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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein aerodynamisches Radiallager, welches bei hochtourigen Strömungsmaschinen zum Einsatz kommt.
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Stand der Technik
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DE 29 34 271 A1 bezieht sich auf ein Radiallager für hochtourige Strömungsmaschinen, welches als aerodynamisches Lager ausgebildet ist, wobei in dem zwischen innerem Lagerzapfen und äußerer Lagerschale gebildeten Ringraum eine spiralförmig gewickelte Folie angeordnet ist. Ausgehend vom inneren Lagerzapfen ist die Folie als ein den Lagerzapfen mehrfach umschlingendes glattes Band ausgeführt, welches im Sinne eines Blechpaketdämpfers die notwendige Lagerdämpfung darstellt. Die äußerste, unmittelbar an die innere Bewandung der äußeren Lagerschale angrenzende Umschlingung der Folie, ist als Federelement in Form eines wellenförmigen Bandes ausgebildet, das im Wesentlichen die Steifigkeit des Lagers bestimmt.
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EP 0 143 198 A1 bezieht sich auf ein aerodynamisches Radiallager. Dieses weist eine zwischen äußerer Lagerschale und Lagerzapfen den letzteren mehrfach umschlingende Folie auf, deren äußeres Ende an der Lagerschale fixiert ist, wobei mindestens ein Bandabschnitt des inneren Folienteils entgegen der Zapfendrehrichtung gewickelt und mit mindestens einem in Zapfendrehrichtung gewickelten weiteren Bandabschnitt des äußeren Folienteiles verbunden ist. Vorrangig sollen auf diese Wiese als Ursache im Laufspalt befindlicher Schmutzpartiel hervorrufbare Lagerbetriebsstörungen beseitigt werden.
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US 2011/0052110 A1 bezieht sich auf ein aerodynamisches Radiallager. Eine äußere Folie erstreckt sich entlang einer inneren Peripherie einer Bohrung eines Lagergehäuses. Bogenförmige Abstützfolien sind entlang des inneren Umfangs der Bohrung des Lagergehäuses beabstandet voneinander ausgebildet. Beide Enden der äußeren Folien formen gebogene Abschnitte; die gebogenen Abschnitte sind in einem Schlitz einer Einspannstelle aufgenommen, welche sich am inneren Umfang der Bohrung des Lagergehäuses befindet. Die Außenfolie ist flexibel in ihrer Einspannstelle aufgenommen.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein aerodynamisches Radiallager vorgeschlagen mit einem feststehenden Außenring und einem an diesem befestigten Folienpaket oder einer an diesem befestigten Einzelfolie, wobei ein rotierender Rotor von einem Gasfilm umschlossen ist. Das Folienpaket oder die Einzelfolie im Außenring ist an einer Anzahl von Blattfedern abgestützt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass bei Strömungsmaschinen mit vergleichsweise hohen Wellendrehzahlen bis zu 300.000 U/min Quer- und Längskräfte aufgenommen werden können, da die insbesondere eine elliptische Außenkontur aufweisenden Blattfedern oder Blattfedernpakete mechanisch robuster sind.
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Insbesondere können durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen eine elliptische Außenkontur aufweisenden Blattfedern die Dämpfungseigenschaften - bei Verwendung mehreren Lagen - eingestellt werden, wodurch sich eine Dämpfungscharakteristik in einer weiteren Bandbreite, verglichen mit der Lösung gemäß
US 2011/0052110 A1 einstellen lässt.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung weisen die Blattfedern an ihrer dem Folienpaket oder der Einzelfolie zuweisenden Seite eine elliptische Kontur auf. Aufgrund der Ausbildung der elliptischen Kontur wird einerseits der Geometrie des aerodynamischen Radiallagers, d.h. der Exzentrizität zwischen Rotor und feststehendem Außenring Rechnung getragen, ferner kann durch die elliptische Außenkontur der Blattfedern an ihrer dem Folienpaket bzw. der Einzelfolie zuweisenden Seite ein größerer Abstützbereich realisiert werden.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Radiallagers umfassen die Blattfedern entweder eine Anzahl von Blattfederstreifen oder sind als Einzelblattfedern ausgeführt. Insbesondere die Ausbildung der Blattfedern aus einer Anzahl von Blattfederstreifen, erlaubt die Einstellung einer Eigendämpfung bei mehreren Lagen mit einem Dämpfungsbereich, der innerhalb größerer Grenzen variierbar ist.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können die Blattfeder bei Einsatz von vier Blattfedern beispielsweise in einer 90°-Teilung an einer Innenumfangsfläche des feststehenden Außenringes aufgenommen sein. Daneben besteht auch die Möglichkeit, die Anzahl von Blattfedern bei Verwendung von drei Blattfedern in einer 120°-Teilung an der Innenumfangsfläche des Außenrings des erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Radiallagers zu platzieren.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist entweder ein Ende des geschichteten Folienpaketes oder ein Ende der Einzelfolie an einer Einspannstelle, insbesondere in 12-Uhr-Position an der Innenumfangsfläche des Außenrings befestigt.
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Werden die Blattfedern insbesondere als Blattfedernpakete ausgeführt, so können Klammerelemente eingesetzt werden, mit denen die einzelnen Blattfederstreifen gegeneinander verspannt sind. In vorteilhafter Weise dienen die unteren Enden der Klammerelemente, d.h. die Enden der Klammerelemente die der elliptischen Kontur gegenüberliegen, als Befestigungsstellen, an denen die Blattfederpakete an der Innenumfangsfläche des feststehenden Außenringes befestigt sind.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene aerodynamische Radiallager hat im Vergleich insbesondere zur
US 2011/0052110 A1 den Vorteil, dass beim Einsatz von mehreren Blattfedern oder Blattfedernpakete an der Innenumfangsfläche des feststehenden Außenrings im Betrieb auftretende Quer- und Längskräfte aufgenommen werden können. Die mechanische Belastbarkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Radiallagers ist wesentlich höher. Werden die vorgeschlagenen Blattfedern insbesondere als aus mehreren Blattfedernstreifen zusammengeklammerte oder zusammengecrimpte Blattfedernpakete ausgebildet, so kann bei mehreren miteinander verklammerten Blattfedernstreifen die Eigendämpfung eingestellt werden; des Weiteren lässt sich bei der Verwendung von mehrlagig ausgebildeten Blattfedernpaketen ein größerer Dämpfungsbereich im Vergleich zu der Lösung gemäß
US 2011/0052110 A1 einstellen.
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Da die dem geschichteten Folienpaket bzw. der Einzelfolie zuweisende Seite der Blattfedern eine elliptische Kontur aufweist, ist bei Einsatz von drei oder vier Blattfedern an der Innenumfangsfläche des feststehenden Außenringes des erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Radiallagers ein vergrößerter Abstützbereich der außenliegenden Seite des geschichteten Folienpaketes bzw. der außenliegenden Seite der Einzelfolie gegeben.
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Je nach gewünschter Tragfähigkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Radiallagers können zwei bis drei Blattfedernpakete eingebaut werden. Im Vergleich zu bisher eingesetzten Lösung gemäß
US 2011/0052110 A1 kann eine wesentlich höhere Tragfähigkeit sowie eine größere Dämpfung aufgrund der trockenen Reibung innerhalb der Blattfedernpakete erreicht werden. Ein gesteigertes Dämpfungsvermögen verbessert die rotordynamische Stabilität des erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Radiallagers erheblich. Die Verbesserung der rotordynamischen Stabilität wiederum erlaubt höhere Drehzahlen, wobei weniger Schwingungen und Vibrationen auftreten. Höhere Drehzahlen wiederum erlauben höhere Leistungen, während eine Herabsetzung von Schwingungen und Vibration eine Verlängerung der Lebensdauer des erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Radiallagers ermöglichen.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Radiallagers,
- 1.1 eine vergrößerte Darstellung eines geschichteten Folienpaketes und
- 2 eine perspektivische Draufsicht auf eine Blattfeder, die als Blattfedernpaket mit mehreren Blattfederstreifen ausgeführt ist.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 ist ein erfindungsgemäßes aerodynamisches Radiallager 10 zu entnehmen. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene aerodynamische Radiallager 10 kommt insbesondere an hochtourigen Strömungsmaschinen zum Einsatz, die vergleichsweise hohe Wellendrehzahlen bis zu 300.000 U/min aufweisen. Wie aus der Darstellung gemäß 1 hervorgeht, umfasst das aerodynamische Radiallager 10 einen feststehenden Außenring 12. An dessen Innenumfangsfläche 14 sind in der Darstellung gemäß 1 in 90°-Teilung 26 eine erste Blattfeder 16, eine zweite Blattfeder 18, eine dritte Blattfeder 20 sowie eine vierte Blattfeder 22 befestigt. Im vorliegenden Zusammenhang sind die Blattfedern 16, 18, 20, 22 entweder als einzelne Blattfedern ausgeführt, können jedoch auch als Blattfedernpakete ausgebildet sein. Je nach Tragfähigkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen aerodynamischen Radiallagers 10, können zwei bis acht Blattfedern 16, 18, 20, 22 bzw. Blattfedernpakete installiert sein. Die Befestigungsstellen, an denen die Blattfedern 16, 18, 20 und 22 an der Innenumfangsfläche 14 des feststehenden Außenrings 12 aufgenommen sind, sind durch Bezugszeichen 24 gekennzeichnet. Aus der Darstellung gemäß 1 geht andeutungsweise hervor, dass die Blattfedern 16, 18, 20 und 22 an ihrer einem geschichteten Folienpaket 32 oder einer Einzelfolie 36 zuweisenden Seite eine elliptische Kontur 28 aufweisen. Die elliptische Kontur 28 bietet in vorteilhafter Weise die Möglichkeit größerer Abstützbereiche 30 in Bezug auf den Außenumfang des geschichteten Folienpaketes 32 bzw. bei alternativ eingesetzten Einzelfolien 36. Die Blattfedern 16, 18, 20, 22 bzw. Blattfedernpakete 16, 18, 20 und 22 können aus Materialien wie beispielsweise Edelstahl oder Stahl gefertigt sein.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht des Weiteren hervor, dass ein Gasfilm 42 entweder von einer Einzelfolie 36oder einem geschichteten Folienpaket 32 umschlossen ist. In Bezug auf ein geschichtetes Folienpaket 32 wird der Gasfilm 42 von der Außenseite 40 einer innerhalb des geschichteten Folienpaketes 32 liegenden Innenfolie begrenzt. Ein Ende 44 entweder des geschichteten Folienpaketes 32 oder der Einzelfolie 36 sind an einer Einspannstelle 46 befestigt. Die Einspannstelle 46 befindet sich in der Darstellung gemäß 1 in der 12-Uhr-Position der Innenumfangsfläche 14 des feststehenden Außenrings 12 des aerodynamischen Radiallagers 10.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass im Gasfilm 42 ein schnelllaufender Rotor 47 rotiert. Aus der Darstellung gemäß 1 geht ferner hervor, dass der in Pfeilrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn rotierende Rotor 47 keinen mechanischen Kontakt mit dem geschichteten Folienpaket 32 oder einer Einzelfolie 36 hat. Bei hohen Wellendrehzahlen, die bei hochtourigen Strömungsmaschinen bis zu 300.000 U/min betragen können, erfolgt so eine verschleißfreie Rotation des Rotors 47 in Bezug auf das den Gasfilm 42 umschließende geschichtete Folienpaket 32 oder alternativ der Einzelfolie 36.
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Aus der Darstellung gemäß 1 ergibt sich des Weiteren, dass das aerodynamische Radiallager 10 eine Exzentrizität 52 aufweist. Die Exzentrizität 52 liegt vor zwischen dem Zentrum des verschleißfrei rotierenden Rotors 47 einerseits, vergleiche Position 48 und dem Zentrum 50 des aerodynamischen Radiallagers 10. Die beiden Zentren 48 bzw. 50 liegen um die Exzentrizität 52 auseinander. Diesem Umstand Rechnung tragend, weisen die an der Innenumfangsfläche 14 des feststehenden Außenringes 12 angeordneten Blattfedern 16, 18, 20, 22 eine elliptische Kontur 28 auf. Durch die elliptische Kontur 28 wird der sich im Betrieb des aerodynamischen Radiallagers 10 einstellenden leichten elliptischen Kontur des Gasfilmes 42 Rechnung getragen. Der Radius, d.h. die Geometrie der elliptischen Kontur 28 entspricht dem Radius bzw. der Geometrie der Außenfolie 34. In der Darstellung gemäß 1 ist die Exzentrizität 52, die mit dem Zentrum 48 des Rotors 47 und dem Zentrum 50 des aerodynamischen Radiallagers 10 aus Gründen der besseren Verdeutlichung vergrößert dargestellt.
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Der Darstellung gemäß 1.1 ist in schematischer Weise der Aufbau eines geschichteten Folienpaketes zu entnehmen.
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In der Detaildarstellung gemäß 1.1 ist ein geschichtetes Folienpaket 32 näher dargestellt. Das geschichtete Folienpaket 32 gemäß der schematischen Darstellung in 1.1 umfasst die Außenfolie 34 eine Anzahl von Einzelfolien 36, die auch mehr als zwei oder drei betragen kann sowie die Innenfolie 38. Eine Außenseite 40 der Innenfolie 38 liegt dem Gasfilm 42 gemäß der Darstellung in 1 gegenüber, während die Außenfolie 34 der elliptischen Kontur 28 der einzelnen Blattfedern 16, 18, 20 und 22 gegenüberliegt, die in der Darstellung gemäß 1 in 90°-Teilung 26 an der Innenumfangsfläche 14 des feststehenden Außenrings 12 angeordnet sind.
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Anstelle des geschichteten Folienpaketes 32 gemäß der Darstellung in 1.1 mit fünf Einzelfolien 36, können auch eine größere oder eine geringere Anzahl von Einzelfolien 36 verbaut sein.
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Alternativ zum in 1.1 dargestellten geschichteten Folienpakets 32 besteht auch die Möglichkeit, entsprechende Foliendicke einer Einzelfolie 36 vorausgesetzt, anstelle eines geschichteten Folienpaketes 32 eine einzelne Einzelfolie 36 einzusetzen, die den Gasfilm 42 während der Rotation des Rotors 47 umschließt.
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Der Darstellung gemäß 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Blattfeder zu entnehmen.
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Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass die dort dargestellte erste Blattfeder 16 eine Anzahl von Blattfederstreifen umfasst. 2 zeigt, dass mittels eines Klammerelementes 54 ein erster Blattfederstreifen 58, ein zweiter Blattfederstreifen 60, ein dritter Blattfederstreifen 62, ein vierter Blattfederstreifen 64 sowie ein fünfter Blattfederstreifen 66 miteinander verspannt, verklammert oder vercrimpt sind. In vorteilhafter Weise bildet das untere Ende des Klammerelementes 54 ein Befestigungsende 56, die Befestigungsstelle 24, mit der eine jede der Blattfedern 16, 18, 20 und 22 gemäß der Darstellung in 1 an der Innenumfangsfläche 14 des feststehenden Außenringes 12 des aerodynamischen Lagers aufgenommen ist.
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Die in
2 dargestellte Ausführung der ersten Blattfeder zeigt, dass aufgrund der Verwendung mehrerer Blattfedernstreifen
58,
60,
62,
64 und
66 eine Eigendämpfung der ersten Blattfeder
16 eingestellt werden kann. Je nach Art des Materials, nach Länge der Blattfedernstreifen
58,
60,
62,
64 und
66 und der als innerhalb des Federpaketes übereinandergeschichteten Einzelblattfederstreifen, lässt sich eine Dämpfung der jeweiligen Blattfedern
16,
18,
20 und
22 speziell auf den Anwendungsfall abgestimmten Dämpfungsbereichen einstellen. Aufgrund der mechanischen Robustheit und der mechanischen Festigkeit der Blattfedern
16,
18,
20 und
22 kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene aerodynamische Lager in verbessertem Maße Quer- und Längskräfte aufnehmen, ferner ist seine mechanische Belastbarkeit im Vergleich zur Folienlagerung gemäß der
US 2011/0052110 A1 erheblich verbessert.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2934271 A1 [0002]
- EP 0143198 A1 [0003]
- US 2011/0052110 A1 [0004, 0006, 0012, 0014, 0027]
