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FACHGEBIET
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Die
Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet von nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Lagern.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Nachgiebige
Folien-Fluidfilm-Schublager werden derzeit in verschiedenen Hochgeschwindigkeitsrotor-Anwendungen
benutzt. Diese Lager umfassen im Allgemeinen ein zweiseitiges Schubscheiben-Drehelement,
nicht drehende, nachgiebige Fluidfolienglieder, die das Drehelement
axial umschließen,
nicht drehende, nachgiebige Federfolienglieder, die die Fluidfolienglieder
axial umschließen,
und ein nicht drehendes Schubplattenelement und ein nicht drehendes
Gehäuseelement,
die die Folienglieder axial umschließen und Befestigungen dafür bereitstellen.
Der Abstand zwischen dem Drehelement und dem Schubplattenelement
an einer Seite des Lagers und der Abstand zwischen dem Drehelement
und der Schuboberfläche
des Gehäuseelements
an der anderen Seite des Lagers werden mit einem Fluid (gewöhnlich Luft)
gefüllt,
das die Folien einhüllt.
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Die
Drehbewegung des Drehelements übt viskose
Widerstandskräfte
auf das Fluid aus und induziert eine den Umfang betreffende Strömung des Fluids
zwischen der glatten Oberfläche
des Drehelements und der Fluidfolie. Der Raum zwischen dem Drehelement
und der Fluidfolie wird in mehrere fluiddynamische Keilkanäle unterteilt.
Diese Keilkanäle sind
typischerweise durch Widerstandsschweißen nachgiebiger, konvex gekurvter
Foliensegmente zu einer unterliegenden Trägerfolie ausgebildet worden. Die
Vorderrampen der Foliensegmente bezüglich der den Umfang betreffenden
Strömung
des Fluids und die glatte Oberfläche
des Drehelements bilden die beiden primären Oberflächen der zusammenlaufenden
Keilkanäle.
Die Hinterrampen und die glatte Oberfläche des Drehelements bilden
die primären Oberflächen der
auseinanderlaufenden Keilkanäle. Das
Fluid, das den Umfang betreffend entlang eines zusammenlaufenden
Keilkanals strömt,
erfährt
eine stetig abnehmende Strömungsfläche, eine
zunehmende, den Umfang betreffende Strömungsgeschwindigkeit und einen
zunehmenden statischen Fluiddruck. Wenn sich das Drehelement zu
dem nicht drehenden Element bewegt, nimmt der Konvergenzwinkel des
Keilkanals zu, was bewirkt, dass die Fluiddruckerhöhung entlang
des Kanals zunimmt. Wenn sich das Drehelement weg bewegt, nimmt
die Druckerhöhung
entlang des Keilkanals ab. Folglich übt das Fluid in den Keilkanälen Rückstellkräfte auf
das Drehelement aus, die sich mit laufenden Abstandsflächen verändern und
diese stabilisieren und den Kontakt zwischen den drehenden und nicht
drehenden Elementen des Lagers verhindern. Das Biegen und Gleiten
der Folien bewirkt eine Coulombsche Dämpfung jeder Axial- oder Umkippbewegung
des Drehelements des Lagers.
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Aufgrund
von Federvorspannkräften
oder Anziehungskräften
steht das Drehelement des Lagers bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten
typischerweise in physischem Kontakt mit den Fluidfoliengliedern
des Lagers. Dieser physische Kontakt führt zu Lagerabnutzung. Nur
wenn die Rotordrehgeschwindigkeit über dem liegt, was als Abhebe-/Aufsetzgeschwindigkeit
bezeichnet wird, stellen die fluiddynamischen Kräfte, die in den Keilkanälen erzeugt
werden, einen Laufzwischenraum zwischen den drehenden und nicht
drehenden Elementen sicher.
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Herkömmliche,
nachgiebige Folien-Fluidfilm-Schublager weisen fluiddynamische Keilkanalrampen
auf, die den Umfang betreffend ohne radiale Komponente zu den Rampenneigungen
zusammenlaufen oder auseinanderlaufen. Die zusammenlaufenden Keilkanalrampen
weisen keine Seitenwand oder andere Begrenzungen auf, um zu verhindern, dass
das Fluid an ihren inneren und äußeren Kanten aus
den Kanälen
ausströmt.
An der Hinterkante des zusammenlaufenden Keilkanals führen der
hohe Fluiddruck und das Fehlen von Radialströmungsbegrenzungen zu einem
Auslaufen der Radialströmung
aus dem Kanal, was wiederum zu einer Fluiddruckreduzierung, einem
Verlust der Lagerbelastungsfähigkeit und
einer Erhöhung
des Lagerwiderstands führt.
Das Auslaufen der Radialströmung
erfordert eine Zusatzströmung
am Anfang des zusammenlaufenden Keilkanals.
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Herkömmliche,
nachgiebige Folien-Fluidfilm-Schublager weisen primäre Fluidströmungsmuster
in den zusammenlaufenden Keilkanälen
auf, die Einkanal-Umwälzschleifen
sind. Aufgrund des viskosen Widerstands strömt das Fluid in den zusammenlaufenden
Keilkanälen,
die benachbart zu der Drehscheibe liegen, den Umfang betreffend
in die gleiche Richtung wie die Scheibenbewegung (die Rampe hoch).
Aufgrund des Umfangsdruckanstiegs entlang des Kanals strömt das Fluid
in den zusammenlaufenden Keilkanälen,
die benachbart zu der nicht drehenden Fluidfolie liegen, den Umfang
betreffend in die Richtung, die der Scheibenbewegung entgegengesetzt
ist (die Rampe hinunter). Ein großer Teil das Fluids, das die
Rampe in der Nähe
der Scheibe hoch strömt
und dabei an statischem Druck gewinnt, kommt zurück, bevor sie das Ende des
Keilkanals erreicht und strömt
die Rampe in der Nähe
der Fluidfolie hinunter und verliert dabei an Druck. Fast das ganze
Fluid kommt zurück,
bevor es den Anfang der Keilkanäle
erreicht und strömt
die Rampe hoch, wobei es wieder an Druck gewinnt. Das Fluid, das
entlang des Einkanalumwälzschleifen-Strömungsmusters
strömt, strömt im Wesentlichen
entlang des gleichen Kanals jeder Schleife und erfährt die
gleichen Druckerhöhungen
und Druckabfälle,
die jede Schleife ohne Nettodruck von einer Schleife zur nächsten erlangt.
Diese Lager erzeugen weniger fluiddynamischen Druck und weisen eine
geringere Belastungsfähigkeit
auf als Lager, die Strömungsmuster
mit Mehrkanalwirbel benutzen, bei denen die Strömung, die jede regenerative
Schleife entlang strömt,
einen anderen Kanal entlang strömt,
und bei denen keine Nettoerhöhung des
Fluiddrucks jeder Schleife vorliegt.
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Herkömmliche,
nachgiebige Folien-Fluidfilm-Schublager arbeiten mit äußerst kleinen
Laufabstandsflächen
und mäßigen im
Gegensatz zu niedrigem Widerstand und Kraftverbrauch. Die Abstandsflächen zwischen
den nicht drehenden, zusammenlaufenden Keilkanalrampen-Hinterkanten
der Fluidfolie und der drehenden Schubscheibe sind typischerweise
kleiner als 100 Mikrozoll, wenn das Lager unter Betriebsbedingungen
schwer belastet wird. Der Widerstandskoeffizient des Lagers ist
typischerweise größer als
0,005 bei Betriebsgeschwindigkeit, die durch das Verhältnis der
durch den fluiddynamischen Widerstand induzierten Scherkräfte, die
durch das Lager auf die Scheibe ausgeübt werden, dividiert durch
die Schublast, die von dem Lager getragen wird, definiert wird.
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Nachgiebige
Folien-Fluidfilm-Schublager sind oft auf Stützfedern angewiesen, um die
Fluidfolien gegen das relativ bewegliche, drehende Element (Schubscheibe)
vorzuspannen, um die Folienposition/-verschachtelung zu steuern
und eine foliendynamische Stabilität zu schaffen. Das Lageranlaufmoment
(das idealerweise null sein sollte) ist zu diesen Vorspannkräften direkt
proportional. Diese Vorspannkräfte
erhöhen
auch bedeutend die Scheibengeschwindigkeit, bei der die hydrodynamischen
Effekte in den Keilkanälen
stark genug sind, um das drehende Element des Lagers aus dem physischen
Kontakt mit den nicht drehenden Gliedern des Lagers zu heben. Diese
Vorspannkräfte
und die hohen Abhebe-/Aufsetzgeschwindigkeiten führen zu einer bedeutenden Lagerabnutzung,
immer wenn die Scheibe in Betrieb gesetzt oder angehalten wird.
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Viele
herkömmliche,
nachgiebige Folien-Fluidfilm-Schublager weisen große Schwingräume und eine
lose Nachgiebigkeit auf, das heißt, sie schränken die
Axial- oder Umkippbewegung der Lagerschubscheibe aufgrund der mangelhaften
Steuerung der Federablenktoleranzen, die der Federkonstruktion eigen
sind, nicht eng ein.
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Es
ist für
nachgiebige Folien-Fluidfilm-Schublager gebräuchlich gewesen, mehrere beschichtete,
konvex gekurvte, nachgiebige Fluidfoliensegmente zu benutzen, die
zu einer Trägerfolie
geschweißt
werden, um das Fluidfolienglied des Lagers zu bilden. Diese zweistückigen Fluidfolienglieder
sind typischerweise stärker
und weisen eine schlechtere Stärkensteuerung
auf als einstückige
Fluidfolienglieder. Zweistückige
Fluidfolienglieder erfahren aufgrund der Strömungsunterbrechungen zwischen
den Hinterkanten jedes Foliensegments und der durch Schweißung befestigten
Kante des nächsten,
dem Umfang nach angeordneten Segments ebenfalls eine ProzessFluid-Strömungsturbulenz,
einen erhöhten
Widerstand bei Betriebsgeschwindigkeiten und eine reduzierte Belastungskapazität.
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Einige
herkömmliche,
nachgiebige Folien-Fluidfilm-Schublager benutzen Federfolienelemente,
die durch Fräsen
(chemisch oder anderweitig) von den Umfang betreffend versetzten
Aussparungen in gegenüberliegenden
Seiten eines flachen Folienbestandes gebildet werden, so dass den
Umfang betreffend versetzte, ungefräste Furchen an gegenüberliegenden
Seiten der Folienelemente belassen werden. Der auf die versetzten
Furchen ausgeübte
Druck bewirkt, dass das Federfolienelement auf federähnliche
Weise abgelenkt wird. Federfolienelemente, die auf diese Weise gebildet
werden, neigen aufgrund kleiner Variationen in der Frästiefe zu
großen
Variationen in ihren Federgeschwindigkeiten. Dieser Fräsprozess
baut jegliche überschüssigen Oberflächendruckspannungen
ab, die von den vorigen Folienrollvorgängen bewirkt werden und bewirkt so
einen Folienverzug.
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Andere
Lager benutzen ringelförmige
Federfolienelemente, die durch Pressen von angelassenen Folienzuschnitten
von Inconel 750X zwischen zwei Konturenplatten, die übereinstimmende,
wellenartige Konturen mit konstantem Abstand von Platte zu Platte
aufweisen, und dann durch Wärmebehandlung
der Folienzuschnitte bei etwa 1300 Grad Fahrenheit (704 °C) für etwa 20
Stunden gebildet werden, während sie
immer noch zwischen die Konturplatten gepresst werden. Federfolienelemente
dieser Art neigen dazu, große
Variationen in der nicht abgelenkten Stärke aufzuweisen.
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In
einigen Fällen
können
die Fluidfolien an den Federfolien durch Schweißen oder Löten befestigt werden, oder
mehrere Federfolienelemente können
zusammengeschweißt
oder -gelötet
werden, um ein Federfolienglied zu bilden. Diejenigen Schublager,
die Schweißen
oder Löten
benutzen, um ein Folienelement an einem anderen zu befestigen, neigen zu
Folienverzerrungen und Folienermüdungsausfällen, insbesondere
an den Verbindungsstellen.
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Die
Seiten der Fluidfolien, die dem drehenden Element des Lagers gegenüberstehen,
können Reibungsbeschichtungen
mit geringer Reibung benutzen, um die Lagerabnutzung zu minimieren,
wenn die Scheibengeschwindigkeit unter der Abhebe-/Aufsetzgeschwindigkeit
liegt. Diese Beschichtungen können
jedoch große
Stärketoleranzen
aufweisen, die die Folienpack-Stärketoleranz
widrig beeinflussen können.
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Die
jüngste
Entwicklung bei nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagern, die in US-A-5529398 beschrieben
wird und am 25. Juni 1996 mit dem Titel „Compliant Foil Hydrodynamic
Fluid Film Thrust Bearing" an
Robert W. Rodsley erteilt wurde, umfasst eine selbsttrimmende Fähigkeit,
um Variationen in der Folienpackstärke zu kompensieren, und drei
(3) Feder- oder Trägerfolien
unter der Fluidfolie.
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US-A-5
529 398 offenbart ein nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Schublager, umfassend:
eine
Schubscheibe, die von einer Schublageroberfläche drehbar gestützt wird;
und
ein nachgiebiges Folienlager, das zwischen der drehbaren
Schubscheibe und der Schublageroberfläche betriebsfähig angeordnet
und auf der Schublageroberfläche
befestigt ist, wobei das nachgiebige Folienlager ein nachgiebiges
Fluidfolienglied umfasst, das mehrere zusammenlaufende Rampen und
auseinanderlaufende Nuten aufweist, um abwechselnde, zusammenlaufende
und auseinanderlaufende Keilkanäle
auf der Oberfläche
des ringförmigen
Fluidfolienglieds zu bilden, das der Schubscheibe gegenübersteht,
und ein Federfolienglied, das auf der Schublageroberfläche befestigt
und zwischen der Schublageroberfläche und dem Fluidfolienglied
angeordnet ist.
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Das
Federfolienglied umfasst drei Federfolienelemente, wobei eines auf
dem anderen angeordnet ist. Das zentrale Federfolienelement definiert
ein flaches, ringförmiges
Glied, das durchbohrt ist. Das ringförmige Glied wird zwischen radial
verlaufende Rippen geklemmt, die durch die anderen zwei Federfolienelemente
definiert sind. Die Rippen fungieren als versetzte Drehpunkte und
stützen
das ringförmige
Glied gegen ausgeübte
Belastungen in der Art eines einfach gestützten Trägers. Das normalerweise flache,
ringförmige
Glied kann sich zwischen den Drehpunktträgern biegen und fungiert als
eine Feder, wenn durch die anderen zwei Federfolienelemente eine
Belastung darauf ausgeübt
wird. Auf diese Weise wird eine Stützfederanordnung für das nachgiebige
Fluidfolienglied bereitgestellt.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung schafft ein Verfahren zum drehbaren Stützen einer Schubscheibe auf
einer Schubplatte, umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines
nachgiebigen Folienlagers zwischen der Schubscheibe und der Schubplatte,
wobei das nachgiebige Folienlager ein ringförmiges nachgiebiges Fluidfolienglied
umfasst, das mehrere zusammenlaufende Rampen und auseinanderlaufende Nuten
aufweist, um abwechselnde, zusammenlaufende und auseinanderlaufende
Keilkanäle
auf der Oberfläche
des ringförmigen
nachgiebigen Fluidfolienglieds zu bilden, das der Schubscheibe gegenübersteht;
Befestigen
eines Federfolienglieds zwischen dem nachgiebigen Fluidfolienlagerglied
und der Schubplatte; und
Bereitstellen des Federfolienglieds
mit mehreren Federfolienelementen, die mehrere, relativ schmale
Federsegmente aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens
ein Federfolienelement bereitgestellt wird, das mehrere, relativ
breite Federsegmente aufweist, und
Bilden eines Kippsegmentträgers für das nachgiebige
Fluidfolienglied durch Abwechseln einzelner der mehreren relativ
schmalen Federsegment-Federfolienelemente mit den relativ breiten
Federsegment-Federfolienelementen.
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Die
Erfindung umfasst auch ein nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Schublager
umfassend:
eine Schubscheibe, die von einer Schublageroberfläche drehbar
gestützt
wird; und
ein nachgiebiges Folienlager, das zwischen der drehbaren
Schubscheibe und der Schublageroberfläche betriebsfähig angeordnet
und auf der Schublageroberfläche
befestigt ist, wobei das nachgiebige Folienlager ein nachgiebiges
Fluidfolienglied umfasst, das mehrere, zusammenlaufende Rampen und
auseinanderlaufende Nuten aufweist, um abwechselnde, zusammenlaufende
und auseinanderlaufende Keilkanäle
auf der Oberfläche
des ringförmigen
Fluidfolienglieds zu bilden, das der Schubscheibe gegenübersteht,
und ein Federfolienglied, das auf der Schublageroberfläche befestigt
und zwischen der Schublageroberfläche und dem Fluidfolienglied
angeordnet ist, wobei das Federfolienglied mehrere Federfolienelemente
umfasst, die mehrere, relativ schmale Federsegmente aufweisen; dadurch
gekennzeichnet, dass
das Federfolienglied des Weiteren mindestens
ein Federfolienelement umfasst, das mehrere, relativ breite Federsegmente
aufweist, und dadurch gekennzeichnet, dass sich einzelne der mehreren
relativ schmalen Federsegment-Federfolienelemente mit dem oder jedem
breiten Federsegment-Federfolienelement
abwechseln, um einen Kippsegmentträger für das nachgiebige Fluidglied
zu bilden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Nachdem
die vorliegende Erfindung allgemein beschrieben worden ist, wird
nun Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Turbomaschine ist, die ein nachgiebiges
Folien-Fluidfilm-Schublager gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist;
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2 eine
vergrößerte Teilansicht
des Ovals 2 aus 1 ist, die die Schubplatte und
den Abstandshalterbereich des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers
veranschaulicht;
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3 eine
Draufsicht des Fluidfolienglieds des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers
der Ausführungsform
ist;
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4 eine
vergrößerte Querschnittsansicht des
Fluidfolienglieds aus 4 ist, betrachtet entlang der
Linien 4-4;
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5 eine
weitere, vergrößerte Querschnittsansicht
des Fluidfolienglieds aus 4 ist, betrachtet
entlang der Linien 5-5;
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6 eine
Draufsicht des äußeren Federfolienelements
des Federfolienglieds des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers
der Ausführungsform ist;
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7 eine
Draufsicht des mittleren, äußeren Federfolienelements
des Federfolienglieds des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers der Ausführungsform
ist;
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8 eine
Draufsicht des mittleren Federfolienelements des Federfolienglieds
des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers der Ausführungsform ist;
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9 eine
Draufsicht des mittleren, inneren Federfolienelements des Federfolienglieds
des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers
der Ausführungsform
ist;
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10 eine
Draufsicht des inneren Federfolienelements des Federfolienglieds
des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers der Ausführungsform ist;
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11 eine
Draufsicht des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers der Ausführungsform ist, die Folie für Folie
teilweise weggeschnitten ist;
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12 eine
Querschnittsansicht des unbelasteten Fluidfolienglieds und des Federfolienglieds aus 11 ist,
betrachtet entlang der Linie 12-12;
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13 eine
Querschnittsansicht des belasteten Fluidfolienglieds und des Federfolienglieds
aus 11 ist, betrachtet entlang der Linie 12-12;
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14 eine
Draufsicht einer alternativen Ausführungsform eines nachgiebigen
Folien-Fluidfilm-Schublagers der vorliegenden Erfindung ist;
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15 eine
Querschnittsansicht des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers aus 14 ist,
betrachtet entlang der Linie 15-15; und
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16 eine
Teildraufsicht des Fluidfolienglieds noch einer anderen, alternativen
Ausführungsform
des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers der vorliegenden Erfindung
ist;
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17 eine
Teildraufsicht des äußeren Federfolienelements
des Federfolienglieds ist, das mit dem Fluidfolienglied des nachgiebigen
Folien-Fluidfilm-Schublagers aus 16 benutzt
wird;
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18 eine
Teildraufsicht des zwischenliegenden, äußeren Federfolienelements des
Federfolienglieds ist, das mit dem Fluidfolienglied des nachgiebigen
Folien-Fluidfilm-Schublagers
aus 16 benutzt wird;
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19 eine
Teildraufsicht des mittleren Federfolienelements des Federfolienglieds
ist, das mit dem Fluidfolienglied des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers
aus 16 benutzt wird;
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20 eine
Teildraufsicht des zwischenliegenden, inneren Federfolienelements
des Federfolienglieds ist, das mit dem Fluidfolienglied des nachgiebigen
Folien-Fluidfilm-Schublagers
aus 16 benutzt wird; und
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21 eine
Teildraufsicht des inneren Federfolienelements des Federfolienglieds
ist, das mit dem Fluidfolienglied des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers
aus 16 benutzt wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Turbomaschine, die eine Ausführungsform
des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Schublagers der vorliegenden Erfindung
verwendet, wird in 1 veranschaulicht. Die Turbomaschine 10 umfasst
im Allgemeinen ein Turbinenrad 12 und ein Kompressorrad 14 an
entgegengesetzten Enden eines gemeinsamen Schafts oder einer Spurstange 16.
Der Schub- und Radiallagerrotor 18 wird
um die Spurstange 16 zwischen dem Turbinenrad 12 und
dem Kompressorrad 14 angeordnet. Eine Kugellagerpatrone 20 in
dem zentralen Lagergehäuse 22 stützt den
Lagerrotor 18 drehbar.
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Das
Kompressorende des Lagerrotors 18 weist eine radial verlaufende
Schubscheibe 24 auf, die sich in eine Aussparung 26 in
dem Kompressorende des zentralen Lagergehäuses 22 erstreckt. Eine
Lagerschubplatte 28 wird an der gegenüberliegenden Seite der Lagerrotor-Schubscheibe 24 angeordnet.
Der äußere Rand
des Kompressorendes des zentralen Lagergehäuses 22 bringt das
Kompressorgehäuse 30 in
Eingriff.
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Wie
am besten in 2 veranschaulicht ist, wird
ein Schublager-Abstandshalter 32 radial außerhalb
der Schubscheibe 24 des Lagerrotors 18 positioniert
und durch mehrere, den Umfang betreffend beabstandete Stifte 34 radial
positioniert, die in Öffnungen 38 in
der Aussparung 26 des zentralen Lagergehäuses 22 befestigt
sind und sich in Öffnungen 38 in der
Schublagerplatte 28 hinein erstrecken. Ein Schublager-Fluidfolienglied 40 und
ein Schublager-Federfolienglied 42 werden an beiden Seiten
der Lagerrotor-Schubscheibe 24 und dem Schublager-Abstands halter 32 angeordnet.
An einer Seite werden das Fluidfolienglied 40 und das Federfolienglied 42 in
der Aussparung 26 des zentralen Lagergehäuses 22 angeordnet
und an der anderen Seite liegen sie benachbart zu der Lagerschubplatte 28. Das
Fluidfolienglied 40 und das Federfolienglied 42 werden
radial und den Umfang betreffend von Stiften 34 in Position
gehalten, die sich von dem zentralen Lagergehäuse 22 durch Öffnungen
in einem Federfolienelement 42 und durch Öffnungen
in einem Fluidfolienelement 40 erstrecken, die Bohrung
des Schublager-Abstandshalters 32 durchqueren,
sich durch Öffnungen
in dem Fluidfolienelement 40 an der entgegengesetzten Seite,
durch Öffnungen
in dem Federfolienglied 42 an der entgegengesetzten Seite und
in Öffnungen 38 in
der Lagerschubplatte 28 hinein erstrecken. Die Lagerschubplatte 28 wird
in Richtung des zentralen Lagergehäuses 22 durch eine
Tellerfeder 23 vorgespannt, die zwischen dem Rand 25 auf
der Lagerschubplatte 28 und dem Kompressorgehäuse 30 angeordnet
ist.
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Die
Stärke
des Schublager-Abstandshalters 32 ist mehrere tausend Zoll
größer als
die Stärke
der Lagerrotor-Schubplatte 24. Variationen in der Folienstärke oder
der Folienbeschichtungsstärke
bewirken anhaltend Kompensationsvariationen bezüglich des Abstandes zwischen
der Schubplatte 28 und dem Gehäuse 22. Folglich werden
Variationen bezüglich Lagerschwingraum
und Lagernachgiebigkeit aufgrund der Folienstärkentoleranzen verhindert.
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3 bis 5 veranschaulichen
ein Fluidfolienglied 40, das aus einer einzigen, flachen
Scheibe einstückig
gebildet wird, die Folienzuschnitt genannt wird. Mehrere, einzelne
Fluidfolien 41 werden aus einem flachen Blech aus einem
Nickelstahl wie Inconel 750X bei Raumtemperatur gebildet, wobei steil
geneigte Nuten gepresst werden, um als auseinanderlaufende Keilkanäle zu fungieren
und gleichzeitig zu ermöglichen,
dass die schrittweise zusammenlaufenden Keilkanalrampen ohne Kunststoffverformung
als gerade Linienverbindung zwischen den Nuten resultieren. Die
Fluidfolienglieder würden
normalerweise während
sowohl des Formens als auch der Benutzung angelassen werden und
können
vor dem Formen der Nuten mit einer Unzahl an Beschichtungsmaterialien
mit niedriger Reibung oder reibungsreduzierenden Beschichtungsmaterialien
beschichtet werden, die das Metall während des Anlaufens und des
Anhaltens vor Abrieb und vor versehentlichen und gelegentlichen
Hochgeschwindigkeitslandungen schützen können. Die Beschichtung würde auch
eine bestimmte Menge verunreinigender Partikel einschließen.
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Die
einzelnen Fluidfolien 41 (dargestellt als zwölf) sind
im Allgemeinen winkelförmig
und mit einem äußeren, selbsttrimmenden
Ring 44 durch Stütznetze 45 verbunden.
Fluiddurchlässe
oder -öffnungen 46 sind
zwischen den benachbarten Stütznetzen 45 ausgebildet.
Jeder vierte Fluiddurchlass 46 weist einen Indexstreifen 47 auf.
Jede aerodynamische Folie 41 weist eine Hinterkante 48 mit
einem gerundeten, hinteren Punkt oder Nase 49, eine Vorderkante 50 mit
einer im Allgemeinen geraden, rampenförmigen Kontur von der Vorderkante 50 zur
Hinterkante 48 auf. Die einzelnen Fluidfolien 41 weisen im
Allgemeinen eine Schaufelform auf, wie am besten in den zwei Querschnittsansichten
von 4 und 5 veranschaulicht ist. Eine
oder zwei Reihen der Öffnungen 54 werden
an der Vorderkante 50 jeder einzelnen Fluidfolie 41 bereitgestellt,
um zu ermöglichen,
dass Fluid in die Vorderkante der zusammenlaufenden Rampe, die zu
der Schubscheibe benachbart liegt, von unterhalb der Fluidfolie
in dem Bereich des Federfolienglieds 42 eintritt.
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Wie
in 6 bis 10 veranschaulicht ist, umfasst
das Schublager-Federfolienglied 42 im Allgemeinen ein äußeres Federfolienelement 53 (6),
ein zwischenliegendes, äußeres Federfolienelement 54 (7),
ein mittleres Federfolienelement 55 (8),
ein zwischenliegendes, inneres Federfolienelement 56 (9)
und ein inneres Federfolienelement 57 (10).
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Das äußere Trägerfolienelement 53,
dargestellt in 6, weist im Allgemeinen einen
inneren Verbindungsring 60 und einen äußeren, selbsttrimmenden Ring 61 mit
mehreren (als zwölf
dargestellt) schmalen Federsegmenten oder -folien 62 auf,
die dazwischen verlaufen. Die schmalen Federfolien 62 bestehen
aus einem inneren, gekurvten Folienabschnitt 63, der sich
nach außen
von dem inneren Verbindungsring 60 in einem Vorwärtswinkel
(in die Richtung der Drehbewegung der Schubscheibe) erstreckt, und
einem äußeren, gekurvten
Folienabschnitt 64, der sich nach innen von dem selbsttrimmenden
Ring 61 in einem Vorwärtswinkel
erstreckt. Der innere und der äußere Folienabschnitt 63, 64 sind
den Umfang betreffend etwa um vierzig Grad an allen Punkten entlang
ihrer Länge
nominell ausgerichtet und fügen
sich zusammen, um einen im Allgemeinen nasenförmigen Folienabschnitt 65 zu
bilden. Die äußeren Folienabschnitte 64 sind
individuell mit dem äußeren, selbsttrimmenden
Ring 61 durch eine radial verlaufende Verbindungseinheit
oder Stütznetz 66 verbunden.
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Die
schmale Federfolie 62 ist an der Verbindung zu dem inneren
Verbindungsring 60 am schmalsten und erhöht bis zu
dem Punkt oder der Spitze der Nase 65 schrittweise ihre
Breite und erhöht
in dem äußeren Folienabschnitt 64 bis
zum Verbindungsnetz 66 weiter ihre Breite. Das Verbindungsnetz 66 weist
sogar eine noch größere, im
Allgemeinen radial zunehmende Breite auf. Mehrere Indexstreifen 67 (dargestellt
als vier) erstrecken sich von dem äußeren, selbsttrimmenden Ring 61 nach
innen, um eine präzise
Ausrichtung des äußeren Stützfolienelements 53 mit
den anderen Elementen des Schublager-Federfolienglieds 42 und
mit dem Fluidfolienglied 40 zu ermöglichen.
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Das
mittlere, äußere Stützfolienelement 54, dargestellt
in 7, weist im Allgemeinen einen inneren Verbindungsring 73 und
einen äußeren selbsttrimmenden
Ring 72 mit mehreren (dargestellt als zwölf), breiten
Federsegmenten oder -folien 71 auf, die sich dazwischen
erstrecken. Die breiten Federfolien 71 bestehen aus einem
inneren, gekurvten Folienabschnitt 75, der sich nach außen von
dem inneren Verbindungsring 73 in einem Vorwärtswinkel
erstreckt, und einem äußeren, gekurvten
Folienabschnitt 76, der sich nach innen von dem selbsttrimmenden
Ring 72 in einem Vorwärtswinkel
erstreckt. Der innere und der äußere Folienabschnitt 75, 76 fügen sich
zusammen, um einen im Allgemeinen nasenförmigen Folienabschnitt 77 zu
bilden. Jeder der äußeren Folienabschnitte 76 ist
mit dem äußeren, selbsttrimmenden
Ring 72 durch ein Paar radial verlaufender Verbindungseinheiten
oder Stütznetze 74 individuell
verbunden. Mehrere konzentrische, äußere Dammringe 78 (dargestellt
als drei) erstrecken sich zwischen den benachbarten, breiten Federfolien 71 im
Allgemeinen dort, wo sich die breiten Federfolien 71 und
das Paar Netze 74 verbinden.
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Die
breite Federfolie 71 ist an der Verbindung zu dem inneren
Verbindungsring 73 am schmalsten und erhöht bis zu
dem Punkt oder der Spitze der Nase 77 schrittweise ihre
Breite und erhöht
in dem äußeren Folienabschnitt 76 bis
zum Verbindungsnetz 74 weiter ihre Breite. Mehrere Indexstreifen 79 (dargestellt
als vier) erstrecken sich von dem äußeren, selbsttrimmenden Ring 72 nach
innen, um eine präzise
Ausrichtung des äußeren Stützfolienelements 54 mit
den anderen Elementen des Schublager-Federfolienglieds 42 und
mit dem Fluidfolienglied 40 zu ermöglichen.
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Das
mittlere Federfolienelement 55 ist in 8 veranschaulicht
und weist einen äußeren, selbsttrimmenden
Ring 81 und Indexstreifen 82 auf, die mit den
entsprechenden Elementen in dem äußeren Federfolienelement 53,
dem zwischenliegenden, äußeren Federfolienelement 54 und
dem Fluidfolienglied 40 identisch sind und damit ausgerichtet
werden. Mehrere Paare (dargestellt als zwölf) von im Allgemeinen nasenförmigen,
schmalen Federsegmenten oder -folien 83 erstrecken sich
zwischen dem inneren Verbindungsring 84 und dem äußeren, selbsttrimmenden
Ring 81. Jedes Paar schmaler Federfolien 83 überspannt
die schmalen Federfolien 62 des äußeren Federfolienelements 53 und
ist an den Vorderkanten und den Hinterkanten der breiten Federfolie 71 ausgerichtet.
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Ein
Verbindungsnetz 87 verbindet jede der schmalen Federfolien 83 mit
dem äußeren, selbsttrimmenden
Ring 81. Mehrere konzentrische, äußere Dammringe 85 (dargestellt
als zwei) erstrecken sich zwischen den benachbarten Paaren schmaler
Federfolien 83 dort, wo sie sich mit den Netzen 87 verbinden.
Mehrere konzentrische, innere Dammringe 86 (dargestellt
als drei) erstrecken sich zwischen den benachbarten Paaren schmaler
Federfolien 83 in der Nähe
des inneren Verbindungsrings 84.
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9 veranschaulicht
das zwischenliegende, innere Federfolienelement 56, das
einen äußeren, selbsttrimmenden
Ring 89 und Indexstreifen 91 aufweist, die dem
Federfolienglied 42 gemeinsam sind. Mehrere Paare Federfolienelemente 92 von mittlerer
Breite (dargestellt als zwölf)
werden zwischen dem äußeren, selbsttrimmenden
Ring 89 und einem inneren Verbindungsring 90 angeordnet.
Jedes Paar Federfolienelemente von mittlere Breite wird mit dem äußeren, selbsttrimmenden
Ring durch ein Paar Netze 94 verbunden. Der Begriff mittlere Breite
bedeutet eine Breite, die zwischen der Breite der schmalen, äußeren und
inneren Folien 62, 83 und der Breite der breiten,
zwischenliegenden, äußeren Folie 71 liegt.
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Jedes
Paar Netze 94 für
die Folien von mittlerer Breite werden durch einen den Umfang betreffend
steifenden Ring 93 verbunden. Außerdem erstrecken sich ein
einziger, äußerer Dammring 96 (oder
alternativ mehrere Dammringe) und mehrere (dargestellt als zwei)
konzentrische, innere Dammringe 95 zwischen benachbarten
Paaren Folien 92 von mittlerer Breite jeweils an der Verbindung
zu den Netzen 94 und benachbart zu dem inneren Verbindungsring 90.
Jedes Paar Folien 92 von mittlerer Breite ist im Allgemeinen über einem
Paar schmaler Federfolien 83 des mittleren Federfolienglieds 55 positioniert.
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Das
innere Federfolienelement 57 ist in 10 veranschaulicht
und weist einen äußeren, selbsttrimmenden
Ring 100 und Indexstreifen 101 auf, die mit den
entsprechenden Elementen in den anderen Federfolienelementen 53, 54 55 und 56 und dem
Fluidfolienglied 40 identisch sind und damit ausgerichtet
werden. Mehrere Trios (dargestellt als zwölf) von im Allgemeinen nasenförmigen,
schmalen Federsegmenten oder -folien 102 erstrecken sich zwischen
dem inneren Verbindungsring 103 und dem äußeren, selbsttrimmenden
Ring 100. Jedes Trio schmaler Federfolien 102 weist
eine Breite auf, die im Allgemeinen den schmalen Federfolien 62 des äußeren Federfolienelements 53 und
den Paaren schmaler Federfolien 83 des mittleren Federfolienelements 55 gleicht.
Von dem Trio schmaler Federfolien 102 sind zwei an den
Vorderkanten und den Hinterkanten von einem Paar Federfolien 92 von
mittlerer Breite ausgerichtet und die dritte des Trios schmaler
Federfolien ist mit der Hinterkante des anderen Paars Federfolien 92 von
mittlerer Breite ausgerichtet.
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Ein
Verbindungsnetz 105 verbindet jedes Trio schmaler Federfolien 102 mit
dem äußeren, selbsttrimmenden
Ring 100. Diese Netze 105 jedes Trios schmaler
Federfolien 102 werden durch einen den Umfang betreffend
steifenden Ring 106 zusammengefügt.
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Die
genaue Beziehung des Fluidfolienglieds 40 und des Federfolienglieds 42 einschließlich der fünf Feder folienelemente 53, 54, 55, 56 und 57 ist
am besten in 11 bis 13 veranschaulicht. 11 ist
eine Draufsicht des befestigten Fluidfolienglieds 40 und
des Federfolienelements 42, wobei die einzelnen Federfolienelemente
durch ihre jeweiligen Indexstreifen überlagert und positioniert
sind. Wenn in einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn verfahren wird,
sind die einzelnen Federfolienelemente einzeln, Folie für Folie
weggeschnitten, um ihre Beziehung zueinander zu zeigen.
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Die äußere Federfolie 62 ist
in dem als „A" gekennzeichneten
Bogen dargestellt. Bogen „B" veranschaulicht
die äußere, zwischenliegende
Folie 71, die über
der äußeren Federfolie 62 ausgerichtet
ist. Ein Paar mittlere Federfolien 83 überlagert die äußere Federfolie 62 und
die zwischenliegende Federfolie 71 in Bogen "C". Bogen „D" umfasst dann das Paar zwischenliegender,
innerer Folien 92, und schließlich ist das Trio innerer
Folien 102 über
dem Paar zwischenliegender, innerer Folien 92 in Bogen „E" dargestellt. Die
Fluidfolien 41 überlagern
dann die angeordneten Federfolien in Bogen „F".
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Eine
noch genauere Beziehung der verschiedenen Folien ist in 12 und 13 dargestellt. 12 veranschaulicht
ein unbelastetes Fluidfolienglied und Federfolienglied, während 13 ein belastetes
Fluidfolienglied und Federfolienglied darstellt. Es ist zu beachten,
dass die Folie 62 näher
zu der Hinterkante der Folie 71 als zu der Vorderkante der
Folie 71 angeordnet ist. Die Folien 83 sind näher zu der
Hinterkante der Folien 92 als zu der Vorderkante der Folien 92 angeordnet.
Dies stellt sicher, dass der Kippsegment-Federträger auf die Unterseite der
Fluidfolie 40 nahe der Hinterkante 48 mehr Kraft
ausübt
als der Vorderkante 50.
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Der
Fluidfolienzuschnitt sowie die einzelnen Elemente des Schublager-Federfolienglieds 42 können durch
optisch maskierte, chemische Ätztechniken
aus flachen Metallblechen geformt werden. Nickelstähle wie
Inconel 750X für
die Fluidfolie und Inconel 718 für die Federfolienelemente können verwendet
werden. Typischerweise liegen die Folienstärken zwischen 0,004 Zoll und
0,007 Zoll (etwa 0,102 mm und 0,179 mm). Die Nickelstahl-Metallbleche,
aus denen die Folienelemente geformt werden, werden normalerweise
durch Wärmebehandlung
in einem Vakuumofen (bei 1.300 Grad Fahrenheit (704 °C) etwa zwanzig
Stunden für
Inconel 750X) voll ausgehärtet.
Die fünf
einzelnen Elemente des Schublager-Federfolienglieds 42 können durch
Aufschichten der Federfolienelemente ohne Verklebung zusammengesetzt
werden. Die relative Mikrobewegung dieser Folien im Betrieb schafft
Coulomb-Dämpfung.
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Die
Form der Fluifolien 41, nämlich der offene Kanal mit
konvergierender Breite und geneigten "Wänden" induziert über der
Fluidfolie sich erneuernde Wirbelstrommuster in dem Prozessfluid.
Das Prozessfluid dringt im Allgemeinen von der Hinterkante 48 der
vorhergehenden Folie zur führenden
Oberfläche
der Folie 41. Make-up-Prozessfluid wird vom inneren und äußeren Durchmesser
der führenden
Kante oder von den Öffnungen 51 bereitgestellt.
Es gibt einen gewissen Fluidauslauf von dem inneren bzw. äußeren Durchmesser,
nahe der Hinterkante 48.
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Die
nachgiebiegen Fluifolienglieder sind neben den beiden Schubflächen der
Schubscheibe 24 angeordnet. Die Federfolienglieder 42 schaffen
Unterstützung
für die
Fluidfolienglieder 40, gestatten es diesen aber, der axialen
und umstürzenden
Bewegung der Scheibe 24 zu folgen. Die Kräfte die
durch die Fluidfolienglieder durch das Prozessfluid auf die Schubscheibe
wirken verändern
sich umgekehrt zur Lücke
zwischen der Folie und der Scheibe und proportional mit der Scheibenabweichung.
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Die
Schubplatte 28 wird um die Gesamtstärke der äußeren selbstanpassenden Ringe
der Fluifolienglieder 40 und der Federfolienglieder 42 und
um die Stärke
der Schublagerabstandshalter 32 von dem zentralen Lagergehäuse 22 weg
gehalten. Der Schublagerabstandshalter 32 is ein wenig
dicker als die Schubscheibe 24, so dass ein wenig Spiel
zwischen dem Fluidfolienglied 40 und der Schubscheibe 24 vorherrscht,
die nicht durch übliche
Abweichungen in der Folien- oder Folionschichtdicke betroffen ist.
Das Lager ist durch keine Vorspannkraft beaufschlagt und hat kein
Startmoment wenn die Drehachse der Scheibe auf 90 Grad zur Schwerkraft
ausgerichtet ist. Durch die sich erneuernden Wirbelstrommuster,
die durch die Kontur der Fluidfolienelemente erzeugt werden, wird
das Lagerlaufspiel erheblich verbessert (vergrößert) and die Abhebegeschwindigkeiten
sind erheblich geringer als vorher mölglich.
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Die
konvergierenden Keilkanalrampen, die in der Oberfläche der
Fluidfolienglieder gebildet sind, haben zusammengesetzte Kurvenprofile
mit radial konkaven Krümmungen,
ebenen Neigungen bei einer Geschwindigkeit von Null, und konvexe
Krümmungen
bei Betriebsgeschwindigkeit, wenn Fluiddynamik und Federkräfte auf
die Folienelemente wirken. Der Kippsegment-Träger für die Fluidfolienelemente stellt
eine nahezu optimale konvexe umfängliche
Krümmung über einen
weiten Bereich von Lagerschubkräften
sicher. Die Profile formen und funktionieren als Kellen mit radial
weiten Fluidflusseinlässen,
einer radial sich verengenden Kanalbreite entlang der umfänglichen
Fluidflusswege, and abgerundeten umfänglichen Hinterkanten. Dieses über mehrere
Wege vorhandene sich erneuernde Wirbelstrommuster reduziert Fluiddruckverluste
wenn das Prozessfluid sich "die
Rampe herunter" bewegt
in einer nominal umfänglichen
Richtung, die der Drehung der Schubscheibe neben derm Fluidfolienglied
entgegengesetzt ist.
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Das
Kippsegment-Schublager der vorliegenden Erfindung hat fünf Federfolien
und eine Fluidfolie. Die fünf
Federfolienelemente haben vier Trägerreihen für jede Fluifolienrampe. Die
relative Kraft, die an jeder dieser Trägerreihen ausgeübt wird
ist proportional gesteuert durch den umfänglichen Abstand zwischen mehreren,
gekurvten Federfolienbahnen, die im Allgemeinen mit der gekurvten
Form der gebildeten Fluidfolie übereinstimmen.
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Das äußere Federfolienelement 53 weist zwölf einzelne,
schmale Federfolien 62 auf, die entweder zu der Schubscheibe
an einer Seite des Schublagers oder zu der Schubfläche des
Gehäuses an
der anderen Seite der Schubscheibe benachbart liegen. Jede dieser
schmalen Federfolien 62 stellt eine gekurvte, im Allgemeinen
nasenförmige
Trägerbahn
bereit.
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Die
breiten, zwischenliegenden, äußeren Federfolien 71 werden
durch die einzelnen, schmalen Federfolien 62 gestützt und
können
sich sowohl durch Biegen als auch durch Kippen auf der einzigen Trägerbahn
der schmalen Federfolien 62 entweder in eine Position mit
der Nase nach oben oder in eine Position mit der Nase nach unten
gelenkartig bewegen, wie es der Rest des Schublagers erfordert.
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Über den
breiten Federfolien 71 befindet sich das Paar schmaler
Federfolien 83, die zwei Trägerbahnen pro Rampe bereitstellen
und an der Nase und an der Vorderkante der breiten Federfolien 71 eine
Stütze
bereitstellen können.
Die zwei Folienträgerbahnen
der schmalen Federfolien 83 drücken von unten auf und in der
Nähe des
peripheren Zentrums der zwei Paare Folien 92 mittlerer
Breite, so dass diese Folien 92 mittlerer Breite je nach
Erfordernis mit der Nase nach oben oder mit der Nase nach unten kippen
können.
Schließlich
weisen die schmalen Federfolien 102 drei Trägerbahnen
auf, eine an der Hinterkante der vorderen Federfolie 92,
eine an der Vorderkante der hinteren Feder folie 92 und
ein an der Hinterkante der hinteren Federfolie 92.
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Tatsächlich stellt
eine Folie des Paars Folien 92 mittlerer Breite eine Trägerbahn
bereit, die relativ nah an dem Anfang der zusammenlaufenden Rampe an
die Unterseite der Fluidfolie 41 drückt, und dann werden die nächsten drei
Trägerbahnen,
die die Rampe hochlaufen, für
die Fluidfolie durch die Federfolie 102 bereitgestellt.
Dies bewirkt, dass sich die gesamte Federstruktur wie die Gelenkträger von
Laufflächen
eines Kettenfahrzeugs verhält,
bei denen sich die Laufflächen
des Kettenfahrzeugs selbst gelenkartig bewegen können, wenn über einen unebenen Untergrund
gefahren wird, da eine Trägerstruktur vorhanden
ist, die sich gelenkartig bewegen kann. Mit Bezug auf die Trägerbahnen
der Federfolienelemente 53, 55, 56 und 57 steuert
der den Umfang betreffende Abstand zwischen diesen verschiedenen Trägerbahnen
den Prozentanteil der Gesamtkraft, die durch die Federfolienelemente
kommt und auf jede Umfangsposition auf der Fluidfolie über das
Federfolienelement 57 ausgeübt wird.
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Die
höchste
Federkraft befindet sich an der Nase der gebildeten Fluidfolie,
an der Druck des zusammengepressten Fluids am höchsten ist. Die gebildeten
Stützkräfte und
die Federgeschwindigkeiten sind geringer, wenn sie sich von der
Federfoliennase weg bewegen. Während
diese Folienelemente primär
Kippglieder sind, um für
die Fluidfolie Nachgiebigkeit bereitzustellen, weisen auch sie selbst
Federeigenschaften auf.
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Die
konzentrischen Dammringe der Federfolienelemente 54, 55 und 56 dienen
effektiv als Dämme,
um das Austreten aus dem Schublager zu begrenzen, insbesondere wenn
das Lager hydrostatisch betrieben wird. Das Schublager der vorliegenden
Erfindung ist besonders nützlich
in einem hydrostatisch vergrößerten Schublager
wie das, das in US-Patentanmeldung Nr. 08/662,250 beschrieben wird,
die am 14. Juni 1996 von Robert W. Bosley und Ronald F. Miller mit
dem Titel "Hydrostatic
Augmentation of a Compliant Foil Hydrodynamic Fluid Film Thrust
Bearing" eingereicht
wurde, als US5827040 nach dem Prioritätsdatum und dem Anmeldedatum der
vorliegenden Anmeldung erteilt wurde und die ein Familienmitglied
hat, das als EP-A-812 996 veröffentlicht
wurde und unter Artikel 54(3) EPC zum Stand der Technik gehört. Die Öffnungen 51 an
der Vorderkante der Fluidfolie 41 werden spezifisch für diese hydrostatische
Vergrößerung bereitgestellt.
Das Schublager fungiert jedoch mit oder ohne die Öffnungen 51 als
ein hydrostatisches Schublager.
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Das
Kippsegment-Schublager wirkt mit seiner den Umfang betreffend gebeugten
Fluidfolie in einer konvexen, die Fluiddynamik betreffend optimierten
Form auf der Oberfläche,
die benachbart zu der Schubscheibe liegt, ohne auf den Luftdruck
in dem Federbereich angewiesen zu sein. Der Luftdruck stellt jedoch
ein zusätzliches
konvexes Formen und eine zusätzliche
Belastungsfähigkeit
und eine gute Anpassungsfähigkeit
bereit.
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Während gezeigt
wurde, dass die Nasenform der einzelnen Federfolien für die fünf Federfolien
und die Fluidfolie relativ identisch sind, kann die Form der Federfoliennase
verändert
werden, um die Federkonstante zu steuern. Wie in 14 und 15 dargestellt,
kann die Nase der Hinterkante der mittleren Federfolie 83' scharfkantiger
sein, das heißt,
einen kleineren Radius aufweisen als die Nasen der Hinterkante der
inneren Federfolie 102 und der zwischenliegenden, inneren
Federfolie 92. Dies verhärtet die Federkonstante am
Ende der zusammenlaufenden Rampe, so dass es zu weniger Austreten
des Fluidstroms kommt und eine bessere Stütze für die Fluidfoliennase bereitgestellt
wird.
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Die
im Allgemeinen schaufelförmigen,
zusammenlaufenden Keilkanäle,
die auf der Oberfläche der
Fluidfolienglieder gebildet werden, induzieren Muster eines WirbelFluidstroms
und begrenzen Strömungsverluste
des Prozessfluids aus den Kanälen an
den radialen inneren und äußeren Kanten
der Folien. Dies, zusammen mit der selbsttrimmenden Konstruktion
und anderen Merkmalen der vorliegenden Erfindung, stellt ein Schublager
bereit, das eine hohe Belastungsfähigkeit, eine gute Dämpfung,
geringe Schwingabstandsflächen,
ein niedriges Drehmoment, hoch laufende Abstandsflächen von
Folie zu Scheibe, eine Nullvorspannkraft, ein geringes Anlaufdrehmoment,
niedrige Abheb-/Aufsetzgeschwindigkeiten und eine geringe Abnutzung
aufweist. Außerdem
wird all dies mit wenigen Bauteilen, geringen Herstellungskosten
und einem einfachen Zusammenbau erreicht.
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Ferner
können
die Fluidfolienglieder und Federfolienelemente eine gerade radiale
Form ausweisen, wie in 16 bis 21 dargestellt.
Außer wenn
es eine gerade radiale Form aufweist und keine nasenförmige Form
wie oben beschrieben, würde das
Fluidfolienglied 40',
das gerade radiale Folien 141 und Feder- oder Stützfolienglieder 53', 54', 55', 56' und 57' aufweist, im
Allgemeinen auf die gleiche Weise funktionieren und den gleichen
relativen Abstand und die gleiche relative Positionierung zueinander
aufweisen. Das äußere Stützfolienelement 53' aus 17 weist
schmale, radiale Federsegmente oder Folien 162 auf, das
zwischenliegende, äußere Stützfolienelement 54' aus 18 weist
breite, radiale Segmente oder Folien 171 auf, das mittlere
Stützfolienelement 55' aus 19 weist
Paare schmaler, radialer Federsegmente oder Folien 183 auf,
das zwischenliegende, innere Stützfolienelement 56' aus 20 weist
Paare breiter, radialer Federsegmente oder Folien 192 auf,
während
das innere Stützfolienelement 57' aus 21 Trios
schmaler, radialer Federsegmente oder Folien 202 aufweist.
Die im Allgemeinen flachen (radial) Fluidfolienoberflächen und die
darunter liegenden Federfolien, die die im Allgemeinen flachen (radial) Fluidfolienoberflächen aus 16 bis 21 beibehalten,
sollen keine schaufelförmige,
zusammenlaufende Rampe bilden und erzeugen deshalb keine regenerativen
Wirbelströme des
Prozessfluids.
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In
den Ausführungsformen
umfasst das nachgiebige Folien-Fluidfilm-Schublager
im Allgemeinen einen einseitigen oder zweiseitigen Schubscheibenrotor,
Fluidfolien, Federfolien, eine Schubplatte, ein Gehäuse, das
die Folie zurückhält, und
einen Abstandsring. Die nicht drehenden, aber nachgiebigen Fluidfolien
sind benachbart zu der Schubfläche
oder den Schubflächen
der drehbaren Scheibe angeordnet. Die Fluidfolien weisen offenseitige
Kanäle
auf, die regenerative Wirbelstrommuster in dem Prozessfluid bewirken.
Die Kräfte,
die von der Schubscheibe auf die Fluidfolien ausgeübt werden,
variieren umgekehrt zu dem Zwischenraum von der Fluidfolie zur Scheibe
und variieren proportional zu der Scheibenablenkung.
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Die
Federfolien stellen einen Kippsegmentträger für die Fluidfolien bereit, ermöglichen
diesen jedoch, der axialen Bewegung und Umkippbewegung der Scheibe
zu folgen. Jeder Folientyp, nämlich Fluidfolien
und Federfolien, wird durch eine nachgiebige Netzstruktur und Stifte
an dem Gehäuse
befestigt, das die Folie zurückhält. Die
Folien werden als dünne,
flache, ringförmige
Bleche mit darin integrierten Trimmringen an ihrer Peripherie und
mit ausgeschnittenen Mustern mit Konturen gebildet, die für jeden
Folientyp einzigartig sind.
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Als
Teil des Formungsprozesses wird der Fluidfolienzuschnitt an einer
Seite mit einem nachgiebigen, abnutzungsbeständigen Material beschichtet
und dann mit einem Formwerkzeug ausgestanzt, um die Fluidstromkanäle zu bilden.
Die Schubplatte wird zur Schuboberfläche des Gehäuses, das die Folie zurückhält, durch
eine Vorspannfeder vorgespannt und wird von der Gesamtstärke der Folientrimmringe
und der Stärke
der Abstandsringe von dem Gehäuse
weg gehalten. Dies ermöglicht,
dass sich das Lager im Wesentlichen selbst trimmt, um eine kleine
Abstandsfläche
zwischen den Fluidfolien und der Scheibe zu bilden, die nicht von
den normalen Variationen in den Folien- oder Folienbeschichtungsstärken beeinflusst
wird.
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Das
Lager weist keine Vorspannkraft und ein Null-Anlaufdrehmoment auf,
wenn die Drehachse des Rotors um neunzig Grad zur Anziehungskraft
gedreht wird. Dank des Wirbelstrommusters des Prozessfluids werden
die Laufabstandsflächen
des Lagers und die Belastungsfähigkeiten
verbessert, während
die Abhebgeschwindigkeiten verringert werden. Außerdem werden eine gute Dämpfung,
ein geringes Laufdrehmoment und ein kleiner Schwingraum erreicht.
Dies alles wir mit geringen Herstellungskosten und wenigen Bauteilen
erreicht.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
ein verbessertes, nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Schublager bereitstellen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einer verbesserten axialen und umkippenden Belastungsfähigkeit bereitstellen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager sowohl mit einem Quetschfilm als auch mit einer
Coulombschen Dämpfung
bereitstellen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit kleinen Raumabstandsflächen bereitstellen, um Ablenkungen
des Lagers und des Schubscheibenrotors einzuschränken.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem sehr niedrigen Betriebsdrehmoment bereitstellen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit großen
Laufabstandsflächen
zwischen den Fluidfolienelementen und der Schubscheibe bereitstellen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit Fluidfoliengliedern bereitstellen, die bei Nullgeschwindigkeit
nicht durch Federkräfte
gegen die Schubscheibe vorgespannt sind.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem Null-Anfangsdrehmoment bereitstellen,
wenn es keine durch die Schwerkraft induzierten Vorspannkräfte gibt.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einer äußerst geringen
Abheb-/Aufsetzgeschwindigkeit
bereitstellen, die mit Null-Vorspannkräften in Einklang steht.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einer sehr geringen Anlauf- und Anhalteabnutzung
bereitstellen, die mit Nullvorspannkräften und einer niedrigen Abheb-/Aufsetzgeschwindigkeit
in Einklang steht.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit zusammenlaufenden Keilkanalmerkmalen (gebildet
auf der Oberfläche
des Fluidfolienelements) bereitstellen, die Fluidstromverluste aus
dem Kanal an den radialen äußeren und
radialen inneren Kanten dieser Kanäle begrenzen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit zusammenlaufenden Keilkanalrampen bereitstellen,
die auf der Oberfläche
der Fluidfolienelemente gebildet werden, die zusammengesetzte Kurvenprofile
bei Nullgeschwindigkeit mit radial hohlen Kurvungen, den Umfang
betreffend flachen Neigungen und bei Betriebsgeschwindigkeit mit
konvexen Kurvungen aufweisen, wenn Fluiddynamische Kräfte und
Federkräfte
auf die Fluidfolienelemente angewendet werden. Die Profile bilden
und fungieren als Schaufeln mit radial breiten Fluidstromeinlässen und
Breiten, die den Kanal entlang der den Umfang betreffenden Fluidstromkanäle radial
schmaler machen, und den Umfang betreffend gerundete Hinterkanten.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem Fluidstrommuster bereitstellen, das Fluiddruckverluste verringert,
wenn sich das Prozessfluid „die
Rampe hinunter" bewegt
(in einer nominell den Umfang betreffenden Richtung, die der Drehung
der Schubscheibe entgegengesetzt ist) benachbart zu dem Fluidfolienelement.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem Fluidstrommuster bereitstellen, das mit
einem unterschiedlichen Strömungsweg
für jede
regenerative Strömungsschleife
regenerativ ist.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem Wirbelstrommuster bereitstellen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit Fluidstromelement-Zuschnitten und Federfolienelementen
bereitstellen, die durch optional maskierte, chemische Ätztechniken
hergestellt werden.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit Folienelementen bereitstellen, die dank der
Prozesse äußerst flach sind,
die verwendet werden, um das Folienmetall zu rollen und mit Wärme zu behandeln,
und dank der Prozesse, die verwendet werden, um die Folienzuschnitte
und -elemente zu formen (zum Beispiel zu ätzen).
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit Folienelementen bereitstellen, die eng gehaltene
Stärketoleranzen aufweisen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit Fluidfoliengliedern bereitstellen, die einzelne
Fluidfolienelemente sind, eines für jede Seite des Lagers.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit Fluidfolienelementen bereitstellen, die aus
Zuschnitten durch Pressen steil geneigter Nuten geformt werden,
um als auseinanderlaufende Keilkanäle zu fungieren, und gleichzeitig
zu ermöglichen,
dass die stufenweise zusammenlaufenden Keilkanalrampen ohne Kunststoffverformung
als die gerade Linienverbindung zwischen den Nuten resultieren.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit Fluidfolienelementen bereitstellen, die aus
angelassenen Zuschnitten aus Nickelstahl wie Inconel 750X durch Pressen
bei Raumtemperatur geformt werden.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem Federfolienglied bereitstellen, das lokale
Federkonstanten aufweist, die mit einer radialen und den Umfang
betreffenden Anordnung variieren, um Variationen im Fluiddruck innerhalb
der zusammenlaufenden Keilkanäle
anzupassen, die zu den lokalen Bereichen des Federfolienglieds benachbart
liegen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem Kippsegment-Federträger-System bereitstellen, das
die relativen Stützkräfte steuert,
die auf die Unterseite der Fluidfolie an einer Vielzahl von Stellen
den Umfang betreffend entlang der zusammenlaufenden Keilkanäle angewendet
werden.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem Kippsegment-Federträger-System bereitstellen, das
den Umfang betreffend einen näheren
Abstand zwischen den Träger/Drehbahnen
aufweist, die die zusammenlaufenden Rampe von der Vorderkante der
Fluidfolie zur Hinterkante der Fluidfolie hochlaufen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem Kippsegment-Federträger-System bereitstellen, das
zunehmende Stützkräfte und
Stützfedergeschwindigkeiten bereitstellt,
die die zusammenlaufende Rampe von der Vorderkante der Fluidfolie
zur Hinterkante der Fluidfolie hochlaufen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem Kippsegment-Federträger-System mit radial gekurvten
Träger/Drehbahnen
bereitstellen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einem Kippsegment-Federträger-System bereitstellen, dass
die Zurückhaltung
einer angemessen hydrodynamisch optimierten Schaufelform für die zusammenlaufenden Rampen
der Fluidfolie über
eine weite Bandbreite an Lagerbetriebsgeschwindigkeiten und Lagerschublasten
sicherstellt.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit Folienelementen bereitstellen, die nicht geschweißt oder
gelötet
sind, um Foliengliedanordnungen zu bilden.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit Stiften (die an dem Lagergehäuse starr befestigt sind) bereitstellen, die
die Drehung der Folienelemente positionieren und dieser entgegenwirken.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit einer selbsttrimmenden Fähigkeit bereitstellen, die
das federnde Befestigen und die Vorspanneigenschaften der Schubscheibe,
des Abstandsrings und der selbsttrimmenden Ringe der Folie benutzen,
um Variationen im Lageraxialspiel und im Schwingraum aufgrund von
Variationen in der Folienstärke
und der Folienbeschichtungsstärke
zu verhindern.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass die Ausführungsformen
solch ein Lager mit Fluidfolienelementen, einem Abstandsringelement,
einem Schubscheibenelement und einem Schubplattenelement bereitstellen,
die in dem Schublager schnell und einfach installiert werden können.
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Wenngleich
spezifische Ausführungsformen der
Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, muss man verstehen,
dass diese nur beispielhaft bereitgestellt werden und dass die Erfindung nicht
als auf diese eingeschränkt
ausgelegt werden soll, sondern nur durch den Schutzbereich der Ansprüche.