Axiallagerung mit einer Schiefstellungskompensation

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axiallagerung mit einer Schiefstellungεkompensation, mit einem Lagergehäuse zur Aufnahme eines Radialgleitlagers und von Axiallagersegmenten sowie mit einem Befeεtigungsflanεc zur Befestigung des Lager¬ gehäuses im Wellengehäuse einer rotierenden Maschine.

Technisches Gebiet

Bei schr.ellaufenden Turbomaschinen mit axial wirkenden Be- triebεlaεten werden diese durch ein Axiallager aufgenommen, das gewöhnlich mit einem der Radiallager in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist. Durch die Betriebεlaεten, d.h. Ro- torunwuchten und/oder Kippbewegungen durch Kreiselwirkung in¬ folge Richtungεänderungen bei Fahrzeugen oder auch durch her¬ stellungsbedingte Ungenauigkeiten der Lagerungen, kann es zu Schiefstellungen der Welle und damit des Lagerkammes des Axi¬ allagers kommen. Als Beispiel hierfür seien grosse Turbolader von Schiffsdieselmotoren genannt, bei denen die groεsen Mas- senträgheitsmomente der Turboladerrotoren im Falle von Fahrt¬ richtungsänderungen erhebliche Kreiselmomente erzeugen, was zu einseitiger Belastung und Abnützung des Axiallagers und durch Kantenpreεεung auch des mit dem Axiallager in einem gemeinsamen Lagergehäuse untergebrachten Radiallagers führt, sofern dieses ein Gleitlager ist.

Stand der Technik

Bei einer bekannten Lagereinrichtung mit Schiefstellungskom¬ pensation für einen Turboladermotor ist ein das Gleitlager und den feststehenden Stützring des Axiallagers aufnehmendes La¬ gergehäuse mit einem Flansch versehen, dessen Umfang als -stei¬ fer Ring ausgebildet ist, der mit dem die Lagerelemente auf¬ nehmenden Nabenteil durch eine im Verhältnis zum genannten Ring dünnwandige Scheibe verbunden ist, die bei starken Lager¬ belastungen durch ihre elastische Nachgiebigkeit Stösεe auf das Axial- und das Gleitlager dämpft und einseitige Abnützungen ihrer Gleitflächen vermeidet. "Dünnwandig" iεt die genannte Scheibe aber, wie gesagt, nur im Verhältnis zum Umfang des Flansches, der als steifer, starkwandiger Ring zum Befestigen des Lagergehäuses am Wellengehäuse des Turboladers ausgebildet iεt. Absolut genommen musε die Scheibe aber doch so steif sein, dass ihre Verformung ein bestimmtes zulässiges Mass nicht überschreitet.

Eine solche Di enεionierung allein bietet ohne Mittel zur Be¬ grenzung der zulässigen Deformationen keine Gewähr für ihre Einhaltung. Bei einer Weiterentwicklung einer solchen Lagerung für einen Turbolader iεt daher die erwähnte, den steifen Flanschring mit dem Nabenteil des Lagergehäuses verbindende Scheibe relativ dünn, praktisch als steife Membran ausgeführt, die demnach durch Lasten, die auf die Welle wirken, leichter zu verformen ist, deren Verformung aber durch einen sehr steifen, durch die Betriebεlasten praktisch nicht merklich defor¬ mierbaren Zwischenflansch auf einen definierten zulässigen Wert begrenzt wird. Dieser Zwischenflansch ist zwischen dem Wellengehäuse und dem Membranflansch des Lagergehäuses einge¬ spannt und seine innere Umfangspartie dient als Ausschlag für eine Ringpartie am inneren Umfang des Membranflansches, wobei im unbelasteten Zustand zwischen der ringförmigen Stirnfläche dieser Ringpartie und dem Zwischenflanεch ein axiales Spiel

vorhanden ist, beispielsweise 1 mm, das die maximale Verform¬ barkeit des Membranflansches, etwa durch Kippen der Lager¬ gleitfläche des Axiallagerε und des Gleitlagers, bestimmt. Bei auftretender maximaler Verformung kommt die Stirnseite der er¬ wähnten Ringpartie am inneren Umfang des Membranflanscheε an die benachbarte Umfangspartie des Zwischenflansches zur Anlage, was bei einer über den Lagerumfang wandernden Last, z.B bei Unwuchten, zu einer punktförmigen, über den ganzen Umfang der aufeinander gleitenden ringförmigen Flächen wandernden Gleitreibung und im Laufe der Zeit zu einer Vergrösserung des Spieles zwischen denselben führt. Dies führt dann früher oder später bei grosεen Lasten zu stärkeren als den zulässigen Ver¬ formungen der Welle und damit erhöhtem Verεchleisε der Lager¬ elemente.

Aus FR-A-2 279 141 ist ein Lagerkörper in Form einer Kupplung bekannt geworden, dessen Nachgiebigkeit bezüglich SchiefStel¬ lungskompensation dur~h einen Körper aus einem halbharten Ela¬ stomer erstellt wird. Soll nun dieser Lagerkörper zwecks guter Schockabsorbation sehr elastisch sein, dann muss eine grosse axiale Nachgiebigkeit bereitgestellt werden, was auch durch die auf der Ebene radial verlaufenden Schlitze dokumentiert wird. Des weiteren ist zu sagen, dass der nachgiebige Körper voll auf Torsion beansprucht ist, was rasch zu Ermüdungserscheinungen führt.

Erfindungsaufgäbe

Die vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabe, bei einer Axiallagerung für die eingangs genannten Anwendungen die vor¬ stehend erwähnten Nachteile der bekannten Ausführungen zu ver¬ meiden. D.h., dass die Lagerung sowohl genügend elastisch sein muss, um die zulässigen Deformationen zu ermöglichen, als auch verschleissfrei, um zu groεεe Deformationen zu verhindern.

Die erfindungsgemässe Axiallagerung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse durch am Umfang unterbrochene Schlitze in zwei zur Lagerachse normalen Ebenen in einen dem genannten Flansch benachbarten, mittleren Gehäuseteil und in einen äusseren Gehäuseteil unterteilt ist, dass die Enden der Schlitze in achsparalleler Richtung erweitert sind, derart, dass sie mindestens je ein Paar einander diametral gegen¬ überliegender Stege begrenzen, und dass die Stege der einen Ebene gegenüber den Stegen der zweiten Ebene um den halben Winkelabstand zweier in der gleichen Ebene befindlicher und einander benachbarter Stege versetzt sind.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf zwei in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeiεpiele näher be¬ schrieben.

Kurze Beschreibung der Figuren

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 axonometrisc eine erste Ausführungεfor des Erfin- dungεgegenεtandeε;

Fig. 2 und 3 zwei Ansichten der ersten Ausführungsform in zwei aufeinander senkrechten Projektionsrichtungen;

Fig. 4 einen Axialschnitt gemäss der in der oberen Hälfte der Fig. 3 eingetragenenen Schnittebene IV-VI;

Fig. 5 und 6 einen Axialschnitt bzw. eine Seitenansicht durch eine zweite Ausführungεform; und

Fig. 7 und 8 zwei Querschnitte durch diese Ausführungεform gemäss den in Fig. 5 eingetragenen Schnittverläufen VII-VII bzw. VIII-VIII.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform be¬ zeichnet 1 einen Befestigungsflansch, der mit einem Lagerge¬ häuse 2 aus einem Stück besteht. Der Flansch 1 dient zur Befe¬ stigung des Lagerhauses 2 beispielsweise im Inneren eines Wel¬ lengehäuses eines Abgasturboladers, und zwar auf der Verdich- terεeite, gegen welche der Axialschub der Turbine gerichtet iεt. Eine Bohrung 3 dient zur Aufnahme einer nicht gezeigten Lagerbüchse, die durch einen Schrumpfsitz in der Bohrung 3 festsitzt und dazu bestimmt ist, ein Gleitlager und an ihrer Stirnseite ein Axiallager bekannter Bauart aufzunehmen.

Die geforderte Nachgiebigkeit der Lagerung unter der Wirkung der Betriebslasten, das ist ein nach allen Richtungen mögli¬ cher, definierter Winkelausεchlag des Gehäuses 2, erhält man durch Schlitze im Gehäuse 2, die in zwei parallelen Ebenen ver¬ laufen und eine quasikardanische Beweglichkeit des Gehäuses 2 gegenüber dem fest mit dem Wellengehäuse verbundenen Flansch 1 gestatten. Unmittelbar dem Flansch 1 benachbart sind zwei ein¬ ander radial gegenüberliegende Schlitze 4 vorhanden, deren beide Enden am Umfang des Gehäuses 2 an je einem Steg 5 enden. Die Schlitzenden 6 haben die Form keulenartiger Erweiterungen, wodurch die Stege 5 eine axiale Erstreckung von solcher Länge erhalten, die bei den zu erwartenden Betriebslasten ein Biegen des Gehäuses 2 um eine durch die beiden, einander gegenüber¬ liegenden Stege verlaufende Achse ermöglicht.

Die Stege 5 sind bezüglich Widerεtandε o ent und axialer Last auf Dauerfestigkeit dimensioniert.

Zwei gegenüber den Schlitzen 4 um 90° versetzte Schlitze 7 mit den gleichen Abmessungen und deren gleicher Form begrenzen zwei ebenfalls einander diametral gegenüberliegende Stege 8. Die Schlitze 7 trennen das Lagergehäuse 2 in einen mittleren Gehäuseteil 9 und einen äusseren Gehäuseteil 10. Letzterer

dient zur Aufnahme einer nicht dargestellten Lagerhülse, welche eine Gleitlagerbüchse und Laufringsegmente bekannter Bauart für das Axiallager aufweist. Diese Lagerhülse ist in die Bohrung 3 eingeschrumpft, wobei sich der Schrumpfsitz nur über den Bereich des äusseren Gehäuseteils 10 erstreckt, mit der Bohrung im mittleren Gehäuseteil 9 jedoch einen Ringraum für die Schmierölzufuhr zu den Lagergleitflächen begrenzt.

Die Stege 5 und 8 bilden Gelenke, welche die volle Schiefstel¬ lung des Axiallagers mitmachen, ohne dass dabei die Gehäuse¬ teile 9 und 10 nennenswert deformiert werden.

Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei Ansichten einer Ausführung nach Fig.l, gesehen unter zwei um 90° gegeneinander versetzte Fro- ektionεrichtungen. Der äussere Gehäuseteil iεt bei dieser Ausführung mit einer Ringnut von rechteckigem Querschnitt zur Aufnahme eines Dichtringes versehen. Die Fig. 4 zeigt in einem Axialεchnitt IV-IV, siehe Fig. 2, die obere Hälfte dieser Aus¬ führung.

Bei grösεeren und schwereren Rotoren und damit stärker bela¬ steten Lagern, bei denen die Stützung der zwischen den Stegen 5 bzw. 8 liegenden Axiallagersegmente nicht auεreicht, um eine un∑uläεsige Verformung derselben zu verhindern, kann die in den Fig. 5 bis 8 dargestellte Variante verwendet werden. Ihr Aufbau unterscheidet sich von der Variante mit je zwei Stegen 5 bzw. 8 in den beiden Schlitzen 4 und 7 dadurch, dass in ihren Schlitzebenen mit den je vier Schlitzen 11 und 12 je vier Stege 13 bzw. 14 vorhanden sind. Die Fig 7 und 8, welche den in Fig. 5 eingezeichneten Schnittverläufen VII-VII und VIII-VIII entsprechen, zeigen, dass die Stege 13 zwischen den Schlitzen 11 gegenüber den Stegen 14 zwischen den Schlitzen 12 um 45° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. In Fig. 8 ist strichpunktiert der Umrisε eines Steges 13 aus Fig. 7 eingetragen, der die Winkelbeziehung zu den Stegen 14 zeigt.

Erklärungsweiεe wird hier folgendes ausgeführt:

Bei dieser sogenannten "4-Punkt-Variante" erfolgt die Abstüt- zung demnach bei jeder Krafteinleitungsstelle eines 4-Segment- Axiallagers. Der Kraftfluss wird hier also durch 4 Stützen auf einen elastischen Federring 15 geleitet und von diesem wiederum auf die oben bereits gewürdigten vier um 45° versetzte Stützen auf den Befestigungsflansch 1. Diese Lösung benötigt im Vergleich zur Kardanausführung weniger Bauraum und weist im Vergleich zu einer Membranlösung, wie sie vorne unter dem stand der Technik angezogen ist, bei gleicher axialen Nachgiebigkeit ein um ca. Faktor 2 bessereε Schiefεtellungεverhalten auf. Dieεe 4-Punkt Tbεtützung arbeitet ebenfalls verεchliessfrei und eignet sich vorzüglich, gegen die heutigen Lagerungen austauschbar zu sein. Zu beachten gilt in diesem Zusammenhang, dass der Zwischenring 15 nur auf Biegung beansprucht ist, dies iεt insofern möglich, als zwecks minimaler axialer Einfederung eine axiale Bauweise erstellt wird.