DE3143606A1 - "gaslagerung relativ zueinander sich bewegender bauteile" - Google Patents

"gaslagerung relativ zueinander sich bewegender bauteile"

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DE3143606A1
DE3143606A1 DE19813143606 DE3143606A DE3143606A1 DE 3143606 A1 DE3143606 A1 DE 3143606A1 DE 19813143606 DE19813143606 DE 19813143606 DE 3143606 A DE3143606 A DE 3143606A DE 3143606 A1 DE3143606 A1 DE 3143606A1
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Description

-=- -:- : : --·- 3H3606
hk/ba/fr
MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH
München, 29. Oktober 1981
Gaslagerung relativ zueinander sich bewegender Bauteile
Die Erfindung betrifft eine Gaslagerung relativ zueinander sich bewegender Bauteile, insbesondere eine Luftlagerung für extrem hohe Umgebungstemperaturen.
Der Einsatz von Luftlagern bei höheren Temperaturen und meistens vorhandenen Temperaturgradienten führt aufgrund des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannter Materialien zu Toleranzänderungen und damit zu den bekannten Problemen wie Fressen, instabilem Lauf oder zur stärkeren Abnahme der Tragzahl. Um die Wärmeausdehnungen bzw. Toleranzänderungen zu verringern, wird vielfach die Verwendung von hochverdichteter Spezial keramik sowohl für das zu lagernde Bewegungsteil (z. ß. Welle, Kolben) als auch das Lagerteil (ζ. Β. Lagerbuchse) vorgeschlagen.
Für eine konventionelle Luftlagerung sind zur Erzeugung der entsprechenden tragenden Luftpolster im Lagerinnern kleinste Luftzuführungsbohrungen und Luftverteilungstaschen bzw. -Verteilerkanäle erforderlich. Die Herstellung von maßhaltigen Bohrungen in Keramik und auch von
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Luftverteilerkanälen ist extrem aufwendig und sehr teuer und somit wirtschaftlich kaum vertretbar.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Gaslagerung relativ zueinander sich bewegender Bauteile, bei der vorgenannte Nachteile vermieden sind und insbesondere eine zufriedenstellende einfach aufgebaute Lagerung von Bauteilen geschaffen wird,, die extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind.
Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch;, daß zumindest ein Bauteil ein gasdurchlässiges Lagerteil aus porösem Material umfaßt., durch das Gas in das Lagerinnere zuführbar ist» Das Lagerteil besteht insbesondere aus einem porösen gesinterten Keramik·- material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten„ wobei das Gegenlagerteil aus hochverdichteter Keramik oder aus Metall (oder aus einem anderen standfesten Material) bestehen kann. Die Verwendung von porös gesinterter Keramik macht die Ausbildung kleinster Luftzuführungsbohrungen und Luftverteilungstaschen nach dem Stand der Technik entbehrlich. Vielmehr wird das zugeführte Gas über die gesamte poröse Lagerfläche gleichmäßig dem Lagerinnern zugeführt, so daß im Betrieb praktisch eine berührungsfreie Lagerung mit definiertem Lagerspalt entsteht. Ersichtlich wird dadurch nicht nur die Herstellung des Lagers vereinfacht, sondern auch eine erhöhte Lagerleistung erzielt: insbesondere wird das dynamische Laufverhalten wesentlich verbessert und auch eine
ου höhere Tragzahl bei geringem Gasverbrauch erreicht. Das Lager eignet sich sowohl für tiefe als auch für sehr hohe Temperaturen (größer als 1000 0C) sowie für hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen den sich zueinander bewegenden Bauteilen (hohe Lagerdrehzahlen von gelagerten Wellen; große Hubgeschwindigkeiten von Kolben).
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-δ-Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einem kombinierten Radial- und Axiallager zumindest eine poröse Keramik-Lagerbuchse vorgesehen ist, die einen Umfangsflansch zur Abstützung der Axialkraft aufweist.
Insbesondere sind die Radialerstreckungen entgegengesetzter Lagerbuchsen-Umfangsf!ansehe (Axialflächen des porösen Lagers) entsprechend einer Axialschubkompensation unterschiedlich groß gewählt und/oder einstellbar. Durch die Vergrößerung bzw. Verkleinerung einer der axialen tragenden Flächen der Lagerbuchse kann demnach ein einseitiger Achsschub auf das Drehteil vermieden werden.
In alternativer Weise kann eine Axial Schubkompensation auch durch unterschiedliche Gasdruckbeaufschlagung entgegengesetzter Axialflächen der Lagerbuchse(n) erfolgen. Hierfür sind zwei separate Druckanschlüsse vorgesehen.
Zweckmäßigerweise enthalten die Axialflächen Radialschlitze, um das Gaspolster des Lagerinnern zu entlüften. Radialschlitze bieten den Vorteil einer billigeren Herstellung als Bohrungen beispielsweise in Keramik.
Als Gas findet vorteilhaft Luft Verwendung. Die Luft wird mit vorbestimmter Temperatur dem Lagerinnern zugeführt. Entsprechend dem Einzelfall kann heiße oder kalte Luft (Gas) vorgesehen sein.
Zweckmäßigerweise wird das Gas durch eine Fremdgasquelle eingespeist.
Bei einem Verdichter ist es jedoch von Vorteil, wenn das Gas aus dem Verdichterraum dem Lagerinnern zuge-
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führt wird, sofern der Kolbenverdichter das poröse Lagerteil enthält.
Die erfindungsgemäße Ausbildung einer berührungsfreien porösen Lagerung ist insbesondere bei einem aerostatischen oder aerodynamischen Luftlager geeignet, wobei die relativ zueinander sich bewegenden Lagerteile einerseits aus poröser und andererseits aus hochverdichteter Keramik gebildet sind. Das Luftlager bietet sich für extrem hohe und extrem niedrige Temperaturen bei konstanten oder auch instationären Temperaturverhältnissen für höchste Drehzahlen und/oder oszillierende Hubbewegungen an. Die LuftbzWo Gaseinspeisung erfolgt vor einem porösen Lagerbuchsenteil zweckmäßigerweise über eine Ri ng kammer»
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäß aufgebaute Luftlagerung einer KeramikweiIe»
Fig. 2 ein kombiniertes Radial- und Axiallager
eines Turboladers mit der Erfindung, 25
Fig. 3 einen Querschnitt des Radial-/Axial lagers nach Fig. 2 längs der Linie A-A,
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Luftlagerung eines hin·
und hergehenden Bauteilss z. B. eines Verdichter- oder Motorkolbens, und
Fig. 4a eine weitere Ausführung einer Luftlagerung eines Verdichter- oder Motorkolbens„■
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..: ... . - . Λ. 3U3606
-δι Fig. 5 einen der Fig. 4 ähnlichen Axialschnitt
einer erfindungsgemäßen Radial luftlagerung eines Kolbens.
Das in Fig. 1 veranschaulichte Luftlager ist für eine Keramikwelle 7 vorgesehen, die sowohl Drehbewegungen als auch Oszillationsbewegungen ausführt. Die Keramikwelle 7 ist einer vergleichsweise großen (radialen) Tragkraft ausgesetzt, die durch den Vertikal pfeil B symbolisiert ist und durch das äußere Lagerbauteil 1 in ßuchsenform hervorgerufen wird, welches mittels einer Verschraubung 11 am Bauteil Ic lösbar befestigt ist. In das Lagerbauteil 1 ist ein poröses gasdurchlässiges Keramiklagerteil 2 formschlüssig eingesetzt, das die Keramikwelle 7 aus hochverdichtetem Keramikmaterial in einem Paßsitz mit geringem Spiel umschließt. Die Luft 4 wird von einer nicht dargestellten fremden Druckquelle durch eine Radialöffnung des Lagerbauteils einem aus den Teilen 1 und 2 gebildeten Ringraum 9 zugeleitet, der sich in Axial riehtung praktisch über die gesamte Axiallänge des porösen Lagerteils 2 erstreckt. Vom Ringraum 9 gelangt die Druckluft durch die Porösität des Lagerteils 2 zum Lagerinnern 3 (Lagerspalt) und wird im Betrieb seitlich durch Axialöffnungen 6 wieder an die Umgebung abgeführt. Die eingespeiste Luft schafft ein tragendes Luftpolster im Lagerinnern 3, so daß zwischen Keramikwelle 7 und porösem Lagerteil 2 praktisch Berührungsfreiheit entsteht. Dadurch wird das dynamische Laufverhalten der Keramikwelle 7 im Vergleich zum Stand
3" der Technik wesentlich verbessert und auch eine höhere Tragzahl erreicht (geringerer Luftverbrauch).
Die hoch verdichtete Keramikwelle 7 und das poröse gesinterte Keramiklagerteil 2 besitzen im wesentlichen
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den gleichen (geringen) Wärmeausdehungskoeffizienten , wodurch sowohl sehr tiefe als auch sehr hohe Temperaturen bis über 1000 0C bei exakter Lagerführung möglich sind.
5
Das in den Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einer kombinierten Radial- als auch Axial lagerung eines Turboladers umfaßt eine Keramikwelle 7 aus konventionell gesintertem hochverdichtetem Keramikmaterial. Das die Keramikwelle 7 umschließende Lagerbauteil 1 haltert zwei im wesentlichen gleich ausgebildete poröse Lagerteile 2, die jeweils einen nach außen gerichteten radialen Umfangsflansch 8 besitzen, welche Axial flächen der Lagerung sind.
.
Im Betrieb wird durch zwei separate Einlasse Luft 4 den Ringkanälen 9 zugeführt und von dort in den Lagerspalt geleitet. In jedem der beiden Lagerspaite wird ein gleichmäßiges tragendes Luftpolster aufgebaut auch an den Axialflächen der Umfangsf!ansehe 8» Aus dem Spalt wird die Luft (primär) durch die Gasauslässe 6 der Lagerbauteile 1 an die Umgebung abgeführt» Die Axialflächen der Umfangsflansche 8 enthalten umfangsmäßig gleich verteilte (drei) Radialschlitze 5, die im einzelnen in Fig, dargestellt sind und durch die eine Entlüftung stattfindet.
Vorzugsweise kann durch Vergrößerung oder Verkleinerung einer der tragenden Axialflächen der porösen Lagerbuchse eine Kompensation eines einseitigen Achsschubs erfolgen. Eine Kompensation eines einseitigen Achsschubs wird auch erreicht, wenn den einzelnen Lagerbuchsen 2 Luft unterschiedlichen Drucks in vorbestimmter Größe zugeführt wird. Hierdurch kann die "Härte" der radialen tragenden Luft-
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-ιοί polster unterschiedlich und entsprechend dem einseitigen Achsschub eingestellt werden.
Fig. 4 zeigt eine Luftlagerung für ein hin- und hergehendes Bauteil 7 (z. B. einen Kolben eines Verdichters oder Motors). Der Kolben 7 besteht hierbei aus hoch verdichteter Keramik.
Der Zylinder des Kolbens wird durch die Lagerbauteile 1 aus hochverdichteter Keramik sowie die Bauteile 1a und 1b gleicher Materialzusammensetzung und das Bauteil 1c gebildet, die im zusammengesetzten Zustand das poröse Lagerteil 2 aus Keramik (Keramik-Lagerbuchse) formschlüssig haltern. Die poröse Lagerbuchse 2 umschließt hierbei den Keramikkolben 7 in einem Paßsitz mit geringem Spiel.
Im Betrieb des dargestellten Kolbenverdichters wird Gas 4 über den Ringraum 9 durch die poröse Lagerbuchse 2 dem Lagerinnern 3 zugeführt oder von 10 (verdichtetes Gas) über die Bohrung 14 den Ringraum 9 zugeführt, so daß dort ein tragendes Luftpolster entsteht ("Radial luftlagerung"). Unterhalb des Kolbens 7 kann die Luft z. B. drucklos austreten. Durch den Drossel effekt der porösen Keramik ist der Luftverbrauch relativ gering, so daß der Druckabfall im Ringraum 9 von untergeordneter Bedeutung ist. Wird der Kolben 7 gemäß Fig. 4 nach unten bewegt, so wird das zunächst drucklose Expandieren der Luft verhindert. Durch das sehr geringe Luftvolumen in den Poren der porösen Lagerbuchse 2 erfolgt ein schneller Luftdruckaufbau, wodurch eine sehr hohe axiale Hubfrequenz des Kolbenverdichters ermöglicht ist. Die Axial öffnungen 12, 13 kennzeichnen Ein- und Auslaß des Verdichters.
Bei der Ausführung eines Verdichters nach Fig. 4a wird Druckluft aus dem Verdichterraum 10 über Bohrungen 4b im porösen Lagerteil 2 in den Ringraum 9 geführt.
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? U360B
Das in Fig. 5 gezeigte Ausführunrjsbeispiel entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. Entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu vorgenanntem AusfUhrungsbeispiel besitzt die Radial 1uftiagerung nach Fig. 5 eine Lagerbuchse 7 aus konventionell gesinterter hochverdichteter Keramik, während der Verdichterkolben 14, dessen Basis aus hochverdichteter Keramik besteht, ein poröses gesintertes zylindrisches Lagerteil 2 umfaßt, das zusammen mit der Lagerbuchse 7 das Lagerinnere 3 bestimmt.
Im Betrieb wird - gemäß rechter Zeichnungshälfte der Fig, 5 - durch eine nicht dargestellte Fremddruckquelle Luft 4 durch einen Kurbelwellenanschluß 15 des Verdichterkolbens 14 dem Ringraum 9 zugeführt und von dort durch das poröse Keramiklaqertei1 2 ins Lagerinnere 3 weitergeleitet, wo sich ein gleichmäßiges tragendes Luftpolster auf dem Zylinderumfang des Verdichterkolbens 14 ausbildet.
Alternativ kann - gemäß der linken Zeichnungshälfte der Fig. 5 - eine direkte Druckbeaufschlagung durch die Bohrung 4a aus dem Verdichterraum 10 erfolgen, so daß dann mit Vorteil auf die Ausbildung einer Fremdeinspeisung der heißen oder kalten Druckluft verzichtet werden kann.
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L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. hk/ba/fr
    MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
    MÜNCHEN GMBH
    München, 29. Oktober 1981
    Patentanspruch
    Gaslagerung relativ zueinander sich bewegender Bauteile, dadurch gekennzeichnet^ daß zumindest ein Bauteil (1) ein gasdurchlässiges Lagerteil (2) aus porösem Material umfaßt,, durch das Gas (4) in das Lagerinnere (3) zuführbar ist»
    Gaslagerung nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, daß das gasdurchlässige Lagerteil (2) aus einem porösen gesinterten Keramikmaterial mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist,
    3. Gaslagerung nach Anspruch 1 oder 2 0 dadurch gekenn= zeichnet, daß das Gegenlagerteil (7) aus hochverdichteter Keramik oder aus Metall besteht»
    4. Gaslagerung nach Anspruch 1 bis 30 dadurch gekennzeichnet, daß bei einem kombinierten Radial- und Axiallager zumindest eine poröse Keramik-Lagerbuchse (2) vorgesehen ist, die einen Umfangsflansch (8) zur Abstützung der Axialkraft aufweist (Fig. 2 und 3).
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    5. Gaslagerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialerstreckungen entgegengesetzter Lagerbuchsen-Umfangsf1 ansehe (8) (Axial flächen des porösen Lagers) entsprechend einer Axialschubkompensation unterschiedlich groß gewählt und/oder einstellbar sind.
    6. Gaslagerung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Axialschubkompensation durch unterschiedliche Gasdruckbeaufschlagung entgegengesetzter Axialflächen der Lagerbuchse(n) erfolgt.
    7. Gaslagerung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialflächen Radialschlitze (5) enthalten.
    8. Gaslagerung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Luft verwendet wird.
    9. Gaslagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein aerostatisches Luftlager vorgesehen ist.
    10. Gaslagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein aerodynamisches Luftlager vorgesehen ist, wobei die relativ zueinander sich bewegenden Lagerteile (2, 7) einerseits aus poröser und andererseits aus'hochverdichteter Keramik gebildet sind.
    11. Gaslagerung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit vorbestimmter Temperatur dem Lagerinneren (3) zugeführt wird.
    12. Gaslagerung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (4) durch eine Fremdgasquelle eingespeist wird.
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    ■-■■■· -: : - ■ HH360G
    13. Gaslagerung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Verdichter das Gas aus dem Verdichterraum (10) dem Lagerinneren (3) über Bohrungen (4a) im Verdichterkolben (14) (siehe Fig. 5 linke Hälfte) oder über Bohrungen (4b) im porösen Lagerteil (2) (siehe Fig. 4a) zugeführt v/i rd.
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