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Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenantrieb, vorzugsweise
ein 'l'urbinenrad. ErBindungsgemäß ist dieses turbinenrad mit einem sich nach außen
erstreckenden, einheitlichen, ringförmigen Flansch versehen und weist ferner im
Abstand voneinander ringförmig angeordnete Turbinenschaufeln zum Antrieb einer Welle
mit hoher Geschwqndigkeit auf, beispielsweise für Höchstgeschwindigkeitszentrifugen
od. dgl.
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Der geometrische Aufbau des Antriebs gleicht die Kräfte aus, die durch
Fluiddruck auf ihn einwirken, wodurch eine axiale belastung der Lager verhindert
wird. Durch den ausgeglichenen Antrieb wird ein einziger Weg für einen wirkungsvollen
Strom der Zydraulikflüssigkeit geschaffen und der Aufbau einer neuen auswechselbaren
Kartuscheneinheit und eines vereinfachten ;liurbinengehäuses ermöglicht. Die der
Abnutzung durch hohe Geschwindigkeit unterworfenen Bauteile, wie Lager, Vakuumabdichtung,
lurbinenantrieb und Antriebswelle, sind zum Zweck der Reparatur oder des Auswechseins
leicht zugänglich.
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Bei bekannten Vorrichtungen wird der Ausgleich der Antriebskräfte
durch Verwendung von zwei oder mehr Reihen von
Turbinenschaufeln
erzielt, die durch das Fluid in entgegengesetzten axialen Richtungen angetrieben
werden. Es war unpraktisch und kostspielig, getrennte Ausgangskanäle für das in
entgegengesetzte axiale Richtungen von der jeweiligen Reihe von i"irbinenschaufeln
ausströmende Fluid vorzusehen. Hinsichtlich Wartung und Reparatur benötigen die
bekannten Vorrichtungen komplizierte und aufwendige Geräte und Mechanismen, und
auch die Arbeiten zum Zusammenbauen und Auseinandernehmen der Arbeitsteile selbst
sind sehr verwickelt.
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Die genannten Nachteile werden durch Schaffung eines lurm binenantriebs
behoben, der an einer vertikalen Welle befestigt ist, wobei das Antriebsrad einen
oberen einheitlichen ringförmige gen Flansch und eine untere Reihe in Abständen
vnneinander angeordneter Turbinenschaufeln aufweist. Die auf der von Antrieb geleitete
Flüssigkeit wird durch den ringförmigen flansch daran gehindert, nach oben zu fließen.
Sie fließt vielmehr nach Auftreffen auf die l'urbinenschaufen durch die Schwerkraft
in einen axial verlaufenden Ausgangshohlraum im Turbinengehäuse.
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Ferner ist im Turbinengehäuse eine auswechselbare Kartuscheneinheit
vorgesehen, die die Lagerarmaturen für die vertikale Antriebswelle enthält, an deren
unterem Ende das ikirbinenrad befestigt ist, das sich in einer koaxial dazu angeordneten
Radkammer dreht. Auf diese Weise werden das Ein- und Ausbauen der Betriebsbauteile
des Turbinenantriebs als einheitliches Ganzes in bzw. aus detn '£urbinengehäuse
erleichtert. Ferner wird der Aufbau des Turbinengehäuses durch die axiale Anordnung
der Kartuschenöffnung, der Radkammer und des Ausgangshohlraums vereipfacht, wodurch
die Herstellungskosten verringert und das Auswechseln und die Wartung der Vorrichtung
vereinfacht und erleichtert werden.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfin-und ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnur ist die Erfindung beispielsweise
veranschaulicht, und zwar eigen Fig. 1 einen Längsschnitt des Turbinenantriebssystems
und in verkleinertem Maßstab sowie auseinandergezogen eines von dem Turbinenantrieb
angetriebenen Zentrifugenrotors, Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene 2-2 der Fig.
1 und Fig. 3 in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht des Turbinenrads gemäß Fig.
1 und 2.
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Alle in der Zeichnung dargestelltn Bauteile sind, falls nicht anders
angegeben, kreisförmig bzw. zylindrisch und sind koaxial in Bezug zueinander angeordnet.
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; Fig 1 zeigt einen Schnellantriebsmechanismus für einen in stark
verkleinertem Maßstab dargestellten Zentrifugenrotor 11.
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Der Zentrifugenrotor 11 ist mit einer ihn antreibenden Welle 12 verbunden,
die in einem feststehenden Gehäuse 13 aus Stahl, 0 Messing od. dgl. vertikal angeordnet
ist, das eine kreisförmige vertikale zentrale Ausnehmung aufweist, deren untere
Kammer 14 einen kleineren Durchmesser hat als die obere Kammer 16. Die beiden Kammern
haben eine gemeinsame Begrenzung in Form einer ringförmigen Schulter 17 im Gehäuse
13.
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Auf der Schulter 17 ruht eine ringförmige Schulter 1S, die sich zwischen
dem oberen und unteren Ende einer herausnehmbaren rohrförmigen Turbinen-Kartusche
19 aus Messing, Stahl od.
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dgl. nach außen erstreckt. Der untere schmälere Teil der Kartusche
19 erstreckt sich in die Kammer 14 hinein, während sich der obere breitere Teil
durch die Kammer 16 nach oben und außen
erstreckt. Die obere innere
Öffnwlg 21 der Kartusche 19 hat einen ringförmigen Rand 22, der die vertikal und
koaxial angeordneten äußeren Laufringe eines Paars Kugellager 23 und 24 trägt, deren
innere Laufringe an einer Hülse 26 befestigt sind, die mit der Welle 12 zwischen
deren Enden fest verbunden ist und sich mit ihr zusammen dreht0 In das obere Ende
der Kartusche 19 ist eine Lagerbefestigungsmutter 27 aus Messing od.
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dgl. eingeschraubt, deren unteres ringförmiges Ende nach unten auf
die äußeren LnufringS der Kugellager 23 und 24 einwirkt, um sie fest in ihrer Lage
zu halten.
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In einer inneren ringförmigen Ausnehmung zwischen dem oberen und
unteren Ende der Mutter 27 ist eine kreisförmige Öl drossel 28 aus Bronze cd. dgl.
befestigt, die eine zentrale Bohrung 29 aufweist, in der sich die Welle 12 mit sehr
kleines Spiel dreht.
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Am Gehäuse 13 ist mittels Bolzen 31 eine Abdeckung 32 befestigt,
deren obere Flache eine zentrale schräge kreisför mige Ausnehmung 33 aufweist, die
in einer mit Gewinde versehene Öffnung 34 endet. In die Öffnung 34 ist eine Mutter
zu zum Festhalten der Kartusche eingeschraubt, deren einstückig mit ihr ausgebildeter
Kopf 37 sich nach oben und außen erstreckt unt einen größere Durchmesser aufweist
als die Öffnung 34.
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Die Mutter 36 und der Kopf-37 haben eine gemeinsame zen trale Ausnehmung
38, deren Innenfläche mit der Außenfläche des oberen breiteren Teils der Kartusche
19 einen Paßsitz bildet.
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Am oberen Ende der Ausnehmung 38 ist eine ringförmige Lagerfläche
39 ausgebildet, die nach unten auf das obere Ende der Kartusche 19 einwirkt, um
letztere in ihrer Lage zu halten Am oberen Ende der Öffnung 34 ist ein O-Ring 40
angeordnet, der durch eine Schulter des Kopfes 37 so festgehalten wird, daß er
eine
flüssigkeits- und luftdichte Abdichtung zwischen der Mutter 36 und der Abdeckung
32 bildet.
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Die Kartusche 19 weist in Abstand voneinander angeordnete, einstückig
mit ihr ausgebildete, sich nach außen erstreckende Vorsprünge 41a und 41b auf, die
an der Innenfläche der Kammer 14 gleitend anliegen und die dazu dienen, die Kartusche
in vertikaler Ausrichtung festzuhalten.
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Der Kopf 37 hat eine zentrale Bohrung 42, in der eine rohrförmige
Hülse 43 aus Bronze od. dgl. angeordnet ist, in der sich der obere Teil der Welle
12 dreht. Die Hülse 43 dient als Vakuumdichtung zum Verhindern des Zutritts von
Luft in eine luftleere Kammer 44, in der sich der Zentrifugenrotor 11 dreht.
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Der Kopf 37 weist ferner eine Ausnehmung 46 auf, die zwischen den
Enden der Hülse 43 angeordnet ist und in der ein elastischer O-Ring 47 zum Drosseln
des Ölflusses untergebracht ist.
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Das Schmieren der Vakuumdichtung und der Wellenlager geschieht durch
eine Ölzuleitung 48 im Gehäuse 13, wobei die Quelle und die Pumpvorrichtung für
dieses Öl nicht dargestellt sind. Die Ölzuleitung 48 führt in eine Ausnehmung 49
im Gehäuse 13, in der eine O-Ringdichtung 51 angeordnet ist, die den: Ölfluß in
einem Ölkanal 52 im oberen Teil der Kartusche 19 drosselt. Das obere Ende des Kanals
52 mündet am oberen Teil der Kartusche und erlaubt es dem Ö1, über die Mutter 27
und durch den Raum zwischen der Welle 12 und der Öldrossel 29, dann nach unten durch
die Lager 23 und 24 und weiter nach unten durch die Kartusche 19 zu fließen, um
das untere Ende der Welle 12 zu schmieren, das sich in einem Hülsenlager 53 aus
Bronse dreht, das im unteren Ende der Kartusche 19 befestigt ist.
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Am unteren Ende der Welle 12 ist ein Turbinenrad 55 befestigt, das
sich in einer Radkammer 56 im Gehäuse 13 dreht.
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Der Boden der Radkammer 56 steht axial mit einem Auslaßraum 57 zum
Rückführen der Antriebsflüssigkeit in einen nicht dargestellten geeigneten Behälter
od. dgl. in Verbindung. Das Gehäuse 13 weist zwei sich einander gegenüber erstreckende
Einlässe 58 und 59 auf, deren innere Enden mit der Radkammer 56 tangential zu dieser
und einander gegenüberliegend in Verbindung stehen. Die äußeren Enden der Einlässe
58 und 59 weisen mit Gewinde versehene Abschnitte 61 bzw. 62 zum Anschließen geeigneter
Armaturen an äußere Quellen von unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit auf.
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Bei einigen Ausführungsformen kann das Gehäuse 13 mit einem einzigen
Einlaß anstelle der Einlässe 61 und 62 versehen sein, wobei ein innerer Kanal innerhalb
des Gehäuses zu zwei Düsen führt, die in einem Winkelabstand von etwa 180° in die
Radkammer 56 münden, wodurch äußere Armaturen am Gehäuse 13 vereinfacht werden können
und äußere Ventilanordnungen leichter in das hydraulische System eingebaut werden
können.
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Die Kartusche 19 kann zusammen mit der Welle 12 und dem Turbinenrad
55 in die Kammer 14 eingeschoben bzw. aus ihr entfernt werden, wobei alle diese
Bestandteile eine Einheit bilden, die beim Auswechseln und bei der Reparatur als
Ganaes wirkt. Die Kammern 14 und 56 sind genau bearbeitet und koaxial angeordnet,
wodurch das Einsetzen der Kartuscheneinheit die präzise Anordnung des Turbinenrads
55 in der Radkammer 56, in der sie einwandfrei umläuft, sicherstellt. Eine solche
Anordnung wird durch die genaue Bearbeitung der Kammer 14 und aer ringförmigen Vorsprünge
41a und 41b sichergestellt. Ferner wird durch Zusammenwirken der Schultern 17 und
18 das Turbinenrad 55 4 in der für seine Drehung in der Radkammer 56 optimalen Stellung
angeordnet.
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Durch getrennte Lagerhalterung für die Hülse 26 und für die Welle
12 wird letzterer ein wenig Spielraum gegeben, sich 53/ im Bereich oberhalb des
Hülsenlagers zu biegen oder zu verschwenken, wenn dies während der Drehung der Welle
mit hoher Geschwindigkeit erforderlich oder vorteilhaft erscheint.
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Der obere Teil des Turbinenrads 55 weist einen mit ihm in einem Stück
ausgebildeten, sich nach außen erstreckenden einheitlichen ringförmigen Flansch
oder Flügel 63 auf, dessen obere Fläche enkrecht zur Achse der Welle 12 verläuft,
während die untere Seite des Flanschs eine nach innen gekrümmte Fläche 64 aufweist,
die in einem mittleren ringförmigen Kanal 65 des Turbinenrades für die Flüssigkeit
endet, Der Durchmesser des Flanschs 63 ist nur sehr wenig kleiner als der Durchmesser
der Radkammer 56, wodurch im wesentlichen verhindert wird, daß die Hydraulikflüssigkeit
am Flansch vorbei nach oben fließt. Die Fläche 64 am Turbinenrad 55 kann entweder
in einer kreisförmigen oder einer elliptischen Krümmung, je nach den strukturellen
und funktionellen Erfordernissen, ausgebildet sein. Die zweckmäßigste Krümmung der
Fläche kann durch geeignete empirische Mittel bestimmt werden, um die gewunschte
bzw. optimale Arbeitsweise des Turbinenrads 55 hinsichtlich der Aufwärtsdruckcharakteristiken
unter Hydraulikdruck, der Beziehung des Flanschs 63 zu der Ausbildung und Anordnung
der Radschaufeln 66 und der Turbulenzfaktoren im Kanal 65 zu erzielen. In manchen
Ausführungsformen kann auch die Fläche 64 als unterbrochene Krümmung oder sogar
als Winkelebene in Bezug zur Achse des Turbinenrads 55 ausgebildet sein, wodurch
der Druck der Hydraulikflüssigkeit auf den einheitlichen, sich nach außen erstreckenden
Flansch 63
die erforderlichen axialen Kräfte erzeugt, um wenigstens
teilweise den durch das Gewicht des Rotors 11 erzeugten entgegengesetzt wirkenden
axialen Kräften entgegenzuwirken.
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Der untere Teil des Turbinenrads 55 weist eine Vielzahl einstückig
mit ihm ausgebildeter, gegebenenfalls in Abstand voneinander angeordneter und gleich
bemessener Radschaufeln 66 auf, die schraubenförmig in Bezug zur Achse des Turbinenrads
und in einer Reihe über seinen Umfang verteilt angeordnet sind.
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Obwohl die Fig. t und 3 zeigen, daß die oberen und unteren Spitzen
benachbarter RadschauEen in einer gemeinsamen axialen Linie enden, ohne sich zu
überlappen, können sich bei manchen Ausführungsformen benachbarte Radschaufeln auch
bis zu einem gewissen radialen Grad überlappen, der zur Schaffung der erforderlichen
Druckcharakteristiken des Turbinenrads bei'Erzeugung der get wünschen Rotorkreiselbedingungen
empirisch bestimmt werden kann.
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Bei manchen Ausfukrungsformen können die Radschaufeln 66 als Einzelbestandteile
am Turbinenrad 55 verschweißt oder auf andere Art befestigt werden, statt sie als
Ganzes mit aem Rad auszubilden.
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Der Umfangsdurchmesser der kreisförmigen Reihe von Radschaufeln 66
ist sehr wenig kleiner als der Durchmesser der Kammer 56, um eine freie Drehung
des Turbinenrades 55 in der Kammer 56 zu gewährleisten. Die Durchmesser des Flanschs
63 und des gemeinschaftlichen Umfangs der Radschaufeln 66 sind bei der auf der Zeichnung
dargestellten Ausführungsform im wesentlichen gleich. Bei anderen Ausführungsformen
können die betreffenden Durchmesser nicht nur voneinander verschieden sein, sondern
der Flansch 63 kann auch je nach den-va$chiedenen strukturellen und funktionellen
Erfordernissen elliptisch oder schraubenförmig ausgebildet sein. Obwohl die Radschaufeln
66 in Fig. 3 in einet
geraden Schraubenlinie in Bezug zur Achse
des Turbinenrads 55 angeordnet sind, können sie bei anderen Ausführungsformen auch
mit einer geeigneten Schraubenkrümmung in Bezug zur Radachse ausgebildet sein. Die
Form der in Fig. 3 dargestellten Radschaufeln 66 wird je nach den Erfordernissen
durch Auswahl aus einer beliebigen Zahl bekannter Radschaufelformen bestimmt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Vorrichtung
mit Hilfe einer Quelle einer Hydraulikflüssigkeit, die durch eine geeigneten durch
einen mit 3600 U/min arbeitenden Elektromotor betriebene Hydraulikpumpe unter Druck
steht.
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Diese Quelle, Pumpe und der Motor sind nicht dargestellt, da sie dem
Fachmann bekannt sind. Die Flüssigkeits- oder Ölzuführung geschieht in im wesentlichen
konstanter Menge, wie beispielsweise etwa 55 l pro Minute, so daß der Druck vom
Flüssigkeitswiderstand in Abflußrichtung abhängt. Ein Sicherheitsventil wird im
Hydrauliksystem verwendet, um einen geeigneten Maximaldruck im System zu schaffen,
der bei manchen Ausführungsformen etwa 14 bis 17,5 kg/cm² (200 - 250 abs.\ psi gauge)
betragen kann. Die Hydraulikflüssigkeit oder das Öl wird in die Einlässe 58 und
59 eingefuhrt und fließt unter Druck in die Radkammer 56, um eine Drehbewegung des
Turbinenrads 55 und damit eine Drehung der Welle 12 und des Rotors 11 zu bewirken.
Der Flüssigkeitsstrom zur Turbine wird durch ein geeignetes, nicht dargestelltes,
jedoch bekanntes Reglerventil od. dgl. gesteuert. Das Turbinenrad 55 zeigt einen
veränderlichen Flüssigkeitswiderstand, der bei geringer Drehung hoch ist und der
sich verringert; wenn sich die Drehzahl des Turbinenrads erhöht. Daher wird bei
geringer Drehzahl ein großer
Teil des von der Pumpe gelieferten
Öls bzw. der Flüssigkeit notwendigerweise auf einem Nebenzweig zurück zum nicht
dargestellten Behälter abgeleitet.
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Durch Verändern der Menge der zum Kanal 65 des Turbinenrads 55 fließenden
und ihn beaufschlagenden Flüssigkeit wird die Drehzahl der Turbine gesteuert. Eine
Rückleitinformation von einem geeigneten, nicht dargestellten Geschwindigkeitsfuhlwanis
er wird zur Betätigung des Reglerventils verwendet, das seinerseits den Flüssigkeitsstrom
zur Turbine regelt Die aus der Radkammer 56 austretende Hydraulikflüssigkeit kehrt
durch ihre Schwerkraft durch den Auslaßraum 57 in den Behälter zurück.
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Geeignete, nicht dargestellte Ventile sind in das hydrat lische System
eingebaut, um den Flüssigkeitsstrom zum Bremsen der Turbine umzukehren. Während
des Bremsens wird der Auslaßraum 57 zu einer die Flüssigkeit abgebenden Kammer,
wo durch die Umkehr des Flüssigkeitsstroms durch die Turbine w d durch die Dü sen
58 und 59 heraus die Turbine verlangsamt wird. Bei diesem Bremsvorgang dient das
Hülsenlager 53 zur Verhinderung des Fließens Fließens ungefilterten Öls aus der
Radkammer 56 nach bben ins Innere der Kartusche 19, wo es die Kugellager 23 und
24 verschmutzen würde.
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Das Turbinenrad 55 des vorliegenden Turbinensystems weist eine einzige
Reihe von Radschaufeln 66 zum Antreiben der Welle 12 in in vertikaler Ebene auf.
Wenn ein fester drehbarer Flansch 63 in axialem Abstand von den Radschaufeln 66
und diesen gegenüber mit einer Krümmungsfläche 64 angeordnet wird, die von der Hydraulikflüssigkeit
beaufschlagt wird, die dann bei verminderter Turbulenz weiterfließt, kann durch
die hydraulischen ,Kräfte eine auf das Turbinenrad 55 wirkende axiale Kraft erzielt
werden,
die wenigstens teilweise die nach unten wirkende axiale Last des Rotors 11 aufhebt.
Ferner wird die Schubbelastung der Lager dadurch verringert, wodurch die Beschleunigung
und die beitsleistung verbessert werden. Außer verringerter Lagerreibung wird durch
Verwendung einer einzigen Reihe von Radschaufeln 66 der Flüssigkeitsstrom verbessert
und die Turbulenz und die Flussigkeitsreibung der durch das Turbinenrad fließenden
Hydraulikflüssigkeit verringert.
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Bei diesen Ausführungsformen, bei denen eine vertikale Zentrifugenrotorwelle
verwendet wird, trägt der einheitliche ringförmige Flansch 63 unter dem Druck der
Hydraulikflüssigkeit zum Ausgleich der auf die Welle 12 unter dem Gewicht des Rotors
11 wirkenden axialen Kräfte bei. b¾f diese Weise fallen Drucklager mit den dazugehörigen
Reibungs- und Schmierproblemen weg, die sonst das Geschwindigkeitspotential der
Vorrichtung vert ringern würden. Der auf die Welle 12 wirkenden Last des Zentri=
i fugenrotors wird durch den Aufwärtsschub des unter Hydraulikdruck stehenden einheitlichen
ringförmigen Flanschs 63 wenigstens teilweise entgegengewirkt, so daß der Wirkungsgrad
der Vorrichtung wesentlich erhöht wird.
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Nicht nur eine verbesserte Turbinenleistung wird erreicht sondern
ein zusätzlicher Nutzen wird durch Vereinfachung des Aufbaus des Turbinengehäuses
erzielt. Bei bekannten Vorrichtungen, bei denen zwei in Abstand voneinander angeordnete
Reihen von Radschaufeln vorgesehen sind, um eine vertikale Welle in Drehung zu versetzen,
war es notwendig, die eine Hälfte der verbrauchten Hydraulikflüssigkeit von der
oberen Reihe von Radschaufeln und die andere Hälfte von der unteren Reihe der Radschaufeln
abzuleiten, wodurch zwei Ableitungen im Gehäuse vorhanden sein mußten, um den großen
Flüssigkeitsstrom von beiden Seiten des
Turbinenrads aufzunehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfordert die einzige Reihe von Radschaufeln
nur einen großen Auslaßraum 57. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wurde
festgestellt, daß durch die Verwendung einer einzigen Reihe von Radschaufeln 66
eine etwa ziege Verringerung der Beschleuniguneit zeit und eine etwa 25ige Verringerung
der bei voller Geschwindigkeit verbrauchten Energie im Vergleich mit bekannten Vorrichtungen
erzielt wurde, bei denen das Turbinenrad zwei in Abstand voneinander angeordnete
Reihen von Radschaufeln aufweist.
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Obwohl das neue Turbinenrad 55 als besonders zweckmäßig zum Antrieb
einer vertikal angeordneten Antriebswelle beschrieben worden ist, kann bei einigen
Ausführungsformen das Turbinenrad auch zum Antrieb von Wellen verwendet werden,
die horizontal oder in anderen geeigneten Stellungen angeordnet sind, bei denen
es möglich und wünschenswert ist, einen einzigen Abfluß der om Turbinenrad abfließenden
verbrauchten Hydraulikflüssigkeit vorzusehen.
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Ener der Vorteile der Erfindung liegt in der Äusweohsel barkeit der
Kartuscheneinheit-, wobei die Antriebselemente der Vorrichtung, einschließlich der
Antriebswelle, der Wellenlager und des iurbinenrads als Ganzes aus der Vorrichtung
herausgenommen werden können, in die sie eingesetzt sind, so daß Reparaturen und
das Auswechseln abgenutzter Teile erleichtert wert den'