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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Lager und insbesondere gasdynamische Folienlager mit Gasschmierung,
die für
die axiale und radiale Lagerung von Rotoren verwandt werden, die
sich mit einer hohen Geschwindigkeit in einem Turbomechanismus, beispielsweise
einem Turbokühler,
einem Turboexpander, einem Turbokompressor, einem Turbolader, einem
Turbogenerator und einer Turbopumpe drehen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
insbesondere ein gasdynamisches Folienlager, das im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
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Technischer Hintergrund
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Ein gasdynamisches Folienlager ist
in seinem Aufbau einfach und kann wirtschaftlich hergestellt werden.
Es wird daher in weitem Umfang bei, kleinformatigen Maschinen verwandt.
Ein, bekanntes Lager, das in der US-A-3 893 733 beschrieben ist,
ist ein eigendruckerzeugendes hydrodynamisches Folienlager, das
elastische Folien, die für
eine Halterung zwischen einem beweglichen und einem ortsfesten Lagerelement
sorgen, und elastische Folienhalterungen umfasst, um die Folien
zu stützen
und zu versteifen.
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Ein herkömmliches Axialgasfolienlager,
auf dem der Oberbe- griff des Anspruchs 1 basiert, ist im Patent
der Sowjetunion Nr. 1754949 beschrieben und in 1 dargestellt. Wie es in 1 dargestellt ist,
weist das Axialgasfolienlager eine Platte 1, die an einer
Unterlage 10 befestigt ist, Halteelemente 2, die, durch
Schweißen
auf der Platte 1 befestigt sind, und elastische Folien 3 auf,
die an den Halteelementen 2 durch Schweißen so angebracht
sind, dass die elastischen Folien 3 einander überlappen,
wie es dargestellt ist. Die elastische Folie 3 weist dabei
einen Halteteil 3a auf, der dessen hinteres Ende bildet
und nicht am Halteelement 2 angebracht ist, wobei der Rand 3b der
elastischen Folie 3 mit der benachbarten Folie 3 in
Kontakt steht. Der Krümmungsradius der
elastischen Folie 3 nimmt von R1 auf R2 in Richtung auf
den Rand 3b ab. Eine Druckscheibe 11, die mit
einem Rotor (nicht dargestellt) beispielsweise einer Drehwelle verbunden
ist, befindet sich auf den elastischen Folien 3.
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Wenn sich die Druckscheibe 11 dreht
die mit dem Rotor verbunden ist, wird Gas in den Zwischenraum zwischen
der Druckscheibe 11 und den elastischen Folien 3 gesaugt,
wodurch die Druckscheibe 11 von den elastischen Folien 3 abgenommen
wird, bis deren Drehgeschwindigkeit eine normale Abhebegeschwindigkeit
erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die elastisehe Folie 3 durch
den Rand 3b der benachbarten Folie 3 nach unten
gedrückt
und elastisch verformt, so dass sie die obere Außenfläche der Platte 1 an
einer Stelle- A (2)
kontaktiert. Die untere Außenfläche der
geformten Folie 3 steht gleichzeitig in Kontakt mit dem
Halteteil 3a der benachbarten Folie 3 an der Stelle
B und wird durch diesen elastisch gehalten.
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Das herkömmliche Axialgasfolienlager
hat jedoch mehrere Nachteile. Da der Halteteil 3b, der die
benachbarte elastische Folie 3 hält, in einem Stück mit der
elastischen Folie 3 aus dem gleichen Material ausgebildet
ist, kann er einer durch die axiale Belastung elastisch verformten
Folie 3 zusätzlich keine
ausreichende Festigkeit geben. Die elastische Folie 3 wird
somit nach unten verformt, bis sie die obere Außenfläche der Platte 1 kontaktiert,
was dazu führt,
dass die axiale Versetzung der Druckscheibe 11 oder des
damit verbundenen Rotors während
der anfänglichen
Arbeit des Lagers zunimmt.
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Darüber hinaus sind die Dämpfung gegenüber einer
axialen Last und die Lastaufnahmefähigkeit des Lagers schlecht,
da die elastischen Folien 3 die Platte 1 während der
Arbeit bei nor maler Abhebegeschwindigkeit kontaktieren. Die elastische
Folie 3 hat weiterhin einen Radius, der allmählich zum
Rand 3b hin kleiner wird, was die Herstellung kompliziert
und schwierig macht.
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Beschreibung
der Erfindung
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung ein gasdynamisches Folienlager zu schaffen, das die Versetzung
der Druckscheibe oder der Achse während des anfänglichen
Betriebes vermindert, die Lastaufnahmekapazität des Lagers erhöht und seine Herstellung
vereinfacht.
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Gemäß der Erfindung wird ein gasdynamisches
Folienlager geschaffen, das eine Platte, die an einer Unterlage
angebracht ist, Halteelemente, die in bestimmten Intervallen auf
der Platte befestigt sind, elastische Folien, die mit einem Ende
an den Halteelementen so angebracht sind, dass sie einander überlappen,
und eine Druckscheibe umfasst, die mit einem sich drehenden Rotor
zu verbinden ist und auf den elastischen Folien angeordnet ist,
welches gekennzeichnet ist durch,wenigstens eine gebogene Feder,
die zwischen den elastischen Folien und der Platte im Überlappungsbereich
der elastischen Folien angeordnet ist, um die elastischen Folien
zu stützen,
wobei die Bogenhöhe
der gebogenen Feder vom Innenradius der Platte zum Außenradius
zunimmt, während
ihre Breite vom Innenradius der Platte zum Außenradius abnimmt.
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Die elastische Folie hat dieselbe
Krümmung über ihre
gesamte Länge
und die gebogene Feder besteht aus einem Arbeitsteil, der die elastische
Folie stützt
und elastisch verformt ist, und Verbindungsteilen auf einer oder
beiden Seiten davon, die mit der Platte an einer Stelle außerhalb
des Lagerbetriebsbereiches zwischen dem Innenradius und dem Außenradius
der elastischen Folie verbunden sind.
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Alternativ sitzt die gebogene Feder
auf einer Rille, die in einer Positioriierungsplatte ausgebildet ist,
die mit der Platte verbunden ist, und wird die gebogene Feder durch
die elastische Folien an einem Herausfallen aus der Rille gehindert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Festigkeit der elastischen Folienpackung durch die Festigkeit
der elastischen Folien während
des Anfangsbetriebes und durch die Festigkeit der gebogenen Feder
während
des normalen Abhebebetiriebes bestimmt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 und 2 zeigen Schnittansichten eines herkömmlichen
Axialgasfolienlagers,
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3 und 4 zeigen Schnittansichten
eines weiteren druckgasdynamischen Folienlagers, das eine gebogene
Feder umfasst und nicht unter den Umfang der Ansprüche fällt,
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5 zeigt
eine Draufsicht auf das druckgasdynamische Folienlager, das in 4 dargestellt ist,
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6 zeigt
in einer 5 ähnlichen
Ansicht die Verbindung der Halteelemente und der gebogenen Feder,
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7 zeigt
eine Schnittansicht eines. weiteren Beispiels der Verbindung der
gebogenen Feder im druckgasdynamischen Folienlager von 4,
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8 zeigt
in einer Schnittansicht- den Zustand des druckgasdynamischen Folienlagers
bei normaler Abhebegeschwindigkeit,
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9 zeigt
in einer Draufsicht die Verbindung der gebogenen Federn von 7,
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10 zeigt
in einer Draufsicht ein Beispiel der gebogenen Feder gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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11 zeigt
eine Schnittansicht längs
der Linie XI–XI
in 10,
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12 zeigt
in einer graphischen Darstellung die Änderung in der Druckscheibenhöhe H in Abhängigkeit
von der axialen Belastung F im druckgasdynamischen Folienlager.
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Bestes Ausführungsbeispiel
der Erfindung
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Ein gasdynamisches Folienlager der
vorliegenden Erfindung kann entweder als Axiallager oder als Radiallager
verwandt werden. Ein gasdynamisches Folienaxiallager ist in 3 und 4 dargestellt. Wie es in den Zeichnungen
dargestellt ist, umfasst das gasdynamische Folienlager eine Platte 13,
die an einer Unterlage 10 angebracht ist und Halteelemente 14 aufweist,
die in bestimmten Intervallen fest, beispielsweise durch Schweißen und
Kleben daran angebracht sind oder durch Ätzen oder Plattenverformung
ausgebildet sind, und elastische Folien 15, die auf den
Halteelementen 14 der Platte 13 an einem ihrer
Enden ebenfalls durch Schweißen
befestigt sind. Die elastischen Folien 15 überlappen
einander und der Rand 16 jeder elastischen Folie 15 sitzt
auf der oberen Außenfläche der
benachbarten elastischen Folie 15.
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Wie es in den 5 und 6 dargestellt ist, ist die Verbindung zwischen
dem Ende der elastischen Folie 15 und dem Halteelement 14 (siehe 4) und zwischen der Platte 13 und
dem Halteelement 14 an einer Stelle 14a und 14b vorgesehen,
die außerhalb des
Lagerbetriebsbereiches zwischen dem Innenra- dius Ri und dem Außenradius
Re der elastischen Folie 15 liegt. Das Halteelement 14 und
die elastische Folie 15 sind dabei vorzugsweise an den
Stellen 14a und 15a in Richtung auf den Außenradius
der Platte 13 oder an beiden Stellen 14a und 14b und 15a und l5b jeweils
verschweißt.
Die elastische Folie 15 kann weiterhin eine Breite haben,
die vom fest angebrachten Teil zum Rand 16 allmählich kleiner
wird.
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Eine bogenförmige gebogene Feder 17 zum Stützen der
elastischen Folie 15 ist zwischen der elastischen Folie 15 und
der Platte 13 im Überlappungsbereich
der elastischen Folien 15 angeordnet. Die gebogene Feder 17 hat
eine Festigkeit, die größer als
die der elastischen Folie 15 ist.
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Wie es in 6 dargestellt ist besteht die gebogene
Feder 17 aus einem Arbeitsteil 17c, der die elastische
Folie 15 stützt
und elastisch verformt ist, und Verbindungsteilen 17a und 17b auf
dessen beiden Seiten. Die gebogene Feder ist auf der Platte 13 dadurch
angebracht, dass die Verbindungsteile 17a und 17b an
die Platte 13 an Stellen geschweißt sind, die außerhalb
des oben erwähnten
Lagerbetriebsbereiches liegen. Dabei ist die gebogene Feder 17 vorzugsweise
an der Stelle 17b in Richtung auf den Außenradius
der Platte 13 oder an beiden Stellen 17a und 17b verschweißt.
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Wie es in den 7 und 9 dargestellt ist, ist alternativ eine
Positionierungsplatte 27, die eine Rille aufweist, die
auf eine bestimmte Tiefe ausgebildet ist, auf die Platte 13 geschweißt und sitzt
die gebogene Feder 17 lose auf der Rille der Positionierungsplatte 27.
Dabei hat die Rille ausreichenden Spielraum für eine elastische Verformung
der gebogenen Feder 17. Diese Art des Aufbaus stellt eine
Selbstinstallation der gebogenen Feder 17 an der Platte 13 sicher
und die elasti– sche
Folie 15 verhindert, dass die gebogene Feder 17 aus
der Positionierungsplatte 27 herausfällt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
nimmt die Bogenhöhe
Ha der gebogenen Feder 17 vom Innenradius der Platte 13 zum
Außenradius
zu, während
ihre Breite W vom Innenradius der Platte 13 zum Außenradius
abnimmt, wie es in l0 und 11 dargestellt ist.
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Eine Druckscheibe 11, die
mit einem Rotor, beispielsweise einer Drehachse-verbunden ist, befindet
sich weiterhin auf der elastischen Folie 15.
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Bei der Arbeit des gasdynamischen
Folienaxiallagers, während
sich der Rotor und die Druckscheibe 11 in die durch einen
Pfeil in 4 angegebene
Richtung drehen, zieht die Druckscheibe 11 Gas in einen
Kontraktionsbereich, d. h. in den Bereich zwischen der Druckscheibe 11 und
den elastischen Folien 15 ein. Der Gasdruck im Kontraktionsbereich
nimmt schnell zu, wodurch die Druckscheibe 11 von den elastischen
Folien 15 getrennt wird, wie es in 8 dargestellt ist.
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Die Belastungscharakteristiken des
gasdynamischen Folienaxiallagers während des Betriebes werden
im Folgenden im Einzelnen anhand von 12 beschrieben,
die die Änderung
in der Höhe
H in der Druckscheibe 11 (siehe 4) gegenüber der Platte 13 in
Abhängigkeit
von der Last F zeigt, die, an der Druckscheibe 11 liegt.
Die Kurve I zeigt dabei ein gasdynami- sches Folienaxiallager, das
in den 4 bis 12 dargestellt ist und die
Kurve II zeigt ein herkömmliches
Lager, das in den 1 und 2 dargestellt ist.
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Wenn eine relativ kleine Last unter
eine Last F1, beispielsweise eine Last, die während des Anfangsbetriebes
des Lagers anliegt, auf die Druckscheibe 11 wirkt, ändert sich
die, Druckscheibenhöhe H
abrupt von HO auf H1, wobei H1 durch den folgenden Ausdruck bestimmt
ist:
HI = Hmin
+ Hsp (1)
Hmin = 2δf + δsp (2)
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Hsp ist dabei, die Höhe des Bogens
der gebogenen Feder, Hmin ist der kleinste Abstand zwischen der
Druckscheibe 11 und der Platte 13, δf ist die
Stärke
der elastischen Folie und δsp ist
die Stärke
der gebogenen Feder. Das heißt,
dass die Druckscheibe 11 die elastische Folie 15 im
Kontaktbereich zwischen der Stelle C (siehe 4) und der Stelle D kontaktiert und dass
das Profil der Kurve während des
Anfangsbetriebes durch die Festigkeit der elastischen Folien 15 bestimmt
ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Verformung der gebogenen Feder 17 aufgrund
ihrer hohen Festigkeit vernachlässigbar.
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Die gebogene Feder 17 beginnt
sich zu verformen, wenn die Druckscheibenhöhe H weiter abnimmt. Dann beginnt
die Festigkeit der gebogenen Feder 17 die Festigkeit des
elastischen Fo- 1ienpaketes
zu bestimmen und nimmt diese Festigkeit abrupt zu. Bei einer Druckscheibenhöhe H unter
H1 nimmt die durch die Druckscheibe 11 aufnehmbare Last
schnell von F1 zu.
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Bei einem Turbomechanismus wird gewöhnlich einzweiseitiges
Rxiallager verwandt. Um dabei die axiale Versetzung zu verringern
ist das Axiallager mit elastischen Folien 15 aufgebaut,
die etwas dadurch verformt sind, dass sie durch, eine axiale Vorlast
zusammengedrückt
sind. Wenn H > H1
ist, führt gemäß der Erfindung
eine geringe Änderung
in der Last F zu einer großen Änderung
in der Druckscheibenhöhe
H, wodurch die axiale Vorlast verglichen mit dem herkömmlichen
Lager herabgesetzt wird, das durch die Kurve II wiedergegeben ist.
Vorausgesetzt, dass die vorhergehende Montagehöhe der Druckscheibe Hp ist,
ist insbesondere eine Last FI für
die Kurve I (vorlie- gende Erfindung) und eine Last FII, die größer als
FI ist, für
die Kurve II (herkömmliches Lager)
erforderlich. Die Trennung der Druckscheibe von der elastischen
Folie für
die Kurve II macht somit eine Last erforderlich, die höher als
die für
die Kurve I ist, was zu einer erheblichen Zunahme in der Abhebedrehgeschwindigkeit
der Druckscheibe führt.
Die Zunahme in der Abhebegeschwindigkeit bewirkt einen Reibungsverlust
zwischen der elastischen Folie 15 und der Druckscheibe 11,
was die Betriebslebensdauer, d. h. die Rotor-Start-Stopp-Zahl verringert.
Da die Abhebedrehgeschwindigkeit des gasdynamischen Folienlagers
gemäß der Erfindung
relativ niedrig ist kann das Lager bei Rotoren mit nicht hoher Geschwindigkeit
angewandt werden und nimmt die Lebensdauer zu.
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Da die Druckscheibe 11 weiterhin
die elastische Folie 15 über einen relativ großen Bereich
der Länge
im Kontaktbereich zwischen den Punkten C und D kontaktiert und diese
eine relativ kleine Anfangskrümmung
hat, nimmt die Kontaktspannung, die durch die Druckscheibe 11 auf
die elastische Folie 15 ausgeübt wird, ab. Das erhöht die Lebensdauer des
Turbomechanismus erheblich.
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Wie es in 12 dargestellt ist, ändert sich die Druck- scheibenhöhe H von
HO auf H1, während sich
die Druckscheibenhöhe
des herkömmlichen
Lagers von He auf H2 ändert.
Die Versetzung der Druckscheibe nimmt gemäß der Erfindung somit ab.
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Wenn H < H1 ist, sind die Lagerlastaufnahmefähigkeit
und die Dämpfung
durch die hohe Festigkeit der gebogenen Feder 17 verbessert.
In diesem Bereich ändert
sich die Form der gebogenen Feder 17 von einer Bogenform
in eine geradlinige Form, wie es in 8 dargestellt
ist. Dabei bleiben die Enden der gebogenen Feder 17 bogenförmig und
tritt ein geradliniger, Teil in der Mitte zwischen den Kontaktpunkten
E und F der elastischen Folie auf, wobei die Länge mit zunehmender Last ansteigt.
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Die elastischen Folien 15 sind
weiterhin durch die gebogene Feder so gehalten, dass sie bei normaler
Abhebegeschwindigkeit nahezu eben bleiben. Wie es aus der Theorie
der Gasschmierung bekannt ist, tritt die maximale Belastungsaufnahmefähigkeit
der Schmierschicht am sich verjüngenden Eingangsbereich
des Schmierungsschichtprofils und dem flachen Teil auf. Die Lagerlastaufnahmekapazität nimmt
daher zu.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Wie es oben beschrieben wurde hat
das gasdynamische Folienlager den Vorteil der Verringerung der maximalen
axialen Versetzung und der Verbesserung der Lagerlastaufnahmefähigkeit.
Die elastische Folie hat weiterhin über ihre gesamte Länge die gleiche
Krümmung,
was ihre Herstellungvereinfacht und die Stabilität der Lagereigenschaften verbessert.