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Gas zentrifuge
Die Erfindung betrifft eine Gaszentrifuge, deren Rotor nach Überwindung zumindest einer kritischen
Drehzahl um seine freie, lotrechte Achse rotiert.
Bei Gaszentrifugen der beschriebenen Art treten wie bei allen rotierenden Systemen, insbesondere bei
Zentrifugen mit einer dünnwandigen Trommel, die in einem überkritischen Drehzahlbereich laufen, beim
Durchlaufen der kritischen Drehzahl nicht nur Schwingungen quer zur Rotationsachse des Systems, sondern auch Schwingungen in Längsrichtungen der Rotationsachse und ausserdem noch Kombinationsschwingungen auf. Diese Schwingungen versetzen das rotierende System in einen unstabilen Zustand, der sich durch sehr unruhigen Lauf des Systems bemerkbar macht.
Mit den bisher bekannten Mitteln und Massnahmen konnten diese Schwingungen nach dem Durchlaufen einer kritischen Drehzahl im allgemeinen kaum nennenswert abgeschwächt werden, sie konnten aber auch bei Vorsehung komplizierter Hilfseinrichtungen keinesfalls so ausreichend gedämpft werden, dass das rotierende System bei einer bereits über der kritischen Drehzahl liegenden Drehzahl wieder in einen stabilen Zustand zurückgeführt werden konnte. Aus diesem Grunde sind bisher, z.
B. bei Gas- und Dampfturbinen und im Zentrifugenbau Betriebsdrehzahlen, die nahe der ersten kritischen Drehzahl des betreffenden Systems und über dieser Drehzahl liegen, nur angewendet werden, wenn dies aus irgendwelchen Gründen unvermeidlich war, während Betriebsdrehzahlen, die bereits der zweiten kritischen Drehzahl nahekommen, überhaupt nicht in Betracht gezogen wurden, weil infolge der Unmöglichkeit, das rotierende System wieder zu stabilisieren, die Gefahr einer Beschädigung von umlaufenden Teilen so gross war, dass ein sicherer Betrieb bei diesen hohen Drehzahlen nicht mehr gewährleistet werden konnte.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine Gaszentrifuge der beschriebenen Art so auszubilden, dass sich das rotierende System dieser Zentrifuge selbsttätig stabilisiert, d. h. sich normalerweise dauernd selbsttätig auf seine freie Rotationsachse zentriert und nach Abweichungen aus diesem zentrierten Zustand, die beim Durchgang durch eine kritische Drehzahl durch die hiebei auftretenden Schwingungen des rotierenden Systems bewirkt werden, möglichst rasch von selbst wieder in seine stabile Lage zurückkehrt.
Zu diesem Zweck soll nach der Erfindung dem rotierenden System jeweils die von ihm bei der Erzeugung der Schwingungen aufgenommene Energie möglichst rasch wieder entzogen werden, um einerseits diese Schwingungen schon während ihres Entstehen beim Durchlaufen einer kritischen Drehzahl stark zu dämpfen und anderseits, die nach dem Durchlaufen dieser Drehzahl weiter bestehenden Schwingungen so rasch zum vollständigen Abklingen zu bringen, dass das rotierende System in kürzester Zeit ungehindert von selbst wieder seinen stabilen Zustand annehmen kann.
Dieses Ziel wird gemäss der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass bei einer Gaszentrifuge der eingangs erläuterten Art der Zentrifugenrotor unter Wahrung der Möglichkeit einer Kreiselbewegung unten mittels einer elastischen Achse in einem einzigen Punkt frei abgestützt und zumindest in einem höher gelegenen Punkt magnetisch gelagert ist, wobei zur Abstützung der Rotorachse ein Spurlagerkörper vorgesehen ist, der auf einem weiteren elastisch gelagerten Körper angeordnet ist, welcher axialsymmetrisch ausgebildet ist und an seiner Oberseite eine Ausnehmung zur Aufnahme des Spurlagerkörpers aufweist, und dass im gegebenenfalls einstellbaren Abstand von diesem elastisch gelagerten Körper ein weiterer, starrer Auflagekörper vorgesehen ist, wobei die gesamte Lagereinrichtung in eine Flüssigkeit taucht.
Eine gemäss der Erfindung ausgebildete Gaszentrifuge kann mit gleich guten Laufeigenschaften in
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jedem beliebigen, zwischen zwei kritischen Drehzahlen liegenden Drehzahlbereich ohne Rücksicht auf die jeweilige absolute Grösse dieser Drehzahl mit grösster Betriebssicherheit verwendet werden. Die erfin- dungsgemässe Gaszentrifuge ist hiebei konstruktiv einfach und übersichtlich aufgebaut, so dass sie im Be- trieb leicht überwacht werden kann und wenig störanfällig ist.
Infolge der besonderen Ausbildung der Lagerung des rotierenden Systems bei der erfindungsgemässen
Gaszentrifuge, nämlich punktförmige Lagerung auf einem unteren Spurlager mit elastischer Abstützung und magnetische Lagerung im oberen Bereich, bleiben die beim Betrieb auftretenden Reibungsverluste, die bei den in Betracht stehenden hohen Drehzahlen selbst bei Kugellagern beträchtliche Höhe erreichen, praktisch innerhalb vernachlässigbarer Grenzen, wodurch natürlich auch der Materialverschleiss sehr klein bleibt. Die bei der Schwingungsdämpfung auftretenden Verformungen bleiben auf die wenigen elastischen
Dämpfungsglieder, z. B. Federn, beschränkt und treten ausserdem nur während des Dämpfungsvorganges auf, der infolge der hohen Wirksamkeit der Dämpfung nur kurz dauert. Die Dämpfung hat dabei keinen merkbar erhöhten Aufwand an Antriebsenergie zur Folge.
Die erfindungsgemässe Gaszentrifuge kann nach weiteren Merkmalen der Erfindung durch eine beson- dere Ausführung oder Anordnung von Teilen der Lagerung des rotierenden Systems so weitergebildet werden, dass die Dämpfungswirkung innerhalb des praktisch möglichen Bereiches vorherbestimmt und dadurch die Gaszentrifuge an besondere Betriebserfordernisse angepasst werden kann.
Zu diesem Zweck ist bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Gaszentrifuge der
Spurlagerkörper in einem Teller angeordnet, der in eine dämpfende Flüssigkeit, z. B. Öl, eintaucht, wobei gegebenenfalls der Teller auf Kugeln aufliegt. Bei einer andern besonderen Ausführungsform der er- findungsgemässenGaszentrifuge ruht die biegsame Rotorachse in einem Spurlagerkörper, der seinerseits in einem elastisch aufgehängten konischen Körper angeordnet ist, welcher in ein mit Öl gefülltes Gefäss taucht. Hiebei ist zweckmässig der Konuskörper mit Abstand von einer starr angeordneten konischen Hülse umschlossen. wobei vorteilhafterweise die gegenseitige Lage von Konuskörper und Konushülse veränderbar ist.
Nach einem andern besonderen Merkmal der Erfindung ist zweckmässig der Magnetkörper für die magnetische Lagerung des Zentrifugenrotors zur Dämpfung von der Rotationsbewegung überlagerten Schwingungen mit der Gehäusewand der Zentrifuge durch Bänder aus einem Werkstoff mit hoher innerer Reibung verbunden. Eine erhöhte Dämpfung von in Längsrichtung der Drehachse des rotierenden Systems auftretenden Schwingungen kann erforderlichenfalls dadurch erreicht werden, dass der Spurlagerkörper in Richtung der Drehachse des Rotors der Zentrifuge elastisch gegenüber dem starren Auflagekörper gelagert ist.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf zwei in der Zeichnung dargestellte Ausführungbeispiele näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Ausbildung und Anordnung von Lagerungsteilen des rotierenden Systems der erfindungsgemässen Gaszentrifuge im Axialschnitt und Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Spurlagerung des rotierenden Systems der Gaszentrifuge ebenfalls im Axialschnitt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das rotierende System der Gaszentrifuge einen schematisch angedeuteten Zentrifugenrotor 1 auf, auf dessen Kopfteil oben ein zum Rotor koaxialer Magnet 2 befestigt ist. In einem vorbestimmten Abstand vom freien Ende des Magneten 2 ist koaxial zu diesem ein drehfest montierter Magnet 3 angeordnet, wobei die Magnete 2 und 3 so orientiert sind, dass in ihnen ein magnetischer Fluss in Richtung der Drehachse des Rotors 1 erzeugt wird. Der drehfeste Ma- gnet 3 kann in verschiedener Weise montiert sein.
Bei dem in Fig. 1 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Magnetkörper 3 mit einem Gehäusewandteil 5 der Zentrifuge durch Bänder 4 aus einem Werkstoff mit hoher innerer Reibung verbunden, welche Dämpfungsglieder zur Aufhebung von Schwingungen des drehfesten Magneten 3 bilden und diesen in seine zentrische Lage zurückführen und in dieser Lage halten. Statt eines der beiden Magnete 2 oder 3 kann selbstverständlich ein Magnetkörper aus magnetisierbarem Material verwendet werden.
Am unteren Ende des Zentrifugenrotors 1 ist mit diesem eine elastische Achse 35 verbunden, die auf einem Spurlager 37 punktförmig aufruht, das seinerseits mittels eines, beim dargestellten Beispiel durch eine Druckfeder 34 gebildeten, elastischen Dampfungsgliedes auf dem Boden einer Vertiefung in einem Teller 36 abgestützt ist. Der Teller 36 liegt auf Kugeln 40, die von einer ortsfesten Platte 38 getragen werden, welche in einem ortsfest montierten Lagergehäuse 33 befestigt ist. Der Teller 36 wird durch elastische Dämpfungsglieder, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch mehrere radiale, an der Seitenwand des Lagergehäuses 33 verankerte Federn 41 gebildet sind, in seiner zentrischen Lage gehalten und nach einer Ablenkung in seitlicher Richtung oder in Umfangrichtung wieder in die zentrierte Lage zurückgeführt.
Zwecks Erhöhung der Dämpfungswirkung ist die ganze Lageranordnung in Öl 39 eingetaucht, das sich im Lagergehäuse 33 befindet.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der unteren Lagerung des rotierenden Systems der erfindungsgemässen Gaszentrifuge liegt der zur Abstützung der Achse. 35 des Zentrifugenrotors 1 dienende
Spurlagerkörper 37 direkt auf der Bodenfläche einer Ausnehmung auf, die an der Oberseite eines nach un- ten verjüngten konischen Körpers 43 ausgebildet ist. Dieser Konuskörper 43 ist seinerseits mittels mehrerer radialer Federn 48, in einer den Konuskörper 43 konzentrisch umschliessenden Hülse 44 elastisch aufge- hängt, deren Bohrung eine dem Umriss des Konuskörpers 43 entsprechende Form hat.
Der Konuskörper 43 ist unten in axialer Richtung mittels eines Stabes 44 auf einem Klotz 45 abge- stützt, der seinerseits über eine Druckfeder 42 am Boden des Lagergehäuses 47 elastisch abgestützt is$. Die gesamte Lageranordnung ist bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in Öl eingetaucht, das im Lagerge- häuse 47 enthalten ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wirken die radialen Federn 48 auch bei der Dämpfung von in axialer Richtung des Rotors auftretenden Schwingung bis zu einem bestimmten Grad mit. Die Grösse der
Dämpfungswirkung auf diese Längsschwingungen kann innerhalb gewisser Grenzen verändert werden, in- dem die Konushülse 46 relativ zum Konuskörper 43, z. B. durch axiales Verschieben der Hülse 46 im Lagergehäuse 47, verstellt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele derGaszentrifuge beschränkt, diese kann vielmehr im Rahmen des Schutzumfanges in konstruktiven Einzelheiten noch verschiedenartig abgewandelt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gaszentrifuge, deren Rotor nach Überwindung zumindest einer kritischen Drehzahl um seine freie, lotrechte Achse rotiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrifugenrotor unter Wahrung der Möglichkeit einer Kreiselbewegung unten mittels einer elastischen Achse (35) in einem einzigen Punkt frei abgestützt und zumindest in einem höher gelegenen Punkt magnetisch gelagert ist, wobei zur Abstützung der Rotorachse ein Spurlagerkörper (37) vorgesehen ist, der auf einem weiteren elastisch gelagerten Körper (36 bzw. 43) angeordnet ist, welcher axialsymmetrisch ausgebildet ist und an seiner Oberseite eine Ausnehmung aufweist, und dass im gegebenenfalls einstellbaren Abstand von diesem elastisch gelagerten Körper (36 bzw. 43) ein weiterer, starrer Auflagekörper (38 bzw. 46) vorgesehen ist, wobei die gesamte Lagereinrichtung (37,36 bzw.
43,38 bzw. 46) in eine Flüssigkeit taucht.