NL8503037A

NL8503037A - Inrichting met een hydrodynamisch gelagerde zuiger.

Info

Publication number: NL8503037A
Application number: NL8503037A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1985-11-06
Filing date: 1985-11-06
Publication date: 1987-06-01
Also published as: EP0223288B1; DE3666600D1; US4799421A; JPS62151666A; EP0223288A1

Description

4 .. "* PHN 11.538 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Inrichting met een hydrodynamisch gelagerde zuiger"

De uitvinding betreft een inrichting i.h.b. een vrije-zui-germachine, met een in een cylinder heen en weer beweegbare en tevens roteerbare zuiger welke door een hydrodynamisch groeflager in radiale richting is gelagerd en twee eindvlakken bezit waarop in bedrijf ver-® schillende fluïdumdrukken werken.

Bij een bekende inrichting van de in de aanhef genoemde soort (gepubliceerd in een artikel getiteld "Test Results of High Efficiency Stirling Machine Components" van R.J. Vincent, tf.D. Rifkin en G.M. Benson, pag. 1867 t/m 1874, gepresenteerd op de 17e IECEC in 1982 te Los Angeles U.S.A.) die is uitgevoerd als een vrije zuiger Stirling machine wordt de mogelijkheid genoemd om de zuiger hydrodynamisch te lageren en wel door de zuiger naast een translatie ook een rotatie t.o.v. de cylinder te laten uitvoeren. Opgemerkt wordt daarbij dat bij hoge toerentallen gladde hydrodynamische lagers instabiel worden ten 15 gevolge van de z.g. "half frequency whirl". Om dit tegen te gaan wordt in dit artikel voorgesteld de zuiger te voorzien van een spiraal groevenpatroon .

Een bezwaar van de bekende inrichting is dat het over de zuiger heersende drukverschil een drukval over het hydrodynamiche lager 20 veroorzaakt die een radiale dynamische instabiliteit van het lager introduceert die van een andere aard is dan de genoemde "half frequency whirl" en vooral bij lagere toerentallen optreedt. Tengevolge hiervan heeft de zuiger de neiging in de cylinder een excentrische stand in te nemen waardoor de lek tussen zuiger en cylinder zeer veel groter wordt 25 vergeleken met de situatie waarbij de zuiger centrisch in de cylinder ligt. Verder gaat dit ook gepaard met toenemende wrijving en slijtage.

Een mogelijkheid om deze soort instabiliteit te voorkomen is de zuiger met een hoog toerental te laten roteren maar dit is om allerlei redenen vaak erg onaantrekkelijk.

30

De uitvinding beoogt een inrichting van de hiervoor geschetste soort te verschaffen met een hydrodynamisch gelagerde zuiger welke ook bij lagere toerentallen en geringe excentriciteit stabiel gelagerd 8503037 i % PHN 11.538 2 is.

De inrichting volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de zuiger is voorzien van tenminste één, tussen de twee eindvlakken gelegen, afdichtgedeelte met een cirkelcylindrisch glad afdichtingsvlak 5 en van tenminste één, tussen de twee eindvlakken gelegen, lagergedeelte dat aan zijn omtreksvlak is voorzien van een hydrodynamisch werkend groevenpatroon.

De uitvinding berust op het inzicht dat een cirkelcylindrisch glad afdichtingsvlak, wanneer dit centrisch ligt t.o.v. de cy-10 linder, lek langs de zuiger binnen aanvaardbare grenzen kan houden en dat bij een aanvaardbaar drukverschil over het lager de genoemde dynamische instabiliteit ook bij lagere, aanvaardbare, toerentallen niet optreedt.

Geconstateerd is dat de zg. standhoek van een gegroefd hy-15 drodynamisch lager groter wordt dan 90° wanneer een te groot drukverschil over het lager heerst. Deze standhoek is de hoek tussen de lijn volgens welke de draagkracht is gericht en de lijn waarlangs de excentriciteit ligt. Bij een standhoek groter dan 90° werkt de draagkracht in dezelfde richting als een eventuele verstoring zodat geen terugstel-20 kracht aanwezig is. Het lager is dan instabiel.

De standhoek van een glad cirkelcylindrisch afdichtvlak is ongeveer 90° bij kleine excentriciteit ongeacht het al of niet aanwezig zijn van een drukverschil over het afdichtgedeelte.

Het effect van het geheel of gedeeltelijk wegnemen van het 25 drukverschil over het gegroefde lagergedeelte is nu dat de standhoek van het lagergedeelte kleiner wordt dan 90° en wel zodanig dat de positieve draagkracht van het lagergedeelte een component bezit in de richting van de excentriciteit die groter is dan de component van de negatieve draagkracht van het gladde afdichtingsgedeelte. Hierdoor is de 30 zuiger in zijn geheel stabiel geworden.

De zuiger zal door de genomen maatregel een contactloze stabiele ligging in de cilinder innemen waardoor de lek en de wrijvings-verliezen minimaal kunnen zijn.

Bij een verdere uitvoering van de inrichting volgens de uit-35 vinding zijn de axiale lengte en de diameter van het resp. de afdicht-gedeelte(n) zo gekozen dat het drukverschil over het resp. de lagerge-deelte(n) ten hoogste 20% is van het totale drukverschil over de zui- 8503 037 * % ΡΗΝ 11.538 3 ger.

Een gunstige uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is gekenmerkt doordat de beide zijden van het resp. de la- gergedeelte(n) via een kanaal in open verbinding met elkaar staan zodat 5 over elk van de lagergedeelten geen drukverschil heerst.

Om een goede stabiele lagering te verzekeren is bij een verdere uitvoeringsvorm de zuiger voorzien van twee nabij de twee eind-vlakken in axiale richting gezien symmetrisch gelegen afdichtgedeelten waartussen een lagergedeelte is gelegen.

10

Op overeenkomstige wijze is bij een andere uitvoeringsvorm de zuiger voorzien van twee in axiale richting gezien symmetrisch tussen de twee eindvlakken gelegen lagergedeelten met daartussen een af-diohtgedeelte.

Volgens de uitvinding is elk van de lagergedeelten voorzien 15 van een paar in axiale richting gezien in tegengestelde richting pompende groevenstelsels die samen een visgraatpatroon vormen.

Aan de hand van de tekening zal de uitvinding nader worden toegelicht.

In Fig. 1 t/m 9 zijn schematisch een aantal zuiger-cylinder- 20 combinaties weergegeven met een translerende en roterende zuiger die tenminste een afdichtgedeelte en tenminste één lagergedeelte omvat.

Fig. 10 toont schematisch in doorsnede een dubbelwerkende compressor met een translerende en roterende zuiger.

In Fig. 1 is met het verwijzingscijfer 1 een cylinder aange-25 duid. In deze cylinder 1 bevindt zich een zuiger welke via een niet nader aangeduide inrichting translerend heen en weer bewegen en tevens geroteerd kan worden. De zuiger omvat een afdichtingsgedeelte 2 en een lagergedeelte 3. Het gedeelte 3 is aan zijn buitenomtrek voorzien van een groevenpatroon het welk bij rotatie in de aangegeven richting een 30 pompende werking uitoefent op het medium in de lagerspleet 4. De pompwerking is daarbij naar links gericht.

Het afdichtingsgedeelte 1 is aan zijn omtrek glad uitgevoerd en door de keuze van de axiale lengte van gedeelte 2 alsmede van zijn diameter wordt de afdichtingsspleet 5 bepaald. Aan de ene zijde in de 35 zuiger heerst in ruimte 6 een druk p-j en aan de andere zijde in ruimte 7 een druk P2·

Het drukverschil p-j-P2 over de zuiger is er oorzaak van dat ,40 3 037 4 '· PHN 11.538 4 medium van ruimte 6 naar ruimte 7 of omgekeerd wil stromen door de spleten 5 en 4.

De spleet 5 is een spleet met parallelle wanden zodat de stroming daarin geen invloed heeft op de stabiliteit van dit afdich-tingsgedeelte 2. Echter een hydrodynamisch glad cylindrisch lager is om andere redenen bij geringe excentriciteit altijd instabiel voor elk toerental.

Het lagergedeelte 3 is voorzien van een hydrodynamisch groe-venpatroon. Een dergelijk hydrodynamisch gelagerd omwentelingslichaam is stabiel voor elk toerental d.w.z. wanneer er geen drukverschil overstaat. Gebleken is nu dat wanneer er wel een drukverschil heerst en dus een medium stroming in de spleet 4 gaat optreden dit aanleiding geeft tot instabiliteit. Deze instabiliteit kan worden voorkomen door het toerental hoog op te voeren hetgeen echter niet erg aantrekkelijk is.

15

Een andere mogelijkheid is er voor te zorgen dat weinig stroming in de spleet 4 optreedt. Dit is in de uitvoering van Fig. 1 bereikt door de zuiger te vormen uit een afdichtingsgedeelte 2 en een lagergedeelte 3* De dimensies van het afdichtingsdeel zijn nu zo gekozen dat het over-grote deel van het drukverschil over de zuiger staat over dit afdicht-gedeelte zodat over het lagergedeelte 3 nog slechts weinig drukverschil heerst en dus de stroming in de spleet 4 beperkt zal zijn zodat het lagergedeelte 3 stabiel centrisch in de cilinder ligt. Daar afdichtdeel en lagerdeel star met elkaar verbonden zijn betekent dit dat dus ook __ het lagerdeel stabiel centrisch in de cylinder ligt. De lek door de lo spleet zal hierdoor minimaal zijn voor de gegeven omstandigheden.

Dit principe van het althans gedeeltelijk scheiden van de lager en afdichtfunctie van een translerende en roterende vrije zuiger kan op een groot aantal manieren worden uitgevoerd. Een aantal van deze uitvoeringen is in de volgende figuren schematisch aangegeven.

O U

Fig. 2 toont een uitvoering waarbij de zuiger twee afdicht-gedeelten 2 en 6 omvat met een daartussen gelegen lagergedeelte 3· Het drukverschil heerst hier grotendeels over de afdichtingsgedeelten 2 en 6 terwijl over het lagergedeelte 3 slechts weinig drukverschil heerst.

35 Een andere uitvoeringsvorm is in Fig. 3 weergegeven. Hierbij omvat de zuiger twee lagergedeelten 3 en 8 en een daartussen gelegen afdichtgedeelte 2. Het zal duidelijk zijn dat ook hier het grootste deel van het drukverschil heerst over afdichtdeel 2 terwijl over de la- 850 3 03 7 ΡΗΪΓ 11.533 5 2 i gergedeelten slechts een gering drukverschil heerst.

Bij de in Fig. 1, 2 en 3 getoonde uitvoeringen is elk van de lagergedeelten 3 resp. 8 voorzien van een groevenpatroon dat slechts in één richting een pompwerking uitoefent.

5 Bij de uitvoeringen van de Fig. 4, 5 en 6 is elk van de la gergedeelten 3 resp. 8 voorzien van een visgraat groevenpatroon d.w.z. elk lagerdeel is voorzien van een paar stelsels van groeven welke tegen elkaar in pompen. Verder zijn deze uitvoeringen geheel gelijk aan die van de Figuren 1, 2 en 3.

10 In Fig. 7, 8 en 9 zijn drie mogelijke uitvoeringsvormen ge schetst waarbij over elk van de lagergedeelten 3 resp. 8 geen drukverschil heerst. Dit is bereikt door aan één of beide zijden van elk la-gergedeelte een groef 9 resp. 10 in de omtrek van de zuiger aan te brengen. In Fig. 7 is de groef 9 door een kanaal 11 verbonden met de ^ ruimte 17 zodat over lagerdeel 3 geen drukverschil heerst en het totale drukverschil over de zuiger heerst over het afdichtdeel 2.

In Fig. 8 is ter weerszijden van het lagerdeel 3 een groef 9 resp. 10 aangebracht waarbij deze groeven via een kanaal 12 met elkaar zijn verbonden zodat ook hier over het lagerdeel 3 geen drukverschil heerst.

In de uitvoering van Fig. 9 is het lagerdeel 3 aan zijn ene zijde begrensd door een groef 10 die via kanaal 13 is verbonden met de ruimte 16 terwijl lagerdeel 8 aan zijn ene zijde is begrensd door een groef 9 die via een kanaal 15 in verbinding staat met de ruimte 17· Op oc deze wijze weer het over de zuiger staande drukverschil alleen over het afdichtdeel 2.

In Fig. 10 is schematisch een voorbeeld getekend van een dubbelwerkende compressor met een vrije zuiger. Deze compressor omvat een cylinder 101 waarin een zuiger 102 is opgenomen. De zuiger 102 is ^ aan weerszijden voorzien van een afdichtdeel 103 respectievelijk 104 en een lagerdeel 105 resp. 106 dat aan zijn omtrek is voorzien van een visgraatpatroon van ondiepe groeven. De zuiger begrenst aan zijn ene zijde een compressieruimte 107 en aan zijn andere zijde een compressie- ruimte 108. De compressieruimten 107 resp. 108 zijn afgedicht door een 35 deksel 109 resp. 110 met daarin de inlaatruimten 111 resp. 112 en uit-laatruimten 113 resp. 114.

In de cylinderwand zijn spoelen 115 en 116 opgenomen welke .

3 -5 0 3 0 3 7 PHN 11.538 6 samenwerken met permanente magneten 117 en 118 die op de zuiger zijn aangebraoht. Door bekrachtiging van de spoelen 115 resp. 116 kan de zuiger heen en weer worden bewogen.

Verder is in de cylinderwand een spoel 120 opgenomen die sa-5 menwerkt met op de zuiger aangebrachte kernen 121 waarmee de zuiger in rotatie kan worden gebracht.

Eventueel kunnen de spoelen 115 en 116 worden geintegreerd met de spoel 120 zodat de translatie en rotatie met één electrisch systeem kan worden verzorgd.

^ De lagergedeelten 105 resp. 106 worden aan hun ene zijde be grensd door een groef* 125 en 126 die via een kanaal 127 resp. 128 in verbinding staan met de ruimte 129- Op deze wijze is weer bereikt dat over de lagergedeelten 105 en 106 geen drukverschil heerst.

15 20 25 30 35 8503Qó?

Claims

1. Inrichting in het bijzonder een vrije-zuigermachine met een- in een cylinder heen en weer beweegbare en tevens roteerbare zuiger welke door een hydrodynamisch groeflager in radiale richting is gelagerd en twee eindvlakken bezit waarop in bedrijf verschillende fluïdum-5 drukken werken, met het kenmerk, dat de zuiger is voorzien van tenminste één, tussen de twee eindvlakken gelegen, afdichtgedeelte met een cirkeloylindrisch glad afdichtingsvlak en van tenminste één, tussen de twee eindvlakken gelegen, lagergedeelte dat aan zijn omtreksvlak is voorzien van een hydrodynamisch werkend groevenpatroon.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de axiale lengte en de diameter van het resp., de afdichtgedeelte(n) zo zijn gekozen dat het drukverschil over het resp. de lagergedeelte(n) ten hoogste 20ί is van het totale drukverschil over de zuiger.

3· Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bei- 15 de zijden van het resp. de lagergedeelten via een kanaal in open verbinding met elkaar staan zodat over elk van de lagergedeelten geen drukverschil heerst.

4. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3> net het kenmerk, dat de zuiger is voorzien van twee nabij de twee eindvlakken in axiale 20 richting gezien symmetrisch gelegen afdichtgedeelten waartussen de zuiger is voorzien van een lagergedeelte met een hydrodynamisch werkend groevenpatroon.

5. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de zuiger is voorzien van twee in axiale richting gezien symmetrisch 25 tussen de twee eindvlakken gelegen lagergedeelten elk met een hydrodynamisch werkend groevenpatroon waartussen zich een cirkeloylindrisch glad afdichtgedeelte bevindt.

6. Inrichting volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat elk van de lagergedeelten aan zijn omtrek is voor-30 zien van een paar in axiale richting gezien in tegengestelde richting pompende groevenstelsel welke samen een visgraatpatroon vormen. 35 8503037