DE2135955A1 - Kreiselgerät - Google Patents

Description

Dipl. !ng. R. Mertens

Pmnta.iwa.-t -

Frankfurt/Main 1, Ammelbu.gstr.34

02-4381 Ge Prankfurt am Main,

^den 16,Juli 1971

- H 31 ρ 277 -

HONEYWELL INC.

2701,Pourtli Avenue South. Hixmeapolis, Minnesota/USA

Kreiselgerät

Die Erfindung bezieht sich auf Kreiselgeräte mit einem in einem abgeschlossenen, gasgefüllten Raum befindlichen Rotor ™ und einem den Raum umgebenden und die Rotorlager tragenden Kreis elrahmen.

Als Füllgas für solche Kreiselrahmen wird meistens ein leichtes Gas, beispielsweise eine Mischung aus Helium und Wasserstoff, verwendet, weil der durch die geringe Masse eines solchen leichten Gases gegebene niedrige Drehimpuls keine größeren durch Gasströmung im Raum bedingte Störsignale entstehen läßt und somit auch bei niedrigen Eingangsdrehgeschwindigkeiten eine genaue Messung ermöglicht. In vielen Fällen ist jedoch eine weitere Verminderung von etwaigen Störsignalen erforderlich. Dies kann durch Verringerung des Gasdruckes geschehen, weil | hierdurch die Masse des Gases vermindert und damit auch der Drehimpuls des sich bewegenden Gasvolumens verkleinert wird. Die auf diese Weise erzielbare Verringerung von Störsignalen ist jedoch begrenzt,und bei Kreiseln mit Gaslagern ist diese Methode nicht anwendbar.

Die Erfindung befaßt sich deshalb mit der Aufgabe, ohne weitere Verringerung des Gasdruckes trotzdem die Möglichkeit des Entstehens von Störsignalen noch weiter zu verringern und geht dabei von der Erkenntnis aus, daß eine Hauptursache für die Entstehung solcher Störsignale in turbulenten Gasströmungen

109885/1319

innerhalb des Raumes liegt, in welchem der Rotor umläuft.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß der Rotor in geringem Abstand von einer rahmenfesten Umhüllung umgeben ist. Hierdurch wird einerseits das Ausmaß durch den umlaufenden Rotor hervorgerufener turbulenter Gasströmungen stark verringert und andererseits auch die mit dem Rotor umlaufende Gasmasse verkleinert. Die Umhüllung hat also einen doppelten, in beiden Fällen dem Entstehen von Störsignalen entgegenwirkenden Einfluß. Versuche haben gezeigt, daß hierdurch Störungen um eine Größenordnung herabgesetzt werden können. Da hierfür keine Verringerung des Gasdruckes erforderlich ist, kann die Erfindung auch bei mit Gaslagern ausgestatteten Kreiselgeräten vorteilhaft eingesetzt werden.

Es ist erwünscht, daß die Gasströmung innerhalb der Umhüllung laminar ist, d.h. unterhalb der kritischen Reynolds-Zahl liegt, weil turbulente Strömungen eine Hauptursache für das Auftreten von Störungen sind. Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, die Umhüllung in ihrer Form der Gestalt des Rotors soweit wie möglich anzupassen.

Bei einem Kreiselgerät,dessen Rotor aus einem oder mehreren gleichachsig ?sur Drallachse angeordneten zylinrischen Teilen besteht, empfiehlt es sich, daß die Abstände h zwischen der Außenfläche des Rotors und den benachbarten Teilen der Umhüllung jeweils der Gleichung

genügen, wobei f> die Dichte des Gase3 im Zwischenraum, ν die mittlere Gasgeschwindigkeit im Spalt zwischen Rotor und umhüllung bei mit Normaldrehzahl rotierendem Rotor, U die Viskosität des Gases und r der Radius des zylindrischen Rotorteils ist.

109885/1319

Eine weitere Verminderung von Störungen wird erzielt, wenn der Abstand k zwischen jeder der Rotorstirnflächen und der Umhüllung kleiner als die doppelte Grenzschichtdicke des Gases an der batreffenden Fläche ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert, wobei

Figur 1 perspektivisch einen Schnitt durch das Kreiselgerät und

Figur 2 einen Schnitt längs der Linie 2 - 2 in Figur 1 wiedergibt.

Das Kreiselgerät umfaßt ein an beiden Enden verschlossenes zylindrisches Gehäuse 1 sowie einen innerhalb des Gehäuses angeordneten ebenfalls zylindrischen und/ßeiden Enden verschlossenen Kreiselrahmen 2. Der vom Kreiselrahmen 2 umschlossene Raum ist gasdicht und mit einer Mischung aus Helium und Wasserstoff gefüllt. Eine Achse 3 erstreckt sich entlang eines Durchmessers durch den Rahmen 2 und ist mit diesem an beiden Enden verbunden. Ein massiver zylindrischer Rotor k ist auf der Achse 3 um diese drehbar in zwei Lagern 5 und 6 gelagert, welche Kugellager oder Gaslager sein können. Ein nicht dargestellter Motor treibt den Rotor k an. Der Kreiselrahmen 2 wird von zwei gleichachsigen Zapfen 7 und 8 getragen, welche in Steinlagern 9 und 10 gelagert sind. Auf dem Zapfen 7 ist ein Stellungssxgnalgeber 11 und auf dem Zapfen 8 ein Drehmomentengeber 12 angebracht. Insoweit ist das Kreiselgerät von bekannter Bauart. Es hat eine Empfindlichkeitsachse 13, eine Drallachse I^ und eine Signalausgangsachse 15.

Gemäß der Erfindung ist innerhalb des durch das Rahmengehäuse 2 gebildeten gasgefüllten Raumes eine den Rotor M in geringem Abstand umgebende Umhüllung 16 an der die Lager 5 und 6 für den Rotor tragenden Achse 3 befestigt. Die Umhüllung 16 ist

109885/1319

ebenso wie der Rotor 4 selbst zylindrisch und zumindest auf ihrer Innenseite weitgehend der Gestalt des Rotors angepaßt. Dreht sich der Rotor k, so ist das einzige mit dem Rotor umlaufende Gasvolumen dasjenige innerhalb der Umhüllung 16. Das übrige Gas unterliegt praktisch keiner Bewegung.

Wie bereits erwähnt, läßt sich durch eine entsprechende Bemessung des Abstandes h (vgl. Fig. 2) eine weitere Störverminderung erzielen. Der Gasstrom an der Umfangsfläche des Rotors lJ läßt sich am besten in Form der Reynolds-Zahl beschreiben, wobei als konstruktive Abmessungen der Radius r des Rotors und die Spaltbreite h zwischen Rotor und Umhüllung eingesetzt werden. Im vorliegenden Fall gilt für die Reynolds-Zahl

wobei f> die Dichte des Gases, μ die Viskosität des Gases und ν die mittlere Gasgeschwindigkeit im Spalt zwischen Rotor und Umhüllung ist, wenn der Rotor mit seiner Nenndrehzahl rotiert. Der Gasstrom innerhalb des genannten Spaltes ist linear, wenn die Reynolds'sehe Zahl R < 41 ist.

Um das Aufkommen von Störungen noch weiter zu verringern, sollte auch an den Stirnflächen des Rotors die Gasströmung laminar sein. Dies läßt sich erreichen, wenn der Abstand k zwischen den Rotorstirnflächen und der Umhüllung 16 kleiner als die zweifache Grenzschichtdicke des Gases a.n den Rotorstirnflächen ist. Eine Zentrifugal-Pumpenwirkung erzeugt hierbei einen radialen Druckgradienten an den Rotorstirnflächen. Da jedoch im Zentrum der Flächen keine Gasquelle vorhanden ist, kann sich keine Gasströmung ausbilden, wenn sich erst einmal der Druckgradient eingestellt hat. Dieser Zustand ist erreicht, kurz nachdem der Rotor auf seine Nenndrehzahl hochgelaufen ist. Folglich werden durch diese Ausschaltung von ungleichmäßigen Strömungen inner-

109885/ 1319

halb des Kreiselrahmens Störungen weitgehend vermieden.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kreiselrotor 4 der Einfachheit wegen als durchweg zylindrisch dargestellt. Bei manchen Kreiseln hat der Rotor jedoch eine kompliziertere Form mit unterschiedlichen Durchmessern längs seiner Achse. Auch hier läßt sich die Erfindung anwenden, wenn man die Umhüllung 16 der Form des Rotors weitgehend anpaßt und den Abstand k jeweils zwischen der Umhüllung und der benachbarten Stirnfläche des betreffenden Rotorteils und den Abstand h zwischen der Umhüllung und der zylindrischen-Umfangsfläche des Rotors mißt.

Insbesondere in denjenigen Fällen, wo die Verringerung des Gewichts des Kreiselrahmens keine entscheidende Rolle spielt, kann auch anstelle einer besonderen Umhüllung 16 der Kreiselrahmen 2 selbst in seiner inneren Querschnittsform der Gestalt des Rotors derart angepaßt werden, daß er diesen dem Grundgedanken der Erfindung entsprechend in geringem Abstand umgibt und somit bezüglich der Störunterdrückung die gleiche Wirkung ausübt wie die besondere Umhüllung des gezeigten Ausführungsbeispiels .

109885/1 31 9

Claims (1)

1. Patentansprüche

   j 1./Kreise!gerät mit ein°m in einem abgeschlossenen gasge- ^" füllten Raum befindlichen Rotor und einem den Raum umgebenden und die Rotorlager tragenden Kreiselrahmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) in geringem Abstand von einer rahmenfesten Umhüllung (16) umgeben ist.

   2. Kreiselgerät nach Anspruch 1,dadurch g e kennzei ehnet, daß die Umhüllung (16) in ihrer Form der Gestalt des Rotors (H) angepaßt ist.

   3· Kreiselgerät nach Anspruch 2 mit einem ein oder mehrere zylindrische, konzentrisch zur Drallachse angeordnete Teile enthaltenden Rotor, dadurch gekennzei ehhet, daß die Abstände (h) zwischen der Außenfläche des Rotors ('¹I) und den benachbarten Teilen der Umhüllung (16) der Gleichung

   genügen, worin ρ die Dichte des Gases im Zwischenraum, ν die mittlere Gasgeschwindigkeit im Spalt zwischen Rotor und Umhüllung bei mit Normaldrehzahl rotierendem Rotor« u die Viskosität des Gases und r der Radius dss zylindrischen Rotorteils ist.

   H. Kreiselgerät nach Anspruch 3, dadurch g e k e η. η zeichnet, daß der Abstand (k)zx* is chen jeder üar Rotorstirnflächen und der Umhüllung (16) kleiner als die doppelte Grenzschichtdicke des Gases an dar batreffenden Fläche ist.

   109885/1319

   5. Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 1 bis Ί, d a durch gekennzeichnet, daß die Umhüllung durch Teile des Kreiselrahmens (2) gebildet ist.

   109885/ 1319

   Leerseite