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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lagerbaugruppe zur Lagerung
einer rotierenden Welle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
eine Lagerbaugruppe, bei der die rotierende Welle mittels eines
hydrodynamischen Lagers gelagert ist, wobei die Baugruppe darüber hinaus
auch ein hydrostatisches Lager umfasst.
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Eine
leistungsfähige
Lagerbaugruppe ist eine Lagerbaugruppe, die im Betrieb zur Lagerung
einer rotierenden Welle es dieser gestattet, sich so ungehindert
wie möglich
zu drehen, während
für die
rotierende Welle gleichzeitig die nötige Unterstützung bereitgestellt
wird. Zusätzlich
sollte die Lagerbaugruppe die Vibration der Welle aufnehmen und dämpfen. Die
Leistungsfähigkeit
einer Lagerbaugruppe bekommt mit zunehmender Drehzahl der zu lagernden
Welle einen immer höheren
Stellenwert. Die Bauform und die Eigenschaften von Lagerbaugruppen
zum Lagern von Wellen in Geräten,
wie z.B. einem Radialverdichter, sind entscheidend, wenn sich die
Welle bei der geforderten sehr hohen Drehzahl drehen soll und wenn
das Lager über
einen breiten Drehzahlbereich gut funktionieren soll, beispielsweise
während
des Hochfahrens und Herunterfahrens der Einrichtung mit drehenden
Elementen. Zum Lagern von Wellen, die mit hoher Drehzahl rotieren, werden
Squeeze-Film-Lager eingesetzt. Das Lager nimmt die Vibration der
Welle mittels eines Fluidfilms auf, manchmal in Kombination mit
einer oder mehreren Zentrierfedern, um die Vibration zu dämpfen. Beispiele
für hydrostatische
Lager sind in den US-Patenten Nr. 3,121,596; 3,994,541; 4,097,094;
4,392,751 und 3,863,996 offenbart.
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Im
US-Patent Nr. 2,921,533 ist eine Lagerbaugruppe zum Einsatz in einer
Pumpe offenbart, bei der während
des Hochfahrens der Pumpe das Lager als hydrodynamisches Lager wirkt,
wobei der verfügbar
Fluiddruck für
ein hydrostatisches Lager zu niedrig ist. Sobald der normale Fluidarbeitsdruck
erreicht ist, wirkt das Lager deshalb als hydrostatisches Lager.
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Eine
wesentliche Verbesserung der Bauform von Hochgeschwindigkeitslagern
erreichte man durch die Einführung
des hydrodynamischen Wellenlagers mit einem konzentrischen, äußeren hydrostatischen
Lager. Ein derartiges Lager ist im US-Patent Nr. 4,365,849 offenbart.
In dieser Lagerbaugruppe kommt sowohl ein hydrodynamisches Lager
als auch ein hydrostatisches Squeeze-Film-Lager zum Einsatz. Die
zu lagernde, rotie rende Welle sitzt in einer zylindrischen Bohrung
in einem zylindrischen inneren Lagerelement. Das innere Lagerelement
wiederum sitzt in einer zylindrischen Bohrung in einem äußeren Lagerelement.
Im Gebrauch wird der zylindrischen Bohrung im äußeren Lagerelement Fluid zugeführt, und
zwar über
Durchgänge,
die durch das äußere Lagerelement
selbst verlaufen. Auf diese Weise schafft man ein hydrostatisches
Squeeze-Film-Lager zwischen der Oberfläche der Bohrung im äußeren Lagerelement
und der Außenfläche des
inneren Lagerelements. Von diesem hydrostatischen Lager strömt Fluid
durch Durchgänge
im inneren Lagerelement zur zylindrischen Bohrung, in der die Welle
sitzt. Das in die Bohrung im inneren Lagerelement eintretende Fluid
bildet ein hydrodynamisches Lager zwischen der Außenfläche der
Welle und der Oberfläche
der Bohrung im inneren Lagerelement. In der
US 4,365,849 ist beschrieben, dass
das innere hydrodynamische Lager so gestaltet sein kann, dass die Drehlagerung
des gesamten Lagersystems optimiert ist. Auf diese Weise kann zur
Verbesserung der Rotation die Steifigkeit des inneren hydrodynamischen Lagers
maximiert werden und braucht nicht reduziert zu werden, um zur Aufnahme
von sich in der Drehwelle aufbauenden Vibrationen einen Dämpfungseffekt
bereitzustellen. Der Dämpfungseffekt
wird mittels des äußeren hydrostatischen
Squeeze-Film-Lagers erreicht, welches für diese Funktion optimiert
werden kann. Zwischen dem inneren und äußeren Lagerelement sind O-Ringe
vorgesehen, um den Druck des Fluids im hydrostatischen Squeeze-Film
sowie die Leistungsfähigkeit
des hydrostatischen Lagers aufrechtzuerhalten.
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Die
im US-Patent Nr. 4,365,849 offenbarte Lagerbaugruppe hat einen beachtlichen
wirtschaftlichen Erfolg erreicht, insbesondere bei Anwendungen zum
Lagern von Wellen, die mit hoher Drehzahl rotieren, wie es z.B.
bei Radialverdichtern der Fall ist. Es hat sich jedoch herausgestellt,
dass zur Erreichung der optimalen Leistungsfähigkeit unter Verwendung dieser
Lagerbaugruppe der Fluidzufuhrdruck wesentlich höher sein muss als bei anderen
Lagerbauformen von herkömmlicherer
Art. Während
dies in vielen Fällen
an und für
sich kein Problem darstellt, wäre es
dennoch wünschenswert,
eine Lagerbaugruppe bereitzustellen, mit der dieselbe hohe Leistungsfähigkeit
erreicht wird, die aber keine so hohen Fluidzufuhrdrücke braucht.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine wie in Anspruch definierte Lagerbaugruppe
zur Verfügung.
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Es
hat sich überraschenderweise
herausgestellt, dass parallel zu dem Fluid, das dem inneren hydrodynamischen
Lager zugeführt
wird, auch dem konzentrischen äußeren hydrostatischen
Lager Fluid zugeführt
werden kann, und dabei die hohe Leistungsfähigkeit der gesamten Lagerbaugruppe
hinsichtlich Optimierung der Wellenrotation und Dämpfung der
Vibration der Welle aufrecht erhalten bleibt. Zusätzlich bietet
eine derartige Lagerbaugruppe den wesentlichen Vorteil, dass der
Fluidzufuhrdruck auf niedrigere Drücke verringert werden kann.
Dies wiederum ermöglicht
es, die Lagerbaugruppe für
einen großen
Anwendungsbereich einzusetzen. Darüber hinaus hat sich herausgestellt,
dass es bei der Lagerbaugruppe der vorliegenden Erfindung nicht
mehr notwendig ist, Dichtungen vorzusehen, um die Steifigkeit des
hydrostatischen Squeeze-Film-Lagers zu steuern. Typischerweise werden
Dichtungen, wie z.B. aus Elastomer bestehende O-Ringe verwendet, um
die geforderte Stabilität
des Fluidfilms im hydrostatischen Lager zu erreichen und folglich
den gewünschten
Dämpfungseffekt
zu erzielen. Die aus Elastomer bestehenden O-Ringe haben eine Tendenz
dahingehend, sich mit der Zeit zu verformen, was auf das Kriechen
des Elastomers zurückzuführen ist.
Dies wiederum beeinträchtigt
die Stabilität des
hydrostatischen Fluidfilms im Lager. Die Lagerbaugruppe der vorliegenden
Erfindung kann ohne das Vorhandensein von Dichtungen, wie Elastomer-O-Ringen,
betrieben werden, und es wird dennoch die gewünschte Stabilität des Fluidfilms
im hydrostatischen Lager aufrechterhalten.
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In
einer Ausführungsform
umfasst der erste Kanal zum Zuführen
von Fluid zur Oberfläche
der Bohrung im äußeren Lagerelement
zur Schaffung des hydrostatischen Lagers einen oder mehrere Durchgänge durch
das erste Lagerelement, wobei jeder Durchgang eine Öffnung zur
zylindrischen Bohrung des äußeren Lagerelements
hat. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist im inneren Lagerelement ein Durchgang vorgesehen, der in die
zylindrische Bohrung im äußeren Lagerelement
mündet.
Vorzugsweise ist zur Bildung des ersten Kanals ein Durchgang vorgesehen,
der mehrere Öffnungen
hat, die in die Bohrung im äußeren Lagerelement
münden.
In solchen Fällen
sind die mehreren Öffnungen so
angeordnet, dass eine symmetrische, gleichmäßige Zufuhr von Fluid zur zy lindrischen
Bohrung bereitgestellt ist. Am meisten bevorzugt sind die Öffnungen in
gerader Anzahl vorhanden und sind als Paar oder mehrere gegenüberliegende
Paare angeordnet. Auf diese Weise kann gegenüberliegenden Regionen bzw.
Bereichen der Oberfläche
der Bohrung im äußeren Lagerelement
Fluid zugeführt
werden. In dieser Hinsicht wird der Ausdruck „gegenüberliegend" mit Bezug auf Außenbereiche der zylindrischen
Bohrung im äußeren Lagerelement
zur Bezeichnung von Bereichen verwendet, die jeweils an den Enden
einer Geraden liegen, die senkrecht durch die Mittellängsachse
der Bohrung hindurchläuft.
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Die
Lagerbaugruppe umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Kammern in
einem Außenbereich der
Bohrung im äußeren Lagerelement,
die zwischen dem äußeren Lagerelement
und dem inneren Lagerelement gebildet sind und einen Teil des hydrostatischen
Lagers bilden, wenn sie mit Fluid gefüllt sind. Die Kammern können durch
eine entsprechende Gestaltung der Oberfläche der Bohrung im äußeren Lagerelement
und/oder der Außenfläche des
inneren Lagerelements gebildet sein, beispielsweise durch eine oder
mehrere Nuten, Aushöhlungen
oder Taschen bzw. eine Kombination aus diesen, die in der Oberfläche der
Bohrung im äußeren Lagerelement und/oder
der Außenfläche des
inneren Lagerelements gebildet sind. Vorzugsweise sind mehrere solcher
Kammern vorhanden. Die mehreren Kammern sind vorzugsweise mit gleichem
Abstand um das innere Lagerelement herum angeordnet, um ein symmetrisches
Lager bereitzustellen. Noch bevorzugter ist eine gerade Anzahl derartiger
Kammern vorhanden, die als Paar oder in Form mehrerer gegenüberliegender
Paaren um den Umfang der Bohrung angeordnet sind. Auch hier ist
der Ausdruck „gegenüberliegend", wenn er mit Bezug
auf diese Kammern verwendet wird, ein Hinweis auf zwei oder mehr
Kammern, die jeweils am Ende einer Geraden liegen, die senkrecht
durch die Mittellängsachse
der Bohrung im äußeren Lagerelement
hindurchläuft.
Am bevorzugtesten sind die Kammern in gerader Anzahl vorhanden und
entsprechen in der Position den Bereichen, in die der zuvor erwähnte Durchgang
mündet
und die mit Fluid versorgt werden können. In einer Ausführungsform
umfasst der erste Kanal einen Durchgang im äußeren Lagerelement, der in
jede der Kammern mündet.
In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der erste Kanal einen Durchgang im inneren Lagerelement,
mit Öffnungen,
die in jede der Kammern führen.
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Anders
als bei der im US-Patent Nr. 4,365,849 offenbarten Lagerbaugruppe
wird bei Einsatz der Lagerbaugruppe der vorliegenden Erfindung der
zylindrischen Bohrung im inneren Lagerelement unabhängig von
der Fluidzufuhr zum äußeren hydrostatischen
Lager Fluid zugeführt.
Dementsprechend ist zur Zufuhr von Fluid zur zylindrischen Bohrung
im inneren Lagerelement ein zweiter Kanal vorgesehen, um ein hydrodynamisches
Lager um die Außenfläche einer
in der Bohrung sitzenden Welle zu bilden. Der zweite Kanal umfasst
vorzugsweise einen Durchgang durch das innere Lagerelement, der
eine Öffnung
zur Bohrung im inneren Lagerelement hat. Noch bevorzugter umfasst
der zweite Kanal einen Durchgang mit mehreren Öffnungen zu gegenüberliegenden
Bereichen der Bohrung im inneren Lagerelement. Auch hier ist mit
dem Ausdruck „gegenüberliegend", wenn er mit Bezug
auf einen Bereich der Bohrung im inneren Lagerelement verwendet
wird, ein Hinweis auf Bereiche gemeint, die jeweils am Ende einer
Geraden liegen, die senkrecht durch die Mittellängsachse der Bohrung hindurchläuft. In
einer bevorzugten Ausführungsform
verläuft
ein Durchgang durch das äußere Lagerelement,
der eine in die Bohrung im äußeren Lagerelement
führende Öffnung hat,
die mit der Öffnung
eines Durchgangs im inneren Lagerelement ausgerichtet ist. Der Durchgang
im inneren Lagerelement umfasst Bohrungen mit Öffnungen, welche den ersten
und zweiten Kanal zum Zuführen
von Fluid zur Bohrung im inneren Lagerelement zur Bildung des hydrodynamischen
Lagers als auch zur Bohrung im äußeren Lagerelement
zur Bildung des hydrostatischen Squeeze-Film-Lagers bilden.
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Der
Kanal zur Zufuhr von Fluid zur zylindrischen Bohrung im inneren
Lagerelement zur Schaffung des hydrodynamischen Lagers mündet vorzugsweise
in eine Kammer, die zwischen einer in der Bohrung vorhandenen Welle
und der Oberfläche
der Bohrung gebildet ist. Bei Ausführungsformen, in denen der
Kanal mehrere in die zylindrische Bohrung führende Öffnungen umfasst, wird bevorzugt,
dass jede Öffnung
eine mit ihr korrespondierende Kammer hat. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
hat die zylindrische Bohrung im inneren Lagerelement Halbzylinder,
die leicht zueinander versetzt sind, um eine sich verjüngende Kammer
bereitzustellen, die sich von jeder Öffnung in der gedachten Drehrichtung
der Welle weg erstreckt.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
bereit, die eine drehbare Welle umfasst, wobei diese Welle in einer
Lagerbaugruppe gelagert ist, die ein äußeres Lagerelement mit einer
zylindrischen Bohrung durch es hindurch umfasst; ein zylindrisches
inneres Lagerelement, das koaxial in der zylindrischen Bohrung des äußeren Lagerelements
verläuft,
wobei das innere Lagerelement eine zylindrische Bohrung durch es hindurch
hat zum Aufnehmen einer rotierenden Welle; einen ersten Kanal zum
Zuführen
von Fluid zu der Oberfläche
der Bohrung in dem äußeren Lagerelement
zum Bilden eines hydrostatischen Lagers zwischen der Oberfläche der
Bohrung und der äußeren Oberfläche des
inneren Lagerelements; und einen zweiten Kanal zum unabhängigen Zuführen von
Fluid zu der zylindrischen Bohrung in dem inneren Lagerelement zum
Bilden eines hydrodynamischen Lagers zwischen der Oberfläche der
zylindrischen Bohrung in dem inneren Lagerelement und der Oberfläche der Welle.
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In
noch einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein
Lagerungsverfahren für
eine rotierende Welle bereit, das Folgendes umfasst: Bereitstellen
eines inneren Lagerelements mit einer Bohrung, durch die die Welle
verläuft;
Zuführen
von Fluid zu der Bohrung, wodurch ein hydrodynamisches Lager gebildet
wird; Bereitstellen eines äußeren Lagerelements
mit einer Bohrung durch es hindurch, wobei das innere Lagerelement
in der Bohrung im äußeren Lagerelement
sitzt; Zuführen
von Fluid zu der Bohrung des äußeren Lagerelements, wodurch
ein hydrostatisches Lager gebildet wird; wobei das hydrodynamische
Lager unabhängig
von dem hydrostatischen Lager mit Fluid versorgt wird.
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Wie
vorstehend erwähnt,
bietet die vorliegende Erfindung einen signifikanten Vorteil dahingehend,
dass das Fluid dem hydrostatischen wie auch hydrodynamischen Lager
bei relativ geringem Druck zugeführt
werden kann. So wird zur Bildung des hydrostatischen Lagers Fluid
der Bohrung im äußeren Lagerelement
vorzugsweise mit einem Druck im Bereich bis zu 200 psi zugeführt. Noch
bevorzugter wird der Bohrung im äußeren Lagerelement
Fluid mit einem Druck im Bereich von 50 bis 150 psi, bevorzugter
von ca. 100 psi zugeführt.
Gleichfalls kann der Bohrung im inneren Lagerelement zur Bildung
des hydrodynamischen Lagers Fluid mit einem Druck im Bereich von
bis zu 200 psi zugeführt
werden. Noch bevorzugter wird das Fluid der Bohrung im inneren Lagerelement
zur Bil dung des hydrodynamischen Lagers mit einem Druck von 50 bis
150 psi zugeführt, vorzugsweise
mit einem Druck von ca. 100 psi.
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Bei
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird Fluid vorzugsweise
gegenüberliegenden Bereichen
der Bohrung im inneren Lagerelement zugeführt. In entsprechender Weise
wird Fluid vorzugsweise gegenüberliegenden
Bereichen der Bohrung im äußeren, das
hydrostatische Lager bildende Lagerelement zugeführt.
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Ein
umfassenderes Verständnis
der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der nun folgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. In
diesen zeigen:
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1 eine
Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der Lagerbaugruppe
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die um eine drehbare Welle herum angeordnet ist;
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2 eine
Querschnittsansicht der Lagerbaugruppe von 1 entlang
der Linie II-II;
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3 eine
genaue Ansicht des mittleren Abschnitts der Lagerbaugruppe von 1;
und
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4 eine
Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Lagerbaugruppe
der vorliegenden Erfindung.
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Mit
Bezug auf 1, umfasst eine Lagerbaugruppe,
die allgemein durch die Bezugszahl 2 angegeben ist, ein
allgemein zylindrisches, äußeres Lagerelement 4.
Im Gebrauch sitzt die Lagerbaugruppe 2 in einem Lagergehäuse (nicht
gezeigt). Solche Lagergehäuse
sind hinlänglich
bekannt und werden auch gut verstanden. Das Lagergehäuse umfasst Einrichtungen
zur Fixierung und Sicherung des äußeren Lagerelements 4,
um zu verhindern, dass sich dieses dreht, wenn die Lagerbaugruppe
im Gebrauch ist. Eine zylindrische Bohrung 6 läuft durch
das äußere Lagerelement 4 hindurch.
Die Mittellängsachse der
zylindrischen Bohrung 6 fällt mit der Mittellängsachse
des äußeren Lagerelements 4 zusammen.
Innerhalb der zylindrischen Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4 verläuft ein
allgemein zylindrisches, inneres Lagerelement 8. Das innere
Lagerelement 8 ist koaxial zum äußeren Lagerelement 4 und
zu der durch dieses hindurchlaufenden, zylindrischen Bohrung 6.
Eine zylindrische Bohrung 10 verläuft durch das innere Lagerelement 8 und
ist koaxial zu die sem angeordnet. Die in 1 gezeigte
Lagerbaugruppe 2 erstreckt sich um eine Welle 12 herum,
wobei die Welle 12 durch die zylindrische Bohrung 10 im
inneren Lagerelement 8 verläuft.
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Die
Welle 12 kann sich in der zylindrischen Bohrung 10 im
inneren Lagerelement 8 frei drehen. Die Welle 12 kann
irgendeine geeignete drehbare Welle sein, die einer Lagerung bedarf.
Die Welle 12 kann die Welle irgendeines geeigneten Teils
einer Einrichtung mit drehenden Elementen sein. Für die Lagerbaugruppe 2 der
vorliegenden Erfindung findet sich eine besondere Anwendung bei
der Lagerung von Wellen, die für
eine Rotation mit hohen Drehzahlen gedacht sind, wie z.B. die Wellen
von Schrauben- und Radialverdichtern und dgl.
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Eine
allgemein durch Bezugszahl 14 angegebene, zylindrische
Bohrung verläuft
von der Außenfläche des äußeren Lagerelements 4 radial
nach innen und mündet
in die zylindrische Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4.
Die Bohrung 14 umfasst einen Außenabschnitt 14a mit
größerem Durchmesser und
einen Innenabschnitt 14b kleineren Durchmessers. Der innere
Bohrungsabschnitt 14b ist mit einem Gewinde versehen. Von
der Außenfläche des
inneren Lagerelements 8 verläuft eine zylindrische Sackbohrung 16 radial
nach innen. Wenn das innere Lagerelement 8 in der zylindrischen
Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4 sitzt,
ist die Sackbohrung 16 im inneren Lagerelement 8 mit
der zylindrischen Bohrung 14 im äußeren Lagerelement 4 ausgerichtet. Durch
den inneren Bohrungsabschnitt 14b wird eine Schraube 18 eingeschraubt,
die sich in die Sackbohrung 16 im inneren Lagerelement 8 erstreckt.
Die Schraube 18 dient dazu, das innere Lagerelement 8 innerhalb
des äußeren Lagerelements 4 örtlich zu
fixieren, zur Aufrechterhaltung der korrekten Ausrichtung des inneren
Lagerelements 8 innerhalb der Lagerbaugruppe 2,
und verhindert, dass sich das innere Lagerelement 8 unter
der Einwirkung der rotierenden Welle 12 dreht. Die Schraube 18 sitzt
mit ausreichendem Spiel in der Sackbohrung 16 im inneren
Lagerelement 8, so dass die normale Bewegung des inneren
Lagerelements 8 unter der Einwirkung des hydrostatischen
Squeeze-Film-Lagers, das zwischen dem inneren und äußeren Lagerelement
gebildet ist, nicht behindert wird.
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Eine
Reihe zylindrischer Bohrungen 24a, b, c, d sind um die
Außenfläche des äußeren Lagerelements 4 angeordnet
und erstrecken sich radial nach innen, so dass sie in die zylindrische
Bohrung 6 im äußeren La gerelement 4 münden. Der äußere Endabschnitt
jeder der Bohrungen 24a, b, c, d ist mit einem Gewindestopfen
dicht verschlossen. Zylindrische Bohrungen 25a, b, c, d
erstrecken sich in Längsrichtung
von einem Ende des äußeren Lagerelements 4,
schneiden die Bohrungen 24a, b, c bzw. d und stellen Durchgänge für ein Fluid
bereit, das vom Ende der Lagerbaugruppe her jeder der Bohrungen 24a,
b, c, d zuzuführen
ist. Damit das hydrostatische Squeeze-Film-Lager zwischen dem inneren
Lagerelement 8 und dem äußeren Lagerelement 4 seine Funktion
ordnungsgemäß erfüllen kann,
wird das Fluid durch eine in der Größe geeignet bemessene Drosselstelle
oder Düse
zugeführt.
Dies kann erreicht werden, indem man für die Bohrungen 24a,
b, c und d einen entsprechenden Durchmesser wählt, oder eine Drosselstelle
(nicht gezeigt) in der Bohrung vorsieht.
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Innerhalb
des äußeren Lagerelements 4 umfasst
die zylindrische Bohrung 6 zwei Paare diametral gegenüberliegender
Außenbereiche,
wobei das erste Paar durch die Bezugszeichen 20a und 20b angegeben
ist und das zweite Paar allgemein durch die Bezugszeichen 20c und 20d angegeben
ist, die bei Gebrauch des Lagers die hydrostatische Lagerung bilden.
Jeder der Außenbereiche 20a,
b, c, d umfasst eine Kammer, die allgemein durch eine entsprechende
Nut 22a, b, c, d in der Außenfläche des inneren Lagerelements 8 und
der Oberfläche
der zylindrischen Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4 definiert
ist, wie deutlicher in 2 zu sehen ist. Wie in 2 gezeigt
ist, haben die Nuten 22a, b, c, d einen rechteckigen Querschnitt.
Die zylindrischen Bohrungen 24a, b, c, d sind so angeordnet,
dass jede Bohrung einer der in den Außenbereichen 20a,
b, c, d in der zylindrischen Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4 definierten
Kammern entspricht und in diese einmündet.
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Es
sollte klar sein, dass die Außenbereiche 20a,
b, c, d der zylindrischen Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4 von
der in 1 und 2 gezeigten Anzahl und Anordnung
abweichen können.
In entsprechender Weise können
die Kammern in den Außenbereichen 20a,
b, c, d zusammen mit den zylindrischen Bohrungen 24a, b,
c, d, die in die Außenbereiche 20a,
b, c, d einmünden,
auch in Anzahl sowie Anordnung variieren. Abweichungen von der in den 1 und 2 gezeigten
Anordnung, bei der die Kammern in den Außenbereichen 20a,
b, c, d gebildet sind, liegen innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung. Insbesondere können – zusätzlich oder
als Alternative zu den Nuten 22a, b, c, d in der Außenfläche des
inneren Lagerelements 8 – in der Innenfläche des äußeren Lagerelements 4 Nuten, Kanäle oder
Taschen ausgebildet sein.
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Das
innere Lagerelement 8 hat eine Bohrung 26, die
von einem Endabschnitt der Nut 22a durch das innere Lagerelement 8 hindurch
zum entsprechenden Endabschnitt der Nut 20b verläuft. Eine gleichartige
Bohrung 28 erstreckt sich von einem Endabschnitt der Nut 22c durch
den Körper
des inneren Lagerelements 8 hindurch, schneidet die Bohrung 26 in
rechtem Winkel und verläuft
durch den entsprechenden Endabschnitt der gegenüberliegenden Nut 22d.
Eine dritte Bohrung 30 erstreckt sich von dem Steg zwischen
den Nuten 22b und 22c an der Außenfläche des
inneren Lagerelements 8 radial nach innen, schneidet die
Bohrung 28 und mündet
in die zylindrische Bohrung 10 im inneren Lagerelement 8. Eine
zylindrische Bohrung 32 mündet in die zylindrische Bohrung 10 im
inneren Lagerelement 8 an einer der Öffnung der Bohrung 30 gegenüberliegenden Stelle,
verläuft
radial nach außen
und schneidet die Bohrung 26. Die zylindrischen Bohrungen 26, 28, 30 und 32 sind
so angeordnet, dass ihre Mittenlängsachsen
in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Mittellängsachse des inneren Lagerelements 8 verläuft.
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Die
Endabschnitte der Bohrungen 26 und 28, angrenzend
an die Nuten 22a, b, c, d an der Außenfläche des inneren Lagerelements 8,
sind zur Aufnahme eines Einschraubstopfens 34 mit einem
Gewinde versehen. Die Stopfen 34 dichten die Enden der
Bohrungen 26 und 28 ab. Als Alternative zu den
Einschraubstopfen und um eine bessere Abdichtung der Bohrungen 26 und 28 zu
bewirken, können
die Stopfen 34 in die Bohrungen so eingepresst oder eingedrückt sein,
dass eine Presspassung besteht. Stopfen, die sich für diese
Aufgabe eignen, sind im Handel erhältlich; es kann sich beispielsweise
um Stopfen der Firma Lee handeln. Befinden sich die Stopfen 34 an
Ort und Stelle, bilden die Bohrungen 26, 28, 30 und 32 miteinander
einen Durchgang mit zwei in die zylindrische Bohrung 10 im
inneren Lagerelement 8 mündenden, gegenüberliegenden Öffnungen,
wobei sich eine einzelne Öffnung
an der Außenfläche des inneren
Lagerelements 8 am Steg zwischen den Nuten 22b und
c befindet. Es sollte klar sein, dass Abweichungen bezüglich der
Anzahl und Anordnung der den Durchgang im inneren Lagerelement 8 bildenden
Bohrungen und der Anzahl und Positionierung der in die zylindrische
Bohrung 10 im inneren Lagerelement 8 führenden Öffnungen
möglich
sind und innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
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In
einer Aussparung im Steg zwischen den Nuten 22b und c an
der Außenfläche des
inneren Lagerelements 8 sitzt eine Dichtung 36,
die um die Öffnung
der Bohrung 30 herum verläuft. Eine zylindrische Bohrung 38 verläuft von
der Außenfläche des äußeren Lagerelements 4 radial
nach innen und mündet
in die zylindrische Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4.
Die innere Öffnung
der Bohrung 38 ist mit der Öffnung der Bohrung 30 im
inneren Lagerelement 8 im Steg zwischen den Nuten 22b und
c ausgerichtet. Die Dichtung 36 berührt die Oberfläche der zylindrischen
Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4, und
zwar umlaufend um die innere Öffnung
der im äußeren Lagerelement 4 vorgesehenen
Bohrung 38. Eine zylindrische Bohrung 39 erstreckt
sich in Längsrichtung
von einer Stirnseite des äußeren Lagerelements 4 und
schneidet die Bohrung 38, um einen Durchgang zur Zufuhr
von Fluid zur Bohrung 38 bereitzustellen. Der Außenabschnitt
der radialen Bohrung 38 ist zur Aufnahme eines Einschraubstopfens 37 mit
einem Gewinde versehen, welcher Stopfen dahingehend wirkt, das Ende
der Bohrung dicht zu verschließen.
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3 ist
eine genaue Ansicht des mittleren Abschnitts des inneren Lagerelements 8,
in der eine drehbare Welle 12 gezeigt ist, die in der zylindrischen Bohrung 10 im
inneren Lagerelement 8 verläuft. Die gedachte Drehrichtung
der Welle 12 ist durch den Pfeil A angegeben. Die zylindrischen
Bohrungen 30, 32 im inneren Lagerelement 8 münden jeweils
in die zylindrische Bohrung 10. An der Oberfläche der
zylindrischen Bohrung 10 ist eine Längsnut 40 vorgesehen,
die sich quer über
die Öffnung
der Bohrung 30 parallel zur Mittellängsachse des inneren Lagerelements 8 erstreckt.
Eine entsprechende Nut 40 verläuft quer über die Öffnung der Bohrung 32.
Vom Ende jeder Nut 40 erstreckt sich jeweils ein Steg 42 zum
Ende der zylindrischen Bohrung 10 des inneren Lagerelements 8.
Die zylindrische Bohrung 10 im inneren Lagerelement 8 ist
mit einem leichten Versatz zwischen den zylindrischen Hälften gebildet,
so dass zwischen der Welle 12 und der Oberfläche der
zylindrischen Bohrung 10 eine sich verjüngende Kammer gebildet ist,
die sich in Drehrichtung A von der Öffnung jeder der Bohrungen 30 und 32 weg
erstreckt.
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Im
Gebrauch wird die Lagerbaugruppe 2 mit einem geeigneten
Schmierfluid versorgt, bei dem es sich typischerweise um Schmieröl han delt,
und zwar auf zwei voneinander unabhängige Arten. Erstens wird jeder
der zylindrischen Bohrungen 24a bis 24d über die
Bohrung 25a, b, c, d im äußeren Lagerelement 4 Fluid
zugeführt,
die zusammengenommen einen Kanal zum Zuführen von Schmierfluid zur zylindrischen
Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4 bilden.
Typischerweise wird jede der zylindrischen Bohrungen 24a bis 24d mit
Fluid bei einem Druck im Bereich von bis zu 200 psi versorgt. Bevorzugterweise wird
das Fluid mit einem Druck von unter 150 psi zugeführt, typischerweise
bei einem Druck von 50 bis 150 psi. Ein besonders effektiver Fluidzufuhrdruck liegt
im Bereich von 80 bis 100 psi. Für
eine gegebene Vorrichtung kann der Fluidzufuhrdruck stark von externen
Faktoren, wie z.B. durch den maximalen Betriebsdruck von Objekten
wie den Fluidkühleinrichtungen,
Fluidfiltern und dem Fluidzufuhrsystem bestimmt sein. Es ist ein
Vorteil der Lagerbaugruppe der vorliegenden Erfindung, dass ein
hoher Grad hydrostatischer Lagerleistung erreicht und aufrecht erhalten
werden kann, und zwar unter Verwendung der niedrigeren Fluidzufuhrdrücke, die
für viele
Maschinen mit drehenden Elementen typisch sind.
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Der
zu jeder der Bohrungen 24a bis 24d gelangende
Fluidstrom tritt in die jeweilige Kammer im Außenbereich 20a bis 20d der
zylindrischen Bohrung 6 ein. Das Fluid füllt auch
den Ringraum zwischen dem inneren Lagerelement 8 und dem äußeren Lagerelement 4.
Während
des Betriebs wirkt das im Ringraum und in den Kammern in den Außenbereichen 20a bis 20d der
zylindrischen Bohrung 6 enthaltene Fluid als hydrostatisches
Squeeze-Film-Lager, um die Vibrationsbewegung der Welle 12 zu
dämpfen.
Im Allgemeinen verlässt
das jeder der Kammern in den Außenbereichen 20a bis 20d zugeführte Fluid die
Lagerbaugruppe, indem es durch den Ringraum zwischen dem inneren
Lagerelement 8 und dem äußeren Lagerelement 4 strömt. Im Ansprechen
auf eine Bewegung des inneren Lagerelements 8 während der
Dämpfung
der Vibrationsbewegung der Welle strömt das Fluid zwangsweise über die
Stege zwischen den Kammern in den Außenbereichen 20a bis 20d.
Der gewünschte
Dämpfungseffekt
kann eingestellt und erreicht werden, indem der Zufuhrdruck des
jeder der Bohrungen 24a bis 24d zugeführten Fluids
verändert
wird. Auch die Auswahl des Schmierfluids selbst ist durch die in
der hydrostatischen Lagerung zu leistenden Dämpfungsarbeit bestimmt.
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Zweitens
ist ein Kanal zum Zuführen
von Fluid zur zylindrischen Bohrung 10 im inneren Lagerelement 8 gebildet,
und zwar durch die Bohrungen 26, 28, 30, 32, 38 und 39.
Fluid wird der zylindrischen Bohrung 38 über die
im äußeren Lagerelement 4 vorgesehene
Längsbohrung 39 zugeführt, strömt radial nach
innen durch die Bohrung 38 an der Dichtung 36 vorbei,
die sich zwischen dem inneren Lagerelement 8 und der Oberfläche der
zylindrischen Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4 befindet,
und tritt in die Bohrung 30 im inneren Lagerelement 8 ein.
Das Fluid kann irgendein geeignetes Schmierfluid sein, z.B. ein Schmieröl, und ist
vorzugsweise dasselbe Fluid wie das, welches den zylindrischen Bohrungen 24a bis 24d zur
Bildung des zuvor beschriebenen hydrostatischen Squeeze-Film-Lagers
zugeleitet wird. Sobald er in die Bohrung 30 im inneren
Lagerelement 8 gelangt ist, teilt sich der Fluidstrom und
strömt
entlang dem Durchgang, der durch die Bohrungen 26, 28, 30 und 32 gebildet
ist, um schließlich über die
beiden Öffnungen
der Bohrungen 30 und 32 in die zylindrische Bohrung 10 im
inneren Lagerelement 8 einzutreten. Das Fluid füllt die
Nuten 40, die zwischen der Oberfläche der Welle 12 und
der Exzentrizität
in der zylindrischen Bohrung 10 gebildeten, sich verjüngenden
Kammern, und den Ringraum zwischen der Welle 12 und der
Oberfläche
der zylindrischen Bohrung 10, um ein hydrodynamisches Lager
zu bilden. Das Fluid verlässt
die Lagerbaugruppe, indem es an den Enden des Lagers durch den Ringraum
zwischen der Welle 12 und dem inneren Lagerelement 8 ausströmt. Das
Fluid wird der zylindrischen Bohrung 38 im äußeren Lagerelement 4 typischerweise
bei einem Druck im Bereich von bis zu 200 psi zugeführt. Bevorzugterweise
wird das Fluid bei einem Druck von unter 150 psi zugeführt, typischerweise
in einem Bereich von 50 bis 150 psi. Ein besonders effektiver Fluidzufuhrdruck
liegt im Bereich von 80 bis 100 psi. Auch hier kann der Fluidzufuhrdruck
für eine
gegebene Vorrichtung stark von externen Faktoren bestimmt sein,
wie z.B. vom maximalen Betriebsdruck derartiger Objekte wie Fluidkühleinrichtungen,
Fluidfiltern und dem Fluidzufuhrsystem. Es ist ein Vorteil der Lagerbaugruppe
der vorliegenden Erfindung, dass ein hoher Grad an hydrodynamischer
Lagerleistung erzielt und aufrecht erhalten werden kann, und zwar unter
Verwendung der niedrigeren Fluidzufuhrdrücke, die für viele Maschinen mit drehenden
Elementen typisch sind. Die gewünschte
Leistungsfähigkeit des
hydrodynamischen Lagers kann dadurch erreicht werden, dass man die
Zufuhr oder den Druck des der Bohrung 38 im äußeren Lagerelement 4 zugeführten Fluids
einstellt. Das Fluid selbst kann entsprechend den geforderten Fluideigenschaften
ausgewählt
werden, um die erforderliche Leistungsfähigkeit des hydrodynamischen
Lagers zu erzielen. Ein wichtiges Merkmal der Lagerbaugruppe 2 der
vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Zufuhrdruck der Fluide,
und in der Tat auch das Fluid selbst, unabhängig voneinander ausgewählt und
eingestellt werden können,
und zwar jeweils für
das zwischen dem äußeren Lagerelement 4 und
dem inneren Lagerelement 8 geschaffene hydrostatische Squeeze-Film-Lager,
und das zwischen der Welle 12 und dem inneren Lagerelement 8 geschaffene
hydrodynamische Lager.
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4 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Lagerbaugruppe der vorliegenden Erfindung. Merkmale der Baugruppe
von 4, die denen der 1 bis 3 entsprechen,
sind mit entsprechenden Bezugszahlen angegeben. Die Lagerbaugruppe
von 4 ist allgemein die gleiche wie die von 1.
In 4 ist jedoch eine bevorzugte Anordnung für den ersten
und zweiten Kanal zum Zuführen
von Fluid zum hydrostatischen Squeeze-Film-Lager bzw. hydrodynamischen
Lager gezeigt. In der bevorzugten Baugruppe verläuft durch das äußere Lagerelement 4 eine
einzelne Bohrung 38 radial nach innen, deren innere Öffnung mit
der Öffnung
der Bohrung 30 im inneren Lagerelement 8 ausgerichtet
ist. Die Bohrungen 26, 28, 30 und 32 sind
im inneren Lagerelement 8 so vorgesehen, wie zuvor beschrieben
wurde. An jedem Ende der Bohrungen 26 und 28 befinden
sich Stopfen 34a. Wie zuvor angemerkt, wird die ordnungsgemäße Funktion des
hydrostatischen Squeeze-Film-Lagers zwischen dem inneren Lagerelement 4 und
dem äußeren Lagerelement 8 erreicht,
indem man dem Lager über eine
in der Größe entsprechend
bemessene Düse Fluid
zuführt.
In der in 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform
hat jeder Stopfen 34a in den Enden der Bohrungen 26 und 28 eine
Längsbohrung 35,
die sich durch ihn hindurch erstreckt. Um für eine entsprechende Abdichtung
zwischen den Stopfen 34a und den Endabschnitten der Bohrungen 26 und 28 zu sorgen
und einen Nebenstrom von Fluid zu verhindern, sind die Stopfen 34a in
den Bohrungen 26 und 28 vorzugsweise mit einem
Presssitz eingepasst. Geeignete Stopfen mit Längsbohrungen sind im Handel
erhältlich;
bei diesen handelt es sich beispielsweise um Stopfen der Firma Lee.
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Im
Einsatz wird der Lagerbaugruppe 2 von 4 Fluid über die
radiale Bohrung 38 zugeführt. Das Fluid tritt in die
Bohrung 30 im inneren Lagerelement 8 ein und strömt dabei
an der Dichtung 36 zwischen dem inneren Lagerelement 8 und
dem äußeren Lagerelement 4 vorbei.
Ein erster Kanal umfasst die Bohrungen 26, 28, 30 und 32,
die zusammen mit den Bohrungen 35 in den Stopfen 34a dafür sorgen, dass
Fluid den Kammern in den Außenbereichen 20a,
b, c und d der zylindrischen Bohrung 6 im äußeren Lagerelement 4 zugeführt wird,
um ein hydrostatisches Squeeze-Film-Lager zu bilden. Der Durchmesser
der Bohrungen 35 in den Stopfen 34a ist so gewählt, dass
die gewünschte
Steifigkeit sowie auch die gewünschte
Dämpfungswirkung
des hydrostatischen Squeeze-Film-Lagers
bereitgestellt werden. Die Bohrungen 26, 28, 30 und 32 stellen
einen Kanal zur Zufuhr von Fluid zur zylindrischen Bohrung 10 im inneren
Lagerelement 8 bereit, um zwischen dem inneren Lagerelement 8 und
der Welle 12 ein hydrodynamisches Lager zu bilden, wie
zuvor beschrieben wurde. Die Drücke
für die
Zufuhr von Fluid zur Bohrung 38 im äußeren Lagerelement 4 liegen
typischerweise im Bereich von bis zu 200 psi. Bevorzugterweise wird
das Fluid mit einem Druck von unter 150 psi zugeführt, typischerweise
mit einem Druck von 50 bis 150 psi. Ein besonders effektiver Fluidzufuhrdruck liegt
im Bereich von 80 bis 100 psi.
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Während die
wie hier im einzelnen offenbarten, besonderen Ausführungsformen
der Lagerbaugruppe der vorliegenden Erfindung vollauf dazu in der
Lage sind, die vorstehend aufgeführten
Aufgaben zu lösen
bzw. Vorteile zu erzielen, sollte klar sein, dass sie für die gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung lediglich darstellend sind und dass durch die Einzelheiten
der hier gezeigten Konstruktion oder Bauform keine Beschränkungen bestehen
sollen, außer
denjenigen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben sind.