-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung für eine Welle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Eine gattungsgemäße Lagereinrichtung für eine Welle ist aus der Praxis bereits zur Lagerung von Rotoren in Turbomaschinen bekannt. Derartige Rotoren zeichnen sich dadurch aus, dass deren Umfangsgeschwindigkeit im Lagerbereich mehr als 100 Meter pro Sekunde betragen kann. Übliche, öl- oder fettgeschmierte Lagereinrichtungen in Form von Wälzlagern sind bezüglich derartiger Anwendungen, insbesondere bei einer hohen geforderten Lebensdauer, als kritisch anzusehen. Aus diesem Grund ist es bekannt, derartige Lagereinrichtungen in Form von extern druckunterstützten Lagern auszubilden, die insbesondere Druckluft als Schmiermedium verwenden, die dem Lagerkörper unter einem konstanten Druck zugeführt wird. Dieses, unter dem konstanten Druck in den Bereich des Lagerkörpers eingeführte Medium tritt insbesondere an den Stirnseiten der Lagerkörpers aus, wobei der dort vorhandene Austrittsdruck geringer als der Druck, mit dem das Schmiermedium dem Lagerkörper zugeführt wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Lagereinrichtung für eine Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie eine bedarfsgerechte Zuführung von Schmiermedium ermöglicht. Insbesondere ermöglicht es die erfindungsgemäße Lagereinrichtung, die Effizienz bzw. den Wirkungsgrad der Lagereinrichtung zu steigern, da beispielsweise für den Fall, dass der Druck, mit dem das Schmiermedium (Druckluft) dem Lagerkörper zugeführt wird, relativ niedrig gewählt werden kann, auch lediglich ein geringerer Abtransport von Schmiermedium aus dem Lagerkörper erfolgt. Weiterhin kann durch eine Regulierung des dem Lagerkörper zugeführten Drucks bzw. der Druckdifferenz zwischen Eintrittsdruck und Austrittsdruck des Schmiermediums die Entstehung von Systemresonanzen vermieden werden, oder aber stabilere Betriebsbereiche vergrößert werden.
-
Konkret schlägt es die Erfindung vor, dass Mittel zur Beeinflussung der Druckdifferenz zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich des Schmiermediums (Druckluft) am Lagerkörper vorgesehen sind, wobei die Druckdifferenz in Abhängigkeit eines mittels wenigstens eines Sensors erfassbaren Betriebsparameters veränderbar ist. Gemeint ist hierbei beispielhaft, und nicht einschränkend, dass mit zunehmender Drehzahl der Welle die Druckdifferenz zwischen dem dem Lagerkörper zugeführten Schmiermedium (Druckluft) und dem aus dem Lagerkörper abgeführten Schmiermedium vergrößert wird, um beispielsweise bei höheren Drehzahlen stets eine sichere und zuverlässige Lagerung der Welle zu ermöglichen.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung für eine Welle sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung zur Einstellung der Druckdifferenz wird vorgeschlagen, dass ein Druckregelventil zur Einstellung des Drucks des Schmiermediums vorgesehen ist, mit dem der Lagerkörper versorgt wird.
-
Die Druckdifferenz kann jedoch nicht nur über eine entsprechende Variation des Drucks, mit dem das Schmiermedium dem Lagerkörper zugeführt wird, beeinflusst werden, sondern auch dadurch, dass der Druck an der Ausgangsseite des Lagerkörpers beeinflusst wird. Insbesondere wird hierzu vorgeschlagen, dass die Mittel eine Einrichtung zur Beaufschlagung des Austrittsbereichs des wenigstens einen Lagerkörpers mit Druck umfassen. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass durch eine Druckbeaufschlagung des Austrittsbereichs des Lagerkörpers die Druckdifferenz verringert bzw. die Menge des aus dem Lagerkörper austretenden Schmiermediums verkleinert werden kann.
-
Wie bereits oben erläutert, ist es im einfachsten Fall vorgesehen, dass die Regelung der Druckdifferenz drehzahlabhängig vorgenommen wird. Hierzu ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Sensor zur Erfassung des Betriebsparameters ein Sensor zur Erfassung der Drehzahl der Welle ist.
-
Zusätzlich oder alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Sensor ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des wenigstens einen Lagerkörpers ist. So kann beispielsweise bei einer höheren Temperatur des Lagerkörpers aufgrund der Reibung zwischen der Welle und dem Lagerkörper bzw. des erwärmten Schmiermediums auf eine höhere Drehzahl oder aber ungünstigere Umgebungsbedingungen geschlossen werden, die eine vermehrte Zuführung von Schmiermedium bzw. eine erhöhte Druckdifferenz erforderlich macht.
-
In einer weiteren Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Sensor ein Sensor zur Erfassung einer Auslenkung der Welle um ihre Längsachse ist. Dadurch lassen sich Bewegungsamplituden der Welle bzw. eines Rotors ermitteln, die dazu benutzt werden können, bei spontan auftretenden Auslenkungen beispielsweise durch eine Erhöhung des Zuführdrucks des Schmiermediums die unerwünschten Auslenkungen zur verringern bzw. diesen entgegenzusteuern.
-
Ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet einer soweit beschriebenen Lagereinrichtung besteht in der Verwendung von Gas, insbesondere von Druckluft, als Schmiermedium.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auch die Axiallagerung der Welle nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeitet. Insbesondere liegen dann die Vorteile einer Druckregelung in der Möglichkeit der Kühlung des Lagers (durch Zugabe von zusätzlichem Massestrom), der Einstellbarkeit der axialen Lage der Welle, der Reduzierung von Axialamplituden und der Vergrößerung des stabilen Betriebsbereichs.
-
Weiterhin umfasst die Erfindung eine Anordnung mit einer soweit beschriebenen Lagereinrichtung für eine Welle sowie einer Welle, wobei die Welle im Betrieb eine Umfangsgeschwindigkeit von mehr als 100 Meter pro Sekunde aufweist. Um eine derartige Welle sicher zu lagern weist die Lagereinrichtung darüber hinaus insbesondere zwei, in einem axialen Abstand zueinander angeordnete Lagerkörper auf.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt in:
- 1 eine Anordnung zur Lagerung einer Welle mit zwei axial voneinander beabstandeten Lagereinrichtungen,
- 2 einen Ausschnitt aus der 1 im Bereich einer der beiden Lagereinrichtungen,
- 3 einen Längsschnitt durch einen Lagerkörper im Bereich der zu lagernden Welle gemäß 2,
- 4 einen Querschnitt durch einen Lagerkörper gemäß 3 und
- 5 einen Ausschnitt der Welle im Bereich einer Axiallagereinrichtung.
-
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
In der 1 ist eine Anordnung 100 gezeigt, die eine um eine Drehachse 11 drehbar angeordnete Welle 12 in Form eines Rotors 13 umfasst. Die Umfangsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl der Welle 12 ist derart, dass diese mehr als 100m/s betragen kann. Weiterhin umfasst die Anordnung 100 eine Lagereinrichtung 1 zur drehbaren Lagerung der Welle 12.
-
Die Lagereinrichtung 1 umfasst beispielhaft zwei, in einem axialen Abstand A zueinander angeordnete, als Radiallager ausgebildete Lagerkörper 15, die beispielhaft identisch ausgebildet sind. Die Lagerkörper 15 umfassen, wie insbesondere anhand einer Zusammenschau der 1 bis 3 erkennbar ist, eine Lagerbohrung 16 für die Welle 12 sowie radial um eine Längsachse 14 des Lagerkörpers 15 angeordnete, beispielhaft fünf Radialbohrungen 18, die in gleichmäßigen Winkelabständen um die Drehachse 11 bzw. um die fluchtend zur Drehachse 11 befindliche Längsachse 14 angeordnet sind. Die Radialbohrungen 18 dienen der Zuführung von als Schmiermedium dienender Druckluft in den Bereich eines Radialspalts 19 zwischen der Lagerbohrung 16 und der Welle 12. Die am Außenumfang des Lagerkörpers 15 mündenden Radialbohrungen 18 werden über eine lediglich in der 1 erkennbare Zuführleitung 20 mit dem unter Druck stehendem Schmiermedium (Druckluft) versorgt.
-
Das Schmiermedium bzw. die Druckluft ist beispielhaft in einem Druckspeicher 22 angeordnet, der über ein Druckregelventil 25 mit der Zuführleitung 20 verbunden ist. Der in der Zuführleitung 20 herrschende Druck P1 wird über eine entsprechende Ansteuerung des Druckregelventils 25 mittels einer Steuereinrichtung 28 eingestellt.
-
Entsprechend der Darstellung der 2 münden die Radialbohrungen 18 im Bereich der Lagerbohrung 16 in axialer Überdeckung mit in der Welle 12 an ihrem Außenumfang ausgebildeten Ringnuten 29, 30. Das in dem Bereich der Radialbohrungen 18 mit dem Druck P1 zugeführte Schmiermedium bildet in dem Radialspalt 19 zwischen der Welle 12 und der Lagerbohrung 16 einen Medienfilm bzw. ein Druckluftpolster zur Lagerung der Welle 12 aus, wobei das Schmiermedium (Druckluft) an den beiden Stirnseiten 31, 32 des Lagerkörpers 15 mit einem Austrittsdruck P2 austritt, und wobei der Austrittsdruck P2 geringer ist als der Eintrittsdruck P1 des Schmiermediums bzw. der Druckluft in die Radialbohrungen 18.
-
Zur bedarfsgerechten Ansteuerung des Druckregelventils 25 mittels der Steuereinrichtung 28 werden der Steuereinrichtung 28 mehrere Betriebsparameter als Eingangsgrößen zugeführt. Entsprechend der Darstellung der 1 kann es vorgesehen sein, dass hierzu ein Sensor 35 Verwendung findet, der als Drehzahlsensor ausgebildet ist, um die Drehzahl der Welle 12 zu ermitteln. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass wenigstens ein Temperatursensor 36 vorgesehen ist, der im Bereich des Lagerkörpers 15 dessen Temperatur misst und der Eingangsgröße der Steuereinrichtung 28 zuführt. Auch kann es vorgesehen sein, dass ein beispielsweise optisch messender Sensor 38 vorgesehen ist, der eine Amplitude a der Welle 12 beispielsweise im Bereich zwischen den beiden Lagerkörpern 15 erfasst und ebenfalls ein entsprechendes Eingangssignal an die Steuereinrichtung 28 zuführt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass ein Drucksensor 39 vorgesehen ist, der den Druck P2 im Bereich eines oder beider Lagerkörper 15 an einer der beiden Stirnseiten 31, 32 ermittelt.
-
In Abhängigkeit der von einem oder mehrerer der Sensoren 35, 36, 38 oder 39 ermittelten Parameter wird mittels eines in der Steuereinrichtung 28 abgelegten Algorithmus ein gewünschter bzw. optimierter Eintrittsdruck P1 für das Schmiermedium bzw. die Druckluft ermittelt, der durch eine entsprechende Beeinflussung des Druckregelventils 25 eingestellt wird. Dabei ergibt sich mit größerem Eintrittsdruck P1 auch eine höhere Druckdifferenz P1 - P2 , wobei die Druckdifferenz P1 - P2 für die Lagerung der Welle 12 als Kriterium wesentlich ist.
-
Die soweit beschriebene Lagereinrichtung 1 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
-
So kann es insbesondere auch vorgesehen sein, dass der Eintrittsdruck P1 konstant gehalten wird, und sattdessen mittels einer lediglich in der 2 dargestellten Einrichtung 50 zur Beaufschlagung der Stirnseiten 31, 32 des Lagerkörpers 15 der Austrittsdruck P2 beeinflusst wird, um eine gewünschte Druckdifferenz P1 - P2 einzustellen.
-
Auch kann es vorgesehen sein, dass entsprechend der Darstellung der 5 auch die axiale Lagerung der Welle 12 über wenigstens einen Lagerkörper 40 erfolgt, dessen wenigstens eine Zuführbohrung 41 mit dem Druckspeicher 22 verbunden ist. In der 5 sind beispielhaft zwei ringförmige Lagerkörper vorgesehen, die beidseitig einer mit der Welle 12 verbundenen Axiallagerscheibe 42 angeordnet sind. Die Zuführbohrungen 41 sind vorzugsweise in gleichgroßen Winkelabständen um die Drehachse 11 angeordnet.
