WO2022214136A1 - Radialfolienlager mit mehreren tragflächen und definiertem winkelkontaktbereich - Google Patents

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radial
shaft
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Jürgen Hilbinger
Wolfgang Braun
Andre Anger
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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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
    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/02—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only
    • F16C17/024—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only with flexible leaves to create hydrodynamic wedge, e.g. radial foil 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
    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F16C2360/24—Turbochargers

Definitions

  • Radial foil bearings are provided for the aerodynamic mounting of shafts, with a load-bearing gas/air cushion being formed between the shaft and the radial foil bearing.
  • the functionality is similar to that of a hydrodynamic plain bearing, with the difference that the shaft is supported by the radial foil bearing via an air cushion and not by a liquid cushion of a hydrodynamic plain bearing. What both functional forms have in common is that only the rotary movement of the shaft leads to the formation of the supporting cushion.
  • Foil bearings differ from conventional aerodynamic bearings by having a compliant, resilient structure between the rotating shaft and the stationary housing member. Because of this feature, they are less rigid than conventional air bearings, but they can be adapted to geometrical changes in the air gap, e.g ability.
  • the radial foil bearing usually has a cover foil that is in contact with the stationary shaft and a corrugated foil that is arranged radially between the cover foil and the outer ring of the bearing and can deflect elastically in the radial direction.
  • the radial foil bearing has two foils in contact with one another and the foils carry the outer ring so that the radial foil bearing can be accommodated in a housing.
  • the outer ring can also be formed in one piece from the housing into which the foils of the radial foil bearing are inserted.
  • the shaft If the shaft is rotated relative to the radial foil bearing, the air present in the air gap defined by standstill is displaced. Above a certain shaft speed, an air cushion forms between the cover film and the shaft. le on which the shaft can slide.
  • the foil package with its corrugated foil and its radial spring effect ensures that fluctuations in air pressure or vibrations of the shaft in the radial direction do not affect the bearing and thus keep the air cushion stable.
  • EP 2942537 A1 shows a radial foil bearing with three corrugated foils and an almost circumferential cover foil, the corrugated foils each having a hook-shaped end hooked into its own slot in the outer ring and the cover foil being inserted into one of the slots with the ends lying against one another.
  • EP 3387275 A1 shows a radial foil bearing with three packs of cover foil and corrugated foil, each pack being plugged into a slot in the outer ring at each end of the foil.
  • the CN 209990776 U shows a radial film bearing in which both the corrugated film and the cover film are formed almost completely circumferentially, each having an angled end with which both films are inserted into a common slot. This connection is then secured by clamping with a screw.
  • the solution according to the invention is characterized by a radial foil bearing with an outer ring, at least one corrugated foil and at least one cover foil, with the corrugated foil being arranged radially between the outer ring and the cover foil, and three foil packages being formed from a corrugated foil and a cover foil, which are formed along the and are arranged one after the other on the inner peripheral surface of the outer ring and the radial foil bearing can be operated in only a single direction of rotation, with a first end of each cover foil being firmly connected to the outer ring and the second end of each cover foil opposite the first end being freely movable, with the shaft to be carried within a defined angular range of the freely movable, second end of the cover film can come into contact with it.
  • the fixed connection of the first end to the outer ring is such that this first end is immovably connected to the outer ring. This can be achieved, for example, by resistance/spot welding or laser welding.
  • the foils of the radial foil bearing are designed as thin, resilient sheet metal strips and have a greater geometric characteristic in the circumferential direction of the radial foil bearing than in the axial direction of the radial foil bearing.
  • the invention minimizes instabilities in a shaft to be supported at speeds that are already low.
  • the trailing edge of the air flow is shifted from the load-bearing area with the highest pressure build-up.
  • the radial foil bearing can thus be operated at lower lift-off speeds.
  • An optimized design of the radial foil bearing according to the invention optimizes the dynamic vibration behavior of a rotor of a compressor connected to the shaft to be supported, and smoother running of the compressor is achieved. These rotor dynamic instabilities are minimized by optimizing the radial foil bearing and the defined angular contact area.
  • the radial foil bearing according to the invention can be used with its outer ring in a receptacle of a compressor, the compressor for supplying gases to a preferably automotive fuel cell, ie a fuel cell installed in a mobile vehicle.
  • a compressor with the radial foil bearing according to the invention can easily be seen in a stationary fuel cell.
  • the radial foil bearing has a component-free enveloping circle on the inside, which serves as the maximum permissible installation space when joining with a shaft to be supported by the shaft.
  • An embodiment of the invention provides that the contact between the shaft to be carried or the enveloping circle and the second end of the cover film is linear and extends in the axial direction.
  • the position of the line of contact is within one third of the circumferential length of the cover sheet from its free end, with the line of contact being toleranced by +/- 15% of the total circumferential length of the cover sheet. If the bearing is installed in the correct position, this contact also corresponds to the contact between the shaft and the cover foil when the shaft is not rotating.
  • a crescent-shaped gap is formed on both sides of this contact in the circumferential direction.
  • the contact turns into a gap with two-dimensional expansion and an almost constant radial gap height, which extends around the aforementioned angle area in both circumferential directions and forms the load-bearing gas/air cushion.
  • the cover film of one film overlaps enzigs with the cover film of the following film package in the circumferential direction with a radial distance.
  • This radially spaced overlap results from a radial interlacing of two consecutive sheets in such a way that a first cover sheet is secured to the outer ring by a fastening tab at its first end, the fastening tab being disposed on a larger pitch circle than the bearing surface of the second ,
  • the cover film on which the angular region according to the invention is arranged. This improves the circumferential load-bearing capacity of all consecutive angular ranges to the extent that the diameter of the radial foil bearing can be made more compact.
  • the free (second) end of the cover film of a film package can overlap the fixed (first) end of the cover film of the film package that follows on the circumference - with a radial distance and without mutual contact or alternatively with surface contact.
  • the circumferential distance between two consecutive cover foils is dimensioned in such a way that they do not touch each other during operation - in particular when the radial foil bearing or the shaft is shaken.
  • the circumferential spacing is also such that tearing of the air cushion is avoided--for example, the spacing is measured on the basis of the turbulence occurring at the end of the film.
  • the sum of the individual cover foil arc lengths is greater than the inner circumference of the outer ring and the cover foil of one foil pack thus overlaps in contact with the cover foil of the following foil pack in the circumferential direction.
  • This also improves the circumferential load-bearing capacity of all consecutive angular ranges in that the radial foil bearing can be made more compact in diameter.
  • the second cover foil which covers the first cover foil by overlapping the center point of the radial foil bearing, is supported by the first cover foil.
  • the center of the radius of the cover foil, the contact between the shaft to be supported or the enveloping circle to the cover foil and the bearing center of the radial foil bearing lie on an imaginary straight line.
  • the linear contact as described at the outset, becomes the supporting surface between the cover film and the shaft to be supported.
  • the radius center of the cover foil along this straight line can be 0.5% to 7% of the shaft radius eccentric to the bearing center of the radial foil bearing.
  • the cover foil radius is therefore correspondingly larger than the enveloping circle radius. Due to the geometric design described above, a sickle-shaped gap is formed between the shaft and the cover foil between the foil attachment point and the contact line between the enveloping circle and the cover foil.
  • the resulting crescent shape represents an optimized form of a wedge gap, through which the air pressure required to lift the corrugation from the cover foil is already generated at low speeds and even a small amount of radial deflection of the corrugated foil in the contact area is sufficient to create a large and therefore load-bearing supporting surface to train. Due to the geometry described, the so-called idling speed of fuel cell compressors can be reduced and thus a reduction in consumption can be achieved.
  • the “outer ring” within the scope of the invention can be used as a separate component—as an “outer component”—in a housing or be designed in one piece with the housing, so that the outer ring integrally formed with the housing is present as a housing bore.
  • the multi-part design (“outer skins”) and the one-piece design (“housing bore”) are brought together under the term “outer ring”.
  • What is essential for the invention of the radial foil bearing is that the shaft to be supported or the enveloping circle contacts the foil pack or the cover foil in a defined angular range.
  • the solution according to the invention improves the quality of the load-bearing capacity itself as well as the support of the shaft to be carried.
  • the radial foil bearing which advantageously has three foil packs, which are arranged one after the other in the circumferential direction, can only move in one direction of rotation - and is therefore designed unidirectionally. A reversal of the direction of rotation, especially during operation, is not possible and not intended.
  • the structure of the radial foil bearing according to the invention allows only one direction of rotation of the shaft. A directional installation of the radial foil bearing is also necessary so that the direction of rotation of the shaft to be supported corresponds to the operating direction of rotation of the radial foil bearing.
  • the radial foil bearing is advantageously provided with a marking which indicates the permissible direction of rotation in which the radial foil bearing is to be operated and also to be installed in a receptacle with this information.
  • a marking can indicate the location/position of the angular range according to the invention, so that the radial foil bearing can be inserted in a peripheral position in the receptacle, so that the shaft to be supported at a standstill due to its weight causes contact in one of the angular ranges of the radial foil according to the invention camp.
  • FIG. 1 shows a radial foil bearing 1 with an outer ring 2, a corrugated foil 3 and a cover foil 4, with a corrugated foil 3 and a cover foil 4 forming a foil package 8.
  • Three foil packs 8 are patterned consecutively over the circumference of the outer ring 2 and are arranged at regular intervals from one another.
  • the corrugated foil 3 rests on an inner peripheral surface 5 of the outer ring 2 and has a corrugated shape as seen in the circumferential direction of the radial foil bearing 1 .
  • the cover foil 4 rests against the corrugated foil 3 .
  • corrugated shape of the corrugated foil 3 allows the cover foil 4 to deflect towards the outer ring 2, ie the radial expansion of the corrugated foil 3 is reduced by the deflection. This deflection lengthens the dimension of the corrugated foil 3 in the circumferential direction.
  • Each foil package 8 is firmly connected to the outer ring 2 with its cover foil 4 and its corrugated foil 3 at a common first end 6 .
  • the other, second end 7 of the foil package 8 and thus also its foils 3, 4 can be moved in the circumferential direction and in the radial direction.
  • the second end 7 is in contact with the inner peripheral surface 5 of the outer ring 2 - the cover film 4 indirectly via the corrugated film 3 and the corrugated film 3 itself directly on the outer ring 2.
  • the direction of rotation 11 of the shaft 9 to be supported is shown in the clockwise direction, i.e. an imaginary fixed point on the outer circumference of the shaft 9 first passes the fixed first end 6 of a foil pack 8 and, as the rotation progresses, then the associated free end 7 of this foil pack 8.
  • the shaft 9 “floats” in the radial foil bearing 1 due to the schematic depiction of the arrangement.
  • the shaft 9 is in contact 13 with one of the foil packs 8, in particular with the associated cover foil 4, due to its weight.
  • this contact 13 is advantageously to be arranged at a “six o'clock position” and within the angle range 10 according to the invention. If the shaft 9 is rotated and the status is changed from standstill to operation, then the wedge gap 12 shown in Fig.
  • the contact 13 according to the invention is within the angular range 10.
  • the center of the angular range 10 is from the free end 7 of the limiting edge of the cover foil 4 against the direction of rotation 11 in radians by a third of the cover foil circumference.
  • the limits of the angular range 10 are from this center to both sides in radians by 15% of the cover film circumference.
  • the crescent-shaped gap 12 can thus advantageously be formed over an extent of 2/3 of the entire circumferential length of the cover film 4 .
  • the linear contact 13 has a radian amount 16 from the free end 7 which is one third of the circumferential length of the cover film 4 .
  • the angular range 10 is formed, which is provided as a permissible range for the line-shaped contact 13 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radialfolienlager mit einem Außenring (2) und drei Folienpaketen, die aus einer Wellfolie (3) und einer Deckfolie (4) gebildet sind, wobei das Radialfolienlager (1) in nur einer einzigen Drehrichtung (11) betreibbar ist, wobei ein erstes Ende (6) jeder Deckfolie (4) mit dem Außenring (2) fest verbunden und das zweite, dem ersten Ende (6) gegenüberliegenden Ende (7) der jeden Deckfolie (4) frei beweglich ist, wobei die zu tragende Welle (9) innerhalb eines Winkelbereichs (10) des frei beweglichen, zweiten Endes (7) der Deckfolie (4) mit dieser in Kontakt kommen kann, beziehungsweise der Hüllkreis (15) des Radialfolienlagers (1) mit der zumindest einen Deckfolie (4) innerhalb des Winkelbereichs (10) in Kontakt kommt, wobei sich die Deckfolie (4) des einen Folienpakets (8) mit der Deckfolie (4) des in Umfangsrichtung darauffolgenden Folienpakets (8) mit radialem Abstand überlappt.

Description

RADIALFOLIENLAGER MIT MEHREREN TRAGFLÄCHEN UND DEFINIERTEM
WINKELKONTAKTBEREICH
Radialfolienlager sind zur aerodynamischen Lagerung von Wellen vorgesehen, wobei zwischen der Welle und dem Radialfolienlager ein tragendes Gas-/Luftpolster ausge bildet wird. Die Funktionsweise ähnelt der eines hydrodynamischen Gleitlagers jedoch mit dem Unterschied, dass die Welle von dem Radialfolienlager über ein Luftpolster getragen wird und nicht von einem Flüssigkeitspolster eines hydrodynamischen Gleit lagers. Gemeinsam haben beide Funktionsformen, dass erst die Drehbewegung der Welle zum Ausbilden des tragenden Polsters führt.
Folienlager unterscheiden sich von den konventionellen aerodynamischen Lagern durch eine nachgiebige, elastische Struktur zwischen der rotierenden Welle und dem stationären Gehäusebauteil. Durch dieses Merkmal weisen sie gegenüber den kon ventionellen Luftlagern zwar eine geringere Steifigkeit auf, können sind jedoch an ge ometrische Luftspaltänderungen durch z.B. Fluchtungsfehler der Lagersitze oder un terschiedlicher Wärmeausdehnung von Welle und Gehäuse anpassen und ermögli chen dadurch in der Praxis in vielen Anwendungen eine höhere Betriebszuverlässig keit.
Zur Ausbildung des tragenden Luftpolsters weist das Radialfolienlager zumeist eine mit der stillstehenden Welle in Kontakt stehenden Deckfolie sowie eine radial zwi schen der Deckfolie und den Außenring des Lagers angeordneten Wellfolie auf, wel che in radialer Richtung elastisch einfedern kann. Somit hat grundsätzlich das Radial folienlager zwei miteinander in Kontakt stehende Folien und einen die Folien tragen den Außenring, damit das Radialfolienlager in einem Gehäuse aufgenommen werden kann. Der Außenring kann auch einteilig von dem Gehäuse ausgebildet sein, in das die Folien des Radialfolienlagers eingesetzt werden.
Wird die Welle in Drehbewegung relativ zum Radialfolienlager versetzt, so wird die in dem vom Stillstand definierten Luftspalt vorhandene Luft verdrängt. Ab einer bestimm ten Drehzahl der Welle bildet sich ein Luftpolster zwischen der Deckfolie und der Wel- le aus, auf dem die Welle gleiten kann. Dabei sorgt das Folienpaket mit seiner Wellfo lie und ihrer radialen Federwirkung dafür, dass Schwankungen im Luftdruck oder Vib rationen der Welle in radialer Richtung das Lager nicht beeinträchtigen und somit das Luftpolster tragfähig halten.
Im Stand der Technik sind vielfältige Bauformen von Folienlagern bekannt. Neben den Radialfolienlagern gibt es auch Axialfolienlager, die eine axiale Tragfähigkeit ausbil den können. Die Anordnung der Folien des Lagers sowie deren geometrische Ausbil dung sind vielfältig und jedem Anwendungsfall angepasst.
Die EP 2942537 A1 zeigt ein Radialfolienlager mit drei Wellfolien und einer nahezu umlaufendenden Deckfolie, wobei die Wellfolien mit einem hakenförmigen Ende je weils in einen eigenen Schlitz im Außenring eingehakt sind und die Deckfolie mit bei den Enden aneinander anliegend in einen der Schlitze gesteckt ist.
Die EP 3387275 A1 zeigt ein Radialfolienlager mit drei Paketen aus Deckfolie und Wellfolie, wobei jedes Paket an jedem Ende der Folien in einen Schlitz des Außenrin ges gesteckt sind.
Die CN 209990776 U zeigt ein Radialfolienlager, bei dem sowohl die Wellfolie als auch die Deckfolie nahezu vollständig umlaufend ausgebildet sind, jeweils in abge winkeltes Ende aufweisen, mit dem beide Folien in einen gemeinsamen Schlitz ge steckt sind. Anschließend wird diese Verbindung mit einer Schraube verklemmend gesichert.
Als problematisch stellte sich heraus, die Folien zur Optimierung der funktionstüchti gen Tragfähigkeit wirtschaftlich anzuordnen.
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung ein Radialfolienlager auszubilden, welches ei ne wirtschaftliche Anordnung der Folien erlaubt und das Radialfolienlager in seiner Funktion verbessert. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch ein Radialfolienlager mit einem Außenring, mindestens einer Wellfolie und mindestens einer Deckfolie aus, wobei die Wellfolie radial zwischen dem Außenring und der Deckfolie angeordnet ist, und drei Folienpakete aus einer Wellfolie und einer Deckfolie gebildet sind, die entlang der und an der Innenumfangsfläche des Außenringes aufeinanderfolgend angeordnet sind und das Radialfolienlager in nur einer einzigen Drehrichtung betreibbar ist, wobei ein ers tes Ende jeder Deckfolie mit dem Außenring fest verbunden und das zweite, dem ers ten Ende gegenüberliegenden Ende der jeden Deckfolie frei beweglich ist, wobei die zu tragende Welle innerhalb eines definierten Winkelbereichs des frei beweglichen, zweiten Endes der Deckfolie mit eben dieser in Kontakt kommen kann.
Die feste Verbindung des ersten Endes mit dem Außenring ist dergestalt, dass dieses erste Ende unbeweglich mit dem Außenring verbunden ist. Dies ist beispielsweise durch Widerstands-/Punktschweißen oder Laserschweißen erzielbar.
Die Folien des Radialfolienlagers sind als dünne, federnde Blechstreifen ausgebildet und haben in Umfangsrichtung des Radialfolienlagers eine größere geometrische Ausprägung als in axialer Richtung des Radialfolienlagers.
Durch die Erfindung werden Instabilitäten einer zu lagernden Welle bei bereits niedri gen Drehzahlen minimiert. Zudem wird die Abrisskante des Luftstroms aus dem Trag bereich mit dem höchsten Druckaufbau verlagert. Damit kann das Radialfolienlager mit geringeren Abhebedrehzahlen betrieben werden.
Durch eine optimierte, erfindungsgemäße Gestaltung des Radialfolienlagers wird das dynamische Schwingungsverhalten zu einem mit der zu tragenden Welle verbunde nen Rotors eines Verdichters optimiert und ein ruhigerer Lauf des Verdichters erreicht. Diese rotordynamischen Instabilitäten werden hierbei durch die Optimierung des Ra dialfolienlagers und des definierten Winkelkontaktbereichs minimiert.
Das erfindungsgemäße Radialfolienlager kann mit seinem Außenring in eine Aufnah me eines Verdichters eingesetzt werden, wobei der Verdichter zur Zuführung von Ga sen zu einer vorzugsweise automotiven, das heißt in einem mobilen Fahrzeug ange brachten, Brennstoffzelle vorgesehen ist. Alternativ kann ein solcher Verdichter mit dem erfindungsgemäßen Radialfolienlager in einer stationären Brennstoffzelle vorge sehen sein.
Das Radialfolienlager weist an der Innenseite einen bauteilfreien Hüllkreis auf, wel cher beim Fügen mit einer zu tragenden Welle von der Welle als maximal zulässiger Bauraum dient.
Eine Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Kontakt zwischen der zu tragenden Welle beziehungsweise dem Hüllkreis und dem zweiten Ende der Deckfolie linienför mig ist und sich in axialer Richtung erstreckt. Die Position der Kontaktlinie befindet sich innerhalb eines Drittels der Umfangslänge der Deckfolie von seinem freien Ende entfernt, wobei die Kontaktlinie mit einer Toleranz von +/- 15% der umfangsseitigen Gesamterstreckungslänge der Deckfolie versehen ist. Bei entsprechend lagerichtigen Lagereinbau entspricht dieser Kontakt bei nicht rotierender Welle auch dem Kontakt zwischen Welle und Deckfolie. In Umfangsrichtung beidseitig dieses Kontaktes bildet sich ein sichelförmiger Spalt aus. Bei Erhöhung der Drehzahl der zu tragenden Welle baut sich in dem an die Folienbefestigung anschließenden sichelförmigen Spalt das tragfähige Luftpolster auf. Durch den eingeprägten Druck und durch die Nachgiebig keit der Folien wandelt sich der Kontakt zu einem Spalt mit flächiger Ausdehnung und nahezu konstanter radialer Spalthöhe aus, der sich um den vorgenannten Winkelbe reich heraum in beiden Umfangsrichtungen ausdehnt und das tragfähige Gas- /Luftpolster ausbildet.
In einer erfindungsgemäßen Ausführung überlappt sich die Deckfolie des einen Foli- enpakets mit der Deckfolie des in Umfangsrichtung darauffolgenden Folienpakets mit radialem Abstand. Diese Überlappung mit radialem Abstand folgt aus einer radialen Verschränkung zweier aufeinanderfolgender Folien, und zwar so, dass eine erste Deckfolie mit einer Befestigungslasche an seinem ersten Ende mit dem Außenring be festigt ist, wobei die Befestigungslasche auf einem größeren Teilkreis angeordnet ist als die Tragfläche der zweiten, auf die erste in Umfangsrichtung unmittelbar folgen den, Deckfolie auf der der erfindungsgemäße Winkelbereich angeordnet ist. Damit wird die umfangsseitige Tragfähigkeit aller aufeinanderfolgender Winkelbereiche inso fern verbessert, dass das Radialfolienlager im Durchmesser kompakter gestaltet wer den kann.
Damit wird vorteilhafterweise die umfangsseitige Tragfläche vergrößert und dafür auch der Bauraum in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Folienpaketen deutlich bes ser genutzt. Das freie (zweite) Ende der Deckfolie eines Folienpaketes kann das feste (erste) Ende der Deckfolie des umfangsseitig drauffolgenden Folienpaketes überlap pen - mit radialem Abstand und ohne gegenseitige Kontaktierung oder alternativ mit flächigem Kontakt.
Dabei ist der umfangsseitige Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Deckfolien derart dimensioniert, dass sich diese einander im Betrieb nicht berühren - insbeson dere bei Erschütterungen des Radialfolienlagers oder der Welle. Die umfangsseitige Beabstandung ist jedoch auch dergestalt, dass ein Abreißen des Luftpolsters vermie den wird - beispielsweise bemisst sich der Abstand anhand der an dem Ende der Fo lie auftretenden Turbulenzen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Radialfolienlagers ist die Summe der einzel nen Deckfolien-Bogenlängen größer ist, als der Innenumfang des Außenrings und sich somit die Deckfolie des einen Folienpakets mit der Deckfolie des in Umfangsrich tung darauffolgenden Folienpakets berührend überlappt. Damit wird auch die um fangsseitige Tragfähigkeit aller aufeinanderfolgender Winkelbereiche insofern verbes sert, dass das Radialfolienlager im Durchmesser kompakter gestaltet werden kann. Insbesondere wird hierbei die zweite Deckfolie, welche die erste Deckfolie durch die Überlappung zum Mittelpunkt des Radialfolienlagers abdeckt, von der ersten Deckfolie gestützt.
Vorteilhafterweise liegen der Radiusmittelpunkt der Deckfolie, der Kontakt zwischen der zu tragenden Welle beziehungsweise dem Hüllkreis zur Deckfolie und der Lager mittelpunkt des Radialfolienlagers auf einer gedachten Geraden. Im Betrieb wird der linienförmige Kontakt wie eingangs beschrieben zur Tragfläche zwischen Deckfolie und zu tragender Welle.
Ferner kann der Radiusmittelpunkt der Deckfolie entlang dieser Geraden um 0,5% bis 7% von Wellenradius exzentrisch zum Lagermittelpunkt des Radialfolienlagers liegen. Damit ist der Deckfolienradius entsprechend größer als der Hüllkreisradius. Durch die eingangs beschriebene geometrische Auslegung bildet sich zwischen dem Folienbe festigungspunkt und der Kontaktlinie zwischen Hüllkreis und Deckfolie ein sichelförmi ger Spalt zwischen Welle und Deckfolien aus. Die sich ergebende Sichelform stellt ei ne optimierte Form eines Keilspaltes dar, durch welche sich der zum Abheben der Welle von der Deckfolie erforderliche Luftdruck bereits bei niedrigeren Drehzahlen ausbildet und bereits eine geringe radiale Einfederung der Wellfolie im Kontaktbereich ausreicht, um eine großflächige und damit tragfähige Tragfläche auszubilden. Durch die beschriebene Geometrie kann die sog. Leerlaufdrehzahl von Brennstoffzellen verdichtern gesenkt und damit eine Verbrauchsreduzierung erreicht werden.
Der „Außenring“ im Rahmen der Erfindung kann als separates Bauteil - als „Außen- bauteil“ - in ein Gehäuse eingesetzt werden oder einteilig mit dem Gehäuse ausgebil det sein, so der mit dem Gehäuse integral ausgebildete Außenring als Gehäuseboh rung vorhanden ist. Im Rahmen der Erfindung wird die mehrteilige Ausführung („Au ßenhäuten“) und die einteilige Ausführung („Gehäusebohrung“) unter dem Begriff „Au ßenring“ zusammengeführt. Wesentlich für die Erfindung des Radialfolienlagers ist hierbei, dass die zu tragende Welle beziehungsweise der Hüllkreis in einem definier ten Winkelbereich das Folienpaket beziehungsweise die Deckfolie kontaktiert. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Qualität der Tragfähigkeit selbst als auch die Abstützung der zu tragenden Welle verbessert. Dies umfasst die möglichst zentrische Positionierung der Welle im statischen Zustand, eine möglichst geringe Abhebedrehzahl, eine möglichst hohe Tragfähigkeit im Betrieb und eine möglichst gu te dynamische Rotorstabilität über den gesamten Drehzahlbereich des Verdichters hinweg. Sind mehrere dieser Folienpakete über den Innenumfang der Innenumfangs fläche des Außenrings positioniert, so wird ab drei Folienpaketen zum einen die zent rische Lage der Welle im statischen Zustand optimiert, als auch die dynamische Ro torstabilität dadurch verbessert, dass sich die Welle an mehreren Umfangsstellen ab stützen kann und sich somit deren Bewegungsspielraum verringert.
Das Radialfolienlager mit vorteilhafterweise drei Folienpaketen, welche in Umfangs- richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, kann sich nur in einer Drehrichtung be wegen - und ist somit unidirektional ausgebildet. Eine Drehrichtungsumkehr ist, ins besondere im Betrieb, nicht möglich und nicht vorgesehen. Das erfindungsgemäße Radialfolienlager ermöglicht durch seinen Aufbau nur eine Wellendrehrichtung. Auch ist damit ein gerichteter Einbau des Radialfolienlagers nötig, damit die Drehrichtung der zu tragenden Welle der Betriebsdrehrichtung des Radialfolienlagers entspricht.
Vorteilhafterweise ist das Radialfolienlager mit einer Markierung versehen, welche die zulässige Drehrichtung anzeigt, in der das Radialfolienlager zu betreiben und auch mit dieser Information in einer Aufnahme einzubauen ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Markierung die Lage/Position des erfindungsgemäßen Winkelbereichs anzeigen, damit das Radialfolienlager in einer umfangsseitigen Position in der Aufnahme einge setztwerden kann, so dass die zu tragende Welle im Stillstand durch ihre Gewichts kraft den Kontakt in einem der erfindungsgemäßen Winkelbereiche des Radialfolien lagers findet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den nachfolgenden Figuren näher be schrieben. Die Figur 1 zeigt ein Radialfolienlager 1 mit einem Außenring 2, einer Wellfolie 3 und einer Deckfolie 4, wobei eine Wellfolie 3 und eine Deckfolie 4 ein Folienpaket 8 bilden. Drei Folienpakete 8 sind über den Umfang des Außenringes 2 aufeinanderfolgend gemustert und im regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet. Dabei liegt an einer Innenumfangsfläche 5 des Außenringes 2 die Wellfolie 3 an, welche in Umfangsrich tung des Radialfolienlagers 1 gesehen eine Wellenform aufweist. Auf der dem Außen ring 2 gegenüberliegenden Seite der Wellfolie 3 liegt die Deckfolie 4 an der Wellfolie 3 an. Die Wellenform der Wellfolie 3 lässt die Deckfolie 4 zum Außenring 2 hin einfe dern, das heißt die radiale Ausdehnung der Wellfolie 3 verringert sich durch das Ein federn. Durch dieses Einfedern verlängert sich die Dimension der Wellfolie 3 in Um fangsrichtung.
Jedes Folienpaket 8 ist mit seiner Deckfolie 4 und seiner Wellfolie 3 an einem ge meinsamen ersten Ende 6 mit dem Außenring 2 fest verbunden. Das andere, zweite Ende 7 des Folienpaketes 8 und damit auch seiner Folien 3, 4 ist in Umfangsrichtung und in radialer Richtung beweglich. Das zweite Ende 7 befindet sich jedoch in Anlage mit der Innenumfangsfläche 5 des Außenringes 2 - die Deckfolie 4 mittelbar über die Wellfolie 3 und die Wellfolie 3 selbst unmittelbar an dem Außenring 2.
Die Drehrichtung 11 der zu tragenden Welle 9 ist im Uhrzeigersinn abgebildet, das heißt, ein gedachter Fixpunkt auf dem Außenumfang der Welle 9 passiert erst das fes te erste Ende 6 eines Folienpaketes 8 und bei fortschreitender Drehung anschließend das zugehörige freie Ende 7 dieses Folienpaketes 8. Es sind drei Folienpakete 8 im umfangsseitigen Versatz von nahezu 120° innerhalb des Außenringes 2 angeordnet.
In der in Fig. 1 gezeigten Darstellung „schwebt“ die Welle 9 im Radialfolienlager 1 aufgrund der schematischen Abbildung der Anordnung. Tatsächlich ist im Stillstand der Welle 9 die Welle 9 in Kontakt 13 mit einem der Folienpakete 8, insbesondere mit der zugehörigen Deckfolie 4, aufgrund seiner Gewichtskraft. Dieser Kontakt 13 ist vor teilhafterweise entgegen den Darstellungen in den Figuren 1 und 2 auf einer „sechs- Uhr-Position“ und innerhalb des erfindungsgemäßen Winkelbereichs 10 anzuordnen. Wird die Welle 9 gedreht und der Zustand vom Stillstand in den Betrieb gewechselt, dann bildet sich der in Fig. 2 gezeigte Keilspalt 12 aus, führt zum bevorzugten Gas druckaufbau zwischen der Welle 9 und der Deckfolie 4 und lässt die Welle 9 von der Deckfolie 4 in radialer Richtung im Bereich des linienförmigen Kontaktes 13 abheben. Durch die nachgiebige Deckfolie 4 und Wellfolie 3 bildet sich ein flächiger und tragfä higes Gas-/Luftpolster aus.
Der erfindungsgemäße Kontakt 13 liegt innerhalb des Winkelbereichs 10. Die Mitte des Winkelbereichs 10 liegt vom freien Ende 7 der begrenzenden Kante der Deckfolie 4 entgegen der Drehrichtung 11 im Bogenmaß um ein Drittel des Deckfolienumfangs entfernt. Die Grenzen des Winkelbereichs 10 liegen von dieser Mitte nach beiden Sei ten im Bogenmaß jeweils um 15% des Deckfolienumfangs entfernt.
Zudem ist nach Fig. 2 dargestellt, dass der Kontakt 13, der Mittelpunkt des Radialfo lienlagers 1 und der Radiusmittelpunkt der Deckfolie 4, mit der der Kontakt 13 zur Welle 9 beziehungsweise zum Hüllkreis stattfindet, auf einer gemeinsamen Gerade 14 liegen. Damit kann vorteilhafterweise der sichelförmige Spalt 12 über eine Erstreckung von 2/3 der gesamten umfangsseitigen Länge der Deckfolie 4 ausgebildet werden.
Der linienförmige Kontakt 13 weist einen Bogenmaßbetrag 16 von dem freien Ende 7 auf, welcher ein Drittel der umfangsseitigen Länge der Deckfolie 4 beträgt. Um diesen Kontakt 13 herum ist der Winkelbereich 10 ausgebildet, welcher als zulässiger Bereich für den linienförmigen Kontakt 13 vorgesehen ist.
Bezuqszeichenliste
Radialfolienlager
Außenring
Wellfolie
Deckfolie
Innenumfangsfläche erstes Ende (fest) zweites Ende (frei)
Folienpaket
Welle
Winkelbereich
Drehrichtung sichelförmiger Spalt
Kontakt Welle/Deckfolie
Gerade
Hüllkreis
Bogenmaßbetrag / Abstand vom freien Ende

Claims

Patentansprüche
1. Radialfolienlager (1) mit
- einem Außenring (2), mindestens einer Wellfolie (3) und mindestens einer Deckfolie (4), wobei
- die Wellfolie (3) radial zwischen dem Außenring (2) und der Deckfolie (4) angeordnet ist, und
- drei Folienpakete (8) aus einer Wellfolie (3) und einer Deckfolie (4) gebildet sind, die über der Innenumfangsfläche des Außenringes (2) aufeinanderfol gend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialfolienlager (1) in nur einer einzigen Drehrichtung (11) betreibbar ist, wobei ein erstes Ende (6) jeder Deckfolie (4) mit dem Außenring (2) fest ver bunden und das zweite, dem ersten Ende (6) gegenüberliegenden Ende (7) der jeden Deckfolie (4) frei beweglich ist, wobei die zu tragende Welle (9) innerhalb eines Winkelbereichs (10) des frei beweglichen, zweiten Endes (7) der Deckfo lie (4) mit dieser in Kontakt kommen kann, beziehungsweise der Hüllkreis (15) des Radialfolienlagers (1) mit der zumindest einen Deckfolie (4) innerhalb des Winkelbereichs (10) in Kontakt kommt, wobei sich die Deckfolie (4) des einen Folienpakets (8) mit der Deckfolie (4) des in Umfangsrichtung darauffolgenden Folienpakets (8) mit radialem Abstand überlappt.
2. Radialfolienlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt (13) zwischen der zu tragenden Welle (9) beziehungsweise dem Hüllkreis (15) und dem zweiten Ende (7) der Deckfolie (4) linienförmig ist und sich in axialer Richtung erstreckt.
3. Radialfolienlager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der einzelnen Deckfolien-Bogenlängen größer ist, als der Innenum fang des Außenrings (2) und sich somit die Deckfolie (4) des einen Folienpa kets (8) mit der Deckfolie (4) des in Umfangsrichtung darauffolgenden Folien pakets (8) berührend überlappt.
4. Radialfolienlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radiusmittelpunkt der Deckfolie (4), der Kontakt (13) zwischen der zu tra genden Welle (9) beziehungsweise des Hüllkreise mit der Deckfolie (4) und der Lagermittelpunkt des Radialfolienlagers (1) auf einer gedachten Geraden (14) liegen.
5. Radialfolienlager (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radiusmittelpunkt der Deckfolie (4) auf der gedachten Geraden (14) einen Ab stand zum Hüllkreismittelpunkt von 0,5% bis 7% vom Radius des Hüllkreises (15) aufweist und der Radius der Deckfolie (4) entsprechend größer als der Radius des Hüllkreises (15) ist.
6. Radialfolienlager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt (13) zwischen der zu tragenden Welle (9) beziehungsweise des Hüllkreises (15) und der Deckfolie (4) in einem Bereich von einem Drittel der gesamten umfangsseitigen Länge der Deckfolie (4) angeordnet ist, wobei sich der Bereich vom zweiten Ende (7) der Deckfolie aus erstreckt und den Winkel bereich (10) ausbildet.
7. Radialfolienlager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbereich (10) vom freien Ende (7) der Deckfolien (4) um den Bogenmaßbetrag entsprechend einem Drittel des Deckfolienumfang minus 15% der umfangsseitigen Länge der Deckfolie (4) entfernt liegt und sich von dort aus um den Bogenmaßbetrag von 30% der umfangsseitigen Länge der Deckfolie (4) erstreckt.
8. Radialfolienlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialfolienlager (1) mindestens eine Einbaumarkie rung aufweist, welche den lagerichtigen Einbau entsprechend der Wirkrichtung der Gewichtskraft der Welle (9) und zumindest einem der Kontakte (13) des Radialfolienlagers (1) ermöglicht.
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