DE1775395C3 - Turbine mit hydrostatisch gelagertem Läufer - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere zum Antrieb eines Werkzeuges, mit einem über hydrostatische Axial- und Radiallager in einem Gehäuse gelagerten Läufer, wobei der Läufer mit einem beschaufelten Laufrad versehen ist, dessen Stirnfläche mit der benachbarten Stirnfläche des Gehäuses das Axiallager bildet.

Eine derartige Turbine ist in der DL-PS 47 187 beschrieben. Dort wird jedoch der Läufer durch gegeneinanderarbeitende Axiallager in axialer Richtung fixiert. Der Läufer kann nur sehr umständlich entfernt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist dagegen die Schaffung eir.^r Turbine der obengenannten Art, bei der der Läufer und das von ihm getragene _S5 Werkzeug als eine Einheit rasch und einfach ausgewechselt werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Turbine mit den im Kennzeichen des Anspruchs aufgeführten Merkmalen gelöst.

In den US-Patentschriften 26 95 198 und 26 9:5 199 sind zwar hydrostatische Lager insbesondere für Kreiselkompasse beschrieben, bei denen das gelagerte Teil zur Kompensation der durch das Luftkissen ausgeübten Kraft zusätzlich mit Unterdruck beauf- 6_S schlagt wird. Das drehbare Teil ist jedoch nicht als Läufer einer Turbine ausgebildet. Zudem sind die dort beschriebenen hydrostatischen Lager schlecht zur Verwendung in einer Turbine zum Antrieb eines Werkzeuges geeignet, da die axiale und radiale Lagerung über dasselbe, schräg zur Lagerachse angeordnete Luftkissen erfolgt.

Durch die Erfindung wird dagegen eine Turbine geschaffen, bei der der Läufer leicht abnehmbar ist und zugleich präzise axial und radial geführt ist.

Trägt der Läufer als Werkzeug z. B. eine Schleifscheibe, so kann Läufer und Schleifscheibe rasch ausgetauscht werden. Durch das Abziehen und Ausrichten einer Austauschschleifscheibe wird daher die Bearbeitung des Werkstückes nicht unterbrochen. Läufer und Werkzeug stellen zusammen verhältnismäßig billige Auswechseleinhei'en dar. Damit kann ein ganzes Vorratslage: einsatzfertiger Einheiten gehalten werden und das Auswechseln erfolgt ohne weitere Einstellung durch einfaches Aufstecken des Läufers auf den Lagerzapfen. Läufer und Werkzeug werden dann durch die hydrostatischen Lager und die zugleich erfolgende Unterdruckbeaufschlagung des Läufers in die richtige Betriebslage gebracht und in dieser gehalten. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Turbine ist ihr störungsfreier Lauf.

Ein Ainführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 eine seitliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Turbine,

Fig.2 einen Längsschnitt durch die in Fig.! dargestellte Turbine längs der Linie 2-2 in vergrößertem Maßstabund

Fig.3 eine teilweise Schnittansicht der erfindungsgemäßen Turbine, wobei der Läufer vom Lagerzapfen abgezogen ist.

Gemäß den Zeichnungen, und insbesondere der Fig. 1, ist eine erfindungsgemäße Turbine 20 mittels eines herkömmlichen Trägers 10 in der Betriebsstellung gehalter', und besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 22, dessen oberer Abschnitt in F i g. 2 nicht dargestellt ist und dessen unterer Abschnitt in einem Ringflansch 23 endet. Ein Mantelring 28, der als zylinderförmiger Kragen ausgebildet ist und eine Seitenwand 29 aufweist, hängt vom Flansch 23 herab und ist an diesem durch Schrauben 26 befestigt.

Das Gehäuse 22 ist von einer axialen Bohrung 33 durchsetzt, in die eine Hülse 34 eingepreßt ist, die einen mit einem Außengewinde versehenen, nach unten vorstehenden Abschnitt 35 aufweist.

Ein im wesentlichen zylindrischer Lagerzapfen 37 ist mit einem oberen zylindrischen Flansch 38 versehen, der das feststehende Teil eines hydrostatischen Axiallagers bildet, und ist von einer axial verlaufenden Bohrung 33a durchsetzt, die als Verlängerung der Bohrung 33 ausgebildet ist. Der Lagerzapfen 37 hat eine obere Senkbohrung 40 mit einem unteren mit einem Innengewinde versehenen Abschnitt 40a, der mit dem Gewindeabschnitt 35 verschraubt wird.

Der Durchmesser des Flansches 38 ist so bemessen, daß der Flansch vom Mantelring 28 aufgenommen werden kann. Der Lagerzapfen 37 weist am unteren Endabschnitt eine kegelstumpfförmige Axialausnehmung37aauf.

Im wesentlichen in der Mitte ist der Lagerzapfen 37 mit einem Ringkanal 42 versehen und beidseitig desselben verläuft eine relativ lange, flache Ausnehmung 43, die an jedem Ende des Lagerzapfens von einem ringförmigen Begrenzungssteg 45 bzw. 46 begrenzt wird. Gegenüber diesen Begrenzungsstegen

hat die Ausnehmung 43 eine Tiefe in der Größenordnung von 0,005 mm.

Die Unterseite des Flansches 38 kann verschieden ausgebildet sein und ist gemäß den Fig.2 und 3 mit einer verhältnismäßig breiten Ausnehmung 47 versehen, die von einem ringförmigen Steg 48 begrenzt wird. Die Tiefe dieser Ausnehmung gegenüber dem Steg kann ebenfalls in der Größenordnung von 0.005 mm liegen.

Auf den Lagerzapfen 37 ist ein Läufer 50, der eine Spindel bildet, drehbar gelagert. Der gezeigte Läufer ist im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet und von einer Axialbohrung 52 durchsetzt, in der der Lagerzapfen 37 aufgenommen wird. Der Durchmesser der Bohrung ist derart bemessen, daß sie gegenüber den ringförmigen Begrenzungsstegen 45 und 46 ein Spiel in Jer Größenordnung von 0,005 mm aufweist. Infolgedessen werden zwischen den einander zugekehrten Flächen des Laufers 50 und des Lagerzapfens 37 sowie seines Flansches 38 Kanäle gebildet. Die Kanäle sind mit den Bezugszeichen versehen, die die entsprechenden Begrenzungsstege und Ausnehmungen, welche diese Kanäle bilden, kennzeichnen.

Der obere Abschnitt des Läufers besteht aus einer als Laufrad ausgebildeten Ringschulter 53, die einem dem Durchmesser des Flansches 38 entsprechenden Durchmesser hat. Um den Umfang der Seitenwand dieser Ringschulter sind Ausnehmungen 56 ausgebildet, die gemäß der herkömmlichen Form einer Turbiienbeschaufelung gebogen ausgebildet sind. In gleicher Weise können auch Schaufelblätter verwendet werden. Der Läufer 50 hat eine obere Stirnfläche 54, die der entsprechenden Stirnfläche des Flansches 38 gegenüberliegt, und eine unlere Stirnfläche 55, die die Ringschulter nach unten begrenzt.

Der Läufer 50 verläuft nach unten geringfügig über den Lagerzapfen 37 hinaus und ist am unteren Ende gemäß den Figuren durch eine Kappe 60 verschlossen, die eine konvexe Außenfläche 62 und eine im Preßsitz auf der Spindel aufsitzende Ringschulter 61 aufweist, wobei ein kegelstutnpfförmiger Nabenabschnitt 63 in die Axialausnehmung 37a verläuft und mit dieser einen Kanal 336 bildet. Gemäß der Darstellung dient die Kappe 60 zur Halterung eines Werkzeuges oder Werkstückes, und zu diesem Zweck ist sie mit einer Axialbohrung 64 versehen, in die der Schaft 67 eines Werkzeuges 66, beispielsweise der gezeigten Schleifscheibe, einsetzbar ist. Der Schaft kann in der Bohrung durch Preßsitz oder Bindemittel gehaltert sein.

Zur Halterung des Läufers 50 dient ein ringförmiger Haltedeckel 69, der unterhalb des Maiitelringes 28 angeordnet ist und so weit nach innen verläuft, daß er einen Abschnitt der Ringschulter 53 untergreift. Der Haltedeckel kann beispielsweise durch Schrauben 70 am Mantelring 28 befestigt sein.

Das obere Ende des Gehäuses 22 ist durch einen Deckel 22a verschlossen. Vom Deckel steht ein Anschlußstück 71 vor, das an eine Vakuumleitung 72 angeschlossen ist und mit den Bohrungen 33 und 33a sowie dem Kanal 336 in Verbindung steht. Über diesen Weg kann der Läufer 50 mit Unterdruck beaufschlagt werden. Der untere Kanal 336 ist kegelstumpffönnig und wird zwischen dem unteren Endabschnitt des Lagerzapfens 37 und dem n?ch oben vorstehenden Nabenabschnitt 63 der Kappe 60 gebildet. Die Vakuiimleitung 72 verläuft zu einer geeigneten nicht (,5 gezeigten Vakuumpumpe.

Durch den Hauptabschnitt des Gehäuses 22 nach unten und abgewinkelt durch den Flansch 23 verläuft ein Kanal 75, der in einem unten offenen Ringkanal 75a in der Unterfläche des Flansches endet. Eine Anzahl von mit dem Ringkanal 75a ausgerichteten Kanälen 76 verläuft innerhalb des Mantelringes 28 und weist nach innen abgewinkelte Endabschnitte 76a auf, die in die innere Ringwand des Mantelringes einmünden. In diesen Endabschnitten 76a sind durch Preßsitr Leitdüsen 78 angeordnet, die zu den Ausnehmungen 56 der Ringschulter 53 weisen. Infolgedessen bildet der Mantelring das Düsengehäuse einer Turbine. Am oberen Ende des Kanals 75 ist ein Anschlußstück 79 angeordnet, von dem eine Leitung 82 zu einer geeigneten Druckluftquelle verläuft.

Ein durch das Gehäuse 22 führender dritter Kanal 88 ist an seinem oberen Ende durch ein Anschlußstück 90 verschlossen, von dem eine Leitung 92 zu einer geeigneten Druckluftquelle verläuft. Der Kanal 88 weist einen Abschnitt S8a auf, der durch den Flansch 38 verläuft, und hat einen weiteren Abschnitt 886, der durch den Lagerzapfen 37 führt und in den Ringkanal 42 mündet.

Der Durchmesser der Ringschulter 53 ist kleiner als der Innendurchmesser des Mantelringes 28, wodurch /wischen beiden ein Kanal 95 gebildet wird. Eine Verlängerung 95a des Kanals 95 verläuft zwischen dem Haltedeckel 69 und der benachbarten Außenfläche des Läufers 50 und mündet in die Atmosphäre.

Die Kanäle 43 und 336 stehen über den Steg 45 miteinander in Verbindung. Der Kanal 47 steht mit dem Kanal 43 über den Steg 46 und mit dem Kanal 95 über den Steg 48 in Verbindung.

Aus dem vorhergehenden ergibt sich, daß zwischen Flächenabschnitten des Lagerzapfens 37 und den zugekehrten Flächenabschnitten des Läufers 50 ein abgestufter Lagerspalt gebildet wird. Dieser mißt im Kanal 43 etwa 0,01 mm und an den Stegen 45 und 46 0,005 mm. Die Druckluftversorgung erfolgt durch die Leitung 92 über die Kanäle 88, 886 und den Ringkanal 42. Der Stufenspalt in der Außenfläche des Flansches 38, der durch die Ausnehmung 47 und die Stege 48 gebildet wird, und die gegenüberliegende Stirnfläche 54 des Läufers 50 bilden ein ähnliches hydrostatisches Lager, das als Axiallager wirkt und den Läufer 50 im Betrieb in Axialrichtung positioniert.

Im Betrieb muß der Spalt zwischen den Stufenflächen des Lagerzapfens 37 und den gegenüberliegenden Flächen des Läufers 50 innerhalb der für von außen beaufschlagte Stufenlager geltenden Betriebsgrenzen liegen. Eine bevorzugte Spaltweite zur Ausrichtung des Läufers gegenüber dem Lagerzapfen ist oben angegeben. Der Luftdruck, bei dem das Lager für den angegebenen Zweck betriebsfähig ist, liegt in der Größenordnung von 10 kp/cm². Somit können auswechselbare Läufer auf den Lagerzapfen 37 aufgeschoben oder montiert werden, t'nd die Betriebsweise der Schleifscheibe 66 gewährleistet ein ständig gleichförmiges Ergebnis. Es gibt keine Lager, die angepaßt, eingestellt oder erneuert werden müssen. Somit ist ein ungewöhnlich präzises Arbeitsgerät geschaffen worden.

Der hier beschriebene Läufer wird durch die über die Leitdüsen 78 ausgeblasene Druckluft angetrieben. Je nach der gewünschten Drehzahl und dem auszuführenden Bearbeitungsschritt kann dazu Druckluft im Bereich zwischen 1,5 und 7,0 kp/cm² erforderlich sein.

Außerdem ist eine neue, ungewöhnlich einfache Halterung für den Läufer geschaffen worden, durch die er mittels Atmosphärendrucks in der Betriebsstellung über ein Luftkissen gegen Flansch 38 gedrückt wird.

Dies wird durch Anlegen eines Vakuums a.i den Kanal 33-33a-33ö des Gehäuses und des Lagerzapfens erreicht. Zur Halterung des Läufers in der Betriebsstellung reicht ein Vakuum in der Größenordnung von 500 mm WS aus. Der Atmosphärendruck drückt den Läufer gegen das hydrostatische Axiallager. Dies legt den Läufer sehr genau in Axialrichtung fest. Daraus ergibt sich ein ruhiges Laufverhalten und ein verhältnismäßig störungsfreier Betrieb.

Um den Läufer 50 zu entfernen, wird der Haltedeckel 69 abgenommen und das Vakuum abgeschaltet, und bei Abschaltung des Vakuums gleitet oder fällt der Läufer einfach vom Lagerzapfen 37. Anschließend wird ein Austauschläufer auf den Lagerzapfen aufgesteckt, Vakuum angelegt und die gerade durchgeführte Bearbeitung fortgesetzt. Der Haltering haltert den Läufer in den Zeiten, in denen das Vakuum abgeschaltet ist.

Der hier gebrauchte Ausdruck »Luft« soll jedes verwendbare Gas umfassen. Weiterhin können auch Flüssigkeiten als Lagermittel und zum Antrieb der

to Turbine verwendet werden. Bei Verwendung von Flüssigkeiten sind entsprechende Änderungen erforderlich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Turbine, insbesondere zum Antrieb eines Werkzeuges, mit einem über hydrostatische Axial- und Radiallager in einem Gehäuse gelagerten Läufer, wobei der Läufer mit einem beschaufelten Laufrad versehen ist, dessen Stirnfläche mit der benachbarten Stirnfläche des Gehäuses das Axiallager bildet, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) der Läufer (50) ist hohl ausgebildet und so über einen fest mit dem Gehäuse (22) verbundenen Lagerzapfen (37) geschoben, daß zwischen der zylindrischen Läuferinnenfläche (52) und der Lagerzapfenaußenfläche das in axialer Richtung abgestufte Radiallager (43,45,46) gebildet ist;

   b) der Lagerspalt des Radiallagers (43, 45, 46) ist über einen mittig angebrachten Ringkanal (42) im Lagerzapfen (37) mit einer Druckmittelquelle verbunden;

   c) der Lagerspalt des Radiallagers (43, 45, 46) ist am freien Ende des Lagerzapfens (37) mit einer axialen Bohrung (33) im Lagerzapfen (37) verbunden, die ihrerseits mit einer Unterdruckquelle in Verbindung steht;

   d) der Lagerspalt des Radiallagers (43, 45, 46) ist am gehäuseseitigen Ende des Lagerzapfens (37) mit dem in radialer Richtung abgestuften Lagerspalt (47) des Axiallagers verbunden;

   e) am Gehäuse (22) ist ein Haltedeckel (69) verschraubt, der die dem Axiallager abgewandte Stirnfläche (55) des Laufrades übergreift;

   f) der Läufer (50) ist nach dem Abschrauben des Haltedeckels (69) von dem Lagerzapfen (37) abziehbar.