NO153152B - Hydrostatisk baerelager med foliefoering - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et hydrostatisk bærelager med folieføring, omfattende en stasjonær holder utformet med en boring, en elastisk fjærende folieføring, som er montert i boringen og som har en første lagerflate, en roterbar tapp, som er anordnet i boringen og som har en andre lagerflate, som samvirker med den første lagerflate slik at det dannes en fluidumfilm mellom lagerflåtene.

Faste og fastmonterte fluidumfilmsmurte bærelagre har sine begrensninger når det gjelder rotorhastighet og -masse, samtidig som de er tilbøyelige til å forårsake instabilitet i rotorens gang på grunn av selvindusert hvirvelbevegelse. Ustadigheten og den medfølgende økning i rotorens utslag resulterer i vibrasjoner som ofte fører til at både lagre og samvirkende maskin-deler utsettes for skader og ødeleggelse. For øvrig tåler slike lagre hverken skjev innstilling, termisk forvridning eller å komme i kontakt med partikler fra fremmedlegemer. Disse utfor-delaktige egenskaper er spesielt utpregete i lagre med gass-smøring, og her savnes det også den større demping og grense-smøring som de mer tyktflytende smørevæsker gir.

Forsøk på å øke det stabile arbeidsområdet for faste

lagre med gass-smøring har resultert i tallrike granskninger og litterære publikasjoner. Delvis fleksibilitet og derved for-bedrete stabilitets- og selvreguleringsegenskaper kan riktignok ^oppnås ved hjelp av kjente vippeskolagre, men slike lagre er vanligvis kompliserte, kostbare og i tillegg tilbøyelige til å skape nye problemer som f.eks. pasnings- og annen slitasje på lagertappen, vibrasjoner i skoen og liknende dynamiske problemer. For øvrig er disse lagre vanskelige å installere og vil normalt kreve at skoen fjærbelastes dersom det skal garanteres tilfredsstillende stabilitet for lageret.

For å avhjelpe disse mangler er det blitt konstruert lagre med elastisk føringselement, de såkalte "folie-lagre", som må sies å representere et betydelig teknisk fremskritt. Bærelagre av denne type er omtalt i ulike patentskrifter. Eksempelvis omhandler US-patentskrifter 1.595.744, 3.382.014, 3.677.612

og 3.795.427 lagre hvor det blir benyttet overlappende, bøye-lige folier eller bladmetallbånd som er rullet opp rundt tappen. US-patentskrifter 2.703.735, 3.434.761 og 3.520.578 samt britisk patentskrift 296.132 viser bærelagre hvor det anvendes ett eller flere spente bånd eller folier rundt tappen.

US-patentskrift 3.809.443 viser to sammensveiste folieelementer, det ene i form av et underlag med sirkulære buer med den konvekse side vendt mot tappen, det annet i form av et plant folieelement, som understøttes på buenes topper. Elastisiteten hos slike buer er imidlertid begrenset, og deres iboende dem-pingsevne ofte utilstrekkelig til å undertrykke ustadigheten, etter som relativ sidebevegelse (gniding) mellom de enkelte folieelementer er tvangsstyrt. Dessuten skaper sammenføynings-prosessen ytterligere problemer.

US-patentskrift.4.133.585 vedrører anvendelse av et enkelt folieelement, hvor et polygonalt tilbøyet underlag med sirkulære bølgetopper danner et elastisk fjærende understøttelsesparti, som er utformet i ett stykke med foliens plane parti. Underlaget og det plane folieparti er rullet opp og blir holdt fast på en enkel måte i lagermantelen.

Selv om de hittil kjente lagre med folieføring har vist

seg å funksjonere etter hensikten, foreligger det likevel frem-deles behov for ytterligere forbedringer. Det foreligger således uten tvil behov for et elastisk fjærende bærelager med gass-eller væskesmøring for hurtiggående rotorer, eksempelvis i tur-bokompressorer, turboladere, turbogeneratorer, gassturbingene-ratorer, klimaanlegg for flykabiner, gasskondenseringsmaskiner, vifter, pumper, sentrifuger, garnbehandlingsmaskiner, spinne-maskiner og for tallrike andre anvendelsesformål.

Det er et generelt formål med oppfinnelsen å frembringe et hydrostatisk bærelager hvor manglene ved hittil kjente lagre av denne type er avhjulpet, nærmere bestemt et hydrodynamisk bærelager som (a), er stabilt uten drifts- eller funksjonsmessige begrensninger som følge av selvindusert, hvirvelbasert instabilitet, (b) er i stand til å funksjonere tilfredsstillende også ved høye temperaturer og under bratte temperatursvingninger,

(c) tåler forurensning samt kontakt med slipende partikler,

(d) kan tilpasse seg etter skjeve innstillinger, unøyaktig-heter ved fabrikasjonen og avvikende utvidelse av de enkelte lagerkomponenter, (e) har god gnidningsbestandighet, iboende elastisitets- og dempingsegenskaper, og (f) omfatter organ for regulering av lagerklaringen på stedet.

Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at folieføringen har en ende som rager inn i og er festet i en spalte som er utformet i den stasjonære holder, og at det på holderen er anordnet et organ for regulering av spaltens størrelse.

I bærelageret ifølge oppfinnelsen tjener spalten både til å muliggjøre regulering av lagerklaringen og til å sikre positiv fastholdelse av folieelementet. Folieelementet består av en elastisk og ubrutt folielengde, som over en viss strekning er utformet med bølger eller korrugeringer, hvor bølgelengde, amplityde og lokal krumning er valgt på forhånd for å avpasse stivhets- og - indirekte - dempingsegenskapene hos lageret.

Oppfinnelsen forklares nærmere i den etterfølgende detal-jerte beskrivelse under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et perspektivriss av et bærelager som er utformet i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 2 viser et forstørret delsnittriss av en del av lageret etter linjen 2-2 i fig. 1. Fig. 3 viser et forstørret delsnittriss av en del av lageret etter linjen 3-3 i fig. 1. Fig. 4-10 viser enderiss av periodiske bølgepartier av folien. Fig. 11-13 viser forstørrete delsnittriss av lageret. Under henvisning til tegningene, hvor like henvisningstall betegner samme deler, vil det fremgå at et bærelager 10 med elastisk folieføring omfatter en sylindrisk mantel eller lager-skål 12 med en boring 14. I boringen er det anbrakt et opprullet folieelement 16 og en akseltapp 18. Mantelens 12 vegg 20 er delt av en spalte 22, som tangerer boringen over kappens fulle lengde. I nærheten av forbindelsesstedet mellom spalten 22 og boringen 14 er det i veggen utformet et langsgående avlastningsspor 24. Ytterenden 26 av folieelementet 16 har smalere bredde og er festet i spalten 22 ved hjelp av et par låseskruer 28.

Høyden av spalten, og derved størrelsen av boringen og

lagerklaringen, er regulerbar ved hjelp av mellomleggsskiver 30

i spalten 22 og reguleringsskruer 32. Dersom det eksempelvis er ønskelig å minske klaringen, kan det i spalten fastklemmes en forholdsvis tynn mellomleggsskive 30 sammen med folieelementets ende 26. I motsatt tilfelle kan det innføres en tykkere mellomleggsskive i spalten for å øke klaringen. Selv om de fore-gående regule.ringsoperasjoner kan resultere i visse avvik fra sirkelformen, vil det være klart at en slik avvikelse er av sekundær størrelsesorden og uten betydning sammenliknet med middelklaringen og ovaliteten som skyldes folieelementets elastiske avbøyninger.

Det skal påpekes at spaltens 22 høyde kan variere langs dens lengde, eksempelvis ved å benytte mellomlegg 3 0 med større tykkelse ved mantelens 12 ene ende enn ved den andre. På denne måte er det mulig å bibringe boringen og det opprullete folieelement 16 en tilspissing (konisitet), i den hensikt å kompen-sere for differensialtermisk utvidelse av akseltappen 18 og lagermantelen 12 langs lageraksen under drift, eksempelvis når bærelageret befinner seg i nærheten av et turbinhjul som arbeider ved forhøyete temperaturer.

Folieelementet 16 er viklet opp innenfor det ringformete mellomrom mellom mantelen 12 og akseltappen 18 og er sammensatt av tre sammenhengende seksjoner eller deler, nemlig et ytre plant parti 33, et mellomliggende bølgeformet parti 34 og et indre plant parti 36. Det ytre plane parti 33 er med sin frie ende 26 festet i spalten 22 som tidligere beskrevet. Det ytre parti 33 kan ha kort lengde og ha et forløp på mindre enn en full viklingsomgang som vist i fig. 1. Det kan imidlertid også fremstilles med større lengde og rage over en hel eller even-tuelt flere omganger. Det bølgeformete eller korrugerte mellom-parti 34 har form av suksessive, bølgeformete kurver med vekslende bølgetopper og -daler og funksjonerer som elastisk underlag for det indre plane folieparti 36, som med sin innerste viklingsomgang danner opplagringsflate 38 for akseltappen. Det elastisk fjærende bølgeformete underlag 34 har normalt en lengde som er tilstrekkelig til en full viklingsomgang slik som vist. Det har fortrinnsvis form av en periodisk bølge, og fig. 4-10 viser flere utførelsesformer, men det er ingenting i veien for at underlaget 34 har form av en ikke-periodisk bølge. Det er mulig å fremstille et nesten ubegrenset antall forskjellige utførelsesformer av det bølgeformete parti 34 ved å variere bølgelengden x, amplityden A (fra bølgetopp til -dal) og/eller den lokale krumningsradius R\ , s.), hvor s er avstanden langs undulasjonen. Ved å gjøre dette kan man implisitt variere det fjærende underlags 34 stivhet og også dempingen, som på sin side er avhengig av friksjons-energitap på grunn av tangential be-vegelse av underlaget 34 i forhold til tilstøtende folie- og mantelflater. I tillegg er det mulig å variere amplityden for bølgen ifølge fig. 10 og således variere de lokale opplagrings-egenskaper langs omkretsen.

De opprullete lag av folieelementet ifølge fig. 1 har en utjevnende virkning på de periodiske bølger, mens gnidning og pressing av fluidet i mellomrommene mellom nabolag gir ytterligere demping.

Avbøyningsmåten for et typisk korrugert folieunderlag i området for minimal klaring ved en eksentrisk tapp er skjematisk vist i fig. 11-13, hvor folietykkelsen og korrugeringenes amplityde er sterkt overdrevet, og hvor lagene av folieelementets 16 plane partier 33, 36 er utelatt for tydelighets skyld. I fig. 11 er akseltappen 18 konsentrisk og de opprinnelige bølger 34 udeformerte. Når tappen 18 nærmer seg, som i fig. 12, føres bølgetoppene ut fra hverandre og øker i krumningsradius, mens innbøyningene mellom toppunktene blir mer utpreget gjennom bøy-ningen. Toppunktene trekker seg også tilbake fra hverandre, og energitapet ved glidefriksjon sørger i stor utstrekning for demping. Avhengig av folietykkelse, bølgelengde og -amplityde kan det oppstå sekundære toppunkter mellom de opprinnelige bølge-topper. I fig. 13 er det antydet hvordan slike sekundærbølge-topper ligger an mot tilstøtende flater.

Generelt har folieelementet 16 en høyst ikke-lineær fjærings-karakteristikk og motstår store akseltapp-utslag med tiltagende kraft. Avbøyningen av folieunderlaget gir opphav til relativ sidebevegelse og glidefriksjon mellom de enkelte folielag samt mellom folien og lagermantelen, og disse forhold sikrer, sammen med nevnte fluidum-pressing som en medvirkende faktor, utmerkete dempingsegenskaper for bærelageret 10.

Folieelementet 16 kan være utført i metall (eller et annet egnet materiale), f.eks. rustfritt fjærstål eller kobber-beryllium med en tykkelse på 0,0125-0,125 mm, fortrinnsvis 0,025-0,075 mm. Som beskrevet i US-patentskrift 4.113.585 kan folietykkelsen variere og de forskjellige partier 33, 34, 36 kan pletteres eller etses. Det bølgeformete parti 34 kan ha en typisk bølge-lengde på 3,125-12,5 mm, mens en typisk amplityde kan være på 0,125-0,250 mm.

Det turde ha fremgått at det ifølge oppfinnelsen er frem-skaffet et bærelager som har flere fordeler, blant annet: (a) Regulerbar klaring, en folie-fastholdende mantel som tillater en samlet regulering av lagerklaringen og variasjon av klaringen langs tappaksen, (b) et antall opprullete folieviklingsomganger med elastiske underlag med periodisk bølgedannelse, idet hvert underlag er fremstilt i ett stykke med et plant parti av opprullet folie, og hvor den enkle variasjon av bølgenes lengde, amplityde og lokale krumning muliggjør bevisst styring av lagerets stivhets-og dempingsegenskaper, og (c) et lager vsom på en effektiv måte undertrykker instabilitet og begrenser rotorens resonans-amplityder gjennom iboende friksjons- og fluidumdemping, som har elastisitet til å tilpasses skjev innstilling, unøyaktigheter ved fabrikasjonen, termiske forvridninger, rotorskjevhet og -ubalanse samt akseltapp-støt, og som er praktisk talt upåvirkelig overfor fremmede partikler på grunn av sin elastiske fjæring, utstyrt med frem-ragende gnidningsslitestyrkeegenskaper og oppstartingsevne samt bestandighet mot kontakter under momentane høye hastigheter, og er særlig velegnet for opplagring av turborotorer som arbeider med høy hastighet og høye temperaturer.

Claims (4)

1. Hydrostatisk bærelager med folieføring, omfattende en stasjonær holder (20) utformet med en boring (14), en elastisk fjærende folieføring (16), som er montert i boringen og som har en første lagerflate, en roterbar tapp (18), som er anordnet i boringen og som har en andre lagerflate, som samvirker med den første lagerflate slik at det dannes en fluidumfilm mellom lagerflåtene, karakterisert ved at folie-føringen (16) har en ende som rager inn i og er festet i en spalte (22) som er utformet i den stasjonære holder (20), og at det på holderen er anordnet et organ for regulering av spaltens (22) størrelse;

2. Bærelager i samsvar med krav 1, karakterisert ved at spalten (22) løper tangentialt i forhold til boringen (14) .

3. Bærelager i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte organ omfatter skruelemen-ter (28) for regulering av spaltens (22) vidde.

4. Bærelager i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at folieføringen (16) omfatter en ubrutt folielengde som er rullet opp i mer enn én viklingsomgang i boringen (14), idet folien har et første, innerste folieparti (36), som danner folieføringens nevnte lagerflate, og et andre parti (34), som befinner seg foran det innerste parti og opprinnelig er preformet til en korrugert fasong, for elastisk montering av det første parti på holderen (20) for å sikre ønsket klaring og elastisitet i bærelageret.