BEARING FOR ENGINE SHAFTS

Abstract: 1. A bearing arrangement for machinery with a vertical shaft (1), in the case of which a housing filled with oil is designed in the form of a rotating oil container (7) and its outer side is provided with cooling elements, on a stationary bearing carrier (4) one or more dam elements (12) are attached, whose receiving openings are arranged in the vicinity of the wall surface of the oil container and seals are arranged between the rotating oil container (7) and the bearing carrier (4), characterized in that the receiving openings of the dam elements (12) are arranged above the bearing elements (3 and 26) and in that the bearing elements (3 and 26) connected with the shaft (1) are arranged within an oil container (7) rotating at the same speed as the shaft and in that seals are arranged between the shaft (1) and a bearing support flange (5) holding the bearing carrier (4).

Description: Beschreibung Lagerung für Maschinenwellen Die Erfindung betrifft eine Lagerung für Maschinen mit vertikaler Welle gemäss dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Aus der EP-PS 0 077 291 ist ein sogenanntes selbstpumpendes Spurlager für elektrische Maschinen mit vertikaler Welle bekannt. Die Lagerelemente sind hier innerhalb eines stationären Gehäuses angeordnet, welches mit Öl gefüllt ist und sicherstellt, dass die Lagerelemente ständig innerhalb des Öles angeordnet sind. Eine in den rotierenden Teil der Lagerelemente angeordnete Pumpvorrichtung bewirkt eine Umwälzung des Öles, welches einem Ringkanal mit anschliessendem Ölkühler zugeleitet wird. Die Abdichtung des Ölbehälters gegenüber der Welle erfolgt durch ein Standrohr, welches über den Ölspiegel hinausragt. Diese Anordnung erfordert ein sehr grosses Bauvolumen und durch das im Bereich der Welle angeordnete Standrohr müssen grössere Lagerelemente Verwendung finden, wodurch in vielen Anwendungsfällen eine überdimensionierte Lagerung die Folge ist. Da aber mit der Lagergrösse auch die zulässige maximale Betriebsdrehzahl sinkt und die Lagerverlustleistung ansteigt, können sich Kühlungsprobleme ergeben. Da weiterhin die freie konvektive Wärmeableitung des Lagergehäuses ebenfalls gering ist, muss bei schnelldrehenden Maschinenwellen mit hohen Lagertemperaturen gerechnet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Maschinen mit vertikaler Welle eine mit Eigenschmierung versehene Lagerung zu entwickeln, die ohne zusätzliche Hilfssysteme eine zuverlässige Kühlung, eine störungsfreie Ölförderung und eine öldichte Ausführung zum Gegenstand hat. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäss dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches. Durch die Verwendung eines rotierenden Ölbehälters ist es möglich, dass die rotierenden Lagerelemente je nach Bauart entweder direkt auf der Welle montiert sind oder unter Zwischenschaltung einer dünnwandigen Wellenschutzhülse. Damit können die im Durchmesser kleinstmöglichen Lagerelemente Verwendung finden, welche sich an dem die Welle umgebenden Lagerträger abstützen. Entsprechend der Jeweiligen Betriebsverhältnisse kann ein entsprechend gross dimensionierter Ölbehälter flüssigkeitsdicht auf der Welle befestigt werden. Aufgrund der rotierenden Anordnung des Flüssigkeitsbeiiälters erfolgt eine erheblich grössere Wärmeableitung, wodurch eine zuverlässige Kühlung gewährleistet ist. Durch die Rotation des Olbehälters wird das darin befindliche Öl nach aussen gedrängt und es bildet sich im Inneren des Ölbehälters eine parabolische Öloberfläche aus. Aufgrund der unterschiedlichen Wichte von reinem Öl und einem mit Ölbläschen versetzten Öi befinden sich die schäumenden Bestandteile des Öles auf einem kleineren Radius als das reine flüssige Öl, welches nach aussen sowie nach oben gedrückt wird. Mittels der Anordnung von einem oder mehreren Stauelementen oberhalb der Lagerelemente und in unmittelbarer Nähe der Wandfläche des Ölbehälters wird sichergestellt, dass kein Ölschaum angesaugt wird und dass das angesaugte Öl infolge der Staudrtickkräfte und der Schwerkräfte durch die Lagerelemente hindurchfliesst. Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass der Lagerträger ein in vertikaler Richtung erstreckendes, rohrförmig ausgebildetes und stirnseitig mit dem Lagerträgerflansch verbundenes Bauteil ist, oder dass der Lagerträger als ein im Querschnitt L-förmiges Bauteil ausgebildet ist. Dieses einfach herzustellende Bauteil ist in einfachster Weise bezüglich seiner Länge an den Jeweils Anwendung findenden Ölbehälter oder die entsprechende Lagerung anpassbar. Die Verwendung einer rohrförmigen Kontur bietet sich zur einfachen Montage von Lagerelementen an, welche in überwiegender Weise Radialkräfte aufzunehmen haben. Dagegen würde das L-förmig ausgebildete Bauteil in den Fällen Anwendung finden, bei denen der Lagerträger mit Radial- und/oder Axiallagern versehen ist. Als Lagerelemente können die bekannten Wälz- oder Gleitlager Verwendung finden. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen Welle und Lagerträgerflansch eine oder mehrere Spaltdichtungen angeordnet sind, wobei an der Welle oder einer Wellenschutzhülse ein oder mehrere scheibenf & mige Dichtelemente angebracht sind. Eine oder mehrere dieser rotierenden Scheiben können als berührungslose Spaltdichtung ausgebildet sein, die in zuverlässiger Weise beim Betrieb der Maschine einen Austritt von Öl verhindert. Bei der Verwendung von mehreren Scheiben kann sichergestellt werden, dass durch eine unterschiedliche Länge der einzelnen Spalte auch innerhalb der Spalte eine unterschiedliche Förderwirkung entsteht, so dass durch entsprechende Wahl der Förderrichtungen eine zuverlässige Sperrwirkung erzeugt wird. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine oder mehrere Spaltdichtungen zwischen einem Ölbehälterdeckel und dem Lagerträger und/oder dem Ölbehälterdeckel und dem Lagerträgerflansch angeordnet sind. Auch damit wird eine während des Betriebs wirksame Dichtung erzeugt, bei der in zuverlässiger Weise ein Austritt des innerhalb des Behälters befindlichen Öles verhindert wird. Zusätzliche Erwärmungen infolge Reibungen an der Dichtungen treten bei der Verwendung berührungsloser Spaltdichtung nicht auf. Wiederum eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass innerhalb des stationären Lagerträgers ein oder mehrere Ölkanäle angeordnet sind. Damit wird sichergestellt, dass das von den Stauelementen aufgenommene Öl gleichmässig auf die einzelnen Lagerstellen verteilt werden kann. Eine entsprechende Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen dem Lagerträger und einem rotierenden Lagerelement ein Fördergewinde angeordnet ist. Diese Massnahme kann Verwendung finden bei doppelseitig wirkenden Axiallagern und zur Unterstützung der Ölzufuhr und zur Abdichtung dienen. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Stillstand der Ölspiegel innerhalb des Ülbehälters oberhalb der untersten Lagerelemente verläuft. Damit wird zum einen im Anfahrbetrieb eine sichere Schmierung der am stärksten belasteten Lager bewirkt und zum anderen die Reibungsverluste innerhalb der Fördervorrichtung minimiert, da während des Betriebes die Lagerelemente, beispielsweise eine Spurscheibe, nicht ständig innerhalb eines Ölbades rotiert. Zur besseren Abfuhr der Reibungswärme sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Aussenseite des rotierenden Ölbehälters mit Kühlelementen versehen ist. Hierzu können die unterschiedlichsten an sich bekannten Leitbleche, Kühirippen und dergleichen Verwendung finden. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die Fig. 1 eine Lagerung mittels Wälzlager, die Fig. 2 eine Axiallagerung mit einem Axialkräfte aufnehmenden Ölbehälter für wechselnd auftretende Kraft richtung und die Fig. 3 eine Axiallagerung mit einem entlasteten Ölbehälter, wobei die Axialbelastung im Stillstand und während des Betriebes nach unten gerichtet ist. Die Fig. 1 zeigt eine Lagerung, bei der auf einer rotierenden Welle (1) eine dünnwandige Wellenschutzhülse (2) aufgeschoben ist. Die Wellenschutzhülse (2) trägt in diesem Ausführungsbeispiel Wälzlager (3), die hier als Sclirägkugellager ausgebildet sind. Es könnenauch andere bekannte Lagerbauarten Verwendung finden. Die beiden dargestellten Wälzlager stützen sich mit ihren Lageraussenringen an einem stationären Lagerträger (4) ab, der mit einem Lagerträgerflansch (5) verbunden ist. Der Lagerträgerflansch (5) ist in diesem Ausführungsbeispiel an einer Motorlaterne (6) befestigt. Die Maschine des Ausführungsbeispiels stellt einen Elektromotor dar, der mit einem nicht dargestellten Kreiselpumpenaggregat verbunden ist, wobei die Motorlaterne (6) die Kraft- und Arbeitsmaschine miteinander verbindet. Die Dimensionierung des Lagerträgers (4) und des Lagerträgerflansches (5) erfolgt entsprechend den aufzunehmenden Radial- und Axialkräften. Auf der Pumpenwelle (1) ist weiterhin ein Ölbehälter (7) befestigt, der mit der Wellendrehzahl umläuft und mit einem O-Ring (8) gegenüber der Welle abgedichtet ist. Der Ölbehälter (7) umhüllt die Lagerelemente (3) sowie den Lagerträger (4) und reicht bis an den Lagerträgerflansch (5) heran. Die Ölmenge innerhalb des Ölbehälters (7) ist so bemessen, dass bei stillstehender Maschine die Wälzkörper des unteren, hier Axialkräfte aufnehmenden Lagerelementes (3) in den Ölspiegel (9) eintauchen. Dadurch ist sichergestellt, dass eine Stillstandsschmierung für das die Hauptkräfte übertragenden Lagerelementes gewährleistet ist. Da bei rotierender Welle der Ölbehälter ebenfalls mitrotiert, bildet sich innerhalb des Ölbehälters aufgrund der Zentrifugalkräfte ein parabolisch geformter Ölspiegel (10). Dieser steigt bereits bei geringer Drehzahl bis an den Deckel (11) des Ölbehälters (7) hinaus. Oberhalb der Lagerelemente (3) sind im Lagerträger (4) ein oder mehrere an sich bekannte Stauelemente (12) angeordnet, die entgegen der Drehrichtung mit ihren Staudffnungen in den rotierenden parabolisch ausgebildeten Ölspiegel (10) eintauchen. Für dieJenigen Anwendungsfälle, bei denen mit einer Drehrichtungsumkehrung zu rechnen ist, finden entsprechend anders angeordnete zusätzliche Stauelemente (12) Verwendung. Infolge des oder der Stauelemente (12) wird aus dem mit dem Ölbehälter (7) rotierenden Öl eine entsprechend notwendig grosse Ölmenge oberhalb der Lagerelemente (3) abgeschöpft und in den oberhalb der Lagerelemente (3) befindlichen Raum zwischen der Wellenschutzhülse (2) und dem Lagerträger (4) gefördert. Aufgrund der Staudruckkräfte und Schwerkrafteinwirkung fliesst das Öl durch die Lagerelemente (3) hindurch und schmiert und kUhlt dieselben. Aufgrund der selbständig wirkenden Ölzirkulation wird die Lagerverlustwärme an den Ölbehälter abgegeben und bedingt durch die rotierende Wandung mit hohem Wärmeübergangs koeffizienten an die Umgebungsluft abgeführt. Eine zwischen den Stauelementen (12) und dem Deckel (11) am Lagerträger (4) angebrachte stationäre Scheibe (13) ragt mit ihrem Aussendurchmesser in den oberen Teil des parabolisch ausgebildeten Ölspiegels hinein. Dies führt dazu, dass die durch die Zentrifugalkraft des rotierenden Öles bedingte Ölförderhöhe an der Scheibe (13) einen Ölstrom (14) abzweigt, welcher an der Aussenseite des Lagerträgers (4) herunterrinnt. Damit ist der Lagerträger (4) zusätzlich von aussen permanent mit einem Ölfilm überzogen, der die von den Lagerelementen (3) erzeugte Wärme aufnimmt und abführt. Zur Absonderung von im Öl eventuell befindlichen Feststoffteilchen ist der Ölbehälter (7) im unteren Bereich mit einer radialen Erweiterung (15) versehen, in der sich aufgrund der Zentrifugalkräfte die schweren Bestandteile ablagern. Der Deckel (11) des Ölbehälters (7) weist auf der nach innen gekehrten Seite radial verlaufende Rippen (16) auf, die der Scheibe (13) genau gegenüberliegen und zwischen dieser einen engen Spalt bestehen lassen. Aufgrund der Rotation des Deckels (11) erzeugen die Rippen (16) eine Pumpwirkung, die verhindert, dass ein eventueller Ölüberdruck am Deckel (11) entlangfliessen und durch den Spalt (17) zwischen Deckel (11) und Lagerträger (4) entweichen könnte. Infolge der Rippen (16) entsteht also eine Pumpwirkung, die zu einem sperrenden Ölring führt, wobei die Förderhöhe der Rippen (16) grösser als die durch die Zentrifugalkräfte bedingte Förderhöhe des Ölinhaltes ist. Im Gegensatz zu der hier benutzten berührungsfreien Dichtung können auch bekannte berührende Dichtelemente, wie Gleitringdichtungen oder Radialwellendichtringe, Verwendung finden. Die durch die Zentrifugalkräfte bewirkte Förderhöhe des parabolisch geformten Ölspiegels (10) kann durch Einbauten (18) beeinflusst werden. Hierbei sind glatte oder verrippte Scheiben denkbar, mit denen die Förderhöhe minimiert werden kann. Die Abdichtung zwischen dem Lagerträgerflansch (5) und der hindurchgeführten Welle (1) bzw. Wellenschutzhülse (2) erfolgt ebenfalls mit berührungslosen Dichtungen. Diese werden durch Scheiben (19, 20) gebildet, die hier auf der Vellenschutzhülqe (2) angeordnet sind und sich in radialer Richtung erstrecken. Dabei weist die Scheibe (20) einen grösseren Durchmesser als die Scheibe (19) auf, um somit zu verhindern, dass die Pumpwirkung der Scheibe (19) einen Ölnebel nach aussen befördern würde. Bedingt durch den grösseren Durchmesser der innen angeordneten Scheibe (20) wird somit eine zuverlässige Sperrwirkung erzeugt. Zum Schutz gegen Spritzöleinwiricungen kann zusätzlich auf der Innenseite des Lagerträgers (4) eine stationäre Scheibe (21) angeordnet werden, die oberhalb des Austrittes der Stauelemente (12) angebracht ist. Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein im Querschnitt L-fArmig ausgebildeter Lagerträger (4) Verwendung findet und an dem Lagerträgerflansch (5) befestigt ist. An dem in waaagerechter Richtung verlaufenden Teil des Lagerträgers (4) sind beidseitig als Axialgleitlager ausgebildete Lagerelemente (3) angebracht. Eine auf der Welle (1) direkt angebrachte und mit der Welle rotierende Spurscheibe (22) überträgt die .Axialkräfte der Welle (1) mittels der Lagerelemente (3) auf den Lagerträger (4). Im Gegensatz zur Fig. 1 ist der Ölbehälter (7) in diesem Ausführungsbeispiel kräfte¯ aufnehmend ausgebildet und somit stärker dimensioniert. Die Axialschübe der Welle werden infolge kräfteübertragender Elemente (23, 24) in den Ölbehälter (7) eingeleitet, in dessen Bodenfläche eine Aufnahme für die Lagerelemente (3) angeordnet ist. Der Lagerträger (4) ist hier mit innenliegenden ölkanäle (25) versehen, mit denen das durch die Stauelemente (12) aufgenommene Öl den Lagerelementen (3) zugeführt wird. Das hier verwendete Lager besteht aus rotierenden Ringen, die sich an einzelnen Axiallagersegmenten abstützen. Die Aufnahme der Radialkräfte erfolgt hier durch ein zwischen den Lagerelementen (3) angeordnetes separates Radiallager (26). Um zu verhindern, dass der das obere Lagerelement (3) verlassende Ölstrom infolge der Zentrifugalkräfte nach oben steigt, ist zwischen dem Lagerträger (4) und der Spurscheibe (22) eine Fördergewindesperre -(27) vorgesehen. Die Abdichtung zwischen der Welle (1) und dem Lagerträgerflansch (5) sowie zwischen dem Ölbehälter (7) und dem Lagerträger (4) erfolgt entsprechend der Fig. 1. Die Ölkanäle innerhalb des Lagerträgers (4) sind einfache, von aussen angebrachte Bohrungen, die anschliessend durch Einsätze (28) verschlossen werden. In der Fig. 3 findet eine Ausführungsform Verwendung, bei der der Ölbehälter (7) keine Lagerkräfte aufzunehmen hat. Eine auf der Welle (1) montierte Spurscheibe (22) überträgt die Kräfte ähnlich wie bei der Fig. 2 auf den Lagerträger (4). Im Unterschied zur Fig. 2 ist oberhalb der Spurscheibe (22) am Lagerträger (4) ein zusätzlicher Ringflansch (29) angebracht, der eventuelle Axialschübe aufnimmt und auf den Lagerträger (4) sowie den mit einer Anlagefläche versehenen Lagerträgerflansch (5) weiterleitet. Die Ölzufuhr erfolgt entsprechend der Aus führungs form gemäss Fig. 2. Den beiden Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 ist gemeinsam, dass innerhalb des Ölbehälters beim Stillstand der Maschine ein Flüssigkeitsstand (9) vorherrscht, unterhalb dessen das untere, die Massenkräfte aufnehmende Lagerelement (3) angeordnet ist. Zur besseren Wärmeabfuhr ist die Aussenfläche des Ölbehälters (7) mit Kühlrippen (30) versehen.

Claims: K 1 e i n, S c h a n z 1 i n & B e c k e r Aktiengesellschaft Patentansprüche 1. Lagerung für Maschinen mit vertikaler Welle, wobei innerhalb eines ölgefüllten Gehäuses mit der Welle verbundene Lagerelemente angeordnet sind und eine Fördereinrichtung die Lagerelemente mit Öl versorgt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein stationärer Lagerträger (4) von einem auf der Welle (1) befestigten und mit der Welle rotierenden Ölbehälter (7) umgeben ist, wobei zwischen dem rotierenden Ölbehälter (7) und dem Lagerträger (4) sowie zwischen der Welle (1) und einem den Lagerträger (4) haltenden Lagerträgerflansch (5) Dichtungen angeordnet sind und dass am Lagerträger (4) auf der dem Ölbehälter (7) zugekehrten Seite ein oder mehrere Stauelemente (12) angebracht sind, deren Aufnahme öffnung oberhalb der Lagerelemente (3) und in unmittelbarer Nähe der Wandfläche des Ölbehälters (7) angeordnet sind. 2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerträger (4) ein in vertikaler Richtung erstreckendes, rohrförmig ausgebildetes und stirnseitig mit dem Lagerträgerflansch (5) verbundenes Bauteil ist. 3. Lagerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Lagerträger (4) als ein im Querschnitt L-förmiges Bauteil ausgebildet ist. 4. Lagerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass zwischen Welle (1) und Lagerträgerflansch (5) eine oder mehrere Spaltdichtungen angeordnet sind, wobei an der Welle (1) oder einer Wellenschutzhülse (2) ein oder mehrere scheibenförmige Dichtelemente angebracht sind. 5. Lagerung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass eine oder mehrere Spaltdichtungen zwischen einem Ölbehälterdeckel (11) und dem Lagerträger (4) und/oder zwischen dem Ölbehälterdeckel (11) und dem Lagerträgerflansch (5) angeordnet sind. 6. Lagerung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass innerhalb des stationären Lagerträgers (4) ein oder mehrere Ölkanäle (25) angeordnet sind. 7. Lagerung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass zwischen dem Lagerträger (4) und einem rotierenden Lagerelement (3) ein Fördergewinde (27) angeordnet ist. 8. Lagerung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, dass im Stillstand der Ölspiegel (9) innerhalb des Ölbehälters (7) und oberhalb der untersten Lager elemente (3) verläuft. 9. Lagerung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, dass die Aussenseite des rotierenden Ölbehälters (7) mit Kühlelementen versehen ist.

Inventors: BEHR, ECKARD, GAFFAL, KARL, SCHILL, JURGEN, Schill, Jürgen
Applicants: KSB AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1987
Main classification: F16N7
IPC codes: F16N7, F16N31, F16C33