CH385565A - Gasgeschmiertes Gleitlager - Google Patents

Description

  Gasgeschmiertes Gleitlager    Die Erfindung betrifft ein     hydrodynamisch    gasge  schmiertes Gleitlager für hohe Drehzahlen mit zylin  drischer Bohrung und mit Vertiefungen in der Lauf  fläche der Lagerschale.  



  Die Schmierung von Gleitlagern mit Gas anstatt  mit öl drängt sich bei speziellen Anwendungen von  Turbinen und Verdichtern auf, die bei extrem tiefen  oder hohen Temperaturen laufen, oder im Kreislauf  gasgekühlter Reaktoren arbeiten. Die Auswirkung der  voneinander abweichenden Eigenschaften der öle und  Gase als     Schmierrnittel,    vor allem die zu berück  sichtigende Stabilität und die Tragfähigkeit der Lager  als wichtige Kriterien, aber auch der Einfluss der       Kompressibilität    der Gase, ergeben bei der Konstruk  tion und Herstellung der gasgeschmierten Lager zahl  reiche     Problem--          Da    die Zähigkeit der Gase viel kleiner als die der  gebräuchlichen Schmieröle ist,

   bleibt auch die Trag  fähigkeit der gasgeschmierten Lager sehr klein, was  sich vor allem beim Anfahren, Abstellen und bei tie  fen Drehzahlen auswirkt. Die geringe Tragfähigkeit  erfordert eine hohe Drehzahl, doch lässt sich diese  nicht beliebig steigern, weil bald die von den     ölla-          gern    her bekannt-- Instabilität der Welle auftritt. Es  handelt sich hierbei um eine kreisende Bewegung der  Welle in der Lagerschale, wobei das Wellenzentrum  um das     Schalenzentrum    mit einer Frequenz rotiert,  die etwa der halben     Betriebsdrehzahl    der Maschine  entspricht. Der Schmierfilm verliert dabei seine Trag  fähigkeit, was zu Lagerhavarien führen kann.  



  Es sind sowohl von aussen mit     Druckgas    gespeiste  (hydrostatisch geschmierte) als auch selbsttragende  (hydrodynamisch geschmierte) Lagertypen bekannt,  wobei die Letzteren wegen ihrer konstruktiven Ein  fachheit von besonderer Bedeutung sind.  



  Das einfache     gasgeschrnierte    Gleitlager hat eine  glatte zylindrische Bohrung und weist auch bei tiefen    Drehzahlen eine ausreichende Tragfähigkeit auf. Für  hochtourige Maschinen ist es jedoch nicht geeignet,  da schon bei verhältnismässig niedriger     Drehzal        In-          stablität    eintritt. Eine Verbesserung bringt eine in der       Lagermitte    eingefräste     Axialnute,    die sich über  einen Teil der     Lagerhreite    erstreckt. Dadurch kann  eine wesentliche Erhöhung der ursprünglichen oberen  Drehzahl erreicht werden.

   Solche     Nutenlager    gelten  noch vielfach als Standardausführung der gasge  schmierten     Gleitlagex.    Die lange, schmale, aber tiefe  Nute stellt jedoch eine     Diskontinuität    in der     Lager-          lauffläche    dar, woraus sich gewisse Nachteile erge  ben<B>;</B> u. a. ändern sich die Tragfähigkeit und die  Stabilisierungseigenschaft stark mit der Belastungs  richtung. Die obere Grenzdrehzahl kann durch Um  fangsnuten, die über einen Teil des Umfanges in den  Randzonen der Lagerschale angebracht sind, noch  weiter erhöht werden.

   Sie setzen aber die Tragfähig  keit des Lagers weit herab, weil nur der glatte, zylin  drische Teil in der Mitte der Lagerschale trägt, nicht  aber jener Teil, in dem sich die Umfangsnuten befin  den. über eine spezielle     Dimenslonierung    und Ge  staltung dieser Nuten zwecks einer beabsichtigten  Druckentwicklung sind aus der Literatur keine nähe  ren Angaben bekannt. Bei einer anderen Ausfüh  rung wird die Lauffläche der Lagerschale in einzelne  <B> </B> Staufelder<B> </B> unterteilt, worunter Vertiefungen in       Rechteckform    zu verstehen sind. Sie sind durch  Axial- und Umfangsnuten untereinander und mit der  umgebenden Atmosphäre verbunden.

   Mit dieser La  gerausbildung wird eine gute Stabilität der     Wellen-          ,ung    erreicht, aber bei niedrigen Drehzahlen ist  beweg  die Tragfähigkeit ungenügend.  



  Bei allen bekannten gasgeschmierten Gleitlagern  sind die jeweils vorhandenen Axial- und Umfangs  nuten durch Herausführen, bis zum Lagerende oder  durch     Böhrungen,    mit der umgebenden Atmosphäre      verbunden. Abgesehen von der komplizierteren Kon  struktion und der Notwendigkeit, oftmals Filter vor  sehen zu müssen, um     mit    dem angesaugten Gas keine  Verunreinigungen auf die Lauffläche gelangen zu  lassen, lässt die Verbindung mit der umgebenden  Atmosphäre nur eine geringe Druckentwicklung bei  tiefen Drehzahlen zu und gibt Anlass zu Störungen  bei der Anwendung von Druckgas beim Anfahren  und Abstellen der Maschine.  



  So erhebt sich die Forderung nach einem gasge  schmierten Gleitlager, das schon bei tiefen     Dreh-          zahleneine,    genügende     Tragfähigkeit    aufweist und bei  hohen Drehzahlen frei von Instabilität arbeitet. Dieses  Ziel wird durch die vorliegende Erfindung erreicht,  bei der die Vertiefungen in der Lauffläche der Lager  schale nahe den beiden Lagerenden über den Um  fang     seginentartig    angeordnet sind und<B>jede</B> Vertie  fung am Einlauf mit einer     Axialnute    versehen ist, die  sich zumindest annähernd über die Breite der Vertie  fung erstreckt und keine Verbindung mit der umge  benden Atmosphäre hat.  



  In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der  Erfindung dargestellt.  



       Fig.   <B>1</B> zeigt einen     Axialschnitt    des     gasgescbmier-          ten    Gleitlagers,       Fig.    2 einen     Radialschnitt    nach der Linie     II-11     in     Fig.   <B>1,</B>       Fig.   <B>3</B> ist ein Teil einer Abwicklung nach     Fig.    2,  und in den       Fig.    4 und<B>5</B> sind Druckprofile veranschaulicht.

    Die Welle<B>1</B> läuft in der zylindrischen Lager  schale 2, nahe deren Enden mehrere Vertiefungen<B>3</B>  über den Umfang     segmentartig    angeordnet sind, die  kein-- Verbindung untereinander oder mit der umge  benden Atmosphäre haben. Die Breite dieser Ver  tiefungen in     Axialrichtung    ist so bemessen, dass, sie  maximal ein Sechstel der Lagerbreite beträgt. übli  cherweise sind sie schmäler und so bleibt zwischen  ihnen ein glatter Mittelteil, der ohne Nuten oder  Löcher ist, von mindestens zwei Drittel der Lager  breite übrig. Jede Vertiefung<B>3</B> ist an ihrem Einlauf,  betrachtet in der Drehrichtung der Welle, mit einer       Axialnute    4 versehen, die sich zumindest annähernd  über die Breite der Vertiefungen erstreckt.

   Die Tiefe  <I>t</I> der Vertiefungen ist von der gleichen     Grössen-          ordnung    wie das radiale Lagerspiel<U>AR</U> zwischen  Welle und Lagerschale. Zwischen den Vertiefungen  und den Lagerenden ist<B>je</B> eine Ringnute<B>5</B> in die  Lagerschale 2     eingedrelit.     



  Das beschriebene Lager benötigt keine besondere  Zuführung von Schmiergas, denn es genügt das an  der Oberfläche der Welle haftende,     bzw.    zwischen  Lagerschale und Welle, vorhandene Gas. Die Drehung  der Welle erzeugt     im        Schmiermittel        hydrodynamische     Druckkräfte, welche die Welle von der Lagerschale  zu trennen vermögen, sobald eine bestimmte Dreh  zahl erreicht ist. Das Gas bildet einen tragfähigen  Schmierfilm, wodurch metallische     Beriihrung    der auf  einander gleitenden Maschinenteile vermieden wird.    Das bei tiefen Drehzahlen im Bereich der Ver  tiefungen sich ausbildende Druckprofil<B>6</B> hat die in       Fig.   <B>5</B> gezeigte Form.

   Die Höhe des Schmierspaltes  <B>7</B> ist im belasteten Teil der Lagerschale klein, daher  ergibt sich dort wie bei einer glatten Lauffläche eine  grössere Druckentwicklung. Der Einfluss der     Axial-          nuten    4 tritt nur schwach in Erscheinung. Da sie mit  der umgebenden Atmosphäre keine Verbindung  haben, fällt der Druck an der Stelle der Nuten nicht  auf den Umgebungsdruck ab und das Druckprofil  setzt sich über die     AxiaInuten    fort. Somit wird auch  in der Zone der Vertiefungen der belastete Teil der  Lagerschale zur Druckentwicklung herangezogen und  trägt zur Erhöhung der Tragfähigkeit des Lagers bei,  die bei tiefen Drehzahlen von überwiegender Bedeu  tung ist.  



  Wegen der bei hydrodynamisch gasgeschmierten  Gleitlagern üblichen, relativ schwachen Belastung  läuft die Welle bei hohen Drehzahlen angenähert     zon-          trisch    und der     Schinierspalt   <B>8</B>     (Fig.   <B>3</B> und. 4) hat daher  in der Abwicklung parallele, abgestufte Gleitflächen,  die bekanntlich für     gro#sse,    Druckentwicklung geeignet  sind. Das sich hierbei ergebende Druckprofil ist in       Fig.   <B>3</B> durch die Kurve<B>9</B> veranschaulicht und in       Fig.    4 über den ganzen Lagerumfang dargestellt.

   Die       Druckkurven    beginnen bei einer     Axialnute,    bauen  sich in Abhängigkeit von der Drehzahl nach einem  bestimmten Gesetze auf und sinken bei der nächsten       Axialnute    wieder auf den ursprünglichen Druck ab.  Damit ist aber auch der Zweck der     Axialnuten    er  klärt. Sie dienen nicht der Zuführung oder Verteilung  des Schmiergases, sind daher auch nicht mit der um  gebenden Atmosphäre verbunden, sondern haben die  Aufgabe, das im Bereich der Vertiefungen sich bil  dende Druckprofil zu unterbrechen.

   Dadurch entste  hen     sektorweise    Druckzonen, was, wie aus der     Gleit-          lagerpraxis    bekannt ist, eine gute Stabilisierung der  Welle gewährleistet.  



  Im Ausführungsbeispiel ist die Lagerschale mit  drei Vertiefungen versehen, es ist aber auch eine  grössere Anzahl möglich.     üblicherweiise    sind sie über  den Umfang der Lagerschale gleichmässig verteilt und  haben gleiche Abmessungen, weil sich dadurch drei  gleich grosse stabilisierende     Kraftkomponenten    erge  ben. Die Vertiefungen<B>3</B> können aber auch verschie  den gross und     ungleichmässig    angeordnet sein, wo  durch auch die Kraftkomponenten ungleich werden,  so dass sich eine Resultierende ergibt, die zum Tra  gen der Lagerlast herangezogen werden kann.  



  Wenn Ringnuten<B>5</B> vorhanden sind, was nicht  immer nötig ist, bildet das Schmiergas im Lager ein  in sich geschlossenes System. Der an den Lagerenden  stattfindende Gasaustausch in     Axialrichtung    kann sich  nur     bis    zu den Ringnuten<B>5</B> erstrecken<B>;</B> dadurch ist  die Gefahr einer Verschmutzung des Schmiergases  verhindert.  



  Das erfindungsgemässe Gleitlager erlaubt eine  wesentliche Erhöhung der maximalen Betriebsdreh  zahl gegenüber den bekannten Ausführungen bei  gleichzeitiger     Verineidung    von deren Nachteilen. Bei      tiefen Drehzahlen übernehmen die mit den Vertiefun  gen versehenen Lagerenden einen Teil der Belastung.  Das Lager wirkt daher in diesem Drehzahlbereich an  nähernd wie ein glattes, gasgeschmiertes Gleitlager von  gleicher axialer Länge mit entsprechender     Tragfähig-          kei#t.    Bei hohen Drehzahlen, bei denen die Tragfähig  keit des glatten Mittelteiles allein genügt, übernehmen  die beiden Lagerenden die Funktion der Wellensta  bilisierung. Die Vertiefungen sind nahe den Lageren  den angebracht.

   Da der Mittelteil aus einer glatten,  zylindrischen Lauffläche ohne irgendwelche Eingriffe  besteht, ist das Lager unempfindlich gegen die Bela  stungsrichtung, was hinsichtlich umlaufender Kräfte,  die sich besonders bei hohen Drehzahlen stark aus  wirken, von Wichtigkeit ist. Die Vertiefungen haben  keine Verbindung mit der umgebenden Atmosphäre,  eine Verschmutzung des Schmiergases ist daher nicht  zu befürchten.  



  Die genannten Vorteile und Eigenschaften des  Erfindung     genstandes    gewährleisten das     einwand-          esge     freie Funktionieren der mit solchen Lagern ausge  rüsteten Maschinen.

Claims (1)

1. <B>PATENTANSPRUCH</B> Hydrodynamisch gasgeschmiertes Gleitlager für hohe Drehzahlen mit zylindrischer Bohrung und mit Vertiefungen in der Lauffläche der Lagerschale, da durch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen<B>(3)</B> nahe den beiden Lagerenden über den Umfang segment- artig angeordnet sind und<B>jede</B> Vertiefung<B>(3)</B> am Einlauf mit einer AxiaInute, (4) versehen ist, die sich zumindest annähernd über die Breite der Vertiefung <B>(3)</B> erstreckt und keine Verbindung mit der umgeben den Atmosphäre hat.

   <B>UNTERANSPRÜCHE</B> <B>1.</B> Gleitlager nach Patentanspruch, dadurch<B>ge-</B> kennzeichnet, dass die jeweils an, einem Lagerende segmentartig angeordneten Vertiefungen<B>(3)</B> gleich- mässig über den Umfang verteilt sind und gleiche Abmessungen haben. 2. Gleitlager nach Patentanspruch und Unter anspruch<B>1,</B> dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Vertiefungen<B>(3)</B> in Axialrichtung maximal ein Sechstel der Lagerbreite beträgt.

   <B>3.</B> Gleitlager nach Patentanspruch und Unter ansprüchen<B>1</B> und, 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) der Vertiefungen<B>(3)</B> von der gleichen Grössenordnung wie das radiale Lagerspiel (AR) zwi schen Welle<B>(1)</B> und Lagerschale (2) ist. 4. Gleitlager nach Patentanspruch und Unter ansprüchen<B>1</B> bis<B>3,</B> gekennzeichnet durch<B>je</B> eine Ringnute<B>(5)</B> zwischen den Vertiefungen<B>(3)</B> und den Lagerenden.