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Die
vorliegende Erfindung betrifft Lager und insbesondere Radiallager
mit kippbaren Lagersegmenten.
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Es
ist in der Technik bekannt, dass drehende Teile bzw. Rotoren in
einfachen Radiallagern mit kreisförmigen Bohrungen in bestimmten
Fällen
instabil laufen, besonders, wenn die Last auf den Lagern nur ein
relativ kleiner Teil ihrer Lastkapazität ist. In vielen Lagereinsatzfällen werden
ausgefeiltere Formen von Radiallagern verwendet, um die Stabilität im Betrieb
zu fördern.
Eine solche Form für
ein Radiallager für
Wellenzapfen ist ein Radiallager mit kippbaren Lagersegmenten, das
im allgemeinen drei oder mehr Lagersegmente beinhaltet, die in einer
starren Lagerschale um den Wellenzapfen herum angeordnet sind. Die
nach innen weisenden Flächen
der Lagersegmente sind in etwa der Außenfläche der Wellenzapfens angepasst,
und die Lagersegmente sind so angeordnet, dass sie relativ zur starren
Lagerschale verschwenkt werden können
und sich so im Betrieb auf den Wellenzapfen ausrichten können. Die
Konstruktion des Lagers kann derart sein, dass bei sich drehendem
Zapfen im Lager vorhandenes Schmiermittel zwischen den Wellenzapfen
und die Lagersegmente gezogen wird. Oberhalb einer Drehgeschwindigkeitsschwelle
wird so ein durchgehender Schmierfilm gebildet, welcher einen Festkörper-an-Festkörper-Kontakt
zwischen den Lagersegmenten und dem Wellenzapfen verhindert. Eine
solche Anordnung wird in der Technik als "selbsteinstellend" bezeichnet.
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Die
FR-2507265 beschreibt ein
Radiallager mit kippbaren Lagersegmenten, das sowohl auf hydrostatischem
als auch auf hydrodynamischem Tragen aufbaut. Bei diesem Lager wird
jedes Lagersegment über
zwei axial beanstandete Kugelgelenke in einer Lagerschale getragen,
und Gas für
die hydrodynamische Tragwirkung wird über Kanäle, welche die teilkugelförmigen Flächen der
Traggelenke durchlaufen, in den Grenzflächenbereich zwischen dem Lagersegment
und dem Wellenzapfen eingespeist. In dieser Anordnung werden die
kippbaren Segmente um nur eine Achse schwenkbar getragen, wobei
diese eine parallele Linie zur Drehachse des Wellenzapfens ist,
welche durch die Krümmungszentren
der Kontaktflächen
der beiden Schwenklager verläuft.
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FR-1538467 beschreibt ein
hydrodynamisches und hydrostatisches Kippsegmentlager, in welchem
jedes Lagersegment einen zylindrischen Vorsprung hat, der gleitend
in einer Radialbohrung in der Lagerschale aufgenommen wird. Auf
den von dem kippbaren Segment abgewandten zylindrischen Vorsprung
wird durch eine Feder eingewirkt, um dieses gegen den Wellenzapfen
zu drücken,
wobei die Federkraft am Ende des Vorsprunges durch ein Gleitstück angelegt
wird, das mit dem Vorsprung über zwei
einander gegenüberliegende
konvexe Flächen am
Vorsprung und am Gleitstück
nur Punktberührung hat.
In diesem Falle wird Gas zur Erzeugung der hydrostatischen Tragwirkung über an den
kippbaren Segmenten angeschlossene Schläuche zugeführt.
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Der
vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Kippsegment-Radiallager
mit einer Lagerschale mit einer im wesentlichen zylindrischen Innenfläche und wenigstens
drei Lagersegmenten gestellt, welche sich entlang der Innenfläche der
Lagerschale im wesentlichen in einer Umfangsrichtung erstrecken,
wobei jedes Lagersegment relativ zur Lagerschale schwenkbeweglich
angeordnet ist, mittels eines einzelnen Schwenklagers, das von einer
im wesentlichen kugelförmig
verlaufenden Fläche
am Lagersegment gebildet wird, die mit einer passend ausgebildeten,
komplementären,
im wesentlichen kugelförmig verlaufenden,
der Lagerschale zugeordneten Gegenfläche in Eingriff steht, wobei
das Lager ein selbsteinstellendes Lager ist, in welchem im Betrieb
Gasfilme zwischen den Lagersegmenten und einem Wellenzapfen selbstgenerierend
sind, wenn der Wellenzapfen mit einer über einer Schwellengeschwindigkeit liegenden
Drehzahl gedreht wird, worin wenigstens eine der besagten im wesentlichen
kugelförmig
verlaufenden, der Lagerscha le zugeordneten Flächen auf einem Kolben ausgebildet
ist, der dichtend in einer Zylinderbohrung in der Lagerschale geführt wird, so
dass er eine radiale Bewegung relativ zur Lagerschale ausführen kann,
und worin das Lager des weiteren Federmittel aufweist, um besagten
Kolben radial nach innen vorzuspannen, und Gaszufuhrmittel zur Zuführung von
Druckgas über
einen Kanal, welcher sich von einer Seitenwand des Kolbens aus durch
die zueinander passenden Flächen
des Schwenklagers bis zur Grenzfläche zwischen dem Wellenzapfen
und dem dem besagten Kolben zugeordneten Lagersegment erstreckt,
um so im Betrieb an besagter Grenzfläche einen aerostatischen Trennfilm
aufzubauen, um besagtes Glied radial nach außen zu drängen, wobei besagte Feder und besagte
Gaszufuhrmittel im Betrieb so angeordnet sind, dass sie das dem
besagten Kolben zugeordnete Lagersegment von dem Wellenzapfen trennen, wenn
der Wellenzapfen stationär
steht, und wenigstens bis zu besagter Schwellengeschwindigkeit der Wellenzapfendrehung.
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Der
Begriff der kugelförmig
verlaufenden Fläche
wird in dieser Offenbarungsschrift derart gebraucht, dass er eine
Oberfläche
bezeichnet, die zumindest ein Teil der Außenfläche einer Kugel ist, oder zumindest
ein Teil der Innenfläche
einer Hohlkugel.
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Die
bzw. jede im Wesentlichen kugelförmig verlaufende
Schwenklagerfläche
an den Lagersegmenten kann eine konkave Fläche sein, wobei die der Lagerschale
zugeordneten passenden Gegenflächen
dann konvexe Flächen
sind. Alternativ dazu kann das bzw. jedes Lagersegment mit konvexen Schwenklagerflächen versehen
sein, und die dazu passenden, der Lagerschale zugeordneten Gegenflächen sind
dann konkav.
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Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
werden Mittel gestellt, die Grenzfläche zwischen dem Lagersegment
und einem im Betrieb von diesem Lager getragenen Wellenzapfen mit
Hochdruckgas zu versorgen. Eine solche Einspeisung drängt oder
belastet die Lagersegmente radial nach außen.
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Bei
zuvor bereits erwähnten
Anordnungen von Kippsegment-Radiallagern, die selbsteinstellend wirken,
ist ein dünner
Schmiermittelfilm zwischen einem Wellenzapfen und dessen Lager,
der durch die Drehung des Wellenzapfens erzeugt wird, in der Lage,
Trennkräfte
aufzubauen, die ausreichen, die Lagersegmente oberhalb einer bestimmten
Drehgeschwindigkeit des Wellenzapfens fest in ihrer Position zu
halten. Wenn jedoch der Betrieb gestartet wird, und auch bei niedrigen
Drehzahlen, und insbesondere in solchen Anlagen, wo das Schmiermittel
Gas ist, wird das bzw. jedes Lagersegment, das nicht die Last des
Wellenzapfens trägt,
nicht stabil gehalten und kann zum Flattern neigen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
können
eine oder mehrere radial bewegliche, in oder an der Lagerschale
angebrachte und radial nach innen vorgespannte Glieder vorgesehen
werden, so dass es mit dem oder jedem Lagersegment in Eingriff tritt, das
sonst bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten zum Flattern neigen würde, so
dass das bzw. jedes besagte Lagersegment seinerseits radial nach
innen gedrängt
wird. Dieses radiale Nach-innen-Drängen wirkt dem radial nach
außen
gerichteten Druck des Hochruckgases entgegen, das der Grenzfläche zwischen
den Lagersegmenten und dem Wellenzapfen zugeführt wird. Diese einander entgegengesetzten Drücke wirken
stabilisierend auf das besagte Lagersegment bzw. die besagten Lagersegmente,
das/die sonst zum Flattern neigen könnte(n). Zusätzlich dazu ist
die radial nach außen
gerichtete Kraft größer als die
radial nach innen gerichtete Kraft, so dass vor dem Anfahren der
Drehung und wenigstens bis zu der Schwellendrehzahl, bei welcher
die "Selbsteinrichtung" erfolgt, aerostatisch
ein Trennfilm aus Gas geschaffen wird, der das/die besagte(n) Lagersegment(e)
und den Wellenzapfen von einander trennt, um so die zusammenwirkenden
Flächen
des/der besagten Lagersegmente(s) und des Wellenzapfens bei niedrigen
Drehzahlen und bis zum Eintreten der passenden Selbsteinrichtung
zu schützen.
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Das
erfindungsgemäße Lager
kann sogar anfangs mit einer im wesentlichen konstanten Last auf
all seinen Lagersegmenten arbeiten. Dies erlaubt eine bessere Führung des
Wellenzapfens, und Flattern eines oder mehrerer Lagersegmente(s)
wird unterdrückt.
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Im
Betrieb unterliegen Rotoren Synchronschwingungen, die durch Unwucht
im Rotor hervorgerufen werden, wobei derartige Schwingungen als "Zwangsvibrationen" bezeichnet werden.
In manchen Fällen
unterliegt ein Rotor auch asynchronen Schwingungen bei einer Frequenz,
die in Relation zu einer Eigenfrequenz des Rotors steht, und diese Schwingungen
können
durch eine Energieeinleitung an einem Lager oder an den Lagern erregt
werden. Diese Art von Vibrationen werden als "selbsterregte Vibrationen" bezeichnet. Die
erfindungsgemäße Anordnung
kann dabei helfen, die Neigung zu selbsterregten Vibrationen zu
schwächen,
indem sie eine im wesentliche gleichförmige Belastung der Lagersegmente
des Lagers in allen Betriebsstufen aufrecht erhält.
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Die
Zahl der mit radial bewegbaren Gliedern und Mitteln zum Vorspannen
dieser Glieder radial nach innen versehenen Lagersegmente ist vorteilhaft wenigstens
gleich der Zahl, die erforderlich ist, um jedes Lagersegment aktiv
oder zwangspositioniert zu halten, wenn der Wellenzapfen stationär ist. Vorzugsweise
ist wenigstens ein Lagersegment, oder jedes Lagersegment, welches
nicht zur Aufnahme der Last des Wellenzapfens angeordnet ist, wenn
der Wellenzapfen stationär
ist, mit solchen Mitteln versehen. Wenn zum Beispiel ein Lager drei
gleichmäßig von einander
beabstandete Lagersegmente gleicher Länge aufweist, dann reicht es
aus, wenn nur ein Lagersegment mit einem radial verstellbaren Glied
ausgestattet ist, wenn die beiden anderen Lagersegmente von dem
Gewicht des Wellenzapfens zwangspositioniert werden; in solchen
Fällen,
wo vier gleichmäßig von
einander beabstandete, gleichlange Lagersegmente vorgesehen sind,
sollten im allgemeinen zwei oder mehr Lagersegmente mit je einem
radial verstellbaren Glied versehen sein, je nachdem, ob die Rotorachse
horizontal oder vertikal steht, und bei horizontal liegender Achse,
je nachdem, ob das Gewicht des Rotors gleichmäßig auf zwei Lagersegmente
verteilt ist, oder ob es hauptsächlich
nur von einem derselben aufgenommen wird.
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Das
Lager der vorliegenden Erfindung kann so ausgelegt werden, dass
im Betrieb mit zunehmender Drehzahl des Wellenzapfens die von den
selbsterzeugten Medienfilmen zwischen dem Wellenzapfen und den Lagersegmenten
erzeugten Trennkräfte ausreichend
zunehmen, um die im wesentlichen gleichförmige Belas tung der Lagersegmente
zu überwinden,
die von dem oder jedem radial bewegbaren Glied erzeugt wird, und
so dass das bzw. jedes radial bewegbare Glied radial weiter nach
außen
verschoben wird. Dies hängt
natürlich
von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Kraft, welche die
Glieder nach innen drängt,
und von dem Gewicht der Lagersegmente selbst. Vorteilhaft werden
Mittel vorgesehen, die Radialbewegung des oder der besagten Gliedes/Glieder
relativ zur Lagerschale in die Richtung nach außen über eine Grenzlage hinaus zu
begrenzen. Bei einer solchen Anordnung wird, wenn das Glied bzw.
jedes der besagten Glieder seine Grenzlage erreicht, ein weiterer
Rücklauf
verhindert, und das Lager kann dann als ein Lager wirken, in dem
alle Lagersegmente Schwenklager haben, welche in einer festen Position
in Bezug auf die Lagerschale liegen.
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Stimmt
die Drehzahl des Rotors mit einer Eigenschwingungsfrequenz des Rotors
in seinen Lagern überein,
sagt man, dass der Rotor mit "kritischer Drehzahl" läuft. Dies
soll nach Möglichkeit
vermieden werden, aber bei einer Maschine mit variabler Drehzahl
ist das nicht immer möglich.
Durch eine entsprechende Konstruktion eines Rotorsystems einschließlich dessen
Lager derart, dass vermieden wird, dass die normale(n) Laufgeschwindigkeit(en)
des Rotors kritische Drehzahlen sind, müssen zunächst diese kritischen Drehzahlen
bestimmt werden, die von den Lagereigenschaften abhängen. Wird
die Drehgeschwindigkeit eines Rotors über dessen Grenzdrehzahl hinaus
erhöht,
bei welcher selbsterzeugte Schmierfilme erzeugt werden, und bis
auf seine Soll-Betriebsdrehzahl, dann kann es sein, dass er eine
oder mehrere kritische Drehzahl(en) durchlaufen muss. Durch Beibehaltung
der Zufuhr von Hochdruckgas zur Grenzfläche zwischen den Lagersegmenten
und dem Wellenzapfen selbst nach Erreichen der Schwellendrehzahl,
und während
der Rotor die kritische(n) Drehzahl(en) durchläuft, wie dies bei der erfindungsgemäßen Anordnung
möglich
ist, kann dem Rotor bei seiner Beschleunigung bis auf seine volle
Betriebsdrehzahl erhöhte
Stabilität
verliehen werden.
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Ein
Flusswiderstand, der z. B. eine Bohrung mit begrenztem Querschnitt
sein kann, kann in den Kanälen
stromoberhalb oder stromunterhalb der im Wesentlichen kugelförmig verlaufenden
Oberflächen der
Schwenklager angeordnet sein. Der Gasdruck stromunterhalb eines
solchen Widerstandes nimmt zu, wenn der Spalt zwi schen dem Lagersegment
und dem Wellenzapfen abnimmt, und der Gasfilm zwischen dem Wellenzapfen
und dem Lagersegment übt
dann eine Rückstellkraft
auf das Lagersegment aus.
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Die
Mittel zum Vorspannen jedes der besagten radial beweglichen Glieder
nach innen beinhalten vorteilhaft eine Druckfeder.
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Die
Erfindung liefert auch ein Rotorsystem mit einem Rotor mit einem
Wellenzapfen und einem Radiallager mit kippbaren Lagersegmenten
im Einklang mit der Erfindung.
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Des
weiteren liefert die Erfindung einen Verdichter mit einem in zwei
oder mehr Lagern gelagerten Rotor, wobei wenigstens eines der Lager
ein Radiallager mit kippbaren Lagersegmenten im Einklang mit der
Erfindung ist.
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Ein
im Einklang mit der vorliegenden Erfindung konstruiertes Radiallager
mit kippbaren Lagersegmenten soll nachstehend unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen beispielartig beschrieben werden; dabei
zeigt:
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1 und 2:
jeweils schematische Schnittansichten des erfindungsgemäßen Lagers
im Einsatz, wobei 1 ein Querschnitt entlang der
Linie A-A in 2 ist, und die 2 ein
schematischer Längsschnitt
des Lagers aus 1 entlang der Linie B-B ist;
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3:
ein Detail des Lagers aus 1 in einem
vergrößerten Maßstab; und
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4:
eine Änderung
des Details aus 3.
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Es
sei nun Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungen, wo ein
Rotor mit einem Wellenzapfen 1 (in einer durch einen Pfeil
R angedeuteten Richtung) drehbar in einem Lager montiert ist, das
allgemein durch die Bezugszahl 2 angedeutet ist und in
einem Maschinengestell 3 angeordnet ist. Das Lager 2 ist
ein gasge schmiertes Lager mit Luft als Schmiermittel, es können stattdessen
aber auch andere Gase als Schmiermittel verwendet werden, sofern
dies gewünscht
wird. Das Lager 2 besteht aus einer zylindrischen Lagerschale 4 und
drei Lagersegmenten, die allgemein durch die Bezugszahlen 5, 6 und 7 angedeutet
sind und sich um eine Innenfläche der
Lagerschale 4 in Umfangsrichtung verteilen. Jedes der Segmente 5, 6 und 7 hat
jeweils eine nach innen gekehrte Bogenfläche 5a, 6a und 7a und
eine nach außen
gekehrte Bogenfläche 5b, 6b und 7b.
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Die
nach außen
gekehrte Bogenfläche 5b, 6b und 7b jedes
Lagersegments hat einen Krümmungsmittelpunkt,
der auf der Achse der Lagerschale 4 liegt, und hat einen
Krümmungsradius,
der nur geringfügig
kleiner als derjenige der Innenfläche der Lagerschale ist. Die
nach innen gekehrte Fläche 5a, 6a und 7a jedes
Lagersegments oder -Schuhs hat einen Krümmungsradius, der geringfügig (im
Bereich von 0,1%) größer als
der Radius des Wellenzapfens 1 ist.
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Jede
der nach außen
weisenden Flächen 5b, 6b und 7b der
Lagersegmente ist mit einer kugelförmig, d. h. sphärisch verlaufenden,
konkaven Schwenklagerfläche 8, 9 und 10 ausgebildet,
wobei diese Flächen
mit passenden konvexen Schwenklager-Gegenflächen 11, 12 und 13 in
Eingriff stehen, die jeweils mittig von Stirnflächen von sich radial erstreckenden
Kolben 14, 15 und 16 aus nach innen vorstehen,
welche Kolben wiederum in Bohrungen in der Lagerschale 4 eingebaut
sind. Wie nachstehend weiter im einzelnen beschrieben wird, sind
die Kolben 14, 15 und 16 mit Passsitz
in ihren jeweiligen Bohrungen eingepasst, aber nur der Kolben 14 wird im
Betrieb zur Verschiebung in seiner Bohrung zugelassen, die anderen
Kolben 15 und 16 sind im Betrieb fest in ihren
Bohrungen positioniert.
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Da
die Lagersegmente 5, 6 und 7 identisch sind,
soll nur das Lagersegment 5 weiter im Einzelnen beschrieben
werden, es versteht sich jedoch von selbst, dass die Beschreibung
auch auf die beiden anderen Lagersegmente 6 und 7 zutrifft.
Wie schematisch in den 1, 2 und 3 dargestellt
ist, erlauben die gepaarten Flächen
der kugelförmig
verlaufenden Schwenklagerflächen 8 und 11 dem
Lagersegment 5 ein Verschwenken um den Punkt P (siehe 3)
im Krümmungsmittelpunkt
der zueinander passenden Schwenklagerflächen. Der Punkt P ist dem Mittelpunkt
der nach außen
weisenden Oberfläche 5b des
Lagersegments gegenüber
in der gleichen Richtung wie der Drehrichtung des Wellenzapfens
versetzt (im Uhrzeigersinn bei der Darstellung in 1).
Der hintere Teil 5c des Lagersegments 5 ist in
Umfangsrichtung kürzer
als der vordere Teil 5d, und der vordere Teil ist zu seiner
Kante hin verjüngt, so
dass das Lagersegment statisch und dynamisch um den Punkt P herum
ausgewogen ist. Wird das Lagersegment 5 an seinem Schwenklager
angelegt, wie 1 zeigt, dann ist zu erkennen,
dass zwischen der nach außen
weisenden Fläche 5b des
Lagersegments und der inneren Zylinderfläche der Lagerschale 4 ein
kleines Spiel besteht (das in 1 als gleichförmig dargestellt
ist, jedoch nicht gleichförmig
sein muss).
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Der
Krümmungsradius
der nach innen weisenden Flächen 5a, 6a und 7a der
Lagersegmente in Bezug auf den Wellenzapfen 1 sowie das
Verhältnis zwischen
dem Drehpunkt P und der vorderen und hinteren Kante der nach innen
weisenden Fläche
jedes Lagersegments sind wesentlich für die Bestimmung der Leistungsdaten
des Lagers 2. Die Differenz zwischen dem Durchmesser des
größten Kreises, der
in die nach innen weisenden Flächen 5a, 6a und 7a der
Lagersegmente eingeschrieben werden kann, und dem Durchmesser des
Wellenzapfens selbst, wird als "Spielkreisdurchmesser
des Lagers" bezeichnet.
Die Differenz zwischen dem Krümmungsdurchmesser
der nach innen weisenden Flächen 5a, 6a und 7a der
Lagersegmente und dem Durchmesser des Wellenzapfens 1,
ausgedrückt
als ein Bruchteil des Spielkreisdurchmessers des Lagers, wird als die "Vorlast" des Lagers bezeichnet.
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Es
versteht sich, dass die Spielwerte zwischen den nach außen weisenden
Flächen 5b, 6b und 7b der
Lagersegmente und der Lagerschale 4, die Spiele zwischen
den nach innen gekehrten Flächen 5a, 6a und 7a der
Lagersegmente und dem Wellenzapfen 1, und die Krümmungen
der Lagersegmente 5, 6 und 7 sowie die
Verjüngung
der Lagersegmente in der Zeichnung zum Zwecke der Veranschaulichung übertrieben
dargestellt sind.
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Lose
gepasste Halteringe 17 und 18 sind jeweils zur
Halterung der Lagersegmente 5, 6 und 7 innerhalb
der Lagerschale 4 vorgesehen. Die Ringe 17 und 18 sind mittels
(nicht dargestellter) Schrauben in der Lagerschale 4 fixiert,
welche in bestimmten Winkellagen im Abstand von den Bohrungen für die Kolben 14, 15 und 16 in
den Stirnflächen
der Lagerschale positioniert sind.
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Weiter
Bezug auf die Kolben 14, 15 und 16 nehmend,
die aus Gründen
der Einfachheit der Herstellung und der Montage alle gleich sind,
ist jeder der Kolben mit einer mittigen Bohrung 14a, 15a und 16a ausgebildet,
die eine Druckfeder 19 enthält. Die Bohrungen 14a, 15a und 16a sind
an ihren äußeren Enden
mittels Stopfen 20, 21 und 22 verschlossen, die
an der Lagerschale 4 z. B. im Vakuum hartgelötet oder
in anderer Weise befestigt sein können. Ringscheiben 23 sind
zwischen den Stopfen 20, 21 und 22 und
den nach außen
gerichteten Stirnflächen
der jeweiligen Kolben 14, 15 und 16 vorgesehen,
um die radiale Bewegung der Kolben nach außen innerhalb ihrer entsprechenden
Bohrungen zu begrenzen. Die Kolben 15 und 16 werden
von dem Gewicht des auf den Lagersegmenten 9 und 10 aufliegenden
Rotors fest gegen ihre Unterlegscheiben 23 positioniert.
Der Kolben 14 dagegen kann sich um einen relativ kurzen Hub
innerhalb seiner Bohrung 14a bewegen, wobei diese Bewegung
radial in Bezug auf die Lagerschale 4 verläuft. Unter
der Wirkung der Feder 19 drückt der Kolben 14 seine
konvexe Schwenklagerfläche 11 gegen
die konkave Schwenklager-Gegenfläche
des Lagersegments 5 und wirkt seinerseits so, dass er das Lagersegment 5 gegen
den Wellenzapfen 1 drückt. Eine
Radialbewegung des Kolbens 14 nach außen, entgegen der Wirkung der
Feder 19 wird durch die Scheiben 23 und den Stopfen 20 begrenzt.
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Das
Lager 2 ist mittels zwei O-Ringen 24 im Maschengestell 3 eingebaut,
die sich um das Lager herum erstrecken und einen ringförmigen Bereich 25 zwischen
der Lagerschale 4 und dem Maschinengestell nach außen hin
abdichten. Ein Umfangskanal 26 um die Außenseite
des Lagers 2 in der Außenfläche der
Lagerschale 4 erlaubt eine Verbindung zwischen dem Ringbereich 25 und
drei Bohrungen 27 in der Lagerschale 4, wobei
je eine Bohrung für
jeden der Kolben 14, 15 und 16 vorgesehen
ist, jedoch nur die Bohrung für
den Kolben 14 dargestellt ist (siehe 2).
Jede Bohrung 27 ihrerseits kommuniziert mit einem Ringraum 28 um
die Außenseite
des jeweiligen Kolbens 14, 15 und 16.
Jeder der Kolben 14, 15 und 16 hat auch
eine Querbohrung 29, über
welche der Ringraum 28 mit einer Axialboh rung 30 in
Verbindung steht, die sich entlang des Kolbens jeweils bis zu seiner
konvexen Schwenklagerfläche 11, 12 und 13 erstreckt.
Jede der Axialbohrungen 30 fluchtet mit einer Bohrung 31 in
der konkaven Schwenklager-Gegenfläche 8, 9 und 10 im
jeweiligen Lagersegment 5, 6 und 7, wobei
jede der Bohrungen 31 durch eine Drosselöffnung 32 mit
verringerter Querschnittsfläche
mit der Grenzfläche
zwischen dem Lagersegment und dem Wellenzapfen 1 kommuniziert.
Der Innenbereich des Ringbereiches 25 kann an einen (nicht
dargestellten) Drucklufteinlass angeschlossen werden, typischerweise
an einen Druck von 8 bar.
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Eine
weitere Bohrung 33 in der Lagerschale 4 verbindet
den Bereich zwischen dem nach außen gekehrten Ende jedes Kolbens 14, 15 und 16 und
der nach innen gekehrten Fläche
der jeweiligen Stopfen 20, 21 und 22 mit
Atmosphärendruck
bzw. niedrigem Umgebungsdruck im Inneren des Maschinengestells 3.
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Der
Eintritt von Hochdruckgas in die Kolben 14, 15 und 16 über die
Ringräume 28,
zusammen mit der Herstellung von Atmosphären- bzw. Umgebungsdruck an
den nach außen
weisenden Enden der Kolben gewährleistet,
dass jede resultierende Druckkraft in axialer Richtung entlang der
Kolben unbedeutend ist.
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Jeder
der Kolben 14, 15 und 16 ist auch mit einer äußeren Nut 34 ausgebildet,
welche in dem Fall des Kolbens 14 als eine Vorsichtsmaßnahme gegen eine
Erscheinung ähnlich
einer hydraulischen Blockierung dient, die man bei Gasen erfahren
kann. Bei den Kolben 15 und 16, die in Anlage
gegen ihre Unterlegscheiben 23 gehalten werden, dienen
die Nuten 34 einfach zur Aufnahme von O-Ringen 35. Ein Halter 36 ist
vorgesehen, um das Lager 2 axial in seiner Bohrung im Maschinengestell 3 zu
fixieren. Das Lager 2 wird mit einem kleinen Spiel zwischen
ihm und dem Maschinenrahmen 3 gehalten, so dass es sich
im Rahmen der Elastizitäts-
und Dämpfungsvorgaben
der O-Ringe 24 radial frei bewegen kann. Gegen Drehung
mit dem Wellenzapfen 1 wird das Lager 2 durch
einen (nicht dargestellten) Stift fixiert, der sich von der in der 2 rechten
Fläche
des Lagers aus durch einen (nicht dargestellten) Schlitz bis in den
Halter 36 hinein erstreckt, mit dem er lose in Eingriff
steht.
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Das
Lager 2 kann dadurch montiert werden, dass zuerst die Lagerschale 4 verschlossen
wird, indem die Stopfen 20, 21 und 22 eingesetzt
werden, und dass dann die Kolben 14, 15 und 16 von
innen her in ihre Bohrungen in der Lagerschale eingesetzt werden.
Die Kolben 14, 15 und 16 werden zunächst mit
Probescheiben 23, jedoch ohne die Federn 19, in die
Lagerschale 4 eingebaut. Für die Durchführung von
Einstellarbeiten wird ein auf einer Platte montierter Wellenzapfenstummel
in das Lager 2 eingesetzt und so angeordnet, dass er auf
den Lagersegmenten 6 und 7 ruht. Die Lagersegmente 6 und 7 werden dann
auf die Konzentrizität
des Wellenzapfens gegenüber
der Lagerschale 4 überprüft, und
die Einstellung des Lagersegments 5 wird in Bezug auf das
Lagerspiel überprüft. Der
Wellenzapfen und die Kolben 14, 15 und 16 werden
dann herausgenommen, und die Kolben werden mit ihren Druckfedern 19 und
mit Passscheiben 23 wieder eingebaut, die entsprechend
der bei der Prüfung
ermittelten Beileg-Stärke ausgetauscht
wurden. Die Passscheiben 23 für die Kolben 15 und 16 sind
so dick, dass die Kolben 15 und 16 von dem Gewicht
des Rotors gegen die Scheiben gehalten werden und so daran gehindert werden,
sich radial innerhalb ihrer Bohrungen in der Lagerschale 4 zu
verschieben. Der Kolben 14 ist radial frei beweglich, er
wird jedoch von seiner zugehörigen
Feder 19 radial nach innen gedrückt, wobei in diesem Falle
die Scheibe 23 die Grenzlage des Kolbens 14 bestimmt,
wenn sich dieser radial nach außen
bewegt.
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Im
Betrieb werden die Lagersegmente oder -Schuhe 6 und 7 und
ihre jeweiligen Kolben 15 und 16 bei einem in
der in den 1 und 2 dargestellten
Lage befindlichen Wellenzapfen 1 unter dem Gewicht des
Wellenzapfens 1 von diesem Wellenzapfen 1, der
auf den Lagersegmenten 6 und 7 aufliegt, fest
in ihrer Position gehalten. Das Lagersegment 5 wird ebenfalls
zwangspositioniert, da es durch die Wirkung der Feder 19 des
Kolbens 14 nach innen gegen den Wellenzapfen 1 gedrückt wird.
Vor dem Starten der Drehung wird Hochdruckluft vom Einlass her in
den Ringraum 25 um die Lagerschale 4 eingeleitet
und von dort durch die Bohrungen 27 an die Ringräume 28 der
Kolben 14, 15 und 16 geleitet. Von den
Ringräumen 28 aus
strömt
die Luft entlang den Bohrungen 29 und 30 in jedem
der Kolben 14, 15 und 16 durch die aneinander
angepassten Schwenklagerflächen 8, 11; 9, 12 und 10, 13 in
die Bohrungen 31 der Lagersegmente 5, 6 und 7 und
wird dann durch die Drosselöffnungen 32 in
die Zwischenräume zwischen
den Lagersegmenten 5, 6 und 7 und dem Wellenzapfen 1 geleitet.
Zwischen dem Wellenzapfen 1 und den nach innen weisenden
Flächen 6a und 7a der
Lagersegmente 5, 7 werden nun aerostatisch Luftpolster
gebildet, die den Wellenzapfen 1 berührungsfrei von den Flächen 6a, 7a abheben.
Auch zwischen dem Wellenzapfen 1 und der nach innen weisenden
Fläche 5a des
Lagersegments 5 wird aerostatisch ein Luftspalt ausgebildet.
Hierzu wird das Lagersegment 5 gegenüber der Welle angehoben, wobei
der Kolben 14 gegen die nach innen gerichtete Kraft der
zugehörigen
Feder 19 zurückgedrückt wird. Die
Ausbildung dieser aerostatischen Luftspalte kann leicht dadurch überprüft werden,
dass der Rotor dann leicht von Hand in zwei solcher Lager 2 gedreht
werden kann.
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Danach
wird die Drehung des Rotors eingeleitet und die Drehzahl allmählich gesteigert.
Während
dieser Zeit wird das Lagersegment 5 vom Kolben 14 unter
der Wirkung der Druckfeder 19 kontinuierlich gegen den
Wellenzapfen 1 gedrückt,
wodurch Flattern des Lagersegments verhindert wird. Während sich
der Rotor dreht, reißt
er einen Luftfilm zwischen dem Wellenzapfen und den Lagersegmenten 5, 6 und 7 mit,
und das Lager wird selbsteinstellend. Ist die Drehzahl bis auf einen
Wert angestiegen, bei dem eine deutliche Selbsteinrichtung erreicht
wird, überwinden
die von den selbsterzeugten Medienfilmen zwischen dem Wellenzapfen 1 und
dem Lagersegment 5 erzeugten Trennkräfte weiter die Vorspannung
des Segments und bewegen den Kolben 14 radial weiter nach
außen,
gegen die Wirkung seiner Feder 19. Die Radialbewegung des
Kolbens 14 nach außen
wird jedoch begrenzt durch die nach außen gerichtete Stirnfläche des
Kolbens 14, die an den Passscheiben 23 zur Anlage
kommt. Ein weiterer Rücklauf
des Kolbens 14 und damit der Position des an den Schwenklagerflächen 8 und 11 ausgebildeten Schwenklagers
wird dadurch verhindert, und das Lager 2 wirkt dann als
ein Lager, in dem alle Lagersegmente 5, 6 und 7 um
Punkte herum schwenken, die der Lagerschale 4 gegenüber feststehend
sind. Die Lagersegmente 5, 6 und 7 sind
gegenüber
der Lagerschale 4 unter der Wirkung der Rückstellkräfte frei schwenkbar,
die von den selbstgenerierten Luftfilmen erzeugt werden, um so die
Ausrichtung der Lagersegmente in Bezug auf den Wellenzapfen 1 zu
wahren. Ist dieser Zustand erreicht, kann der Anschluß des Ringraumes 25 an
den Lufteinlass unter brochen werden, um so Hochdruckgas zu behalten.
Alternativ dazu kann der Luftstrom vom Einlass her über den Ringraum 25 entlang
der Kolben 14, 15 und 16 auch wenigstens
solange aufrecht erhalten werden, bis die volle Betriebsdrehzahl
des Rotors erreicht ist, um so die Stabilität bei kritischen Drehzahlen
des Rotors zu erhöhen,
und selbst danach, um so Kühlgas
in das Lager 2 einzuspritzen und so seine Temperatur zu senken.
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Die
Druckfedern 19 haben eine Härte, die unter Berücksichtigung
der gewünschten
Dicke der Luftfilme bestimmt wird, die zwischen dem Wellenzapfen 1 und
den Lagersegmenten 5, 6 und 7 erzeugt werden
sollen, sowie der Vorspannung des Lagers 2 und der Spielwerte
zwischen den nach innen gekehrten Flächen 5a, 6a und 7a der
Lagersegmente und dem Wellenzapfen.
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Ein
Spiel oder Abstand zwischen der Außenfläche einer Lagerschale 4 und
dem Maschinengestell 3, in Verbindung mit der Tatsache,
dass das Lager 2 von den O-Ringen 24 im wesentlichen konzentrisch
innerhalb dieses Spiels oder Abstands gehalten wird, ermöglicht eine
gewisse Bewegungsfreiheit der Lagerschale innerhalb ihrer Bohrung.
Diese Bewegung wird von den O-Ringen 24 gebremst oder behindert,
die als Dämpfungsfedern
wirken. Als Federn haben die O-Ringe 24 einen Einfluss
auf die kritischen Drehzahlen und stellen dadurch ein Mittel dar,
Einstellungen an solchen Drehzahlen vorzunehmen; die O-Ringe absorbieren
jedoch auch Energie irreversibel durch Verformung und tragen dadurch zur
Dämpfung
von Vibrationen des Lagers 1 bei.
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4 ist
eine ähnliche
Anordnung wie die in 3 gezeigte, wobei dieselben
Bezugszahlen zur Bezeichnung derselben Merkmale verwendet werden,
aber die in 4 dargestellte Anordnung hat eine
Bohrung 31' mit
konstantem Durchmesser im Lagersegment 5, und eine Drosselöffnung 32' in der Bohrung 30 stromoberhalb
der kugelförmig
verlaufenden Schwenklagerflächen 8 und 11.
Der Vorteil, die Drosselöffnung
stromoberhalb der Schwenklagerflächen 8 und 11 anzuordnen,
statt stromunterhalb, wie in 3 gezeigt
ist, besteht darin, dass die Druckdifferenz an den aneinander angepassten Schwenklagerflächen gesenkt
wird, wodurch eine Senkung der Verluste oder Ausläufe ermöglicht wird, und
wo durch auch eine Senkung der Druckkraft ermöglicht wird, die zwischen den
aneinander angepassten Schwenklagerflächen wirksam ist und bestrebt
ist, die beiden Flächen
von einander zu trennen. Eine derartige Konstruktion des Lagers 2 kann gewährleisten,
dass die Druckkräfte,
die bestrebt sind, die Lagersegmente 5, 6 und 7 und
den Wellenzapfen 1 von einander zu trennen, und die von
dem Luftstrom durch die Kolben 14, 15 und 16 in
den Zwischenraum zwischen den Lagersegmenten und dem Wellenzapfen
verursacht werden, wesentlich größer sind
als jede mögliche
Druckkraft, die bestrebt ist, die aneinander angepassten Schwenklagerflächen zu trennen.
Andererseits ist zu bedenken, dass die Gegenwart eines elastischen
Gases in dem Volumen der Bohrung 31' zu einer solchen Verzögerung des Ansprechverhaltens
auf Schwingungen im Spalt zwischen dem Lagersegment 5 und
dem Wellenzapfen 1 führen
kann, dass das Lagersegment selbsterregten Vibrationen unterliegen
kann.
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Der
Rotor 1 und das Lager 2 können z. B. die eines Verdichters
sein.