DE102008057532B4

DE102008057532B4 - Ladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102008057532B4
Application number: DE102008057532.1A
Authority: DE
Inventors: Michal Klusácek; Dr. Schlegl Martin
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-15
Filing date: 2008-11-15
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2028-11-16
Also published as: DE102008057532A1

Abstract

Ladeeinrichtung mit einem Rotor (1), der mittels einer kombinierten Axial-/Radiallagereinrichtung (2) in einem Lagergehäuse (3) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet,- dass die Axial-/Radiallagereinrichtung (2) ein Axial-/Radiallager (4) und ein zugehöriges Gegenlager (5) aufweist, wobei zumindest das Axial-/Radiallager (4) folgende Komponenten umfasst,- ein im Lagergehäuse (3) angeordnetes axial verstellbares Verschiebeelement (6), dessen Innen- oder Außenkontur komplementär zu einer stirnseitigen Außen- oder Innenkontur des Rotors (1) ausgebildet ist und diesen unter Bildung eines gasdurchströmten Lagerspaltes (7) sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung lagert,- eine Federeinrichtung (8), welche das Verschiebeelement (6) in Richtung des Rotors (1) vorspannt, und damit entgegen eines Gasdrucks im Lagerspalt (7) wirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 100 11 419 A1 ist eine gattungsgemäße Ladeeinrichtung bekannt, bei welcher eine Welle mittels eines als Luftlager ausgebildeten Radiallagers gelagert ist. Die Welle verbindet ein Verdichterrad drehfest mit einem Turbinenrad und ist in einem Lagergehäuse der Ladeeinrichtung über besagtes Radiallager gelagert. Das als Luftlager ausgebildete Radiallager trägt dabei zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei, da es die Welle berührungslos auf Abstand und nahezu reibungsfrei zu einer gehäusefesten Lageraufnahme lagert.
Aus der DE 30 39 961 A1 ist eine Ladeeinrichtung mit einem Rotor bekannt, der über eine Lagereinrichtung in einem Lagergehäuse gelagert ist.
Aus der GB 2 166 804 A ist ebenfalls eine Ladeeinrichtung mit einem Rotor bekannt, der mittels einer kombinierten Axial-/Radiallagereinrichtung in einem Lagergehäuse gelagert ist. Die Axial-/Radiallagereinrichtung besitzt dabei ein Axial-/Radiallager und ein zugehöriges Gegenlager, welches folgende Komponenten umfasst: Ein im Lagergehäuse angeordnetes und axial verstellbares Verschiebeelement, welches direkt auf das Verdichterrad damit auch auf das Turbinenrad wirkt. Zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad ist eine Wand angeordnet, wobei eine Federeinrichtung das Verschiebeelement in Richtung des Rotors vorspannt und damit entgegen eines Gasdrucks in einem Lagerspalt wirkt.
Aus der US 3 723 022 A ist eine Ladeeinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader mit einem Rotor bekannt, der mittels einer kombinierten Axial-/Radiallagereinrichtung in einem Lagergehäuse gelagert ist. Über eine Federeinrichtung wird dabei der Rotor vorgespannt.
Aus der US 4 969 797 A ist ein luftgelagerter Rotor bekannt.
Generell muss bei sämtlichen Ladeeinrichtungen eine Welle aus funktionalen Gründen sowohl radial als auch axial gelagert werden. Dabei kommen baulich getrennte Radial- und Axiallager sowie auch Kombinationslager zum Einsatz. Kombinierte Radial-/Axiallager können dabei sphärische oder konische Lagergeometrien aufweisen, wobei als Schmierstoff sowohl gasförmige als auch flüssige Schmiermedien verwendet werden können. Die Steifigkeit und damit die Eigen- bzw. Resonanzfrequenz des Rotors ist dabei durch die Steifigkeit der Lagerung, der Läuferwelle und des Gehäuses bestimmt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die eine adaptive, selbst regulierende Lagerung eines Rotors im vorzugsweise gesamten Betriebsbereich aufweist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Axial-/Radiallagereinrichtung zur Lagerung einer Welle, das heißt eines Rotors, einer Ladeeinrichtung in einem Lagergehäuse, als Luftlager auszubilden und darüber hinaus eine Federeinrichtung einzusetzen, welche einem Gasdruck der Luftlagerung entgegenwirkt und dadurch in vorzugsweise sämtlichen Betriebszuständen der Ladeeinrichtung eine adaptive und selbst regulierende Lagerung bewirkt. Die Ladeeinrichtung weist hierzu eine kombinierte Axial-/Radiallagereinrichtung in einem Lagergehäuse auf, die ein Axial-/Radiallager und ein zugehöriges Gegenlager umfasst. Zumindest das Axial-/Radiallager der Axial-/Radiallagereinrichtung weist dabei folgende Komponenten auf: Ein im Lagergehäuse angeordnetes und axial verstellbares Verschiebeelement, dessen Innen- oder Außenkontur komplementär zu einer stirnseitigen Außen- oder Innenkontur des Rotors ausgebildet ist und diesen unter Bildung eines gasdurchströmten Lagerspaltes sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung lagert. Darüber hinaus umfasst das Axial-/Radiallager eine Federeinrichtung, die das Verschiebeelement in Richtung des Rotors und damit entgegen eines Gasdrucks im Lagerspalt vorspannt, sodass die Federkraft der Federeinrichtung den Gasdruck im Lagerspalt entgegensteht und diesen selbsttätig kompensiert. Mittels der erfindungsgemäßen Axial-/Radiallagereinrichtung ist in vorzugsweise sämtlichen Betriebszuständen der Ladeeinrichtung gewährleistet, dass deren Rotor sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung optimal gelagert ist und dadurch, wenn überhaupt, nur äußerst geringe Reibungsverluste aufweist. Hierdurch lässt sich insbesondere ein hoher Wirkungsgrad der Ladeeinrichtung verwirklichen, wodurch sich auf der anderen Seite wiederum Energiekosten einsparen lassen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind lediglich am Axial-/Radiallager ein Verschiebeelement und eine Federeinrichtung vorgesehen, während ein derartiges Verschiebeelement und eine derartige Federeinrichtung am Gegenlager nicht vorgesehen sind. Im Unterschied zu einer Ladeeinrichtung, bei welcher das Axial-/Radiallager und das Gegenlager gleich aufgebaut sind, lässt sich bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform das Gegenlager konstruktiv deutlich einfacher und dadurch kostengünstiger aufbauen. Die adaptive und selbst regulierende Lagerung ist aber auch bei einer derartigen Ausführungsform gewährleistet, da in diesem Fall die Federeinrichtung über das Verschiebeelement sowohl gegen den Luftspalt am Axial-/Radiallager als auch am Gegenlager vorgespannt ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, weist der Rotor eine axiale Durchgangsöffnung auf, durch welche ein Lagergas vom Axial-/Radiallager hin zum Gegenlager oder umgekehrt strömen kann, sodass beide Lager von einer Seite aus mit Lagergas versorgt werden können. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass entsprechende Gaskanäle lediglich auf einer Seite und lediglich singulär vorgesehen werden müssen, da mittels des hohlen Rotors beide Lager über diese Gaskanäle versorgt werden können, sodass das Vorsehen weiterer, beispielsweise das gegenüberliegende Lager mit Gas versorgende Gaskanäle entfallen können. Hierdurch lässt sich die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung insgesamt konstruktiv einfacher und damit kostengünstiger aufbauen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Axial-/Radiallager einer Axial-/Radiallagereinrichtung,
2 eine mögliche Ausführungsform eines Gegenlagers,
3 eine Detaildarstellung des Gegenlager.

Entsprechend der 1, ist ein Rotor 1 einer im Übrigen nicht gezeichneten Ladeeinrichtung, beispielsweise eines Abgasturboladers, über eine kombinierte Axial-/Radiallagereinrichtung 2 in einem Lagergehäuse 3 der Ladeeinrichtung gelagert. Die Axial-/Radiallagereinrichtung 2 weist dabei ein Axial-/Radiallager 4 (vgl. 1) und ein zugehöriges Gegenlager 5 (vgl. 2 und 3), wobei zumindest das Axial-/Radiallager 4 gemäß der 1 folgende Komponenten umfasst: Ein im Lagergehäuse 3 angeordnetes und axial verstellbares Verschiebeelement 6, dessen Innenkontur komplementär zu einer stirnseitigen Außenkontur des Rotors 1 ausgebildet ist und diesen unter Bildung eines gasdurchströmten Lagerspaltes 7 sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung lagert sowie eine Federeinrichtung 8, welche das Verschiebeelement 6 in Richtung des Rotors 1 vorspannt und damit entgegen eines Gasdruckes im Lagerspalt 7 wirkt. Die Federeinrichtung 8 ist hierbei als gewöhnliche Schraubenfeder ausgebildet und befindet sich in einer Federkammer 9, in welcher sie sich einerseits gegen einen Stator, das heißt gegen das Lagergehäuse 3, und andererseits gegen das Verschiebeelement 6 abstützt.
Durch das erfindungsgemäße Axial-/Radiallager 4 wirkt somit die Federkraft der Federeinrichtung 8 entgegen dem Gasdruck im Lagerspalt 7, wodurch sich eine selbstregulierende und adaptierende Lagerung des Rotors 1 einstellt. Das Verschiebeelement 6 weist gemäß der 1 eine konische Aufnahme auf, in welche der komplementär dazu ausgebildete Rotor 1 unter Bildung des Luftspaltes 7 eingreift. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die konische Aufnahme rotorseitig vorgesehen ist, sodass das Verschiebeelement 6 in komplementärer Weise in diese rotorseitige Aufnahme eingreift. Neben einer konischen Ausbildung der Aufnahme kann diese selbstverständlich auch sphärisch oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein.
Betrachtet man die 1 weiter, so kann man erkennen, dass das Verschiebeelement 6 über eine U-Ringdichtung 10 gegenüber dem Lagergehäuse 3 abgedichtet ist, sodass Lagergas nicht unkontrolliert nach außen dringen kann. Prinzipiell ist bei der gesamten Axial-/Radiallagereinrichtung 2 denkbar, dass sowohl das Axial-/Radiallager 4 als auch das Gegenlager 5 gleich oder unterschiedlich ausgebildet sind. Bei einer identischen Ausbildung weist das Gegenlager 5 die Gestalt des gemäß der 1 gezeigten Axial-/Radiallagers 4 auf. Zur konstruktiven Vereinfachung kann aber auch lediglich am Axial-/Radiallager 4 ein Verschiebeelement 6 und eine Federeinrichtung 8 vorgesehen sein, nicht jedoch dagegen am Gegenlager 5.
Betrachtet man die 1 weiter, so kann man erkennen, dass der Rotor 1 eine axiale Durchgangsöffnung 11 aufweist, durch welche das Lagergas vom Axial-/Radiallager 4 hin zum Gegenlager 5 strömen kann, sodass beide Lager, das heißt beide Lagerspalte 7 und 7', von einer Seite aus, vorzugsweise von der Seite des Axial-/Radiallagers 4 aus, mit Lagergas versorgt werden können. Die Versorgung der Lagerspalte 7, 7' mit Lagergas erfolgt dabei über im Verschiebeelement 6 vorgesehene Gaskanäle 12 (vgl. 1), welche bei einer unterschiedlichen Ausbildung des Axial-/Radiallagers 4 und des zugehörigen Gegenlagers 5 ausschließlich im Bereich des Axial-/Radiallagers 4 vorgesehen werden müssen. Weist dagegen der Rotor 1 keine axiale Durchgangsöffnung 11 auf, so müssten derartige Gaskanäle 12 zur Versorgung des Lagerspaltes 7' ebenfalls im Bereich des Gegenlagers 5 vorgesehen werden.
Prinzipiell sollten bei der geometrischen Ausgestaltung des Verschiebeelementes 6 und des zugehörigen Rotors 1 der kombinierten Axial-/Radiallagereinrichtungen 2 folgende Randbedingungen eingehalten werden, um ein Verklemmen der rotierenden Komponenten zu verhindern.
Für ein konisches Axial-/Radiallager: L_s - Δ_r = L_r
Für sphärisch ausgeführte Lager, muss der Bohrungsradius größer sein als der Radius eines Rotorkugelkopfes. Außerdem sollte das Verschiebeelement 6 des kombinierten Axial-/Radiallagers 4 geometrisch derart gestaltet werden, dass ein Verdrehen des Verschiebeelementes 6 gegenüber dem Lagergehäuse 3 zuverlässig ausgeschlossen werden kann. Dies kann beispielsweise durch eine Verdrehsicherung in der Art eines Zweiflachs oder eines Fixierbolzens erfolgen.
Mittels der erfindungsgemäßen Axial-/Radiallagereinrichtung 2 ist es möglich, den Rotor 1 einer Ladeeinrichtung nahezu reibungsfrei und insbesondere adaptiv und selbstregulierend zu lagern, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad der Ladeeinrichtung 1 erzielt werden kann.

Claims

Ladeeinrichtung mit einem Rotor (1), der mittels einer kombinierten Axial-/Radiallagereinrichtung (2) in einem Lagergehäuse (3) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, - dass die Axial-/Radiallagereinrichtung (2) ein Axial-/Radiallager (4) und ein zugehöriges Gegenlager (5) aufweist, wobei zumindest das Axial-/Radiallager (4) folgende Komponenten umfasst, - ein im Lagergehäuse (3) angeordnetes axial verstellbares Verschiebeelement (6), dessen Innen- oder Außenkontur komplementär zu einer stirnseitigen Außen- oder Innenkontur des Rotors (1) ausgebildet ist und diesen unter Bildung eines gasdurchströmten Lagerspaltes (7) sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung lagert, - eine Federeinrichtung (8), welche das Verschiebeelement (6) in Richtung des Rotors (1) vorspannt, und damit entgegen eines Gasdrucks im Lagerspalt (7) wirkt.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschiebeelement (6) eine konische oder sphärische Aufnahme aufweist, in welche der komplementär dazu ausgebildete Rotor (1) unter Bildung des Lagerspaltes (7) eingreift, oder umgekehrt.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschiebeelement (6) über eine O-Ringdichtung (10) gegenüber dem Lagergehäuse (3) abgedichtet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Axial-/Radiallager (4) und das Gegenlager (5) gleich aufgebaut sind.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich am Axial-/Radiallager (4) das Verschiebelement (6) und eine Federeinrichtung (8) vorgesehen sind.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) an beiden Stirnseiten gleich aufgebaut ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) eine axiale Durchgangsöffnung (11) aufweist, durch welche ein Lagergas vom Axial-/Radiallager (4) hin zum Gegenlager (5) strömen kann, so dass beide Lager (4,5) von einer Seite aus mit Lagergas versorgt werden.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschiebeelement (6) Gaskanäle (12) aufweist, über welche das Lagergas in die Lagerspalte (7,7') und die axiale Durchgangsöffnung (11) des Rotors (1) gelangt.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) massiv ausgeführt ist und eine Versorgung der jeweiligen Lagerspalte (7,7') mit Lagergas über getrennte Gaskanäle (12) erfolgt.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung als Abgasturbolader ausgebildet ist.