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WO2019214883A1 - Lagereinrichtung mit einer strukturierten welle - Google Patents

Lagereinrichtung mit einer strukturierten welle Download PDF

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WO2019214883A1
WO2019214883A1 PCT/EP2019/058619 EP2019058619W WO2019214883A1 WO 2019214883 A1 WO2019214883 A1 WO 2019214883A1 EP 2019058619 W EP2019058619 W EP 2019058619W WO 2019214883 A1 WO2019214883 A1 WO 2019214883A1
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Inventor
Thomas Lang
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/44—Centrifugal pumps

Definitions

  • the invention relates to a bearing device with a structured shaft and a turbomachine, in particular a flow compressor with a
  • Fast-rotating rotors are stored, inter alia, with gas bearings (usually working medium air, ie air bearings).
  • gas bearings usually working medium air, ie air bearings.
  • gas bearings usually working medium air, ie air bearings.
  • bearings which are pressurized there are classic so-called “externally pressurized bearings”, i. Bearings which are pressurized), “herringbone grooved bearings”, i. Radial bearing with very fine grooves in the lO-lOOpm range in the form of an arrow on the shaft or “spiral grooved bearings", i. Thrust bearing with spiral grooves.
  • titaniumted pad bearings i.
  • the subject of the present invention is a bearing device with a housing; at least one disposed in the housing foil bearing and / or Kippsegmentlager for supporting a rotating shaft; and the shaft, which in a storage area of the at least one foil bearing and / or
  • Kippsegmentlagers is mounted, wherein the shaft has a defined structuring in the storage area for the defined or targeted management of a working fluid through the bearing area upon rotation of the shaft.
  • the present invention furthermore relates to a turbomachine, in particular a flow compressor with a bearing device described above.
  • the foil bearing and / or the tilting pad bearing can be designed as a radial bearing or thrust bearing.
  • the working medium is preferably air.
  • the tilting pad bearing can be an air-lubricated tilting pad bearing.
  • a “defined line” is to be understood as meaning a defined fluid flow.
  • the defined line or current is determined upon rotation of the shaft, i. in the operation of the device, for example.
  • the defined structuring is preferably designed such that upon rotation of the shaft, i. in operation, the working fluid is passed from a first area to a second area defined.
  • each surface in the broadest sense has a kind of "structuring".
  • the structured region means a region which has a defined structure which differs from the surrounding region in order to generate a defined conduction of a working fluid through the bearing region upon rotation of the shaft.
  • the defined line of the working fluid can in this case by a part of the storage area or through the entire Storage area done.
  • the defined structuring preferably has defined grooves or grooves.
  • the grooves or grooves preferably extend at least partially or completely relative to a rotation axis of the shaft in an angular range of greater than 0 ° to less than 90 ° and / or less than -0 ° to greater than -90 ° and / or arrow-shaped and / or V -shaped and / or helical.
  • first region and the second region are arranged relative to the foil bearing and / or tilting-segment bearing opposite outside of the bearing region.
  • the axial direction corresponds to the axis of rotation or longitudinal axis of the shaft.
  • the first region and / or the second region may be adjacent to the foil bearing and / or
  • Tilting pad storage be arranged. That is, in other words, that
  • Foil bearing and / or tilting pad bearing is flowed through axially by the working fluid. This allows an efficient cooling flow in the axial direction, i. through the storage area or bearing gap from one side to the other side of the
  • Foil bearing and / or Kippsegmentlagers are generated.
  • the film bearing and / or tilting pad bearing in the storage area has at least one vent opening for discharging the working fluid from the storage area.
  • the first region can have two first partial regions which are arranged opposite one another relative to the film bearing and / or tilting pad bearing. In this way, an efficient cooling flow can be generated from a cooler region outside the foil bearing and / or tilting pad bearing into or through the bearing region or bearing gap, which is derived from the bearing region or bearing gap by means of the ventilation opening.
  • the housing is designed in such a way and the foil bearing and / or tilting pad bearing is arranged in the housing in such a way that in the axial direction a defined pressure gradient at the foil bearing and / or tilting pad bearing and / or a defined dynamic pressure outside the foil bearing and / or or tilting pad bearing.
  • the foil bearing and / or tilting pad bearing is preferably designed as a radial bearing and the grooves of the structuring preferably extend helically.
  • the defined structuring is designed such that a bearing property, in particular the damping and / or the rigidity of the foil bearing and / or tilting pad bearing in dependence on a
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a bearing device according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic cross section of a bearing device according to another embodiment of the invention.
  • a bearing device according to the invention is provided in its entirety by the reference numeral 10.
  • the bearing device 10 has housing 12, two foil bearings 14 and a shaft 16.
  • the film bearing 14 is accommodated in a bearing receptacle 18 of the housing 12.
  • the shaft 16 is rotatably mounted about a rotation axis 22 by means of the foil bearings 14 in bearing areas 20 of the foil bearings 14.
  • the shaft 16 has a defined structuring 24 in the storage areas 20. The defined
  • Structuring 24 has defined grooves 26, which extend in an arrow shape and have an angle of + -45 ° to the axis of rotation 22 of the shaft 16.
  • the defined structuring 24 is designed in such a way that, with a corresponding rotation of the shaft 16, a working fluid, which in this case is air, is guided from a first region 28 to a second region 30.
  • a working fluid which in this case is air
  • the first area 28 outside the storage area 20 and the second area 30 inside, in particular substantially centrally within the storage area 20 are arranged.
  • the foil bearings 14 each have a bearing area 20
  • Vent 34 on. Accordingly, by means of the defined structuring 24 on the shaft 16, a defined line of a working fluid or air (and thus a cooling flow) in the direction of arrow 36 with corresponding rotation of the shaft 16, i. generated during operation.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the bearing device 10, wherein the grooves 26 of the shaft 16 are substantially parallel and at an angle of + 45 ° to the axis of rotation 22 of the shaft 16.
  • the working fluid or the air is guided with a corresponding rotation of the shaft 16 in the direction of arrow 36 from the first region 28 to the relative to the film bearing 14 opposite arranged second region 30 defined.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
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Abstract

Der hier vorgestellte Ansatz betrifft eine Lagereinrichtung (10) mit einem Gehäuse (12); zumindest einem in dem Gehäuse angeordneten Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager zur Lagerung einer drehenden Welle (16); und der Welle, welche in einem Lagerbereich (20) des zumindest einen Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers gelagert ist, wobei die Welle im Lagerbereich eine definierte Strukturierung (24) zur definierten Leitung eines Arbeitsfluids durch den Lagerbereich bei Drehung der Welle aufweist.

Description

Beschreibung
Lagereinrichtung mit einer strukturierten Welle
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung mit einer strukturierten Welle sowie eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Strömungsverdichter mit einer
Schnell drehende Rotoren (z.B. in Turbomaschinen, wie Turboverdichtern oder Turbinen) werden unter anderem mit Gaslagern (meist Arbeitsmedium Luft, also Luftlager) gelagert. Es existieren hierfür klassisch sog.„externally pressurized bearings“, d.h. Lager die mit Druck beaufschlagt werden),„herringbone grooved bearings“, d.h. Radiallager mit sehr feinen Nuten im lO-lOOpm Bereich in Pfeilform auf der Welle oder„spiral grooved bearings“, d.h. Axiallager mit Spiralrillen. Des Weiteren gibt es noch„tilted pad bearings“, d.h.
Kippsegmentlager und die am meisten verbreiteten„foil bearings“, d.h.
Folienlager.
Bei extremen Umfangsgeschwindigkeit entsteht sowohl auf der rotierenden als auch auf der stehenden Seite auf vergleichsweise kleiner Fläche eine extreme Verlustleistung durch Reibung. Hierbei stellt hauptsächlich die
Wärmeentwicklung ein Problem dar, da die Schmierfilme sehr klein sind (pm- Bereich) und die thermischen Verformungen eine vergleichbare Größenordnung aufweisen.
Die DE 10 2014 201 563 Al offenbart ein aerodynamisches Luftlager mit einer Deckfolie zur Lagerung einer Welle, wobei die Deckfolie eine partielle
Beschichtung mit einer Strukturierung aufweist. Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lagereinrichtung mit einem Gehäuse; zumindest einem in dem Gehäuse angeordneten Folienlager und/oder Kippsegmentlager zur Lagerung einer drehenden Welle; und der Welle, welche in einem Lagerbereich des zumindest einen Folienlagers und/oder
Kippsegmentlagers gelagert ist, wobei die Welle im Lagerbereich eine definierte Strukturierung zur definierten bzw. gezielten Leitung eines Arbeitsfluids durch den Lagerbereich bei Drehung der Welle aufweist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Strömungsverdichter mit einer vorangehend beschriebenen Lagereinrichtung.
Das Folienlager und/oder das Kippsegmentlager kann als Radiallager oder Axiallager ausgebildet sein.
Das Arbeitsmedium ist bevorzugt Luft. Hierbei kann das Kippsegmentlager ein luftgeschmiertes Kippsegmentlager sein.
Unter einer„definierten Leitung“ soll im Rahmen dieser Erfindung ein definierter Fluidstrom verstanden werden. Die definierte Leitung bzw. der definierte Strom wird bei Drehung der Welle, d.h. im Betrieb der Einrichtung, bspw. der
Strömungsmaschine erzeugt.
Hierbei ist die definierte Strukturierung bevorzugt derart ausgebildet, dass bei Drehung der Welle, d.h. im Betrieb das Arbeitsfluid von einem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich definiert geleitet wird.
Es sei hierbei angemerkt, dass selbstverständlich jede Oberfläche im weitesten Sinne eine Art„Strukturierung“ aufweist. Im Sinne dieser Anmeldung ist mit dem strukturierten Bereich jedoch ein Bereich gemeint, welcher eine deutliche sich von dem umgebenden Bereich unterscheidende definierte Strukturierung aufweist, um eine definierten Leitung eines Arbeitsfluids durch den Lagerbereich bei Drehung der Welle zu erzeugen. Die definierte Leitung des Arbeitsfluids kann hierbei durch einen Teil des Lagerbereiches oder auch durch den gesamten Lagerbereich erfolgen. Die definierte Strukturierung weist bevorzugt definierte Nuten bzw. Rillen auf. Hierbei verlaufen die Nuten bzw. Rillen bevorzugt zumindest teilweise oder auch vollständig relativ zu einer Drehachse der Welle in einem Winkelbereich von größer 0° bis kleiner 90° und/oder kleiner -0° bis größer -90° und/oder pfeilförmig und/oder V-förmig und/oder helixförmig.
Mit der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung ist es nunmehr möglich, sehr einfach und kostengünstig ein Rotor- Lagersystem mit einem Folienlager und/oder Kippsegmentlager im Schmierspalt gezielt zu kühlen. Durch eine entsprechende Strukturierung auf der Welle im Lagerbereich des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers kann ein definierter Massestrom bzw. Kühlstrom durch den Lagerspalt erzeugt werden, der die Reibungswärme des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers direkt aus dem Lagerspalt abführt. Hierdurch können wiederum kleinere Lager realisiert werden, was zu kleineren
Verlustleistungen führt oder auch kompaktere Bauweisen ermöglicht.
Es ist vorteilhaft, wenn in axialer Richtung der erste Bereich und der zweite Bereich relativ zu dem Folienlager und/oder Kippsegmentlager gegenüberliegend außerhalb des Lagerbereiches angeordnet sind. Die axiale Richtung entspricht hierbei der Drehachse bzw. Längsachse der Welle. Der erste Bereich und/oder der zweite Bereich kann angrenzend zu dem Folienlager und/oder
Kippsegmentlager angeordnet sein. D.h., mit anderen Worten, dass das
Folienlager und/oder Kippsegmentlager von dem Arbeitsfluid axial durchströmt wird. Hierdurch kann ein effizienter Kühlstrom in axialer Richtung, d.h. durch den Lagerbereich bzw. Lagerspalt von einer Seite zu der anderen Seite des
Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers erzeugt werden.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn in axialer Richtung der erste Bereich innerhalb, insbesondere im Wesentlichen mittig innerhalb des Lagerbereiches, und der zweite Bereich außerhalb des Lagerbereiches angeordnet sind. Hierdurch kann ein effizienter Kühlstrom aus dem Lagerbereich bzw. Lagerspalt nach außen, d.h. in einen kühleren Bereich außerhalb Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers erzeugt werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die definierte Strukturierung in axialer Richtung der erste Bereich außerhalb des Lagerbereiches und der zweite Bereich innerhalb, insbesondere im Wesentlichen mittig innerhalb des
Lagerbereiches angeordnet sind. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Folienlager und/oder Kippsegmentlager im Lagerbereich zumindest eine Entlüftungsöffnung zur Ableitung des Arbeitsfluids aus dem Lagerbereich aufweist. Der erste Bereich kann hierbei zwei relativ zu dem Folienlager und/oder Kippsegmentlager gegenüberliegend angeordnete erste Teilbereiche aufweisen. Hierdurch kann ein effizienter Kühlstrom aus einen kühleren Bereich außerhalb Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers in bzw. durch den Lagerbereich bzw. Lagerspalt hindurch erzeugt werden, welcher mittels der Entlüftungsöffnung aus dem Lagerbereich bzw. Lagerspalt abgeleitet wird.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn das Gehäuse derart ausgebildet und das Folienlager und/oder Kippsegmentlager derart in dem Gehäuse angeordnet ist, dass sich in axialer Richtung ein definierter Druckgradient an dem Folienlager und/oder Kippsegmentlager und/oder ein definierter Staudruck außerhalb des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers einstellt. Hierbei ist das Folienlager und/oder Kippsegmentlager bevorzugt als Radiallager ausgebildet und die Nuten der Strukturierung verlaufen bevorzugt helixförmig. Durch diese Maßnahme kann ein Staudruck an einer definierten Stelle, bspw. am Rande des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers erzeugen werden, wodurch eine zusätzliche Dichtungsfunktion realisierbar ist.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die definierte Strukturierung derart ausgebildet ist, um eine Lagereigenschaft, insbesondere die Dämpfung und/oder die Steifigkeit des Folienlagers und/oder Kippsegmentlagers in Abhängigkeit von einer
Drehzahl der Welle definiert zu verändern, insbesondere zu erhöhen und/oder zu senken. Diese Maßnahme ist insbesondere bei Folienlagern vorteilhaft, wobei sowohl die Lager als auch der Welle für den Betriebsdrehzahlbereich optimal ausgelegt werden können.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Lagereinrichtung gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel; und Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer Lagereinrichtung gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Lagereinrichtung in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 versehen.
Die Lagereinrichtung 10 weist Gehäuse 12, zwei Folienlager 14 und eine Welle 16 auf. Das Folienlager 14 ist in einer Lageraufnahme 18 des Gehäuses 12 aufgenommen.
Die Welle 16 ist mittels der Folienlagern 14 in Lagerbereichen 20 der Folienlager 14 um eine Drehachse 22 drehbar gelagert. Hierbei weist die Welle 16 in den Lagerbereichen 20 eine definierte Strukturierung 24 auf. Die definierte
Strukturierung 24 weist definierte Nuten 26 auf, welche pfeilförmig verlaufen und einen Winkel von +-45° zu der Drehachse 22 der Welle 16 aufweisen. Die definierte Strukturierung 24 ist derart ausgebildet, dass bei entsprechender Drehung der Welle 16 ein Arbeitsfluid, welches hierbei Luft ist, von einem ersten Bereich 28 zu einem zweiten Bereich 30 definiert geleitet wird. Hierbei sind in axialer Richtung 32 der erste Bereich 28 außerhalb des Lagerbereiches 20 und der zweite Bereich 30 innerhalb, insbesondere im Wesentlichen mittig innerhalb des Lagerbereiches 20 angeordnet. Um das Arbeitsfluid aus dem Lagerbereich 20 abzuleiten, weisen die Folienlager 14 jeweils im Lagerbereich 20 eine
Entlüftungsöffnung 34 auf. Demnach wird mittels der definierten Strukturierung 24 an der Welle 16 eine definierte Leitung eines Arbeitsfluids bzw. der Luft (und damit ein Kühlstrom) in Pfeilrichtung 36 bei entsprechender Drehung der Welle 16, d.h. im Betrieb erzeugt.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Lagereinrichtung 10, wobei die Rillen 26 der Welle 16 im Wesentlichen parallel verlaufen und in einem Winkel von +45° zu der Drehachse 22 der Welle 16 aufweisen. Hierbei wird das Arbeitsfluid bzw. die Luft bei entsprechender Drehung der Welle 16 in Pfeilrichtung 36 von dem ersten Bereich 28 zu dem relativ zu dem Folienlager 14 gegenüberliegend angeordneten zweiten Bereich 30 definiert geleitet. Dies führt dazu, dass die Folienlager 14 von der Luft in axialer Richtung 32 durchströmt werden, so dass durch die Lagerbereiche 20 ein effizienter Kühlstrom erzeugt wird.

Claims

Ansprüche
1. Lagereinrichtung (10) mit
- einem Gehäuse (12);
- zumindest einem in dem Gehäuse (12) angeordneten Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager zur Lagerung einer drehenden Welle (16); und
- der Welle (16), welche in einem Lagerbereich (20) des zumindest einen Folienlagers (14) und/oder Kippsegmentlagers gelagert ist, wobei die Welle im Lagerbereich (20) eine definierte Strukturierung (24) zur definierten Leitung eines Arbeitsfluids durch den Lagerbereich (20) bei Drehung der Welle (16) aufweist.
2. Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Strukturierung (24) derart ausgebildet ist, dass bei Drehung der Welle (16) das Arbeitsfluid von einem ersten Bereich (28) zu einem zweiten Bereich (30) definiert geleitet wird.
3. Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung (32) der erste Bereich (28) und der zweite Bereich (30) relativ zu dem Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager gegenüberliegend außerhalb des Lagerbereiches (20) angeordnet sind.
4. Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung (32) der erste Bereich (28) innerhalb, insbesondere im Wesentlichen mittig innerhalb des Lagerbereiches (20), und der zweite Bereich (30) außerhalb des Lagerbereiches (20) angeordnet sind.
5. Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Strukturierung (24) in axialer Richtung (32) der erste Bereich (28) außerhalb des Lagerbereiches (20) und der zweite Bereich (30) innerhalb, insbesondere im Wesentlichen mittig innerhalb des Lagerbereiches (20) angeordnet sind.
6. Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager im Lagerbereich (20) zumindest eine Entlüftungsöffnung (34) zur Ableitung des
Arbeitsfluids aus dem Lagerbereich (20) aufweist.
7. Lagereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Gehäuse (12) derart ausgebildet und das Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager derart in dem Gehäuse (12) angeordnet ist, dass sich in axialer Richtung (32) ein definierter
Druckgradient an dem Folienlager (14) und/oder Kippsegmentlager und/oder ein definierter Staudruck außerhalb des Folienlagers (14) und/oder Kippsegmentlagers einstellt.
8. Lagereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Strukturierung (24) derart ausgebildet ist, um eine Lagereigenschaft, insbesondere die Dämpfung und/oder die Steifigkeit des Folienlagers (14) und/oder
Kippsegmentlagers in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Welle (16) definiert zu verändern, insbesondere zu erhöhen und/oder zu senken.
9. Lagereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Strukturierung (24) definierte Nuten (26) aufweist.
10. Lagereinrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (26) zumindest teilweise relativ zu einer Drehachse (22) der Welle in einem Winkelbereich von größer 0° bis kleiner 90° und/oder kleiner -0° bis größer -90° und/oder pfeilförmig und/oder V-förmig und/oder helixförmig verlaufen.
11. Lagereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Luft ist und insbesondere das Kippsegmentlager ein luftgeschmiertes
Kippsegmentlager ist.
12. Strömungsmaschine, insbesondere Strömungsverdichter mit einer Lagereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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DE102018207114.4 2018-05-08

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