DE1801864C2

DE1801864C2 - Wälzlager für eine Pumpe für tiefkalte Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE1801864C2
Application number: DE1801864A
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Whittier Calif. Carter jun.
Original assignee: Airco Inc New York Ny Us
Current assignee: Airco Inc New York Ny Us
Priority date: 1967-10-13
Filing date: 1968-10-08
Publication date: 1983-07-14
Also published as: CH497651A; DE1801864A1; FR1589241A; NL153645B; AT292394B; US3494291A; NL6814585A; GB1249650A; BE722240A

Description

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Die vorliegende Erfindung betraft ein Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer Pumpe far tiefkalte Flüssigkeiten Ist ein Wälzlager mit einem Lagerkäfig vorgesehen, der von der tiefkalten Flüssigkeit erreicht werden kann. (US-PS 24 68171). Die geförderte Flüssigkeit kann durch die Spalte zwischen den Pumpenrad?™ und dem Gehäuse zum Lager vordringen Um eine Strömung der Flüssigkeit durch das Lager - von der Druck- zur Saugseite - zu verhindern. Ist der Lagerkäfig als Dichtungselement ausgebildet, das gegenüber den Lagerringen nur sehr kleine Spalte freiläßt. Der Lagerkäfig ist aus einem mit Kunststoff durchtränkten Gewebe gefertigt. Der Kunststoff ist wärmegehärtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das bei kompakter Bauart eine hohe Standfestigkeit und lang? Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Das polymerisierte Tetrafluorethylen 1st mit dem Bronzepulver Im Gewichtsverhältnis von etwa 40% PTFE und 60% Bronze gemischt.

Einer der wesentlichen Vorteile der Wälzlager besteht so bekanntlich darin, daß sie die unerwünschte Gleitreibung zum weitaus größten Teil durch die wesentlich günstigere »rollende« Reibung ersetzen. Ein geringer Teil an Gleitreibung Ist allerdings bei jedem Wälzlager unvermeidlich, da die Rollkörper durch Käfige geführt werden müssen und gleitende Reibbewegungen zwischen den Käfigen und den Rollen bzw. den Käfigen und den Laufringen zwangsläufig auftreten. Aus diesem Grunde müssen auch die bisher bekannten Wälzlager Immer noch geschmiert werden. «·

Nun gibt es aber Anwendungsmiögllehkelten für Wälzlager, bei welchen die Notwendigkeit einer regelmäßigen, wenn auch noch so geringfügigen Schmierung sehr stört. So hat sich beispielsweise gezeigt, daß die konventionellen, zur Förderung tiefkalten Flüssigkelten verwendeten Tauchpumpen unzuverlässig arbeiten, wenn deren Lager geschmiert und Infolgedessen auch mit Lagerdichtungen versehen werden müssen. Durch die extrem tiefen Temperaturen der zu fördernden Flüssigkeiten können die Lager der bekannten Pumpen stark beeinträchtigt werden, was in Anbetracht der Gefährlichkeit der geförderten Medien (beispielsweise flüssiger Sauerstoff) zu sehr unliebsamen Zwischenfällen führen kann. Das Schmiermittel wird unter dem Einfluß der tiefen Temperatur hSufig zum Erstarren gebracht, wobei es seine schmierenden Eigenschaften zum größten Teil einbüßt; auch kann die Funktion der Dichtungen der Antriebswelle durch die tiefen Temperaturen stark beeinträchtigt werden. Ferner treten aufgrund der extremen Temperaturschwankungen Wärmedehnungen bzw. Kontraktionen auf, welche den bisher bekannten Lagerteilen solcher Pumpen nicht ohne Risiken zugemutet werden können.

Die Merkmale des eingangs beschriebenen Lagers (FR-PS 14 37 690) kennzeichnen ein hochtouriges Wälzlager mit konventioneller Schmierung. Zur Verlängerung der Lebensdauer sind darin einige Teile aus einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten gefertigt. Der Käfig selbst besteht aus Stahl. Ein solches Material ist bei tiefkalten Flüssigkeiten wegen der dann auftretenden Sprödbrüchlgkeit nicht verwendbar. Die Durchleitung der tiefkalten geförderten Flüssigkeit durch ein solches Lager, um die im Betrieb entstehende Wärme abzuleiten, ist daher nicht möglich. Außerdem muß der Lagerkäfig dieses Lagers über die eigentliche Lagerbreiie hinausragen, damit er von seitlich der Lagerringe aaseordneten Hllfs-Iagerrlngen erfaßt werden kann. Das Lager baut daher sehr breit und ist in der Fertigung und Montage sehr aufwendig.

Bei einem Lager für eine Papiermaschine (FR-PS 14 82 349) wird flüssiges Schmiermittel bei Umgebungstemperatur durch das Lager gedrückt. Für tiefkalte Flüssigkeiten ist dieses Lager nicht geeignet.

Bei einem anderen Wälzlager Ist ein Lagerkäfig aus Graphit oder Kunststoff vorgesehen, (US-PS 31 62 493). Er Ist durch einen galvanisch aufgebrachten Metallüberzug verstärkt. Trotz dieses Überzuges Ist dies Lagsr den durch liefkalte Flüssigkeiten verursachten Beanspruchungen nicht gewachsen.

Um Reibungen In Wälzlagern zu vermindern, wurden der Gleitreibung ausgesetzte Flächen mit einem reibungsarmen Kunststoff überzogen bzw. wurden einzelne Teile der Lagerkonstruktion ganz aus solchem Material hergestellt (DE-GM 17 45 735). In der Druckschrift sind keine Hinweise enthalten, daß die beschriebene Konstruktion zur Verwendung bei tiefkalten Flüssigkeiten besondere Vorteile aufweisen könnte.

Es wurden auch Lager zur Verwendung bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und Im Vakuum entwickelt (Paul H. Bowen: »Trockengeschmlerte TFE-Kugellagerrlnge für die Verwendung im Vakuum«, 1963, S. 8 und 9). Die Frage der Eignung solcher Lager für tiefkalte Flüssigkeiten wird nicht behandelt.

Auf der belllegenden Zeichnung Ist ein Ausführungsbelsplel des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht.

Flg. I Ist ein Teilschnitt einer Pumpe für tiefkalte Flüssigkeiten,

Flg. 2 zeigt In vergrößerter Darstellung ein Lager der Pumpe gemäß Flg. 1 und

FIg, 3 Ist ein Schnitt nach der Ebene 3-3 In Flg. 2.

Die In Flg. 1 der Zeichnung dargestellte Pumpe für tiefkalte Flüssigkelten besitzt ein oberes Gehäuse 10 und ein unteres Gehäuse 12, welche mittels ringförmig angeordneter Schrauben 24 miteinander verbunden sind. Das untere Gehäuse 12 umfaßt ein Pumpengehause 22 mit einer Einlaßöffnung 26, durch welche die zu fördernde Flüssigkeit In die Pumpe eintritt. Leitbleche 28, welche

an einem Flansch 30 »m unteren Ende einer öffnung 26 befestigt sind, verhindern das Auftreten von Turbulenzerscheinungen innerhalb der Öffnung 26, Diese Leitbleche sind mit Ihren inneren Kanten an einer zentralen Hülse 32 befestigt. Die äußeren Enden der Leitbleche 28 i sind mit dem Flansch 30 verbunden.

Zwischen dem unteren Gehäuse und dem Teil 20 des oberen Gehäuses ist ein Flügelrad 36 angeordnet. Dieses Flügelrad besitzt ein Paar Verschleißringe 38, 39, welche In entsprechenden. Im Gehäuse befestigten Verschleiß- i< > ringen mit geringem Spiel laufen. Die Verschleißringe begrenzen den Rückfluß des Fördermediums von der Föiderseite zur Saugseite der Pumpe.

Das Flügelrad 36 Ist auf der Welle 44 mittels einer Feder 46 gesichert. Die Welle 44 ragt nach unten über das Flügelrad 36 hinaus und an dem freien Ende dieser Welle ist ein Eintrittsrad 50 mittels einer Schraube 52 befestigt. Durch die Schraube 52 wird sowohl das Flügelrad als auch das Eintrlltsrad auf der Welle gehalten. Am Umfang des Eintrittsrades 50 ist eine spiralförmige For- 2u derschaufel 56 angeordnet, welche mit der Nabe 50 aus einem Stück hergestellt ist und die FörderfWssigkelt durch die Öffnung 26 nach oben in den Bereich des Flügelrades 36 bringen soll.

Das Flügelrad 36 fördert die Flüssigkeit durch den DIf- 2; fusor 60, welcher am oberen Gehäuse festgeschraubt und zwischen dem Teil 20 und dem Pumpengehäuse 22 des unteren Gehäuses 12 angeordnet Ist. Die Flüssigkeit verläßt den Diffusor 60 durch einen ringförmigen Auslaß 62 und tritt in das Gehäuse 10 ein. Sie nimmt ihren Weg in welter durch den oberen Teil des Gehäuses 10, von wo aus sie In ein entsprechendes Leitungsnetz gelangt.

Der Teil 20 besitzt eine Öffnung, durch welche die Welle 44 ragt, die einen Elektromotor 68 mit dem Flügelrad 36 verbindet. Die Welle 44 bildet ein einstückiges Jj Teil mit einer Läuferwelle 70, die eine Bohrung 71 auweist, die mit Öffnungen 72, 72a versehen ist, durch welche die tiefkalte Flüssigkeit zu den Lagern gelangt. Ein Teil der Flüssigkeit wird nämlich zu den Pumpenlagern zurückgeleitet, wobei sie diese schmiert und gleich- ->u zeltig kühlt. Dieser Teil der Flüssigkeit wird von der Föderleitung abgezapft und durch entsprechende Rohrleitungen zu dem Anschlußstutzen 81 geführt. Durch geeignete Filter werden Verunreinigungen von den Lagern ferngehalten. Die Filter können entweder in der >"> Pumpe selbst oder außerhalb derselben in dem Rohrleitungssystem montiert werden. Die durch den Anschlußstutzen 81 eintretende Flüssigkeit wird durch eine Leitung 83 In das obere Lager 80a geführt. Die Flüssigkeit durchströmt dieses Lager und gelangt dann durch Öff- "*> nungen 72a in die Bohrung 71 der Welle. Von hler aus strömt sie durch Öffnungen 72 zu dem unteren Lager 80 und dann über den Raum 85, eine Drosselhülse 87 und die öffnungen 88 zu dem geförderten Hauptstrom.

Der Innenring des oberen Lagers 80a Ist auf der Welle ■">■"> montiert und durch einen Arretierungsring und eine Mutter 89 gesichert. Der äußere Laufring stützt sich auf ein Distanzstück 91 und ist durch eine Feder 93 vorgespannt. Die Feder 93 ruht In einer unteren Lagerkappe 95, welche am Pumpengehäuse angeschraubt Ist. Die ^Wl Wellenbohrung Ist durch einen Stopfen 97 dicht ver= schlossen.

Das untere Lager 80 Ist In ähnlicher Welse montiert. Die Feder stützt sich In diesem Falle gegen eine Lagerkappe 188 und deren Vorspannung wird durch einen *' Zwischenring 91a auf Jas Lager übertragen. Der innere Laufring 82 Ist auf der Welle montiert und stützt sich gegen eine Lippe 84. der äußere Laufring 86 ist in der Lagerkappe 188 untergebracht, welche am Pumpengehäuse mittels Schrauben 94 festgeschraubt ist. Die Lager sind durch die Federn In entgegengesetzter Richtung vorgespannt, so daß die Axialkräfte der Pnmpenwelle in beiden Richtungen ausgeglichen werden können.

Der Aufbau des selbstsehmlerenden Lagers ergibt sich aus den FI g, 2 und 3. Der Innere Laufring 82 weist eine Rille 96 auf, deren Krümmung etwas größer ist als die-Umfangskrümmung der zwischen den Ringen 82 und 86 angeordneten Kugeln 100. Femer ist eine Schulter 102 vorgesehen, deren Krümmung etwas größer ist als diejenige der Kugeln 100. Die Schulter 102 läßt einen Raum 104 für den Einbau der Kugeln 100 zwischen den Laufringen 82 und 86 frei.

Der gegenseitige Abstand der Kugeln 100 wird durch einen Käfig 106 gewährleistet, welcher für jede Kugel 100 eine separate Kammer 108 aufweist. Jede Kammer 108 ist an ihren mit den Kugeln 100 in Berührung kommenden Flächen mit einem Einsatz 110 versehen. Die Innenflächen der Kammern 108 sind vorzugsweise zylindrisch und der Zylinderdurchmesser wird et-ts größer als der Durchmesser der Kugein 100 gewählt, so d-iß die Kugeln frei in dem Käfig 106 rotleren können.

Zur weiteren Verminderung der Reibung ist ein Ring 112 vorgesehen, welcher auf der dem Außenring 86 zugewandten ?Iäche des Käfigs 106 eingesetzt Ist.

Der Ring 112 ist vorzugsweise in einer Umfangsrille 114 des Käfigs 106 angebracht. Er besteht aus einem Werkstoff mit niedrigem Reibungskoeffizienten. Am meisten hat sich für diesen Ring 112 das unter dem Handelsnamen »Teflon 40-60« bekannte polymerlsferte Tetrailuoräthylen bewährt, das 40 bis 60 Gew.-% pulverisierte Bronze enthält.

Der Käfig 106 wird vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, da dieses eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der äußere Laufring, der innere Laufring und die Kugeln bestehen vorzugsweise aus härtbarem, rostfreiem Stahl. Für die Einsatze 110 wird vorzugsweise das oben für den Ring 112 beschriebene Material gewählt. Di^ mit Bronzezusatz versehene Teflon ist im Vergleich zu Aluminium ein relativ schlechter Wärmeleiter und die erforderliche Werkstoffmenge kann somit auf ein Minimum beschränkt werden. So kann die Dicke der Einsätze 110 beispielsweise weniger als die Wandstärke des Käfigs 106 betragen. Das mit dem Bronzezusatz versehene Teflon wird Im Lager überall dort verwendet, wo gleitende Reibung auftritt und die selbstsehmlerenden Eigenschaften dieses Werkstoffes gewährleisten eine äußerst geringe Reibung und lange Lebensdauer.

Wie bereits erwähnt wurde, besteht der Käfig aus Aluminium, welches leicht Ist und die Wärme rasch ableitet. Dank der Kombination von Stahl, Aluminium und selbstschmierendem Werkstoff ergibt sich ein äußerst zuverlr,slj arbeitendes Lager mit hoher Standzelt.

Mit dem Bezugszeichen 125 sind die elektrischen Zuleitungen für den Antriebsmotor bezeichnet. Der zum Heben und Senken der Pumpe in bezug auf den Flüssigkeitsbehälter erforderliche Mechanismus Ist für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung unwesentlich und braucht daher nicht beschrieben zu werden.

Das gewählte Ausfuhrungsbeispiel bezieht sich speziell auf eine Pumpe zur Förderung tlefkalter Flüssigkeiten, bei welcher die Vorteile des beschriebenen Wälzlagers besonders In Erscheinung treten. Das Lager läßt sich aber selbstverständlich auch für andere Pumpen sowie andere Maschinen und Vorrichtungen verwenden, die mit den konventionellen Wälzlagern nicht In zufriedenstellender Weise arbeiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Wälzlager for eine Pumpe for tiefkalte Flüssigkeiten mit innerem und Süßerem Laufring, zwischen denen Rollkörper und ein die Rollkörper In gegenseitigem, gleichmäßigen Abstand haltender Käfig aus Metall, der die Rollkörper umgebenden Einsätze sowie einen den Käfig umgebenden Hllfslagerrlng aus reibungsarmen Werkstoff aufweist, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die tiefkalte Flüssigkeit durch das Wälzlager (80, 80o) hindurchgeführt wird und der Käfig (106) aus Aluminium besteht, und der Hllfslagerring im Käfig befestigt Ist und bis zur neben einer Schulter (102) Hegenden Innenfläche des Süßeren Laufrings (86) reicht und aus selbstschmlerendem polymerlslertem Tetrafluorethylen mit einem Zusatz von Bronze besteht.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polymerisierte Tetrafluorethylen mit Bronzepulyer Im Gewichtsverhältnis von etwa 40% PTFE und 6ΰ% Bronze gemischt ist.