DE1673899A1

DE1673899A1 - Gasgelagerter Kreisel

Info

Publication number: DE1673899A1
Application number: DE19681673899
Authority: DE
Inventors: Claude Brenot
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1967-02-02
Filing date: 1968-01-31
Publication date: 1971-08-05
Also published as: US3522737A; FR1518805A; GB1197646A

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz Dr. Gertrud Hauser Dipl.-Ing. Gottfried Leiser

Patentanwälte

Telegramme: Labyrinth MOnchen

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto: MOnchen 117078

8000 Mönchen 60, 26· J^an· ™®

Ernsbergerstrasse 19 1 C7QPQQ

C 2490

CSP-COMPAGNIE GENERALE DE TELEGRAPHIE SANS FIL 47, rue Dumont d'Urville, Paris l6^e/Frankreich

Gasgelagerter Kreisel

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreisel mit auf einem Gaslager frei gelagerten Kreiselkörper und drehbarem Lagersupport, wobei dieser Kreisel den Vorteil eines sehr geringen Platzbedarfs insbesondere infolge der Verwendung eines eingebauten Gasverdichters besitzt.

Bu/Gr.

Es

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Es ist bekannt, daß drehbare Lagersupporte den wesentlichen Vorteil besitzen, daß sie die Folgen ihrer mechanischen ünvollkommenheiten herausmitteln. Sie sind jedoch nicht für eine rein hydrodynamische Lagerung des Kreiselkörpers geeignet und erfordern infolgedessen einen Gasverdichter.

Bekannte Kreisel dieser Art verwenden einen Verdichter außerhalb des Kreisels, was folgende offensichtliche Nachteile mit sich bringt: Die Verwendung einer Wellendichtung, eines Hilfsmotors sowie äußerer Leitungen, eines zweiten Gehäuses zusätzlich zum Kreiselgehäuse usw.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Beseitigung dieses Nachteils durch die Verwendung eines in den Kreisel eingebauten Verdichters, wobei zu dessen Betrieb die an der Welle des Kreisels verfügbare Energie verwendet wird.

Die Erfindung schafft daher einen gasgelagerten Kreisel mit einem auf einer Welle befestigten drehbaren Lagersupport, einem von dem Gaslager gehaltenen Kreiselkörper und einem dichten Gehäuse, wobei das verdichtete Gas dem Gasraum des Lagers über einen in der Welle angeordneten axialen Kanal sowie über in dem drehbaren Support

angeordnete 109832/036 S

angeordnete Kanäle zuführbar ist, gekennzeichnet durch eine im Inneren des Gehäuses angeordnete, von der Welle betätigte Gasverdichtungseinrichtung, welche infolge des Auftretens von Viskosität oder innerer Reibung durch das aus dem Gasraum des Lagers kommende Gas gespeist wird und denselben mit wieder verdichtetem Gas speist.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreisels längs einer horizontalen Ebene, welche durch die Drehachse der Antriebsvorrichtung geht,

Figur 2 die Lage der Meßspulen für die Winkelbewegungen des Kreiselkörpers des in Figur 1 dargestellten Kreisels,

Figur 3a eine Draufsicht auf die Rillen einer Platte des Kompressors und Figur 3b einen Schnitt längs eines Durchmessers durch die in Figur 3a gezeigte Platte,

Figur 4 einen schematischen Schnitt durch den Kreiselkörper und seinen Support längs einer Ebene senkrecht zur Antriebsachse,

Figur 5 109832/0365

Figur 5 einen Schnitt längs einer Ebene, welche durch die Antriebsachse und die Luftzuführungsöffnungen verläuft ,

Figur 6 eine Schaltskizze, in welcher die elektrische Anordnung der in Figur 2 gezeigten Spulen dargestellt ist,

Figur 7 einen der Figur 5 ähnlichen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Luftzuführungssystems,

Figur 8a eine Draufsicht und Figur 8b einen Schnitt eines Teils der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform und

Figur 9 einen schematischen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Luftverdichters, welcher mit zwei Platten versehen ist.

In Figur 1 ist ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse dargestellt, welches mittels zweier bekannter Lager 1 und 26 eine Achse 5 unterstützt, die mit einer Kugel einstückig ist und von einem bekannten Motor, insbesondere einem elektrischen Hysteresemotor H in Drehung versetzt wird, dessen Magnet 3 mit der Achse fest verbunden ist.

■P

Der Kreiselkörper 16 besitzt die Form eines Zylinders,

dessen 109832/0365

„ C _

dessen Achse mit derjenigen der Antriebsachse 5 zusammenfällt. Er ist innerlich hohl und der Kugel 17 angepaßt, von welcher er nur durch eine Gasschicht 30 mit einer Dicke von einigen Mikron getrennt ist, wobei diese Schicht mit verdichteter Luft durch den axialen Kanal 19 und die radialen Kanäle 18 gespeist wird, welch letztere in beliebiger Anzahl vorgesehen sein können.

Das die Gaslagerung bildende Gas kann vorzugsweise Luft, ein inertes Gas oder vorzugsweise Helium oder Wasserstoff sein.

Der Kreiselkörper 16 ist im Inneren eines mit der Achse 5 fest verbundenen Gehäuses l4 angeordnet, welches parasitäre Drehmomente infolge von Ventilationswirkungen ausschließt und als Wärmeschirm dient.

Die Zentrierung und Festlegung im Ruhezustand des Kreiselkörpers 16 wird durch eine Blockierungsvorrichtung gewährleistet, deren Gehäuse 6 mit der Achse 5 fest verbunden ist. Ein Gleitstück 8, welches bezüglich der Achse in axialer Richtung beweglich, jedoch in radialer Richtung festgelegt 1st, endet in einem Konus 13, welcher unter der Wirkung einer vorgespannten Gegendruckfeder 7 an einem vom Kreiselkörper 16 getragenen Konus 15 zur Anlage kommt.

Zwei Reihen von Kugeln 10 sind in Zick-Zack-Form zwischen

zwei 109832/0365

zwei konischen Wänden 9 und 11 angeordnet, welche am Konus 13 bzw. am Gehäuse 6 ausgebildet sind.

Der Kreiselkörper 16 weist an jeder seiner Zylinderbasisflächen einen Kreisring aus magnetischem Material bzw. 12 auf, welche vor zwei Gruppen von je vier Solenoiden vorbeilaufen, die bei der ersten Gruppe mit 32 bis 35 und bei der zweiten Gruppe mit 36 bis 39 bezeichnet sind.

Figur 2 zeigt die Anordnung der Spulen der ersten Gruppe in einer Ebene senkrecht zur Achse 5. Die Spulen der zweiten Gruppe sind in gleicher Weise angeordnet.

Die Achse 5 treibt einen Verdichter an, welcher aus der

besteht,
ringförmigen Platte 22/ welche sich in einer Ausnehmung des Gehäuses 2 dreht, wobei die. Oberflächen 28 dieser Platte jeweils spiralenförmige Rillen aufweisen und sich so nahe wie möglich an den Wänden 21 und 25 des Gehäuses drehen. öffnungen 23 durchsetzen die Dickenabmessung der Platte und stehen in Verbindung mit der bereits erwähnten Leitung 19 zur Verteilung der Luft auf das Gaslager. Die der Wand gegenüberliegende Oberfläche der Platte 22 empfängt direkt die zu verdichtende Luft und die gegenüber der Wand liegende Oberfläche empfängt die zu verdichtende Luft über Löcher 27, die über die Platte verteilt sind und außerdem dazu dienen, die Platte 22 Ins Gleichgewicht zu bringen.

Wenn 10 9 8 3 2/0365

Wenn der Kreisel stillsteht, blockiert der Konus 13 des Gleitstücks 8 den Kreiselkörper 16. Beim Anlaufen des Motors 4 dreht sich die Achse 5 daher zusammen mit dem Kreiselkörper 16. In dem Maße, in dem die Anordnung ihre Drehzahl erreicht, liefert der Verdichter vorzugsweise verdichtete Luft in den Raum 30.

Die Wirkungsweise des Verdichters kann anhand von Figur 3a besser erläutert werden, in welcher eine Draufsicht auf die Oberfläche der Platte 22 dargestellt ist. Man findet in dieser Figur die Merkmale aus Figur 1 und zusätzlich eine Darstellung der spiralenförmigen Rillen 40 mit einer Tiefe von einigen Mikron, welche noch besser in dem in Figur 3b dargestellten Schnitt längs eines Durchmessers der Platte 22 ersichtlich sind. Durch viskose Mitnahme infolge der Drehung der Platte in der durch den Pfeil 68 angegebenen Richtung strömt das zwischen dem Boden der Rillen 40 und den festen Wänden 21 und 25 (Figur 1) eingeschlossene Gas von der Mitte zum Umfang 24 (Figur 1).

Wenn sich die Achse 5 in der Umgebung ihrer Nenndrehzahl dreht, reicht die Fliehkraft aus, um die in ihrem konischen Lager sitzenden Kugeln 10 nach außen zu verschieben. Das Gleitstück 8 wird daher bezüglich des Gehäuses 6 zurückgezogen und der Kreiselkörper 16 wird freigegeben und ledig

lich

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lieh durch das Gaslager gehalten. Er dreht sich weiterhin synchron mit der Achse 5 bei nur geringem, praktisch vernachlässigbarem Schlupf.

Dieses Lager erteilt dem Kreiselkörper 16 zwei Freiheitsgrade, einen um die Achse 20 senkrecht zur Achse 5 in der Ebene der Figur 1 und den anderen um die Achse 31, welche im SymmetrieZentrum der Kugel 17 auf der Achse 20 senkrecht steht. Die Aufrechterhaltung des radialen Gleichgewichts des Kreiselkörpers wird durch hydrodynamische Wirkung erzielt. Dies wird anhand von Figur 4 erläutert, in welcher ein Schnitt durch den Kreiselkörper 16 und seinen sphärischen Support 17 in einer Ebene senkrecht zur Achse dargestellt ist, welche die Mitte 57 der Kugel 17 enthält, wobei die Mitte des Kreiselkörpers dagegen versetzt bei 56 angenommen wird.

Der Raum 30 besitzt die Form einer Sichel, in welcher das Gas bei Drehung durch die Wände der Teile l6 und 17 infolge Viskosität mitgenommen wird.

Mit 5*1 und 55 sind die aufeinanderfolgenden Lagen der gleichen Gasschicht bezeichnet, welche durch die mit den Pfeilen 69 bezeichnete gleichzeitige Bewegung der Teile 16 und 17 mitgenommen wird.

Das

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Das Volumen dieser Gasschicht verringert sich und daher erhöht sich Ihr Druck, woraus sich die Kellwlrkung eines bekannten hydrodynamischen Lagers ergibt, Vielehe die durch den Pfeil 70 dargestellte Rückstellkraft erzeugt.

Die Aufrechterhaltung des axialen Gleichgewichts des Kreiselkörpers 16 wird durch hydrostatische Wirkung gewährleistet. Dies wird anhand von Figur 5 erläutert, welche einen der Figur 1 gleichartigen Schnitt zeigt, wobei jedoch lediglich der Kreiselkörper l6 bezüglich der Kugel 17 parallel aur Achse 5 versetzt dargestellt 1st. Mit 5B und 59 sind die ungleichen Querschnitte bezeichnet, welche der Abströniung des Gases geboten werden, das aua den öffnungen 18 zum Unterdrucksetaen der Äquatorzone der Kugel 17 austritt. Die Ausströmung vermindert sich auf der linken Seite 58 und vermehr?; sieh auf der rechten Seite 59, was zu umgekehrten Veränderungen der Eteschiekungsverluste führt, und der Gasdruck wird auf der linken Seite größer als auf der rechten Seite. Dies hat wiederum eine Zentrierung des Kreiselkörpers zur Folge.

Die iiolenoldo 32 bis 35 und der Mag»i,)trlng 29 dienen zur Messung <ler Winke Lbowegungen des Krelselkörpers Io um die Achsen 20 und il. Figur 6 arallt ein Anordnungabivljpltü. der zwei gepjünüberllegemkm Spnlun J2 und 33

Ln

1 U y H Ί Z / Q J t) S

in einer bekannten Brückenschaltung dar. Eine Wechselspannung wird bei 72 angelegt. Es ergibt sich bei 71 eine Spannung Null, wenn der Kreiselkärper 16 genau zentriert ist und wenn die Brücke mit Hilfe des Potentiometers 73 abgeglichen ist. Wenn der Kreiselkörper 16 deaentriert ist, wobei sich der Ring 29 (Figur 1) beispielsweise näher an der Spule 32 als an der Spule 33 befindet, so wird der relative magnetische Widerstand der zwei Solenoide verändert und bei 71 erhält man eine Spannung mit einer zu dieser Verschiebung proportionalen Amplitude.

Die Spulen 3^ und 35 spielen eine analoge Rolle in einer zur Achse der Spulen 32 und 33 senkrechten Achse.

Die gleichen Spulen 35, 36, 37, 38, welche gegenüber den vorher genannten Spulen vor der Magnetplatte 12 angeordnet sind, ermöglichen die Ausübung eines genauen Präzessionsmomentes auf den Kreiselkörper. Sie werden durch eine Folge von gleichen geeichten, elektrischen Impulsen gespeist, deren Folgefrequenz die dem Kreiselkörper erteilte Präzessions· geschwindigkeit einstellt. Dazu ist es nötig, die Folgefrequenz der Impulse mit dem Wert der Drehzahl des Kreiselkörpers Ln Verbindung zu setzen.

Eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Aufrecht-

erhaltung

1Ü0832/0365 BAD ORfGtNAL

erhaltung des axialen Gleichgewichts des Kreiselkörpers ist in Figur 7 dargestellt, welche einen der Figur 5 gleichartigen Schnitt wiedergibt. Die LuftZuführungen für das Lager sind hier auf andere Weise verwirklicht. Die Luftzuführungsleitung 19 ist mit kleinen Bohrungen verbunden, welche in eine Ringkammer 65 münden, die um die Achse 5 drehsymmetrisch ist. Diese Kammer speist

Kreisring
einen iürm»x bO, welcher auf einem kleinen Kreis der Kugel senkrecht zur Achse 5 ausgebildet ist. Die Leitung 19

Kreisrin

speist außerdem in gleicher Weise einen

Kreisring

g
6l, welcher zum inarxa 60 bezüglich der Mitte der

Kugel 17 symmetrisch angeordnet ist, über Bohrungen 74, welche in der Ringkammer 75 münden.

Die Kugel 17 besteht aus drei Teilen 62, 63, 64.

Figur 8a zeigt im einzelnen in einer Draufsicht den Kreisring Jfoene 60 des Teils 64 (Figur 7), welcher von radialen Rillen 66 mit einer Tiefe von einigen Mikron durchsetzt wird, wobei ein Schnitt dieser Rillen in Figur 8b längs

Kreisring der Ebene x-y dargestellt ist. Der Kranz 6l des Teils

ist in gleicher Weise ausgebildet.

Diese Einrichtungen ändern nichts an der durch hydrostatische Wirkung gemäß Figur 5 erzielten axialen Festigkeit, tragen jedoch zu der bereits durch die in Figur 4 gezeig

ten 109832/0365

BAD

ten Einrichtungen erzielten hydrodynamischen Wirkung für die radiale Festigkeit bei, wobei durch diese hydrostatische Haltewirkung die hydrodynamische Wirkungsweise stabili-

Kreisringes siert wird, indem das Gas durch die Rillen 66 des Jörmm««

und durch die gleichen, nicht dargestellten Rillen des Kreisringes 6l eingeleitet wird.

Diese zwischen den Teilen 60 und 62 der Kugel einerseits und den Teilen 60 und 64 der Kugel andererseits eingeschlossenen Rillen bilden Zuführungskanäle, in welchen ein Beschickungsverlust hervorgerufen wird, welcher gleich demjenigen ist, den man in den Injektionsmembranen von bekannten hydrostatischen Lagern erhält. Auf diese Weise arbeitet die Vorrichtung als hydrostatisches Lager in den zwei Richtungen.

Eine andere AusfUhrungsform des LuftVerdichters ist in Figur 9 dargestellt und weist eine Antriebswelle 5, zwei Platten 4l und 42, welche sich zwischen den festen Wänden und 44 drehen, sowie auf beiden Seiten eine ebenfalls feststehende Trennwand 45 auf.

Diese Platten sind in radialer Richtung mittels einer Nabe fest mit der Achse 5 verbunden, wobei die Nabe mittels Kugelverkeilung 47 befestigt ist, welche die Möglichkeit'

einer

BAD ORIGINAL

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einer axialen Bewegung der Anordnung beläßt. Dichtungen gewährleisten die Abdichtung. Die Platten weisen auf ihren Oberflächen spiralenförmige Rillen analog den in Figur gezeigten auf. Bei einer anderen Ausfuhrungsform können jedoch diese Rillen auch in den festen Wänden oder gleichzeitig in den festen und beweglichen Wänden ausgebildet werden.

in

Das Gas dringt xktecii die Achse 5 nach Durchtritt durch die öffnungen 51 und 53 im Steg 52 und in der Achse 5 ein. Der Richtungssinn der Rillen und die Drehrichtung der Platten sind so gewählt, daß die Verdichtung in Zentrifugalrichtung an den Wänden 43, 44 und in Zentripetalrichtung an den Wänden 49, 50 eintritt. Infolge der durch die Kugelverkeilung 47 gewährleisteten axialen Beweglichkeit zentrieren sich die Platten automatisch unter der Wirkung der Verdichtung, welche an ihren Oberflächen entsteht. Es wird bemerkt, daß diese letztere Anordnung ohne weiteres auch für den Fall einer einzigen Platte übernommen werden kann.

Die Gaslagerung ergibt den Vorteil, daß nur eine schwache Luftzuführung erforderlich ist, weswegen eine außerordentlich einfache Art von Verdichter verwendet werden kann, welcher einen geringen Platzbedarf hat und in eine Anordnung eingebaut werden kann, welche praktisch wartungs-

und 109832/0365

und verschleißfrei ist. Darüber hinaus gewährleistet die Schaffung einer automatischen Blockierungseinrichtung ein schnelles Ingangsetzen und vermeidet den Abbau der Gaslagerung, wenn sich der Kreisel nicht dreht oder beim Stillstand oder Anlaufen desselben.

Der erfindungsgemäße Kreisel kann als Trägheitskreisel verwendet werden und weist bei einer zylindrischen Ausführungsform einen Durchmesser von 45 mm und eine Höhe von 75 mm auf.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Gasgelagerter Kreisel mit einem auf einer Welle befestigten drehbaren Lagersupport, einem von dem Gaslager gehaltenen Kreiselkörper und einem dichten Gehäuse, wobei das verdichtete Gas dem Gasraum des Lagers über einen in der Welle angeordneten axialen Kanal sowie über in dem drehbaren Support angeordnete Kanäle zuführbar ist, gekennzeichnet durch eine im Inneren des Gehäuses angeordnete, von der Welle betätigte Gasverdichtungseinrichtung, welche infolge des Auftretens von Viskosität oder innerer Reibung durch das aus dem Gasraum des Lagers kommende Gas gespeist wird und denselben mit wieder verdichtetem Gas speist.

2. Kreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtungseinrichtung mindestens eine ringförmige Platte aufweist, welche auf der Welle befestigt und in einem Ringraum angeordnet 1st, dessen Wände mit dem Gehäuse fest verbunden sind, wobei der Ringraum mit dem Gasraum des Lagers in Verbindung steht und Rillen auf den Oberflächen der Platte und/oder auf den diesen Oberflächen gegenüberliegenden Teilen dieser Wände angeordnet sind.

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3. Kreisel nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtungseinrichtung eine einzige Platte aufweist, welche mit radialen Kanälen versehen ist, die den Ringraum mit dem axialen Kanal der Welle verbinden, wobei die Platte in Richtung ihrer Dicke durchsetzende Öffnungen vorgesehen sind und die Rillen eine zentrifugale Mitnahme des an'jeder dieser Oberflächen anliegenden G-ases hervorrufen.

4. Kreisel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Yerdichtungseinrichtung eine Gruppe von zwei Platten aufweist, welche auf der Welle mittels eines fest mit ihnen verbundenen Trägers befestigt sind, wobei der Träger mit radialen Kanälen versehen ist, welche den axialen Kanal der Welle mit den Ausnehmungen der beiden Platten verbinden, und daß die Rillen eine zentripetale Mitnahme des der Oberfläche jeder Platte, die der gemeinsamen Trennwand gegenüberliegt, anliegenden G-ases sowie eine zentrifugale Mitnahme des der anderen Oberfläche jeder Platte anliegenden Gases gewährleisten.

5. Kreisel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Platte oder die Gruppe von zwei Platten

mit

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mit dem zugehörigen Träger auf der Welle mittels einer Kugelverkeilung angebracht ist, die eine geringe Verschiebung des Trägers parallel zur Achse der Welle ermöglicht.

6. Kreisel nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine eine Zentrifugalwirkung ausübende Einrichtung, welche den Kreiselkörper solange mit der Welle fest verbindet, wie diese noch nicht eine ausreichende Drehzahl erreicht, und welche den Kreiselkörper freigibt, wenn diese Drehzahl erreicht ist.

7. Kreisel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreiselkörper die Form eines Drehzylinders besitzt, dessen Achse in Ruhestellung mit derjenigen der Welle zusammenfällt, wobei jede Basisfläche dieses Zylinders mit einem magnetischen Kreisring versehen ist, und daß vier Solenoide, welche mit dem Gehäuse fest verbunden sind, gegenüber jeder der Basisflächen angeordnet sind, wobei die Verlängerungen der Achsen dieser vier Solenoide in der Ruhestellung des Kreiselkörpers die Basisfläche in den Ecken eines in den mittleren Umfang des magnetischen Kreisrings eingeschriebenen Quadrats schneiden, und daß

109832/0365 der

der Kreisel eine elektrische Meßeinrichtung für die Winkelbewegungen der Achse des Kreiselkörpers, die teilweise von den einer der Basisflächen zugeordneten vier Solenoiden gebildet wird, sowie eine Steuereinrichtung für eine Präzessionsbewegung dieser Achse aufweist, welche teilweise von den der anderen Basisfläche zugeordneten vier Solenoiden gebildet wird.

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