DE3522037C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Gleitlageran­ ordnung für insbesondere schnell drehende Lagerzapfen bzw. Wellenzapfen mit kippbar an einem äußeren Haltering abgestützten Lagersegmenten, von welchen mindestens eines als Spannsegment zu selbsttätiger Anpassung des Lagerspiels bzw. Schmiermittelfilms so ausgebildet ist, daß der Druck an dem an ihm gebildeten Schmierspalt mittels Anordnung eines Speisekanals durch die Gleitfläche des Segmentkörpers im Spannsegment hindurch in eine am Segmentkörper gebildete rückwärtige Druckkammer geleitet wird.

Bei einem aus DE-PS 20 40 798 bekannten Kippsegment-Radial­ gleitlager dieser Art weist die am Segmentkörper gebildete rückwärtige Druckkammer keine Abdichtung auf, so daß das von der Gleitfläche des Segmentkörpers her in diese rück­ wärtige Druckkammer geleitete Schmiermittel mehr oder weniger undefiniert abfließen kann. Es soll bei diesem bekannten Kippsegment-Radialgleitlager lediglich ein freies Schwimmen des Kippsegmentes zwischen zwei Ölfilmen hervor­ gerufen werden, um die Reibungsverluste in dem Gleitlager minimal zu halten . Ein reproduzierbares, selbsttätiges Anpassen der hydrodynamischen Gleitlageranordnung, insbesondere der Weite ihrer Schmierspalte an den jeweiligen Betriebs­ zustand ist bei diesem bekannten Kippsegment-Radialgleit­ lager nicht möglich.

Bei einem aus EP-PS 23 657 bekannten hydrodynamischen Gleitlager ist jedes der Segmente mit einer rückwärtigen kugeligen Ringfläche auf einer eine Druckentlastungskammer umgebenden entsprechenden Abstützfläche gelagert. Die Druckentlastungskammer steht zwar über eine Verbindungs­ bohrung mit dem am jeweiligen Segment bildenden Schmierspalt in Verbindung, jedoch zusätzlich noch mit einer Druckmittel­ pumpe. Das in die Druckentlastungskammer unter Druck einge­ führte hydraulische Druckmittel tritt zwischen die beiden kugeligen Abstützflächen und fließt von dort in undefinierter und nicht reproduzierbarer Menge ab, so daß an diesen Abstützflächen kein reproduzierbares, selbsttätiges Anpassen der hydrodynamischen Gleitlageranordnung an den jeweiligen Betriebszustand stattfindet. Allerdings sind gemäß EP-PS 23 657 bei einem Segment die Abstützfläche und die Druck­ entlastungskammer in ihrer Gesamtheit an einem radial verstellbaren Hydraulikkolben gebildet. Die mit diesem Hydraulikkolben zusammenwirkende Druckkammer ist jedoch nicht an denjenigen Schmierspalt angeschlossen, der am eigenen Lagersegment gebildet ist, sondern an eine Druck­ entlastungskammer eines anderen Lagersegmentes, sowie an die zusätzliche Druckmittelpumpe un an Steuerleitungen zum Steuern dieser Druckmittelpumpe. Insgesamt wird somit ein kompliziertes Druckmittelsystem gebildet, in welchem nur dadurch einigermaßen reproduzierbare Druckverhältnisse aufrechterhalten werden können, daß eine aufwendige Druck­ mittelsteuerung an der das System beschickenden Druckmittel­ pumpe vorgesehen wird.

Mit Lagersegmenten ausgebildete hydraulische Radialgleitlager, bei welchen die Lagersegmente mit kugeliger Stirnfläche aus­ gebildete Abstützzapfen aufweisen, sind auch aus DE-OS 27 09 048 und US-PS 36 10 711 bekannt. Diese Abstützzapfen sind aber lediglich rückseitig in die Lagersegmente einge­ setzt und haben keine mit Schmiermittel beschickte Druck­ kammer, also keinerlei Bedeutung in Verbindung mit einer Schmiermittel aus dem Schmierspalt des Lagers aufnehmenden, aufgrund des im Schmierspalt herrschenden Druckes gesteuerten Einrichtung.

Bei allen oben erörterten hydrodynamischen Gleitlageran­ ordnungen tritt insbesondere bei schnell drehenden Wellenzapfen, wie beispielsweise bei Turbinen­ wellen, das Problem auf, daß die Welle bei hohen Umdrehungs­ geschwindigkeiten zum Schwingen neigt. Dieses Problem läßt sich nicht immer mit den bekannten Zwei- bzw. Mehr­ flächengleitlager beherrschen. Zudem sind die bekannten hydrodynamischen Gleitlager der oben angegebenen Art, insbesondere solche für schnell drehende Wellenzapfen, in ihrem mechanischen Aufbau relativ auf­ wendig und somit kostenintensiv. Trotz ihres großen technischen Aufwandes sind sie nur bedingt in der Lage, die o. g. Schwin­ gungen unter Kontrolle zu bringen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine hydrodynamische Gleitlageranordnung der oben angegebenen Art so zu ver­ bessern, daß auf einfache Weise die o. g. Schwingungen unter Kontrolle gebracht werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Druckkammer begrenzt ist durch die Wandung einer auf der Rückseite des Spannsegmentkörpers befindlichen Kammer und durch einen in dieser Kammer abgedichtet ge­ führten, sich gegen den Haltering abstützenden Spannkolben.

Gemäß der Erfindung wird dieser Spannkolben mit dem an einer ausgesuchten Stelle der Gleitfläche des eigenen Segmentes herrschenden Schmiermitteldruck beaufschlagt, wobei außer dieser einen Verbindung kein anderer Zulauf oder Ablauf für Schmiermittel an der Druckkammer vorhanden ist. Durch diese Anordnung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Dicke des Schmiermittelfilms am Spann­ segment nahezu konstant bleibt und zwar unabhängig von den Betriebsparametern, wie z. B. spezifische Belastung, Größe der Umfangsgeschwindigkeit, Viskosität des Schmier­ stoffes und Wärmedehnung.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin von Vorteil, daß die Regelung des Druckes am Spannkolben ausschließlich selbsttätig aus dem Schmierspalt heraus erfolgt und somit keine übergeordnete, d. h. zusätzliche fremde Regeleinheit notwendig ist. Vielmehr entsteht gemäß der Erfindung die durch die Konstruktion vorgegebene Schmierfilmdicke am Spannsegment durch eine sich selbsttätig verstellende Druckwaage, die zwischen der herrschenden Aktionskraft im Schmierspalt und der Reaktionskraft am Spannkolben reproduzierbar aufgebaut wird. Hierdurch werden die Aus­ wirkungen der Änderungen der vorstehend genannten Betriebs­ parameter überraschend auf einfache Weise wirkungsvoll ausgeglichen.

Eine Schwingungserregung durch das Kolbensystem läßt sich in einfacher Weise dadurch vermeiden, daß die zur Druckkammer des Spannkolbens führenden Querschnitte der Speisekanäle im Vergleich zur Gleitfläche des Spannsegments klein sind, beispielsweise maximal 5% der Gleitfläche betragen.

Die erfindungsgemäße Gleitlageranordnung kann kostengünstig und ohne großen technischen Aufwand in Kippsegment- Gleitlager vorgesehen werden, da keine engen Toleranzen mehr erforderlich sind.

Die Stützkontur des Spannkolbens kann kugelig sein.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Spannkolben eine umlaufende Schulter zur Anlage eines Dichtungsringes aufweisen. Hierdurch wird in einfacher Weise der unerwünschte seitliche Abfluß auch geringer Mengen von Schmiermittel aus der Druckkammer des Spannkolbens unterbunden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Kippsegment-Gleitlageranordnung im Schnitt,

Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung der Fig. 1 im Bereich des Spann­ segmentes,

Fig. 3 ein Diagramm einer möglichen Druckverteilung auf die gesamte Länge eines Schmierspaltes sowie beispielhaft zwei mögliche Positionen des Speisekanals,

Fig. 4 ein Spannsegment in perspektivischer Explosionsdarstellung.

Die Fig. 1 zeigt eine Kippsegment-Gleitlageranordnung zur Lagerung einer rotierenden Welle 1 mit drei Lagersegmenten, von denen die beiden Tragseg­ mente jeweils mit 2 und das eine Spannsegment in seiner Gesamtheit mit 3 bezeichnet sind. Wie die Fig. 1 verdeutlicht, sind die Segmente 2 und 3 in ihrem Aufbau und, wie noch erläutert wird, auch in ihrer Funktionsweise verschieden.

Bei den Tragsegmenten 2 handelt es sich um normale Lagersegmente, welche durch am Haltering 4 befindliche, in die Fixierbohrungen 5 greifende Fixier­ stifte 6 arretiert werden. Ihre Gleitflächen sind mit 7 bezeichnet.

Das Spannsegment 3, wie insbesondere Fig. 2 und 4 zeigen, besteht im wesentlichen aus einem Segmentkörper 8 mit Gleitfläche 7′ und dem Spann­ kolben 9. Im Segmentkörper 8 ist eine Kammer 10 ausgebildet, in welcher sich der Spannkolben 9 befindet. Wie die Figuren weiterhin zeigen, besitzt der Spannkolben 9 einen Freiraum 11 sowie eine umlaufende Schulter 12, an welcher ein Dichtring 13 anliegt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird durch den Spannkolben 9 und den Segment­ körper 8 eine Druckkammer 14 gebildet, in welche ein durch die Gleitfläche 7′ hindurchgehender, außermittig zur Mitte 21 angeordneter Speisekanal 15 endet. Spannkolben 9 und Segmentkörper 8 werden durch die miteinander korrespondie­ renden Elemente wie Fixierstift 16 und Fixierbohrung 17 in verdrehsicherer Position zueinander gehalten. Die Arretierung des Spannkolbens 9 am Haltering 4 erfolgt wie bei den Tragsegmenten 2 auch hier durch einen Fixierstift 6, welcher in eine Bohrung 5 eingreift. Die Drehrichtung der Welle 1 ist durch den Pfeil 18 angedeutet, und der Schmierspalt ist mit 20 bezeichnet.

Funktion und Arbeitsweise des Spannsegments 3 ist nachstehend beschrieben:

Sobald die Welle 1 in eine rotierende Bewegung versetzt wird, baut sich selbst­ tätig ein hydrodynamischer Schmierstoffilm 22 im Schmierspalt 20 auf. Hierbei fließt solange Schmierstoff durch den Speisekanal 15 in die Druckkammer 14, bis diese gefüllt ist und die Kraft auf den Segmentkörper 8, d. h., Aktions­ kraft und Reaktionskraft, auf beiden Seiten gleich ist. Wie bekannt und wie in Fig. 3 dargestellt, ist der hydrodynamische Druck im Schmierspalt 20 im Anfang- und Endbereich seiner Länge L geringer als in der Mitte 21 der Gleit­ fläche 7′. Es hat sich deshalb als vorteilhaft herausgestellt, den Speise­ kanal 15′ im Bereich des Druckanstiegs oder den Speisekanal 15 im Bereich des Druckabfalls des Schmierspaltes 20 - bezogen auf die Drehrichtung 18 - vorzusehen. Durch diese Maßnahme werden weitestgehend die Einflüsse der Betriebsparameter vermieden. Als günstig hat es sich erwiesen, wenn der Abstand 23, 23′ des Speisekanals 15, 15′ von der Mitte 21 (=50% von Schmierspalt­ länge L) der Gleitfläche 7′ des Segmentkörpers 8 mindestens 10% der Gleit­ flächenlänge ist, max. 40%. Links in Fig. 3 ist der Speisekanal 15 bei 824% von Schmierspaltlänge L eingezeichnet, das entspricht 82 - 50, nämlich 32% außermittig zur Mitte 21. Der Speisekanal 15 ist hier also im besonders stark abfallenden Druckbereich angeordnet.

Rechts in Fig. 3 ist alternativ die Position des Speisekanals 15′ bei 16% der Länge L des Schmierspaltes 20 angedeutet. Das entspricht einer Außer­ mittigkeit von 50-16, d. h. 34%.

Die optimale Lage des Speisekanals 15, 15′ ist allerdings schlußendlich ab­ hängig von der jeweiligen Schmierspaltgeometrie, der Spannkolbengröße und der gewünschten Schmierspaltdicke.

Die Fig. 4 zeigt die Ausführung des Spannsegmentes 3 nach Fig. 1 und 2. Die Oberfläche 24 des Spannkolbens 9 ist hier kugelig ausgeführt, während es genügen kann, wenn die Oberfläche 25 des Segmentkörpers 8, wie dargestellt, zylindrisch ausgeführt ist.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung flüssiger Schmierstoffe beschränkt, sondern es können auch gasförmige Schmiermittel, wie z. B. Luft, Anwendung finden. Es können auch Lager Anwendung finden, die mehr als ein Spannsegment 3 enthalten, die sowohl radial als auch axial angeordnet sein können. Ebenso kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform ein Spannsegment 3 mit mehreren Spannkolben 9 ausgebildet sein.

Claims (3)

1. Hydrodynamische Gleitlageranordnung für insbesondere schnell drehende Lagerzapfen bzw. Wellenzapfen mit kippbar an einem äußeren Haltering abgestützten Lagersegmenten, von welchen mindestens eines als Spannsegment zu selbsttätiger Anpassung des Lagerspiels bzw. Schmiermittelfilms so aus­ gebildet ist, daß der Druck in dem an ihm gebildeten Schmier­ spalt mittels Anordnung eines Speisekanals durch die Gleit­ fläche des Segmentkörpers im Spannsegment hindurch in eine am Segmentkörper gebildete rückwärtige Druckkammer geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (14) begrenzt ist durch die Wandung einer auf der Rückseite des Spannsegmentkörpers (8) befindlichen Kammer (10) und durch einen in dieser Kammer abgedichtet geführten, sich gegen den Haltering (4) abstützenden Spannkolben (9).

2. Gleitlageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkontur (26) des Spannkolbens (9) kugelig (Oberfläche 24) ist (Fig. 2, 4).

3. Gleitlageranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannkolben (9) eine umlaufende Schulter (12) zur Anlage eines Dichtungsringes (13) aufweist (Fig. 2).