DE1425035B2

DE1425035B2 - Vorrichtung zum stabilisieren eines in einem fluessigkeitsstrom angeordneten wellenlosen rotors

Info

Publication number: DE1425035B2
Application number: DE19631425035
Authority: DE
Inventors: Birger Christian Kjeller Liliestrom Kierulf (Norwegen)
Original assignee: Institutt for Atomenergi, Kjeller, Lillestrom (Norwegen)
Priority date: 1962-07-18
Filing date: 1963-07-16
Publication date: 1973-05-17
Also published as: GB992091A; DE1425035C3; NL295481A; DE1425035A1; US3218981A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines in einem Flüssigkeitsstrom angeordneten wellenlosen Rotors, dessen Drehachse parallel zur Hauptrichtung des Flüssigkeitsstromes verläuft.

Eine derartige Vorrichtung ist insbesondere für die Messung von Flüssigkeitsgeschwindigkeiten oder zum Pumpen verschiedener Flüssigkeitsvolumina durch unzugängliche Rohrsysteme geeignet.

Für die arbeitsleistende Entspannung eines Gases zum Zwecke der Kälteerzeugung ist bereits eine Turbine bekannt, bei der der Turbinenläufer durch die Kräfte des Gasstromes in seiner Lage gehalten und die Einstellung seiner Achse durch Kreiselkräfte erzwungen wird. Dieser Rotor wird also lediglich durch die vom Gasstrom ausgeübten Kräfte getragen. Die Form dieses bekannten Rotors entspricht der eines flachen Konus, der in einem Hohlkonus des Stators mit kleinerem öffnungswinkel durch das aus den Düsen austretende Gas, das ein napfförmiges Gaskissen bildet, im Gleichgewicht gehalten wird (deutsche Patentschrift 724 269).

Für Flüssigkeiten läßt sich eine derartige Turbine jedoch nur schwerlich anwenden, bzw. nur dann, wenn die Flüssigkeit mit sehr hoher Geschwindigkeit durch diese hindurchgeleitet wird, da sichergestellt sein muß, daß die gesamte Rotorfläche kontinuierlieh im ausreichenden Abstand von dem betreffenden Statorteil gehalten wird.

Weiter ist es bekannt, einen wellenlosen Rotor als Doppelkegel auszubilden und in bzw. auf einem Stator, der dem Doppelkegel des Rotors entsprechende Tragflächen aufweist, zu lagern. Dies geschieht dadurch, daß zwischen den Kegelflächen des Stators und Rotors ein Druckmittel (Flüssigkeit oder Gas) durchgeleitet wird, das auch als Antriebsmittel für den Rotor dann dienen kann, wenn dessen Kegelflächen z. B. mit gegensinnig zur Umfangsrichtung geneigten Nuten versehen sind. Es handelt sich dabei, wie bei der vorher als bekannt vorausgesetzten axial einseitigen Abstützung eines Turbinenrotors, im Prinzip um eine hydrostatische bzw. pneumostatische Lagerung, zu deren Stabilität die genannten Nuten kaum beitragen.

Bekannt sind auch Lager zum axialen und radialen Abstützen einer Welle (britische Patentschriften 585 092 und 779 419). Sie sind mit einer kugeligen Gleitfläche oder kegeligen, gegensinnig zueinander geneigten Gleitflächen versehen, deren im Durchmesser größeres Ende im Bereich der Lagermitte liegt. Die entsprechend geformte Gegenleitfläche der Welle ist mit Nuten versehen, die ein Schmiermittel von den Lagerenden zur Lagermitte hin fördern und dabei einen tragenden hydrodynamischen Schmierfilm erzeugen oder, wenn jeweils der an eine Nutflanke anschließende Teil der Gegengleitfläche als Keilfläche ausgebildet ist, den Aufbau von Schmiermittelkeilen > ermöglichen. Wie solche Lager abzuwandeln wären, um in ihnen auch einen in einem Flüssigkeitsstrom angeordneten wellenlosen Rotor stabil lagern zu können, ist weder der einen noch der anderen Druckschrift zu entnehmen.

Schließlich ist noch eine Lagerung eines wellenlosen Rotors bekannt, dessen beide Enden kegelstumpfförmig ausgebildet sind und nach Art einer Spitzenlagerung in kegelstumpfförmige Aussparungen des Stators eingreifen, deren Kegelwinkel kleiner ist als der an den Rotorenden (USA.-Patentschrift 2 854 298). In die so zwangläufig gebildeten Lagerspalte wird ein Druckmittel (Gas oder Flüssigkeit) durch Bohrungen des Stators eingeleitet, die koaxial zur Achse des Rotors verlaufen. Eine Stabilisierung des Rotors wird bei dieser Lagerung, die im Prinzip wieder eine pneumo- bzw. hydrostatische ist, also die Zufuhr eines Druckmittels erfordert, auf Grund der Form des Lagerspaltes erreicht, der sich von der Stelle des Druckmitteleinlasses zu der des Druckmittelaustritts aus dem Lager hin kontinuierlich verengt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, *■ einen in einem Flüssigkeitsstrom angeordneten wellenlosen Rotor, dessen Drehachse parallel zur Hauptrichtung des Flüssigkeitsstromes verläuft, radial und in beiden axialen Richtungen allein auf Flüssigkeitsschichten zu lagern und dabei in diesen selbsttätig einen die Stabilität der Lagerung fördernden Druck aufzubauen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird dann erreicht, wenn eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß folgende Merkmale aufweist:

a) der Rotor ist mit Spiel zwischen zwei mit ihm gleichachsigen im Flüssigkeitsstrom liegenden stationären Körpern angeordnet, die kegelstumpfförmige Lagerflächen für den Rotor bilden;

b) der Rotor ist mittig mit einer durchgehenden Längsbohrung versehen, die sich, den kegelstumpfförmigen Lagerflächen entsprechend, zu den Rotorenden hin kegelig erweitert;

c) der Rotor ist im Bereich der erweiterten Teile seiner Längsbohrung mit Rippen versehen, die am Rotor sowohl radial innen als auch zur benachbarten Lagerfläche hin offene Förderkanäle bilden:

3 4

d) wenigstens einer der stationären Körper ist zur Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel findet

Flüssigkeitszufuhr zur Längsbohrung des Rotors ein Rotor Anwendung, dessen Durchmesser 35 mm

und damit zu den Förderkanälen mittig mit ist, mit einem lichten Abstand zwischen den Rippen

einer Längsbohrung versehen. und dem stationären Körper von etwa 0,2 mm und

Für die Merkmale a) bis d) wird nur gemeinsam 5 einem Winkel der Rippen gegenüber der Drehachse

Schutz begehrt. von etwa 45°, wobei 24 radiale Rippen mit einer

Bei einer derartigen Ausführungsform ist beson- Breite von 1,5 mm und einer Höhe von 1,5 mm vorders vorteilhaft, daß der Rotor bei seinem Drehen handen sind. Dieser Rotor arbeitet sehr zufriedeneinen stabilisierenden hydraulischen Druck auf stellend, wenn er mit Wasser als Arbeitsflüssigkeit Grund der herrschenden Zentrifugalkräfte aufbaut, io betrieben wird.

die auf die Flüssigkeit einwirken, wenn dieselbe zwi- In F i g. 2 ist ein wellenloser Rotor 1 mit Rippen

sehen den Rippen in Richtung auf den Umfang des auf zwei kegeligen Seitenflächen versehen, die den

Rotors bewegt wird. Somit stabilisiert der Flüssig- entsprechend kegelig ausgebildeten Stirnflächen der

keitsdruck den Rotor dadurch, daß dieser bei Dre- zwei stationären Körper gegenüberliegen, wie unter

hung mit einer über einen vorherbestimmten Wert 15 Bezugnahme auf Fig. 1 oben beschrieben. Fig.2

liegende Geschwindigkeit nicht mit den stationären stellt den Rotor 1 so dar, daß derselbe in einem eine

Körpern in Berührung kommt, d. h. in der Flüssig- Flüssigkeit führenden Rohr angeordnet ist, wobei

keit frei umläuft. beide stationären Körper mit einer Flüssigkeit füh-

Der wellenlose Rotor kann in Vorrichtungen An- renden Bohrung, in Richtung auf die Achse des Rowendung finden, bei denen herkömmliche Lager 20 tors zu, versehen sind. Der Umfang des Rotors ist nicht verwendet werden können, so beispielsweise in mit Kupferstäben od. dgl. beaufschlagt. Eine Statorradioaktiven oder anderen nicht zugänglichen Ein- wicklung 9 ist an der Außenseite der Rohrwand anrichtungen, die geschlossen gehalten werden müssen. geordnet. Der Rotor 1 dient somit als Rotor eines

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise Kurzschlußanker-Motors, d. h., die Anordnung ist als unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es 25 Pumpe verwendbar, wobei die Pfeile die Richtung anbedeutet zeigen, längs derer die Strömung der Flüssigkeit er-

F i g. 1 einen bei der Messung von Flüssigkeitsge- zwungen wird,

schwindigkeiten verwendbaren Rotor, Die Drehgeschwindigkeit eines in der F i g. 1 ge-

F i g. 2 eine für das Pumpen von Flüssigkeiten zu zeigten Rotors wurde experimentell bei vorherbe-

benutzende, in sich geschlossene Vorrichtung, 30 stimmten Flüssigkeitsgeschwindigkeiten gemessen,

F i g. 3 eine graphische Darstellung, die die gemes- und die hierbei erzielten Ergebnisse sind graphisch in

senen und berechneten Drehgeschwindigkeiten in der F i g. 3 zusammen mit der theoretischen Drehge-

Abhängigkeit von der Flüssigkeitsgeschwindigkeit schwindigkeit wiedergegeben, die als eine Funktion

zeigt, der Flüssigkeitsgeschwindigkeit dargestellt ist. Wie in

F i g. 4 eine graphische Darstellung, die den Stabi- 35 der graphischen Abbildung gezeigt, muß die Flüssig-

lisierungsprozeß eines Rotors bei zunehmender keit zunächst eine bestimmte Geschwindigkeit errei-

Drehgeschwindigkeit veranschaulicht. chen, bevor der Rotor sich zu drehen beginnt. So-

Nach F i g. 1 ist ein Rotor 1 zwischen zwei statio- dann nimmt jedoch die Drehgeschwindigkeit schnell nären Körpern 5 und 6 angeordnet. Der Rotor 1 ist in Richtung auf den theoretischen Wert zu, so daß an seinem Außenmantel zylinderförmig ausgebildet 40 die gemessene Drehgeschwindigkeit der theoretischen und mit Schaufeln 2 versehen, die in den Flüssig- Drehgeschwindigkeit sehr nahe kommt,
keitsstrom, der durch ein Rohr 8 hindurchtritt, ein- Der Stabilisierungseffekt ist von dem Durchmesser greifen. Die Seiten des Rotors 1 verlaufen kegelig und der Drehgeschwindigkeit des Rotors, dem spezi- und weisen Rippen 3 auf, die Förderkanäle 7 bilden. fischen Gewicht der Flüssigkeit, der Formgebung des Die stationären Körper 5,6 sind mit kegelstumpfför- 45 Raumes zwischen den Rippen des Rotors und dem migen Lagerflächen für den Rotor 1 versehen. Zwi- stationären Körper, der Form der Rippen, dem Gesehen den Rippen 3 und den stationären Körpern 5,6 wicht des Rotors, dem Antrieb und der Reibung zwibefindet sich ein schmaler Spalt. Dem Rotor, der sehen Flüssigkeit und Rotor, abhängig,
eine durchgehende Längsbohrung aufweist, wird F i g. 4 dient der Veranschaulichung der Stabilisiedurch eine Bohrung4 in dem stationären Körper5 50 rung eines in der Fig. 1 gezeigten Rotors. Der Ro-Flüssigkeit zugeführt. Wenn die Flüssigkeit an den torl ist in einem senkrechten Rohr angeordnet und Schaufeln 2 vorbeiströmt und damit ein Drehen des wird zunächst durch den unteren stationären Körper Rotors 1 bewirkt, wird die Flüssigkeit auf Grund der getragen. Bei Zunahme der Drehgeschwindigkeit Zentrifugalkraft nach außen durch die Förderka- steigt der Rotor durch Abheben von der Abstützung näle7 zwischen den Rippen 3 und den stationären 55 schnell in Richtung auf den oberen stationären Kör-Körpern hindurchbewegt. Dabei wird in jedem För- per an. Dabei baut der Rotor jedoch auch einen derkanal ein den Rotor stabilisierender Flüssigkeits- Flüssigkeitsdruck in dem oberen Spalt auf und wird druck aufgebaut, so daß der Rotor 1 sich ohne me- im Bereich des flachen Teils der Kurve so stabilisiert, chanische Abstützung in seinem Lager dreht. daß er weder umkippen noch schwanken kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

Vorrichtung zum Stabilisieren eines in einem Flüssigkeitsstrom angeordneten wellenlosen Rotors, dessen Drehachse parallel zur Hauptrichtung des Flüssigkeitsstromes verläuft, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Rotor (1) ist mit Spiel zwischen zwei mit ihm gleichachsig im Flüssigkeitsstrom lie- ίο genden stationären Körpern (5 und 6) angeordnet, die kegelstumpfförmige Lagerflächen für den Rotor bilden;

b) der Rotor ist mittig mit einer durchgehenden Längsbohrung versehen, die sich, den kegelstumpfförmigen Lagerflächen entsprechend, zu den Rotorenden hin kegelig erweitert;

c) der Rotor ist im Bereich der erweiterten Teile seiner Längsbohrung mit Rippen (3) versehen, die am Rotor sowohl radial innen als auch zur benachbarten Lagerfläche hin offene Förderkanäle (7) bilden;

d) wenigstens einer der stationären Körper ist zur Flüssigkeitszufuhr zur Längsbohrung des Rotors und damit zu den Förderkanälen mittig mit einer Längsbohrung versehen.