DE102018207114A1

DE102018207114A1 - Lagereinrichtung mit einer strukturierten Welle

Info

Publication number: DE102018207114A1
Application number: DE102018207114.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2019-11-14
Also published as: WO2019214883A1

Abstract

Der hier vorgestellte Ansatz betrifft eine Lagereinrichtung (10) mit einem Gehäuse (12); zumindest einem in dem Gehäuse (12) angeordneten Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager zur Lagerung einer drehenden Welle (16); und der Welle (16), welche in einem Lagerbereich (20) des zumindest einen Folienlagers (14) und/oder Kippsegmentlagers gelagert ist, wobei die Welle im Lagerbereich (20) eine definierte Strukturierung (24) zur definierten Leitung eines Arbeitsfluids durch den Lagerbereich (20) bei Drehung der Welle (16) aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung mit einer strukturierten Welle sowie eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Strömungsverdichter mit einer
Schnell drehende Rotoren (z.B. in Turbomaschinen, wie Turboverdichtern oder Turbinen) werden unter anderem mit Gaslagern (meist Arbeitsmedium Luft, also Luftlager) gelagert. Es existieren hierfür klassisch sog. „externally pressurized bearings“, d.h. Lager die mit Druck beaufschlagt werden), „herringbone grooved bearings“, d.h. Radiallager mit sehr feinen Nuten im 10-100µm Bereich in Pfeilform auf der Welle oder „spiral grooved bearings“, d.h. Axiallager mit Spiralrillen. Des Weiteren gibt es noch „tilted pad bearings“, d.h. Kippsegmentlager und die am meisten verbreiteten „foil bearings“, d.h. Folienlager.
Bei extremen Umfangsgeschwindigkeit entsteht sowohl auf der rotierenden als auch auf der stehenden Seite auf vergleichsweise kleiner Fläche eine extreme Verlustleistung durch Reibung. Hierbei stellt hauptsächlich die Wärmeentwicklung ein Problem dar, da die Schmierfilme sehr klein sind (µm-Bereich) und die thermischen Verformungen eine vergleichbare Größenordnung aufweisen.
Die DE 10 2014 201 563 A1 offenbart ein aerodynamisches Luftlager mit einer Deckfolie zur Lagerung einer Welle, wobei die Deckfolie eine partielle Beschichtung mit einer Strukturierung aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lagereinrichtung mit einem Gehäuse; zumindest einem in dem Gehäuse angeordneten Folienlager und/oder Kippsegmentlager zur Lagerung einer drehenden Welle; und der Welle, welche in einem Lagerbereich des zumindest einen Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers gelagert ist, wobei die Welle im Lagerbereich eine definierte Strukturierung zur definierten bzw. gezielten Leitung eines Arbeitsfluids durch den Lagerbereich bei Drehung der Welle aufweist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Strömungsverdichter mit einer vorangehend beschriebenen Lagereinrichtung.
Das Folienlager und/oder das Kippsegmentlager kann als Radiallager oder Axiallager ausgebildet sein.
Das Arbeitsmedium ist bevorzugt Luft. Hierbei kann das Kippsegmentlager ein luftgeschmiertes Kippsegmentlager sein.
Unter einer „definierten Leitung“ soll im Rahmen dieser Erfindung ein definierter Fluidstrom verstanden werden. Die definierte Leitung bzw. der definierte Strom wird bei Drehung der Welle, d.h. im Betrieb der Einrichtung, bspw. der Strömungsmaschine erzeugt.
Hierbei ist die definierte Strukturierung bevorzugt derart ausgebildet, dass bei Drehung der Welle, d.h. im Betrieb das Arbeitsfluid von einem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich definiert geleitet wird.
Es sei hierbei angemerkt, dass selbstverständlich jede Oberfläche im weitesten Sinne eine Art „Strukturierung“ aufweist. Im Sinne dieser Anmeldung ist mit dem strukturierten Bereich jedoch ein Bereich gemeint, welcher eine deutliche sich von dem umgebenden Bereich unterscheidende definierte Strukturierung aufweist, um eine definierten Leitung eines Arbeitsfluids durch den Lagerbereich bei Drehung der Welle zu erzeugen. Die definierte Leitung des Arbeitsfluids kann hierbei durch einen Teil des Lagerbereiches oder auch durch den gesamten Lagerbereich erfolgen. Die definierte Strukturierung weist bevorzugt definierte Nuten bzw. Rillen auf. Hierbei verlaufen die Nuten bzw. Rillen bevorzugt zumindest teilweise oder auch vollständig relativ zu einer Drehachse der Welle in einem Winkelbereich von größer 0° bis kleiner 90° und/oder kleiner -0° bis größer -90° und/oder pfeilförmig und/oder V-förmig und/oder helixförmig.
Mit der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung ist es nunmehr möglich, sehr einfach und kostengünstig ein Rotor-Lagersystem mit einem Folienlager und/oder Kippsegmentlager im Schmierspalt gezielt zu kühlen. Durch eine entsprechende Strukturierung auf der Welle im Lagerbereich des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers kann ein definierter Massestrom bzw. Kühlstrom durch den Lagerspalt erzeugt werden, der die Reibungswärme des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers direkt aus dem Lagerspalt abführt. Hierdurch können wiederum kleinere Lager realisiert werden, was zu kleineren Verlustleistungen führt oder auch kompaktere Bauweisen ermöglicht.
Es ist vorteilhaft, wenn in axialer Richtung der erste Bereich und der zweite Bereich relativ zu dem Folienlager und/oder Kippsegmentlager gegenüberliegend außerhalb des Lagerbereiches angeordnet sind. Die axiale Richtung entspricht hierbei der Drehachse bzw. Längsachse der Welle. Der erste Bereich und/oder der zweite Bereich kann angrenzend zu dem Folienlager und/oder Kippsegmentlager angeordnet sein. D.h., mit anderen Worten, dass das Folienlager und/oder Kippsegmentlager von dem Arbeitsfluid axial durchströmt wird. Hierdurch kann ein effizienter Kühlstrom in axialer Richtung, d.h. durch den Lagerbereich bzw. Lagerspalt von einer Seite zu der anderen Seite des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers erzeugt werden.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn in axialer Richtung der erste Bereich innerhalb, insbesondere im Wesentlichen mittig innerhalb des Lagerbereiches, und der zweite Bereich außerhalb des Lagerbereiches angeordnet sind. Hierdurch kann ein effizienter Kühlstrom aus dem Lagerbereich bzw. Lagerspalt nach außen, d.h. in einen kühleren Bereich außerhalb Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers erzeugt werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die definierte Strukturierung in axialer Richtung der erste Bereich außerhalb des Lagerbereiches und der zweite Bereich innerhalb, insbesondere im Wesentlichen mittig innerhalb des Lagerbereiches angeordnet sind. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Folienlager und/oder Kippsegmentlager im Lagerbereich zumindest eine Entlüftungsöffnung zur Ableitung des Arbeitsfluids aus dem Lagerbereich aufweist. Der erste Bereich kann hierbei zwei relativ zu dem Folienlager und/oder Kippsegmentlager gegenüberliegend angeordnete erste Teilbereiche aufweisen. Hierdurch kann ein effizienter Kühlstrom aus einen kühleren Bereich außerhalb Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers in bzw. durch den Lagerbereich bzw. Lagerspalt hindurch erzeugt werden, welcher mittels der Entlüftungsöffnung aus dem Lagerbereich bzw. Lagerspalt abgeleitet wird.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn das Gehäuse derart ausgebildet und das Folienlager und/oder Kippsegmentlager derart in dem Gehäuse angeordnet ist, dass sich in axialer Richtung ein definierter Druckgradient an dem Folienlager und/oder Kippsegmentlager und/oder ein definierter Staudruck außerhalb des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers einstellt. Hierbei ist das Folienlager und/oder Kippsegmentlager bevorzugt als Radiallager ausgebildet und die Nuten der Strukturierung verlaufen bevorzugt helixförmig. Durch diese Maßnahme kann ein Staudruck an einer definierten Stelle, bspw. am Rande des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers erzeugen werden, wodurch eine zusätzliche Dichtungsfunktion realisierbar ist.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die definierte Strukturierung derart ausgebildet ist, um eine Lagereigenschaft, insbesondere die Dämpfung und/oder die Steifigkeit des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Welle definiert zu verändern, insbesondere zu erhöhen und/oder zu senken. Diese Maßnahme ist insbesondere bei Folienlagern vorteilhaft, wobei sowohl die Lager als auch der Welle für den Betriebsdrehzahlbereich optimal ausgelegt werden können.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 einen schematischen Querschnitt einer Lagereinrichtung gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel; und
2 einen schematischen Querschnitt einer Lagereinrichtung gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Lagereinrichtung in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 versehen.
Die Lagereinrichtung 10 weist Gehäuse 12, zwei Folienlager 14 und eine Welle 16 auf. Das Folienlager 14 ist in einer Lageraufnahme 18 des Gehäuses 12 aufgenommen.
Die Welle 16 ist mittels der Folienlagern 14 in Lagerbereichen 20 der Folienlager 14 um eine Drehachse 22 drehbar gelagert. Hierbei weist die Welle 16 in den Lagerbereichen 20 eine definierte Strukturierung 24 auf. Die definierte Strukturierung 24 weist definierte Nuten 26 auf, welche pfeilförmig verlaufen und einen Winkel von +-45° zu der Drehachse 22 der Welle 16 aufweisen. Die definierte Strukturierung 24 ist derart ausgebildet, dass bei entsprechender Drehung der Welle 16 ein Arbeitsfluid, welches hierbei Luft ist, von einem ersten Bereich 28 zu einem zweiten Bereich 30 definiert geleitet wird. Hierbei sind in axialer Richtung 32 der erste Bereich 28 außerhalb des Lagerbereiches 20 und der zweite Bereich 30 innerhalb, insbesondere im Wesentlichen mittig innerhalb des Lagerbereiches 20 angeordnet. Um das Arbeitsfluid aus dem Lagerbereich 20 abzuleiten, weisen die Folienlager 14 jeweils im Lagerbereich 20 eine Entlüftungsöffnung 34 auf. Demnach wird mittels der definierten Strukturierung 24 an der Welle 16 eine definierte Leitung eines Arbeitsfluids bzw. der Luft (und damit ein Kühlstrom) in Pfeilrichtung 36 bei entsprechender Drehung der Welle 16, d.h. im Betrieb erzeugt.
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Lagereinrichtung 10, wobei die Rillen 26 der Welle 16 im Wesentlichen parallel verlaufen und in einem Winkel von +45° zu der Drehachse 22 der Welle 16 aufweisen. Hierbei wird das Arbeitsfluid bzw. die Luft bei entsprechender Drehung der Welle 16 in Pfeilrichtung 36 von dem ersten Bereich 28 zu dem relativ zu dem Folienlager 14 gegenüberliegend angeordneten zweiten Bereich 30 definiert geleitet. Dies führt dazu, dass die Folienlager 14 von der Luft in axialer Richtung 32 durchströmt werden, so dass durch die Lagerbereiche 20 ein effizienter Kühlstrom erzeugt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014201563 A1 [0004]

Claims

Lagereinrichtung (10) mit - einem Gehäuse (12); - zumindest einem in dem Gehäuse (12) angeordneten Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager zur Lagerung einer drehenden Welle (16); und - der Welle (16), welche in einem Lagerbereich (20) des zumindest einen Folienlagers (14) und/oder Kippsegmentlagers gelagert ist, wobei die Welle im Lagerbereich (20) eine definierte Strukturierung (24) zur definierten Leitung eines Arbeitsfluids durch den Lagerbereich (20) bei Drehung der Welle (16) aufweist.
Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Strukturierung (24) derart ausgebildet ist, dass bei Drehung der Welle (16) das Arbeitsfluid von einem ersten Bereich (28) zu einem zweiten Bereich (30) definiert geleitet wird.
Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung (32) der erste Bereich (28) und der zweite Bereich (30) relativ zu dem Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager gegenüberliegend außerhalb des Lagerbereiches (20) angeordnet sind.
Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung (32) der erste Bereich (28) innerhalb, insbesondere im Wesentlichen mittig innerhalb des Lagerbereiches (20), und der zweite Bereich (30) außerhalb des Lagerbereiches (20) angeordnet sind.
Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Strukturierung (24) in axialer Richtung (32) der erste Bereich (28) außerhalb des Lagerbereiches (20) und der zweite Bereich (30) innerhalb, insbesondere im Wesentlichen mittig innerhalb des Lagerbereiches (20) angeordnet sind.
Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager im Lagerbereich (20) zumindest eine Entlüftungsöffnung (34) zur Ableitung des Arbeitsfluids aus dem Lagerbereich (20) aufweist.
Lagereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Gehäuse (12) derart ausgebildet und das Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager derart in dem Gehäuse (12) angeordnet ist, dass sich in axialer Richtung (32) ein definierter Druckgradient an dem Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager und/oder ein definierter Staudruck außerhalb des Folienlagers (14) und/oder Kippsegmentlagers einstellt.
Lagereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Strukturierung (24) derart ausgebildet ist, um eine Lagereigenschaft, insbesondere die Dämpfung und/oder die Steifigkeit des Folienlagers (14) und/oder Kippsegmentlagers in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Welle (16) definiert zu verändern, insbesondere zu erhöhen und/oder zu senken.
Lagereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Strukturierung (24) definierte Nuten (26) aufweist.
Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (26) zumindest teilweise relativ zu einer Drehachse (22) der Welle in einem Winkelbereich von größer 0° bis kleiner 90° und/oder kleiner -0° bis größer -90° und/oder pfeilförmig und/oder V-förmig und/oder helixförmig verlaufen.
Lagereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Luft ist und insbesondere das Kippsegmentlager ein luftgeschmiertes Kippsegmentlager ist.
Strömungsmaschine, insbesondere Strömungsverdichter mit einer Lagereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.