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Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine mit einer Welle, die über mindestens ein Radiallager und ein Axiallager um eine Achse drehbar gelagert ist. Bei der Arbeitsmaschine kann es sich insbesondere um einen Turboverdichter zum Verdichten von Luft handeln.
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Stand der Technik
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In vielen Bereichen der Technik müssen schnell drehende Wellen gelagert werden, beispielsweise in Turboverdichtern zum Verdichten von Luft für aufgeladene Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellensysteme. Dabei sind auf oder in der Welle Laufräder, insbesondere Verdichter- und/oder Turbinenräder, und/oder Magnete für elektrische Antriebe angeordnet. Typischerweise wird eine schnell drehende Welle über mehrere Lagereinheiten gelagert, die mindestens ein Radiallager und ein Axiallager umfassen. Die Lager sollen auftretende Kräfte und Momente aufnehmen sowie ein möglichst verlustarmes Rotieren der Welle ermöglichen.
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Je nach Anwendungsfall können gasgeschmierte Lager bzw. Gaslager zum Einsatz gelangen. Diese ermöglichen sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten bei geringer Reibung sowie geringen Lagerverlusten. Der Verzicht auf eine Öl- oder Fettschmierung erweist sich insbesondere bei Brennstoffzellenanwendungen als Vorteil, da die verdichtete Luft ölfrei sein muss. Andernfalls könnten die Brennstoffzellen Schaden nehmen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2018 215 839 A1 geht beispielhaft ein als Gaslager ausgeführtes Axiallager mit zwei Axiallagerscheiben hervor, die zur Kompensation einer etwaigen Schiefstellung der Welle gelenkig, beispielsweise kardanisch, aufgehängt sind. Auf diese Weise sollen Lagerverluste weiter minimiert werden.
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Im Betrieb einer Arbeitsmaschine mit schnell drehender Welle treten im Axiallager hohe Temperaturen auf, die in der Regel deutlich über der Temperatur des Gehäuses der Arbeitsmaschine liegen. Da die Axiallagerscheiben des Axiallagers unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise über eine zwischenliegende Distanzscheibe oder eine gelenkige Aufhängung gemäß dem vorstehend genannten Stand der Technik, in Kontakt mit dem Gehäuse stehen, kann hierüber die Wärme abgeführt werden. Üblicherweise erwärmt sich eine der beiden Axiallagerscheiben stärker als die andere, da sich der Wellenbund der rotierenden Welle in der Regel an nur einer Axiallagerscheibe axial abstützt. Dies führt zu unterschiedlichen Temperaturen und zu unterschiedlich starken thermischen bedingten Längenänderungen der beiden Axiallagerscheiben. In der Folge kann es daher zu einer Schiefstellung der beiden Axiallagerscheiben kommen, so dass die Höhe des Lagerspalts nicht mehr gewährleistet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer Schiefstellung der Axiallagerscheiben aufgrund thermisch bedingter Längenänderungen entgegenzuwirken, so dass diese parallel zueinander sowie parallel zum Wellenbund ausgerichtet bleiben. Auf diese Weise soll die Funktionsfähigkeit des Axiallager aufrechterhalten werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Arbeitsmaschine weist eine Welle auf, die über mindestens ein Radiallager und ein Axiallager um eine Achse A drehbar gelagert ist. Dabei umfasst das Axiallager eine erste Axiallagerscheibe und eine zweite Axiallagerscheibe, die zur Ausbildung eines Lagerspalts in einem axialen Abstand zueinander angeordnet sind. Zur Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen ist zumindest eine der beiden Axiallagerscheiben in zumindest einem umlaufenden Abschnitt in radialer Richtung nachgiebig gestaltet.
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Durch die Nachgiebigkeit in radialer Richtung können thermisch bedingte Längenänderungen der mindestens einen Axiallagerscheibe aufgenommen und ausgeglichen werden. Der in radialer Richtung nachgiebige Abschnitt ist umlaufend ausgebildet, so dass auch über den Umfang ungleichmäßige Längenänderungen kompensiert werden können. Da vorzugsweise beide Axiallagerscheiben in zumindest einem umlaufenden Abschnitt radial nachgiebig gestaltet sind, können sich beide Axiallagerscheiben zudem unterschiedlich stark ausdehnen oder zusammenziehen, ohne dass es zu einer Verkippung bzw. Schieflage kommt. Die beiden Axiallagerscheiben bleiben somit parallel zueinander ausgerichtet, so dass die Höhe des zwischen den beiden Axiallagerscheiben ausgebildeten Lagerspalts konstant bleibt.
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Sofern nur eine Axiallagerscheibe einen in radialer Richtung nachgiebigen Abschnitt aufweist, handelt es sich hierbei um die Axiallagerscheibe, die im Betrieb am stärksten belastet ist. Die weniger stark belastete Axiallagerscheibe kann dann ohne einen derartigen Abschnitt ausgebildet werden.
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Der der Kompensation von Längenänderungen dienende Abschnitt der mindestens einen Axiallagerscheibe ist vorzugsweise in axialer Richtung biegesteif ausgeführt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Axiallagerscheibe weiterhin in der Lage ist, die im Axiallager üblicherweise auftretenden Axialkräfte aufzunehmen.
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Die Nachgiebigkeit des Abschnitts in radialer Richtung ist vorzugsweise form- und/oder materialbedingt. Das heißt, dass die radiale Nachgiebigkeit über die Form, insbesondere die Querschnittsform, und/oder das Material des Abschnitts erzielt wird. Die Form und/oder das Material muss bzw. müssen sowohl Dehnungen als auch Stauchungen des Abschnitts in radialer Richtung zulassen.
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Bevorzugt weist der radial nachgiebige Abschnitt eine gefaltete oder gebogene Geometrie auf. Die Nachgiebigkeit wird in diesem Fall durch eine Verformung des gefalteten bzw. gebogenen Abschnitts erreicht. Bei einer gefalteten Geometrie erlaubt die Faltung eine Dehnung oder Stauchung. Bei einer gebogenen bzw. gekrümmten Geometrie kann die Dehnung oder Stauchung durch einen veränderten Krümmungsradius erzielt werden. Der radial nachgiebige Abschnitt kann dabei einfach oder mehrfach gefaltet bzw. gebogen sein, so dass eine zieharmonikaähnliche oder eine wellenförmige Geometrie ausgebildet werden.
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Analog einem Falten- oder Wellbalg weisen gefaltete oder gebogene Geometrien den Vorteil auf, dass sie in einer Richtung dehnbar bzw. stauchbar sind und in der Richtung senkrecht hierzu unnachgiebig sind. Derartige Geometrien sind daher besonders gut zur Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Axiallagerscheiben geeignet.
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Ferner bevorzugt wird der in radialer Richtung nachgiebige Abschnitt durch einen Steg ausgebildet, der gegenüber der jeweiligen Axiallagerscheibe eine reduzierte Stärke aufweist. Die reduzierte Stärke unterstützt eine gewisse Verformbarkeit des Steges, insbesondere im Bereich einer Faltung oder Krümmung, um die gewünschte Dehnung oder Stauchung zu erzielen.
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Der Steg kann geschlossen oder unterbrochen ausgeführt sein. Die unterbrochene Ausführung besitzt den Vorteil, dass über Öffnungen eine gute Belüftung oder eine aktive Luftkühlung realisierbar ist.
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Zur Ausbildung des in radialer Richtung nachgiebigen Abschnitts kann die jeweilige Axiallagerscheibe aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Somit kann der nachgiebige Abschnitt als separates Teil gefertigt und anschließend mit mindestens einem weiteren Teil der Axiallagerscheibe gefügt werden. Die mehrteilige Ausführung ermöglicht zudem die Verwendung unterschiedlicher Materialien.
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Eine einteilige Axiallagerscheibe mit einem radial nachgiebigen Abschnitt kann insbesondere als Drehteil ausgeführt sein. Durch Drehen lassen sich gefaltete oder gebogene Strukturen besonders einfach herstellen. Über die Drehmeißel können die Winkel der Faltungen oder die Krümmungen der Bögen vorgegeben werden. Alternativ können gefaltete oder gebogene Strukturen auch durch Prägen oder Tiefziehen hergestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Axiallagerscheiben an einem Gehäuse gelenkig, insbesondere kardanisch, aufgehängt. Die Aufhängung kann analog dem eingangs genannten Stand der Technik ausgeführt sein. Die Vorteile der Erfindung kommen bei einer gelenkigen Aufhängung der Axiallagerscheiben besonders deutlich zum Tragen, da diese bei einer thermisch bedingten Längenänderung stärker zu einer Schiefstellung neigen. Dies ist auf die Gelenke zurückzuführen, die thermische Widerstände ausbilden und zudem biegeweicher sind.
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Ferner bevorzugt sind das Radiallager und das Axiallager als Gaslager ausgebildet. In der Ausbildung als Gaslager können die Reibverluste und damit der Verschleiß des Lagers geringgehalten werden. Zudem arbeiten Gaslager ölfrei. Die vorgeschlagene Arbeitsmaschine ist somit insbesondere für den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem geeignet, beispielsweise als Luftverdichter.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich des Axiallagers,
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Axiallager mit gelenkig aufgehängten Axiallagerscheiben ohne Kompensationsmittel,
- 4 einen schematischen Längsschnitt durch ein Axiallager mit gelenkig aufgehängten Axiallagerscheiben mit Kompensationsmittel und
- 5 a) bis c) mögliche Geometrien zur Ausbildung der thermische Längenänderungen kompensierenden Abschnitte der Axiallagerscheiben eines Axiallagers einer erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Bei der in der 1 dargestellten Arbeitsmaschine 10 handelt es sich um einen Turboverdichter. Dieser weist eine in einem Gehäuse 11 aufgenommene Welle 1 mit mehreren Laufrädern 12 auf, wobei es sich vorliegend um ein Verdichterrad einerseits und ein Turbinenrad andererseits handelt. Die Welle 1 ist über zwei Radiallager 2 und ein Axiallager 3 um eine Achse A drehbar gelagert. Das Axiallager 3 weist hierzu zwei Axiallagerscheiben 4, 5 auf, die gemeinsam einen Lagerspalt 6 begrenzen. In den Lagerspalt 6 greift ein Wellenbund 8 der Welle 1 ein.
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Wie der 2 zu entnehmen ist, ist im Lagerspalt 6 zwischen den beiden Axiallagerscheiben 4, 5 eine Distanzscheibe 9 angeordnet. Diese dient der Einstellung der Höhe des Lagerspalts 6. Eine genaue Einstellung der Höhe des Lagerspalts 6 ist nicht nur für die Lagereigenschaften von Bedeutung, sondern definiert zugleich die axiale Lage der Laufräder 12 in Bezug auf Voluten 14. Das heißt, dass über den Lagerspalt 6 zugleich die Laufradspalte 13 eingestellt werden. Ein zu großes Spiel im Bereich der Laufradspalten 13 führt zu hohen Verlusten im Betrieb der Arbeitsmaschine 10.
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Die Höhe des Lagerspalts 6 kann bei einer thermisch bedingten Längenänderung einer Axiallagerscheibe 4, 5 ferner durch eine Schiefstellung bzw. Verkippung der Axiallagerscheibe 4, 5 beeinflusst werden. Um dies zu verhindern, weisen die beiden Axiallagerscheiben 4, 5 des Axiallagers 3 der 3 umlaufende Abschnitte 7 auf, die in radialer Richtung nachgiebig sind. Hierzu sind die Abschnitte 7 als dünne Stege ausgeführt, die im Querschnitt jeweils gebogen sind. Über die Biegung bzw. Krümmung können die Abschnitte 7 in radialer Richtung gedehnt oder gestaucht werden, so dass hierüber thermisch bedingte Längenänderungen der Axiallagerscheiben 4, 5 kompensierbar sind.
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Alternativ zur Ausführung gemäß der 2 können die beiden Axiallagerscheiben 4, 5 des Axiallagers 3 auch gelenkig aufgehängt sein. Diese Ausführung ist beispielhaft in den 3 und 4 dargestellt. Eine Distanzscheibe 9 ist in diesem Fall entbehrlich.
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In der Ausführung gemäß der 3 weisen die Axiallagerscheiben 4, 5 keine kompensierenden Abschnitte 7 auf. Thermisch bedingte Längenänderungen der Axiallagerscheiben 4, 5 können somit zu einer Verkippung der Anordnung um ein Gelenk 15 führen. In der Ausführung gemäß der 4 weisen die Axiallagerscheiben 4, 5 umlaufende Abschnitte 7 auf, die in radialer Richtung nachgiebig und in axialer Richtung biegesteif sind. Die Abschnitte 7 kompensieren die Längenänderungen, so dass es nicht zu einer Verkippung kommt.
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Mögliche Ausgestaltungen der Abschnitte 7 sind den 5a) bis 5 c) zu entnehmen. Sie alle zeigen dünne Stege, die gefaltet oder gebogen sind. In der 5a) wird die Faltung jeweils über die Anschlussbereiche der Stege realisiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018215839 A1 [0004]
