DE102020203609A1 - Tilting pad bearings - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager (10) mit mindestens einem Kippsegment (1-3), das mit Hilfe eines Stiftelements (5-7) relativ zu einem Gehäusekörper (8) kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment (1-3) und einem Rotorkörper (4) einen konvergierenden Lagerspalt zu erzeugen.Um das Kippsegmentlager (10) funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern, weist das Stiftelement (5-7) zwischen dem Gehäusekörper (8) und dem Kippsegment (1-3) mindestens eine Querschnittsverringerung (16) auf, durch welche eine Biegesteifigkeit des Stiftelements (5-7) gezielt eingestellt ist.The invention relates to a tilting segment bearing (10) with at least one tilting segment (1-3) which can be tilted relative to a housing body (8) with the aid of a pin element (5-7) in order to move between the tilting segment (1-3) and a rotor body (4) To create a converging bearing gap. In order to improve the function and / or manufacturing technology of the tilting pad bearing (10), the pin element (5-7) has at least one cross-sectional reduction (16) between the housing body (8) and the tilting pad (1-3) ), through which a flexural rigidity of the pin element (5-7) is set in a targeted manner.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das mit Hilfe eines Stiftelements relativ zu einem Gehäusekörper kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem Rotorkörper einen konvergierenden Lagerspalt zu erzeugen.The invention relates to a tilting segment bearing with at least one tilting segment which can be tilted relative to a housing body with the aid of a pin element in order to generate a converging bearing gap between the tilting segment and a rotor body.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem europäischen Patent
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das mit Hilfe eines Stiftelements relativ zu einem Gehäusekörper kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem Rotorkörper einen konvergierenden Lagerspalt zu erzeugen, funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern.The object of the invention is to functionally and / or technically improve a tilting segment bearing with at least one tilting segment that can be tilted relative to a housing body with the aid of a pin element in order to create a converging bearing gap between the tilting segment and a rotor body.
Die Aufgabe ist bei einem Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das mit Hilfe eines Stiftelements relativ zu einem Gehäusekörper kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem Rotorkörper einen konvergierenden Lagerspalt zu erzeugen, dadurch gelöst, dass das Stiftelement zwischen dem Gehäusekörper und dem Kippsegment mindestens eine Querschnittsverringerung aufweist, durch welche eine Biegesteifigkeit des Stiftelements gezielt eingestellt ist. Bei dem Rotorkörper handelt es sich zum Beispiel um einen Wellenabschnitt einer Welle. In vielen Bereichen der Technik müssen schnelldrehende Wellen gelagert werden. Solche Wellen werden beispielsweise in Turboverdichtern benötigt, wie sie insbesondere zur Verdichtung von Luft für aufgeladene Verbrennungsmotoren oder für Brennstoffzellensysteme Verwendung finden. Dabei sind auf, in oder an der Welle in der Regel weitere Bauteile montiert, beispielsweise Turbinenräder, Verdichterräder oder Magnete für elektrische Antriebe. Diese drehen sich ebenfalls mit sehr hoher Geschwindigkeit. Die Wellen können einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Die Welle wird vorzugsweise durch mehrere Lagereinheiten gelagert, zum Beispiel zwei Radiallager und ein Axiallager. Die Lagereinheiten ermöglichen ein möglichst verlustarmes Rotieren, wenn im Betrieb Kräfte und Momente auf die Welle wirken. Zur Lagerung werden vorteilhaft gasgeschmierte Lager verwendet, da diese bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten sehr geringe Reibung und damit nur wenig Lagerverluste aufweisen. Darüber hinaus kann bei einem gasgeschmierten Lager eine Öl- oder Fettschmierung entfallen. Das ist insbesondere bei Brennstoffzellenanwendungen von Vorteil, da hier die geförderte Verdichterluft ölfrei sein muss, um einen Brennstoffzellenstack nicht zu beschädigen. Das Kippsegmentlager umfasst vorteilhaft mindestens drei Kippsegmente. Besonders bevorzugt umfasst das Kippsegmentlager genau drei Kippsegmente. Bei dem beanspruchten Kippsegmentlager handelt es sich um ein Radiallager. Durch das beanspruchte Kippsegmentlager wird die Positioniergenauigkeit des Rotorkörpers, der auch als Rotor bezeichnet wird, verbessert. Dadurch verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad einer mit dem Kippsegmentlager ausgestatteten Maschine. Durch das beanspruchte Kippsegmentlager kann der Lagerverschleiß reduziert und somit die Lebensdauer des Kippsegmentlagers erhöht werden. Aufgrund der reduzierten Lagerverluste reduziert sich vorteilhaft der Kühlbedarf. Zur Schmierung des Kippsegmentlagers wird Gas, insbesondere Luft, verwendet. Das mindestens eine Kippsegment wird auch als Pad bezeichnet. Je nach Ausführung umfasst das Kippsegmentlager zwei oder mehr Pads. Besonders bevorzugt umfasst das Kippsegmentlager mindestens drei oder mehr Pads. Je nach Ausführung umfasst das Kippsegmentlager mindestens zwei flexible Pads und ein festes Pad. Drei Pads sind vorzugsweise in einer sogenannten einhundertzwanzig Grad-Anordnung in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet. Die Pads oder Kippsegmente sind um einen sogenannten Pivotpunkt kippbar. Die Querschnittsverringerung dient besonders vorteilhaft zur Darstellung des Pivotpunktes. So wird auf einfache Art und Weise ein definiertes Verkippen des Kippsegments oder Pads realisiert. Bei drei Kippsegmenten ist der Abstand zwischen den Pivotpunkten vorzugsweise gleich. Es ist aber auch möglich, die Pivotpunkte ungleich voneinander zu beabstanden. Alle drei Kippsegmente sind baugleich ausgeführt. Je nach Ausführung können die Pads oder Kippsegmente aber auch ungleich ausgeführt sein. Die Pads können mit oder ohne Axialversatz angeordnet sein. Alle Pads können den gleichen Massenschwerpunkt aufweisen. Die Massenschwerpunkte können aber auch gewünscht ungleich gestaltet sein. Das gleiche gilt für Federeinrichtungen, die den Stiftelementen zugeordnet sein können. Innenflächen oder Innendurchmesser der Pads können gleich oder verschieden ausgeführt sein. Eine dem Rotorkörper zugewandte Oberfläche der Pads ist vorteilhaft strukturiert und/oder mit einer Tasche ausgestattet. In Achsrichtung können die Pads konkav, eben oder konvex ausgeführt sein, insbesondere um Winkelfehler auszugleichen.In the case of a tilting segment bearing with at least one tilting segment, which can be tilted relative to a housing body with the aid of a pin element in order to create a converging bearing gap between the tilting segment and a rotor body, the object is achieved in that the pin element between the housing body and the tilting segment has at least one Has cross-sectional reduction, through which a flexural rigidity of the pin element is set in a targeted manner. The rotor body is, for example, a shaft section of a shaft. In many areas of technology, high-speed shafts have to be stored. Such shafts are required, for example, in turbo compressors such as those used in particular for compressing air for supercharged internal combustion engines or for fuel cell systems. Additional components are usually mounted on, in or on the shaft, for example turbine wheels, compressor wheels or magnets for electric drives. These also rotate at a very high speed. The shafts can be made in one piece or in several parts. The shaft is preferably supported by several bearing units, for example two radial bearings and one axial bearing. The bearing units enable rotation with as little loss as possible when forces and moments act on the shaft during operation. Gas-lubricated bearings are advantageously used for storage, since they have very little friction at very high rotational speeds and thus only little bearing losses. In addition, oil or grease lubrication can be dispensed with in a gas-lubricated bearing. This is particularly advantageous in fuel cell applications, since here the compressor air that is conveyed must be oil-free in order not to damage a fuel cell stack. The tilting segment bearing advantageously comprises at least three tilting segments. The tilting segment bearing particularly preferably comprises exactly three tilting segments. The claimed tilting pad bearing is a radial bearing. The positioning accuracy of the rotor body, which is also referred to as the rotor, is improved by the claimed tilting pad bearing. This improves the overall efficiency of a machine equipped with the tilting pad bearing. Due to the stressed tilting pad bearing, bearing wear can be reduced and thus the service life of the tilting pad bearing can be increased. Due to the reduced storage losses, the cooling requirement is advantageously reduced. Gas, in particular air, is used to lubricate the tilting pad bearing. The at least one tilting segment is also referred to as a pad. Depending on the design, the tilting pad bearing comprises two or more pads. The tilting segment bearing particularly preferably comprises at least three or more pads. Depending on the design, the tilting pad bearing comprises at least two flexible pads and one fixed pad. Three pads are preferably evenly spaced from one another in a so-called one hundred and twenty degree arrangement in the circumferential direction. The pads or tilting segments can be tilted around a so-called pivot point. The reduction in cross section is used particularly advantageously to represent the pivot point. In this way, a defined tilting of the tilting segment or pad is implemented in a simple manner. With three tilting segments, the distance between the pivot points is preferably the same. It is also possible, however, to space the pivot points unequally from one another. All three tilting segments are constructed identically. Depending on the design, the pads or tilting segments can also be designed differently. The pads can be arranged with or without an axial offset. All pads can have the same center of mass. The centers of gravity can, however, also be designed to be unequal, if desired. The same applies to spring devices that can be assigned to the pin elements. Inner surfaces or inner diameters of the pads can be identical or different. A surface of the pads facing the rotor body is advantageously structured and / or equipped with a pocket. In the axial direction, the pads can be concave, flat or convex, in particular to compensate for angle errors.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung des Stiftelements so ausgeführt und angeordnet ist, dass sich das Stiftelement im Betrieb des Kippsegmentlagers definiert verformt. Die Verformung ist vorzugsweise reversibel. Je nach Ausführung kann aber auch eine irreversible Verformung gewünscht sein, zumindest anteilmäßig.A preferred embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that that the cross-sectional reduction of the pin element is designed and arranged such that the pin element is deformed in a defined manner when the tilting pad bearing is in operation. The deformation is preferably reversible. Depending on the design, however, irreversible deformation can also be desired, at least proportionally.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung des Stiftelements so ausgeführt und angeordnet ist, dass das Kippsegment relativ zu dem Rotorkörper gezielt vorgespannt wird, um eine gewünschte Vorspannung des Kippsegments in dem Kippsegmentlager zu realisieren. Dadurch kann auf zusätzliche Federeinrichtungen zur Vorspannung des Kippsegments verzichtet werden.Another preferred embodiment of the tilting segment bearing is characterized in that the cross-sectional reduction of the pin element is designed and arranged so that the tilting segment is specifically pretensioned relative to the rotor body in order to achieve a desired pretensioning of the tilting segment in the tilting segment bearing. This means that additional spring devices for pretensioning the tilting segment can be dispensed with.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stiftelement fest mit dem Kippsegment verbunden ist. Die feste Verbindung kann stoffschlüssig, formschlüssig und/oder kraftschlüssig ausgeführt sein. Je nach Ausführung ist es auch möglich, dass das Stiftelement einstückig mit dem Kippsegment verbunden ist.Another preferred embodiment of the tilting segment bearing is characterized in that the pin element is firmly connected to the tilting segment. The fixed connection can be made cohesively, positively and / or non-positively. Depending on the design, it is also possible for the pin element to be connected in one piece to the tilting segment.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stiftelement einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Das Stiftelement hat zum Beispiel im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylinders. Dadurch werden die Herstellung und die Montage des Stiftelements erheblich vereinfacht. Das Stiftelement ist zum Beispiel mit einem Endabschnitt in eine entsprechende Ausnehmung des Gehäusekörpers eingepresst. Mit einem weiteren Endabschnitt kann das Stiftelement in eine entsprechende Ausnehmung des Kippsegments eingepresst sein.Another preferred exemplary embodiment of the tilting segment bearing is characterized in that the pin element has a circular cross section. The pin element has, for example, essentially the shape of a right circular cylinder. This considerably simplifies the manufacture and assembly of the pin element. The pin element is, for example, pressed with one end section into a corresponding recess in the housing body. With a further end section, the pin element can be pressed into a corresponding recess in the tilting segment.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung als umlaufende Ringnut an dem Stiftelement ausgeführt ist. Dadurch wird die fertigungstechnische Realisierung der Querschnittsverringerung vereinfacht.Another preferred exemplary embodiment of the tilting segment bearing is characterized in that the cross-sectional reduction is designed as a circumferential annular groove on the pin element. This simplifies the production-related implementation of the cross-sectional reduction.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut einen kreisbogenartigen Nutquerschnitt aufweist. Dadurch wird auf einfache Art und Weise eine gewünschte Verformung beziehungsweise Biegesteifigkeit des Stiftelements im Betrieb des Kippsegmentlagers sichergestellt.Another preferred exemplary embodiment of the tilting segment bearing is characterized in that the annular groove has an arcuate groove cross section. In this way, a desired deformation or flexural rigidity of the pin element is ensured in a simple manner when the tilting pad bearing is in operation.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stiftelement einen polygonförmigen Querschnitt aufweist. Das Stiftelement kann zum Beispiel einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt aufweisen. Die gewünschte Querschnittsverringerung kann zum Beispiel durch mindestens eine Längsnut oder durch zwei Längsnuten an zwei einander abgewandten Seiten des Stiftelements realisiert werden.Another preferred embodiment of the tilting segment bearing is characterized in that the pin element has a polygonal cross section. The pin element can, for example, have a rectangular, in particular square, cross-section. The desired reduction in cross section can be implemented, for example, by at least one longitudinal groove or by two longitudinal grooves on two sides of the pin element facing away from one another.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung im Querschnitt asymmetrisch ausgeführt ist. Das bedeutet bei einem quadratischen Querschnitt zum Beispiel, dass nur eine Längsnut an einer Seite des Stiftelements vorgesehen ist. Bei einem kreiszylinderförmigen Stiftelement bedeutet die asymmetrische Ausführung der Querschnittsverringerung zum Beispiel, dass die Querschnittsverringerung nicht rotationssymmetrisch ausgeführt ist. Durch die asymmetrische Ausführung der Querschnittsverringerung kann auf einfache Art und Weise eine definierte Nachgiebigkeit, insbesondere eine definierte Drehsteifigkeit, in einer gewünschten Verformungsrichtung realisiert werden. Die Querschnittsverringerung kann vorteilhaft auch zur Darstellung eines Festkörpergelenks in dem Stiftelement genutzt werden.Another preferred embodiment of the tilting pad bearing is characterized in that the cross-section reduction is asymmetrical in cross-section. In the case of a square cross section, this means, for example, that only one longitudinal groove is provided on one side of the pin element. In the case of a circular cylindrical pin element, the asymmetrical design of the cross-sectional reduction means, for example, that the cross-sectional reduction is not designed to be rotationally symmetrical. As a result of the asymmetrical design of the cross-sectional reduction, a defined resilience, in particular a defined torsional rigidity, can be implemented in a desired deformation direction in a simple manner. The reduction in cross section can advantageously also be used to represent a solid body joint in the pin element.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Stiftelement, eine Kippsegment und/oder einen Gehäusekörper für ein vorab beschriebenes Kippsegmentlager. Die genannten Teile sind separat handelbar.The invention further relates to a pin element, a tilting segment and / or a housing body for a tilting segment bearing described above. The parts mentioned can be traded separately.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Herstellen oder Betreiben eines vorab beschriebenen Kippsegmentlagers.The invention optionally also relates to a method for producing or operating a tilting segment bearing described above.
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:
-
1 eine schematische Darstellung eines Kippsegmentlagers mit drei Kippsegmenten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Querschnitt; und die -
2 bis 4 ähnliche Kippsegmentlager wie in1 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; -
5 eine Anordnung mit zwei Kippsegmentlagern zur Radiallagerung einer Welle im Längsschnitt; -
6 eine ähnliche Darstellung wie in5 mit einem einteiligen Gehäusekörper für beide Kippsegmentlager; und -
7 eine Variante desKippsegmentlagers aus 1 .
-
1 a schematic representation of a tilting segment bearing with three tilting segments according to a first embodiment in cross section; and the -
2 until4th similar tilt pad bearings as in1 according to further exemplary embodiments; -
5 an arrangement with two tilting pad bearings for radial mounting of a shaft in longitudinal section; -
6th a similar representation as in5 with a one-piece housing body for both tilting pad bearings; and -
7th a variant of thetilting pad bearing 1 .
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
In den
Der Rotorkörper
Die Kippsegmente
Die Kippsegmente
Allen Stiftelementen
Der Gehäusekörper
Durch das Verkippen stellt sich zwischen den Kippsegmenten
Die Verbindung der Stiftelemente
Bei dem in
Mit ihren radial nach innen gerichteten Endabschnitten
In Umfangsrichtung sind die Stiftelemente
Bei dem in
Die Befestigung der radial inneren Endabschnitte
Bei dem in
In
Mit der auch als Querschnittsverjüngung bezeichneten Querschnittsverringerung
Die Vorsprünge
Bei dem in
Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel sind die Stiftelemente
In den
Ein radial innerhalb der Kippsegmente
Der Rotorkörper
In
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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DE102020203609.8A DE102020203609A1 (en) | 2020-03-20 | 2020-03-20 | Tilting pad bearings |
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DE102020203609A1 true DE102020203609A1 (en) | 2021-09-23 |
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ID=77552385
Family Applications (1)
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DE102020203609.8A Pending DE102020203609A1 (en) | 2020-03-20 | 2020-03-20 | Tilting pad bearings |
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DE (1) | DE102020203609A1 (en) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114151438A (en) * | 2021-11-05 | 2022-03-08 | 上海大学 | Flexible tilting pad bearing based on piezoelectric actuator active control |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3260716B1 (en) | 2016-06-23 | 2019-05-22 | Robert Bosch GmbH | Tilt segment bearing |
-
2020
- 2020-03-20 DE DE102020203609.8A patent/DE102020203609A1/en active Pending
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