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PATENTANSPRÜCHE
1. Federnde Stützeinrichtung für Wellenlager von schnellaufenden Rotoren, insbesondere von Turbomaschinen, welche Stützeinrichtung dazu bestimmt ist, vom Rotor auf das Wellenlager quer zur Rotorwellenachse einwirkende Kräfte federnd aufzunehmen, gekennzeichnet durch mindestens ein polygonales Federelement (5), das sich aus einer Mehrzahl von das Polygon bildenden Federstäben (6) zusammensetzt, die an Federgelenken (7) zusammenhängen, sowie durch koaxial zum bzw. zu den Federelementen (5) angeordnete Scheiben (8), deren Innendurchmesser grösser ist als der dem genannten Polygon eingeschriebene Kreis.
2. Federnde Stützeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus abwechselnd aneinandergereihten polygonalen Federelementen (5) und Scheiben (8) zusammengesetzt ist, dass die Scheiben (8) Zwischenscheiben sind, und dass das Federgelenk (7) U-förmig ausgebildet ist.
3. Federnde Stützeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Federstäbe (6) Rechtecke sind, deren Breite ein Vielfaches ihrer Höhe ist, und dass nur an den beiden Stirnseiten des Federelements (5) je eine Scheibe (8) vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine federnde Stützeinrichtung für Wellenlager von schnellaufenden Rotoren, insbesondere von Turbomaschinen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei schnelläufigen kleineren Turbomaschinen, insbesondere bei Turboladern mit ihren extrem hohen Drehzahlen, ist es erforderlich, die auf die Lagerung der Rotoren einwirkenden dynamischen Betriebskräfte, das sind Kräfte durch Vibrationen des Verbrennungsmotors und durch eventuelle Unwuchten, durch zwischen der Lagerung und dem Gehäuse vorgesehene federnde und dämpfende Elemente abzuschwächen, wobei die federnden und die dämpfenden Elemente voneinander getrennt oder miteinander kombiniert sein können. Die vorliegende Erfindung betrifft aber lediglich die federnden Elemente der Lagerstützeinrichtung.
Bekannt sind für diesen Zweck federnde, aus gewellten konzentrischen Blechhülsen zusammengesetzte Ringfederpakete, die aber wegen ihrer stark progressiven Federkennlinie vor allem fur grosse Turbolader nicht optimal sind, da hierbei schon durch das Rotorgewicht ein unzulässig grosser Teil des Federweges geopfert wird. Die Reibung zwischen den einzelnen Blechhülsen sorgt dabei zwar einerseits für eine gewisse, erwünschte Dämpfung, doch sind damit andererseits auch unerwünschte Verschleisserscheinungen verbunden.
Aus dem Flugtriebwerksbau sind auch stabförmige Lagerstützeinrichtungen bekannt, bei denen zwischen Lager und Gehäuse über den Lagerumfang verteilt lange achsiale, federnde Stäbe vorhanden sind, deren eines Ende am Gehäuse und deren anderes Ende an einer Lagerhülse, die den Ku gellageraussenring aufnimmt, verankert ist. Dadurch üben diese Stäbe bei Querversetzungen des Lagers ein Moment auf das Gehäuse aus. Diese Bauart benötigt ausserdem verhältnismässig viel achsialen Einbauraum, wodurch sie sich für kleinere Turbomaschinen, insbesondere für Turbolader, nicht sehr gut eignet.
Mit der vorliegenden, im Patentanspruch 1 definierten Erfindung sollen die Nachteile der erwähnten bekannten Lagerstützeinrichtungen vermieden werden. Insbesondere soll sie eine Momentenrückwirkung auf das Lager vermeiden und sich für kleine Turbomaschinen, zu denen auch grosse Turbolader zu zählen sind, eignen, indem sich eine solche Abstützung platzsparend im Gehäuse unterbringen lässt.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 im Längsschnitt einen Ausschnitt aus einer Wellenlagerung für einen Turboladerrotor, gemäss dem in Fig. 2 eingetragenen Schnittverlauf I - I, und die
Fig. 2 eine Seitenansicht der Wellenlagerung gemäss dem in Fig. 1 eingetragenen Schnittverlauf II - II.
Eine Welle 1 eines Turboladerrotors ist mit einem Rillenkugellager 2 unter Vermittlung einer vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemässen Stützeinrichtung 3 im Gehäuse 4 eines Abgasturboladers gelagert. Die zwischen dem Aussenring des Kugellagers 2 und einer Bohrung des Gehäuses 4 eingespannte Stützeinrichtung 3 besteht aus einer Reihe abwechselnd aneinandergereihter polygonaler Federelemente 5 und Zwischenscheiben 8. Ein polygonales Federelement 5 weist eine Anzahl, im vorliegenden Falle acht, von Federstäben 6 auf, die mit ihren beiden Enden an Uförmige Federgelenke 7 anschliessen.
Der Scheitel, d. h., der am weitesten radial einwärts liegende Punkt des Federgelenks 7, liegt auf einem Kreis, der mindestens um die grösstmögliche Lagerauslenkung grösser ist als der die inneren Begrenzungen der Federstäbe 6 berührende Kreis, der im eingebauten Zustand der Stützeinrichtung gleich dem Aussendurchmesser des Kugellageraussenringes ist. Zur Erzeugung einer Vorspannung zwecks Verhinderung eines Freispiels werden die Federstäbe in der Regel so dimensioniert sein, dass sie vor dem Einbau einen etwas kleineren Kreis berühren. Sie werden also beim Einbau über den Kugellageraussenring unter Vorspannung gesetzt.
Die Federgelenke 7 sind in tangentialer Richtung elastisch nachgiebig und haben die Aufgabe, die bei der Durchbiegung der Federstäbe auftretenden Längenänderungen aufzunehmen. Die Zwischenscheiben 8, die spielfrei in der Bohrung des Gehäuses 4 sitzen, haben einen Innendurchmesser, der grösser ist als der Aussendurchmesser des Kugellageraussenringes und dient so als Anschlag für den maximalen Ausschlag der Welle an der Lagerstelle.
Diese Bauart mit Federelementen und Zwischenscheiben zeichnet sich durch billige Herstellung durch Präzisionsstanzen aus. Es ist aber auch möglich, ein einziges Federelement von etwa der Breite des Kugellageraussenringes zu verwenden und an den beiden Stirnseiten dieses Federelementes Scheiben, entsprechend den Zwischenscheiben 8, zur Ausschlagbegrenzung vorzusehen.
Diese Stützeinrichtung benötigt in axialer Richtung nicht mehr Platz als das Lager selber und überträgt praktisch kein Moment auf das Gehäuse.
Der Einfachheit halber wurde die Stützeinrichtung in direktem Kontakt mit dem Kugellageraussenring dargestellt.
Praktisch wird aber die Stützeinrichtung mit einer Büchse kombiniert werden, die das Kugellager und/oder auch andere Wälzlager aufnimmt.
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PATENT CLAIMS
1. Resilient support device for shaft bearings of high-speed rotors, in particular of turbomachinery, which support device is intended to absorb forces acting from the rotor on the shaft bearing transversely to the rotor shaft axis, characterized by at least one polygonal spring element (5), which consists of a plurality of the Polygon-forming spring rods (6), which are connected to spring joints (7), and by coaxial to or to the spring elements (5) arranged disks (8), the inner diameter of which is larger than the circle inscribed in the polygon.
2. Resilient support device according to claim 1, characterized in that it is composed of alternating polygonal spring elements (5) and washers (8), that the washers (8) are intermediate washers, and that the spring joint (7) is U-shaped .
3. Resilient support device according to claim 1, characterized in that the cross sections of the spring bars (6) are rectangles, the width of which is a multiple of their height, and that only one washer (8) is provided on each of the two end faces of the spring element (5) .
The present invention relates to a resilient support device for shaft bearings of high-speed rotors, in particular turbomachinery, according to the preamble of patent claim 1.
In the case of high-speed, small turbomachinery, in particular in the case of turbochargers with their extremely high speeds, it is necessary to take into account the dynamic operating forces acting on the bearing of the rotors, i.e. forces caused by vibrations of the internal combustion engine and by possible imbalances, by means of resilient and provided between the bearing and the housing attenuate damping elements, wherein the resilient and the damping elements can be separated or combined. However, the present invention only relates to the resilient elements of the bearing support device.
Resilient ring spring assemblies composed of corrugated concentric sheet metal sleeves are known for this purpose, but because of their strongly progressive spring characteristic curve they are not ideal, especially for large turbochargers, since an impermissibly large part of the spring travel is sacrificed by the rotor weight. The friction between the individual sheet metal sleeves ensures a certain, desired damping on the one hand, but on the other hand it also causes undesired wear and tear.
From the aircraft engine construction rod-shaped bearing support devices are known in which long axial, resilient rods are present between the bearing and the housing over the bearing circumference, one end of which is anchored to the housing and the other end to a bearing sleeve which receives the ball bearing outer ring. As a result, these rods exert a moment on the housing when the bearing is displaced transversely. This type of construction also requires a relatively large amount of axial installation space, which means that it is not very suitable for smaller turbomachinery, in particular for turbochargers.
With the present invention defined in claim 1, the disadvantages of the known bearing support devices mentioned are to be avoided. In particular, it is intended to avoid a reaction of moments on the bearing and is suitable for small turbomachines, which also include large turbochargers, in that such a support can be accommodated in the housing in a space-saving manner.
The invention is described in more detail below with reference to an embodiment of the invention shown in the drawing. In the drawing:
Fig. 1 in longitudinal section a section of a shaft bearing for a turbocharger rotor, according to the section line I - I entered in Fig. 2, and
Fig. 2 is a side view of the shaft bearing according to the section II - II entered in Fig. 1.
A shaft 1 of a turbocharger rotor is mounted in the housing 4 of an exhaust gas turbocharger with a deep groove ball bearing 2 by means of an advantageous embodiment of a support device 3 according to the invention. The support device 3 clamped between the outer ring of the ball bearing 2 and a bore of the housing 4 consists of a series of alternating polygonal spring elements 5 and intermediate washers 8. A polygonal spring element 5 has a number, in the present case eight, of spring rods 6, which with their Connect both ends to U-shaped spring joints 7.
The vertex, d. That is, the most radially inward point of the spring joint 7 lies on a circle which is at least larger by the greatest possible bearing deflection than the circle touching the inner boundaries of the spring bars 6 and which, in the installed state of the support device, is equal to the outer diameter of the ball bearing outer ring . To create a preload to prevent a free spin, the spring bars will usually be dimensioned so that they touch a slightly smaller circle before installation. They are therefore pre-stressed when installing over the ball bearing outer ring.
The spring joints 7 are resilient in the tangential direction and have the task of absorbing the changes in length that occur during the deflection of the spring bars. The intermediate washers 8, which are seated in the bore of the housing 4 without play, have an inner diameter which is larger than the outer diameter of the ball bearing outer ring and thus serves as a stop for the maximum deflection of the shaft at the bearing point.
This design with spring elements and washers is characterized by cheap manufacture by precision stamping. However, it is also possible to use a single spring element of approximately the width of the ball bearing outer ring and to provide washers on the two end faces of this spring element, corresponding to the washers 8, to limit the deflection.
This support device does not take up more space in the axial direction than the bearing itself and transfers practically no torque to the housing.
For the sake of simplicity, the support device was shown in direct contact with the ball bearing outer ring.
In practice, however, the support device will be combined with a bush that receives the ball bearing and / or other rolling bearings.