DE1448534C - Wendekreisel mit Flüssigkeitsrotor - Google Patents
Wendekreisel mit FlüssigkeitsrotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wendekreisel mit einem Rotor, der durch eine in einer langgestreckten
Ringkammer rotierende Flüssigkeit gebildet ist, und mit an die Ringkammer angeschlossenen Druckmessern
zur Messung der Präzessionskräfte bei Drehungcn um eine zur Rotorachse senkrechte Achse.
Bei diesem bekannten Wendekreisel erfolgt der Antrieb des Flüssigkeitsringes durch elektrodynamische
Kräfte. Zu diesem Zweck muß eine Flüssigkeit gewählt werden, die elektrisch leitend ist.
Durch die Erfindung soll die Beschränkung auf elektrisch leitende Flüssigkeiten durch Wahl einer
anderen Antriebsart beseitigt werden. Generell ist hierbei im Auge zu behalten, daß die Rotationsgeschwindigkeit möglichst hoch sein muß, um große
Präzessionskräfte und damit eine hohe Meßempfindlichkeit des Wendekreisels zu erzielen.
Erfindungsgemäß ist ein Wendekreisel der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die
Ringkammer zur Erzeugung der Flüssigkeitsrotation mit einer Stirnseite an die ringförmige Austrittsöfinung
einer Wirbelkammer angeschlossen ist, in welche durch eine an deren Außenwand befindliche
tangential Eintrittsöffnung die Flüssigkeit eingepumpt
wird und deren Innenwand durch die verlängerte innere zylindrische Begrenzungswand der Ringkammer
gebildet wird, und daß die innere zylindrische Begrenzungswand der Ringkammer ein Rohr
ist, welches in Abstand von der anderen Stirnwand der Ringkammer endet und einen Abflußweg für die
Flüssigkeit bildet.
Es ist zwar 'bekannt, die Flüssigkeit über tangentiale
Düsen unmittelbar in die Rotorkammer einzupumpen. Jedoch wird hierdurch die Homogenität
der Strömung beeinträchtigt. Durch die Zwischenschaltung einer Wirbelkammer mit einer das Wirbelzentrum
aussparenden ringförmigen Austrittsöffnung wird für die Ringkammer des Wendekreisels eine
Ringströmung guter Homogenität bereitgestellt. Insbesondere erbringt die Wirbelkammer jedoch den
Vorteil, daß in ihr zwischen der Eintritts- und Austrittsöffnung eine Geschwindigkeitsverstärkung erfolgt.
Die Flüssigkeit tritt mit einer durch die Kapazität der Pumpe vorgegebenen Anfangsgeschwindigkeit
in die Wirbelkammer ein und hat zunächst eine durch den Außenradius ra der Kammer bedingte
Winkelgeschwindigkeit Wa. Die Flüssigkeit strömt
dann auf einer spiralförmigen Bahn zur Austrittsöffnung. Hierbei nimmt die Winkelgeschwindigkeit
nicht etwa nur, wie man zunächst annehmen könnte, linear mit abnehmendem Bahnradius, sondern quadratisch
mit diesem zu. Zu diesem Ergebnis führt der hier anzuwendende Satz von der Erhaltung des
Drehimpulses. An der ringförmigen Austrittsöffnung mit dem Radius rt ist die Winkelgeschwindigkeit
demnach
Praktisch geht allerdings ein Teil der theoretisch möglichen Winkelgeschwindigkeitsverstärkung durch
Flüssigkeitsreibung verloren. Im übrigen muß das Zentrum des Wirbels ausgespart werden, weil dort
die genannte Gesetzmäßigkeit nicht gilt. Dies wird indessen durch das Erfordernis, die Austrittsöffnung
der Wirbelkammer zum Anschluß an die Ringkammer des Wendekreisels ringförmig auszubilden,
von selbst gewährleistet.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigt
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene
Ansicht eines erfindungsgemäßen Wendekreisels,
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1,
F i g. 3 einen Querschnitt durch die Eintrittsöffnung der Wirbelkammer. , :
Der in Fig. 1 dargestellte Wendekreisel 1 verwendet
einen Wirbelverstärker 2, der eine Deckwandung 3, eine Bodenwartdung 4 und eine Ringwandung
6 enthält. Die Ringwandung 6 liegt zwischen der Deckwandung 3 und der Bodenwandung
4 und ist mit diesen dicht verbunden, so daß eine Wirbelkammer 5 gebildet ist. Der Wirbelkammer
5 wird Flüssigkeit über eine Leitung 7 zugeführt, die an Öffnungen 8 in der Ringwandung 6 angeschlossen
ist. Die Öffnungen 8 sind im Bereich des Eintritts in die Wirbelkammer 5 tangential zur Innenfläche
der Ringwandung 6 angeordnet: Die durch die Leitung 7 und Öffnungen 8 zugeführte Flüssigkeit
wird aus dem Wirbelverstärker2 über eine Öffnung9 wieder abgeführt, die koaxial zur Achse der Ringwandungö
liegt. Die durch die Öffnung9 abströmende Flüssigkeit tritt in ein Rohr 11 ein, in dem sich innen
ein Rohr 12 mit einem kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Rohres 11 befindet.
Dadurch entsteht ein Ringraum 13, der, wie in Fig. 1 dargestellt, vertikal zwischen den Rohren 11 und 12
verläuft und in den die aus dem Wirbelverstärker 2 abströmende Flüssigkeit einströmt. Die Flüssigkeit in
dem Ringraum 13 bildet also eine zylindrische Säule.
Das Rohrll ist am unteren Ende durch eine Platte 14 verschlossen (Fig. 1), die vier Öffnungen 16, 17,
18 und 19 (F i g. 2) aufweist. Die Öffnungen 16 und 17 sind diametral einander gegenüber angeordnet.
Eine Verbindungslinie zwischen den beiden Öffnungen verläuft senkrecht zu' einer Verbindungslinie
zwischen den öffnungen 18 und 19, die ebenfalls um 180° gegeneinander versetzt sind. Diese Öffnungen
werden, wie weiter unten im einzelnen erläutert wird, zur Ermittlung einer Drehung des Wendekreisels
um eine Achse senkrecht zur Achse des Rohres 11 verwendet.
Das Rohr 12 verläuft bis in die Nähe der Platte 14, endet jedoch im Abstand über dieser. Das Rohr 12
verläuft durch die Öffnung 9 und weiter durch die Deckwandung 3. Das Rohr 12 führt über eine Verbindung,
die nicht dargestellt ist, zur Ansaugseite einer Pumpe zurück. Die Druckseite dieser Pumpe
ist mit der Leitung 7 verbunden, so daß ein geschlossenes Flüssigkeitssystem gebildet wird.
Im Betriebszustand tritt Flüssigkeit, die durch die Leitung 7 und die Öffnung 8 zugeführt wird, tangential
zur Ringwandung 6 in die Wirbelkammer 5. Die Flüssigkeit verläuft innerhalb der Wirbelkammer 5
entsprechend den Strömungskennlinien eines Wirbelverstärkers zur Öffnung 9. Die zur Öffnung 9 geführte
Flüssigkeit tritt in den Ringraum 13 ein und rotiert weiter in einer schraubenförmigen Bahn, bis sie in
den der Platte 14 benachbarten Bereich gelangt. Hier folgt die Flüssigkeit den Pfeilen 21 und tritt in eine
zentrische Kammer 22 ein, die das Innere des Rohres 12 bildet.
Wenn der Wendekreisel um eine durch die Öffnungen 16 und 17 führende Achse oder parallel zu
dieser rotiert, wird ein statischer Druckunterschied zwischen den Bereichen dieser beiden öffnunsen er-
zeugt. Die Richtung dieses statischen Druckunterschiedes ist eine Funktion der Rotationsrichtung.
Wenn die Spitze des Wendekreisel um die vorgenannte Achse in Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene geneigt wird, tritt an der Öffnung 17 ein
größerer Druck auf als an der öffnung 16, und zwar entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit des
Wendekreisels. Wenn umgekehrt die Spitze des Wendekreisels in Fig. 1 aus der Zeichnungsebene
hinausgeneigt wird, steigt der Druck im Bereich der Öffnung 16 relativ zum Druck im Bereich der öffnung
17 an. Die Differenz des statischen Druckes an diesen beiden öffnungen ist eine Funktion der
Rotationsgeschwindigkeit des Wendekreisels. Durch Verwendung einer Einrichtung zur Messung der
Druckdifferenz zwischen den diametral gegenüberliegenden öffnungen kann ein System zur Anzeige
der Rotationsgeschwindigkeit geschaffen werden, oder es können die Signale einem Steuersystem zugeführt
werden. Die Funktion des Wendekreisels bei einer Rota-
ΓΛ tion um eine Linie durch die öffnungen 18 und 19
oder parallel dazu ist identisch mit der Funktion bei Rotation um eine Achse durch die öffnungen 16 und
17 mit dem Unterschied, daß die Druckdifferenzen im Bereich der vorgenannten öffnungen, d. h. der
öffnungen 18 und 19, auftreten. Wenn jedoch die Rotation um irgendeine andere Achse als die Achse
des Rohres 12 verläuft, wird eine Druckdifferenz über wenigstens eins der vorgenannten öffnungspaare
ausgebildet. Wenn die Rotation um eine Achse verläuft, die von einer der frei wechselseitig senkrecht zueinander verlaufenden Achsen abweicht,
treten Druckunterschiede an beiden öffnungsp.aaren 16 und 17 sowie 18 und 19 auf. Da diese öffnungen
mit verschiedenen Meßsystemen verbunden sind, kann jedes einzelne System die jeweils zugehörige Rotationsgeschwindigkeit
des Wendekreisels kompensie ren oder anzeigen bzw. das Ausmaß der Abweichung
von jeder Achse anzeigen.
In einer praktischen Ausführungsform ist die Achse des Rohres 12 auf eine der Achsen des Fahrzeuges
eingestellt, so daß die Rotatiönsgeschwindigkeit
) relativ zu dessen anderen beiden Achsen festgestellt werden kann. Wenn es beispielsweise erwünscht ist,
die Rotatiönsgeschwindigkeit eines Flugzeuges oder eines Geschosses relativ zur Neigungsachse und zur
Gierachse zu messen, ist die Achse des Rohres 12 auf die Roll- oder Längsachse des Flugzeuges eingestellt. Die Verbindungslinie durch die öffnungen 16
und 17 ist dabei auf die Gierachse und die Verbindungslinie zwischen den öffnungen 18 und 19 auf die
Neigungsachse des Flugzeuges eingestellt. Die Rotatiönsgeschwindigkeit um die Gierachse oder um die
Neigungsachse oder um eine Kombination dieser ■beiden kann dann durch einen Wendekreisel gemäß
der Erfindung festgestellt werden. Entsprechend kann
auch die Achse des Rohres 12 auf die Gier- oder Neigungsachse eingestellt sein, um die Rotatiönsgeschwindigkeit um eine der anderen beiden Achsen
festzustellen. Auf einem Fahrzeug oder Gegenstand sind demnach zwei der in Fig. 1 dargestellten Einheiten angebracht, um die Rotationsgeschwindigkeit
um alle drei Achsen feststellen zu können.
Die Anordnung des Rohres 12 innerhalb des Rohres 11 ist deshalb zweckmäßig, weil das Rohr 12
eine der Wände der Ringkammer 13 bildet. Die Auslaßleitung kann aber auch als Fortsetzung an cbs
Rohr 11 angeschlossen sein und ein weiteres Element enthalten, um den Ringraum 13 zu bilden. Die öffnungen
16 bis 19 brauchen nicht unbedingt in der Platte 14 angeordnet zu sein, sondern können sich
auch in der Wand des Rohres Il befinden.
Bei dem erfindungsgemäßen Wendekreisel wird also eine schnell rotierende, begrenzte hohle Flüssigkeitssäule,
die bekanntermaßen als Masse zum Anzeigen von Rotationsgeschwindigkeiten eines Körpers
um vorher bestimmte Achsen dient, durch eine nichtelektrische Vorrichtung angetrieben, die keine bewegten
Teile außer einer üblichen Flüssigkeitspumpe erfordert. Die für den Betrieb erforderliche Energie
ist verhältnismäßig gering, da die Fördergeschwindigkeit der Pumpe verhältnismäßig niedrig sein kann,
was auf Grund der Geschwindigkeitsverstärkung durch den Wirbeiverstärker ermöglicht wird. Natürlich kann die Flüssigkeit auch von jeder anderen
Druckquelle zugeführt werden.
Der erfindungsgemäße Wendekreisel kann nicht nur zur Feststellung von Drehgeschwindigkeiten, sondern
auch von Drehstellungen verwendet werden. Er kann dazu beispielsweise in einem üblichen Kardansystem
aufgehängt sein, so daß er eine Bezugseinrichtung für Stellungsänderungen bildet. Diese
Stellungsänderungen können dann durch geeignete Einrichtungen festgestellt werden. Um die Wirkung
der Schwerkraft auszuschalten, die auf den großen unsymmetrischen Wirbelverstärker 2 einwirkt, sind
in einem solchen Fall zwei derartige Einheiten mit ihren Enden verbunden und in einer gemeinsamen
axialen Linie angeordnet. Eine solche Anordnung sieht ungefähr wie die Achs- und Radanordnung
eines Eisenbahnwagens aus. Beide Einheiten können dabei im wesentlichen jeweils die Form des Wendekreisels
gemäß Fig. 1 haben, mit dem Unterschied, daß in einer solchen Anordnung zweckmäßigerweise
die Platte 14 beiden Wendekreiseln gemeinsam ist.
Claims (4)
1. Wendekreisel mit einem Rotor, der durch eine in einer langgestreckten Ringkammer rotie-,
rende Flüssigkeit gebildet ist, und mit an die Ringkammer angeschlossenen Druckmessern zur
Messung der Präzessionskräfte bei Drehungen um eine zur Rotorachse senkrechte Achse, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ringkammer(11, 12) zur Erzeugung der Flüssigkeitsrotation mit
einer Stirnseite an die ringförmige Austritts-' öffnung (9) einer Wirbelkammer (2) angeschlossen
ist, in welche durch eine an deren Außenwand (6) befindliche tangential Eintrittsöffnung (8) die
Flüssigkeit eingepumpt wird und deren Innenwand durch die verlängerte innere zylindrische
Begrenzungswand (12) der Ringkammer gebildet wird, und daß die innere zylindrische Begrenzungswand (12) der Ringkammer ein Rohr ist,
welches in Abstand von der anderen Stirnwand (14) der Ringkammer endet und einen Abflußweg
für die Flüssigkeit bildet.
2. Wendekreisel nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß in der geschlossenen Stirnwand
(14) der Ringkammer in an sich bekannter Weise diametral gegenüberliegende Meßöffnungen zum
Anschluß eines Differenzdruckmessers vorgesehen sind.
3. Wendekreisel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter
Weise zwei um 90° gegeneinander versetzte Paare von Meßöffnungen (16, 17 bzw. 18, 19) vorgesehen
sind.
4. Wendekreisel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Meßöffnungen
und die Differenzdruckmesser an sich bekannte Flüssigkeitsstrahlverstärker eingefügt
sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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