DE2403768A1

DE2403768A1 - Lagerung schnellaufender rotoren, insbesondere von abgasturboladern

Info

Publication number: DE2403768A1
Application number: DE2403768A
Authority: DE
Inventors: Josef Dr Ing Reisacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-01-26
Filing date: 1974-01-26
Publication date: 1975-08-07
Also published as: GB1478582A; JPS50140723A; US4025134A

Description

Lagerung schneilaufender Rotoren,insbesondere Ton Abgasturboladern

Die Erfindung bezweckt,die Lagerung schneilaufender Rotoren z.B. von Abgasturboladem funktionstechnisch zu verbessern, die Baugrößen und Baugewichte der Lader zu verkleinern,sowie deren Herstellung zu vereinfachen und zu verbilligen. Lie funktionstechnische Verbesserung bezieht sich vor allem auf die Verringerung der Lagerverlustleistung und auf die Erhöhung der Stabilität der Lagerung.

Die Lagerverlustleistung ist bei geometrisch ähnlicher Ausführung ungefähr proportional der 5«Potenz des Lagerdurchmessers D I.Sie verbraucht vor allem bei kleinen Abgasturboladern, z.B. für PKV/- und LKW- Motoren einen erheblichen Anteil der Turbinenleistung.Ganz besonders nachteilig ist das im niedrigeren Drehzahlbereich der Motoren,wo es zu einem ungünstigen Drehmoment-und Beschleunigungsverhalten der aufgeladenen Motoren beiträgt.Zu der durch direkte Lagerreibung vernichteten Energie kommt die Energie des von den Rotorteilen abspritzenden,und die Bremswirkung der auf die Rotorteile zurückspritzenden Schmierölmengen.

Alle diese Verlustanteile sind so klein wie möglich zu halten, wobei die Stabilität der Lagerung ausreichend sein muß. Um die Lagerdurchmesser und damit die Lagerverlustleistungen klein zu halten,liegt meist erst die dritte kritische Drehzahl des Rotors über der maximalen Betriebsdrehzahl.Die Tragfähigkeit und Dämpfungsfähigkeit der Lager einschliesslich der äusseren Dämpfung der schwimmenden Lagerbuchse müssen so hoch sein, daß in den Bereichen der ersten und zweiten kritischen Drehzahl des Rotors keine Aufschaukelung von Rotorschwingungen stattfinden kann.Erst wenn das erreicht ist,kann auf Feinstölfilterung und den damit verbundenen Aufwand verzichtet werden.Man erreicht eine höhere Lebensdauer und eine höhere Unempfindlichkeit der Lagerung gegen schlechte Wartung des Schmieröls. Entsprechend bekannter physikalischer Zusammenhänge kann der Lagerdurchmesser D1 unter obigen Bedingungen um so kleiner werden,je kleiner der axiale Abstand der beiden Laufräder L1

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und je größer im Verhältnis dazu der wirksame axiale Abstand der Axial- und Radiallager (L2) ist.Die Trag- und Dämpfungsfähigkeit der Radiallager ist um so größer,je größer die Relativgeschwindigkeit zwischen Welle und lager und je größer die gut mit Öl versorgten,ungestörten Lagerflächen sind.Nicht rotierende schwimmende Lagerbüchsen mit einseitiger ölzuführnut haben dabei die höchste Trag- und Dämpfungsfähigkeit der Radiallager, weswegen damit die geringsten Lagerbreiten und damit die geringsten Lagerverluste möglich sind.

Fig.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung durch welche diese und weitere,später beschriebene Vorteile konsequent und besser genutzt werden,als das bei bisher bekannten Ausführungen der Fall ist.
1 . Funktionstechnik

Der Rotor 1 mit der Welle 2,dem Turbinenlaufrad 3,dem Verdichterlaufrad 4,der Dichtungsbuchse 5 und der Wellenmutter 6 ist in der einteiligen Lagerbuchse 7 gelagert,welche beide Axiallagerflächen 8,8a,beide Hauptradiallagerflächen 9,9a, die Ölzuführnuten 10,10a und die Nebenradiallagerflachen 11, 11a enthält. Die Ölabdichtung des Lagergehäuses erfolgt beispielsweise durch Kolbenringe 12,12a.

Um zu maximalen axialen Abständen der wirksamen Lagerflächen bei z.B.vorgegebenen Radabständen L1 zu kommen sind die Axiallager 8,8a nur etwa 2 mm von den Kolbenringen 12,12a entfernt. Sofort anschließend sind die Hauptradiallagerflächen 9,9a angeordnet. Die Ölzuführnuten 10,10a und die Nebenradiallagerflächen 11,11a sind axial besonders kurz. Damit werden kleinstmögliche Lagerdurchmesser D1 und auch Axiallageraussendurchmesser D2 sowie kleinstmögliche Radiallagerbreiten und ölbenetzte Flächen am Rotor und somit kleinste Reibungsverluste bei ausreichenden Tragkraft- und Dämpfungseigenschaften der Lager möglich. Das unsymmetrische Radiallager benötigt für dieselben Tragkraft- und Dämpfungseigenschaften wesentlich geringere Lagerbreiten als das symmetrische,oder das mit Ölbohrungen versehene Lager.Es ergibt außerdem den größeren wirksamen Lagerabstand.

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Die Ausführung der Lagerbuchse 7 ζ.Β.aus !"einguss derart,daß auch sämtliche axialen Clkanäle in ihr enthalten sind,ermöglicht es in vorteilhafter Weise,daß die Lager 8,8a,9,9a axial wesentlich weiter auseinander liegen können als die äußeren Dämpfungsflächen 17,17a,daß die Lagerflächen nicht durch einmündende Bohrungen gestört v/erden und die Ölnuten 10,1Oa extrem schmal und radial tief sein können.Die Leistungsaufnahme des von den Axiallagern.abspritzenden Schmieröls ist ungefähr proportional der vierten Potenz des Axiallagerdurchmessers D2. Die Räume 13,13a zwischen den Gehäusewänden an den Dichtunrsbunden 14,14a und den gegenüberliegenden Lagerbuchsenwänden sind axial so eng gehalten,daß gegen das vom Axiallager abspritzende Öl kein Spritzöl zurück auf den Rotor gelangen kann und durch das abspritzende Öl ein gewünschter,dreh-zahlabhängiger Unterdruck an den Kolbenringen 12,12a gegenüber den Ölabflußräumen 15,15a und 16 erreicht wird.Die Breite der Räume 13, 13a ist kleiner als 0,1 - 0,2 χ D1 und dem für die Öldichtheit erforderlichen Unterdruck anzupassen.Die Energie des abspritzenden Schmieröls wird also gezielt zur Reibleistungsminderung und zur Ölabdichtung - genutzt.Der Ölrückfluß erfolgt vorteilhafterweise so,daß die Räume 15»15a teilweise als Ringnuten in der Lagerbuchse 7 ausgebildet sind. Die über die Nebenradiallagerflächen 11,11a,die auch als Dichtspitzen ausgebildet sein können,abfließenden Ölmengen haben so geringen Wellenkontakt,daß sie nur sehr wenig Energie vom Rotor aufnehmen können,was einen weiteren Vorteil gegenüber symmetrischen Lagern oder Lagern mit Ölbohrungen darstellt. Die äußeren Dämpfungsflächen 17,17a,18,18a sind durch die Schmierölnuten 19,19a ebenfalls axial ungleich breit ausgebildet um höhere Dämpfungswerte zu erreichen.Vorteilhafterweise werden die breiteren Dämpfungsflächen 17,17a axial nach außen gelegt und erhalten mehr als 15% der Dämpfungsfläche.Die Dämpfungs- - flächen 17 und 18 sind vorteilhafterweise mehr als dreimal so groß als die Lagerflächen 9 und 11.Die großen äußeren Dämpfungsflächen sind auch konstruktiv kein Nachteil,da an dieser Stelle genügend Raum vorhanden ist.Der große Durchmesser D"3 hat,wie '

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später gezeigt wird,erhebliche fertigungstechnische Vorteile. Da derartige Turbolader ζ.B.für PKW- und LKV/- Motore mit maximalen Drehzahlen zwischen 50.000 und 180.000 U/min betrieben werden,die Lagerleistungsverluste mit einer hohen Potenz der Lagerabmessungen wachsen und einen erheblichen Anteil der Turbinenleistung,besonders im "Bereich kleiner Motordrehzahlen ausmachen,ist die Verringerung dieser Verluste,wie sie erfindungsgemäßerreicht wird,sowohl für die Energienutzung,als auch für das Drehmoment- und Beschleunigungsverhalten des Motors von wesentlicher Bedeutung.
2. Eaugröße und Fertigungsaufwand.

Die Laufräder 3 und 4 sind im Bereich der Dichtdurchmesser so weit axial ausgespart wie die Festigkeit dies zulä3t und üblicherweise die Gewichtsentnahme für die Wuchtung der Rotorteile erfolgt.Auf der Verdichterseite ist der so gewonnene axiale Raum beispielsweise zur getrennten Zuführung von Sperrgas über den Raum 21 zur Ölabdichtung z.B.bei Ansaugunterdruck genutzt. Auf der Turbinenseite ist er.zur Verkürzung des Radabstandes L1 genutzt.

Verbunden mit der oben dargestellten Ausführung der Lagerung erreicht man axiale Baulängen der Turbolader ausgedrückt durch den Radrückenabstand L1 die kleiner sind als 70% des größten auf der Lagerung verwendeten Laufradaußendurchmessers. Werte derzeit serienmäßiger Lader der Größe für PKW- und LKV/- Motore liegen im Vergleich dazu über 90%,meist über 100%.Dabei werden wirksame Lagerabstände L2 erreicht,die größer sind als 55% bzw. 70% von L1.Werte serienmäßiger Lader dieser Größe liegen bei 40% bzw. 50% von L1.Die axiale Baulänge der Lagergehäuse ward dadurch gegenüber derzeit serienmäßigen Ausführungen erheblich verkürzt,woraus sich kleinere Lagerdurchmesser ergeben. Dies gibt außerdem entsprechende Raum- und Gewichtsvorteile und die Fertigung der dünnen Welle 'des Rotors,welche sich unter dem Schleifdruck durchbiegt,wird erheblich erleichtert. Die Verwendung der einteiligen nicht rotierenden schwimmenden Lagerbuchse 7,welche die Ölversorgung sämtlicher Lager- und Dämpfungsflächen einschließlich der axialen Ölkanäle 20 enthält

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gi"bt außer den geschilderten funktionstechnischen Vorteilen folgende fertigungstechnische Vorteile:

e) Außer den Rotorteilen 2 Ms 6 benötigen nur die Lagerflächen der einteiligen Lagerbuchse 7 hohe Fertigungsgenauigkeit und Oberflächengüte.An aas Lagerungsgehäuse werden bereits wesentlich geringere diesbezügliche Ansprüche gestellt.

b) Die Unterbringung aller Lager- und Dämpfungsflächen,sowie der Axialfixierung 22,22a,der Umfangsfixierurig 23,der axialen Ölkanäle 20,der Ölringräume 10,19, der Schmiernuten der Axiallager usw.

an der Lagerbuchse 7,verlegt die wesentlichsten Tfomnlikationen und einen wesentlichen Teil des Fertigungsaufwandes üblicher Turbolader in diese Lagerbuchse.Die Herstellung dieses Teiles aus Feinguß löst diese Fertigungsproblerae in optimaler Weise und erspart erhebliche Investitionen und Herstellungskosten.Mehrere Einzelteile und problematische Passungen entfallen.

c) Das Lagergehäuse 24 kann als Druckgussteil ausgeführt,am Spanndurchmesser D4 aufgenommen und in dieser einen Spannung durch drehen fertigbearbeitet werden.Neben, den geringen Tnvestitions- und Herstellkosten für dieses Teil wird dadurch jeder Bearbeitungsversatz vermieden,wodurch wieder gröbere Passungsmaße zulässig werden.Ein'Superfinish .ist nicht erforderlich. Stabile Drehwerkzeuge und große Späneablaufräume infolge des großen Durchmessers D3 erleichtern die Fertigung weiter.

d) Der Lagerflansch 25 kann ebenfalls als einfaches Druckgußstück ohne Zug hergestellt werden.Die Aufnahme für die Drehbearbeitung, ebenfalls in einer Spannung,erfolgt am Durchmesser D5.Alles weitere entspricht Abschnitt c).

Die Verwendung von Abgasturboladern für die Aufladung von LKW-Motoren nimmt infolge der Abgasgesetzgebung sehr rasch zu.Die Energiekrise wird sowohl für LKV/- als auch für PKW- und andere Antriebe weitgehend zu kleineren verlustärmeren Motoren mit Aufladung führen,Es ist also mit einer Massenproduktion in Zukunft zu rechnen,bei der selbst geringste Einsparungen von marktentscheidender Bedeutung sein können.Die Verwendung der beschriebenen Lagerbuchse 7 ζ.B.aus Feinguß läßt viele Teile einsparen und führt die noch notwendigen auf einfache,investitionsarme,massenfertigungsgerechte Herstelltechniken zurück.

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Claims

Patentansprüche:

/1 .J/Lagerung für schneilauf ende Rotoren, insbesondere für Abgasturbolader mit einteiligeren Schmieröl schwimmend gelagerter, am Rotieren gehinderter Lagerbuchse 7 mit Axiallagerflächen 8, 8a an beiden Stirnseiten und anschließenden Radiallagerflächen 9,9a,10,10a,sowie äußeren Dämpfungsflächen 17,17a,18,18a dadurch gekennzeichnet,daß

a) die Radiallagerflächen zu mehr als 30%,vorteilhaft zu mehr als 80% axial aui3erhalb der äußeren Dämpfungsflächen liegen oder,und

b)die Radiallagerflächen durch die Ölringnuten unsymmetrisch aufgeteilt werden,wobei das breitere Lagerteil vorteilhaft axial au3en liegt und mehr als 80% der Radiallagerfläche umfaßt oder,und

c) das von den Axiallagern abspritzende Schmieröl durch einen Spalt von weniger als 0,2 χ E1 axialer Breite in die Ölablaufräume 15,15a gelangt,wobei D1 der Durchmesser des Radiallagers ist oder,und

d) die äußeren Dämpfungsflächen mehr als dreimal so groß sind als die Radiallagerflächen oder,und

e) die einteilige Lagerbuchse 7 neben allen Lagerflächen, Dämpfungsflächen,Schmierölnuten usw. auch die axialen Schmierölkanäle 20 enthält oder,und

f) die axiale Baulänge L1 kleiner ist als 85%,vorteilhaft jedoch kleiner ist als 70% des maximalen auf der Lagerung benutzten Rotordurchmessers oder,und

g) der wirksame mittlere Abstand der Radiallagerflächen L2 größer ist als 55% von L1,vorteilhaft jedoch größer ist als 70% von L1.
2.) Lagerung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,, daß das Lagerungsgehäuse 24 plus 25 zweiteilig ist,wobei die Lagerbuchse 7 axial zwischen beiden Teilen mit Spiel geführt und durch zwei Anschläge am Rotieren gehindert wird.

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3.) Lagerung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet; daß das lagergehäuse 24 und der Lagerflansch 25 Spannflächen D4, bzw.D5 enthaltenen welchen in einer Aufspannung die gesamte Drehbearbeitung für alle Funktionsmaße der Lagerung, vorteilhaft jedoch die gesarate Bearbeitung dieser Teile,durchgeführt werden kann.
4.) Lagerung nach Anspruch 1 "bis 3 dadurch gekennzeichnet daß die Lagerbuchse 7 aus Feinguß hergestellt ist,wobei sie vorteilhafterweise sämtliche Ölkanäle und Ginuten eingegossen hat und die Ölringkanäle 10,10a axial sehr eng,d.h.kleiner als 50?/) der radialen Kanalhöhe sind.

Kirchheim,den 22.Januar 1974

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