DE3531720A1 - Hydrodynamisches fluidfilmlager - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf hydrodynamische Fluidfilmlager und betrifft insbesondere ein hydrodynami­ sches Fluidfilmlager, in welchem mehrere dünne Folien zum Herstellen und Aufrechterhalten eines Schmierfluid­ films benutzt werden.

In neuerer Zeit haben Anstrengungen zum Verbessern von Hochgeschwindigkeitslagern, wie sie beispielsweise in Turboverdichtern in modernen Luftumlaufmaschinen zur Flug­ zeugkühlung und -belüftung sowie für andere Zwecke be­ nutzt werden, zur Entwicklung von hydrodynamischen Fluid­ filmlagern geführt, wie sie in den US-Patentschriften 44 15 280 und 44 15 281 beschrieben sind. Die hydrodyna­ mischen Fluidfilmlager, die in diesen US-Patentschriften beschrieben sind, arbeiten nach dem Prinzip, daß ein um­ laufendes Teil, wie beispielsweise eine Welle, und ein dazu benachbartes, ringförmiges, mit äußerem Abstand an­ geordnetes Teil, wie beispielsweise eine glatte Folie, zwischen sich eine Druckfluidfilmschicht herstellen und aufrechterhalten. Diese Fluidfilmschicht, die auch als Fluidfilmkeil bezeichnet wird, bildet eine geschmierte Ab­ stützung für das umlaufende Teil. Eine Feder (elastisches Unterlegteil) ist zwischen der Folie und einem stationären Teil (manchmal auch als Hülse, Halter oder Unterlage be­ zeichnet) angeordnet, um Durchbiegungen der Folie aufgrund der Druckbeaufschlagung derselben zur Aufrechterhaltung einer optimalen Filmschichtgeometrie zuzulassen und da­ durch das umlaufende Teil und die Folie gegen Lagerbela­ stung und Ungleichgewichte, wie beispielsweise Wirbel und dgl., abzustützen.

Die in den vorerwähnten US-Patentschriften beschriebenen Lager bringen zwar beträchtliche Vorteile mit sich, wie beispielsweise verbesserte Coulomb(Reibungs)-Dämpfung und Herstellbarkeit sowie Widerstand gegen Zusammenschieben der Folien, manchmal können jedoch mehrere gesonderte Fo­ lien, die in dem Zwischenraum zwischen dem drehbaren Teil und dem Halter umfangsmäßig verteilt angeordnet sind, statt der umfangsmäßig durchgehenden ringförmigen Folien erwünscht sein. Theoretisch ist jede der mehreren Folien in der Lage, schneller als ein insgesamt ringförmiges Folienelement auf Lagerexzentrizitäten, Belastungsänderungen und andere Än­ derungen der Betriebseigenschaften zu reagieren, um die Geometrie des Schmierfluidfilms zum Kompensieren von sol­ chen sich ändernden Betriebseigenschaften einzustellen. Da die Größe der Maschinen, in denen solche Lager benutzt werden, zunimmt, wird die Geschwindigkeit, mit der die Fo­ lien auf Änderungen in den Betriebsbedingungen reagieren, immer kritischer. Deshalb können für große Maschinen hy­ drodynamische Lager, bei denen solche ringförmigen Ver­ teilungen von relativ kurzen Folienelementen benutzt wer­ den, erforderlich sein.

Im Stand der Technik sind zwar bereits verschiedene Prin­ zipien zum Befestigen einer Anzahl von kurzen Folienele­ menten in einem Spalt zwischen einem drehbaren Teil und einem stationären Teil vorgeschlagen worden, insgesamt fehlt diesen Konstruktionen jedoch die verbesserte Coulomb- Dämpfung, welche bei den in den oben erwähnten US-Patent­ schriften beschriebenen Lagern vorhanden ist. Bei einigen der verschiedenen bekannten Techniken werden überlappende Folien benutzt, wobei jede Folie einen Teil einer be­ nachbarten Folie radial abstützt, wie es beispielsweise aus der US-PS 41 78 046 bekannt ist. Diese Lager können zwar unter gewissen Bedingungen zufriedenstellend arbei­ ten, es hat sich jedoch herausgestellt, daß unter besonde­ ren Betriebsbedingungen und bei überlappenden Folienaus­ richtungen benachbarte Folien dazu neigen, gegenseitig ihren Betrieb hinsichtlich der Bildung und Aufrechterhal­ tung der Schmierfluidfilmgeometrie zu beeinflussen, was häufig von einer Instabilität im Lagerbetrieb begleitet ist. Weiter behindern die mehreren Folienschichten und die Schichten reibungsmindernder Überzüge auf den Folien, welche bei solchen überlappenden Anordnungen benutzt wer­ den, die Ventilationskühlung des Lagers, wodurch sie eine nachteilige Auswirkung auf die Nutzlebensdauer und die Zuverlässigkeit des Lagers haben.

Zum Vermeiden dieser Nachteile, die mit überlappenden Fo­ lien verbunden sind, wäre eine Lösung, die sich von selbst anbieten könnte, das Anordnen der Folien in einer nicht­ überlappenden Anordnung, in der jede Folie an einem ihrer Enden an dem Halter befestigt ist und an ihrem anderen Ende durch ein Distanzstück od.dgl. radial abgestützt ist. Eine solche Anordnung würde jedoch nicht nur zur Komple­ xität des Lagers beitragen, sondern auch optimale Fluid­ filmgeometrien unerreichbar machen.

Bei einigen der oben erläuterten Folienbefestigungsanord­ nungen sind die Folienenden an Keilen quadratischen oder rechteckigen Querschnitts befestigt, die in mit ihnen zu­ sammenpassenden Nuten in dem Halter aufgenommen sind. Bei diesen Anordnungen besteht jedoch die Gefahr, daß sich aufgrund der großen Folienbiegemomente, die aus der La­ gerdruckbeaufschlagung resultieren, die Keile zumindest teilweise aus den Nuten lösen, wodurch das Aufrechterhal­ ten optimaler Fluidfilmgeometrien nachteilig beeinflußt wird. Das Vergrößern der Folienvorspannung (Vergrößern der Federkraft, welche die Folie auf das drehbare Teil unter statischen Bedingungen ausübt) kann zwar bis zu ei­ nem gewissen Ausmaß die großen Biegemomente in den Folien kompensieren, diese größere Vorspannung bewirkt jedoch einen größeren Ventilationsverlust im Betrieb des Lagers, durch den die Tragfähigkeit reduziert und das Anfahr­ drehmoment, das zum Überwinden der statischen Reibung in dem Lager erforderlich ist, vergrößert wird.

Eine weitere Anordnung, die das Problem des Lösens der Keile aus den Nuten beseitigen könnte, wäre das Befesti­ gen der Folienenden direkt an dem Halter durch Schweißen, Hartlöten od.dgl. Das bringt jedoch die Gefahr des Ver­ windens der Folien und somit einer Verringerung der Trag­ fähigkeit des Lagers mit sich, und außerdem wird das Vor­ nehmen von Einstellungen der Folienform nach dem Zusammen­ bau in dem Lager schwierig, wenn nicht gar unmöglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes hydrodyna­ misches Fluidfilmlager mit einer Umfangsverteilung von mehreren Folien innerhalb eines Spalts zwischen dem dreh­ baren und dem feststehenden Lagerteil zu schaffen.

Das hydrodynamische Fluidfilmlager nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch

• - verbesserte Stabilität und Ventilationskühlung,
• - eine wirksame Befestigung der Folien an dem feststehen­ den Lagerteil,
• - eine verbesserte Tragfähigkeit,
• - ein niedriges erforderliches Anlaufdrehmoment und geringe Ventilationsverluste während des Betriebes und
• - einfachere Herstellbarkeit.

Diese und weitere Vorteile des hydrodynamischen Fluidfilm­ lagers nach der Erfindung, die sich noch deutlicher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung ergeben werden, werden durch mehrere glatte Folienelemente erzielt, die in einem Spalt umfangsmäßig verteilt sind, welcher durch den dreh­ baren und den stationären Teil des Lagers begrenzt ist, wobei jedes Folienelement an einem Keil schwalbenschwanz­ förmigen Querschnittes befestigt ist, der in einer mit ihm zusammenpassenden Nut in dem feststehenden Teil oder Halte­ teil aufgenommen ist. Das entgegengesetzte Ende jedes Fo­ lienelements ist bei Bedarf durch ein elastisches Unterleg­ teil oder aber durch die innere Oberfläche des Halters abgestützt, wodurch jedes Folienelement an dem im Quer­ schnitt schwalbenschwanzförmigen Keil im wesentlichen ein­ seitig eingespannt ist. Diese Art der Befestigung der Fo­ lie verhindert das Lösen der Folienelemente aus dem Hal­ ter durch Biegespannungen innerhalb der Folie, welche sich aus der normalen Lagerdruckbeaufschlagung ergeben. Weiter minimiert diese Befestigung der Folie in dem Lager die erforderliche Folienvorspannung, wodurch die Trag­ fähigkeit des Lagers verbessert, das Anlaufdrehmoment, das zum Überwinden der statischen Reibung erforderlich ist, minimiert wird und Ventilationsverluste, welche beim Be­ trieb des Lagers mit hoher Drehzahl auftreten, minimiert werden. Da keine einander überlappenden Folien benutzt werden, wird die Kühlung des Lagers verbessert. In der be­ vorzugten Ausführungsform kann jede Folie einem entsprechen­ den elastischen Unterlegteil überlagert sein, das eben­ falls an dem Halter durch eine schwalbenschwanzförmige Nut- und Keil- oder Nut- und Federanordnung befestigt ist, wobei der Befestigungskeil und die Befestigungsnut für jedes Un­ terlegteil denjenigen des überlagerten Folienelements be­ nachbart sind, wodurch das Unterlegteil und das Folien­ element sich von ihren festen Enden aus in entgegengesetz­ ten Umfangsrichtungen erstrecken, was eine verbesserte Coulomb-Dämpfung ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Endansicht des hydrodynamischen Fluidfilmlagers nach der Erfindung und

Fig. 2 eine vergrößerte Teilendansicht, die Einzelheiten des Aufbaus des Fluidfilmlagers zeigt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 weist das hydrodynamische Fluidfilmradiallager 10 nach der Erfindung einen fest­ stehenden oder stationären Halter 15 auf, der auch als Mantel oder Hülse bezeichnet wird und eine drehbare Welle oder einen drehbaren Lagerzapfen 20 umschließt, der mit einem Hochgeschwindigkeitsrotor verbindbar ist, beispiels­ weise eines Elektromotors oder eines Turboverdichters, wie sie in Luftumlaufmaschinen zum Kühlen und Unterdruck­ setzen von Flugzeugkabinen benutzt werden. Der Halter 15 und der Lagerzapfen 20 begrenzen zwischen sich einen ring­ förmigen Spalt 25, der eine Umfangsverteilung von nicht­ überlappenden glatten Folienelementen 30 enthält. Jedes Folienelement erstreckt sich im wesentlichen über die ge­ samte Länge des Lagers (in Richtung normal zu der Zeichen­ ebene) und ist gemäß Fig. 2 an einem Ende zwischen einem Keil 35 schwalbenschwanzförmigen Querschnittes und einer damit zusammenpassenden Längsnut 40, in der der Keil auf­ genommen ist, aufgenommen. Die Folienelemente 30 sind zwischen eine der schrägen Seitenflächen des Keils 35 und eine entsprechende schräge Oberfläche der Nut 40 einge­ führt, und zwar ohne die Notwendigkeit von Schweißen, Hartlöten, Kleben od.dgl.

Jedes Folienelement 30 ist einem elastischen Unterleg­ teil (Wellenfeder) 45 überlagert, das an seinem einen Ende zwischen den Keil und die Nut eingeführt ist, wel­ che dem Keil und der Nut benachbart sind, zwischen denen das überlagerte glatte Folienelement befestigt ist. Das hat zur Folge, daß sich jedes glatte Folienelement 30 und das darunter liegende elastische Unterlegteil 45 von den Stellen aus, an denen diese Elemente befestigt sind, in entgegengesetzten Umfangsrichtungen erstrecken, was eine verbesserte Coulomb-Dämpfung ergibt.

Das Lager 10 arbeitet nach dem Grundprinzip der Erzeugung von hydrodynamischem Druck in demjenigen Teil des Spalts 25, der sich zwischen dem Lagerzapfen 20 und den Folien­ elementen 30 befindet. Unter theoretischen belastungs­ freien Bedingungen fallen die geometrischen Mittelpunkte des Lagerzapfens 20 und des Halters 15 im allgemeinen zu­ sammen. Unter tatsächlichen Betriebsbedingungen ist je­ doch immer eine gewisse Belastung an dem Lagerzapfen 20 vorhanden, aufgrund der der Mittelpunkt des Lagerzapfens gegenüber dem Mittelpunkt des Halters 15 exzentrisch ver­ lagert wird, wodurch keilförmige Spalte zwischen dem La­ gerzapfen und den Folienelementen gebildet werden. Die Drehung des Lagerzapfens 20 bewirkt, daß sich der geome­ trische Mittelpunkt des Lagerzapfens auf einer Umlaufbahn um den geometrischen Mittelpunkt des Halters 15 bewegt, wodurch sich die keilförmigen Spalte auf einer Umlaufbahn um den Haltermittelpunkt bewegen. Wenn angenommen wird, daß das Lager in Luft arbeitet, bewirken die exzentrische Positionierung des Lagerzapfens 20 in bezug auf die Folien­ elemente 30 und die ständige Drehung des Lagerzapfens das Ausbilden und Aufrechterhalten von Gebieten hohen und niedrigen Luftdruckes zwischen dem Lagerzapfen und den Folienelementen, was einen Luftstrom von den Hochdruckzo­ nen zu den Niederdruckzonen zur Folge hat und zum Zu­ sammenquetschen der Luft zwischen dem Lagerzapfen und den Folienelementen führt. Diese Erscheinung ergibt einen schmierenden Luftfilm, der radiale Belastungen des Lagers aufnimmt und den Lagerzapfen 20 daran hindert, die Fo­ lienelemente 30 zu berühren.

Die Wellenfedern 45 dienen grundsätzlich zwei Zwecken. Sie bilden eine elastische, verformbare Unterlage, welche die Bildung der oben beschriebenen tragenden Luftfilm­ keile durch Zulassen von gewissen Folienbiegungen auf­ grund der Druckbeaufschlagung derselben durch die Luft unterstützt. Die Wellenfedern 45 haben außerdem ein Ge­ samttragvermögen und lassen Lagerzapfenauslenkungen auf­ grund von Lagerzapfenbelastung und Ungleichgewichten zu. Störungen des Lagerzapfens 20 werden durch Zusammen­ drücken oder Zusammenquetschen des Fluidfilms zwischen dem Lagerzapfen und benachbarten Folienelementen 30, Zu­ sammendrückung der Wellungen in den Wellenfedern 45 und Coulomb-Dämpfung (Reibkontakt) zwischen den Folienele­ menten 30 und den Unterlegteilen 45, wenn die Folien­ elemente gegen sie drücken, gedämpft. Zur Verbesserung der Coulomb-Dämpfung erstrecken sich die Folienelemente 30 und die Unterlegteile 45 von den Enden aus, in denen sie an dem Halter 15 befestigt sind, in entgegengesetz­ ten Umfangsrichtungen. Radial nach außen gerichteter Druck des Fluidfilms zwischen dem Lagerzapfen 20 und den Folienelementen 30 drückt also die Folienelemente nach aus­ sen gegen die Wellungen der Wellenfedern 45, wodurch die Folienelemente insgesamt im Uhrzeigersinn geöffnet werden. Da die Wellenfedern 45 und die Folienelemente 30 an dem Halter 15 an entgegengesetzten Enden befestigt sind, be­ wirkt das Zusammendrücken der Wellenfedern durch die Fo­ lienelemente, daß sich die Wellenfedern im Gegenuhrzeiger­ sinn aufweiten. Diese entgegengesetzte Umfangsbewegung zwischen den Folienelementen 30 und den Wellenfedern 45 maximiert den Reibkontakt zwischen diesen, wodurch die Energieabfuhr zwischen ihnen und das Dämpfen von radialen Lagerzapfenauslenkungen verbessert werden.

In der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Folien­ elemente 30 und die Wellenfedern 45 aus Inconel^®, und der Keil 35 besteht aus Stahl. Die Abmessungen des Halters 15, des Lagerzapfens 20, der Folienelemente 30 und der Wellen­ federn 45 sind selbstverständlich von dem Verwendungszweck und von der erwarteten Belastung des Lagers 10 abhängig. Wenn das Lager 10 in einer Turboverdichtereinheit für eine Luftumlaufklimaanlage mit 95 000 U/min benutzt wird, sind die Folienelemente 30 größenordnungsmäßig 0,1 mm (0.004 inches) dick, die Wellenfedern 45 sind ungefähr 0,125 mm (0.005 inches) dick, und das Lager 10 hat einen Durchmes­ ser von ungefähr 3,2 cm (1.25 inches) und eine Länge von 4,5 cm (1.75 inches).

Der hier beschriebene Aufbau des hydrodynamischen Fluid­ filmlagers bewirkt deshalb, daß verbesserte Coulomb-Däm­ pfungseigenschaften und deshalb eine verbesserte Stabili­ tät bei Vorhandensein von mehreren einzelnen, umfangs­ mäßig in dem Spalt zwischen dem feststehenden und dem dreh­ baren Lagerteil verteilten Folienelementen erzielt werden.

Die Befestigung der Folienelemente 30 und der Unterleg­ teile 45 mittels der im Querschnitt schwalbenschwanzför­ migen Keile 35 in den mit diesen zusammenpassenden Nuten 40 gewährleistet die bauliche Integrität des Lagers 10, da die Keile und Folienelemente auch bei maximalen Folien­ biegebelastungen in den Nuten eingespannt bleiben. Diese feste Halterung der Folienelemente 30 und der Unterleg­ teile 45 gestattet, die Lagervorspannung zu minimieren. Diese Reduzierung der Vorspannung verringert das dadurch erforderlicheAnlaufmoment und optimiert die Tragfähigkeit des Lagers 10 unter gleichzeitiger Minimierung der Ven­ tilationsverluste, die im normalen Lagerbetrieb auftreten. Die Befestigung der Folienelemente 30 an den Keilen 35 ermöglicht ein einfaches Bearbeiten der Folienelemente (z.B. das Einstellen von deren Form), bevor sie in den Halter 15 eingeführt werden. Das vereinfacht und erleich­ tert die Fertigung des Lagers 10. Das Vermeiden von Über­ lappung in der Anordnung der Folienelemente 30 verbessert die Lagerkühlung.

Es ist zwar eine besondere Ausführungsform des hydrodyna­ mischen Fluidfilmlagers oben beschrieben worden, andere Ausführungsformen sind jedoch möglich. Beispielsweise sind zwar einfache Wellenfedern als elastische Unterleg­ teile gezeigt worden, es kann jedoch ein Unterlegteil mit einer bilinearen Federkonstante, wie es aus der oben er­ wähnten US-PS 44 15 281 bekannt ist, benutzt werden. Unter Bedingungen minimaler Belastung brauchen die elastischen Unterlegteile überhaupt nicht erforderlich zu sein. Weiter ist der Aufbau des hydrodynamischen Fluidfilmlagers zwar in Verbindung mit einem Radiallager beschrieben worden, die Befestigungsanordnung mit im Querschnitt schwalben­ schwanzförmigen Keilen und die entgegengesetzte Umfangs­ erstreckung der Folienelemente und der elastischen Unter­ legteile können jedoch ebenso gut bei einem Axiallager benutzt werden. In diesem Fall hätten die Folienelemente und die Unterlegteile die Form von Ringsegmenten und wären an einer Druckplatte auf dieselbe Weise befestigt, wie die­ se Elemente an dem oben beschriebenen Halter 15 befestigt sind. Die Keile wären selbstverständlich in mit ihnen zu­ sammenpassenden Nuten aufgenommen, welche sich in radia­ len Richtungen von dem Mittelpunkt der Druckplatte aus er­ strecken würden.

Claims (6)

1. Hydrodynamisches Fluidfilmlager mit einem stationären Halter und einem drehbaren Teil, die zwischen sich einen Spalt begrenzen, mit mehreren glatten Folienelementen, die in dem Spalt und in diesem umfangsmäßig verteilt an­ geordnet sind, wobei das drehbare Teil auf einer Druck­ fluidfilmschicht abgestützt ist, welche durch die Relativ­ drehbewegung zwischen dem drehbaren Teil und den Folien­ elementen aufrechterhalten wird, wobei jedes Folienelement einem elastischen, in dem Spalt angeordneten Unterlegteil überlagert ist und wobei die elastischen Unterlegteile Durchbiegungen der Folienelemente aufgrund der Druckbeauf­ schlagung derselben durch die Fluidfilmschicht und Aus­ wanderungen des drehbaren Teils aufgrund der Belastung und von Ungleichgewichten desselben zulassen, dadurch gekennzeichnet, daß der Hal­ ter (15) mit mehreren Nuten (40) schwalbenschwanzförmigen Querschnittes versehen ist, welche einen gegenseitigen Abstand haben, der wenigstens so groß wie die Umfangslänge der Folienelemente (30) ist, und daß mehrere schwalbenschwanz­ förmige Keile (35) vorgesehen sind, die jeweils in einer der Nuten (40) in dem Halter (15) aufgenommen sind, wobei ein Endteil jedes glatten Folienelements zwischen einer entsprechenden Nut (40) und einem darin aufgenommenen Keil (35) zur Anordnung der Folienelemente (30) in nichtüber­ lappender Umfangsausrichtung innerhalb des Lagers (10) festgehalten ist.

2. Fluidfilmlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Teil jedes elastischen Unterlegteils (45) zwischen einer Nut (40) und einem darin aufgenommenen Keil (35) festgehalten ist.

3. Fluidfilmlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Endteil jedes elastischen Unterlegteils (45) zwischen einer Nut (40) und einem darin angeordneten Keil (35) festgehalten ist, wobei die Nut und der Keil benach­ bart zu der Nut (40) und dem Keil (35), zwischen denen ein Endteil eines überlagerten glatten Folienelements (30) festgehalten ist, angeordnet sind, wodurch das Unter­ legteil (45) und das überlagerte glatte Folienelement (30) sich zur verbesserten Coulomb-Dämpfung von Auswan­ derungen des drehbaren Teils unter Betriebsbedingungen des Lagers (10) von ihren Endteilen aus in entgegenge­ setzten Richtungen erstrecken.

4. Fluidfilmlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Endteile der glatten Folien­ elemente (30) an den Keilen (35) befestigt sind, ohne mit diesen verbunden zu sein.

5. Fluidfilmlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile (35) mit entgegengesetzten schrägen Seiten­ flächen versehen sind, an denen die glatten Folienelemente (30) befestigt sind.

6.Fluidfilmlager nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die elastischen Unterlegteile (45) weder an den Nuten (40) noch an den Keilen (35) be­ festigt sind.