DE69912292T2

DE69912292T2 - Lager mit zwei ineinander gesetzten schalen

Info

Publication number: DE69912292T2
Application number: DE69912292T
Authority: DE
Inventors: Julius Richard Gozdawa
Original assignee: Corac Group PLC
Current assignee: Corac Group PLC
Priority date: 1998-08-19
Filing date: 1999-08-19
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-08-20
Also published as: US6471404B1; DE69912292D1; GB9818097D0; WO2000011362A1; EP1104505A1; EP1104505B1; ATE252695T1; JP2002523694A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lagersätze. Ein hydrostatischer Lagersatz gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der GB 1 213 514 A bekannt. Ein weiterer hydrostatischer Lagersatz mit gegeneinander drehbarer innerer und äußerer Schale ist aus der US 3 754 800 A bekannt.
Bei der Auslegung einer Rotoreinheit, die eine Welle enthält, die in Lagern ruht, die auf einem Rahmen montiert sind, ist ein Aspekt der, daß der Rahmen in der Lage sein muß, die Lager in korrekter Ausrichtung mit der Welle zu halten, während diese sich mit Betriebsgeschwindigkeit dreht. Fehler in der Konstruktion oder im Zusammenbau der Rotoreinheit oder thermische oder sonstige Verformung des Rahmens während des Betriebs könnten dazu führen, daß die Lager auf gefährliche Weise einen Versatz gegenüber der Welle erfahren würden, wenn die Lager in Bezug auf den Rahmen unbeweglich gehalten würden. Branchenweit bekannte Praxis ist es, Radial- und Axiallager in sphärischen Schalen so zu montieren, daß sie einen gewissen Freiheitsgrad besitzen, um sich selbsttätig auf die Wellen auszurichten, sobald sich der Rahmen verzieht, wobei solche Lager als „selbsteinstellende Lager" bezeichnet werden. Unter gewissen Umständen sind sphärische Schalen jedoch kein bevorzugtes Mittel zum Erreichen der Selbsteinstellung.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Lagersatz zur Aufnahme bzw. zur Sicherung einer Welle in einem Rahmen bereit, wobei der Lagersatz eine äußere Schale enthält, die im Verhältnis zum Rahmen ortsfest fixiert wird, wobei diese äußere Schale ein Paar koaxi al angeordneter ringförmige Flächen bildet, die sich im Inneren, mit Zwischenraum angeordnet, gegenüberliegen, sowie eine innere Schale, die so angeordnet ist, daß ein Radiallager bzw. ein Axiallager für die Welle gebildet wird; dabei wird verhindert, daß sich die innere Schale im Verhältnis zur äußeren Schale erheblich dreht und im Inneren der äußeren Schale positioniert wird, wobei die innere Schale ein Paar koaxial angeordneter ringförmige Flächen bildet, die beide mit ihrer jeweiligen Außenfläche nach außen in Richtung auf eine der nach innen weisenden Flächen der äußeren Schale weisen, und sie [die innere Schale] im Wesentlichen koaxial zu und angrenzend an die entsprechende nach innen weisende ringförmige Fläche [der äußeren Schale] angeordnet ist, wobei die innere Schale in Achsrichtung beweglich und im Verhältnis zur äußeren Schale neigbar ist und im Verhältnis zur Welle in Achsrichtung beweglich und neigbar ist, und jede der besagten nach innen weisenden ringförmigen Flächen und/oder die entsprechenden nach außen weisenden ringförmigen Flächen über einen oder mehrere Kanäle verfügen, die umlaufend auf der Fläche angeordnet sind; wobei der Lagersatz zudem ein Mittel zur Bereitstellung eines Strömungsmittels von einer Hochdruckquelle an jeden der besagten Kanäle über ein Mittel enthält, das für einen Strömungswiderstand sorgt, das sich dadurch auszeichnet, daß die besagten Kanäle so konstruiert sind, daß in Betrieb die Druckverteilung um die besagten ringförmigen Flächen bei einem vorgegebenen Radius im Wesentlichen gleichförmig ist.
In Betrieb ist die äußere Schale des Lagersatzes im Verhältnis zu einem Rahmen, der die Welle hält, ortsfest. Die innere Schale hält die Welle in ihrem Radial- bzw. Axiallager. Strömungsmittel von der Hochdruckquelle wird über das Mittel, das für den Strömungswiderstand sorgt, vorzugsweise bestehend aus einer bzw. mehreren Zuläufen mit begrenztem Querschnitt pro Kanal, in die Kanäle der ringförmigen Flächen eingeführt. Das Strömungsmittel fließt um die Kanäle und verläßt die Kanäle, um durch die Spalte zwischen den jeweils einander zugeordneten nach innen bzw. außen weisenden ringförmigen Flächen von inneren und äußeren Schalen radial nach innen und außen zu strömen, von wo es bei Umgebungsdruck in die Umgebung außerhalb der äußeren Schale entweicht. Die Kanäle sind generell auf dem ganzen Umfang so breit und tief und die Spalte zwischen jeder der nach innen weisenden ringförmigen Flächen und den entsprechenden nach außen weisenden ringförmigen Flächen sind ausreichend schmal, daß der Strömungswiderstand des Strömungsmittels um die Kanäle im Vergleich zum Strömungswiderstand durch die Spalte zwischen den ringförmigen Flächen von innerer und äußerer Schale gering ist. Somit ist der Druck, der von dem Strömungsmittel um jeden der Kanäle ausgeübt wird, effektiv konstant, und er wird durch die Breite des entsprechenden Spalts bestimmt. Wird der Spalt schmaler, erhöht er sich, vergrößert sich die Breite des entsprechenden Spalts, verringert er sich.
Dementsprechend bewirkt die Bewegung der inneren Schale in einer Richtung entlang der Achse im Verhältnis zur äußeren Schale, daß sich der von dem Strömungsmittel im Kanal bzw. den Kanälen ausgeübte Druck auf derjenigen Seite der inneren Schale erhöht, bei der der Abstand zur äußeren Schale verringert wurde, und sich in dem Kanal bzw. den Kanälen auf der anderen Seite der inneren Schale vermindert, bei der sich der Abstand zur äußeren Schale vergrößert. Die Druckdifferenz über die innere Schale erzeugt auf selbige eine Rückstellkraft, die diese zurück in eine Gleichgewichtsstellung zwingt, z. B. in eine mittlere Position innerhalb der äußeren Schale. Bei einer solchen Anordnung kann die auf die innere Schale ausgeübte Rückstellkraft für einen erheblichen Widerstand gegen ein Verschieben der inneren Schale in einer Achsrichtung im Verhältnis zur äußeren Schale sorgen.
Der Kanal bzw. die Kanäle in jeder der nach innen weisenden ringförmigen Flächen und/oder der jeweils entsprechenden nach außen weisenden ringförmigen Fläche erstrecken sich vorteilhafterweise im Wesentlichen um die gesamte Fläche und vorzugsweise im Wesentlichen konzentrisch um die Fläche. Vorteilhafterweise hat jede der besagten, nach innen weisenden ringförmigen Flächen und/oder die entsprechende nach außen weisende ringförmige Fläche einen durchgängigen Kanal. Bei einer solchen Anordnung ist die Druckverteilung um jede der besagten ringförmigen Flächen bei einem vorgegebenen Radius in Betrieb im Wesentlichen gleichförmig. Der mittlere Radius eines solchen Kanals ist vorzugsweise im Wesentlichen gleich der Wurzel aus dem Produkt von innerem und äußerem Radius der ringförmigen Fläche, in der er sich befindet. Der Kanal in jeder Fläche muß jedoch nicht zwangsläufig durchgängig sein, und es kann zwei oder mehrere bogenförmige Kanäle mit gleichem mittlerem Radius oder sogar zwei oder mehrere Kanäle mit unterschiedlichen mittleren Radien in jeder der besagten ringförmigen Flächen geben, und die Konfiguration des Kanals bzw. der Kanäle in einer ringförmigen Fläche muß nicht dieselbe sein wie bei der jeweils anderen, jedoch sollte die Druckverteilung um jede der ringförmigen Flächen bei einem vorgegebenen Radius in Betrieb im Wesentlichen gleichförmig sein.
Wenn der Lagersatz so angeordnet ist, daß ein Radiallager ausgebildet wird, enthält die innere Schale vorteilhafterweise ein Radiallager, durch das die Welle bzw. der Wellenzapfen durchgeführt werden kann, und einen ringförmigen Flansch am Radiallager, der die besagten, nach außen weisenden ringförmigen Flächen liefert, bildet. Eine solche Anordnung kann bei Anwendung einer erheblichen Rückstellkraft auf den Flansch der inneren Schale, sobald sich diese von ihrer vorgegebenen Position im Verhältnis zur äußeren Schale in einer Achsrichtung bewegt, eine definierte Lage des Radiallagers im Verhältnis zum Apparaterahmen bringen und ermöglicht dabei die Neigung des Flanschs der inneren Schale im Verhältnis zur äußeren Schale und somit die selbsttätige Ausrichtung des Radiallagers auf die Welle. Der Grad, in dem der Flansch der inneren Schale gegenüber der äußeren Schale geneigt werden kann und somit die Grenzen der Fähigkeit der selbsttätigen Ausrichtung des Radiallagers, wird durch die Abmessungen der inneren und der äußeren Schale sowie der Größe der Spalte zwischen den ringförmigen Flächen bestimmt.
Bei einer Anordnung, in der die ringförmigen Flächen mit durchlaufenden Kanälen versehen sind, wird selbst dann, wenn es möglich ist, den Lagersatz so anzuordnen, daß eine erhebliche Rückstellkraft gegen eine relative Verschiebung der inneren Schale in Achsrichtung wie oben erörtert gegeben ist, wenn die entsprechenden ringförmigen Flächen leicht gegeneinander geneigt werden, der Druck bei einem gegebenen Radius um jede der Flächen im Wesentlichen gleichbleibend, und es entsteht kein erhebliches Rückstellmoment gegen die Neigung. Folglich wird im Falle einer Neigung der inneren Schale im Verhältnis zur äußeren Schale, wie beispielsweise bei der Selbsteinstellung eines Radiallagers wie oben beschrieben, die innere Schale im Verhältnis zur äußeren Schale geneigt bleiben. Eine solche Anordnung ist für Radiallager geeignet, die die Möglichkeit einer selbsttätig zuschaltenden, hydrodynamischen Schmierung vorsehen, d.h. die Fähigkeit, wenn sich die Welle mit einer Geschwindigkeit, die über einer Schwellgeschwindigkeit liegt, dreht, einen ständigen (kontinuierlichen) Film aus schmierendem Strömungsmittel zwischen Lager und Welle zu erzeugen, um eine Materialberührung zu verhindern. Beispiele für geeignete Radiallager mit selbsttätig zuschaltender hydrodynamischer Schmierung sind ein einfaches Radiallager mit selbsttätig zuschaltender hydrodynamischer Schmierung mit kreisförmiger Bohrung, ein Radial-Kippsegmentlager oder ein Radiallager mit eingestemmten Streifen.
Wenn der Lagersatz so angeordnet ist, daß er ein Axiallager ausbildet, weist die innere Schale vorteilhafterweise nach innen weisende Druck- und Überdruck-Lagerflächen auf, die auf jede Seite eines Druckrings einer Welle wirken. Bei einer solchen Anordnung wird dem Axialdruck, der vom Druckring so auf die Axiallagerfläche der inneren Schale ausgeübt wird, daß eine axiale Verschiebung der inneren Schale erfolgt, durch die Rückstellkraft entgegengewirkt, die erzeugt wird, wenn sich die innere Schale aus ihrer Gleichgewichtsposition innerhalb der äußeren Schale heraus bewegt. Vorteilhafterweise weist die innere Schale zwei nach innen weisende koaxiale ringförmige Flächen auf, wobei jede der nach innen weisenden koaxialen ringförmigen Flächen der inneren Schale mit einem oder mehreren Kanälen versehen ist, die so angeordnet sind, daß sie vorzugsweise im Wesentlichen konzentrisch um die Fläche verlaufen, zudem sind Mittel für die Versorgung mit einem schmierenden Strömungsmittel von einer Hochdruckquelle an jeden der besagten Kanäle über ein Mittel, das für einen Strömungswiderstand sorgt, vorgesehen, z. B. ein oder mehrere Zuläufe mit begrenztem Querschnitt für jeden Kanal. Die besagten, nach innen weisenden ringförmigen Flächen der inneren Schale bilden die Druck- bzw. Ausgleichsflächen des Axiallagers. Die nach außen und innen weisenden ringförmigen Flächen der inneren Schale sind vorteilhafterweise koaxial und werden vorzugsweise durch ringförmige Teile ausgebildet, die in einer Achsrichtung auf Abstand voneinander gesetzt sind. Bei einer solchen Anordnung werden in Betrieb die ringförmigen Teile der inneren Schale auf beiden Seiten eines ringförmigen Druckrings der Welle gehalten, wobei die nach innen weisenden Flächen der inneren Schale unmittelbar an die ringförmigen Flächen eines Druckrings angrenzend, jedoch von diesen getrennt angeordnet sind, damit so eine relative Bewegung zwischen Druckring und innerer Schale in einer Achsrichtung möglich ist und um eine Neigung der inneren Schale im Verhältnis zum Druckring zu ermöglichen.
Für den Fall, daß die besagten, nach innen weisenden ringförmigen Flächen der inneren Schale mit jeweils einem durchgehenden Kanal versehen sind, wird zusätzlich zu der auf die innere Schale wirkenden Rückstellkraft, die wie oben beschrieben infolge der axialen Verschiebung der inneren Schale im Verhältnis zur äußeren Schale entsteht, eine Rückstellkraft zwischen der inneren Schale und dem Druckring erzeugt, sobald eine axiale Verschiebung erfolgt, die so wirkt, daß die innere Schale im Verhältnis zum Druckring in einer Gleichgewichtsposition gehalten wird. Dadurch ist es möglich, den Lagersatz so anzuordnen, daß er eine erhebliche Rückstellkraft gegen den Axialdruck bietet, der durch den Druckring übertragen wird. Wird jedoch jede der besagten nach innen weisenden ringförmigen Flächen der inneren Schale mit zwei oder mehr bogenförmigen Kanälen mit im We sentlichen gleichem mittlerem Radius anstelle eines durchlaufenden Kanals ausgebildet und jeder bogenförmige Kanal unabhängig von den anderen durch einen eigenen Zulauf mit Strömungsmittel von einer Hochdruckquelle versorgt, können sich, obwohl der von dem Strömungsmittel im Innern eines jeden Kanals ausgeübte Druck im Wesentlichen konstant sein wird und der in den Kanälen jeder ringförmigen Fläche ausgeübte Druck im Wesentlichen gleich sein kann, wenn sich diese ringförmige Fläche in einer parallelen Ebene mit derjenigen der angrenzenden ringförmigen Fläche des Druckrings befindet, die in den Kanälen derselben ringförmigen Fläche ausgeübten Drücke relativ zueinander ändern, sobald diese ringförmige Fläche im Verhältnis zu der ringförmigen Fläche des Druckrings geneigt wird, zumindest in einer Richtung. Dadurch ist es möglich, ein erhebliches Rückstellmoment vorzusehen, das zwischen der inneren Schale und dem Druckring zusätzlich zu der zwischen beiden Teilen wirkenden rückstellenden Kraft. Um ein Rückstellmoment zu erzeugen, das um zwei zueinander rechtwinkligen Achsen und rechtwinklig zur Wellenachse wirkt, was von Vorteil ist, sind drei oder mehr bogenförmige Kanäle, vorzugsweise mit im Wesentlichen gleichen Radien und in wünschenswerter Weise im Wesentlichen gleicher Länge, an jeder der nach innen weisenden ringförmigen Flächen der inneren Schale vorzusehen. Bei einer solchen Anordnung stellt die innere Schale ein Axiallager dar, das in der Lage ist, sich auf den Druckring einer Welle auszurichten, sobald eine relative Neigung der äußeren Schale gegenüber dem Druckring erfolgt, verursacht beispielsweise durch ein Verziehen des Rahmens. Aufgrund der Anordnung, bei der es im Wesentlichen kein Rückstellmoment zwischen äußerer und innerer Schale gibt, bleibt die Neigung dieser Flächen zueinander erhalten, aber die Rückstellkraft zwischen äußerer und innerer Schale bleibt nach einer relativen Bewegung in einer Achsrichtung zwischen äußerer und innerer Schale gleich. Eine solche Anordnung ermöglicht, daß zwischen stationären Flächen (d.h. Flächen, die sich nicht mit der Welle drehen) der inneren und der äußeren Schale eine relative Neigung stattfindet, während sie dazu neigt, die Ausrichtung zwischen innerer Schale und Druckring zu erhalten, die in einer relativen Bewegung zueinander sind, wodurch die Gefahr der Materialberührung zwischen stationären und sich drehenden Flächen verringert wird.
Eine solche Anordnung eines Lagersatzes ist für die Ausführung als Axiallager mit selbsttätig zuschaltender hydrodynamischer Schmierung geeignet, z. B. Axial-Kippsegmentlager mit einer Kombination aus selbsttätig zuschaltender hydrodynamischer Schmierung und gasstatischer oder hydrostatischer Trennung, z. B. dadurch, daß die ringförmigen Flächen des Druckrings mit spiralförmigen Kanälen versehen werden, die dazu angetan sind, durch ihre Pumpwirkung den Radialfluß des Strömungsmittels in den Spalten zwischen Druckring und innerer Schale zu verringern.
Das von der Hochdruckquelle in die Kanäle eingeführte Strömungsmittel kann Luft sein – bei manchen Anwendungen ist es vorteilhafterweise Luft – es kann jedoch auch ein anderes Gas oder auch eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, sein.
In der Praxis ist der Betrag, um den sich die innere Schale axial in der äußeren Schale bewegen kann oder zur äußeren Schale geneigt werden kann, relativ gering, da die Spalte zwischen angrenzenden ringförmigen Flächen relativ schmal sind.
Die Konfiguration und die Abmessungen der inneren und der äußeren Schale einschließlich der Kanäle in den ringförmigen Flächen, die Breite der Spalte zwischen ringförmigen Flächen und die Größe der Strömungswiderstände sind Gegenstand detaillierter Auslegungsarbeit für jeden Einzelfall, können jedoch für eine bestimmte praktische Anwendung leicht ermittelt werden.
Exemplarisch werden zwei Bauformen des Lagersatzes gemäß der Erfindung beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
1 einen schematischen vertikalen Querschnitt durch die erste Bauform des Lagersatzes, der als Axiallager für eine Welle ausgeführt ist, und auch die Welle und deren Druckring;
2 die Ansicht eines Teils des Lagersatzes aus 1;
3 die Ansicht eines weiteren Teils des Lagersatzes aus 1;
4 eine Kurve, die eine auf die erste Bauform des Lagersatzes wirkende Rückstellkraft als Funktion der axialen Verschiebung darstellt; und
5 einen schematischen vertikalen Querschnitt durch die zweite Bauform des Lagersatzes, der als Axiallager für eine Welle ausgeführt ist, und auch die Welle und deren Druckring zeigt.
Bezüglich der beigefügten Zeichnungen, und zwar zunächst der Figuren oder 1 bis 3, besitzt eine Welle, generell mit dem Bezugszeichen 1 versehen, einen integrierten Druckring 1a. Die Welle 1 erstreckt sich durch den Lagersatz, der generell mit der Bezugsziffer 2 versehen ist, der ein Axiallager für die Welle ausbildet, und der so angeordnet ist, daß er so auf den Druckring 1a wirkt, daß eine Verschiebung der Welle in Achsrichtung einschränkt ist.
Der Lagersatz 2 enthält eine äußere Schale, generell mit dem Bezugszeichen 3 versehen, bestehend aus einem Paar koaxial angeordneter ringförmiger Teile 4 bzw. 5, die mit Hilfe von Bolzen an jedem Ende eines zylindrischen Teils 6 gesichert sind, von denen einer durch die gepunktete Linie b schematisch dargestellt ist. Das zylindrische Teil 6 wirkt so als Abstandhalter für die ringförmigen Teile 4 und 5, daß der Abstand zwischen ihnen stets gleich groß ist. Die äußere Schale 3 wird durch Mittel (nicht gezeigt) z. B. mit Hilfe eines Flansches oder mit Hilfe von Bolzen an einem Halterahmen (nicht gezeigt) für die Welle 1 befestigt (nicht gezeigt). Im Inneren der äußeren Schale 3 befindet sich eine innere Schale, generell mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Die innere Schale 7 besteht aus einem Paar ringförmiger Teile 8 bzw. 9, die durch ein zylindrisches Teil 10 auf einen festen Abstand zueinander gehalten werden und mit Hilfe von Bolzen an dem zylindrischen Teil befestigt sind, von denen einer schematisch durch die gepunktete Linie b' wiedergegeben ist.
Die ringförmigen Teile 4 und 5 der äußeren Schale 3 haben je eine nach innen weisende ringförmige Fläche, 4a bzw. 5a, die erhaben ausgeführt ist, um ihre präzise Endbearbeitung zu erleichtern, z. B. durch Läppen. Die zylindrischen Teile 6 und 10 sind so dimensioniert, daß wenn sich die innere Schale 7 wie in 1 gezeigt koaxial und zentral im Inneren der äußeren Schale 3 befindet, die nach außen weisende Fläche 8a der inneren Schale der nach innen weisenden Fläche 4a der äußeren Schale 3 gegenüberliegt, und zwar mit einem geringen Spalt g₁ oder Spiel mit gleichmäßiger Breite dazwischen, und die nach außen weisende Fläche 9a der nach innen weisenden Fläche 5a gegenüber liegt, und zwar mit einem kleinen Spalt g₂ dazwischen, der gleich breit ist wie Spalt g₁ zwischen den Flächen 8a und 4a.
Die innere Schale 7 wird mit Hilfe von O-Ringdichtungen 11 im Wesentlichen koaxial zu und im Inneren der äußeren Schale 3 gesetzt, und die gegenseitige Bewegung zwischen innerer und äußerer Schale wird durch lockeres Einpassen einer Reißfeder 12 verhindert. Die O-Ringe 11 sind durch im Wesentlichen elastische Scherverformung, die Reißfeder 12 aufgrund der lockeren Einpassung so angeordnet, daß ein geringer Betrag an Axialspiel und/oder Kippbewegung zwischen innerer Schale 7 und äußerer Schale 3 innerhalb der Grenzen möglich ist, die durch die Breite der Spalte g₁ und g2 zwischen innerer und äußerer Schale festgelegt sind.
Die Welle 1 erstreckt sich durch die ringförmigen Teile 4 und 5 der äußeren Schale 3 und die ringförmigen Teile 8 und 9 der inneren Schale 7, wobei der Durchmesser der Welle geringer ist als der Innendurchmesser der ringförmigen Teile, so daß ein Spiel i um die Welle besteht, wenn sie durch die ringförmigen Teile geführt wird. Der Druckring 1a der Welle 1 steht zwischen den ringförmigen Teilen 8 und 9 der inneren Schale 7 hervor. Die ringförmigen Teile 8 und 9 haben die nach innen weisenden ringförmigen Flächen 8b bzw. 9b, wobei diese Flächen gegenüber den Teilen erhaben sind. Diese nach innen weisenden Flächen 8b bzw. 9b sind im Wesentlichen koaxial mit und durch kleine Spalte G₁ bzw. G₂ getrennt von den ringförmigen Flächen 1b bzw. 1c des Druckrings 1a, die gegenüber dem Druckring ebenfalls erhaben sind. Zusätzlich zum Axialspiel und der Kippfreiheit zwischen innerer Schale 7 und äußerer Schale 3 besteht auch ein Axialspiel und eine Kippfreiheit zwischen innerer Schale und dem Druckring 1a der Welle 1, wobei der Betrag durch die Breite der Spalte g₁, g₂ und G₁, G₂ festgelegt sind. Wie aus 1 zu ersehen, besteht auch ein Abstand zwischen der Peripherie des Druckrings 1a und dem zylindrischen Teil 10.
Jede der nach innen weisenden ringförmigen Flächen 4a und 5a der äußeren Schale 3 ist mit einem konzentrischen kreisförmigen Kanal, 13 bzw. 14, ausgeformt, wobei die ringförmige Fläche 4a in 2 gezeigt ist, und die ringförmige Fläche 5a ist ähnlich ausgeformt. Jeder der Kanäle 13 und 14 kann mit Luft von einem Hochdruckbehälter (nicht gezeigt) über zwei mal je drei Zuläufe, 15 bzw. 16, gespeist werden, wobei der Querschnitt jeder der Zuläufe 15 und 16 wesentlich geringer ist als die Breite der Kanäle 13 und 14. Die Zuläufe 15 und 16 stehen mit dem Hochdruckbehälter über die Bohrungen 17 bzw. 18 in Verbindung, die in den ringförmigen Teilen 4 und 5 ausgebildet sind, während sich die Bohrungen 19 bzw. 20 durch das zylindrische Teil 6 und eine Vielzahl von Zuläufen 21 erstrecken, von denen nur einer in 1 gezeigt ist, die in der äußeren Schale 3 vorgesehen sind, an die der Hochdruckbehälter in Betrieb angeschlossen ist. Die Zuläufe 15 bzw. 16 bieten einen erheblichen Widerstand gegen den Luftstrom vom Hochdruckbehälter, wobei die Zuläufe im Vergleich zur Querschnittsfläche der Bohrungen, durch die sie mit Luft vom Hochdruckbehälter gespeist werden, einen begrenzten Querschnitt aufweisen.
Jede der nach innen weisenden ringförmigen Flächen 8b und 9b der inneren Schale 7 ist mit jeweils drei bogenförmigen Kanälen 22 bzw. 23 ausgeformt. Die Fläche 8b und der Satz Kanäle 22 sind in 3 gezeigt und werden weiter unten ausführlicher beschrieben; es ist aber davon auszugehen, daß Fläche 9b und die Kanäle 23 ähnlich angeordnet sind. Wie aus 3 zu ersehen, ist jeder der einzelnen Kanäle 22a, 22b bzw. 22c aus dem Satz 22 von gleicher Länge und gleichem mittlerem Radius und erstreckt sich im Wesentlichen gänzlich um die Fläche 8b, wobei dazwischen nur kleine trennende Zwischenräume liegen. Jeder der Kanäle 22a, 22b und 22c wird durch den jeweils eigenen Zulauf 24a, 24b bzw. 24c mit Luft vom Hochdruckbehälter gespeist, wobei der Querschnitt jedes Zulaufs erheblich geringer ist als die Breite des Kanals, den er speist. Jeder der Zuläufe 24a, 24b und 24c sowie Zulauf 25 für die Kanäle 23 der Fläche 9b stehen mit dem Hochdruckbehälter über die Bohrungen 26 bzw. 27 in Verbindung, die in den ringförmigen Teilen 8 und 9 ausgeformt sind, Bohrungen 28 bzw. 29, die in dem zylindrischen Teil 10 ausgeformt sind, und die Einlässe 30 (von denen nur einer in 1 gezeigt ist) sind ebenfalls in dem zylindrischen Teil 10 ausgeformt. Jeder Einlaß 30 steht seinerseits in Verbindung mit einem der Einlässe 21, die in Betrieb an den Hochdruckbehälter angeschlossen sind. Die O-Ringe 11 dienen dazu, das Entweichen von Hochdruckluft aus dem Bereich zwischen den Einlässen 21 und den Einlässen 30 zu verhindern. Die Zuläufe 24a, 24b und 24c bieten jeder für sich einen erheblichen Strömungswiderstand, da sie im Vergleich zur Querschnittsfläche der Bohrungen, durch die sie mit Luft gespeist werden, einen begrenzten Querschnitt aufweisen.
In Betrieb ist der Hochdruckbehälter, der beispielsweise einen Druck von 8 bar aufweist, an die Einlässe 21 des Lagersatzes 2 angeschlossen, und von dort wird Druckluft zu den Kanälen 13 und 14 in den ringförmigen Teilen 4 und 5 der äußeren Schale 3 durch die Bohrungen 19, 17 und 20, 18 sowie die Zuläufe 15 bzw. 16 zugeführt. Auf ähnliche Weise wird Druckluft in die Kanäle 22 und 23 in den ringförmigen Teilen 8 und 9 der inneren Schale 7 durch die Einlässe 30, die Bohrungen 28, 26 und 29, 27 sowie die Zuläufe 24 bzw. 25 zugeführt. Die Einlässe 21 und 30 sowie die Bohrungen 17 bis 20 und 26 bis 29 sind so dimensioniert, daß sie dem Luftstrom vom Hochdruckbehälter wenig Widerstand entgegensetzen, so daß der Druck unmittelbar vor den Einlässen 15, 16 und 24, 25 im Wesentlichen der des Hochdruckbehälters ist. Da jedoch die begrenzte Querschnittsfläche der Zuläufe 15, 16 und 24, 25 einen erheblichen Strömungswiderstand bietet, findet über jeden von ihnen ein erheblicher Druckabfall statt, und die Luft, die in die Kanäle 13, 14 und 22, 23 eintritt, steht unter einem wesentlich geringeren Druck als die im Hochdruckbehälter. Die Luft, die in die Kanäle 13, 14 und 22, 23 eintritt, strömt um die Kanäle und radial nach innen und außen durch die Spalte g₁, g₂ zwischen den nach innen weisenden ringförmigen Flächen 4a, 5a der äußeren Schale 3 und den nach außen weisenden ringförmigen Oberflächen 8a, 9a der inneren Schale 7, und außerdem durch die Spalte G₁, G₂ zwischen den nach innen weisenden Flächen 8b, 9b der inneren Schale und den ringförmigen Flächen 1b, 1c des Druckrings 1a der Welle 1. Aus den Spalten g₁, g₂ und G₁, G₂ zwischen den ringförmigen Flächen entweicht die Luft in die Atmosphäre, z. B. durch das Spiel c um die Welle 1 bei Umgebungsdruck. Die Abmessungen der Kanäle 13, 14 und 22, 23 sind relativ groß im Vergleich zu dem Durchmesser derer der Zuläufe 15, 16 und 24, 25, und die Kanäle selbst bieten wenig Widerstand gegen den Luftstrom um sie herum. Somit ist der Druck, der von der Luft um jeden der Kanäle 13, 14 und 22, 23 ausgeübt wird, im Wesentlichen konstant und wird von der Breite der Spalte g₁, g₂ bzw. G₁, G₂ zwischen den zueinander gehörigen ringförmigen Flächen bestimmt, durch die die Luft von jedem Kanal nach draußen strömt. Da diese Spalte schmal sind, wird die Luft in den Kanälen 13, 14 und 22, 23 in jedem Fall auf einem Druckniveau gehalten, das deutlich über dem Umgebungsdruck liegt, aber der Druck, der von der Luft in jedem der Kanäle ausgeübt wird, steigt, wenn der dazugehörige Spalt schmaler wird, und er nimmt ab, wenn sich der Spalt verbreitert.
Bei einer relativen Bewegung zwischen der inneren Schale 7 und der äußeren Schale 3 in Achsrichtung, beispielsweise eine Bewegung, die dazu führt, daß sich die ringförmige Fläche 8a auf die ringförmige Fläche 4a zu bewegt, steigt der von der Luft in dem umlaufenden Kanal 13 ausgeübte Druck, und der Druck in Kanal 14 nimmt entsprechend ab. Die Druckdifferenz über die innere Schale 7 erzeugt eine Rückstellkraft, die, wenn die äußere Schale 3 am Rahmen befestigt ist, die innere Schale zurück in ihre Gleichgewichtsposition zwingt, in diesem Fall in eine mittige Position innerhalb der äußeren Schale 3. Diese Rückstellkraft bietet einen erheblichen Widerstand gegen eine axiale Verschiebung der inneren Schale 7 in einer Achsrichtung relativ zur äußeren Schale 3.
4 zeigt eine typische Kurve der Rückstellkraft (dargestellt durch eine durchgezogene Linie) in willkürlich gewählten Einheiten, die auf die innere Schale 7 wirkt, und zwar als Funktion des Verhältnisses von axialer Verschiebung der inneren Schale zur mittleren Spaltbreite von angrenzenden ringförmigen Flächen. Wie aus 4 zu ersehen, bleibt die Rückstellkraft bis zu einer axialen Verschiebung von bis zu 60% der Spaltbreite hoch. Die Abweichungen der Linie von der Proportionalität ergeben sich aus der Nicht-Linearität der Strömungsphänomene.
Eine ähnliche Rückstellkraft wird nach einer axialen Bewegung zwischen der inneren Schale 7 und dem Druckring 1a erzeugt. Der Druck, der von der Luft im Inneren der Kanäle 22 und 23 ausgeübt wird, wird durch die Breite der Spalte G₁ bzw. G₂ zwischen der inneren Schale 7 und dem Druckring 1a bestimmt. Wenn beispielsweise die Breite des Spalts G₁ infolge der relativen axialen Verschiebung zwischen dem Druckring 1a und der ringförmigen Fläche 8b abnimmt, so erhöht sich der Druck in den Kanälen 22, wobei der Druck in den Kanälen 23 abnimmt, da sich die Breite von Spalt G₂ entsprechend vergrößert. Die Rückstellkräfte, die aufgrund einer axialen Bewegung der inneren Schale 7 relativ zur äußeren Schale 3 und infolge relativer axialer Bewegung zwischen innerer Schale und Druckring 1a ausgeübt werden, wirken so zusammen, daß sie dem vom Druckring 1a auf den Lagersatz 2 ausgeübten Axialdruck entgegenwirken.
Bei einem Verziehen des Tragrahmens bei rotierender Welle 1, das zu einer Verschiebung der Welle 1 relativ zur Achse des Lagersatzes 2 führt, werden die ringförmigen Flächen 1b und 1c des Druckrings 1a gegenüber der vertikalen Ebene, in der sie in 1 gezeigt sind, geneigt. So kann beispielsweise die Winkelverschiebung der Welle 1 so aussehen, daß sich der Druckring 1a im Gegenuhrzeigersinn dreht, wenn man die Sichtweise aus 1 nimmt. In einem solchen Fall wird die ringförmige Fläche 1b des Druckrings 1a relativ zur ringförmigen Fläche 8b der inneren Schale 7 geneigt, und das Spiel zwischen diesen Flächen verringert sich entlang einer Linie zwischen den Punkten A und B in 3 in der Richtung von A nach B. Da die ringförmige Fläche 8b mit den drei getrennten bogenförmigen Kanälen 22a, 22b und 22c ausgestattet ist, von denen jeder durch seinen eigenen Zulauf 24a, 24b und 24c mit Luft gespeist wird, wird der von der Luft in jedem der Kanäle ausgeübte Druck, obgleich er im Wesentlichen gleich ist, wenn sich die ringförmigen Flächen 8b und 1b in parallelen vertikalen Ebenen befinden, bei einer derartigen Neigung ungleich. Der von der Luft in Kanal 22b ausgeübte Druck nimmt aufgrund des größeren Spiels ab, und der in den Kanälen 22a und 22c ausgeübte Druck nimmt entsprechend zu. Es wird ein Moment erzeugt, das dazu neigt, die ringförmige Fläche 1b und die ringförmige Fläche 8b in zueinander parallele Ebenen zurückzustellen. Ein ähnliches Moment, das in der entgegengesetzten Richtung wirkt, wird auf der anderen Seite des Druckrings 1a aufgrund der Druckunterschiede zwischen der Luft in den drei Kanälen 23 und der ringförmigen Fläche 9b erzeugt. Unter Einwirkung der Rückstellmomente wird die innere Schale zum Fluchten mit dem Druckring 1a gezwungen, so daß sie koaxial mit dieser liegt und Spiel zwischen der inneren Schale (die sich nicht mit der Welle 1 dreht) und der Welle aufrecht erhalten wird. Gleichzeitig wird die Achse der inneren Schale 7 in Richtung der ortsfesten äußeren Schale 3 geneigt. Da die Kanäle 13, 14 in den ringförmigen Flächen 4a und 5a der äußeren Schale 3 durchlaufend sind, bleibt der Druck, der von der Luft bei einem gegebenen Radius zwischen der inneren Schale 7 und der äußeren Schale ausgeübt wird, im Wesentlichen konstant, und es wird kein erhebliches Moment erzeugt. Die innere Schale 7 bleibt daher gegenüber der äußeren Schale 3 geneigt; aber in diesem Fall besteht, da sich weder die innere noch die äußere Schale mit der Welle dreht, keine Gefahr der Materialberührung zwischen drehenden und nicht drehenden Flächen.
Wie aus obigen Erläuterungen zu erkennen ist, hängen die exakten Werte für die beiden Rückstellkräfte zumindest teilweise von der Breite der Spalte g₁ , g₂ und G₁, G₂ sowie von den Abmessungen der Zuläufe 15, 16 und 24, 25 sowie der Kanäle 13, 14 und 22, 23 in den ringförmigen Flächen ab. Im Rahmen der Machbarkeit können diese Abmessungen je nach Anwendung leicht durch geeignete Auslegung bestimmt werden. Ein Beispiel für geeignete Abmessungen wird dennoch im folgenden gegeben. Die Luft im Hochdruckbehälter hat einen Druck von 8 bar, und die Luft wird mit 1 bar an die Umgebung abgegeben. Der Querschnitt der Zuläufe beträgt 1 mm. Die ringförmigen Flächen der äußeren Schale, der inneren Schale und des Druckrings haben einen Innendurchmesser von 60 mm und einen Außendurchmesser von 100 mm. In jeder der nach innen weisenden ringförmigen Flächen der äußeren Schale ist bei einem mittleren Radius von 77 mm ein Kanal von 2 mm radialer Breite und einer Tiefe von 3 mm ausgeformt. In jeder der nach innen weisenden ringförmigen Fläche der inneren Schale sind bei einem mittleren Radius von 77 mm drei bogenförmige Kanäle von gleicher Länge ausgeformt, die alle 2 mm radiale Breite und eine Tiefe von 3 mm aufweisen. Das gesamte Axialspiel (die Summe der Spaltbreiten) zwischen innerer und äußerer Schale beträgt 120 m^–6, und die errechnete Sekantensteifigkeit der Rückstellkraft ist in der Größenordnung von 10⁷ Nm^–1 bei einer Verschiebung der inneren Schale innerhalb der äußeren Schale von einem Viertel des gesamten Axialspiels zwischen beiden. Die Sekantensteifigkeit für die Neigung der inneren Schale innerhalb der äußeren Schale von 0,8 der größten aufgrund des Spiels zulässigen Neigung liegt in der Größenordnung von 10² Nm rad^–1. Das gesamte Axialspiel (die Summe der Spaltbreiten) zwischen innerer Schale und Druckring beträgt 80 m ^–6, und die errechnete Sekantensteifigkeit der Rückstellkraft liegt in der Größenordnung von 10⁷ Nm^–1 bei einer Verschiebung des Druckrings innerhalb der inneren Schale von einem Viertel des gesamten Axialspiels zwischen beiden. Die Sekantensteifigkeit für die Neigung der inneren Schale gegenüber dem Druckring von 0,8 der größten aufgrund des Spiels zulässigen Neigung ist in der Größenordnung von 10³ Nm rad^–1. Diese Winkelsteifigkeit ist um eine Größenordnung größer als die Winkelsteifigkeit zwischen innerer und äußerer Schale, und bestimmt deshalb, daß die Selbsteinstellung des Druckrings und der inneren Schale in erster Linie durch Neigung der Lagerflächen des Druckrings gegenüber der ortsfesten mit ihr zusammenwirkenden nach innen weisenden ringförmigen Fläche der inneren Schale erfolgt.
Dadurch, daß jede der ringförmigen Flächen 8b und 9b mit drei bogenförmigen Kanälen 22 und 23 versehen ist, ist es möglich, daß bei Winkelverschiebungen der Welle 1 um zwei zu ihr rechtwinkligen Achsen eine Rückstellkraft erzeugt wird. Die Anzahl der bogenförmigen Kanäle in jeder dieser ringförmigen Flächen muß jedoch nicht auf drei beschränkt sein, und es können auch vier oder mehr vorgesehen werden.
Die in 5 gezeigte zweite Form des Lagersatzes ist in vielen Punkten der ersten Form des Lagersatzes ähnlich, und es wurden, wo dies zweckmäßig ist, dieselben Bezugszichen für dieselben Merkmale verwendet.
Die Unterschiede zwischen dem Lagersatz aus 5 und der ersten Form des Lagersatzes bestehen darin, daß – statt der Verwendung umlaufender Kanäle 13 und 14 – in den nach innen weisenden ringförmigen Flächen der äußeren Schale durchlaufende Kanäle 31 und 32 in den nach außen weisenden ringförmigen Flächen 8a und 9a der inneren Schale 7 verwendet werden. Die Kanäle 31 und 32 können mit Druckluft durch die Leitungen 33 gespeist werden, die in das zylindrische Teil 10 hineingearbeitet sind, wobei die Leitungen über einen flexiblen Schlauch 34 mit dem Hochdruckbehälter in Verbindung stehen, der durch ein Durchgangsloch 35 in das zylindrische Teil 6 durchgeführt wird. Außerdem wird die innere Schale 7 mit Hilfe eines einzigen, mittig eingesetzten O-Rings 36 statt wie bei der ersten Form des Lagersatzes durch die O-Ringe 11 im Wesentlichen koaxial zu und im Inneren der äußeren Schale 3 gehalten. Bei einer relativen Winkelverschiebung der Welle wirkt der eine O-Ring 36 auf die Ausrichtung der inneren Schale 7 und der Welle 1 weniger hemmend als die auf Abstand gesetzten O-Ringe 11.
Wenngleich in der obigen Beschreibung Luft als das Strömungsmittel angesprochen wurde, das in den Lagersätzen 2 von einem Hochdruckbehälter zugeführt wird, können auch andere Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser verwendet werden.

Claims

Ein Lagersatz (2) zur Aufnahme bzw. zum Halten einer Welle (1) in einem Rahmen, wobei der Lagersatz (2) eine äußere Schale (3) zum Befestigen am Rahmen enthält, die äußere Schale (3) ein Paar zueinander koaxial angeordneter ringförmiger Flächen (4a, 5a) aufweist, die voneinander abgesetzt sind und sich nach innen gegenüber stehen, und eine innere Schale (7) die so angeordnet ist, daß ein Radiallager bzw. ein Axiallager für eine Welle (1) ausgebildet wird; wobei ein erhebliches Drehen der inneren Schale (7) relativ zur äußeren Schale (3) verhindert wird, wobei die innere Schale (7) in die äußere Schale (3) gesetzt ist und ein Paar zueinander koaxial angeordneter ringförmiger Flächen (8a, 9a) aufweist, von denen jede nach außen auf eine der nach innen weisende ringförmige Flächen (4a, 5a) der äußeren Schale (3) weist und im Wesentlichen koaxial mit und angrenzend an die entsprechende nach innen weisende ringförmige Fläche (4a, 5a) angeordnet ist, wobei die innere Schale in der Lage ist, in Achsrichtung relativ zur äußeren Schale (3) gekippt und geneigt zu werden und in Achsrichtung relativ zur Welle (1) gekippt und geneigt zu werden, und jede der besagten, nach innen weisenden ringförmigen Flächen (4a, 5a) und/oder deren entsprechende nach außen weisende ringförmige Fläche (8a, 9a) verfügt über einen oder mehrere Kanäle (13, 14; 31, 32), die so angeordnet sind, daß sie sich um die Flächen (4a, 5a, 8a, 9a) erstrecken und der Lagersatz zudem Mittel (17, 18, 19, 20, 21; 33, 34) enthält, die ein Strömungsmittel von einem Hochdruckquelle an jeden der besagten Kanäle (13, 14: 31, 32) über Mittel liefern, die für einen Strömungswiderstand sorgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle eine Konstruktion und Anordnung aufweisen, so daß im Betrieb die Druckverteilung um die besagten ringförmigen Flächen (4a, 5a, 8a, 9a) bei einem gegebenen Radius im Wesentlichen gleichförmig ist.
Ein Lagersatz gemäß Anspruch 1, bei dem das Mittel, das für den Strömungswiderstand sorgt, einen oder mehrere Zuläufe (15, 16) mit begrenzter Querschnittsfläche für jeden Kanäle (13, 14; 31, 32) enthält.
Ein Lagersatz gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 2, bei dem sich der Kanal bzw. die Kanäle (13, 14; 31, 32) in jeder der nach innen weisenden ringförmigen Flächen (4a, 5a) bzw. der entsprechenden nach außen weisenden ringförmigen Flächen (8a, 9a) im Wesentlichen gänzlich um die Fläche erstreckt/erstrecken.
Ein Lagersatz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem sich der Kanal bzw. die Kanäle (13, 14; 31, 32) in jeder der nach innen weisenden ringförmigen Flächen (4a, 5a) bzw. der entsprechenden nach außen weisenden ringförmigen Flächen (8a, 9a) im Wesentlichen konzentrisch um die Fläche erstreckt/erstrecken.
Ein Lagersatz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem jede der nach innen weisenden ringförmigen Flächen (4a, 5a) bzw. der entsprechenden nach außen weisenden ringförmigen Flächen (8a, 9a) einen umlaufenden Kanal aufweist.
Ein Lagersatz gemäß Anspruch 5, bei dem der mittlere Radius des Kanals (13, 14; 31, 32) im Wesentlichen der Wurzel aus dem Produkt aus Innen- und Außenradius der ringförmigen Fläche (4a, 5a, 8a, 9a) entspricht, in der er sich befindet.
Ein Lagersatz gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die innere Schale (7) ebenfalls nach innen weisende Druck- und Überdruck-Lagerflächen (8b, 9b) aufweist, die auf beide Seiten (1b, 1c) eines Druckrings (1a) der Welle (1) wirken.
Ein Lagersatz gemäß Anspruch 7, bei dem die Druck- und Überdruck-Lagerflächen der inneren Schale (7) jeweils zwei nach innen weisende, koaxial angeordnete ringförmige Flächen (8b, 9b) aufweisen, wobei jede der besagten nach innen weisenden ringförmigen Flächen (8b, 9b) der inneren Schale (7) einen oder mehrere Kanäle (22, 23) aufweist, die so angeordnet sind, daß sie sich im Wesentlichen um die Fläche erstrecken, und es ist darüber hinaus Mittel (21, 26, 27, 28, 29, 30) vorgesehen sind, die ein Strömungsmittel von einem Hochdruckbehälter oder -quelle über ein Mittel, das für Strömungswiderstand sorgt, zu jedem der besagten Kanäle liefern.
Ein Lagersatz gemäß Anspruch 8, bei dem die nach außen weisenden (8a, 9a) und die nach innen weisenden ringförmigen Flächen (8b, 9b) der inneren Schale (7) koaxial zueinander sind.
Ein Lagersatz gemäß Anspruch 9, bei dem die nach außen weisenden (8a, 9a) und die nach innen weisenden ringförmigen Flächen (8b, 9b) der inneren Schale (7) durch ringförmige Teile (8, 9) ausgebildet sind, die in einer Achsrichtung auf Abstand voneinander gesetzt sind.
Ein Lagersatz gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem drei oder mehr bogenförmige Kanäle (22a, 22b, 22c) von im Wesentlichen gleicher Länge und im Wesent lichen gleichem mittlerem Radius auf jeder der nach innen weisenden ringförmigen Flächen der inneren Schale (7) vorgesehen sind.
Ein Lagersatz gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Axiallager mit selbsttätig zuschaltender hydrodynamischer Schmierung ausgeführt ist.
Ein Lagersatz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das Mittel, das das Strömungsmittel zu jedem der besagten Kanäle liefert, ein Mittel zur Bereitstellung von Luft von einem Hochdruckempfänger ist.
Ein Lagersatz gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der besagte Kanal (13, 14, 22, 23, 31, 32) einen Boden und ein Paar Seitenwände aufweist, und die ringförmige Fläche, in der er ausgeformt ist, in eine erste ringförmige Teilfläche radial vom Kanal nach innen und ein zweite ringförmige Teilfläche radial vom Kanal nach außen, teilt.
Ein Lagersatz gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das besagte Verhindern der Rotation gegeneinander zwischen der inneren Schale (7) und der äußeren Schale (3) durch eine Reißfeder (12) erfolgt, die zwischen innerer und äußerer Schale eingesetzt ist.
Eine Rotoreinheit, die eine Welle, einen Rahmen und ein oder mehrere Lagersätze (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 umfaßt, in der die Welle (1) im Rahmen aufliegt bzw. gehalten wird.
Ein Kompressor, der einen Lagersatz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 umfaßt.