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Schwebelager mit über den Lagerflächenumfang verteilt angeordneten
Kammern Es sind bereits Schwebelager mit über den Lagerflächenumfang .verteilt angeordneten
Druckzonen oder Kammern bekannt, denen von außen ein Druckmittel zugeführt wird,
das eine unmittelbare Berührung des gelagerten Teiles, wie z. B. einer Welle, mit
der diesen Teil umgebenden Lagerfläche verhindern soll. Um ein ungünstiges Überströmen
des Druckmittels von einer Kammer in die andere zu vermeiden, können zwischen den
Kammern liegende Längsnuten vorgesehen sein, durch welche das Druckmittel aus dem
Lager abströmt.
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Die erwähnten Schwebelager werden mit einem Fluidum gespeist, dessen
Druck so berechnet ist, daß man z. B. einen Sicherheitskoeffizienten in der Größe
von 5 erhält, um mögliche dynamische Wirkungen zu berücksichtigen. Unter der Annahme,
daß das von jedem Lager aufgenommene Gewicht des Rotors z. B. zo kg beträgt, wird
ein Lager so berechnet, daß es eine Reaktionskraft von roo kg liefern kann. Mit
dem so bestimmten Sicherheitskoeffizienten ist man bei einem normal ausgewuchteten
Rotor gegen jede Störung geschützt.
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Es kommt jedoch bei gewissen Anwendungen des Lagers bisweilen vor,
daß der Rotor Gefahr läuft, infolge eines Unfalls einer von einer Auswuchtungsstörung
herrührenden umlaufenden Kraft ausgesetzt
zu sein. Wenn z.-B. die
in den erfindungsgemäßen Lagern gelagerte Welle einen Turbinenrotor trägt; kann
bei diesem Rotor ein Flügelbruch vorkommen, welcher sofort eine Gleichgewichtsstörung
des Rotors hervorruft, welcher so einer erheblichen umlaufenden Kraft ausgesetzt
ist, deren Stärke gleich M (O 2 y ist, wobei in die Masse des abgebrochenen
Flügels, co die Winkelgeschwindigkeit des Rotors und r der Abstand des Schwerpunkts
der abgetrennten Masse von der .Drehachse ist.
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Da der Wert der umlaufenden Kraft von dem Quadrat der Geschwindigkeit
abhängt, nimmt die Größe dieser Kraft bei großen Drehgeschwindigkeiten der Welle
schnell zu, was gerade bei Turbinen der Fall ist. Diese umlaufende Kraft kann daher
die Reaktionskraft, welche das Lager normalerweise liefern kann, erheblich übersteigen.
Die Welle läuft daher Gefahr, an dem Lager zu reiben, was schnell eine Abnutzung
dieser Welle oder des Lagers oder sogar schwere Unfälle herbeiflührt.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, diesen übelständen abzuhelfen
und ein Schwebelager der in den erwähnten Patenten beschriebenen Art herzustellen,
welches selbsttätig die Wirkungen einer zufälligen Abweichung des Rotors aus seiner
zentrierten Lage unschädlich macht: Da die bei einer Gleichgewichtsstörung an dem
Rotor auftretende umlaufende Kraft von dem Quadrat der Geschwindigkeit dieses Rotors
abhängt, ist es unerläßlich, die Art der umlaufenden Kraft zu berücksichtigen, damit
die Reaktionskraft unabhängig von der Drehgeschwindigkeit genügend groß ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, an der Speisung
der Zonen des Lagers Rückschlagventile anzuordnen, die so ausgebildet sind, daß
unter normalen Bedingungen die Speisung durch diese Ventile erfolgt, welche unter
der Einwirkung des Speisedrucks offen bleiben, während sie sich unter bestimmten
Bedingungen unter der Einwirkung der umlaufenden; Kraft einer Welle mit einer zufälligen
Abweichung aus der zentrierten Lage selbsttätig schließen.
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Der Erfinder hat festgestellt, daß man beider erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht nur bedeutende Reaktionskräfte erhält, sondern daß diese auch dem Quadrat
der Geschwindigkeit des Rotors proportional sind, so daß die Reaktionskräfte unabhängig
von der Drehgeschwindigkeit des Rotors ausreichend sind, um ihm das Gleichgewicht
zu halten.
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Es sei angenommen, daß ein Schwebelager mit dem Mittelpunkt 0 (Abb.
i) und eine Welle mit dem Mittelpunkt 0' vorliegt, auf welche eine durch 0 gehende
umlaufende Kraft 0'F wirkt. 0X sei ein gegenüber dem Lager festliegender Bezugsdurchmesser.
U = co t sei der Winkel zwischen OF
und 0X zu einem beliebigen Zeitpunkt,
wobei w die Winkelgeschwindigkeit der Welle ist. a sei der Abstand zwischen
0 und 0', d. h. die Exzentrizität der Welle infolge der Kraft F in dem betrachteten
Augenblick.
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Wenn man eine Kammer c mit der Achse 0X betrachtet, deren Winkelabwicklung
nicht zu groß ist, kann man sagen, daß das Spiel x an der'Stelle dieser Kammer in
einem gegebenen Augenblick gegeben ist durch: x=b+acosö)t, worin b eine Konstante
ist, welche die Hälfte des diametralen Spiels zwischen der Welle und dem Lager ist.
Bis auf eine Konstante ist das Volumen h des in der Kammer enthaltenen Fluidums
durch T. = Sx gegeben, wobei S die Oberfläche der Kammer ist. Hieraus ergibt sich
h = S (b -I- a cos w t).
Die Veränderungen dieses Volumens h sind abgesehen
vom Vorzeichen:
Von einem kleinen Wert von U an bis zu einem Wert von U, der nur wenig kleiner als
i8o° ist, zeigen Berechnungen für bestimmte Anwendungsfälle, wie weiter unten gezeigt
ist, daß der in der Kammer herrschende Druck größer als der Speisedruck des Lagers
ist, d. h. daß das die Speisung der Kammer bewirkende Rückschlagventil geschlossen
ist. Die Schwankungen
des Volumens entsprechen somit ausschließlich einem Austritt durch das Spiel x zwischen
Welle und Lager gemäß dem Umfang .P der Kammer.
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Der Erfinder hat festgestellt, daß die Strömung dieses Austritts eine
Wirbelströmung ist, d. h. daß die austretende Menge der Quadratwurzel von p proportional
ist, wobei p der in der betrachteten Kammer herrschende Druck ist. Die Durchflußmenge
durch diesen Spalt ist in einem beliebigen Augenblick gleich KPx
d. h. gleich
worin K ein Koeffizient zur Berücksichtigung der Kantraktionswirkung bei dem Durchtritt
des Fluidums durch den Spalt, der spezifischen Masse des Fluidums und der benutzten
Einheiten ist. Da die durch den Spalt austretende Flüidumsmenge gleich der zeitlichen
Änderung des Volumens ist, d. h. gleich
kann man schreiben
Hieraus ergibt sich
oder bei Ersatz von cu t durch U
Durch Benutzung eines gegebenen Lagers sind die Koeffizienten P und S bestimmt.
Durch die Wahl eines bestimmten Fluidums ist der KoeffizientK bestimmt. Durch Annahme
eines bestimmten Spiels zwischen der Welle und dem Lager ergibt sich auch der Wert
des Koeffizienten b. Schließlich wird angenommen, daß sich diese Welle unter der
Einwirkung
einer unbestimmten umlaufenden Kraft mit einer konstanten
Exzentrizität a dreht. Man sieht somit, daß der Druck für jeden Wert des Winkels
U dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit proportional ist. Nun ist aber die von einerAuswuchtungsstörung
der Welle herrührende umlaufende Kraft ebenfalls dem Quadrat der Geschwindigkeit
proportional, wie oben ausgeführt. Man sieht somit, daß unabhängig von der Drehgeschwindigkeit
die von dem Lager erzeugte Reaktionskraft der umlaufenden Kraft proportional bleibt,
ohne daß sich die Exzentrizität der Welle unter der Einwirkung dieser umlaufenden
Kraft verändert.
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Zur Festlegung der Begriffe sei ein Sonderfall betrachtet. Es sei
40 y das diametrale Spiel zwischen der Welle und dem Lager, io/c die Exzentrizität
der Welle unter der Einwirkung der umlaufenden Kraft, 4.o ooo U/min die Drehgeschwindigkeit
der Welle, 30 mm der Innendurchmesser der Kammer, x kg/cm2 der Druck des
Speisefluidums (Wasser).
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,Auf Abb. 2 ist eine Kurve dargestellt, welche die Schwankungen des
Drucks p in der Kammer in Abhängigkeit von dem Winkel U zwischen der umlaufenden
Kraft und der an das Lager gebundenen Achse 0 X darstellt. Man sieht, daß p i kg/cm2
für U = etwa i9°' (Schließung des Ventils) und für U = etwa i7¢°@ (Wiederöffnung
des Ventils) beträgt. Ferner ist p ein Maximum für U = i2o°' und erreicht
dann den Wert von etwa 28 kg/cm2. Unter der Annahme, daß das Lager im normalen Betrieb
einen Druck liefern kann, der die Hälfte des i kg/cm2 betragenden Speisedrucks beträgt,
sieht man, daß der höchste Überdruck, den das Lager erfindungsgemäß bei einem Schwingungszustand
liefern kann, das Fünfzigfache des normalen Drucks beträgt.
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Auf Abb. 3 ist eine einen Turbinenrotor tragende Welle dargestellt,
welche in zwei erfindungsgemäßen Lagern gelagert ist.
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Abb. q. ist ein schematischer Querschnitt eines erfindungsgemäßen
Lagers, und Abb. 5 ist ein axialer Schnitt einer Ausführungsform eines Ventils.
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In diesen Abbildungen sieht man bei r und 2 zwei Lager, in welchen
eine den Rotor q. einer Turbine tragende Welle 3 gelagert ist.
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Abb. q. zeigt die Einzelheiten des Lagers i. Das dargestellte Lager
weist vier getrennte Zuführungskammern 5 auf, die über Einschnlü!rungen 6 mit einem
Druckfluidum gespeist werden und durch Nuten 7 voneinander getrennt sind, die zur
Abfuhr des aus diesen Kammern 5 austretenden Fluidums in eine Niederdruckzone bestimmt
sind. Man sieht ferner bei 0 den Mittelpunkt dieses Lagers. Es ist angenommen, daß
die Welle 3 in diesem Lager den Mittelpunkt 0' hat und einer umlaufenden Kraft F
ausgesetzt ist, wie oben ausgeführt. Unter der Einwirkung dieser Kraft sucht die
Welle das Lager an einem in der Verlängerung von F liegenden Punkt M zu berühren,
wobei die Kraft F bei -dem dargestellten Beispiel als in der Diametralrichtung
0 X verlaufend angenommen ist. Natürlich dreht sich der Punkt M mit F und
der Welle. Bei der Betrachtung des in einer beliebigen Kammer, z. B. der Kammer
5c der Abb. q., enthaltenen Fluidumvolumens sieht man, daß dieses Volumen periodische,
angenähert sinusförmige Veränderungen erfährt. Dieses Volumen ist nämlich am kleinsten,
wenn der Punkt M der kleinsten Entfernung der Welle von dem Lager die in der Abbildung
dargestellte Stellung einnimmt. Es ist am größten, wenn der Punkt M diametral gegenüberliegt.
Der Druck des in der Kammer enthaltenen Fluidums nimmt zu, wenn das Volumen abnimmt,
und umgekehrt. Wenn der Wert dieses Drucks den Wert des Speisedrucks @ülberschreitet,
wird das Fluidum durch die Abschnürung 6c zurückgedrückt, und der Höchstwert des
in der Kammer 5c herrschenden Drucks ist dann durch den Austritt längs des Umfangs
der Kammer in die Niederdruckzone bestimmt, wozu noch der Austritt längs der Einschnürung
in die Zone, in welcher der Speisedruck herrscht, hinzukommt. Wenn jedoch erfindungsgemäß
an der Speiseleitung einer jeden Kammer ein Rückschlagventil angeordnet wird, welches
bei dem Beispiel der Abb. q. durch eine durch eine Feder io auf ihren Sitz 9 gedrückte
Kugel 8 gebildet wird, ist der Höchstwert des in der Kammer herrschenden Drucks
einzig und allein durch den Austritt an dem Umfang der Kammer bestimmt, da jedes
Zurückfließen des Fluidums zu der Speiseleitung durch das Rückschlagventil verhindert
wird. Hieraus ergibt sich, daß der Wert des Drucks in der Kammer 5c erheblich größer
wird, als wenn das erfindungsgemäße Rückschlagventil nicht vorhanden wäre.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann folgendermaßen
beschrieben werden: i. Im normalen Betrieb: Alle Rückschlagventile sind offen, und
die Speisung der Kammern erfolgt über die EinschnÜrungen. Das Lager kann den normalen,
von der Welle ihm übertragenen Kräften das Gleichgewicht halten, solange diese nicht
einen gewissen Wert überschreiten.
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2. Im gestörten Betrieb: Zieht man eine beliebige Kammer in Betracht,
so speist die entsprechende Einschnürung diese Kammer etwa während der halben Drehung,
während welcher sich die Welle von der Kammer entfernt. Während der nächsten halben
Drehung, während welcher sich die Welle der Kammer nähert, schließt sich das Rückschlagventil,
so daß die Welle das Druckmittel nicht zur Druckquelle zurückdrängen kann.
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Die Reaktionskraft, welche von dem Lager geliefert werden kann, beträgt
somit ein Vielfaches derjenigen, die es im normalen Betrieb liefern kann.
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In Abb. q. sind die Rückschlagventile als vor den Einschnürungen liegend
dargestellt.
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Man könnte sie auch hinter denselben anordnen. Die Anordnung der Abb.
q. scheint jedoch vorteilhafter, da das das Ventil durchströmende Fluidum beim normalen
Betrieb einen der Federkraft entsprechenden Druckverlust d p erleidet.
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Außerdem erleidet das Fluidum einen weiteren Druckverlust beim Durchgang
durch die Ein- i schnüreng. Der Relativwert des Druckverlustes d p
ist
somit kleiner, wenn er vor der Einschnürung erfolgt. -Die Erfindung betrifft daher
im besonderen eine Vorrichtung der betrachteten Art, welche dadurch gekennzeichnet
ist, daß das Rückschlägventil jeder Speisezone vor der EinschnÜrung angeordnet ist.
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Ferner muß ein günstigster Wert für die Federkraft gefunden werden.
Wenn -diese nämlich zu groß ist, ist der Druckverlust d p zu groß und erfordert
einen übermäßigen Speisedruck, d. h. eine übermäßige Pumpleistung. Wenn diese andererseits
zu klein ist, kann sich das Ventil nicht schnell genug schließen, insbesondere wenn
der mit einer Auswuchtungsstörung behaftete Rotor sich mit großer Geschwindigkeit
dreht. Es muß daher ein Kompromiß gefunden werden: Was das Ventil anbetrifft, so
ist es zweckmäßig, es so leicht wie möglich herzustellen. Als Größenordnung kann
man als befriedigende Lösung für Drehgeschwindigkeiten von einigen zehntausend Umdrehungen
in der Minute und Wellen mit einem Durchmesser von einigen zehn Millimetern folgende
Werte angeben: Ventil aus Stahlblech mit einem Durchmesser von einigen Millimetern
und einer Dicke vorn einigen zehntel Millimetern, Feder mit einer Kraft von einigen
zehn Gramm.
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In Abb, 5 ist eine Ausführungsform eines diese Bedingungen erfüllenden
Rückschlagventils dargestellt. Man sieht -bei i i ein Ventilgehäuse, in welchem
eine Platte 12 untergebracht ist, die durch eine Feder io auf ihren Sitz 9 gedrückt
wird. In dem Gehäuse i i befindet sich die Einschnürung 6. Der Sitz 9 kann in .dem
Gehäuse i i durch Schweiften oder durch zweckmäßiges Umbiegen des Gehäuserandes
13 befestigt werden.