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Dynamisch gasgeschmiertes Radialgleitlager Die Erfindung betrifft
ein dynamisch gasgeschmiertes Radialgleitlager für großen Drehzahlbereich und eine
Drehrichtung, dessen kreiszylindrische Lauffläche der Lagerschale nahe den beiden
Lagerenden mit über den Umfang verteilt angeordneten, an der Anlaufseite jeweils
in eine Axialnut übergehenden flachen Aussparungen versehen ist.
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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 Schmiermittel,
vor allem die zu berücksichtigende Stabilität und die Tragfähigkeit der Lager als
wichtige Kriterien, aber auch der Einfluß der Kompressibilität der Gase ergeben
bei der Konstruktion und Herstellung der gasgeschmierten Lager zahlreiche Probleme.
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Da die Zähigkeit der Gase viel kleiner als die der gebräuchlichen
Schmieröle ist, bleibt auch die Tragfähigkeit der gasgeschmierten Lager sehr klein,
was sich vor allem beim Anfahren, Abstellen und bei tiefen Drehzahlen auswirkt.
Die geringe Tragfähigkeit erfordert eine hohe Drehzahl, doch läßt sich diese nicht
beliebig steigern, weil bald die von den öllagern her bekannte Instabilität der
Welle auftritt. Es handelt sich 'hierbei um eine kreisrunde 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 Tragfähigkeit, was zu Lagerhavarien führen kann.
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Es sind sowohl von außen mit Druckgas gespeiste (statisch geschmierte)
als auch selbsttragende (dynamisch geschmierte) Lagertypen bekannt, wobei die letzteren
wegen ihrer konstruktiven Einfachheit von besonderer Bedeutung sind. Das einfache
gasgeschmierte 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 Drehzahl Instabilität
eintritt. Eine Verbesserung bringt eine in der Lagermitte eingefräste Axialnut,
die sich über einen Teil der Lagerbreite erstreckt. Dadurch kann eine wesentliche
Erhöhung der ursprünglichen oberen Drehzahl erreicht werden. Solche Nutenlager gelten
noch vielfach als Standardausführung der gasgeschmierten Gleitlager. Die lange,
schmale, aber tiefe Nut stellt jedoch eine Diskontinuität in der Lagerlauffläche
dar, woraus sich gewisse Nachteile ergeben; unter anderem ändern sich die Tragfähigkeit
und die Stabilisierungseigenschaft stark mit der Belastungsrichtung. Die obere Grenzdrehzahl
kann durch Umfangsnuten, die über einen Teil des Umfangs in den Randzonen der Lagerschale
angebracht und mit der umgebenden Atmosphäre durch Bohrungen verbunden sind, noch
weiter erhöht werden. Sie setzen aber die Tragfähigkeit des Lagers weit herab, weil
nur der glatte, zylindrische Teil in der Mitte der Lagerschale trägt, nicht aber
jener Teil, in dem sich die Umfangsnuten befinden. Über eine spezielle Dimensionierung
und Gestaltung dieser Nuten zwecks einer beabsichtigten Druckentwicklung sind aus
der Literatur keine näheren Angaben bekannt. Bei einer anderen Ausführung wird die
Lauffläche der Lagerschale in einzelne »Staufelder« unterteilt, worunter Aussparungen
in Rechteckform zu verstehen sind. Sie sind durch Axial- und Umfangsnuten untereinander
und mit der umgebenden Atmosphäre verbunden. Mit dieser Lagerausbildung wird eine
gute Stabilität der Wellenbewegung erreicht, aber bei niedrigen Drehzahlen ist die
Tragfähigkeit ungenügend.
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Bei allen bekannten gasgeschmierten Gleitlagern sind die jeweils vorhandenen
Axial- und Umfangsnuten durch Herausführen bis zum Lagerende oder durch Bohrungen
mit der umgebenden Atmosphäre verbunden. Abgesehen von der komplizierten Konstruktion
und der Notwendigkeit, oftmals Filter vorsehen
zu müssen, um mit
dem angesaugten Gas keine Verunreinigungen auf die Lauffläche gelangen zu lassen,
läßt die direkte 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.
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So erhebt sich die Forderung nach einem gasgeschmierten Gleitlager,
das schon bei tiefen Drehzahlen eine genügende Tragfähigkeit aufweist und bei hohen
Drehzahlen frei von Instabilität arbeitet. Dieses Ziel wird durch die Erfindung
erreicht, bei der jeder Aussparung eine eigene Axialnut zugeordnet ist, die sich
wenigstens angenähert über die Breite der Aussparung erstreckt und gemeinsam mit
der Aussparung, vom Lagerspiel abgesehen, eine in sich geschlossene Tasche bildet.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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F i g. 1 zeigt einen Axialschnitt des gasgeschmierten Gleitlagers,
F i g. 2 einen Radialschnitt nach der Linie 11-II in Fig.1; F i g. 3 ist ein Teil
einer Abwicklung nach F i g. 2, und in den F i g. 4 und 5 sind Druckprofile veranschaulicht.
Die Welle 1 läuft in der zylindrischen Lagerschale 2, nahe deren Enden mehrere Aussparungen
3 über den Umfang verteilt sind, die keine direkte Verbindung untereinander oder
mit der umgebenden Atmosphäre haben. Die Breite dieser Aussparungen in Axialrichtung
ist so bemessen, daß sie maximal ein Sechstel der Lagerbreite beträgt. Üblicherweise
sind sie schmäler, und so bleibt zwischen ihnen ein glatter Mittelteil, der ohne
Nuten oder Löcher ist, von mindestens zwei Dritteln der Lagerbreite übrig Jede Aussparung
3 ist an ihrem Einlauf, betrachtet in der Drehrichtung der Welle, mit einer eigenen
Axialnut 4 versehen, die sich zumindest annähernd über die Breite der Aussparungen
erstreckt. Die Tiefe t der Aussparungen ist von der gleichen Größenordnung wie das
radiale Lagerspiel d R zwischen Welle und Lagerschale. Zwischen den Aussparungen
und den Lagerenden ist je eine Ringnut 5 in die Lagerschale 2 eingedreht.
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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 dynamische
Druckkräfte, welche die Welle von der Lagerschale zu trennen vermögen, sobald eine
bestimmte Drehzahl erreicht ist. Das Gas bildet einen tragfähigen Schmierfilm, wodurch
metallische Berührung der aufeinander gleitenden Maschinenteile vermieden wird.
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Das bei tiefen Drehzahlen im Bereich der Aussparungen sich ausbildende
Druckprofil 6 hat die in F i g. 5 gezeigte Form. Die Höhe des Schmierspaltes 7 ist
im belasteten Teil der Lagerschale klein, daher. sich dort wie bei einer glatten
Lauffläche eine größere Druckentwicklung. Der Einfluß der Axialnuten 4 tritt nur
schwach in Erscheinung. Da sie mit der umgebenden Atmosphäre keine direkte Verbindung
haben, fällt der Druck an der Stelle der Nuten nicht auf den Umgebungsdruck ab,
und das Druckprofil setzt sich über. die Axialnuten fort. Somit wird auch in der
Zone der Aussparungen der belastete Teil .der Lagerschale zur Druckentwicklung herangezogen
und trägt zur Erhöhung der Tragfähigkeit-des Lagers bei, die bei tiefen Drehzahlen
von überwiegender Bedeutung ist.
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Wegen der bei dynamisch gasgeschmierten Gleitlagern üblichen, relativ
schwachen Belastung läuft die Welle bei hohen Drehzahlen angenähert zentrisch, und
der Schmierspalt 8 (F i g. 3 und 4) hat daher in der Abwicklung parallele, abgestufte
Gleitflächen, die bekanntlich für große Druckentwicklung geeignet sind. Das sich
hierbei ergebende Druckprofil ist in F i g. 3 durch die Kurve 9 veranschaulicht
und in F i g. 4 über den ganzen Lagerumfang dargestellt. Die Druckkurven beginnen
bei einer Axialnut, bauen sich in Abhängigkeit von der Drehzahl nach einem bestimmten
Gesetz auf und sinken bei der nächsten Axialnut wieder auf den ursprünglichen Druck
ab. Damit ist aber auch der Zweck der Axialnuten erklärt. Sie dienen nicht der Zuführung
oder Verteilung des Schmiergases, sind daher auch nicht mit der umgebenden Atmosphäre
direkt verbunden, sondern haben die Aufgabe, das im Bereich der Aussparungen sich
bildende Druckprofil zu unterbrechen. Dadurch entstehen sektorenweise Druckzonen,
was, wie aus der Gleitlagerpraxis bekannt ist, eine gute Stabilisierung der Welle
gewährleistet.
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Im Ausführungsbeispiel ist die Lagerschale mit drei Aussparungen versehen,
es ist aber auch eine größere Anzahl möglich. Üblicherweise sind sie über den Umfang
der Lagerschale gleichmäßig verteilt und haben gleiche Abmessungen, weil sich dadurch
drei gleich große stabilisierende Kraftkomponenten ergeben. Die Aussparungen 3 können
aber auch verschieden groß und ungleichmäßig angeordnet sein, wodurch auch die Kraftkomponenten
ungleich werden, so daß sich eine Resultierende ergibt, die zum Tragen der Lagerlast
herangezogen werden kann.
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Wenn Ringnuten 5 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 5
erstrecken, die unter dem Druck der umgebenden Atmosphäre stehen, so daß kein Gasaustausch
von den Ringnuten nach außen stattfindet; dadurch ist die Gefahr einer Verschmutzung
des Schmiergases verhindert.
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Das erfindungsgemäße Gleitlager erlaubt bei gleicher unterer Drehzahl
wie ein gasgeschmiertes Gleitlager mit glatter Bohrung eine wesentliche Erhöhung
der maximalen Betriebsdrehzahl und damit Vergrößerung des Drehzahlbereiches gegenüber
bekannten Ausführungen bei gleichzeitiger Vermeidung deren Nachteile. Bei tiefen
Drehzahlen übernehmen die mit den Aussparungen versehenen Lagerenden einen Teil
der Belastung. Das Lager wirkt daher in diesem Drehzahlbereich annähernd wie ein
glattes, gasgeschmiertes Gleitlager von gleicher axialer Länge mit entsprechender
Tragfähigkeit. Bei hohen Drehzahlen, bei denen die Tragfähigkeit des glatten Mittelteiles
allein genügt, übernehmen die beiden Lagerenden die Funktion der Wellenstabilisierung.
Die Aussparungen sind nahe den Lagerenden angebracht. Da der Mittelteil aus einer
glatten, zylindrischen Lauffläche ohne irgendwelche Eingriffe besteht, ist das Lager
unempfindlich gegen die Belastungsrichtung, was hinsichtlich umlaufender Kräfte,
die sich besonders bei hohen Drehzahlen stark auswirken, von Wichtigkeit ist. Die
Aussparungen haben keine direkte Verbindung mit der umgebenden Atmosphäre,
eine
Verschmutzung des Schmiergases ist daher nicht zu befürchten.
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Die genannten Vorteile und Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes
gewährleisten innerhalb eines großen Drehzahlbereiches das einwandfreie Funktionieren
der mit solchen Lagern ausgerüsteten Maschinen.