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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 ortsfeste Lagergrundplatte, sowie eine Deckfolie, welche sich auf einer elastischen Deformationsstruktur gegenüber der Lagergrundplatte axial in Richtung der Rotorwelle federelastisch abstützt, und die elastische Deformationsstruktur aus einer Mehrzahl von Einzelfedern gebildet ist, die sich jeweils ausgehend von der Lagergrundplatte axial in Richtung der Rotorwelle erstrecken, wobei im Betriebszustand des Axialfolienlagers bei einer vorgegebenen Drehzahl der Rotorwelle ein zwischen die Rotorwelle und Deckfolie in Umfangsrichtung eingezogenes 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 Radialkräfte 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 ortsfeste 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, und die elastische Deformationsstruktur aus einer Mehrzahl von Einzelfedern gebildet ist, die sich jeweils ausgehend von der Lagergrundplatte axial in Richtung der Rotorwelle erstrecken, wobei im Betriebszustand des Axialfolienlagers bei einer vorgegebenen Drehzahl der Rotorwelle ein zwischen die Rotorwelle und Deckfolie in Umfangsrichtung einströmendes Fluid die Deckfolie und die Rotorwelle in Axialrichtung relativ zueinander versetzt, so dass sie durch das Fluid voneinander getrennt sind, wobei die Einzelfedern sich als nicht gegenseitig kontaktierend ausgebildet und mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf der Lagergrundplatte ausgeformt sind, wobei die additiv gefertigten Einzelfedern derart konfiguriert und/oder angeordnet sind, dass ein in radialer und/oder umfänglicher Richtung verlaufender Federsteifigkeitsgradient 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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Idealerweise 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 im unbelastete Zustand eine die drehend gelagerte Rotorwelle abstützende Lagerfläche von einer dünnen und insbesondere verschleißfesten Deckfolie gebildet ist, welche ihrerseits von einer zwischen Deckfolie und Lagergrundplatte angeordneten elastischen Deformationsstruktur abgestützt wird. Die Deckfolie kann auch eine oder mehrere Beschichtungen aufweisen, die beispielsweise die Verschleißfestigkeit oder die Reibungseigenschaften der Deckfolie verbessern. Ferner ist es vorteilhaft, dass die Deckfolie und/oder eine entsprechende Beschichtung der Deckfolie gute Einlaufeigenschaften aufweist. 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 trennenden 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. Insbesondere 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. Das Axialfolienlager ist bevorzugt so auszulegen, dass auch bei hohen Drehzahlen der Rotorwelle und in diesen Betriebsbereichen auftretende hohe Axiallasten, so aufgenommen und abgeleitet werden können, dass strukturelle Schädigungen des Axialfolienlagers vermieden werden.
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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 - und die die Deckfolie tragende elastische Deformationsstruktur - 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 abgestützt. Die elastische Deformationsstruktur kann insbesondere die Deckfolie gegen die relativ bewegliche, drehende Rotorwelle vorspannen, 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“ ausgeführt. 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 und/oder eine Anbindung des Axialfolienlagers an ein Lagergehäuse bzw. einen Lagersitz bereitzustellen. Die Lagergrundplatte ist insbesondere gegenüber dem Lagergehäuse und bevorzugt auch 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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Das Fluid, dass zwischen die Rotorwelle und Deckfolie in Umfangsrichtung eingezogen wird und die Deckfolie und die Rotorwelle in Axialrichtung relativ zueinander versetzt, kann gasförmig oder flüssig sein. Insbesondere kann das Fluid Luft sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf der Lagergrundplatte eine Mehrzahl von Abstandselementen angeordnet sind, die eine axiale Erstreckung aufweisen, die kleiner ist als die axiale Erstreckung der ein Abstandselement umgebenen Einzelfedern. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine Überlastung der Einzelfedern dadurch verhindert werden kann, dass bei hohen Axial-Lasten und einer entsprechenden Einfederung der Einzelfedern die Abstandselemente eine Art Anschlag für die Deckfolie ausbilden und eine weitere unerwünschte Federkomprimierung, die zu Beschädigung der Einzelfedern führen können, verhindert wird.
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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, wodurch eine spezifischere Konfiguration des Axial-Folienlagers auf einen vorgegebenen Belastungsfall ermöglicht wird. Es ist des Weiteren auch bevorzugt, dass die Deckfolienanbindungselemente eine axiale Erstreckung aufweisen, die kleiner ist als die axiale Erstreckung der ein Deckenfolienanbindungselement umgebenen Einzelfedern. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine Überlastung der Einzelfedern dadurch verhindert werden kann, dass bei hohen Axial-Lasten und einer entsprechenden Einfederung der Einzelfedern die Deckfolienanbindungselemente eine Art Anschlag für die Deckfolie ausbilden und eine weitere unerwünschte Federkomprimierung, die zu Beschädigung der Einzelfedern führen können, verhindert wird.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Abstandselemente und/oder die Deckfolienanbindungselemente auf die Lagergrundplatte mittels eines additiven Fertigungsprozesses aufgebracht sind. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass die auf der Lagergrundplatte aufbauenden Elemente, wie beispielsweise die Einzelfedern, die Abstandselemente sowie die Deckfolienanbindungselemente, vollständig und bevorzugt in einem Arbeitsgang mittels eines additiven Herstellverfahrens ausformbar sind.
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Es ist ebenfalls bevorzugt, dass die Lagergrundplatte ebenfalls mittels eines additiven Herstellverfahrens geformt ist.
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Besonders bevorzugt ist es, die Lagergrundplatte, die Einzelfedern, die Abstandelemente sowie die Deckfolienanbindungselemente mittels eines additiven Herstellprozesses auszuformen, wobei es hierbei besonders vorteilhaft ist, dies in einem Fertigungsschritt zu realisieren. Es ist ebenfalls bevorzugt, hierbei die Lagergrundplatte, die Einzelfedern, die Abstandselemente und die Deckfolienanbindungselemente aus einem Material auszuformen.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Einzelfedern jeweils eine Raumform aufweisen, die einer räumlichen Spirale oder Spiralabschnittsform entspricht. Hierdurch lässt sich insbesondere eine für Axial-Folienlager vorteilhafte Federwirkung erzielen.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Einzelfedern jeweils an ihren distalen Enden eine tellerartige Auflagefläche aufweisen, so dass hierdurch möglichst großflächige Auflageabschnitte für die Deckfolie und die Lagergrundplatte realisiert werden können, was die Gefahr eines Durchstechens der Deckfolie durch die Einzelfedern reduziert.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Einzelfedern eine identische Raumform aufweisen und dass der in radialer und/oder umfänglicher Richtung verlaufende Federsteifigkeitsgradient durch die Anordnung, insbesondere die Beabstandung, der Einzelfedern definiert ist. Hierdurch kann eine besonders einfache Konstruktion des Axial-Folienlagers realisiert werden, da die elastische Deformationsstruktur nur aus jeweils räumlich identischen Einzelfedern aufgebaut werden kann, was insbesondere die Berechnungs- und Simulationskomplexität für ein derartiges Axial-Folienlager spürbar reduziert. Grundsätzlich führt eine geringe Beabstandung von Einzelfedern zu einer höheren axialen Federsteifigkeit, da mehr Einzelfedern pro Flächeneinheit parallel angeordnet werden. Durch die dem Belastungsfall des Axial-Folienlagers angepasste Anordnung von Einzelfedern, also eine Erhöhung bzw. Verringerung der Anzahl von räumlich identischen Einzelfedern pro Flächeneinheit, kann ein radialer und umfänglicher Federsteifigkeitsgradient so eingestellt werden, dass die Deckfolie das im Betrieb des Axial-Folienlagers aufgebaute Druckfeld des Fluidfilms zwischen Rotorwelle und Deckfolie durch eben diese Federsteifigkeitsanpassung der elastischen Deformationsstruktur ausgeglichen kann, so dass eine weitestgehend ebene und parallele Ausbildung der Deckfolie zur Rotorwelle gewährleistet werden kann. In der Folge lässt sich hierdurch auch die axiale Tragfähigkeit des Axial-Folienlagers erhöhen.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Einzelfedern wenigsten zwei Gruppen von Einzelfedern umfassen, die eine voneinander abweichende Raumform aufweisen und dass der in radialer und/oder umfänglicher Richtung verlaufende Federsteifigkeitsgradient durch die Anordnung, insbesondere die Beabstandung, der wenigstens zwei Gruppen von Einzelfedern definiert ist.
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Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt ist, dass eine Anpassung der Federsteifigkeitsgradienten und damit eine Anpassung des Axial-Folienlagers an einen gegebenen Belastungsfall noch spezifischer durchgeführt werden kann. Beispielsweise könnten Einzelfedern mit unterschiedlichen axialen Erstreckungen verwendet werden, welche dann über einen größeren Federweg verfügen könnten. Ferner ist es auch möglich, unterschiedlich hoher Einzelfedern mit einer geringen axialen Federsteifigkeit bei niedriger Last und einem Anstieg der axialen Federsteifigkeit mit zunehmender Last auszubilden. Eine Veränderung der Raumform zwischen der ersten und der zweiten Gruppe von Einzelfedern kann beispielsweise durch eine unterschiedliche Querschnittsgeometrie, axiale Erstreckung, Anzahl der Spiralgänge usw. bewirkt sein.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Einzelfedern wenigsten zwei Gruppen von Einzelfedern umfassen, die aus einem voneinander abweichenden Material gefertigt sind und dass der in radialer und/oder umfänglicher Richtung verlaufende Federsteifigkeitsgradient durch die Anordnung, insbesondere die Beabstandung der wenigstens zwei Gruppen von Einzelfedern definiert ist. Auch hierdurch wird eine weitere spezifischere Anpassung der elastischen Deformationsstruktur an die Belastungssituation des Axial-Folienlagers im Betrieb ermöglicht.
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Selbstverständlich ist auch eine beliebige Kombination der voranstehenden Ausgestaltungsvarianten der Einzelfedern möglich. So ist es beispielsweise denkbar, dass sich zwei Gruppen von Einzelfedern hinsichtlich ihrer Raumform und ihres Materials unterscheiden.
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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 Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte:
- • Bereitstellung einer Lagergrundplatte,
- • Herstellen einer elastische Deformationsstruktur bestehend aus einer Mehrzahl von Einzelfedern zur federelastischen Abstützung einer aufliegenden Deckfolie, mittels
- • Herstellung der Einzelfedern auf der Lagergrundplatte durch ein additives Herstellverfahren.
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Bevorzugt wird die Lagergrundplatte ebenfalls mittels eines additiven Herstellverfahrens bereitgestellt, ganz besonders bevorzugt in einen Arbeitsprozess mit den Einzelfedern der elastischen Deformationsstruktur.
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Ferner ist es bevorzugt, dass die Abstandselemente und ganz besonders bevorzugt auch die Deckfolienanbindungselemente mittels eines additiven Herstellverfahrens bereitgestellt werden, welche höchst bevorzugt in einen Arbeitsprozess mit den Einzelfedern der elastischen Deformationsstruktur ausgebildet werden.
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Ein additives Herstellverfahren 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 Herstellverfahren ergibt sich die Möglichkeit einen Hochleistungswerkstoff mit der Ausbildung einer außergewöhnlichen Raumform für eine Einzelfeder, sowie einer großen Vielfalt an verschiedenen Raumformen und Anordnung von Einzelfedern auf der Lagergrundplatte zu kombinieren.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Axial-Folienlagers,
- 2 eine perspektivische Ansicht der Lagergrundplatte mit elastischen Deform ationsstru ktu ren,
- 3 eine perspektivische Detailansicht auf die Lagergrundplatte mit Einzelfedern und mit Abstandselementen,
- 4 eine perspektivische Detailansicht auf die Lagergrundplatte mit Einzelfedern und mit Abstandselementen,
- 5 eine erste Ausführungsform einer Einzelfeder in verschiedenen perspektivischen Ansichten,
- 6 eine zweite Ausführungsform einer Einzelfeder in verschiedenen perspektivischen Ansichten, und
- 7 eine dritte Ausführungsform einer Einzelfeder in verschiedenen perspektivischen Ansichten.
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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 einem nicht dargestellten Lagergehäuse bzw. Lagersitz ortsfesten Lagergrundplatte 3, sowie eine Deckfolie 4, die insbesondere im Ruhezustand des Axial-Folienlagers 1 an der Rotorwelle 2 anliegen kann. Die Deckfolie 4 stützt sich zumindest 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. Durch den rampenförmigen Abschnitt der Deckfolie 4 ist ferner ein konvergenter Spalt ausgebildet, der das Fluid 7 zwischen Deckfolie 4 und die Rotorwelle 2 einzieht.
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Die elastische Deformationsstruktur 5 ist aus einer Mehrzahl von Einzelfedern 6 gebildet, die sich jeweils ausgehend von der Lagergrundplatte 3 axial in Richtung der Rotorwelle 2 erstrecken, wobei im Betriebszustand des Axialfolienlagers 1 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 versetzt, so dass sie durch das Fluid 7 voneinander getrennt sind. Dieser Betriebszustand ist in der 1 widergegeben. Idealerweise ist die elastische Deformationsstruktur 5 so konfiguriert, dass sie sie sich bei Anliegen eines Druckfeldes auf der Deckfolie 4 so verformt, 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.
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Die Realisierbarkeit dieses Idealzustandes durch die Ausbildung und Anordnung von mittels additiver Herstellverfahren ausgeformter Einzelfedern wird nachfolgend näher erläutert.
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2 zeigt eine Lagergrundplatte 3 mit darauf angeordneten und sich in axialer Richtung aus der Lagergrundplatte erstreckenden Einzelfedern 6, die sich nicht gegenseitig kontaktieren. Hierdurch wird eine gegenseitige Beeinflussung der Federsteifigkeiten von benachbarten Einzelfedern 6 vermieden. Die Einzelfedern 6 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 in insgesamt sechs elastischen Deformationsstrukturen zusammengefasst, wobei jede der elastischen Deformationsstrukturen 5 eine ringsegmentartige Kontur aufweist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Deformationsstruktur 5 sechs - im Wesentlichen identische - ringsegmentartige Konturen auf. Die elastischen Deformationsstrukturen 5 sind in Umfangsrichtung durch die radial verlaufenden, stabförmig ausgebildeten Deckfolienanbindungselemente 9 voneinander beabstandet. Die Einzelfedern 6 sind mittels eines additiven Fertigungsverfahrens direkt mit und auf der Lagergrundplatte 3 ausgeformt.
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Die additiv gefertigten Einzelfedern 6 sind nun derart konfiguriert und/oder angeordnet, dass ein in radialer und/oder umfänglicher Richtung verlaufender Federsteifigkeitsgradient eingestellt ist, dass die auf der elastischen Deformationsstruktur 5 aufliegende Deckfolie 4 die durch das Druckfeld des radial ausströmenden Fluids 7 erzeugten lokalen axialen Druckbelastungen ausgleichen kann. Die Federsteifigkeit der Einzelfedern 6 wird folglich so konfiguriert und variiert, dass Federsteifigkeitsgradienten in radialer und/oder umfänglicher Richtung ausgebildet sind, so dass bei Anliegen eines Druckfeldes die Verformung der Deckfolie 4 gleichmäßig ist. Dabei kann eine Optimierung auch im Hinblick auf erwartete Schiefstellungen erfolgen. Insbesondere kann der Verlauf der Federsteifigkeitsgradienten das auf die Deformationsstruktur 5 einwirkende Druckfeld in einem definierten Betriebszustand des Axialfolienlagers repräsentieren, indem in Zonen hoher Druckbelastung eine höhere Federsteifigkeit ausgebildet wird als in Zonen geringerer Druckbelastung.
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Aus der 3 ist ersichtlich, dass auf der Lagergrundplatte 3 eine Mehrzahl von Abstandselementen 8 angeordnet sind, die eine axiale Erstreckung aus der Ebene der Lagergrundplatte 3 heraus aufweisen, die kleiner ist als die axiale Erstreckung der ein Abstandselement 8 umgebenen Einzelfedern 6. Die Abstandselemente 8 sind, anders gesagt, in Axialrichtung kürzer als die jeweils umgebenen Einzelfedern 6. Besonders gut ist dies auch nochmal in der Detailansicht der 4 zu erkennen.
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Die Abstandselemente 8 können grundsätzlich beliebig angeordnet sein, insbesondere jedoch in Bereichen und Abschnitten der elastischen Deformationsstruktur 5 an der bei einem gegebenen Belastungsfall des Axial-Folienlagers 1 mit einer hohen axialen Last gerechnet wird. Grundsätzlich können die Abstandselemente 8 eine beliebige Raumform aufweisen. Bevorzugt wird insbesondere eine zylinderförmige Ausbildung der Abstandselemente 8. Es können auch verschiedene Gruppen von Abstandselementen 8 vorhanden sein, die sich jeweils in ihrer Raumform voneinander unterscheiden.
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Die 4 und die 5 zeigen des Weiteren, dass die Einzelfedern 6 jeweils eine Raumform aufweisen, die einer räumlichen Spirale oder Spiralabschnittsform entspricht. Bevorzugt weisen die Einzelfedern 6 jeweils an ihren distalen Enden eine tellerartige Auflagefläche 10 auf, auf der die Deckfolie 4 aufliegt. Grundsätzlich können die Einzelfedern an ihren distalen Enden beliebig ausgebildete Auflageflächen 10 aufweisen, die dazu geeignet sind, eine Auflage für die Deckfolie 4 zu bilden, ohne diese im Betrieb zu durchstechen.
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Wie insbesondere den 2 bis 4 entnommen werden kann, besitzen die Einzelfedern 6 in dieser Ausführungsform der Erfindung eine identische Raumform. Der in radialer und/oder umfänglicher Richtung verlaufender Federsteifigkeitsgradient ist hierbei durch die Anordnung, insbesondere die Beabstandung, der Einzelfedern 6 definiert.
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6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Einzelfeder 6, welche eine V-förmige Raumform aufweist. Die Schenkel der V-förmigen Einzelfeder besitzen einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt. Auch die Auflagefläche 10 besitzt eine rechteckförmige Ausgestaltung.
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Eine dritte mögliche Ausführung einer Einzelfeder 6 ist in der 7 abgebildet. Die Einzelfeder 6 der 7 weist ausgehend von ihrem der Lagergrundplatte 3 zugewandten distalen Ende einen ersten Bogenabschnitt auf, an den sich ein gradlinig verlaufender zweiter Abschnitt anschließt an dessen distalem Ende die Auflagefläche 10 angeformt ist. Die Einzelfeder 6 besitzt im gezeigten Ausführungsbeispiel eine rechteckige, insbesondere quadratische Querschnittsform.
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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
- 6
- Einzelfeder
- 7
- Fluid
- 8
- Abstandselement
- 9
- Deckfolienanbindungselement
- 10
- Auflagefläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017120760 A1 [0002]
