-
RÜCKVERWEISUNG
AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
-
Diese Anmeldung betrifft eine Teilfortführung der
am 22. Januar 1999 unter der Eingangsnummer 09/235,849 eingereichten
US-Anmeldung.
-
STAND DER
TECHNIK
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Lager und insbesondere Folienaxiallager.
-
Die einfache Verfügbarkeit von Umgebungsatmosphäre als ein
Lagerfluid macht Fluidlager für sich
mit hoher Geschwindigkeit drehende Maschinen besonders attraktiv.
Zu einigen Anwendungen könnten
beispielsweise ein Turbodrehstromgenerator und ein Turbokompressor
zählen.
-
Fluidlager umfassen allgemein zwei
im Verhältnis
zueinander drehbare Elemente (d. h. ein Lager und einen Läufer). Ein
vorbestimmter Zwischenraum zwischen dem Lager und dem Läufer ist
mit einem Fluid, beispielsweise Luft, gefüllt. Folien (oder Feinfolien
eines nachgiebigen Materials), die sich im Zwischenraum befinden,
unterliegen durch die hydrodynamischen Filmkräfte zwischen den angrenzenden
Lagerflächen
einer Durchbiegung. Die Folien verstärken somit die hydrodynamischen
Eigenschaften des Fluidlagers und sorgen außerdem für einen verbesserten Betrieb
unter extremen Belastungsbedingungen, unter denen ein normales Lager
ansonsten ausfallen könnte.
Zusätzlich
haben diese Folien den weiteren Vorteil, daß sie eine Exzentrizität der im Verhältnis zueinander
drehbaren Elemente kompensieren können, und sie bewirken weiterhin
einen Abpolsterungs- und Dämpfungseffekt.
-
Um die Folien zwischen den bewegbaren
Lagerelementen korrekt zu positionieren, werden üblicherweise mehrere individuell
beabstandete Folien auf einer Folien- oder Axiallagerscheibe montiert
und die Scheibe auf einem der Lagerelemente positioniert. Eine andere übliche Praxis
besteht darin, separate nachgiebige Versteifungselemente oder unterbaute
Elemente unter den Folien vorzusehen, um für die erforderliche Nachgiebigkeit
zu sorgen, Beispiele typischer Folienaxiallager sind in den US-Patenten 5,597,286,
4,871,267, 4,682,900, 4,668,106, 4,624,583, 4,621,930, 4,597,677,
9,459,097, 4,331,365, 4,315,359, 4,300,806, 4,277,113, 4,277,111
und 4,297,155 dargestellt.
-
Die Belastungskapazität eines
Folienaxiallagers hängt,
trotz der Bereitstellung der vorstehenden Konstruktionsmerkmale,
immer noch von der Nachgiebigkeit des Lagers gegenüber einem
Druck ab, der durch einen zwischen dem Lager und dem Läufer entwickelten
Fluidfilm ausgeübt
wird. Das Druckprofil für
ein Axiallager variiert, und um das optimale Druckprofil und die
mit einer maximalen Belastungskapazität verbundene Fluidfilmdicke
zu realisieren, sollte das Axiallager so konstruiert sein, daß ein mit
dem Druckprofil korrelierender Fluidfilm bereitgestellt wird.
-
Um den Fluidfilm in Korrelation mit
dem variierenden Druckprofil zu bringen, kann die Form des Fluidfilms
geändert
werden. Eine solche Änderung kann
in erster Linie durch eine Veränderung
der Auslegung von drei Bauteilen, d. h. der Axiallagerscheibe, den
von der Axiallagerscheibe abgestützten
Folien sowie dem unterbauten oder Axiallagerversteifungselement,
das die Axiallagerscheibe abstützt,
erreicht werden. Eine Veränderung
der Konstruktion von einem der drei Bauteile kann sich jedoch auf
die Leistung von einem oder beiden der anderen zwei Bauteile auswirken – entweder
vorteilhaft oder nachteilig. Wenn zwei (und sogar drei) der Bauteile
in ihrer Konstruktion verändert
werden, nimmt demzufolge die Möglichkeit,
die (entweder positive oder negative) Auswirkung auf die Leistung
des Axiallagers vorherzusagen, mehr als linear ab.
-
Es besteht, wie erkennbar, ein Bedarf
an einem verbesserten Folienaxiallager. Es besteht insbesondere
ein Bedarf an einem Folienaxiallager, das eine verbesserte Leistung,
verbunden mit einer höheren
Belastungskapazität,
bereitstellt. Es besteht des weiteren ein Bedarf an einem Axiallager
mit einem erhöhten
Fluidfilmdruck, um die Belastungskapazität zu steigern. Außerdem besteht
ein Bedarf an einem verbesserten Axiallager mit einer Fluidfilmform,
die besser mit dem Druckprofil korreliert. Ein weiterer Bedarf besteht
an einem Axiallager mit einer höheren
Dämpfung,
um die Vibrationsbelastungskapazität zu steigern.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
In einem verbesserten Folienaxiallager
stellt die vorliegende Erfindung ein Paar Elemente, die für eine relative
Bewegung im Verhältnis
zueinander angeordnet sind, wobei eines der Elemente so ausgeführt ist,
daß es
das andere in drehbarer Weise abstützt, und eine Axiallagerscheibe
bereit, die sich in betriebswirksamer Weise zwischen den relativ
drehbaren Elementen befindet, wobei die Axiallagerscheibe mindestens
eine Oberflächenrampe
und mindestens eine separat ausgebildete Folie, die sich auf der Axiallagerscheibe
befindet, aufweist.
-
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen des
Axiallagers stellt die vorliegende Erfindung ein Paar Elemente,
die für
eine relative Drehung im Verhältnis
zueinander angeordnet sind, wobei eines der Elemente so ausgeführt ist,
daß es
das andere in drehbarer Weise abstützt, und eine Axiallagerscheibe
bereit, die sich in betriebswirksamer Weise zwischen den relativ
drehbaren Elementen befindet, wobei die Axiallagerscheibe mehrere
radiale Schlitze, mehrere Oberflächenrampen
und mehrere separat ausgebildete Folien, die sich auf der Axiallagerscheibe
und zwischen den Rampen befinden, sowie ein unterbautes Element
aufweist, das sich in betriebswirksamer Weise zwischen der Axiallagerscheibe und
einem der drehbaren Elemente befindet, wobei das unterbaute Element
mehrere abwechselnd vorgesehene obere und untere Rippen besitzt.
-
Diese und andere Merkmale, Aspekte
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen, die nachfolgende Beschreibung
und die nachstehenden Ansprüche
besser verständlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine auseinandergezogene Ansicht eines Folienaxiallagers gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2 ist
eine Draufsicht einer Axiallagerscheibe, die im Folienaxiallager
gemäß 1 verwendet werden kann;
-
3 ist
eine Querschnittsansicht der Axiallagerscheibe entlang der Linie
3-3 der 2;
-
4 ist
eine Draufsicht einer Axiallagerscheibe gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die im Folienaxiallager gemäß 1 verwendet werden kann;
-
5 ist
eine Querschnittsansicht der Axiallagerscheibe entlang der Linie
5-5 der 4;
-
6 ist
eine Querschnittsansicht eines Folienaxiallagers gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
-
7 ist
eine grafische Darstellung, die den Fluidfilmdruck im Verhältnis zur
Umfangsdistanz sowie die Fluidfilmform im Verhältnis zur Umfangsdistanz für das in 1 dargestellte Folienaxiallager und
für eine
Konstruktion nach dem Stand der Technik veranschaulicht.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
1 zeigt
ein Folienaxiallager 10 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Lager 10 umfaßt allgemein
die Bauteile eines Axialläufers 11,
einer Axiallagerscheibe 14, eines unterbauten oder Axiallagerversteifungselements 22 sowie
einer Druckplatte 28. Die vorgenannten Bauteile bestehen
typischerweise aus auf Nickel basierenden Legierungen.
-
Während
verschiedene Anwendungen für das
Lager 10 unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
fallen, wird davon ausgegangen, daß das Lager 10 in
sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Maschinen, wie beispielsweise
Turbogeneratoren und Turbokompressoren, besondere Vorteile bietet.
-
In einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die nunmehr ausführlicher beschrieben wird,
steht der Läufer 11,
wie aus 1 ersichtlich,
in Eingriff mit einer drehbaren Welle 12, wodurch bewirkt
wird, daß sich
der Läufer 11 in
der Richtung des in 1 gezeigten
Pfeils dreht. Der Läufer 11 beinhaltet
eine Läuferfläche 13,
die einer Lagerfläche 15 der
Druckplatte 28 gegenüberliegend zugewandt
ist. Zwischen dem Läufer 11 und
der Druckplatte 28 befinden sich die Axiallagerscheibe 19 und
ein unterbautes Element 22.
-
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
(2) hat die Lagerscheibe 14 eine
insgesamt abgestufte Konfiguration und entspricht in ihrer Ausführung derjenigen
im US-Patent 4,624,583. Im Gegensatz zum US-Patent 4,624,583 sind
jedoch in der vorliegenden Erfindung mehrere Lagerpolster oder Folien 16 nicht
integral mit der Lagerscheibe 14 ausgebildet. Statt dessen
sind die Polster 16 separat ausgebildet und entlang einer
Seite (d. h. einer Vorlaufkante 17, wie nachstehend beschrieben)
an der Lagerscheibe 14 befestigt, beispielsweise durch
Verschweißen.
Eine ähnliche
Polsterkonstruktion ist im US-Patent 4,668,106 dargestellt. Aber
die Verwendung separat ausgebildeter Polster 16 für die Lagerscheibe,
wie im US-Patent 4,624,583 gezeigt, steht tatsächlich im Widerspruch zu den
Lehren dieser Erfindung. Im US-Patent 4,624,583 wird insbesondere beschrieben,
daß es,
zumindest mit Blick auf die Kostenfrage, von Nachteil ist, einzelne
Folien oder Polster zu verwenden (siehe Spalte 1, ab Zeile 43, bis Spalte
2, Zeile 17).
-
Wie aus 2 ersichtlich, ist jedes der separat
ausgebildeten Polster 16 im wesentlichen kreisförmig ausgebildet,
obwohl andere Formen, beispielsweise Trapezformen, ebenfalls verwendet
werden können.
Die Oberfläche
der Folien 16 kann, abhängig
von den gewünschten
Betriebsmerkmalen, eine geringfügige
Kronenausbildung (5)
aufweisen oder relativ flach (6)
ausgebildet sein. Die Polster 16 sind am Umfang über die
gesamte Oberfläche
der Lagerscheibe 14, die der Läuferfläche 13 zugewandt ist,
positioniert. Dadurch weist jedes Polster 16, wenn sich
der Läufer 11 in
der in 1 angezeigten
Richtung dreht, eine Vorlaufkante 17 und eine Nachlaufkante 19 auf.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform
die Polster 16 mit im wesentlichen gleichem Abstand zueinander
in einer Umfangsrichtung zeigt, ist es im Rahmen der vorliegenden
Erfindung ebenfalls vorstellbar, daß ein ungleicher Abstand vorgesehen
wird. Obwohl 2 die Verwendung
von zehn Polstern 16 zeigt, ist es im Rahmen der vorliegenden
Erfindung des weiteren vorstellbar, daß mehr oder weniger als zehn
Polster 16 verwendet werden können.
-
Im Gegensatz zur Ausführungsform
der 2 können die
Polster oder Folien 16 abwechselnd mit mehreren Schlitzen 18 in
der Lagerscheibe 14 positioniert sein, wie aus der in 4 gezeigten alternativen
Ausführungsform
ersichtlich. Demzufolge, und für
eine solche alternative Ausführungsform, ist
ein Polster 16 abwechselnd mit einem Schlitz 18 positioniert.
Die Funktion der Schlitze 18 besteht darin, eine im wesentlichen
uneingeschränkte
Fluidströmung
(d. h. Luft) durch die Lagerscheibe 14 zuzulassen und einen
Fluidfilm zwischen der Läuferfläche 13 und
der Lagerfläche 15 zu
bilden. In dieser alternativen Ausführungsform haben alle Schlitze 18 eine L-förmige Konfiguration.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß alle Schlitze 18 auch
andere Konfigurationen, beispielsweise eine U-förmige Konfiguration, haben
können.
Des weiteren müssen
die Schlitze 18 nicht die gleiche Konfiguration aufweisen
und können zueinander
variiert werden. Zusätzlich können mehrere
radial ausgerichtete Löcher
oder Schlitze verwendet werden, um die Schlitze 18 zu bilden.
-
Nunmehr wird erneut auf die Ausführungsform
der Axiallagerscheibe 14 Bezug genommen; wie aus den 1 und 2 ersichtlich, erstrecken sich Oberflächenrampen
oder Übergangsflächen 30 zwischen
angrenzenden Folien 16. Insgesamt stellen die Rampen 30 für die Lagerscheibe
eine abgestufte Konfiguration bereit. Die einzelnen Rampen 30 haben,
betrachtet von einem Außendurchmesser
der Lagerscheibe 14 aus und hin zu einem Innendurchmesser,
eine divergierende Konfiguration. Die divergierende Konfiguration
ist auf die konvergierende Konfiguration der Folien 16,
betrachtet vom Außendurchmesser
aus und hin zum Innendurchmesser der Lagerscheibe 14, zurückzuführen. Somit
stellt die Lagerscheibe 14 abwechselnd konvergierende Folien 16 und
divergierende Oberflächenrampen 30 bereit.
Es sei darauf hingewiesen, daß sich
die Konfiguration der Rampen 30, abhängig von der Form der Folien 16, ändern kann.
Des weiteren müssen
nicht alle Rampen 30 die gleiche Konfiguration aufweisen.
-
In der Ausführungsform der Lagerscheibe 14 mit
Schlitzen 18 erstrecken sich Rampen 30 gleichermaßen zwischen
dem Innendurchmesser der Scheibe 14 und einem der distalen
Enden der Schlitze 18. Rampen 30 erstrecken sich
auch zwischen dem Außendurchmesser
der Scheibe 14 und dem anderen distalen Ende des Schlitzes 18.
Allgemein sind die Rampen 30 zu den Schlitzen 18 radial
ausgerichtet. Auch hier haben die Rampen 30 eine divergierende Konfiguration,
wenn die Folien 16 eine konvergierende Konfiguration aufweisen.
-
Im Hinblick auf verschiedene Ausführungsformen
der vorstehenden Lagerscheibe 14 sei darauf hingewiesen,
daß die
Rampen 30 am Außendurchmesser,
am Innendurchmesser oder an beiden vorgesehen sein können. Des
weiteren kann es Anwendungen geben, bei denen der Umfang oder Grad
der Divergenz und/oder die Länge
der inneren Rampen 30 neben dem Innendurchmesser (und damit
die Rampenhöhe)
vom Grad der Divergenz und/oder der Länge der äußeren Rampen 30 neben
dem Außendurchmesser
abweichen können.
Gleichermaßen kann
der Grad der Divergenz und/oder die Länge der Rampen 30 entlang
der radialen Richtung variiert werden. Der tatsächliche Winkel oder Grad der
Divergenz und die Höhe
der Rampen 30 kann variiert werden, um spezielle Betriebsbedingungen
zu berücksichtigen.
Die Höhe
der einzelnen Rampen 30 liegt typischerweise zwischen 0,0005
und 0,010 Zoll (0,0127 und 0,254 mm), mit einem bevorzugten Bereich
von 0,001 bis 0,002 Zoll (0,0254 bis 0,051 mm).
-
Die Lagerscheibe 19 beinhaltet
weiterhin mehrere Kerben 21, die an der äußeren oder
Umfangskante der Lagerscheibe 14 (2) positioniert sind. Die Kerben 21 können zu
mehreren Kerben 23 des unterbauten Elements 22 ausgerichtet
sein, um die Drehposition der Scheibe 14 zum unterbauten Element 22 zu
fixieren, wie nachstehend weiter beschrieben.
-
In der in 1 dargestellten Ausführungsform umfaßt das unterbaute
Element 22 mehrere obere Rippen 24 und untere
Rippen 26. Alle oberen Rippen 24 des unterbauten
Elements 22 haben im wesentlichen die gleiche Konfiguration
und die gleichen Abmessungen, wie auch die unteren Rippen 26. Dennoch
ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorstellbar, daß nicht
alle oberen Rippen 24 bzw. alle unteren Rippen 26 die
gleiche Konfiguration und die gleichen Abmessungen aufweisen müssen. Des
weiteren weisen bei der vorliegenden Erfindung, obwohl ein unterschiedlicher
Abstand verwendet werden kann, die oberen Rippen 24 und
die unteren Rippen 26 in ihren Umfangspositionen den gleichen Abstand
voneinander auf. Für
die Herstellung des unterbauten oder Versteifungselements 22 der
vorliegenden Erfindung können
herkömmliche
Verfahren verwendet werden. Beispielsweise kann das unterbaute Element 22,
einschließlich
der Rippen 24, 26, überwiegend durch Pressen hergestellt
werden.
-
Das unterbaute Element 22 ist
im wesentlichen passend zur Konfiguration und zu den Abmessungen
der Lagerscheibe 14 ausgeführt. 4 veranschaulicht die relative Position
der oberen Rippen 24 des unterbauten Elements 22 im
Verhältnis
zu den Folien 16 der Axiallagerscheibe 14. Der
Winkel θ1 ist zwischen der radialen Linie, die von
der Basis der Rampen 30 (d. h. der Vorlaufkante 17 der
Folie 16) aus verläuft,
und der radialen Mittellinie der oberen Rippe 24 definiert.
Der Winkel θ2 ist zwischen der Vorlaufkante 17 der
Folie 16 und der Nachlaufkante 19 der Folie 16 definiert.
Um für
die entsprechende Vorbelastung und Abstützung der einzelnen Folien 16 zu
sorgen, sollte das Verhältnis
zwischen θ1 und θ2 in etwa 2 : 3 betragen, damit unter den
meisten Betriebsbedingungen optimale Ergebnisse erzielt werden.
Es versteht sich jedoch, daß das
Verhältnis
zwischen θ1 und θ2 von etwa 1 : 2 bis nahezu 1 : 1 reichen
kann.
-
Ungeachtet der vorstehenden Beschreibung ist
es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorstellbar, daß ein unterbautes
Element 22 in anderen Ausführungen verwendet werden kann.
Das unterbaute Element 22 kann, wie im US-Patent 5,110,220, mehrere
Federbereiche aufweisen. Jeder Federbereich beinhaltet mehrere gewellte
Federelemente, die radial nebeneinander und quer zu radial zunehmenden
Bogenlängen
angeordnet sind. Die Steigung der Wellungen in den Federelementen
nimmt vom äußersten
zum innersten Federelement hin zu. Das unterbaute Element 22 kann,
wie im US-Patent 5,248,205, mehrere trapezförmige Flächen beinhalten. Von der Vorlaufkante
einer jeden Fläche
und in Richtung auf die Nachlaufkante, aber nicht bis dorthin, erstrecken
sich mehrere gewellte bogenförmige Federn.
Jede Feder kann mehrere Schlitze enthalten, die sich am Umfang und
radial über
die Feder erstrecken. Alternativ kann das unterbaute Element 22, wie
im US-Patent 5,318,366 dargestellt, so geformt sein, daß trapezförmige Flächen bereitgestellt
werden. Von der Nachlaufkante einer jeden Fläche und in Richtung auf die
Vorlaufkante, aber nicht bis dorthin, erstrecken sich mehrere gewellte
bogenförmige Federn.
Die Federn sind durch Breiten definiert, die von der innersten Feder
zur äußersten
Feder hin zunehmen. Außerdem
nimmt die Breite einer jeden einzelnen Feder von der Nachlaufkante
und in Richtung auf die Vorlaufkante ab.
-
Wenn das Folienaxiallager 10 in
Betrieb ist, dreht sich die Welle 12, und der Läufer 11 dreht
sich gleichermaßen.
Wenn sich der Läufer 11 dreht,
wird ein Fluidfilm zwischen der Läuferfläche 13 und der Lagerfläche 15 aufgebaut.
Bei jedem der Polster oder jeder der Folien 16 nimmt der
Fluidfilmdruck von der Vorlaufkante 17 und hin zur Nachlaufkante 19 zu. Gleichzeitig
stellt jede der oberen Rippen 24 eine Belastungsabstützung für ihre jeweiligen
Polster 16 bereit.
-
Die Kurve 38 in 7 veranschaulicht die Fluidfilmform
im Verhältnis
zur Umfangsdistanz an der Lagerscheibe 14 für eine bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In Verbindung mit der Kurve 38 veranschaulicht
die Kurve 90 den Fluidfilmdruck im Verhältnis zur Umfangsdistanz. Im Gegensatz
dazu veranschaulicht die Kurve 92 eine Fluidfilmform und
die Kurve 44 einen Fluidfilmdruck, und zwar beide für eine Konstruktion
nach dem Stand der Technik, die keine abgestufte Konfiguration der Axiallagerscheibe
eines Folienaxiallagers aufweist. Wie erkennbar, zeigt ein Vergleich
zwischen den Filmformkurven 38 und 42 für die Konstruktion
nach dem Stand der Technik einen übermäßigen Spalt in der Nähe der Nachlaufkante
und einen unzureichenden Spalt in der Nähe der Vorlaufkante. Ein Vergleich der
Druckkurven 40 und 44 zeigt, daß die vorliegende Erfindung
einen höheren
Filmdruck bereitstellt.
-
Für
den Fachmann auf diesem Gebiet versteht es sich, daß die vorliegende
Erfindung ein verbessertes Folienaxiallager und insbesondere eine höhere Leistung
mit einer größeren Belastungskapazität bereitstellt.
Die vorliegende Erfindung stellt einen höheren Fluidfilmdruck bereit,
um die Belastungskapazität
zu erhöhen.
Ein anderer Vorteil, den die vorliegende Erfindung bietet, ist eine
höhere Dämpfung,
um die Vibrationsbelastungskapazität zu verbessern. Die höhere Dämpfung wird
durch Coulomb-Reibung und Quetschfilmkräfte aufgrund der relativen
Bewegung zwischen der Polster/Scheiben-Grenzfläche realisiert.
-
Es versteht sich natürlich, daß die vorstehende
Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung betrifft und daß Modifizierungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie in den nachstehenden Ansprüchen formuliert,
abzuweichen.