DE1541189A1 - Lagerung fuer Turbinenlaeufer zum Antrieb von Dentalbohreren od.dgl. - Google Patents

Description

• Lagerung für Turbinenläufer zum Antrieb von Dentalbohrern od.dergl.
• - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -Die Erfindung bezieht sich auf pneumatisch beaufschlagte Lager für den Läufer kleiner, hochtouriger Antriebs turbinen für Dentalbohrer oder sonstige Werkzeuge und ist darauf gerichtet, eine pneumatisch beaufschlagte Lagerung, nachstehend als Gaslager bezeichnet, so auszubilden, daIfl sie eine testmögliche radiale und axiale Abstützung des mit sehr hoher Drehzahl umlaufenden Turbinenlp.ufers unter Absorption unerwünschter Schwingungen vermittelt, die durch Unbalanz@kräfte auftreten können.
• Es ist bekannt, den Läufer einer Dentalturbine mit zwei Gaslagern auszurüsten, die derart abgefedert montiert sind, daß sie die bei gewissen Drehzahlen auftretenden Unbalanzschwingungen absorbieren. Die Belastbarkeit solcher Lager ist jedoch begrenzt, weil einerseits der Turbinenläufer nur sehr kleine Abmessungen aufweist und andererseits die vorhandenen Radialflächen des Turbinenläufers als Axialdrucklager ausgebildet werden müssen.
• Sei solchen hochtourigen Dentalturbinen soll der Turbinenläufer einerseits trotz seiner kleinen Abmessungen eine möglichst große Außenfläche aufweisen, um für die Drehlager eine hohe Belastbarkeit zu sichern, was für die Aufnahme des Axialdruckes aber von Nachteil ist, weil dann hierfür nur eine kleine Stützfläche zur Verfügung steht.
• Da die bei solchen Turbinen auftretenden Lagerbeanspruchungen vornehmlich radial und einseitig axial gerichtet sind, ergibt eine Lagerung, die diese Kräfte mit einer erhöhten Belastbarkeit aufnehmen kann, eine verbesserte TurbinenleistungO Es ist bekannt, daß die abgefederte Halterung der Lagerhülsen von Gaslagern, zoBo mittels Umfangsringen von geringer Härte, dazu beiträgt, unzureichende Stabilität sowohl hinsichtlich der Ein~ haltung der Drehzahl als auch hinsichtlich der Seibstausrichtung der Lagerhülsen bei hydrostatischen und hydrodynamischen Gas lagern zu vermeiden, und hiervon wird auch Gebrauch gemacht, wenn ein umlaufender Teil in zwei als Gas lager ausgebildeten Drehlagern abgefangen wird0 Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für hochtourig umlaufende Teile eine verbesserte Ausführung von Gaslagern zu schaffen und in dem erwähnten besonderen Fall des Turbinenläufers von Dentalturbinen die Axialdrucaufnahme zu verbessern0 Dies wird bei einer Äntriebsturbine für -- Dentalbohrer odOderglo erfindungsgemä# dadurch erreicht, daß der Turbinenl-aufer an hydrostatischen Gaslagern gehaltert wird, von denen das eine als Axial---Radiallager und das andere als Gaslager mit kegliger Lagerfläche ausgebildet ist0 Beide Lager können der üblichen Ausführung nach G.L.Shires entsprechen. Das Drehlager wird daher nach den üblichen Richtlinien ausgebildet, wie sie von Shires festgelegt worden sind, während das Kegelflächenlager nach einer Formel entworfen und berechnet wird, die von Shires für ein kreisförmiges Axialdrucklager» aufgestellt worden ist0 Die hierfür von Shires aufgestellte Formel W = Kg(Po - Pa) ######## kann zur Bestimmung der Auswirkung des Kegelwinkels auf die axiale Belastbarkeit verwendet werden, wobei die folgenden Beziehungen gelten W = axiale Belastbarkeit Kg = Lagerdruckverhältnis PO = Zuführungsdruck Pa = äu#erer Luftdruck b = äußere Radien a = innere Radien Bei Benutzung dieser Formel werden die Radien b und a so gemessen, wie dies in Fig0 3 und 4 der anliegenden Zeichnung dargestellt ist.
• Eine Veränderung des Kegelwinkels hat eine Veränderung der axialen und radialen Lagerkomponenten zur Folge, wobei die erstere mit abnehmendem Kegelwinkel zunimmt und die letztere mit zunehmendem Kegelwinkel annimmt.
• Da bekanntlich das vordere Lager größeren Radialdrücken ausgesetzt ist als das hintere Lager und das hintere Lager vornehmlich den aufgebrachten Axialdruck auf zunehmen hat, wird das vordere Lager so ausgebildet, daß es ein größeres Verhältnis von Länge/Durchmesser aufweist als das hintere Lager0 Obwohl Gaslager auch schon früher erfolgreich für Dentalturbinen verwendet worden sind, war ihre Balastbarkeit infolge der kleinen Abmessungen des Turbinenläufers begrenzt, und beide Lager, das vordere und das hintere, wurden als Drehlagqr ausgebildet, wobei die Stirnflächen des Läufers als-Axialdrucklager benutzt wurden. Dieser Nachteil wird durch die Verwendung- eines kegligen Lagers vermieden Ein weiterer Na-chteil der bekannten Ausführungen von mit Gaslagern versehenen Dentalturbinen ist dadurch @gründet, daß sle infolge Neigung zur Wirbelbildung einet abgefederte Halterung benötigten, was aber eine ßeschränkung des

  lurchmessers

  Wurchmessers

  und somit eine Verkleinerung der Außenfläche nach sich zogO Die Ausbildung der Lagerung dach der vorliegenden-Erfindung ergibt dagegen eine erhöhte Belastbarkeit durch Vergrößerung des Läu-ferdurch messers, wobei aber der Au#endurchmesser des Turbinenkopfes noch einen annehmbaren Wert behält.
• Bisher wird der Turbinenläufer mit einem einzigen Druckmittelstrahl angetrieben, der im Gehäuse tangential zugeführt wird und Turbinenschaufeln nach Art des Peltonrades beaufschlagt, die im äußeren Umfang des Turbinenläufers angeordnet-sind und wobei eine gleichgerichtete radiale Belastung aufgebracht wird. Diese Ausführung hat xi jedoch gewisse Nachteile, Das antreibende Druckmittel muß

  nämlich den Turbinenläufer

  auf einem Umkreis von etwa 270° strömen, ehe es aus dem Turbinengehäuse abströmen kann0 Während dieser Periode unterliegt es aber einer beträchtl-ichen minderung -aer Strömungsrichtung, wodurch seine Strümungsgeschwindigkeit aber infolge der Strömungsreibung, die durch die Zentrifugalwirkung des Turbinenläufers noch zunimmt, rasch verlangsamt wird. Da wirksame Antriebsarbeit nur im

  Bereich (aer Austrittsöffnung Af

  dem verbleibenden Strömungsweg bis zur Austrittsleitung geleistet wird, übt das Druckmittel eine Bremskraft auf den Umfang des Turbinenlaufers aus. Um die hierdurch bedingte Drehzahaabnahme zu vermindern, muß eine Expansionskammer für das Druckmittel vorgesehen werden. Ferner ist es wegen der äußerst kleinen Abmessungen des Turbinenlufers nicht möglich, richtig geformte Schaufelflächen in den Umfang des Turbinenläufers einzufräsen, was wiederum eine Verminderung der Antriebsleistung nach sich zieht, Durch die Ausführung des Turbinenläufers nach der vorliegenden Erfindung werden diese Schwierigkeiten weitgehend behoben, wobei der Turbinenläufer gleichzeitig eine ausgeglichene Antriebsbelastung erhält0 Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß es bei dieser Ausführung nicht erforderlich ist, die Stirnflächen des Läufers zwischen den Stirnflächen des Lagers besonders genau anzuordnen, um eine gute Axialdruckaufnahme zu gewährleisten, und dabei entsteht von selbst auch eine Expansionskammer für das Antriebsmittel, die es vor seinem Austritt in die Atmosphäre durchströmen muß. Die Beaufschlagungskanäle für die Zuführung des Betriebsmittels können bezüglich der Turbinenschaufeln in der hinteren Lagerfläche unter besonders günstigem Winkel angeordnet werden0 Der äußere Umriß des Turbinenläufers läßt sich natürlich der bisher bekannten Ausführung von mit Gaslagern ausgerüsteten Dentalturbinen leicht dadurch anpassen, daß die Lagerhülsen mit einer federnden Halterung ausgerüstet werden.
• Ein weiterer Punkt, der hier zu beachten ist, beruht auf der 'Tatsache, daß beim Abschalten. des zur Lagerung und zum Antrieb des Turbinenläufers dienenden Druckmittels der Laufer für eine gewisse Zeit noch unter hydrodynamischen Bedingungen umläuft, während er im normalen Betrieb hydrostatisch belastet ist. Dabei tritt aber ein Zeitpunkt ein, in dem die hydrodynamische Abstützung aufhört und der Läufer die Lagerfläche bei noch verhältnismäßig hoher Drehzahl beruhrtO Eine richtige Auswahl der Werkstoffe für den Läufer und die Lagerhülsen ist daher wichtig, da im Augenblick der Lagerflächenberührung eine starke Erhitzung eintreten kann Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Lagerhülsen aus keramischem Material herzustellen, vorzugsweise aus Syliziumnitrit, das den an die Lagerflächen zu stellenden Anforderungen bestens entspricht und eine lange Haltbarkeit sichert, Bestehen die Lagerflächen aus mehreren Teilen, so können sie unter Verwendung bekannter Bindemittel wie Eastman/Kodac-Zement bleibend verbunden werden. Dies ist jedoch nicht erforderlich, wenn Lagerhülsen benutzt werden, die die bekannte düsenartige Gestalt aufweisen.
• Die Zeichnung zeigt Beispiele für die Ausbildung der Läufer lagerung nach der Erfindung bei einer Dentalturbine, Und zwar zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Turbinenläufer und das ihn aufnehmende Gehäuse, Fig0 2 einen Querschnitt nach Linie A-A von Fig.1, Fig. 2a eine Seitenansicht des Turbinenläufers, Fig0 3 und 4 Schaubilder zur Erläuterung der Formeiwerte für die Berechnung der kegligen Lagerfläche, Fig0 5 einen Längs schnitt durch die bisher übliche Ausführung der abgefederten Halterung der Lagerhülson @@@ Ger bisher üblichen, in gestrlchelten Linien angedeuteten Ausführung des Turbinenltlfers als Peltonrad und seines Antriebes durch einen einzigen tangentialen Druckmittelstrahl und Fig. 6 einen Teilquerschnitt durch den Läufer und das Gehäuse zur Erläuterung der Lage der tangentialen Druckmittelzuführungsdüse zur Beaufschlagung der durch Taschen des Läufers gebildeten Schaufeln.
• In der Ausführung nach Fig. 1 befindet sich in dem Turbinengehäuse 1 ein Turbinenlåufer 2, der mit Laufschaufeln 3 versehen ist0 Der Turbinenläufer 2 enthält eine Bohrung 4 zur Aufnahme eines Dentalbohrers oder -fräsers, der am Turbinenläufer abnehmbar befestigt ist, zOBo mit einer Magnetwicklung, die in der Gehäusekappe 5 angeordnet sein kann, oder mit einer Selbstschlußkupplung 5ao Der Turbinenläufer 2 ist mit seinem vorderen Teil in einem hydrostatischen Gas lager 6 und mit seinem hinteren Teil in einem kegligen oder kegelstumpfförmigen hydrostatischen Gaslager 7 gelagert, das zugleich auch als Axialdrucklager dient0 Das vordere Lager 6 ist in üblicher Weise ausgebildet, wie es sich in seinen Abmessungen aus der Berechnung nach der obigen Formel von Shires ergibt, wahrend-das hintere Lager 7 als "kreisförmiges Axialdrucklager mit ringförmiger Beaufschlagung>' entworfen und berechnet ist0 Die nach der Erfindung vorgesehenen federnden Abstützungen sind in Fig. 1 mit 9 bezeichnet und zwischen dem Turbinenläufer 2 und den Lagerschalen 10 und lOa angeordnet, während sie in Figo 5 mit 9a bezeichnet und zwischen dem Turbinengehäuse und den Lagerschalen 11 und-lla angeordnet sind, Das vordere hydrostatische Lager 6 kann in einer federnd nachgiebigen Halterung sitzen, z.B. in Ringen von vorbestimmter Härte, wie sich dies aus der britischen Patentschrift 1 018 300 ergibt.
• Der Antrieb des Turbinenläufers 2 kann entweder in herkömmlicher Weise erfolgen, zOBo durch einen Druckluftstrahl, der gemäß Figo 5, und 6 auf am Läuferumfang angeordnete Taschen 3a trifft, oder durch. eine Axialströmung, wobei der Turbinenläufer am Umfang gemäß Figo 1 und 2 mit eingefrästen Lauf schaufeln 3 versehen ist, die aus mehreren auf den Umfang verteilt liegenden, axial gerichteten Zuführungsdüsen 15 beaufschlagt werden, Bei dem üblichen Antrieb derartiger Dentalturbinen, bei denen der Druckluftstrahl gegen Taschen 3a des Läufers geleitet wird, muß die Beaufschlagungsdüse unmittelbar im Turbinengehäuse angeordnet werden0 Wenn der Läufer mit seiner maximalen Drehzahl von etwa 600 000 Uml./MinO rotiert, so entsteht hierbei ein gewisser Verlust an Antriebskraft, weil die aus der Strahldüse austretende Druckluft durch die Zentrifugalwirkung des Läufers an die Innenfläche des den Läufer umschließenden Gehäuses abgelenkt wird0 Um diesen Antriebsverlust zu vermindern, wird die Antriebsdüse 12 gemäß Fig0 6 an ihrem Austrittsende, wo der Druckluftstrahl seine höchste Geschwindigkeit hat, an ihrer vorderen Kante radial aber. winkelt, damit der Luftstrahl mit einer stärkeren Radialkomponéilte auf die Läufertaschen 3a geleitet wird0 Zur Aufnahme der hohen Wärmebeanspruchungen, die, wie bereits dargelegt wurde, beim Abschalten der Druckluftzufuhr zur Turbine eintreten können, werden die Lagerschalen 10 und 10a nach Fig bzw0 11 und lla nach Fig. 5 aus hartem keramischem Material wie Siliziumnitrit hergestellt0 Die Verwendung eines zylindrischen hydrostatischen Gas lagers 6 am vorderen Teil und eines kegligen hydrostatischen Gaslagers 7 am hinteren Teil des Turbinenläufers ermöglicht es, für das vordere Gaslager 6 ein größeres Verhältnis von Länge/Durchmesser zu wählen und demgemäß die Belastbarkeit zu erhöhen, Gleichzeitig ist durch die Verwendung des kegligen Gas lagers 7 am hinteren Teil des Turbinenläufers eine bessere Aufnahme des Axialdruckes im Betriebszustand der Turbine gewährleistet0 Die verbesserte Axialdruckaufnahme dadurch das hintere Gaslager wirkt sich in einer erhöhten radialen belastbarkeit des vorderen Gaslagers und demgemäß in einer Erhöhung der Turbinenleistung aus, Die Erfindung ist nicht auf Einzelheiten der hier beschriebe nen Ausführung von Dentaldturbinen beschränkt. In Fällen, in denen dies zweckmä#ig ist, kann auch das vordere Gaslager des Turbinenläufers als kegliges axialdrucklager ausgebildet sein oder zusätzlich mit einem solchen Lager verwendet werden

Claims (5)

1. Patentansprüche : Antriebsturbine für Dentalbohrer od.dergl., deren Läufer am Turbinengehäuse mit durckmi ttelbeaufschlagten hydrostatischen Gaslagern gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenläufer (2) ein Axial/Radiallager (6,11) und ein hydrostatisches Gaslager (7)11a) mit kegliger oder kegelstumpfförmiger Lagerfläche aufweist,
2. 2. Antriebs turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da@ das Axial/Radial-Gaslager (6,11) am vorderen Teil des Turbinenlaufers (2), das mit einer kegligen oder kegelstumpfförmigen Lager fläche versehene hydrostatische Gaslager (7,11a) am hinteren Teil des Turbinenläufers (2) angeordnet ist0
3. 3. Antriebsturbine für Dentalbohrer odOdergl., dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenläufer (2) ganz oder teilweise an einem hydrostatischen Gaslager (7,11a) mit kegliger oder kegelstumpfförmiger Lagerfläche abgestützt ist0
4. 4. Antriebs turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaslager mit kegliger oder kegelstumpfförmiger Lagerfläche nach der Formel von Shires in seinen Abmessungen berechnet und ausgebildet ist.
5. 5. Antriebsturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenläufer (2) in hydrostatischen Gaslagern umläuft, deren Lagerschalen (10,10a bzw0 11, lla) aus kera mischem Werkstoff wie Siliziumnitrit bestehen, 6o Antriebsturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenläuf er (2) mit einem Schaufelkranz aus niedriges freistehenden Radialschaufeln (3) versehen ist, der durch eine Mehrzahl von auf ded Umfang verteilt liegenden Zuführungsdüsen (15) beaufschlagt ist, die in der Stirnfläche bzw. Abstützung eines hydrostatischen Gaslagers (6,11) angeordnet sind.

   ?. Antriebsturbine nach einem der Anspruche 1 - 5, deren Turbinenläufer # nach Art eines Peltonrades mit durch Ausnehmungen der Läuferfläche gebildeten Schaufeln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gehause angeordneten Düsen (12) zur Beaufschlagung der schaufelartigen Vertiefungen (3a) des Turbinenläufers (2) an ihrer bezüglich der Umlaufrichtung des Turbinenläufers vorderen Kante eine radiale Abwinkelung zur stärkeren Ablenkung'des antreibenden Druckmittels in die Schaufelvertiefungen aufweisen (Fig.6.).

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