bewegte Luftgrenzschicht auf ihrem Weg über dem Umfang des Lagers Gebiete veränderlichen Spaltquerschnittes durchläuft. Diese Spaltänderungen werden durch reliefartige Oberflächenmuster in der statischen Lagerscheibe dargestellt. Solche Oberflächenmuster folgen dabei in der Stirnansicht der Scheibe der Form einer Spirale. Dadurch kommt bei Betrieb des Lagers eine Pumpwirkung zustande, durch die das Schmiermedium - also die umgebende Luft - vom äußeren Umfang her in das Lager hinein gefördert wird. Die Tragfähigkeit derartiger Luftlager ist gering als Folge der geringen Zähigkeit η der Luft.

In etwas allgemeinerer Formulierung des Erfindungsgedankens wird nun vorgeschlagen, die Tragfähigkeit dadurch zu verbessern, daß nicht nur eine begrenzende Fläche des Spaltes mit der an ihr haftenden Grenzschicht des Schmiermediums gegenüber dem sich in Bewegungsrichtung verengenden Spalt bewegt wird, sondern auch der sich verändernde Spalt gegenüber den Wandungen bewegt wird und zwar in Form von periodischen, sich wiederholenden Bewegungen.

Nach der Erfindung sollen die zur Ausbildung von tragenden aero- oder hydrodynamischen Druckfeldern im Schmiermedium erforderlichen Verdrängungsbewegungen u. a. dadurch erzeugt werden, daß mindestens eine der den Schmierspalt begrenzenden Konstruktionsflächen beweglich ist und künstlich in Schwingungen versetzt wird.

Dieses bewegliche Glied kann z. B. eine um die Achse taumelnde Scheibe sein.

Vorteilhafterweise kann diese Lagerfläche aber auch die Oberfläche einer dünnen Membran sein. Die Membran wird auf der dem Lagerspalt abgewandten Seite auf einem Feld zweckentsprechender elastischer Federn gebettet. Die Gesamtsteifigkeit des Feldes dieser Federn soll ausreichend groß sein, um die Einfederung des gesamten Lagers unter der Wirkung der Betriebskräfte in zuträglichen Grenzen zu halten. Die lokale Steifigkeit soll dagegen genügend gering sein, um die örtliche Schwingungsauslenkung zu erlauben.

Zur Erregung und Aufrechterhaltung der Schwingungen können z. B. elektrische und elektromagnetische Wechselfelder dienen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 25.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung nachfolgend beispielsweise erläutert; es zeigen

Fig. 1 bis 4 schematisch wiedergegebene Gleitlager als Axialschublager, jeweils als obere Hälfte sowie teilweise in Längsrichtung geschnitten dargestellt, wobei in

Fig. 1 der stationäre Gleitpartner als elektromagnetisch erregbare taumelnde Lagerscheibe ausgebildet ist, dann in

Fig. 2 der stationäre Gleitpartner als direkt elektromagnetisch erregbare Membran ausgebildet ist, dann in

Fig. 3 zwischen elektromagnetisch erregbare Polmatrix und Membran eine zusätzliche Erregermasse geschaltet ist, dann in

Fig. 4 eine teilweise Federkupplung des einen als Membran ausgebildeten stationären Gleitpartners sowohl mit einer Erregermasse auf der einen Seite als auch mit einem lamellenartigen Polmatrixfeld auf der anderen Seite vorgesehen ist; es zeigen fernerhin:

Fig. 5 ein geradliniges transversal verlaufendes Schwingungsfeld an dem bzw. für den als biegeelastische Membran ausgebildeten stationären Gleitpartner eines Axialschublagers, z. B. nach Fig. 2 oder 3 oder 4,

Fig. 6 eine von Fig. 5 abweichende Membranschwingungsfeldausbildung, bei der das Schwingungsfeld, z. B. von außen nach innen, gleichförmig konzentrisch verläuft (gleichförmiger Abstand der konzentrischen Knotenlinien),

Fig. 7 eine von Fig. 5 und 6 abweichende Membranschwingungsfeldausbildung, bei dem die Schwingungen zwar konzentrisch, jedoch hier - von außen nach innen gesehen - hinsichtlich des Knotenlinienabstandes zunehmend dichter werden,

Fig. 8 eine von den Fig. 5, 6 und 7 abweichende Membranschwingungsfeldausbildung, hier über den Umfang sich gleichförmig fächerartig fortpflanzend, unter Zuordnung eines Teilausschnitts aus der oberen Membranhälfte, welche die Zuordnung eines dahinter liegenden, fächerartigen elektromagnetischen Polfeldes verdeutlicht,

Fig. 9 eine von den Fig. 5, 6, 7 und 8 abweichende Membranschwingungsfeldausbildung, bei der die in Umfangsrichtung fortschreitenden Amplitudenstränge keinen gemeinsamen Schnittpunkt mit der Drehachse aufweisen,

Fig. 10 eine schematisiert wiedergegebene obere Teillängsschnitthälfte einer von Fig. 2 hinsichtlich der Federausbildung sowie hinsichtlich der elektromagnetischen Polfeldeinbettung in diese Federn abweichenden Ausführungsform,

Fig. 11 die perspektivische Darstellung einer einzelnen Feder-Elektromagnet- Wicklungskombination aus Fig. 10,

Fig. 12 ein aus zylindrischen Elektromagneten bestehendes Polfeld an einem Lagerstatorabschnitt und

Fig. 13 die perspektivische Darstellung einer einzelnen Elektromagnet-Feder-Wicklungs-Kombination für einen Lagerstator nach Fig. 12.

Fig. 1 verkörpert ein aero- bzw. gasdynamisches Axialschublager für hochtourige Strömungsmaschinen, z. B. Gasturbinentriebwerke. Darin ist die betreffende Welle mit 1 sowie ein mit dieser stets mitrotierend verbundener, als ein scheibenförmiger rotierender Gleitpartner mit 2 bezeichnet. Der stationäre Gleitpartner 3 ist im vorliegenden Fall als ein in sich starrer Schwingungskörper 4 bzw. als sogenannte "Taumelscheibe" ausgebildet, die sich in Axialrichtung über Schraubenfedern 5, 6 und 7 an der Matrix 8 eines elektromagnetisch erregbaren, stationären Polwechselfeldes abstützt bzw. federelastisch aufgehängt ist, wobei die Matrix 8 für das Polwechselfeld ihrerseits mit einem stationären Tragkörper 9 verbunden ist. Der stationäre Gleitpartner 3 (Taumelscheibe 4), die Polfeldmatrix 8 sowie der Tragkörper 9 sind hier z. B. in ringzylindrischer Bauweise, bei gleichem Außen- und Innendurchmesser, in Axialrichtung hintereinander fluchtend angeordnet.

Zwischen den benachbarten Gleitflächen des rotierenden, 2, sowie das stationären Gleitpartners 3 befindet sich der Lagerspalt 10, in welchem sich erfindungsgemäß über den gesamten Betriebszustand ein homogener, äußerst stabiler Schmier-Tragspalt sich ausbilden lassen soll, indem zumindest einem der beiden Gleitpartner, hier also dem stationären, als Taumelscheibe 4 ausgebildeten Gleitpartner 3 künstlich, hier also über das elektromagnetische Polwechselfeld (Matrix 8) erzeugte Schwingungen derart aufgeprägt werden sollen, daß ein der gewünschten Spaltgeometrie gemäß sich periodisch fortpflanzender, wanderwellenartiger Schmier-Tragspalt erzeugt wird.

Beim Schmierspaltmedium kann es sich z. B. um Luft, eine Hydraulikflüssigkeit, Öl oder gegebenenfalls um Kombinationen daraus handeln. Jeweils geeignete Schwingungsfeldausbildungen sind nachstehend noch näher erläutert.

Das jeweilige Schwingungsfeld kann dabei nicht nur elektromagnetisch, sondern auf geeignete anderweitige Art und Weise erzeugt werden, also z. B. magnetostriktiv, piezoelektrisch, mechanisch, elektro-mechanisch, elektro- hydraulisch oder hydro-mechanisch.

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen gleiche oder ähnliche funktionstechnische Bauteile ist Fig. 2 eine Abwandlung gegenüber Fig. 1 dahingehend, daß, anstelle der Taumelscheibe 4 (Fig. 1) für den stationären Gleitpartner 3, vorzugsweise eine biegeelastische Membran 11 vorgesehen sein soll, die sich, über die Federn 5, 6 und 7 an der Matrix 8 des Polfeldes abstützend, unmittelbar vom letzteren erregbar ist.

Anstelle der zu Fig. 1 erwähnten, beispielhaften Verwendung der in sich starren Taumelscheibe 4 hat die Verwendung einer verhältnismäßig dünnwandigen, biegeelastischen Membran 11 den Vorteil, daß auf ihr eine größere Anzahl von Engstellen gemäß dem geforderten Profil des Schmier- Tragspalts über die Lagerfläche wandern kann.

Fig. 3 verkörpert eine vorteilhafte, von Fig. 2 abgewandelte Axialschublagervariante, bei der der als biegeelastische Membran 11 ausgebildete stationäre Gleitpartner 3 mittelbar von einem elektromagnetischen Polfeld (Matrix 8) erregbar ist, indem sich die Membran 11 mittels Federn 5, 6 und 7 zunächst an einer Erregermasse 12 abstützt, die ihrerseits mittels Federn 13, 14, 15 unmittelbar an der Matrix 8 des elektromagnetischen Polfelds aufgehängt ist.

Fig. 4 verkörpert eine weitere vorteilhafte Axialschublagervariante, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ausschließlich an dem als biegeelastische Membran 11 ausgebildeten stationären Gleitpartner 3 die Erregermasse 12 federnd (Federn 5, 6) aufgehängt und der Matrix 8 bzw. dem elektromagnetischen Polfeld unmittelbar nachgeordnet ist, wobei die Membran 11 mittels durch die Erregermasse 12 hindurchgeführter Schraubenfedern 16, 17, 18 unmittelbar an dem Polfeld Matrix 8 aufgehängt ist bzw. sich an diesem abstützt. In diesem Fall kann die Polfeldmatrix 8 lamellenartig aufgebaut sein und im Wege dieser Lamellen die entsprechenden Aussparungen für die Federn 16, 17, 18 bereitstellen.

Gemäß Fig. 5 kann dem mindestens einen Gleitpartner, z. B. 3, also der Membran 11 ein gänzlich transversales, sich hier also von rechts nach links sich periodisch fortpflanzendes, geradliniges Schwingungsfeld F für den demgemäß wandernden Schmier-Tragspalt aufgeprägt werden. Der Pfeil 4 kennzeichnet die Wanderrichtung des Schwingungsfelds, und damit auch des wandernden Schmier-Tragspalts. Im Wege dieses Schwingungsfeldes F erfolgt also über die betreffende Lagerfläche z. B. ein Luftvolumentransport durch den Luft aus der Lagerumgebung in den Lagerspalt 10 gefördert wird und somit auch ein ständiger Schmierstoff- bzw. Luftaustausch stattfindet.

Fig. 6 verkörpert ein sich hier z. B. von außen nach innen gemäß Pfeil W 1 gleichförmig periodisch fortpflanzendes, konzentrisches Schwingungsfeld F 1 für den demgemäß wandernden Schmier-Tragspalt, wobei auch hier ein laufender Volumenaustausch des betreffenden Schmiermittels, z. B. von Luft, bewirkt wird. Entgegen der Fig. 6 wäre es aber auch durchaus möglich, den Schwingungs- bzw. Wanderwellenzyklus von innen nach außen sich konzentrisch periodisch fortpflanzend zu gestalten. Mit K 1 sind in Fig. 6 die konzentrischen Knotenlinien des Schwingungsfeldes F 1 bezeichnet.

In Ausgestaltung der Erfindung kann dem mindestens einen Gleitpartner, z. B. der Membran, ein kombiniertes konzentrisch- transversales Schwingungsfeld aufgeprägt werden.

Die Erfindung weiterbildend, könnte dem mindestens einen Gleitpartner, z. B. der Membran, ein Schwingungsfeld aus gleichen oder unterschiedlichen Amplituden aufgeprägt werden.

Fig. 7 verkörpert ein auf den mindestens einen Gleitpartner, z. B. die Membran 11, aufprägbares Schwingungsfeld F 2, dessen konzentrische Knotenlinien K 2 sich - von außen nach innen - im Abstand zunehmend verringern.

Bei einer weiteren Ausführungsform eines Gleitlagers in der Grundausbildung eines Axialschublagers könnte dem mindestens einen Gleitpartner 3, z. B. also der stationären Membran 11, ein über dem Umfang fortlaufend fächerartiges Schwingungsfeld F 3 aufgeprägt werden (Fig. 8), dessen geradlinige Amplitudenstränge S in theoretischer Verlängerung nach innen die Lagerdrehachse schneiden würden. Dabei ist hierzu das hinter der Membran 11 liegende Polfeld bzw. die Polmatrix 8 ebenfalls fächerartig ausgebildet.

Bei einem Gleitlager in der Grundausbildung eines Axialschublagers könnte dem mindestens einen Gleitpartner 3, also z. B. der Membran 11, ein Schwingungsfeld F 4 aufgeprägt werden, dessen Radialamplituden bzw. -stränge S 1 stets derart schräg angestellt sind, daß ein theoretischer innerer Schnittpunkt zweier jeweils benachbarter Stränge S 1 stets außerhalb der Drehachse (s. h. Fig. 9).

Fig. 9 unterscheidet sich von den voranstehenden und behandelten Lösungen weiter dadurch, daß ein entgegengesetzt zur Lagerlaufrichtung L gemäß Pfeil R wandernder Schmier- Tragspalt erzeugbar ist, wobei die Pfeilrichtung R ebenfalls repräsentativ für das demgemäß fortschreitende Schwingungsfeld F 4 ist.

Die zu Fig. 9 angegebene Schräganstellung der Amplitudenstränge S 1 wirkt sich besonders günstig auf eine stabile, homogene Förderwirkung des Lagertragmediums, z. B. Luft, in den bzw. aus dem Lagerspalt (Umgebungsluftaustausch) aus.

Die (Fig. 9) zur Laufrichtung L des Lagers entgegengerichtete Wanderrichtung R des Schwingungsfeldes F 4 führt zu einer Verstärkung der dynamischen Effekte beider Bewegungen, und damit zu einem stabilen, hochtragfähigen Schmier-Tragspalt.

Für das Axialschublager nach Fig. 10 sind im übrigen wieder im Rahmen der Fig. 1 bis 4 schon behandelte gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen belegt.

Gemäß Fig. 10 können anstelle der in Fig. 1 bis 4 beispielhaft genannten Schraubenfedern 5, 6 und 7 auch anderweitige, biegeelastisch gefaltete Federelemente 20 vorgesehen sein.

In Verbindung mit Fig. 10 und 11 ergibt sich also ein Axialschublager, bei dem das am Lagerstator 9 angeordnete elektromagnetische Polwechselfeld aus in Umfangsrichtung gleichförmig untereinander beabstandeten, z. B. lamellenförmigen Polkörpern oder Magnetkernen 21 besteht, zwischen denen jeweils die biegeelastisch gefalteten Federelemente 20 angeordnet sind, die die Kern- bzw. Polendflächen axial überkragen und einerseits am Lagerstator 9 befestigt sind und auf der anderen Seite den schwingungserregbaren, vorzugsweise als biegeelastische Membran 11 ausgebildeten stationären Gleitpartner 3 tragen. Die betreffende Kernwicklung ist in Fig. 11 mit 22 bezeichnet.

Fig. 12 veranschaulicht eine weitere Variante für ein Axialschublager, bei dem das am Lagerstator 9 angeordnete elektromagnetische Polwechselfeld aus vom Lagerstator 9 axial auskragenden kreisrunden Magnetkörpern 23 gebildet ist.

Dabei kann also den freien Polendflächen der Magnetkörper 23 eine schwingungserregbare, biegeelastische Membran 11 (Fig. 2) nachgeschaltet sein, die sich mittels über die Magnetkörper 23 gestülpter Schraubenfedern 24 (Fig. 13) am Lagerstator 9 (Fig. 2) abstützt. Eine Magnetkernwicklung bzw. Spulenwicklung ist in Fig. 13 mit 25 bezeichnet.

Zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, insbesondere als sie die Verwendung einer biegeelastischen Membran 11 vorschlagen, sei vermerkt, daß das aus den Federn und der Masse der biegeweichen Membran gebildete schwingungsfähige System dann die geringsten erregenden Kräfte erfordert, wenn die Impedanz gegenüber der laufenden Welle einen Kleinstwert hat. Eine entsprechende Abstimmung der Frequenz kann über die Gestaltung der federnden Bettung und der Membran erfolgen, so daß die Eigenfrequenz der erwünschten Schwingungsform der Frequenz des zu erregenden elektrischen Wechselfeldes entspricht.

In bevorzugter Ausbildung können ferner die Membran, die jeweilige Federbettung bzw. -kennung, die elektromagnetische Polfeldmatrix sowie deren Erregungssequenz hinsichtlich des zu erwartenden Schwingungsfeldes aufeinander abstimmbar sein.

Bevorzugt können ferner gemäß den Fig. 1 bis 4 die Membran 11, der starre Schwingkörper 4, das elektromagnetische Polfeld 8 sowie die Erregermasse 12 als rotationssymmetrisch angeordnete, ringförmige Bauteile ausgebildet sein.

Die zuvor gemachten Grundsätze sowie dargestellten Ausführungsbeispiele lassen sich sinngemäß und gänzlich oder teilweise auf Radialgleitlagervarianten übertragen bzw. hierfür abwandeln, die zwar nicht zeichnerisch dargestellt, aber ausdrücklich im Rahmen des Schutzbegehrens ihren Niederschlag finden.

Die Erfindung eignet sich für den Einsatz bei hochtourig betriebenen Maschinen, insbesondere Strömungsmaschinen, z. B. Gasturbinentriebwerke für den stationären oder Flugeinsatz sowie für den Einsatz bei Turboladern, die bekanntlich mit extrem hohen Drehzahlen betrieben werden.

Claims (25)

1. Hydro- oder gasdynamisches Gleitlager für hohe Drehzahlen, bei dem sich zwischen den korrespondierenden Gleitflächen eines stationären und eines rotierenden Gleitpartners ein Schmier-Tragspalt ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einem (3) der beiden Gleitpartner über den gesamten Betriebsbereich künstlich erzeugte Schwingungen derart aufgeprägt werden, daß ein der gewünschten Spaltgeometrie gemäß sich periodisch fortpflanzender, wanderwellenartiger Schmier-Tragspalt erzeugt wird.

2. Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in oder entgegengesetzt (R) zur Laufrichtung (L) wandernder Schmier- Tragspalt erzeugt wird (Fig. 9).

3. Gleitlager nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Radiallager mit Schmier-Tragspalt zwischen einem Drehzapfen und einer Lagerschale ausgebildet ist, der, als Schwingungselement, sich kontinuierlich fortpflanzende Schwingungen für den wandernden Schmier-Tragspalt aufgeprägt werden.

4. Gleitlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerschale über dem gesamten Lagerumfang sich in Axialrichtung periodisch fortpflanzende Schwingungen zur Erzeugung eines in Axialrichtung wandernden Schmier-Tragspalts aufgeprägt werden.

5. Gleitlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerschale über dem gesamten Umfang ein kombiniertes, in axialer sowie in Umfangsrichtung schwingendes Feld für den wandernden Schmier- Tragspalt aufgeprägt wird.

6. Gleitlager nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Axialschublager ausgebildet ist, bei dem die korrespondierenden Gleitflächen Ringflächen des stationären und des rotierenden Gleitpartners (3; 2) sind - wie an sich bekannt.

7. Gleitlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem mindestens einen Gleitpartner (3 bzw. 11) über dem gesamten Lagerumfang ein sich im wesentlichen konzentrisches, periodisch sich fortpflanzendes Schwingungsfeld (F 1) für den demgemäß wandernden Schmier-Tragspalt aufgeprägt wird (Fig. 6), so daß jeweils gleiche Abstände zwischen den konzentrischen Knotenlinien (K 1) vorgesehen sind.

8. Gleitlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem mindestens einen Gleitpartner (3 bzw. 11) ein geradliniges, gänzlich transversales, sich periodisch fortpflanzendes Schwingungsfeld (F) für den demgemäß wandernden Schmier-Tragspalt aufgeprägt wird (Fig. 5).

9. Gleitlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem mindestens einen Gleitpartner ein kombiniertes rotationssymmetrisches/ transversales Schwingungsfeld aufgeprägt wird.

10. Gleitlager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem mindestens einen Gleitpartner ein Schwingungsfeld aus gleichen oder unterschiedlichen Amplituden aufgeprägt wird.

11. Gleitlager nach Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet durch ein auf den mindestens einen Gleitpartner (3 bzw. 22) aufprägbares konzentrisches Schwingungsfeld (F 2), dessen Abstände zwischen den Knotenlinien (K 2) sich - von außen nach innen zunehmend verringern (Fig. 7) - oder vergrößern.

12. Gleitlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem mindestens einen Gleitpartner (3 bzw. 11) ein über dem Umfang fortlaufend fächerartiges Schwingungsfeld (F 3) aufgeprägt wird (Fig. 8).

13. Gleitlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem mindestens einen Gleitpartner (3 bzw. 11) ein Schwingungsfeld (F 4) aufgeprägt wird, dessen Radialamplituden bzw. -stränge (S 1) derart schräg angestellt sind, daß der gemeinsame Innenschnittpunkt zweier benachbarter Stränge (S 1) in deren jeweiliger Verlängerung stets außerhalb der Drehachse liegt.

14. Gleitlager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die als Schwingelement ausgebildete äußere Lagerschale (Radiallager) bzw. der stationäre, eine Gleitringfläche enthaltende Gleitpartner (Axialschublager) Bestandteil einer Membran (11) oder membranartig ausgebildet ist und an gleichförmig über dem Lagerumfang verteilt angeordneten Federn (5, 6, 7) abgestützt ist (Fig. 2).

15. Gleitlager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das betreffende Schwingungsfeld elektro- magnetisch, magnetostriktiv, piezoelektrisch, mechanisch, elektro- hydraulisch oder hydro-mechanisch erzeugbar ist.

16. Gleitlager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der als biegeelastische Membran (11) ausgebildete stationäre Gleitpartner (3) sich über Federn (5, 6, 7) an einem elektromagnetischen Polfeld, bzw. an der Matrix (8) eines elektromagnetischen Polfeldes abstützt, und damit unmittelbar von diesem Polfeld erregbar ist (Fig. 2).

17. Gleitlager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der als biegeelastische Membran (11) ausgebildete stationäre Gleitpartner (3) mittelbar von einem elektromagnetischen Polfeld (Matrix 8) erregbar ist, indem sich die Membran (11) mittels Federn (5, 6, 7) zunächst an einer Erregermasse (12) sich abstützend aufgehängt ist, die ihrerseits mittels Federn (13, 14, 15) unmittelbar am elektromagnetischen Polfeld bzw. der Matrix (8) dieses Polfeldes aufgehängt ist (Fig. 3).

18. Gleitlager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der als biegeelastische Membran (11) ausgebildete stationäre Gleitpartner (3) an der Erregermasse (12) federn aufgehängt ist, die dem elektromagnetischen Polfeld unmittelbar nachgeordnet ist, wobei die Membran (11) mittels durch die Erregermasse (12) hindurchgeführter Schraubenfedern (16, 17, 18) unmittelbar am Polfeld aufgehängt ist bzw. sich an diesem abstützt (Fig. 4).

19. Gleitlager nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der biegeelastischen Membran ein in sich starrer Schwingkörper (4) als stationärer Gleitpartner (3) vorgesehen ist (Fig. 1).

20. Gleitlager nach den Ansprüchen 16 bis 19, insbesondere als aero- oder gasdynamisches Axialschublager, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11), der starre Schwingkörper (4), das elektromagnetische Polfeld (Matrix 8) sowie die Erregermasse (12) als rotationssymmetrisch angeordnete, ringförmige Bauteile ausgebildet sind.

21. Gleitlager nach den Ansprüchen 16, 17, 18 und 19 dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (5, 6, 7) als Schraubenfedern oder anderweitig biegeelastisch gefaltete Federkörper (20) ausgebildet sind.

22. Gleitlager als Axialschublager nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das am Lagerstator (9) angeordnete elektromagnetische Polwechselfeld aus in Umfangsrichtung gleichförmig untereinander beabstandeten lamellenförmigen Polkörpern (21) bzw. Magnetkernen besteht, zwischen denen jeweils die biegeelastisch gefalteten Federelemente (20) angeordnet sind, die die Polendflächen axial überragen und einerseits am Lagerstator (9) befestigt sind und auf der anderen Seite den schwingungserregbaren, vorzugsweise als biegeelastische Membran (11) ausgebildeten stationären Gleitpartner (3) tragen (Fig. 10).

23. Gleitlager als Axialschublager nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das am Lagerstator (9) angeordnete elektromagnetische Polwechselfeld von auf gleichen oder unterschiedlichen Radien am Lagerstator (9) axial auskragenden kreisrunden Magnetkörpern (23) gebildet ist (Fig. 12).

24. Gleitlager nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß den freien Polendflächen der Magnetkörper (23) eine schwingungserregbare, biegeelastische Membran (11) nachgeschaltet ist, die sich mittels über die Magnetkörper (23) gestülpter Schraubenfedern (24) am Lagerstator (9) abstützt.

25. Gleitlager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran, die jeweilige Federbettung bzw. -kennung, die elektromagnetische Polfeldmatrix sowie deren Erregungssequenz hinsichtlich des zu erwartenden Schwingungsfeldes aufeinander abgestimmt sind.