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

Fan having an impeller mounted in an overhung manner

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Peter Dr.-Ing. 3392 Clausthal-Zellerfeld De Hermerath
Hans-Joachim Dipl.-Ing. 3429 Gieboldehausen De Ring
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Abstract

Fan having an impeller which is arranged in an overhung manner on a shaft which is mounted with two rolling-contact bearings lying spaced apart from each other, in a bearing seat. That rolling-contact bearing which is on the impeller side is mounted on the outside in a bush which is arranged with radial play in the bearing seat, and the gap formed by the play is sealed off at its axial ends and provided with an external oil feed which is used to keep the gap filled with oil during operation. A spring arrangement is provided which engages on the bush and with which the bush can be centred against the static bearing load. The bearing on the coupling side is of conventional design with a ball bearing as rigid bearing.

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.The invention relates to a fan with an impeller, which is arranged flying on a shaft with two in the Ab stood roller bearings lying apart from each other in a storage chair device.

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. Rolled fans with a flying impeller and Circumferential speeds of up to 270 m / s are required for operation designed below the first critical speed (synchronism). The high overall rigidity of the system required for this leads constructively too thick shafts and correspondingly large cylinders roller bearings on the impeller side, which have a low specific load are. The low static bearing load and that from thermal Bearing clearance required for reasons have a strong anisotropy Bearings resulting in the computational determination of the critical Speed significantly influenced.  

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.For manufacturing and assembly, this means that predetermined Storage air values within narrow tolerance limits must be observed. In the case of a replacement installation, problems regarding procurement tion and production occur because of the bearing, bearing bracket and shafts cannot be combined in any way. In addition to the technical problems the economic point of view can be seen.

Die Erfahrungen mit ausgeführten Maschinen haben gezeigt, daß Rotoren in spezifisch niedrig belasteten Zylinderrollenlagern empfindlich auf Unwucht, Lagerluft und Maschinenaufstellung re­ agieren können.Experience with machines that have been carried out has shown that Rotors in cylindrical roller bearings with specific low loads sensitive to unbalance, internal clearance and machine installation right can act.

Aufgabe der Erfindung ist eine Ausbildung eines Ventilators der eingangs erwähnten Art, bei dem die aufgezeigten Probleme deutlich reduziert werden.The object of the invention is an embodiment of a fan type mentioned at the beginning, in which the problems shown are clear be reduced.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Ventilator, der die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale aufweist.This task is solved by a fan, who knows the im Drawing part of claim 1 highlighted features having.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Appropriate configurations are the subject of the subclaims.

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.The inventive design of the fan first critical speed significantly reduced. By the additional external bearing damping is a supercritical operation without problems possible. This is the central stiffness requirement of the bis previous fan design pushed into the background.

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.In the embodiment according to the invention, it is also possible to save to use correctly loaded cylindrical roller bearings and so essentially to fall back on series parts. It will no more unusual manufacturing tolerances required.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrie­ ben. The invention is illustrated in the drawing, for example and described in detail below with reference to the drawing ben.  

Fig. 1 zeigt teilweise im Schnitt eine Ausführungsform des Ventilators. Fig. 1 shows partially in section an embodiment of the fan.

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung die laufradseitige Lagerung der Welle. Fig. 2 shows an enlarged view of the impeller-side bearing of the shaft.

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.In Fig. 1, a bearing bracket 2 is shown, in which the shaft 4 is mounted. On the shaft 4 an impeller 6 is flying net angeord, which is a radial impeller here. The fan housing is indicated by a housing wall 8 with the shaft bushing 10 . The opposite end 12 of the shaft is designed to receive a clutch.

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.The bearing facing away from the impeller 6 is a ball bearing 14 . The shaft bearing 16 facing the impeller has a cylindrical roller bearing 20 arranged on a shaft 18 . The cylinder roller bearing is inserted outside into a bushing 22 which is fitted into the bearing bore 24 of the bearing seat 2 with a radial play s . The gap 26 formed by this play between the outer circumference of the bushing 22 and the bearing bore 24 is sealed at its two axial ends by O-rings 28 which are located in grooves 30 on the outer circumference of the bushing 22 . The game s , ie the ra diale width of the gap 26 , is of the order of 1/10 mm gene. In the area between the O-rings 28 , a further groove 32 is arranged, which is connected to an oil supply via a dashed-line oil feed channel 34 . This oil groove 32 , like the grooves 30 receiving the O-rings 28, can also be arranged on the inside of the bearing bore 24 .

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.The axial mounting of the bearing 20 and the sealing of the bearing arrangement 16 is carried out in a conventional manner and basically corresponds to that for the bearing 14 facing away from the impeller.

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.The socket 22 is further ver see with a radial threaded bore 36 , into which a bolt 38 is screwed, which stands through a ra diale bore 40 of the bearing chair outside over the bearing block, with a game between the bolt 38 and the bore 40 approximately the same the game s is provided. This hole is arranged so that its axis in the direction of acting on the bearing 16 extends the static bearing force. On the bolt 38 , a compression spring is arranged on the outside, which is clamped between the outside of the bearing chair and a stop disk 42 , which is adjustable in the axial direction of the bolt by a nut 44 . A plate spring column 46 is provided here as a compression spring. The outwardly projecting bolt 38 with the disc spring column 46 is sealed in a housing 48 . The housing 48 has a pot-like cover 50 . The division of the housing is preferably made such that, as shown in the drawing, after removing the cover 50, the screw 44 is freely accessible for adjusting the spring force.

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.The spring column 5 is pre-tensioned when setting up the fan so that the bearing bush is located centrally in the bearing bore 24 in the bearing block. Since the bolt 38 , on which the compression spring acts, is arranged such that its axis runs in the direction of the static bearing force acting on the bearing 16 , a uniform gap width s is set via the compression spring. This is supported by the two O-rings 38 , which receive a radial preload during installation.

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.The feed hole 34 can be arranged at any point over the order of the bearing hole 24 . The bore 34 is connected to a conventional oil supply, with which the oil is held under a prestress in the order of 3 to 5 bar. The preload displaces the oil through the bore 40 into the housing 48 and the bearing is thus automatically vented.

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.Due to the low stiffness of the compression spring, here in the form of the plate spring column 46 , and the complex O-ring stiffness, the bushing 22 , which is arranged on the cylindrical roller bearing 20 , has a very low support stiffness compared to the bearing bracket. In this way, a very low rotor tuning is achieved, ie the first critical speed of synchronization is traversed at a very low speed in relation to the operating speed. The critical speed is generally less than 1000 rpm.

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.The dynamic amplitude increases occurring at the resonance point are effectively dampened by the oil-filled gap. The damping effect is based on a displacement flow in the gap 26 , which is caused by the oscillating movement of the bearing bush 22 in the bearing bore 24 . The compression spring 46 should have a low stiffness in order to keep the stiffness matrix of the bearing arrangement 16 facing the impeller as isotropic as possible and thus to achieve a largely isotropic rotor behavior.

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.The installation volume of the impeller-side bearing arrangement in the manner described above can be kept so low that the installation volume of a cylindrical roller bearing to be designed accordingly is not or only insignificantly exceeded with a conventional design, as can be seen from a comparison of the bearing arrangements 14 and 16 in FIG. 1.

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.As already mentioned, the cylindrical roller bearing of the impeller-side arrangement can be selected in a conventional manner, ie for a speci fi cally correct load. A simple serial warehouse can therefore be used. In addition, no extraordinary manufacturing tolerances are required for the bearing arrangement 16 .

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.In the case of executed machines, peripheral speeds of up to at 270 m / s the speed is between 2000 and 6000 1 / min. These Speeds are significantly above the first critical speed, with the described bearing arrangement without difficulty can be less than 1000 1 / min.

Durch den ölgefüllten Spalt werden während des Betriebes am Lauf­ rad angreifende Kräfte wirksam gedämpft. The oil-filled gap keeps the barrel running during operation forces effectively dampening the wheel.  

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.The width s of the gap and the surface wetted by oil, which results from the outer diameter of the bushing 22 and the axial length of the gap between the seals, are decisive for the achievable damping.

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.1. Fan with an impeller which is arranged overhung on a shaft which is mounted with two spaced-apart roller bearings in a bearing bracket, characterized in that the impeller -side roller bearing ( 20 ) is mounted on the outside in a bushing ( 22 ), which is arranged in the bearing block ( 2 ) with radial clearance s , and that the gap ( 26 ) formed by the clearance is sealed at its axial ends and provided with an external oil supply, with which the gap is kept filled with oil during operation, and that a on the bushing ( 22 ) engaging spring arrangement ( 46 ) is seen before, with which the bushing can be centered against the static bearing load, while the coupling-side bearing is conventionally designed with a ball bearing as a fixed bearing. 2. Ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (26) seitlich über O-Ringe (28) abgedichtet ist.2. Fan according to claim 1, characterized in that the gap ( 26 ) is sealed laterally via O-rings ( 28 ). 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.3. Fan according to claim 1, characterized in that the socket ( 22 ) is provided on its circumference between the seals ( 28 ) with a circumferential groove ( 32 ) and that in the area of this groove, the external oil supply ( 34 ) opens. 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. 4. Fan according to claim 1, characterized in that the spring arrangement has a through the bearing wall through bolt ( 38 ) which is connected at its inner end ( 36 ) to the socket ( 22 ) and on which on the outside of the bearing chair between the bearing chair and an adjustable stop ( 42 , 44 ) clamped compression spring ( 46 ) is arranged, and that the part of the spring arrangement extending outside the bearing chair is sealed by a housing ( 48 ). 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.5. Fan according to claim 4, characterized in that the housing ( 48 ) in the region of the adjustable abutment ( 42 , 44 ) is provided with a detachable cover ( 50 ). 6. Ventilator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckfeder eine Tellerfedersäule (46) vorgesehen ist.6. Fan according to claim 4, characterized in that a plate spring column ( 46 ) is provided as a compression spring.
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