DE1005790B

DE1005790B - Plain bearings with lubrication by air or steam, which are under atmospheric pressure

Info

Publication number: DE1005790B
Application number: DEM13961A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Georg Vogelpohl
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1952-05-03
Filing date: 1952-05-03
Publication date: 1957-04-04

Description

Gleitlager mit Schmierung durch Luft oder Dampf, die unter Atmosphärendruck stehen Lager für schnell laufende Maschinen werden als Wälzlager oder als Gleitlager ausgeführt. Beide Bauarten haben Nachteile, so daß weder die Gleitlager in der üblichen Art mit Mineralölschmierung noch die Wälzlager als geeignete Maschinenelemente für sehr hohe Drehzahlen angesehen werden können.Plain bearings with lubrication by air or steam operating under atmospheric pressure Bearings for high-speed machines are available as roller bearings or as plain bearings executed. Both types have disadvantages, so that neither the plain bearings in the usual Kind with mineral oil lubrication nor the roller bearings as suitable machine elements for very high speeds can be viewed.

Die Schwierigkeiten bei Wälzlagern beruhen auf deren begrenzter Lebensdauer. Diese ist durch eine endliche Anzahl von Überrollungen der Wälzlager bedingt, die bei sehr hohen Drehzahlen schnell erreicht wird. Außerdem sind die Reibungsverluste vielfach weit größer als im allgemeinen angenommen wird.The difficulties with rolling bearings are based on their limited service life. This is caused by a finite number of rolling over of the roller bearings, the is reached quickly at very high speeds. In addition, there are friction losses many times greater than is generally assumed.

Bei Schnellauf-Gleitlagern wird die entstehende große Reibungswärme meist durch überreichliche Ölmengen aus dem Lager abgeführt; das Öl wird dann rückgekühlt. Dieses Vorgehen ist namentlich bei großen Maschinen, insbes. bei Dampfturbinen, üblich; es wird auch in kleineren Ausführungen, wie bei schnell laufenden Ladegebläsen von Verbrennungsmotoren oder hochtourigen Werkzeugspindeln angewendet.In the case of high-speed sliding bearings, the resulting large frictional heat is mostly carried away from the camp by excessive amounts of oil; the oil is then recooled. This procedure is particularly important for large machines, especially steam turbines, common; it is also used in smaller designs, such as high-speed charging fans used by internal combustion engines or high-speed tool spindles.

Bei sehr hohen Drehzahlen ergeben sich jedoch auch hier Schwierigkeiten. Mit der Anwendung üblicher Mineralöle wird bei Gleitlagern die Reibungswärme beachtlich, oft untragbar groß, so daß in der bei Dampfturbinen bewährten Bauweise die Wärmeabfuhr nicht mehr gesichert ist. Damit werden auch die Reibungsverluste sehr groß. Auf diese Weise setzen für manche Maschinen nicht der Arbeitsvorgang, Festigkeits- oder Schwingungsprobleme der Anwendung hoher Drehzahlen eine Grenze, sondern die Lager.At very high speeds, however, difficulties arise here too. With the use of common mineral oils, the frictional heat in plain bearings becomes considerable, often unacceptably large, so that the heat dissipation in the design proven in steam turbines is no longer secured. This also makes the friction losses very large. on This way, for some machines, the work process does not set strength or strength Vibration problems applying high speeds are a limit but the bearings.

Man hat auch versucht, bei Gleitlagern durch besondere Formgebung oder Unterteilung des Lagerumfangs in mehrere einzelne Laufflächen die Reibungsverhältnisse bei hohen Drehzahlen zu verbessern. Diese Maßnahmen führen aber nur ein begrenztes Stück weiter als die üblichen Gleitlager; außerdem erfordern sie erheblich höhere Herstellungskosten.Attempts have also been made in the case of slide bearings by means of a special shape or subdivision of the bearing circumference into several individual running surfaces, the friction conditions to improve at high speeds. However, these measures only lead to a limited extent A little further than the usual plain bearings; they also require significantly higher rates Manufacturing costs.

Gemäß der Erfindung soll ein Gleitlager mit Schmierung durch Luft oder Dampf, die nicht besonders vorkomprimiert werden, um den Tragdruck zu erzeugen, bei technisch üblicher Spaltweite (Lagerspiel) und technisch üblicher sorgfältiger Oberflächenbearbeitung mit einem Durchmesser ausgeführt sein, der, in cm ausgedrückt, größer ist als wobei P (in kg) die vom Lager aufzunehmende Last und n (in U/min) die Drehzahl ist. Der in dieser Vorschrift für Luft oder Dampf angegebene Zahlenwert 30 hängt von den physikalischen Eigenschaften des Schmiermittels ab. Er beträgt erfindungsgemäß bei Wasser 10. Die Erfindungsvorschrift bezieht sich auf einfach herzustellende zylindrische Gleitlager mit normaler maschinenbaulicher Werkstattsgüte. Durch besonders sorgfältige Formgebung und beste Oberflächenbearbeitung lassen sich jedoch Lagerdurchmesser erfindungsgemäß ausführen, die bis zu 30 % kleiner sind als die angegebene Bemessungsregel ergibt.According to the invention, a sliding bearing with lubrication by air or steam, which are not specially pre-compressed to generate the bearing pressure, with the technically customary gap width (bearing play) and technically customary careful surface treatment, should be designed with a diameter which, expressed in cm, is larger is as where P (in kg) is the load to be borne by the bearing and n (in rpm) is the speed. The numerical value 30 given in this specification for air or steam depends on the physical properties of the lubricant. According to the invention, it amounts to 10 for water. The specification of the invention relates to cylindrical plain bearings which are easy to manufacture and have normal mechanical workshop quality. By means of particularly careful shaping and the best surface treatment, however, bearing diameters can be implemented according to the invention which are up to 30% smaller than the specified dimensioning rule.

Es soll nochmals betont werden, daß der Schmierstoff den Lagern nicht mit einem Druck zugeführt wird, der imstande ist, die Lagerlast zu tragen. Luft kann unter Atmosphärendruck Dampf wird in technischen Anlagen im allgemeinen einen über der Atmosphäre stehenden Druck wenn für die Zuführung von Wasser eine Pumpe verwendet wird, so soll sie nicht den im Lager zum Tragen der Last erforderlichen Druck erzeugen.It should be emphasized again that the lubricant does not affect the bearings is supplied with a pressure capable of bearing the bearing load. air can steam under atmospheric pressure is generally used in technical plants Pressure above atmospheric if a pump is used to supply water is used, it should not be the one required in the warehouse to carry the load Generate pressure.

Der Gebrauch von Wasser als Schmiermittel ist seit langem bekannt, jedoch wurden hier besondere Lagerwerkstoffe, wie Pockholz oder Gummi, für erforderlich gehalten, so daß sich die Anwendung solcher Lager auf einzelne Sonderfälle beschränkte. Ebenso ist auch bekannt, Lager mit Luft zu schmieren. Bei den bisherigen Ausführungen ist aber in der Regel von außen der notwendige Tragdruck zugeführt worden, der hoch genug sein mußte, um die auftretenden Belastungen aufzunehmen. Daneben sind auch Ausführungen bekannt, welche mit Luft von Atmosphärendruck arbeiten. Die ersten Versuche mit derartigen Lagern sind von Prof. Kingsbury ausgeführt worden. Kingsbury lieferte den experimentellen Nachweis, daB es grundsätzlich möglich ist, Luft von Atmosphärendruck als Schmiermittel für Gleitlager zu verwenden. Die Zuführung eines Schmiermittels ohne besondere Druckpumpe also insbesondere bei Atmosphärendruck, ist auch bei den gewöhnlich als Schmiermittel verwendeten Ölen in Gebrauch, und zwar auch bei Lagern für höhere Drehzahlen. So ist z. B. in der britischen Patentschrift 450 441 ein Gleitlager beschrieben, dem das Schmieröl unter Atmosphärendruck zugeführt wird, und das zur Ermöglichung höherer Drehzahlen mit besonderen Vertiefungen in der Gleitfläche der unbelasteten Schalenhälfte versehen ist.The use of water as a lubricant has long been known however, special bearing materials, such as pockwood or rubber, were required here held, so that the use of such camps was limited to individual special cases. It is also known to lubricate bearings with air. With the previous statements but the necessary load-bearing pressure has usually been supplied from the outside, which is high had to be enough to absorb the loads that occurred. Next to it are also Designs known which work with air at atmospheric pressure. The first Experiments with such bearings have been carried out by Prof. Kingsbury. Kingsbury provided the experimental proof that it is in principle possible to remove air from Use atmospheric pressure as a lubricant for plain bearings. Feeding a Lubricant without a special pressure pump, i.e. especially at atmospheric pressure, is also used with the oils commonly used as lubricants, and even with bearings for higher speeds. So is z. B. British Patent 450 441 describes a plain bearing to which the lubricating oil is supplied under atmospheric pressure and that to enable higher speeds with special Indentations is provided in the sliding surface of the unloaded shell half.

Eine der Schwierigkeiten, höhere Drehzahlern. von Gleitlagern zu erreichen, liegt in der Viskosität des Schmier-Mittels begründet. Erfindungsgemäß wird hier ein betriebssicherer Lauf dadurch erreicht, daß das Schmiermittel den bei höheren Drehzahlen vorliegenden Betriebsbedingungen angepaßt wird. Da Luft, Dampf, Wasser und andere Flüssigkeiten und Gase mit geringer Viskosität für höhere Drehzahlen besonders geeignet sind, wird angegeben, wie Gleitlager zu dimensionieren sind, die mit diesen Stoffen geschmiert werden.One of the difficulties with higher revs. to be achieved by plain bearings, is due to the viscosity of the lubricant. According to the invention here a reliable run is achieved by the fact that the lubricant at higher Speeds are adapted to the operating conditions. There air, steam, water and other low viscosity liquids and gases for higher speeds are particularly suitable, it is specified how plain bearings are to be dimensioned, which are lubricated with these substances.

Einer allgemeineren Verwendung der einfachen zylindrischen Lagerbauart mit ihrem einfachen Betrieb stand bisher die Unkenntnis über die zulässigen Grenzen der Betriebsgrößen für solche Ausführungen entgegen. Der Konstrukteur konnte in einem gegebenen Fall nicht entscheiden, ob bei den vorliegenden Bedingungen ein Betrieb der ihn interessierenden Hochgeschwindigkeitslager mit Wasser oder wasserähnlichen Schmiermitteln oder mit Luft, Gas oder Dampf überhaupt möglich war. Diese Unsicherheit wird durch die Erfindung beseitigt.A more general use of the simple cylindrical bearing design with their simple operation there was previously ignorance of the permissible limits opposed to the size of the company for such designs. The designer could use a given case does not decide whether under the present conditions one Operation of the high-speed camps that interest him with water or water-like ones Lubricants or with air, gas or steam was even possible. This uncertainty is eliminated by the invention.

Die Reibung eines luftgeschmierten Lagers ist so klein, daß auch bei höchsten Drehzahlen keine übermäßige Erwärmung auftritt. Außerdem nimmt die Zähigkeit der Luft mit der Wurzel aus der absoluten Temperatur zu, so daß mit steigender Temperatur die Betriebssicherheit eines solchen Lagers sich erhöht. Bei der Verwendung von Wasser ist die Reibungsarbeit größer, aber demgegenüber ist Wasser mit seiner größeren spezifischen Wärme ein ausgezeichnetes Kühlmittel, so daß die Wärmekapazität ohne besondere Maßnahmen genügt, um die gegenüber Mineral öl wesentlich geringere Reibungswärme aus dem Lager abzuführen. Diese letzteren Tatsachen sind an sich bekannt, aber für die Anwendung von Luft und Wasser als Schmiermittel in geeigneten Fällen fehlte es bisher an einer zuverlässigen Bemessungsvorschrift für die Abmessungen des Lagers. Dieser Mangel ist durch die technische Lehre der Erfindung behoben.The friction of an air-lubricated bearing is so small that even with no excessive heating occurs at the highest speeds. It also decreases toughness the air with the root of the absolute temperature, so that with increasing temperature the operational safety of such a warehouse increases. When using Water is the frictional work greater, but on the other hand is water with its greater specific heat an excellent coolant, so that the heat capacity without special measures are sufficient to reduce the frictional heat, which is much lower than that of mineral oil to be removed from the warehouse. These latter facts are known per se, but for the use of air and water as lubricants in appropriate cases was absent So far there has been a reliable dimensioning specification for the dimensions of the bearing. This deficiency is remedied by the technical teaching of the invention.

Maschinen, die mit nach dem Erfindungsgedanken ausgebildeten Lagern versehen sind, können anders ausfallen als es den bisherigen Entwicklungsformen entspricht. Die Lager werden, wie die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele erkennen lassen, unter Umständen größer, um möglichst große Umfangsgeschwindigkeiten zu erzielen und damit höhere Flächendrücke zu ermöglichen.Machines with bearings designed according to the concept of the invention are provided, can turn out differently than the previous forms of development is equivalent to. The bearings are like the exemplary embodiments described below reveal, possibly greater, by the greatest possible circumferential speeds to achieve and thus to enable higher surface pressures.

Fig. 1 zeigt einen Elektromotor, der im Hinblick auf das beabsichtigte Schmierverfahren mit besonders großen Lagern ausgestattet ist. In der Figur ist der Motor als ; Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer dargestellt. 1 ist der Stator mit dem äußeren Gehäuse, 2 sind die Lagerschilde mit den Lagern 3. Der Rotor 4 sitzt auf der Hohlwelle 5 mit den beiden Druckringen 6, die die axiale Beweglichkeit von Welle und Rotor gegenüber dem Gehäuse begrenzen. Weitere Änderungen als die zweckmäßige Wahl der Lagerabmessungen erfordert das neue Schmierverfahren nicht.Fig. 1 shows an electric motor which, in view of the intended Lubrication method is equipped with particularly large bearings. In the figure is the engine as; Asynchronous motor shown with squirrel cage rotor. 1 is the stator with the outer housing, 2 are the end shields with the bearings 3. The rotor 4 is seated on the hollow shaft 5 with the two pressure rings 6, which the axial mobility of Limit the shaft and rotor in relation to the housing. More changes than the appropriate one The new lubrication method does not require the choice of bearing dimensions.

Die so geschmierten Maschinen eignen sich vorwiegend für direkte Kupplung. So wird die in Fig. 2 dargestellte Kreiselpumpe über die Kupplung 7 von dem in Fig. 1 wiedergegebenen Motor angetrieben. Die Welle 8 der Kreiselpumpe trägt das Pumpenrad 9 zwischen den beiden Lagerstellen 10 und 11. Als Schmiermittel wird das von der Pumpe geförderte Wasser oder eine ähnliche Flüssigkeit verwendet. Die Belastungen der Lager in der Kreiselpumpe sind verhältnismäßig klein, so daß im allgemeinen keine besonders groß dimensionierten Lager für die Wasserschmierung verwendet werden müssen. Das Lager 11 übernimmt außerdem noch die Funktion der Stopf-Büchse, und zwar dadurch, daß die zur Schmierung be nutzte axial durchtretende geringe Wassermenge auf gefangen und der Saugleitung wieder zugeführt wird.The machines lubricated in this way are mainly suitable for direct coupling. So the centrifugal pump shown in Fig. 2 is via the coupling 7 of the one in Fig. 1 reproduced motor driven. The shaft 8 of the centrifugal pump carries the pump wheel 9 between the two bearings 10 and 11. The lubricant used by the Pump pumped water or a similar liquid is used. The burdens the bearings in the centrifugal pump are relatively small, so that in general no particularly large bearings are used for water lubrication have to. The bearing 11 also takes on the function of the stuffing box, and although the fact that the be used for lubrication be used axially passing small amount of water is caught on and fed back to the suction line.

Ein weiteres Beispiel zeigt Fig. 3. Die Bezeichnungen von 1 bis 6 sind die gleichen wie bei Fig. 1, jedoch ist stat eines zweiten Druckringes 6 ein Gebläserad 12 auf dii Läuferradhohlwelle 5 gesetzt, die unmittelbar als Saug leitung dient und durch die Öffnungen 13 das zu verdick tende Mittel in das Gebläserad leitet. Das eine Lager schild 2 ist zur Aufnahme des Gebläserades entsprechen( ausgebildet.Another example is shown in FIG. 3. The designations from 1 to 6 are the same as in Fig. 1, but instead of a second pressure ring 6 is a Fan wheel 12 set on dii rotor wheel hollow shaft 5, which is directly used as a suction line serves and passes through the openings 13 to thicken tend agent in the fan wheel. One bearing shield 2 is designed to accommodate the fan wheel.

Weiter ist in Fzg. 4 ein Elektromotor dargestellt, de keine besonderen Lagerstellen besitzt. Die Bezeichnungen 1 bis 6 sind wieder dieselben wie in Fig. 1, jedoch fehlen die besonderen Lagerschalen 3. Statt dessen läuft hier de Rotor unmittelbar im Stator 1. Zur seitlichen Begrenzun# der Bewegung dienen ebenso wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen die Seitenscheiben 6 der den Rotoff tragenden Welle 5. In seiner Doppeleigenschaft als Staton und Lager kann der Stator, wie in Fig. 4 angedeutet, min einer Schicht aus Kunstharz oder mit einem anderen geeigneten Werkstoff ausgekleidet sein, um günstigere Gleiteigenschaften zu erhalten, wie sie in den vorhergehender Beispielen durch die Lagerschalen 3 erreicht werden, Ebenso ist es möglich, auch den Rotor 4 mit einer geeigneten Schicht zu überziehen oder sowohl den Rotor als auch den Stator mit einem Überzug zu versehen, um beste Gleiteigenschaften zu sichern.Furthermore, an electric motor is shown in vehicle 4, de no special Owns storage locations. The designations 1 to 6 are again the same as in Fig. 1, but the special bearing shells 3 are missing. Instead, the rotor runs here directly in the stator 1. As well as serving to limit the lateral movement In the previous exemplary embodiments, the side windows 6 of the Rotoff bearing Shaft 5. In its dual capacity as a stator and a bearing, the stator, as in Fig. 4 indicated, min a layer of synthetic resin or with another suitable Material to be lined in order to obtain more favorable sliding properties, like them can be achieved in the previous examples by the bearing shells 3, as well it is possible to coat the rotor 4 with a suitable layer or to provide both the rotor and the stator with a coating in order to achieve the best possible sliding properties to secure.

Mit den obigen Beispielen sind die Anwendungsmöglichkeiten des neuen Lagers nicht annähernd erschöpft. Es läßt sich zweckmäßig bei Dampf- und Gasturbinen, Verdichtern, Kompressoren, Gebläsen, Textilmaschinen, Werkzeugmaschinen, Schleifspindeln, d. h. überall da verwenden, wo schnell laufende Wellen vorteilhaft gelagert werden sollen.With the examples above are the possible uses of the new Camp not nearly exhausted. It can be useful for steam and gas turbines, Compressors, compressors, blowers, textile machines, machine tools, grinding spindles, d. H. Use wherever fast running shafts can be stored advantageously should.

Das neue Lager ist nicht allein für sehr hohe Drehzahlen verwendbar, sondern eignet sich auch für langsamere Bewegungen, wenn die Belastung entsprechend gering ist, so daß die Belastungskennzahl unter die angegebenen Werte fällt.The new bearing can not only be used for very high speeds, but is also suitable for slower movements if the load is appropriate is low, so that the load factor falls below the specified values.

Das erfindungsgemäße Lager bietet auch Vorteile für eine zweckmäßige Verbindung von Lagern und Stopfbüchsen zu einem organischen Ganzen, wie es in Fig. 2 am Beispiel einer Kreiselpumpe bereits aufgezeigt ist. Dabei handelt es sich nicht um eine einfache konstruktive Zusammenfügung der beiden Maschinenelemente, Lager und Stopfbüchse, sondern es wird das Lager durch die Verwendung des Schmierverfahrens befähigt, die Funktionen der Stopfbüchse mit zu übernehmen, dadurch, daß das zur Schmierung des Lagers dienende flüssige, gas- oder dampfförmige Mittel gleichzeitig als Sperrflüssigkeit für die Stopfbüchse wirkt.The bearing according to the invention also offers advantages for an expedient Connection of bearings and stuffing boxes to an organic whole, as shown in Fig. 2 has already been shown using the example of a centrifugal pump. It is not a simple constructive assembly of the two machine elements, bearings and stuffing box, but it becomes the bearing through the use of the lubrication method enabled to take over the functions of the stuffing box, in that the for Lubrication of the bearing serving liquid, gaseous or vapor means at the same time acts as a barrier fluid for the stuffing box.

Die Erfindung ist nicht nur auf zylindrische Gleitlager zur Aufnahme von Querkräften beschränkt, sie kann ebenso bei Axiallagern zur Aufnahme von Längskräften angewendet werden, wobei die Lager entweder als Blocklager mit beweglichen Segmenten nach Art der Michell-Lager oder als Einring-Drucklager mit fest eingearbeiteten Segmenten ausgebildet sein können.The invention is not limited to cylindrical plain bearings for inclusion limited by transverse forces, it can also be used for axial bearings to absorb longitudinal forces can be used, the bearings either as block bearings with movable segments like the Michell bearings or as a single-ring thrust bearing with permanently incorporated Segments can be formed.

Claims

CLAIMS: 1. bearings with lubrication by air or steam, which are under atmospheric pressure, are respectively not particularly pre-compressed, and technically customary gap width (clearance) and technically customary careful surface finish, characterized in that the transit 3 - measure (in cm) is greater than where .P (in kg) is the load to be borne by the bearing and n (in rpm) is the speed.

2. Plain bearings with lubrication by water, which is not supplied with the bearing pressure, and technich usual gap width (bearing play) and technically usual careful surface treatment, characterized in that the diameter (in cm) is greater than 10 where P (in kg) is the load to be borne by the bearing and n (in rpm) is the speed.

3. Plain bearing according to claim 1 or 2, characterized in that the bearing is also designed as a stuffing box and that for lubrication the medium used in the bearing also serves as a sealing liquid for the stuffing box, especially in use for blowers, pumps, compressors and turbines. In References considered: British Patent No. 450,441.