DE3230232A1 - Lagerschale fuer ein gasstatisches lager und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

• Lagerschale für ein gas statisches Lager und Verfahren
• zu seiner Herstellung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagerschale für ein gastatisches Lager und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Bei einem gasstatischen Lager wird eine poröse Lagerschale radial von außen nach innen von Gas durchströmt und hält so eine in der Lagerschale liegende Welle durch Gaspolster fest. Versetzt sich die Welle radial1 so- nimmt der Strömungswiderstand im verengten Spalt zu und bewirkt einen Anstieg des örtlichen statischen Druckes. Auf der gegenüberliegenden Seite sind infolge des größeren Lagerspaltes die Verhältnisse umgekehrt, d.h. hier stellt sich ein niedrigerer Druck ein, der aufgrund der Drosseleigenschaft der porösen Lagerschale aufrecht erhalten bleibt. Es entsteht somit rings um die Welle eine von der Spaltgröße abhängige asymmetrische Druckverteilung, die ihren maximalen Wert im geringsten und ihren minimalen Wert im größten Spalt erreicht. Die Differenz der beiden auf die projizierte Lagerfläche bezogenen Drücke bestimmt die Tragfähigkeit des Lagers.
• Für solche Lager gibt es Untersuchungen und theoretische Grundlagen, sowie auch einige praktische Erfahrungen, so z.B. beschrieben in der DE-OS 21 10 261 und in der Dissertationsarbeit von J. Schmidt, Karlsruhe, 1972 zum Thema "Berechnungen und Untersuchungen aerostatischer Radiallager aus porösem Werkstoff" Obwohl solche Versuche mit elektrographitierten Kunstkohlenlagern teilweise erfolgreich verlaufen sind, hat sich gezeigt, daß einige negative Eigenschaften der Kunstkohle, wie z.B. Sprödigkeit und schlechtes tribologisches Verhalten in Heliumatmosphäre zur Verwendung von anderen Materialien zwingen. Dazu wird beispielsweise vorgeschlagen, ein austenitisches, poröses Sintermetall einzusetzen. Bei ersten Versuchen mit solchen Sintermetallagern hat sich aber ergeben, daß solche Lager nicht wie Kunstkohlelager eine schwingungsdämmende Wirkung haben, sondern ausgesprochene Schwingungsanfälligkeit zeigen. Die selbsterregten Schwingungen treten je nach Ladedruck, radialer Belastung und Gasdurchlässigkeit der Lager mit unterschiedlichen Stärken auf.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind daher Lagerschalen für ein gasstatisches Lager, welche die schlechten materiellen Eigenschaften der Kunstkohle nicht haben und gleichzeitig auch eine schwingungsdämmende Wirkung zeigen. Grundlage für die Lösung dieser Aufgabe war die Erkennung der Schwingungsursache und eine praktisch und analytisch gefundene Möglichkeit, Schwingungen zu unterbinden.
• Gemäß dem Hauptanspruch wird vorgeschlagen, eine Lagerschale aus einem porösen Material herzustellen, dessen Oberflächenschicht auf der Innenseite der Lagerschale stärker verdichtet ist als die übrige Lagerschale selbst, d.h. kleinere Poren aufweist. Die poröse Lagerschalenschicht wirkt normalerweise als Speicher für das Gas und die stärker verdichtete Oberflächenschicht dient dabei als Drossel. Bei den bekannten Lagern dient die ganze Lagerschale als Drossel und speichert gleichzeitig auch Gas. Dabei fließt Gas mit einem hohen Strömungswiderstand durch die poröse Lagerschale, wodurch sicft ein radiales Druckgefälle aufbaut. Da das Druckgefälle proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist, sind bei aufliegender Welle, d.h. bei geringem Massenstrom die Poren der Lagerschale bis nahe der aufliegenden Welle mit vollem Speisedruck geladen. Es kommt so zu der Speicherung einer bestimmten Gasmenge in der Nähe des Lagerspaltes. Beim Abheben der Welle fließt dieses gespeicherte Gas aufgrund des geringen Strömungswiderstandes in den Lagerspalt und verzögert die Abnahme des statischen Druckes. Erst nach Entspannung der gespeicherten Reserve fließt Gas mit hohem Druckverlust durch die Lagerschale in den Lagerspalt. Der verspäteten Abnahme des statischen Druckes entsprechend wird die Welle mehr als nötig beschleunigt, so daß sich das Kräftegleichgewicht zwischen der radialen Belastung und der Beschleunigungskraft der Welle erst bei einem. entsprechend größeren Abstand der Welle zur Lagerschale einstellt. Da sich bei diesem Abstand aufgrund des hohen Strömungswiderstandes der Lagerschale nur ein geringer statischer Druck im Lagerspalt einstellen kann, nähert sich die radial belastete Welle mit einer zu stark beschleunigten Bewegung der Lagerschale. Dadurch verkleinert sich der Lagerspalt, der statische Druck steigt aber aufgrund des hohen Strömungswiderstandes des porösen Stoffes und des relativ großen Volumens der spaltnahen Poren zu langsam an, so daß die in Bewegung gesetzte Masse ihre restliche kinetische Energie an die Lagerwand abgibt. Die aus der elastischen Verformung des Lagers und des inzwischen aufgebauten statischen Druckes resultierenden Kräfte beschleunigen die Welle erneut in entgegengesetzter Richtung. Die sich periodisch wiederholende Entladung der kinetischen Energie der Welle in der Lagerwand führt letztlich zu der bekannten mit "air hammer" bezeichneten Schwingung.
• Durch Verdichten einer dünnen Oberflächenschicht wird nunmehr die bisher von der ganzen Lagerschale übernommene Drossel funktion nur noch von dieser dünnen Oberflächenschicht übernommen, und der eben beschriebene Vorgang kann nicht mehr stattfinden. Die Speicherkapazität der dünnen Oberflächenschicht ist sehr klein, und die im darunterliegenden Bereich der Lagerschale gespeicherte Gasmenge kann durch die Oberflächenschicht nicht mehr schnell in den Luftspalt eintreten.
• Im Anspruch2 wird vorgeschlagen, daß die Lagerschale aus einem austenitischen, porösen Sintermetall bestehen soll. Ein solches Sintermetall weist, insbesondere in Heliumatmosphäre, nicht die Nachteile von Kunstkohlelagern auf.
• Im Anspruch 3 wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die Innenflächen der Lagerschale durch Rollieren zu verdichten. Mit diesem Vorgang kann eine dünne Oberflächenschicht stark verdichtet werden und gleichzeitig bleibt die Rundheit der Lagerschale sichergestellt.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Innenflächen der Lagerschale durch Elektrokorrosion mit definierten Porenöffnungen versehen sind.
• Es hat sich gezeigt, daß bei einem zu starken Verdichten der Innenflächen der Lagerschale eine zu große Drosselwirkung eintritt, welche die Tragfähigkeit des Lagers herabsetzt. Da je nach den Anforderungen ein Mittelweg zwischen Schwingungsdämpfung und Tragfähigkeit gefunden werden muß, bietet es sich an, die Innenflächen zunächst, beispielsweise durch Rollieren, zu verdichten und anschließend die Poren bis zu einer definierten gewünschten Größe wieder zu öffnen. Auf diese Weise lassen sich gezielt ganz bestimmte Eigenschaften der Lagerschale herstellen.
• In den Ansprüchen 5, 6, 7 und 8 werden entsprechende Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Lagerschale angegeben. Im Anspruch 5 wird vorgeschlagen,- die Innenseite der porösen Lagerschale zu verdichten und anschließend durch chemische Behandlung bis zu einer vorgebbaren Durchlässigkeit die Poren wieder zu erweitern. Die Verdichtung einer Oberflächenschicht hat zunächst zur Folge, daß die Poren in diesem Schichtbereich kleiner werden und bewirkt andererseits aber auch ein Zuschmieren der Öffnungen an der äußersten Oberfläche. Letzteres ist dabei unerwünscht, weil dadurch der Strömungswiderstand zu stark erhöht wird und eine präzise Einstellung der Porengröße nicht mehr möglich ist. Daher wird vorgeschlagen, im zweiten Schritt durch eine gezielte chemische Behandlung die zugeschmierten Poren wieder zu öffnen.
• Im sechsten Anspruch wird vorgeschlagen, die Innenseite der porösen Lagerschale zunächst durch Rollieren zu verdichten. Rollieren ist dabei eine der besten Möglichkeiten ohne sonstige Veränderung des Lagers die Innenseite zu verdichten.
• Im Anspruch 7 wird weiterhin vorgeschlagen, anschließend die Poren der verdichteten Schicht durch ein Elektrokorrosions-Verfahren wieder zu öffnen. Ein solches Ver- fahren hat den Vorteil, daß zunächst an Kanten und vorstehenden Graten eine Korrosion eintritt und daher gerade die gewünschte Wirkung erzielt werden kann, ohne daß die Lagerschale in sonstiger Weise stark angegriffen wird.
• In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Lagerschale aus einem porösen, austenitischen Sintermetall hergestellt wird und das Elektrokorrosions-Verfahren in einem schwachen Elektrolyten, vorzugsweise fünfpronzentiger Oxalsäure, stattfindet.
• üblicherweise hängt die Wahl des Elektrolyten von dem Material der Lagerschale ab. Es soll erreicht werden, daß ohne Anlegen eines elektrischen Potentials noch keine Korrosion stattfindet, sondern erst nach Anlegen einer definierten Spannung für eine definierte Zeit der Korrosionsvorgang abläuft. Dies sind die nötigen Voraussetzungen für eine definierte Öffnung der Poren.
• In spezieller Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, das Elektrokorrosions-Verfahren unter Einstrahlung von Ultraschall stattfinden zu lassen und dem Elektrolyt Oktylalkohol beizumischen. Es hat sich gezeigt, daß sich in den zunächst bei der Elektrokorrosion entstehenden Poren ziemlich bald Sauerstoffbläschen ansammeln, welche eine weitere Öffnung der Poren verhindern.
• Zur Verringerung der Oberflächenspannung der Bläschen dient die Oktylalkoholbeimischung, während durch Ultraschall die Ablösung der Bläschen aus den Poren gefördert wird.
• Zur Erläuterung wird die Erfindung in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt die Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes gasstatisches Lager, Fig. 2 schematisch eine Anordnung zum Rollieren der Innenseite der Lagerschalen und Fig. 3 eine Vorrichtung zur Elektrokorrosion der verdichteten Innenseite der Lagerschale.
• In Fig. 1 ist eine Welle 1 in einer von einem Gehäuse 2 gehaltenen Lagerschale 3 eingesetzt. Über-einen Spalt 4, der durch eine Öffnung 5 mit unter Druck stehendem Gas beaufschlagt wird, dringt Gas durch die poröse Lagerschale 3 hindurch bis zur Welle und strömt an dieser entlang bis zu den Auslaßöffnungen 6. Der Weg ist durch Pfeile angedeutet. Auf der Innenseite nahe der Welle 1 weist die Lagerschale 3 eine verdichtete Schicht 7 auf.
• Von dem zwischen dieser Schicht und der Welle gebildeten dünnen Gaspolster wird die Welle gelagert.
• In Fig. 2 ist die Lagerschale 3 mit einer teilweise fertiggestellten innenverdichteten Schicht 7 dargestellt, Durch eine Vorrichtung 10 zum Rollieren, wie sie bei einer üblichen Drehbank verwendet werden kann, wird die Innenfläche der Lagerschale bearbeitet.
• In Fig. 3 ist eine Vorrichtung zur Elektrokorrosion der Innenseite der Lagerschale dargestellt. In einem Behälter 15 befindet sich ein Elektrolyt 14, in welchen die Lagerschale 3eingetaucht ist. Dabei dient die Lagerschale als Anode und ein von oben in die Mitte der Lagerschale eintauchender Stab 13 als Kathode.Eine Heizplatte 11 sorgt für die nötige Temperatur und ein Magnetrührer 12 bewegt den Elektrolyten. Die ganze Vorrichtung kann, falls nötig noch in ein nicht dargestelltes Ultraschallbad eingetaucht werden, wodurch die Bläschenbildung in den Poren der verdichteten Schicht 7 verhindert wird. Der Elektrolyt ist dabei so auf die Elektroaffinität des Werkstoffes der Lagerschale abgestimmt, daß ohne äußeren Eingriff in das elektrische Potentialgleichgewicht keine chemische Umwandlung stattfindet. Wird die Lagerschale als Anode und die zentral liegende Elektrode als Katode in einem Stromkreis als elektrolytische Zelle betrieben, setzt eine Korrosion ein. Dabei treten positiv geladene Metallionen im Elektrolyten über, deren größter Teil sich auf der Kathdde ablagert. Dabei werden zuerst Kanten und Grate abgetragen und die Abtragungsgeschwindigkeit ist bei einem gegebenen Wertstoff vom Elektrolyten und von der Stromdichte der Elektrolyse abhängig. Auf diese.Weise kann eine genau definierte Porengröße durch eine definierte Stromdichte über eine bestimmte Zeit eingestellt werden.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht nunmehr die Verwendung von gasstatischen Lagern auch in Fällen, in denen bisher andere Lager verwendet werden mußten, weil Schwingungen oder Materialprobleme nicht gelöst waren. Insbesondere bei hoher Temperatur und in Hliumatmosphäre können solche Lager günstig eingesetzt werden, beispielsweise bei Heißgasventilen und ähnlichen Armaturen. Auch eine Verwendung für Turbinen erscheint nunmehr möglich.

Claims (9)

1. Lager schale für ein gasstatisches Lager und Verfahren zu seiner Herstellung Patentansprüche Lagerschale (3) für ein gasstatisches Lager, besteend aus einem porösen von außen mit einem Gas unter hohem Druck beaufschlagbaren Material, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Die Oberflächenschicht (7) auf der Innenseite der Lagerschale (3) ist stärker verdichtet als die übrige Schicht der Lagerschale.

   b) Die poröse Lagerschalenschicht (3) dient als Speicher für das Gas, die stärker verdichtete Oberflächenschicht (7) dient als Drossel.
2. 2. Lagerschale nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h -n e t du r c h folgendes Merkmal: a) Die Lagerschale (3) besteht aus einem austenitischen porösen- Sintermetall.
3. 3. Lagerschale nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) die Innenflächen der Lagerschale (3) sind rolliert.
4. 4. Lagerschale nach Anspruch 1, 2, oder 3, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Die Innenflächen der Lagerschale sind durch Elektrokorrosion mit definierten Porenöffnungen versehen.
5. 5. Verfahren zur Herstellung einer Lagerschale nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Die Oberflächenschicht auf der Innenseite der porösen Lagerschale wird verdichtet.

   b) Die Poren der verdichteten Schicht werden an der Oberfläche chemisch bis zu einer vorgebbaren Durchlässigkeit erweitert.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Die Innenseite der porösen Lagerschale wird durch Rollieren verdichtet.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, g e k e n'n -z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Die Poren der verdichteten Schicht werden durch ein Elektrokorrosions-Verfahren geöffnet.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Die Lagerschale wird aus einem porösen austenitischen Sintermetall hergestellt.

   b) Das Elektrokorrosions-Verfahren findet in einem schwachen Elektrolyten, vorzugsweise fünfprozentiger Oxalsäure, statt.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Das Elektrokorrosionsverfahren findet bei Ultraschalleinstrahlung statt.

   b) Dem Elektrolyt ist Oktylalkohol beigemischt.