DE2025591A1 - Lager iur Aufnahme einer Welle für große Geschwindigkeiten - Google Patents
Lager iur Aufnahme einer Welle für große GeschwindigkeitenInfo
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Description
Dr-inq. O. STÜRNER - Dr. F.MAYER · PATENTANWÄLTE
7530 PFORZHEIM · julius-naeher-strasse ix
Telefon (07231) 8749 · Postscheckkonto: Stuttgart 40827 · Bank: Dresdner Bank Pforzheim, Konto Nr. 3370
Dr.-Ing. O. SiOrner - Dr. F. Mayer, 7530 Pforzheim, Julius-Naeher-Slr. 13 ~|
Den H.Mai 1970
bitte angeben
Anmelderi Gaston BAYARD , 6, Place Wilson,
TOÜIO USE - Haute-Garonne (Frankreich)
Bezeichnung: Lager zur Aufnahme einer Welle für große Geschwindigkeiten
Die Erfindung betrifft ein lager zur Aufnahme einer Welle, die sich mit großer Geschwindigkeit drehen kann. Dieses
lager kann ein Kugellager, ein Walzenlager, ein Nadellager,
ein Rollenlager usw. sein. Der Einfachheit halber wird nachstehend von Kugellager gesprochen, obwohl sich die Erfindung
auf alle Arten von Lagern anwenden läßt.
Die Üblichen Kugellager bestehen aus einem inneren Ring,
der an einer Welle anliegt, aus einem äußeren Ring, der mit der Lagerschale des StUtzorgans in Berührung ist und wenigstens
einer Reihe Kugeln, die in einem Käfig eingeschlossen sind. Bei der Hontage wird der innere Ring praktisch ohne
Spiel auf der Welle aufgezogen, und zwarjso, daß er radial fest mit dieser verbunden ist. Des weiteren ist dieser Ring
zwischen zwei Drucklagern eingespannt, welche ihn kraftschlUssig
seitlich mit dieser Welle verbinden. Der äußere
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Lagerring ist in der Bohrung des Stützorgans mit einem sehr geringen Spiel bei einem Reibungskoeffizienten
untergebracht, der ausreicht, um eine Mitnahme in Drehrichtung zu verhindern; eine solche Drehbewegung würde
Verschleiß zur Folge haben und sogar die Möglichkeit einschließen, daß der Ring sich in seinem Lagersitz
festfrißt. Bei diesem Aufbau sind die Rotationsteile gezwungen, sich um die geometrische Achse zu drehen,
welche durch die Mittellinie der inneren Ringe der Lager bestimmt sind, auf denen diese Teile montiert
sind.
Andererseits ist bekannt, daß ein Aggregat, das sich mit großer Geschwindigkeit dreht, sofern es nicht
unter Zwang steht, sich natürlicherweise um seine Schwerpunktachse dreht. Wird dagegen dieses Aggregat
gezwungen, sich um eine Achse zu drehen, die nicht mit seiner Schwerpunktachse zusammenfällt, so ergeben
sich hohe Lagerbelastungen und bedeutende, für die Lebensdauer dieser Lager äußerst schädliche Erschütterungen.
Diese Belastungen entstehen einerseits durch eine nicht ausgeglichene Unwucht, andererseits
durch den unvermeidbaren Spielraum zwischen der Linie der Lagermitten und der geometrischen Achse
der Welle, schließlich durch Verformungen der sich drehenden Teile unter der Zentrifugalwirkung und der
Temperatur.
Es wurden schon Vorrichtungen vorgeschlagen, um die Übertragungen dieser Belastungen auf die festen Stützorgane
abzuschwächen: Eine derselben verwendet beispielsweise ein Lagerganzes, das aus einem äußeren
Ring besteht, der durch einen Zwischenraum vom festen StUtzorgan getrennt ist; dieser Zwischenraum enthält
einen hydrodynamischen Ölfilm. Derartige Vorrichtungen
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ermöglichen es in der Tat, die auf das feste Organ übertragenen Belastungen abzuschwächen; diese Belastungen
sind aber einerseits nur gedämpft und nicht ausgeschaltet, andererseits sind die Belastungskräfte,
denen die lager ausgesetzt sind, nicht verändert. Des
weiteren ist zu bemerken, daß in diesen Vorrichtungen der äußere Ring einer hypozycloidalen Bewegung im
Stützorgan ausgesetzt ist.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die auf- ä
tretenden Belastungen und Erschütterungen sowohl am lager als auch am festen Stützorgan auszuschalten.
Zu diesem Zweck ist ein Kugellager bestehend aus einem inneren, mit der Welle in Berührung stehenden Ring,
einem äußeren, mit der lagerschale eines Stützorgans
in Kontakt befindlichen Ring und wenigstens einer Reihe in einem Korb eingeschlossenen Kugeln dadurch
gekennzeichnet, daß
- einerseits die Bohrung des inneren Ringes und der Durchmesser der Welle so bemessen sind, daß zwischen
den beiden lagerflächen ein größeres oder gleichgroßes Radialspiel gewährleistet bleibt, wie der Ab- |
stand der Schwerpunktachse der Gesamtheit der sich drehenden Organe von der geometrischen Achse des
inneren Ringes, um welche die Drehung erfolgt;
- andererseits die einander gegenüberliegenden Flächen
dieser Welle und dieses inneren Ringes eine Einrichtung zur Mitnahme bei der Rotation aufweisen.
Das vorgesehene Radialspiel läßt so die beiden beweglichen Teile sich frei um ihre Schwerpunktachse drehen,
die natürlich mit der geometrischen Achse des inneren lagerringes, d.h. mit der dureh die linie der lagermitten
bestimmten geometrischen Achse zusammenfällt, auf welchen Mitten diese Teile montiert sind (denn ein
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sich drehendes Ganzes ist selbstverständlich auf mindestens zwei Lagern montiert).
Sobald die Schwerpunktachse der Welle und des sich drehenden
Ganzen mit der geometrischen Achse des Innenringes (oder der Innenringe) zusammengefallen ist, nehmen
diese Welle und dieser Innenring bei konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit
bestimmte relative Stellungen ein u. bleiben unverändert zueinander; Es gibt keine relative Verlagerung
dieser Welle gegenüber diesem Innenring, sondern nur eine Umdrehung der Gesamtheit von Welle, Drehorganen, Innenring
um die geometrische Achse des Innenringes, mit welchem, wie bereits erwähnt, die Schwerpunktachse des sich drehenden
Ganzen zusammengefallen ist. Sobald also diese Schwerpunktachse und diese geometrische Achse zu einer Achse
vereinigt sind, wickelt sich alles zwangsläufig mit konstanter Geschwindigkeit ab, genauso als ob der Innenring
starr mit der Welle verbunden wäre und zwar in einer solchen Lage, daß die Schwerpunktachse und die geometrische
Achse wie,vorerwähnt, zu einer einzigen Achse verschmolzen sind.
Eine derartige automatische Auswuchtung, wie auch immer die Geschwindigkeit der Welle sein mag, beseitigt jegliche
Art von Unwucht und jede Neigung zu Vibration; der Verschleiß der Kugellager wird somit erheblich vermindert
und ihre Lebensdauer in verhältnismäßig hohem Maße verlängert, so daß gegenüber den herkömmlichen Lagern bis
zu einer zehnfachen Lebensdauer erreicht werden kann.
Da Innenring und Welle ihre Lage zueinander nicht verändern, ist für die Oberflächen dieser Teile kein Verschleiß
zu befürchten,,
Wie sohon erwähmtr "beseitigen die herkömmlichen Vorrichtungen
die Unwuelrfcbelastungen in keiner Weise, weil die
Sohwerpunktaohse der sich drehenden Organe bei diesen
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Vorrichtungen stets von der geometrischen Achse, um welche die Umdrehung stattfindet, abweicht: Diese Vorrichtungen
ermöglichen lediglich eine Abschwächung der Übertragung dieser Unwuchtsbelastungen auf das Stützorgan
(oder den festen Rahmen). Daraus ergibt sich die Bedeutung der vorliegenden Erfindung, die auf ganz anderer
Grundlage zum Erfolg führt. Nachdem der Massenausgleich hergestellt ist, sind die Unwuchtsbelastungen
auf einfacheWeise ausgeschaltet, und auf das Lager und
auf das Stützorgan wirkt keinerlei Unwuchteffekt mehr λ
Die vorgesehene, sich drehende Einrichtung zur Mitnahme hat die Aufgabe, während der Umdrehung den Innenring mit
dessen Welle kraftschlüssig zu verbinden und jede Möglichkeit einer relativen Winkelverlagerung zwischen diesen
beiden Teilen auszuschalten.
Außerdem kann man zusätzlich ein schwaches Radialspiel zwischen dem äußeren Ring und der Lagerflache des Stützorgans
vorsehen, wobei diese Oberflächen so ausgebildet sind, daß eine Mitnahme bei Rotation sichergestellt ist.
Diese Einrichtung zur Mitnahme bezweckt lediglich, wie |
immer auch die differentiellen Dehnungen des Außenringes
und des Stützorgans sein mögen, eine Längsverschiebung des Lagers in seinem StUtzorgan zu ermöglichen. Des weiteren
wird auf diese Welse die Montage bei einer Vielzahl von in einer Flucht liegenden Lagern erheblich erleichtert.
Sei einem bevorzugten AusfUhrungsbeispiel besteht die
Einrichtung zur Mitnahme der Welle und des Innenrings eowie eventuell auch des Außenringes und der Lagerfläche
des Stutzorgans aus Längsnuten odtr Auszaokungen, die
auf diesen Oberflächen angebracht Bind. Das zwischen dem
Innenring und dem Organ vorgesehene Radialspiel kann eioh vorteilhafterwelae iwliohen sehn und zwanzig Mikron
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bewegen: Die modernen Bearbeitungsmittel ermöglichen es, die sich drehenden Teile so auszuwuchten, daß der Abstand
zwischen ihrer Schwerpunktachse und der geometrischen Drehachse unter diesem Wert liegt.
Der einerseits zwischen dem Innenring und der Wellenoberfläche,
andererseits evtl. zwischen dem Außenring und der Lagerfläche des Stutzorgans befindliche radiale
Spielraum, wird vorzugsweise mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, besonders mit Öl gefüllt. Diese
Flüssigkeit ermöglicht es, die Radialbewegungen des Lagers bei Drehzahlveränderungen zu dämpfen und einen Verschleiß
durch Relatiwerlagerung auszuschalten, welchen diese Bewegungen auf die Dauer hervorrufen könnten.
Die Erfindung betrifft gleicherweise die Verwendung von solchen Lagern für die Montage einer Welle, auf welcher
ein sich mit großer Geschwindigkeit drehendes Ganzes befestigt ist, wie z.B. einer Turbinen- und Kompressorwelle
in einer Gasturbine. Erfindungsgemäß sind die Lager in der Anzahl von mindestens zwei Stück vorgesehen,
und ein jedes derselben ist mit einem seitlichen Spiel zwischen zwei Drucklagern montiert und steht seitlich
durch elastische Mittel gegen das eine dieser Widerlager unter Belastung.
Dieser Aufbau gestattet dem Ganzen, die auf die Welle einwirken könnenden Längsbeanspruchungen.ohne übermäßiges
Verschleißrisiko für die Lager aufzunehmen.
Die nachfolgende Beschreibung anhand der beigefügten
Zeichnungen stellt ein nicht einschränkendes AusfUhrungsbeispiel
der Erfindung dar. Auf diesen Zeichnungen zeigt:
Pig. 1 einen Ausschnitt aus einer Welle, das Kugellager und die Lagerfläche eines Stützorgans;
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Pig. 2 ist eine Ansicht des Lagers in vergrößertem Maßstab, das auf eine Welle montiert ist und an
einem Stützteil anliegt;
Pig. 3 stellt schematisch die Lagerungen in einer Gasturbine dar.
In dem Ausführungsbeispiel besteht ein Kugellager 1 (Mg. 1 und 2), das einen konischen Lagerweg am Außenring
aufweist und dazu bestimmt ist, die Umdrehung einer Welle 2 in einem schematisierten StUtzorgan 3 |
ohne beachtenswerte Reibung zu gestatten, aus einem Außenring 4 einem Ring 5 (Innenring) und einer Kugelbrücke
6, die in einem Käfig 7 eingeschlossen ist. Der .Innenring 5 weist an seiner Innenwand Längsrillen
auf, die in Rillen 9 auf der Oberfläche der Welle 2 eingreifen. Das Profil dieser Rillen kann die Form einer
Kreisevolvente aufweisen. Die Form dieser Rillen ist in den Abbildungen übermäßig stark herausgestellt worden,
um sie deutlich sichtbar zu machen.
Der Außenring 4 weist ebenfalls Rillen 10 auf, die den
Zweck haben, in an der Lagerfläche des Stützorgans angebrachte Rillen 11 einzugreifen. Die Oberflächen |
der Rillen des Innenringes und der Welle passen mit einem Spiel von zehn Mikron zusammen, was der Schwerpunktachse
der sich drehenden Teile die Möglichkeit gibt, sich mit der geometrischen Drehachse zu verschmelzen, wodurch jede Unwuchtwirkung vermieden wird.
. Außerdem sind an der inneren Fläche des Innenringes und an der äußeren Fläche des Außenringes 4 jeweils
Rillen 12 und 13 angebracht, die dazu dienen, den Kreislauf des Öls zu gestatten, das die freien Räume ausfüllt
- einerseits zwischen Innenring und Welle, anderer- · seits zwischen Außenring und Stützorgan - welche Voraussetzung
für das vorerwähnte Spiel ßlnd. 009849/17 0-4
In der Welle 2 (nicht sichtbar) und im Stützorgan 3 (bei 14 schematiBch angedeutet) angebrachte Kanäle
leiten diesen Ölkreislauf zu diesen Räumen. Diese Flüssigkeit macht den Lagerverschleiß, der einerseits
zwischen Welle und Innenring und durch die Radialbewegungen bei Drehzahlveränderung entsteht, und andererseits
zwischen Außenring und Stützorgan durch die Längsverschiebungen des Lagers, geringfügig.
Das Kugellager ist somit derart ausgeführt, daß es den sich drehenden Teilen, gleich welcher Drehgeschwindigkeit,
gestattet, sich um ihre Schwerpunktachse zu drehen.
Dieses Kugellager ist besonders interessant für große Drehgeschwindigkeiten, wie z.B. in dem unter Pig. 3
schematisch dargestellten Fall einer Gasturbine.
Auf dieser Abbildung erkennt man unter 15 und 16 erfindungsgemäße Kugellager und bei 17 einen Führungskanal
für das in der Rille ihres Außenrings unter Druck stehende Öl.
Ferner sieht man, schematisch dargestellt, übliche Gasturbinenteile,
nämlich ein Turbinenrad 18 und ein Kompressorrad 19, die auf einer Welle 20 montiert sind, wobei
eine Feder 21 mit Hilfe der Zwischenstücke 22 und 23 auf die Außenringe der Lager drückt.
Ein festes Drucklager 24 begrenzt die Verschiebung der
Teile 22 und 23 und demzufolge der Lager 15 und 16. Die
Stellung der verschiedenen Bauteile der Figur 3 setzt voraus, daß ein Axialdruck in Richtung auf das Kompressorrad
19 aas Turbinenrad 18 auf die Welle 20 ausgeübt wird: Das für den Einbau der Kugellager vorgesehene seitliche
Spiel ist unter J1 für Lager 15 und unter J2 für Lager zu erkennen.
) gegen 009849/1704
Diese Anordnung ermöglicht es, die besagten längsdrücke
ohne übermäßigen Verschleiß der Lager aufzufangen.
Die vorliegende Beschreibung schränkt den Bereich der
Erfindung in keiner Weise ein, die sich auf alle Varianten
und Verbesserungen bezieht, die im Können eines Fachmanns liegen. Im besonderen schließt die Erfindung,
wie bereits angegeben, alle Arten von Lagern ein: Kugellager, Walzenlager, Nadellager, Rollenlager usw.
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Claims (7)
- Patentansprüche/i.jLager, im besonderen Kugellager, Walzenlager, Nadellager oder Rollenlager zur Aufnahme einer Welle, die für große Umdrehungsgeschwindigkeiten geeignet ist;mit einem in Anlage mit dieser Welle befindlichen Innenring, einem mit der Lagerfläche eines Stützorgans in Anlage befindlichen Außenring und wenigstens einer Reihe Kugeln - oder Walzen, Nadeln, Rollen usw. -, die in einem Käfig eingeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß - einerseits die Bohrung des Innenringes (5) und der Durchmesser der Welle (2) so bemessen sind, daß zwischen den beiden Lagerflächen ein größeres oder gleichgroßes Radialspiel wie der Abstand der Schwerpunktachse der Gesamtheit der sich drehenden Organe (2, 5, 6, 7, 4) von der geometrischen Achse des Innenringes (5) besteht, um welche die Drehung erfolgt und - andererseits die sich gegenüberliegenden Oberflächen dieser Welle (2) und dieses Innenringes (5) eine Einrichtung (8, 9) zur Mitnahme bei der Rotation aufweisen.
- 2. Lager gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Außenringes (4) und die Bohrung der Lagerfläche des Stutzorgans (3) so bemessen sind, daß zwischen diesem Oberflächenpaar ein schwaches Radialspiel von einigen Mikron besteht, wobei diese sich gegenüberliegenden Oberflächen eine Einrichtung (10, 11) zur Mitnahme während der Umdrehung aufweisen.009849/1704
- 3. Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (8, 9 "bzw. 10, 11) zur Mitnahme " während der Umdrehung der Welle (2) und des Innenringes (5) oder des Außenringes (4) und der Lagerfläche des Stützorgans (3) aus auf diesen Oberflächen angebrachten Längsrillen (8, 9; 10, 11) bestehen.
- 4.Lager nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen dem Innenring (5) und der Oberfläche der Welle (2) vorgesehene Radial- " spiel eine Größe zwischen zehn und zwanzig Mikron aufweist.
- 5. Lager nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Radialspiel zwischen Innenring (5) und Oberfläche der Welle (2) ermöglichenden Räume mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, im besonderen mit Öl, gefüllt sind.
- 6. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 4ae zwischen Außenring (4) und Lagerfläche des Stützorgans (3) eine unter Druck λ stehende Flüssigkeit, insbesondere Öl, eingefüllt ist.
- 7. Verwendung von Lagern nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Welle, auf der ein sich mit großer Geschwindigkeit drehendes Ganzes befestigt ist, wie z.B. für eine Turbinenwelle und Kompressorwelle in einer Gasturbine", dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Lager vorhanden sind, von welchen ein jedes mit einem seitlichen Spiel zwischen zwei Drucklagern montiert ist und durch elastische Mittel seitlich gegen eines dieser Widerlager gedrückt wird.009849/170 4
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