RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) N um er zgłoszenia: 311919 (22) D ata zgłoszenia: 18.12.1995 (51) IntC l6: F01D 25/18 F 1 6 N 7/36 (54) Urządzenie do smarowania łożysk tocznych maszyn wirnikowych (30) Pierwszeństwo: 22.12.1994,DE,P4445957.2 (73) Uprawniony z patentu: Asea Brown Boveri AG, Baden, CH (43) Zgłoszenie ogłoszono: 24.06.1996 BUP 13/96 (72) Twórca wynalazku: Markus Loos, Gebenstorf, CH (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.12.1999 WUP 12/99 (74) Pełnomocnik: Dziamowska Monika, POLSERVICE PL 177666 B1 (57) 1. Urządzenie do smarowania łożysk tocznych maszyn wirnikowych, zwłaszcza ułożyskowanych wewnętrznie turbodoładowarek, składające się z, umieszczonych na wale maszyny wirnikowej, pomiędzy jej ułożyskowaniami, wirników z osiowymi otworami smarowymi, wyposażone w olejowy przewód ssawny, który swoim dolnym końcem jest zanurzony w misce olejowej, a swoim górnym końcem jest połączony z wirnikami, przy czym urządzenie zawiera, usytuowany pierścieniowo wokół wału maszyny wirnikowej i połączony z wirnikami swoją środkową strefą element, do wytwarzania w wirnikach podciśnienia, znamienne tyra, ze wytwarzający podciśnienie element umieszczony jest nieruchomo względem miski olejowej i ma postać komory (6), połączonej olejowym przewodem ssawnym (11) z miską olejową (12), a ponadto pierwszym przewodem powietrznym (14) ze strefą podciśnieniową, zwłaszcza ze strefą podciśnieniową (15) maszyny wirnikowej, przy czym pomiędzy znajdującym się w wirnikach (4) olejem smarowym (23) i strefą podciśnieniową, znajduje się oddzielacz (22), usytuowany korzystnie w pierwszym przewodzie powietrznym (14), zaś miska olejowa (12) jest połączona drugim przewodem powietrznym (18) ze strefą nadciśniemową, zwłaszcza ze strefą nadciśnieniową (20) maszyny wirnikowej. F IG. 2
Urządzenie do smarowania łożysk tocznych maszyn wirnikowych Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do smarowania łożysk tocznych maszyn wirnikowych, zwłaszcza ułożyskowanych wewnętrznie turbodoładowarek, składające się z, umieszczonych na wale maszyny wirnikowej, pomiędzy jej ułożyskowaniami, wirników z osiowymi otworami smarowymi, wyposażone w olejowy przewód ssawny, który swoim dolnym końcem jest zanurzony w misce olejowej, a swoim górnym końcem jest połączony z wirnikami, przy czym urządzenie zawiera, usytuowany pierścieniowo wokół wału maszyny wirnikowej i połączony z wirnikami swoją środkową strefą element, do wytwarzania w wirnikach podciśnienia, znamienne tym, że wytwarzający podciśnienie element umieszczony jest nieruchomo względem miski olejowej i ma postać komory (6), połączonej olejowym przewodem ssawnym (11) z miską olejową (12), a ponadto pierwszym przewodem powietrznym (14) ze strefą podciśnieniową, zwłaszcza ze strefą podciśnieniową (15) maszyny wirnikowej, przy czym pomiędzy znajdującym się w wirnikach (4) olejem smarowym (23) i strefą podciśnieniową, znajduje się oddzielacz (22), usytuowany korzystnie w pierwszym przewodzie powietrznym (14), zaś miska olejowa (12) jest połączona drugim przewodem powietrznym (18) ze strefą nadciśnieniową, zwłaszcza ze strefą nadciśnieniową (20) maszyny wirnikowej. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że komora (6) jest połączona pierwszym przewodem powietrznym (14) z wlotem sprężarki (16), a miska olejowa (12) jest połączona drugim przewodem powietrznym (18) z atmosferą (19). 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że komora (6) jest połączona pierwszym przewodem powietrznym (14) z wylotem turbiny (17), a miska olejowa (12) jest połączona drugim przewodem powietrznym (18) z atmosferą (19). 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pierwszy przewód powietrzny (14) jest przeprowadzony przez otwór (24) w ściance ograniczającej strefę podciśnieniową (15) maszyny wirnikowej. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że w otworze (24) znajduje się przynajmniej jeden, sięgający w obszar strefy podciśnieniowej (15), zaopatrzony w co najmniej jeden boczny otwór (25) element wydrążony (26) dołączony do pierwszego przewodu powietrznego (14). 6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że w strefie podciśnieniowej (15) usytuowana jest przynajmniej jedna dysza (27) połączona na swoim przewężeniu (28) z pierwszym przewodem powietrznym (14). 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że miska olejowa (12) jest szczelna, a komora (6) jest połączona pierwszym przewodem powietrznym (14) z atmosferą (19), zaś miska olejowa (12) jest połączona drugim przewodem powietrznym (18) z wylotem sprężarki (30). 8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że drugi przewód powietrzny (18) jest połączony ze strefą wylotową sprężarki (30) poprzez otwór (31) w jej ściance. 9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w misce olejowej (12) znajduje się urządzenie chłodzące (21). 10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że oddzielaczem (22) jest zawór pływakowy. * * * Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do smarowania łożysk tocznych maszyn wirnikowych, zwłaszcza ułożyskowanych wewnętrznie turbodoładowarek, składających się z, umieszczonych na wale maszyny wirnikowej, pomiędzy ułożyskowaniami, wirników z osiowymi otworami smarowymi, wyposażonyme w olejowy przewód ssawny, który swoim dolnym
177 666 3 końcem jest zanurzony w misce olejowej, a swoim górnym końcem jest połączony z wirnikami, przy czym urządzenie zawiera, usytuowany pierścieniowo wokół wału maszyny wirnikowej i połączony z wirnikami swoją środkową strefą element do wytwarzania w wirnikach podciśnienia. Do oliwienia łożysk tocznych maszyn wirnikowych wykorzystuje się często układy smarowania, w których nie jest potrzebna zewnętrzna pompa olejowa. Znana jest z opisu szwajcarskiego nr 451 714 samozasysająca odśrodkowa pompa oleju smarowego. Zespół umieszczony na czopie wału maszyny wirnikowej składa się w zasadzie z wirnika z obrzeżem spiętrzającym i dołączonymi do niego kanałami pomocniczymi do odprowadzania nadmiaru oleju a także z wirnika pompowego z otworami promieniowymi. Pod działaniem siły odśrodkowej na słup powietrza wirujący w otworach, powstaje podciśnienie, które zasysa olej przewodem ssawnym z miski olejowej do wirnika. Obrzeże spiętrzające i kanały pomocnicze zapobiegają odpływowi oleju przez otwory tarczy, a więc działają jako oddzielacz pomiędzy zasysanym olejem smarowym i wywołującym podciśnienie słupem powietrza. Olej wirujący w wirniku wytwarza ciśnienie potrzebne do wtryskiwania. Tak więc olej jest wtryskiwany z wirnika przez otwory osiowe wprost do łożyska tocznego a następnie odpływa do miski olejowej. Dzięki takiemu smarowaniu, znacznie poprawia się dyspozycyjność turbodoładowarki, w porównaniu z zastosowaniem zewnętrznych pomp oleju smarowego. Poza tym pompa samozasysająca nie wymaga oddzielnego napędu, czyli można uzyskać dzięki jej zastosowaniu bardziej zwartą konstrukcję. Układ taki można łatwo skonstruować, jeżeli wirnik jest osadzony na czopie wału i olej może być zasysany osiowo oraz centrycznie. Jednak w wewnętrznie ułoży skowanych maszynach wirnikowych, to znaczy gdy łożyska znajdują się pomiędzy wirnikiem turbiny i wirnikiem sprężarki, realizacja takiego układu jest związana ze znacznymi nakładami. Takie rozwiązanie, wewnętrznie ułożyskowanej turbodoładowarki, znane jest na przykład z patentu europejskiego nr 0 123 991. W tego rodzaju pompie, narastającego w wirniku ciśnienia oleju smarowego nie można jednak wykorzystać wprost do wtryskiwania oleju do łożyska tocznego, co umożliwia rozwiązanie według opisu szwajcarskiego 451 714. Wynika to przede wszystkim stąd, że w turbodoładowarkach ułoży skowanych wewnętrznie, olej smarowy nie daje się doprowadzać osiowo centralnie. Poza tym nie można również umieścić w pobliżu osi wału oddzielacza, pomiędzy zasysanym olejem i słupem powietrza wywołującym podciśnieniem. Ukształtowane w tym celu otwory zaporowe oleju znajdują się wprawdzie jak najbliżej wału, ale zmniejszają dodatkowo istniejącą przestrzeń montażową. Dlatego wewnętrzny promień wirującego w wirniku pierścienia oleju smarowego jest większy od promienia, na którym znajdują się dysze wtryskowe. Warunkiem skutecznego wtrysku byłaby odwrotna proporcja obu promieni. Aby mimo wymienionych problemów umożliwić doprowadzanie oleju smarowego do łożysk tocznych, wykorzystuje się kręt przenoszony w wirniku na olej. Potrzebne są do tego następne kanały i przewody. Jednak podrażają i komplikują one pompę, a także wymagają większej przestrzeni konstrukcyjnej. Z opisu patentu europejskiego nr 0 123 989 znane jest podobne rozwiązanie, w którym podciśnienie powstaje wskutek działania siły odśrodkowej w wirniku pompy. Olej smarowy jest przy tym zasysany przez łożyska toczne do dwóch wirników. Uzyskiwana w ten sposób różnica ciśnień do smarowania łożysk jest stosunkowo mała. Przy wysokich obrotach może zdarzyć się, że olej smarowy nie może przenikać już przez wir powietrzny otaczający łożysko. Również w tym przypadku nie można wykorzystywać podwyższanego przez wirnik ciśnienia oleju smarowego do wtryskiwania tego oleju w miejscu ułożyskowania. Dlatego wirniki służą głównie do oddzielania zanieczyszczeń. Wspólną wadą wszystkich wymienionych rozwiązań jest to, że podciśnienie potrzebne do zasysania oleju smarowego musi być najpierw wytworzone w wirnikach. Wirnik pompowy umieszczony w tym celu na wale turbodoładowarki zmniejsza jednak jej sprawność.
4 177 666 Celem wynalazku jest stworzenie prostego i efektywnego urządzenia do smarowania łożysk tocznych maszyn wirnikowych, zwłaszcza ułożyskowanych wewnętrznie turbodoładowarek, z wyeliminowaniem wad znanych rozwiązań. Urządzenie do smarowania łożysk tocznych maszyn wirnikowych, charakteryzuje się według wynalazku tym, że wytwarzający podciśnienie element umieszczony jest nieruchomo względem miski olejowej i ma postać komory, która jest połączona olejowym przewodem ssawnym z miską olejową, a ponadto pierwszym przewodem powietrznym ze strefą podciśnieniową, zwłaszcza ze strefą podciśnieniową maszyny wirnikowej, przy czym pomiędzy znajdującym się w wirnikach olejem smarowym i strefą podciśnieniową, znajduje się oddzielacz, usytuowany korzystnie w pierwszym przewodzie powietrznym, zaś miska olejowa jest połączona drugim przewodem powietrznym ze strefą nadciśnieniową, zwłaszcza ze strefą nadciśnieniową maszyny wirnikowej. Korzystnie, komora jest połączona pierwszym przewodem powietrznym z wlotem sprężarki lub wylotem turbiny, a miska olejowa jest połączona drugim przewodem powietrznym z atmosferą przy czym pierwszy przewód powietrzny uchodzi do otworu w ściance strefy podciśnieniowej, a w tym otworze znajduje się przynajmniej jeden, sięgający w strefę podciśnieniową, zaopatrzony w co najmniej jeden boczny otwór element wydrążony połączony z pierwszym przewodem powietrznym, w strefie podciśnieniowej znajduje się przynajmniej jedna dysza połączona na jej przewężeniu z przewodem powietrznym. Korzystnie, miska olejowa jest gazoszczelna, a komora jest połączona pierwszym przewodem powietrznym z atmosferą, zaś miska olejowa jest połączona drugim przewodem powietrznym z wylotem sprężarki, przy czym zwłaszcza przewód powietrzny jest połączony z wylotem sprężarki przez otwór w jej ściance. Korzystnie, w misce olejowej znajduje się urządzenie chłodzące, a oddzielacz ma postać zaworu pływakowego. Zgodnie z wynalazkiem wykorzystuje się istniejące w maszynie wirnikowej różnice ciśnień do zasysania oleju smarowego do wirników. Poza tym ciśnienie narastające w wirnikach wykorzystywane jest do wtryskiwania oleju smarowego do łożysk tocznych. Nie trzeba już specjalnie wytwarzać podciśnienia, niezbędnego do zasysania oleju smarowego. W szczególności, nie jest potrzebna pompa wirowa, a więc wystarcza niniejsza przestrzeń konstrukcyjna w strefie pompy. Bezpośrednie wtryskiwanie oleju smarowego z wirników do łożysk tocznych pozwala też zaoszczędzić ilość elementów konstrukcyjnych i w efekcie przestrzeń wymaganą do zabudowy. W pierwszym ukształtowaniu wynalazku istnieje w kąpieli olejowej normalne ciśnienie, natomiast olej smarowy dostaje się do wirnika w znany sposób dzięki podciśnieniu. Pochodzi ono z wytwarzającej i tak podciśnienie strefy maszyny wirnikowej, korzystnie z wlotu sprężarki. Ponadto, wokół wałka jest umieszczony nieruchomo element pierścieniowy powodujący podciśnienie, ukształtowany jako komora. W pompie tej, promień wewnętrzny pierścieni oleju smarowego wirującego w wirnikach jest mniejszy od promienia, na którym znajdują się dysze wtryskowe. Dopiero dzięki temu także w ułożyskowanych wewnętrznie turbodoładowarkach, istnieje możliwość wykorzystania narastającego w wirniku ciśnienia oleju smarowego bezpośrednio do jego wtryskiwania do łożysk tocznych. Pierwszy przewód powietrzny ma ujście w otworze ścianki strefy podciśnieniowej. Dzięki temu, że w otworze ścianki maszyny znajduje się element wydrążony połączony z przewodem powietrznym zwiększa się użyteczne podciśnienie w tej strefie maszyny wirnikowej, co nawet przy małych obrotach zapewnia potrzebną do zasysania oleju smarowego różnicę ciśnień między kąpielą oleju i wirnikami. Alternatywą jest umieszczenie w strefie podciśnieniowej przynajmniej jednej dyszy i połączenie jej przy przewężeniu z pierwszym przewodem powietrznym. Dzięki zwężeniu strumienia w takiej dyszy zwiększa się bardziej podciśnienie potrzebne do zasysania. Umieszczenie urządzenia chłodzącego w kąpieli olejowej pozwala uzyskać chłodnicę przydatną w szczególności w turbodoładowarkach, gdyż w przeciwnym razie nagrzana turbina doprowadziłaby do dużego wzrostu temperatury oleju smarowego.
177 666 5 W następnej odmianie wykonania występuje w wirnikach normalne ciśnienie a w kąpieli olejowej nadciśnienie, przy czym pierwsze pochodzi od otaczającego powietrza, a drugie od wytwarzającej nadciśnienie strefy maszyny wirnikowej. Ponadto miska olejowa jest ukształtowana gazoszczelnie. Komora łączy się poprzez pierwszy przewód powietrzny z atmosferą, a kąpiel olejowa łączy się poprzez drugi przewód powietrzny z wylotem sprężarki. Dzięki takiemu rozwiązaniu występuje, nawet przy bardzo niskim obciążeniu, stosunkowo duża różnica ciśnień między kąpielą olejową i wirnikiem a więc zapewnione jest oliwienie łożysk tocznych we wszystkich warunkach eksploatacyjnych. Urządzenie według wynalazku zostanie bliżej przedstawione w przykładach wykonania na załączonym rysunku, którego figury przedstawiają kolejno: fig. 1 - schemat turbodoładowarki w pierwszej postaci wykonania; fig. 2 - częściowy przekrój wzdłużny turbodoładowarki w strefie pompy oleju smarowego, według fig. 1; fig. 3 - powiększony fragment podciśnieniowej strefy turbodoładowarki; fig. 4 - odwzorowanie według fig. 3, jednak z dyszą umieszczoną we wlocie sprężarki; fig. 5 - schematyczne odwzorowanie turbodoładowarki w następnej postaci wykonania. W przykładach pokazano tylko elementy istotne dla zrozumienia wynalazku. Kierunek strumienia oleju smarowego zaznaczono strzałkami. Wał 1 turbodoładowarki, zarówno po stronie ułożyskowania turbiny jak i po stronie ułożyskowania sprężarki, osadzony jest na łożyskach tocznych 2, 3. Na wale 1 i pomiędzy łożyskami tocznymi 2, 3 umieszczone są dwa wirniki 4 w osłonie łożyskowej 5. Między nimi osadzony jest, ukształtowany jako komora 6 element pierścieniowy (fig. 1, fig. 2). Komora 6 nie może obracać się, gdyż jest zamocowana nieruchomo na osłonie łożyskowej 5. W jej środkowej strefie 7 jest ona otwarta ku wirnikom 4. Między komorą 6 i obracającymi się wirnikami 4 znajdują się, ukształtowane jako pierścienie, uszczelki 8 (fig. 2), które służą do uszczelnienia wirników 4 względem miski olejowej 12. Wirniki 4 są połączone z łożyskami tocznymi 2, 3 przez osiowe otwory smarowe 9, z których każdy ma dyszę wtryskową 10. Komora 6 jest połączona z miską olejową 12 przewodem olejowym 11. Przy tym otwór wlotowy 13 przewodu olejowego 11 umieszczony jest tuż pod wałem 1. Komora 6 jest połączona pierwszym przewodem powietrznym 14 ze strefą podciśnieniową 15 maszyny wirnikowej, tu z wlotem sprężarki 16 (fig. 1). Oczywiście można ją także połączyć z wylotem turbiny 17 lub z inną strefą podciśnieniową 15 maszyny wirnikowej. Miska olejowa 12 połączona jest drugim przewodem powietrznym 18 z atmosferą 19, która względem wlotu sprężarki 16 lub komory 6 stanowi strefę nadciśnieniową 20. Ponadto, w misce olejowej 12 znajduje się urządzenie chłodzące 21 mające postać chłodnicy wodnej. W pierwszym przewodzie powietrznym 14 umieszczony jest oddzielacz 22, ukształtowany jako zawór pływakowy, pomiędzy doprowadzanym do wirników 4 olejem smarowym 23 i wlotem sprężarki 16. Oczywiście można także wykorzystać inne środki spełniające tę samą funkcję, na przykład syfon hydrauliczny. Pierwszy przewód powietrzny 14 uchodzi do otworu 24 w ściance wlotu sprężarki 16 (fig. 1). Zamiast prostego otworu 24, w innym wykonaniu wynalazku w otworze znajduje się, sięgający do wlotu sprężarki 16, zaopatrzony w boczne otwory 25 element wydrążony 26, mający postać rurki cylindrycznej i połączony z przewodem powietrznym 14 (fig. 3). W następnym wykonaniu wynalazku, we wlocie sprężarki 16 zamiast elementu wydrążonego 26 w postaci rurki, umieszczona jest dysza 27 a na jej przewężeniu 28, tzn. w miejscu jej najmniejszego ciśnienia statycznego, dołączony jest pierwszy przewód powietrzny 14 (fig. 4). Podczas pracy urządzenia, w komorze 6 połączonej pierwszym przewodem powietrznym 14 z wlotem sprężarki 16 powstaje podciśnienie względem istniejącego w misce olejowej 12 normalnego ciśnienia atmosferycznego. Tę różnicę ciśnień wykorzystuje się do tłoczenia oleju smarowego 23 do wirników 4. Poziom oleju w komorze 6 ustala się stosownie do różnicy ciśnień, przy czym do zasysania wystarcza około 10 mbar. Oddzielacz 22, w postaci zaworu pływakowego, uniemożliwia przenikanie oleju smarowego 23 do przewodu powietrznego 14 lub do wlotu sprężarki 16. Ponieważ otwór wlotowy 13 olejowego przewodu 11 umieszczony jest tuż pod wałem 1, to, w stanie unieruchomienia turbodoładowarki, olej smarowy 23 nie może całkowicie odpły-
6 177 666 nąć z podciśnieniowej komory 6 do miski olejowej 12. Dzięki temu zapewnione jest smarowanie łożysk tocznych 2, 3 zaraz po pierwszym uruchomieniu turbodoładowarki. Dzięki umieszczeniu i specjalnemu ukształtowaniu, sięgającego do wlotu sprężarki 16 elementu wydrążonego 26 zwiększa się użyteczne podciśnienie, a więc w efekcie także różnica ciśnień. Dlatego nawet przy niskich obrotach zapewniona jest potrzebna do zasysania oleju smarowego 23 różnica ciśnień między miską olejową 12 i komorą 6. Olej smarowy 23 dostaje się przez komorę 6 do połączonych z nią wirników 4. Wskutek efektu odśrodkowego tworzy się w każdym z wirników pierścień oleju smarowego 29. Promień wewnętrzny tych wirujących pierścieni 29 jest mniejszy od promienia, na którym znajdują się dysze wtryskowe 10. Dlatego, nawet w ułożyskowanych wewnętrznie turbodoładowarkach, istnieje możliwość bezpośredniego wykorzystania narastającego w wirnikach 4 ciśnienia oleju smarowego 23 do jego wtryskiwania w łożyska toczne 2, 3. Ciśnienie to jest wyższe o dwa do trzech rzędów wielkości od ciśnienia potrzebnego do zasysania oleju smarowego 23. Olej smarowy 23 powraca do miski olejowej 12. Dobrze jest przy tym zastosować chłodzenie wodne 21, gdyż w przeciwnym razie nagrzana turbina doprowadziłaby do dużego wzrostu temperatury oleju smarowego 23. W następnym przykładzie realizacji urządzenia, połączona z miską olejową 12 komora 6 łączy się, za pośrednictwem pierwszego przewodu powietrznego 14, z atmosferą 19. W pierwszym przewodzie powietrznym 14 znajduje się oddzielacz 22 w postaci zaworu pływakowego. Miska olejowa 12 ukształtowana jest szczelnie i połączona drugim przewodem powietrznym 18 z wylotem sprężarki 30, stanowiącym strefę nadciśnienia 20 względem komory 6 (fig. 5). Przy tym drugi przewód powietrzny 18 uchodzi do otworu 31 w ściance wylotu sprężarki 30. Podczas pracy tego urządzenia, z wylotu sprężarki 30 podawane jest nadciśnienie do miski olejowej 12 poprzez drugi przewód powietrzny 18. Z uwagi na zasilanie komory 6 ciśnieniem atmosfery 19 powstaje różnica ciśnień, którą wykorzystuje się do doprowadzenia oleju smarowego 23 do wirników 4. Wszystkie dalsze procesy przebiegają w zasadzie analogicznie jak w pierwszym przykładzie realizacji wynalazku.
177 666 FIG. 2 FIG. 3 FIG. 4
177 666 FIG. 1 FIG. 5 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 2,00 zł.