DE69832138T2 - Hydrodynamisches Wellenlager mit einem konzentrischen, aussenhydrostatischen Lager - Google Patents

Hydrodynamisches Wellenlager mit einem konzentrischen, aussenhydrostatischen Lager Download PDF

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    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C27/00Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/02Sliding-contact bearings

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine wie in Anspruch definierte Lagerbaugruppe zur Verfügung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 1 eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der Lagerbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung, die um eine drehbare Welle herum angeordnet ist;
  • 2 eine Querschnittsansicht der Lagerbaugruppe von 1 entlang der Linie II-II;
  • 3 eine genaue Ansicht des mittleren Abschnitts der Lagerbaugruppe von 1; und
  • 4 eine Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Lagerbaugruppe der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (16)

  1. Lagerbaugruppe (2), die Folgendes umfasst: ein äußeres Lagerelement (4) mit einer zylindrischen Bohrung (6) durch es hindurch; ein zylindrisches inneres Lagerelement (8), das koaxial in der zylindrischen Bohrung (6) des äußeren Lagerelements (4) verläuft, wobei das innere Lagerelement (8) eine zylindrische Bohrung (10) durch es hindurch hat zum Aufnehmen einer rotierenden Welle: einen ersten Kanal (24a, 24b, 24c, 24d, 35) zum Zuführen von Fluid zu der Oberfläche der Bohrung (6) in dem äußeren Lagerelement (4) zum Bilden eines hydrostatischen Lagers zwischen dar Oberfläche der Bohrung (6) und der äußeren Oberfläche des inneren Lagerelements (8) und einen zweiten Kanal (32) zum Zuführen von Fluid zu der zylindrischen Bohrung (10) in dem inneren Lagerelement (8) zum Bilden eines hydrodynamischen Lagers zwischen der Oberfläche der zylindrischen Bohrung in dem inneren Lagerelement und der Oberfläche einer Welle in der genannten Bohrung; dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (32) so vorgesehen ist, dass das Fluid unabhängig von dem zu dem ersten Kanal (24a, 24b, 24c, 24d, 35) zugeführten Fluid zu der zylindrischen Bohrung (10) in dem inneren Lagerelement (8) zugeführt wird.
  2. Lagerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (24a, 24b, 24c, 24d, 35) einen Durchgang durch das innere Lagerelement (8) umfasst.
  3. Lagerbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang eine gerade Zahl von Öffnungen in die Bohrung (6) umfasst, die sich in dem Äußeren Lagerelement befinden und in ein oder mehrere Paare zum Zuführen von Fluid zu gegenüberliegenden äußeren Regionen der Bohrung (6) in dem äußeren Lagerelement (4) angeordnet sind, vorzugsweise vier Öffnungen.
  4. Lagerbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Kammer (20a, 20b, 20c, 20d) umfasst, die zwischen dem äußeren Lagerelement (4) und dem inneren Lagerelement (8) gebildet ist, vorzugsweise eine gerade Zahl von Kammern zwischen dem äußeren Lagerelement (4) und dem inneren Lagerelement (8), die zu einem oder mehreren um den Umfang der Bohrung (6) angeordneten gegenüberliegenden Paar(en) angeordnet sind.
  5. Lagerbaugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (24a, 24b, 24c, 24d, 35) einen Durchgang in dem inneren Lagerelement (8) mit Öffnungen in jede der Kammern umfasst.
  6. Lagerbaugruppe nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (20a, 20b, 20c, 20d) von der Oberfläche der Bohrung (6) in dem äußeren Lagerelement (4) und einer Nut (22a, 22b, 22c, 22d) in der äußeren Oberfläche des inneren Lagerelements (8) gebildet wird.
  7. Lagerbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (32) einen Durchgang durch das innere Lagerelement (8) umfasst.
  8. Lagerbaugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (32) einen Durchgang mit Öffnung in gegenüberliegende Regionen der Bohrung (10) in dem inneren Lagerelement (8) zum Zuführen von Fluid zu gegenüberliegenden Regionen der Bohrung (10) in dem inneren Lagerelement (8) umfasst.
  9. Lagerbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchgang (38) durch das äußere Lagerelement (4) vorgesehen ist, der eine Öffnung in die Bohrung (6) in dem äußeren Lagerelement (4) hat, wobei das innere Lagerelement (8) einen Durchgang (30) umfasst, der eine Öffnung in der äußeren Oberfläche des inneren Lagerelements (8) hat, die auf die Öffnung des Durchgangs (38) in dem äußeren Lagerelement (4) ausgerichtet ist, wobei der Durchgang (30) in dem inneren Lagerelement (8) den ersten und den zweiten Kanal bildet.
  10. Lagerbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Bohrung (10) in dem inneren Lagerelement (8) so gestaltet ist, dass sie eine Kammer (40) zwischen der genannten Oberfläche und der Oberfläche einer Welle in der Bohrung (10) bildet.
  11. Vorrichtung, die eine rotierende welle (12) umfasst, wobei die Welle (12) in einer Lagerbaugruppe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 gelagert ist.
  12. Lagerungsverfahren für eine rotierende welle (12), das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines inneren Lagerelements (8) mit einer Bohrung (10), durch die die Welle (12) verläuft; Zuführen von Fluid zu der Bohrung (10), wodurch ein hydrodynamisches Lager gebildet wird; Bereitstellen eines äußeren Lagerelements (4) mit einer Bohrung (6) durch es hindurch, wobei das innere Lagerelement (8) in der Bohrung (6) sitzt; Zuführen von Fluid zu der Bohrung (6) des äußeren Lagerelements (4), wodurch ein hydrostatisches Lager gebildet wird; dadurch gekennzeichnet, dass dieses hydrostatische Lager unabhängig von dem hydrostatischen Lager mit Fluid versorgt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Fluid mit einem Druck im Bereich von 0,3447 MPa bis 1,0342 MPa (50 bis 150 psi) zu der Bohrung (10) in dem inneren Lagerelement (8) zugeführt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Fluid mit einem Druck im Bereich von 0,3447 MPa bis 1,0342 MPa (50 bis 150 psi) zu der Bohrung (6) in dem äußeren Lagerelement (4) zugeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Fluid zu gegenüberliegenden Regionen der Bohrung (10) in dem inneren Lagerelement (8) zugeführt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Fluid zu gegenüberliegenden Regionen der Bohrung (6) in dem äußeren Lagerelement (8) zugeführt Wird.
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