DE69206406T2 - Stützfeder für Axiallager. - Google Patents

Description

• Prozeßmedien- oder Gaslager werden heutzutage für eine zunehmende Anzahl diverser Anwendungen eingesetzt. Diese Medienlager umfassen im allgemeinen zwei relativ bewegliche Elemente mit einem dazwischen angeordneten vorbestimmten Zwischenraum, der mit einem Medium, wie beispielsweise Luft, gefüllt ist, das unter dynamischen Bedingungen einen abstützenden Keil bilden [sic], der ausreicht, um Kontakt zwischen den zwei relativ beweglichen Elementen zu verhindern.
• Verbesserte Medienlager, insbesondere Gaslager in hydrodynamischer Ausführung, sind entwickelt worden, die in dem zwischen den relativ beweglichen Lagerelementen vorgesehenen Raum mit Folien ausgestattet sind. Derartige Folien, bei denen es sich um allgemein dünne Platten aus nachgiebigem Material handelt, werden von den hydrodynamischen Filmkräften zwischen angrenzenden Lagerflächen abgelenkt. Die Folien verstärken die hydrodynamischen Merkmale der Medienlager und sorgen außerdem für verbesserten Betrieb unter extremen Belastungsbedingungen, bei denen normale Lager ansonsten ausfallen könnten. Außerdem bieten diese Folien den weiteren Vorteil, daß sie die Exzentrizität der relativ beweglichen Elemente aufnehmen, und üben darüber hinaus eine abfedernde und dämpfende Wirkung aus.
• Aufgrund der leichten Verfügbarkeit von relativ reinem Prozeßmedium oder umgebender Atmosphäre als Lagermedium eignen sich diese hydrodynamischen Lager mit Medienfilmschmierung besonders für schnellaufende, rotierende Maschinen. Während die hydrodynamischen oder selbsttätigen Medienlager in vielen Fällen lediglich durch den Druck, der aufgrund der relativen Bewegung der beiden gegenüberstehenden Oberflächen im Medienfilm erzeugt wird, für ausreichende Tragfähigkeit sorgen, ist es manchmal notwendig, das Medium zwischen den Lagerflächen von außen mit Druck zu beaufschlagen, um die Tragfähigkeit zu erhöhen.
• Um die nachgiebigen Folien zwischen den relativ beweglichen Lagerelementen entsprechend zu positionieren, sind eine Reihe von Montagemitteln entwickelt worden. Bei Axiallagern ist es übliche Praxis, mehrere Folien mit individuellem Abstand an einer Folienlagerscheibe zu montieren, beispielsweise mittels Punktschweißung, und die Folienlagerscheibe an einem der Lagerelemente zu positionieren, wie beispielhaft im US-Patent Nr. 3,635,534 beschrieben. Alternativ wird eine nachgiebige Einzelfolie vorgeschlagen, wie beispielsweise im US- Patent Nr. 4,247,155 dargestellt.
• Um bei den meisten dieser Montagemittel für Stabilität der Folien zu sorgen, erfordert die Folie eine wesentliche Vorbelastung, d.h. die individuellen Folien müssen gegenüber dem relativ beweglichen Lagerelement, das dem für die Folienmontage vorgesehenen Lagerelement gegenüberliegt, belastet werden. Eine übliche Praxis besteht darin, separate nachgiebige Versteifungselemente oder Stützfedern unterhalb der Folien vorzusehen, um für diese erforderliche Vorbelastung zu sorgen, wie beispielhaft in den bisherigen US-Patenten Nr. 4,624,583 und 4,682,900 der Anmelderin und Rechtsnachfolgerin beschrieben. In der US-A-4,225,196 ist ein Medienaxiallager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dargestellt. Weitere Beispiele augenblicklicher Stützfederausführungen sind in den US-Patenten Nr. 4,082,375, 4,213,657, 4,277,111 und 4,277,112 enthalten. In diesen Patentschriften sind Stützfederausführungen in verschiedenen Konfigurationen detailliert beschrieben, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die zugehörigen Axialtragfähigkeiten auf etwa 2,758 x 10&sup5; Newton/Quadratmeter (40 lbs./Quadratinch) beschränkt sind. Außerdem zielen die Ausführungen darauf ab, entweder eine radial gleichmäßige oder eine radial abnehmende Stützfederkraft vorzusehen.
• In der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, ist das Folienaxiallager mit einer Axiallagerstützfederscheibe ausgestattet, die eine radial zunehmende Federkraft oder Tragfähigkeit aufweist. Mehrere in der Stützfederscheibe ausgebildete Federabschnitte sorgen für verbesserte Tragfähigkeit und Druckkraftverteilung, so daß eine maximale Axiallast von mehr als 5,516 x 10&sup5; N/m² (80 psi) erreicht werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die vorliegende Stützfederscheibe Sätze von drei Federelementen, die radial mit Abstand zueinander angeordnet sind, wobei das äußere Federelement eine höhere Federkraftelastizität als die radial inneren Federelemente aufweist. Die Federelemente umfassen beispielsweise jeweils mehrere Wellungen, und die zwischen den Wellenspitzen vorliegende Länge der Wellungen des radial äußeren Federelementes ist kürzer als diejenige der radial inneren Federelemente.
• FIG. 1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Folienaxiallagers nach vorliegender Erfindung;
• FIG. 2 ist eine vergrößerte Draufsichtteildarstellung der Axiallagerstützfeder des Folienaxiallagers nach FIG. 1;
• FIG. 3A, 3B und 3C sind eine [sic] vergrößerte Querschnittsdarstellung eines jeden der drei Federelemente der Axiallagerstützfeder nach FIG. 2 an deren Linien 3-3 entlang;
• FIG. 4A und 4B sind alternative Querschnittsdarstellungen der Axiallagerstützfeder nach FIG. 2;
• FIG. 5 ist eine vergrößerte perspektivische Teildarstellung einer alternativen Axiallagerstützfeder nach vorliegender Erfindung;
• FIG. 6A und 6B sind alternative Querschnittsdarstellungen der Axiallagerstützfeder nach FIG. 5 an deren Linie 6-6 entlang;
• FIG. 7 ist eine vergrößerte perspektivische Teildarstellung einer weiteren alternativen Axiallagerstützfeder nach vorliegender Erfindung; [sic]
• Wie in FIG. 1 dargestellt, ist eine Axialläuferscheibe 10, die eine Welle 12 umfaßt, auf einer Axialscheibe 14 mit Hilfe eines Medienaxiallagers, das eine Lagerscheibe 16 sowie ein Axiallagerversteifungselement oder eine Folienstützfeder umfaßt, drehbar abgestützt. Die Lagerscheibe 16 weist mehrere nachgiebige Folien 18 auf, und die Stützfeder 20 sorgt für radial zunehmende Lastabstützung der nachgiebigen Folien 18. Individuelle nachgiebige Folien 18 können, wie in FIG. 1 dargestellt, mittels Punktschweißung an der Lagerscheibe 16 befestigt werden, oder die Folien können alternativ als Einheit oder in integraler Bauweise mit der Lagerscheibe 16 ausgeführt sein, wie allgemein im US-Patent Nr. 4,247,155 dargestellt. Die Lagerscheibe 16 und die Stützfeder 20 können äußere Auskragungen 22 bzw. 24 aufweisen, die mit Ausschnitten versehen sind, die dazu benutzt werden können, die Position der Lagerscheibe 16 und Stützfeder 20 im Verhältnis zur Axialscheibe 14 beizubehalten.
• FIG. 2 ist eine vergrößerte Draufsichtteildarstellung der Stützfeder 20 nach FIG. 1. Die Stützfeder 20 umfaßt ein Mittel, um die Federkraftabstützung der darüberliegenden nachgiebigen Folie 18 (nach FIG. 1) radial zu erhöhen. Das Mittel, mit dem die Federkraft der Stützfeder 20 nach FIG. 2 radial erhöht wird, umfaßt vorzugsweise mehrere Federabschnitte 30, wobei jeder Federabschnitte [sic] 30 zumindest zwei und vorzugsweise drei individuelle Federelemente 32, 34 und 36 (aufeinanderfolgend mit zunehmendem Radius numeriert) umfaßt. Es sei darauf hingewiesen, daß vier oder mehr Federelemente angemessen sein und für Axiallager mit großem Durchmesser auch tatsächlich bevorzugt eingesetzt werden können; aus Gründen der Verständlichkeit werden jedoch nur drei Federelemente dargestellt und beschrieben.
• Die drei Federelemente 32, 34, 36 sind vorzugsweise individuell mit Wellungen 42, 44, 46 versehen und so konfiguriert, daß sie eine einzelne darüberliegende Folie 18 der Lagerscheibe 16 (FIG. 1) abstützen. Dementsprechend sind die Federelemente radial aneinandergrenzend angeordnet und verlaufen durch gleiche Bogenwinkel und somit in Querrichtung mit radial zunehmenden Bogenlängen. Die drei Federelemente 32, 34, 36 sind in gestapelter Anordnung als Querschnittsdarstellung in FIG. 3 abgebildet, aus der die Wellungen 42, 44, 46 eines jeden Federelementes 32, 34 bzw. 36 ersichtlich sind. Außerdem ist die zwischen den Wellenspitzen vorliegende Länge oder Teilung (P&sub3;&sub2;, P&sub3;&sub4;, P&sub3;&sub6;) der Wellungen 42, 44, 46 eines jeden Federelementes 32, 34, 36 dargestellt. Um für zunehmende Federkraft an den radial äußeren Federelementen 34 und 36 zu sorgen, nimmt die Teilung ab, d.h. P&sub3;&sub2; ist größer als P&sub3;&sub4;, und P&sub3;&sub4; ist wiederum größer als P&sub3;&sub6;.
• Die Stützfeder 20 nach FIG. 2 umfaßt vier alternative Wellungsanordnungen für die vier Federabschnitte 30, 30a, 30b und 30c. Beim Federabschnitt 30 sind die Wellungen 42, 44, 46 alle radial ausgerichtet, so daß die Teilung eines jeden individuellen Federelementes 32, 34, 36 über die radiale Breite des entsprechenden Elementes ebenfalls zunimmt. Alternativ umfaßt der Federabschnitt 30a radial gleichmäßige, eine konstante Teilung aufweisende Wellungen 42a, 44a, 46a. Somit sind im Falle des Federabschnittes 30a alle der aufeinanderfolgenden Wellungen 42a, 44a, 46a parallel zur ersten Wellung 42a, 44a, 46a ausgerichtet, die an die Vorderkante angrenzt. Die erste Wellung 42a, 44a, 46a ist vorzugsweise radial ausgerichtet. Eine dritte mögliche Konfiguration ist im Federabschnitt 30b dargestellt, bei der alle wellungen 42b, 44b, 46b einen Winkel φ im Verhältnis zu einem Radius aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, daß der Winkel φ für die entsprechenden Federelemente 32b, 34b, 36b nicht notwendigerweise identisch ist. Eine vierte mögliche Konfiguration ist im Federabschnitt 30c dargestellt, bei der alle Wellungen 42c, 44c, 46c parallel zur letzten Wellung 42c, 44c, 46c ausgerichtet sind, die an die Hinterkante der Federelemente 32c, 34c, 36c angrenzt. Diese letzte Wellung 42c, 44c, 46c ist vorzugsweise radial ausgerichtet.
• Die FIG. 4A und 4B sind alternative Querschnittsdarstellungen der Stützfeder 20. Die Stützfeder 20 umfaßt, wie dargestellt, eine dünne nachgiebige Ringscheibe mit einer Dicke (t), die allgemein zwischen 0,0025 cm und 0,075 cm liegt. Die Querschnittsdicke t&sub1; der Stützfeder 20 kann gleichmäßig sein, wie in FIG. 4A dargestellt. Alternativ, wie in FIG. 4B gezeigt, kann eine Stützfeder 20' mit einer variierenden Querschnittsdicke, die radial von t&sub1; nach t&sub2; zunimmt, konfiguriert sein, wie in FIG. 2 dargestellt. Durch eine Erhöhung der Querschnittsdicke nimmt die Federkraft der Stützfeder 20' mit wachsendem Radius weiter zu.
• FIG. 5 ist eine vergrößerte perspektivische Teildarstellung einer alternativen Axiallagerstützfeder 50. Das Mittel, mit dem die Federkraft der Stützfeder 50 nach FIG. 5 radial erhöht wird, beinhaltet ein Federelement 52, das einen ersten Satz von allgemein radial ausgerichteten Rippen 54, die über die gesamte radiale Breite des Federelementes 52 verlaufen, sowie einen zweiten Satz von Rippen 56 umfaßt, die allgemein radial ausgerichtet sind und von der radial äußeren Kante des Federelementes aus nach innen über einen Teilbereich der radialen Breite des Federelementes 52 verlaufen. Beim Federelement 52 weisen die Rippen des ersten und zweiten Satzes von Rippen 54, 56 wechselnde Abstände und gleiche Höhen auf. Das Federelement 52 kann, abhängig von der radialen Breite der Stützfeder 50, weiterhin einen dritten Satz von Rippen 58 umfassen, die radial nach innen über einen Teilbereich der Breite des Federelementes 52 verlaufen. Die Rippen des dritten Satzes von Rippen 58 sind vorzugsweise jeweils zwischen den Rippen des ersten und zweiten Satzes von Rippen 54, 56 angeordnet. Außerdem verlaufen die Rippen [sic] des zweiten Satzes von Rippen 56 vorzugsweise radial nach innen über etwa zwei Drittel der Breite des Federelementes 52, und die Rippen [sic) des dritten Satzes von Rippen 58 verlaufen über etwa ein Drittel der Breite des Federelementes 52. Fachleute auf diesem Gebiet werden verstehen, daß für Stützfedern mit großem Durchmesser weitere Sätze von Rippen erforderlich sein können.
• Die FIG. 6A und 6B sind alternative Querschnittsdarstellungen der Stützfeder 50 nach FIG. 5. Die Stützfeder 50 umfaßt eine dünne nachgiebige Ringscheibe mit einer Dicke (t), die allgemein zwischen 0,0025 cm und 0,075 cm liegt. Die Querschnittsdicke t&sub1; der Stützfeder 50 kann gleichmäßig sein, wie in FIG. 6A dargestellt. Alternativ kann die Querschnittsdicke einer Stützfeder 50' radial von t&sub1; nach t&sub2; zunehmen, wie in FIG. 6B gezeigt, wobei t&sub1; im Bereich zwischen 0,0025 cm und 0,075 cm und t&sub2; im Bereich zwischen t&sub1; und der Summe aus t&sub1; + 0,075 cm liegt. Durch eine Erhöhung der Querschnittsdicke nimmt die Federkraft der Stützfeder 50' mit wachsendem Radius weiter zu.
• FIG. 7 zeigt eine alternative Konfiguration für eine Stützfeder 50a, die ähnlich wie die Stützfeder 50 nach FIG. 5 ausgeführt ist, jedoch zusätzlich zumindest einen und vorzugsweise zwei Schlitze 60, 62 in den Federelementen 52a der Stützfeder 50a umfaßt. Die Schlitze 60, 62 sind vorzugsweise bogenförmig ausgebildet und teilen die Federelemente 52a in zwei oder drei Segmente 64, 66, 68 auf. Die Schlitze 60, 62 sind vorzugsweise an den radial inneren Enden des zweiten und dritten Satzes von Rippen 56 bzw. 58 angeordnet. Somit umfaßt das radial innere Segment 64 einen Satz von Rippen, das mittlere Segment 66 zwei Sätze von Rippen und das äußere Segment 68 drei Sätze von Rippen. Die Stützfeder 50a nach FIG. 7 kann irgendeinen der in FIG. 6A oder 6B dargestellten Querschnitte besitzen. Außerdem können die Stützfedern 50, 50a irgendeine der Wellungsanordnungen aufweisen, die in FIG. 2 dargestellt und vorstehend beschrieben sind.
• Unter den in FIG. 1 dargestellten dynamischen Bedingungen stützen die Lagerscheibe 16 und die Stützfeder 20 (oder 50, 50a) die Axialläuferscheibe 10 auf einem Polster aus Luft oder druckbeaufschlagtem Medium ab. Bei den sektorförmigen nachgiebigen Folien 18 nimmt der Medienfilmdruck radial bis zu einem Maximalwert am Außendurchmesser aufgrund des radialen Geschwindigkeitsgradienten zu. Außerdem ist der Druck zwischen der sich relativ drehenden Axialläuferscheibe 10 und der Lagerscheibe 16 von der relativen Geschwindigkeit abhängig. Somit werden an den radial äußeren Abschnitten der Lagerscheibe 16, verglichen mit den inneren Abschnitten, höhere Drücke erzeugt. Die Stützfedern 20 der vorliegenden Erfindung sind so ausgelegt, daß sie eine radial zunehmende Steifheit bereitstellen, um eine gleichmäßige Ablenkung und damit eine konstante Filmdicke über die radiale Breite der Folien 18 zu erreichen. Dies ermöglicht wiederum höhere Gesamttragfähigkeiten für die Folienaxiallager der vorliegenden Erfindung.
• Die Stützfedern 20, 50 oder 50a werden vorzugsweise entweder durch einen chemischen Ätz- oder Prägevorgang hergestellt, wobei die Ausschnitte und Schlitze, die die Federelemente 32, 34, 36, 52 oder 52a definieren, zuerst hergestellt und die Wellungen 42, 44, 46 oder die Rippen 54, 56, 58 anschließend geätzt oder geprägt werden. Alternativ können die individuellen Federelemente 32, 34, 36, 52 oder 52a aus Platten ausgeschnitten, gewellt, (oder gerippt) und dann an einer metallischen Scheibe befestigt werden, die die entsprechend konfigurierten Ausschnitte umfaßt, um die individuellen Federelemente 32, 34, 36, 52 oder 52a aufzunehmen.

Claims (6)

1. Medienaxiallager, umfassend:

eine Axialläuferscheibe (10);

eine Axialscheibe (14), um die genannte Axialläuferscheibe drehbar abzustützen; und

ein nachgiebige Folien aufweisendes Lager (16, 18, 20; 50), das in betriebswirksamer Weise zwischen der genannten Axialläuferscheibe und der genannten Axialscheibe angeordnet ist, bei dem das genannte, nachgiebige Folien aufweisende Lager eine Lagerscheibe (16), die mit mehreren nachgiebigen Folien (18) ausgestattet ist, die zur genannten Axialläuferscheibe hin angeordnet sind, sowie eine Folienstützfeder (20, 50) umfaßt, die zwischen der genannten Axialscheibe und der genannten Lagerscheibe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Stützfeder ein Mittel umfaßt, um die genannten darüberliegenden nachgiebigen Folien mit radial zunehmender Federkraft abzustützen.

2. Medienaxiallager nach Anspruch 1, bei dem das genannte Mittel zur radialen Erhöhung der Federkraft der Stützfeder umfaßt:

mehrere Federabschnitte (30), bei denen jeder der genannten Federabschnitte zumindest zwei individuelle Federelemente (32, 34, 36) umfaßt, wobei jedes der genannten Federelemente individuell gewellt (42, 44, 46) ausgeführt ist und die genannten Federabschnitte jeweils so konfiguriert sind, daß sie eine der genannten darüberliegenden Folien (18) der genannten Lagerscheibe abstützen.

3. Medienaxiallager nach Anspruch 2, bei dem die genannten Federelemente (32, 34, 36) eines Federabschnittes in radial aneinandergrenzender Anordnung in gleichen Bogenwinkeln und in Querrichtung mit radial zunehmenden Bogenlängen verlaufen.

4. Medienaxiallager nach Anspruch 2, bei dem die Wellungen (42, 44, 46) der genannten Federelemente eine zwischen den Wellenspitzen vorliegende Teilung (P) aufweisen und die Teilung (P) eines radial äußeren Federelementes geringer als die entsprechende Teilung (P) irgendeines entsprechenden radial inneren Federelementes ist.

5. Medienaxiallager nach Anspruch 1, bei dem das genannte Mittel zur radialen Erhöhung der Federkraft der Stützfeder umfaßt:

ein Federelement (52), das einen ersten Satz von im allgemeinen radial ausgerichteten Rippen (54), die über die gesamte radiale Breite des genannten Federelementes verlaufen, sowie einen zweiten Satz von Rippen (56) umfaßt, die im allgemeinen radial ausgerichtet sind und von einer radial äußeren Kante des genannten Federelementes aus nach innen über einen Teilbereich der radialen Breite des genannten Federelementes (52) verlaufen, wobei die Rippen der genannten ersten und zweiten Sätze von Rippen (54, 56) einen wechselnden Abstand und die gleiche Höhe aufweisen.

6. Medienaxiallager nach Anspruch 1, bei dem das genannte Mittel zur radialen Erhöhung der Federkraft umfaßt:

eine zur Stützfeder gehörende dünne nachgiebige Ringscheibe (20), die eine Querschnittsdicke t&sub1; an einer radial inneren Kante und eine zweite Querschnittsdicke t&sub2; an einer radial äußeren Kante aufweist, wobei t&sub1; im Bereich zwischen 0,0025 cm und 0,075 cm und t&sub2; im Bereich zwischen t&sub1; und der Summe aus t&sub1; + 0,075 cm liegt.