CH707442A1

CH707442A1 - Device for axis stabilization of rotating elements, has lifting body, which is immersed into fluid vortex, and portion of lifting body has density, where portion is dipped in fluid vortex

Info

Publication number: CH707442A1
Application number: CH00148/13A
Authority: CH
Inventors: Rainer Bunge
Original assignee: Hochschule Rapperswil Inst Für Umwelt Und Verfahrenstechnik
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2014-07-15

Abstract

The device has a lifting body (5), which is immersed into a fluid vortex (1). A portion of the lifting body has a density, where the portion is dipped in the fluid vortex. The portion lies below the density of the fluid. The device has a rotating element (2), which is connected with the lifting body such that a radial force acting on the lifting body is transmitted to the rotating element.

Description

[0001] Die Erfindung fällt in das Gebiet der Fluiddynamik. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Achsenstabilisierung von rotierenden Elementen wie zum Beispiel Rührern, Pumpenrädern und Zentrifugen. The invention falls within the field of fluid dynamics. It relates to a device for axis stabilization of rotating elements such as stirrers, pump wheels and centrifuges.

[0002] Stand der Technik zur Achsenstabilisierung von rotierenden Elementen ist die Radiallagerung, z.B. mit Rollenlagern. Problematisch ist, wenn das rotierende Element mit einer Unwucht läuft, was die Lager belastet. Ein Beispiel hierfür sind Rührer, deren Flügel im Laufe der Zeit durch Abrasion oder Korrosion asymmetrisch abgetragen wurden, oder Zentrifugen, die nicht gleichmässig beaufschlagt wurden. Ein anderes Problem, welches insbesondere bei Rührern beobachtet wird, ist die asymmetrische Anströmung der Flügel durch das zu rührende Medium, z.B. infolge von Konvektionsströmungen. Ein Beispiel hierfür ist das Rühren eines Autoklaven, wobei der Rührer häufig nur durch eine im Deckel angebrachte Durchführung gelagert ist und ohne weitere Unterstützung durch Lager über mehrere Meter in den zu rührenden Behälter hereinragt. In allen oben genannten Fällen gilt als Regel, dass sich die Unwucht des rotierenden Elementes umso stärker auswirkt, je schneller das Element dreht. Fig. 1 skizziert die Verhältnisse bei einer langsamen Rotation und Fig. 2 die bei einer schnellen Rotation. Prior art for axis stabilization of rotating elements is the radial bearing, e.g. with roller bearings. The problem is when the rotating element runs with an imbalance, which loads the bearings. An example of this is stirrers, whose blades have been removed asymmetrically over time by abrasion or corrosion, or centrifuges, which were not uniformly applied. Another problem which is particularly observed with stirrers is the asymmetric flow of the wings through the medium to be stirred, e.g. due to convection currents. An example of this is the stirring of an autoclave, wherein the stirrer is often stored only by a mounted in the lid bushing and without further support by camp over several meters into the container to be stirred. In all the cases mentioned above, the rule is that the faster the element rotates, the more the imbalance of the rotating element will be. Fig. 1 outlines the conditions in a slow rotation and Fig. 2 in a fast rotation.

[0003] Zur Lösung dieses technischen Problems gibt es mehrere bekannte Lösungsansätze. Eine Möglichkeit ist die Vermeidung von Unwucht durch Anbringen von Gegengewichten. Dies setzt allerdings voraus, dass die Unwucht im Voraus bekannt und im Betrieb nicht veränderlich ist. Eine weitere Möglichkeit ist die Unterstützung des rotierenden Elementes durch mehrere Lager, was hohe werkstoffliche Ansprüche an die Lager stellt, wenn diese in einem abrasiven oder korrosiven Medium eingetaucht sind. Eine dritte Möglichkeit ist die Achsenstabilisierung des rotierenden Elementes durch die Verwendung steiferer Antriebswellen, z.B. durch grössere Wellendurchmesser, was aber einen Zielkonflikt insofern darstellt, als dickere Wellen auch schwerer sind und eine bereits vorliegende Unwucht dadurch noch verstärkt werden kann. To solve this technical problem, there are several known approaches. One possibility is to avoid imbalance by attaching counterweights. However, this presupposes that the imbalance is known in advance and is not changeable during operation. Another possibility is the support of the rotating element by several bearings, which makes high mechanical demands on the bearings when they are immersed in an abrasive or corrosive medium. A third possibility is the axis stabilization of the rotating element through the use of stiffer drive shafts, e.g. due to larger shaft diameters, but this represents a conflict of objectives in that thicker waves are also heavier and an existing imbalance can thereby be exacerbated.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, schnell laufende rotierende Elemente so zu stabilisieren, dass durch die Unwucht induzierte Schwingungen umso stärker gedämpft werden, je schneller das Element rotiert. Die Achse des rotierenden Elements soll also nach Anbringen der Vorrichtung «selbstzentrierend» sein. The invention has for its object to provide a device which makes it possible to stabilize fast rotating elements so that vibrations induced by the unbalance are attenuated all the more, the faster the element rotates. The axis of the rotating element should therefore be "self-centering" after attachment of the device.

[0005] Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist. This object is achieved by the device as defined in the patent claims.

[0006] Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wird das rotierende Element mit wenigstens einem Auftriebskörper verbunden, welcher in einen Fluidwirbel eintaucht, wobei der Auftriebskörper ein spezifisches Gewicht aufweist, welches geringer ist als das umgebende fluide Medium. Auf diese Weise wird über den Auftriebskörper auf den rotierenden Körper eine radiale Auftriebskomponente in Richtung der Rotationsachse übertragen, welcher eine vorhandene Unwucht radial stabilisiert. In the inventive device, the rotating element is connected to at least one buoyant body, which dips into a fluid vortex, wherein the buoyant body has a specific gravity which is less than the surrounding fluid medium. In this way, a radial buoyancy component is transmitted via the buoyancy body to the rotating body in the direction of the axis of rotation, which radially stabilizes an existing imbalance.

[0007] Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht aus: – einem Fluidwirbel (1) – einem in diesen Fluidwirbel wenigstens partiell eingetauchten Auftriebskörper (5) – einem rotierenden Element (2) welches mit dem Auftriebskörper verbunden ist. The inventive device consists of: - a fluid vortex (1) A buoyancy body (5) at least partially submerged in this fluid vortex - A rotating element (2) which is connected to the buoyant body.

[0008] Dabei kann der in das fluide Medium eintauchende Teil des rotierenden Elementes selbst auch leichter ausgeführt sein als das umgebende fluide Medium und in dieser Form direkt als Auftriebskörper verwendet werden. In this case, the dipping into the fluid medium part of the rotating element itself can also be made lighter than the surrounding fluid medium and used in this form directly as a buoyant body.

[0009] Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in Fig. 2 und Fig. 4 skizziert. Bei der mittels Antrieb (4) erzeugten schnellen Rotation in einem fluiden Medium (1) biegt sich infolge der Unwucht das mittels Lager (3) stabilisierte rotierende Element (2) um den Betrag S durch (Fig. 2 ). Wird – wie in Fig. 4 skizziert – das rotierende Element erfindungsgemäss mit einem Auftriebskörper (5) versehen, dann ist die Auslenkung S geringer als ohne diesen Auftriebskörper. The operation of the inventive device is shown in Fig. 2 and Fig. 4 outlined. In the case of the fast rotation in a fluid medium (1) generated by means of drive (4), the rotating element (2) stabilized by means of bearings (3) deflects by the amount S (FIG. 2). If - as shown in FIG. 4 - the rotating element according to the invention is provided with a buoyancy body (5), then the deflection S is less than without this buoyancy body.

[0010] Sehr stark vereinfachend kann man sich die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung etwa folgendermassen vorstellen. Infolge der Rotation bildet die Oberfläche des fluiden Mediums eine Rührtrombe aus, deren Minimum in der Rotationsachse liegt. Folglich ist der auf einer bestimmten Tiefe, z.B. am Auftriebskörper, gemessene hydrostatische Druck abhängig von der Entfernung von der Rotationsachse, es bildet sich also ein radialer Druckgradient aus. In der Nähe der Rotationsachse wird ein hydrostatischer Druck durch die sich zwischen dem Minimum der Rührtrombe und der vertikalen Position des Auftriebskörpers befindliche Flüssigkeitssäule ausgeübt. Im Zentrum der Achse herrscht der hydrostatische Druck p0 und mit zunehmendem Abstand horizontalen vom Zentrum der Achse wird die darüber lastende Flüssigkeitssäule höher und damit der hydrostatische Druck grösser. In dem idealisierenden Fall des in Fig. 4 skizzierten Starrkörperwirbels nimmt der hydrostatische Druck in radialer Richtung mit dem Quadrat des Abstandes von der Rotationsachse zu. Folglich ist die an einem exzentrisch rotierenden Auftriebskörper (5) angreifende horizontale Druckkomponente asymmetrisch: p1>p2. Die hieraus resultierende radiale Auftriebskomponente drängt den Auftriebskörper (5) in Richtung der Rotationsachse und stabilisiert damit das rotierende Element (2). Diese Achsenstabilisierung ist umso grösser: <tb>•<SEP>je schneller die Rotation ist <tb>•<SEP>je grösser der Dichteunterschied zwischen Auftriebskörper und Flüssigkeit ist <tb>•<SEP>je grösser das Volumen des Auftriebskörpers ist <tb>•<SEP>je weiter der Angriffspunkt für die Auftriebskraft, radial von der Achse entfernt istVery simplistic, one can imagine the operation of the inventive device as follows. As a result of the rotation, the surface of the fluid medium forms an agitating atom whose minimum lies in the axis of rotation. Consequently, it is at a certain depth, e.g. on the buoyant body, measured hydrostatic pressure as a function of the distance from the axis of rotation, so it forms a radial pressure gradient. In the vicinity of the axis of rotation, a hydrostatic pressure is exerted by the liquid column located between the minimum of the stirring cone and the vertical position of the buoyant body. In the center of the axis, the hydrostatic pressure p0 prevails and with increasing distance horizontal from the center of the axis, the liquid column bearing above it becomes higher and thus the hydrostatic pressure increases. In the idealizing case of the rigid-body vortex sketched in FIG. 4, the hydrostatic pressure in the radial direction increases with the square of the distance from the axis of rotation. Consequently, the horizontal pressure component acting on an eccentrically rotating buoyant body (5) is asymmetric: p1> p2. The resulting radial buoyancy component urges the buoyant body (5) in the direction of the axis of rotation and thus stabilizes the rotating element (2). This axis stabilization is even greater: <tb> • <SEP> the faster the rotation is <tb> • <SEP> the greater the difference in density between the float and the liquid <tb> • <SEP> the larger the volume of the buoyant body <tb> • <SEP> the farther the point of application for the buoyancy force is radially away from the axis

[0011] Offenkundig ist die hier dargebotene Erklärung stark vereinfachend, indem ein Starrkörperwirbel angenommen wird und die in gerührten Systemen sehr ausgeprägten Konvektionsströmungen ignoriert werden. Allerdings können auch diese Konvektionsströmungen den Auftriebskörper, je nach Formgebung, substanziell stabilisieren. Sogar im Extremfall einer Stabilisation des Auftriebskörpers praktisch allein durch die genannten Konvektionsströmungen ist es günstig einen «Auftriebskörper» zu benutzen, der eine möglichst geringe Dichte besitzt, um das Aufschwingen einer bereits vorhandenen Unwucht durch die zusätzlich am rotierenden Element (2) angebrachte Masse zu unterdrücken. Auch dieser Mechanismus einer Achsenstabilisierung des Auftriebskörpers durch eine geschickte Strömungsführung um diesen herum fällt in den Wirkungsbereich der beanspruchten Erfindung. Der Auftriebskörper wird – um gleichzeitig robust und leicht zu sein – im Allgemeinen ein Hohlkörper sein, z.B. ein mit einem festen Schaum ausgefüllter Kunststoff- oder Metallhohlkörper. Obviously, the explanation presented here is greatly simplifying by assuming a rigid body vortex and ignoring the very pronounced convection currents in stirred systems. However, these convection currents can also substantially stabilize the buoyant body, depending on the shaping. Even in the extreme case of a stabilization of the buoyant body practically solely by the convection currents mentioned, it is advantageous to use a "buoyancy body" which has the lowest possible density to suppress the swinging of an existing imbalance by the additionally attached to the rotating element (2) mass , Also, this mechanism of axis stabilization of the buoyant body by a clever flow guide around it falls within the scope of the claimed invention. The buoyant body, to be both robust and lightweight, will generally be a hollow body, e.g. a filled with a solid foam plastic or metal hollow body.

[0012] Als Beleg für die überraschend starke Stabilisierungswirkung der erfindungsgemässen Anordnung sei hier ein Beispiel für die Achsenstabilisierung einer extrem instabilen Anordnung beigebracht. Überraschend zeigten unsere Versuche dass man, anstatt einer starren Welle, bei der Ausübung der Erfindung auch eine flexible Welle benutzen kann. Ein Extremfall dieser Art wurde mit einer Styroporkugel (5) mit 40mm Durchmesser demonstriert, die am Ende eines 130 mm langen Stückes Kunststoffschlauch befestigt war (Fig. 5 ). Diese Vorrichtung wurde in ein mit Wasser gefülltes Becherglas getaucht. In diesem Fall war das rotierende Element (2) der luftgefüllte Schlauch mit der daran als Auftriebskörper (5) angebrachten Styroporkugel. Der ins Wasser eintauchende Teil des rotierenden Elementes war in diesem Fall also bereits als Auftriebskörper ausgebildet. Durch den hydrostatischen Auftrieb strebte die Kugel im Stillstand des Antriebes nach oben, wurde aber durch den semi-flexiblen Schlauch zwangsweise unter Wasser gehalten. Wenn die Vorrichtung anschliessend mit mehr als 200 Umdrehungen pro Minute rotiert wurde, zentrierte sich die Kugel wie in Fig. 6 gezeigt. Die Styroporkugel konnte bis zur Maximalgeschwindigkeit des Antriebs bei 1150 Umdrehungen pro Minute rotiert werden, ohne dass eine signifikante Unwucht beobachtet wurde. Wurde die Styroporkugel jedoch durch eine Stahlkugel ersetzt, so war die Kugel durch ihr Eigengewicht zwar vor Beginn der Rotation zentriert, schlug aber schon bei einer Drehzahl von 60 Umdrehungen/Minute infolge Unwucht an die Innenseite des Becherglases, woraufhin der Versuch abgebrochen werden musste, um eine Beschädigung des Becherglases zu vermeiden. Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung besteht demnach darin eine flexible Welle, z. B. aus Kunststoff oder in Form einer Stahlfeder, zum Antrieb des rotierenden Elements zu verwenden. As an example of the surprisingly strong stabilizing effect of the inventive arrangement here is an example of the axis stabilization of an extremely unstable arrangement taught. Surprisingly, our experiments showed that you can use a flexible shaft instead of a rigid shaft in the practice of the invention. An extreme case of this kind was demonstrated with a 40mm diameter styrofoam ball (5) attached to the end of a 130mm long piece of plastic tubing (Figure 5). This device was immersed in a water-filled beaker. In this case, the rotating element (2) was the air-filled hose with the styrofoam ball attached thereto as the buoyancy body (5). The dipping into the water part of the rotating element was thus already designed as a buoyant body in this case. Due to the hydrostatic buoyancy, the ball aimed at the top of the drive, but was forcibly kept under water by the semi-flexible hose. When the device was subsequently rotated at more than 200 revolutions per minute, the sphere centered as shown in FIG. The styrofoam ball could be rotated to the maximum speed of the drive at 1150 rpm without any significant imbalance being observed. If the polystyrene ball was replaced by a steel ball, the ball was centered by its own weight before the start of the rotation, but hit at a speed of 60 revolutions / minute due to imbalance to the inside of the beaker, after which the attempt had to be canceled to avoid damaging the beaker. A possible embodiment of the invention is therefore a flexible shaft, z. As plastic or in the form of a steel spring to use to drive the rotating element.

[0013] Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung in Zusammenhang mit einem Rührer ist in Fig. 7 skizziert. Hier ist der Auftriebskörper (5) ein Thorus, der an den Flügeln eines Rührers befestigt ist. Im Sinne der Erfindung definieren wir als Thorus ein ringförmiges Element mit beliebigem Querschnitt (z.B. kreisförmig, oval, polygonal). Mit Vorteil wird der Thorus in die «tote» Strömungszone zwischen auf- und herabströmender Konvektion positioniert und sein Querschnitt entsprechend optimiert. In abgewandelter Form Hesse sich diese Vorrichtung auch zur Achsenstabilisierung von Pumpenrädern und dergleichen benutzen wie in Fig. 8 gezeigt. Hier erfolgt der Antrieb des rotierenden Elementes (2) nicht mechanisch mittels einer Welle, sondern berührungslos mithilfe eines elektrischen oder magnetischen Feldes, wie beispielsweise beim Läufer eines bürstenlosen Elektromotors. Die Einheit, bestehend aus rotierendem Element (2) und Auftriebskörper (5), ist bei Rotation selbstzentrierend und wird durch die Strömung oder Feldkräfte (z.B. magnetisch) in der vertikalen Richtung «schwebend» fixiert. Vertikal wird die Einheit durch Stützelemente (6), beispielsweise mittels magnetischer Abstossung, in Position gehalten. Another possible embodiment of the invention in connection with a stirrer is outlined in Fig. 7. Here, the buoyancy body (5) is a thorus attached to the wings of a stirrer. For the purposes of the invention, we define as Thorus an annular element of any cross-section (e.g., circular, oval, polygonal). The Thorus is advantageously positioned in the "dead" flow zone between upward and downward convection and its cross section is optimized accordingly. In a modified form Hesse this device also for axis stabilization of pump wheels and the like use as shown in Fig. 8. Here, the drive of the rotating element (2) is not mechanically by means of a shaft, but without contact by means of an electric or magnetic field, such as the rotor of a brushless electric motor. The unit, consisting of rotating element (2) and buoyancy body (5), is self-centering on rotation and is fixed "floating" by the flow or field forces (e.g., magnetic) in the vertical direction. Vertically, the unit is held in position by support elements (6), for example by means of magnetic repulsion.

[0014] Anstatt eine Welle oder elektrische oder magnetische Felder zum Antrieb des rotierenden Elementes zu verwenden, können auch Strömungen verwendet werden, analog Strömungskupplungen. Eine Möglichkeit wäre der Antrieb mittels tangentialer Einleitung des fluiden Mediums, wodurch etwa so wie in einem Hydrozyklon eine Wirbelströmung erzeugt wird, in welcher sich der Auftriebskörper, und damit das rotierende Element, selbst zentrieren. Eine derartige Vorrichtung könnte z.B. zur Achsenstabilisierung einer Turbine verwendet werden. Instead of using a shaft or electric or magnetic fields to drive the rotating element, flows can also be used, analogous to fluid couplings. One possibility would be the drive by means of tangential introduction of the fluid medium, whereby about as in a hydrocyclone, a vortex flow is generated, in which center the buoyancy body, and thus the rotating element itself. Such a device could e.g. used for axis stabilization of a turbine.

[0015] Eine weitere Ausführungsform ist in Abb. 9 vorgestellt. Hier ist das rotierende Element eine Zentrifugenschüssel, die in ein fluides Medium eingetaucht ist. In diesem Fall ist der ins fluide Medium (1) eintauchende Teil der Schüssel selbst als Auftriebskörper (5) ausgeformt. Eine Modifikation ist in Fig. 10 dargestellt, bei der das rotierende Element (2) vom Auftriebskörper (5) getrennt ist und als «externes Lager» dient. In derartigen Fällen, in denen das fluide Medium nur zur Zentrierung des rotierenden Elementes dient und damit frei wählbar ist, wird man fluiden Medien den Vorzug geben, die eine niedrige Viskosität aufweisen, wie beispielsweise Alkohole oder Ketone. Gegebenenfalls kann man als fluides Medium auch Schwerflüssigkeiten oder Suspensionen verwenden, z.B. fluidisierte Wirbelschichten, in denen der das rotierende Element stabilisierende Auftrieb entsprechend hoch ist. Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung ist die Positionierung des Auftriebskörpers so, dass dieser nur teilweise in das fluide Medium eingetaucht ist, z.B. wie in Fig. 11 für den Fall einer tief eingeschlagenen Rührtrombe dargestellt. Another embodiment is presented in Fig. 9. Here, the rotating element is a centrifuge bowl immersed in a fluid medium. In this case, the part of the bowl immersed in the fluid medium (1) itself is shaped as a buoyancy body (5). A modification is shown in Fig. 10, in which the rotating element (2) is separated from the buoyancy body (5) and serves as an "external bearing". In such cases, in which the fluid medium only serves to center the rotating element and thus is freely selectable, preference will be given to fluid media which have a low viscosity, such as, for example, alcohols or ketones. Optionally, as a fluid medium, heavy liquids or suspensions may also be used, e.g. fluidized fluidized beds in which the buoyancy stabilizing the rotating element is correspondingly high. Another possible embodiment of the invention is the positioning of the buoyant body so that it is only partially submerged in the fluid medium, e.g. as shown in Fig. 11 for the case of a deeply struck Rührtrombe.

[0016] Im Sinne einer möglichst guten Achsenstabilisierung des rotierenden Elementes sind Ausführungsformen ideal, bei denen die gesamte Vorrichtung – bestehend aus rotierendem Element und Auftriebskörper – eine möglichst geringe Dichte hat, z.B. so, dass der im Stillstand resultierende hydrostatische Auftrieb des in das fluide Medium (1) eingetauchten Auftriebskörpers grösser ist als die Gewichtskraft des rotierenden Elementes. Beansprucht werden allerdings auch solche Vorrichtungen, bei denen im Stillstand der durch den Auftriebskörper erzeugte vertikale Auftrieb wenigstens 10%, bevorzugt wenigstens 25%, und besonders bevorzugt wenigstens 50% der am rotierenden Element angreifenden vertikalen Kraft beträgt. In terms of the best possible axis stabilization of the rotating element embodiments are ideal in which the entire device - consisting of rotating element and buoyancy - has the lowest possible density, e.g. in such a way that the hydrostatic buoyancy of the buoyant body immersed in the fluid medium (1) at standstill is greater than the weight force of the rotating element. However, claimed are also those devices in which at standstill the vertical buoyancy generated by the buoyant body is at least 10%, preferably at least 25%, and more preferably at least 50% of the vertical force acting on the rotating element.

[0017] In der Regel wird die Rotationsachse des rotierenden Elementes auch als Rotationsachse für den Auftriebskörper dienen. In general, the axis of rotation of the rotating element will also serve as a rotation axis for the buoyant body.

Claims

1. A device for axis stabilization of rotating elements, characterized in that the device consists of at least one buoyant body, which dips into a fluid vortex, wherein the immersed in the fluid vortex part of the buoyant body has a density which is below the density of the fluid, and that the Device includes a rotating element which is connected to the buoyant body such that a force acting radially on the buoyancy body is transmitted to the rotating element.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the buoyancy undergoes a vertical buoyancy, which amounts to at least 10% of the vertical force acting on the rotating element, preferably at least 25% and more preferably at least 50%.

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the fluid is water, an aqueous solution, or an aqueous suspension.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that its geometry is circular symmetrical to the axis of rotation.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that it is a thorus.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that it rotates at least 30 revolutions per minute, preferably with more than 60 revolutions per minute.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that it has a maximum density of 0.65 kg / L.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the rotating element connected to the buoyant body is a stirrer, a centrifuge bowl, a pump wheel, or a turbine wheel.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the rotating element connected to the buoyancy body is driven without mechanical shaft, but by a flow, an electric field, or a magnetic field.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the angular velocity of the vortex in the region of the buoyant body does not deviate more than 50% from the angular velocity of the submerged buoyant body.