DE112014004703T5 - bearing arrangement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung (1) einer Rotorwelle (2), insbesondere einer Strömungsmaschine (3; 16), mit zumindest einem Wälzlager (4, 5), das einen Innenring (6) aufweist, der einen Lagerabschnitt (7; 7‘) der Rotorwelle (2) umgreift, und das einen Außenring (8) aufweist, wobei auf dem Außenring (8) eine Federanordnung (9) angeordnet ist, die zumindest ein Federelement (10) aufweist.The invention relates to a bearing arrangement (1) for a rotor shaft (2), in particular a turbomachine (3; 16), having at least one roller bearing (4, 5) which has an inner ring (6) which has a bearing section (7; 7 '). the rotor shaft (2) engages, and which has an outer ring (8), wherein on the outer ring (8) a spring arrangement (9) is arranged, which has at least one spring element (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung einer Rotorwelle, insbesondere einer Strömungsmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a bearing arrangement of a rotor shaft, in particular a turbomachine, according to the preamble of claim 1.

Aus der EP 1 522 736 A2 ist eine gattungsgemäße Lageranordnung für eine Rotorwelle bekannt, die im Falle dieser Druckschrift die Rotorwelle eines elektromotorisch getriebenen Strömungsverdichters ist.From the EP 1 522 736 A2 a generic bearing assembly for a rotor shaft is known, which in the case of this document is the rotor shaft of an electric motor driven flow compressor.

Bei hochdrehenden Turbomaschinen, wie dem genannten Strömungsverdichter oder auch Abgasturboladern, elektrisch angetriebenen Verdichtern oder Expanderturbinen, können hohe Schwingungsanregungen, verursacht durch eine Unwucht oder eine Instabilität der Rotorwelle, zu akustischen Problemen führen.In high-speed turbomachines, such as the aforementioned flow compressor or exhaust gas turbochargers, electrically driven compressors or expander turbines, high vibration excitations, caused by an imbalance or instability of the rotor shaft, lead to acoustic problems.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lageranordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, die es möglich macht, die genannten akustischen Probleme bekannter Lageranordnungen zumindest zu minimieren.It is therefore an object of the present invention to provide a bearing assembly specified in the preamble of claim 1 way, which makes it possible to minimize the aforementioned acoustic problems of known bearing assemblies at least.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.The solution of this object is achieved by the features of claim 1.

Im Rahmen der Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben ergeben, dass durch das Vorsehen einer Federanordnung die eingangs erläuterten Schwingungsanregungen bzw. Schwingungen deutlich reduziert werden können. Zudem ist es möglich, die Lagerbelastung zu vermindern. Ferner kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass Wärmeausdehnungen zwischen den Lagersitzen kompensiert werden können.Investigations carried out within the scope of the invention have shown that by providing a spring arrangement, the vibration excitations or oscillations explained at the outset can be significantly reduced. In addition, it is possible to reduce the bearing load. Furthermore, it can advantageously be achieved that thermal expansions between the bearing seats can be compensated.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The dependent claims have advantageous developments of the invention to the content.

Wenn das Federelement mit einer einfachen, offenen Geometrie versehen ist, ist es vorteilhafterweise möglich, eine zusätzliche Belüftungsfunktion zu realisieren.If the spring element is provided with a simple, open geometry, it is advantageously possible to realize an additional ventilation function.

Ferner ist es durch das Vorsehen eines Stützringes bzw. Stützstreifens (Blechstreifen) möglich, einem übermäßig hohen Verschleiss am die Lageranordnung umgebenden Gehäuse vorzubeugen.Furthermore, by providing a support ring or support strip (sheet metal strip), it is possible to prevent excessively high wear on the housing surrounding the bearing arrangement.

Das Federelement und die beispielsweise von dem genannten Stützring gebildete Stützstruktur kann mehrteilig oder einteilig ausgeführt werden. Bevorzugterweise kann das Federelement eine Wellenstruktur aufweisen und bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einen zusätzlichen glatten Bereich aufweisen, die z.B. aufgerollt montiert werden können. The spring element and the support structure formed, for example, by said support ring can be made in several parts or in one piece. Preferably, the spring element may have a wave structure and in another preferred embodiment have an additional smooth area, e.g. rolled up can be mounted.

Ferner ist es möglich, zur axialen Fixierung des Wälzlagers zumindest einen Axialanschlag vorzusehen. Dieser Axialanschlag kann am Federelement oder, falls vorgesehen, am Stützring bzw. an der Stützstruktur angeordnet werden.Furthermore, it is possible to provide at least one axial stop for axially fixing the roller bearing. This axial stop can be arranged on the spring element or, if provided, on the support ring or on the support structure.

Der Axialanschlag kann durch eine Hochprägung, eine Haltelasche oder einen Absatz am Federelement oder dem Stützring hergestellt werden.The axial stop can be made by an embossing, a retaining tab or a shoulder on the spring element or the support ring.

Schließlich ist es möglich, eine Mehrzahl vorzugsweise gleich beabstandeter Axialanschläge vorzusehen.Finally, it is possible to provide a plurality of preferably equally spaced axial stops.

Die Strömungsmaschine kann beispielsweise ein elektrisch angetriebener Verdichter, eine Expanderturbine oder ein klassischer Abgasturbolader sein. Erfindungsgemäß ist die Ausführungsform der Strömungsmaschine jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. The turbomachine may be, for example, an electrically driven compressor, an expander turbine or a conventional exhaust gas turbocharger. According to the embodiment of the turbomachine, however, is not limited to these examples.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass durch das Vorsehen einer Federanordnung eine Entkopplung des Wälzlagers vom umgebenden Gehäuse, auch ohne das Vorsehen von Öl, möglich ist. Vorzugsweise wird eine weiche Federstruktur verwendet, die eine dämpfende Wirkung aufweist, was zu einer Energiedissipation durch Reibung führt.In summary, it should be noted that by providing a spring arrangement, a decoupling of the rolling bearing from the surrounding housing, even without the provision of oil, is possible. Preferably, a soft spring structure is used, which has a damping effect, which leads to an energy dissipation by friction.

Die Federanordnung bzw. Federstruktur kann erfindungsgemäß ähnlich derjenigen bei radialen Luftlagern sein. Bevorzugterweise weist das Federelement eine Eigenfrequenz auf, die außerhalb der Betriebsfrequenz der Strömungsmaschine bzw. der Rotorwelle liegt.The spring arrangement or spring structure according to the invention may be similar to that in radial air bearings. Preferably, the spring element has a natural frequency, which is outside the operating frequency of the turbomachine or the rotor shaft.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:Further details, advantages and features of the present invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. It shows:

1 eine Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform einer Strömungsmaschine in Form eines elektrisch angetriebenen Verdichters, 1 a sectional view through a first embodiment of a turbomachine in the form of an electrically driven compressor,

2 eine Draufsicht auf ein Wälzlagerelement, das mit einer erfindungsgemäßen Federanordnung versehen ist, 2 a plan view of a rolling bearing element, which is provided with a spring arrangement according to the invention,

3 eine perspektivische Ansicht des Wälzlagerelementes gemäß 2, 3 a perspective view of the rolling bearing element according to 2 .

4 eine Schnittdarstellung durch ein Wälzlager, das mit einer erfindungsgemäßen Federanordnung versehen ist, 4 a sectional view through a rolling bearing, which is provided with a spring arrangement according to the invention,

5 eine Schnittdarstellung des eingebauten Zustandes eines mit einer Federanordnung versehenen Wälzlagers, und 5 a sectional view of the installed state of a spring assembly provided with a rolling bearing, and

6 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Abgasturboladers als ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine. 6 a schematically greatly simplified representation of an exhaust gas turbocharger as a further example of a turbomachine according to the invention.

1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 3 in Form eines elektrisch angetriebenen Verdichters. Die Strömungsmaschine 3 weist eine Rotorwelle 2 auf, auf der ein Verdichterrad 15 angeordnet ist. 1 shows a possible embodiment of the turbomachine according to the invention 3 in the form of an electrically driven compressor. The turbomachine 3 has a rotor shaft 2 on, on which a compressor wheel 15 is arranged.

In einem Lagergehäuse 18 ist eine Lageranordnung 1 gemäß den Prinzipien vorliegender Erfindung angeordnet, die im Detail nachfolgend anhand der 2 bis 5 beschrieben werden wird.In a bearing housing 18 is a bearing arrangement 1 arranged according to the principles of the present invention, which in detail below with reference to 2 to 5 will be described.

Der elektrisch angetriebene Verdichter 3 weist ferner einen Elektromotor 14 auf, der in 1 nur schematisch dargestellt ist, da er für die Erläuterungen der Prinzipien vorliegender Erfindung nicht im Detail erläutert werden muss.The electrically driven compressor 3 also has an electric motor 14 on that in 1 is shown only schematically, since it does not have to be explained in detail for the explanation of the principles of the present invention.

Aus einer Zusammenschau der 1 bis 4 wird deutlich, dass die Lageranordnung 1 im Beispielsfalle zwei Wälzlager 4 und 5 aufweist, die vorzugsweise identisch ausgebildet sind. Die Wälzlager 4, 5 weisen jeweils einen Innenring 6 auf, der einen Lagerabschnitt 7 bzw. 7‘ der Rotorwelle 2 umgreift, wie sich dies insbesondere aus den 1 und 4 ergibt. From a synopsis of 1 to 4 it becomes clear that the bearing arrangement 1 in the example case two rolling bearings 4 and 5 has, which are preferably identical. The rolling bearings 4 . 5 each have an inner ring 6 on, the one bearing section 7 respectively. 7 ' the rotor shaft 2 embraces how this particular from the 1 and 4 results.

Das Wälzlager 4, 5 weist ferner einen Außenring 8 auf, der zusammen mit dem Innenring 6 eine Mehrzahl von Wälzkörpern führt, für die repräsentativ in den 4 und 5 ein Wälzkörper mit der Bezugsziffer 13 identifiziert ist. The rolling bearing 4 . 5 also has an outer ring 8th on that together with the inner ring 6 a plurality of rolling elements, for the representative in the 4 and 5 a rolling element with the reference numeral 13 is identified.

Wie insbesondere eine Zusammenschau der 2 bis 4 deutlich macht, ist ferner eine Federanordnung 9 vorgesehen, die auf dem Außenring 8 des jeweiligen Wälzlagers 4 bzw. 5 angeordnet ist und zumindest ein Federelement 10 aufweist.How in particular a synopsis of 2 to 4 makes clear, is also a spring arrangement 9 provided on the outer ring 8th of the respective rolling bearing 4 respectively. 5 is arranged and at least one spring element 10 having.

Bei der in 4 dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform ist dieses Federelement 10 der Federanordnung 9 als einseitig offene Wellfeder ausgebildet. Die Ausführungsform des Federelementes 10 ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt.At the in 4 shown particularly preferred embodiment, this spring element 10 the spring arrangement 9 designed as unilaterally open corrugated spring. The embodiment of the spring element 10 however, is not limited to this embodiment.

Ferner ist bei der Ausführungsform gemäß den 2 bis 4 wie auch bei derjenigen gemäß 5 als ein weiteres Element der Federanordnung 9 ein Stützring bzw. ein Stützblech 11 vorgesehen, dass das Federelement 10 außenseitig umgibt und vorzugsweise auf diesem aufliegt, wie sich dies aus der Schnittdarstellung der 4 erschließt.Further, in the embodiment according to the 2 to 4 as with those according to 5 as a further element of the spring arrangement 9 a support ring or a support plate 11 provided that the spring element 10 surrounds the outside and preferably rests on this, as can be seen from the sectional view of 4 opens.

Bei der Ausführungsform gemäß den 2, 3 und 5 weist die Federanordnung 9 ferner zumindest einen Axialanschlag 12 auf. Bei der Ausführungsform gemäß den 2 und 3 sind eine Mehrzahl derartiger Axialanschläge 12, insbesondere neun derartiger Anschläge, vorgesehen, die gleich beabstandet umfangsseitig vorgesehen sind.In the embodiment according to the 2 . 3 and 5 has the spring arrangement 9 furthermore at least one axial stop 12 on. In the embodiment according to the 2 and 3 are a plurality of such axial stops 12 , In particular, nine such attacks, provided, which are provided circumferentially equidistantly.

Der bzw. die Axialanschläge 12 können hierbei entweder am Federelement 10 oder, falls vorgesehen, am Stützring 11 angeordnet werden. The axial stop (s) 12 can either be on the spring element 10 or, if provided, on the support ring 11 to be ordered.

In 6 ist als ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine ein Abgasturbolader 16 vorgesehen, der, wie üblich, eine Turbine 17 mit einem Turbinenrad 20, das Lagergehäuse 18 zur Lagerung der Rotorwelle 2 und einen Verdichter 19 mit einem Verdichterrad 21 aufweist, wobei das Verdichterrad 21 und das Turbinenrad 20 wie üblich auf den Enden der Rotorwelle 2 fixiert sind. In 6 is as a further example of a turbomachine according to the invention, an exhaust gas turbocharger 16 provided, as usual, a turbine 17 with a turbine wheel 20 , the bearing housing 18 for supporting the rotor shaft 2 and a compressor 19 with a compressor wheel 21 having, wherein the compressor wheel 21 and the turbine wheel 20 as usual on the ends of the rotor shaft 2 are fixed.

Dementsprechend stellt sich die Erfindung auch als eine Strömungsmaschine dar, die mit einer erfindungsgemäßen Lageranordnung, wie zuvor beschrieben, versehen ist.Accordingly, the invention also represents a turbomachine, which is provided with a bearing arrangement according to the invention, as described above.

Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 6 Bezug genommen.In addition to the above written description of the invention is to the additional disclosure hereby explicitly to the drawings of the invention in the 1 to 6 Referenced.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Lageranordnung bearing arrangement
22
Rotorwelle  rotor shaft
33
Strömungsmaschine flow machine
4, 54, 5
Wälzlager roller bearing
66
Innenring  inner ring
7, 7‘7, 7 '
Lagerabschnitt bearing section
88th
Außenring  outer ring
99
Federanordnung spring assembly
1010
Federelement spring element
1111
Stützring  support ring
1212
Axialanschlag axial stop
1313
Wälzkörper, insbesondere Kugel Rolling elements, in particular ball
1414
Elektromotor  electric motor
1515
Verdichterrad compressor
1616
Abgasturbolader turbocharger
1717
Turbine turbine
1818
Lagergehäuse bearing housing
1919
Verdichter compressor
2020
Turbinenrad turbine
2121
Verdichterrad compressor

Claims (12)

Lageranordnung (1) einer Rotorwelle (2), insbesondere einer Strömungsmaschine (3; 16), – mit zumindest einem Wälzlager (4, 5), • das einen Innenring (6) aufweist, der einen Lagerabschnitt (7; 7‘) der Rotorwelle (2) umgreift, und • das einen Außenring (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – auf dem Außenring (8) eine Federanordnung (9) angeordnet ist, die zumindest ein Federelement (10) aufweist.Bearing arrangement ( 1 ) a rotor shaft ( 2 ), in particular a turbomachine ( 3 ; 16 ), - with at least one roller bearing ( 4 . 5 ), • an inner ring ( 6 ) having a bearing section ( 7 ; 7 ' ) of the rotor shaft ( 2 ), and • an outer ring ( 8th ), characterized in that - on the outer ring ( 8th ) a spring arrangement ( 9 ) is arranged, the at least one spring element ( 10 ) having. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (10) als Wellfeder ausgebildet ist.Bearing arrangement according to claim 1, characterized in that the spring element ( 10 ) is designed as a wave spring. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellfeder (10) einseitig offen ausgebildet ist.Bearing arrangement according to claim 2, characterized in that the corrugated spring ( 10 ) is open on one side. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (9) einen Stützring (11) aufweist, der außenseitig auf dem Federelement (10) aufliegt.Bearing arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spring arrangement ( 9 ) a support ring ( 11 ), which on the outside on the spring element ( 10 ) rests. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (9) zumindest einen Axialanschlag (12) aufweist.Bearing arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the spring arrangement ( 9 ) at least one axial stop ( 12 ) having. Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialanschlag (12) am Federelement (10) angebracht ist.Bearing arrangement according to claim 5, characterized in that the axial stop ( 12 ) on the spring element ( 10 ) is attached. Lageranordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialanschlag (12) am Stützring (11) angebracht ist. Bearing arrangement according to claim 4 and 5, characterized in that the axial stop ( 12 ) on the support ring ( 11 ) is attached. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von gleich beabstandeten Axialanschlägen (12) vorgesehen ist.Bearing arrangement according to one of claims 5 to 7, characterized in that a plurality of equally spaced axial stops ( 12 ) is provided. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (10) eine Eigenfrequenz aufweist, die außerhalb der Betriebsfrequenz der Rotorwelle (2) bzw. der Strömungsmaschine (13, 16) liegt. Bearing arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the spring element ( 10 ) has a natural frequency which is outside the operating frequency of the rotor shaft ( 2 ) or the turbomachine ( 13 . 16 ) lies. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine als elektrisch angetriebener Verdichter (3) ausgebildet ist.Bearing arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the turbomachine as an electrically driven compressor ( 3 ) is trained. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine als Expanderturbine ausgebildet ist.Bearing arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the turbomachine is designed as an expander turbine. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine als Abgasturbolader (16) ausgebildet ist.Bearing arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the turbomachine as exhaust gas turbocharger ( 16 ) is trained.
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