DE1044112B - Pneumatische Drehzahlregelung einer Turbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Drehzahlregelung einer Turbine für gasförmiges Treibmittel, insbesondere Druckluft, mittels Treibmitteldruck, der in einem von der Turbine angetriebenen Gebläse erzeugt wird und über einen von ihm beaufschlagten Kolben ein Drosselventil in der Treibmittelzufuhrleitung zur Turbine im Schließsinne entgegen einem Gegendruckmittel betätigt.

Bei den bekannten Turbinen jener Art ist das Turbinenlaufrad axial durchströmt und ist das Gebiäserad mit Steuerkolben das einzige Mittel, die Drehzahl zu begrenzen.

Es ist nun bekannt, daß in Zentripetalturbinen das antreibende Druckgefälle durch die Fliehkraft des in den Laufradkanälen befindlichen Treibmittels vermindert wird; es ist daraus klar, daß solche Turbinen keine höhere Drehzahl annehmen können als diejenige, bei der die Fliehkraft des Treibmittels seinem Druckgefälle gleich wird. Die Zentripetalbauart ist also ein natürliches Mittel zur Drehzahlbegrenzung. Die Erfindung will sich auch dieses Mittels bedienen; sie sieht daher vor, daß das Turbinenlaufrad in an sich bekannter Weise radial einwärts durchströmt wird.

Bei den bekannten Turbinen der eingangs erwähnten Art sind das Turbinenlaufrad und das Gebläselaufrad voneinander gesondert und beide vollbeaufschlagt. Diese zwei Räder bedeuten unerwünschten Bauaufwand. Die Erfindung will mit einem einzigen Rade auskommen. Sie sieht daher vor, daß das Turbinenlaufrad teilbeaufschlagt ist — solches ist an sich bekannt — und auf dem nicht beaufschlagten Teil seines Umfangs das Gebläserad bildet.

Um diesen letzten Gedanken zu verwirklichen, sieht die Erfindung vor, daß um diesen nicht beaufschlagten Teil des äußeren Radumfanges ein Sammelraum angeordnet ist, aus dem der regelnde Treibmitteldruck entnommen wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegen die Mündungen des Turbinenrades am äußeren Radumfang in Umfangrichtung hintereinander, am inneren Radumfang paarweise mehr oder weniger nebeneinander.

Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf eine in den Zeichnungen beispielsweise dargestellte Ausführungsform näher beschrieben werden, und dabei sollen auch weitere die Erfindung kennzeichnende Eigenschaften angegeben werden.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine gemäß der Erfindung ausgeführte Antriebsvorrichtung für Schleifscheiben nach Linie A-A der Fig. 2;

Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie B-B der Fin· I · ~

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch ein zu dieser Antriebsvorrichtung gehörendes Ventil.

Pneumatische Drehzahlregelung
einer Turbine

Anmelder:

Ulvsunda Verkstäder Aktiebolag,
Bromma (Schweden)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 43

Beanspruchte Priorität:
Schweden vom 22. Mai 1953

Gerszon Gluchowicz, Hagersten (Schweden),
ist als Erfinder genannt worden

In den Zeichnungen bezeichnet 10 ein Turbinengehäuse, in welchem ein nach dem Aktionsprinzip arbeitendes Turbinenrad 12 mittels einer Verschraubung 16 auf einer Welle 14 befestigt ist. Die Welle 14 erstreckt sich durch eine zylindrische Bohrung in einem als Lagerkörper ausgebildeten Teil 18 des Gehäuses und hat in ihrem freien Ende ein Gewinde 20 zum Befestigen von Schleifscheiben, gegebenenfalls unter Vermittlung einer Aufspannvorrichtung. In die Bohrung sind mit Gleitsitz zwei Lagerhülsen 22 und 24 eingesetzt, die an ihren voneinander abgewendeten Enden mit Laufbahnen für je eine Kugelreihe 26 bzw. 28 versehen sind. Die Welle trägt rinnenförmige Laufbahnen 30, 32 für je eine der Kugelreihen. Zwischen den Hülsen 22, 24 ist ein in Achsebene geteilter Ring 34 eingelegt, der mit Ausnehmungen für eine Anzahl von auf seinem Umfang verteilten Federn 36 versehen ist. Die Federn 36 streben danach, die Hülsen voneinander entfernt zu halten. Die äußere Hülse 22 ist in axialer Richtung durch eine Schraube 38 festgehalten. Eine Schraube 39 kann vorgesehen sein, um die innere Hülse 24 an einer axialen Bewegung in Richtung zur äußeren Hülse 22 hin zu hindern. Die beschriebene Lagerung gestattet eine genaue Zentrierung der Welle und damit des Turbinenrades 12 im Turbinengehäuse 10.

Das Turbinenrad 12 ist vorzugsweise mit zwei Kränzen von Schaufelkanälen ausgebildet. Diese Kanäle können gerade verlaufen und über ihre ganze Länge oder einen wesentlichen Teil davon denselben oder wenigstens annähernd denselben Querschnitt haben. Sie sind daher zweckmäßig durch Bohren hergestellt. In dem einen Kranz verlaufen die Schaufelsog 679/70

kanäle 40 radial und rechtwinklig - zur Mittelachse, während in dem anderen Kranz die Schaufelkanäle 42 etwas schräg gestellt sind. Hierdurch erreicht man, daß die Anzahl der Kanäle verdoppelt wird, obgleich ihre Mittelpunkte am Außenumfang des Turbinenrades in derselben Ebene rechtwinklig zur Welle liegen. Ein zum Antrieb von Schleifscheiben bestimmtes Turbinenrad hat einen Durchmesser der Größenordnung von nur 60 bis 100 mm. Das'Turbinenrad-ist von zwei gegenüber dem Rad ortsfesten Scheiben 44 und 46 umgeben, welche mit der Form des Rades angepaßten Ausnehmungen versehen sind.

Gasförmige Arbeitsmittel" von einer Druckquelle, in erster Linie Druckluft, wird der Antriebsvorrichtung vorzugsweise durch zwei einander diametral gegenüberliegende Kanäle 48 zugeführt. Die Kanäle 48 erweitern sich in der Scheibe 46 zu Expansionsdüsen 5O, die der Luft die vorgesehene tangentiale Geschwindigkeit erteilen. Aus diesen Düsen strömt die Luft hinüber in schneckenförmige Räume 52, die sich nur über einen kleineren Teil des Ümfanges des Rades erstrecken.

Ein Durchlaß 72 steht durch einen ringförmigen Kanal 74 im Turbinenrad 12 mit der Innenseite der Schaufelkanäle und außerdem durch Bohrungen 76 im Deckel 58 mit der umgebenden freien Atmosphäre in Verbindung.

Auf dem Umfange neben den Räumen 52 und an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen sind Ausnehmungen 54 angeordnet. Die eine dieser Ausnehmungen steht über einen Durchlaß 80 mit einem Ventil in Verbindung, dessen Gehäuse mit 82 bezeichnet ist (Fig. 3). In dem Ventilgehäuse ist ein Ventilkörper 84 zusätzlich angebracht, der zwei Flansche 86, 88 besitzt. Der Ventilkörper geht mit Spiel durch Öffnungen 91, 93 in zwei Zwischenwänden 90,92 des Ventilgehäuses hindurch. Diese Zwischenwände bilden Anliegeflächen für die beiden Flansche 86 und 88. Der Ventilkörper 84 wird in seiner Lage in dem Ventilgehäuse mit Hilfe zweier elastischen, vorzugsweise aus Metall gefertigten Membranen 94,96 gehalten, welche eine Mittelkammer von je einer Seitenkammer 100 bzw. 102 im Ventilgehäuse trennen.

Das Ventil ist in der Leitung für die Zufuhr von Druckmittel zu den Kanälen 48 angebracht. Zum An-Schluß dieser Leitung an das Ventilgehäuse dienen mit Gewinde versehene Kanäle 104 und 106. Das Treibmittel tritt durch den Kanal 104 in eine zwischen den Wänden 90 und 92 gelegene Abteilung 98 der Mittelkammer. Nach Durchgang durch die öffnungen 91 und 93 in den Zwischenwänden strömt das Treibmittel durch zwei äußere Abteilungen 105 und 107 der Mittelkammer und durch eine Bohrung 108 zum Kanal 106 und von dort zu den Kanälen 48.

Der Ventilkörper 84 steht vorzugsweise auf beiden Seiten unter der Belastung von je einer Druckfeder 110 bzw. 112. Die Spannung der ersteren Feder ist von außen mittels einer Schraube 114 od. dgl. regelbar. Der Durchlaß 80 steht durch eine Leitung, die mit dem Ventilgehäuse über eine mit Gewinde versehene Bohrung 116 verbunden ist, mit dem Seitenraum 102 in Verbindung.

Die Antriebsvorrichtung arbeitet folgendermaßen: Die Bewegungsenergie des Treibmittels in den beiden Räumen 52 wird bei seiner Umlenkung in die Schaufelkanäle 40, 42 auf das Turbinenrad übertragen. Das Arbeitsmittel entweicht durch den zentralen Kanal 74, den Durchlaß 72 und die Bohrung 76 in die freie Atmosphäre. Gleichzeitig entsteht in sämtlichen Kanälen eine P'umpwirkung infolge des Einflusses der Fliehkraft auf das in den Kanälen befindliche Arbeitsmittel. Die Pumpwirkung erzeugt einen Gegendruck am Außenumfang des Rades. Dieser Gegendruck wird um so größer, je höher die Drehzahl ist; sie wächst proportional dem Quadrat der Drehzahl. Der Gegendruck tritt in den Räumen 52 auf, aber auch in den Ausnehmungen 54. Gleichzeitig mit der Zufuhr von Arbeitsmittel zu den mitten vor den Räumen 52 befindlichen Schaufelkanälen zwecks Erzeugung der Umlaufbewegungen des Turbinenrades dienen die mitten vor den Ausnehmungen 54 befindlichen Schaufelkanäle zur Erzeugung der Pumpwirkung und des damit zusammenhängenden Gegendruckes in den Ausnehmungen. Es läßt sich also sagen, daß das Turbinenrad 12 zugleich als ein Pumpen- und als ein Gebläserad ausgebildet ist. Wenn die Antriebsvorrichtung unbelastet ist, erreicht der Gegendruck seinen Höchstwert.

Der Gegendruck beeinflußt den Ventilkörper 84 über die Membran 96, so daß die Flansche 86, 88 des Ventilkörpers bei steigendem Gegendruck in Richtung auf die Zwischenwände 90, 92 zugeführt werden, was bewirkt, daß die Treibmittelzufuhr gedrosselt wird. Wenn die Turbine in Leerlauf arbeitet und das Rad 12 dann also durchgeht, ist deshalb der Druck des Arbeitsmittels in den Kanälen 48 für eine bestimmte Drehzahl am niedrigsten. Sobald die Antriebsvorrichtung belastet wird und die Drehzahl des Turbinenrades sinkt, verringert sich der Gegendruck in der Ausnehmung 54 und damit in der Seitenkammer 102 des Ventils. Der Ventilkörper 84 öffnet nun, und der Turbine wird mehr Treibmittel zugeführt. Man erhält ein solches Verhältnis zwischen dem Turbineneffekt und der Pumpwirkung im Turbinenrad 12, daß bei einer bestimmten Senkung der Drehzahl von z. B. 10% das sich ergebende Antriebsmoment stark ansteigt.

Durch Einstellen der Spannung der Feder 110 mit Hilfe der Schraube 114 wird das Turbinenrad auf verschiedene Drehzahlen eingeregelt. Je härter die Feder 110 gespannt ist, ein desto höherer Gegendruck ist für eine bestimmte Drosselung der Treibmittelzufuhr erforderlich, und die Durchgehdrehzahl wird dementsprechend hoch. Diese Drehzahl läßt sich auf jeden gewünschten Wert zwischen z. B. 40 000 und 100 000 in der Minute einstellen. Gleichzeitig gestalten sich die Momentkurven derart, daß das sich ergebende Antriebsmoment bei einer bestimmten Senkung der Drehzahl unter den Durchgehwert um so großer wird, je kleiner die Geschwindigkeit ist.

Die Ausgestaltung des Ventilkörpers 84 mit zwei Flanschen 86,88 und dementsprechenden doppelten Strömungswegen 91,105 bzw. 93, 107 bringt den Vorteil mit sich, daß. die Lage des Ventilkörpers im Ventilgehäuse von Schwankungen des Druckes des Treibmittels auf der einen oder anderen Seite des Ventils völlig unabhängig ist.

Gegenüber der bekannten Ausführung, bei welcher das kombinierte Turbinen- und Gebläserad durch zwei separate Räder ersetzt ist, bietet die dargestellte Ausführungsform den Vorteil, daß die Antriebsvorrichtung, geschlossener ausgeführt ist und folglich weniger Platz beansprucht.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Pneumatische Drehzahlregelung einer Tur-. bine für gasförmiges .Treibmittel, insbesondere Druckluft, mittels Treibmitteldruck, der in einem von der Turbine angetriebenen Gebläse erzeugt wird und üb.er einen von. ihm beaufschlagten Kolben ein Drosselventil in der Treibmittelzufuhr-

leitung zur Turbine im Schließsinne entgegen einem Gegendruckmittel betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenlaufrad in an sich bekannter Weise radial einwärts durchströmt und teilbeaufschlagt ist, daß ferner das Turbinenlaufrad auf dem nicht beaufschlagten Teil seines Umfangs das Gebläserad bildet und daß um diesen nicht beaufschlagten Teil des äußeren Radumf anges ein Sammelraum angeordnet ist, aus dem der regelnde Treibmitteldruck entnommen wird.

2. Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen seiner Kanäle am äußeren Radumfang in Umfangsrichtung hintereinander, am inneren Radumfang paarweise mehr oder weniger nebeneinander liegen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 213 937; britische Patentschrift Nr. 117 632; französische Patentschrift Nr. 1 063 861.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen