Antriebsvorrichtung für schnellaufende Spindeln Die vorliegende Erfindung betrifft. eine Antriebsvorrichtung .für schnellaufende Spin deln, mit einem durch ein gasförmiges Treib mittel angetriebenen Turbinenrad mit be grenzter Leerlaufdrehzahl, wobei in der Zu fuhrleitung des Treibmittels zum Turbinenrad ein Steuerorgan vorgesehen ist,
das unter dem Einfluss der mit der Drehzahl des Rades sich erändernden Pumpwirkung der Schaufel- lcanä.le die Triebmittelzufuhr bei sinkender Drehzahl vergrössert und umgekehrt, und ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Aussen seite der Kanäle ein nicht im Treibmittelweg liegender Raum im Turbinengehäuse vorge sehen ist, der mit dem Steuerorgan kommuni ziert, welches von dem in dem Raum auftre tenden Überdruck beeinflusst wird.
Es gibt Antriebsvorrichtungen, die für sehr hohe Drehzahlen, wie 40000-100000 Umdrehungen je Minute und mehr, ausgebil det sind und die u. a. für den Antrieb von Schleifscheiben benutzt werden. Bei dieser Vorrichtung wird das Arbeitsmittel dazu ge bracht, von einem am Aussenumfang des Turbi nenrades gelegenen Raum in der Richtung nach innen durch im Rad vorhandene Schau felkanäle zu strömen. Unter anderem durch Ausführen der Schaufelkanäle mit genügend grosser Erstreckung in radialer Richtung wird durch Einfluss der Fliehkraft in den Kanälen eine Pumpwirkung erzeugt, die bei der Durch gehdrehzahl ebenso gross ist wie, abgesehen vom innern Reibungswiderstand, der Turbi neneffekt.
Während das von der Turbine abgegebene Moment bei steigender Drehzahl im wesentlichen nach einer Geraden abnimmt, wächst das Pumpmoment gemäss einer Kurve zweiten Grades. Wenn sich die beiden Kurven schneiden, ist die Leerlauf- bzw. Durchgeh drehzahl erreicht. In dem Raum wird gleich zeitig ein Gegendruck erzeugt, der im gleichen Ausmass wächst, wie die Pumpwirkung zu nimmt.
Dank dieses ungleichen Verhältnisses des Pumpmoments und des Turbinenmoments zur. Drehzahl wird ein schnell wachsendes An triebsmoment des Rades bereits erzielt, wenn die Drehzahl durch Belastung der Turbine um einen mässigen Wert unter die Durchgeh drehzahl fällt. Hierbei ist von Bedeutung, dass die Turbine nach dem Aktionsprinzip arbeitet, worunter bekanntlich verstanden wird, dass die Antriebskraft im wesentlichen durch die jenige Geschwindigkeit erzeugt wird, die dem Arbeitsmittel vor seinem Eintritt in die Schaufelkanäle erteilt wird.
In diesen letzte ren tritt also, im Gegensatz zu Reaktions turbinen, ein Druckfall und eine dadurch bedingte Geschwindigkeitssteigerung über haupt nicht oder nur in begrenztem Umfang ein.
Das auf der Zeichnung dargestellte Aus führungsbeispiel der Erfindung ist eine An triebsvorrichtung, die über einen grossen Drehzahlbereich, wie zwischen 40000 und <B>100000</B> Umdrehungen je Minute, anwendbar und innerhalb dieses ganzen Bereichs ein Antriebsmoment gewünschter Grösse zu lie fern imstande ist. Diese Antriebsvorrichtung= vermag bei niedrigeren Drehzahlen ein grösse res Antriebsmoment als bei höheren Dreh. zahlen zu liefern, wie es bei Antriebsvorrich tungen für z. B. Schleifscheiben wünschens wert ist, weil eine Schleifscheibe mit grösserem Durchmesser langsamer umlaufen soll als eine Schleifscheibe mit kleinerem Durchmesser, während gleichzeitig das An triebsmoment im ersten Falle grösser sein muss als im letzteren.
In allen Bereichen wird bei einer mässigen Senkung der Drehzahl von etwa 10 /o unter die Diirchgehdrehzahl die Arbeitsdrehzahl erreicht.
Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben werden.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine An triebsvorrichtung für Schleifscheiben nach Linie<B>A -A</B> der Fig.2, die ihrerseits ein Querschnitt nach der Linie B -B der Fig.1. ist. Fig. 3 ist- ein Längsschnitt durch ein zu dieser Antriebsvorrichtung gehörendes Ventil.
In den Zeichnungen bezeichnet 10 ein ortsfestes Turbinengehäuse, in welchem. ein nach dem Aktionsprinzip arbeitendes Turbi nenrad 12 mittels einer Verschraubung 16 auf einer Welle 14 befestigt. ist. Die Welle 14 erstreckt sich durch eine zylindrische Bohrung in einem als Lagerkörper ausgebildeten Teil 18 des Gehäuses und hat in ihrem freien Ende z. B. ein Gewinde 20 zum Befestigen von Schleifscheiben, gegebenenfalls unter Ver mittlung einer Aufspannvorrichtung. In die Bohrung sind mit Gleitsitz zwei Lagerhülsen 22 und 24 eingesetzt, die an ihren voneinander abgewendeten Enden mit Laufbahnen für je eine Kugelreihe 26 bzw. 28 versehen sind. Die Welle trägt rinnenförmige Laufbahnen 30, 32 für eine der Kugelreihen.
Zwischen den Hülsen 22, 2!4 ist ein geteilter Ring 34 eingelegt, der mit Ausnehmungen für eine An zahl von auf seinem Umfang verteilten Federn 36 versehen ist. Die Federn 36 stre- ben danach, die Hülsen voneinander entfernt zu halten. Die äussere Hülse 22 ist in axialer ; Richtung durch eine Schraube 38 festgehalten. Eine Schraube 39 kann vorgesehen sein, um die innere Hülse 24 an einer axialen Bewe gung in Richtung zur äusseren Hülse 22 hin zu hindern. Die beschriebene Lagerung ; gestattet eine genaue Zentrierung der Welle und damit des Turbinenrades im Turbinen gehäuses 10.
Das Turbinenrad 12 ist vorzugsweise mit zwei Kränzen von Schaufelkanälen ausgebil-, det. Diese Kanäle können gerade verlaufen und über ihre ganze Länge oder einen we sentlichen Teil davon denselben oder wenig stens annähernd denselben Querschnitt haben. Sie sind daher zweckmässig durch Bohren hergestellt. In dem einen Kranz verlaufen die Schaufelkanäle 40 radial und rechtwinklig zur Mittelachse, während in dem andern Kranz die Schaufelkanäle 42 etwas schräg gestellt sind. -Hierdurch erreicht man, dass die Anzahl der Kanäle verdoppelt wird, obgleich ihre Mittelpunkte am Aussenumfang des Turbinenrades in derselben Ebene recht winklig zur Welle liegen.
Ein zu'm Antrieb von Schleifscheiben bestimmtes Turbinenrad hat einen Durchmesser der Grössenordnung von nur 60-100 mm. Das Turbinenrad ist. von zwei gegenüber dem Rad ortsfesten Schei ben 44 und 46 umgeben, welche mit der Form des Rades angepassten Ausnehmungen ver sehen sind. Gasförmige Arbeitsmittel von einer Druck duelle, in erster Linie Druckluft, wird der Antriebsvorrichtung vorzugsweise durch zwei einander diametral gegenüberliegende Kanäle 48 zugeführt. Die Kanäle 48 erweitern sich in der Scheibe 46 zu Expansionsdüsen 50, die der Luft die vorgesehene tangentiale Geschwindigkeit erteilen.
Aus diesen Düsen strömt die Luft hinüber in schneckenförmige Räume 52, die sich nur über einen kleineren Teil des Umfanges des Rades erstrecken.
Ein Durchlass 72 steht. durch einen ring förmigen Kanal 74 im Turbinenrad 12 mit der Innenseite der Schaufelkanäle und ausser- dem durch Bohrungen 76 im Deckel 58 mit der umgebenden freien Atmosphäre in Ver bindung.
Auf dem Umfange neben den Räumen 52 und an zwei einander diametral gegenüber liegenden Stellen sind Ausnehmungen 54 an geordnet. Die, eine dieser Ausnehmungen steht über einen Durchlass 80 mit einem Ventil in Verbindung, dessen Gehäuse mit 82 bezeichnet ist (Fig.3). In dem Ventilgehäuse ist ein Ventilkörper 84 zusätzlich angebracht, der vorzugsweise zwei Flanschen oder dgl. 86, 88 besitzt. Der Ventilkörper geht mit Spiel durch öffnungen 91, 93 in zwei Zwi- schenwänden 90, 92 des Ventilgehäuses hin durch.
Diese Zwischenwände bilden Anliege flächen für die beiden Flanschen 86 und 88. Der Ventilkörper 84 wird in seiner Lage in dem Ventilgehäuse mit Hilfe zweier elastischer bzw. biegsamer, vorzugsweise aus Metall geTer- tigter Membranen 94, 96 gehalten, welche eine Mittelkammer von je einer Seitenkammer 100 bzw. 102 im Ventilgehäuse trennen.
Das Ventil ist. in der Leitung für die Zufuhr von Druckmittel zu den Kanälen 48 angebracht. Zum Anschluss dieser Leitung an das Ventilgehäuse dienen mit Gewinde ver sehene Kanäle 104 und 106. Das Treibmittel tritt durch den Kanal 104 in eine zwischen den Wänden 90 und 92 gelegene Abteilung 98 der Mittelkammer. Nach Durchgang durch die Öffnungen 91 und 93 in den Zwischen wänden strömt das Treibmittel durch zwei äussere Abteilungen 10-5 und 107 der Mittel kammer und durch eine Bohrung 108 zum Kanal 106 und von dort zu den Kanälen 48.
Der Ventilkörper 84 steht vorzugsweise auf beiden Seiten unter der Belastung von je einer Druckfeder 110 bzw. 112. Die Span nung der ersteren Feder ist von aussen mittels einer Schraube 114 oder dgl. regelbar. Der Durchlass 80 steht durch eine Leitung, die mit dem Ventilgehäuse über eine mit Gewinde versehene Bohrung 116 verbunden ist, mit dem Seitenraum 102 in Verbindung.
Die Antriebsvorrichtung arbeitet folgen dermassen Die Bewegungsenergie des Arbeits- oder Treibmittels in den beiden Räumen 52 wird bei seiner Umlenkung in die Schaufelkanäle 40, 42 auf das Turbinenrad übertragen. Das Arbeitsmittel entweicht durch den zentralen Kanal 74, den Durchlass 7'2 und die Bohrung 76 in die freie Atmosphäre.
Gleichzeitig ent steht in sämtlichen Kanälen eine Pumpwir- kung infolge des Einflusses der Fliehkraft a a uf das in den Kanälen befindliche Arbeits- mittel. Die Pumpwirkung erzeugt einen Ge gendruck am Aussenumfang des Rades.
Dieser Gegendruck wird um so grösser, je höher die Drehzahl ist, und wächst genauer bestimmt proportional zu dem Quadrat der Drehzahl. Der Gegendruck tritt in den Räumen 52 auf, aber auch in den Ausnehmungen 54.
Gleich zeitig mit der Zufuhr von Arbeitsmittel zu den mitten vor den Räumen 52 befindlichen Schaufelkanälen zwecks Erzeugung der Um laufbewegungen des Turbinenrades dienen die mitten vor den Ausnehmungen 54 befind lichen Schaufelkanäle zur Erzeugung der Pumpwirkung und des damit zusammenhän genden Gegendruckes in den Ausnehmungen. Es lässt sich also sagen, dass das Turbinenrad 12 zugleich als ein Pumpen- oder Gebläserad ausgebildet bzw. mit einem solchen kombiniert ist. Wenn die Antriebsvorrichtung unbelastet ist, erreicht der Gegendruck seinen Höchst wert.
Der Gegendruck beeinflusst den Ventil körper 84 über die Membran 96, so dass die Flanschen<B>86"</B> 8,8 des Ventilkörpers bei steigendem Gegendruck in Richtung auf die Zwischenwände 90, 92 zugeführt werden, was bewirkt, class die Treibmittelzufuhr gedrosselt wird. Wenn die Antriebsvorrichtung in Leer lauf arbeitet und das Rad 1'2 dann also durchgeht, ist deshalb der Druck des Arbeits mittels in den Kanälen 48 für eine bestimmte Drehzahl am niedrigsten. Sobald die Antriebs vorrichtung belastet wird und die Drehzahl des Turbinenrades sinkt, verringert sich der Gegendruck in der Ausnehmung 54 und damit in der Seitenkammer 102 des Ventils.
Der Ventilkörper 84 öffnet nun, und der Turbine wird mehr Treibmittel zugeführt. Man erhält ein solches Verhältnis zwischen dem Tur bineneffekt und der Pumpwirkung im Tur binenrad 12, dass bei einer bestimmten Sen kung der Drehzahl von z. B. 10 /o das sich ergebende Antriebsmoment stankt ansteigt.
Durch Einstellen der Spannung der Feder <B>110</B> mit -Hilfe der Schraube 114 wird das Turbinenrad auf verschiedene Drehzahlen eingeregelt. Je härter die Feder 110 gespannt ist, ein desto höherer Gegendruck ist für eine bestimmte Drosselung der Treibmittelzufuhr erforderlich, und die Durchgehdrehzahl wird dementsprechend hoch. Diese Drehzahl lässt sich auf jeden gewünschten Wert zwischen z. B. 40000 und 100000 in der Minute ein stellen.
Gleichzeitig gestalten sich die Mo- menkurven derart, dass das sich ergebende An triebsmoment bei einer bestimmten Senkung der Drehzahl unter den Durchgehwert um so grösser wird, je kleiner die Geschwindigkeit ist.
Die Ausgestaltung des Ventilkörpers 84 mit zwei Flanschen 86, 88 und dementspre chenden doppelten Strömungswegen 91, 105 bzw. 93, 10,7 bringt den Vorteil mit sich, dass die Lage des Ventilkörpers im Ventilgehäuse von Schwankungen des Druckes des Treib mittels auf der einen oder andern Seite des Ventils völlig unabhängig ist.
Gegenüber einer denkbaren Ausführung, bei welcher das kombinierte Turbinen- und Gebläserad durch zwei separate Räder ersetzt ist, erbietet die dargestellte Ausführungsfoxen den Vorteil, dass die Antriebsvorrichtung geschlossener wird und folglich weniger Platz beansprucht.-