DE69832579T2

DE69832579T2 - Radialfolienlager mit Flüssigkeitsfilm

Info

Publication number: DE69832579T2
Application number: DE69832579T
Authority: DE
Inventors: Dennis H. Weissert
Original assignee: Capstone Turbine Corp
Current assignee: Capstone Green Energy Corp
Priority date: 1998-01-05
Filing date: 1998-12-31
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2019-01-01
Also published as: IL127021A0; CA2254034A1; CA2254034C; EP0927831A1; DE69832579D1; USRE39190E1; US5915841A; IL127021A; EP0927831B1; JP4271757B2; JPH11247844A

Description

FACHGEBIET
Diese Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet von nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Lagern und insbesondere ein verbessertes, nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager mit vielen Segmenten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Nachgiebige Folien-Fluidfilm-Radiallager werden derzeit bei verschiedenen Hochgeschwindigkeitsrotoranwendungen benutzt. Diese Lager umfassen im Allgemeinen eine Hülse, ein Drehelement wie einen Rotor oder Schaft, der ausgelegt ist, um sich innerhalb der Hülse zu drehen, nicht drehende, nachgiebige Fluidfolienglieder, die innerhalb der Hülse befestigt sind und das Drehelement umschließen, und nicht drehende, nachgiebige Federfolienglieder, die innerhalb der Hülse unterhalb der nicht drehenden, nachgiebigen Fluidfolienglieder befestigt sind. Der Raum zwischen dem Drehelement und der Hülse wird mit einem Fluid (gewöhnlich Luft) gefüllt, das die Folien umschließt. Herkömmlicherweise sind die nachgiebigen Fluidfolienelemente in mehrere, einzelne, nachgiebige Folien aufgeteilt, um mehrere keilförmige Kanäle zu bilden, die bezüglich der Stärke in Drehrichtung des Rotors zusammenlaufen.
Die Bewegung des Drehelements übt auf das Fluid in den zusammenlaufenden Keilkanälen viskose Widerstandskräfte aus. Dies führt zu Erhöhungen des Fluiddrucks, insbesondere in der Nähe der Hinterkante der Keilkanäle. Wenn sich das Drehelement zu dem nicht drehenden Element bewegt, erhöht sich der Konvergenzwinkel des Keilkanals, was bewirkt, dass die Fluiddruckerhöhung entlang des Kanals zunimmt. Umgekehrt, wenn sich das Drehelement wegbewegt, nimmt die Druckerhöhung entlang des Kanals ab. Folglich übt das Fluid in den Keilkanälen auf das Drehelement Rückstellkräfte aus, die mit Laufabstandsflächen variieren und diese stabilisie ren und den Kontakt zwischen den drehenden und nicht drehenden Elementen des Lagers verhindern. Das Biegen und Verschieben der Folien bewirkt eine Coulombsche Dämpfung jeglicher axialer Bewegung oder Kippbewegung des Drehelements des Lagers.
Aufgrund der Vorspannfederkräfte oder Schwerkräfte steht das Drehelement des Lagers bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten typischerweise mit den Fluidfoliengliedern des Lagers in physischem Kontakt. Dieser physische Kontakt führt zu Lagerabnutzung. Die dynamischen Kräfte des Fluids, die in den Keilkanälen erzeugt werden, gewährleisten zwischen den drehenden und den nicht drehenden Elementen nur dann einen Laufspalt, wenn sich die Rotorgeschwindigkeit über der so genannten Abhebe-/Aufsetzgeschwindigkeit befindet.
Nachgiebige Folien-Fluidfilm-Radiallager sind typischerweise auf Stützfedern angewiesen, um die Fluidfolien gegen das relativ bewegliche Drehelement derart vorzuspannen, dass die Folienposition/-verschachtelung gesteuert und eine dynamische Stabilität der Folie erzeugt wird. Das Anfangsdrehmoment des Lagers (das Idealerweise null ist) ist zu diesen Vorspannkräften direkt proportional. Diese Vorspannkräfte erhöhen ebenfalls bedeutend die Rotorgeschwindigkeit, bei der die hydrodynamischen Effekte in den Keilkanälen stark genug sind, um das Drehelement 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, jedes Mal wenn der Rotor in oder außer Betrieb gesetzt wird.
Herkömmliche nachgiebige Folien-Fluidfilm-Radiallager arbeiten mit extrem kleinen Laufabstandsflächen und mit einem mäßigen, im Gegensatz zu einem geringen Widerstand und Energieverbrauch. Die Abstandsflächen zwischen den nicht drehenden Hinterkanten der zusammenlaufenden Kanalrampe der Fluidfolie sind bei Betriebsbedingungen typischerweise geringer als 0,00254 mm (100 Mikrozoll).
Wenngleich die meisten nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Radiallager des Standes der Technik mehrere einzelne, nachgiebige Folien und einzelne Federfolien mit einer zylindrisch gebohrten Hülse benutzen, gibt es Fälle, bei denen eine einzige, nachgiebige Folie und eine einzige Federfolie mit einer nockenförmigen oder ausgebuchteten Hülse vorgeschlagen worden sind. Ein Beispiel dieser Art Radiallager ist in US-Patentschrift Nr. 5,427,455 zu finden, die am 27. Juni 1995 an Robert W. Bosley erteilt wurde und die Bezeichnung „Compliant Foil Hydrodynamic Fluid Film Radial Bearing" trägt.
DE-A-28 38 768 offenbart ein Lager, das eine Hülse umfasst, die eine innere Bohrung aufweist, die mehrere (drei), axial verlaufende Nuten aufweist, die darin definiert sind. Drei Federblätter werden in der inneren Bohrung bereitgestellt, wobei die jeweiligen Kanten in den Nuten befestigt sind. Die Federblätter definieren eine nicht kreisförmige Bohrung, in der zur Drehung ein Schaft gestützt ist.
WO-A-92 11469 offenbart ein Lager mit einer Hülse, die eine innere Bohrung aufweist, die mehrere, axial verlaufende Nuten aufweist, die darin definiert sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager bereit, das umfasst:
eine Hülse, die eine innere Bohrung aufweist, die mehrere axial verlaufende Halter, die den gleichen Abstand voneinander aufweisen und in die innere Bohrung hervorstehen, und mehrere Ausbuchtungen zwischen benachbarten Haltern umfasst;
mehrere nachgiebige Folien, die jeweils in der inneren Bohrung der Hülse zwischen jeweils benachbarten Haltern angeordnet sind, und
mehrere Folienstützfedern, die jeweils unter einer jeweiligen Folie zwischen den benachbarten Haltern angeordnet sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem die vorliegende Erfindung somit allgemein beschrieben worden ist, wird nun auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 eine Endansicht des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Radiallagers der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Radiallagers aus 1 ist;
3 eine auseinander gezogene Übersicht des nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Radiallagers aus 1 und 2 ist; und
4 eine vergrößerte Schnittansicht eines alternativen, nachgiebigen Folien-Fluidfilm-Radiallagers der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 bis 3 ist das nachgiebige Folien-Fluidfilm-Radiallager 10 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieses Radiallager 10 mit vielen Segmenten umfasst im Allgemeinen eine Hülse 12, einen Schaft oder Rotor 14, mehrere nachgiebige Folien 16 (als drei dargestellt) und eine ähnliche Mehrzahl von Folienstützfedern 18.
Wie am besten aus 3 ersichtlich ist, umfasst die innere Bohrung 20 der Hülse 12 mehrere Anti-Drehvorrichtungen oder Halter 22 (dargestellt als drei, im Allgemeinen T-förmige Halter), die den gleichen Abstand aufweisen und die axiale Länge der inneren Bohrung 20 verlängern. Die Halter 22 teilen die innere Bohrung 20 der Hülse 12 in eine ähnliche Mehrzahl von Ausbuchtungen 24 auf. Die nachgiebigen Folien 16 und die Folienstützfedern 18 sind in jeder Ausbuchtung 24 zwischen den benachbarten, in Allgemeinen T-förmigen Haltern 22 angeordnet.
Während der Schaft oder Rotor 14 zylindrisch ist, kann die innere Bohrung 20 der Hülse 12 zylindrisch sein oder nicht. Wenn die innere Bohrung 20 nicht zylindrisch ist, teilen die im Allgemeinen T-förmigen Halter 22 die innere Bohrung 20 in mehrere geformte oder mit Konturen ausgebildete Ausbuchtungen 24 auf.
Wenn die innere Bohrung 20' der Hülse 12' andererseits zylindrisch ist, teilen die im Allgemeinen T-förmigen Halter die innere Bohrung 20' in mehrere Ausbuchtungen in Form von gleich beabstandeten Bogensegmenten eines Zylinders auf, wobei die zusammenlaufenden Keile durch die nachgiebige Folie 16' und/oder die Folienstützfedern 18' ausgebildet werden, wie in 4 allgemein dargestellt. Die Höhe der Folienstützfedern 18' kann von der Vorderkante der nachgiebigen Folie 16' zu der Hinterkante der nachgiebigen Folie 16' zunehmen, um den zusammenlaufenden Keil zu bilden. Alternativ kann die Steifheit der Folienstützfeder von der Vorderkante zu der Hinterkante variieren, um das gleiche Ergebnis zu erhalten, oder Klemmstücke mit variierender Höhe können unterhalb der Folienstützfeder positioniert werden.
Die im Allgemeinen T-förmigen Halter 22 können symmetrisch sein oder sich an die Vorderkante und Hinterkante der mit Konturen ausgebildeten Ausbuchtungen 24 anpassen. Nicht symmetrische, T-förmige Halter 22 halten die Folien 16 bei unterschiedlichen Radien von dem geometrischen Zentrum zurück, wobei die Vorderkante der Folien bei einem größeren geometrischen Radius zurückgehalten wird als die Hinterkante.
Die im Allgemeinen T-förmigen Halter 22 sind als Teil der mit Konturen ausgebildeten, inneren Bohrung 20 der Hülse ausgebildet, wobei die Basis 26 davon von der inneren Bohrung 20 radial nach innen verläuft. Das Kreuzstück der im Allgemeinen T-förmigen Halter 22 weist eine Vorderkante 30 und eine Hinterkante 28 auf, wobei die Vorderkante 30 eine größere Stärke oder Breite aufweist als die Hinterkante 28, wie am besten in 2 dargestellt. Da der innere Durchmesser des Kreuzstücks sowohl an der Vorderkante 30 als auch an der Hinterkante 28 gleich ist, wird dadurch für die Hinterkante der mit Konturen ausgebildeten Ausbuchtung 24 ein größerer Durchmesser oder Tiefe bereitgestellt, der unter der stärkeren Vorderkante 30 der im Allgemeinen T-förmigen Halter 22 liegt.
Die mit Konturen ausgebildete Oberfläche der Ausbuchtungen 24 kann aus einem oder einer Reihe von Radien eines definierten Profils hergeleitet werden. Zum Beispiel kann die Kontur der Ausbuchtungen 24, in denen die nachgiebigen Folien 16 und die Stützfederfolien 18 ruhen, bei drei (3) Foliensegmenten eine Vielzahl oder ein Bruchteil oder eine spezifische Anzahl sein. Eine angemessene Kontur kann ebenfalls aus Scheitelpunkten eines gleichschenkligen Dreiecks mit spezifischer Längenseite mit Kreisen konstruiert werden, die aus diesen Scheitelpunkten gebildet werden und sich überschneiden, um die mit Konturen ausge bildete Oberfläche zu ergeben, die bearbeitet, geschliffen, elektroerodiert oder geräumt werden kann.
Wenngleich das nachgiebige Folien-Fluidfilm-Radiallager 10 mit drei (3) nachgiebigen Foliensegmenten 16 und drei (3) Folienstützfedern 18 dargestellt ist, kann eine größere Anzahl nachgiebiger Foliensegmente 16 und Folienstützfedern 18 benutzt werden. Zum Beispiel können fünf (5) oder mehr Segmente für das nachgiebige Folien-Fluidfilm-Radiallager 10 genauso angemessen sein.
Die nachgiebigen Folien 16 und Folienstützfedern 18 werden zwischen benachbarten, T-förmigen Haltern 22 eingeklemmt und gehalten. Die nachgiebigen Folien 16 weisen normalerweise eine vorgeformte, gebogene Form auf, wie in 3 dargestellt. Die Folienstützfedern 18 können einen vorgeformten Radius aufweisen oder einfach ein rechteckiges Blatt sein. In beiden Fällen sind die nachgiebigen Folien 16 und Folienstützfedern 18 entweder getrennt oder zusammen in die innere Bohrung 20 der Hülse 12 zwischen den benachbarten, T-förmigen Haltern 22 axial eingeführt. Wenngleich die Folienstützfedern 18 als eine wellenförmige Federform dargestellt sind, kann ebenfalls jede herkömmliche Lagerstützfeder verwendet werden, umfassend die Feder, die in US-Patentschrift Nr. 5,427,455 beschrieben ist. Die Stützfeder 18 kann veränderbare Federraten oder von der Vorderkante zu der Hinterkante verjüngte Höhen aufweisen, wie in 4 dargestellt.
Wenn die nachgiebigen Folien 16 zwischen den benachbarten, T-förmigen Haltern 22 eingeklemmt werden, werden sie zwischen den benachbarten, T-förmigen Haltern 22 unter Druck vorgespannt. In manchen Fällen können die nachgiebigen Folien 16 jedoch einfach zwischen den benachbarten, T-förmigen Haltern 22 ohne Vorspannung in Position gehalten werden. Die Folienstützfedern 18 werden jedoch normalerweise unter Druck zwischen den benachbarten, T-förmigen Haltern 22 vorgespannt. Die Folienstützfeder 18 kann zu der mit Konturen ausgebildeten Form der nachgiebigen Folien 16 beitragen. In den meisten Fällen sind die nachgiebigen Folien 16 und die Folienstützfeder 18 getrennt und zu einer Gleitbewegung dazwischen fähig. In manchen Fällen jedoch sind die nachgiebigen Folien 16 und die Folienstützfeder 18 in einer einzigen Anordnung zusammengefügt.
Die größere Stärke der Vorderkante 30 des T-förmigen Halterkreuzstücks erzeugt eine größere Tiefe an der Hinterkante der nachgiebigen Folien 16, um als ein Mittel zu dienen, die nachgiebigen Folien 16 von der Hinterkante des zusammenlaufenden Keils wegzuziehen. Die Hinterkante 28 der T-förmigen Halter 22 weist eine geringere Stärke auf, wodurch ermöglicht wird, dass die Vorderkante der Folien näher zu dem Schaft liegt, was die Entwicklung der Fluidfilmkeile ermöglicht.
Wenngleich das nachgiebige Folien-Fluidfilm-Radiallager 10 hydrodynamisch funktionieren kann, kann durch Bereitstellen einer externen Fluidquelle unter Druck auch ein hydrostatischer Aspekt realisiert werden. Das externe, mit Druck beaufschlagte Fluid kann an den Enden der Hülse oder durch radiale Öffnungen 40 in der Hülse 40 axial entlang oder durch die T-förmigen Halter 22 eingeführt werden. Der hydrostatische Aspekt stellt für die innere Bohrung 20 der Hülse 12 ein kühlendes Fluid bereit, was die Lebensdauer des Lagers insbesondere bei einer Gasturbinenanwendung erhöht. Der hydrostatische Betrieb erhöht auch die Belastbarkeit des Lagers.
Das Radiallager 10 der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Automatisierung durch Massenproduktion, wobei die Bestandteile leicht per Hand zusammengebaut werden können. Die nachgiebigen Folien 16 können geprägt oder fein gestanzt werden, wobei keine Notwendigkeit für Punktschweißen oder chemisches Ätzen besteht. Die großen Abstandsflächen zwischen den nachgiebigen Folien 16 und dem Schaft 14 an den T-förmigen Haltern 22 ermöglichen eine verbesserte Kühlung des Schafts 14 und der nachgiebigen Folien 16. Die Bauweise kann verschiedene Stützfederarten unterbringen und die T-förmigen Halter 22 ermöglichen eine größere gestalterische Freiheit bezüglich des Schafts, der Folie und der Federwirkung.

Claims

Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager umfassend: eine Hülse (12), die eine innere Bohrung (20, 20') aufweist, die mehrere axial verlaufende Halter (22), die den gleichen Abstand aufweisen und in die innere Bohrung hervorstehen, und mehrere Ausbuchtungen (24) zwischen benachbarten Haltern umfasst; mehrere nachgiebige Folien (16), die jeweils in der inneren Bohrung (20, 20') der Hülse (12) zwischen jeweils benachbarten Haltern (22) angeordnet sind, und mehrere Folienstützfedern (18), die jeweils unter einer jeweiligen nachgiebigen Folie (16) zwischen den benachbarten Haltern (22) angeordnet sind.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach Anspruch 1, wobei die Halter (22) im Allgemeinen T-förmig sind, die innere Bohrung (20') zylindrisch ist und die einzelnen nachgiebigen Folien (16) und die einzelnen Folienstützfedern (18) unter den einzelnen nachgiebigen Folien (16) einen zusammenlaufenden Keil zwischen den benachbarten, im Allgemeinen T-förmigen Haltern (22) bilden.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach Anspruch 1, wobei die Halter (22) im Allgemeinen T-förmig sind, die innere Bohrung (20) nicht zylindrisch ist, die im Allgemeinen mit Konturen ausgebildeten Ausbuchtungen (24) zwischen den benachbarten Haltern (22) und den einzelnen nachgiebigen Folien (16) ausgebildet sind und sich die einzelnen Folienstützfedern (18) an die Form der mit Konturen ausgebildeten Ausbuchtungen (24) anpassen, um einen zusammenlaufenden Keil zu bilden.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach Anspruch 1, wobei die Hülse (12) eine zylindrische innere Bohrung (20') aufweist, so dass die Ausbuchtungen (24) jeweilige Bogensegmente zwischen den benachbarten Haltern (22) umfassen; und die radiale Höhe jeder Folienstützfeder (18) von ihren Vorderkanten zu ihren Hinterkanten zunimmt, um einen zusammenlaufenden Keil auf der Fläche der jeweiligen nachgiebigen Folie (16) zu bilden, die während der Benutzung einem Schaft (14) gegenübersteht, der in der inneren Bohrung der Hülse (12) drehbar gestützt wird.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach Anspruch 1, wobei die Hülse (12) eine nicht zylindrische innere Bohrung (20) aufweist, so dass die Ausbuchtungen jeweilige mit Konturen ausgebildete Ausbuchtungen (24) zwischen den benachbarten Haltern (22) umfassen; und die Kontur jeder Ausbuchtung (24) einen zusammenlaufenden Keil auf der Fläche der jeweiligen nachgiebigen Folie (16) bildet, die während der Benutzung einem Schaft (14) gegenübersteht, der in der inneren Bohrung der Hülse (12) drehbar gestützt wird.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Halter (22) im Allgemeinen T-förmig sind.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach Anspruch 6, wobei die im Allgemeinen T-Förmigen Halter (22) asymmetrisch sind.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach Anspruch 7, wobei die im Allgemeinen T-förmigen, asymmetrischen Halter (22) ein Kreuzstück mit einer Vorderkante (30) und einer Hinterkante (28) aufweisen, wobei die Vorderkante stärker als die Hinterkante ist.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach Anspruch 2, 3 oder 6 bis 8, wobei die im Allgemeinen T-förmigen Halter (22) radiale Öffnungen (40) aufweisen, um eine kühlende Strömung für die innere Bohrung der Hülse (12) bereitzustellen.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale Steifheit jeder Folienstützfeder (18) von ihrer Vorderkante zu ihrer Hinterkante zunimmt.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lager hydrodynamisch ist.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Lager hydrostatisch ist.
Nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das Mittel zum axialen Bereitstellen einer kühlenden Strömung in die innere Bohrung der Hülse aufweist.
Vorrichtung umfassend das nachgiebige Folien-Fluidfilm-Radiallager nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Schaft (14), der in der inneren Bohrung (20; 20') der Hülse (12) drehbar gestützt ist.