Wellenlager für einen auf sich einstellenden Lagersegmenten gleitenden Rotor Die Erfindung betrifft ein Wellenlager, bei dem ein Wellenstück bzw.
Spurring eines Rotors auf einem im Lagerkörper ruhenden Kranz von Lager segmenten gleitet, deren Gleitfläche sich unter dem Einfluss des Schmierfilms gegenüber der Gleitfläche des Rotors einstellt, wobei ein Lagersegment minde stens zwei in Umfangrichtung des Rotors gegenein ander versetzte, in Umfangsrichtung gegenüber dem Lagersegment im wesentlichen unversahiebliche Stützelemente aufweist.
Bei bekannten Lagern werden die Lagersegmente auf einer in Bewegungsrichtung des Rotors etwas hin ter der Mitte des Lagersegments liegenden Stützstelle im Lagerkörper gelagert, wodurch die günstigste Ausbildung des Schmierfilms mit entsprechend klei ner Lagerreibung (Flüssigkeitsreibung) erreicht wer den kann. Wird ein solches Wellenlager in der ande ren Drehrichtung betrieben, so ist die Lagerreibung relativ gross. Wird aber die Stützstelle des Lagerseg ments in dessen Mitte verlegt, so besteht für beide Drehrichtungen eine grössere Lagerreibung.
Der grösseren Lagerreibung entsprechend muss eine grös- sere Wärmeleistung nach aussen abgeführt werden, woraus ein schlechterer Gesamtwirkungsgrad resul tiert. Zudem muss auch der Ölkühler, unter Umstän den sogar die Gleitfläche vergrössert werden.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu ver meiden. Bei einem Wellenlager der eingangs be schriebenen Art ist zu diesem Zweck erfindungsge- mäss mindestens eines der in Umfangsrichtung des Rotors gegeneinander versetzten Stützelemente mit einem Stellmotor zum Verändern der übertragenen Stützkraft versehen.
In der Zeichnung sind bekannte Lager sowie Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. Fig. 1 und 2 zeigen je einen in Umfangsrichtung geführten achsparallelen Schnitt durch ein Lagerseg ment zweier bekannter Axiallager, Fig. 3 bis 6 zeigen entsprechende Schnitte durch verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungs gegenstandes, Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch ein Stützelement, Fig. 8 bis 15 Schnitte durch weitere Ausführungs- formen,
Fig. 16 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles Z in Fig. 15, Fig. 17 bis 21 Schnitte durch weitere Ausfüh rungsformen, Fig.22 und 23 zeigen achssenkrechte Schnitte durch Radiallager.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figu ren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Rotor des in Fig. 1 dargestellten bekannten Axiallagers weist einen mit der nichtgezeichneten Welle rotierenden Spurring 1 auf, der auf einem im Lagerkörper 21 ruhenden Kranz von Lagersegmenten 3 gleitet, von denen nur eines gezeichnet ist. Das Lagersegment 3 weist ein mit ihm fest verbundenes und dadurch in Umfangsrichtung praktisch unver- schiebbares Stützelement 4 auf, das an einer Stütz stelle 5 die vom Lagersegment 3 aufgenommene Kraft auf den Lagerkörper 21 überträgt. Das Stützele ment 4 ist in seiner Höhe starr und mit Spiel von einem Lagerkörperoberteil 22 umgeben, so dass es um die Stützstelle 5 begrenzt kippbar ist.
Die Stütz stelle 5 liegt, in der mit V bezeichneten Bewegungs richtung des Spurrings 1 gesehen, um den Betrag e hinter der Mitte des Lagersegmentes 3. Bei dem in Fig. 2 dargestellten bekannten Lager liegt die Stütz stelle 5 genau in der Mitte des Lagersegmentes 3. Diese bekannten Lager haben die genannten Nach teile.
Bei dem in Fig. 3 und 4 gezeigten erfindungsge mässen Lager weist das Lagersegment 3 drei Stütz elemente, nämlich das Stützelement 4 und die zwei Stützelemente 61 und 62 auf. Das Stützelement 4 ist wie bei den bekannten Lagern begrenzt kippbar und in seiner Höhe starr, -die .Stützeleunente .61 und 62 aber sind mit Mitteln zum Verändem der übertragenen Stützkraft versehen.
Im Lagersegment 3 sind Zylin derräume 71 und 72 ausgespart, in denen sich die Kolben bildenden Unterteile 8 der Stützelemente 61 und 62 bewegen können, wobei Dichtungen 9 den Spalt zwischen Zylinderwand und Unterteil 8 dichten. Die Zylinderräume 71 und 72 sind über Kanäle 101 bzw. 102 und voneinander getrennte Zuleitungen an eine nicht gezeigte Druckölquelle anschliessbar.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Zustand bewegt sich der Spurring 1 in der Richtung V und der Zylinder raum 71 ist mit Drucköl beaufschlagt. Dabei wird der Druck im Zylinderraum 71 gerade so gross gewählt,
dass die vom Unterteil 8 übertragene Stützkraft P1 und die vom Stützelement 4 übertragene Stützkraft Po eine um den Betrag e von der Mitte des Lagerseg mentes 3 entfernte resultierende Kraft Pv haben.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Zustand ist der Zylin derraum 72 mit Drucköl b.eaufsahlagt und das. Stütz- element 62 überträgt eine Stützkraft P2, wobei die resultierende Kraft PR wieder um den Betrag e von der Mitte des Lagersegmentes entfernt ist, aber auf der der resultierenden Kraft Pv entgegengesetzten Seite.
Die Druckölquelle weist natürlich eine Vorrich- tung zum Konstanthalten des gewählten Druckes und eine Druckspeichervorrichtung auf.
Das Lagersegment 3 wird sich also unter dem Einfluss des Schmierfilms so einstellen, wie wenn es durch ein einzelnes, die resultierende Kraft Pv bzw. PR übertragendes kippbares, in seiner Höhe starres Stützelement abgestützt wäre. Auf diese Weise hat das Wellenlager in beiden Drehrichtungen gleich kleinen Reibungswiderstand wie das bekannte Lager nach Fig. 1 in der einen gezeigten Drehrichtung.
Durch Ändern des Druckes der Druckmittelquelle kann die Lage der resultierenden Kraft Pv bzw. PR, d. h. der Betrag e verändert werden. Damit kann noch während des Betriebes der mit dem Lager ausgerüsteten Maschine die Stützstelle, beispielsweise anhand von Messungen der Lageröl-Temperaturen, an die rechnerisch nie genau erfassbare günstigste Stelle verlegt werden.
Damit sind mit dem Lager in beiden Drehrichtungen bessere Ergebnisse erreichbar als mit dem bekannten, überdies nur in einer Dreh richtung gut arbeitenden Lager nach Fig. 1.
Bei dem in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel ist das kippbare, in seiner Höhe starre Stützelement 4 um den Betrag e von der Mitte des Lagersegments 3 entfernt, so dass bei der in Fig. 5 dargestellten, mit V bezeichneten Bewegungsrichtung des Spurrings 1 die Abstützung durch das starre Stützelement 4 allein genügt.
Für die andere, in Fig. 6 gezeigte Bewegungsrichtung R des Spurrings 1 ist ein mit Mitteln zum Verändern der übertragenen Stütz- kraft versehenes Stützelement 6 auf der dem Stütz- element 4 entgegengesetzten Seite des Lagersegments 3 nahe dem Ende des Lagersegments angeordnet.
Der Zylinderraum 7 des Stützelements 6 ist unter Druck gesetzt, so dass die vom Unterteil 8 übertra gene Stützkraft P und die vom Stützelement 4 über tragene Stützkraft Po eine um den Betrag e von der Mitte des Lagersegments 3 entfernte resultierende Kraft PR haben.
Das in Fig. 7 dargestellte Stützelement 6 ist sehr einfach aufgebaut und lässt sich auch nachträglich in schon fertiggestellte Lager einbauen. Es weist einen Zylinderkörper 11 und einen mit einer Dichtung 9 versehenen, kolbenartigen Unterteil 8 auf. Das Spiel zwischen dem Zylinderkörper 11 und dem Unterteil 8 ist so gewählt, dass bei den auftretenden Neigungsun terschieden zwischen Zylinderkörper 11 und Unter teil 8 die gegenseitige Bewegung dieser Teile nicht behindert ist.
Der Unterteil 8 weist einen zylindri schen Ansatz 12 auf, der in eine Eindrehung 13 im Lagerkörper 21 passt, und ist mit dem Lagerkörper 21 mittels einer Verschraubung 14 fest verbunden. Vom Zylinderraum 7 des Zylinderkörpers 11 führt ein ge genüber seiner Umgebung öldichter Kanal 10 durch den Unterteil 8 und den Lagerkörper 21 und weiter zur Druckölquelle. Das Drucköl könnte auch mittels eines durch den Zylinderkörper 11 führenden Kanals zugeführt werden, wie in Fig. 12 gezeigt ist.
Anstelle von Drucköl kann auch ein anderes Druckmittel, bei spielsweise Luft verwendet werden.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten Lager, bei dem das Lagersegment 3 auf einem Feld von Federn 15 ruht, sind an zwei in Umfangsrichtung des Lagers gegeneinander versetzten Stellen je ein Stützelement 61 bzw. 62 zwischen Lagersegment 3 und Lagerkör per 21 angeordnet.
Durch Beaufschlagen des Stützele mentes 61 mit Druckmittel wird der Resultierenden Po der Einzelkräfte der Federn 15 eine Stützkraft P zugesellt, so dass die resultierende Kraft PR aus allen Kräften wieder um den gewünschten Betrag :e aus der Mitte des Lagersegmentes 3 gerückt ist.
Das in Fig. 9 gezeigte Lagersegment 3 ruht auf einem Druckölpolster 16 einer durch eine kreiszylin drische oder prismatische Vertiefung 17 im Lager körper 21 und eine kolbenförmige Tragplatte 18 ein gegrenzten Druckkammer. Die Fläche der Druck kammer bzw. des Druckölpolsters 16 ist durch zwei Stützelemente 61 und 62 unterbrochen, deren eines unter Öldruck steht und deren anderes drucklos ist.
Bei dem Lager nach Fig. 10 ist das Druckpolster 16 gegenüber der Gleitfläche des Lagersegments 3 in Umgangsrichtung des Lagers versetzt, so dass nur ein einziges das Druckölpolster 16 unterbrechendes Stützelement 6 erforderlich ist.
Die Lager nach Fig. 9 und Fig. 10 weisen eine Vorrichtung auf, die die mittlere Höhe des Drucköl- polsters 16 konstant hält. Das Lagersegment 3 des Lagers nach Fg. 11 ruht auf einem elastisch verbiegbaren, in seiner Höhe aber starren Stützelement 4 und den wechselweise mit Druckflüssigkeit beaufschlagbaren Stützelementen 61 und 62.
Bei dem in Fig. 12 dargestellten Lager ist das starre Stützelement 4 auf einer federnden Platte 19 im Lagerkörper 21 gelagert.
Die Lagersegmente 3 nach Fig. 13 weisen gegen über der Mitte ihrer Gleitfläche in Umfangsrichtung um den Betrag e versetzte kippbare, in ihrer Höhe starre Stützelemente 4 auf. Die mit Mitteln zum Verändern der übertragenen Stützkraft versehenen Stützelemente 6 sind zwischen zwei einander zuge wandten Flächen 20 und 21 jeweils benachbarter Lagersegmente 3 eingebaut. Die Flächen 20 weisen nach dem Lagerkörper hin, so dass die Stützelemente 6 die mit der Fläche 20 versehenen Enden der Lagersegmente 3 heben können.
Der vom Stützele ment 6 ausgeübten hebenden Kraft P entspricht eine gleichgrosse, die mit der Fläche 21 versehenen Enden der Lagersegmente 3 hinunterdrückende Kraft P, so dass auf jedes Lagersegment 3 bei Beaufschlagung der Stützelemente 6 mit Druckflüssigkeit ein das Lagersegment neigendes Kräftepaar PP einwirkt, so dass die resultierende Kraft PI, um den Betrag e gegenüber der Mitte der Gleitfläche des Lagerseg ments 3 versetzt und dem starren Stützelement 4 ge genüberliegend auftritt.
Die Lagersegmente 3 nach Fig. 14 weisen ein Feld von Stützelementen 6 auf. Die in Drehrichtung R des Spurrings 1 gesehene erste Reihe der Stützele mente 6 ist an eine Druckleitung 22, die in Drehrich tung R gesehene letzte Reihe der Stützelemente 6 ist an eine Druckleitung 23, und die übrigen Stützele ment e 6, d. h. die mittleren drei Reihen, sind an eine Druckleitung 24 angeschlossen. Wird die Drucklei tung 22 - wie in Fig. 14 gezeigt - entlastet, tragen nur die mittleren drei Reihen und die letzte Reihe, so dass sich die gewünschte Neigung bzw. Einstellung der Lagersegmente 3 ergibt.
Bei Umkehren der Drehrichtung des Lagers wird die Leitung 22 unter Druck gesetzt, und die Leitung 23 .entlastet. Die Lei tung 24 bleibt ständig unter Druck. Die Stützele mente 6 der einen, in Drehrichtung R mittleren Reihe sind mit nichtgezeichneten Artschlägen versehen, die die Stützhöhe auf einen vorgegebenen Wert begren zen. Statt dessen könnten aber auch Anschläge zwi schen dem Lagerkörper 21 und dem Lagersegment 3 vorgesehen werden, die die Höhenlage des Lagerseg ments 3, d. h. seinen Abstand vom Lagerkörper 21 begrenzen und in Drehrichtung R gesehen in der Mitte des Lagersegments 3 angeordnet sind.
Das Lagersegment 3 nach Fig. 15 und 16 ist mit Stützelementen 61 und 62 versehen. Die Mitte des Stützelements 61 ist um den Betrag e gegenüber der Mitte der Gleitfläche des Lagersegments 3 versetzt. Die zwei Stützelemente 62 haben zusammengerech net die gleichgrosse Zylinderfläche wie das Stützele ment 61 allein, und die Mitten der Stützelemente 62 liegen auf einer Linie, die von der Mitte der Gleitflä che des Lagersegments wieder um den Betrag e ent fernt ist. Für die gezeigte Drehrichtung R werden die Stützelemente 62, für die andere Drehrichtung (V) wird das Stützelement 61 unter Druck gesetzt.
Die Druckkammern der Stützelemente 61, 62 können statt kreisförmigen auch andersförmigen Querschnitt haben. Die Stützelemente 61 und 62 sind wieder mit die Stützhöhe begrenzenden nicht gezeichneten An schlägen versehen.
Das in Fig. 17 dargestellte Lager entspricht in der Anordnung und Ausbildung der Stützelemente der Ausführungsform nach Fig. 3. Die zur Beaufschla- gung der Stützelemente 61 und 62 benötigte Drucköl quelle aber ist der Ölfilm der Gleitfläche des Lager segments 3. Von den Stellen des jeweiligen Druck maximums des Ölfilms führt ein Kanal 251 bzw. 252 nach unten zu dem auf der gleichen Seite wie das be treffende Druckmaximum liegenden Stützelement 61 bzw. 62. Die Druckverteilung des Schmierfilms ist in der Zeichnung für die Drehrichtung R durch die Linie 262 angedeutet.
Das Stützelement 62 steht un ter einem dem Druckmaximum entsprechenden Druck p2, das Stützelement 61 aber unter einem wesentlich kleineren Druck p, Die Zylinderdurch messer der beiden gleichgrossen Stützelemente 61 und 62 sind so gewählt, dass die von den Stützelementen ausgeübten Kräfte P1 und P2 mit der Stützkraft Po des starren Stützelements 4 eine resultierende Kraft PIt haben, die um den Betrag e ausser der Mitte der Gleitfläche des Lagersegments liegt.
Die Einstel lung des Lagersegments nach Fig. 17 erfolgt automa tisch; bei Umkehren der Drehrichtung wandert das Druckmaximum und mit ihm die resultierende Kraft auf die andere Seite des Lagersegments (Druckvertei- lungslinie 261).
Durch Verlegen des Kanals 251 bzw. 252 an eine Stelle anderen Schmierfilmdruckes oder Vorsehen anderer Zylinderdurchmesser der Stützelemente kann die Neigung des Lagersegments auch nachträglich noch geändert werden.
Die Lagersegmente 3 nach Fig. 18 haben ein in der Mitte liegendes kippbares, in seiner Höhe starres Stützelement 4 und an ihren beiden Enden je eine Nut 27. Die einander zugewandten Nuten 27 zweier benachbarter Lagersegmente 3 nehmen einen in der Ruhelage waagrecht liegenden Stützbalken 28 auf, der mit einem zu ihm senkrechten Hebel 29 verbun den ist. Durch Bewegen des freien Endes 30 des Hebels 29 in Umfangsrichtung des Lagers kann der Stützbalken aus seiner waagrechten Lage gebracht werden, wodurch er das Ende des einen Lagerseg ments nach oben, des anderen Lagersegments nach unten drückt.
Alle Enden 30 müssen in die der Dreh richtung des Spurrings 1 entgegengesetzte Richtung gedrückt werden, so dass sie alle an einen gemeinsa men Verstellring angeschlossen werden können, wobei kleinere Abmessungsunterschiede durch mehr oder weniger grosses elastisches Durchbiegen der Hebel 29 ausgeglichen werden. In der Zeichnung da- gegen ist für jeden Hebel 29 ein eigener Stellmotor 31 vorgesehen.
Bei der in Fig. 19 gezeigten Ausführungsform wird das Lagersegment 3 durch zwei mit Mitteln zum Verändern der übertragenen Stützkraft versehene Stützelemente 321, 322 getragen, deren jedes von einem im wesentlichen senkrecht zur Gleitfläche des Spurrings 1 angeordneten Stützbalken gebildet wird.
Die beiden Stützelemente 321, 322, die auch zusam men aus einem einzigen Stück bestehen könnten, sind an ihrem unteren, dem Lagerkörper 21 zugewandten Ende mit einer Kugelfläche versehen" mittels der sie auf einer entsprechenden, für beide Stützelemente 321, 322 gemeinsamen Hohlkugelfläche 33 des Lagerkörpers 21 in einem durch zwei Anschläge 34 des Lagerkörperoberteils 22 begrenzl:
en Bereich be wegbar ruhen.. Statt der Kugelfläche und Hohlkugel- fläche könnte auch ein Flächenpaar mit einer ande ren konvexen und konkaven Fläche vorgesehen wer den.
Beim Schwenken der Stützelemente 321, 322 um den Mittelpunkt der Hohlkugel (33) verändert sich der Abstand des oberen Endes der Stützelemente 321, 322 von der Gleitfläche des Spurrings 1. In der ge zeichneten Stellung ist das in der Zeichnung rechts liegende Stützelement 322 näher an der Gleitfläche des Spurrings 1 und trägt das Lagersegnnent 3.
Das in der Zeichnung links liegende Stützelement 321 liegt tiefer in der Hohlkugelfläche 33 und ist von der Gleitfläche des Spurrings 1 weiter entfernt, so dass zwischen dem Stützelement 321 und dem Lagerseg ment 3 ein Spiel freibleibt, auch wenn sich das Lagersegment 3, wie in der Zeichnung dargestellt, schon unter dem Einfluss des Ölfilms zwischen Lagersegment und Spurring gegenüber dem Spurring 1 geneigt hat.
Anschläge 35 verhindern ein Verschieben des Lagersegments 3 relativ zu den Stützelementen 321, 322 in Umfangsrichtung des Lagers. Zwischen den Stützelementen 321, 322 und dem Lagerkörper sind im Lagerkörperoberteil 22 Stellmotoren 361 angeord net. Mittels des Stellmotors 362 können die Stützele mente 321, 322 aus der in der Zeichnung gezeigten Stellung nach links geschoben werden, wodurch das Stützelement 322 entlastet und das Stützelement 321 belastet wird. Mittels des Stellmotors 361 kann das Lagersegment 3 wieder in die gezeichnete Lage zu rückgeschoben werden.
Während die Stellmotoren 361, 362 der Fig. 19 in dem mit dem dem Lagerkörper 21 unverschieblich verbundenen Lagerkörperoberteil 22 liegen, sind bei dem in Flg. 20 dargestellten Lager die Stellmotoren 361, 362 jeweils in einem Stützelement 321 bzw. 322 untergebracht.
Bei dem Lager nach Fig. 21 wird das Lagerseg ment 3 von zwei voneinander getrennten Stützele menten 37 getragen, deren unteres Ende je in einer Mulde des Lagerkörpers 21 bzw. Lagerkörperober- teils 22 und deren oberes Ende je in einer Mulde des Lagersegments 3 drehbar gelagert ist. Die beiden Mulden im Lagerkörper 21, 22 sind weiter voneinan der entfernt, als die beiden Mulden im Lagersegment 3.
Anschläge 38 im Lagerkörperoberteil 22 begren zen die Bewegung der Stützelemente 37 in der von einander abgewandten Richtung, so dass jeweils das am Anschlag 38 anliegende Stützelement 37 etwa senkrecht zur Gleitfläche des Spurrings 1 steht. Das andere Stützelement 37 ist dann geneigt zur Gleitflä che des Spurrings 1.
Dementsprechend ist das senk- rechtstehende Stützelement 37 belastet, das geneigt stehende (37) aber entlastet.
Bei den Lagern nach Fig. 19 bis 21 muss das Lagersegment 3 samt den Stützelementen jeweils in die augenblickliche Drehrichtung geschoben sein, d. h. die Reibungskräfte zwischen dem Spurring 1 und dem Lagersegment 3 drücken das Lagersegment 3 jeweils gegen die richtige Lage hin. Die Reibung zwischen den Stützelementen 321, 322, 37 und dem Lagerkörper 21 kann durch gute Schmierung verklei nert werden. Insbesondere bei den Ausführungsfor men nach Fig. 19 und 20 kann die Reibung zwischen Stützelement und Lagerkörper während dem Ver schiebungsvorgang durch Stützquellenlagerung prak tisch ausgeschaltet werden.
Die in Fig. 22 und 23 dargestellten Lager sind den in Fig. 17 bzw. 6 dargestellten Axiallagern ent sprechende Radiallager. Ebenso lassen sich auch die übrigen, am Beispiel eines Axiallagers gezeigten Ausführungsformen auf Radiallager übertragen. Bei den gezeigten Radiallagern sind zwischen dem Lager körper 21 und dem starren Stützelement 4 Distanz bleche 39 eingefügt, um den Abstand der Lagerseg mente 3 von der Gleitfläche der Welle 40 einstellen zu können.
Tritt beim Vorwärtslauf nicht dieselbe Belastung der Segmente 3 wie beim Rückwärtslauf auf, werden die Druckflächen der Stützelemente 61 und 62 und/ oder der Druck des Steuermediums entsprechend un terschiedlich gewählt.