DE102004002326A1 - Rotor - Google Patents

Abstract

Der erfindungsgemäße Rotor verbindet die Vorteile eines Vollrades, welches eine nur geringe bzw. gleichmäßige Formänderung im Betrieb (Dehnungsverschiebung) im Bereich der Kreisbahnführung aufweist, mit denen eines Speichen-Felgen-Rotors, welcher aufgrund seines geringen Gewichts eine einfache Lagerung ermöglicht. Zudem eröffnet der Rotor aufgrund seiner stärker zugbelasteten als biegebelasteten Ausrichtung eine breitere Palette an Rotormaterialien. DOLLAR A Der Rotor weist dabei wenigstens ein an der Nabe angeordnetes Segment, umfassend wenigstens eine abgeschlossene Aussparung, auf. Eine vorteilhafte Ausführung sieht einen Rotor mit wenigstens drei gleichmäßig verteilt angeordneten Rotorsegmenten vor, deren Rotorsegmente jeweils zwei Aussparungen derart aufweisen, dass die sie umgebenen Materialbereiche in Form von drei nahezu parallel angeordneten Speichen vorliegen. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Rotor ist vorteilhaft zur Aufnahme von Graphitkristallen als Chopperscheibe für ein Rückstreuspektrometer geeignet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Rotor, insbesondere einen Rotor zur Aufnahme von optischern, magnetischen und/oder mechanischen Sensoren. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines solchen Rotors als Chopperrad in einem Rückstreuspektrometer.
• Stand der Technik
• Als Rotor wird allgemein ein Läufer einer elektrischen Maschine bezeichnet. Bei Kraft- und Arbeitsmaschinen wird insbesondere der mit der Welle verbundene Teil, der gegebenenfalls die für die Energieumwandlung wichtigen Bauteile trägt, verstanden. Diese Teile sind beispielsweise die Laufschaufeln bei Strömungsmaschinen oder die Wicklungen bei elektrischen Maschinen. Bei Verschluss- oder Rückstreuanordnungen werden beispielsweise Rotoren als Chopper eingesetzt, die verschiedenen Aktoren aufnehmen können. Unter Aktoren sind im Rahmen dieser Erfindung beispielsweise optische, magnetische oder mechanische Sensoren, Filter, Reflektoren oder Strömungen von moderierenden Medien zu verstehen.
• Bei einem Rückstreuspektrometer bewirkt die prinzipielle gute Energieauflösung nachteilig einen Mangel an Neutronenintensität. Um die Intensität zu erhöhen, kann der Neutronenstrahl an sich sehr schnell bewegenden Kristallen reflektiert werden. Bei genügend hohen Geschwindigkeiten der Kristalle, beispielsweise 300 m/s, tritt dann die Phasenraumtransformation ein, bei der zu langsame Neutronen beschleunigt und zu schnelle Neutronen abgebremst werden. Auf diese Weise kann die Neutronenintensität nennenswert gesteigert werden.
• Bei dem Rückstreuspektrometer (RSSM) für den FRM-II in München wird beispielsweise ein Rotor als PST-Chopper eingesetzt, bei welchem es sich um eine massive kreisförmige Chopperscheibe handelt. Die äußere Umlaufkante ist in sechs gleichgroße Bereiche unterteilt. Jeder zweite Bereich ist mit Kristallen bestückt (siehe 1). Die die Kristalle aufweisenden Bereiche (Kristallaufnahmen) der Chopperscheibe zeigen dabei einen größeren Radius, als die Bereiche ohne Kristalle. Die Bereiche ohne Kristalle übernehmen bei dieser Chopperscheibe somit die Funktion der Fenster zum Passieren der Neutronenstrahlen.
• Bei den üblichen Rückstreuspektrometern ergibt sich aus der mittleren Neutronenenergie und der vorgegebenen Geometrie der Anordnung ein maximaler Durchmesser für eine Chopperscheibe von ca. 130 cm. Für eine Geschwindigkeit der Kristalle von ca. 300 m/s muss das Chopperrad mit einer Drehzahl von ca. 4800 U/min rotieren.
• Aufgrund der hohen Fliehkraft resultierenden sehr hohe Spannungen und entsprechende Materialbelastungen. Die Konstruktion eines dafür geeigneten Rotors (Choppers) werden sehr aufwändig, da dieser eine entsprechend hohe mechanische Belastbarkeit sowie eine geringe und vor allem gleichförmige Verformung am Umfang bei möglichst geringem Eigengewicht aufweisen sollte.
• Alternativ zu einem massiven Vollscheibe ist auch ein Speichenrad (Felgen-Speichen-Rotor) als Chopper denkbar. Vorteilhaft weist ein Speichenrad gegenüber einer Vollscheibe ein deutlich geringeres Gewicht auf. Die Speichen nehmen vorteilhaft die Radialspannung auf, während die Felge die Umfangspannung aufzunehmen vermag. Nachteilig hat sich jedoch herausgestellt, dass die unvermeidbaren maximale Biegespannungen nur geringfügig unterhalb der Dauerfestigkeit des eingesetzten Werkstoffs liegen.
• Mit Hilfe von auf Kreisbahnen geführten Aktoren und/oder sonstigen passiven Elementen können neben Neutronen auch stoffliche Partikel, wie beispielsweise Sand, Pulver oder Gase, gelenkt und beeinflusst werden.
• Die Anforderungen, die innerhalb der Rückstreuspektrometer an ein Chopperrad gestellt werden, lassen sich auch allgemein auf Rotoren übertragen, die für hohe Umdrehungszahlen ausgelegt sind.
• Aufgabe und Lösung
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen leichten Rotor insbesondere zur Aufnahme von Aktoren zu schaffen, der auch bei hohen Drehzahlen eine nur geringe und vor allem eine möglichst gleichmäßige Verformung der Kreisbahnführung aufweist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, einen solchen Rotor zu schaffen, der als Chopperscheibe in einem Rückstreuspektrometer eingesetzt werden kann und die korrekte Funktion der auf dem Rotor angebrachten Aktoren, insbesondere der Graphitkristalle ermöglicht.
• Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch einen Rotor mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch sowie durch die Verwendung eines Rotors gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungen des Rotors und der Verwendung des Rotors insbesondere als Chopperscheibe finden sich in den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.
• Gegenstand der Erfindung
• Der erfindungsgemäße Rotor ist für den schnelllaufenden Einsatz im Vakuum oder verdünnten Gasen konzipiert worden.
• Die spezielle Geometrie des Rotors bewirkt vorteilhaft eine deutliche Spannungsreduktion und in der Regel eine gleichmäßigere Verformung in den Bereichen Umfangs des Rotors im Vergleich zu herkömmlichen Rotoren.
• Einerseits führt die Segmentierung des Rotors und die Aussparungen innerhalb der Rotorsegmente zu einer gewünschten Gewichtsreduktion, andererseits wird durch die spezielle Anordnung und Ausgestaltung der Aussparungen eine Optimierung der Verformung im Einsatz möglich. Insbesondere wird diese Wirkung bei hoher Fliehkraftentwicklung bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten im Grenzbereich des Materials erzielt.
• Der erfindungsgemäße Rotor hat insbesondere die Funktion Aktoren aufzunehmen und in einer Kreisbahn zu führen, die im folgenden Wirkkreis genannt wird. Beispielsweise wird der Rotor als Chopperrad in einem Rückstreuspektrometer eingesetzt. Bei einer Kreisbahnführung mit großem Wirkradius können sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten auftreten, die regelmäßig zu durch Fliehkraft verursachte hohe Spannungen führen.
• Der erfindungsgemäße Rotor umfasst wenigstens ein an der Nabe angeordnetes Rotorsegment. Als Rotorsegment im Rahmen dieser Erfindung wird ein Teil einer Vollscheibe verstanden, der von der Verbindung mit der Nabe bis zum Wirkkreis reicht, aber keine durchgängige Felge aufweist. Bei einem Rotor mit mehren Segmenten sind diese durch nach außen offene Aussparungen getrennt. Die Segmente sind untereinander im Bereich der Nabe verbunden.
• Das Rotorsegment selbst weist wenigstens eine abgeschlossenen Aussparung auf, die derart angeordnet sind, dass das die Aussparung umgebene Material in Form von Speichen vorliegt.
• Unter Speichen werden üblicherweise stabförmige Radteile verstanden, die eine Nabe und eine Felge verbinden. Im Rahmen dieser Erfindung soll der Begriff Speiche jedoch nicht nur auf radial stabförmige Ausführungen beschränkt sein. Unter Speichen im Sinne dieser Erfindung sind allgemein materialdurchgängige Bereiche von der Narbe bis zur äußeren Umfangsbegrenzung (Wirkkreis) des Rotorsegmentes zu verstehen. Die Geometrie der Aussparung basiert auf einem Kreis und weist eine stetig verlaufende Umfangslinie auf. Die Typische Geometrien der Aussparungen sind insbesondere Ovale oder Ellipsen. Die großen und glatten Verrundungsradien der Aussparungen minimieren die Randspannungen und gleichen sie an die Spannungen in den Speichen an.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Rotors weist innerhalb eines Rotorsegments zwei geschlossene Aussparungen auf. Das Rotorsegment zeigt dann insbesondere eine III-förmige Struktur. Unter geschlossenen Aussparungen im Sinne dieser Erfindung sind ausdrücklich keine Bohrungen mit umfasst, die lediglich einer Gewichtsreduktion des Rotors dienen. Im Unterschied zu einem Speichen-Felgen-Rotor weist der erfindungsgemäße Rotor mit einem oder mehreren Rotorsegmenten keine durchgehende Felge auf.
• Beim Betrieb eines Rotors mit nur einem Rotorsegment muss mit einem Gegengewicht entsprechend ausgewuchtet werden. Vorteilhafter ist daher eine Anordnung eines Rotors mit wenigstens zwei, drei oder mehr Rotorsegmenten, die regelmäßig oder auch unregelmäßig um die Nabe verteilt sein können.
• Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist ein Rotor, bei dem die Rotorsegmente gleich verteilt um die Nabe angeordnet sind. Wichtig ist in jedem Fall, dass bei der Anordnung regelmäßig keine Unwucht auftritt. Die einzelnen Rotorsegmente können dabei sowohl verschiedene als auch identische Formen aufweisen. Insbesondere hat sich eine jeweils spiegelsymmetrische Form für die einzelnen Rotorsegmente als vorteilhaft herausgestellt.
• Eine besondere Ausführungsform sieht einen Rotor mit Rotorsegmenten mit einer spiegelbildlichen III-förmigen Struktur. vor. Die drei Speichen eines III-Rotorsegments sind dabei weitgehend parallel angeordnet. Diese Ausgestaltung bewirkt vorteilhaft, dass vorwiegend Zug- und nur reduziert Biegespannungen auftreten, wobei die letztgenannten besonders kritisch sind.
• Als Materialien für den Rotor können neben Metallen und seinen Legierungen auch Keramiken, Glas oder andere heute übliche Werkstoffe, wie beispielsweise Faserverbunde eingesetzt werden. Dies ist insbesondere deshalb möglich, weil die bei hohen Drehzahlen auch auftretenden Biegespannungen bei dem erfindungsgemäßen Rotor deutlich geringer ausfallen, als bei vergleichbaren Rotoren, die aus der Literatur bekannt sind.
• Basierend auf dem Modell einer Scheibe gleicher Spannung kann der erfindungsgemäße Rotor ein vorteilhaftes Dickenprofil aufweisen, welches in Abhängigkeit von der gewählten Geometrie nochmals zu einer weiteren Reduktion der Spannungen und somit zu einer gleichmäßigeren Verformung während des Einsatzes des Rotors führt. Beispielsweise kann der Rotor ein sich radial verjüngendes Profil aufweisen. Vorteilhaft werden zusätzlich die Aussparungs- und Segmentränder in der Dicke weiter spannungsoptimiert, um sich dem Ideal einer Scheibe gleicher Spannung anzunähern.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen, segmentierten Rotors sind im folgenden noch einmal zusammengefasst.
• • Im Verhältnis zu einem vergleichbar großen Rotor in Form einer Vollscheibe ist er deutlich leichter; dadurch ergibt sich auch ein geringerer Lagerungsaufwand.
• • Er weist bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten eine gleichmäßigere Verformung im Bereich der Kreisbahnführung im Verhältnis zu einem Felgen-Speichen-Rotor auf.
• • Es werden größere Verrundungsradien möglich, die regelmäßig Spannungsspitzen verringen.
• • Die Biegespannungen in Teilbögen der Felge, wie sie üblicherweise bei einem Speichen-Felgen-Rotor auftreten, fallen beim segmentierten Rotor weg.
• • Die Biegespannungen in den Speichen eines Speichen-Felgen-Rotors werden durch Neuanordnung in dem segmentierten Rotor deutlich reduziert; damit entsteht eine betont zugbelastete Form, die vorteilhaft auch andere Rotormaterialien wie Keramik oder Glas ermöglichen.
• Mit diesem erfindungsgemäßen Rotor werden folgende Verbesserungen insbesondere im Grenzbereich der Materialbelastbarkeit gegenüber dem Stand der Technik erzielt:
• • bei gleichen Randbedingungen sind höhere Drehzahlen möglich,
• • bei gleichen Randbedingungen wird der Sicherheitsfaktor gegenüber Versagen deutlich erhöht,
• • die 1. Eigenfrequenz steigt, wodurch allgemein die Lagerbelastungen besser kontrollierbar sind insbesondere Magnetlager besser steuerbar sind.
• Damit ist es nunmehr möglich, Rotoren für hochtourig Einsätze zu schaffen, die einen deutlich höheren Sicherheitsfaktor aufweisen, als bislang möglich war, und/oder die deutlich höhere Drehzahlen erreichen könne, ohne dass die Sicherheit gegen Versagen herabgesetzt wird. Damit wird möglicherweise auch der Einsatz von Materialien möglich, die bislang aus Sicherheitsgründen nicht ohne weiteres in Frage kamen.
• Eine besonders vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Rotors ist der Einsatz in einem Rückstreuspektrometer. Hier werden Chopperscheiben mit einem Durchmesser bis zu 1,5 m benötigt, die je nach Radius Drehzahlen von mehr als 4000 pro Minute, insbesondere von mehr als mehr 5000 pro Minute aushalten müssen, um beispielsweise eine erforderliche Umfangsgeschwindigkeit von mehr als 300 m/s zu erreichen.
• Es sind für die Zukunft aber auch schon Scheibendurchmesser bis zu 4 m und Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 600 m/s angedacht.
• Spezieller Beschreibungsteil
• Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels sowie von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es zeigen die
• 1: Chopperanordnung des Rückstreuspektrometers (RSSM) für den FRM-II Reaktor in München
• 2: Darstellung bekannter Rotoren, insbesondere
  a) Rotor als Vollscheine,
  b) Rotor als Felgen-Speichenrad,
  c) Segmentierter Rotor ohne Felge.
• 3: Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rotors mit
  a) einem symmetrischen Rotorsegment,
  b) zwei gleichförmig um eine Nabe angeordneten symmetrischen Rotorsegmenten,
  c) drei gleichförmig um eine Nabe angeordneten symmetrischen Rotorsegmenten.
• Für die Figuren gilt die nachfolgende Legende:

1

Nabe

2

fiktiver Kreisumfang (Wirkkreis)

3

Vollscheibe

4

Felge

5

Speichen

6

abgeschlossene Aussparungen

7

Rotorsegment

8

nach außen hin offene Aussparungen

• In der 1 ist die Chopperanordnung des Rückstreuspektrometers (RSSM) für den FRM-II Reaktor in München dargestellt. Deutlich zu erkennen ist die Choppervollscheibe. An deren äußerem Rand sind segmentweise die Graphitkristalle mit einer entsprechenden Abschirmung angeordnet.
• Die 2 zeigt schematisch Rotoren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. In 2a) ist ein Rotor aus Vollmaterial als eine Vollscheibe 3 dargestellt. Der Rotor ist üblicherweise an einer Nabe 1 angeordnet. In 2b) ist ein typisches Felgen-Speichenrad mit einer durchgehenden Felge 4 dargestellt, welches ebenfalls ein Rotor ist. Anstelle des Vollmaterials sind eine Vielzahl von einzelnen geschlossenen Aussparungen 6 vorgesehen, die radialsymmetrisch angeordnet sind. Zwischen den Aussparungen sind jeweils die Speichen angeordnet. Die in 2c) gezeigte Ausführungsform kann ebenfalls als ein Rotor angesehen werden. Dieser Rotor zeigt keine geschlossene Felge. Nach außen offenen Aussparungen 8 trennen das Rotormaterial in einzelne Segmente 7, die in diesem Fall jedoch noch durch eine massive Scheibe mit dem Radius r zusammengehalten werden.
• In 3 sind demgegenüber verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Die dargestellten Rotorsegmente 7 sind jeweils aus Vollmaterial und weisen jeweils wenigstens zwei Aussparungen 6 auf. Die Aussparungen 6 sind derart angeordnet, dass das verbleibende Material des Rotorsegments 7 die Struktur von drei Speichen 5 aufweist. Unter Speichen sind die materialdurchgängigen Bereiche von der Nabe 1 bis zum äußeren Rand des Rotorsegments (Wirkkreises) 2 zu verstehen. Die in den 3a) bis 3c) gezeigten Rotorsegmente 7 weisen jeweils eine Spiegelsymmetrie auf, wobei die Spiegelachse stets durch die Nabe verläuft.
• 3a zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors mit nur einem Rotorsegment. Der Rotor weist zum Ausgleich des Gewichtes des einen Rotorsegments in diesem Fall ein Gegengewicht auf der anderen Seite der Nabe auf.
• In 3b ist ein Rotor mit zwei Rotorsegmenten dargestellt. Dies können, müssen aber nicht symmetrisch um die Nabe angeordnet sein. In dem in 3b9 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Rotorsegmente gleichmäßig, das heisst um 180° versetzt um die Nabe angeordnet. Da es sich im identische Rotorsegmente handelt, ist kein Ausgleichsgewicht erforderlich.
• Gleiches gilt für den Rotor in der 3c). Die drei identischen Rotorsegmente sind jeweils um 120° versetzt um die Nabe angeordnet.

Claims (15)

1. Rotor für den schnellaufenden Einsatz geeignet, gekennzeichnet durch wenigstens ein an der Nabe (1) angeordnetes Rotorsegment (7), welches wenigstens eine abgeschlossene Aussparung (6) zur Verringerung der bei einem Einsatz des Rotors auftretenden Spannungen aufweist.
2. Rotor nach Anspruch 1, bei dem das Segment wenigstens zwei abgeschlossene Aussparungen derart aufweist, dass das die Aussparungen umgebende Material in Form von drei Speichen (5) vorliegt.
3. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die abgeschlossene Aussparung eine stetige Umfangslinie aufweist.
4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Rotorsegment (7) eine Spiegelsymmetrie aufweisen, deren Spiegelachse durch die Nabe (1) verläuft.
5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Speichen (5) eines Rotorsegmentes (7) weitgehend parallel angeordnet sind.
6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Rotorsegment (7) jeweils an seinem äußeren Ende kreissegmentförmig ausgebildet ist.
7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit wenigstens drei Rotorsegmenten (7).
8. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Rotorsegmente (7) gleichmäßig verteilt um die Nabe (1) angeordnet sind.
9. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Rotorsegmente (7) jeweils identisch sind.
10. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Rotorsegmente (7) mit einem spannungsoptimierten radialen Dickenprofil ausgebildet sind.
11. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Wirkradius von mehr als 500 mm, insbesondere von mehr als 1000 mm.
12. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit Rotorsegmenten (7) umfassend Metall, Keramik, Glas oder Verbundmaterialien.
13. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der für Umfangsgeschwindigkeiten von mehr als 300 m/s, insbesondere für mehr als 400 m/s geeignet ist.
14. Verwendung eines Rotors nach einem der Ansprüche 1 bis 13, zur Aufnahme von wenigstens einem Aktor.
15. Verwendung nach Anspruch 14 als Chopperscheibe zur Aufnahme wenigstens eines Graphitkristalls für ein Rückstreuspektrometer.