DE1448534C - Wendekreisel mit Flüssigkeitsrotor - Google Patents

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 r_a der Kammer bedingte Winkelgeschwindigkeit W_a. 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 r_t 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)

Patentansprüche:

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