DE68905451T2 - Fluidfilmlager. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flüssigkeitslager und insbesondere die Verbesserung der Belastbarkeit und Stabilität eines solchen Lagers.
• Die Flüssigkeitslager werden in immer höherem Maße in Anwendungen von mit hoher Drehzahl rotierenden Maschinen benutzt, in denen Ölschmierung angesichts technischer oder wirtschaftlicher Umweltbedingungen nicht in Frage kommt. Diese Lager beruhen auf dein Grundsatz, daß zwischen einem beweglichen Drehteil und einer fest angeordneten Oberfläche ein unter Druck befindlicher Luftkeil gebildet wird.
• Diese Lager sind zum Abstützen einer Drehwelle bestimmt. Im allgemeinen bestehen sie in einer Bohrung, an deren Umfang eine Gruppe von Blechen verteilt ist. Diese Bleche sind an der der Drehwelle gegenüber befindlichen Seite mit einem selbstschmierenden Überzug versehen, um Anlaufen der abgestützten Welle bei einem Mindestmaß an Verschleiß zu gewährleisten. Zwischen den Blechen und der Bohrung ist ein Versteifungselement angebracht. Dieses Versteifungselement wirkt der Verlagerung des Wellenmittelpunktes unter Einwirkung der Last entgegen und regelt auch die durch Reibung bedingte Dämpfung zwischen Blech und Versteifungselement, die nötig ist, um die obere Grenzdrehzahl auf den Wert zu erhöhen, bei dem das Lager funktionsfähig ist.
• Die mit dem Betrieb eines Lagers in Verbindung stehenden Probleme sind unterschiedlich, je nachdem, ob es sich um die Anlaufphase oder die Phase des Betriebs unter Last handelt.
• Beim Anlauf müssen die Bleche bei einer geringen Vorspannung sehr flexibel sein, um die Reibungskraft zwischen der Welle und dem Blech auf ein Mindestmaß einzuschränken.
• Bei Betrieb unter Last erfordert das Belastungsverhalten des Blechs höhere Steifheit als in der Anlaufphase. Diese höhere Steifheit wird durch ein Versteifungselement bewirkt, das nach der Anlaufphase zur Geltung gelangt, um das Blech je nach der darauf ausgeübten Belastung in die entsprechende Lage zu neigen.
• Bei Betrieb unter Last ist es auch nötig, das Flüssigkeitslager zu dämpfen, um die Auswirkung seiner Resonanzen, die bei kritischen Drehzahlen, die geringer sind als die Nennbetriebsdrehzahl, zu Bruch führen könnten, auszuschalten oder zu verringern. Im Falle von Luft, einem Fluid geringer Viskosität, wird die Dämpfung in der Hauptsache durch Energieabfuhr infolge trockener Reibungen, sogenannter Coulombscher Reibungen, bewirkt.
• Zwecks Lösung dieser Probleme wurden verschiedene Versuche unternommen, und es wurden darauf hinzielende Vorrichtungen vor allem in dem Patent US 1.684.693 (Böhn) und den französischen Patenten Nr. 1.517.739 und Nr. 2.352.985 beschrieben.
• Das französische Patent Nr. 2.352.985 beschreibt insbesondere ein radiales hydrodynamisches Flüsigkeitsfilmlager mit einer Buchse, in der eine Welle frei drehbar ist, wobei die Buchse und die Welle zwischen einander einen Ringspalt bilden, der eine Mehrzahl von Lageruntergruppen enthält, wobei jede der besagten Untergruppen folgende Teile umfaßt:
• - einen flexiblen Streifen, der von der Welle, an deren Außenform er teilweise angepaßt ist, durch eine Schicht flüssigen Films getrennt ist, wobei der besagte Streifen fest mit einem durch Einsetzen in eine in der Buchse vorgesehene Aussparung angebrachten Stab verbunden ist, und
• - Versteifungselemente, ein oberes und ein unteres, die zwischen dem flexiblen Streifen und der Buchse angeordnet sind, wobei die besagten Versteifungselemente an der besagten Buchse befestigt und so beschaffen sind, daß sie den Verformungen des flexiblen Streifens entgegenwirken.
• In diesem Patent sind das obere und das untere Versteifungselement jedoch fest mit einem einzigen Stab verbunden. Bei einem Lager dieser Art sind die mechanischen Dämpfungseigenschaften gering, da die Versteifungselemente keine erhebliche Energieabfuhr gestatten.
• Die Erfinder der folgenden Vorrichtung waren daher bestrebt, eine zusätzliche Verbesserung der Flüssigkeitslager zu bewirken, und sie haben ein radiales hydrodynamisches Flüssigkeitsfilmlager konstruiert, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das obere Versteifungselement und das untere Versteifungselement jeder Lageruntergruppe an zwei getrennten Stäben von zwei anschließenden Untergruppen angebracht und an mindestens einem Teil einer ihrer Oberflächen so überlagert sind, daß sie im Verhältnis zueinander und in entgegengesetzter Richtung gleiten.
• Beim Anlauf muß das Lager einen ausgeprägten Keil aufweisen, um den Flüssigkeitsfilm zu anfangen . In diesem Sinne wird in jeder Lageruntergruppe vorteilhafterweise eine Vorspannfeder zwischen dem Stab und der Buchse angeordnet.
• Eine weitere Lösung besteht im Vorformen der flexiblen Streifen, der unteren Versteifungselemente oder der oberen Versteifungselemente. In diesem Fall spielt das vorgeformte Element eine analoge Rolle wie die Vorspannfeder.
• Die mit einer dieser Methoden erzielte Anlaufsteifheit ist im Vergleich zu der Betriebssteifheit gering.
• Das obere Versteifungselement 3 ist in jeder Lageruntergruppe vorzugsweise mit Vorsprüngen an seiner oberen Fläche versehen, während das untere Versteifungselement 4 Vorsprünge an seiner unteren Fläche aufweist, und zwar wechseln die Vorsprünge eines dieser Versteifungselemente mit den Vorsprüngen des anderen Versteifungselements ab, wobei die besagten Vorsprünge als Stützelemente dienen.
• Bei einer solchen Vorrichtung entsteht im Zuge von über die Abstützelemente unter der Einwirkung der Belastungsschwankungen bewirkten senkrechten Bewegungen Reibung zwischen dem glatten Teil jedes oberen Versteifungselements und des gegenüber befindlichen unteren Versteifungselements. Mit diesem Ziel sind die Versteifungselemente an einem ihrer Enden so befestigt, daß sie sich nicht in der Bewegungsrichtung der Untergruppe verlagern können. Eines der Versteifungselemente wird gegen den davor und das andere gegen den danach befindlichen Stab gehalten. Die während der Verformung unter Last erzeugten Wellenbewegungen bewirken relatives Gleiten der beiden Versteifungselemente in entgegengesetzten Richtungen, was Reibung und Energieabsorption zur Folge hat.
• Die gegenüber befindlichen glatten Teile jedes Versteifungselements können mit einem Überzug versehen sein, der so gewählt wurde, daß er dan Dämpfungseffekt regelt.
• Während des Betriebs unter Last gelangt die Gruppe von Blättern und Versteifungselementen in den Abstützzustand, in dem sie die durch die Wirksung der Anlauffeder oder des an deren Stelle wirksamen Elements abfängt. Die Elastizität wird durch senkrechtes Einpressen der Abstützelemente in die Versteifungselemente bedingt. Die oberen und unteren Abztützelemente sind so angeordnet, daß die Neigung des Lagers im belasteten Zustand nahezu der optimalen Neigung entspricht. In der Tat, falls die Neigung zu sehr von der idealen Neigung abweicht, kann die Belastbarkeit auf Null absinken.
• Variieren der Neigung in Abhängigkeit von der Last wird durch Einpressen der Gruppe bewirkt, wobei in Abhängigkeit von der Last das vordere Ende, die Mitte und das Hintere Ende des Lagers nicht im den gleichen Maße eingepreßt werden.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform können in den oberen Versteifungselementen 3 oder sowohl in den unteren als auch in den oberen Versteifungselementen Ausschnitte vorgesehen werden, um diese Elemente örtlich so zu schwächen, daß die optimale Sollverformung erzielt wird.
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist jeder flexible Streifen 2 so bemessen, daß sein freies Ende das feste Ende des anschließenden Streifens überdeckt. Es wird somit zusätzliche Dämpfung durch Reibung dieser flexiblen Streifen aneinander erzielt.
• Des weiteren kann der flexible Streifen 2 einer Lageruntergruppe unmittelbar unterhalb der vorher befindlichen Untergruppe so perforiert werden, daß der aktive Teil des folgenden Streifens richtig mit Gas versorgt wird.
• Diese Streifen können vorzugsweise mit einem Überzug aus einem Material versehen sein, das einen selbstschmierenden Bestandteil, zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE), enthält.
• Ein Lager nach der Erfindung umfaßt vorzugsweise 2 bis 9 Lageruntergruppen der vorstehend definierten Art.
• Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen in nicht einschränkender Weise näher erläutert werden.
• In diesen Zeichnungen stellen Bilder 1 bis 3 je eine Querschnittansicht von drei der Erfindung entsprechenden Lagervarianten dar.
• Bilder 4 und 5 sind Schnittansichten von zwei Versteifungselementtypen.
• Bild 6 zeigt einen Teil des Querschnitts einer vierten Ausführungsform.
• Bild 7 zeigt eine schematische Ansicht eines Flugzeugs mit erfindungsgemäßen Lagern.
• Das Lager der in Bild 1 dargestellten Art, das zum Abstützen der Welle 1 bestimmt ist, umfaßt eine Buchse 7, in der Stäbe 5 eingefügt sind. Zwischen den Stäben 5 und Buchse 7 sind Federn 6 angeordnet.
• An jedem Stab 5 sind ein unteres Versteifungselement 4, ein oberes Versteifungselement 3 und ein flexibler Streifen 2 angebracht. Die beiden Versteifungselemente ein und derselben Lageruntergruppe gleiten radial an den anschließenden Stäben entlang. Die flexiblen Streifen 2 überdecken sich teilweise.
• Jedes der Versteifungselemente 3 und 4 besteht aus einem Metallblech, das so abgebogen ist, daß ein Montageabschnitt entsteht. Die mit Vorsprüngen versehene Seite jedes Versteifungselements ist mit wechselweise und in Längsrichtung der Welle angeordneten Rippen und Aussparungen bildenden Nuten versehen.
• Ein Versteifungselement dieser Art ist in Bild 4 gezeigt, wo 12 den Montageabschnitt, 8 die Rippen und 9 die Aussparungen an der mit Vorsprüngen versehenen Seite bezeichnen.
• Bei Stillstand wird Streifen 2 durch Stab 5 an Welle 1 angepreßt, wobei auf Stab 5 seinerseits durch Vorspannfeder 6 Druck ausgeübt wird. Streifen 2 wird nicht an das obere Versteifungselement 3 angepreßt und arbeitet aufgrund seiner eigenen Steifheit. Um beim Anlauf das Produkt von Druck und Drehzahl zwischen der Welle und dem selbstschmierenden Überzug des Streifens 2 zu optimieren, wird die Vorspannung unabhängig von allen anderen Funktionen des Lagers angepaßt, und zwar durch entsprechende Wahl der Steifheit und Kraft der Feder 6. Diese Steifheit ist erheblich geringer als die der Versteifungselemente 3 und 4. Außer beim Anlauf ist der Einfluß der Feder 6 praktisch nicht merkbar.
• Bei stabilem Betrieb entsteht zwischen Welle 1 und Streifen 2 ein durch Drehung der Welle 1 erzeugtes Druckfeld. Dieses Feld preßt Streifen 2 an Versteifungselemente 3 und 4 an, die je nach der Belastungshöhe radial eingepreßt werden.
• Bei Betrieb mit unstabiler Tendenz schwankt das Druckfeld, was radiale Verlagerung des Streifens 2 zur Folge hat. Diese radiale Verlagerung bewirkt relative periphere Verlagerung zwischen zwei Streifen, was ein erstes Dämpfen durch Reibung aneinander der sich überdeckenden Bereiche dieser Streifen zur Folge hat, die dann einen anderen Durchmesser einnehmen.
• Eine zweite stärkere Reibungsdämpfung wird durch die relative periphere Verlagerung von Streifen 2 und Versteifungselement 3 bewirkt.
• Eine dritte Reibungsdämpfung ist durch die relative periphere Verlagerung des oberen Versteifungselements 3 und des unteren Versteifungselements 4 bedingt.
• Des weiteren gestattet das Vorhandensein einer Vorspannfeder Verbindung in einem einzigen Element der durch Reibung bei Überdecken verschiedener Elemente bedingten Dämpfung und der durch die Verbesserung der Belastungs- und Dämpfungsverhältnisse der beiden Versteifungselemente bedingten Vorteile.
• In Bild 2 ist ein Lager dargestellt, das mit Ausnahme der Vorspannfeder mit dem in Bild 1 gleichartig ist. In diesem Bild sind die gleichen Elemente wie in dem Lager in Bild 1 mit den gleichen Bezugsnummern bezeichnet. Die Buchse setzt sich aus zwei Teilen - einer Innenbuchse 10, durch die die Stäbe 5 verlaufen, und einer Außenbuchse 11, zusammen. Am Ende des der Welle gegenüber befindlichen Stabs, zwischen Innenbuchse 10 und Außenbuchse 11, befindet sich eine Blattfeder 13. Das Lager gemäß diesem Bild 2 wirkt auf analoge Weise wie das Lager in Bild 1, sowohl beim Anlauf als auch bei stabilem Betrieb oder Betrieb mit unstabiler Tendenz.
• Bild 3 zeigt ein mit einer Blattfeder 13 versehenes Lager, das mit dem in Bild 2 identisch ist. Das äußere Versteifungselement 4 ist der in Bild 5 dargestellten Art. Es besteht aus einem zwecks Bildung eines Montageabschnitts 12 gekrümmten und abgebogenen Metallblech. Abstützelemente 14 bestehen aus Hohlstäben mit halbkreisförmigem Querschnitt, die an dem Metallblech durch Punktschweißen befestigt sind. Der flexible Streifen 2 einer Lageruntergruppe ist die Verlängerung des oberen Versteifungselements 3 der anschließenden Untergruppe, was das Entstehen eines einzigen Blechs zur Folge hat. Die Zone, an der dieses einzige Blech an Stab 5 befestigt ist, bildet die Grenze zwischen dem flexiblen Streifen und dem oberen Versteifungselement. Die Vorsprünge des oberen Versteifungselements sind mit denen des unteren Versteifungselements 4 identisch und so angeordnet, daß sie mit denen des Versteifungselements 4 abwechseln. Bei dieser Ausführungsform verhalten sich die flexiblen Streifen 2 und die Versteifungselemente auf die gleiche Weise wie bei den in den Bildern 1 oder 2 dargestellten Ausführungsformen.
• Bild 6 zeigt eine Schnittansicht eines Teils des erfindungsgemäfen Lagers in einer anderen Ausführungsform. Das untere Versteifungselement 3 ist der in Bild 5 dargestellten Art. Das obere Versteifungselement 4 ist analoger Art. Die Krümmungen der beiden Versteifungselemente sind unterschiedlich, wodurch das Äquivalent einer Vorspannfeder gebildet wird. Nach dem Anlauf preßt die Last das obere Versteifungselement an das untere Versteifungselement an. Des weiteren findet zwischen zwei anschließenden flexiblen Streifen 2 keine Überdeckung statt. Die Streifen sind getrennt.
• Bild 7 zeigt ein mit Strahltriebwerken 16 ausgestattetes Flugzeug 15. Die Strahltriebwerke 16 umfassen Turbotriebwerke 17, die ihrerseits mit erfindungsgemäßen Lagern 18 ausgestattet sind.
• Die erfindungsgemäßen Verbesserungen der Lager gestatten es, die Belastbarkeit der Lager zu erhöhen. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig, wenn die Lager in Turbotriebwerken eingebaut werden, vor allem, wenn sie zur Ausstattung von Flugmaschinen, insbesondere Militärflugzeugen, gehören.

Claims (1)

1/ - Radiales hydrodynamisches Flüssigkeitsfilmlager mit einer Buchse (7, 10, 11), in der eine Welle (1) frei drehbar ist, wobei Buchse (7, 10, 11) und Welle (1) zwischen einander einen ringförmigen Raum bilden, der eine Mehrzahl von Lageruntergruppen enthält, wobei jede der besagten Untergruppen folgende Teile umfaßt:

- einen flexiblen Streifen (2), der von Welle (1), an deren Außenform er teilweise angepaßt ist, durch eine Schicht flüssigen Films getrennt ist, wobei der besagte Streifen (2) fest mit einem durch Einsetzen in eine in Buchse (7, 10, 11) vorgesehene Aussparung angebrachten Stab (5) verbunden ist, und

- Versteifungselemente, ein oberes (3) und ein unteres (4), die zwischen dem flexiblen Streifen (2) und Buchse (7, 10, 11) angeordnet sind, wobei die besagten Versteifungselemente an der besagten Buchse befestigt und so beschaffen sind, daß sie den Verformungen des flexiblen Streifens entgegenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Versteifungselement (3) und das untere Versteifungselement (4) jeder Lageruntergruppe an zwei getrennten Stäben (5) von zwei anschließenden Untergruppen angebracht und an mindestens einem Teil einer ihrer Oberflächen so überlagert sind, daß sie im Verhältnis zueinander und in entgegengesetzer Richtung gleiten.

2/ - Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Lageruntergruppe das obere Versteifungselement (3) an seiner oberen Oberfläche Vorsprünge (8, 14) und das untere Versteifungselement (4) an seiner unteren Oberfläche Vorsprünge (8, 14) aufweist, wobei die Vorsprünge eines der Versteifungselemente mit den Vorsprüngen des anderen Versteifungselements abwechseln.

3/ - Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Versteifungselement (3, 4) aus einem Metallblech ausreichender Krümmung besteht, wobei eine der Oberflächen des besagten Metallblechs wechselweise Rippen (8) und Aussparungen (9) aufweist.

4/ - Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge aus Stäben (14) mit halbkreisförmigem Querschnitt bestehen, die durch Punktschweißung an dem jedes Versteifungselement bildenden Blech angebracht sind.

5/ - Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Streifen (2) einer Lageruntergruppe die Verlängerung des oberen Versteifungselements (3) einer anschließenden Untergruppe bildet, so daß ein einziges Blech entsteht, wobei die Zone, an der das besagte einzelne Blech an Stab (5) befestigt ist, die Grenze zwischen dem flexiblen Streifen (2) und dem oberen Versteifungselement (3) bildet.

6/ - Lager nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das an einem Stab (5) befestigte feste Ende eines flexiblen Streifens (2) durch das freie Ende des flexiblen Streifens (2) der anschließenden Lageruntergruppe überdeckt ist.

7/ - Lager nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Stab (5) mit Buchse (7) über eine Vorspannfeder (6) verbunden ist.

8/ - Lager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Buchse, die sich aus einer Innenbuchse (10) und einer Außenbuchse (11) zusammensetzt, Stab (5) durch Innenbuchse (10) hindurchführt und über eine zwischen den Buchsen (10 und 11) angeordnete Blattfeder mit Außenbuchse (11) verbunden ist.

9/ - Lager nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Elemente jeder Lageruntergruppe, und zwar der flexible Streifen (2), das obere Versteifungselement (3) oder das untere Versteifungselement (4), so vorgeformt ist, daß beim Anlauf des Lagers das Entstehen eines ausgeprägten Luftkeils gewährleistet wird.

10/ - Lager nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daf jedes obere

Versteifungselement (3) bzw. alle oberen Versteifungselemente (3) und unteren Versteifungselemente (4) mit Ausschnitten versehen sind.

11/ - Lager nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Streifen (2) jeder Lageruntergruppe unmittelbar nach der anschließenden Untergruppe mit Perforationen versehen ist.

12/ - Turbotriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß es ein radiales hydrodynamisches Flüssigkeitsfilmlager nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 umfaßt.

13/ - Flugzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens ein Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfaßt.