DE3306345C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbinenrotor, insbesondere für einen Druckluftstarter mit Turbinenrotorscheibe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Turbinenrotor vorzuschlagen, der bei einfachem Aufbau die Betriebssicherheit bei Überschreiten einer vorgegebenen Geschwindigkeit erhöht.

Es soll also die Sicherheit im Betrieb verbessert und der Sicherheitsfaktor, der bei der Herstellung des zugehörigen Turbinengehäuses berücksichtigt werden muß, vermindert werden.

Ein solches Sicherheitsrisiko kann sich beim "Durchgehen" des Turbinenrotors aufgrund übermäßiger Zentrifugalkraft durch Bruch des Rotors und, was vom Sicherheitsstandpunkt noch gefährlicher ist, als folglicher Bruch des Gehäuses darstellen.

Die Entwicklung des Turbinenrotors ist für eine Bauart mit Schutzgehäuse bestimmt.

Bekannt ist ein Rotor (US-PS 29 62 257), der nach Art eines Ventils arbeitet, das in einer Position normalerweise einen Hilfsdurchgang in einem inneren Bereich und in einer anderen Stellung einen Druckluftstrom zum Antreiben eines Rotors blockiert und diesen Druckluftstrom dann durch diesen Hilfsdurchgang leitet, um die Energie abzuführen; ein elastischer Ring auf der Umfangsfläche eines inneren Teils eines Rotorkörpers blockiert normalerweise die Hilfsdurchgänge für den Druckluftstrom, und dort sind auch schon elastische Segmente bekannt, die sich in Abhängigkeit von der Rotorgeschwindigkeit nach außen bewegen, die jedoch von einem elastischen Ring zusammengehalten werden.

Weithin bekannt ist (CA-PS 624 166) eine Turbinensteuerung, bei der an einem Turbinenradkörper ein Ring angeordnet ist und die Befestigung zwischen Ring und Körper bei Überschreiten einer vorbestimmten Geschwindigkeit zerstört wird.

Beide bekannten Konstruktionen lösen nicht die obengenannte Aufgabe.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Turbinenrotor, insbesondere für einen Druckluftstarter mit einer Turbinenrotorscheibe, die unter Zwischenschaltung eines Rings Turbinenschaufeln, im folgenden "Reifen" genannt, trägt; mit einer an der Turbinenmontagescheibe festen Verbindungseinrichtung zwischen Turbinenrotorscheibe einerseits und Reifen andererseits zur Lagefixierung des Reifens abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit, wobei der Reifen radiale Öffnungen für die Verbindungseinrichtungen aufweist, die bei unzulässig überhöhter Rotationsgeschwindigkeit Bruchstellen oder Unterbrechungen bilden.

Der äußere reifenartige Teil ist drehfest mit dem inneren Teil über diese Mittel verbunden, die die relative Verdrehung, Ausdehung und/oder die radiale Verschiebung entsprechend der Höhe der Rotorgeschwindigkeit ermöglichen. Wird die Rotorgeschwindigkeit unzulässig groß, so kann dieser Reifen sich ausreichend verdrehen. Dies bewirkt, daß ein Teil oder Teile davon mit dem umgebenden Schutzmontageaufbau in Anlage gelangen und bremsen. Dies erfolgt innerhalb eines vorhersagbaren Bereichs der Rotorgeschwindigkeit, in der Nähe des Punktes, bei welchem der Rotor sonst selbst zerstört oder auf gefährliche Art brechen würde. Der Rotor weist also einen äußeren Ring auf, an dem integral verbundene Turbinenschaufeln vorgesehen sind, wobei dieser Reifen im wesentlichen in einer tragenden Verbindung mit der Turbinenrotorscheibe ist. Der Reifen ist dazu mit im wesentlichen radialen Öffnungen versehen, die zur freien Aufnahme von herausragenden Enden von Gleitsitzstiften oder -zapfen ausge­ bildet sind, deren Enden in der inneren Scheibe verankert sind. Die Zapfen oder Stifte dienen der Verbindung des Reifens für die Rotation mit der inneren Scheibe und außerdem ermöglichen sie die relative Verdrehung, Ausdehnung und/oder die radiale Verschiebung des Reifens gegenüber der Scheibe. Die radialen Öffnungen in dem Reifen, welche vorzugsweise durch ausgewählte Schaufeln verlaufen, sind Spannungserhöhungsstellen. Diese Spannungserhöhungsstellen sind Punkte, bei welchen sich der Reifen verdreht und eventuell bricht.

Erfindungsgemäß ist der Rotor derart gestaltet, daß er ein im Typ und Charakter vorhersehbares Fehlverhalten aufweist, wenn seine Rotationsgeschwindigkeit übermäßig groß wird. Zu diesem Zeitpunkt wird infolge seiner Konstruktion ein äußerer Teil verformt sogar bis zum Punkt des Bruches, so daß sich ein Teil oder Teile ergeben, welche in eine bremsende Anlage mit der benachbarten Schutzwand gelangen, welche während des Rotorbetriebs als Schutzschild dient. Als Konsequenz eines derartigen Fehlverhaltens ergibt sich ein relativ günstiges Fehlverhalten des Rotors, wobei die potentielle und ernsthafte sich ergebende Beschädigung minimiert wird, was ein deutlicher Gegensatz zu den Konsequenzen der Zer­ störung darstellt, welche bei übermäßig großer Rotations­ geschwindigkeit von herkömmlichen Rotoren auftreten kann.

Wie nachstehend aufgeführt, ist eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform besonders vorteilhaft in der Verwendung als turbinenangetriebene Einheit. Eine derartige Anwendung macht die Maschine, in welcher sie vorgesehen ist, betriebssicherer als bisher möglich. Ein sekundärer Vorteil der Anwendung des Rotors liegt darin, daß er einen derartigen Sicherheitsfaktor der Maschine hinzufügt, in welcher er vorgesehen ist, so daß das Gehäuse oder die Schutzvorrichtung der Maschine leichter und aus weniger kostspieligem Material als bisher ausgeführt werden können.

Wenigstens die folgenden Vorteile werden durch den Turbinenrotor gemäß der Erfindung erreicht:
erhöhte Betriebssicherheit, insbesondere bei hoher Geschwindigkeit.
Die Verbindungseinrichtungen können relative Verwindungen, Ausdehnungen und/oder radiale Verschiebungen des äußeren Teils, d. h. des Reifens erfahren. Der innere Teil (Turbinenrotorscheibe) kann also keine Antriebsfunktion mehr ausüben, wenn der Rotor unzulässig hoch dreht.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Turbinenrotor im Ruhezustand innerhalb eines Gehäuses oder Schutzgehäuses;

Fig. 2 einen solchen Turbinenrotor im Betrieb bei normalen Rotationsgeschwindigkeitkeiten;

Fig. 3 den Turbinenrotor nach Fig. 1 und 2 mit seinen Teilen zu einem Zeitpunkt, in dem die Rotationsgeschwindigkeit unzulässig hoch geworden ist;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 1.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen. Bis auf den Turbinenrotor entspricht der Druckluftstarter, für den der erfindungsgemäße Turbinenrotor bestimmt ist, allgemein der Serie 52A "turbinenangetriebener Luftstarter" der Firma Tech Development Inc., Dayton, Ohio, die im Handel erhältlich sind.

Im wesentlichen besteht der Turbinenrotor R aus einer Turbinenrotorscheibe 10, einem Ring 12 sowie Stiften 14. Im Endbereich jedes Stiftes 14 ist ein Außengewinde vorgesehen. Die Turbinenrotorscheibe 10 verfügt im Nabenbereich über eine Mittelöffnung 18. Der Ring 12 ist mit einer Reihe integrierter Turbinenschaufeln 22 versehen, welche radial nach außen an dem Ring abstehen und welche mit gleichem Abstand voneinander an der Umfangsfläche des Rings angeordnet sind. Im folgenden wird der integrierte Aufbau aus Ring 12 und Turbinenschaufeln 22 einfach als "Reifen" bezeichnet.

Im ersten Fall ist die innere Umfangsfläche des Reifenkörpers so dimensioniert und gestaltet, daß sein Gleitsitz im wesentlichen konzentrisch in im wesentlichen tragender Beziehung zu der äußeren Umfangsfläche der Scheibe möglich ist.

Die Turbinenrotorscheibe 10 weist eine Reihe radialer Blindbohrungen 24 auf, die von der äußeren Umfangsfläche zu der Mittelachse nach innen hin gerichtet sind.

Der Reifen ist mit sieben radialen Öffnungen 26 versehen, welche gleichen Abstand voneinander haben. Im Zusammenbau des Reifens über der T-Scheibe 10 ist jede der Öffnungen 26 selektiv bezüglich einer der Blindbohrungen 24 ausgerichtet. Nach Erreichen der Ausrichtung wird in jede Öffnung 26 ein Stift 14 mit Gewinde, dessen Durchmesser geringfügig kleiner als der der Öffnung 26 ist, hineingeschoben.

Die Stifte 14 koppeln auf diese Art normalerweise den Reifen drehfest mit der Turbinenrotorscheibe 10. Dennoch ist der Reifen anderweitig gegenüber der Scheibe frei und weist eine tragende Verbindung mit den Stiften 14 auf. Hierdurch ist der Reifen für eine relative Ausweitung und Zusammenziehung in Radialrichtung der Scheibe unter dem Einfluß und in Übereinstimmung mit der Höhe der Zentrifugalkräfte frei, welche während der Rotation des Rotors, dessen Teil er bildet, auf den Ring ausgeübt werden.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die radialen Öffnungen 26 in jedem Fall durch einen Teil einer Schaufel 22 und des Rings 12 und bilden nicht nur eine Aufnahme für den Gleitsitz eines Verbindungsstiftes 14, sondern die Stelle eines "Spannungsbruchs" im Körper des Reifens.

Fig. 1 zeigt die Lage der Rotorteile in Ruhestellung. Wie zu ersehen ist, hat der Turbinenrotor einen im wesentlichen einheitlichen Aufbau. Jedoch ist eine definierte Trennung zwischen einem Reifenteil (12; 22) und zwar insbesondere der inneren Umfangsfläche des Ringes und der äußeren Umfangsfläche der Turbinenrotoren der Scheibe 10, welche der Reifen umgreift, ausgebildet. Der Reifen ist trotzdem im Normalfall für eine gemeinsame und gleichzeitige Rotation mit Turbinenrotorscheibe 10 bei gleicher Geschwindigkeit infolge der Kopplung durch das Verbindungsmittel der Zapfen oder Stifte 14 gekoppelt. Wenn der Rotor erregt und auf seine normale Betriebsgeschwindigkeit gebracht ist, welche für seine Anwendung vorgesehen ist, bewirkt die Entwicklung der Zentrifugalkraft, daß der Ring 12 und damit entsprechend der Reifen, von dem er ein Teil bildet, sich aufweitet. Wenn der Reifen sich in einer Weise, die durch seine Kupplung mit den Zapfen oder Stiften 14 bestimmt ist, ausweitet, bildet sich ein größerer radialer Raum zwischen der äußeren Umfangsfläche der Turbinenrotorscheibe 10 und der inneren Umfangsfläche des Ringes 12 aus. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, befindet sich der Reifen unter normalen Bedingungen in einer konzentrisch beabstandteten Beziehung zu der Turbinenrotorscheibe. Sollten aufgrund einer Fehlfunktion, die durch eine Betriebsperson oder aus einem anderen Grund auftritt, eine zu große Geschwindigkeit des Rotors entstehen, kann seine Rotationsgeschwindigkeit auf eine Höhe ansteigen, die die Grenzen seiner Material­ integrität erreicht oder übersteigt, welche durch den Sicherheitsfaktor bestimmt ist, der bei der Konstruktion in den Rotor eingebaut ist. Dann können die entwickelten Zentrifugalkräfte die wesentliche Festigkeit des Reifens sowie des Materials, von welchem der Reifen hergestellt ist, beträchtlich übersteigen. Wenn das auftritt, wird an der Stelle einer radialen Öffnung 26 in dem Reifen ein Bruch erfolgen, woraufhin sich dieser in Radial­ richtung öffnet. Wenn übermäßige Rotationsgeschwindigkeit vorhanden ist, die aufrechterhalten bleibt oder sogar ansteigt, erfolgt eine Trennung an der Bruchstelle, aufgrund deren der Reifen nicht länger in seiner Stellung bei Normalbedingungen verbleiben wird und unter dem Einfluß der übermäßig sich entwickelnden und an­ steigenden Zentrifugalkraft, die auf den Reifen einwirkt, wird sich dieser verformen. Diese Verformung wird eine Ausweitung des Reifens in einer relativ ungezwungenen Art hervorrufen, wodurch im wesentlichen ein Kontakt der äußeren Umfangsflächenbereiche mit der inneren Wandfläche des Schutzgehäuses erhalten wird. Bei dem Starter ist die innere Wandfläche des Schutz­ gehäuses die innere Wandfläche des Wandabschnittes des Schutzgehäuses 30. Da der Aufbau und die Anordnung eine radiale Öffnung in dem Reifen erzwingt und eine Anlage des Reifens mit der inneren Wandfläche des Schutzgehäuses, tritt ein zwangsläufiger Bruch der Verbindung des Reifens auf, welcher den Reifen an einer Ausdehnung hindert und dieser wird an einem weiteren Antrieb gehindert. Wenn das auftritt, wird infolge der Kupplung mit der Turbinen­ rotorscheibe 10, solange die Stifte 14 funktionsfähig in der Turbinenrotoscheibe 10 verbleiben, die Turbinenrotorscheibe 10 ebenfalls von einer Drehung abgehalten werden. In dem Fall des Starters wird seine Welle, wenn der Turbinenrotor R nicht länger fähig ist, die Antriebsfunktion auszuüben, selbst von der Rotation zurückgehalten und übt einen starken Einfluß auf das Ritzel aus, wodurch dessen sofortige Trennung von der Schwungscheibe des Motors verursacht wird. Sogar wenn durch menschliches Versagen ein Gasstrom zu und durch die Kammer des Starters und nach außen durch eine Düsen erfolgt, wird zu diesem Zeitpunkt der Reifen so verschoben, daß das durch die Düsen ent­ weichende Gas nur noch aus dem Gehäuse 30 durch den Anschluß entweicht. Wenn bei einem Bruch und einer Trennung des Reifens wie vorstehend beschrieben die Bolzen oder Stifte 14 nicht unversehrt bleiben und abscheren oder sich anderweitig aus ihrer verbindenden Beziehung mit dem Reifen trennen, wird der Reifen völlig von der Turbinenrotorscheibe 10 entfernt. In diesem Fall wird nicht länger eine Antriebskraft auf die Turbinenrotorscheibe 10 von dem Reifen ausgeübt und das führt entsprechend zu denselben Ergebnissen, nämlich zu der Beendigung des Eingriffs des Ritzels in dem Schwungrad des Motors.

Aus Vorstehendem wird deutlich, daß viele Anwendungen möglich sind, in denen der Einschluß der vorliegenden Erfindung einen bedeutenden Sicherheitsfaktor erbringen kann. Das Wesen der Erfindung und der dadurch sich ergebenden Verbesserungen liegt darin, daß ein Rotor, der diese trennende Vorrichtung aufweist, sich selbst auf eine relativ günstige Art unfähig macht, wenn er aus Gründen eines menschlichen Fehlers oder einer Fehlerfunktion der Maschine gezwungen wird, mit einer Geschwindigkeit zu rotieren, welche jenseits der Grenze liegt, für welche er konstruiert worden ist. Das ist eine viel bessere Alternative als die völlige Trennung des Rotors und ohne einen möglichen Durchschlag und Bruch seines Gehäuses oder seiner Verkleidungswand zu riskieren.

Wie bei dem ersten Beispiel gezeigt, bei welchem ein er­ findungsgemäßer Rotor, der einen geringen Schaden ge­ währleistet, verwendet ist, wenn gewisse Umstände ein Fehlverhalten unvermeidbar machen, ist ein Hersteller eines Starters in der Lage, den Sicherheitsfaktor, der bei der Konstruktion des Gehäuses gefordert wird, zu reduzieren. Daraus ergibt sich nicht nur eine Maschine, welche ein geringeres Gewicht aufweist, sondern auch eine Maschine, die sicherer ist in der Benutzung und wirtschaftlicher in der Herstellung.

Claims (6)

1. Turbinenrotor (R), insbesondere für einen Druck­ luftstarter mit einer Turbinenrotorscheibe (10), die unter Zwischenschaltung eines Rings (12) Turbinenschaufeln (22), im folgenden "Reifen (12; 22)″ genannt, trägt; mit an der Turbinenrotor­ scheibe (10) festen Verbindungseinrichtungen zwischen Turbinenrotorscheibe (10) einerseits und Reifen (12, 22) andererseits zur Lagefixierung des Reifens, die abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit ist, wobei der Reifen (12; 22) radiale Öffnungen (26) für die Verbindungsein­ richtungen aufweist, die bei unzulässig überhöhter Rotationsgeschwindigkeit Bruchstellen oder Unterbrechungen bilden.

2. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbin­ dungseinrichtung aus Bolzen oder Stiften besteht, die in die radialen Öffnungen (26) im Reifen (12; 22) hineinragen.

3. Turbinenrotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzen oder Stifte mit Gleitsitz in den radialen Öffnungen (26) verschieblich sind.

4. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Öffnungen (26) durch ausgewählte Schaufeln ver­ laufen.

5. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Reifen gehörige äußere Teil (Turbinenschaufel, 22) so ausgelegt ist, daß eine kontrollierte Trennung bei unzulässig hoher Rotationsgeschwindigkeit des Rotors herbeiführbar ist.

6. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine eng benachbarte, dem äußeren Reifenteil (Turbinen­ schaufel, 22) gegenüberliegenden inneren Ab­ schirmwand des Schutzgehäuses (30).