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TECHNISCHES FELD
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Diese
Erfindung betrifft im allgemeinen das Feld von nachgebenden, hydrodynamischen
Fluidfilm-Foliengleitlagern und insbesondere ein verbessertes Axiallager
mit Fluidfolien, Federfolien und Tragfolien zum Halten, Positionieren,
Dämpfen
und Anpassen von Bewegungen oder Lenkungen von rotierenden Bereichen
des Lagers.
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STAND DER
TECHNIK
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Nachgebende,
hydrodynamische Fluidfilm-Foliengleitlager werden üblicherweise
in einer Vielfalt von Hochgeschwindigkeitsmotor-Anwendungen verwendet.
Diese Lager umfassen im wesentlichen ein zweiseitiges Lagerscheiben-Rotationselement,
nichtrotierende, nachgebende Fluidfolienelemente, welche das rotierende
Element axial umschließen,
nichtrotierende, nachgebende Federfolienelemente, welche die Fluidfolienelemente
axial einschließen
und ein nichtrotierendes Gleitplattenelement und ein nichtrotierendes
Gehäuseelement, das
Befestigungen für
die Folienelemente einschließt und
hält. Der
Raum zwischen dem rotierenden Element und dem Gleitplattenelement
auf einer Seite des Lagers und der Raum zwischen dem rotierenden Element
und der Gleitoberfläche
des Gehäuseelements
auf der anderen Seite des Lagers sind mit einem Fluid gefüllt (in
der Regel Luft), welche die Folien umgibt.
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Die
Bewegung der rotierenden Elemente wendet viskose Reibungskräfte auf
das Fluid an und induziert eine Strömung des Fluids in Umfangsrichtung
zwischen der glatten Oberfläche
des rotierenden Elements und der Fluidfolie. Der Raum zwischen dem
rotierenden Element und der Fluidfolie ist in eine Vielzahl von
fluiddynamischen Keilkanälen
unterteilt. Diese Keilkanäle
sind typisch durch Widerstandsschweißung nachgebender, konvex gekrümmter Folienpads
an einer unterlegten Haltefolie ausgebildet. Die Führungsrampen
der Folienpads bilden relativ zur Fluidströmung in Umfangsrichtung und
zur glatten Oberfläche
des rotierenden Elements, die zwei ersten Oberflächen der konvergierenden Keilkanäle. Die
nachziehenden Rampen und die glatte Oberfläche des rotierenden Elements
bilden die ersten Oberflächen
der divergierenden Keilkanäle.
Das in Umfangsrichtung entlang eines divergierenden Keilkanals strömende Fluid
erfährt
einen gleichmäßig abnehmenden
Strömungsbereich,
wobei die Strömungsgeschwindigkeit
in Umfangsrichtung ansteigt und wobei der statische Fluiddruck ansteigt.
Wenn sich das rotierende Element zum nichtrotierenden Element bewegt,
steigt der Konvergenzwinkel des Keilkanals, wobei ein Ansteigen
der Fluiddruckerhöhung
entlang des Kanals bewirkt wird. Wenn das rotierende Element wegbewegt
wird, nimmt die Druckerhöhung
entlang des Kanals ab. Daher übt
das Fluid in den Keilkanälen
eine Rückstellkraft
auf das rotierende Element aus, die sich mit dem Laufspiel verändert und
stabilisiert und ein Kontakt zwischen dem rotierenden Element und
den nichtrotierenden Elementen des Lagers verhindert. Biegen und
Gleiten der Folien verursacht eine Coulomb-Dämpfung von irgendeiner axialen
oder umkippenden Bewegung des rotierenden Elements des Lagers.
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Wegen
der Vorspannung der Federkräfte oder
Gravitationskräfte
ist das rotierende Element des Lagers bei niedriger Drehzahl typisch
in physikalischem Kontakt mit dem Fluidfolienelement des Lagers.
Dieser physikalische Kontakt führt
zu Lagerverschleiß.
Nur wenn die Rotordrehzahl höher
ist, was Abheb-/Aufsetzdrehzahl genannt wird, stellen die in den
Keilkanälen
erzeugten fluiddynamischen Kräfte einen
Laufspalt zwischen dem rotierenden und dem nichtrotierenden Element
sicher.
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Nachgebende,
hydrodynamische Fluidfilm-Foliengleitlager weisen fluiddynamische
Keilkanalrampen auf, die in Umfangsrichtung ohne eine radiale Komponente
zu den Rampenneigungen konvergieren oder divergieren. Die konvergierenden Keilkanalrampen
weisen keine Seitenwand oder andere Zwänge auf, um Fluidströmung aus
den Kanälen
an ihren inneren und äußeren Kanten
zu verhindern. Alle nachschleppenden Kanten der konvergierenden
Keilkanäle,
der hohe Fluiddruck und der Mangel an radialen Strömungszwängen induzieren
radiale Strömungsleckagen
aus dem Kanal, was in Drehung zu einer Verringerung des Fluiddrucks,
einem Verlust der Lagerbelastungskapazität und ein Ansteigen der Lagerverluste
führt.
Die radiale Strömungsleckage
erfordert eine Ausgleichsströmung
am Anfang des konvergierenden Keilkanals.
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Konventionelle
nachgebende, hydrodynamische Fluidfilm-Foliengleitlager weisen in
den konvergierenden Keilkanälen
erste Fluidströmungsmuster auf,
die einen einzigen Weg umlaufender Schleifen bilden. Das Fluid in
den konvergierenden Keilkanälen,
benachbart zu der rotierenden Scheibe, bewegt sich in Umfangsrichtung
in die gleiche Richtung wie die Scheibendrehung (die Rampe hinauf)
wegen der viskosen Reibung. Das Fluid in den konvergierenden Kanälen, benachbart
zu den nichtrotierenden Fluidfolien, bewegt sich in Umfangsrichtung
in die entgegengesetzte Richtung zur Scheibenbewegung (die Rampe
herunter) wegen des Druckgradienten in Umfangsrichtung entlang des
Kanals. Viel des Fluids, das die Rampe in der Nähe der Scheibe während des Gewinnens
von statischem Druck hochläuft,
kehrt um, bevor das Ende des Keilkanals erreicht ist und bewegt
sich die Rampe in der Nähe
der Fluidfolie unter Druckverlust hinunter. Fast alles dieses Fluids kehrt
um, bevor der Anfang des Keilkanals erreicht ist und bewegt sich
die Rampe wieder unter Druckgewinn hinauf. Das Fluid, welches sich
auf den einzigen Weg in der umlaufenden Schleife des Strömungsmusters
bewegt, bewegt sich bei jeder Schleife auf dem gleichen Weg und
erfährt
den gleichen Druckanstieg und die gleiche Druckabnahme in jeder
Schleife ohne eine Netto-Druckgewinn
von einer Schleife zur nächsten.
Diese Lager erzeugen weniger fluiddynamischen Druck und weisen eine
geringere Lastkapazität
als Lager auf, die Mehrweg-Wirbelströmungsmuster verwenden, bei
der sich die Strömung,
welche sich in jeder regenerativen Schleife bewegt, auf einem anderen
Weg bewegt und bei der ein Nettoanstieg des Fluiddrucks in jeder
Schleife ist.
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Konventionelle
nachgebende, hydrodynamische Fluidfilm-Foliengleitlager laufen mit
extrem kleinen Laufspiel und mildern wie im Gegensatz niedrigen
Verschleiß und
Energieverbrauch. Das Spiel zwischen den nichtrotierenden, konvergierenden
nachschleppenden Kanalrampen der Fluidfolien und der rotierenden
Gleitscheibe ist im Betrieb typisch 50 micro-Zoll. Der dimensionslose
Luftwiderstandsbeiwert des Lagers ist bei Betriebsdrehzahl typisch
größer als
0,0005 wie durch das Verhältnis
vom durch Scherkräfte
induzierten, fluiddynamischen Verschleiß definiert, der durch das
Lager auf die Scheibe einwirkt, geteilt durch die durch das Lager
getragene Gleitlast.
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Nachgebende,
hydrodynamische Fluidfilm-Foliengleitlager pflegen sich auf laufseitige
Federn zu verlassen, um die Fluidfolien gegen das relativ bewegbare
Rotationselement (Gleitscheibe) vorzuspannen, um die Folienstellung/-verschachtelung zu
regeln und dynamische Folienstabilität zu erreichen. Das Lageranlaufdrehmoment
(welches idealerweise Null sein sollte) ist direkt proportional
zu diesen Vorspannkräften.
Diese Vorspannkräfte
steigern signifikant die Scheibendrehzahl, bei der die hydrodynamischen
Effekte in den Keilkanälen
stark genug sind, das Rotationselement des Lagers aus dem physikalischen
Kontakt mit den nichtrotierenden Elementen des Lagers anzuheben.
Diese Vorspannungskräfte und
die hohe Abhebdrehzahl/Aufsetzdrehzahl bewirken jedes Mal einen
signifikanten Lagerverschleiß, wenn
die Scheibe gestartet oder gestoppt wird.
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Viele
konventionelle nachgebende, hydrodynamische Fluidfilm-Foliengleitlager
weisen große Schwingräume und
Nachgebungsverluste auf, z. B. erfordern sie nicht streng axiale
oder Umkippbewegung der Lagergleitscheibe wegen der geringen Steuerung
der Federdurchbiegungstoleranzen inherent der Federform.
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Es
ist für
konventionelle nachgebende, hydrodynamische Fluidfilm-Foliengleitlager üblich, daß eine Vielzahl
von beschichteten, konvex gebogenen, nachgebenden Fluidfolienpads
an eine Haltefolie geschweißt
sind, um das Fluidfolienelement des Lagers zu bilden. Diese zwei
Teile von Fluidfolienelementen sind typisch dicker und weisen eine
geringere Dickensteuerung auf, als ein einziges Fluidfolienelement.
Zweiteilige Fluidfolienelemente erfahren auch Prozeßfluid-Strömungsturbulenzen
mit ansteigenden Verlusten bei der Betriebsdrehzahl und reduzierter Lastkapazität wegen
der Strömungsdiskontinuitäten zwischen
den nachschleppenden Kanten jedes Folienpads und der Schweißbefestigungskante
des nächsten
in Umfangsrichtung angeordneten Pads.
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Einige
konventionelle nachgebende, hydrodynamische Fluidfilm-Foliengleitlager
verwenden Federfolienelemente, die durch Aufbereiten (chemisch oder
anders) mit in Umfangsrichtung versetzten Ausnehmungen auf entgegengesetzten
Seiten des flachen Folienmaterials gebildet sind, um die in Umfangsrichtung
versetzten unbearbeiteten Furchen auf gegenüberliegenden Seiten der Folienelemente
zu verlassen. Auf die unbearbeiteten Furchen einwirkender Druck
induziert ein Durchbiegen des Federfolienelements auf federartige
Weise. Auf diese Art gebildete Federfolienelemente neigen zu großen Variationen
in ihren Federkonstanten infolge kleiner Variationen in der Bearbeitungstiefe.
Dieser Bearbeitungsprozeß lindert
nicht-symmetrisch jegliche restliche Oberflächendruckspannung, die durch
vorhergehende Folienwalzbearbeitung induziert wurde und daher Folienwölbung induziert.
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Andere
Lager verwenden übereinandergerollt
geformte Folienelemente, die durch pressendes Glühen von Inconel 750X – Folienrohlingen
zwischen zwei konturierten Platten gebildet sind, welche angepaßt gewellte
Konturen mit einem konstanten Abstand von Platte zu Platte während einer
Wärmebehandlung
der Folienrohlinge bei einer Temperatur von ungefähr 704°C/1300 Grad
Fahrenheit für
ungefähr
20 Stunden aufweisen. Die auf diese Weise gebildeten Federfolien
neigen dazu, große
Variationen in der ungebogenen Dicke aufzuweisen.
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In
einigen Fällen
können
die Fluidfolien an den Federfolien durch Schweißen oder Hartlöten befestigt
werden, oder verschiedene Folienelemente können zusammengeschweißt oder
-gelötet
werden, um ein Federfolienelement zu bilden. Solche Foliengleitlager,
die Schweißen
oder Hartlöten
zum Befestigen eines Folienelements an einem anderen verwenden,
sind der Grund für
Folienzerstörungen
und Folienermüdungen,
insbesondere an den verbundenen Stellen.
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Die
Seiten der Fluidfolien, die dem rotierenden Element des Lagers zugewandt
sind, können Niedrigreibungs-Kunststoffbeschichtungen
verwenden, um den Lagerverschleiß zu minimieren, wenn die Scheibendrehzahl
unterhalb der Abhebdrehzahl/Aufsetzdrehzahl ist. Diese Beschichtungen
können
jedoch große
Dickentoleranzen aufweisen, was die Folienpaketdicken-Toleranz nachteilig
beeinflussen kann.
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Kein
nachgebendes, hydrodynamisches Fluidfilm-Foliengleitlager weist
vorliegend eine selbst-trimmende Eigenschaft auf, um Variationen bei
der Folienpaketdicke zu kompensieren. Folglich erfahren diese Lager
signifikante Variationen in der Vorspannkraft, dem Anlaufmoment,
der Abhebdrehzahl/Aufsetzdrehzahl, dem Verschleiß und der Nachgiebigkeit (maximal
erlaubte Lager-/Rotorbewegung) oder erfordern eine Selektion der
Folien basierend auf der zu jedem Folienpaket passenden Dicke.
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Eine
Anzahl von Patenten zum Stand der Technik stellen nachgebende, hydrodynamische
Fluidfilm-Foliengleitlager dar. Zum Beispiel beschreiben die US-Patente mit den Nummern
4,082,375, 4,208,076, 4,223,958, 4,277,111, 4,277,112, 4,277,113
und 4,597,677 jeweils eine Vielzahl von in Umfangsrichtung gekrümmten oder
flachen individuell beabstandeten und auf einer unterlegten Haltescheibe
montierten (im wesentlichen durch Schweißen) Folien mit individuellen
Aussteifungen oder Unterfedern unterhalb der beabstandeten Folie
befestigt. Die individuellen Aussteifungen oder Unterfedern nehmen
irgendeine Zahl von einer Unzahl von Formen und Konfigurationen
in diesen Patenten ein.
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Eine
obige Variante ist in dem US-Patent der Nummern 4,462,700, 4,621,930,
4,668,106 4,682,900 und 5,110,220 offenbart, in welchen jeweils
individuelle Aussteifungen oder Unterfolien verwendet werden, und/oder
eine separate Unterfeder- oder Aussteifungsscheibe neben den Haltescheiben verwendet
wird. US-Paten Nr. 4,348,066 beschreibt individuell montierte, überlappende
Folien. US-Patent
Nr. 4,767,221 lehrt eine Vielzahl von Federelementen, wobei jedes
ein Pad aufweist, an welchem eine individuelle flexible Folie gesichert
ist.
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Die
US-Patente der Nrn. 3,809,443, 4,116,503, 4,213,657, 4,227,753,
4,247,155, 4,300,806, 4,624,583 und 4,871,267 offenbaren jeweils
eine Einheitsfolie oder -scheibe mit jeweils einer Unterfederscheibe
oder individuellen Federpadhaltern neben der Einheitsfolienscheibe.
US-Patent Nrn. 4,247,155, 4,624,583 und 4,871,267 umfassen jeweils
einen Schlitz oder Perforation in der Einheitsfolienscheibe, um ein
Ansetzprozeßfluid
zwischen den individuellen Folienelementen auf der Einheitsfolienscheibe
zu schaffen. Eine Variation hierzu ist in den US-Patenten Nrn. 4,225,196
und 4,315,359 dargestellt, welche eine Vielzahl von individuellen
Folienelementen, hergestellt aus einem Paar gepreßter übereinander
angeordneter und zusammengeschweißter Schichten, beschreibt.
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Das
US Patent Nr. 4,624,583 (auf welches die zweiteilige Form des unabhängigen Anspruches 1
sich stützt)
offenbart eine Axiallagerscheibe mit einer Vielzahl von flachen,
dünnen,
nachgebenden Pads oder Folien, welche durch radial verlaufende Schlitze
voneinander getrennt sind. Divergente Rampenflächen sind zwischen den Schlitzen
und dem Innen- und Aussendurchmesser der Axiallagerscheibe vorgesehen.
Gemäss
einem anderen Ausführungsbeispiel
hat die bekannte Axiallagerscheibe abwechselnde, flache, konvergente
Folien und divergente Rampen ohne Schlitze zwischen den Folien.
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Eine
fischgrätenmuster-
oder zickzackförmige
nachschleppende Kante für
Lagerzapfenfolien ist im wesentlichen im US-Patent 3,957,317 offenbart. Dieses
Patent ist jedoch beschränkt
auf individuelle, überlappende
Folien und da es einige Vorteile einer nachschleppend geformten
Kante für
eine Folie nicht zur Kenntnis nimmt, liefert es kein weiteres Formen und
beschränkt
keineswegs Leckagen mit irgendeiner Seitenrampe.
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Die
Erfindung schafft ein ringförmiges,
nachgebendes Fluidfolienelement für ein hydrodynamisches Fluidfilmaxiallager,
wobei das Folienelement aus einer ringförmigen, nachgebenden Folienscheibe
besteht mit einer Vielzahl von konvergenten Lamellen und divergenten
Absetzungen, um abwechselnde konvergente und divergente Keilkanäle auf der
Oberfläche
der Scheibe zu formen, wobei die divergenten Absetzungen relativ
steil geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die konvergenten
Lamellen in Bezug auf eine Radiallinie eine konkave, löffelförmige Form
aufweisen zum Begrenzen der Leckage von Prozessfluid an den radialen
Innen- und Aussenseiten der konvergenten Lamellen.
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Die
ringförmige,
nachgebende Folienscheibe kann aus einer flachen Folie kalt geformt
werden. Steil geneigte Absetzungen können in die Folienscheibe gepresst
werden, die als divergente Keilkanäle funktionieren, während die
allmählich
konvergierenden Kanallamellen ohne plastische Verformung als geradlinige
Verbindungen zwischen den Absetzungen erhalten werden.
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Der
Umfang der ringförmigen,
nachgebenden Folienscheibe kann einen selbsttrimmenden Umfangsring
aufweisen und eine Vielzahl von Umfangsvorsprüngen mit darin vorgesehenen
Rastöffnungen.
Die ringförmige,
nachgebende Folienscheibe kann eine Vielzahl von Löffellamellen
aufweisen.
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Die
löffelförmigen,
konvergenten Lamellen haben radial breite Fluidströmungseinlässe, radial verengende
Kanalbreiten in Umfangsrichtung entlang dem Fluidströmungsweg
und in Umfangsrichtung abgerundete Hinterkanten.
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Die
ringförmige,
nachgebende Folienscheibe kann gleichförmig mit einem reibungsreduzierenden Werkstoff
beschichtet sein.
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Des
Weiteren kann die ringförmige,
nachgebende Folienscheibe eine gleichförmige Materialstärke aufweisen.
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Die
zusammengesetzten Krümmungsprofile induzieren
regenerierende Wirbelstrommuster in dem Prozessfluid und funktionieren
als Regelsystem zum Detektieren des strömungstechnischen Spaltes, der
strömungstechnischen
Verstärkung
und der strömungstechnischen
Krafterzeugung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Da
zuvor die vorliegende Erfindung in wesentlichen Punkten beschrieben
wurde, wird nun auf die zugehörigen
Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 eine Schnittansicht einer
Turbomaschine ist, die das nachgebende, hydrodynamische Fluidfilm-Foliengleitlager
der vorliegenden Erfindung aufweist;
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2 eine vergrößerte Teilansicht
des Ovals 2 in 1 ist,
das die Gleitplatte und den Abstandsbereich des nachgebenden, hydrodynamischen
Fluidfilm-Foliengleitlagers der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine Draufsicht auf die äußere Haltefolie
für das
Federfolienteil des nachgebenden, hydrodynamischen Fluidfilm-Foliengleitlagers
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine Draufsicht auf das
Federfolienelement für
das Federfolienteil des nachgebenden, hydrodynamischen Fluidfilm-Foliengleitlagers
der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine Draufsicht auf die
innere Haltefolie für
das Federfolienteils des nachgebenden, hydrodynamischen Fluidfilm-Foliengleitlagers
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 eine Draufsicht, Element
für Element teilweise
herausgeschnitten, des Federfolienteils der vorliegenden Erfindung
ist, welche die äußere Haltefolie
aus 3, das Federfolienelement
aus 4 und die innere
Haltefolie aus 5 aufweist;
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7 eine teilweise Draufsicht
auf eine wechselweise Konfiguration des Federfolienteils des nachgebenden,
hydrodynamischen Fluidfilm-Foliengleitlagers der vorliegenden Erfindung
ist;
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8 eine teilweise Draufsicht
auf einen andere wechselweise Konfiguration des Federfolienteils
der vorliegenden Erfindung ist, welche zwei innere Haltelinien für jede äußere Haltelinie
aufweist;
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9 eine Draufsicht auf ein
Folienelement des nachgebenden, hydrodynamischen Fluidfilm-Foliengleitlagers
der vorliegenden Erfindung ist;
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10 eine vergrößerte Ausschnittsansicht des
Fluidfolienelements in 9 entlang
einer Linie 10-10 ist;
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11 eine andere vergrößerte Ausschnittsansicht
des Fluidfolienelements in 9 entlang
einer Linie 11-11 ist;
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12 eine vergrößerte Draufsicht
auf einen Bereich des Fluidfolienelements in 9 ist, die Linien einer vertikalen Erhöhung zeigt;
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13 eine Draufsicht auf einen
einzigen fluiddynamischen konvergierenden Keilkanal des Fluidfolienelements
in 9 ist, die den Eintritt
und den Austritt des Prozeßfluids
zeigt;
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14 eine Draufsicht eines
einzigen fluiddynamischen konvergierenden Keilkanals des Fluidfolienelements
in 9 ist, die ein vereinfachtes
Fluidwirbelströmungsmuster
quer zu einer Fluidfolie zeigt;
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15 eine Draufsicht auf einen
einzigen fluiddynamischen Keilkanal des Fluidfolienelements in 9 ist, die konstante Erhöhungslinien
quer zur Fluidfolie bei Stillstand zeigt;
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16 eine dreidimensionale
Ansicht eines einzigen fluiddynamischen Keilkanals des Fluidfolienelements
in 9 ist, die in Umfangsrichtung
und radial Erhöhungslinien
zeigt; und
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17 eine Schnittansicht des
durch das Federfolienteil in 8 gehaltene
Fluidfolienelements in 9 ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN
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Eine
Turbomaschine, die das nachgebende, hydrodynamische Fluidfilm-Foliengleitlager
der vorliegenden Erfindung verwendet, ist in 1 dargestellt. Die Turbomaschine 10 schließt im wesentlichen
einen Turbinenrotor 12 und ein Kompressorrad 14 an
gegenüberliegenden
Enden einer gemeinsamen Welle 16 ein. Die Gleit- und Radiallagerwelle 18 ist
um die gemeinsame Welle 16 zwischen dem Turbinenrotor 12 und
dem Kompressorrad 14 angeordnet. Ein Achszapfenlagerträger 20 im
zentralen Lagergehäuse 22 hält drehbar
das verlängerte
Turbinenende der Lagerwelle 18.
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Das
Kompressorende der Lagerwelle 18 schließt einen sich radial erstreckenden
Rotor oder Scheibe 24 ein, welcher sich in eine Ausnehmung 26 am
Kompressorende des zentralen Lagergehäuses 22 erstreckt.
Eine Lagergleitplatte 28 ist an der gegenüberliegenden
Seite der Lagerwellenscheibe 24 angeordnet. Der äußere Umfang
des Kompressorendes des zentralen Lagergehäuses 22 koppelt das Kompressorgehäuse 30.
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Wie
am Besten in 2 dargestellt
ist, ist ein Gleitlagerabstandshalter 32 radial auswärts von
der Scheibe 24 der Lagerwelle 18 positioniert
und ist durch eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten
Stiften 34 positioniert, welche in Bohrungen der Ausnehmung 26 des
zentralen Lagergehäuses 22 fixiert
sind und sich in Bohrungen der Gleitlagerplatte 28 erstrecken.
Ein Gleitlager-Fluidfolienelement 40 und
ein Gleitlager-Federfolienelement 42 sind an jeder Seite
der Lagerwellenscheibe 24 und dem Gleitlager-Abstandshalter 32 angeordnet.
Auf einer Seite sind das Fluidfolienelement 40 und das Federfolienteil 42 in
der Ausnehmung 26 des zentralen Lagergehäuses 22 angeordnet,
und auf der anderen Seite sind sie benachbart zu der Gleitlagerplatte 28.
Das Fluidfolienelement 40 und das Federfolienteil 42 sind
radial und in Umfangsrichtung in der Stellung durch die Stifte 34 gehalten,
welche sich vom zentralen Lagergehäuse 22 durch Bohrungen
in einem Federfolienelement 42, durch Bohrungen in einem
Fluidfolienelement 40, durchqueren der Bohrung des Gleitlager-Abstandshalters 32,
durch Bohrungen auf der entgegengesetzten Seite des Fluidfolienelements 40,
durch die Bohrungen auf der gegenüberliegenden Seite des Federfolienteils 42 und
in Bohrungen 38 in der Gleitlagerplatte 28 erstrecken.
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Das
radial auswärtige
Ende der Gleitlagerplatte 28 bildet eine dünne sich
radial erstreckende Feder 29, welche flach geformt ist.
Während
der Montage ist das auswärtige
Ende dieser Feder 29 gegen das zentrale Lagergehäuse 22 durch
eine Schnauze am Kompressorgehäuse 30 in
die in 2 gezeigte Stellung
gebogen oder gekrümmt.
Dieses Biegen der Gleitlager-Plattenfeder 29 zwingt die Gleitplatte 28 effektiv
gegen das zentrale Lagergehäuse 22,
wobei die Bewegung des Gleitlager-Abstandshalters 32, der
Fluidfolienelemente 40 und der Federfolienteile 42 zurückgehalten
wird. Die Dicke des Gleitlager-Abstandshalters 32 ist einige
Tausendstel eines Zolls, vorzugsweise 2–8 Tausendstel (0,05 bis 0,2
mm) größer als
die Dicke der Scheibe 24. Variationen in der Folien- oder
Folienbeschichtungsdicke verursachen natürlicherweise Kompensationsvariationen
im Abstand zwischen der Gleitplatte 28 und dem Gehäuse 22.
Daher werden Variationen im Lagerschwingraum und der Lagersteifheit
als Folge von Toleranzen in der Foliendicke verhindert.
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Wie
in den 3–5 gezeigt, umfaßt das Gleitlager-Federfolienteil 42 im
wesentlichen ein äußeres Haltefolienelement 44,
ein Federfolienelement 46 und ein inneres Haltefolienelement 48.
Das äußere Haltefolienelement 44,
gezeigt in 3, schließt im wesentlichen
einen inneren Verbindungsring 52 und einen äußeren selbst-trimmenden
Ring 54 mit einer Vielzahl (gezeigt sind zwölf) von
Federabstandsfolien 50 ein, die sich dazwischen erstrecken.
Die Federabstandsfolien 50 bestehen aus einem inneren gekrümmten Folienbereich 56,
welcher sich auswärts vom
inneren Verbindungsring 52 in einem Vorwärtswinkel
erstreckt, und einem äußeren gekrümmten Folienbereich 58,
welcher sich einwärts
von dem selbst-trimmenden Ring 54 in einem Vorwärtswinkel erstreckt.
Die Folienbereiche 56 und 58 sind normal vierzig
Grad vom Umfang an allen Punkten entlang ihrer Länge ausgerichtet. Die Folienbereiche 56 und 58 treffen
mit einem nasenförmigen
Folienbereich 59 zusammen. Der Folienbereich 58 ist
mit dem selbsttrimmenden Ring 54 durch einen radialen Verbinder oder
Haltesteg 60 verbunden. Die Federabstandsfolie 50 ist
der Verbindung zum inneren Verbindungsring 52 am schmalsten
und steigt graduell in der Breite zu dem Punkt oder Platz der Nase
und geht weiter, um graduell in Breite im äußeren Folienereich 58 zum Verbindergewebe 60 anzusteigen.
Der Verbindesteg 60, welcher nicht gebogen ist, hat eine
grössere
konstante Breite. Eine Vielzahl von Rastvorsprüngen (als 4) gezeigt) erstrecken sich einwärts vom äußeren selbst-trimmenden
Ring 54, um eine genaue Ausrichtung des äußeren Haltefolienelements 44 mit
den anderen Elementen des Gleitlager-Federfolienteils 42 zu
ermöglichen.
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Das
innere Haltefolienelement 48 ist in 5 dargestellt und schließt einen
inneren Verbindungsring 66, einen äußeren selbsttrimmenden Ring 68 und
Rastvorsprünge 69,
identisch mit und ausgerichtet mit den entsprechenden Elementen
des äußeren Haltefolienelements 44,
ein. Eine Vielzahl von im wesentlichen nasenförmigen Haltefolienpads 70 (gezeigt
sind zwölf)
erstrecken sich zwischen dem inneren Verbindungsring 66 und
dem äußeren selbsttrimmenden
Ring 68. Der innere Bereich 72 des Haltefolienpads
ist ihm am schmalsten, wo er am inneren Verbindungsring 66 verbunden
ist und steigt graduell in der Breite bis zu dem Streifen der Nase,
wo er den breiteren äußeren Folienbereich 73 trifft,
welcher sich zurück
zu einem ein bisschen schmaleren Verbindungssteg 74 erstreckt.
Im Gegensatz zu dem breiteren Verbindungssteg 60 des äusseren
Haltefolienelements 44, biegt sich der Verbindungssteg 74 des
inneren Haltefolienelements 48. Der interne Winkel zwischen
dem inneren Haitefolienpadbereich 72 und dem äusseren
Haltefolienbereich 73 würde
im wesentlichen achtzig Grad sein. Da sich das innere Haltefolienelement 48 biegt,
ist der Verbindungssteg 74 schmaler und ist nicht radial,
aber im wesentlichen mit dem gleichen Winkel wie der breitere Folienbereich 73,
gewinkelt.
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4 stellt das Federfolienelement 46 dar, welches
einen äußeren selbsttrimmenden
Ring 76 und Rastvorsprünge 77,
identisch mit und ausgerichtet mit den entsprechenden Elementen
im äußeren Haltefolienelement 44 und
im inneren Haltefolienelement 48, einschließt. Eine
ringförmige
Federmatrix 78 ist durch eine Vielzahl (gezeigt sind zwölf) gewinkelten
Verbindern oder Haltestegen 80 angeordnet. Der innere Durchmesser
der ringförmigen
Federmatrix 78 ist leicht größer als der innere Durchmesser
der inneren Verbindungsringe 52, 66.
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Die
ringförmige
Federmatrix 78 schließt
eine Vielzahl von im wesentlichen nasenförmigen Fluidfolienhaltepads 82 ein,
die sich vom gewinkelten Haltesteg 80 zum inneren Durchmesser
der ringförmigen
Matrix 78 erstrecken, und wechselweise dazwischen eine
gleiche Anzahl von im wesentlichen nasenförmigen Abstandspads 83.
Eine Vielzahl von Reihen (gezeigt sind elf) von beabstandeten Ringschlitzen 84 erstrecken
sich vom inneren Durchmesser der Ringfedermatrix 78 zum äußeren Durchmesser
dazu. Die Reihen der Ringschlitze 84 nehmen in der radialen
Breite vom inneren Durchmesser zum äußeren Durchmesser ab. Die Reihen
der Ringschlitze 84 bilden eine im wesentlichen nasenförmige Säulen, die
sich zwischen jedem benachbarten Fluidfolienhaltepad 82 und
dem Abstandspad 83 erstreckt, so daß vierundzwanzig nasenförmige Säulen von
Schlitzen 84 gebildet sind.
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Wie
am Besten in 6 dargestellt,
umfaßt das
Gleitlager-Federfolienteil 42 das Federfolienelement 46,
eingebettet zwischen dem äußeren Haltefolienelement 44 und
dem inneren Haltefolienelement 48. Die Haltefolienpads 70 des
inneren Haltefolienelements 48 überlappen die Haltestege 80 und
die Fluidfolienhaltepads 82 des Federfolienelements 46.
Die Federabstandsfolien 50 des äußeren Haltefolienelements 44 unterlegen
die Abstandspads 83 des Federfolienelements 46.
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Ein
alternatives Gleitlager-Federfolienteil 85 ist in 7 gezeigt. Bei dieser Alternative
weist die Federabstandsfolie 86 einen inneren Folienbereich 87 und
einen äußeren Folienbereich 88 auf,
verbunden zum Bilden einer kugeligen Nasenform, und der Verbindungssteg 89 ist
gewinkelt zum äusseren selbsttrimmenden
Ring 5' zur
Verbindung mit dem äußeren Folienbereich 88 der
alternativen Federabstandsfolie 86. Zwischen zwei individuellen
Federabstandsfolien ist, wie gezeigt, ein Bereich einer Federmatrix 95 dargestellt.
Diese Federmatrix 95 schließt in Umfangsrichtung Schlitze 96 nur
zwischen benachbarten inneren Folienbereichen 87 ein, wobei die
Schlitze 96 in Umfangsrichtung in der Länge und in radialer Breite
zum inneren Durchmesser der Fedennatrix 95 ansteigen.
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8 stellt ein anderes alternatives
Gleitlager-Federfolienteil 100 dar, in welchem zwei Haltefolienpads 102 für jede Federabstandsfolie 103 sind, wobei
ein Haltefolienpad 102 auf jeder Seite einer Federabstandsfolie 103 angeordnet
ist. Der Abstand in Umfangsrichtung zwischen den nachschleppenden
Kanten Haltefolienpad 102 und der Federabstandsfolie 103 ist
kleiner als der Abstand in Umfangsrichtung zwischen der Federabstandsfolie 103 und
dem Führungskanten-Haltefolienpad 102.
Zusammen schafft diese Anordnung einen Kippad-Typ zum Halten für das nachgebende
Fluidfolienteil. Zum Zwecke der Darstellung ist eine Federmatrix 110 mit einer
Gruppe von zwei Haltefolienpads 102 und einer Federabstandsfolie 103 gezeigt.
In dieser Ausgestaltung sind die Schlitze 111 in der Federmatrix 110 auf den
Raum zwischen den inneren Bereichen der Haltefolienpads und der
Abstandsfolien beschränkt.
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17 stellt das alternative
Gleitlager-Federfolienteil 100 aus 8 dar, welches das Fluidfolienelement
oder -scheibe 154 aus 9 hält. Die starren Linien
zeigen die Stellungen des Gleitlager-Federfolienteils 100 und
des Fluidfolienelements 154 im Stillstand, während die
gestrichelten Linien ihre relativen Stellungen bei Betriebsdrehzahl
unter fluiddynamischer Belastung liefern und demonstriert, wie die
konvexe Oberfläche
in Umfangsrichtung auf der Fluidfolienoberfläche bei Betriebsdrehzahl gebildet
wird.
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Die
individuellen Elemente des Gleitlager-Federfolienteils 42 können aus
flachen Blättern durch
optische Masken und chemische Ätztechniken gebildet
werden. Ein Nickelstahl wie Inconel 750X ist ein geeignetes Material
für die
Federfolienelemente, die eine Dicke von ungefähr 0,1 mm (0,004 Zoll) aufweisen.
Die Federfolienelemente würden
normalerweise wärmebehandelt,
um die volle Härte über zwanzig
Stunden in einem Vakuumofen bei 704°C (1300 Grad Fahrenheit) zu
erreichen. Die drei individuellen Elemente des Gleitlager-Federfolienteils 42 können durch
Stapeln der Federfolie und der zwei Haltefolien ohne Kleben montiert
werden. Die relative Mikrobewegung dieser Folien bei Verwendung
liefert die Coulomb-Dämpfung.
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9 stellt ein Fluidfolienelement 40 dar, welches
integriert aus einem einzigen flachen Fluidfolienelement oder -scheibe 154 gebildet
ist. Die individuellen fluiddynamischen Folien 155 sind
aus einem flachen Blech aus Nickelstahl wie Inconel 750X bei Raumtemperatur
durch Pressen steil geschlitzter Überlappungen gebildet, um als
divergierende Keilkanäle
zu funktionieren, während
den graduell konvergierenden Keilkanälen erlaubt ist, sich ohne
plastische Deformation als die direkte Linie zwischen den Überlappungen
zu ergeben. Die Fluidfolienteile würden normalerweise beide während des
Formens geglüht
und verwenden und können
wie bekannt beschichtet sein, wobei die Überlappungen mit irgendeiner
Anzahl von einer Unzahl von Niedrigreibungs- oder reibungsreduzierender
Beschichtungswerkstoffe gebildet werden, welche das Metall vor Verschleiß während des
Startens und Anhaltens und unabsichtlichen und gelegentlichen Hochgeschwindigkeitsaufsetzen
schützen
können.
Die Beschichtung würde
auch eine Einbettung von Kontaminationspartikeln liefern.
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Die
individuellen fluiddynamischen Folien 155 (gezeigt sind
zwölf)
sind im wesentlichen zickzackförmig
und mit einem äußeren selbsttrimmenden Ring 158 durch
Haltestege 159 verbunden. Fluiddurchführungen 160 sind zwischen benachbarten Haltestegen 159 gebildet.
Jede vierte Fluiddurchführung 160 schließt einen
verschachtelten Streifen 162 ein. Jede aerodynamische Folie 155 weist
eine nachschleppende Kante 164 mit abgerundeten nachschleppenden
Punkten 165 und einer Führungskante 166,
eine im wesentlichen gerade Rampenkontur von der Führungskante 166 zur
nachschleppenden Kante 164 und eine gerundete konkave Kontur
von der Umfangslinie, welche sich vom gerundeten nachschleppenden
Punkt 165 der nachschleppenden Kante 164 zum äußeren Durchmesser
der aerodynamischen Folie 155 und zum inneren Durchmesser
der aerodynamischen Folie 155 erstreckt, auf. Dies gibt
der Folie im wesentlichen eine Löffelform,
wie am Besten in den zwei Schnittansichten der 10 und 11 dargestellt.
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12 stellt im wesentlichen
vertikale Linien der Erhöhung
für die
entsprechenden, durch Buchstaben in 11 gekennzeichnete
Punkte dar. Die Erhöhungslinien
von A bis D (alphabetisch) repräsentieren
den steilen divergierenden Keilkanal, während die Erhöhungslinien
von D bis I (alphabetisch) die oberflächlichen konvergierenden Keilkanäle repräsentieren.
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Die
Form der fluiddynamischen Folien 155, nämlich ein offener Kanal, induziert
regenerative Wirbelströmungsmuster
im Prozeßfluid
quer zur Folie, wie im wesentlichen in 14 gezeigt. Wie am Besten in 13 dargestellt, betritt
das Prozeßfluid
im wesentlichen die Führungsoberfläche der
Folie 155 von den nachschleppenden Kanten der vorhergehenden
Folie, Pfeil M. Jegliches Aufbereitungsprozeßfluid wird vom inneren und äußeren Durchmesser der
Führungskante
geliefert, Pfeile N und O. Pfeile P und Q am inneren und äußeren Durchmesser
der nachschleppenden Kanten 164 repräsentieren entsprechend den
beschränkten
Betrag der Strömungsleckage
aus diesen Bereichen.
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15 stellt die Linien konstanter
Erhöhung bei
Stillstand durch gestrichelte Linien 169 dar. Umfängliche
und radiale Linien der Erhöhung
sind in der isometrischen Ansicht der 16 gezeigt,
mit umfänglichen
Linien, bezeichnet mit 170 und mit radialen Linien, bezeichnet
mit 171. Die umfänglichen
Linien 170 sind bei Stillstand gerade, werden aber unter
dem Einfluß der
fluiddynamischen Kräfte
bei Betriebsdrehzahl konvex.
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Die
nachgebenden Fluidfolienteile 40 sind zu den zwei Gleitseiten
der Scheibe 24 benachbart angeordnet. Die Federfolienteile 42 schaffen
ein Halten für
die Fluidfolienteile 40, erlauben ihnen aber, der axialen
und umkippenden Bewegung der Scheibe 24 zu folgen. Die
durch die Fluidfolienteile auf die Gleitscheibe durch den strömungsgesteuerten
Fluidprozeß einwirkenden
Kräfte
verändern
sich invers zum Folien-Scheiben-Spalt und verändern sich proportional zur
Scheibenbiegung. Das innere Haltefolienelement 48 des Gleitlager-Federfolienteils 42 liefert Druckpunkte
oder -linien, die das Biegen des flachen Federfolienelements 46 induzieren,
wenn sich die Scheibe 24 und das Fluidfolienelement 40 bewegen. Das äußere Haltefolienelement 44 des
Federfolienteils 42, welches sich nicht verbiegt und an
die zentrale Lagergehäuseausnehmung 26 oder
die Gleitplatte 28 stößt, liefert
auch Druckpunkte oder -linien, um die Fluidfolienteilverbiegung
zu induzieren.
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Die
Gleitplatte 28 ist gegen die Gleitoberfläche des
zentralen Lagergehäuses
durch eine integrierte Feder vorgespannt, wird vom zentralen Lagergehäuse 22 durch
die Gesamtdicke des äußeren selbst-trimmenden
Rings des Fluidfolienteils 40 und des Federfolienelements 42 und
der Dicke des Gleitlagerabstandhalters 32 und ferngehalten.
Der Gleitlagerabstandhalter 32 ist geringfügig dicker
als die Scheibe 24, so daß ein kleines Spiel zwischen
dem Fluidfolienelement 40 und der Schiebe 24 gebildet ist,
das durch die normalen Variationen der Folie oder Folienbeschichtung
nicht beeinflußt
wird. Das Lager weist keine Vorspannkraft auf und weist ein Anlaufdrehmoment
von Null auf, wenn die Rotationsachse der Scheibe neunzig Grad zur
Gravitationskraft ausgerichtet ist. Mit den regenerativen, durch
die Kontur der Fluidfolienelemente bestimmten Wirbelströmungsmustern
wird das Lagerlaufspiel durch eine Anforderung der Höhe signifikant
verbessert (gesteigert) und die Abhebdrehzahl wird signifikant geringer als
zuvor möglich.
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Die
in der Oberfläche
der Fluidfolienteile gebildeten konvergierenden Keilkanalrampen
weisen abgerundete gekrümmte
Profile mit konkaven radialen Krümmungen,
flachen Schlitzen in Umfangsrichtung bei Stillstand und konvexen
Krümmungen
bei Betriebsdrehzahl auf, wenn fluiddynamische und Federkräfte auf
die Folienteile einwirken. Die Profile werden als Löffel mit
radial breiten Fluidströmungseinlässen, einer
radial sich nähernden
Kanalbreite entlang des Fluidströmungswegs
in Umfangsrichtung und gerundeten, nachschleppenden Kanten in Umfangsrichtung
ausgebildet und funktionieren. Dieses regenerative Vielweg-Wirbelfluidströmungsmuster verhindert
Fluiddruckverluste, wenn das Prozeßfluid sich normalerweise in
einer Umfangsrichtung die „Rampe
herunterbewegt",
die entgegengesetzt zur Drehung der zu dem Fluidfolienteil benachbarten Gleitscheibe
ist.
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Das
Federfolienelement erzeugt lokale Federkonstanten, die mit der radialen
Stellung variieren, so daß sie
Variationen im Fluiddruck in den zu den lokalen Bereichen des Federfolienteils
benachbarten konvergierenden Keilkanälen passen. Die zwei gemusterten
Haltefolien funktionieren als versetzte Hebeldrehpunkte, welche
das andere flache Federfolienelement zwingen, sich zu biegen und
als eine Feder zu funktionieren, wenn Kraft zwischen den inneren
und äußeren Haltefolien
einwirkt. Wenn die inneren Drehpunkthaltelinien verdoppelt werden, wird
ein Kipptyp-Haltepad für
das Fluidfolienteil geschaffen. Dies ist am Besten in 17 mit den gepunkteten Linien
gezeigt, die die Stellung unter Last anzeigen.
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Die
ringförmige
Federmatrix verwendet umfängliche
oder gewinkelte Schlitze unterschiedlicher Länge und Breite, um die lokalen
Federkonstanten des inneren Bereichs des Federfolienteils festzulegen
und verwendet auch unterschiedliche Plattenträger-Auslegerlängen, um
die lokalen Federkonstanten des äußeren Bereichs
des Federfolienteils zu bestimmen. Die Federmatrixschlitze zwingen
straffe Linien, sich in Umfangsrichtung zu bewegen. Die radiale
Federkonstante ist bei größeren Durchmessern
nominal höher,
weil die Geschwindigkeit des Prozeßfluids in Umfangsrichtung
größer ist.
Aber die Federkonstante muß auch
in der Nähe
des inneren und äußeren Durchmessers
infolge der Fluidströmungsleckage
reduziert werden. Die Federkonstante steigt leicht vom äußeren Durchmesser
zur Nase wegen der verringerten Plattenträger-Auslegerlänge. Die Federkonstante nimmt
von der Nase zum inneren Durchmesser (trotz der abnehmenden Plattenträger-Auslegerlänge) wegen
der radialen Orientierung des Trägers
und der verringerten Trägerbreite
ab.
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Die
löffelförmigen konvergierenden
Keilkanäle,
gebildet auf der Oberfläche
der Fluidfolienteile, induzieren Wirbelfluidströmungsmuster und beschränken Prozeßfluid-Strömungsverluste
von den Kanälen
an den radial inneren und äußeren Kanten der
Folien. Zusammen mit der selbst-trimmenden Konstruktion und andern
Merkmalen der vorliegenden Erfindung liefert dies ein Gleitlager,
das eine hohe Lasttragkapazität,
gute Dämpfung,
eine Vorspannkraft von Null, ein geringes Anlaufmoment, geringe
Abheb-/Aufsetzdrehzahlen und geringen Verschleiß aufweist. Zusätzlich wird
dies alles mit einer geringen Anzahl an Bauteilen, geringen Herstellkosten
und einfacher Montage erreicht.
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Während spezifische
Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt wurden und beschrieben
wurden, soll es verständlich
sein, daß diese
nur als Beispiel geschaffen sind, und daß die Erfindung nicht konstruiert
wurde, um hierauf beschränkt
zu sein, sondern richtige Auslegung der folgenden Ansprüche.