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Sicherung des Schmiermittelraumes gegen Ölverluste bei hochtourigen
Strömungsmaschinen durch Entlüftung Zusatz zum Patent &12950 In der Patentschrift
Sr2 95o ist eine Sicherung gegen Schmiermittelverluste bei hochtourigen Strömungsmaschinen
beschrieben. Die ältere Erfindung bezieht sich auf Strömungsmaschinen mit überhängend
angeordneten Rädern, wobei der Läufer in einem zwischen diesen Rädern angeordneten
Lagerkörper gelagert ist, und bezweckt, den Olaustritt aus dem Schmiermittelraum,
der sich im Innern dieses Lagerkörpers befindet und in welchem gegenüber der Atmosphäre
Überdruck herrscht, zu vermeiden. -Dieser Überdruck im Schmiermittelraum ist bei
hochtourigen Maschinen infolge der Zentrifugalwirkung der rotierenden Welle stets
vorhanden und wird bei dem in dem Patent 812 95o gezeigten Beispiel noch durch die
Zentrifugalw-irkung der zentral im Lagerkörper angeordneten, mit der Welle rotierenden
Scheibe, welche zum Vernebeln des dort befindlichen Öles dient, verstärkt. Eine
weitere Erhöhung erfährt der Druck im Schmiermittelraum im genannten Beispiel dadurch,
daß zu beiden Seiten des Lagerkörpers Lufträume vorgesehen sind, aus welchen die
Sperrluft durch die nicht absolut abzudichtenden Wellendurchführungen ins Innere
des Lagerkörpers strömt und damit den Druck in diesem Raum erhöht. Bei veränderlichen
Betriebszuständen der Strömungsmaschine, wie sie insbesondere bei Abgasturboladern,
welche zur Aufladung von Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Straßenfahrzeugen dienen,
in rascher Folge auftreten, ergibt sich ein ständiger Wechsel des Sperrluftdruckes;
wenn die Sperrluft, wie es im angeführten Beispiel der Fall
ist,
aus dem Lader entnommen wird. Diese Drückschwankungen übertragen sich naturgemäß
auch auf den Schmiermittelraum im Innern des Lagerkörpers, wobei der Druckausgleich
bei steigendem Sperrluftdruck durch Einströmen und bei abfallendem Sperrluftdruck
durch Rückströmen aus dem Schmiermittelraum .durch die Wellendurchführungen und
durch die Abschlußwände 15 und 16 des Schmiermittelraumes hindurch in die Sperrlufträume
erfolgt. Da sich im Schmiermittelraum ein Gemenge von Luft und Öl befindet, wird
bei diesem Rückströmen Öl aus dem Schmiermittelraum mitgenommen und geht somit für
die Lagerschmierung verlören. In den meisten Fällen ist es sehr schwierig, die Sperrluftdrücke
zu beiden Seiten des Lagerkörpers gleich hoch zu halten. Dadurch entsteht außer
den oben beschriebenen, durch den wechselnden Sperrluftdruck bedingten Ein- und
Rückströmungen noch eine ebenso wie diese durch die Wellendurchführungen hindurchgehende,
dauernd stattfindende Strömung, welche vom Sperrluftraum höheren Druckes durch den
Schmiermittelraum hindurch zum Sperrluftraum niedrigeren Druckes gerichtet ist und
durch welche dauernd Öl aus dem Schmiermittelraum transportiert wird. Die durch
diese verschiedenen Strömungen verursachten Schmiermittelverluste zeigten sich in
.der Praxis so groß, daß ein Betrieb derartiger Maschinen mit Sumpfschmierung überhaupt
nicht möglich ist und sich bei Umlaufschmierung ein unwirtschaftlich hoher Ölverbrauch
ergibt.
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Da es nicht möglich ist, diese Ölverluste durch eine einfache Entlüftung
des Schmiermittelraumes zu vermeiden, wurde diese Entlüftung in den rotierenden
Teil der Maschine verlegt, was durch die Anordnung einer axialen Bohrung in der
Welle des Läufers, welche mit ihrem einen Ende mit der Außenluft und mit dem anderen
Ende durch eine oder mehrere Radialbohrungen in der Welle mit dem Schmiermittelraum
in Verbindung steht, erreicht wurde. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende:
Infolge des Überdruckes im Schmiermittelraum tritt das dort befindliche in die Radialbohrungen
der Welle ein und wird dort in Rotation versetzt. Dadurch werden die der Luft anhaftenden
speziell schwereren Ölteilchen ;aus der Luft auszentrifugiert und in den Schmiermittelraum
zurückgeschleudert, während die auf diese Art von den Ölteilchen gereinigte Luft
durch die Axialbohrung der Welle ins Freie .entweicht.
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Befinden sich zu beiden Seiten ,des Lagerbockes Lufträume, die in
Fig. i dieser Zusatzerfindung durch die Räume io und ii angedeutet sind, in denen
Überdruck herrscht, so wird durch entsprechende Bemessung der Bohrungen in der Welle
eine so starke Druckabsenkung im Schmiermittelraum .erreicht, daß bei absinkendem
Luftdruck in diesen beiden Räumen keine Rückströmungen aus dem Schmiermittelraum
in diese Sperrlufträume stattfinden, sondern eine stets von diesen beiden Räumen
ins Innere des Schmiermittelraumes gerichtete ,Strömung erzielt wird, so daß Ölverlust
durch die Wellendurchführungen vermieden werden. Die durch die Wellendurchführungen
in den Schmiermittelraum eintretende Luft vermischt sich mit den dort befindlichen
Ölnebeln und strömt durch die in der Welle angeordnete Entlüftung, in welcher sie
in der oben beschriebenen Art von den Ölteilchen gereinigt wird, ins Freie.
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In dem Patent 81a 95o ist auch ausgeführt, daß die zentrifugierende
Wirkung der rotierenden Radialbohrung in der Welle dadurch verstärkt werden kann,
daß diese Querbohrungen in unmittelbarer Nähe der zum Zweck der Vernebelung des
im Schmiermittelraum befindlichen Öles angeordneten Ölschleuderscheibe angeordnet
wird.
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Eine weitere Verbesserung der ölabschleudernden Wirkung ist Gegenstand
der Erfindung. Die erfindungsgemäße Verbesserung besteht darin, daß in den Entlüftungsweg
vom Schmiermittelraum zur Außenluft noch ein mit der Welle rotierender Ringraum
eingeschaltet wird, in welchen die in der Welle angeordneten Querbohrungen münden
und der selbst wieder durch radiale Kanäle oder Bohrungen mit dem Schmiermittelraum
verbunden ist. ' In Fig. i ist die erfindungsgemäße Vorrichtung an einem Beispiel
dargestellt. Darin bezeichnet 14 die Welle des Läufers,. in der die Axialbohrung
3, welche einerseits mit der Außenluft und andererseits durch die -Querbohrungen
4 mit dem Schmiermittelraum 5 in Verbindung steht, angeordnet ist. Die Querbohrungen
4 münden in einen in einer mit der Welle rotierenden Hülse 15 angeordneten
Ringraum 16, welcher durch radiale Bohrungen oder Nuten 17 mit dem Schmiermittelraum
5 und damit auch mit den beiden seitlich davon liegenden Schmiermittelräumen 5a
und 5b über die Bohrungen 7 und 8 in Verbindung steht. In den radialen Bohrungen
i7 und in dem Ringraum 16 wird bereits eine Rotation des Luft-Öl-Gemisches bewirkt
und damit ein großer Teil des in der Luft enthaltenen Öles auszentrifugiert und
in den Schmiermittelraum zurückgeschleudert. Um das Ausschleudern des im Ringkanal
ausgeschiedenen Öles aus diesem zu erleichtern, ist es zweckmäßig, daß die radialen
Nuten 17 bis an die Ölschleuderscheibe 9 heranreichen. Die weitere Reinigung der
Luft von den anhaftenden Ölteilchen wird in der ;Querbohrung 4 bewirkt, aus welcher
die Ölteilchen in den Ringkanal 16 gelangen und von dort wieder durch die Querbohrungen
17 in den Schmiermittelraum zurückgeschleudert werden.
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Der Ringraum i6 kann natürlich auch auf der Welle angeordnet werden,
ohne daß dadurch eine Änderung der Wirkungsweise der Entlüftung hervorgerufen wird.
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Ordnet man die Bohrungen 3 in der Welle 14, wie in Fig. i gezeichnet,
schräg an, und zwar so, daß das eine Ende der Bohrung, welches im Ansaugraum des
Laders endet, etwa im Mittelpunkt der Welle liegt, und das andere Ende, welches
in die Querbohrungen 4 mündet, auf einem größeren Durchmesser liegt, so wirkt auch
die Bohrung ölabschleudernd,
und es wird dadurch, daß das Luft-Öl-Gemisch
längere Zeit der Zentrifugalkraft unterworfen wird, eine bessere Reinigung erreicht.
Selbstverständlich können in diesem Fall auch zwei oder mehrere Axialbohrungen 3
angeordnet werden.
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Eine weitere erfindungsgemäße Verbesserung dieser ölabscheidenden
Wirkung besteht darin, daß die in der Hülse 15 befindlichen Radialnuten 17 den Ra:dialbohrungen4
in der Welle nicht diametral gegenüberliegen, sondern gegenüber diesen in Umfangsrichtung
oder in. axialerRichtungversetzt sind.
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In Fig.2 ist die erfindungsgemäße Ausführung durch einen Schnitt senkrecht
zur Welle dargestellt. Mit 14 ist wieder dieWelle mit der Axialbohrung3 und den
jOuerbohrungen 4 bezeichnet, 15 stellt die mit der Welle mitrotierende Hülse, 16
den in dieser angeordneten Ringraum und 17 die Querbohrungen dar, welche diesen
Ringraum 16 mit dem Schmiermittelraum 5 verbinden. Wie aus dem Bild zu ersehen,
sind hier beispielsweise zwei in der Welle befindliche :Querbohrungen 4 und zwei
in der Hülse 15 angeordnete Querbohrungen 17 dargestellt, welche gegeneinander um
go° in Umfangsrichtung versetzt sind. Die Wirkung dieser Anordnung besteht darin,
daß das Luft-Öl-Gemisch nach dem Eintritt durch dieBohrungen 17 in denRingraum 16
in :dieser gezwungen wird, entlang dem Umfang der Welle bis zur nächsten Querbohrung
4 zu strömen, wodurch das Luft-Öl-Gemisch eine zweimalige Umlenkung um go° erfährt
und dadurch eine Ölabscheidung infolge der Trägheitswirkung erfolgt, und weiter
wird die Luft gezwungen, längere Zeit in dem Ringraum 16 zu verweilen, und nimmt
dadurch eine höhere Umfangsgeschwindigkeit an, so daß :die Ölabscheidungdurch verstärkte
Zentrifugalwirkung und durch längere Einwirkung derselben in zweifacher Hinsicht
verbessert wird.
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In Fig.3, welche einen Schnitt durch Fig.4 längs der Linie A-B darstellt
(und für welche die gleichen Bezeichnungen wie für Fig.2 gelten), ist eine Ausführung,
in welcher die Bohrungen 4und 17 in axialer und in Umfangsrichtung gegeneinander
versetzt sind, dargestellt, wodurch nach der oben beschriebenen Wirkungsweise eine
weitere Verbesserung der ölabscheidung erreichbar ist.
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Diese beschriebene Entlüftung des Schmiermittelraumes hat den bemerkenswerten
Vorteil, daß sie an jeder beliebigen Stelle des Schmiermittelraumes angeordnet werden
kann und auch dann noch verwendbar ist, wenn :der Lagerbock, wie bei dem in Fig.
i gezeigten Beispiel, zentral angeordnet ist und eine Verbindung des Schmiermittelraumes
mit der Außenluft entlang der Welle verbaut ist. Es genügt in den meisten Fällen
eine einzige zentral zwischen den Lagern angeordnete Entlüftung. Es ist jedoch auch
möglich, :die dargestellte Ausführung im gezeichneten Beispiel im Ölraum 5a oder
im Ölraum 5U, in beiden Ölräumen gleichzeitig oder in allen Abteilungen des Schmiermittelraumes
anzuordnen.
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Grenzen die Wellendurchführungen unmittelbar an die ,Außenluft oder
besteht die Möglichkeit, vom Schmiermittelraum entlang der Welle an die Außenluft
zu gelangen, so kann in vielen Fällen auf die Bohrungen in der Welle verzichtet
werden und der Ringraum 16, der entweder in der Welle oder in der Bohrung einer
mit dieser rotierenden Hülse angeordnet ist, direkt mit der Außenluft verbunden
werden, was zweckmäßigerweise durch axiale, an der Wellenoberfläche angeordnete
Nuten geschieht.
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Ein Beispiel dieser Ausführung, bei welcher die Mittelbohrung 3 durch
Nuten an der Wellenoberfläche ersetzt ist, zeigt Fig. 5. Es ist dort die gleiche
Maschine wie im Patent 812 95o in etwas abgewandelter Ausführung dargestellt. i
bezeichnet das Laderrad, das auf der Welle 14 fliegend angeordnet ist, 5a und 5
stellen :den Schmiermittelraum dar, welcher durch die in den Lagerkörper 1g eingepreßte
Kappe 2o abgeschlossen wird. Durch die Ölschleu:derscheibe g werden im Schmiermittelraum
Ölnebel zur Schmierung der Lager 6 erzeugt. Um ein Austreten des Schmiermittels
durch den Wellendurchtritt zwischen dem Außendurchmesser der Hülse 15 und .der Lagerkörperabdeckung
2o zu vermeiden, ist ein Sperrluftraum 27 vorgesehen, welcher durch die beiden Teile
2o und 24 gebildet wird. In der mit der Welle rotierenden Hülse 15 sind Radialnuten
17 angeordnet, in welchen aus dem eingetretenen Luft-Öl-Gemisch die spezifisch schwereren
Ölteilchen in .den Schmiermittelraum 5a zurückgeschleudert werden. Die vorgereinigte
Luft tritt hierauf in den in der Welle vorgesehenen Ringraum 16, in welchem ein
weiteres Auszentrifugieren von der Luft anhaftenden Ölteilchen erfolgt. Die gereinigte
Luft entweicht durch die in die Welle eingearbeiteten Längsnuten 18 ins Freie. Im
gezeichneten Beispiel münden die Nuten 18 in einen durch die Welle 1.4, die Befestigungsmutter
28 und die Laderradnabe i gebildeten Ringraum 29, welcher durch in die Stirnseite
der Laderradnabe eingearbeiteten Nuten 26 mit dem Ansaugraum des Laders verbunden
ist.
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Werden die Radialnuten 17 gegenüber den Längsnuten 18 in Umfangsrichtung
versetzt angeordnet, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, so wird aus den bereits
oben beschriebenen Gründen eine bessere Reinigung der durch die Entlüftung entweichenden
Luft erreicht. Auch können die Radialbohrungen 26 gegenüber den Längsbohrungen i8
in Umfangsrichtung versetzt angeordnet werden.
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In vielen Fällen sind die Wellen sehr knapp dimensioniert, und es
ist aus .diesem Grunde nicht zulässig, am Umfang .derselben Nuten anzuordnen. In
solchen Fällen kann die Entlüftung nach dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel ausgeführt
werden.
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In der Durchführung der Welle durch den Sperrluftraum 27, welcher
durch die beiden Wände 2o und 24 gebildet wird, ist die Hülse 15 zwischen dem Laderrad
und dem Lager angeordnet. Diese Hülse sitzt fest auf der Welle und rotiert mit dieser.
In der Innenbohrung dieser Hülse 15 ist auf der dem Lager zugekehrten Seite der
bereits erwähnte Ringraum 16 angeordnet, welcher durch die Radialnuten 17 mit dem
Ölraum 5a verbunden ist. Die beim Durchtritt durch die Radialnuten 17 und im Ringraum
16 von den anhaftenden Ölteilchen
gereinigte Luft strömt im weiteren
Verlauf entlang der Welle durch die in der Bohrung der Hülse 15 angeordneten Nuten
22 in eine weitere Ringnut 23, die auf der Luderseite der Hülse angeordnet ist.
Von dort strömt sie durch in die Nabenbohrung des Luderrades i eingearbeitete Längsnuten
25, welche sich in Radialnuten 26 fortsetzen, in den Ansaugraum des Laders. Die
in der Stirnseite der Luderradnabe vorgesehenen Radialnuten 26 werden durch die
Befestigungsmutter für das Luderrad abgedeckt. Auch hier wird die ölabschleudernde
Wirkung erhöht, wenn die Radialnuten 17 gegenüber den Längsnuten 22 in Umfangsrichtung
versetzt angeordnet werden. Diese Wirkung noch zu verstärken, ist die Aufgabe der
Ringnut 23, durch welche eine Versetzung der Längsnuten 22 in der Hülse 15 gegenüber
den Längsnuten 25 in der Bohrung der Luderradnabe ermöglicht wird.
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Durch entsprechende Abstimmung dieser Nuten und Kanäle wird erreicht,
daß bei jedem Betriebszustand der Turbine eine Strömung vom Sperrluftraum 27 in
den Ölraum 5a und von dort durch die beschriebene Entlüftung ins Freie erreicht
wird. Mündet die Entlüftung in den Ansaugraum des Laders, so kann in den meisten
Fällen auf die Verwendung von Sperrhaft überhaupt verzichtet werden, da dort in
jedem Betriebszustand der Maschine Unterdruck herrscht, der sich in den Schmiermittelraum
fortsetzt und ein ständiges Einströmen von Luft durch die Wellendurchführungen in
den Ölraum bewirkt.