DE69823423T2

DE69823423T2 - Schublager für einen Turbolader

Info

Publication number: DE69823423T2
Application number: DE1998623423
Authority: DE
Inventors: Ken Yokohama-shi Mitsubori; Yukiteru Gyouda-shi Sekita
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2018-06-20
Also published as: JPH1113476A; EP0887516A3; DE69823423D1; EP0887516B1; US6045266A; EP0887516A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verdichter-Drucklager, wie es in Booten oder Schiffen verwendet wird.
3A und 3B in den beigefügten Zeichnungen zeigen ein herkömmliches Verdichter-Drucklager 51. 3A ist eine Schnittansicht und 3B eine Vorderansicht. Wie darin dargestellt ist, befindet sich das herkömmliche Drucklager 51, das in einem Verdichter verwendet wird, mit einem Bund 53 ("thrust collar"), der an einer Turbinenwelle 52 befestigt ist, in Kontakt, so dass es die Schub- oder Druckkräfte aufnimmt, die auf die Turbinenwelle ausgeübt werden. Der Bund 53 dreht sich zusammen mit der Turbinenwelle 52, und Schmieröl wird an einer Auflagefläche 54 des Drucklagers 51 zugeführt, um den Schubwiderstand zu verringern und zu verhindern, dass die Temperatur der Auflagefläche 54 ansteigt.
Eine Drucklagerhalterung 55 hält das Drucklager 51 stationär. Eine Mehrzahl von Ölzufuhrleitungen bzw. Öldurchlässe 56 sind in der Drucklagerhalterung 55 ausgebildet, um das Schmieröl zuzuführen. Die Ölleitungen 56 erstrecken sich im Wesentlichen strahlförmig („radiantly"), wobei sie in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Eine weitere Mehrzahl von Ölzufuhrleitungen 57 ist in dem Drucklager 51 derart ausgebildet, dass sie jeweils an ihren stromaufwärtigen Enden (linken Enden in der Zeichnung) mit den Ölzufuhrleitungen 56 kommunizieren und sich an ihren stromabwärtigen Enden (rechte Enden in der Figur) zur Auflagefläche 54 öffnen. Ölzufuhrrinnen 59 sind so ausgebildet, dass sie sich strahlförmig von den offenen Enden 58 der Ölzufuhrleitungen 57 erstrecken. Diese Ölzufuhrrinnen 59 haben eine bestimmte Rinnentiefe und erstrecken sich bis in die Nähe des Umfangs des Drucklagers 51. An den äußeren radialen Enden im Drucklager 51 sind andere Rinnen 61 ausgebildet, die eine flachere Tiefe haben, als die Ölzufuhrrinnen 59.
Das Schmieröl, das von den Ölzufuhrleitungen 56 und 57 zugeführt wird, fließt in den Ölzufuhrrinnen 59 in radialer Richtung nach außen, und es fließt, durch das Drehen des Bundes 53, zur Auflagefläche 54. Danach fließt das Schmieröl, das über die Auflagefläche 54 fließt, durch Lücken 62 nach außen, die zwischen den flachen Rinnen 61 und dem Bund 53 ausgebildet sind. Auf diese Weise wird erwartet, dass das kühle Schmieröl (neues bzw. frisches Öl) über die gesamte Auflagefläche 54 verteilt wird. Durch die Drehung des Bundes 53 (oder der Turbinenwelle 52) wird das Schmieröl veranlasst, sich auf der Auflagefläche 54 in Umfangsrichtung zu bewegen, wie durch die Pfeile X angezeigt ist.
Ein Drucklager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der EP-A-0329193 bekannt. Eine ähnliche Lageranordnung ist auch aus der EP-A-0658895 bekannt.
Wenn das oben beschriebene Drucklager 51 in Automobil-Turboladern verwendet wurde, war es möglich, Schmieröl effektiv auf der Auflagefläche 54 zu verteilen.
Bei Verdichtern, die in Booten, Schiffen und dergleichen verwendet werden, die unter einem hohen Druckverhältnis betrieben werden, ist jedoch die Drehgeschwindigkeit der Drehwelle hoch, so dass die Umfangsgeschwindigkeit am Außenumfang des Drucklagers sehr hoch ist. Folglich tritt das Problem auf, dass neues Öl nicht adäquat der Auflagefläche 54 zugeführt wird.
Insbesondere läuft das Schmieröl, das auf einer Auflagefläche 54 erwärmt wurde, über das kühle Schmieröl (neue Öl) im Inneren der angrenzenden Ölzufuhrrinne 59 hinweg und gelangt zur nächsten Auflagefläche 54. Somit steigt die Temperatur der Auflagefläche 54 an.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorstehend diskutierten Probleme des Standes der Technik zu lösen.
Zu diesem Zweck gibt die vorliegende Erfindung ein Verdichter-Drucklager an, welches bewirkt, dass das Schmieröl in den radialen Rinnen des Drucklagers effektiver zirkuliert, wodurch die Öltemperatur in den radialen Rinnen abgesenkt wird und dadurch wiederum die Kühlungseffizienz für die Auflagefläche gesteigert wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verdichter-Drucklager zur Verwendung in einer Maschine, die insbesondere unter einer hohen Geschwindigkeit drehfähig ist, einen Lagerkörper mit einer Auflagefläche, Öldurchlässe bzw. Ölleitungen, die sich durch den Hauptkörper des Lagers zur Auflagefläche erstrecken, in der Auflagefläche ausgebildete radiale Rinnen, die sich von den stromabwärtigen Enden der Ölzufuhrdurchlässe radial nach außen erstrecken, und Gradienten, die an den radial äußeren Enden der radialen Rinnen derart ausgebildet sind, dass die Rinnentiefe in radial äußere Richtung nach und nach abnimmt. Die unter einer hohen Geschwindigkeit drehfähige Maschine ist z. B. ein Boot oder ein Schiff. Man beachte, dass das Drucklager der Erfindung auch auf eine Maschine anwendbar ist, die sich mit einer mittleren oder niedrigen Geschwindigkeit dreht. Das Schmieröl in den radialen Rinnen wird durch die Gradienten der radialen Rinnen herausgedrückt, da die Gradienten in der Nähe ihrer radialen Enden eine abnehmende Tiefe haben. Mit anderen Worten dienen die Gradienten als Drosselungen. Dementsprechend wird das Schmieröl aus den radialen Rinnen in ausreichendem Maße ausgetrieben, selbst wenn die Drehwelle des Verdichters sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht. Das Schmieröl (neues und kühles Öl), das aus den radialen Rinnen ausgetrieben wird, verhindert, dass das Schmieröl, das sich auf der Auflagefläche in Umfangsrichtung bewegt und durch die Drehung der Drehwelle des Verdichters auf der Auflagefläche erwärmt wird, über die radialen Rinnen fließt (bzw. dass es das neue Öl in den radialen Rinnen überspringt), da das ausgetriebene Schmieröl einen Damm bildet. Das erwärmte Öl, das sich auf der Auflagefläche in Umfangsrichtung bewegt, wird von dem neuen, kühlen Öl, das aus den radialen Rinnen überläuft, an den radialen Rinnen nach radial außen abgelenkt. Das erwärmte Öl wird von der Auflagefläche nach außen gedrückt und neues, kühles Öl wird auf die Auflagefläche getrieben und kühlt die Auflagefläche. Daher ist es möglich, die Zirkulation des Schmieröls und die Kühlung der Auflagefläche zu fördern.
Es ist auch zulässig, zusätzliche Ölzufuhrleitungen bzw. Ölzufuhr-Durchlässe in dem Drucklagerkörper auszubilden, um Schmieröl in der Nähe der Gradienten der radialen Rinnen zuzuführen. Mit diesen zusätzlichen Ölleitungen wird das neue, kühle Öl ebenfalls in der Nähe der Gradienten der Ölzufuhrrinnen zugeführt. Daher wird das Schmieröl über die Gesamtheit der Ölzufuhrrinnen zugeführt, wodurch es ermöglicht wird, die Kühlungseffizienz der Auflagefläche weiter zu steigern.
1A zeigt eine Querschnittsansicht eines Verdichter-Drucklagers betreffend eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1B zeigt eine Vorderansicht des in 1A dargestellten Verdichter-Drucklagers;
2A zeigt eine Querschnittsansicht eines Verdichter-Drucklagers betreffend eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B zeigt eine Vorderansicht des in 2A dargestellten Verdichter-Drucklagers;
3A zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Verdichter-Drucklagers; und
3B zeigt eine Vorderansicht des in 3A gezeigten Verdichter-Drucklagers.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1A, 1B, 2A und 2B der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Eine erste Ausführungsform des Verdichter-Drucklagers, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, wird zuerst beschrieben.
In 1A ist eine Querschnittsansicht des Verdichter-Drucklagers 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die obere Hälfte dieser Zeichnung zeigt den Querschnitt entlang der Linie A-A von 1B, und die untere Hälfte ist der Querschnitt entlang der Linie B-B von 1B.
Das Drucklager 1 ist in Ringform um eine Turbinenwelle 2 herum ausgebildet, und es ist mit einer Mehrzahl von Bolzen 4 an einer Drucklagerhalterung 3 befestigt, die ebenfalls ringförmig um die Turbinenwelle 2 herum ausgebildet ist. Ein Kompressorrad (nicht gezeigt) ist (in dieser Figur) links von der Turbinenwelle 2 angeordnet.
In der Drucklagerhalterung 3 ist eine Mehrzahl von Ölzufuhrleitungen 5 ausgebildet, die sich im Wesentlichen strahlförmig in Richtung auf die Turbinenwelle 2 erstrecken, um dem Drucklager 1 Schmieröl zuzuführen. (1A zeigt nur eine Leitung 5.) Eine Mehrzahl von Ölzufuhrleitungen 6a ist in der Rückseite des Drucklagers 1 (der Auflagefläche 7 gegenüberliegend) derart angeordnet, dass sie jeweils mit den stromabwärtigen Enden der Ölzufuhrleitungen 5 kommunizieren. Diese Ölzufuhrleitungen 6a werden dadurch gebildet, dass die Mittelöffnung des Drucklagers 1 in radialer Richtung teilweise ausgeschnitten wird, und sie sind so ausgebildet, dass sie mit Ölzufuhrleitungen 6b kommunizieren, die sich an der Auflagefläche 7 öffnen.
In der Auflagefläche 7 sind Ölzufuhrrinnen 9 ausgebildet, die sich von den stromabwärtigen Öffnungen 8 der Ölzufuhrleitungen 6b radial nach außen erstrecken. Diese Ölzufuhrrinnen 9 sind mit einer vorgeschriebenen Rinnentiefe ausgebildet, und an ihren radial äußeren Enden sind Gradienten 11 ausgebildet, so dass die Rinnentiefe in radial äußerer Richtung nach und nach abnimmt. Diese Gradienten 11 sind so ausgebildet, dass sie von vorne betrachtet (siehe 1B) kreisförmige Bögen bilden, mit einem Neigungswinkel von beispielsweise ungefähr 30 bis 45°, um das Flussvolumen des Schmieröls und dessen Druckverlust im Inneren der Ölzufuhrrinnen 9 auszubalancieren. An der Außenseite der Ölzufuhrrinnen 9 in radialer Richtung sind flache Rinnen 12 so ausgebildet, dass sie mit den Gradienten 11 kommunizieren.
Bei der Konfiguration dieser Ausführungsform sind die Ölzufuhrrinnen 9 an sechs Orten unter gleichen Winkeln um den Umfang der Auflagefläche 7 ausgebildet, wie in 1B dargestellt ist, aber deren Anzahl soll nicht darauf beschränkt sein und es kann eine jede Anzahl ausgebildet werden, wenn sie geeignet und erwünscht ist.
Die Auflagefläche 7 an der rechten Seite einer jeden radialen Rinne 9 ist eine geneigte Fläche, und eine vorstehende Fläche bzw. Lagersegment ("bearing land") 15 ist an der rechten Seite der geneigten Fläche ausgebildet. Die nächste radiale Rinne 9 ist an der rechten Seite des vorstehenden Flächenbereiches 15 ausgebildet. Durch Drehung der Turbinenwelle 2 bzw. des Bundes 14 wird bewirkt, dass das Schmieröl im Uhrzeigersinn auf der Auflagefläche 7 fließt, wie durch die Pfeile Y in 1B angezeigt ist. Der Bund 14 dreht sich zusammen mit der Turbinenwelle 2, da er an der Turbinenwelle 2 befestigt ist. Die geneigte Fläche hat in der Figur eine nach rechts ansteigende Höhe. Der vorstehende Bereich 15 hat eine konstante Höhe. Der vorstehende Bereich 15 ist der höchste Bereich auf der Auflagefläche 7.
Wenn diese Konfiguration implementiert wird, läuft das Schmieröl durch die Ölzufuhrleitungen 5, 6a und 6b hindurch und fließt von den Öffnungen 8 in die Ölzufuhrrinnen 9. Neues Schmieröl (neues Öl) wird kontinuierlich zugeführt, so dass das Schmieröl in den Ölzufuhrrinnen 9 radial zum Äußeren (welches die Auflagefläche umfasst) ausgetrieben wird, wobei es entweder durch die flachen Rinnen 12 fließt, oder durch den Bund 14, der sich zusammen mit der Turbinenwelle 2 dreht, auf die Auflagefläche 7 gezogen wird.
Das Schmieröl, das durch die flachen Rinnen 12 fließt, wird entlang der Gradienten 11 sanft in das Äußere (das die Auflagefläche umfasst) geführt. Somit ist es möglich, das Schmieröl im Inneren der Ölzufuhrrinnen 9 effizient zu zirkulieren, ohne einen verbleibenden Rest ("retention") zu erzeugen. Im Resultat kann die Öltemperatur in den Ölzufuhrrinnen 9 abgesenkt werden. Gleichzeitig wird die Öltemperatur des Schmieröls, das auf die Auflagefläche 7 gezogen wird, ebenfalls verringert, und ein Temperaturanstieg der Auflagefläche 7 wird verhindert.
Eine zweite Ausführungsform des Verdichter-Drucklagers gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 2A und 2B beschrieben. Man beachte, dass gleiche Bezugszeichen für gleichartige Teile und Komponenten in 1A, 1B, 2A und 2B verwendet werden, und dass die Beschreibung für solche Komponenten im Allgemeinen weggelassen wird. Die obere Hälfte der 2A zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C von 2B und die untere Hälfte zeigt den Querschnitt entlang der Linie D-D von 2B.
Wie in 2A gezeigt ist, ist das Drucklager 21 dieser Ausführungsform gekennzeichnet durch einen Aufbau, bei dem zusätzliche Ölzufuhrleitungen 22 in dem Drucklager 21 ausgebildet sind, um sich in der Nähe der Gradienten 11 der Ölzufuhrrinnen 9 zu öffnen. Insbesondere erstrecken sich zusätzlich zu den Ölzufuhrleitungen 6b, die sich wie in der ersten Ausführungsform entlang der Turbinenwelle 2 erstrecken, die zweiten Ölzufuhrleitungen 22, die einen kreisförmigen Querschnitt haben, ebenfalls entlang der Turbinenwelle 2, neben den ersten Ölleitungen 6b von den Leitungen 6a zu den radialen Rinnen 9. Eine Öffnung 23 des stromabwärtigen Endes einer jeden Ölzufuhrleitung 22 öffnet sich in der zugehörigen radialen Rinne 9 an einem Ort, der radial innen von dem Gradienten 11 und außen von der stromabwärtigen Öffnung 8 der Leitung 6b liegt. Daher wird das neue Öl von einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) den radial relativ außen liegenden Bereichen der Ölzufuhrrinne 9 zugeführt (bzw. in die Nähe der Gradienten 11). Man beachte, dass die Querschnittsform der Ölleitungen 22 nicht auf die kreisförmige beschränkt ist, sondern statt dessen auch polygonal sein.
Im Übrigen ist die Konfiguration der zweiten Ausführungsform die gleiche wie diejenige der ersten Ausführungsform.
Wenn die in 2A und 2B gezeigte Konfiguration implementiert wird, wird das neue Öl sowohl radial innen in die Ölzufuhrrinne 9 zugeführt, als auch in der Nähe der Gradienten 11. Somit ist es möglich, das Ölzufuhrvolumen zu steigern und das Schmieröl sogar noch effizienter zu zirkulieren. Da darüber hinaus das Öl sowohl in radialer Richtung innen als auch in der Nähe der Gradienten 11 in die Ölzufuhrrinne 9 zugeführt wird, wird das gekühlte neue Öl nicht nur dem Inneren der Auflagefläche 7 zugeführt, sondern auch deren Mitte. Somit wird neues Öl mit niedriger Temperatur über die gesamte Auflagefläche 7 verteilt, so dass die Effizienz der Kühlung der Auflagefläche sogar noch weiter erhöht werden kann.
Wie der obigen Beschreibung zu entnehmen ist, kann das Schmieröl effizient in den Ölzufuhrrinnen zirkuliert werden, und die Kühlungseffizienz der Auflagefläche kann erhöht werden. Somit weist die vorliegende Erfindung hervorragende Vorteile auf.

Claims

Verdichter-Drucklager (1), umfassend: einen Körper mit einer Auflagefläche (7); mindestens einen ersten Öldurchlass (5, 6a, 6b), der sich durch den Körper hindurch zur Auflagefläche (7) erstreckt; und mindestens eine Rinne (9), die mit dem mindestens einen ersten Öldurchlass (6b) kommuniziert und sich in der Auflagefläche (7) nach radial außen erstreckt, um der Auflagefläche (7) Öl aus dem ersten Öldurchlass zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass an einem radial äußeren Ende einer jeden der mindestens einen Rinne (9) ein Gradient (11) ausgebildet ist, so dass die Rinnentiefe der mindestens einen Rinne (9) in radial äußerer Richtung nach und nach abnimmt.
Verdichter-Drucklager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Ölzufuhr-Durchlass (22) ausgebildet ist, der sich durch den Körper hindurch zur Auflagefläche (7) erstreckt, um ebenfalls Öl in die wenigstens eine Rinne (9) zuzuführen.
Verdichter-Drucklager (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Ölzufuhr-Durchlass (22) sich in der Nähe des Gradienten (11) in der Rinne (9) öffnet.
Verdichter-Drucklager (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Öldurchlass (6b) sich in der Nähe einer sich drehenden Welle erstreckt, auf der das Drucklager (1) montiert ist, und sich der zweite Öldurchlass (22) neben dem ersten Öldurchlass (6b) erstreckt.
Verdichter-Drucklager (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche eine geneigte Fläche (7) hat, die sich von der Rinne (9) – bezogen auf den Fluss des Öls auf der Auflagefläche durch die Drehungen einer drehbaren Welle (2) des Verdichters – in eine Stromabwärtsrich tung (Y) erstreckt, und dass die geneigte Fläche (7) eine in Richtung des Flusses des Öls auf der Auflagefläche ansteigende Höhe hat.
Verdichter-Drucklager (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche ferner einen vorstehenden Flächenbereich (15) mit konstanter Höhe an der stromabwärtigen Seite der geneigten Fläche (7) hat.
Verdichter-Drucklager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient (11) eine Neigung von 30° bis 45° hat.
Verdichter-Drucklager (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Mehrzahl von Rinnen (9) in der Auflagefläche (7) ausgebildet ist, eine jede Rinne (9) an der stromabwärtigen Seite des vorstehenden Flächenbereichs (15) ausgebildet ist.
Drucklager (1) zur Verwendung in einem sich drehenden Element (2) eines Verdichters, umfassend: einen Körper mit einer Fläche (7), wobei die Fläche (7) einer Schubkraft von einem sich drehenden Element (2) eines Verdichters ausgesetzt ist; mindestens einen ersten Öldurchlass (5, 6a, 6b), der sich durch den Körper hindurch zur Fläche (7) erstreckt, um Öl von einer Ölquelle zuzuführen; und mindestens eine radiale Rinne (9), die mit dem ersten Öldurchlass (6b) kommuniziert und sich in der Fläche (7) nach radial außen erstreckt, zum Zuführen von Öl aus einer Ölquelle durch den ersten Öldurchlass zur Fläche (7), dadurch gekennzeichnet, dass Öl-Herausdrückmittel (11) vorgesehen sind, um zu veranlassen, dass Öl in der Rinne (9) in der Nähe eines radialen Endes der Rinne (9) aus der Rinne (9) herausgedrückt wird, so dass Öl, das auf der Fläche (7) fließt, gestaut wird und von Öl, das aus der Rinne (9) herausgedrückt wird, aus der Fläche herausgedrückt wird, und Öl, das aus der Rinne (9) herausgedrückt wird, auf die Fläche (7) fließt.
Drucklager (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Ölzufuhr-Durchlass (22) ausgebildet ist, der sich durch den Körper zur Fläche (7) erstreckt, um ebenfalls Öl in die radiale Rinne (9) zuzuführen.
Drucklager (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Ölzufuhr-Durchlass (22) in der Nähe der Öl-Herausdrückmittel (11) öffnet.
Drucklager (1) nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche eine geneigte Fläche (7) hat, die sich von der radialen Rinne (9) – bezogen auf die Richtung des Flusses des Öls auf der Fläche infolge von Drehungen eines drehbaren Elementes (2) eines Verdichters – in stromabwärtiger Richtung erstreckt, und dass die geneigte Fläche (7) eine in Richtung des Flusses des Öls auf der Fläche ansteigende Höhe hat.
Drucklager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche ferner einen vorstehenden Flächenbereich (15) mit konstanter Höhe auf der stromabwärtigen Seite der geneigten Fläche (7) hat.
Drucklager (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Herausdrückmittel (11) einen Gradienten mit einer Steigung von 30° bis 45° beinhalten.
Drucklager (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Mehrzahl von radialen Rinnen (9) in der Fläche (7) ausgebildet ist, eine jede radiale Rinne (9) an der stromabwärtigen Seite des vorstehenden Flächenbereichs (15) ausgebildet ist.