DE69910874T2 - Drehzahlregelung für eine rotierende Luftdruckmaschine - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Drehzahlsteuerungsvorrichtung zum Steuern der Drehzahl eines pneumatischen Rotationsmotors. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Drehzahlsteuerungsvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Art.
• Ein Drehzahlsteuerungsvorrichtungen mit Drehzahlreglern gemäß dem Stand der Technik, beispielsweise von der in der US 2,485,514 beschriebenen Art, innewohnendes Problem besteht darin, daß sie an einem Ende des Motors angeordnet sind und sich daher zu der Länge des Motors hinzuaddieren. Diese vorbekannte Art von Drehzahlreglern ist auch Partikeln jeglicher Art ausgesetzt, die durch die zugefügte Druckluft in das Maschinengehäuse eindringen.
• Dies bedeutet, daß diese Art von Drehzahlreglern leicht durch fremdes Material verschmutzt wird und seine Fähigkeit verliert, wie gewünscht zu arbeiten.
• Ein weiteres Beispiel aus dem Stand der Technik für die vorstehende Art von Drehzahlsteuerungsvorrichtung ist in der US 3,708,240 beschrieben. Dieser bekannte Drehzahlregler ist in der Rotorwelle angeordnet und addiert sich nicht wirklich zu der Länge des Motors hinzu. Jedoch ist dieser eingebaute Drehzahlregler immer noch dem Risiko einer Verschmutzung ausgesetzt, weil der Luftstrom zu dem Motor genau durch den Drehzahlreglermechanismus verläuft. Entsprechend können Fremdpartikel, die durch den Luftstrom transportiert werden und durch den Regler strömen, den Regler verschmutzen und eine Fehlfunktion verursachen.
• In einer noch weiteren bekannten Vorrichtung, die in der US 3,071,115 beschrieben ist, sind sowohl ein fliehkraftbetätigter Drehzahlregler als auch eine Sicherheitsvorrichtung vor Überdrehzahl vorgesehen, die beide innerhalb des Rotors angeordnet sind. Auch die Sicherheitsvorrichtung vor Überdrehzahl wird durch Fliehkraftgewichte betätigt und die Rotorgestaltung als Ganzes ist recht kompliziert. Wegen ihrer Anordnung innerhalb des Rotors sind diese Mechanismen vor Staub und anderen Partikeln geschützt, die durch die Druckluft transportiert werden. Es sind jedoch mehrere Führungsflächen für die Fliehgewichte und die Verriegelungsstifte des Ventilelements vorgesehen, die nach einiger Zeit des Werkzeugbetriebes einer Korrosion oder anderen Arten von Haftwirkung ausgesetzt sein können. Dies kann die gewünschte Sicherheitsfunktion gefährden. Darüber hinaus ist die Fliehkraftbetätigung für eine Sicherheitsvorrichtung nicht nur kompliziert, sondern benötigt auch einen relativ großen radialen Raum. Ein noch weiterer Nachteil dieser bekannten Art von Vorrichtung besteht in der Schwierigkeit, diese bei sehr schnell rotierenden Rotoren arbeiten zu lassen, wie z. B. Turbinenrädern. Bei solchen Anwendungen sind die dann auf die Fliehgewichte und andere Teile wirkenden Zentrifugalkräfte sehr stark, was hohe Anforderungen an beispielsweise die Dimensionierungen und das Material der Fliehgewichtfedern stellt.
• Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, eine Drehzahlsteuerungsvorrichtung für einen Rotationsmotor zu schaffen, bei welchem sich die Teile der Steuerungsvorrich tung nicht zu den Abmessungen des Motors hinzuaddieren und vor Staub und anderen Fremdpartikeln gut geschützt sind, und weiterhin der Sicherheitsmechanismus vor Überdrehzahl konstruktiv einfach und zuverlässig im Betrieb ist, auch bei Anwendungen mit hoher Drehzahl.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 einen Längsschnitt durch einen pneumatischen Motor, der mit einer erfindungsgemäßen Drehzahlsteuerungsvorrichtung versehen ist;
• 2 einen Querschnitt durch den Schaltmechanismus der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung vor Überdrehzahl.
• Der in 1 gezeigte Motor ist eine sechsstufige Axialluftturbine, die einen Stator 10 und einen Rotor 11 aufweist. Der Stator 10 ist mit Rotorlagern 12, 13, einem Drucklufteinlaßkanal 14 und sechs Umfangsreihen von Leitschaufeln 16 versehen. Der Lufteinlaßkanal 14 besitzt eine im wesentlichen zylindrische Form und ist koaxial relativ zur Drehachse des Rotors 11 angeordnet. Eine Umfangsseitenöffnung 17 in dem Einlaßkanal 14 leitet Druckluft zu den Leitschaufeln 16 und weiter zu einer Auslaßöffnung 18.
• Der Rotor 11 besitzt einen Hauptkörper 20, der mit sechs Umfangsreihen Antriebsblättern 21 versehen ist, die in bekannter Weise alternierend zwischen den Reihen der Leitschaufeln 16 angeordnet sind, um die Turbine zu vervollständigen. Die durch den Einlaßkanal 14 und die Seitenöffnung 17 zugeführte Druckluft passiert die Leitschaufeln 16 und die Antriebsblätter 21, um ein Antriebsmoment auf den Rotor 11 zu erzeugen.
• Der Rotor 11 ist mit einer sich axial erstreckenden Ausnehmung oder Blindbohrung 22 ausgebildet, die in Richtung des Einlaßkanals 14 offen ist. In dieser Bohrung 22 ist eine Montagestruktur 23 befestigt, die mit einem koaxialen Kragenbereich 24 zum Abstützen eines der Rotorlager 12 und mit einer Koaxialbohrung 25 ausgebildet ist. Die Montagestruktur 23 bildet eine Abstützung sowohl für einen Drehzahlregler 26 als auch einen Sicherheitsmechanismus 27 vor Überdrehzahl. Wie üblich bei Motoren, die mit derartigen Drehzahlsteuerungsmitteln versehen sind, ist der Drehzahlregler 26 innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereiches aktiv, um den geförderten Druckluftstrom zu steuern und die Motordrehzahl bis zu einem bestimmten ersten Niveau zu maximieren, während der Sicherheitsmechanismus 27 vor Überdrehzahl vollständig inaktiv bleibt, bis ein zweites, vorbestimmtes höheres Motordrehzahlniveau erreicht wird. Er wird dann aktiviert, um den Lufteinlaßstrom zu beenden oder wenigstens wesentlich zu begrenzen, um so den Motor außer Betrieb zu setzen.
• Der Drehzahlregler 26 besitzt ein längliches Ventilelement 29, das sich koaxial durch die Bohrung 22 erstreckt und mittels einer Feder 35 in Richtung einer offenen Stellung vorbelastet ist. Der Drehzahlregler 26 umfaßt auch zwei L-förmige Fliehkraftelemente 28, die jeweils über ein Wälzlager schwenkbar an der Montagestruktur 23 gelagert sind und einen Druckteil 30 sowie einen beschwerten Teil 31 aufweisen, der durch die Zentrifugalwirkung nach außen beweglich ist. Die Fliehkraftelemente 28 wirken über ihre Druckteile 30 auf ein Endstück 33, das am hinteren Ende des Ventilelements 34 angebracht ist. Das Endstück 33 dient auch als axiale Abstützung für die Vorspannfeder 35 des Drehzahlreglers 26. Das Endstück 33 ist in der Bohrung 25 der Montagestruktur 23 beweglich und bildet eine hintere Abstützung für das Ventilelement 29. An seinem vorderen Ende ist das Ventilelement 29 in dem Kragenbereich 24 der Montagestruktur 23 beweglich geführt.
• An seinem vorderen Ende ist das Ventilelement 29 mit einem Kopf 36 ausgebildet, der in einer Bohrung 38, die den Einlaßkanal 24 bildet, abdichtend geführt ist. Die Bohrung 28 ist ebenso wie das Ventilelement 29 koaxial relativ zur Drehachse des Rotors 11 angeordnet und das Ventilelement 29 ist derart angeordnet, daß es durch die Fliehkraftelemente 28 axial verlagert wird, so daß der Kopf 36 des Ventilelements den Luftstrom durch die Seitenöffnung 17 steuert.
• Die Sicherheitsvorrichtung 27 vor Überdrehzahl besitzt ein den Durchfluß blockierendes oder beschränkendes Element 39, das eine röhrenartige Form besitzt und in der Bohrung 38 des Einlaßkanals beweglich geführt ist. Das den Durchfluß begrenzende Element 39 ist zwischen einer Ruhestellung, die in 1 dargestellt ist, und einer Aktivstellung schaltbar, in welcher es den Luftstrom durch die Seitenöffnung 17 blockiert oder begrenzt. Eine Schraubenfeder 40 ist zwischen einem Absatz 41 an dem Stator 10 und einem Absatz 42 an dem den Durchfluß begrenzenden Element 39 vorgespannt, um eine Vorspannkraft auf das den Durchfluß begrenzende Element 39 in Richtung der aktiven, den Luftstrom begrenzenden Stellung von letzterem auszuüben.
• Das den Durchfluß begrenzende Element 39 ist jedoch mittels eines Schaltmechanismus gegen Verlagerung verriegelt, der ein Schaltelement 43, das an dem Element 39 abgestützt ist, und einen drehzahlabhängigen Aktuator aufweist, der gemeinsam mit dem Rotor 11 rotiert. Das Schaltelement 43 ist aus einer Verriegelungsstellung verschwenkbar, in welcher es an einem Absatz 46 in der Bohrung 38 angreift und dadurch das Element 39 in seiner Ruhestellung hält (siehe 2). Eine Blattfeder 37, die auf dem den Durchfluß begrenzenden Element 39 gehalten ist, übt eine Vorlastkraft auf das Schaltelement 43 in Richtung der Verriegelungsstellung von letzterem aus.
• Der Aktuator 45 der Sicherheitsvorrichtung 27 vor Überdrehzahl besteht aus einem Stück eines elastisch deformierbaren Federelements 44, das im Ausgangszustand eine lineare Form besitzt, jedoch bei der Montage in eine vorgespannte Stellung elastisch gebogen wird. Das Federelement 44 ist vorzugsweise aus einem Federdraht gebildet, der mit seinem einen Ende in eine mittige Bohrung 47 in dem Ventilelement 29 eingefügt und befestigt wird. Das andere Ende des Federelements 44 erstreckt sich aus der Bohrung 47 und wird gebogen, um an einer Radialabstützung 48 an dem Kopf 36 des Ventilelements zu ruhen. Das Federelement 44 ist nicht nur aus der Drehachse herausgebogen, sondern auch mit einem röhrenförmigen Gewicht 49 versehen, um die Zentrifugalwirkung auf den Aktuator 45 zu erhöhen. Das Federelement 44 ragt ausreichend lang aus der Bohrung 47 heraus, um in der Lage zu sein, beim Erreichen der vorbestimmten Drehzahlgrenze weiter elastisch gebogen zu werden und dadurch das Schaltelement 43 zu treffen und auszulösen.
• Wenn es von dem Aktuator 45 getroffen wird, wird das Schaltelement 43 gegen die Wirkung der Blattfeder 37 verschwenkt, wie durch den gestrichelten Pfeil in 2 angedeutet, und vorübergehend aus dem Eingriff mit der Schulter 46 bewegt. Dadurch ist das den Durchfluß begrenzende Element 39 frei, sich in Richtung seiner den Luftstrom blockierenden Stellung zu bewegen. Im Normalbetrieb, d. h. wenn der Drehzahlregler 26 wie gewünscht arbeitet, verbleibt das Federelement 44 jedoch in seiner Ruhestellung in Kontakt mit der Abstützung 48 und das Schaltelement 23 verharrt unbeeinflußt in seiner Verriegelungsstellung (siehe 2).
• Falls sich aus irgendeinem Grund der Drehzahlregler 26 verklemmen sollte, oder in anderer Weise fehlerhaft funktionieren sollte, die zu einer erhöhten Rotordrehzahl führt, wird das Federelement 44 durch die Zentrifugalwirkung weiter nach außen gebogen, bis das Schaltelement 43 durch das röhrenförmige Gewicht 49 getroffen wird. Dadurch wird das Schaltelement 43 aus seinem Eingriff mit dem Absatz 46 gelöst und gibt das den Durchfluß begrenzende Element 39 zur axialen Bewegung in Richtung seiner aktiven, den Luftstrom begrenzenden Stellung frei, in welcher es mehr oder weniger den Luftstrom durch die Öffnung 17 blockiert und die Rotordrehzahl wesentlich reduziert.
• Die erfindungsgemäße Drehzahlsteuerungsvorrichtung, die durch das vorstehende Beispiel dargestellt worden ist, ist sehr kompakt und doch sehr einfach in der Konstruktion. Dies macht sie für Anwendungen mit schnell rotierendem Motor kleiner Größe geeignet, wie z. B. durch Luftturbinen angetriebene Motorwerkzeuge. Insbesondere ist die Sicherheitsvorrichtung vor Überdrehzahl nicht nur sehr kompakt und einfach, sondern besitzt eine zuverlässige Funktion. Der Grund dafür besteht darin, daß der Aktuator keine Führungsflächen hat, die Reibkräften ausgesetzt sind, sondern ausschließlich durch elastische Deformation bewegt wird. Der Aktuator 45 ist auch dadurch besonders zuverlässig, daß er eine mittige Anordnung an dem Rotor 11 besitzt, was zur Folge hat, daß die auf ihn wirkenden Zentrifugalkräfte nur eine mäßige Größe erreichen, auch bei sehr hohen Drehzahlniveaus.

Claims (7)

1. Drehzahlsteuerungsvorrichtung für einen pneumatischen Rotationsmotor, der einen Stator (10) mit einem Lufteinlaßkanal (14) und einen Rotor (11) besitzt, der in dem Stator (10) gelagert ist, die einen Drehzahlregler (26) und eine Schutzvorrichtung (27) vor Überdrehzahl besitzt, wobei der Drehzahlregler (26) zwei oder mehr Fliehkraftelemente (28), eine Vorlastfeder (35) und ein Ventilelement (29) aufweist, das durch die Fliehkraftelemente (28) gegen die Vorlastfeder (35) beweglich ist, um den Luftstrom durch den Einlaßkanal (14) bei einem Motorbetrieb oberhalb eines vorbestimmten ersten Drehzahlniveaus zu begrenzen, und die Schutzvorrichtung (27) vor Überdrehzahl ein den Durchfluß begrenzendes Element (39), das in dem Stator (10) beweglich gelagert ist und zwischen einer Ruhestellung und einer aktiven, den Durchfluß begrenzenden Stellung verstellbar ist, eine Feder (40), die das den Durchfluß begrenzende Element (39) in Richtung der aktiven Stellung vorbelastet, ein Schaltelement (43), das normalerweise das den Durchfluß begrenzende Element (39) in der Ruhestellung verriegelt und einen drehzahlabhängigen Auslöser (45) aufweist, der gemeinsam mit dem Rotor (11) rotiert und derart beschaffen ist, daß er das Schaltelement (43) bei einem zweiten vorbestimmten Drehzahlniveau des Motors auslöst und das den Durchfluß begrenzende Element (39) zur Bewegung in Richtung der aktiven Stellung freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (11) eine koaxiale Blindbohrung (22) aufweist, die ein dem Lufteinlasskanal (14) zugewandtes offenes Ende besitzt und in welcher eine Monta gestruktur (23) zum beweglichen Halten der Fliehkraftelemente (28), der Vorlastfeder (35) und des Ventilelements (29) innerhalb der Bohrung (22) festgelegt ist, das Ventilelement (29) einen den Luftstrom steuernden Kopf (36) aufweist, der außerhalb der Bohrung (22) angeordnet ist, und der drehzahlabhängige Auslöser (45) ein Federelement (44) aufweist, das an dem Ventilelement (29) angebracht ist und durch Zentrifugalwirkung derart elastisch verformbar ist, daß es das Schaltelement (43) beim Erreichen des zweiten vorbestimmten Drehzahlniveaus des Motors trifft und auslöst.
2. Drehzahlsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der drehzahlabhängige Auslöser (45) ein längliches Federelement (44) aufweist, das ein in einer Koaxialbohrung (47) in dem Ventilelement (29) festgelegtes erstes Ende und ein freies, sich aus dem Ventilelement (29) erstreckendes Ende besitzt, das Federelement (44) in einer elastisch gebogenen Form radial abgestützt und derart beschaffen ist, daß es einer Zentrifugalwirkung ausgesetzt ist, und das freie Ende derart beschaffen ist, daß es das Schaltelement (43) trifft und auslöst, wenn es unter Zentrifugalwirkung bei dem zweiten vorbestimmten Drehzahlniveau des Motors weiter nach außen gebogen wird.
3. Drehzahlsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Durchfluß begrenzende Element (39) eine röhrenähnliche Form besitzt und axial in dem Lufteinlaßkanal (14) beweglich ist und das Schaltelement (43) auf dem den Durchfluß begrenzenden Element (39) gelagert und derart beschaffen ist, daß es mit einem Absatz (46) an dem Stator (10) zusammenwirkt, um das den Durchfluß begrenzende Element (39) in der Ruhestellung zu verriegeln.
4. Drehzahlsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (44) ein beschwertes Element (49) an seinem freien Ende trägt, durch welches das Ansprechen des Auslösers auf die Zentrifugalwirkung erhöht ist.
5. Drehzahlsteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (44) ein Stück Draht von ursprünglich linearer Form aufweist, das jedoch elastisch in einen vorgespannten Zustand gebogen ist, wenn es in der Koaxialbohrung (47) des Ventilelements (29) montiert ist.
6. Drehzahlsteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lufteinlaßkanal (14) eine Bohrung (38) besitzt, die koaxial zu dem Ventilelement (29) angeordnet ist und eine oder mehrere seitliche Luftzufuhröffnungen (17) besitzt, und sowohl das Ventilelement (29) als auch das den Durchfluß begrenzende Element (39) eine Röhrenform besitzen und axial in der Bohrung (38) beweglich sind, um den Luftstrom durch die eine oder mehrere seitlichen Führungsöffnungen (17) zu steuern.
7. Drehzahlsteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (29) ein hinteres Endstück (33) besitzt, und die Fliehkraftelemente (28) am inneren Ende der Blindbohrung (25) des Rotors (11) angeordnet und derart beschaffen sind, daß sie eine das Ventilelement (29) verstellende Kraft auf das Endstück (33) ausüben.