Titel

Gaslageraufhängung zur axialen Lagerung einer Welle

Die Erfindung betrifft eine Gaslageraufhängung zur axialen Lagerung einer Welle, wie sie beispielsweise für schnelllaufenden Wellen in Turbomaschinen oder Verdichtern Verwendung findet.

Stand der Technik

In vielen Bereichen der Technik müssen Wellen gelagert werden, die sich sehr schnell drehen. Solche Wellen werden beispielsweise in Verdichtern benötigt, wie sie insbesondere zur Verdichtung des Gases für Brennstoffzellen oder für sonstige Motoren Verwendung finden. Dabei sind auf der Welle in der Regel eine Reihe von Bauteilen montiert, beispielsweise Rotoren oder Verdichterräder, die sich entsprechend ebenfalls mit sehr hoher Geschwindigkeit drehen. Die Welle kann beispielsweise über ein gasgeschmiertes Lager gelagert werden, da dieses bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten deutlich geringere Reibung und damit Lagerverluste aufweist. Außerdem ist bei gasgeschmierten Lagern keine Mediendichtung erforderlich, wie es beispielsweise bei Öl- oder Fettschmierung notwendig ist. Die Welle wird dabei über eine oder mehrere Radiallager gelagert, so dass ein reibungsarmes Drehen der Welle möglich ist. Wirken auf die Welle auch axiale Kräfte, so ist auch eine axiale Lagerung der Welle erforderlich, um die notwendigen Kräfte aufzunehmen.

Durch Kräfte auf die Welle oder auf die Rotoren, die auf der Welle gelagert sind, kann es zu radialen Kräften auf die Welle und damit zu Schiefstellungen der Welle kommen, was wiederum zu Kräften auf die axialen Lager und damit zu La- gerverlusten führt. Insbesondere bei gasgeschmierten Axiallagern kann es zu so genannten lokalen Hotspots kommen, an denen die Schmierung durch die Schiefstellung der Welle vermindert ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Gaslageraufhängung zur axialen Lagerung einer Welle weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine axiale Lagerung der Welle ver lustarm auch bei Schiefstellung der Welle ermöglicht wird. Damit werden Lager verluste vermindert und die Lebensdauer der entsprechenden Vorrichtung er höht. Dazu weist die Gaslageraufhängung eine Welle mit einer Längsachse auf, die durch wenigstens ein Radiallager radial gelagert ist, wobei die Welle eine senkrecht zur Längsachse ausgerichtete Fläche aufweist. In axialer Richtung ist beabstandet zu dieser Fläche eine Axiallagerscheibe vorgesehen, die in axialer Richtung als Widerlager für die Welle dient, wobei die Axiallagerscheibe über eine erste Aufhängung um eine erste Drehachse, die senkrecht auf der Längs achse steht, gelagert ist und darüber hinaus eine zweite Aufhängung aufweist, die um eine zweite Drehachse gelagert ist, die senkrecht auf der ersten Dreh achse und senkrecht auf der Längsachse steht, wobei eine Drehung der Axialla gerscheibe sowohl um die erste Drehachse als auch um die zweite Drehachse zumindest geringfügig möglich ist.

Durch die Lagerung der Axiallagerscheibe über zwei Drehachsen, die senkrecht aufeinander stehen, ist ein Ausgleich der Axiallagerscheibe in beide Raumrich tungen möglich, so dass auch bei einer Schiefstellung der Welle die Kräfte gleichmäßig von der Axiallagerscheibe aufgenommen werden. Damit weist der Spalt zwischen der Fläche und der Axiallagerscheibe über die gesamte Fläche die gleiche Dicke auf, so dass lokale Hotspots, also Bereiche mit extrem ver dünntem Spalt und damit erhöhten Lagerverlusten, vermieden werden. Entspre chend erhöht sich die Lebensdauer einer Vorrichtung, in der die Welle mit einer entsprechenden axialen Lagerscheibe gelagert ist.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Welle eine Scheibe ausge bildet, die fest mit der Welle verbunden ist und an der die Fläche ausgebildet ist. Damit kann an beliebiger Stelle der Welle eine entsprechende Axiallagerung vor gesehen werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen der Fläche und der Axialla gerscheibe ein Gaslager ausgebildet. Durch einen entsprechenden axialen Ab stand zwischen der Fläche und der Axiallagerscheibe und bei entsprechend ho her Drehzahl ergibt sich zwischen diesen beiden Flächen ein Luftposter, das als Gaslager dient, so dass eine Berührung beider Flächen vermieden wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Scheibe eine zweite, senkrecht zur Längsachse ausgerichtete Fläche auf, so dass eine zweite Axialla gerscheibe vorgesehen sein kann, die axial beabstandet zur zweiten Fläche an geordnet ist und die in gleicher Weise wie die erste Axiallagerscheibe gelagert ist. Damit lässt sich in eine axiale Lagerung der Welle in beide Richtungen der Längsachse erreichen, so dass eine Führung in genau definierter axialer Lage möglich wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Aufhängung als Dreh gelenk ausgebildet, das die erste Drehachse bildet. Ein Drehgelenk kann relativ große Kräfte aufnehmen und weist eine große Flexibilität auf, so dass die Axialla gerscheibe in einem weiten Winkelbereich gedreht werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Aufhängung durch zwei Torsionsfedern gebildet, die die erste Drehachse bilden. Torsionsfedern sind re lativ einfach zu fertigen und erlauben eine ausreichende Flexibilität um die erste Drehachse.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Aufhängung durch eine einstückig mit der Axiallagerscheibe ausgebildete Anformung ausgebildet, die die erste Drehachse bildet. Diese Ausgestaltung der ersten Aufhängung ist ausrei chend, um die Axiallagerscheibe so flexibel zu machen, dass sie auf Wellen schiefstände reagieren kann. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann die erste Aufhängung auch durch ein elastisches Element gebildet werden, das die erste Drehachse bildet. Das elastische Element weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass es Vibrationen dämpfen kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Axiallagerscheibe über die erste Aufhängung mit einem die Axiallagerscheibe umgebenden Ring verbunden, der über die zweite Aufhängung drehbar um die zweite Drehachse gelagert ist. Auf diese Weise wird in einfacher Weise eine Lagerung der Axiallagerscheibe um zwei zueinander senkrechte Achsen realisiert, so dass die Axiallagerscheibe jed wede Schiefstellungen der Welle aufnehmen kann. Die solchermaßen gestaltete zweite Aufhängung kann mit jeder Art der genannten Aufhängungen realisiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Axiallagerscheibe in Form ei ner Ringscheibe ausgebildet. Durch die Ausnehmung in der Mitte der Ring scheibe kann die Welle hindurchgeführt werden, so dass die solchermaßen ge staltete Axiallagerscheibe in einem beliebigen axialen Abschnitt der Welle angeordnet sein kann.

Zeichnung

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemä ßen Gaslageraufhängung gezeigt. So zeigen:

Figur 1 in einer schematischen Darstellung eine Welle mit der

Anordnung der Axiallagerscheiben in einem Längsschnitt,

Figur 2a, 2b und 2c ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Gaslageraufhängung in Form der Axiallagerscheibe,

Figur 3a und 3b ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Axiallagerscheibe, ebenso wie

Figur 4, und

Figur 5, 5a, 6 und 7 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen

Axiallagerscheibe und ihrer Aufhängung. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Gaslageraufhängung schematisch in einem Längsschnitt dargestellt. Eine Welle 1 ist drehbar um die Längsachse 2 gelagert mit Hilfe von zwei Radiallagern 4, die axial beabstandet zueinander um die Welle 1 angeordnet sind. Die solchermaßen gelagerte Welle 1 kann beispielsweise als Teil eines Turboladers oder Verdichters Verwendung finden, wobei auf der Welle in diesem Fall Verdichterräder montiert sind. Solche Verdichter kommen auch bei Zuführung von Gas zu einer Brennstoffzelle zum Einsatz.

Auf der Welle 1 ist eine Scheibe 6 angeordnet, die fest mit der Welle 1 verbun den ist und sich entsprechend mit der Welle 1 dreht. Die Scheibe 6 weist eine Fläche 5 und eine der Fläche 5 gegenüberliegende zweite Fläche 5‘ auf, wobei die Flächen 5, 5‘ senkrecht zur Längsachse 2 der Welle 1 ausgerichtet sind. Zur Aufnahme von axialen Kräften, die auf die Welle 1 wirken, ist eine Axiallager scheibe 8 vorgesehen, die in einem axialen Abstand zur Fläche 5 angeordnet ist und die mit einem umgebenden, in der Figur 1 nicht dargestellten Gehäuse fest verbunden ist. Zwischen der Axiallagerscheibe 8 und der Fläche 5 wird durch die Drehung der Scheibe 6 ein Gaslager ausgebildet, indem ein Luftposter zwischen der Axiallagerscheibe 8 und der Fläche 5 ausgebildet wird, die eine Berührung der beiden Flächen verhindert. Um eine Bewegung der Welle 1 in entgegenge setzter axialer Richtung zu verhindern, ist eine zweite Axiallagerscheibe 8' vorge sehen, die der zweiten Fläche 5' gegenüberliegt. In gleicher Weise wie zwischen der Fläche 5 und der Axiallagerscheibe 8 ist auch hier ein Gaslager ausgebildet, so dass auch die zweite Axiallagerscheibe 8‘ axiale Kräfte auf die Welle 1 auf nehmen kann.

Durch Kräfte auf die Welle 1 bzw. auf Bauteile, die auf der Welle 1 angeordnet sind, beispielsweise auf Rotoren oder Verdichterräder, kann es zu einer Schief stellung der Welle 1 kommen. Dies ist in Figur 1 in stark übertriebener Weise dar gestellt, da normalerweise eine solch starke Schiefstellung durch die Radiallager 4 verhindert wird. Durch die Schiefstellung der Welle 1 verkippt entsprechend auch die Fläche 5 um einen Winkel a aus der Senkrechten zur Längsachse 2, so dass es entsprechend auch zu einer Schiefstellung zwischen der Fläche 5 und der Axiallagerscheibe 8 kommt. Damit es nicht zur lokalen Annäherung zwischen der Fläche 5 und der Axiallagerscheibe 8 und damit zu einem erhöhten Ver schleiß an dieser Stelle kommt, ist die Axiallagerscheibe 8 drehbar um eine erste Drehachse 10 und zweite Drehachse 13 gelagert, was in Figur 2a eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt ist. Die Axiallagerscheibe 8 ist als Ringscheibe ausgebildet und über eine erste Aufhängung 9, die die erste Drehachse 10 bildet, drehbar gelagert. Die erste Aufhängung 9 ist hier als Drehgelenk 17 ausgebildet und erlaubt eine Drehung der Axiallagerscheibe 8 um die erste Drehachse 10 in einem größeren Winkelbereich.

Um die Axiallagerscheibe 8 auch in die dazu senkrechte Drehrichtung drehbar zu lagern, ist die erste Aufhängung 9 mit einem Ring 15 verbunden, der die Axialla gerscheibe 8 umgibt und der wiederum über eine zweite Aufhängung 12 bei spielsweise mit einem Gehäuse verbunden ist. Die zweit Aufhängung 12 bildet eine zweite Drehachse 13, um die der Ring 15 drehbar ist und die senkrecht auf der ersten Drehachse 10 steht. Damit ergibt sich eine Aufhängung für die Axialla gerscheibe 8, die sowohl um die erste Drehachse 10 als auch um die zweite Drehachse 13 drehbar ist, so dass eine beliebige Schiefstellung der Welle 1 auf genommen werden kann. Figur 2b zeigt dazu nochmals eine Draufsicht auf die Axiallagerscheibe 8, so dass die Anordnung der ersten Aufhängung 9 und der zweiten Aufhängung 12 klar wird, ebenso wie die Ausrichtung der ersten Dreh achse 10 und der zweiten Drehachse 13. Figur 2c zeigt in einer weiteren Ansicht eine seitliche Darstellung des Rings 15 mit der darin drehbar gelagerten Axialla gerscheibe 8, die die Schiefstellung der Axiallagerscheibe 8 bezüglich des Rings 15 verdeutlicht.

Bei tatsächlich gelagerten Wellen ist die Schiefstellung bei weitem nicht so deut lich wie in den Figuren 1, 2a, 2b oder 2c dargestellt. Typische Drehungen sind bei gelagerten Wellen sind in der Regel im Bereich von hundertstel Grad.

In Figur 3a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Axialla gerscheibe 8 dargestellt. Diese ist in gleicher Weise gelagert wie das Ausfüh rungsbeispiel nach Figur 2a, jedoch weist die Axiallagerscheibe 8 hierbei eine Ringnut 16 auf, die in tangentialer Richtung innerhalb der Fläche, die durch die Axiallagerscheibe 8 gebildet wird, verläuft, und es sind innerhalb dieser Ringnut 16 mehrere Bohrungen 22 über den Umfang verteilt ausgebildet. Der so erzeugte Kanal sorgt für eine Luftzirkulation innerhalb dieser Ringnut 16 und führt damit zu einer Kühlung der Axiallagerscheibe 8, so dass diese auch großen axialen Kräf ten standhalten kann, ohne zu überhitzen. Figur 3b zeigt dazu nochmals eine Draufsicht auf die Axiallagerscheibe 8 mit der Anordnung der Bohrungen 22.

In einer weiteren Ausgestaltung zeigt die Figur 4 eine Axiallagerscheibe 8', die nicht als Ringscheibe ausgebildet ist, sondern als durchgängige Kreisscheibe. Eine solche Axiallagerscheibe 8 eignet sich, um Axialkräfte an den Enden der Welle 1 aufzunehmen. Bei diesen Wellen 1 ist keine die Welle 1 umgebende Scheibe 6 vorgesehen, sondern die Stirnseite 7 der Welle 1 wird - wie in Figur 1 dargestellt - direkt gegen die Axiallagerscheibe 8' gelagert, wobei die Lagerung ansonsten in gleicher Weise ausgeführt ist wie bei den anderen Ausführungsbei spielen, so dass auch hier ein Schiefstand der Welle 1 ausgeglichen werden kann.

In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Axiallagerscheibe 8 in einer Teilansicht dargestellt. Hierbei ist die erste Aufhängung 9 als Anformung an der Axiallagerscheibe 8 ausgebildet, so dass die Axiallagerscheibe 8, die Anformung 19 und der Ring 15 ein einstückiges Bauteil bilden. Wenn die Anformung 19 ent sprechend dünn ausgebildet ist, ist diese in der Lage, eine elastische Drehbe weglichkeit, also eine erste Drehachse 10, an dieser Stelle zu bilden, die aus reicht, die relativ kleine Schiefstellung der Welle 1 aufzunehmen. Es ergibt sich dann eine Anordnung von Axiallagerscheibe 8 und Ring 15, wie in Figur 5a in ei ner Draufsicht nochmals dargestellt. Auch die zweite Aufhängung 12 kann einstü ckig mit dem Ring 15 bzw. der Axiallagerscheibe 8 ausgebildet sein.

Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Axiallagerscheibe 8 in einer Teilansicht wie in Figur 5, wobei die erste Aufhängung 9 hier in Form eines Elastomerbauteils 20 ausgebildet ist. Das Elastomerbauteil 20 kann beispiels weise aus einem Kunststoff bestehen, so dass die Verbindung zwischen der Axi allagerscheibe 8 und dem Ring 15 allein schon über die elastische Verformbar keit dieses elastischen Elements 20 realisiert ist, das ansonsten fest sowohl mit der Axiallagerscheibe 8 als auch mit dem Ring 15 verbunden ist. Ein elastisches Element 20 an dieser Stelle, das die erste Aufhängung 9 bildet, hat auch den Vorteil, dass dieses bis zu einem bestimmten Maß Schwingungen dämpfen kann, so dass eine ruhigere Lagerung der Welle 1 möglich wird. Auch die zweite Auf hängung 12 kann in dieser Form ausgebildet sein. Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Axialla gerscheibe 8, wobei die Verbindung der Axiallagerscheibe 8, also die erste Auf hängung 9 mit dem Ring 15, durch eine Torsionsfeder 18 gebildet wird. Die Tor sionsfeder 18 kann verschiedene Formen annehmen, beispielsweise in Form eines elastischen Blättchens, das entsprechende Torsionsbewegungen zwischen dem Ring 15 und der Axiallagerscheibe 18 ermöglicht. Die Dimensionierung der

Torsionsfeder richtet sich danach, wie groß die Axialkräfte sind, die die Axialla gerscheibe 8 aufnehmen muss. Auch die zweite Aufhängung 12 kann in dieser Weise gestaltet werden.