DE69304872T2

DE69304872T2 - Aerodynamisches Lager mit Flüssigkeitsfilm

Info

Publication number: DE69304872T2
Application number: DE69304872T
Authority: DE
Inventors: Hooshang Heshmat
Original assignee: Liebherr Aerospace Toulouse SAS
Current assignee: Liebherr Aerospace Toulouse SAS
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1993-11-19
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2013-11-20
Also published as: FR2699239A1; DE69304872D1; EP0601624A1; ES2092752T3; EP0601624B1; FR2699239B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein aerodynamisches Fluidfilmlager. Ein Lager dieser Art umfaßt auf bekannte Weise mindestens eine Lagerunterbaugruppe, die zwischen einer Rotationswelle und einer Hülse angeordnet ist.
Die besagte Lagerunterbaugruppe setzt sich allgemein aus elastischen Mitteln zusammen, die so beschaffen sind, daß sie die Erzeugung eines aerodynamischen Films zwischen der Rotationswelle und der Hülse ermöglichen, um jegliche Querschwankung dieser Welle in Inneren der Hülse auszuschalten. Derartige Lager, die einen gasförmigen oder flüssigen Fluidfilm aufweisen und in der Lage sind, je nach der betreffenden Bauweise der Lagerunterbaugruppe und insbesondere der besagten elastischen Mittel, gewissen spezifischen Einsatzbedingungen zu entsprechen, sind bereits bekannt.
Ein aerodynamisches Lager im Einklang mit der Präambel des Anspruchs 1 ist aus der Patentschrift US-A-4 262 975 bekannt.
Bisher hat jedoch kein aerodynamisches Lager die Möglichkeit geboten, die folgenden Merkmale gleichzeitig zu erzielen:
- eine erhöhte Wellendrehzahl ohne Auftreten betrieblicher Unstabilität,
- ein gutes Hochlastabstützvermögen, und
- ein geringes Anlaßdrehmoment und eine niedrige Anlaßdrehzahl.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein aerodynamisches Lager zu schaffen, das allen diesen Bedingungen entsprechen kann.
In diesem Sinne betrifft die vorliegende Erfindung ein aerodynamisches Fluidfilmlager der Art, die eine zylindrische Hülse mit einer in der besagten Hülse rotierend angetriebenen Welle umfaßt, wobei das besagte Lager mindestens eine zwischen der Hülse und der Rotationswelle angeordnete Lagerunterbaugruppe aufweist, die so konstruiert ist, daß sie zwischen der Hülse und der Welle einen Zwischenraum bedingt und die Bildung eines Fluidfilms erleichtert, der Querschwankungen der Welle im Inneren der Hülse einen voreingestellten Widerstand bietet, und die besagte Lagerunterbaugruppe folgende Teile umfaßt:
- ein oberes flexibles Blatt, das sich entlang mindestens einem Teil des Wellenumfangs erstreckt,
- eine Gruppe von zwischen der Hülse und dem oberen Blatt angeordneten welligen Blättern, die sich mindestens entlang einem Teil des Hülsenumfangs erstrecken,
- ein zwischen dem oberen Blatt und der Gruppe welliger Blätter angeordnetes Verstärkungsblatt,
und zwar ist das besagte Lager dadurch gekennzeichnet, dab das besagte verstärkungsblatt an einem seiner Enden mit der Hülse fest verbunden ist und mindestens eine Überhöhung vorgewählter Krümmung aufweist, wobei die besagte Überhöhung fest mit der entsprechenden Gruppe welliger Blätter verbunden ist.
Indem somit ein Verstärkungsblatt mit mindestens einer Überhöhung vorbestimmter Krümmung zwischen dem flexiblen Blatt und einer Gruppe welliger Blätter eingeschaltet wird, läßt sich Vorspannung der Lagerunterbaugruppe bewirken, was zur Folge hat, daß die besagte Lagerunterbaugruppe entlang dem Wellenumfang einen Fluidfilm ungleichförmiger Dicke aufweist. Dadurch werden diesem Lager Stabilitätseigenschaften vermittelt, die den durch einen kreisförmigen und gleichmäßigen Fluidfilm bewirkten Stabilitätseigenschaften überlegen sind. Der erfindungsgemäße Fluidfilm weist in der Tat eine veränderliche Dicke auf, was die Erzeugung Coulomb-artiger Reibungskräfte gestattet, die in der Lage sind, einen Teil der im Zuge der Wellenrotation gespeicherten Energie zu verzehren. Der Umstand, daß dieses Verstärkungsblatt Überhöhungen aufweist, gestattet es, einen Widerstand gegen Radialschwankungen der Welle zu erzeugen, der mit zunehmender Drehzahl zunimmt, und diese Last insbesondere auf eine möglichst große Fläche umzuverteilen.
Vorteilhafterweise ist der erfindungsgemäße Fluidfilm beim Anlassen, d.h. zu Beginn des Rotationsantriebs der Welle, dünn und der Widerstand der Lagerunterbaugruppe gering, was Anlassen mit niedrigem Drehmoment ermöglicht.
Vorteilhafterweise kann jedes Lager eine einzige Lagerunterbaugruppe umfassen. In diesem Falle erstrecken sich das obere Blatt und das Verstärkungsblatt entlang dem gesamten Umfang der Rotationswelle. Das Verstärkungsblatt weist dabei eine Mehrzahl von Überhöhungen auf. Jede dieser Überhöhungen übt auf eine Gruppe welliger Blätter, mit der sie z.B. mit Hilfe einer Schweißnaht fest verbunden ist, einen Druck aus. Jede Gruppe welliger Blätter ist von den anderen Gruppen welliger Blätter getrennt, doch wirkt auf alle Gruppen welliger Blätter ein einziges Verstärkungsblatt ein.
Ebenfalls vorteilhafterweise umfaßt jedes Lager eine Mehrzahl von Lagerunterbaugruppen. Jede dieser Unterbaugruppen weist ein oberes Blatt, ein mit mindestens einer Überhöhung versehenes Verstärkungsblatt und eine Gruppe welliger Blätter auf, deren Länge im wesentlichen mit der des oberen Blattes und des Verstärkungsblattes gleich ist.
Andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden an Hand der nachstehenden beispielhaften Beschreibung besser verständlich sein, und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
- Bild 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Lagers nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist,
- die Bilder 2 und 3 schematische Querschnittsansichten von Lagerunterbaugruppen nach einer ersten bzw. einer zweiten Variante sind und
- Bild 4 eine schematische Querschnittsansicht eines aerodynamischen Lagers nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist.
Bei der in den Bildern 1 und 2 dargestellten Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße Lager 10 eine Hülse 11, eine Rotationswelle 12 (die in Richtung des Pfeiles F rotierend angetrieben wird) und mindestens eine Lagerunterbaugruppe 13.
Diese Lagerunterbaugruppe 13 (Bild 1) setzt sich aus den folgenden Teilen zusammen:
- einem flexiblen oberen Blatt 14, das sich im wesentlichen entlang dem gesamten Umfang der Welle 12 erstreckt; dieses obere Blatt ist mit Hilfe einer Befestigungsvorrichtung 20 bekannter Art an der Hülse befestigt, z.B. durch das Zusammenwirken eines Stabes und einer Vertiefung oder sogar durch Schweißen, so daß das besagte Blatt im Verhältnis zu seinem Befestigungspunkt schwenkbar ist,
- einem Verstärkungsblatt 21, das sich im wesentlichen entlang dem gesamten Umfang der Welle 12 erstreckt und (in dem dargestellten Beispiel) drei Überhöhungen 19 mit vorgewählten Krümmungen aufweist, wobei dieses Blatt an der Hülse 11 mit Hilfe einer Befestigungsvorrichtung 21 gleicher Art wie der des flexiblen Blattes 14 befestigt ist,
- eine Gruppe welliger Blätter 16, die sich aus einem unteren welligen Blatt 18 und einem oberen welligen Blatt 17 zusammensetzt. Diese Gruppe welliger Blätter ist mit Hilfe einer Schweißnaht 22 fest mit dem Verstärkungsblatt 15 verbunden.
Diese welligen Blätter (Bild 2), und zwar das untere Blatt 18 und das obere Blatt 17, sind so angeordnet, daß die Buckel 18a des unteren welligen Blattes 18 mit den Buckeln 17a des oberen welligen Blattes 17 ausgerichtet sind.
Die Basen dieser Buckel 17a und 18a sind miteinander in Kontakt. Die welligen Blätter 17 und 18 weisen zwischen diesen Buckeln abgeflachte Bereiche 17b, 18b auf, die mit Abstand voneinander vorgesehen sind. Die Höhen der unteren Buckel unterscheiden sich daher von denen der oberen Buckel. Auch die jeweiligen Krümmungshalbmesser der unteren und der oberen Buckel sind verschieden.
Wie dies in dem Bild 1 deutlicher ersichtlich ist, bewirkt jede Überhöhung 19 des Verstärkungsblattes an einem vorgegebenen Punkt (Schweißpunkt 22) das Vorspannen jeder Gruppe welliger Blätter. Jede Gruppe ist somit (in Abwesenheit jeglicher Rotation der Welle 12) vorgespannt Diese Vorspannung bewirkt ausschließlich im Bereich der Endbuckel Kontakt zwischen der Gruppe welliger Blätter und der Hülse Es ist festzustellen, daß die Form der Gruppe welliger Blätter von dem Verstärkungsblatt abhängt, das vorbestimmte Krümmungs zonen aufweist, deren Krümmungshalbmesser größer sind als der Krümmungshalbmesser der Hülse.
Es ist festzustellen, daß die Gruppen welliger Blätter zwischen deren Mittelpunkt und deren freiem Rand an das Vers tärkungsblatt angeschweißt sind.
Dies hat zur Folge, daß der Widerstand der Lagerunterbaugruppe in Bereiche dieser Schweißstelle höher ist als der Widerstand in Bereiche der freien Enden der Gruppe welliger Blätter. Die Dicke des entsprechenden aerodynamischen Filmes nimmt daher allmählich von dem freien Ende in Richtung auf die Schweißzone ab.
Die durch die Rotation der Welle 12 bewirkte Durchbiegung dieser Gruppen welliger Blätter hat nur Krümmungen jedes der Blätter 14, 15 und 16 zur Folge; es findet keine elastische Verformung der Buckel an sich statt.
Eine solche Durchbiegung bewirkt bei niedriger Belastung einen geringen Widerstand, insbesondere beim Anlassen. Dies hat zur Folge, daß der Verschleiß der Welle 12 und des oberen Blattes 14 vor dem Erreichen der vollen Drehzahl auf ein Mindestmaß eingeschränkt wird. Dies erleichtert auch den Betrieb bei niedrigen Anlaßdrehzahlen.
Ein weiterer Vorteil einer solchen Ausführungsform besteht darin, daß sich die Überhöhungen des Verstärkungsblattes leichter an die Hülsenform anpassen und das Lager daher in der Lage ist, bei niedriger Drehzahl höheren Belastungen standzuhalten.
Es ist festzustellen, daß es in Folge des Umstands, daß die Buckelhöhen unterschiedlich sind (Bild 2), möglich ist, im Bereiche der elastischen Struktur unterschiedliche Widerstandseigenschaften zu erzielen. Im Ausgangsstadium sind die Buckel miteinander nicht in Kontakt; der erzielte Widerstand ist gering.
Bei höherer Belastung kommen die Buckel miteinander in Kontakt und der Widerstand der Gruppe nimmt zu. Es ist festzustellen, daß die welligen Blätter, und zwar das untere und das obere Blatt, leicht versetzt sein können, um die durch das Verformen der besagten Blätter bedingte Fehlausrichtung der Buckel auszuschalten. Das somit beschriebene Lager gestattet die Erzeugung eines aerodynamischen Fluidfilms, dessen Dicke rings um den Umfang der in Rotation befindlichen Welle veränderlich ist. Dieser Film ist vorteilhafterweise in den Bereichen, in denen ein höherer seitlicher Widerstand erforderlich ist, größer. Die Krümmung des Verstärkungsblattes und der Ort, an dem die Gruppe welliger Blätter an dieses Verstärkungsblatt angeschweißt ist, ermöglichen es, diese Bereiche höheren Widerstands genau zu bestimmen und gegebenenfalls deren Anordnung zu ändern.
Bei einer Variante sind die unteren Buckel 118a (Bild 3) abgeflacht, so daß ihre Kontaktfläche im Verhältnis zu der Hülse größer ist. Bei dieser Variante bleiben die Höhen der oberen und der unteren Buckel jedoch unterschiedlich, so daß (mindestens bei geringer Belastung) unabhängige Verformungen der welligen Blätter, und zwar des unteren und des oberen Blattes, möglich sind.
Bei einer in Bild 4 dargestellten Ausführungsform erstrecken sich das obere Blatt 214 und das Verstärkungsblatt 215 nicht entlang dem gesamten Umfang der Welle 212 sondern nur über Teile des besagten Umfangs gegenüber jeder Untergruppe 213 welliger Blätter. Das Verstärkungsblatt 215 weist in diesem Falle eine einzige Überhöhung 219 auf, deren Krümmungshalbmesser größer ist als der Krümmungshalbmesser der entsprechenden Hülse. Diese Überhöhung ist so beschaffen, daß sie Vorspannung der entsprechenden Gruppe welliger Blätter bewirkt.
Bei einer Variante können die Buckel der welligen Blätter natürlich gekrümmte Bereiche oder abgeflachte Bereiche (Bilder 2 und 3) aufweisen.
Bei noch einer Variante kann die Gruppe welliger Blätter ein einziges welliges Blatt aufweisen, das unmittelbar an einem dieser Punkte an die Hülse und nicht an das Verstärkungsblatt angeschweißt ist.
Die vorliegende Erfindung ist natürlich nicht auf die gewählten Ausführungsformen beschränkt sondern erstreckt sich auf jede dem Fachmann geläufige Variante. Das Verstärkungsblatt kann z.B. mehr oder weniger als drei Überhöhungen aufweisen. Des gleichen kann, wenn das erfindungsgemäße aerodynamische Lager eine Mehrzahl von Lagerunterbaugruppen umfaßt, jede dieser Unterbaugruppen ein Verstärkungsblatt mit mehreren Überhöhungen aufweisen, wobei das besagte Verstärkungsblatt auf einer einzigen Gruppe welliger Blätter ruht.

Claims

1/ - Aerodynamisches Flüssigkeitsfilmlager der eine zylindrische Hülse (11, 111, 211) umfassenden Art, in der sich eine rotierend angetriebene Welle (12, 212) befindet, wobei das besagte Lager mindestens eine zwischen der Hülse und der Rotationswelle angeordnete Lagerunterbaugruppe (13, 213) aufweist, wobei die besagte Lagerunterbaugruppe so konstruiert ist, daß sie zwischen der Hülse und der Welle einen Zwischenraum bedingt und die Bildung darin eines

- Flüssigkeitsfilms erleichtert, der Querschwankungen der Welle im Inneren der Hülse einen voreingestellten Widerstand bietet, wobei die besagte Lagerunterbaugruppe des Lagers folgende Teile umfaßt:

- ein oberes flexibles Blatt (14, 114, 214), das sich entlang mindestens einem Teil des Umfangs der Welle (12, 212) erstreckt,

- eine Gruppe von zwischen der Hülse (11, 111, 211) und dem oberen Blatt (14, 114, 214) angeordneten welligen Blättern (18, 118, 218), die sich mindestens entlang einem Teil des Hülsenumfangs erstrecken,

- ein zwischen dem oberen Blatt und der Gruppe welliger Blätter angeordnetes Verstärkungsblatt (15, 115, 215),

wobei das besagte Lager dadurch gekennzeichnet ist, daß das besagte Verstärkungsblatt an einem seiner Enden mit der Hülse fest verbunden (21) ist, und mindestens eine Überhöhung (19, 219) vorgewählter Krümmung aufweist, wobei die besagte Überhöhung fest mit der entsprechenden Gruppe welliger Blätter (18, 118, 218) verbunden ist.

2/ - Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine einzige Lagerunterbaugruppe (13) umfaßt, in der sich die beiden Blätter, und zwar das obere Blatt (14) und das Verstärkungsblatt (15), über den gesamten Umfang der Welle erstrecken, wobei eine Mehrzahl von Gruppen welliger Blätter zwischen dem Verstärkungsblatt und der Hülse angeordnet ist, sowie dadurch, daß das Verstärkungsblatt (15) eine Mehrzahl von Überhöhungen (19) vorgewählter Krümmungen umfaßt, wobei jede der besagten Überhöhungen fest mit einer getrennten Gruppe welliger Blätter (18) verbunden ist.

3/ - Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Grenzen jeder Überhöhung (19) die Gruppe welliger Blätter (16) mit der Hülse (11) in Kontakt ist.

4/ - Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Mehrzahl von Lageruntergruppen (213) umfaßt.

5/ - Lager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe welliger Blätter (16, 116, 216) ein unteres welliges Blatt (18, 118, 218) aufweist, das mindestens teilweise mit der Hülse in Kontakt ist, sowie ein oberes welliges Blatt (17, 117, 217), das fest mit dem Verstärkungsblatt (15, 115, 215) verbunden ist.

6/ - Lager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe welliger Blätter (16, 116, 216) mit Hilfe einer Schweißnaht, die so beschaffen ist, daß sie zu der Steifheit der Lageruntergruppe an diesem Punkte beiträgt, fest mit dem Verstärkungsblatt (15, 115, 215) verbunden ist.