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Vorrichtung zur Wärmeabfuhr von Wälzlagern Die Erfindung bezieht sich
auf die Abführung von Wärme von in einem Gehäuse angeordneten Wälzlagern. Es besteht
dabei die Aufgabe, die Wärme, die im Lager selbst entsteht, und die von einer umlaufenden
Maschine über die Welle weitergeleitete Wärme nach außen hin abzuführen.
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Es ist bereits ein Wälzlager auf heißer Welle bekanntgeworden, welches
mittels einer dünnwandigen Büchse als Träger, von einem inneren Durchmesser größer
als dem Wellendurchmesser, in einem gewissen Abstand seitlich vom Lager mit der
Welle verbunden ist. Die Wärmeabfuhr erfolgt dabei aber durch eine besondere Kühlung
durch Leitung des Schmiermittels für das Lager an die tragende Büchse. Wenn bei
einem derartigen Wälzlager, dessen Innenring mit der Welle umläuft, rotierende mitumlaufende
Scheiben vorgesehen sind, so dienen diese dazu, zu verhindern, daß das herumspritzende
Schmiermittel die Wälzkörper trifft.
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Demgegenüber muß bei der Vorrichtung nach der Erfindung nicht ein
flüssiges Schmiermittel zur Küh-Iung herangezogen werden. Die Erfindung erlaubt
vielmehr mit Hilfe des das Lager bzw. den Maschinenteil ohnehin umgebenden Mediums,
d. h. im allgemeinen Luft, die Lagerkühlung zu bewerkstelligen.
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Die Erfindung macht dabei von der Erzeugung einer Strömungsart Gebrauch,
die im Umlaufraum am Wälzlager selbst erzeugt und aufrechterhalten wird. Durch diese
in besonderer Weise geartete Strömung kommt ein Wärmetransport von den wärmeabgebenden
Lagerteilen zu einem entsprechenden wärmeaufnehmenden Gehäuseteil zustande. Die
Erfindung besteht darin, daß an sich bekannte, nach außen hin konisch zulaufende
Scheiben, neben dem Lager angeordnet, eine aufgerauhte oder mit einem Drahtnetz
versehene Oberfläche aufweisen und ein den Umlaufraum axial nach außen abdeckender,
den Scheiben zugekehrter Gehäuseteil ebenfalls mit einer aufgerauhten Oberfläche
oder mit einem Drahtnetz versehen ist.
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Das Gehäuse kann innen mit einem ringförmigen Vorsprung mit einer
den Scheiben zugewandten Innenkante versehen sein. Zumindest die seitlich nach außen
hin abgewandte Fläche dieses Vorsprunges kann dabei nach einer Parabelform gestaltet
sein. Die Scheiben lassen sich als einseitige oder doppelseitige Saugscheiben ausbilden.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die
Figuren zeigen Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung wesentlichen Teilen
in stark vereinfachter, zum Teil schematischer Darstellung. Gleiche oder einander
entsprechende Teile sind in den einzelnen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich
in geringem Abstand beiderseits vom Wälzlager je eine auf der Welle aufgezogene
Scheibe 1 mit aufgerauhter Oberfläche. Der Querschnitt jeder Scheibe 1 ist
am Wellenbund 5 am stärksten und verjüngt sich in an sich bekannter Weise bis zum
Scheibenrand, um dort schneidenartig auszulaufen. Im Bereich des äußeren Scheibenrandes
hört die Aufrauhung auf.
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Die Wirkungsweise der Erfindung vollzieht sich hier derart, daß beim
Umlauf der Welle das Medium in Achsrichtung an die Oberflächen der beiden Scheiben
1 herantritt, so daß an diesen eine Grenzschicht gebildet wird. Die Medienteilchen
werden jetzt in radialer Richtung spiralförmig durch die an den Scheibenflächen
wirkende Zentrifugalkraft beschleunigt. Damit erhalten die herantretenden Medienteile
einen drehungsfreien Umlaufsinn. Sie entfernen sich dabei in Achsrichtung beiderseits
von dem Wälzlager. Vom Scheibenrand kehren sie der Lagerkontur 3 folgend zum Wälzlager
zurück. Um den drehungsfreien Umlaufsinn der Medienteile zu erhöhen, kann der freie
Teil der Abstützwand 4 im Lagerinneren z. B. durch Netze 2 aufgerauht sein.
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Um eine verstärkte axial vom Wälzlager weg gerichtete Beschleunigung
der Medienteile in Richtung der Pfeile 7 zu erreichen, kann es von Vorteil sein,
der rotationssymmetrischen Lagerkontur 3 eine parabelförmige Querschnittsform zu
geben. Vor den Wirbelringen 6 wird dadurch eine Senke erzeugt, durch die die Winkelgeschwindigkeit
der Ringwirbel verringert wird.
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Auf der Außenseite der Scheiben 1 werden ebenfalls Wirbelringe 8 hervorgerufen,
deren Winkelgeschwindigkeit durch zwei im Raum 9 liegende Strömunsgebilde abgesenkt
wird. Die Anregung dieim
ser Strömungen und ihre Aufrechterhaltung
erfolgt durch die aufgerauhte Oberfläche 10 an der Außenseite der beiden
Scheiben 1. Die erzeugten Senken liegen vor den beiden Scheiben, deren Saugwirkung
die axial liegende Translationskomponente 11 der Ringwirbel 8 beeinflußt, so daß
die Winkelgeschwindigkeit der Ringwirbel 8 absinkt.
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Die im Umlaufraum erzeugte und aufrechterhaltene Strömung stellt eine
Bewegung von Medienteilchen nach Art der bekannten »Strömung über festem Grund«
dar. Um diese Strömung hervorzurufen, sind erfindungsgemäß nicht nur die Oberflächen
der konischen mitumlaufenden Scheiben aufgerauht, sondern auch die nicht umlaufenden
Gehäuseteile. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zum beiderseitigen
Verschluß des Umlaufraumes für das Wälzlager angebrachten La-:;erdeckel 12 innen
mit aufgerauhten Flächen 13 ausgestattet. Zum Verstärken der axialen Komponente
dieser Strömung, sind überdies die Konturen 14 der Lagerdeckel etwas konisch nach
außen auseinanderlaufend ausgebildet. Diese Formgebung begünstigt die Ausbildung
einer Senke vor den Wirbelringen, wodurch die Wirbelgeschwindigkeit der Wirbelringe
15 herabgesetzt wird, die sich im äußeren Bereich des Umlaufraumes ausbilden.
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Es ist zu empfehlen, die Stärke der Strömung je nachdem, ob die Wärmeabfuhr
nach der einen oder nach der anderen Seite begünstigt wird, danach auszubilden.
Bei dem in F i-g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind symmetrische Bedingungen
angenommen und dementsprechend die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr im wesentlichen symmetrisch
gestaltet.
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Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich
um eine Ausbildung, die insbesondere für kleine Drehzahlen von besonderer Bedeutung
ist. Trotz langsamen Umlaufes wird hier noch eine große Saugwirkung dadurch erreicht,
daß die beiden in F i g. 1 mit 1 bezeichneten Seheiben durch doppeltwirkende Saugscheiben
ersetzt sind. Die doppeltwirkende Saugscheibe besteht jeweils aus zwei Scheiben
17, von denen jede eine Eindrehung aufweist, die mit einem Drahtnetz 19 überdeckt
ist. Diese Eindrehung 18 bildet einen Hohlraum. Dieser Hohlraum ist durch mindestens
eine öffnung, z. B. drei öffnungen 20, mit einem Hohlraum 21 a, 21 b verbunden.
Von den beiden zusammenhängenden Hohlräumen 21 a und 21 b sind im Teil 21 a Flügel
22 vorgesehen. Mit 23 ist eine scheibenförmige Abdeckung der Flügel bezeichnet.
Zwischen den Abdeckseheiben 23 befindet sich ein ringförmiger Hohlraum 24. Der äußere
Ringraum 21 b außerhalb der Flügel 22 verjüngt sich in radialer Richtung. Die Wandungen
25 sind glatt ausgebildet. Dagegen weisen die äußeren Oberflächen 26 der Scheiben
17 entsprechend den in F i g.1 mit 1 bezeichneten Scheiben Rauhigkeiten auf und
verjüngen sieh ebenfalls zum äußeren Rand hin.
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Das Medium tritt in axialer Richtung von beiden Seiten her durch das
Drahtnetz 19 in den unmittelbar hinter diesem liegenden Hohlraum 18 ein, gelangt
dann durch die öffnungen 20 in den Hohlraum 21 a, wird mit den Flügeln 22 zum äußeren
Teilhohlraum 21 b geleitet und nimmt dort eine drehungsfreie Umlaufströmung an.
Von dort strömt das Medium spiralförmig nach außen ab. Hier bildet sich e?ne Wirbelquelle
aus. Ein kleiner Teil der Strömung durchsetzt den Raum 24 auf einer spiralförmigen
Bahn. Dabei bildet sich eine Senke 27. Das Strömungsgebilde ist dabei durch Wirbelquellen
an den Wandungen 25 und Senke 27 in der Mittelebene E charakterisiert.
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Die in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform stellt, ein Beispiel
für eine indirekte Beeinflussung der Ringwirbel dar. Der Umlaufraum des Wälzlagers
selbst ist dabei durch zwei Lagerdeckel 28 abgeschlossen, wobei außerhalb
der beiden Lagerdeckel abermals Räume gebildet werden, in denen sich mit der Welle
umlaufende, aufgerauhte, zum Rand hin zugespitzte Scheiben befinden und der so gebildete
äußere Umlaufraum jeweils wieder nach außen hin durch nach innen hin aufgerauhte
Deckel abgedeckt ist. Die eigentlichen Lagerdeckel sind nach außen 1?in im Bereich
der Welle 29 in ihrem Querschnitt verstärkt. Nach dem Lager zu sind die Wandungen
mit Aufrauliungen 31 a versehen, so daß eine Ströniung 37 angeregt wird, die vom
Wälzlager 30 Wärme zum Lagerdeckel 28 führt.
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Die Außenflächen der Lagerdeckel 28 sind ebenfalls aufgerauht,
so daß in Zusammenwirken mit den nufgerauhten Oberflächen der Scheiben 1 sowie der
Aufrauhung 33 der äußeren Abdeckung 32 Strömungen hervorgerufen werden, wie sie
in ähnlicher Form bereits bei der direkten Wärmeabführung gemäß F i g. 1 vorhanden
sind. Durch den Umlauf der Wälzkörper bildet sich an der inneren Fläche 31 a der
Lagerdeckel 28 eine Drehströmung über festem Grund aus. Durch die beiden
umlaufenden Scheiben entsteht im Raum 35 das spiegelbildlich gelegene Strömungsgebilde,
wobei an den Oberflächen 31 b der Lagerdeckel 28 zusätzlich die Drehströmung über
festem Grund das Strömungsgebilde im Raum 35 unterstützt. Bei der geschlossenen
Ausführung bildet sich zusätzlich an den aufgerauhten Oberflächen 33 der äußeren
Lagerdeckel 32 eine Drehströmung über festem Grund, die das Strömungsgebilde im
Raum 34 weiter verstärkt. Die Drehströmung übernimmt dabei den Wärmetransport von
innen nach außen hin.
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Bei Lagern mit Flüssigkeitsfüllung, wobei das lagerfüllende Medium
beispielsweise aus einer Schmierflüssigkeit besteht, kann dieser Flüssigkeit eine
Strömung aufgedrückt werden. Ausführungsformen, die nach diesem Prinzip arbeiten,
sind in den F i g. 4 und 5 veranschaulicht.
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Hier ist zwischen einem äußeren und einem inneren Flüssigkeitsumlauf
zu unterscheiden. Beim äußeren Flüssigkeitsumlauf tritt, wie aus F i g. 4 ersichtlich
ist, die Flüssigkeit durch ein Rohr 37 von oben her in die Hohlräume 34, 35 ein
und wird durch eine Pumpe aus den Räumen durch ein Abflußrohr 38 abgesaugt. Beim
inneren Flüssigkeitsumlauf wird, wie aus F i g. 5 ersichtlich ist, die Flüssigkeit
in der senkrechten Richtung durch eine umlaufende Scheibe 11 angeregt.
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Bei den in F i g. 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen ist ein
Profilring 36 vorgesehen, der in der Weise aufgeschnitten ist, daß eine Nut 39 bzw.
40 entsteht. Im Lagerdeckel 28 (F i g. 5) führt eine Verbindungsnut 41 radial nach
oben und mündet in eine Ringnut 42 um die Welle 29. Die Nut 40 im Profilring 36
sowie die Ringnut 42 im Lagerdeckel 28 sind mit Drahtnetzen 43 und 44 abgedeckt.
Die Verbindungsnut 41 ist durch ein Blech 45 abgedeckt, dessen Oberfläche 46 aufgerauht
ist. Durch die umlaufende Scheibe II wird die Flüssigkeit in eine Strömung
versetzt,
deren Umlaufsinn aus den in F i g. 5 eingezeichneten Pfeilen ersichtlich ist. An
den tiefer gelegenen Stellen der Räume 34, 35 entsteht eine Senke, durch
die ein Abbau des statischen Druckes in der Senkrechten eintritt.
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Für den Betrag der zwischen der Scheibenwand und der Flüssigkeit übertragenen
Wärmemenge spielen die Vorgänge in der Randzone eine entscheidende Rolle. Die Wanderung
der Wärme erfolgt einerseits durch Transport mit strömendem Medium, d. h. Flüssigkeitskonvektion,
andererseits durch Wärmeleitung. Schließlich noch außerdem durch Wärmestrahlung.
Bei mäßigen Temperaturen spielt die Wärmestrahlung naturgemäß nur eine untergeordnete
Rolle. Bei der Konvektion hat man zwischen der Konvektion durch geordnete Strömung
und Konvektion durch turbulenten Austausch zu unterscheiden. Konvektion durch geordnete
Strömung gibt einen Transport in der Strömungsrichtung. Konvektion durch turbulenten
Austausch bewirkt einen Wärmetransport in der Richtung des größten Temperaturgefälles,
der dadurch zustande kommt, daß bei der turbulenten Mischbewegung die von der heißen
Seite herkommenden Flüssigkeitsballen mehr Wärme transportieren als die von der
kälteren Seite herkommenden. Hierbei ist es wichtig, daß in der Grenzschicht eine
turbulente Strömung herrscht, also ein Übergang in eine laminare Strömung vermieden
wird.
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Wie aus den Darstellungen gemäß F i g. 6 ersichtlich ist, wird durch
die erfindungsgemäß künstlich erzeugte Strömung eine Veränderung von Wärmewirbeln
hervorgerufen, wie sie in Grenzschichten an erwärmten Körpern zunächst auftreten.
Durch die Saugwirkung wird die Anzahl der Wärmewirbel und dieWinkelgeschwindigkeit
derWirbelscheibengrößer.
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Bei dem in F i g. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Strömung
in Achsnähe bei 48 in axialer Richtung in die Saugscheibe eingezogen. Das in F i
g. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel ist im Prinzip mit der Ausführungsform gemäß
F i g. 2 eng verwandt und unterscheidet sich vornehmlich dadurch, daß an Stelle
einer doppelseitigen Saugscheibe jetzt eine einseitige Saugscheibe vorgesehen ist.
Im Bereich 48 kann hier ebenfalls eine Drahtnetzabdekkung vorgesehen sein, so daß
durch dahinterliegende Durchbrechungen die Strömung in den Bereich des inneren Hohlraumes
mit den Schaufeln gelangt.