DE8132123U1

DE8132123U1 - Gaslagerung relativ zueinander sich bewegender Bauteile

Info

Publication number: DE8132123U1
Application number: DE8132123U
Authority: DE
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1981-11-03
Filing date: 1981-11-03
Publication date: 1985-04-25

Description

hk/ba/fr

MTU MOTOREN- UNO TURBINEN-UNION
MÖNCHEN 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 fUhrt 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. B. 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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-δ-Luftverteilerkanälen 1st 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.

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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 Keramikmaterial 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 prak-( 25 tisch 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

on

^ou 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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I 1 Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Er-

^l findung ist vorgesehen, daß bei einem kombinierten Radial-

I und Axiallager zumindest eine poröse Keramik-Lagerbuchse I; vorgesehen ist, die einen Umfangsflansch zur Abstützung

5 der Axial kraft aufweist.

; Insbesondere sind die Radialerstreckungen entgegenge-

,· setzter Lagerbuchsen-Umfangsflansche (Axialflächen, des

I porösen Lagers) entsprechend einer Axialschubkompensation

- 10 unterschiedlich groß gewählt und/oder einstellbar. Durch ί die Vergrößerung bzw. Verkleinerung einer der axialen

j- tragenden Flächen der Lagerbuchse kann demnach ein ein-

I seitiger Achsschub auf das Drehteil vermieden werden.

1 15 In alternativer Weise kann eine Axial schubkompensation i auch durch unterschiedliche Gasdruckbeaufschlagung ent-

: gegengesetzter Axialflächen der Lagerbuchse(n) erfolgen.

* Hierfür sind zwei separate Druckanschlüsse vorgesehen.

20 Zweckmäßigerweise enthalten die Axialflächen Radial-

schlitze, um das Gaspolster des Lagerinnern zu entlüften. [ Radialschlitze bieten den Vorteil einer billigeren Her-

U stellung als Bohrungen beispielsweise in Keramik.

²⁵ 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.

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^ou Zweckmäßigerweise wird das Gas durch eine Fremdgasquelle eingespeist.

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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 jjj

Lagerteil enthält. j|

Die erfindungsgeraäße 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 Xeramik 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 Luftbzw. Gaseinspeisung erfolgt vor einem porösen Lagerbuchsenteil zweckmäßigerweise über eine Ringkammer.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäß aufgebaute Luftlagerung einer Keramikwelle,

Fig. 2 ein kombiniertes Radial- und Axiallager

eines Turboladers mit der Erfindung, 25

Fig. 3 einen Querschnitt des RadiaWAxial lagers nach Fig. 2 lcngs der Linie A-A,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Luftlagerung eines hin-

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und hergehenden Bauteils, z. B. eines Verdichter- oder Motorkolbens, und

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Flg. 4a eine weitere Ausführung einer Luftlagerung eines Verdichter- oder Motorkolbens,

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-δι Flg. 5 einen der Flg. 4 ähnlichen Axial schnitt

einer erfindungsgemäßen Radial luftlagerung eines Kolbens.

Das In Fig. 1 veranschaulichte Luftlager ist für eine Keramikweile 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 Buchsenform 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 1 einem aus den Teilen 1 und 2 gebildeten Ringraum 9 zugeleitet, der sich in Axialrichtung 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 Um- f ²⁵ gebung 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

der Technik wesentlicn verwässert ur.d auch eine höhere Tragzahl erreicht (geringerer Luftverbraucfc)·

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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 °C bei exakter Lagerführung möglich sind.

Das in den Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einer kombinierten Radial- als auch Axiallagerung eines Turboladers umfaßt eine Keramikwelle 7 aus konventionell gesintertem hochverdichtetem Keramikmaterial. Das die

Keramikwelle 7 umschließende Lagerbauteil t haltert

zwei im wesentlichen gleich ausgebildete poröse Lager-. teile 2, die jeweils einen nach auBfen gerichteten radialen Umfangsflansch 8 besitzen, welche Axialflächen der Lagerung sind.

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Im Betrieb wird durch zwei separate Einlasse Luft 4 den Ringkanälen 9 zugeführt und von dort in den Lagerspalt geleitet. In jedem der beiden Lagerspalte wird ein gleichmäßiges tragendes Luftpolster aufgebaut, auch an den Axialflächen der Umfangsflansche 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. ( 25 dargestellt sind und durch die eine Entlüftung stattfindet.

Vorzugsweise kann durch Vergrößerung oder Verkleinerung einer der tragenden Axial flächen 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

TO aus hochverdichteter Keramik sowie die Bauteile la und tb gleicher Materialzusammensetzung und das Bauteil 1c gebil-

, - det, die im zusammengesetzten Zustand das poröse Lager-

; - teil 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 aus

treten. Durch den Drosseleffekt der porösen Keramik ist

\ der Luftverbrauch relativ gering, so daß der Druckabfall

ζ'^ 25 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 Axialöffnungen 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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- 11 -

Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. Entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu vorgenanntem Ausführungsbeispiel besitzt die Radialluftlagerung 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 Keramiklagerteil 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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- 12 Zusammenfassung:

Bei einer Gas-, insbesondere Luftlagerung sind relativ zueinander sich bewegende Bauteile vorgesehen, wobei zumindest ein Bauteil ein gasdurchlässiges Lagerteil (2) aus porösem Material umfaßt, durch das Gas (4) in das Lagerinnere (3) zuführbar ist. Das Lagerteil (2.) besteht vorzugsweise aus porösem gesintertem Keramikmaterial mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, während das Gegenlagerteil (7) aus hochverdichteter Keramik, aus Metall oder einem anderen vergleichbaren Werkstoff besteht. Im Betrieb wird durch die Porösität des Lagerteils (2) gleichmäßig ein tragendes Luftpolster im Lagerinnern (3) aufgebaut, das praktisch Berührungsfreiheit zwischen den Lagerteilen schafft. Das Lager macht die Ausbildung kleinster Gaszuführungsbohrungen und Gasverteilungstaschen wie nach dem Stand der Technik entbehrlich und ist einfach im Aufbau. Es - 20 verbessert das dynamische Laufverhalten und gestattet eine höhere Tragzahl bei geringem Gasverbrauch. Darüber hinaus eignet es sich sowohl für extrem hohe als auch niedrige Temperaturen bei konstanten wie auch instationären Temperaturverhältnissen für höchste Drehzahlen und/oder oszillierende Hubbewegungen (Fig. 1).

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Claims

hk/ba/fr NTU MOTOREN- UND TURBINEN-UiUON MÖNCHEN GMBH München, 29. Oktober 1981 λ nsprüche

1. 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 1st.

2. Gaslagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasdurchlässige Lagerteil (2) aus einem porösen gesinterten Keramikmaterial mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet 1st.

3. Gaslagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlagerteil (7) aus hochverdichteter Keramik oder aus Metall besteht.

4. Gaslagerung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem kombinierten Radial- und

^ou 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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«· 2 —

1 5. Gaslagerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Radial erstreckungen entgegengesetzter Lagerbuchsen-Umfangsfiansche (8) (Axialflächen des porösen Lagers) entsprechend einer Axial Schubkompensation

5 unterschiedlich gro3 gewählt und/oder einstellbar sind.

6. Gaslagerung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Axialschubkompensation durch un-10 terschiedliche Gasdruckbeaufschlagung entgegenge-I setzter Axialflächen der Lagerbuchse(n) erfolgt.

I

7. Gaslagerung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch ge-

I kennzeichnet, daß die Axialflächen Radialschlitze (5)

f 15 enthalten.

;|

8. Gaslagerung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge-

i kennzeichnet, daß als Gas Luft verwendet wird.

f 20

9. Gaslagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, I daß ein aerostatisches Luftlager vorgesehen ist.

I

10. Gaslagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

I daß ein aerodynamisches Luftlager vorgesehen ist,

I ( ²⁵ wobei die relativ zueinander sich bewegenden Lager-ϊ teile (2, 7) einerseits aus poröser und andererseits

':;■: aus hochverdichteter Keramik gebildet sind.

-

11. Gaslagerung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch

³⁰ gekennzeichnet, daß das Gas mit vorbestimmter ; Temperatur dem Lagerinneren (3) zugeführt wird.

,i

12. Gaslagerung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch

in gekennzeichnet, daß das Gas (4) durch eine Fremd-

i ³⁵ gasquelle eingespeist wird.

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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) 1m Verdichterkolben (14) (siehe Flg. 5 linke Hälfte) oder über Bohrungen (4b) Im porösen Lagerteil (2) (siehe Flg. 4a) zugeführt wird.

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