Titel

KIPPSEGMENTLAGER UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES KIPPSEGMENTLAGERS

Die Erfindung betrifft ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das relativ zu einem Gehäusekörper um einen Pivotpunkt kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem Rotorkörper einen konvergierenden Lagerspalt zu erzeugen, und mit einer Verstelleinrichtung. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines derartigen Kippsegmentlagers.

Stand der Technik

Aus dem europäischen Patent EP 3 260 716 Bl ist ein Kippsegmentlager bekannt, umfassend: Ein Kippsegment, welches ein Stiftelement aufweist; eine Hülse, wobei die Hülse wenigstens eine Stiftelementaufnahme mit einer Aussparung in Umfangsrichtung aufweist, wobei das Stiftelement in der Aussparung aufnehmbar ist, wobei das Stiftelement entlang der Aussparung in Umfangsrichtung bewegbar ist zum Einstellen wenigstens eines Spalts des Kippsegments.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das relativ zu einem Gehäusekörper um einen Pivotpunkt kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem Rotorkörper einen konvergierenden Lagerspalt zu erzeugen, und mit einer Verstelleinrichtung, funktionell zu verbessern. Die Aufgabe ist bei einem Kippsegmentlager mit mindestens einem Kippsegment, das relativ zu einem Gehäusekörper um einen Pivotpunkt kippbar ist, um zwischen dem Kippsegment und einem Rotorkörper einen konvergierenden Lagerspalt zu erzeugen, und mit einer Verstelleinrichtung, dadurch gelöst, dass die Verstelleinrichtung mindestens einen Aktuator umfasst, der zum einen eine statische Einstellung des Kippsegments und darüber hinaus eine dynamische Verstellung des Kippsegments im Betrieb des Kippsegmentlagers ermöglicht. Bei dem Rotorkörper handelt es sich zum Beispiel um einen Wellenabschnitt einer Welle. In vielen Bereichen der Technik müssen schnelldrehende Wellen gelagert werden. Solche Wellen werden beispielsweise in Turboverdichtern benötigt, wie sie insbesondere zur Verdichtung von Luft für aufgeladene Verbrennungsmotoren oder für Brennstoffzellensysteme Verwendung finden. Dabei sind auf, in oder an der Welle in der Regel weitere Bauteile montiert, beispielsweise Turbinenräder, Verdichterräder oder Magnete für elektrische Antriebe. Diese drehen sich ebenfalls mit sehr hoher Geschwindigkeit. Die Wellen können einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Die Welle wird vorzugsweise durch mehrere Lagereinheiten gelagert, zum Beispiel zwei Radiallager und ein Axiallager. Die Lagereinheiten ermöglichen ein möglichst verlustarmes Rotieren, wenn im Betrieb Kräfte und Momente auf die Welle wirken. Zur Lagerung werden vorteilhaft gasgeschmierte Lager verwendet, da diese bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten sehr geringe Reibung und damit nur wenig Lagerverluste aufweisen. Darüber hinaus kann bei einem gasgeschmierten Lager eine Öl- oder Fettschmierung entfallen. Das ist insbesondere bei Brennstoffzellenanwendungen von Vorteil, da hier die geförderte Verdichterluft ölfrei sein muss, um einen Brennstoffzellenstack nicht zu beschädigen. Das Kippsegmentlager umfasst vorteilhaft mindestens drei Kippsegmente. Besonders bevorzugt umfasst das Kippsegmentlager genau drei Kippsegmente. Bei dem beanspruchten Kippsegmentlager handelt es sich um ein Radiallager. Durch das beanspruchte Kippsegmentlager wird die Positioniergenauigkeit des Rotorkörpers, der auch als Rotor bezeichnet wird, verbessert. Dadurch verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad einer mit dem Kippsegmentlager ausgestatteten Maschine. Durch das beanspruchte Kippsegmentlager kann der Lagerverschleiß reduziert und somit die Lebensdauer des Kippsegmentlagers erhöht werden. Aufgrund der reduzierten Lagerverluste reduziert sich vorteilhaft der Kühlbedarf. Zur Schmierung des Kippsegmentlagers wird Gas, insbesondere Luft, verwendet. Das mindestens eine Kippsegment wird auch als Pad bezeichnet. Je nach Ausführung umfasst das Kippsegmentlager zwei oder mehr Pads. Besonders bevorzugt umfasst das Kippsegmentlager mindestens drei oder mehr Pads. Je nach Ausführung umfasst das Kippsegmentlager mindestens zwei flexible Pads und ein festes Pad. Drei Pads sind vorzugsweise in einer sogenannten einhundertzwanzig Grad-Anordnung in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet. Die Pads oder Kippsegmente sind um einen sogenannten Pivotpunkt kippbar. Der Pivotpunkt, der auch als Angelpunkt bezeichnet werden kann, definiert eine Kippachse, die sich parallel zu einer Drehachse des Rotorkörpers erstreckt. Mit dem Aktuator kann besonders vorteilhaft eine Vorspannung oder Vorlast des Kippsegments gezielt eingestellt werden. Die Vorspannung oder Vorlast des Kippsegments ist im Betrieb des Kippsegmentlagers erforderlich, um eine stabile Funktion, insbesondere eine gewünschte Lagerspalttoleranz, aufrechtzuerhalten. Mit der Verstelleinrichtung wird vorteilhaft zum einen eine statische Einstellung des Kippsegmentlagers während oder nach der Montage erheblich vereinfacht. Darüber hinaus wird durch die beanspruchte Ventileinrichtung eine dynamische Regelung ermöglicht. Durch die dynamische Regelung kann der Betriebsbereich des Kippsegmentlagers erweitert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Lagereigenschaften verbessert werden, indem Lagerverluste aufgrund von Fehlstellungen des Kippsegments reduziert werden. Durch die Verstelleinrichtung mit dem Aktuator wird eine komfortable Aktuatorik realisiert. In Kombination mit einer entsprechenden Sensorik wird die Darstellung eines Regelkreises ermöglicht. So können die Lagereigenschaften des beanspruchten Kippsegmentlagers an gegebene Bedingungen angepasst werden. Bei den gegebenen Bedingungen handelt es sich zum Beispiel um unterschiedliche Betriebsbereiche mit verschiedenen Temperaturen und/oder Drehzahlen. Durch die Verstelleinrichtung mit dem Aktuator kann das Laufverhalten eines extrem schnelldrehenden Rotorkörpers verbessert werden. Ein derartiger Rotorkörper oder Rotor wird auch als Hochdrehzahlrotor bezeichnet. Im Betrieb eines mit dem Kippsegmentlager ausgestatteten Aggregats, zum Beispiel eines Luftverdichters in einem Brennstoffzellensystem, kann ein ansonsten schwer vermeidbarer Start- Stopp-Verschleiß signifikant reduziert werden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator so ausgeführt und angeordnet ist, dass mit dem Aktuator eine radiale Position des Pivotpunkts definiert verstellbar ist. Der Aktuator ist in diesem Fall zum Beispiel als Linearaktuator ausgeführt. Der Linearaktuator greift vorteilhaft direkt oder indirekt an dem Pivotpunkt an.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator so ausgeführt und angeordnet ist, dass mit dem Aktuator ein Kippwinkel des Kippsegments um den Pivotpunkt definiert verstellbar ist. Der Aktuator ist zum Beispiel als Rotationsaktuator ausgeführt. Der Aktuator kann aber auch als Linearaktuator ausgeführt sein, der an einem von dem Pivotpunkt beabstandeten Anlenkpunkt an dem Kippsegment angreift.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator so ausgeführt und angeordnet ist, dass mit dem Aktuator eine Vorspannung oder Vorlast des Kippsegments relativ zu dem Rotorkörper definiert verstellbar ist. Bei der Vorspannung oder Vorlast handelt es sich um eine radiale und/oder um eine rotatorische Vorspannung oder Vorlast. Durch die definiert verstellbare Vorspannung oder Vorlast des Kippsegments kann das Betriebsverhalten des Kippsegmentlagers erheblich verbessert werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator direkt an dem Kippsegment angreift. Dadurch wird die benötigte Mechanik zur Anbindung des Aktuators erheblich vereinfacht. Der Aktuator kann zum Beispiel direkt am Pivotpunkt des Kippsegments angreifen. Der Aktuator kann aber auch an einem anderen Punkt, vorzugsweise Gelenkpunkt, des Kippsegments angreifen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator an einer Hilfsstruktur angreift, die verstellmäßig mit mehreren Kippsegmenten gekoppelt ist. Die Hilfsstruktur umfasst zum Beispiel einen Verstellring, der die Kippsegmente umgreift. Der Verstellring kann, zum Beispiel mit einem geeigneten Schrittmotor, in einem Gehäusekörper verdreht werden. An dem Verstellring sind vorteilhaft Führungskonturen vorgesehen, die mit Aktuatoren der Kippsegmente Zusammenwirken.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator mit einer Federeinrichtung kombiniert ist. Durch die Federeinrichtung wird das Aufbringen der Vorspannung oder Vorlast auf das Kippsegment vereinfacht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator steuerungsmäßig oder regelungsmäßig mit einer Steuerungseinrichtung und mit mindestens einer Sensoreinrichtung verbunden ist. Die Sensoreinrichtung kann in das Kippsegmentlager integriert sein. Bei der Sensoreinrichtung kann es sich aber auch um eine außerhalb des Kippsegmentlagers angeordnete Sensoreinrichtung handeln. Die Sensoreinrichtung ist über die Steuerungseinrichtung mit dem Aktuator verbunden. Über die Steuerungseinrichtung kann im Betrieb des Kippsegmentlagers über den mindestens einen Aktuator schnell und effektiv auf unterschiedliche Betriebsbedingungen reagiert werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kippsegmentlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung mindestens einen Temperatursensor, mindestens einen Körperschall- oder Beschleunigungssensor, eine Rotordynamiksensoreinrichtung und/oder mindestens einen Drehzahlsensor umfasst. Mit der Drehzahlsensorik oder dem Drehzahlsensor kann die Drehzahl des Rotorkörpers oder Rotors im Betrieb des Kippsegmentlagers effektiv überwacht werden. Eine Rotordynamiksensorik kann zum Beispiel mit Hilfe von Wirbelstrom zur Bestimmung der Rotorbewegungen im Betrieb realisiert werden. In der Sensoreinrichtung können unterschiedliche Sensoren zum Einsatz kommen.

Bei einem Verfahren zum Betreiben mindestens eines vorab beschriebenen Kippsegmentlagers ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass das Kippsegment mit dem Aktuator im Betrieb des Kippsegmentlagers dynamisch verstellt wird. Eine geeignete Regelung wird zum Beispiel mit einer Steuerungseinrichtung realisiert. Die Steuerungseinrichtung umfasst eine Elektronik, die steuerungsmäßig mit der Sensoreinrichtung verbunden ist. Aus mindestens einem Sensorsignal wird mit Hilfe der Steuerung mindestens ein Stellsignal für den Aktuator ermittelt. Eine entsprechende Software ist in der Steuerungseinrichtung hinterlegt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kippsegment relativ zu dem Rotorkörper gezielt vorgespannt wird, um eine gewünschte Vorspannung des Kippsegments in dem Kippsegmentlager aufrechtzuerhalten.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch eine Steuerungseinrichtung mit einem derartigen Computerprogrammprodukt.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Verstelleinrichtung, insbesondere einen Aktuator, eine Hilfsstruktur, eine Federeinrichtung, eine Steuerungseinrichtung, ein Kippsegment und/oder einen Gehäusekörper für ein vorab beschriebenes Kippsegmentlager. Die genannten Teile sind separat handelbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kippsegmentlagers mit drei Kippsegmenten im Querschnitt, wobei eine Aufhängung der Kippsegmente in einem Gehäusekörper durch Symbole veranschaulicht ist; Figur 2 eine schematische Darstellung einer Regelung für eine Verstelleinrichtung eines Kippsegmentlagers wie es in den Figuren 3 bis 5 schematisch dargestellt ist, und die

Figuren 3 bis 5 jeweils eine schematische Darstellung eines Kippsegmentlagers mit einer Verstelleinrichtung, die mindestens einen Aktuator umfasst, gemäß drei verschiedenen Ausführungsbeispielen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Figuren 1 und 3 bis 5 ist ein Kippsegmentlager 10; 30; 40; 50 mit drei Kippsegmenten 1 bis 3 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen im Querschnitt schematisch dargestellt. Radial innerhalb der Kippsegmente 1, 2, 3 ist ein Rotorkörper 4 um eine Drehachse 9 drehbar gelagert. Bei dem Rotorkörper 4 handelt es sich zum Beispiel um eine Welle oder um einen Wellenabschnitt einer Welle.

Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den Figuren 1 und 3 bis 5 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der Ausführungsbeispiele beschrieben. Danach wird auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 bis 5 eingegangen.

Die Kippsegmente 1, 2, 3 sind mit Hilfe jeweils einer Positioniereinrichtung 5, 6, 7 kippbar in einem Gehäusekörper 8 angeordnet, der nur symbolisch angedeutet ist. Die Positioniereinrichtungen 5, 6, 7 stellen eine Aufhängung für die Kippsegmente 1, 2, 3 in dem Gehäusekörper 8 dar.

Die Kippsegmente 1 bis 3 sind jeweils um einen Pivotpunkt 11, 12, 13 kippbar. Jedem Pivotpunkt 11, 12, 13 ist eine Federeinrichtung 15, 16, 17 zugeordnet. Die Federeinrichtungen 15, 16, 17 symbolisieren, dass die Kippsegmente 1, 2, 3 in radialer Richtung und unter Zwischenschaltung eines Gasfilms gegen den Rotorkörper 4 vorgespannt sind. Darüber hinaus ist dem Pivotpunkt 12 eine Federeinrichtung 14 zugeordnet. Die Federeinrichtungen 15 bis 17 erzeugen eine translatorische Federkraft in radialer Richtung. Die Federeinrichtung 14 ist als Torsionsfeder oder Biegefeder ausgeführt, die eine rotatorische Vorspannung des Kippsegments 2 um den Pivotpunkt 12 ermöglicht.

Im Betrieb des Kippsegmentlagers 10 ergibt sich zwischen den Kippsegmenten

1, 2, 3 und dem Rotorkörper 4 jeweils ein konvergierender Lagerspalt 18. Zur Realisierung des konvergierenden Lagerspalts 18 verfügt jedes Kippsegment 1,

2, 3 über eine definierte Kippsteifigkeit, die auch quasi null sein kann. Optional oder alternativ kann das Kippsegment 1, 2, 3 auch über einen radialen Freiheitsgrad mit einer definierten Kippsteifigkeit verfügen.

Abhängig von der Rotorbewegung und der Drehzahl des Rotors oder Rotorkörpers 4 werden Fluidkräfte im Lagerspalt 18 zwischen dem Kippsegment 2 und dem Rotorkörper 4 erzeugt. Durch die Fluidkräfte im Lagerspalt oder Schmierspalt werden die Kippsegmente 1, 2, 3 im Betrieb des Kippsegmentlagers 10 bewegt.

In den Figuren 3 bis 5 ist dargestellt, wie radiale Positionen der Pivotpunkte 11 bis 13 mit Hilfe einer Verstelleinrichtung 20 verändert werden können. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Verstelleinrichtung 20 eine Kippvorlast beziehungsweise eine Winkelposition der Kippsegmente 1, 2, 3 verändert werden.

In Figur 2 ist die Verstelleinrichtung 20 nur durch ein Rechteck angedeutet.

Durch ein weiteres Rechteck ist eine Steuerungseinrichtung 25 angedeutet.

Durch Pfeile 21 bis 24 sind Sensorsignale angedeutet, die im Betrieb des Kippsegmentlagers von einer nur durch ein Rechteck angedeuteten Sensoreinrichtung 29 bereitgestellt werden.

Die Sensoreinrichtung 29 umfasst unterschiedliche Sensoren, die einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen. Aus den Sensorsignalen werden über die Steuerungseinrichtung 25 mit einer geeigneten Elektronik Stellsignale 26, 27 für die Verstelleinrichtung 20 ermittelt, insbesondere errechnet. Eine entsprechende Software ist in die Steuerungseinrichtung 25 implementiert. Durch einen Pfeil 28 ist angedeutet, dass die Software optional über eine künstliche Intelligenz verfügt beziehungsweise angelernt wurde.

In den Figuren 3 bis 5 sind verschiedene Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt, wie die Verstelleinrichtung 20 mit Hilfe von Aktuatoren 31 bis 33; 42, 43; 51 bis 53, gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Hilfsstruktur 54, realisiert werden kann. Die Aktuatoren 31 bis 33; 42, 43; 51 bis 53 können in dem Kippsegmentlager 30; 40; 50 alle gleich ausgeführt sein. Es können aber auch unterschiedliche Aktuatoren in einem Kippsegmentlager miteinander kombiniert werden.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Kippsegmentlager 30 sind die Aktuatoren 31 bis 33 als Linearaktuatoren ausgeführt, wie durch Doppelpfeile 35, 36, 37 angedeutet ist. Die Aktuatoren 31 und 32 sind den Pivotpunkten 11, 12 der Kippsegmente 1, 2 zugeordnet. Die Federeinrichtung 15 ist zwischen dem Pivotpunkt 11 und dem Aktuator 31 angeordnet. Der Aktuator 32 greift direkt an die Pivotpunkt 12 an, also ohne Zwischenschaltung einer Federeinrichtung.

Der Pivotpunkt 13 ist dem Gehäusekörper 8 unter Zwischenschaltung der Federeinrichtung 17 zugeordnet. Der Aktuator 33 greift an einem Anlenkpunkt 34 an, der in Umfangsrichtung von dem Pivotpunkt 13 beabstandet ist. So kann das Kippsegment 3 über den Aktuator 33, der als Linearaktuator ausgeführt ist, definiert um den Pivotpunkt 13 verkippt werden.

Bei dem in Figur 4 dargestellten Kippsegmentlager 40 sind die Aktuatoren 42 und 43 als Schrittmotoren ausgeführt. Durch die Doppelpfeile 44 und 45 ist angedeutet, dass die Kippsegmente 2, 3 mit den Schrittmotoren 42 und 43 definiert verkippt werden können. Eine Federeinrichtung 16 ist zwischen den Aktuator 42 und den Pivotpunkt 12 geschaltet. Der Aktuator 43 ist zwischen die Positioniereinrichtung 7 und die Federeinrichtung 17 geschaltet.

Bei dem in Figur 5 dargestellten Kippsegmentlager 50 sind die Aktuatoren 51 bis 53 zum Beispiel als Rollen ausgeführt, die den Pivotpunkten 11 bis 13 der Kippsegmente 1 bis 3 zugeordnet sind. Die Aktuatoren 51 bis 53 wirken mit einer Hilfsstruktur 54 zusammen. Die Hilfsstruktur 54 ist, wie in Figur 5 durch einen Doppelpfeil 58 angedeutet ist, in Umfangsrichtung definiert verstellbar, um die Aktuatoren 51 bis 53 zu betätigen. Die Hilfsstruktur 54 ist radial innen mit Führungskonturen 55, 56, 57 ausgestattet.

An den Führungskonturen 55 bis 57 greifen die Aktuatoren 51 bis 53 an. Durch eine geeignete Ausführung können die Kippsegmente 1 bis 3 über die Aktuatoren 51 bis 53 zum einen radial positioniert werden. Darüber hinaus können die Kippsegmente 1 bis 3 über die Aktuatoren 51 bis 53 und die Hilfsstruktur 54 auch gezielt um den jeweiligen Pivotpunkt 11 bis 13 verkippt werden.

Es ist auch möglich, dass die Aktuatoren 51 bis 53 mit der Hilfsstruktur 54 nur genutzt werden, um die radiale Position der Kippsegmente 1 bis 3 zu verändern, wenn die Hilfsstruktur 54, die zum Beispiel als Verstellring ausgeführt ist, mit einem Schrittmotor rotiert wird, wie durch den Doppelpfeil 58 angedeutet ist.

Anders als dargestellt, können die Positioniereinrichtungen 5 bis 7 in Figur 5 zum Beispiel mit geeigneten Federeinrichtungen im Gehäusekörper 8 aufgehängt sein.