Titel

AXIALLAGER, INSBESONDERE FÜR EINE STRÖMUNGSMASCHINE

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Axiallager für eine Strömungsmaschine, insbesondere ohne Verwendung von Schmierstoffen für das Axiallager.

Stand der Technik

Ungeschmierte Axiallager sind aus dem Stand der Technik bekannt,

beispielsweise ausgeführt als Folienlager aus der Patentschrift US 8 147 143 B2. Das bekannte Axiallager weist eine Basisplatte zur Anordnung an einem

Gehäuse auf. Das Axiallager umfasst weiterhin eine Lagerplatte mit einer daran ausgebildeten Lagerfläche zur Lagerung einer Welle. Zwischen der Basisplatte und der Lagerplatte ist eine Folie zur Dämpfung angeordnet. Auch Lagerplatte und Basisplatte können alternativ als Folien bezeichnet bzw. ausgeführt werden.

Das bekannte Axiallager ist relativ weich und daher nur zur Dämpfung von sehr geringen Kräften geeignet.

Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Axiallager weist demgegenüber eine verbesserte

Dämpfung, insbesondere bei hochdrehenden Wellen von Strömungsmaschinen auf. Weiterhin ist es auch in der Lage Querkräfte, also Kräfte in radialer Richtung aufzunehmen. Dazu weist das Axiallager eine Basisplatte zur Anordnung an einem Gehäuse auf. Das Axiallager umfasst weiterhin eine Lagerplatte mit einer daran

ausgebildeten Lagerfläche zur Lagerung einer Welle. Die Basisplatte und die Lagerplatte sind verbunden und schließen ein Volumen ein. Eine Tellerfeder ist in dem Volumen angeordnet und wirkt mit der Basisplatte und der Lagerplatte derart zusammen, dass bei einer Axialbewegung der Lagerfläche in Richtung zur Basisplatte die Lagerplatte von der Tellerfeder in entgegengesetzter Richtung kraftbeaufschlagt ist.

Lagerplatte und Basisplatte können auch jeweils als Folie ausgeführt sein, vorzugsweise als Metallfolie, wenn eine vergleichsweise weiche und flexible Struktur des Axiallagers benötigt wird.

Aufgrund der Tellerfeder weist das Axiallager eine vergleichsweise starke Dämpfung auf und kann auch entsprechend große Axialkräfte aufnehmen. In vorteilhaften Weiterbildungen können dazu auch mehrere Tellerfedern aneinander gereiht sein, um die Dämpfungswirkung weiter zu verstärken.

Die Tellerfeder kann dabei schon als Druckfeder in Ruhelage des Axiallagers vorgespannt sein, oder aber auch erst eine Federkraft aufbauen, wenn die Lagerfläche in Richtung zur Basisplatte verschoben wird, also wenn die zu lagernde Welle auf die Lagerfläche läuft. Vorzugsweise steigt die Federkraft dann linear oder sogar progressiv mit der Axialverschiebung der Welle an.

In vorteilhaften Ausführungen ist die Lagerplatte tellerförmig gestaltet und an ihrem Tellerrand mittels Verbindungselementen an der Basisplatte befestigt. Dadurch ist das Volumen quasi durch die Tellerfläche ausgebildet und wird durch die Basisplatte abgedeckt. Die Verbindungselemente können vielfältig sein, beispielsweise Schweißpunkte oder eine Schweißnaht, Klebefolien, das Crimpen einer der beiden Platten usw.

Vorteilhafterweise sind mittels der Verbindungselemente Querkräfte von der Lagerplatte zur Basisplatte übertragbar. Dadurch kann das Axiallager zumindest in geringem Maße auch Radialkräfte aufnehmen. Dies kann sowohl durch geklebte oder geschweißte Verbindungselemente erfolgen, aber auch durch formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindungselemente. Auch Vibrationen in radialer Richtung können somit durch das Axiallager wirkungsvoll gedämpft werden. Vorteilhafterweise ist das Axiallager zylindrisch ausgeführt. Dies ist zum einen eine vergleichsweise einfach zu fertigende Ausführung. Weiterhin kann dadurch auch die axialsymmetrische Welle symmetrisch gelagert werden; es werden keine nachteiligen asymmetrischen Steifigkeiten in die Lagerung induziert.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Lagerplatte mehrteilig ausgeführt und umfasst mehrere Teilplatten. Dadurch können Verkippungen zwischen der Lagerfläche und einer Anlauffläche der Welle, welche mit der Lagerfläche zur Axiallagerung zusammenwirkt, ausgeglichen werden. Ebenso können

Toleranzen und Vibrationen, insbesondere zwischen diesen beiden Flächen, ausgeglichen werden.

In vorteilhaften Ausführungen ist in der Basisplatte, in der Lagerplatte und in der Tellerfeder koaxial jeweils eine Durchgangsbohrung ausgebildet. Dadurch kann die Welle durch das Axiallager hindurchgeführt werden, so dass die

Axiallagerung der Welle prinzipiell an jeder Position der Welle möglich ist. Die mit der Lagerfläche zusammenwirkende Anlauffläche der Welle ist dann

vorzugsweise an einer Wellenschulter oder an einer an der Welle angeordneten Anlaufplatte ausgebildet.

In vorteilhaften Weiterbildungen besteht die Lagerplatte aus einer Metallfolie. Damit ist die Kontaktfläche bzw. die Lagerfläche des Axiallagers zur Welle aufgrund ihrer geringen Wandstärke sehr flexibel gestaltet. Dennoch hat die Lagerplatte auch eine hohe Festigkeit, so dass etwaige Partikel in den

Kontaktflächen nicht zu einem sofortigen Verschleiß führen.

In vorteilhaften Verwendungen ist das Axiallager 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 eines Axiallagers in dem Gehäuse axial gelagert. Das Axiallager ist dabei nach einer der oben beschriebenen Ausführungen gestaltet. Die Strömungsmaschine kann dabei insbesondere als Verdichter von Gas, beispielsweise Luft, eingesetzt werden, da das Axiallager für luftgeschmierte, also ungeschmierte, Anwendungen besonders gut geeignet ist. 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 Axiallager, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein weiteres Axiallager in Explosionsdarstellung, 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.

Die Welle 2 weist eine auf ihr angeordnete, beispielsweise aufgepresste, Anlaufscheibe 22 auf, die in der Ausführung der Fig.2 als separates Bauteil gestaltet ist. Alternativ kann die Anlaufscheibe 22 jedoch auch als Wellenschulter an der Welle 2 ausgebildet sein. In beiden Fällen ist die Anlaufscheibe 22 fest mit der Welle 2 verbunden. An der Anlaufscheibe 22 ist eine Anlauffläche 20 ausgebildet, deren Normale mit der Achse der Welle 2 zusammenfällt. Die Anlauffläche 20 wirkt mit einer an dem Gehäuse 9 ausgebildeten Lagerfläche 21 zusammen und bildet somit zusammen mit dieser ein Axiallager 11 aus.

In der vorliegenden Ausführung der Strömungsmaschine 1 ist lediglich ein Axiallager 11 dargestellt, da die Betriebskräfte auf das Läuferrad 3 nur eine Axiallagerung in einer Richtung erfordern. Es können alternativ jedoch auch zwei Axiallager 11 für die Welle 2 vorgesehen sein. Das Axiallager 11 der Fig.l ist aus dem Stand der Technik bekannt. In Fig.2 wird nachfolgend ein verbessertes Axiallager 11 beschrieben, wie es insbesondere für hochdrehende

Strömungsmaschinen verwendet werden kann.

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 Axiallager 11, welches die Welle 2 in dem Gehäuse 9 in einer axialen Richtung lagert, in der Darstellung der Fig.2 in der Richtung nach unten. Für die axiale Lagerung der anderen Richtung - also nach oben - könnte dementsprechend ein weiteres Axiallager 11 verwendet werden.

Das Axiallager 11 umfasst eine Basisplatte 12, die mit dem Gehäuse 9 verbunden, beispielsweise in dieses eingepresst sein kann, oder auch nur mit dem Gehäuse 9 in axialer Richtung der Welle 2 zusammenwirkt, so dass sich ein axialer Anschlag für die Basisplatte 12 ergibt. Die Basisplatte 12 hat

vorzugsweise die Form einer Scheibe bzw. einer Folie und weist

dementsprechend nur eine geringe Wandstärke auf. Das Axiallager 11 umfasst weiterhin eine Lagerplatte 13, an welcher die

Lagerfläche 21 für die Anlauffläche 20 der Welle 2 ausgebildet ist. Die

Lagerplatte 13 kann in Weiterführungen der Erfindung auch mehrere Teilplatten umfassen, so dass auch die Lagerfläche 21 mehrere Flächen umfasst.

Vorzugsweise ist die Lagerplatte 13 mit Verbindungselementen 15,

beispielsweise Schweißpunkten, mit der Basisplatte 12 fest verbunden. Auch die Lagerplatte 13 ist vorzugsweise dünn ausgeführt, und kann demzufolge auch als Folie bezeichnet werden, so dass größere Relativbewegungen zwischen der Basisplatte 12 und der Lagerplatte 13 möglich sind, insbesondere in der

Wirkrichtung des Axiallagers 11.

Die Basisplatte 12 und die Lagerplatte 13 sind so gestaltet, dass sie ein Volumen 16 einschließen. In der Ausführung der Fig.2 erfolgt dies, indem die Lagerplatte 13 tellerförmig gestaltet ist und an ihrem Tellerrand mit der Basisplatte 12 verbunden ist. In dem Volumen 16 sind eine oder mehrere Tellerfedern 14 angeordnet, die sowohl mit der Basisplatte 12 als auch mit der Lagerplatte 13 zusammenwirken und als Druckfeder ausgebildet sind. Das heißt die Federkraft der Tellerfeder 14 erhöht sich mit sich verringerndem Abstand der Lagerfläche 21 zur Basisplatte 12. Wenn die Welle 2 bzw. die Anlaufscheibe 22 der Welle 2 gegen die Lagerfläche 21 des Axiallagers 11 gedrückt wird, beginnt sich eine Gegenkraft durch die Tellerfeder 14 aufzubauen. Die Lagerfläche 21 stellt somit kein starres Axiallager 11 für die Welle 2 dar, sondern ist nachgiebig gestaltet, so dass das Axiallager 11 eine dämpfende Wirkung auf die axialen Bewegungen der Welle 2 hat.

Aufgrund der Reibung zwischen Lagerfläche 21 und Anlauffläche 20 kann das Axiallager 11 auch bis zu einem gewissen Maße Querkräfte aufnehmen.

Fig.3 zeigt ein geschnittenes Axiallager 11 in Explosionsdarstellung, bei der die Lagerplatte 13 von der Tellerfeder 14 und der Basisplatte 12 abgehoben ist. Sowohl in den Tellerfedern 14 als auch in der Basisplatte 12 und in der

Lagerplatte 13 sind Durchgangsbohrungen 14a, 12a, 13a ausgebildet, so dass die Welle 2 durch das Axiallager 11 hindurchragen kann. Für alternative

Ausführungen des Axiallagers 11 kann auf die Durchgangsbohrungen 12a, 13a, 14a verzichtet werden. In der Ausführung der Fig.3 ist die Lagerplatte 13 in mehrere Teilplatten 13b unterteilt, welche jeweils ein Kreisringsegment umfassen. Im Beispiel der Fig.3 sind es sechs Teilplatten 13b über je 60°. Die Teilplatten 13b können

beispielsweise jeweils einzeln mit der Basisplatte 12 verbunden sein, oder auch an ihrem Außenumfang gelagert sein, oder auch mittels einer Zwischenfolie mit der Basisplatte 12 verklebt sein.

Die Aufgabe der Teilplatten 13b ist es, die Lagerfläche 21 des Axiallagers 11 nicht als Ebene zu gestalten, sondern axiale Relativverschiebungen der

Teilplatten 13b zuzulassen, so dass Toleranzen, Verkippungen etc. - insbesondere zur Anlauffläche 20 der Welle 2 - ausgeglichen werden können.

Das erfindungsgemäße Axiallager 11 ist insbesondere für nichtgeschmierte Lageranordnungen bzw. für gasförmige Arbeitsmedien geeignet. Das heißt im Betrieb bildet sich zwischen der Welle 2 bzw. der Anlaufscheibe 22 und der Lagerfläche 21 kein tragfähiger Schmierfilm eines Schmiermittels aus, sondern in diesen Spalt gelangt lediglich Umgebungsluft oder das gasförmige

Arbeitsmedium, so dass bei einem Anschlag der Welle 2 an das Axiallager 11 die Relativbewegung im Bereich der Mischreibung bzw. Festkörperreibung läuft. Aufgrund der Dämpfungswirkung des Axiallagers 11 durch den Einsatz der Tellerfeder 14 ist das Axiallager 11 jedoch weich genug gestaltet, um axiale Bewegungen bzw. Vibrationen der Welle 2 auch ohne Schmierfilm verschleißarm dämpfen zu können, so dass der Verschleiß an Lagerfläche 21 und Anlauffläche 20 minimiert ist, trotz des Laufens im Mischreibungsbereich.

Insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen der Welle 2, beispielsweise bei 100.000 Umdrehungen pro Minute, wie es in Anwendungen von

Strömungsmaschinen 1 sein kann, ist eine wirkungsvolle Dämpfung der

Axialschwingungen bzw. -Vibrationen notwendig. Das erfindungsgemäße Axiallager 11 leistet derartige Dämpfungen. Sogar Schwingungen bzw.

Vibrationen in radialer Richtung können bei Kontaktierung der Lagerfläche 21 mit der Anlauffläche 20 wirkungsvoll gedämpft werden.