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.-
Driving device for high speed spindles The present invention relates to. a drive device for high-speed spindles, with a turbine wheel driven by a gaseous propellant at a limited idling speed, a control element being provided in the feed line for the propellant to the turbine wheel,
which, under the influence of the pumping action of the blades, which changes with the speed of the wheel, increases the propellant supply with decreasing speed and vice versa, and is characterized in that a space in the turbine housing that is not in the propellant path is provided on the outside of the channels is that communicates with the control organ, which is influenced by the overpressure occurring in the room.
There are drive devices that are designed for very high speeds, such as 40,000-100,000 revolutions per minute and more, and which u. a. can be used to drive grinding wheels. In this device, the working fluid is made to flow from a space located on the outer circumference of the turbine wheel in the inward direction through the blade channels present in the wheel. Among other things, by making the vane channels with a sufficiently large extension in the radial direction, a pumping effect is generated by the influence of the centrifugal force in the channels, which is just as great at the runaway speed as, apart from the internal frictional resistance, the turbine effect.
While the torque delivered by the turbine decreases essentially in a straight line with increasing speed, the pumping torque increases according to a curve of the second degree. When the two curves intersect, the idling or runaway speed has been reached. At the same time, a counterpressure is generated in the space, which increases to the same extent as the pumping effect increases.
Thanks to this unequal ratio of the pumping torque and the turbine torque to the. Speed, a rapidly growing drive torque of the wheel is already achieved when the speed falls by a moderate value below the runaway speed due to the load on the turbine. It is important here that the turbine works according to the principle of action, which is understood to mean that the driving force is generated essentially by the speed that is given to the working medium before it enters the blade channels.
In the latter, in contrast to reaction turbines, a pressure drop and the resulting increase in speed do not occur at all or only to a limited extent.
The exemplary embodiment of the invention shown in the drawing is a drive device that can be used over a large speed range, such as between 40,000 and 100,000 revolutions per minute, and is able to deliver a drive torque of the desired size within this entire range is. This drive device = capable of a greater drive torque at lower speeds than at higher speeds. numbers to deliver, as is the case with drives for z. B. grinding wheels is worth because a grinding wheel with a larger diameter should rotate more slowly than a grinding wheel with a smaller diameter, while at the same time the drive torque must be greater in the first case than in the latter.
In all areas, the working speed is reached with a moderate reduction in speed of about 10 / o below the direct speed.
This embodiment of the invention will be described in more detail below with reference to the drawing.
Fig. 1 is a longitudinal section through a drive device for grinding wheels along line <B> A -A </B> of FIG. 2, which in turn is a cross section along line B-B of FIG. is. Fig. 3 is a longitudinal section through a valve belonging to this drive device.
In the drawings, 10 denotes a stationary turbine housing in which. a working according to the principle of action Turbi nenrad 12 attached to a shaft 14 by means of a screw 16. is. The shaft 14 extends through a cylindrical bore in a part 18 of the housing designed as a bearing body and has in its free end z. B. a thread 20 for attaching grinding wheels, optionally with the mediation of a jig. Two bearing sleeves 22 and 24 are inserted into the bore with a sliding fit and are provided with raceways for one row of balls 26 and 28 at their ends facing away from one another. The shaft carries channel-shaped raceways 30, 32 for one of the rows of balls.
Between the sleeves 22, 2! 4, a split ring 34 is inserted, which is provided with recesses for a number of springs 36 distributed on its circumference. The springs 36 tend to keep the sleeves apart. The outer sleeve 22 is in the axial; Direction held by a screw 38. A screw 39 can be provided in order to prevent the inner sleeve 24 from moving axially in the direction of the outer sleeve 22. The storage described; permits precise centering of the shaft and thus of the turbine wheel in the turbine housing 10.
The turbine wheel 12 is preferably designed with two rings of blade channels. These channels can run straight and have the same or at least approximately the same cross-section over their entire length or a substantial part thereof. They are therefore conveniently made by drilling. In one ring, the blade channels 40 run radially and at right angles to the central axis, while in the other ring the blade channels 42 are set somewhat obliquely. This means that the number of channels is doubled, although their center points on the outer circumference of the turbine wheel are in the same plane at right angles to the shaft.
A turbine wheel intended to drive grinding wheels has a diameter of the order of magnitude of only 60-100 mm. The turbine wheel is. surrounded by two stationary discs 44 and 46 opposite the wheel, which are provided with recesses adapted to the shape of the wheel. Gaseous working medium from a pressure duelle, primarily compressed air, is preferably fed to the drive device through two channels 48 which are diametrically opposite one another. The channels 48 widen in the disk 46 to form expansion nozzles 50, which give the air the intended tangential speed.
From these nozzles the air flows over into helical spaces 52, which extend only over a smaller part of the circumference of the wheel.
A passage 72 is available. through an annular channel 74 in the turbine wheel 12 with the inside of the blade channels and also through holes 76 in the cover 58 with the surrounding free atmosphere in connection.
On the circumference next to the spaces 52 and at two diametrically opposite locations, recesses 54 are arranged. One of these recesses is connected via a passage 80 to a valve, the housing of which is denoted by 82 (FIG. 3). A valve body 84, which preferably has two flanges or the like 86, 88, is additionally mounted in the valve housing. The valve body passes through openings 91, 93 in two intermediate walls 90, 92 of the valve housing with play.
These partitions form contact surfaces for the two flanges 86 and 88. The valve body 84 is held in its position in the valve housing with the aid of two elastic or flexible membranes 94, 96, preferably made of metal, which have a central chamber each with a side chamber Separate 100 or 102 in the valve housing.
The valve is. mounted in the line for the supply of pressure medium to the channels 48. To connect this line to the valve housing, threaded channels 104 and 106 are used. The propellant passes through the channel 104 into a compartment 98 of the central chamber located between the walls 90 and 92. After passing through the openings 91 and 93 in the partition walls, the propellant flows through two outer compartments 10-5 and 107 of the central chamber and through a bore 108 to the channel 106 and from there to the channels 48.
The valve body 84 is preferably under the load of a compression spring 110 or 112 on both sides. The tension of the first spring can be regulated from the outside by means of a screw 114 or the like. The passage 80 is in communication with the side space 102 by a conduit that is connected to the valve housing via a threaded bore 116.
The drive device works as follows. The kinetic energy of the working or propellant in the two spaces 52 is transferred to the turbine wheel when it is deflected into the blade channels 40, 42. The working medium escapes through the central channel 74, the passage 7'2 and the bore 76 into the free atmosphere.
At the same time, a pumping effect arises in all channels as a result of the influence of the centrifugal force on the working medium located in the channels. The pumping action creates a counter pressure on the outer circumference of the wheel.
The higher the speed, the greater the counterpressure, and it grows more precisely in proportion to the square of the speed. The counterpressure occurs in the spaces 52, but also in the recesses 54.
Simultaneously with the supply of working fluid to the vane channels located in front of the spaces 52 in order to generate the order running movements of the turbine wheel, the middle in front of the recesses 54 are used blade channels to generate the pumping action and the associated back pressure in the recesses. It can therefore be said that the turbine wheel 12 is at the same time designed as a pump or fan wheel or is combined with one. When the drive device is unloaded, the back pressure reaches its maximum value.
The counterpressure influences the valve body 84 via the membrane 96, so that the flanges <B> 86 "</B> 8, 8 of the valve body are supplied in the direction of the partition walls 90, 92 when the counterpressure increases, which causes the propellant supply When the drive device is idling and the wheel 1'2 then runs through, the pressure of the working medium is therefore lowest for a certain speed in the channels 48. As soon as the drive device is loaded and the speed of the turbine wheel drops , the back pressure in the recess 54 and thus in the side chamber 102 of the valve is reduced.
The valve body 84 now opens and more propellant is supplied to the turbine. One obtains such a ratio between the tur bineneffekt and the pumping action in the tur binenrad 12 that at a certain Sen ken the speed of z. B. 10 / o the resulting drive torque stinks.
By adjusting the tension of the spring <B> 110 </B> with the aid of the screw 114, the turbine wheel is adjusted to different speeds. The harder the spring 110 is tensioned, the higher the counter pressure is required for a certain throttling of the propellant supply, and the runaway speed becomes correspondingly high. This speed can be set to any desired value between z. B. 40000 and 100000 a minute.
At the same time, the torque curves are designed in such a way that the lower the speed, the greater the resulting drive torque when the speed is reduced below the runaway value.
The design of the valve body 84 with two flanges 86, 88 and corresponding double flow paths 91, 105 and 93, 10.7 has the advantage that the position of the valve body in the valve housing of fluctuations in the pressure of the propellant means on one or on the other side of the valve is completely independent.
Compared to a conceivable design in which the combined turbine and fan wheel is replaced by two separate wheels, the embodiment shown has the advantage that the drive device is more closed and consequently takes up less space.