DE102019215223A1 - Thrust gas bearings - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Axial-Gaslager (30) mit mindestens einem Gaslagerspalt (58,59), der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe (33) und einer Stützfläche (48,49) ausgebildet ist.Um das Axial-Gaslager (30) funktionell zu verbessern, ist die Stützfläche (48,49) an einem Stützkörper (38,39) aus einem Aluminiummaterial vorgesehen.The invention relates to an axial gas bearing (30) with at least one gas bearing gap (58, 59) which is designed to form a supporting gas film between an axial bearing disk (33) and a support surface (48, 49) ) To improve functionally, the support surface (48, 49) is provided on a support body (38, 39) made of an aluminum material.
Description
Die Erfindung betrifft ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist.The invention relates to an axial gas bearing with at least one gas bearing gap which is designed to form a load-bearing gas film between an axial bearing disk and a support surface.
Stand der TechnikState of the art
Aus der amerikanischen Offenlegungsschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist, funktionell zu verbessern.The object of the invention is to functionally improve an axial gas bearing with at least one gas bearing gap which is designed to form a supporting gas film between an axial bearing disk and a support surface.
Die Aufgabe ist bei einem Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist, dadurch gelöst, dass die Stützfläche an einem Stützkörper aus einem Aluminiummaterial vorgesehen ist. Im Betrieb des Axial-Gaslagers dreht sich die Axiallagerscheibe, die zum Beispiel an einem Rotor ausgebildet ist, um eine Drehachse. Durch diese Drehbewegung wird unter Zuhilfenahme von Lagerelementen, wie Folien, in dem Gaslagerspalt eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Gasströmung erzeugt, die den tragenden Gasfilm zwischen der Axiallagerscheibe und der Stützfläche aufbaut. Das Gas für den tragenden Gasfilm wird zum Beispiel über entsprechende Öffnungen zugeführt. Die Ausführung und Anordnung dieser Öffnungen ist bekannt und hier nicht weiter erläutert. Bei dem Gas handelt es sich um Beispiel um Luft. Daher wird das Axial-Gaslager auch als Axial-Luftlager bezeichnet. Der Begriff axial bezieht sich auf die Drehachse des Rotors. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Rotors. Je nach Anwendung können im Betrieb des Axial-Gaslagers große Axialkräfte und/oder hohe Drehzahlen auftreten. Durch den Stützkörper aus dem Aluminiummaterial wird auf einfache Art eine effiziente Kühlung des Axial-Gaslagers ermöglicht. Dadurch wird auch bei großen Axialkräften und hohen Drehzahlen eine fehlerfreie Funktion einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine sichergestellt. Das Aluminiummaterial hat im Vergleich zu einem bei herkömmlichen Axial-Gaslagern verwendeten Stahlmaterial eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit. So kann die im Betrieb des Axial-Gaslagers auftretende Wärme besser aus dem Axial-Gaslager abgeführt werden. Darüber hinaus ist das Aluminiummaterial fertigungstechnisch, zum Beispiel spanend, einfacher zu bearbeiten.In the case of an axial gas bearing with at least one gas bearing gap, which is designed to form a supporting gas film between an axial bearing disk and a support surface, the support surface is provided on a support body made of an aluminum material. When the axial gas bearing is in operation, the axial bearing disk, which is formed, for example, on a rotor, rotates about an axis of rotation. With the aid of bearing elements such as foils, this rotary movement generates a gas flow in the gas bearing gap which runs essentially in the circumferential direction and which builds up the load-bearing gas film between the axial bearing disk and the support surface. The gas for the supporting gas film is supplied, for example, via appropriate openings. The design and arrangement of these openings is known and will not be further explained here. The gas is, for example, air. The thrust gas bearing is therefore also referred to as an axial air bearing. The term axial refers to the axis of rotation of the rotor. Axial means in the direction or parallel to the axis of rotation of the rotor. Depending on the application, large axial forces and / or high speeds can occur during operation of the axial gas bearing. The support body made of the aluminum material enables efficient cooling of the axial gas bearing in a simple manner. This ensures that a machine equipped with the axial gas bearing will function properly even with high axial forces and high speeds. The aluminum material has a significantly greater thermal conductivity compared to a steel material used in conventional axial gas bearings. In this way, the heat that occurs during operation of the axial gas bearing can be better dissipated from the axial gas bearing. In addition, the aluminum material is easier to process in terms of production technology, for example by cutting.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche mit einer Hartstoffschicht versehen ist. Das Axial-Gaslager ist vorzugsweise als Folienlager ausgeführt. Ein solches Folienlager umfasst zum Beispiel mindestens eine Federfolie und mindestens eine Deckfolie. Die Federfolie ist zwischen der Deckfolie und der Stützfläche eingespannt. Durch die Hartstoffschicht wird ein unerwünschtes Eingraben der Federfolie in den Stützkörper aus dem relativ weichen Aluminiummaterial verhindert. Mit der Hartstoffschicht lassen sich vorteilhaft ähnliche Genauigkeiten wie mit Stahlbauteilen erzielen. Die Hartstoffschicht wird zum Beispiel durch Eloxieren auf das Aluminiummaterial aufgebracht. Alternativ kann die Hartstoffschicht aus Titannitrid gebildet sein.A preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the support body made of the aluminum material is provided with a hard material layer to protect the support surface from wear. The axial gas bearing is preferably designed as a foil bearing. Such a film store comprises, for example, at least one spring film and at least one cover film. The spring foil is clamped between the cover foil and the support surface. The hard material layer prevents the spring foil from digging into the support body made of the relatively soft aluminum material. With the hard material layer, similar accuracies can advantageously be achieved as with steel components. The hard material layer is applied to the aluminum material, for example by anodizing. Alternatively, the hard material layer can be formed from titanium nitride.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper mit mindestens einem Ringkörper kombiniert ist, der radial außerhalb der Axiallagerscheibe angeordnet ist. Der Ringkörper begrenzt einen Aufnahmeraum des Axial-Gaslagers. In dem Aufnahmeraum, der durch den Ringkörper und den Stützkörper begrenzt wird, ist die Axiallagerscheibe des Axial-Gaslagers drehbar gelagert. Je nach Ausführung kann der Ringkörper auch mit dem Stützkörper einstückig verbunden sein.Another preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the support body is combined with at least one annular body which is arranged radially outside the axial bearing disk. The ring body delimits a receiving space of the axial gas bearing. The axial bearing disk of the axial gas bearing is rotatably mounted in the receiving space which is delimited by the ring body and the support body. Depending on the design, the ring body can also be connected in one piece to the support body.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper aus einem Aluminiummaterial gebildet ist. Dadurch kann die Wärmeabfuhr der im Betrieb auftretenden Wärme aus dem Aufnahmeraum des Axial-Gaslagers weiter verbessert werden. Der Ringkörper ist zum Beispiel mit geeigneten Befestigungsmitteln an einem Gehäusekörper einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine befestigt.Another preferred embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the ring body is formed from an aluminum material. As a result, the heat dissipation of the heat occurring during operation from the receiving space of the axial gas bearing can be further improved. The ring body is fastened, for example with suitable fastening means, to a housing body of a machine equipped with the axial gas bearing.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Stützfläche an einem Gehäusekörper einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine vorgesehen ist. Bei der Maschine handelt es sich zum Beispiel um einen Luftverdichter, der vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von Luft dient, die Sauerstoff enthält, der im Betrieb der Brennstoffzelle zu Wasser umgesetzt wird. Der Luftverdichter umfasst zum Beispiel ein Gehäuse aus einem Aluminiummaterial, zu dem der Gehäusekörper mit der weiteren Stützfläche gehört. So kann vorteilhaft ein zweiter Stützkörper entfallen.Another preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that a further support surface is provided on a housing body of a machine equipped with the axial gas bearing. The machine is, for example, an air compressor, which is preferably used in a fuel cell system to provide air that contains oxygen, which is converted to water when the fuel cell is in operation. The air compressor comprises, for example, a housing made of an aluminum material, to which the housing body with the further support surface belongs. A second support body can thus advantageously be dispensed with.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper aus einem Aluminiummaterial gebildet ist. Der Gehäusekörper ist vorzugsweise aus dem gleichen Aluminiummaterial gebildet wie der Stützkörper. Besonders vorteilhaft ist das Gehäuse des mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Luftverdichters insgesamt aus Aluminiummaterial gebildet.Another preferred embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the housing body is formed from an aluminum material. The housing body is preferably formed from the same aluminum material as the support body. The housing of the air compressor equipped with the axial gas bearing is particularly advantageously made entirely of aluminum material.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche mit einer Hartstoffschicht versehen ist. Das Axial-Gaslager ist vorzugsweise als Folienlager ausgeführt. Ein solches Folienlager umfasst zum Beispiel mindestens eine Federfolie und mindestens eine Deckfolie. Die Federfolie ist zwischen der Deckfolie und der Stützfläche eingespannt. Durch die Hartstoffschicht wird ein unerwünschtes Eingraben der Federfolie in den Gehäusekörper aus dem relativ weichen Aluminiummaterial verhindert. Mit der Hartstoffschicht lassen sich vorteilhaft ähnliche Genauigkeiten wie mit Stahlbauteilen erzielen, insbesondere durch ein Überschleifen der Hartstoffschicht. Die Hartstoffschicht wird zum Beispiel durch Eloxieren auf das Aluminiummaterial aufgebracht. Alternativ kann die Hartstoffschicht aus Titannitrid gebildet sein.Another preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the housing body made of the aluminum material is provided with a hard material layer to protect the support surface from wear. The axial gas bearing is preferably designed as a foil bearing. Such a film store comprises, for example, at least one spring film and at least one cover film. The spring foil is clamped between the cover foil and the support surface. The hard material layer prevents the spring foil from digging into the housing body made of the relatively soft aluminum material. With the hard material layer it is advantageously possible to achieve accuracies similar to those with steel components, in particular by grinding the hard material layer. The hard material layer is applied to the aluminum material, for example by anodizing. Alternatively, the hard material layer can be formed from titanium nitride.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Gehäusekörper eine Kühlung integriert ist. Die Kühlung umfasst zum Beispiel einen Kühlwassermantel mit Kühlkanälen, durch die ein Kühlmittel, wie Wasser, geführt wird, um im Betrieb des Axial-Gaslagers auftretende Wärme abzuführen. Durch die Verwendung des gut wärmeleitfähigen Aluminiummaterials zur Darstellung des Stützkörpers beziehungsweise von zwei Stützkörpern beziehungsweise eines Stützkörpers und des Gehäusekörpers kann die Wärme aus dem Axial-Gaslager besonders effektiv abgeführt werden.Another preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that a cooling system is integrated into the housing body. The cooling comprises, for example, a cooling water jacket with cooling channels through which a coolant, such as water, is passed in order to dissipate heat that occurs during operation of the axial gas bearing. By using the highly thermally conductive aluminum material to represent the support body or two support bodies or a support body and the housing body, the heat from the axial gas bearing can be dissipated particularly effectively.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Luftverdichter mit einem Rotor, der durch ein vorab beschriebenes Axial-Gaslager gelagert ist. An dem Rotor ist die Axiallagerscheibe angebracht.The invention also relates to an air compressor with a rotor which is supported by an axial gas bearing described above. The axial bearing disk is attached to the rotor.
Das vorab beschriebene Axial-Gaslager wird vorzugsweise in einem Luftverdichter oder Luftkompressor zur axialen Lagerung eines Rotors verwendet. Der Luftverdichter oder Luftkompressor wiederum wird vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem verwendet, um ein Gas, insbesondere Luft, zu verdichten, die dann einer Brennstoffzelle zugeführt wird.The axial gas bearing described above is preferably used in an air compressor or air compressor for the axial bearing of a rotor. The air compressor or air compressor, in turn, is preferably used in a fuel cell system in order to compress a gas, in particular air, which is then fed to a fuel cell.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Axial-Gaslagers.The invention also relates to a method for operating an axial gas bearing described above.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Stützkörper, einen Gehäusekörper und/oder einen Ringkörper für ein vorab beschriebenes Axial-Gaslager. Die genannten Körper sind separat handelbar.The invention also relates to a support body, a housing body and / or an annular body for an axial gas bearing described above. The named bodies can be traded separately.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
FigurenlisteFigure list
Es zeigen:
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1a eine schematische Schnittdarstellung eines Axial-Gaslagers mit einem ersten Ausführungsbeispiel; -
1b die gleiche Darstellung wie in1a gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers; -
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Verdichters mit einem Rotor, der durch drei Lager radial und axial drehbar gelagert ist; und -
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Luftverdichter, wie er in2 dargestellt ist.
-
1a a schematic sectional view of an axial gas bearing with a first embodiment; -
1b the same representation as in1a according to a second embodiment of the axial gas bearing; -
2 a schematic sectional view of a compressor with a rotor, which is radially and axially rotatably supported by three bearings; and -
3 a schematic representation of a fuel cell system with an air compressor, as shown in2 is shown.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
In
Durch einen Pfeil
Die über den Kühlluftpfad
Da der Kühlluftmassenstrom
Der verbleibende Luftmassenstrom
Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung
Der Abgasmassenstrom
Die Welle ist durch einen Elektromotor
Das Brennstoffzellensystem
Das Brennstoffzellensystem
In
Der Rotor
An dem in
Die Gaslager
Der Rotor
In den
Der Rotor
Das Axial-Gaslager
Zwischen den Stützkörpern
Zwischen der Axiallagerscheibe
Gas, insbesondere Luft, zur Ausbildung des tragenden Gasfilms in den Gaslagerspalten
Im Betrieb des Axial-Gaslagers
Über den Zusatzringkörper
Im Betrieb des Axial-Gaslagers
Bei dem in
Der Gehäusekörper
In
Der Gehäusekörper
Der Kühlkanal
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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