WO2015028051A1

WO2015028051A1 - Axialluftlager und mikrogasturbine

Info

Publication number: WO2015028051A1
Application number: PCT/EP2013/067737
Authority: WO
Inventors: Sebastian KIEßLING; Heinz Peter Berg; Christian Schumacher
Original assignee: LUX POWERTRAIN SA
Current assignee: LUX POWERTRAIN SA
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2016-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Axialluftlager mit einem Gehäusebauteil und einem rotierenden Bauteil aufweisend einen ringförmigen Folienstapel mit einer Anzahl n von gleichartigen ringförmigen Folien, wobei n _>3 ist und jede Folie aufweist n in Umfangsrichtung U nebeneinander angeordnete Funktionsringsegmente unterschiedlicher Art sowie eine von einem inneren Rand der Folie zu einem äußeren Rand der Folie durchgehende und zwischen zwei Funktionsringsegmenten angeordnete Unterbrechung (2140) aufweist, und die gleichartigen Folien derart gegeneinander verdreht und einander überlappend angeordnet sind, dass der Folienstapel in einer Achsrichtung A eine Abfolge von Segmenten aufweist, die, über die Umfangsrichtung betrachtet, gleich bleibt und wobei n gleichartige Segmente unterschiedlicher Folien eine Lauffläche des Axialluftlagers bilden.

Description

Axialluftlager und Mikrogasturbine

Die Erfindung betrifft ein Axialluftlager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Mikrogasturbine.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Axialluftlager insbesondere bei Mikrogastur- binen einzusetzen. Diese Luftlager umfassen in der Regel eine Vielzahl von Folien unter- schiedlicher Gestalt und Funktion, die übereinander angebracht werden, um eine geeignete Fluiddynamik, respektive Luftkeile, zu erzeugen, mit Hilfe derer ein rotierendes Bauteil sicher gelagert werden kann. Die Ausbildung der Fluiddynamik hängt neben dem prinzipiellen Aufbau der ggfs. unterschiedlichen Folien auch von der Fertigungsgenauigkeit und der Abstimmung der einzelnen Folien untereinander ab. Aus US 4,082,375 ist ein Axialluftlager bekannt, bei dem auf einer Schubplatte segmentweise jeweils drei unterschiedliche Folien übereinander befestigt sind.

Aus EP 1 337 761 B1 ist ein Axialluftlager der eingangs genannten Art bekannt, welches über einen Folienstapel verfügt, der sich aus einer Vielzahl unterschiedlich aufgebauter Folien zusammensetzt. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein verbessertes und vereinfachtes Axialluftlager bereit zu stellen. Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst mit einem Axialluftlager des Anspruchs 1. Die Erfindung geht aus von einem Axialluftlager mit einem Gehäusebauteil und einem rotierenden Bauteil und einem ringförmigen Folienstapel. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Folienstapel eine Anzahl (n) von gleichartigen ringförmigen Folien aufweist, wobei die Anzahl größer oder gleich drei ist (n > 3) und jede Folie aufweist:

- eine der Anzahl (n) entsprechende Anzahl in Umfangsrichtung (U) nebeneinander angeordnete Funktionsringsegmente unterschiedlicher Art sowie eine von einem inneren Rand der Folie zu einem äußeren Rand der Folie durchgehende und zwischen zwei Funktionsringsegmenten angeordnete Unterbrechung aufweist, und

- die gleichartigen Folien derart gegeneinander verdreht und einander überlappend angeordnet sind, dass der Folienstapel in einer Achsrichtung (A) eine Abfolge von Segmenten aufweist, die, über die Umfangsrichtung betrachtet, gleich bleibt und wobei - eine der Anzahl (n) entsprechende Anzahl gleichartiger Segmente unterschiedlicher Folien eine Lauffläche des Axialluftlagers bilden.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass unterschiedliche Funktionen, die von einem Folienstapel innerhalb eines Axialluftlagers erfüllt werden müssen, auf einer einzigen Folie abgebildet werden können. Die Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, dass durch die Realisierung aller Funktionen eines Folienstapels eines Axialluftlagers in einer einzigen Folie, die Abstimmung der Bestandteile eines Folienstapels untereinander deutlich vereinfacht wird und zusätzlich der Fertigungsprozess kostengünstig realisierbar ist, da nur ein Folientyp hergestellt werden muss. Die Erfindung hat erkannt, dass die Realisierung aller Funktionen eines Folienstapels mit Hilfe von mehr als zwei gleicharti- gen Folien möglich ist, indem diese gleichartigen Folien gegeneinander verdreht, insbesondere nacheinander in eine gleiche Richtung verdreht, und übereinander angeordnet werden. Dadurch entsteht ein Folienstapel, der eine Abfolge von Funktionssegmenten aufweist, die geeignet sind, die Funktion des Axialluftlagers bereitzustellen. Die von einem inneren Rand der Folie zu einem äußeren Rand der Folie durchgehende und zwischen zwei Funktionsringsegmenten angeordnete Unterbrechung dient dazu die Folien ineinander zu stecken bevor sie verdreht werden. Das Konzept der Erfindung sieht demzufolge vor, die Funktion eines Folienstapels in einem Axialluftlager auf einer einzigen Art von Folie zu vereinigen und eine Vielzahl dieser Folien übereinander gegeneinander verdreht oder überlappend anzuordnen. Mit Hilfe des Konzepts ist eine einfache und kostengünstige Fertigung von Axialluftlagern, die mit diesen Folienstapeln ausgerüstet sind, möglich.

Die Erfindung führt auch auf eine Mikrogasturbine nach Anspruch 20 umfassend eine Brennkammer, einen Generator, einen Rekuperator sowie eine Turbogruppe, wobei die Mikrogasturbine ein Axialluftlager nach dem vorstehenden Konzept aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.

Insbesondere zeigt sich im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung, dass ein Axialluftlager vorteilhaft ist, bei dem die gleichartigen ringförmigen Folien mindestens ein Stützfoliensegment aufweisen, das ausgebildet ist, eine Feder zu stützen, sowie mindestens ein Federfoliensegment, das ausgebildet ist, eine Federfunktion zu erfüllen, und ein Laufflächensegment, das ausgebildet ist, einen Teil der Lauffläche des Axialluftlagers zu bilden. Bei dieser Weiterbildung liegt die Unterbrechung der Folie unmittelbar benachbart zum Laufflächensegment der Folie, so dass die Lauffläche aus n Laufflächensegmenten besteht, die jeweils die Bildung eines Luftkeils erlauben. In dieser Ausführungsform weist die Abfolge von Segmenten im Folienstapel auf einer dem Gehäusebauteil zugeordneten Seite ein Stützfoliensegment einer der Folien auf und auf einer dem rotierenden Bauteil zugeordneten Seite ein Laufflächensegment einer der anderen Folien auf.

Vorzugsweise weist das Axialluftlager einen Folienstapel auf, der gleich oder mehr als vier Folien aufweist, insbesondere bevorzugt ist eine Folienzahl von vier oder fünf aber im Übrigen zwischen 4 und 30 Folien. Entsprechend ist die Zahl der Funktionsringsegmente einer Folie grundsätzlich nicht begrenzt und liegt insbesondere bei vier oder fünf aber im Übrigen zwischen 4 und 30 abhängig von der Zahl der Folien. Je größer die Zahl der Folien ist, desto mehr unterschiedliche Funktionsringsegmente mit jeweils unterschiedlichen Funktionen oder Ausführungsformen können innerhalb der Abfolge eines Foliensta- pels angeordnet werden. Damit ist es möglich, die Anforderungen an das jeweilige Axialluftlager optimal in der Foliengestaltung abzubilden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Abfolge des Folienstapels mehrere Stützfoliensegmente und/oder mehrere Federfoliensegmente aufweist. Der Stützung der Feder sowie der Federfunktion selbst, kommt dem Axialluftlager große Bedeutung zu. Je nach Belastung können über verschiedene Stützfoliensegmente sowie verschiedene Federfoli- ensegmente unterschiedliche Steifigkeiten im Folienstapel realisiert werden und der sich unter dem Laufflächensegment bildende Luftkeil gestaltet werden.

Weist jede Folie mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Stützfoliensegmente und mehrere nebeneinander angeordnete Federfoliensegmente auf, so kann eine Abfolge des Folienstapels realisiert werden, bei der auf der dem Gehäusebauteil zugeordneten Seite mehrere Stützfoliensegmente übereinander angeordnet sind, auf die dann mehrere Federfoliensegmente folgen und wobei der Folienstapel schließlich mit einem Laufflächensegment abgeschlossen wird. Damit kann eine optimale Stützung eines zusammenhängenden Federbereiches aus mehreren Federfoliensegmenten erreicht werden. Alternativ können die Stützfoliensegmente und Federfoliensegmente auf der Folie in Umfangsrichtung auch nebeneinander alternierend angeordnet sein. Diese Ausführungsform der Folien führt zu einem Folienstapel, bei dem beginnend mit einer Stützfolie die Abfolge ebenfalls alternierend Stützfoliensegmente und Federfoliensegmente aufweist.

Bei dieser Ausführungsform kann jedes Federfoliensegment einzeln von einem Stützfoli- ensegment gestützt werden.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn unterschiedliche Stützfoliensegmente unterschiedlich ausgeformt sind und/oder wenn unterschiedliche Federfoliensegmente unterschiedlich ausgeformt sind. Auch diese Ausführungsformen begünstigen die Anpassung der Anpassung des Folienstapels an die Anforderungen, die beim jeweiligen Einsatz an das Axialluftlager gestellt werden.

In einer Ausführungsform weist ein Funktionsringsegment gekrümmte Begrenzungen in Umfangsrichtung auf, in einer weiteren Ausführungsform können die Begrenzungen eines Funktionsringsegmentes in Umfangsrichtung aber auch gerade ausgeführt sein.

In einer weiteren Ausführungsform können Funktionsringsegmente in ihren Begrenzun- gen in Umfangsrichtung auch Funktionselemente wie beispielsweise Stege aufweisen, die ebenfalls die Steifigkeit der Funktionsringsegmente beeinflussen. Bevorzugt weisen Funktionsringsegmente jeweils mindestens ein inneres und ein äußeres Ringsegment auf, die über mindestens einen Steg miteinander verbunden sind. Dabei ist sowohl eine Verbindung der Funktionsringsegmente untereinander über eine durchgehende Ausbildung eines äußeren Ringsegmentes als auch über eine durchgehende Ausbildung eines inneren Ringsegmentes möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist ein Stützfoliensegment jeder Folie ein äußeres Ringsegment und ein inneres Ringsegment auf, die über mindestens einen Steg verbunden sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Federfoliensegment jeder Folie ein äußeres Ringsegment auf, an denen nach innen weisende Stege angeordnet sind, deren vom äußeren Ringsegment abgewandtes Ende die Form eines Ringsegmentes aufweist und wobei die vom äußeren Ringsegment abgewandten Ende der Stege nicht mit einander verbunden sind.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Federfoliensegment jeder Folie ein äußeres Ringsegment auf, an dem nach innen weisende Stege angeordnet sind, deren vom äußeren Ringsegment abgewandtes Ende die Form einer Pfeilspitze aufweist und wobei die vom äußeren Ringsegment abgewandten Enden der Stege nicht miteinander verbunden sind.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialluftlagers ist das Lauffolienseg- ment jeder Folie aufgebaut mit einem äußeren Ringsegment und einem inneren Ringsegment, die über mindestens einen Steg verbunden sind.

Ein Steg des jeweiligen Funktionsringsegmentes kann rechtwinklig zum äußeren und inneren Ringsegment angeordnet sein, aber auch alle anderen Winkelbeziehungen zwischen 0° und 180° liegen im Rahmen erfindungsgemäßer Ausführungsformen. Auch die Verwendung unterschiedlicher Winkelbeziehungen zwischen Steg und innerem oder äußerem Ringsegment dient der Einstellungen gewünschter Steifigkeiten des jeweiligen Funktionsringsegmentes.

Außer mittels eines Steges können innere und äußere Ringsegmente der unterschiedlichen Funktionsringsegmente auch mittels beliebiger weiterer Verbindungselemente verbunden sein, die folienartig ausgeführt und geeignet sind vorbestimmte Steifig- oder Festigkeiten einzustellen. Beispielsweise kann sich ein Verbindungselement auch über die volle Ausdehnung eines Ringsegmentes erstrecken. Auch unterschiedliche Winkelausrichtungen von Stegen können eingesetzt werden, um verschiedene Steifigkeiten und Federfunktionen zu realisieren.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel können verschiedene Funktionssegmente auch mittels Wellenprofilen, Rillen, Öffnungen oder Verstärkungen wie beispielsweise Noppen ausgebildet sein. Hierbei führen die unterschiedlichen Ausführungsformen wiederum zur Ausbildung verschiedener Steifigkeit und Federeigenschaften und beeinflussen die Ausbildung des Luftkeils.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Axialluftlager zwei Gehäusebauteile auf, wobei ein erstes Gehäusebauteil ausgebildet ist, einen ersten Folienstapel aufzunehmen, und ein zweites Gehäusebauteil ausgebildet ist, einen zweiten Folienstapel aufzunehmen. Mit Hilfe eines solchen Axialluftlagers kann ein rotierendes Bauteil zwischen zwei Gehäusebauteilen gelagert werden.

In einer Ausführungsform ist ein Folienstapel axial oder radial an einem Gehäusebauteil mit Hilfe eines Befestigungsmittels befestigt. Hierzu können die Folien Aussparungen oder Fortsätze aufweisen, an denen das Befestigungsmittel angreifen kann. Es ist aber auch vorteilhaft, wenn das Gehäusebauteil eine Aussparung aufweist, in die ein Fortsatz der Folien eingesteckt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr sind die Zeichnungen, nur zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzehrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen, der aus den Zeichnungen unmittelbar erkennbaren Lehren, wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen, betref- fend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung, können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. In dem Fall sind im Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus mindestens zwei der Beschreibung, den Zeichnungen und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen: Diese zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems einer Mikrogasturbine mit einem Powerhead und einem Axiallager;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer ringförmigen Folie eines Folienstapels;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Folienstapels in perspektivischer Draufsicht (Fig. 3A) sowie in einer Seitenansicht (Fig. 3B) mit einer Folie der Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Gehäuseteils eines Axiallagers mit einem Folienstapel gemäß Fig. 3 in einer Draufsicht (Fig. 4A) und einer perspektivischen Ansicht (Fig. 4B);

Fig. 5 in Ansichten (A) bis (H) schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von Funktionsringsegmenten;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer ringförmigen Folie eines Folienstapels;

Fig. 7 eine beispielhafte Darstellung zu Möglichkeiten einer Federfunktionsbildung mit einer Folie der Fig. 2 oder Fig. 6;

Fig. 8 ein Folienstapel mit fünf Folien der Fig. 6, wobei eine Segmentart in einem Winkelbereich für ein Segment doppelt zu liegen kommt; Fig. 9 eine erste bevorzugte Auswahl von Möglichkeiten zur Befestigung der Folien an einem Folienträger;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Gehäuseteils eines Axiallagers mit einem Folienstapel mit Folien gemäß Fig. 3 in einer Draufsicht Fig. 1 zeigt ein System einer Mikrogasturbine 1000 mit einem Powerhead 1 100 umfassen eine Turbogruppe 1 1 10, eine Brennkammer 1 120 sowie einen dem Powerhead nachgeschalteten Rekuperator 1200 zum Wärmetausch zwischen Abgas- und Ladeluft des Powerheads 1 100 sowie einen vom Powerhead 1 100 angetriebenen Generator 1400. Die Turbogruppe ist vorliegend mit einem Verdichterrad 1 1 1 1 für Ladeluft LL und einem Turbinenrad 1 1 12 angetrieben durch Brenngas BG an einer gemeinsamen Welle 1 1 13 gekoppelt. Die Welle 1 1 13 wiederum ist zum Antrieb des Generators 1400 mit einem im Stator des Generators drehbar gelagerten Rotor des Generators gekoppelt. Die Welle 1 1 13 der Turbogruppe 1 1 10 ist vorliegend axial und radial gelagert, nämlich insbesondere bei dieser Ausführungsform mittels einer Luftlageranordnung umfassend ein Radialluftlager 1 1 14 und ein Axialluftlager 1 1 15. Abgas AG des Powerheads 1 100 wird vorliegend in einer Richtung RA entlang der Achse A der Mikrogasturbine 1000 dem Rekuperator 1200 zugeführt. Der Rekuperator 1200 ist vorliegend ausgebildet über eine periphere Gasführung 1300 geführte Ladeluft LL vorzuwärmen durch Wärmeaustausch mit dem Abgas AG, welches wiederum den Rekuperator 1200 über einen Abgasauslass verlässt. Dementsprechend weist die periphere Gasführung 1300 eine Ladeluftzuführung 1310, eine Ladeluftabführung 1320, eine Abgaszuführung 1330 und eine Abgasabführung 1340 auf. Das Axialluftlager 1 1 15 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst hier zwei Gehäusebauteile, wobei ein erstes Gehäusebauteil geeignet ist, einen ersten Folienstapel aufzunehmen und ein zweites Gehäusebauteil geeignet ist, einen zweiten Folienstapel aufzunehmen, sowie ein zwischen den Gehäusebauteilen angeordnetes und mit Hilfe der Folienstapel gelagertes Teil des Rotors. In den folgenden Figuren werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Axialluftlagers näher beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Folie 2100 des Folienstapels 2000 des Axialluftlagers 1 1 15. Die Folie 2100 weist fünf nebeneinander angeordnete Funktionsringsegmente 21 10, 21 10a, 2120, 2120a, 2130 auf. Dabei sind die Funktionsringsegmente 21 10 und 21 10a Stützfoliensegmente und ausgebildet, um eine Feder zu stützen. Die Funktionsringsegmente 2120 und 2120a sind Federfoliensegmente, die ausgebildet sind, eine Federfunktion zu erfüllen. Das Funktionsringsegment 2130 schließlich ist ein Lauf- flächensegment. Die Folie 2100 weist außerdem eine Unterbrechung 2140 auf, die unmittelbar benachbart zum Laufflächensegment 2130 angeordnet ist. Das Stützfoliensegment 21 10 weist ein äußeres Ringsegment 21 1 1 sowie ein inneres Ringsegment 21 13 auf, die über zwei Stege 21 12 miteinander verbunden sind. Das Stützfoliensegment 21 10a erfüllt ebenso wie das Stützfoliensegment 21 10 eine stützende Funktion für Federn, es weist im Unterschied zum Stützfoliensegment 21 10 nur einen Steg zwischen einem äußeren Ringsegment und einem inneren Ringsegment auf. Die beiden Federfolienelemente 2120 und 2120a sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel gleich ausgestaltet. Das Federfoliensegment 2120 weist ein äußeres Ringsegment 2121 auf, an welchem zwei Stege 2122 und 2124 angebracht sind, die jeweils an ihrem vom äußeren Ringsegment 2121 abgewandten Ende ein Ringsegment 2123, 2125 aufweisen. Die beiden inneren Ringsegmente 2123 und 2125 sind dabei nicht miteinander verbunden. Die Federfunktion der Federfoliensegmente 2120 und 2120a wird in der vorliegenden Ausführungsform von den inneren Ringsegmenten 2123, 2125 und den sie mit dem äußeren Ringsegment 2121 verbindenden Stegen 2124, 2122 ausgeübt. Die durchgehenden inneren Ringsegmente 21 13 der Stützfoliensegmente stützen im Folienstapel über ihnen angebrachte Federfolien ab. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Enden der Stege sind beispielsweise Pfeilspitzen.

Das Laufflächensegment 2130 weist ein äußeres Ringsegment 2131 sowie ein inneres Ringsegment 2131 auf, wobei beide Ringsegmente über zwei Stege 2132 verbunden sind. Das Laufflächensegment 2130 bildet im Folienstapel 2000 einen Teil der Lauffläche des Axialluftlagers und ist im Axialluftlager einem rotierenden Bauteil zugewandt. Durch die neben dem Laufflächensegment angeordnete Unterbrechung 2140 ist sichergestellt, dass sich im Folienstapel unter dem Laufflächensegment 2130 einen Luftkanal ausbilden kann. Die Anordnung der gleichartigen Folien übereinander im Folienstapel ist in der folgenden Abbildung gezeigt.

Fig. 3A zeigt einen Folienstapel bestehend aus fünf gleichartigen ringförmigen Folien 2100, 2200, 2300, 2400, 2500. Die Folien sind gegeneinander verdreht und einander überlappend und derart angeordnet, dass sich eine geschlossene Lauffläche 2001 bildet, die aus den Laufflächensegmenten 2130, 2230, 2330, 2430, 2530, der jeweiligen Folien gebildet ist. Unter den Laufflächensegmenten kann sich im Folienstapel ein Luftkeil bilden. Dieser wird unter anderem beeinflusst von der Steifigkeit des Folienstapels bzw. der einzelnen Funktionsringsegmente der Folien und damit von der Abfolge der Funktionsringsegmente im Folienstapel 2000. Die Abfolge der Funktionsringsegmente im Folienstapel ist in Fig. 3B exemplarisch an der Stelle B-B in Fig. 3A gezeigt. In der hier gezeigten Ausführungsform lautet die Abfolge der Ringsegmente wie folgt: Zunächst das Stützfoliensegment 2410 der Folie 2400 darüber das Stützfoliensegment 2510a der Folie 2500 darüber angeordnet das Federfoliensegment 2120 der Folie 2100, über diesen angeordnet das Federfoliensegment 2220a der Folie 2200 und schließlich das Laufflä- chensegment 2330 der Folie 2300. Diese Abfolge von zwei Stützfoliensegmenten gefolgt von zwei Federfoliensegmenten und schließlich einem Laufflächensegment ist im gezeigten Ausführungsbeispiel an jeder Stelle des Folienstapels in Umfangsrichtung gleich. Neben der gezeigten Zahl von fünf Folien sind auch alle anderen Anzahlen von Folien >3 vorteilhaft im Sinne der Erfindung. So können beispielsweise durch eine größere Anzahl von Folien weitere Funktionsbereiche integriert werden und die Steifigkeit bzw. die Federfunktion des Folienstapels optimal angepasst werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn statt der hier gezeigten Reihenfolge von zunächst Stützfoliensegmenten und nachfolgend Federfoliensegmenten eine alternative Abfolge von Stützfoliensegmenten und Federfoliensegmenten im Folienstapel realisiert ist. Fig. 4 zeigt ein Gehäusebauteil 3000 eines Axialluftlagers in einer Draufsicht (Fig. 4A) und einer perspektivischen Ansicht (Fig. 4B), in dem ein Folienstapel 2000 gemäß Fig. 3A angeordnet ist. Über die Bohrung 3010 kann zu einem Axialschubausgleich Aktivluft und/oder Passivluft dem Lager zugeführt werden. An einer anderen Stelle wie z.B. anhand von Fig. 9 und Fig. 10 erläutert, kann der Federfolienstapel am Gehäusebauteil über die Stützfoliensegmente fixiert werden; bevorzugt über ein Befestigungsöffnung im Folienstapel oder eine ähnliche Bohrung, in die ein Bolzen eingreift gemäß dem Prinzip des Beispiels in Fig. 10. Das in der Mikrogasturbine 1000 aus Fig. 1 verwendete Axialluftlager 1 1 15 weist zwei solcher Gehäusebauteile 3000 auf, in denen jeweils ein Folienstapel 2000 angeordnet ist. Zwischen den Gehäusebauteilen befindet sich einen mit Teil des Rotors, über den die axiale Lagerung des Rotors gewährleistet wird.

Fig. 5 zeigt in einer schematischen Darstellung verschiedene Ausführungsformen von Funktionsringsegmenten. Zur Beeinflussung der gewünschten Steifig- und Festigkeiten der Funktionsringsegmente kann eine Vielzahl von Ausformungen der Funktionsringsegmente verwendet werden, von denen einige exemplarisch in Fig. 5 an Ausschnitten von Funktionsringsegmenten gezeigt sind. Beispielsweise können Funktionsringsegmente, ein Wellenprofil (Fig. 5A) oder ein Zackenprofil (Fig. 5B) aufweisen. Aber auch die Ausformung von Noppen auf dem Funktionsringsegment (Fig. 5C) oder Öffnungen im Funktionsringsegment (Fig. 5D) sind möglich. Auch Kombinationen, beispielsweise von Öffnungen und Wellenprofil sind möglich (Fig. 5E). Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Steifig- und Festigkeit der Funktionsringsegmente stellt die Anbindung der Funktionsringsegmente untereinander dar. Exemplarisch zeigt Fig. 5F verschiedene Möglichkeiten der Anbindung. Die Anbindung geschieht hier jeweils über Stege, die mit gleichmäßiger Breite, aber auch mit kontinuierlich abneh- mender Breite oder mit abgerundeten Außenkonturen ausgebildet sein können.

Weisen die Funktionsringsegmente, wie in bereits Fig. 2 gezeigt, innere und äußere Ringsegmente auf, die über Stege miteinander verbunden sind, so kann die Steifigkeit auch über unterschiedliche Winkelbeziehungen zwischen den Stegen und den inneren und äußeren Ringsegmenten sowie über die Anzahl der Stege und mithin den Abstand zwischen den Stegen beeinflusst werden. Fig. 5G zeigt exemplarisch unterschiedliche Anordnungen von Stegen zwischen inneren und äußeren Ringsegmenten bei Ausführungsformen, bei denen Funktionsringsegmente untereinander über ein durchgehendes inneres Ringsegment verbunden sind. Fig. 5H zeigt exemplarisch unterschiedliche Anordnungen von Stegen bei Ausführungsformen, bei denen Funktionsringsegmente unter- einander über ein durchgehendes äußeres Ringsegment verbunden sind.

Fig. 6 zeigt eine besonders bevorzugte Folie mit einer Anordnung einer der Anzahl (n) entsprechende Anzahl in Umfangsrichtung (U) nebeneinander angeordnete Funktionsringsegmente 61 10, 61 10a, 61 10b, 6120 und 6130 unterschiedlicher Art, in der genannten Reihenfolge neben einer von einem inneren Rand der Folie zu einem äußeren Rand der Folie durchgehende und zwischen zwei Funktionsringsegmenten 61 10 und 6130 angeordnete Unterbrechung 6001. Die Funktionsringsegmente 61 10a, 61 10b umfassen hier jeweils nur einen einfachen Segment-Winkelbereich, zusammen aber (da gleichartig ausgebildet) umfassen diese einen zweifachen Segment-Winkelbereich.

Fig.7 zeigt eine erste Möglichkeit auf die Funktionsringsegmente 61 10, 61 10a, 61 10b, 6120 und 6130 unterschiedlicher Arten -die aus Fig. 6 insbesondere, aber auch aus Fig. 2 grundsätzlich und in anderer Reihenfolge ersichtlich sind- in vier Schichten mit vier Folien zu kombinieren, nämlich für den Fall, dass das Funktionsringsegment 61 10c (anstatt der Funktionsringsegmente 61 10a, 61 10b der Fig. 6) hier nur einen einfachen Segment-Winkelbereich umfasst. Fig.8 zeigt eine weitere Möglichkeit auf, die Funktionsringsegmente 61 10, 6210a, 6310b, 6420 und 6530 unterschiedlicher Art -die aus Fig. 6 insbesondere, aber auch aus Fig. 2 grundsätzlich und in anderer Reihenfolge ersichtlich sind- in fünf Schichten wie in Ansicht (B) gezeigt zu kombinieren, nämlich für den Fall, dass die Funktionsringsegmente 6210a, 6310b hier einen zweifachen Segment-Winkelbereich umfassen. Dazu zeigt Ansicht (A) eine Draufsicht auf den Stapel, bei dem alle Folien durch unterschiedliche Linienarten aufgezeigt sind. Dadurch wird erreicht, dass in einem einzigen Segment- Winkelbereich des hier gezeigten Ausschnitts ein Stützfoliensegment 6210a, 6310b doppelt zu liegen kommt. Dies hat vorteilhafte Auswirkungen auf die Stabilität des Folienstapels, da die Doppellage ähnlich dem Vorbild der Funktionsringsegmente 6210a, 6310b über den gesamten Umfangsbereich des Stapels fortgesetzt wird.

Außerdem ist aus Fig. 7 und Fig. 8 ersichtlich, dass die eigentliche Federwirkung durch die Anordnung eines Stützfoliensegmentes zwischen zwei Federfoliensegmenten 61 10, 6420 im Folienstapel zustande kommt, insbesondere durch die Anordnung und Ausgestaltung der Federfoliensegmente derart, dass eine Bedeckung des Stützfoliensegmentes, hier der doppelt gelegten Stützfoliensegmente 6210a, 6310b durch ein oberes Federfoliensegment 6420 in Bereichen erfolgt, in denen das Stützfoliensegment nicht vom unteren Federfoliensegment gestützt wird. In Fig. 9 sind verschiedene Befestigungsmöglichkeiten wenigstens einer Folie eines Folienstapels gezeigt, insbesondere an einer Befestigungsgrundlage, vorzugsweise an einem nichrt rotierenden Gehäusebauteil. Insbesondere kann zusätzlich oder alternativ eine erste Folie mit einer zweiten Folie befestigt sein. Grundsätzlich kann die Befestigung nur einer Folie ggfs. ausreichen; bevorzugt ist jedoch wenigstens eine obere und untere Folie zu befestigen, vorzugsweise jede zweite Folie zu befestigen, insbesondere alle Folien zu befestigen. Grundsätzlich kann eine Außenringanbindung oder eine Innenring- anbindung oder beides an einem Folienträger erfolgen. Grundsätzlich ist eine radiale Befestigung möglich, eine axiale Befestigung ist jedoch bevorzugt. Ansicht (A) zeigt dazu beispielhaft eine axiale Befestigung aller Folien des Stapels mittels eines durchgehenden Bolzens durch eine Öffnung in allen Folien; dadurch wird eine besonders bevorzugte Verdrehsicherung aller Folien zu einander erreicht. Ansicht (B) zeigt ersichtlich die Möglichkeit auf, wenigstens eine Folie, bevorzugt eine beliebige Anzahl der Folien eines Stapels in einer entlang eines Radiusfortsatzes einer Folie geführten Befestigung festzusetzen. Eine Einsteckbefestigung der Ansicht (C) ist in Form einer Nut-Feder-artigen Verbindung ausgeführt, bei welcher ein hier haken-artiger Fortsatz in eine ebenfalls hakenartig gebildete Trägerausnehmung eingreift. Die kann mittels eines Befestigungselements und/oder Befestigungsteils eines Funktionsringsegments, insbesondere eines Stützfoliensegment und/oder eines Lauffoliensegment erfolgen. Auch eine Befestigung über ein Befestigungsmittel an einem Gehäusebauteil, und/oder an einem weiteren Foliensegment einer anderen Folie, und/oder an einem folienunterschiedlichen Befesti- gungsmittel liegt im Rahmen der Erfindung. Die Folie oder die Folien können dabei starr befestigt oder aber auch lediglich gehaltert oder gehalten werden.

Fig 10 zeigt eine Anordnung eines Folienstapels 6000 mit Folien gemäß Fig. 6 in einem Gehäusebauteil 7000 eines Axiallagers. Die Folien des Folienstapels weisen dabei Be- festigungsöffnungen 6800 auf, durch die die Folien gemeinsam mittels in die Befestigungsöffnungen einzuführender Befestigungsmittel wie beispielsweise Bolzen (hier nicht dargestellt) am Gehäusebauteil befestigt werden können. Hierzu können die Befestigungsmittel in Befestigungsöffnungen des Gehäusebauteils eingebracht werden oder anderweitig am Gehäusebauteil befestigt werden. Das Gehäusebauteil 7000 verfügt über Bohrungen 7010, über die zu einem Axialschubausgleich Aktivluft und/oder Passivluft dem Lager zugeführt werden kann.

Bezugszeichenliste

1000 Mikrogasturbine

1100 Powerhead

1110 Turbogruppe

1111 Verdichterrad

1112 Turbinenrad

1113 Welle

1114 Radialluftlager

1115 Axialluftlager

1120 Brennkammer

1200 Rekuperator

1300 periphere Gasführung

1310 Ladeluftzuführung

1320 Ladeluftabführung

1330 Abgaszuführung

1340 Abgasabführung

1400 Generator

2000 Folienstapel 2001 Lauffläche

2100, 2200, 2300, 2400, 2500 Folie

2110, 2110a, 2120, 2120a, 2130 Funktionsringsegmente

2110, 2110a, 2410, 2510a Stützfoliensegment 2111,2121,2131 äußeres Ringsegment

2113, 2123, 2125, inneres Ringsegment

2112, 2122, 2124 Steg

2120, 2120a, 2220a Federfoliensegment

2130, 2230, 2330, 2430, 2530 Laufflächensegment 2140 Unterbrechung

3000 Gehäusebauteile

3010 Bohrung

6000 Folienstapel

6001 Unterbrechung 6110, 6110a, 6110b, 6110c, 6120, 6130,

6210a, 6310b, 6420, 6530 Funktionsringsegmente

6110, 6420 Federfoliensegmente

6210a, 6310b Stützfoliensegmente

6800 Befestigungsöffnungen Gehäusebauteil eines Axiallagers Bohrungen

Achse der Mikrogasturbine

Abgas

Brenngas

Ladeluft

Anzahl

Richtung

Umfangsrichtung

Claims

Ansprüche

1. Axialluftlager (1 1 15) mit einem Gehäusebauteil (3000) und einem rotierenden Bauteil und einem ringförmigen Folienstapel, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienstapel eine Anzahl (n) von gleichartigen ringförmigen Folien aufweist, wobei die Anzahl größer oder gleich drei ist (n > 3) und jede Folie aufweist:

- eine der Anzahl (n) entsprechende Anzahl in Umfangsrichtung (U) nebeneinander angeordnete Funktionsringsegmente unterschiedlicher Art sowie eine von einem inneren Rand der Folie (2100) zu einem äußeren Rand der Folie durchgehende und zwischen zwei Funktionsringsegmenten angeordnete Unterbrechung (2140) aufweist, und - die gleichartigen Folien derart gegeneinander verdreht und einander überlappend angeordnet sind, dass der Folienstapel in einer Achsrichtung (A) eine Abfolge von Funktionsringsegmenten aufweist, die, über die Umfangsrichtung betrachtet, gleich bleibt und wobei

- eine der Anzahl (n) entsprechende Anzahl gleichartiger Funktionsringsegmente unterschiedlicher Folien eine Lauffläche des Axialluftlagers bildet.

2. Axialluftlager (1 1 15) nach Anspruch 1 , bei dem

- von den Funktionsringsegmenten unterschiedlicher Art mindestens eines ein Stützfoliensegment (21 10) der ersten Art ist, das ausgebildet ist, eine Feder zu stützen, mindestens eines ein Federfoliensegment (2120) der zweiten Art ist, das ausgebildet ist, eine Federfunktion zu erfüllen, und eines ein Laufflächensegment (2130) der dritten Art ist, das ausgebildet ist, einen Teil einer Lauffläche des Axialluftlagers (1 1 15) zu bilden,

- bei dem die Unterbrechung (2140) unmittelbar benachbart zu dem Laufflächensegment (2130) angeordnet ist,

- bei dem die Abfolge von Segmenten auf einer dem Gehäusebauteil (3000) zu- geordneten Seite ein Stützfoliensegment einer der Folien aufweist und auf einer dem rotierenden Bauteil zugeordneten Seite ein Laufflächensegment einer der anderen Folien aufweist und bei dem - die Laufflächensegmente der Folien die vollständige Lauffläche des Axialluftlagers (1 1 15) bilden.

3. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Folienstapel gleich oder mehr als vier Folien, insbesondere vier oder fünf Folien, aufweist.

4. Axialluftlager (1 1 15) nach Anspruch 3, bei dem die Abfolge mehrere Stützfoliensegmente und/oder mehrere Federfoliensegmente aufweist.

5. Axialluftlager (1 1 15) nach Anspruch 3, bei dem jede Folie mehrere in Umfangsrich- tung nebeneinander angeordnete Stützfoliensegmente, insbesondere zwei, und mehrere nebeneinander angeordnete Federfoliensegmente, insbesondere zwei, aufweist.

6. Axialluftlager (1 1 15) nach Anspruch 3, bei dem jede Folie mehrere in Umfangsrich- tung nebeneinander alternierend angeordnete Stützfoliensegmente und Federfoliensegmente aufweist und/oder mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander alternierend angeordnete Gruppen von Stützfoliensegmenten und Federfoliensegmenten aufweist, insbesondere jeweils eine Gruppe von zwei Segmenten.

7. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem unterschiedliche Stützfoliensegmente unterschiedlich ausgeformt sind und/oder bei dem unterschiedliche Federfoliensegmente unterschiedlich ausgeformt sind.

8. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem sich ein Stützfoliensegment und/oder Lauffoliensegment entlang eines Durchmesser gegenüber- liegen, insbesondere eine Gruppe von Stützfoliensegment einen doppelt so breiten Segmentwinkel einnimmt wie das Lauffoliensegment.

9. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem sich zwei Federfoliensegmente entlang eines Durchmessers in etwa gegenüberliegen, insbesondere die Federfoliensegmente unterschiedlich ausgebildet sind.

10. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Folienstapel in wenigstens einer ersten und zweiten Abfolge von Funktionsringsegmenten, die - -über die Umfangsrichtung betrachtet- gleich bleibt, in Achsrichtung (A) übereinstimmende Funktionsringsegmente unterschiedlicher Folien hat.

1 1. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Stützfoliensegment und/oder Lauffoliensegment jeder Folie ein äußeres Ringsegment und ein inneres Ringsegment aufweist, die über mindestens einen Steg verbunden sind, insbesondere ein Stützfoliensegment und/oder Lauffoliensegment zwei Stege aufweist.

12. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Stützfoliensegment und/oder eine Lauffoliensegment beschichtet ist, insbesondere alle Funktionsringsegmente, vorzugsweise auch ein Federfoliensegment beschichtet ist.

13. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Folie, bevorzugt mittels eines Befestigungselements und/oder Befestigungsteils eines Funktionsringsegments, insbesondere eines Stützfoliensegment und/oder eines Lauffoliensegment, befestigt ist, insbesondere gehalten ist.

14. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Foliensegment

- an einem Gehäusebauteil, und/oder - an einem weiteren Foliensegment einer anderen Folie, und/oder

- mittels einem folienunterschiedlichen Befestigungsmittel befestigt ist, insbesondere gehalten ist.

15. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine oder mehrere Folien Noppen, Federn, Ausstülpungen oder dergleichen Stütz- und/oder Feder- elemente aufweist.

16. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine oder mehrere Folien in sich ganz oder teilweise graduell profiliert sind zur Ausbildung einer Kanalrampe eines Luftpolsterkanals zwischen benachbarten Folien, bevorzugt in Laufrichtung des Folienstapels.

17. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Federfoliensegment jeder Folie ein äußeres Ringsegment aufweist, an dem nach innen weisende Stege angeordnet sind, deren vom äußeren Ringsegment abgewandtes Ende die Form eines Ringsegmentes aufweist und wobei die vom äußeren Ringsegment abgewandten Ende der Stege nicht miteinander verbunden sind.

18. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine Federfoliensegment jeder Folie ein äußeres Ringsegment aufweist, an dem nach innen weisende Stege angeordnet sind, deren vom äußeren Ringsegment abgewandtes Ende die Form einer Pfeilspitze aufweist und wobei die vom äußeren Ringseg- ment abgewandten Ende der Stege (21 12, 2122, 2124) nicht miteinander verbunden sind.

19. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Lauffoliensegment jeder Folie ein äußeres Ringsegment und ein inneres Ringsegment aufweist, die über mindestens einen Steg (21 12) verbunden sind.

20. Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zwei Gehäusebauteile (3000) aufweist und bei dem ein erstes Gehäusebauteil ausgebildet ist, einen ersten Folienstapel (2000) aufzunehmen, und ein zweites Gehäusebauteil ausgebildet ist, einen zweiten Folienstapel aufzunehmen.

21. Mikrogasturbine (1000) mit einer Brennkammer (1 120), einem Generator, einem Rekuperator (1200) und einer Turbogruppe (1 1 10), die ein Axialluftlager (1 1 15) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.