DE2605884A1

DE2605884A1 - Strahlangetriebene falschdrehspindel

Info

Publication number: DE2605884A1
Application number: DE19762605884
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hashizume
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 1975-02-13
Filing date: 1976-02-13
Publication date: 1976-09-02
Also published as: US4034546A; FR2300833A1; FR2300833B1; IT1053974B; GB1544274A; CH597387A5; JPS5196556A

Description

Patentanwälte

00 München 22 · Steiηsdυ r f straße 21 - 22 Telefon 0H9 / 29 84 G2

A 7697

MURATA KIKAI KABUSHIKI KAISHA
3, Minami Ochiaicho, Kisshoin, Minamiku, Kyotoshi / JAPAN

Strahlangetriebene Falschdrehspindel

Die Erfindung betrifft eine strahlangetriebene Falschdrehspindel zur Garndrehung, mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten, auf einem Fluidlager getragenen Rotor, der einen rohrförmigen Körper und eine durch das Antriebsfluid zu beaufschlagende Turbinenschaufel aufweist, wobei die Bohrung des rohrförmigen Körpers eine Garndurchlaßöffnung bildet und mit einem Drehstift versehen ist.

j/G 603836/0 6 30

ORIGINAL INSPECTED

2 B ι.) 5 8 8

Aufgrund der Überlegung, daß die Drehzahl einer durch den Strahl eines Fluids angetriebenen Falschdrehspindel bestimmt wird durch die Differenz zwischen dem Antriebsdrehmoment und dem entgegenwirkenden Drehmoment, ergibt sich, daß eine Erhöhung des Strahldruckes des Antriebsfluids zur Erhöhung der Drehzahl führt. Bei Erhöhung des Strahldrucks des Antriebsfluids wurde jedoch gefunden, daß sich eine maximale Drehzahl ergibt, wenn der Strahldruck einen bestimmten kritischen Wert erreicht. Wird der Strahldruck über diesen kritischen Wert hinaus erhöht, so ergibt sich gegenläufigerweise eine Verringerung der Drehzahl. Es ergab sich, daß der Maximalwert der Drehzahl abhängig ist vom Durchmesser der Turbinenschaufel sowie vom Strahldruck, wobei sich eine maximale Drehzahl ergibt, die auch vom Durchmesser der Turbinenschaufel abhängig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine von einem Strahl eines Fluids angetriebene Falschdrehspindel vorzusehen, die wirtschaftliche Vorteile bietet und eine Drehzahl unter Belastung von mindestens 1.000.000 U/min aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Durchmesser der Turbinenschaufel und die Drehzahl des Rotors die folgende Beziehung erfüllen:

1 ^D<5, und

170,81 -44(D-i-)² ^N = 234,4- ^(1,68 + D)²

4
worin N in Einheiten von 10 U/min und D in Millimeter einzusetzen

Anhand der Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen:

7697 60S83G/0630

ORiQiNAL INSPECTED

Fig. 1 im Querschnitt eine Vorderansicht der erfindungsgemä

ßen Falschdrehspindel;

Fig. 2 die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Druck des

Antriebsfluids bei Spindeln mit verschiedenem Durchmesser der Turbinenschaufel;

Fig. 3 die Beziehung zwischen dem Durchmesser der Turbinen-

^un schaufel und der Drehzahl des Rotors.

Es wurden verschiedene Versuche wiederholt durchgeführt, wobei die in der Fig. 2 gezeigte graphische Darstellung erhalten wurde. Aus dieser graphischen Darstellung wurde eine empirische Formel der charakteristischen Kurve ermittelt. Aufgrund dieser Daten wurden Turbinenschaufeln entwickelt, mit denen sich in der Praxis zufriedenstellende Ergebnisse erzielen ließen. Die sich aus der empirischen Formel ergebenden Bedingungen numerischer Werte spezifizieren eine Falschdrehspindel, deren Drehzahl mindestens 1.000.000 U/min beträgt und die in der Praxis einen wesentlich verringerten Verbrauch an Antriebsfluid aufweist, d.h. es handelt sich um eine wirtschaftlich vorteilhafte Falschdrehspindel. Es ist in der Tat möglich, eine Turbinenschaufel zu konstruieren, die bei einer Drehzahl von mindestens 1.000.000 U/min rotieren kann, auch wenn die oben angegebenen Bedingungen numerischer Werte nicht eingehalten werden. Bei diesen Turbinenschaufeln ergeben sich jedoch unvermeidlicherweise wirtschaftliche Nachteile, wie ein überhöhter Verbrauch an Antriebsfluid.

In der Fig. 1, die die erfindungsgemäße Falschdrehspindel zeigt, ist ein Rotor 2 in einem Gehäuse 1 untergebracht, in dem Durchlässe 3 und 4 für komprimiertes Fluid und eine Ablaßleitung 5 ausgebildet sind. Ein den Rotor 2 drehendes Fluid wird durch den Durchlaß 3 eingeleitet

7697 6 0 S S ': G / C B 3 0

261)5884

und ein Fluid zur Lagerung des Rotors 2 wird durch den Durchlaß 4 eingeleitet und einem Luftlager 6 zugeführt. Ein Fluidauslaß 7 dient zum Ablassen des Fluids aus dem Luftlager 6. Das Luftlager 6 ist mit einem Gummiring 8 versehen und mit einem Schraubring 9 im Gehäuse 1 eingepaßt.

Der Rotor 2 weist einen rohrförmigen Körper 10 auf, auf dessen Oberfläche eine Turbinenschaufel 11 ausgebildet ist und in dessem Inneren eine Garndurchlaßöffnung 12 ausgebildet ist, die in ihrer Längsrichtung von einem Drehstift 13 durchquert wird. Die Garndurchlaßöffnung 12 kann an der Befestigungsstelle des Drehstifts 13 einen vergrößerten Durchmesser d-2 und an der Befestigungsstelle der Turbinenschaufel einen verkleinerten Durchmesser d-1 aufweisen. Hierdurch kann die Einführung und das Einlaufen des Garns 14, das um den Drehstift gewunden wird, in die Garndurchlaßöffnung 12 erleichtert werden und gleichzeitig wird eine genügende Dicke der Wandung des rohrförmigen Körpers 10 vorgesehen, um darin versenkte Turbinenschaufeln von verringertem Durchmesser D aufzunehmen. Diese Anordnung bildet eines der Merkmale, mit dem eine erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht wird, bei der der Durchmesser der Turbinenschaufel bis zu 1 mm verringert werden kann, was nach dem bisherigen Stand der Technik nicht möglich war. Selbstverständlich ist es auch möglich, die bei der Erfindung vorgesehene Verringerung des Durchmessers der Turbinenschaufel durch Verwendung einer anderen geeigneten Anordnung zu verwirklichen. In dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser D der Turbinenschaufel gleich dem äußeren Durchmesser des rohrförmigen Körpers 10 an der Stelle, an der der Drehstift 13 befestigt ist. Insbesondere ist der Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers 10 entlang seiner gesamten Länge gleichförmig und es ragt nur ein Flansch 15 über den äußeren Durchmesser des rohrförmigen Körpers 10 hinaus. Das Gewicht des Rotors 2 wurde

7697 β 0 3 S 3 6 / 0 6 3 0

2 B ι) S R 8

bei den Versuchen innerhalb des Bereiches von 0,1 - 0_; 9 g eingestellt. Der Flansch 15 ist so angeordnet, daß er die Last des Rotors 2 in der Schubrichtung aufnimmt und der Flanschdurchmesser wird bestimmt durch das Gewicht des Rotors und den Druck des Fluids. Der Durchmesser der Ablaßleitung 5 ist unter Berücksichtigung des Umstands, daß ein komprimiertes Fluid durch eine Strahldüse 16 eingeleitet wird, so ausgelegt, daß kein hoher Rückdruck entsteht. Das Gehäuse 1 selbst ist mit einem Hohlraum 17 versehen.

Bei der Falschdrehspindel der oben beschriebenen Bauart ist das Garn um den Drehstift 13 des Rotors 2 gewunden, der von einem Luftlager 6 getragen und durch das durch die Strahldüse 16 einströmende komprimierte Fluid in Rotation versetzt wird, so daß eine Falschdrehung des Garns stattfindet. Unter Verwendung von Rotoren, deren Turbinenschaufeln unterschiedliche Durchmesser aufwiesen, nämlich 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm usw., wurde ein Polyestergarn der Denierzahl 150 bei einer Drehungszahl von 2.500 Drehungen/Meter verarbeitet. Daten bezüglich des Luftverbrauchs, des auf den Rotor wirkenden Drucks und der Drehzahl des Rotors wurden aufgenommen, um die in der Fig. 2 gezeigten Ergebnisse zu erhalten. Wenn der Durchmesser der Turbinenschaufel 5 mm übersteigt, so läßt sich eine Drehzahl von mehr als 1.000.000 U/min nicht erzielen. Hieraus wird geschlossen, daß bei der Ausbildung eines Rotors für sehr hohe Geschwindigkeiten ein derart großer Durchmesser kaum brauchbar ist. Aus der in der Fig. 2 gezeigten graphischen Darstellung geht hervor, daß sich bei Druckwerten des Fluids unterhalb des Schnittpunktes K der Kurven für Turbinenschaufeln mit 3 mm und 4 mm Durchmesser,bei den Turbinenschaufeln von 4 mm Durchmesser bei gleichem Fluidverbrauch größere Drehzahlen des Rotors ergeben als mit Schaufeln von 3 mm Durchmesser. Bei Drücken oberhalb des Punktes K ist das umgekehrte Verhältnis der Fall.

₇₆₉₇ 609SiGZOB₃O

2BD.S884

Durchschnittliche Maximalwerte von Drehzahlen bei entsprechenden

4 Durchmessern der Turbinenschaufeln (z.B. 182, 80 χ 10 U/min bei

4 einem Turbinenschaufeldurchmesser von 1, 5 mm und 113, 58 χ 10 U/min bei einem Turbinenschaufeldurchmesser von 4 mm) wurden der in der Fig. 2 gezeigten graphischen Darstellung entnommen und zur Erstellung der in der Fig. 3 gezeigten graphischen Darstellung verwendet. Aus dieser graphischen Darstellung ergab sich die in der folgenden Formel aufgezeigte Beziehung zwischen dem Turbinenschaufeldurchmesser D und der maximalen Drehzahl N, wobei D in mm und N in Einheiten von 10 U/min eingesetzt sind:

N = 214,4-^(1,68+ D)² (1)

Die oben erwähnten Maximalwerte der Drehzahlen sind Durchschnittswerte, die an verschiedenen Rotoren mit gleichem Durchmesser der Turbinenschaufel erhalten wurden. Es wurde experimentell bestätigt, daß die Abweichungen der Maximalwerte der Drehzahlen von den in der Fig. 2 gezeigten Durchschnittswerten der Maximaldrehzahlen innerhalb eines Bereiches von + 200.000 U/min verteilt sind, je nach Abhängigkeit von Faktoren, wie die Form der Turbinenschaufeln, Unterschiede in den Formen der Strahldüsenöffnungen, dem Abstand zwischen einer Turbinenschaufel und der Innenwand eines Gehäuses, der Oberflächenbeschaffenheit und dem Feuchtigkeitsgehalt der Luft. Das heißt, daß die Rotation einer Spindel von diesen Faktoren abhängt. Werden die an der oberen Grenze liegenden Werte in Betracht gezogen, dann ergibt sich, wenn der Durchmesser D innerhalb eines Bereiches von 1-5 mm liegt, die folgende Beziehung zwischen N und D:

9^ 9

N = 234,4 -^(1,68 + Dr (2)

Es zeigt sich dementsprechend, daß bei einer bestimmten festgelegten Drehzahl ein zu einem Minimumverbrauch an Luft führender, bestimm

7697 60983 G/0630

PRMS884

ter optimaler Turbinenschaufeldurchmesser besteht. Der sich hierbei ergebende durchschnittliche minimale Luftverbrauch kann wie folgt ausgedrückt werden:

^ρΗ3Τΐρ5⁺⁴

Die Formel (1) wurde in der Fig. 3 als Kurve M aufgetragen und die Formel (2) wurde in der Fig. 4 als Kurve B aufgetragen.

In der Praxis werden bei der Falschdrehverarbeitung die Rotationsbedingungen jedoch oftmals verändert, je nach der Denierzahl des Garns und den erwünschten Kräuseleigenschaften. Es ist umständlich, jedes Mal wenn die Rotationsbedingungen entsprechend den genannten Faktoren geringfügig geändert werden, die Drehspindel bzw. die Turbinenschaufel auszuwechseln, um den minimalen Luftverbrauch einzustellen. Auch ist dies unzweckmäßig, wenn die Kosten des Auswechselvorgangs, der dabei entstehende Zeitverlust und die Notwendigkeit, eine Vielfalt von Drehspindeln vorzubereiten, mitberücksichtigt werden. Deswegen wurden aufgrund der experimentellen Daten Untersuchungen durchgeführt, um bei einem festliegenden Durchmesser der Turbinenschaufel einen zulässigen Drehzahlbereich zu bestimmen, innerhalb dem das Drehungsverfahren unter Berücksichtigung des Luftverbrauchs und den erwähnten, die Wirtschaftlichkeit beeinflussenden Faktoren auch dann wirtschaftlich durchgeführt werden kann, wenn der Verbrauch an Luft nicht bei einem optimalen Minimumwert liegt. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß sich der Betrieb wirtschaftlich und in vorteilhafter Weise in bezug auf alle erwähnten, die Wirtschaftlichkeit beeinflussenden Faktoren durchführen läßt, wenn der tatsächliche Verbrauch an Luft bis zu 6 % größer ist als der Luftverbrauch bei der durch die Formel (1) ausgedrückten maximalen Drehzahl. In einem Einzelfall beträgt bei einem Turbinenschaufeldurchmesser von 2 mm der Maximalwert der

7697 B03838/0630

26U5884

Drehzahl 172,08 χ 10 U/min. Bei diesem Wert beträgt der einem Mini-

malverbrauch an Luft entsprechende Druck des Fluids 9,5 kp/cm . Innerhalb des Bereiches, der in der Fig. 2 auf der linken Seite der Linie A liegt, die einen Luftverbrauch darstellt, der um 6 % größer ist als der minimale Luftverbrauch (im gewählten Fall einem Luftdruck von 10,07 kp/cm entsprechend), kann eine Turbinenschaufel mit einem Durchmesser, der kleiner ist als 2 mm, z.B. eine Turbinenschaufel mit einem Durchmesser von 1,5 mm, verwendet werden, ohne daß sich besondere wirtschaftliche Nachteile ergeben. Dieser zulässige Bereich ist in der Fig. 4 als Kurve C aufgetragen worden. Im einzelnen wurde die Kurve C der Fig. 4 aus der in der Fig. 2 gezeigten Kurve A erhalten, die sich aus der die maximalen Drehzahlen angebenden Charakteristik ergibt, wenn bei jedem Durchmesserwert ein um 6 % erhöhter Luftverbrauch zugrundegelegt wird, indem z.B. die Drehzahl am Punkt N, an dem die charakteristische Kurve der Turbinenschaufel von 1 mm Durchmesser die Kurve A schneidet, die Drehzahl am Punkt O, an dem die charakteristische Kurve der Turbinenschaufel von 1,5 mm die Kurve A schneidet, die Drehzahl am Punkt, an dem die charakteristische Kurve der Turbinenschaufel von 2 mm Durchmesser die Kurve A schneidet und die Drehzahlen an ähnlichen Schnittpunkten aufgetragen werden. Diese Kurve C wird durch die folgende Formel wiedergegeben:

N = 170,81 - 44(D - ^-)² ( 4 )

Es folgt, daß sich bei Drehzahlen von mehr als 1.000.000 ü/min eine Falschdrehspindel von hervorragenden Betriebseigenschaften und die vom wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen insgesamt vorteilhaft ist, ermittelt werden kann, indem die Drehzahl und der Durchmesser des Rotors von den Werten ausgewählt werden, die innerhalb des von den Kurven B und C umgebenden Bereiches liegen, wobei der Durchmesser der Turbinenschaufel auf Werte größer als 1 mm beschränkt ist, wie dies die Fig. 4 zeigt.

B0333G/GS3D 7697

In anderen Worten, es lassen sich geeignete Falschdrehspindeln ermitteln, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

1 ^ D<5, und

170,81-44(D-^)² = N = 234,4-^(1,68+D)²

worin N die Drehzahl des Rotors darstellt und in Einheiten von 10 U/min einzusetzen ist und D den Durchmesser der Turbinenschaufel darstellt, der in mm einzusetzen ist.

Im Falle, daß eine Spindel mit einer Turbinenschaufel von 1, 5 mm Durchmesser verwendet wird anstelle der oben erwähnten Spindel mit einem Durchmesser der Turbinenschaufel von 2 mm, oder falls eine Veränderung des für den Antrieb verwendeten Fluids eintritt, läßt sich der Betrieb nicht durchführen, wenn nicht geeignete Steuervorrichtungen vorgesehen werden. Als Steuervorrichtungen lassen sich bekannte Mechanismen verwenden. Zum Beispiel kann ein Magnet 18 auf dem Rotor befestigt werden, so daß die Drehzahl von einer Sonde 19 erfaßt und die von der Sonde 19 abgegebenen Signale einer mit einem Sollwertgeber verbundenen Vergleichsschaltung zugeführt werden. Beim Auftreten einer Abweichung werden über ein Steuergerät Steuersignale an einen Servomotor abgegeben, der ein in der Zufuhrleitung des Fluids angeordnetes Ventil betätigt. Bei der Anwendung derartiger Steuermechanismen lassen sich gute Ergebnisse erzielen, wenn der erwünschte Fluidverbrauch auf dem Sollwertgeber eingestellt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Falschdrehspindel soll nun beschrieben werden.

Bei der Garndrehung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Drehspindel mit einem Turbine ns chaufeldurchmesser von 2, 5 mm unter

7697 6 0 S S 3 G / 0 6 3 0

2 einem Druck des Fluids von 9,194 kp/cm wurde eine Drehzahl von 1,600.000 U/min erzielt, obwohl es nicht möglich war, eine vorbestimmte Drehzahl von 1.620.000 U/min zu erhalten.

Bei Verwendung einer Turbinenschaufel mit einem Durchmesser von 4 mm findet der minimale Luftverbrauch bei einem Druck von 8,457 kp/cm und einer Drehzahl von 1.135. 800 U/min statt. Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Drehspindel mit einer Turbinenschaufel von 2 mm Durchmesser war der Luftverbrauch nur um 5 % größer als der Luftverbrauch bei Verwendung einer Turbinenschaufel mit einem Durchmesser von 4 mm. Folglich wurde es bestätigt, daß sich die Garndrehung in wirtschaftlich vorteilhafter Weise durchführen läßt, wenn die erfindungsgemäße Falschdrehspindel verwendet wird, ohne daß eine Vielfalt von Turbinenschaufeln vorgesehen wird.

⁷⁶⁹⁷ 6 0 9 8 3 6/0630

Claims

Patentansprüche

1. Strahlangetriebene Falschdrehspindel zur Garndrehung, mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten, auf einem Fluidlager getragenen Rotor, der einen rohrförmigen Körper und eine durch das Antriebs fluid zu beaufschlagende Turbinenschaufel aufweist, wobei die Bohrung des rohrförmigen Körpers eine Garndurchlaßöffnung bildet und mit einem Drehstift versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D) der Turbinenschaufel (11) und die Drehzahl (N) des Rotors (2) die folgenden Bedingungen erfüllen:

1 5 D<5, und

170, 81 - 44(D - ^)² = N = 234,4 - ~ (1,68 + D)²

wobei N in Einheiten von 10 U/min und D in mm einzusetzen sind.

2. Falschdrehspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D) der Turbinenschaufel (11) gleich dem äußeren Durchmesser des rohrförmigen Körpers (10) des Rotors (2) ist.

7697

B 0 9 G ": 'i ' 0 6 3 U