WO2018158079A1 - Radiallager für strömungsmaschinen - Google Patents

Radiallager für strömungsmaschinen Download PDF

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WO2018158079A1
WO2018158079A1 PCT/EP2018/053644 EP2018053644W WO2018158079A1 WO 2018158079 A1 WO2018158079 A1 WO 2018158079A1 EP 2018053644 W EP2018053644 W EP 2018053644W WO 2018158079 A1 WO2018158079 A1 WO 2018158079A1
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radial bearing
shaft
bearing
housing
radial
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PCT/EP2018/053644
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Inventor
Vadim Kuzovich
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Robert Bosch Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/06—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement by means of parts of rubber or like materials
    • F16C27/063—Sliding contact bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps

Definitions

  • Radial bearings for turbomachines The present invention relates to a radial bearing for a turbomachine, in particular without the use of lubricants.
  • Prior art Unlubricated radial bearings are known from the prior art, for example a foil bearing designed as a radial bearing from the published patent application DE 33 31 503 A1.
  • the known radial bearing has a film as a bearing layer for supporting a shaft, wherein the film is wound several times over the circumference of the film.
  • the radial bearing according to the invention has an improved damping, in particular in the case of high-speed shafts of turbomachines.
  • the radial bearing is substantially cylindrical and comprises an outer base sleeve for arrangement in a housing.
  • the radial bearing further comprises an inner bearing layer for supporting a shaft.
  • Between the base sleeve and the bearing layer concentrically at least two damping layers and at least one support sleeve are arranged alternately.
  • the damping layers which are preferably made of an elastomer, give the radial bearing the necessary damping properties, so that tolerances and imbalances or deviations from the concentricity can be compensated or damped. Especially with missing lubricant this is advantageous, since so the wear of the radial bearing and the shaft can be minimized.
  • the at least one support sleeve consists of a metal. This gives the radial bearing the necessary stability.
  • the modulus of elasticity of the at least one support sleeve is significantly greater than the modulus of elasticity of the at least two damping layers.
  • the damping layers are made comparatively resilient.
  • the damping layers each have a greater thickness than the support sleeves.
  • the damping layers have a comparatively large overall thickness, so that a comparatively large damping path is also present due to their resilient behavior. As a result, comparatively strong vibrations of the shaft can be damped.
  • the bearing layer consists of a metal foil.
  • the contact surface of the radial bearing to the shaft is designed very flexible due to their low wall thickness. Nevertheless, the bearing layer also has a high strength, so that any particles in the treads do not lead to immediate wear.
  • the radial bearing is arranged in a turbomachine, in particular without the use of suitable lubricants.
  • the turbomachine has a housing, wherein in the housing, a shaft, a rotor wheel, a rotor and a stator are arranged. The impeller and the rotor are firmly connected to the shaft.
  • the shaft is rotatably supported by two bearings in the housing.
  • the two bearings are designed as radial bearings according to one of the embodiments described above.
  • the turbomachine can be used in particular as a compressor of gas, for example air, since the radial bearings for air-lubricated, so unlubricated, applications are particularly well suited.
  • the rotor and the stator act together in a known manner as an electric motor. However, applications are also conceivable in which the rotor and the stator form a generator. Brief description of the drawings
  • FIG. 1 shows schematically a flow machine in longitudinal section, wherein only the essential areas are shown
  • Fig. 2 shows a section through a radial bearing, with only the essential areas are shown.
  • FIG.l schematically an electrically driven turbomachine 1 is shown in longitudinal section, wherein only the essential areas are shown.
  • the turbomachine 1 comprises a multi-part housing 9, wherein the individual housing parts are screwed together.
  • a shaft 2 is rotatably arranged.
  • a rotor 3 is arranged and fixedly connected in the direction of rotation with this.
  • the turbomachine 1 is designed as a compressor, so that the impeller 3 is designed as a compressor.
  • a rotor 4 is further firmly connected, which thus rotates in rotation of the shaft 2 in the same way.
  • a stator 5 is arranged rigidly in the housing 9. When current flows through the stator 5, this acts together with the rotor 4 in a known manner as an electric motor.
  • the shaft 2 is rotatably supported by means of two radial bearings 10 within the housing 9.
  • the two radial bearings 10 are arranged at both ends of the rotor 4.
  • One of the radial bearings 10 is therefore arranged between the impeller 3 and the rotor 4 viewed in the axial direction.
  • the rotor 3 can also be operated as a turbine and rotor 4 and stator 5 accordingly as a generator.
  • the radial bearing 10 shows an inventive radial bearing 10, which supports the shaft 2 in the housing 9 slidably.
  • the radial bearing 10 comprises an outer base sleeve 11, which is connected to the housing 9, for example, is pressed into this.
  • the radial bearing 10 further comprises one or more support sleeves 12, which give the radial bearing 10 a certain rigidity and are arranged concentrically within the base sleeve 11.
  • the radial bearing further comprises a plurality of damping layers 13, which are preferably made of a softer material than the support sleeves 12 and damp vibrations of the shaft 2.
  • the damping layers 13 are arranged alternately with the support sleeves 12, so that between two damping layers 13 is always a support sleeve 12 is arranged.
  • the radial bearing 10 has a bearing layer 14, which may for example be designed as a metal foil.
  • the damping layers 13 are made comparatively thick and may preferably consist of an elastomer.
  • the damping layers 13 are viewed in the radial direction between two support sleeves 12 and arranged between a support sleeve 12 and the base sleeve 11 and between a support sleeve 12 and the bearing layer 14.
  • the support sleeves 12 are made very thin and can be made of metal.
  • the radial bearing 10 according to the invention is particularly suitable for non-lubricated bearing assemblies or for gaseous working media. That is, during operation forms between the shaft 2 and the bearing layer 14 no viable lubricating film of a lubricant, but in this gap passes only ambient air or the gaseous working fluid. Because of the damping layers 13, the radial bearing 10 is made soft enough to dampen vibrations of the shaft 2 and to be able to compensate tolerances, so that the wear of shaft 2 and bearing layer 14 is minimized, despite running in Mischrei- area.
  • the support sleeves 12 in turn give the radial bearing 10 the necessary rotor dynamic stability, especially at very high speeds of the shaft 2, for example at 100,000 revolutions per minute.

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Abstract

Radiallager (10), insbesondere für eine Strömungsmaschine (1), wobei das Radiallager (10) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Das Radiallager (10) umfasst eine äußere Basishülse (11) zur Anordnung in einem Gehäuse (9). Das Radiallager (10) umfasst weiterhin eine innere Lagerschicht (14) zur Lagerung einer Welle (2). Zwischen der Basishülse (11) und der Lagerschicht (14) sind konzentrisch zumindest zwei Dämpfungsschichten (13) und zumindest eine Stützhülse (12) einander abwechselnd angeordnet.

Description

Beschreibung
Titel
Radiallager für Strömungsmaschinen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radiallager für eine Strömungsmaschine, insbesondere ohne Verwendung von Schmierstoffen.
Stand der Technik Ungeschmierte Radiallager sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise ein als Radiallager ausgeführtes Folienlager aus der Offenlegungsschrift DE 33 31 503 AI. Das bekannte Radiallager weist eine Folie als Lagerschicht zur Lagerung einer Welle auf, wobei die Folie mehrfach über den Umfang der Folie gewickelt ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Radiallager weist demgegenüber eine verbesserte Dämpfung, insbesondere bei hochdrehenden Wellen von Strömungsmaschinen auf.
Dazu ist das Radiallager im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und umfasst eine äußere Basishülse zur Anordnung in einem Gehäuse. Das Radiallager umfasst weiterhin eine innere Lagerschicht zur Lagerung einer Welle. Zwischen der Basishülse und der Lagerschicht sind konzentrisch zumindest zwei Dämpfungsschichten und zumindest eine Stützhülse einander abwechselnd angeordnet.
Die Dämpfungsschichten, welche vorzugsweise aus einem Elastomer bestehen, verleihen dem Radiallager die notwendigen Dämpfungseigenschaften, so dass Toleranzen und Unwuchten bzw. Abweichungen vom Rundlauf ausgeglichen bzw. gedämpft werden können. Insbesondere bei fehlendem Schmierstoff ist dies vorteilhaft, da so der Verschleiß des Radiallagers und der Welle minimiert werden kann.
In vorteilhaften Ausführungen besteht die zumindest eine Stützhülse aus einem Metall. Dies verleiht dem Radiallager die notwendige Stabilität.
Vorzugsweise ist also der Elastizitätsmodul der zumindest einen Stützhülse deutlich größer als der Elastizitätsmodul der zumindest zwei Dämpfungsschichten. Dadurch sind die Dämpfungsschichten vergleichsweise nachgiebig gestaltet.
Vorteilhafterweise haben die Dämpfungsschichten jeweils eine größere Dicke als die Stützhülsen. Dadurch haben die Dämpfungsschichten eine vergleichsweise große Gesamtdicke, so dass durch ihr federndes Verhalten auch ein vergleichsweise großer Dämpfungsweg vorhanden ist. Demzufolge können vergleichsweise starke Vibrationen der Welle gedämpft werden.
In vorteilhaften Weiterbildungen besteht die Lagerschicht aus einer Metallfolie. Damit ist die Kontaktfläche des Radiallagers zur Welle aufgrund ihrer geringen Wandstärke sehr flexibel gestaltet. Dennoch hat die Lagerschicht auch eine hohe Festigkeit, so dass etwaige Partikel in den Laufflächen nicht zu einem sofortigen Verschleiß führen.
In vorteilhaften Verwendungen ist das Radiallager in einer Strömungsmaschine angeordnet, insbesondere ohne Verwendung von geeigneten Schmiermitteln. Dazu weist die Strömungsmaschine ein Gehäuse auf, wobei in dem Gehäuse eine Welle, ein Läuferrad, ein Rotor und ein Stator angeordnet sind. Das Läuferrad und der Rotor sind fest mit der Welle verbunden. Die Welle ist mittels zweier Lager drehbar in dem Gehäuse gelagert. Die beiden Lager sind als Radiallager nach einer der oben beschriebenen Ausführungen gestaltet.
Die Strömungsmaschine kann dabei insbesondere als Verdichter von Gas, beispielsweise Luft, eingesetzt werden, da die Radiallager für luftgeschmierte, also ungeschmierte, Anwendungen besonders gut geeignet sind. Der Rotor und der Stator wirken dabei in bekannter Weise als Elektromotor zusammen. Jedoch sind auch Anwendungen denkbar, in welchen der Rotor und der Stator einen Generator bilden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch eine Strömungsmaschine im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
Fig. 2 einen Schnitt durch ein Radiallager, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Ausführungsformen der Erfindung
In Fig.l ist schematisch eine elektrisch angetriebene Strömungsmaschine 1 im Längsschnitt gezeigt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Strömungsmaschine 1 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 9, wobei die einzelnen Gehäuseteile miteinander verschraubt sind. In dem Gehäuse 9 ist eine Welle 2 drehbar angeordnet. Auf der Welle 2 ist ein Läuferrad 3 angeordnet und in Rotationsrichtung fest mit dieser verbunden. Die Strömungsmaschine 1 ist als Kompressor ausgeführt, so dass das Läuferrad 3 als Verdichter ausgeführt ist.
Mit der Welle 2 ist weiterhin ein Rotor 4 fest verbunden, der somit bei Rotation der Welle 2 in gleicher Weise rotiert. Den Rotor 4 radial umgebend ist ein Stator 5 starr in dem Gehäuse 9 angeordnet. Bei Bestromung des Stators 5 wirkt dieser mit dem Rotor 4 in bekannter Weise als Elektromotor zusammen.
Die Welle 2 ist mittels zweier Radiallager 10 innerhalb des Gehäuses 9 rotierbar gelagert. Vorteilhafterweise sind die beiden Radiallager 10 dabei zu beiden Enden des Rotors 4 angeordnet. Eines der Radiallager 10 ist demzufolge in axialer Richtung betrachtet zwischen dem Läuferrad 3 und dem Rotor 4 angeordnet.
In alternativen Ausführungen kann das Läuferrad 3 auch als Turbine und Rotor 4 und Stator 5 dementsprechend als Generator betrieben werden.
Fig.2 zeigt ein erfindungsgemäßes Radiallager 10, welches die Welle 2 in dem Gehäuse 9 gleitend lagert. Das Radiallager 10 umfasst eine äußere Basishülse 11, die mit dem Gehäuse 9 verbunden, beispielsweise in dieses eingepresst ist. Das Radiallager 10 umfasst weiterhin einen oder mehrere Stützhülsen 12, welche dem Radiallager 10 eine gewisse Steifigkeit verleihen und konzentrisch innerhalb der Basishülse 11 angeordnet sind. Das Radiallager umfasst weiterhin mehrere Dämpfungsschichten 13, die vorzugsweise aus einem weicheren Material als die Stützhülsen 12 ausgeführt sind und Vibrationen der Welle 2 dämpfen. Die Dämpfungsschichten 13 sind dabei mit den Stützhülsen 12 einander abwechselnd angeordnet, so dass zwischen zwei Dämpfungsschichten 13 immer eine Stützhülse 12 angeordnet ist. An seinem inneren Durchmesser weist das Radiallager 10 eine Lagerschicht 14 auf, die beispielsweis als Metallfolie ausgeführt sein kann.
Die Dämpfungsschichten 13 sind vergleichsweise dick ausgeführt und können vorzugsweise aus einem Elastomer bestehen. Die Dämpfungsschichten 13 sind in radialer Richtung betrachtet zwischen zwei Stützhülsen 12 angeordnet bzw. zwischen einer Stützhülse 12 und der Basishülse 11 bzw. zwischen einer Stützhülse 12 und der Lagerschicht 14. Vorzugsweise sind die Stützhülsen 12 sehr dünnwandig ausgeführt und können aus Metall bestehen.
Das erfindungsgemäße Radiallager 10 ist insbesondere für nichtgeschmierte Lageranordnungen bzw. für gasförmige Arbeitsmedien geeignet. Das heißt im Betrieb bildet sich zwischen der Welle 2 und der Lagerschicht 14 kein tragfähiger Schmierfilm eines Schmiermittels aus, sondern in diesen Spalt gelangt lediglich Umgebungsluft oder das gasförmige Arbeitsmedium. Aufgrund der Dämpfungsschichten 13 ist das Radiallager 10 weich genug gestaltet, um Vibrationen der Welle 2 dämpfen und Toleranzen ausgleichen zu können, so dass der Verschleiß von Welle 2 und Lagerschicht 14 minimiert ist, trotz des Laufens im Mischrei- bungsbereich. Die Stützhülsen 12 wiederum verleihen dem Radiallager 10 die notwendige rotordynamische Stabilität, insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen der Welle 2, beispielsweise bei 100.000 Umdrehungen pro Minute.

Claims

Ansprüche
1. Radiallager (10), insbesondere für eine Strömungsmaschine (1), wobei das Radiallager (10) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, wobei das Radiallager (10) eine äußere Basishülse (11) zur Anordnung in einem Gehäuse (9) umfasst, wobei das Radiallager (10) eine innere Lagerschicht (14) zur Lagerung einer Welle (2) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Basishülse (11) und der Lagerschicht (14) konzentrisch zumindest zwei Dämpfungsschichten (13) und zumindest eine Stützhülse (12) einander abwechselnd angeordnet sind.
2. Radiallager (10) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elastizitätsmodul der zumindest einen Stützhülse (12) deutlich größer ist als der Elastizitätsmodul der zumindest zwei Dämpfungsschichten (13).
3. Radiallager (10) nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dämpfungsschichten (13) jeweils aus einem Elastomer bestehen.
4. Radiallager (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Stützhülse (12) aus einem Metall besteht.
5. Radiallager (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dämpfungsschichten (15) jeweils eine größere Dicke aufweisen als die Stützhülsen (12).
6. Radiallager (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lagerschicht (14) aus einer Metallfolie besteht. Strömungsmaschine (1) mit einem Gehäuse (9), wobei in dem Gehäuse (9) eine Welle (2), ein Läuferrad (3), ein Rotor (4) und ein Stator (5) angeordnet sind, wobei das Läuferrad (3) und der Rotor (4) fest mit der Welle (2) verbunden sind, wobei die Welle (2) mittels zweier Lager drehbar in dem Gehäuse (9) gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Lager als Radiallager (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt sind.
PCT/EP2018/053644 2017-03-02 2018-02-14 Radiallager für strömungsmaschinen WO2018158079A1 (de)

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