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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lagern eines Rotors mittels Gas, z.B. zur Luftlagerung, insbesondere zur ölfreien Lagerung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Lagern eines Rotors bei hohen axialen Kräften und/oder bei hohen Drehgeschwindigkeiten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen Anspruchs.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zum Lagern eines Rotors insbesondere bei hohen axialen Kräften und/oder bei hohen Drehgeschwindigkeiten haben sich so genannte Foliengaslager bzw. Folienlager als zweckdienlich erwiesen. Foliengaslager werden beispielsweise bei Pumpen bei hohen Drehgeschwindigkeiten des jeweiligen Rotors eingesetzt. Mittels Foliengaslagern können insbesondere auch Lastschwankungen in axialer Richtung (längs der Drehachse des Rotors) aufgefangen werden. Herkömmliche Foliengaslager bestehen aus Folienlagen mit weitgehend ebenen Oberflächen. Eine insbesondere statisch relativ zum Rotor angeordnete Fläche (so genannte Top Foil) begrenzt einen Luftspalt und ist elastisch verformbar und gibt einem im Luftspalt insbesondere in Abhängigkeit von einer Rotationsgeschwindigkeit generiertem Druck nach. Insbesondere führt ein Druckfeld innerhalb eines Lagerspaltes zwischen dem Rotor und der angrenzenden Top-Folie zu einer Verformung der Folie, wodurch das Verhalten des Lagers beeinflusst wird. Die Eigenschaften des Foliengaslagers, insbesondere auch die Tragfähigkeit in axialer Richtung, werden daher stark durch die Ausgestaltung der Folien und durch das Interagieren des Rotors mit den Folien vordefiniert. Bei der Auslegung und Optimierung von Foliengaslagern besteht daher Interesse, die Effekte der Folien auf den Rotor und auf die Ausbildung der Druckverhältnisse möglichst exakt beeinflussen und optimieren zu können.
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Die Patentschrift
EP 2 375 089 B1 beschreibt ein dynamisches Foliengaslager mit bahnartigen Folien mit Halteflächen und Verbindungsflächen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht Interesse an einer Verbesserung der technischen Möglichkeiten und Merkmale von Folienlagern, insbesondere hinsichtlich der Anforderungen bei axialer Lagerung.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe ist, eine Vorrichtung zur Gaslagerung bzw. Luftlagerung eines Rotors bereitzustellen, womit der Rotor insbesondere bei hohen axialen Kräften und/oder insbesondere bei hohen Drehgeschwindigkeiten bei hoher Tragfähigkeit gelagert werden kann. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine effiziente ölfreie Lagerung eines hochdrehenden Rotors zumindest in axialer Richtung derart zu ermöglichen, dass der Rotor mit einer vergleichsweise hohen axialen Kraft beaufschlagt werden kann, insbesondere auch bei vorteilhaften Nebeneffekten hinsichtlich Reibung bzw. Wärmeentwicklung und hinsichtlich Stabilität.
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Diese Aufgabe wird durch eine Foliengaslagervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den jeweiligen Unteransprüchen erläutert. Die Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar, sofern dies nicht explizit verneint ist.
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Bereitgestellt wird eine Foliengaslagervorrichtung eingerichtet zum Lagern eines Rotors mittels Gas, mit einer rotorseitigen Top-Folieneinrichtung zur Definition einer Lagerebene für den Rotor, und mit einer die Top-Folieneinrichtung auf einem Träger abstützenden Bump-Folieneinrichtung. Die Bump-Folieneinrichtung ist bevorzugt eingerichtet für eine Deformation der Top-Folieneinrichtung, in Reaktion auf einen auf die Lagerebene ausgeübten Druck.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Foliengaslagervorrichtung wenigstens einen von der Top-Folieneinrichtung gebildeten abgeschrägten Umfangsbereich aufweist, der sich in Drehrichtung zwischen dem Träger und der Lagerebene erstreckt und in der Lagerebene endet, und dass die Top-Folieneinrichtung auf der Oberseite durch von radial außen nach innen (insbesondere zumindest abschnittsweise radial oder schräg zur radialen Richtung) verlaufende Ausnehmungen strukturiert ist. Alternativ kann der Rotor entsprechend strukturiert sein. Dies liefert insbesondere auch bei hohen Drehzahlen eine robuste, stabile Lagerung, auch bei hohen Lasten.
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Im Gegensatz zu bisher erprobten Technologien, insbesondere im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen axialen Folienlagern mit flexiblen Oberflächen, kann erfindungsgemäß mit einfachen Mitteln eine Erweiterung des Einsatzgebietes der Foliengaslager bei hoher Systemsicherheit erzielt werden. Dabei kann eine hohe axiale Tragfähigkeit realisiert werden. Ferner kann der Reibungsverlust des Lagers minimiert werden. Insbesondere eine Kombination der technischen Merkmale „abgeschrägter Umfangsbereich“ und „Ausnehmungen“ ermöglicht eine Verbesserung der Lager-Eigenschaften. Insbesondere kann ein axiales Folienlager mit Ausnehmungen in Ausgestaltung als Spiralnuten bereitgestellt werden.
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Üblicherweise weist ein herkömmliches axiales Foliengaslager zwei Folien-Teile auf: die so genannte Top Foil (Top-Folie), und die so genannte Bump Foil (Bump-Folie), wobei die Top Foil auf der flexiblen, dämpfenden Bump Foil aufliegt, und wobei die Top Foil zusammen mit dem Rotor den Gasfilm in axialer Richtung beidseitig begrenzt bzw. abgrenzt. Die flexible Bump Foil kann dabei eine (elastische) Deformation der Top Foil ermöglichen, insbesondere bei Druckbeaufschlagung oder Druckeinwirkung (Druckfeld des Gasfilms).
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Die Top Foil kann mit zwei unterschiedlichen Zonen (Bereichen) ausgestattet werden: konvergente Zone zum Einengen eines Luftspaltes zwischen der Top Foil und dem Rotor; und so genannte Plateau-Zone in (zumindest annähernd) paralleler Anordnung zum Rotor. Mittels dieser beiden Zonen kann der Druck im Gasfilm erhöht werden, und damit kann auch die Tragfähigkeit des Lagers definiert bzw. gesteigert werden, insbesondere als Funktion einer Rotation des Rotors bzw. als Funktion einer Drehgeschwindigkeit.
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Davon ausgehend beruht die Erfindung auf dem Konzept, eine hohe Stabilität und gute Dämpfungs- und Tragfähigkeits-Eigenschaften hervorzurufen, indem auf der Oberseite der Top-Folieneinrichtung Ausnehmungen vorgesehen werden, insbesondere Ausnehmungen in Form von Nuten, welche Ausnehmungen eingerichtet sind, bei relativer Drehbewegung zwischen Rotor und Top-Folieneinrichtung Gas nach innen zu pumpen.
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Die Ausnehmungen wirken vorteilhafter Weise basierend auf einer Rotation des Rotors relativ zur Top-Folieneinrichtung. Die Ausnehmungen können sich statt auf der Top-Folieneinrichtung alternativ auch auf dem Rotor befinden. Die Ausnehmungen sind eingerichtet, Gas in den Luftspalt des Lagers zu befördern (insbesondere im Sinne von: Gas pumpen), insbesondere mit dem Effekt, den Druck des Gasfilms im Luftspalt zu steigern.
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Die Ausnehmungen bzw. Nuten sind vorteilhafter Weise spiralförmig angeordnet, zumindest abschnittsweise. Die Ausnehmungen können als einwärts (radial nach innen) pumpende Nuten ausgebildet bzw. angeordnet sein. Die Ausnehmungen können insbesondere exakt außen am Außenradius (Außenkante) beginnen. Die Ausnehmungen können insbesondere nach innen bis hin zu einer Radialposition weiter außen als der Innenradius (Innenkante) der Top- Folieneinrichtung verlaufen bzw. angeordnet sein. Beispielsweise erstrecken sich die Ausnehmungen bis zur Hälfte der radialen Erstreckung der Top- Folieneinrichtung (halbe radiale Länge).
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Die Ausnehmungen, insbesondere Nuten sind vorteilhafter Weise in einem Winkel zwischen 95° und 175° angeordnet in Bezug auf die tangentiale Richtung. Dies liefert hohe Effizienz, insbesondere eine optimale Pumpwirkung.
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Die Ausnehmungen, insbesondere Nuten können in einer Ausrichtung von innen gegen außen angeordnet bzw. eingebracht sein, zumindest teilweise und/oder in Umfangsrichtung abschnittsweise und/oder radialer Richtung abschnittsweise.
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Die Ausnehmungen, insbesondere Nuten können gegenläufig angeordnet bzw. eingebracht sein, zumindest teilweise und/oder in Umfangsrichtung abschnittsweise und/oder radialer Richtung abschnittsweise.
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Dank der erfindungsgemäßen Konfiguration kann beispielsweise auch die Geometrie der Ausnehmungen auf der Top-Folieneinrichtung auf einfache Weise optimiert und an den jeweiligen Anwendungsfall oder die gewünschten Druckverhältnisse oder Relativgeschwindigkeiten oder Gasdichten adaptiert werden, insbesondere zur Maximierung der Tragfähigkeit und/oder zur Steigerung der Effizienz (Verminderung von Wirkungsverlusten). Hierdurch kann auch der Wärmehaushalt optimiert werden. Anders ausgedrückt: Insbesondere die Abfuhr von Wärmeenergie kann auf einfachere Weise sichergestellt werden. Ferner können die erfindungsgemäßen Ausnehmungen auf vergleichsweise unkomplizierte Weise hergestellt werden, insbesondere in einem einfachen, kostengünstigen Fertigungsschritt.
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Die erfindungsgemäßen Ausnehmungen, insbesondere in Ausgestaltung als Spiralnuten, in einer Anordnung auf einer statisch angeordneten, flexibel gelagerten Oberfläche eines Gaslagers, liefern insbesondere in Kombination mit dem abgeschrägten Umfangsbereich (konvergenter Umfangsbereich eingerichtet zur Einengung des Luftspaltes) eine spürbare Verbesserung hinsichtlich Tragfähigkeit und Lauf-Eigenschaften. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wurde bisher im Stand der Technik eine davon abweichende Anordnung zugrunde gelegt, nämlich die rotierenden und statischen Flächen in paralleler Anordnung zueinander, und/oder es wurde eine im Wesentlichen ebene Oberseite der Top-Folie vorgesehen.
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Die Foliengaslagervorrichtung kann dabei insbesondere auch zur Aufnahme von im Wesentlichen axial ausgerichteten Kräften eingerichtet sein. Für diesen Fall kann die Foliengaslagervorrichtung auch als Foliengasaxiallagervorrichtung bezeichnet werden.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Ausnehmungen näher beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen bei Rotation des Rotors eingerichtet zum Fördern (bzw. zum Pumpen) von Gas radial nach innen. Dies begünstigt auch das Erzeugen eines vergleichsweise hohen Gasdrucks oder Gasdurchflusses.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen bei Rotation des Rotors eingerichtet zum Aufbauen eines Drucks in einer zentrischen, von den Folieneinrichtungen außen umgrenzten Kavität der Foliengaslagervorrichtung. Dies ermöglicht auch das geregelte Einbringen von Gas in einen zentrischen Bereich des Lagers.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen als Nuten oder als Rillen ausgestaltet. Die Ausnehmungen können dadurch auch auf vergleichsweise einfache Art und Weise hergestellt werden. Nuten oder Rillen lassen sich dabei auch individuell in Geometrie, Verlauf und Tiefe ausgestalten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Ausnehmungen eine konstante Tiefe auf, zumindest über einen Längenabschnitt größer der halben Länge der Ausnehmungen, insbesondere bis zu einem inneren Ende der Ausnehmungen oder bis kurz davor. Dies ermöglicht auch weitgehend konstante Strömungsverhältnisse innerhalb der jeweiligen Ausnehmung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Ausnehmungen an einem/am jeweiligen inneren Ende einen stetigen Auslaufbereich mit stetig abnehmender Tiefe auf. Dies begünstigt insbesondere auch eine Überleitung von Gasströmungen aus den Ausnehmungen heraus in einen Spalt zwischen zwei ebenen Oberflächen. Dies kann das Ausbilden eines stabilen Gasfilms begünstigen.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Ausrichtungen der Ausnehmungen näher beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel verlaufen die Ausnehmungen zumindest abschnittsweise in radialer Richtung. Dies ermöglicht ein effizientes Pumpen nach innen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel verlaufen die Ausnehmungen zumindest abschnittsweise gekrümmt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel verlaufen die Ausnehmungen zumindest abschnittsweise spiralförmig. Dies liefert jeweils auch Vorteile hinsichtlich Reibung, Impulserhaltung und möglichst homogener Ausbildung der Druckverhältnisse.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel verlaufen die Ausnehmungen zumindest abschnittsweise von außen nach radial innen mit kleiner werdendem Krümmungsradius. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein/der Krümmungsradius der Ausnehmungen nach radial außen größer, insbesondere stetig. Dies begünstigt jeweils auch das Einspeisen von Gas von außen in die Foliengaslagervorrichtung, insbesondere bei statischer Anordnung der Top- Folieneinrichtung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein/der Krümmungsradius der Ausnehmungen radial innen am kleinsten. Dies begünstigt auch das Einspeisen von Gas nach innen bei vorteilhaften Strömungsverhältnissen, insbesondere in eine zentrische Kavität.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel verläuft die jeweilige Ausnehmung zumindest abschnittsweise geradlinig ohne Krümmung (Krümmungsradius Null), insbesondere radial außen. Dies begünstigt auch das Einspeisen von Gas, insbesondere in Abhängigkeit einer Drehzahl oder einer Ausgestaltung des Rotors oder eines Abstandes zwischen der Top-Folieneinrichtung und dem Rotor.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen zwischen einer Innenkante der Top-Folieneinrichtung und einer Außenkante der Top-Folieneinrichtung. Dies ermöglicht auch eine gezielte Vorgabe des jeweiligen Strömungspfades von außen bis nach innen zu einer zentrischen Kavität.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen derart ausgerichtet, dass die Ausnehmungen in relativer Drehrichtung des Rotors nach innen zu einer/der zentrischen Kavität führen, insbesondere mit kleiner werdendem Krümmungsradius. Dies liefert auch eine gute Pumpwirkung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt der Winkel der Ausnehmungen zwischen 95° und 175°. Dies liefert jeweils auch einen guten Effekt hinsichtlich Stabilität und Tragfähigkeit und Laufruhe.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Anordnungen der Ausnehmungen näher beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen von einer/der Außenkante der Top-Folieneinrichtung mindestens bis zur halben Breite der Top-Folieneinrichtung, also mindestens bis zur Hälfte der Strecke bis zu einer/zur Innenkante der Top-Folieneinrichtung. Dies ermöglicht auch, einen stabilisierenden Effekt basierend auf strömungstechnischen Phänomenen zu erzeugen, insbesondere aufgrund variierender Querschnittsprofile in radialer Richtung. Die radiale Länge der Ausnehmungen kann dabei auch in Abhängigkeit der Ausgestaltung des Rotors gewählt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen von der Außenkante mindestens bis zur 1/3 Breite der Top-Folieneinrichtung. Dies ermöglicht auch das Einpumpen von Gas in einem äußeren Randbereich und das Ausbilden eines Gasfilms weiter innen über einen vergleichsweise großen radialen Abschnitt, ohne dass der Gasfilm durch Kanten oder Unebenheiten gestört wird. Je nach gewünschter Interaktion zwischen Top-Folieneinrichtung und Rotor kann ein mehr oder weniger breiter Gasfilm (insbesondere ohne Ausnehmungen) gewünscht sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen von der Außenkante mindestens bis zur 2/3 Breite des Rotors. Dies kann auch das Pumpen von vergleichsweise viel Gas begünstigen, mit vorteilhaften Effekten auf die Tragfähigkeit.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen von der Außenkante des Rotors maximal bis zur halben Breite des Rotors. Dies lässt radial innen Raum für eine Ausbildung eines Gasfilms unabhängig von Ausnehmungen, insbesondere wenn der Gasfilm möglichst wenig turbulent sein soll oder möglichst wenig durch Ausnehmungen gestört werden soll.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen von der Außenkante bis zu einer/zur Innenkante des Rotors. Dies kann eine sehr gezielte Einflussnahme auf den Gastransport nach innen ermöglichen, wobei auch eine Einflussnahme auf die Gasverteilung erleichtert werden kann, insbesondere in Abhängigkeit der Ausgestaltung oder Größe des Volumens einer zentrischen Kavität. Nicht zuletzt kann auch die Reibung minimiert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen von einer/der Außenkante des Rotors mindestens bis zur halben Breite des Rotors, also mindestens bis zur Hälfte der Strecke bis zu einer/zur Innenkante des Rotors. Dies ermöglicht auch, einen stabilisierenden Effekt basierend auf strömungstechnischen Phänomenen zu erzeugen, insbesondere aufgrund variierender Querschnittsprofile in radialer Richtung. Die radiale Länge der Ausnehmungen kann dabei auch in Abhängigkeit der Ausgestaltung des Rotors gewählt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen von der Außenkante mindestens bis zur 1/3 Breite des Rotors. Dies ermöglicht auch das Einpumpen von Gas in einem äußeren Randbereich und das Ausbilden eines Gasfilms weiter innen über einen vergleichsweise großen radialen Abschnitt, ohne dass der Gasfilm durch Kanten oder Unebenheiten gestört wird. Je nach gewünschter Interaktion zwischen Top-Folieneinrichtung und Rotor kann ein mehr oder weniger breiter Gasfilm (insbesondere ohne Ausnehmungen) gewünscht sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen von der Außenkante mindestens bis zur 2/3 Breite des Rotors. Dies kann auch das Pumpen von vergleichsweise viel Gas begünstigen, mit vorteilhaften Effekten auf die Tragfähigkeit.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen von der Außenkante des Rotors maximal bis zur halben Breite des Rotors. Dies lässt radial innen Raum für eine Ausbildung eines Gasfilms unabhängig von Ausnehmungen, insbesondere wenn der Gasfilm möglichst wenig turbulent sein soll oder möglichst wenig durch Ausnehmungen gestört werden soll.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Ausnehmungen von der Außenkante bis zu einer/zur Innenkante des Rotors. Dies kann eine sehr gezielte Einflussnahme auf den Gastransport nach innen ermöglichen, wobei auch eine Einflussnahme auf die Gasverteilung erleichtert werden kann, insbesondere in Abhängigkeit der Ausgestaltung oder Größe des Volumens einer zentrischen Kavität. Nicht zuletzt kann auch die Reibung minimiert werden.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen des abgeschrägten Bereiches näher beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel beginnt der abgeschrägte Umfangsbereich auf der Oberfläche des Trägers. Dies ermöglicht auch die Ausgestaltung von folienfreien Segmenten auf dem Träger, was sich vorteilhaft für eine Regulierung der Druckverhältnisse nutzen lässt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind mehrere abgeschrägte Umfangsbereiche in rotationssymmetrischer Anordnung vorgesehen, insbesondere zwei, drei oder vier abgeschrägte Umfangsbereiche jeweils in demselben Drehwinkel zu einander beabstandet. Dies liefert auch Vorteile hinsichtlich Laufruhe und Stabilität.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Foliengaslagervorrichtung ein in Drehrichtung des Rotors vor dem (jeweiligen) abgeschrägten Umfangsbereich angeordnetes folienfreies Umfangssegment auf, welches sich über einen möglichst kleinen Drehwinkel (Umfangslänge) erstreckt. Dies liefert insbesondere in Verbindung mit einer Pumpwirkung der Ausnehmungen Vorteile hinsichtlich Stofftransport und Dämpfungseigenschaften des Lagers.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Anordnungen der Ausnehmungen relativ zum abgeschrägten Bereich näher beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind einige der Ausnehmungen bzw. sind die Ausnehmungen (auch) im abgeschrägten Umfangsbereich angeordnet. Hierdurch kann eine Pumpwirkung insbesondere bei weitgehend homogenem Druckaufbau erzeugt werden, insbesondere ohne nachteilige Druckschwankungen. Ein sich im abgeschrägten Umfangsbereich ausbildender Gasteppich kann bereits in radialer Richtung ausgerichtet werden, insbesondere bevor sich im Gasfilm radial weiter innen ein höherer Druck aufbaut. Dies ist nicht zuletzt vorteilhaft hinsichtlich Reibung und Wärmeentwicklung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen über die gesamte Umfangslänge des abgeschrägten Umfangsbereichs vorgesehen. Hierdurch kann auch der Gleichlauf bzw. die Laufruhe optimiert werden, insbesondere auch bei hohen Drücken.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen im abgeschrägten Umfangsbereich vorgesehen und gehen auf stetige Weise vom abgeschrägten Umfangsbereich in einen abgeflachten Umfangsbereich der Top-Folieneinrichtung über. Dies liefert auch Vorteile hinsichtlich Laufruhe und homogenem Druckaufbau.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Foliengaslagervorrichtung eingerichtet zum ölfreien axialen Lagern des Rotors ausschließlich mittels Gas, insbesondere mittels Luft. Hierdurch kann die Lagerung weiter vereinfacht bzw. optimiert werden. Ferner kann ein breites Anwendungsgebiet erschlossen werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Top-Folieneinrichtung flexibel. Die Top-Folieneinrichtung kann aus einem flexiblen Material bereitgestellt werden. Die Lager-Eigenschaften können dann auch durch die Materialeigenschaften und/oder durch die Anordnung der Bump-Folieneinrichtung mitbestimmt werden. Hierdurch kann mittels der Top-Folieneinrichtung auch eine Dämpfungsfunktion erfüllt werden, insbesondere in Abhängigkeit der Art und Weise der Abstützung der Top-Folieneinrichtung durch die Bump-Folieneinrichtung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen der Top-Folieneinrichtung statisch angeordnet bzw. statisch anordenbar relativ zum Rotor. Die relative Drehbewegung wird dann ausschließlich durch die Art und Weise der Rotation des Rotors vorgegeben. Hierdurch kann nicht zuletzt auch eine einfache, robuste, wartungsarme Lageranordnung bereitgestellt werden.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird insbesondere auch gelöst durch eine Foliengaslagervorrichtung eingerichtet zum Lagern eines Rotors mittels Gas, mit einer rotorseitigen Top-Folieneinrichtung zur Definition einer Lagerebene für den Rotor, und mit einer die Top-Folieneinrichtung auf einem Träger abstützenden Bump-Folieneinrichtung, wobei die Foliengaslagervorrichtung wenigstens einen von der Top-Folieneinrichtung gebildeten abgeschrägten Umfangsbereich aufweist, der sich in Drehrichtung zwischen dem Träger und der Lagerebene erstreckt und in der Lagerebene endet, und dass die Top-Folieneinrichtung auf der Oberseite durch von radial außen nach innen verlaufende Ausnehmungen strukturiert ist, wobei die Ausnehmungen bei Rotation des Rotors eingerichtet sind zum Fördern von Gas radial nach innen, wobei die Ausnehmungen als Nuten oder als Rillen ausgestaltet sind, wobei die Ausnehmungen zumindest abschnittsweise gekrümmt (insbesondere spiralförmig) verlaufen, wobei sich die Ausnehmungen von der Außenkante mindestens bis zur 1/3 Breite der Top-Folieneinrichtung erstrecken, wobei der abgeschrägte Umfangsbereich auf der Oberfläche des Trägers beginnt, wobei die Foliengaslagervorrichtung ein in Drehrichtung vor dem abgeschrägten Umfangsbereich angeordnetes folienfreies Umfangssegment aufweist, wobei Ausnehmungen auch im abgeschrägten Umfangsbereich angeordnet sind. Hierdurch ergeben sich zahlreiche zuvor genannte Vorteile.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Foliengaslagervorrichtung, insbesondere eine zuvor beschriebene Foliengaslagervorrichtung, hergestellt durch Ausbilden wenigstens eines von einer Top-Folieneinrichtung gebildeten abgeschrägten Umfangsbereichs, der sich in Drehrichtung zwischen einem Träger und einer Lagerebene erstreckt und in der Lagerebene endet, und durch Strukturieren der Top-Folieneinrichtung auf der Oberseite durch von radial außen nach innen (insbesondere zumindest abschnittsweise radial oder schräg zur radialen Richtung) verlaufende Ausnehmungen. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen Rotor eingerichtet zur Lagerung auf einer Vorrichtung zum Lagern eines Rotors mittels Gas, mit einer Folieneinrichtung zur Definition einer Lagerebene für den Rotor, und mit einer die Folieneinrichtung auf einem Träger abstützenden Bump-Folieneinrichtung. Der Rotor zeichnet sich dadurch aus, dass der Rotor oder die Vorrichtung zum Lagern des Rotors wenigstens einen von der Folieneinrichtung gebildeten abgeschrägten Umfangsbereich aufweist, der sich in Drehrichtung zwischen dem Träger und der Lagerebene erstreckt und in der Lagerebene endet, und dass der Rotor durch von radial außen nach innen verlaufende Ausnehmungen strukturiert ist.
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Figurenliste
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In den nachfolgenden Zeichnungsfiguren wird die Erfindung noch näher beschrieben, wobei für Bezugszeichen, die nicht explizit in einer jeweiligen Zeichnungsfigur beschrieben werden, auf die anderen Zeichnungsfiguren verwiesen wird. Es zeigen:
- 1 in einer geschnittenen Seitenansicht in schematischer Darstellung ein Umfangssegment eines Folienlagers gemäß dem Stand der Technik;
- 2 in einer Draufsicht in schematischer Darstellung einen Teil bzw. ein Umfangssegment einer Foliengaslagervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 3 in einer perspektivischen Ansicht seitlich von oben in schematischer Darstellung eine Foliengaslagervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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In 1 ist ein herkömmliches Foliengaslager 1 gezeigt, auf welchem ein Rotor 2 gelagert ist. Zwischen dem Rotor und einer Top-Folie 4 (so genannte Top Foil) ist ein Luftspalt 3 gebildet, der mit Gas G, insbesondere Umgebungsgas bzw. Umgebungsluft gefüllt ist. Die Oberseite der Top-Folie 4 definiert eine Lagerebene 8 für den Rotor 2. Die Top-Folie 4 ist auf einer Bump-Folie 5 (so genannte Bump Foil; oder Compliant Foil) gelagert und kann dadurch auch in gewissem Sinne gedämpft werden, und die Bump-Folie 5 (schematisch dargestellt als dämpfende Druck-Federn) ist auf einem Träger 6 abgestützt. Der Rotor dreht sich relativ zum Foliengaslager 1. Die Drehrichtung des Rotors oder sinngemäß die Umfangsrichtung oder ein entsprechender Drehwinkel wird mit dem Winkel α und dem Pfeil in 1 angedeutet. Die axiale Richtung wird durch den Pfeil x angedeutet, und die radiale Richtung wird durch den Pfeil r angedeutet.
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Die Top-Folie 4 verläuft nicht nur in der Lagerebene 8, sondern weist wenigstens zwei unterschiedliche Abschnitte auf, nämlich einen konvergierenden abgeschrägten Umfangsbereich oder Umfangssegment α1 (so genannte Ramp Zone; oder Convergent Zone), gefolgt von einem konstanten abgeflachten Umfangsbereich oder Umfangssegment (so genannte Plateau Zone) a2.
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Im Luftspalt 3 stellen sich Druckverhältnisse ein, je nach Umgebungsdruck, relativer Drehgeschwindigkeit und Lagerbelastung.
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In den 2, 3 ist eine Foliengaslagervorrichtung 10 beschrieben. Eine Top-Folieneinrichtung 14 definiert mit deren Oberseite 14a (insbesondere mittels einer Top-Folie 14.2) die Lagerebene, wobei die Top-Folieneinrichtung 14 mittels einer Bump-Folieneinrichtung 15 auf einem Träger 16 abgestützt ist.
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Die Top-Folieneinrichtung 14 weist eine Vielzahl von einzelnen Ausnehmungen 14.1 auf, insbesondere jeweils in Ausgestaltung als Nuten, wobei sich die Ausnehmungen über einen radialen Abschnitt 14.3 erstrecken, der je nach Anforderungen deutlich kleiner sein kann als die radiale Breite der Top-Folieneinrichtung 14, welche durch einen Innenradius oder eine Innenkante Ri und durch einen Außenradius oder eine Außenkante R0 der Folieneinrichtung vorgegeben ist. Radial innen enden die Ausnehmungen an einer (intermediären) inneren Radialposition Rg zwischen Innen- und Außenkante. Die jeweilige Ausnehmung läuft an einem inneren Ende 14.11 an der Innenkante aus, insbesondere stetig.
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Alternativ können sich die Ausnehmungen 14.1 auch auf dem Rotor befinden.
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Für die Top-Folie 14.2 bzw. für die Top-Folieneinrichtung 14 ist folgende umgangssprachliche Bezeichnung denkbar: Grooved Top Foil.
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In der in 2 bzw. 3 gezeigten Variante verlaufen die Ausnehmungen zumindest abschnittsweise spiralförmig, erstrecken sich dabei über eine radiale Breite im Bereich von ¼ bis 1/3 oder ½ der radialen Breite der Top-Folieneinrichtung 14, und sind entlang der gesamten Oberfläche der Top-Folieneinrichtung 14 vorgesehen, also vollständig umlaufend (abgesehen von etwaigen folienfreien Umfangssegmenten auf dem Träger 16).
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In der 2 sind zwei den Verlauf der Ausnehmungen charakterisierende Winkel angedeutet. Die Winkel in Bezug auf die tangentiale Richtung sollten typischerweise zwischen 95° und 175° liegen. Der Winkel kann seinen Betrag in radialer Richtung ändern oder auch konstant sein. Im zweiten Fall folgen die Ausnehmungen einer logarithmischen Spirale.
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In 3 sind folienfreie Segmente bzw. folienfreie Umfangsbereiche 17 gezeigt. Das folienfreie Umfangssegment sollte so klein wie möglich ausgestaltet werden. Eine zentrisch angeordnete Kavität 18 ist über diese Segmente 17 nach radial außen mit der Umgebung verbunden. In 3 sind ferner der mittels der Foliengaslagervorrichtung 10 gelagerte Rotor 12 (Strichlinie) sowie der dazwischen gebildete Luftspalt 13 angedeutet.
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Mittels der Ausnehmungen 14.1 kann Gas bzw. Luft nach radial innen gepumpt werden, insbesondere um die Charakteristika eines sich zwischen Rotor 12 und Top-Folieneinrichtung 14 bildenden Gasfilms einstellen zu können, insbesondere zur Regelung der Strömungs- und Druckverhältnisse bei relativer Drehung des Rotors relativ zu einer statisch angeordneten Top-Folieneinrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- herkömmliches Foliengaslager
- 2
- Rotor
- 3
- Luftspalt
- 4
- Top-Folie (so genannte Top Foil)
- 5
- Bump-Folie (so genannte Bump Foil; oder Compliant Foil)
- 6
- Träger
- 8
- Lagerebene
- 10
- Foliengaslagervorrichtung
- 12
- Rotor
- 13
- Luftspalt
- 14
- Top-Folieneinrichtung (Grooved Top Foil)
- 14a
- Oberseite
- 14.1
- einzelne Ausnehmungen, insbesondere Nut
- 14.11
- inneres Ende
- 14.2
- Top-Folie
- 14.3
- radialer Abschnitt der Ausnehmungen
- 15
- Bump-Folieneinrichtung
- 16
- Träger
- 17
- folienfreies Segment oder folienfreier Umfangsbereich
- 18
- zentrisch angeordnete Kavität
- G
- Gas, insbesondere Umgebungsgas
- Ri
- Innenradius oder Innenkante der Folie
- Rg
- (intermediäre) innere Radialposition der Ausnehmungen zwischen Innen- und Außenradius
- R0
- Außenradius oder Außenkante der Folieneinrichtung oder des Rotors oder Lagers
- α
- Drehrichtung des Rotors, oder Umfangsrichtung oder Drehwinkel
- α1
- konvergierender abgeschrägter Umfangsbereich oder Umfangssegment (so genannte Ramp Zone; oder Convergent Zone)
- α2
- konstanter abgeflachter Umfangsbereich oder Umfangssegment (so genannte Plateau Zone)
- β
- äußerer Winkel der Ausnehmungen, insbesondere in Bezug auf die tangentiale Richtung
- γ
- innerer Winkel der Ausnehmungen, insbesondere in Bezug auf die tangentiale Richtung
- x
- axiale Richtung
- r
- radiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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