DE3842230C1 - Fan having an impeller mounted in an overhung manner - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventilator mit einem Laufrad, das fliegend auf einer Welle angeordnet ist, die mit zwei im Ab­ stand voneinander liegenden Wälzlagern in einem Lagerstuhl gela­ gert ist.

Wälzgelagerte Ventilatoren mit fliegend angeordnetem Laufrad und Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 270 m/s werden für den Betrieb unterhalb der ersten kritischen Drehzahl (Gleichlauf) ausgelegt. Die hierfür notwendige hohe Gesamtsteifigkeit des Systems führt konstruktiv zu dicken Wellen und entsprechend großen Zylinder­ rollenlagern auf der Laufradseite, die spezifisch niedrig belastet sind. Die geringe statische Lagerlast und die aus thermischen Gründen erforderliche Lagerluft habe eine starke Anisotropie der Lager zur Folge, die die rechnerische Bestimmung der kritischen Drehzahl deutlich beeinflußt.

Für die Fertigung und Montage bedeutet dies, daß vorgegebene Lagerluftwerte in engen Toleranzgrenzen eingehalten werden müssen. Im Fall einer Ersatzmontage können Probleme hinsichtlich Beschaf­ fung und Fertigung auftreten, da Lager, Lagerstuhl und Wellen nicht beliebig kombinierbar sind. Neben den technischen Problemen ist der wirtschaftliche Gesichtspunkt zu sehen.

Die Erfahrungen mit ausgeführten Maschinen haben gezeigt, daß Rotoren in spezifisch niedrig belasteten Zylinderrollenlagern empfindlich auf Unwucht, Lagerluft und Maschinenaufstellung re­ agieren können.

Aufgabe der Erfindung ist eine Ausbildung eines Ventilators der eingangs erwähnten Art, bei dem die aufgezeigten Probleme deutlich reduziert werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Ventilator, der die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale aufweist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventilators wird die erste kritische Drehzahl deutlich abgesenkt. Durch die zusätzliche äußere Lagerdämpfung ist ein überkritischer Betrieb problemlos möglich. Damit wird die zentrale Steifigkeitsanforderung der bis­ herigen Ventilatorauslegung in den Hintergrund gedrängt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung ist es weiter möglich, spe­ zifisch richtig belastete Zylinderrollenlager zu verwenden und damit im wesentlichen auf Serienteile zurückzugreifen. Es werden weiter keine ausgewöhnlichen Fertigungstoleranzen mehr gefordert.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrie­ ben.

Fig. 1 zeigt teilweise im Schnitt eine Ausführungsform des Ventilators.

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung die laufradseitige Lagerung der Welle.

In Fig. 1 ist ein Lagerstuhl 2 dargestellt, in dem die Welle 4 gelagert ist. Auf der Welle 4 ist fliegend ein Laufrad 6 angeord­ net, das hier ein Radiallaufrad ist. Das Lüftergehäuse ist durch eine Gehäusewand 8 mit der Wellendurchführung 10 angedeutet. Das gegenüberliegende Ende 12 der Welle ist für die Aufnahme einer Kupplung ausgebildet.

Das von dem Laufrad 6 abgewandte Lager ist ein Kugellager 14. Die dem Laufrad zugewandte Wellenlagerung 16 weist ein auf einem Wel­ lenansatz 18 angeordnetes Zylinderrollenlager 20 auf. Das Zylin­ derrollenlager ist außen in eine Buchse 22 eingesetzt, die in der Lagerbohrung 24 des Lagerstuhles 2 mit einem radialen Spiel s ein­ gepaßt ist. Der durch dieses Spiel zwischen dem äußeren Umfang der Buchse 22 und der Lagerbohrung 24 gebildete Spalt 26 ist an seinen beiden axialen Enden durch O-Ringe 28 abgedichtet, die in Nuten 30 am äußeren Umfang der Buchse 22 liegen. Das Spiel s, d. h. die ra­ diale Breite des Spaltes 26, liegt in der Größenordnung von eini­ gen 1/10 mm. Im Bereich zwischen den O-Ringen 28 ist eine weitere Nut 32 angeordnet, die über einen gestrichelt dargestellten Ölzu­ fuhrkanal 34 mit einer Ölzufuhr verbunden ist. Diese Ölnut 32 kann ebenso wie die die O-Ringe 28 aufnehmenden Nuten 30 auch auf der Innenseite der Lagerbohrung 24 angeordnet sein.

Die axiale Halterung des Lagers 20 und die Abdichtung der Lageran­ ordnung 16 ist in üblicher Weise ausgeführt und entspricht grund­ sätzlich der für das vom Laufrad abgewandte Lager 14.

Die Buchse 22 ist weiter mit einer radialen Gewindebohrung 36 ver­ sehen, in die ein Bolzen 38 eingeschraubt ist, der durch eine ra­ diale Bohrung 40 des Lagerstuhles außen über den Lagerstuhl vor­ steht, wobei zwischen dem Bolzen 38 und der Bohrung 40 ein Spiel etwa gleich dem Spiel s vorgesehen ist. Diese Bohrung ist so ange­ ordnet, daß ihre Achse in Richtung der auf die Lagerung 16 wirken­ den statischen Lagerkraft verläuft. Auf dem Bolzen 38 ist außen eine Druckfeder angeordnet, die zwischen der Außenseite des Lager­ stuhles und einer Anschlagscheibe 42 eingespannt ist, die durch eine Mutter 44 in Achsrichtung des Bolzens verstellbar ist. Als Druckfeder ist hier eine Tellerfedersäule 46 vorgesehen. Der nach außen vorstehende Bolzen 38 mit der Tellerfedersäule 46 ist in einem Gehäuse 48 abgedichtet eingeschlossen. Das Gehäuse 48 weist einen topfartigen Deckel 50 auf. Die Teilung des Gehäuses ist vor­ zugsweise so vorgenommen, daß, wie in der Zeichnung dargestellt, nach Abnehmen des Deckels 50 die Schraube 44 zum Einstellen der Federkraft frei zugängig ist.

Die Federsäule 5 wird beim Einrichten des Ventilators so vorge­ spannt, daß die Lagerbuchse zentrisch in der Lagerbohrung 24 im Lagerstuhl liegt. Da der Bolzen 38, auf den die Druckfeder ein­ wirkt, so angeordnet ist, daß seine Achse in Richtung der auf die Lagerung 16 wirkenden statischen Lagerkraft verläuft, wird über die Druckfeder eine gleichmäßige Spaltweite s eingestellt. Diese wird unterstützt durch die beiden O-Ringe 38, die beim Einbau eine radiale Vorspannung erhalten.

Die Zufuhrbohrung 34 kann an einer beliebigen Stelle über den Um­ fang der Lagerbohrung 24 angeordnet sein. Die Bohrung 34 ist an eine übliche Ölversorgung angeschlossen, mit der das Öl unter einer Vorspannung in der Größenordnung von 3 bis 5 bar gehalten wird. Durch die Vorspannung wird das Öl über die Bohrung 40 in das Gehäuse 48 verdrängt und damit das Lager automatisch entlüftet.

Durch die geringe Steifigkeit der Druckfeder, hier in Form der Tellerfedersäule 46, und die komplexe O-Ring-Steifigkeit hat die Buchse 22, die auf dem Zylinderrollenlager 20 angeordnet ist, eine sehr geringe Abstützungssteifigkeit gegenüber dem Lagerstuhl. Hierdurch wird eine sehr tiefe Rotorabstimmung erreicht, d. h. die erste kritische Drehzahl des Gleichlaufes wird bezogen auf die Betriebsdrehzahl bei einer sehr niedrigen Drehzahl durchfahren. Die kritische Drehzahl liegt i. a. unter 1000 1/min liegen.

Die im Resonanzpunkt auftretenden dynamischen Amplitudenüberhöhun­ gen werden durch den ölgefüllten Spalt wirksam gedämpft. Die däm­ pfende Wirkung beruht auf einer Verdrängungsstömung im Spalt 26, die durch die Schwingbewegung der Lagerbuchse 22 in der Lagerboh­ rung 24 hervorgerufen wird. Die Druckfeder 46 sollte eine geringe Steifigkeit haben, um die Steifigkeitsmatrix der dem Laufrad zuge­ wandten Lageranordnung 16 möglichst isotrop zu halten und damit ein weitgehend isotropes Rotorverhalten zu erzielen.

Das Einbauvolumen der laufradseitigen Lageranordnung in der oben beschriebenen Weise kann so gering gehalten werden, daß das Ein­ bauvolumen eines entsprechend auszulegenden Zylinderrollenlagers bei konventioneller Bauart nicht oder nur unwesentlich überschrit­ ten wird, wie aus einem Vergleich der Lageranordnungen 14 und 16 in Fig. 1 ersichtlich.

Wie bereits erwähnt, kann das Zylinderrollenlager der laufrad­ seitigen Anordnung in konventioneller Weise, d. h. für eine spezi­ fisch richtige Belastung ausgewählt werden. Es kann daher ein ein­ faches Serienlager verwendet werden. Auch im übrigen sind keine außergewöhnlichen Fertigungstoleranzen für die Lageranordnung 16 erforderlich.

Bei ausgeführten Maschinen kann bei Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 270 m/s die Drehzahl zwischen 2000 und 6000 1/min liegen. Diese Drehzahlen liegen wesentlich über der ersten kritischen Drehzahl, die mit der beschriebenen Lageranordnung ohne Schwierigkeiten unter 1000 1/min liegen kann.

Durch den ölgefüllten Spalt werden während des Betriebes am Lauf­ rad angreifende Kräfte wirksam gedämpft.

Die Breite s des Spaltes und die von Öl benetzte Fläche, die sich aus dem Außendurchmesser der Buchse 22 und der axialen Länge des Spaltes zwischen den Dichtungen ergibt, sind bestimmend für die erreichbare Dämpfung.

Claims (6)

1. Ventilator mit einem Laufrad, das fliegend auf einer Welle angeordnet ist, die mit zwei im Abstand voneinander liegenden Wälzlagern in einem Lagerstuhl gelagert ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das laufradseitige Wälzlager (20) außen in einer Buchse (22) gelagert ist, die im Lagerstuhl (2) mit radialem Spiel s angeordnet ist, und daß der durch das Spiel gebildete Spalt (26) an seinen axialen Enden abgedichtet und mit einer externen Ölzufuhr versehen ist, mit der der Spalt während des Betriebs mit Öl gefüllt gehalten wird, und daß eine an der Buchse (22) angreifende Federanordnung (46) vor­ gesehen ist, mit der die Buchse entgegen der statischen Lagerlast zentrierbar ist, während das kupplungsseitige Lager konventionell mit einem Kugellager als Festlager ausgeführt ist.

2. Ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (26) seitlich über O-Ringe (28) abgedichtet ist.

3. Ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (22) auf ihrem Umfang zwischen den Abdichtungen (28) mit einer umlaufenden Nut (32) versehen ist und daß im Be­ reich dieser Nut die externe Ölzufuhr (34) mündet.

4. Ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung einen durch die Lagerstuhlwandung hindurch­ greifenden Bolzen (38) aufweist, der an seinem inneren Ende (36) mit der Buchse (22) verbunden ist und auf dem auf der Außenseite des Lagerstuhles eine zwischen dem Lagerstuhl und einem verstellbaren Anschlag (42, 44) eingespannte Druckfeder (46) angeordnet ist, und daß der sich außerhalb des Lager­ stuhles erstreckende Teil der Federanordnung abdichtend von einem Gehäuse (48) eingeschlossen ist.

5. Ventilator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (48) im Bereich des verstellbaren Widerlagers (42, 44) mit einem lösbaren Deckel (50) versehen ist.

6. Ventilator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckfeder eine Tellerfedersäule (46) vorgesehen ist.