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Die Erfindung betrifft ein Anemometer mit einem mit einer Nabe versehenen Flügelrad, das um eine mit aerostatischen Lagern versehene Achse drehbar gelagert ist.
Es ist erwünscht, Gasgeschwindigkeiten und auch Gasgeschwindigkeitsprofile in grossen Feuerräumen, wie sie beispielsweise in Dampferzeugungsanlagen vorhanden sind, feststellen zu können.
Die bisher bekannten Messgeräte gaben keine Möglichkeit, diese Aufgabe zufriedenstellend zu lösen.
Bei kleinen Gasgeschwindigkeiten (unter 10 m/s) und geringer Gasdichte (weniger als 0, 3 kg/m3) ist der Staudruck, der üblicherweise zur Messung von Gasgeschwindigkeiten herangezogen wird, zu gering, als dass man Ihn noch messen könnte. Die zur Messung des Staudruckes üblicherweise verwendeten PrandtlRohre verschmutzen in Feuerungen vor allem, wenn aschehaltige Brennstoffe, z. B. Kohle, Holz oder Müll, verbrannt werden.
Laser-Doppler-Anemometer wären prinzipiell geeignet, Geschwindigkeiten in heisser Gasströmung zu messen. Abgesehen davon, dass solche Anemometer extrem kostspielig sind, können sie beispielsweise in Kohlenstaubflammen nicht eingesetzt werden, weil sie durch undurchsichtige Flammen nicht hindurchsehen können.
Flügelradanemometer herkömmlicher Bauart werden nicht für hohe Temperaturen von beispielsweise 1200. C gebaut und können wegen der Nadellagerung des Flügelrades in staubhaltiger Atmosphäre nicht eingesetzt werden. Die Spitzenlager, die wegen ihrer Reibungsarmut üblicherweise in Flügelradanemometern eingesetzt werden, versagen bei hohen Temperaturen und werden darüberhinaus durch die Flugasche der festen Brennstoffe verschmutzt. Sollten Flügelradanemometer bei hohen Temperaturen von z. B.
1200. C eingesetzt werden, müsste man sie aus einem keramischen Werkstoff herstellen, was nicht nur extreme Kosten verursachen würde, sondern es auch fraglich ist, ob mit der heutigen Technologie keramische Flügelradanemometer überhaupt erzeugt werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Flügelradanemometer so auszubilden, dass auch in einem Feuerraum, der mit aschehaltigem Brennstoff befeuert wird, Messungen der in, Feuerraum herrschenden Gasgeschwindigkeiten ermöglicht werden.
Erreicht wird dieses Ziel, wenn bei einem Anemometer der eingangs erwähnten Art, die über die aerostatischen Lager dem Lagerspalt zwischen der Achse und der Nabe des Flügelrades zugeführte Luft nach Passieren des Lagerspaltes einem Luftspalt zuführbar ist, der sich in axialer Richtung der Nabe erstreckt und zwischen der Nabe und einer die Nabe auf zumindest einem Abschnitt ihrer Länge einschliessenden, drehschlüssig, insbesondere mittels Stegen verbundenen Traghülse für die Flügel angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Anemometers wird es möglich, die Lagerluft nach Austritt aus den Lagern, zur Kühlung der Radnabe und auch der sie umschliessenden Traghülse für die Flügel zu benutzen und solcherart temperaturbedingte Verformungen dieser Teile, welche die Messgenauigkeit oder sogar die Funktion des Anemometers beeinträchtigen könnten, zu minimieren. Durch die bei Anwendung der erfindungsgemässen Konstruktion erzielbare Kühlung wird die Funktion der Lager auch bei Temperaturen der Umgebung von etwa 1400. C nicht beeinträchtigt.
Bei erfindungsgemässen Anemometern können gewisse Probleme etwa dadurch auftreten, dass sich das Flügelrad auch dann dreht. wenn es durch den Gasstrom, dessen Geschwindigkeit zu messen ist, nicht angeströmt wird. Die Drehzahl des Flügelrades kann dabei mit dem Druck der Lagerluft variieren.
Diese Unzukömmlichkeiten können jedoch dadurch vermieden werden, dass in Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes, die aerostatischen Lager für das Anemometer nach einem Verfahren hergestellt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zunächst die zylindrische Lagerfläche der Achse, gegebenenfalls auch die sich radial erstreckenden Lagerflächen für die Axiallagerung, durch Schleifen endgefertigt werden, worauf dann, ausgehend von den geschliffenen Lagerflächen, an sich bekannte Lagertaschen durch Elektroerodieren in die Achse eingebracht werden.
Durch die erfindungsgemässe Massnahme werden Unrundheiten der Achse in der Querschnittsebene, in der die jeweilige Lagertasche bzw. auch mehrere Lagertaschen liegen, vermieden. Solche Unrundheiten entstehen dann, wenn die Vertiefung der Lufttaschen zuerst gefräst wird und dann erst das Schleifen der
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vor dem Fräsen der Vertiefungen) führt zum Entstehen eines Grates beim Fräsen, der bei dem erforderlichen engen Luftspalt der Lagerung nicht zugelassen werden kann.
Die Auswirkung unsymmetrischer Lufttaschen ist dadurch erklärlich, dass die Lufttaschen an verschiedenen Stellen unterschiedliche Höhe aufweisen, sodass dort, wo die Höhe geringer ist, mehr Luft in den Lagerspalt einströmt Diese Luft reibt viskos an der Innenfläche der Nabe des Flügelrades und erzeugt dort eine Schubspannung Diese Schubspannung ist, bedingt durch die unterschiedlichen Gasströme in der aerostatischen Lagerung und damit der unterschiedlichen Schubspannungen, an verschiedenen Stellen der Lagerung unterschiedlich.
Durch diese unterschiedlichen Schubspannungen entsteht eine resultierende Kraft mit einer Komponente in tangentialer Richtung, die für die Drehung des Läufers verantwortlich ist. Der Läufer wird dabei seine
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Drehzahl (auch wenn keine Abgasströmung vorhanden Ist) solange erhöhen, bis die aus der Lagerluft resultierende Schubspannung im Gleichgewicht zu den Widerständen steht, die einer Drehung des
Flügelrades entgegenwirken.
Durch das Elektroerodieren, das nach dem endgültigen Schleifen des zylindrischen Lagersitzes erfolgt, wird ein Luftspalt konstanter Weite erzeugt. Das Elektroerodieren hinterlässt auch keinen Grat, durch den die
Luftzuströmung in den Lagerspalt gestört werden könnte. Beim Fräsen der Vertiefung hingegen blieb an der Kante ein Grat stehen, der bewirkte, dass ein ungleichmässiger Luftstrom zu den einzelnen Lufttaschen führte.
Bei Anwendung eines Anemometers, dessen Lufttaschen nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wurden, konnte die Eigendrehzahl des Anemometers von 200 U/min auf 30 bis 60 U/min reduziert werden. Dies Ist weniger als 1 % der maximalen Drehzahl des Flügelrades.
Um die Auswirkung von Wärmespannungen zu vermindern, die dadurch entstehen, dass die Temperatur der Flügel und die Temperatur der Nabe und auch-der Traghülse für die Flügel unterschiedlich ist, kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen werden, dass jeder Flügel zur Verbindung mit der Traghülse mit Hakenfüssen versehen ist, deren Kopf durch Durchbrechungen der Traghülse in die Traghülse einschiebbar und durch Verschieben des Flügels in eine Lage bewegbar Ist, in der der Kopf den Rand der Durchbrechungen hintergreift und dass jeder Flügel durch einen Schweisspunkt, hergestellt insbesondere durch Laserschweissung, mit der Traghülse verbunden ist. Diese Konstruktion erlaubt es, dass sich der Flügel bei Dehnungen, die durch Temperaturunterschiede bedingt sind, beliebig frei bewegen kann.
Der Kopf der Hakenfüsse verschiebt sich dabei relativ zur Traghülse.
Bevorzugt kann jeder Flügel mit drei Hakenfüssen versehen werden, wobei dann die Traghülse pro Flügel drei Durchbrechungen aufweisen muss. Beim Einsetzen des Flügels wird dessen Kopf durch die Durchbrechung hindurchgesteckt und dann der Flügel relativ zur Traghülse tangential zur Drehachse der Traghülse verschoben. Dadurch hintergreift der Kopf den Rand der Durchbrechungen und hindert eine Radialbewegung des Flügels.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen, Fig. i einen Achsschnitt durch ein erfindungsgemäss ausgebildetes Anemometer, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 11-11 in Fig. I, Fig. 3 ein Detail des erfindungsgemässen Anemometers, und Fig. 4 in gegenüber Fig. 2 vergrössertem Massstab das Detail A.
In der Zeichnung ist mit 1 die Nabe des Anemometers bezeichnet. Das Flügelrad ist als Ganzes mit 2 bezeichnet und ist um eine mit aerostatischen Lagern versehene Achse 3 drehbar. Über die aerostatischen Lager wird dem Lagerspalt 4 zwischen der Achse 3 und der Nabe 1 des Flügelrades 2 Luft zugeführt. Diese Luft wird dann. nachdem sie den Lagerspalt 4 passiert hat, - zu Kühlzwecken einem weiteren Luftspalt 5 zugeführt, der sich in axialer Richtung der Nabe I erstreckt und zwischen der Nabe I und einer Traghülse 7 für die Flügel 8 des Anemometers angeordnet ist. Die Traghülse 7 ist mittels Stegen 6 mit der Nabe I des Anemometers verbunden.
Die Verbindung zwischen Traghülse 7 und Nabe kann auch In anderer Welse erfolgen, welche nur einen Drehschluss zwischen der Traghülse 7 und der Nabe I des Flügelrades 2 sicherstellt und einen Luftdurchtntt in axialer Richtung der Nabe des Flügelrades erlaubt.
Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die aerostatischen Lager eine in die Umfangsfläche der Achse 3 mündende Lufttasche 22 auf. Diese Lufttasche 22 wird über einen in den Boden 9 der Lufttasche 22 mündenden Kanal 10 aus dem Hohlraum 11 der Achse 3 des Flügelrades 2 mit Luft versorgt Die Luft wird dein Hohlraum 11 über eine seitliche Gehäuseöffnung 23 zugeführt. Der Lagerspalt 4 zwischen der Achse 3 und der Nabe I des Flügelrades 2 mündet In einen radialen Lagerspalt 12 einer ebenfalls als aerostatisches Lager ausgebildeten Axiallagerung der Flügelradnabe I. In den Radiallagerspalt 12 mündet dann der Luftspalt 5, der sich zwischen der Traghülse 7 für die Flügel 8 und der Nabe I des Flügelrades 2 in Axialrichtung der Nabe erstreckt.
Das vom radialen Lagerspalt 12 abliegende Ende des Luftspaltes 5 liegt in einer achsnormalen Ebene 13 und führt in den Raum R ausserhalb des Anemometers.
Zur reibungsarmen Lagerung der Traghülse bzw. der Nabe des Anemometers kann In axialem Abstand
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und der Achse 3 angeordnet werden. Der Lagerspalt 14 wird mit Luft aus Lufttaschen 15 der Achse I versorgt Die Lufttaschen münden in einer achsnormalen Ebene und werden über Kanäle 17 mit Luft aus dem Hohlraum II der Achse 3 des Anemometers versorgt.
Aus Fig 3 ist eine Ausführungsform einer Verbindung zwischen einem Flügel 8 und der Traghülse 7 veranschaulicht. Der Flügel 8 weist dabei drei Hakenfüsse 18 auf, deren Kopf 19 jeweils durch eine Durchbrechung 20 der Traghülse In die Traghülse 7 eingeschoben ist.
Um den Flügel 8 mit der Traghülse 7 zu verbinden, ist es nach dem Einschieben des Kopfes 19 der Hakenfüsse in die Durchbrechungen 20 lediglich erforderlich, den Flügel 8 In Richtung des Pfeiles H In Fig.
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3 zu verschieben, wodurch der Kopf 19 des Hakenfusses den Rand 21 der jeweiligen Durchbrechung 20 hintergreift. Um ein Verschieben des Flügels bzw. von dessen Hakenfüssen 18 in den Durchbrechungen 20 zu vermeiden, kann jeder Flügel 8 durch einen durch Laserschweissung hergestellten Schweisspunkt mit der Traghülse 7 verbunden werden. Der Flügel 8 kann sich in dieser Konstruktion bei thermischen Dehnungen frei bewegen.