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Die Erfindung betrifft ein Axiallagersystem mit einem an einem Rotor angebrachten Axiallagerteller, der mindestens eine im Betrieb rotierende Axiallagerfläche aufweist, und mit mindestens einer nicht rotierenden Axiallagerscheibe, die eine der rotierenden Axiallagerfläche zugewandte Gegenfläche aufweist.
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Stand der Technik
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2011 087 601 A1 offenbart einen Turboverdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Verdichterrad, das drehfest auf einer Welle angeordnet ist, wobei die Welle in einem Gehäuse mittels mindestens eines hydrodynamischen oder hydrostatischen Gleitlagers drehbar gelagert, wobei in dem Gleitlager als Flüssigkeit zur Reibwertminderung Wasser vorgesehen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Axiallagersystem mit einem an einem Rotor angebrachten Axiallagerteller, der mindestens eine im Betrieb rotierende Axiallagerfläche aufweist, und mit mindestens einer nicht rotierenden Axiallagerscheibe, die eine der rotierenden Axiallagerfläche zugewandte Gegenfläche aufweist, funktionell zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Axiallagersystem mit einem an einem Rotor angebrachten Axiallagerteller, der mindestens eine im Betrieb rotierende Axiallagerfläche aufweist, und mit mindestens einer nicht rotierenden Axiallagerscheibe, die eine der rotierenden Axiallagerfläche zugewandte Gegenfläche aufweist, dadurch gelöst, dass die nicht rotierende Axiallagerscheibe durch eine Aufhängung gelenkig so an einer gehäusefesten Tragstruktur angebracht ist, dass statische und/oder dynamische Rotorschiefstellungen ausgeglichen werden. Die Axiallagerscheiben in herkömmlichen Axiallagersystemen sind feststehend in einem Gehäuse verbaut. Durch die gelenkige Aufhängung der Axiallagerscheibe werden Bewegungen der Axiallagerscheibe definiert zugelassen. Dabei wird der damit verbundene konstruktive Mehraufwandbewusst in Kauf genommen. Durch die beanspruchte gelenkige Aufhängung der nicht rotierenden Axiallagerscheibe können unerwünschte Lagerverluste im Betrieb eines mit dem Axiallagersystem ausgestatteten Antriebssystems wirksam reduziert werden. Darüber hinaus kann die Tragkraft des mit der Axiallagerscheibe und dem Axiallagerteller dargestellten Axiallagers deutlich erhöht werden. So kann das Axiallager kleiner dimensioniert werden, wodurch wiederum Bauraum eingespart werden kann. Die gelenkige Aufhängung ist besonders vorteilhaft so ausgeführt, dass die Parallelität zwischen der rotierenden Axiallagerfläche und der Gegenfläche an der nicht rotierenden Axiallagerscheibe verbessert wird. Idealerweise richten sich die rotierende Axiallagerfläche und die nicht rotierende Gegenfläche automatisch komplett parallel aus.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axiallagersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Axiallagerteller zwischen zwei nicht rotierenden Axiallagerscheiben angeordnet ist, die jeweils durch eine Aufhängung gelenkig an der gehäusefesten Tragstruktur aufgehängt sind. Der Axiallagerteller rotiert im Betrieb des Axiallagersystems zwischen den beiden Axiallagerscheiben. Die Axiallagerscheiben haben zum Beispiel im Wesentlichen die Gestalt von Kreisringscheiben. Zwischen den Axiallagerscheiben ist radial außerhalb des Axiallagertellers vorteilhaft ein Distanzring angeordnet. Mit dem Distanzring kann ein Axiallagerspiel eingestellt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axiallagersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung mindestens zwei Auflagerpunkte an der zugeordneten Axiallagerscheibe umfasst. Durch die mindestens zwei Auflagerpunkte oder Aufhängepunkte wird auf einfache Art und Weise eine gewünschte Ausgleichsbewegung der Axiallagerscheibe beziehungsweise der Axiallagerscheiben im Betrieb des Axiallagersystems relativ zu dem rotierenden Axiallagerteller ermöglicht. Weitere Auflagerpunkte oder Aufhängepunkte sind vorteilhaft an der zugeordneten gehäusefesten Tragstruktur vorgesehen. Die Auflagerpunkte oder Aufhängepunkte an der zugeordneten gehäusefesten Tragstruktur können auf dem gleichen Durchmesser wie die Auflagerpunkte oder Aufhängepunkte an der zugeordneten Axiallagerscheibe angeordnet sein. Je nach Ausführung der gelenkigen Aufhängung können die Auflagerpunkte oder Aufhängepunkte an der zugeordneten gehäusefesten Tragstruktur aber auch, vorzugsweise radial außerhalb, auf einem anderen Durchmesser als die Auflagerpunkte oder Aufhängepunkte an der zugeordneten Axiallagerscheibe angeordnet sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axiallagersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagerpunkte radial innen an der zugeordneten Axiallagerscheibe angeordnet sind. So können die gewünschten Ausgleichsbewegungen der Axiallagerscheibe mit Hilfe der gelenkigen Aufhängung an der gehäusefesten Tragstruktur relativ einfach und effektiv realisiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axiallagersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung mindestens eine Federeinrichtung umfasst. Die Aufhängung umfasst vorzugsweise mehrere Federn. Bei den Federn handelt es sich zum Beispiel um Spiralfedern, um Schraubendruckfedern oder um Schraubenzugfedern. Die Federeinrichtung kann aber auch mindestens eine Tellerfeder umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Federeinrichtung mindestens eine Blattfeder, eine Membranfeder oder eine Wellenfeder umfassen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Federeinrichtung mindestens einen Faltenbalg. Die Federeinrichtung kann nur eine der genannten Federn oder nur Federn eines der genannten Federtypen umfassen. Je nach Ausführung können aber auch unterschiedliche Federn oder Federtypen in einer Federeinrichtung miteinander kombiniert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axiallagersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung mindestens zwei Zug-Druck-Federn umfasst. Die Federeinrichtung umfasst zum Beispiel zwei Schraubenfedern, die im Betrieb des Axiallagersystems auf Zug und/oder Druck belastet werden, um die gewünschte Ausgleichsbewegung der jeweiligen nicht rotierenden Axiallagerscheibe zu ermöglichen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axiallagersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung eine Schaumstruktur oder Elastomerstruktur umfasst. Die Schaumstruktur oder Elastomerstruktur hat vorteilhaft elastische Eigenschaften.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axiallagersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung mindestens zwei in Reihe geschaltete Federn umfasst. Über eine entsprechende Gestaltung und Auslegung der in Reihe geschalteten Federn kann die Funktion der gelenkigen Aufhängung gezielt eingestellt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axiallagersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung mindestens eine Dämpfungseinrichtung umfasst. Die Dämpfungseinrichtung umfasst vorteilhaft mehrere Dämpfungselemente, die in die gelenkige Aufhängung integriert sind. Die Dämpfungselemente können in Reihe oder parallel zu Federn der Federeinrichtung geschaltet sein.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Gaszuführvorrichtung mit einer angetriebenen Welle, die in einem Gehäuse mit Hilfe einer Lageranordnung drehbar gelagert ist, die ein vorab beschriebenes Axiallagersystem umfasst. Durch das Axiallagersystem mit der gelenkigen Aufhängung mindestens einer nicht rotierenden Axiallagerscheibe können besonders effektiv sehr hohe Drehzahlen der angetriebenen Welle realisiert werden. Bei der Gaszuführvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Luftzuführvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem. Die Gaszuführvorrichtung kann aber auch zum Zuführen, insbesondere zum Verdichten, anderer Medien, wie Kältemitteln oder Prozessgasen für die chemische Industrie, dienen. Die Luftzuführvorrichtung wird insbesondere in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt, um Luft, die einem Brennstoffzellenstack zugeführt wird, zu verdichten.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Luftzuführvorrichtung.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Axiallagersystems in einer Gaszuführvorrichtung, wobei im Betrieb des Axiallagersystems unerwünschte Schiefstellungen des Axiallagertellers ausgeglichen werden.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch eine gelenkige Aufhängung, eine Federeinrichtung und/oder eine Dämpfungseinrichtung für ein vorab beschriebenes Axiallagersystem. Die genannten Komponenten sind separat handelbar.
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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.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Axiallagersystems mit einem an einem Motor angebrachten Axiallagerteller und mit einer gelenkig aufgehängten Axiallagerscheibe im Längsschnitt;
- 2 eine ähnliche Darstellung wie in 1 mit zwei gelenkig aufgehängten Axiallagerscheiben, zwischen denen der Axiallagerteller rotiert; die
- 3 und 4 ähnliche Darstellungen wie in 2 mit unterschiedlich ausgeführten gelenkigen Aufhängungen der Axiallagerscheiben;
- 5 zwei Ansichten einer Tellerfeder, die zur Darstellung einer Federeinrichtung in einer gelenkigen Aufhängung einer Axiallagerscheibe dient; die
- 6, 7, 8 ähnliche Darstellungen wie in 2 mit weiteren Ausführungsbeispielen der gelenkigen Aufhängung der Axiallagerscheiben;
- 9 eine perspektivische Darstellung einer Membran, die zur Realisierung der gelenkigen Aufhängung einer Axiallagerscheibe verwendet werden kann;
- 10 eine perspektivische Darstellung eines Faltenbalgs, der ebenfalls zur Realisierung der gelenkigen Aufhängung der Axiallagerscheibe verwendet werden kann;
- 11 eine perspektivische Darstellung einer Wellenfeder, die alternativ oder zusätzlich zur Darstellung der gelenkigen Aufhängung einer Axiallagerscheibe verwendet werden kann; und
- 12 eine schematische Darstellung einer Gaszuführvorrichtung, insbesondere Luftzuführvorrichtung, mit einem Axiallagersystem zur Veranschaulichung einer Rotorschiefstellung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den 1 bis 4 und 6 bis 8 ist ein Axiallagersystem 1 mit einem Rotor 2 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der Rotor 2 kann auch als Welle bezeichnet werden. An dem Rotor 2 ist ein Axiallagerteller 3 befestigt. Der Rotor 2 mit dem Axiallagerteller 3 ist um eine Drehachse 4 drehbar gelagert.
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In 12 ist ein Axiallagersystem 71 mit einem Rotor 72 schematisch im Längsschnitt dargestellt. An dem Rotor 72 ist ein Axiallagerteller 73 befestigt. Das Axiallagersystem 71 umfasst eine Axiallagereinrichtung 74.
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Der Rotor 72 ist mit Hilfe der Axiallagereinrichtung 74 und mit Hilfe von zwei Radiallagern 75, 76 in einem (nicht dargestellten) Gehäuse einer Luftzuführvorrichtung 80 drehbar gelagert. Die Luftzuführvorrichtung 80 umfasst zum Beispiel ein Verdichterlaufrad 77 und ein Turbinenlaufrad 78.
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Die Laufräder 77, 78, die in 12 nur durch ihre Bezugszeichen angedeutet sind, sind an den entgegengesetzten Enden des Rotors 72 befestigt. In 12 ist veranschaulicht, wie sich der Rotor 72 im Betrieb des Axiallagersystems 71 in einer an sich unerwünschten Art und Weise, aber fertigungsbedingt und/oder montagebedingt nicht komplett vermeidbar, schiefstellen kann.
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In den 1 bis 4 und 6 bis 8 ist durch Symbole 5 bis 8 eine feststehende Tragstruktur 9 angedeutet. Die feststehende Tragstruktur 9 ist zum Beispiel durch ein Gehäuse der Luftzuführvorrichtung (80 in 12) realisiert. Zum Ausgleich der in 12 angedeuteten Rotorschiefstellung ist eine Axiallagereinrichtung 10 in den 1 bis 4 und 6 bis 8 mit einer gelenkigen Aufhängung 16, 26; 30, 34; 40 für eine Axiallagerscheibe 11 in 1 beziehungsweise für zwei Axiallagerscheiben 11, 12 in den 2 bis 4 und 6 bis 8 kombiniert. Zwischen den beiden Axiallagerscheiben 11, 12 ist vorteilhaft ein Distanzring 13 angeordnet, über den vorteilhaft ein Lagerspiel der Axiallagereinrichtung 10 eingestellt werden kann.
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An dem Axiallagerteller 3 ist, wie man in 1 sieht, eine Axiallagerfläche 14 ausgebildet, die axiallagermäßig einer Gegenfläche 15 zugewandt ist, die an der Axiallagerscheibe 11 vorgesehen ist. Die Axiallagerscheibe 11 ist mit Hilfe der Aufhängung 16 gelenkig an der Tragstruktur 9 aufgehängt.
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Die Aufhängung 16 umfasst eine Federeinrichtung 17 mit zwei Federn 18, 19, Die Federn 18, 19 sind radial innen an zwei Auflagerpunkten 20, 21 an die Axiallagerscheibe 11 angelenkt. Die Federn 18, 19 sind als Spiralfedern ausgeführt. Durch die Federeinrichtung 17 wird mit den beiden Federn 18, 19 an den Auflagerpunkten 20, 21 eine definierte Nachgiebigkeit erzielt.
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In 2 ist der Axiallagerteller 3 beidseitig axial zwischen den beiden Axiallagerscheiben 11, 12 gelagert. Die beiden Axiallagerscheiben 11, 12 sind durch zwei Aufhängungen 16; 26 gelenkig an der Tragstruktur 9 aufgehängt. Die Aufhängungen 16; 26 umfassen jeweils eine Federeinrichtung 17; 27 mit zwei Federn 18, 19; 28, 29.
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Die Federn 18, 19; 28, 29 können der Klasse der Zug-Druck-Federn zugeordnet werden. Anders als dargestellt, kann die Federeinrichtung auch Federelemente umfassen, die nicht unbedingt als klassische Federn erkennbar sind. Darüber hinaus können zwei oder mehr Federn in Reihe geschaltet werden. Die Federeinrichtung kann darüber hinaus mit einer Dämpfungseinrichtung kombiniert werden, indem geeignete Dämpfungselemente in Reihe oder parallel zu den Federn geschaltet werden.
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Besonders vorteilhaft sind Anordnungen, bei denen die Auflagerpunkte der Federn 18, 19; 28, 29, wie man in den 1 und 2 sieht, möglichst weit innen an der Axiallagerscheibe 11 beziehungsweise den Axiallagerscheiben 11, 12 angeordnet sind. So bekommt man vorteilhaft relativ zu einer gewünschten axialen Steifigkeit der Axiallagereinrichtung 10 eine geringstmögliche Kippsteifigkeit.
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In 3 sind die beiden Axiallagerscheiben 11, 12 radial innen durch Aufhängungen 30; 34 mit Federeinrichtungen 31; 35 aufgehängt. Die Federeinrichtungen 31; 35 umfassen jeweils zwei Federn 32, 33; 36, 37.
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Im Unterschied zu 2 sind die Federn 32, 33; 36, 37 an der Tragstruktur 9 radial weiter außen angelenkt als bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst eine Aufhängung 40 einen Tragring 41, der den Distanzring (13 in den 2 und 3) ersetzt. Der Tragring 41 ist, wie durch Symbole 5, 6 angedeutet ist, an der Tragstruktur 9 befestigt. Die Axiallagerscheiben 11, 12 sind radial außen durch eine Federeinrichtung 42, die insgesamt vier Federn 43 bis 46 umfasst, gelenkig aufgehängt.
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In 5 ist gezeigt, dass zur gelenkigen Aufhängung auch eine Federeinrichtung 48 in Form einer Tellerfeder 49 verwendet werden kann, die in 5 in einer Draufsicht und in einem Schnitt dargestellt ist. Die Tellerfeder 49 umfasst radial außen einen gehäuseseitigen Auflagerbereich 50. Radial innen umfasst die Tellerfeder 49 insgesamt fünf Auflagerpunkte 51 für eine zugeordnete Axiallagerscheibe.
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In den 6 bis 8 sind alternative Ausführungsbeispiele von Aufhängungen 40 dargestellt. Gemeinsam ist bei den drei Ausführungsbeispielen, dass die Aufhängung 40 radial außen an dem Distanzring 13 angreift.
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In 6 umfasst die Aufhängung 40 eine Dämpfungseinrichtung 52 mit zwei Dämpferelementen 53, 54. Die Dämpferelemente 53, 54 sind radial außen an der Tagstruktur 9 angebracht. Radial innen sind die Dämpfungselemente 53, 54 an den Distanzring 13 angelenkt.
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In 7 umfasst die Aufhängung 40 eine Federeinrichtung 56 mit zwei Federn 57, 58, die an den Distanzring 13 zwischen den Axiallagerscheiben 11, 12 angelenkt sind. Die Federn 57, 58 sind als Schraubenfedern ausgeführt.
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In 8 umfasst die Federeinrichtung 56 der Aufhängung 40 zusätzlich zu der Feder 58 zwei Federn 59, 60. Im Unterschied zu 7 entfällt die obere Feder (57 in 7) in 8. Die Federn 59, 60 greifen rechts mehr oder weniger weit radial innen an der Axiallagerscheibe 11 an.
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In 9 ist gezeigt, dass für die gelenkige Aufhängung einer der Axiallagerscheiben auch eine Federeinrichtung in Form einer Membran 63 verwendet werden kann. In 10 ist gezeigt, dass alternativ auch ein Faltenbalg 65 genutzt werden kann. In 11 ist gezeigt, dass als Federeinrichtung zur Aufhängung der Axiallagerscheibe auch eine Wellenfeder 67 verwendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011087601 A1 [0002]
