DE1243465B

DE1243465B - Radial plain bearings for the shaft of high-speed machines

Info

Publication number: DE1243465B
Application number: DESCH30055A
Authority: DE
Inventors: William E Woollenweber Jun; James A Hardy; Gerhard Paul
Original assignee: Schwitzer Corp
Current assignee: Schwitzer Corp
Priority date: 1960-09-26
Filing date: 1961-07-28
Publication date: 1967-06-29

Description

Radialgleitlager für die Welle schnellaufender Maschinen Die Erfindung betrifft ein Radialgleitlager für die Welle schnellaufender Maschinen mit wenigstens einer im Gehäuse schwimmend angeordneten Lagerbuchse, die mit der Welle und dem Gehäuse über das bei Gleitlagern übliche Spiel hinausgehende, mit einem unter Druck stehenden Schmiermittel gefüllte Ringspalte bildet und mit einer ihrer Stirnflächen axial gegen eine mit dem Gehäuse verbundene Anlaufscheibe angepreßt gehalten ist, die mit der Stirnfläche eine Reibungsbremse für die Lagerbuchse bildet.Radial plain bearings for the shaft of high-speed machines The invention relates to a radial plain bearing for the shaft of high-speed machines with at least a bearing bush floating in the housing, which is connected to the shaft and the Housing beyond the game usual with plain bearings, with a pressurized standing lubricant-filled annular gap forms and with one of their end faces is held axially pressed against a thrust washer connected to the housing, which forms a friction brake for the bearing bush with the end face.

Es ist bekannt, bei schnellaufenden Maschinen Wälzlager vorzusehen, die eine hohe Maschinendrehzahl gestatten. So sind beispielsweise Drehzahlen in der Größenordnung von 60 000 bis 80 000 U/min erreichbar. Allerdings haben die bekannten Lager bei hoher Drehzahl eine sehr begrenzte Lebensdauer, die allenfalls bei Militärflugzeugen od. dgl. in Kauf genommen werden kann, bei welchen üblicherweise zahlreiche mechanische Einrichtungen periodisch in kürzeren Zeitabständen ausgewechselt oder repariert werden. In der Privatwirtschaft ist eine derart begrenzte Lebensdauer jedoch nicht zu vertreten.It is known to provide roller bearings in high-speed machines, which allow a high engine speed. For example, speeds are in of the order of 60,000 to 80,000 rpm can be achieved. However, the well-known Bearings at high speed have a very limited service life, at most in the case of military aircraft Od. The like. Can be accepted, in which usually numerous mechanical Equipment replaced or repaired periodically at shorter intervals will. In the private sector, however, there is no such limited lifespan to represent.

Es ist auch bekannt, Gleitlager für schnellaufende Maschinen aller Art einschließlich Turboverdichtern zu verwenden. Die Drehzahl dieser Maschinen ist jedoch dadurch begrenzt, daß Gleitlager im allgemeinen nicht in der Lage sind, ein gewisses Maß an Unwuchtigkeit auszugleichen. Ferner können diese Gleitlager von sich aus auch nicht Resonanzschwingungen der umlaufenden Teile der kritischen Drehzahlen abdämpfen.It is also known to use plain bearings for all high-speed machines Type of use including turbo compressors. The speed of these machines is limited by the fact that plain bearings are generally not able to to compensate for a certain amount of imbalance. Furthermore, these plain bearings Neither do resonance vibrations of the rotating parts of the critical ones by themselves Reduce speeds.

Bei Turboverdichtern, denen Brennkraftmaschinen als Lader vorgeschaltet sind, sind bei Verwendung üblicher Gleitlager Drehzahlen bis 50 000 U/min zulässig. Höhere Drehzahlen, die zur Leistungssteigerung derartiger Brennkraftmaschinen erwünscht wären, führen zu Schmiermittelfilmwirbeln und Schlagen der Welle, was zur Folge hat, daß die Welle, statt um eine feste Mittelachse zu laufen, ausschlägt und in Schwingungen gerät. Dabei bewegt sich ihr Schwerezentrum auf einer kreisförmigen oder annähernd kreisförmigen Bahn, welche lediglich durch das Lagerspiel begrenzt wird. Weiterhin zeigte sich, daß bei Drehzahlen in der Größenordnung von 80 000 U/min die Lagerbelastung und die damit zusammenhängende Bewegung des Schmiermittelfilms so stark sind, daß der Schmiermittelfilm abreißt und sich infolge der unmittelbaren Metallberührung zwischen Lager und Welle ein rascher Lagerverschleiß ergibt.In turbo-compressors, which internal combustion engines are connected upstream as superchargers speeds of up to 50,000 rpm are permissible when using normal plain bearings. Higher speeds, which are desirable for increasing the performance of such internal combustion engines lead to lubricant film vortices and shaft slapping, which in turn has that the shaft, instead of running around a fixed central axis, deflects and in Vibration device. Its center of gravity moves on a circular one or approximately circular path, which is limited only by the bearing play will. It was also found that at speeds in the order of 80,000 RPM is the bearing load and the associated movement of the lubricant film are so strong that the lubricant film breaks off and as a result of the immediate Metal contact between the bearing and the shaft results in rapid bearing wear.

Wird die Arbeitsdrehzahl solcher Maschinen über die übliche Grenze gesteigert, so kann ein übermäßiger Schmiermittelfilmwirbel in gewissem Umfang durch ein relativ geringes Lagerspiel verhindert werden, jedoch hat die Welle dann nur eine geringe Bewegungsfreiheit in bezug auf die geometrische Achse des Lagers. Die bekannten Lager arbeiten daher auch bei eingeschränktem Lagerspiel nicht zufriedenstellend.If the working speed of such machines is above the usual limit increased, an excessive lubricant film vortex can to a certain extent through a relatively small bearing play can be prevented, but then the shaft only has little freedom of movement with respect to the geometrical axis of the bearing. the known bearings therefore do not work satisfactorily even with limited bearing play.

Zum Stand der Technik gehören auch Radialgleitlager mit einer schwimmend angeordneten Lagerbuchse (deutsche Patentschrift 840 634), bei welchen Ringspalten zwischen der Lagerbuchse und dem Lagergehäuse sowie der Welle unter Druck stehendes Schmiermittel zugeführt wird und die Lagerbuchse zur Erhöhung der Belastungsfähigkeit der Schmiermittelfilme gegen Drehung gesichert ist. Die Sicherung der Lagerbuchse gegen Drehung wird dabei durch einen an ihr befestigten Finger bewirkt, der zwischen zwei an dem Lagergehäuse angeordnete Stifte greift. Derartige Lager sind für Wellen schnelllaufender Maschinen nur bedingt geeignet. Der Grund hierfür liegt insbesondere darin, daß bei ihrer Verwendung für die Wellen schnellaufender Maschinen die Sperrstifte infolge von Vibrationsschwingungen der Lagerbuchse nach kurzer Zeit verschleißen und durchbrechen.The prior art also includes radial plain bearings with a floating arranged bearing bush (German Patent 840 634), in which annular gaps between the bearing bush and the bearing housing and the shaft under pressure Lubricant is supplied and the bearing bush to increase the load capacity the lubricant film is secured against rotation. Securing the bearing bush against rotation is caused by a finger attached to it, the between engages two pins arranged on the bearing housing. Such bearings are for shafts of high-speed machines only conditionally suitable. The reason for this is in particular in that when they are used for the shafts of high-speed machines, the locking pins as a result of vibration oscillations the bearing bush after a short time wear out and break through.

Ferner ist zur Lagerung von Wellen ein gegen Drehung gesichertes Mehrfachschalenlager bekannt (deutsche Patentschrift 21.1645). Bei diesem Lager sind sowohl die eigentlichen Lagerschalen als auch die diese umschließenden weiteren Schalen unterteilt. Zwischen die einzelnen Schalen wird bei dem Lager zur elastischen Dämpfung von Wellenschwingungen Schmiermittel gepreßt. Zum Festhalten der Schalen in ihrer Stellung dienen wieder Haltestifte. Zur Lagerung von Wellen schnellaufender Maschinen ist dieses Lager jedoch ebenfalls nur bedingt geeignet. Bei ihm besteht nämlich die Gefahr, daß bei höheren Drehzahlen infolge der Unterteilung der Lagerschalen die Schmiermittelfilme abreißen und infolge von Vibrationsschwingungen der Lagerschalen die Haltestifte abbrechen.Furthermore, a multi-shell bearing secured against rotation is used to support shafts known (German patent specification 21.1645). In this camp there are both the actual Bearing shells as well as the other shells surrounding them divided. Between the individual shells are used in the bearing for elastic damping of shaft vibrations Pressed lubricant. To hold the bowls in place again serve Retaining pins. This bearing is used to support the shafts of high-speed machines but also only suitable to a limited extent. With him there is a risk that with higher speeds as a result of the subdivision of the bearing shells, the lubricant films tear off and the retaining pins due to vibration of the bearing shells abort.

Schließlich wurde bereits ein Radialgleitlager für die Welle schnellaufender Maschinen mit wenigstens einer in dessen Gehäuse schwimmend angeordneten Lagerbuchse vorgeschlagen, die mit der Welle und dem Gehäuse über das bei Gleitlagern übliche Spiel hinausgehende, mit einem unter Druck stehenden Schmiermittel gefüllte Ringspalte bildet und mit einer ihrer Stirnflächen axial gegen eine mit dem Gehäuse verbundene Anlaufscheibe angepreßt gehalten ist, die mit der Stirnfläche eine Reibungsbremse für die Buchse bildet, um das Auftreten von Schmiermittelfilmwirbeln infolge von Drehungen derselben zu vermeiden. Zum Anpressen der Lagerbuchse gegen die Anlaufscheibe wird bei diesem Radialgleiter eine Druckfeder verwendet, die auf die der Anlaufscheibe abgewandte Stirnseite der Lagerbuchse einwirkt. Infolge der erforderlichen Druckfeder ist das vorgeschlagene Radialgleitlager jedoch noch zu kompliziert und kostspielig.After all, a radial plain bearing for the shaft was already running faster Machines with at least one bearing bush floating in its housing proposed that with the shaft and the housing over the usual with plain bearings Annular gaps that go beyond play and are filled with a pressurized lubricant forms and with one of its end faces axially against one connected to the housing The thrust washer is held pressed against the face with a friction brake for the bushing forms as a result of the occurrence of lubricant film vortices Avoid turning the same. For pressing the bearing bush against the thrust washer For this radial slider, a compression spring is used that acts on that of the thrust washer acts away from the end face of the bearing bush. As a result of the required compression spring However, the proposed radial sliding bearing is still too complicated and expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lagerbuchse eines Radialgleitlagers der zuletzt beschriebenen Art mit Hilfe des Schmiermittels abzubremsen. Die Erfindung liegt in dieser Aufgabe und ihrer Lösung, die darin besteht, daß die Buchse gegen die Anlaufscheibe durch das Schmiermittel gehalten ist, das den beiden Ringspalten über ihren ganzen Umfang von der der Anlaufscheibe abgekehrten Buchsenstirnfläche her unter Druck aus einer mit einem Einlaß versehenen Kammer des Gehäuses zugeführt wird und diese Buchsenstimfläche beaufschlagt.The invention is based on the object of the bearing bushing of a radial plain bearing brake of the type just described with the aid of the lubricant. The invention lies in this task and its solution, which consists in the fact that the socket against the thrust washer is held in place by the lubricant that penetrates the two annular gaps over its entire circumference from the bushing face facing away from the thrust washer supplied under pressure from an inlet chamber of the housing and this socket end face is applied.

Die Abbremsung der Buchse mit Hilfe des ohnehin vorhandenen Schmiermittels bringt der vorgeschlagenen Lösung gegenüber den Vorteil der größeren Einfachheit und den bekannten Lagern mit einer in Umfangsrichtung festgelegten schwimmenden Lagerbuchse gegenüber zusätzlich den der größeren Betriebssicherheit bei hohen Drehzahlen. Die Größe des Querschnittes der Lagerbuchse sowie die Höhe des Schmiermitteldruckes werden dabei den gegebenen Erfordernissen entsprechend bemessen.Braking the bushing with the help of the lubricant that is already available brings the proposed solution over the advantage of greater simplicity and the known bearings with a floating one fixed in the circumferential direction Bearing bush compared to that of the greater operational reliability at high speeds. The size of the cross-section of the bearing bush and the level of the lubricant pressure are dimensioned according to the given requirements.

Bei einem Radialgleitlager mit zwei in einem Gehäuse mit axialem Abstand nebeneinander angeordneten Lagerbuchsen ist die zum Zuführen von Schmiermittel dienende Kammer zwischen den Lagerbuchsen angeordnet, deren einander zugekehrte Stirnflächen vom Schmiermittel beaufschlagt sind, während zum Abführen des aus den Lagerspalten im Bereich der Anlaufscheiben ausströmenden Schmiermittels im Lagergehäuse eine weitere, mit einem Auslaß versehene Kammer angeordnet ist, die die beiden Lagerstellen des Gehäuses für die Lagerbuchsen und die Kammer weitgehend umfaßt.In the case of a radial plain bearing with two axially spaced apart in one housing bearing bushes arranged next to one another is the one used for supplying lubricant Chamber arranged between the bearing bushes, their facing end faces are acted upon by the lubricant, while for discharging the from the bearing gaps lubricant flowing out in the area of the thrust washers in the bearing housing further, provided with an outlet chamber is arranged, which the two bearing points of the housing for the bearing bushes and the chamber largely includes.

Ein Radialgleitlager mit einer erfindungsgemäß abgebremsten Buchse vermeidet weitgehend die Ausbildung von Schmiermittelfilmwirbeln sowie das Abreißen der Schmiermittelfilme. Darüber hinaus hat das Lager sehr gute Eigenschaften zur Schwingungsdämpfung, so daß die Welle mit bis zu 80000 U/min umlaufen kann, ohne daß ein rascher Verschleiß zu erwarten ist.A radial sliding bearing with a bushing braked according to the invention largely avoids the formation of fluid film vortices and tearing off the lubricant films. In addition, the bearing has very good properties for Vibration damping so that the shaft can rotate at up to 80,000 rpm without that rapid wear is to be expected.

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Turbolader mit einem Lager, dessen Buchse gemäß der Erfindung abgebremst ist, F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1.In the drawing is a preferred embodiment according to Invention shown, namely shows F i g. 1 shows a longitudinal section through a turbocharger with a bearing, the bushing of which is braked according to the invention, FIG. 2 one Cross-section along the line 2-2 in FIG. 1.

F i g. 1 zeigt einen turbinengetriebenen, schnelllaufenden Zentrifugalverdichter. Die Welle 17 des Verdichters ist in einem Lagergehäuse 18 mit Lagerstellen 19, 20 unter Zwischenschaltung von Lagerbuchsen 22, 23 gelagert. Zwischen der Welle 17 und der Innenfläche der Lagerbuchsen 22, 23 ist ein über das bei Gleitlagern übliche Spiel hinausgehender Ringspalt 24 (F i g. 2) vorgesehen. Ferner ist ein ebenfalls über das bei Gleitlagern übliche Spiel hinausgehender Ringspalt 24a zwischen den Innenflächen des Lagergehäuses 18 an den Lagerstellen 19, 20 und der Außenfläche der Lagerbuchsen 22, 23 vorhanden. Die Lagerbuchsen 22, 23 können somit gegenüber der Welle 17 einerseits und den Lagerstellen 19, 20 andererseits auf Schmiermittelfilmen schwimmen.F i g. 1 shows a turbine-driven, high-speed centrifugal compressor. The shaft 17 of the compressor is mounted in a bearing housing 18 with bearing points 19, 20 with the interposition of bearing bushes 22, 23. Between the shaft 17 and the inner surface of the bearing bushes 22, 23 there is provided an annular gap 24 (FIG. 2) which goes beyond the play customary in plain bearings. Furthermore, there is an annular gap 24a, which also goes beyond the play customary in plain bearings, between the inner surfaces of the bearing housing 18 at the bearing points 19, 20 and the outer surface of the bearing bushes 22, 23 . The bearing bushes 22, 23 can thus float on films of lubricant relative to the shaft 17 on the one hand and the bearing points 19, 20 on the other hand.

Die Buchse 22 liegt mit ihrem einen Ende axial gegen eine mit der Lagerstelle 19 verbundene Anlaufscheibe 25 an, die sich ihrerseits gegen eine Druckscheibe 26, eine weitere Druckscheibe 27 und eine auf diese axial einwirkende Feder 29 abstützt, die ihr Widerlager in einem weiteren, mittels einer Schraube 30 mit dem Gehäuse 18 verspannten Gehäuseteil 15 a findet. Neben der Stirnfläche 22 a der Lagerbuchse 22 ist in einer Nut der Lagerstelle 19 ein Sprengring 32 angeordnet, der die Buchse 22 in ihrer Arbeitsstellung hält.One end of the bushing 22 rests axially against a thrust washer 25 which is connected to the bearing point 19 and which in turn rests against a thrust washer 26, a further thrust washer 27 and a spring 29 which acts axially on this and which, in a further, by means of its abutment a screw 30 with the housing 18 braced housing part 15 a takes place. In addition to the end face 22 a of the bearing bush 22, a snap ring 32 is arranged in a groove of the bearing point 19, which ring holds the bush 22 in its working position.

In gleicher Weise ist die Lagerbuchse 23 angeordnet, wobei ein Sprengring 34 entsprechend dem vorgenannten Sprengring 32 die Lagerbuchse 23 in ihrer Arbeitsstellung hält und in einer Nut 37 der Lagerstelle 20 eine Anlaufscheibe 35 vorgesehen ist, die sich gegen einen weiteren Sprengring 36 abstützt, der ebenfalls in die Lagerstelle 20 eingesetzt ist.The bearing bush 23 is arranged in the same way, with a snap ring 34 corresponding to the aforementioned snap ring 32, the bearing bush 23 in its working position and a thrust washer 35 is provided in a groove 37 of the bearing point 20, which is supported against another snap ring 36, which is also in the bearing 20 is used.

Zur Versorgung der Lager mit unter Druck stehendem Schmiermittel ist das Gehäuse 18 mit einer Kammer 40 und einer Schmiermittelzuführöffnung 41 versehen, die an eine Schmiermittelquelle anzuschließen ist, z. B. an die COlzuführung einer Brennkraftmaschine, mit der der Verdichter zusammenwirkt.To supply the bearings with lubricant under pressure, the housing 18 is provided with a chamber 40 and a lubricant supply opening 41 which is to be connected to a lubricant source, e.g. B. to the COlzuführ an internal combustion engine, with which the compressor interacts.

Eine weitere Kammer 40 a, 40 b des Gehäuses 18 dient zur Aufnahme des aus den Lagerspalten im Bereich der Anlaufscheiben 25, 35 ausströmenden Schmiermittels; sie ist mit einer Auslaßöffnung 42 versehen, an die eine Schmiermittelrückleitung angeschlossen werden kann.Another chamber 40 a, 40 b of the housing 18 serves to receive the lubricant flowing out of the bearing gaps in the area of the thrust washers 25, 35; it is provided with an outlet opening 42 to which a lubricant return line can be connected.

Während des Betriebes wird die Welle 17 in Drehung versetzt, beispielsweise über eine Abgasturbine einer Brennkraftmaschine. In den Ringspalten zwischen den Lagerbuchsen 22, 23 und der Welle 17 sowie den Lagerstellen 19, 20 bilden sich Schmiermittelfilme aus, zwischen denen die Lagerbuchsen 22, 23 schwimmen. Um dabei das nachteilige Auftreten von Wirbeln im Schmiermittelfilm zu vermeiden, werden die Lagerbuchsen 22, 23 daran gehindert, sich mit der vollen Wellendrehzahl zu drehen, und zwar mit Hilfe des von dem Schmiermittel auf die Stirnflächen 22a, 23a der Lagerbuchsen 22, 23 ausgeübeten Drucks. Der Schmiermitteldruek erzeugt auf die Stirnflächen 22 a, 23 a am freien Ende der Lagerbuchsen 22, 23 Längskräfte, durch welche die Buchsen 22, 23 mit ihrem anderen Ende gegen die Anlaufscheiben 25, 35 gedrückt werden. Ferner strömt Schmiermittel zwischen den Lagerbuchsen 22, 23 und der Welle 17 einerseits sowie dem Lagergehäuse 18 andererseits durch die Ringspalte 24, 24 a, wobei die sich in diesen Ringspalten 24, 24a bildenden Schmiermittelfilme eine zusätzliche Bremswirkung hervorrufen.During operation, the shaft 17 is set in rotation, for example via an exhaust gas turbine of an internal combustion engine. In the annular gaps between the bearing bushes 22, 23 and the shaft 17 and the bearing points 19, 20 , lubricant films form, between which the bearing bushes 22, 23 float. In order to avoid the detrimental occurrence of eddies in the lubricant film, the bearing bushings 22, 23 are prevented from rotating at full shaft speed with the aid of the pressure exerted by the lubricant on the end faces 22a, 23a of the bearing bushings 22, 23 The lubricant pressure generates longitudinal forces on the end faces 22 a, 23 a at the free end of the bearing bushes 22, 23, by means of which the bushes 22, 23 are pressed with their other end against the thrust washers 25, 35. Furthermore, lubricant flows between the bearing bushes 22, 23 and the shaft 17 on the one hand and the bearing housing 18 on the other hand through the annular gaps 24, 24 a, the lubricant films forming in these annular gaps 24, 24 a causing an additional braking effect.

Das durch die Ringspalte 24, 24 a der Lagerbuchse 22 strömende Schmiermittel kann zwischen den Anlageflächen der Anlaufscheibe 25 sowie der Druckscheiben 26, 27 und einer Druckhülse 28 in die Kammer 40 a, 40 b einströmen und durch die Auslaßöffnung 42 austreten. In entsprechender Weise vermag das durch die Ringspalte 24, 24a der anderen Lagerbuchse 23 strömende Schmiermittel zwischen den Anlageflächen der Anlaufscheibe 35 und des Sprengringes 36 in die Kammer 40 b, 40 a zu gelangen.The lubricant flowing through the annular gaps 24, 24 a of the bearing bush 22 can flow into the chamber 40 a, 40 b between the contact surfaces of the thrust washer 25 and the pressure disks 26, 27 and a pressure sleeve 28 and exit through the outlet opening 42 . In a corresponding manner, the lubricant flowing through the annular gaps 24, 24a of the other bearing bushing 23 can reach the chamber 40b, 40a between the contact surfaces of the thrust washer 35 and the snap ring 36.

Der auf die Lagerbuchsen 22, 23 ausgeübte Schmiermitteldruck reicht aus, um deren Drehung gegenüber den Lagerstellen 19, 20 um ein beträchtliches Maß zu bremsen. Demzufolge läuft die Welle 17 mit einer relativ hohen Drehzahl gegenüber den Lagerbuchsen 22, 23 um, während diese ihrerseits mit relativ geringer Drehzahl gegenüber den Lagerstellen 19, 20 umlaufen.The lubricant pressure exerted on the bearing bushes 22, 23 is sufficient to brake their rotation relative to the bearing points 19, 20 by a considerable amount. Accordingly, the shaft 17 rotates at a relatively high speed with respect to the bearing bushes 22, 23, while these in turn rotate at a relatively low speed with respect to the bearing points 19, 20 .

Claims

Claims: 1. Radial plain bearings for the shaft of high-speed machines with at least one bearing bush floating in the housing, which forms annular gaps filled with a pressurized lubricant with the shaft and the housing over the usual clearance in plain bearings and with one of its end faces axially against a thrust washer connected to the housing is held pressed on, which with the end face forms a friction brake for the bearing bush, characterized in that the bearing bush (22 or 23) is held against the thrust washer (25 or 35) by the lubricant which the two Annular gaps (24, 24a) are fed over their entire circumference from the bushing face (22a or 23a) facing away from the thrust washer under pressure from a chamber (40) of the housing (18) provided with an inlet (41) and this bushing face is applied .

2. Plain bearing according to claim 1 with two bearing bushes arranged next to one another in a housing at an axial distance, characterized in that the chamber (40) serving for supplying lubricant is arranged between the bearing bushes (22, 23), the end faces (22a, 22a) of which face one another. 23a) are acted upon by the lubricant, and that a further chamber (40 a, 40 b) provided with an outlet (42 ) is arranged in the bearing housing (18) to discharge the lubricant flowing out of the bearing gaps in the area of the thrust washers (25, 35) is, which largely comprises the two bearing points (19, 20) of the housing for the bearing bushes and the chamber (40). Considered publications: German Patent Specifications No. 840 634, 211645.