DE102011115249A1

DE102011115249A1 - Luftlagerbeschichtung

Info

Publication number: DE102011115249A1
Application number: DE102011115249A
Authority: DE
Inventors: Andreas Knoop
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Luftlager (1) einer Turbomaschine, in dem im Betrieb der Turbomaschine zumindest zeitweise ein Luftpolster, das eine Welle (5) der Turbomaschine umgibt, erzeugbar ist, mit einem Folienlager (2), das einen mit einem Lagergehäuse (3) verbundenen Lagerring (4) aufweist, auf dessen Innenseite die Welle (5) der Turbomaschine angeordnet ist, wobei zwischen dem Lagerring (4) und der Welle (5) wenigstens eine an den Lagerring (4) angrenzende Tragfolie (6) und eine an die Welle (5) angrenzende Deckfolie (7) sowie zwischen der Deckfolie (7) und der Welle eine Gleitschicht (8) vorgesehen sind. Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Gleitschicht (8) auf einer Oberfläche der Welle (5) befindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftlager einer Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Luftlager sind Lager, bei denen die Bauteile, zwischen denen eine Relativbewegung erfolgt, durch einen dünnen Luftfilm voneinander getrennt sind. Im Bereich der Turbomaschinentechnik werden häufig dynamische Luftlager verwendet, in denen das eines der Bauteile umgebende Luftpolster durch die Bewegung selbst aufgebaut wird. Dynamische Luftlager benötigen daher keine Druckluftversorgung, haben aber häufig das Problem, dass sich die beiden Bauteile bei Beginn und Ende der Bewegung berühren, so dass Verschleißerscheinungen nicht auszuschließen sind. Insbesondere schnelldrehende Turbomaschinen werden oftmals mit Hilfe hydrodynamischer Luftlager bzw. sogenannter Axialluftlager, gelagert. Die verwendeten hydrodynamischen Axialluftlager zeichnen sich hierbei unter anderem dadurch aus, dass zwischen feststehendem Lagerring und der rotierenden Welle üblicherweise Axialkräfte aufnehmende Pufferfolien sowie Stützfederpufferfolien vorgesehen sind.
Aus der DE 10 2007 052 831 A1 ist ein Turbokompressor mit Luftlagern bekannt, die in der Nähe des Turbinenrades und des Kompressorrads angeordnet sind und die Welle an jedem Ende umgeben. Die beschriebenen Luftlager besitzen eine kompressible innere Schicht, die die Welle während der Einschalt- und der Abschaltphase berührt. Während der Drehung komprimiert die Kompressor-Lufteinspeisung hingegen die kompressible innere Schicht und schafft so ein Luftpolster zwischen der Welle und der inneren Schicht der Luftlager. Sobald die Welle ihre Solldrehzahl erreicht hat, berührt diese daher die die Lager nicht.
Demgegenüber findet ein Kontakt während der Einschalt- sowie der Ausschaltphase der Turbomaschine statt. Durch die entsprechende Berührung der Welle nutzen sich die Lager beim Verzögern der Welle oder beim Beschleunigen auf hohe Drehzahlen ab. Um diesem Verschleiß an den Lagern entgegenzuwirken, ist gemäß der beschriebenen technischen Lösung vorgesehen, die Zeitspanne, in der die Welle die Lager berührt, zu verringern, indem die zum Abschalten des Kompressors erforderliche Zeit minimiert wird.
Gemein ist den bekannten Luftlagern, dass aufgrund der Viskosität der Luft ein etwa 0,01 mm dickes Luftpolster an der Welle entsteht, das die drehende Welle im Betrieb umgibt. Um ein Abheben der Welle zu erreichen, ist eine Mindestdrehzahl erforderlich, die in der Regel zwischen 5.000 und 15.000 U/min liegt. Bis zur sogenannten Abhebedrehzahl wird die Welle üblicherweise an den Lagerstellen im Mischreibungsbetrieb gefahren. Um in diesem Arbeitsbereich den prinzipbedingten Verschleiß zu minimieren, sind die Deckfolien (Top-Foil) bzw. Tragbleche der Luftlager üblicherweise mit reibungsmindernden Beschichtungen versehen. Das Aufbringen derartiger Beschichtungen verursacht in der Fertigung von Luftlagern einen vergleichsweise hohen Aufwand. Darüber hinaus schränken derartige Beschichtungen in Abhängigkeit der jeweiligen Werkstoffauswahl den Temperatureinsatzbereich eines Luftlagers in nachteiliger Weise ein. Diese Einschränkung gilt insbesondere für die in Luftlagern üblicherweise eigesetzten PTFE-Beschichtungen (Polytetrafluorethylen-Beschichtungen).
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Luftlagern sowie den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Luftlager zur Lagerung von Turbomaschinenwellen derart weiterzubilden, dass einerseits Verschleißerscheinungen im Bereich der Luftlager minimiert werden und darüber hinaus die Lager problemlos in einem breiten Temperaturbereich einsetzbar sind. Die anzugebende technische Lösung soll mit verhältnismäßig einfachen Mitteln realisierbar sein und nahezu keinen Einfluss auf die konstruktive Gestaltung eines Luftlagers haben. Insbesondere sollte eine Lösung, die auf der Erfindung beruht, auch bei den bereits bekannten Luftlagern einsetzbar sein.
Die zuvor geschilderte Aufgabe wird mit einem Luftlager, das über die im Anspruch 1 angegebenen technischen Merkmale verfügt, gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
In einem solchen Luftlager einer Turbomaschine ist im Betrieb der Turbomaschine zumindest zeitweise ein Luftpolster erzeugbar. Das Luftpolster umgibt eine Welle der Turbomaschine. Das Luftlager umfasst ein Folienlager, das einen mit einem Lagergehäuse verbundenen Lagerring aufweist. Auf der Innenseite des Lagerrings ist die Welle der Turbomaschine angeordnet. Zwischen dem Lagerring und der Welle sind wenigstens eine an den Lagerring angrenzende Tragfolie und eine an die Welle angrenzende Deckfolie vorgesehen. Ferner ist zwischen der Deckfolie und der Welle eine Gleitschicht vorgesehen.
Erfindungsgemäß befindet sich die Gleitschicht auf einer Oberfläche der Welle. Erfindungswesentlich ist somit, dass sich die Gleitschicht nicht auf der Deckfolie bzw. einem Tragblech (Top-Foil) sondern auf der Welle selbst befindet. In diesem Zusammenhang wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass in einem Folienlager zwischen der Welle und dem Lagergehäuse zwei Folien bzw. Bleche unterschiedlicher Bauart vorgesehen sind, wobei diese aus einem einstückigen Ausgangswerkstück oder aus zwei Werkstücken gefertigt werden können. Eine der beiden Folien (Bump-Foil) übernimmt im Wesentlichen eine tragende Funktion bzw. ist besonders geeignet, Kräfte in axialer Richtung aufzunehmen übernimmt, während die andere in der Hauptsache eine Abgrenzung gegenüber der Welle bildet (Top-Foil).
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Gleitschicht als Beschichtung ausgeführt, die auf die Welle aufgebracht ist. Vorzugsweise ist die Welle hierbei vollflächig über ihren Außenumfang beschichtet. Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weist die Beschichtung ein teilkristallines Polymer, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), auf. Ebenso ist es allerdings möglich, dass die Gleitschicht über ein keramisches Material verfügt. Wesentlich ist jeweils, dass die Gleitschicht über Gleiteigenschaften verfügt, so dass während der Start- und/oder der Abschaltphase der Turbomaschine Verschleißerscheinungen zwischen der Welle und der Deckfolie weitgehend vermieden werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Welle gemeinsam mit der Gleitschicht einstückig ausgeführt ist. Auf bevorzugte Weise besteht die Welle hierbei aus einem Material, das geeignete Gleiteigenschaften aufweist. Vorzugsweise wird daher ein keramisches Material verwendet. In Ergänzung hierzu ist gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Gestaltung des Luftlagers vorgesehen, dass sowohl die Welle als auch zumindest die Deckfolie aus einem Material gefertigt sind, das geeignete Gleiteigenschaften aufweist. Bevorzugt werden daher in diesem Fall sowohl die Welle als auch die Deckfolie aus einem keramischen Material gefertigt.
In einer weiteren bevorzugten Gestaltung des erfindungsgemäßen Luftlagers sind die Deckfolie und/oder die Tragfolie in Form von Dünnblechen ausgeführt. In diesem Fall werden die entsprechenden Elemente oftmals als Trag-(Bump Foil) bzw. Deckbleche (Top Foil) bezeichnet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen ohne Beschränkungen des allgemeinen Erfindungsgedankens unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1: eine schematische Schnittdarstellung eines radialen Luftlagers;
2: eine schematische und perspektivische Darstellung des gehäusefesten Teils eines axialen Luftlagers; und
3: eine schematische Schnittdarstellung eines axialen Luftlagers zur Funktionsbeschreibung.
1 zeigt ein Luftlager 1 einer Turbomaschine, insbesondere eines Turbokompressors, eines Kraftfahrzeugs. Das Luftlager 1 verfügt über ein axiales Folienlager 2, das im Wesentlichen über ein Gehäuse 3 sowie einen an dem Gehäuse 3 angebrachten Lagerring 4 verfügt. Im Inneren des Lagerrings 4 ist eine drehbar gelagerte Welle 5 der Turbomaschine angeordnet. Zwischen der Welle 5 und dem Lagerring 4 ist angrenzend an den Lagerring 4 eine als geformtes Dünnblech ausgebildete Tragfolie 6 vorgesehen, welche auch als Bump Foil bezeichnet wird. Des Weiteren ist angrenzend an die Welle 5 eine Deckfolie 7 vorgesehen, die bei Stillstand der Welle zumindest abschnittsweise eine Berührungsfläche mit der Welle 5 aufweist und die auch als Top Foil bezeichnet wird.
Sobald die Welle 5 der Turbomaschine zu drehen beginnt, wird Luft in den Bereich der Tragfolie 6 und der Deckfolie 7 geleitet, wodurch diese zumindest zeitweise komprimiert werten. Bei Erreichen der Mindestdrehzahl zwischen 5.000 und 15.000 U/min werden die Tragfolie 6 und der Deckfolie 7 im Inneren des Lagerrings 4 derart komprimiert und es bildet sich ein derart starkes Luftpolster aus, dass ein etwa 0,01 mm starker Luftspalt 11 zwischen der Deckfolie 7 und der Welle 5 gebildet wird und die Welle 5 im Inneren des Lagerrings 4 quasi auf dem Luftpolster schwebt.
Um den Verschleiß während der Start- sowie Abschaltphase der Turbomaschine zu minimieren, ist zwischen der Welle 5 und der Deckfolie 7 eine Gleitschicht 8 vorgesehen, die in Form einer PTFE-Beschichtung auf die Oberfläche der Welle 5 aufgebracht ist. Eine derartige Beschichtung stellt auf bevorzugte Weise sicher, dass Verschleißerscheinungen im Bereich zwischen der Welle 5 und der Deckfolie 7 zumindest minimiert werden.
2 zeigt eine Darstellung des gehäusefesten Teils eines axialen Folienlagers 2, welches als Luftfolienlager ausgebildet ist. Die äußere Begrenzung bildet hierbei wiederum der Lagerring 4, an dessen Innenseite Tragfolienelemente einer Tragfolie 6 vorgesehen sind. Auf die Tragfolie 6, die üblicherweise eine gefaltete oder gebogene bzw. geschwungene Grundstruktur aufweist, ist eine Deckfolie 7 aufgebracht, die die äußere Begrenzungsschicht darstellt und an die die im Inneren angeordnete Welle 5 einer Turbomaschine angrenzt. Die Welle 5 ist in dieser Darstellung nicht gezeigt.
Vorteilhafterweise sind die Bauteile, die im Inneren des Lagerrings 4 die Außenfläche bilden, nämlich die Deckfolie 7, nicht mit einer Beschichtung versehen. Vielmehr verfügt die Oberfläche der Welle 5 der Turbomaschine über eine die Gleitschicht 8 bildende Beschichtung, durch die Verschleißerscheinungen im Bereich zwischen der Deckfolie 7 und der Welle 5 minimiert werden.
Ferner zeigt 3 die Schnittdarstellung eines Luftlagers 1. Es handelt sich hierbei um den Ausschnitt eines Schnittes quer zur Erstreckungsrichtung der Welle 5 der Turbomaschine.
In 3 ist erneut ein Teil des Lagerrings 4 zu sehen, auf dessen Innenfläche sowohl eine Tragfolie 6 als auch eine diese bedeckende Deckfolie 7 angeordnet sind. Die Tragfolie 6 und die Deckfolie 7 sind in diesem Fall aus einem dünnen Blechmaterial gefertigt.
Die Tragfolie 6 sowie die Deckfolie 7 sind derart angeordnet, dass während des Betriebs der Turbomaschine ein Luftstrom 9 in radialer Richtung von außen nach innen in Richtung auf die rotierende Welle 5 geleitet wird. Hierbei sind die Tragfolie 6 sowie die Deckfolie 7 derart geformt, dass sich der Querschnitt eines in radialer Richtung von außen nach innen verlaufenden Strömungskanals 10 verringert. Dies führt letztendlich dazu, dass in dem Bereich, in dem die komprimierte Luft aus der Tragfolie 6 und der Deckfolie 7 des Luftlagers 1 austritt, diese derart komprimiert ist, dass bei Erreichen der Mindest- bzw. Abhebedrehzahl ein Luftpolster in einem Luftspalt 11 zwischen der Deckfolie 7 und der rotierenden Welle 5 erzeugt wird, so dass die Welle 5 sicher auf dem Luftpolster schwebt, ohne die Tragfolie 6 und die Deckfolie 7 zu berühren. In diesem Betriebszustand, in dem die Welle 5 auf einem Luftpolster im Luftspalt 11 schwebt ohne andere Bauteile zu berühren, wird jeglicher Verschleiß der Welle 5 sowie der Lagerbauteile vermieden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007052831 A1 [0003]

Claims

Luftlager (1) einer Turbomaschine, in dem im Betrieb der Turbomaschine zumindest zeitweise ein Luftpolster, das eine Welle (5) der Turbomaschine umgibt, erzeugbar ist, mit einem Folienlager (2), das einen mit einem Lagergehäuse (3) verbundenen Lagerring (4) aufweist, auf dessen Innenseite die Welle (5) der Turbomaschine angeordnet ist, wobei zwischen dem Lagerring (4) und der Welle (5) wenigstens eine an den Lagerring (4) angrenzende Tragfolie (6) und eine an die Welle (5) angrenzende Deckfolie (7) sowie zwischen der Deckfolie (7) und der Welle (5) eine Gleitschicht (8) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gleitschicht (8) auf einer Oberfläche der Welle (5) befindet.
Luftlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (8) als Beschichtung ausgeführt ist, die auf die Welle (5) aufgebracht ist.
Luftlager (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein teilkristallines Polymer aufweist.
Luftlager (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Polyetrafluorethylen (PTFE) aufweist.
Luftlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (8) ein keramisches Material aufweist.
Luftlager (1) nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (5) gemeinsam mit der Gleitschicht (8) einstückig ausgeführt ist.
Luftlager (1) nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (5) und die Deckfolie (7) ein keramisches Material aufweisen.
Luftlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragfolie (6) und/oder die Deckfolie (7) ein Dünnblech aufweist.
Luftlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragfolie (6) und die Deckfolie (7) einstückig ausgeführt sind.