DE102017211033A1

DE102017211033A1 - Verdichtereinrichtung und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102017211033A1
Application number: DE102017211033.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Vogt; Thomas Rachow; Guillaume Huard; Thomas Lang; Steffen Derhardt; Michael Mayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichtereinrichtung (10; 10a), mit wenigstens einer Lagereinrichtung (17; 17a) für eine Welle (15) der Verdichtereinrichtung (10; 10a), wobei die wenigstens eine Lagereinrichtung (17; 17a) wenigstens einen Lagerkörper (18; 18a, 19) zur radialen und/oder axialen Lagerung der Welle (15) aufweist, wobei der wenigstens eine Lagerkörper (18; 18a, 19) mit unter Druck stehendem Medium (22, 35) zur Lagerung der Welle (15) beaufschlagbar ist, mit einer mit dem wenigstens einen Lagerkörper (18; 18a, 19) in Wirkverbindung angeordneten Versorgungseinrichtung (30; 30a) für das Medium (22, 35), wobei die Welle (15) zum Antreiben wenigstens einer Verdichterstufe (11, 12; 46) dient, wobei die wenigstens eine Verdichterstufe (11, 12; 46) einen Druckauslass (28; 45) aufweist, an dem bei einem Betrieb der Verdichtereinrichtung (10; 10a) unter Druck stehendes Medium (22, 35) ansteht, und wobei der Druckauslass (28; 45) zumindest mittelbar mit der wenigstens eine Lagereinrichtung (17; 17a) und/oder der Versorgungseinrichtung (30; 30a) verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verdichtereinrichtung, wie sie beispielsweise Teil einer Turbomaschine ist, wobei eine zu lagernde Welle der Verdichtereinrichtung im Lagerbereich der Welle typischerweise eine Umfangsgeschwindigkeit von mehr als 100 Meter pro Sekunde und/oder eine Drehzahl von mehr als 100000 min^-1 aufweisen kann. Da bei derartig hohen Umfangsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der Welle übliche Wälzlager, die eine Öl-/Fettschmierung aufweisen, die geforderte Lebensdauer oftmals nicht sicherstellen können, ist es bekannt, die Lagereinrichtung für die Welle als druckluftunterstütztes Lager auszubilden, derart, dass unter Druck stehende Luft von einer externen Versorgungseinrichtung in Form einer Druckquelle in eine Lagerbohrung eines Lagerkörpers, in der die Welle gelagert ist, zugeführt wird. Eine derartige Druckquelle zur Versorgung der Lagereinrichtung mit Druckluft besteht beispielsweise aus einem separaten Kompressor oder einem separaten, von einer zusätzlichen Einrichtung druckbeaufschlagten Druckspeicher, wodurch die aus dem Stand der Technik bekannten Verdichtereinrichtungen relativ aufwendig ausgebildet sind bzw. einen hohen vorrichtungstechnischen Aufwand aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Verdichtereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie keine separate bzw. zusätzliche Einrichtung zur Druckerhöhung für das für die Lagerung der Welle dienende Medium benötigt. Dadurch ist der vorrichtungstechnische Aufwand der erfindungsgemäßen Verdichtereinrichtung relativ gering. Weiterhin wird ein besonders kompakter Aufbau durch die nicht erforderliche separate Einrichtung zur Druckerzeugung benötigt. Auch sind die Herstellkosten der Verdichtereinrichtung gegenüber dem Stand der Technik reduziert.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Druckauslass einer Verdichterstufe gleichzeitig derart zumindest mittelbar mit der Lagereinrichtung bzw. dem Lagerkörper der Lagereinrichtung in Wirkverbindung anzuordnen, dass das an dem Druckauslass anstehende, unter Druck stehende Medium (insbesondere Luft) zumindest mittelbar bzw. indirekt dazu genutzt wird, ein Druckpolster in der Lagereinrichtung zur Lagerung der Welle sicherzustellen. Der Druckauslass der Verdichterstufe stellt somit gleichzeitig die Druckquelle dar, die beim Stand der Technik durch eine separate Druckquelle gebildet wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verdichtereinrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Grundsätzlich und bevorzugt ermöglicht es die Erfindung, das an dem Druckauslass der Verdichterstufe der Verdichtereinrichtung anstehende Medium zur Lagerung der Welle zu verwenden. Die Erfindung umfasst jedoch auch Anwendungsfälle, bei denen das an dem Druckauslass der Verdichtereinrichtung anstehende Medium und das der Lagerung der Welle dienende Medium unterschiedlich sind. Hierbei ist insbesondere der Fall umfasst, bei dem das am Druckauslass der Verdichtereinrichtung anstehende Medium zur Druckerhöhung des in einem Druckspeicher bevorrateten, der Lagerung für die Welle dienenden Mediums verwendet wird.
Um den Druck des der Lagereinrichtung zugeführten Mediums zu begrenzen, damit die Lagereinrichtung nicht unzulässig steif wird, ist es vorgesehen, dass der Druck des der Lagerbohrung der Lagereinrichtung zuführbaren Mediums mittels eines Ventils begrenzbar ist.
Solange nach bzw. beim Start der Verdichtereinrichtung noch nicht genügend unter Druck stehendes Medium an dem Druckauslass der Verdichtereinrichtung ansteht, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn kurzzeitig eine zusätzliche Druckversorgung vorgesehen ist. Hierzu schlägt es die Erfindung vor, dass eine Speichereinrichtung für das Medium mit einer Druckerhöhungseinrichtung verbunden ist.
In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung einer derartigen Druckerhöhungseinrichtung ist diese als Heizeinrichtung ausgebildet, wobei die Speichereinrichtung ein geschlossenes Volumen ausbildet. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Medium befüllte Speichereinrichtung durch die Druckerhöhungseinrichtung bzw. durch die Heizeinrichtung aufgeheizt wird, wodurch in der Speichereinrichtung dadurch, dass diese ein geschlossenes Volumen ausbildet, ein Druckanstieg erzeugt wird. Als Heizeinrichtung kommt insbesondere, und nicht einschränkend, eine Heizmanschette, eine Glühkerze, ein Tauchsieder oder ähnliches zur Anwendung. Die zusätzliche Druckerhöhungseinrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, dass bereits in einem Zustand, bei der sich die Welle der Verdichtereinrichtung noch nicht dreht, die Lagereinrichtung für die Welle mit dem der Lagerung der Welle dienenden Medium versorgbar ist, sodass es zu einem „Aufschwimmen“ der Welle und somit zu einer Minimierung des Verschleißes während der Anfahrphase zu Beginn des Betriebs der Verdichtereinrichtung kommt.
In einer ersten grundsätzlich möglichen Ausgestaltung der Verdichtereinrichtung ist es vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung als Kompressor ausgebildet ist, es sich bei dem Medium, das an dem Druckauslass der Verdichtereinrichtung ansteht, vorzugsweise um Luft handelt. Insbesondere bei der Verwendung von Luft als Medium zur Lagerung der Welle wird dadurch ein besonders einfacher Aufbau der Verdichtereinrichtung ermöglicht.
Alternativ hierzu ist es auch denkbar, dass die Verdichtereinrichtung als Hydraulikpumpe ausgebildet ist, und dass das Medium zur Lagerung der Welle eine Schmiereigenschaft aufweisende Flüssigkeit ist.
In wiederum alternativer Ausgestaltung kann als Medium zur Lagerung der Welle ein Kältemittel sein, dessen Aggregatszustand beim Betrieb der Verdichtereinrichtung änderbar ist. Das bedeutet, dass das entsprechende Medium zunächst im flüssigen Zustand vorliegt und anschließend beim Betrieb der Verdichtereinrichtung bzw. beim Drehen der Welle durch die stattfindende Temperaturerhöhung verdampft wird.
Ein besonders bevorzugter Anwendungsbereich der soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verdichtereinrichtung besteht bei Wellen, die bei Betrieb eine Umfangsgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s oder eine Drehzahl von mehr als 100000 min-1 im Lagerbereich erreichen, wie dies beispielsweise und nicht einschränkend bei von einem Abgasstrahl angetriebenen Turboladern oder ähnlichem der Fall ist.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine elektrische Maschine mit einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verdichtereinrichtung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:

1 ein erstes Prinzipschaubild einer 2-stufigen Verdichtereinrichtung,
2 bis 5 jeweils unterschiedliche Möglichkeiten der Versorgung einer Lagereinrichtung einer Welle der Verdichtereinrichtung gemäß 1 mit Schmiermedium in schaubildlicher Darstellung und
6 eine zweite Verdichtereinrichtung in schaubildlicher Darstellung, bei der diese eine zusätzliche Speichereinrichtung für Kältemittel aufweist.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist stark vereinfacht eine Verdichtereinrichtung 10 in Form eines 2-stufigen Kompressors zur Versorgung eines Systems 100 mit Druckluft dargestellt. Die Verdichtereinrichtung 10 umfasst eine erste Verdichterstufe 11 und eine zweite, von der ersten Verdichterstufe 11 versorgbare Verdichterstufe 12. Die beiden Verdichterstufen 11, 12 sind auf einer gemeinsamen, drehbar gelagerten Welle 15 angeordnet. Die Welle 15 ist mittels einer Lagereinrichtung 17, die beispielhaft zwei axial voneinander beabstandete Lagerkörper 18, 19 aufweist, gelagert. Die beiden Lagerkörper 18, 19 weisen jeweils eine Lagerbohrung 21 für die Welle 15 auf. Die Lagerung der Welle 15 in den beiden Lagerkörpern 18, 19 erfolgt mittels eines Mediums 22, das den beiden Lagerkörpern 18, 19 über eine Zuführleitung 23 zuführbar ist. Insbesondere weisen die beiden Lagerkörper 18, 19 hierzu radial um eine Längsachse des jeweiligen Lagerkörpers 18, 19 angeordnete Einlässe 24 auf, die im Bereich der Welle 15, und dort beispielhaft im Bereich von radial umlaufenden Nuten 25, münden. Wird nun das Medium 22 unter Druck dem jeweiligen Lagerkörper 18, 19 zugeführt, so bildet sich zwischen der Lagerbohrung 21 und der Welle 15 ein in der Lagerung der Welle 15 dienender Mediumfilm aus.
In der ersten Verdichterstufe 11 wird beispielsweise Luft an einer Eingangsseite mit einem Druck p₁ zugeführt bzw. angesaugt. Die erste Verdichterstufe 11 verdichtet die Luft von dem Druck p₁ auf den Druck p₂ . Die Luft gelangt daraufhin an die Eingangsseite der zweiten Verdichterstufe 12, wobei die zweite Verdichterstufe 12 die Luft von dem Druck p₂ ausgangsseitig auf den Druck p₃ verdichtet.
Die Ausgangsseite der zweiten Verdichterstufe 12 weist einen Druckauslass 28 auf, in dessen Bereich die komprimierte Luft mit dem Druck p₃ vorliegt. Über eine Leitung 29 gelangt die komprimierte Luft zum System 100. Gleichzeitig kann die in der Leitung 29 unter Überdruck stehende Luft einer auf unterschiedliche Art und Weise ausgebildeten Versorgungseinrichtung 30 zugeführt werden. Die Versorgungseinrichtung 30 dient entsprechend der Darstellung der 2 bis 5 auf unterschiedliche Art und Weise der Versorgung der Leitung 23 mit dem Medium 22.
So ist in der 2 der Fall dargestellt, bei der die Leitung 29, ggf. unter Zwischenschaltung eines Druckminderungsventils 31, unmittelbar mit den beiden Lagerkörpern 18, 19 bzw. deren Zuführleitung 23 verbunden ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die in der Leitung 29 vorhandene verdichtete Luft über die Zuführleitung 23 zumindest teilweise den Lagerkörpern 18, 19 zugeführt wird und den Medienfilm zur Lagerung der Welle 15 in Form von Druckluft ausbildet.
In der 3 ist der Fall dargestellt, bei der die Leitung 29 in Wirkverbindung mit einem Druckspeicher 33 angeordnet ist, in dem sich komprimierte Luft aus der Leitung 29 befindet. Diese Luft kann über ein Ventil 34 wiederum in die Zuführleitung 23 eingespeist werden, wobei das Ventil 34 derart ausgebildet ist, dass ggf. eine Mischung von aus dem Druckspeicher 33 komprimierter Luft mit aus der Leitung 29 befindlicher Luft stattfinden kann.
Bei dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf letztgenannte Möglichkeit verzichtet, d.h., dass die Leitung 29 ausschließlich mit dem Druckspeicher 33 verbunden ist, welcher wiederum Druckluft in die Zuführleitung 23 für die beiden Lagerkörper 18, 19 einspeisen kann.
Zuletzt ist in der 5 der Fall dargestellt, bei der zusätzlich zu einer Lagerung der Welle 15 mittels komprimierter Luft eine Lagerung der Welle 15 mittels einer Schmierflüssigkeit stattfinden kann. Diese Schmierflüssigkeit in Form eines weiteren Mediums 35 ist über eine Einrichtung 38 in eine Leitung 36 einspeisbar, die über ein Ventil 37 entweder allein in die Zuführleitung 23, oder aber zusätzlich mit komprimierter Luft aus der Leitung 29 in die Zuführleitung 23 eingespeist werden kann. Das Ventil 37 ermöglicht darüber hinaus, die Versorgung der Lagerkörper 18, 19 ausschließlich über die Leitung 29 erfolgen zu lassen.
In der 6 ist eine weitere Verdichtereinrichtung 10a in Form eines Kältemittelverdichters dargestellt, bei der diese eine elektrische Maschine 40 zum Antreiben der Welle 15 umfasst. Hierzu sind beispielhaft am Außenumfang der Welle 15 Magnetelemente 41 angeordnet, die mit einem Stator 42 zusammenwirken. An einem Druckauslass 45 einer Verdichterstufe 46 steht unter Druck stehendes Medium 22 (Luft) an, die über die Zuführleitung 23 wiederum den beiden Lagerkörpern 18, 19 zuführbar ist. Gleichzeitig ist ein Ventil 48 vorgesehen, das im Bereich eines Druckspeichers 50 angeordnet ist. In dem als Versorgungseinrichtung 30a dienenden Druckspeicher 50 ist das Kältemittel als weiteres Medium 35 gespeichert. Je nach Druck bzw. Temperatur im Druckspeicher 50 liegt das Kältemittel im flüssigen oder gasförmigen Zustand vor, wobei es zur Schmierung der Lagerkörper 18, 19 dient, und wobei der Druck in dem Druckspeicher 50 durch eine entsprechende Ansteuerung des Ventils 48 beeinflussbar ist. Der Druckspeicher 50 ist mit einem Speichertank 51 verbunden, der über ein Sperrventil 52 Kältemittel in den Druckspeicher 50 einleiten kann. Die Ausgangsseite des Druckspeichers 50 ist über ein Ventil 55 wiederum mit der Zuführleitung 23 für die beiden Lagerkörper 18, 19 in Wirkverbindung angeordnet, sodass es möglich ist, den beiden Lagerkörpern 18, 19 entweder komprimierte Luft, Kältemittel oder eine Kombination der beiden Medien 22, 35 zuzuführen.
Die soweit beschriebene Verdichtereinrichtung 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
So wird insbesondere darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von Lagereinrichtungen 17 bzw. Lagerkörpern 18, 19 zur radialen Lagerung der Welle 15 beschränkt sein soll. Vielmehr ist es alternativ oder zusätzlich denkbar, entsprechend der Darstellung der 1 eine Lagereinrichtung 17a mit einem Lagerkörper 18a vorzusehen, der der axialen Lagerung der Welle 15 dient. Dementsprechend ist dann auch die Lagereinrichtung 17a mit der Zuführleitung 23 verbunden. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass beispielsweise der Druckspeicher 33 in der 3 in Wirkverbindung mit einer Druckerhöhungseinrichtung 38 in Form einer Heizeinrichtung angeordnet ist.

Claims

Verdichtereinrichtung (10; 10a), mit wenigstens einer Lagereinrichtung (17; 17a) für eine Welle (15) der Verdichtereinrichtung (10; 10a), wobei die wenigstens eine Lagereinrichtung (17; 17a) wenigstens einen Lagerkörper (18; 18a, 19) zur radialen und/oder axialen Lagerung der Welle (15) aufweist, wobei der wenigstens eine Lagerkörper (18; 18a, 19) mit unter Druck stehendem Medium (22, 35) zur Lagerung der Welle (15) beaufschlagbar ist, mit einer mit dem wenigstens einen Lagerkörper (18; 18a, 19) in Wirkverbindung angeordneten Versorgungseinrichtung (30; 30a) für das Medium (22, 35), wobei die Welle (15) zum Antreiben wenigstens einer Verdichterstufe (11, 12; 46) dient, wobei die wenigstens eine Verdichterstufe (11, 12; 46) einen Druckauslass (28; 45) aufweist, an dem bei einem Betrieb der Verdichtereinrichtung (10; 10a) unter Druck stehendes Medium (22, 35) ansteht, und wobei der Druckauslass (28; 45) zumindest mittelbar mit der wenigstens eine Lagereinrichtung (17; 17a) und/oder der Versorgungseinrichtung (30; 30a) verbunden ist.
Verdichtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des dem wenigstens einen Lagerkörper (18; 18a, 19) zuführbaren Mediums (22, 35) mittels eines Ventils (31, 34, 37; 48, 55) begrenzbar ist.
Verdichtereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinrichtung (30; 30a) mit einer Druckerhöhungseinrichtung (39) verbunden ist.
Verdichtereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungseinrichtung (39) als Heizeinrichtung ausgebildet ist, und dass die Versorgungseinrichtung (30; 30a) als Druckspeicher (30; 50) ausgebildet ist.
Verdichtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (10) als Kompressor ausgebildet ist.
Verdichtereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (22) Luft ist.
Verdichtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (10) als Hydraulikpumpe ausgebildet und das Medium (55) eine Schmiereigenschaften aufweisende Flüssigkeit ist.
Verdichtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (35) ein Kältemittel ist, dessen Aggregatszustand beim Betrieb der Verdichtereinrichtung (10a) änderbar ist.
Verdichtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (10; 10a) dazu ausgebildet ist, beim Betrieb im Bereich der wenigstens eine Lagereinrichtung (17; 17a) eine Umfangsgeschwindigkeit von mehr als 100m/s oder eine Drehzahl von mehr als 100000min^-1 aufzuweisen.
Elektrische Maschine (40) mit einer Verdichtereinrichtung (10; 10a), die nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.