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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Axial-Folienlager, umfassend eine Rotorwelle und eine zur der Rotorwelle koaxial angeordnete und axial beabstandete ringscheibenförmige und gegenüber der Rotorwelle ortsfesten Lagergrundplatte, sowie eine Deckfolie, die im Ruhezustand des Axial-Folienlagers an der Rotorwelle anliegt, und welche sich auf einer elastischen Deformationsstruktur gegenüber der Lagergrundplatte axial in Richtung der Rotorwelle federelastisch abstützt, wobei im Betriebszustand des Axialfolienlagers bei einer vorgegebenen Drehzahl der Rotorwelle ein zwischen die Rotorwelle und Deckfolie in Radialrichtung einströmendes Fluid die Deckfolie und die Rotorwelle in Axialrichtung relativ zueinander versetzt, so dass sie durch das Fluid voneinander getrennt sind.
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Hintergrund der Erfindung
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Axial-Folienlager sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und kommen insbesondere bei schnell laufenden Rotoren zum Einsatz, bei denen meist geringe Axialkräfte auftreten. Grundsätzlich können Axial-Folienlager eine hohe axiale Tragfähigkeit aufweisen. Diese kann jedoch durch Schiefstellungen, insbesondere der Rotorwelle, thermisch bedingten Verformungen oder Fertigungsabweichungen stark reduziert werden. Statische Schiefstellungen lassen sich, wie in der Anmeldung
DE102017120760A1 dargestellt, ausgleichen und so die Tragfähigkeit des Axial-Folienlagers erhöhen. Aus bauraumtechnischen Gründen lässt sich eine solche Lösung jedoch nicht immer realisieren. Zudem können thermische Verformungen durch die in
DE102017120760A1 vorgeschlagene Lösung nicht ausgeglichen werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Axial-Folienlager bereitzustellen, dass eine möglichst hohe axiale Tragkraft bei kompakten Baumaßen aufweist. Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu Herstellung eines derartigen Axial-Folienlagers bereitzustellen.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Axial-Folienlager, umfassend eine Rotorwelle und eine zur der Rotorwelle koaxial angeordnete und axial beabstandete ringscheibenförmige und gegenüber der Rotorwelle ortsfesten Lagergrundplatte, sowie eine Deckfolie, die im Ruhezustand des Axial-Folienlagers an der Rotorwelle anliegt, und welche sich auf einer elastischen Deformationsstruktur gegenüber der Lagergrundplatte axial in Richtung der Rotorwelle federelastisch abstützt, wobei im Betriebszustand des Axialfolienlagers bei einer vorgegebenen Drehzahl der Rotorwelle ein zwischen die Rotorwelle und Deckfolie in Radialrichtung einströmendes Fluid die Deckfolie und die Rotorwelle in Axialrichtung relativ zueinander versetzt, so dass sie durch das Fluid voneinander getrennt sind, wobei die elastische Deformationsstruktur mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf der Lagergrundplatte ausgeformt ist, wobei die additiv gefertigte elastische Deformationsstruktur derart konfiguriert ist, dass ein in radialer und/oder umfänglicher Richtung verlaufender Federsteifigkeitsgradient der Deformationsstruktur einstellbar ist.
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Hierdurch kann eine optimierte, auf den Belastungsfall des Axial-Folienlagers angepasste Steifigkeitsverteilung der elastischen Deformationsstruktur realisiert werden, wodurch eine höhere Tragfähigkeit des Axial-Folienlagers erreicht werden kann.
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Bevorzugterweise sind die Federsteifigkeitsgradienten der elastischen Deformationsstruktur in radialer und umfänglicher Richtung so konfiguriert, dass sich bei einer vorgegebenen, auf die Deckfolie bzw. die elastische Deformationsstruktur einwirkende Druckverteilung (Druckfeld des aerodynamischen oder hydrodynamischen Fluidfilms) eine zur Lagergrundplatte und/oder Rotorwelle parallele Ausrichtung der Deckfolie ergibt. Grundsätzlich können durch die entsprechende Anpassung der Federsteifigkeitsgradienten der elastischen Deformationsstruktur auch Schiefstellungen, beispielsweise der Rotorwelle, in einem gewissen Maß ausgeglichen werden.
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Mittels additiver Fertigungsverfahren kann die elastische Deformationsstruktur so belastungsfallspezifisch angepasst werden, dass die Funktion des Axialfolienlagers dauerhaft sichergestellt werden kann.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Axialfolienlager im Sinne dieser Anmeldung sind hydrodynamische oder aerodynamische Lager, bei denen bei unbelastetem Lager eine die drehend gelagerte Rotorwelle abstützende Lagerfläche von einer dünnen und verschleißfesten Deckfolie gebildet ist, welche ihrerseits von einer zwischen Deckfolie und Lagergrundplatte angeordneten elastischen Deformationsstruktur abgestützt wird. Bei Rotation der Rotorwelle übt diese viskose Widerstandskräfte auf ein zwischen der Rotorwelle und der Lagergrundplatte befindliches Fluid, beispielsweise Luft, aus. Nur wenn die Rotorwellendrehgeschwindigkeit über dem liegt, was als Abhebe-/Aufsetzgeschwindigkeit bezeichnet wird, stellen die fluiddynamischen Kräfte, die innerhalb des Axiallagers erzeugt werden, einen Laufzwischenraum zwischen der drehenden Rotorwelle und der nicht drehenden Deckfolie bzw. der Lagergrundplatte sicher.
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Im Betrieb des Axialfolienlagers bildet sich somit zwischen der Rotorwelle und der Deckfolie ein hydrodynamischer oder aerodynamischer, die Rotorwelle tragender Film aus, sodass zwischen den sich relativ zueinander rotierenden Bauteilen keine Festkörperreibung auftritt und derartige Axial-Folienlager entsprechend verschleißarm - insbesondere bei hohen Drehzahlen - betrieben werden können. Nur bei Start- und Stoppvorgängen kann es - bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Axialfolienlagers - zu einem direkten Bewegungskontakt zwischen der Rotorwelle und der Deckfolie kommen. Axialfolienlager der beschriebenen Art werden bevorzugt für vergleichsweise gering belastete, aber mit hoher Drehzahl laufende Wellen eingesetzt, beispielsweise bei Kompressoren, Gasturbinen, Turboladern und dergleichen.
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Die Deckfolie ist innerhalb eines Axialfolienlagers zwischen der Rotorwelle und der elastischen Deformationsstruktur bzw. der Lagergrundplatte angeordnet. Die Deckfolie besitzt bevorzugt eine ringscheibenförmige oder, falls mehrere Deckfoliensegmente vorhanden sind, eine ringscheibensegmentförmige, weitestgehend ebene Ausgestaltung und sie trägt den im Betrieb auf das Axialfolienlager einwirkenden Axialdruck. Die Deckfolie kann insbesondere mittels in der Regel radial verlaufenden Deckfolienanbindungen an der Lagergrundplatte fixiert sein, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben. Das in Umfangsrichtung der Deckfolienanbindung entgegengesetzte Ende der Deckfolie ist in axialer Richtung gegen die Federkraft der elastischen Deformationsfolie frei beweglich. Zwischen der Deckfolienanbindung an der Lagergrundplatte und dem in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Ende der Deckfolie ist üblicherweise ein rampenförmiger Abschnitt der Deckfolie ausgebildet, durch den der aerodynamische oder hydrodynamische Druckaufbau zur Ausbildung des tragenden Spalts zwischen der Deckfolie und der Rotorwelle unterstützt wird. Der axiale Versatz der Deckfolie und damit die Größe und Ausformung des zwischen der Deckfolie und der Rotorwelle im Betrieb gebildeten Spalts sind u.a. von der Rotationsgeschwindigkeit der Rotorwelle und der Konfiguration der elastischen Deformationsstruktur abhängig.
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Die elastische Deformationsstruktur ist in axialer Richtung zwischen der Lagergrundplatte und der Deckfolie angeordnet. Über die elastische Deformationsstruktur wird innerhalb des Axialfolienlagers der aerodynamische oder hydrodynamische Tragdruck aufgebaut. Die elastische Deformationsstruktur spannt die Deckfolie gegen die relativ bewegliche, drehende Rotorwelle vor, um die Deckfolienposition/-verschachtelung zu steuern und eine foliendynamische Stabilität zu schaffen. Eine elastische Deformationsstruktur hat auch die Funktion eine abschnittsweise elastische Deformation der Deckfolie zu ermöglichen, insbesondere bei Druckbeaufschlagung oder Druckeinwirkung durch das Druckfeld des Fluidfilms, der im Betrieb zwischen der Rotorwelle und der Deckfolie ausgebildet ist. Häufig werden die elastischen Deformationsstrukturen auch als „bump foils“ bezeichnet. Auch wenn innerhalb dieser Anmeldung der Singular für die elastische Deformationsstruktur zur einfacheren Lesbarkeit verwendet wird, so versteht sich, dass eine elastische Deformationsstruktur auch aus einer Mehrzahl von, beispielsweise segmentartig über den Umfang der Lagergrundplatte verteilt angeordneten, Deformationsstrukturen bestehen kann.
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Die Lagergrundplatte hat die Funktion die elastische Deformationsstruktur zu tragen und eine Anbindung für die Deckfolie bereitzustellen. Die Lagergrundplatte ist insbesondere gegenüber der drehenden Rotorwelle ortsfest angeordnet und besitzt bevorzugt eine ringscheibenartige Ausformung. Ferner leitet die Lagergrundplatte die von der Rotorwelle auf die Deckfolie und die elastische Deformationsstruktur übertragenen Axiallasten in das das Axial-Folienlager aufnehmende Bauteil ab.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elastische Deformationsstruktur aus Netzzellen, die aus einem Draht oder einer Mehrzahl von Drähten gebildet sind, besteht, wobei die Netzzellen sich jeweils ausgehend von der Lagergrundplatte axial in Richtung der Rotorwelle erstrecken. Es hat sich gezeigt, dass Netzzellen eine gute axiale Federsteifigkeit bereitstellen können und diesbezüglich gut konfigurierbar sind. Eine Netzzelle besteht aus in einem definierten Raumvolumen angeordneten Drähten, die insbesondere auch miteinander verwoben sein können. Eine Netzzelle kann singulär ausgebildet sein, ohne eine mechanische Verbindung zu anderen Netzzellen aufzuweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine oder mehrere Netzzellen miteinander mechanisch verbunden sind.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von elastischen Deformationsstrukturen über die Umfangsrichtung der Lagergrundplatte verteilt angeordnet ist und in Umfangsrichtung benachbarte Deformationsstrukturen durch ein Deckfolienanbindungselement getrennt sind. Hierdurch kann eine besonders gute Anpassung des Axial-Folienlagers an einen definierten Belastungsfall realisiert werden.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Netzzellen eine Mehrzahl von Netzzellen-Gruppen umfassen, die hinsichtlich ihrer axialen Federelastizität voneinander verschieden sind, wodurch die elastische Deformationsstruktur noch spezifischer auf einen vorgesehenen Belastungsfall hin einstellbar wird.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Netzzellen-Gruppen Drähte mit voneinander verschiedenen Drahtdurchmessern und/oder Drahtquerschnitten aufweisen. Hierdurch lässt sich insbesondere die Wirkung erzielen, dass die Anpassbarkeit der elastischen Deformationsstruktur auf einen definierten Belastungsfall weiter verbessert wird.
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In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls möglich, die Querschnittsgeometrie der Drähte zu variieren. Denkbar sind insbesondere kreisförmige, ellipsoide, dreieckige, viereckige, rechteckige oder quadratische Querschnittsformen. So können beispielsweise auch zwei Netzzellen-Gruppen mit unterschiedlichen Querschnittsformen der Drähte vorhanden sein.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Netzzellen-Gruppen eine unterschiedliche Dichte an Drähten aufweisen, was ebenfalls die Anpassbarkeit der elastischen Deformationsstruktur an einen Belastungsfall optimiert. Die Dichte ist hierbei als Masse der Drähte pro Raumvolumen einer Netzzelle definiert.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Netzzellen-Gruppen Drähte mit voneinander verschiedenen Materialien aufweisen. Auch hierdurch kann die Anpassbarkeit der elastischen Deformationsstruktur weiter verbessert werden.
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Es versteht sich, dass die vorangestellten Möglichkeiten unterschiedliche Netzzellen-Gruppen auszubilden, frei miteinander kombinierbar sind. So können beispielsweise gleichzeitig die Dichte der Drähte sowie deren Material in einer Netzzelle variiert werde.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die elastische Deformationsstruktur derart konfiguriert ist, dass im Betrieb des Axial-Folienlagers eine wellenförmige Kontur der Deckfolie ausgebildet wird. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass überraschender Weise eine Erhöhung der axialen Tragkraft des Axial-Folienlagers festgestellt wurde, wenn die Deckfolie eine wellenförmige Kontur aufweist.
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Insbesondere kann die Deckfolie eine sinusförmig wellenförmige Kontur aufweisen. Besonders bevorzugt weist die im Betrieb wellenförmige Deckfolie wenigstens drei Wellenberge und drei Wellentäler auf.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die elastische Deformationsstruktur im Bereich der Wellenberge der Deckfolie eine höhere axiale Federsteifigkeit aufweist als im Bereich der Wellentäler. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine räumlich definierte Ausbildung der im Betrieb des Axial-Folienlagers gewünschten Wellenform realisierbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Axial-Folienlagers, insbesondere eines Axial-Folienlagers nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend die Schritte:
- • Bereitstellung einer Lagergrundplatte,
- • Herstellen einer elastische Deformationsstruktur zur federelastischen Abstützung einer aufliegenden Deckfolie, mittels eines additiven Herstellverfahrens.
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Bevorzugt wird die Lagergrundplatte ebenfalls mittels eines additiven Herstellverfahrens bereitgestellt, ganz besonders bevorzugt in einen Arbeitsprozess mit der elastischen Deformationsstruktur. Es ist insbesondere auch bevorzugt, dass die Netzzellen einer elastischen Deformationsstruktur in einem Arbeitsprozess mit der Lagergrundplatte ausgebildet werden.
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Ferner ist es bevorzugt, dass die Deckfolienanbindungselemente ebenfalls mittels eines additiven Herstellverfahrens bereitgestellt werden, welche höchst bevorzugt in einen Arbeitsprozess mit der elastischen Deformationsstruktur ausgebildet werden.
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Ein additives Herstellungsverfahren wird häufig auch als generatives Fertigungsverfahren oder als ein dreidimensionales Druckverfahren (3D-Druck) bezeichnet. Das additive Herstellverfahren ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Fertigung der Einzelfedern, sowie bevorzugt auch der Lagergrundplatte, der Abstandselemente sowie der Deckfolienanbindungselemente in einem Arbeitsprozess, wobei die Fertigung insbesondere auf der Basis von rechnerinternen Datenmodellen aus formlosem oder formneutralem Ausgangsmaterial mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse erfolgen kann.
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Durch ein additives Herstellungsverfahren ergibt sich die Möglichkeit, einen Hochleistungswerkstoff mit der Ausbildung einer außergewöhnlichen Raumform für Netzzellen sowie einer großen Vielfalt an verschiedenen Raumformen und Anordnung von Netzzellen auf der Lagergrundplatte zu kombinieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Axial-Folienlagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeich-nungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Axial-Folienlagers,
- 2 perspektivische Ansichten einzelner Netzzellen sowie Aufsichten auf eine Mehrzahl von Netzzellen einer elastischen Deformationsstruktur,
- 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Federsteifigkeitsgradienten einer elastischen Deformationsstruktur,
- 4 eine schematische Querschnittsansicht einer wellenförmigen Deckfolie, und
- 5 eine schematische perspektivische Ansicht einer wellenförmiger Deckfolie.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt ein Axial-Folienlager 1, umfassend eine Rotorwelle 2 und eine zur der Rotorwelle 2 koaxial angeordnete und axial beabstandete ringscheibenförmige und gegenüber der Rotorwelle 2 ortsfesten Lagergrundplatte 3, sowie eine Deckfolie 4, die im Ruhezustand des Axial-Folienlagers 1 an der Rotorwelle 2 anliegt. Die Deckfolie 4 stützt sich abschnittsweise auf einer elastischen Deformationsstruktur 5 gegenüber der Lagergrundplatte 3 axial in Richtung der Rotorwelle 2 federelastisch ab. Zwischen dem Abschnitt, an dem die Deckfolie 4 auf der elastischen Deformationsstruktur 5 aufliegt und der Fixierung der Deckfolie 4 an einem Deckfolienanbindungselement 9 ist die Deckfolie 4 rampenförmig ausgebildet, um den axialen Versatz zwischen der Auflage auf der elastischen Deformationsstruktur 5 und dem Anbindungselement 9 ausgleichen zu können.
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Die elastische Deformationsstruktur 5 ist aus einer Mehrzahl von Federelementen mit einer axialen Federsteifigkeit gebildet, wobei im skizzierten Ausführungsbeispiel die Federelemente aus Netzzellen 8 gebildet sind, die sich jeweils ausgehend von der Lagergrundplatte 3 axial in Richtung der Rotorwelle 2 erstrecken. Im Betriebszustand des Axialfolienlagers 1 wird bei einer vorgegebenen Drehzahl der Rotorwelle 2 ein zwischen die Rotorwelle 2 und Deckfolie 4 in Umfangsrichtung einströmendes Fluid 7 die Deckfolie 4 und die Rotorwelle 2 in Axialrichtung relativ zueinander versetzen, so dass sie durch das Fluid 7 voneinander getrennt sind. Dieser Betriebszustand ist in der 1 widergegeben. Die elastische Deformationsstruktur 5 kann so konfiguriert sein, dass sie durch das Druckfeld des in Umfangsrichtung ausströmenden Fluids 7 erzeugten axialen Druckbelastungen so ausgleichen kann, dass im Betrieb des Axial-Folienlagers 1 eine möglichst parallele und ebene axiale Beabstandung von Deckfolie 4 und Rotorwelle 2 realisiert ist, so wie 1 gezeigt. Die elastische Deformationsstruktur 5 ist hierzu mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf der Lagergrundplatte 3 ausgeformt, wobei die additiv gefertigte elastische Deformationsstruktur 5 derart konfiguriert ist, dass ein in radialer und/oder umfänglicher Richtung verlaufender Federsteifigkeitsgradient der Deformationsstruktur 5 einstellbar ist.
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Die Realisierbarkeit des in 1 gezeigten Betriebszustandes durch die Ausbildung und Anordnung von mittels additiver Herstellverfahren ausgeformter Netzzellen wird nachfolgend näher erläutert.
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Aus der 2 wird zunächst gut ersichtlich, dass die elastische Deformationsstruktur 5 aus Netzzellen 8 gebildet sein kann, die aus einem Draht 10 oder einer Mehrzahl von Drähten 10 gebildet sind, besteht, wobei die Netzzellen 8 sich jeweils ausgehend von der Lagergrundplatte 3 axial in Richtung der Rotorwelle 2 erstrecken. Eine Netzzelle 8 ist, anders ausgedrückt, eine knäulartige Anordnung von Drähten 10 in einem definierten Raumvolumen.
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Wie in den rechten Abbildungen der 2 dargestellt, können die Netzzellen 8 eine Mehrzahl von Netzzellen-Gruppen umfassen, die hinsichtlich ihrer axialen Federelastizität voneinander verschieden sind. So lassen sich also Zonen unterschiedlicher axialer Federsteifigkeit in einer elastischen Deformationsstruktur definieren, die in den rechten Abbildungen durch die Bezugszeichen a-e ausgewiesen sind. Innerhalb einer der Zonen a bis e besitzen die Netzzellen eine im Wesentlichen sehr ähnliche Federsteifigkeit. Es ist insbesondere denkbar, dass die axiale Federsteifigkeit der elastischen Deformationsstruktur 5 in der Zone a größer ist als in der Zone b. Insbesondere ist es bevorzugt, dass durch die Ausbildung unterschiedlicher Zonen a bis e ein Federsteifigkeitsgradient ausgebildet ist, der von der Zone a zur Zone e hin abfällt. Im gezeigten Beispiel ist der Federsteifigkeitsgradient sowohl in radialer als auch in umfänglicher Richtung in der elastischen Deformationsstruktur 5 ausgebildet. Durch diese Ausbildung von Zonen unterschiedlicher Federsteifigkeit lässt sich die elastische Deformationsstruktur gut an einen vorgegebenen Belastungsfall des Axial-Folienlagers anpassen.
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Die oberen Abbildungen der 2 zeigen, dass die Netzzellen-Gruppen 8 Drähte 10 mit voneinander verschiedenen Drahtdurchmessern aufweisen können, um durch eine entsprechende Anordnung der Netzzellen-Gruppen 8 auf der Lagergrundplatte 3 Zonen mit unterschiedlichen Federsteifigkeiten zu definieren. Drähte 10 mit größerem Durchmesser bzw. Querschnitt besitzen üblicherweise eine höhere Federsteifigkeit als Drähte 10 mit kleinerem Durchmesser bzw. Querschnitt. Durch eine geeignete Wahl der Drahtdurchmesser lässt sich folglich die axiale Federsteifigkeit einer Netzzelle beeinflussen und anpassen.
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In den unteren Abbildungen der 2 ist ferner gezeigt, dass die Netzzellen-Gruppen 8 eine unterschiedliche Dichte an Drähten 10 aufweisen können, um die Federsteifigkeit einer Netzzelle 8 zu konfigurieren. Im Verglich mit der Netzzelle 8, die in der oberen Abbildung der 2 skizziert ist, weist die in der unteren Abbildung gezeigte Netzzelle 8 eine höhere Dichte an Drähten 10 auf, so dass in dieser Ausführung die Netzzelle 8 der unteren Abbildung eine höhere Federsteifigkeit aufweist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der unteren Abbildung der 2 besitzen die Drähte 10, anders als in der oberen Abbildung, den gleichen Durchmesser bzw. Querschnitt.
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Anhand der 3 wird nachfolgend ein Beispiel für die Ausbildung eines Federsteifigkeitsgradienten einer elastischen Deformationsstruktur 5 näher erläutert. Die obere Abbildung der 3 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Lagergrundplatte 3 eines Axial-Folienlagers 1. Man erkennt, dass die elastischen Deformationsstrukturen 5 kreisringsegmentartig über den Umfang der kreisringförmigen Lagergrundplatte 3 ausgebildet sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt das Axial-Folienlager 1 eine Belastungszone 13, in der im Betrieb des Axial-Folienlagers 1 Belastungsspitzen in axialer Richtung auftreten. Diese Belastungszone 13 ist in etwa radial mittig in der kreisringsegmentförmigen elastischen Deformationsstruktur 5 positioniert. In Umfangsrichtung liegt die Belastungszone 13 nahe einem der distalen umfänglichen Enden der kreisringsegmentförmigen elastischen Deformationsstruktur 5. Ausgehend von dieser Belastungszone 13 weist die Deformationsstruktur 5 einen Federsteifigkeitsgradienten auf, der in Umfangsrichtung hin zu dem der Belastungszone entgegengesetzten distalen umfänglichen Ende abfällt. Dies ist insbesondere gut aus der Zusammenschau der mittleren und unteren Abbildung der 3 erkennbar. Die mittlere Abbildung der 3 zeigt die verschiedenen Gruppen von Netzzellen 8, welche die Zonen a-d verschiedener Federsteifigkeiten der elastischen Deformationsstruktur 5 definieren. Die Zonen a-d weisen eine von Zone a zur Zone d hin verlaufenden Federsteifigkeitsgradienten auf, der in Umfangsrichtung der elastischen Deformationsstruktur entlang des Umfangabschnitts A-A in der unteren Abbildung der 3 dargestellt ist.
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Man erkennt, dass die elastische Deformationsstruktur 5 so konfiguriert ist, dass es im Bereich der Belastungszone 13 zunächst zu einer Erhöhung der axialen Federsteifigkeit kommt. Dies entspricht in der mittleren Abbildung der Zone a. In Umfangsrichtung der elastischen Deformationsstruktur 5 erfolgt dann ein kontinuierlicher Abfall der Federsteifigkeit, so dass sich ein Federsteifigkeitsgradient mit einer negativen Steigung ausbildet. Der Abfall der Federsteifigkeit wird durch eine entsprechende Anpassung der Federsteifigkeit der Netzzellen 8 in den Zonen b-d eingestellt. Entscheidend ist, dass ausgehend von der Belastungszone 13 in Umfangsrichtung ein abfallender Federsteifigkeitsgradient ausgebildet wird, um bei einen derartigen Belastungsfall eine möglichst hohe axiale Tragfähigkeit und Betriebssicherheit des Axial-Folienlagers 2 zu garantieren.
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4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die elastische Deformationsstruktur 5 derart konfiguriert ist, dass im Betrieb des Axial-Folienlagers 1 eine wellenförmige Kontur der Deckfolie 4 ausgebildet wird. Die auf die elastische Deformationsstruktur 5 aufgesetzte Deckfolie 4 verformt sich im Betrieb des Axial-Folienlagers 1 unter hohem Luftdruck bei der Rotation der Rotorwelle 2 ungleichmäßig wie eine Welle, da die Deckfolie 4 nicht vollständig, sondern nur an einigen Stellen, an denen die Drähte 10 einer Netzzelle 8 direkt anliegen, abgestützt wird. Somit besitzt die elastische Deformationsstruktur 5 zur Ausbildung dieser Wellenform im Bereich der Wellenberge 11 der Deckfolie 4 eine höhere axiale Federsteifigkeit als im Bereich der Wellentäler 12. Durch die dargestellte, im Wesentlichen sinus-artigen Ausbildung der Wellenform der Deckfolie 4, kann überraschender Weise eine höhere axiale Tragkraft bewirkt werden, als bei der Ausbildung einer ebenen, parallel zur Rotorwelle verlaufenden Deckfolie 4. Der Fluidstrom 7, im gezeigten Beispiel ein Luftstrom, wird durch eine durch die Wellenform der Deckfolie 4 erzeugte Keilwirkung komprimiert, wodurch ein höherer Druck erzeugt und folglich eine höhere Tragfähigkeit des Axial-Folienlagers erzeugt wird.
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5 schließlich zeigt eine perspektivische Aufsicht auf eine im Betrieb des Axial-Folienlagers 1 wellenförmig ausgebildete Deckfolie 4. Man erkennt, dass die Wellenberge 11 über den Umfang und in Radialrichtung verteilt angeordnet sein können und von einer sinusförmigen Wellenform abweichen können.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Axial-Folienlager
- 2
- Rotorwelle
- 3
- Lagergrundplatte
- 4
- Deckfolie
- 5
- Deformationsstruktur
- 7
- Fluid
- 8
- Netzzelle
- 9
- Deckfolienanbindungselement
- 10
- Draht
- 11
- Wellenberge
- 12
- Wellentäler
- 13
- Belastungszone
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017120760 A1 [0002]
