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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Kippsegmentlager und einem Verfahren zur Herstellung eines Kippsegmentlagers nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Kippsegmentlager (im Englischen tilting pad bearings genannt) gibt es in vielen Formen und Ausführungen. Sie dienen der Lagerung von rotierenden Wellen, die vorzugsweise radial, in Einzelfällen aber auch axial ausgerichtet sind. Die meisten davon sind für den Einsatz in Fluiden, vorzugsweise in Öl, ausgelegt. Wiederum andere Kippsegmentlager sind für den Betrieb als Gaslager ausgelegt. Das Grundprinzip ist jedoch immer gleich. Eine schnell rotierende Welle wird radial, gelegentlich auch axial, durch eng anliegende Lagerflächen gelagert. Diese Flächen gleiten auf einem Polster des umgebenden Mediums auf der Welle auf, sodass es ähnlich einem ölgeschmierten Gleitlager zu keinem Verschleiß kommt. Anders als bei einem Gleitlager kommt der Schmierfilm jedoch nicht durch eine Bohrung und per Druck in das Lager, sondern wird durch die Unterbrechungen in der Lagerfläche hineingezogen. Die einzelnen Kippsegmente sollten sich in ihrer Lage der Welle anpassen können, um die minimale Medienspalte zu realisieren. Dazu sind diese, je nach Ausführung, über dünne Stege mit ihrer Lagerhülse verbunden (als Festkörpergelenke) oder sie liegen als Einzelteile auf der Lagerhülse so auf, sodass sie sich verkippen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Kippsegmentlager, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kippsegmentlagers sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen oder Merkmalen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Kippsegmentlager, das zumindest folgende Merkmale aufweist:
- zumindest ein Kippsegment;
- ein Lagergrundkörper; und
- ein Dämpfelement, das zwischen Kippsegment und Lagergrundkörper angeordnet ist..
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Unter einem Kippsegment kann ein Lagerelement verstanden werden, welches um eine Kippachse im Kippsegmentlager beweglich gelagert sein kann. Vorteilhafterweise kann der Einbau des Dämpfelements kritische Geschwindigkeiten einer Welle an dem zumindest einen Kippsegment oder innerhalb von Kippsegmentlagern abmildern oder eine Resonanzfrequenz der Kippsegmente verschieben und/oder die dynamische Stabilität des Lagersystems erhöhen. Eines der Hauptaspekte eines Dämpfelements ist die Einführung von Stützflexibilität und Dämpfung in der Lagerstruktur. Dies kann zu niedrigeren übertragenen Kräften und einer längeren Lagerlebensdauer des Kippsegmentlagers führen, wobei sich dies insbesondere für Maschinen, die für den Betrieb bei überkritischen Drehzahlen ausgelegt sind, rentiert.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Kippsegment hierbei als ein bewegliches Element in einem Kippsegmentlager verbaut werden, wobei das Kippsegment über zumindest einen (beispielsweise nur dünnen) Steg mit dem Lagergrundkörper verbunden sein kann und/oder als Einzelteil auf dem Lagergrundkörper aufliegt. Das Kippsegment kann beispielsweise sowohl radial als auch axial um die Lagerachse des Lagergrundkörpers angeordnet sein, wobei die Kippsegmente in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet werden können. Durch die Verwendung eines mit zumindest einem Steg mit dem Lagergrundkörper verbundenen Kippsegmentes kann eine Stabilität und Fixierung einer Position des Kippsegmentes in dem Kippsegmentlager sichergestellt werden.
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Ein Dämpfelement kann, je nach Ausführungsform des Kippsegmentlagers, an der radial äußeren Hauptoberflächen des Kippsegments beispielsweise als halbkugelförmige Ausstülpung oder Erhebung ausgeformt sein. Auch kann das Dämpfelement in einer Ausformungsvariante des Dichtungselements ringförmig, beispielsweise als O-Ring ausgebildet sein. Vorzugweise weist ein Dämpfelement in O-Ring-Form einen kreisförmigen, ellipsenförmigen oder vieleckigen Querschnitt auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Dichtungselement auch pilzförmig ausgeformt sein. Ein Vorteil einer solchen Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann darin gesehen werden, dass ein derart ausgeformtes Dämpfelement einfach herzustellen und dennoch effizient dämpfend wirkt.
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Vorteilhafterwiese kann das Dämpfelement, gemäß einer Ausführungsform, aus einem viskoelastischen Element ausgebildet sein, das ein elastisches als auch ein viskoses Materialverhalten aufweist und daher bei dem Einwirken hoher Verformungskräfte und steigender Temperatur auch bei längerer Belastungszeit seine Flexibilität und dämpfenden bzw. federnden Eigenschaften beibehalten kann.
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Ein Kippsegment kann zumindest eine Ausnehmung aufweisen, die sich beispielsweise auf einer Seite der Lagerflächen des Kippsegments in dasselbe hinein erstreckt. Bei der Ausnehmung kann es sich, gemäß einer Ausführungsform, um mindestens eine Bohrung handeln, die so ausgeformt ist, dass sie ein Dämpfelement aufnehmen kann. Gemäß einer Ausführungsform kann das Dämpfelement in eine Ausnehmung des Kippsegments eingreifen. Auf diese Weise kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass das Dämpfelement sicher in oder an dem Kippsegment befestigt oder gehalten werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Ausnehmung zur Aufnahme des Dämpfelements um den Kipppunkt des Kippsegments angeordnet. Insbesondere kann eine Kippkante eine geringere Länge als eine Breite des Kippsegments aufweisen. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass das Dämpfelement ebenfalls sicher und zuverlässig in einer gewünschten Position zwischen dem Kippsegment und dem Lagergrundkörper gehalten werden kann.
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Ein Lagergrundkörper kann gemäß einer Ausführungsform des Kippsegmentlagers hohlzylindrisch ausgeformt sein. Eine derartige Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil einer sicheren und stabilen Aufnahme und Fixierung des Kippsegments in dem Lagergrundkörper, insbesondere wenn das Kippsegment innerhalb des Lagergrundkörpers angeordnet ist.
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Die hier vorgestellten Ausführungsformen eines Kippsegmentlagers mit einem (separaten) Dämpfelement ermöglichen besonders vorteilhaft die Erhöhung der Stabilität des Kippsegmentlagers. Weiterhin wird die Schwingungsanfälligkeit von Kippsegmenten innerhalb des Kippsegmentlagers reduziert und möglicherweise auftretende Kippschwingungen der Kippsegmente können abgedämpft bzw. abgefedert werden. Mit der hier vorgestellten Ausführungsform eines Kippsegmentlagers mit zumindest einem Dämpfelement kann ein möglicher Verschleiß der Kippsegmente beim Kippvorgang eingedämmt werden.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kippsegmentlagers vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellung eines Kippsegments, eines Dämpfelements und eines Lagergrundkörpers; und
- Montage des Kippsegmentes, des Dämpfelementes und des Lagergrundkörpers, um das (mehrteilige) Kippsegmentlager gemäß einer hier vorgestellten Ausführungsform herzustellen.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Auch durch eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes können die Vorteile der vorliegenden Erfindung effizient und technisch einfach umgesetzt werden.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Querschnittsansicht eines Kippsegmentlagers mit Festkörpergelenken (links) sowie eine dreidimensionale Ansicht eines mehrteiligen Kippsegmentlagers (rechts);
- 2 eine dreidimensionale Ansicht eines Kippsegmentlagers mit Dämpfelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine dreidimensionale Ansicht eines Kippsegments mit einem als O-Ring ausgeformten Dämpfelement zur Verwendung in einem Kippsegmentlager gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine dreidimensionale Ansicht eines Kippsegments mit mehreren Dämpfelementen zur Verwendung in einem Kippsegmentlager gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine Querschnittsansicht eines monolithischen Kippsegmentlagers mit Festkörpergelenken und mehreren Dämpfelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Kippsegmentlagers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kippsegmentlagers 100 mit Festkörpergelenken (links) sowie eine dreidimensionale Ansicht eines mehrteiligen Kippsegmentlagers 100 (rechts).
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Beide Kippsegmentlager 100 umfassen zunächst jeweils einen Lagergrundkörper 102, welcher in beiden Fällen hohlzylindrisch ausgeformt ist. Weiterhin verfügen beide Kippsegmentlager 100 über jeweils drei gekrümmte Kippsegmente 104, die radial um die Lagerachsen des Lagergrundkörpers 102 angeordnet und dabei in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Kippsegmente 104 weisen eine radial äußere Lageroberfläche auf und sind ausgebildet, um zumindest eine Kippachse zu kippen.
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2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines mehrteiligen Kippsegmentlagers 100 mit mehreren Dämpfelementen 206 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz wird eine Dämpfung der Kippsegmente 104 in Kippsegmentlagern 100 mittels eines (separaten) Dämpfelements 206 erreicht, wobei dieses zwischen Kippsegment 104 und Lagergrundkörper 102 angeordnet ist.
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Der Einsatz von viskoelastischen Materialien in den Dämpfelementen 206 ist je nach Kippsegmentlager 100 unterschiedlich zu realisieren. Die Implementierung in ein mehrteiliges Kippsegmentlager 100 lässt sich sehr einfach gestalten, wenn das Dämpfelement 206 die Form eines O-Rings hat, vorzugsweise mit kreisförmigem, ellipsenförmigem oder vieleckigem Querschnitt. Aufgrund seines kreisförmigen Querschnitts kann ein O-Ring Dichtungselement 206 axial und/oder radial abdichten.
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Der Einbau einzelner oder mehrerer Dämpfelemente 206 je Kippsegment 104, kann während der Montage recht einfach erfolgen. Eine der Hauptoberflächen der Kippsegmente 104 kann beispielsweise entsprechend mit einer Ausnehmung gestalte sein. Eine vorteilhafte Ausführung besteht darin, um den Bereich der kippbaren Lageroberfläche eine passende Aussparung zu gestalten. Diese kann die Auflagefläche in axialer Richtung verkürzen, um das Dämpfelement 206 axial nicht über das Kippsegment 104 hinausstehen zu lassen.
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3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Kippsegments 104 mit einem als O-Ring ausgeformten Dämpfelement 206 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In der vergrößerten Darstellung eines Kippsegments 104 ist ein O-Ring auf der Lageroberfläche des Kippsegments 104 dargestellt. Gemäß dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann der O-Ring an der radialen Lageroberfläche des Kippsegments 104 beispielsweise als halbkugelförmige Ausstülpung oder Erhebung ausgeformt sein. Das Dämpfelement 206 wird hierbei in eine entsprechende Ausnehmung an der Lageroberfläche des Kippsegments 104 eingesetzt. Eine vorteilhafte Ausführung besteht darin, um den Bereich der kippbaren Auflage zum Lagergrundkörper 102 eine passende Aussparung zu gestalten. Diese Aussparung kann die Auflagefläche in axialer Richtung verkürzen, um das Dämpfelement 206 axial nicht über das Kippsegment 104 hinausstehen zu lassen.
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4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Kippsegments 102 mit mehreren Dämpfelementen 206. In der vergrößerten Darstellung eines Kippsegments 102 sind vier Dämpfelemente 206 auf der Lageroberfläche des Kippsegments 102 dargestellt. Die Dämpfelemente 206 werden hierbei in entsprechende Bohrungen an der Lagerunterfläche des Kippsegments 102 eingesetzt oder einvulkanisiert, was jedoch aus der Darstellung in der 4 nicht erkennbar ist. Einvulkanisieren ist eine besonders effektive Form der Befestigung von Dämpfelementen 206 innerhalb eines Kippsegmentlagers 100, da das Einvulkanisieren der Stabilisierung der Dichtung in einer Ausnehmung bzw. Bohrung dient. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Ausnehmungen bzw. Bohrungen pilzförmig ausgeformt sein. Zu sehen sind in der Darstellung der 4 nur die von einer der Lageroberflächen des Kippsegments 104 herausstehenden Teile der Dämpfelemente 206.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht eines monolithischen Kippsegmentlagers 100 mit Festkörpergelenken und mehreren Dämpfelementen 206 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In einem monolithischen oder Festkörper-Gelenke-Kippsegmentlager 100 ist das einzelne Kippsegment 104 über dünne Stege mit dem Lagergrundkörper 102 verbunden. Der umgebende Lagergrundkörper 102 ist in diesem Fall hohlzylindrisch ausgeformt. Weiterhin verfügt das Kippsegmentlager 100 über drei gekrümmte Kippsegmente 104, die radial um die Lagerachse des Lagergrundkörpers 104 angeordnet und dabei in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind.
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In dieser Darstellung wird die Verwendung eines Dämpfelements 206 in einem monolithischen Kippsegmentlagern 100 dargestellt, wobei die Dämpfelemente 206 hierbei nicht in eine Ausnehmung des Kippsegments 104 greifen. Bei dem Einsatz eines oder mehrerer Dämpfelemente 206 in einem monolithischen Kippsegmentlager 100 werden vorzugsweise urformende Verfahren zum Einsatz des Dämpfelements 206 direkt in den dafür vorgesehenen Zwischenspalten des Kippsegmentlagers 104 verwendet. Urformende Verfahren sind hierbei solche Verfahren, wobei durch Gießen oder Sintern ein fester Körper aus verflüssigtem oder pulverförmigem Material gefertigt wird. Demnach entstehen die Dämpfelemente 206 idealerweise entweder durch das Vulkanisieren oder das Aushärten eines gieß- oder knetbaren Vorproduktes in dem Zwischenspalt zwischen Kippsegment 104 und Kippsegmentlager 100.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zur Herstellung eines Kippsegmentlagers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In einem Schritt 601 werden zumindest ein Kippsegment 104, ein Dämpfelement 206 und ein Lagergrundkörper 102 bereitgestellt. Im Schritt 603 werden die einzelnen Teile dann zu einem (beispielsweise mehrteiligen) Kippsegmentlager 100 montiert.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist
