PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4409690B4 31.05.2007
Titel Kugelstrahlturbine
Anmelder Rutten, Léon, Blégny, BE
Erfinder Rutten, Léon, Blégny, BE
Vertreter COHAUSZ & FLORACK, 40211 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 22.03.1994
DE-Aktenzeichen 4409690
Offenlegungstag 29.09.1994
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse B24C 5/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelstrahlturbine zum Schleudern von Strahlmitteln mit hoher Geschwindigkeit, wobei diese Turbine eine Anzahl von Schaufeln umfasst, die in Rotation um eine Achse angetrieben werden und von denen eine Aufnahmefläche sich zwischen einem ersten an die Achse angrenzenden Ende zur initialen Aufnahme des zu schleudernden Strahlmittels und einem zweiten von der Achse entfernten Ende zum Ausstoßen des Strahlmittels erstreckt, wobei jede Aufnahmefläche zwischen ihrem besagten ersten und zweiten Ende ein konkaves Profil mit einer kreisförmigen Kurve aufweist Kugelstrahlturbinen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreiben beispielsweise die Dokumente US 3 034 264, US 3 977 128, 4 377 924 und 4 020 596 Maschinen zum Kugelstrahlen, welche eine Kugelstrahlturbine umfassen, sowie ihre Anwendungsbereiche. Diese Dokumente wurden in die vorliegende Spezifikation als Referenz zur Beschreibung von Maschinen mit Kugelstrahlturbinen sowie von Anwendungsmöglichkeiten von Kugelstrahlturbinen aufgenommen.

Bei den derzeit existierenden Zentrifugal-Schleuderturbinen besteht der Hauptvorteil der die Kügelchen mittels Zentrifugalkraft schleudernden Kugelstrahlturbinen in dem geringen Energieverbrauch im Vergleich zum entlasteten Druckluftsystem mit Einblasen des Strahlmittels, gleiche Schleuderleistung selbstverständlich vorausgesetzt.

Eine druckluftentlastete Blasdüse mit 10 mm Durchmesser erfordert einem Kompressor von 60 PS, während eine Spritzturbine die gleiche Arbeit mit lediglich 4 PS auf einer Spindel installiert erledigt.

Turbinen mit geraden Radschaufeln nehmen das Strahlmittel auf, das mit einem ziemlich heftigen Stoss aus dem Verteiler austritt, wobei sogar der Stahlsand beschädigt werden kann, der sich bei grossen Härtegraden als sehr empfindlich erweist.

Aus der DE 12 59 21 B ist ferner eine Wurfschaufel an einem Schleuderrad zum Putzen von Werkstücken bekannt, bei der durch Bündelung des Schleuderstrahls der Verschleiß der Schaufel gesenkt wird. Aus der GB 743 381 ist es auch bekannt, den Verschleiß an rotierenden Schaufelrädern zu senken, indem die Befestigungsmittel so angeordnet werden, dass sie nicht den Abrasionspartikeln ausgesetzt sind. Die US 716 268 offenbart Möglichkeiten, auf einfache und billige Weise Steine oder Geröll auf eine ausreichende Distanz und Höhe zu befördern, wobei die Vorrichtung zwei durch Schaufeln verbundene Scheiben aufweist und wobei die Schaufeln zwei Krümmungen zeigen, die entlang der Längsachse der Schaufeln gegensinnig gerichtet sind. Gemäß der US 22 05 414 wird auf die Verwendung eines Schaufelrades verzichtet und es werden statt dessen propellerartige Rotoren mit Schaufeln bereitgestellt, auf denen die Bewegung der aufgenommenen Partikel verzögert wird, indem die Schaufeloberfläche eine gewisse Neigung aufweist. Ähnliche Vorrichtungen sind schließlich auch aus der PL 141 554 und der DE 39 35 801 A1 bekannt.

Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kugelstrahlturbine zum Hochleistungsschleudern zu schaffen, welche geeignet ist, die Metallteilchen so auf die abzubeizenden oder aufzurauenden Flächen zu schleudern, dass diese nicht beschädigt werden.

Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Tangente des Profils in der Nähe des ersten Endes mit der Tangente am Ende zu einem um die Achse rotierenden Zylinder, dessen Radius dem Abstand zwischen dem ersten Ende der betrachteten Aufnahmefläche und der besagten Achse entspricht, einen Winkel &agr; kleiner als 45° bildet, während die Tangente des Profils in der Nähe des zweiten Endes einen Winkel &ggr; kleiner als 60° bildet, in Bezug auf eine Radiale zwischen der besagten Achse und dem zweiten Ende.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kugelstrahlturbine sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kugelstrahlturbine, deren Schaufeln oder Radschaufeln ein bestimmtes Profil besitzen, das den Kügelchen die grösstmögliche Geschwindigkeit verleiht und dabei einen deutlich geringeren Durchmesser und eine deutlich geringere Drehgeschwindigkeit beibehält als bei geraden Schaufeln. Die Innovation dieser Schaufel oder Radschaufel bezieht sich auf zwei Bereiche:

  • 1. den Bereich der initialen Aufnahme der Kügelchen.
  • 2. den Bereich der resultierenden Schleudergeschwindigkeit.

Die Kugelstrahlturbine zum Schleudern von Strahlmitteln mit hoher Geschwindigkeit umfasst eine Reihe von Schaufeln oder Radschaufeln, welche in Rotation um eine Achse angetrieben werden und von denen eine Aufnahmefläche sich zwischen einem ersten die besagte Achse angrenzenden Ende zur initialen Aufnahme des zu schleudernden Strahlmittels und einem zweiten von der besagten Achse entfernten Ende zum Ausstossen des Strahlmittels erstreckt, und sich die besagten ersten Enden von der besagten Achse in einem Abstand befinden, der kleiner ist als derjenige, welcher das zweite Ende von der Achse trennt, jede Aufnahmefläche weist zwischen ihrem besagten ersten und zweiten Ende ein konkaves Profil mit kreisförmiger Kurve auf, wobei die Tangente des besagten Profils in der Nähe des ersten Endes einen Winkel alpha kleiner als 90 DEG mit der Tangente in der Nähe des besagten ersten Endes zu einem um die Achse rotierenden Zylinder bildet, dessen Radius dem Abstand zwischen dem ersten Ende der betrachteten Aufnahmefläche und der besagten Achse entspricht, während die Tangente des besagten Profils in der Nähe des zweiten Endes einen Winkel gamma kleiner als 60 DEG bildet in Bezug auf eine Radiale zwischen der besagten Achse und dem besagten zweiten Ende.

Weitere Besonderheiten und Einzelheiten der Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, in welcher auf die als Anhang beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.

In diesen lediglich als Beispiel angeführten Zeichnungen:

stellt die 1 eine schematische Ansicht im Teilquerschnitt einer Turbine mit sonst üblichen geraden Radschaufeln dar, die eine Aufnahme mit Ausgangsstoss durchführt;

zeigt die 2 ein Profil einer aktiven Fläche der Schaufel einer Turbine gemäss der Erfindung, wobei die besagte Fläche konkav ist, und zwar mit korrekter Aufnahme;

stellt die 3 eine schematische Ansicht in grösserem Massstab der aktiven Fläche auf der Stufe der initialen Aufnahme dar;

stellt die 4 einen Querschnitt eines Profils einer anderen Ausführungsart der Schaufel einer Turbine gemäss der Erfindung mit grosser Auswurfgeschwindigkeit dar;

stellen die 5 und 6 jeweils eine Frontansicht einer Turbine gemäss der Erfindung mit vier Radschaufeln und im Querschnitt entlang der Linien VI-VI der 5 dar, wobei die Radschaufeln auf den Mitnehmerflansch aufgesetzt sind;

stellen die 7 und 8 jeweils eine Frontansicht und eine Rückansicht einer Ausführungsvariante einer Radschaufel gemäss der Erfindung dar, wobei die Radschaufeln abnehmbar sind und zwischen zwei Flanschen gehalten werden, von denen einer der Mitnehmerflansch ist und

stellen die 9 und 11 jeweils eine Querschnitt-Teilansicht einer Turbine, einen Querschnitt entlang der Linien X-X der 9 und eine perspektivische Teilansicht dar.

Bei empfindlichen Strahlmitteln, welche beim Kugelstrahlen von schwierigen Oberflächen, wie beispielsweise Walzzylindern, zum Einsatz kommen, muss die Aufnahme des Strahlmittels so behutsam wie möglich erfolgen, und zwar ohne Stoss, um es zu schützen und sein Zerbrechen zu vermeiden.

Wie aus 1 ersichtlich, neigen die derzeit gebräuchlichen geraden oder gar konvexen Schaufeln 100 dazu, das Strahlmittel bei der Aufnahme zu beschädigen. Die konkaven Oberflächen 22 der Schaufel 1 jedoch, wie in der Skizze von 2 übernommen, mindern stark den Stosseffekt und vermeiden so die Beschädigung des Strahlmittels bei seiner Aufnahme.

Wie aus 1 ersichtlich, werden die Schaufeln 100 in Rotation (Geschwindigkeit w) angetrieben und zwar dergestalt, dass das aus dem Verteiler austretende Strahlmittel 101 nach und nach durch die Wirkung der Zentrifugalkraft in die Nähe der freien Kante 102 einer Schaufel 100 gebracht wird, wo das Strahlmittel die Turbine mit einer Geschwindigkeit VR verlässt, die aus der Tangentialgeschwindigkeit Vt und der Radialgeschwindigkeit Vr resultiert.

Beim Austritt aus dem Verteiler besitzt das Strahlmittel eine geringe Geschwindigkeit, deren Richtung durch den Vektor B in 2 angezeigt wird. Der senkrecht zum Radius r befindliche Vektor A zeigt die Geschwindigkeit des materiellen Punktes des Radschaufelfusses an.

3 zeigt in Vergrösserung die Geschwindigkeitsvektoren A und B am Radius r1.

Eine behutsame Aufnahme des Strahlmittels ist bei kleinen Turbinen unerlässlich, da diese sich sehr schnell drehen müssen, um eine ausreichend hohe resultierende Geschwindigkeit zu erreichen.

Im Gegensatz zum bereits Vorhandenen geht es hier nicht darum, eine initiale Ausstossfläche parallel zum Geschwindigkeitsvektor B des Strahlmittels beim Austritt aus dem Verteiler zu schaffen, sondern vielmehr eine Aufnahmefläche, welche sich der dem Geschwindigkeitsvektor entgegengesetzten Richtung bei dieser Stufe des Durchmessers möglichst stark annähert.

Manche Konstrukteure haben die Angriffskante der Radschaufel tangierend an den Vektor B angesetzt, was im Hinblick auf eine korrekte Aufnahme des Strahlmittels ein grundlegender Irrtum ist. Man erhält so das gestrichelt dargestellte Profil 1000 (2 und 3), bei welchem die initiale Aufnahme des Strahlmittels sehr schlecht ist. Dieses Profil reduziert die Aufnahme stark, was eine Verringerung der bei dieser Turbine zulässigen Schleuderleistung mit sich bringt. In der Tat wird bei diesem Profil ein Teil des Strahlmittels in die Mitte zurückgeschleudert und somit seine Aufnahme verhindert.

Es ist daher erforderlich, dass die Tangente der Fläche der initialen Aufnahmekante sich im Winkel der Richtung des Vektors B möglichst stark annähert, welcher den Geschwindigkeitsvektor des Strahlmittels beim Austritt aus dem Verteiler darstellt.

Es ist selbstverständlich nicht möglich, die Angriffskante der Radschaufel in der Verlängerung des Vektors B (bzw. A) zu plazieren, da die Angriffskante eine Stärke aufweist, welche die Übereinstimmung dieser Richtungen verhindert. So gesehen ist es vorteilhaft, wenn sich die Angriffskante, unter Berücksichtigung der Stärke, dieser Richtung möglichst stark annähert.

Wie aus 2 ersichtlich, ist die Turbine gemäss der Erfindung in einem Gehäuse 20 untergebracht, welches das Ausstossen des Strahlmittels durch das Rohr 200 ermöglicht. Diese Turbine umfasst eine Anzahl von in Rotation (Pfeil w) um eine Achse 21 angetriebenen Schaufeln 11 (von denen zwei abgebildet sind). Die Schaufeln weisen eine Aufnahmefläche 22 zur Aufnahme des zu schleudernden Strahlmittels 101 auf, und zwar erstreckt sich die Fläche 22 zwischen einem Ende der an die Achse 21 angrenzenden Kante 23 (Kante 23 bzw. Ende für die initiale Aufnahme des zu schleudernden Strahlmittels) und einem von der besagten Achse 21 entfernten Rand bzw. einer Kante 24 (Kante zum Ausstossen des Strahlmittels). Die Kante 23 befindet sich in einem Abstand r1 von der Achse 21, wobei der Abstand r1 kleiner ist als der Abstand r2, welcher die Kante 24 von der Achse 21 trennt.

Die Aufnahmefläche weist zwischen ihren Kanten 23, 24 ein konkaves kreisförmiges Profil auf (Radius R).

Die Tangente t23 bildet einen Winkel alpha mit der Tangente t eines um die Achse 21 rotierenden Zylinders mit einem Radius r1, Tangente t an der Kante 23. Dieser Winkel Q ist vorzugsweise kleiner als 45 DEG, wodurch eine hervorragende Aufnahme (behutsame Aufnahme) gewährleistet wird. Die Aufnahme ist um so besser, je mehr sich der Winkel alpha dem Grad 0 (beispielsweise kleiner als 15 DEG) nähert.

Die Tangente t24 des besagten Profils in der Nähe der Kante 24 bildet einen Winkel gamma in Bezug auf eine Radiale T zwischen der Achse 21 und der besagten Kante 24. Dieser Winkel liegt zwischen 0 und 60 DEG.

Das Profil der Schaufel oder Radschaufel ist gemäss der Erfindung so konzipiert, dass das Strahlmittel mit einer möglichst hohen resultierenden Geschwindigkeit ausgestossen wird und zwar bei einer bestimmten, vorzugsweise möglichst niedrigen Drehgeschwindigkeit.

Mit anderen Worten, damit eine maximale resultierende Geschwindigkeit Vr (4) bei einer definierten Tangential- Geschwindigkeit Vt erreicht wird (also w definiert, da Vt = w.r2, mit w in rad/sec), liegt der Winkel gamma (Winkel gamma, den die Ausstosskante 24 in Bezug auf eine Radiale T bildet, die durch den Scheitelpunkt dieser Kante geht) zwischen 0 DEG und 60 DEG, je nach Art des verwendeten Strahlmittels.

Der Winkel gamma ist definiert durch die zu erreichende Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Radschaufeln 1 (N Umdrehungen/Minute), jedoch auch in Abhängigkeit des zulässigen Verschleissgrades der Radschaufeln. Es versteht sich von selbst, dass grosse Winkel gamma einen viel zu hohen Verschleiss hervorrufen und den Einsatz von Radschaufeln mit sehr grosser Härte erfordern.

Die relative Geschwindigkeit Vr in Kombination mit der Geschwindigkeit Vt ergibt die resultierende Geschwindigkeit VR. Bei zunehmendem Winkel gamma vermindert sich die relative Geschwindigkeit Vr, das Zusammenwirken der beiden Geschwindigkeiten kann jedoch eine höhere resultierende Geschwindigkeit VR ergeben, bei gleicher Drehgeschwindigkeit (N Umdrehungen/Minute). Je nach Art des geschleuderten Strahlmittels variiert dieser optimale Winkel zwischen 0 DEG und 60 DEG. Unterhalb oder oberhalb dieses Wertes ergibt das Zusammenwirken der beiden Geschwindigkeiten Vt und Vr eine geringere resultierende Geschwindigkeit bei gleicher Drehgeschwindigkeit N.

Das Profil dieser Radschaufel weist eine kreisförmige Kurve auf, deren Radius in Abhängigkeit der Dimensionen r1 und r2 der Turbine gewählt wird, um den gewünschten Winkel gamma zu erzielen. Ein kreisförmiges Profil zu wählen, das auf eine besseres Verhältnis Vr/N abzielt, ist für Spezialanwendungen mit Kugelstrahlen unerlässlich. Tatsächlich ist der Gewinn an Geschwindigkeit VR bei gegebener Drehgeschwindigkeit gross. In der Tat benötigt man bei herkömmlichen Turbinen sehr hohe Geschwindigkeiten (+ 20%), um das gleiche Ergebnis zu erzielen.

Darüber hinaus neigt man beim Kugelstrahlen von Walzzylindern dazu, die Härte der Walzenballen zu erhöhen, um dem Verschleiss besser entgegenzuwirken. Folglich wird das Kugelstrahlen der Walzen immer schwieriger, wenn nicht unmöglich.

Es ist anzumerken, dass die Lösung der höheren Drehzahl zum Erreichen einer höheren Geschwindigkeit das Risiko der Beschädigung der Kügelchen gleich zu Beginn bei der initialen Aufnahme mit sich bringt. Ausserdem hat die Erhöhung der Geschwindigkeit eine Verstärkung der Unwuchtkräfte proportional zum Quadrat der Drehgeschwindigkeit zur Folge.

Die Erfindung ermöglicht also die Behebung dieser Nachteile, da sie grosse Geschwindigkeiten VR bei geringeren Drehgeschwindigkeiten zulässt.

Die Konzeption der Turbine gemäss der Erfindung hat die Konstruktion von kleinformatigen Kugelstrahlmaschinen ermöglicht, die manuell zu bedienen sind. Die Leistung dieser Art von Turbine ermöglicht also die Konstruktion von Kugelstrahlmaschinen mit tragbarer Turbine, aber auch von Kugelstrahlturbinen, die sehr hohe Schleudergeschwindigkeiten erfordern, wie beispielsweise bei Kugelstrahlanlagen für Walzzylinder. Diese Turbinen können ebenfalls beim Belastungskugelstrahlen oder "shot peeving" eingesetzt werden, wo oft hohe Schleudergeschwindigkeiten benötigt werden.

Die 5 und 6 zeigen eine Ausführungsart dieser Turbine mit vier Radschaufeln 1 unter Beachtung der empfohlenen Leistungsanforderungen, wobei ein Strahlmittel winkelförmiger Art gewählt wurde.

Die Radschaufeln 1 dieser Ausführung sind ein kompletter Bestandteil des Mitnehmerflansches (5, 6). Dieser Flansch 3 besitzt Öffnungen zur Aufnahme von Schrauben 25 zu seiner Befestigung auf einer Getriebewelle 26.

Eine andere Ausführung der Radschaufel 1 gemäss der Erfindung ist in den 7 und 8 dargestellt, wo die Lochung 4 und die Ausstanzung 5 in der Rippe 6 zur Befestigung der Radschaufel dienen. Auf der aktiven Fläche 22 ist die initiale Aufnahme 23 sichtbar. Eine andere Anordnung der Radschaufel ist in den 9 und 11 dargestellt. Die aktive Fläche 22 ist hier angegeben. Diese Radschaufel ist nicht mit einer Rückenrippe ausgestattet. Die beiden Nasen 9 dienen zur Befestigung der Radschaufel in den beiden teilweise abgebildeten Flanschen 3A, 3B.

Zar Erhöhung der Schleuderaggressivität kann es nützlich sein, einen Kanal 27 zu schaffen, dessen Breite in Abhängigkeit vom Zunehmen des Radius r abnimmt. Eine andere Lösung besteht darin, einen Kanal zu schaffen, dessen Profil im Querschnitt leicht gekrümmt ist. Diese Art der Konstruktion der Radschaufel konzentriert das Strahlmittel in der Mitte, genau im Augenblick des Ausstossens.

Die Radschaufeln oder Schaufeln gemäss der Erfindung bestehen vorzugsweise aus sehr hartem, verschleissarmem Material, wie beispielsweise Wolframkarbid oder irgendeinem anderen mehr oder weniger leistungsfähigen verschleissarmen Material.

Die Turbine kann aus einem Stück gegossen werden mit eingearbeiteten formschlüssigen Radschaufeln. Sie kann ausserdem eine unterschiedliche gerade oder ungerade Anzahl von Radschaufeln aufweisen, beispielsweise von 2 bis 20, insbesondere von 4 bis 7.

Man wird selbstverständlich nicht das Gebiet der Erfindung verlassen, in dem man Radschaufeln realisiert, die eine aktive Form wie die hier beanspruchte besitzen, deren Befestigungsart und/oder äussere Form jedoch unterschiedlich sein würden. Lediglich die aktive Fläche 22 bei der Turbine gemäss der Erfindung ist wichtig.


Anspruch[de]
Kugelstrahlturbine zum Schleudern von Strahlmitteln (101) mit hoher Geschwindigkeit, wobei diese Turbine eine Anzahl von Schaufeln (11) umfasst, die in Rotation um eine Achse (21) angetrieben werden und von denen eine Aufnahmefläche (22) sich zwischen einem ersten an die Achse (21) angrenzenden Ende zur initialen Aufnahme des zu schleudernden Strahlmittels und einem zweiten von der Achse (21) entfernten Ende zum Ausstoßen des Strahlmittels erstreckt, wobei jede Aufnahmefläche (22) zwischen ihrem besagten ersten und zweiten Ende ein konkaves Profil mit einer kreisförmigen Kurve aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangente (t23) des Profils in der Nähe des ersten Endes mit der Tangente (t) am Ende zu einem um die Achse (21) rotierenden Zylinder, dessen Radius (r1) dem Abstand zwischen dem ersten Ende der betrachteten Aufnahmefläche (22) und der besagten Achse (21) entspricht, einen Winkel &agr; kleiner als 45° bildet, während die Tangente (t24) des Profils in der Nähe des zweiten Endes einen Winkel &ggr; kleiner als 60° bildet, in Bezug auf eine Radiale (T) zwischen der besagten Achse (21) und dem zweiten Ende. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (11) mit zwei Befestigungsnasen (9) ausgestattet ist, die in den beiden Turbinenflanschen (3) untergebracht sind. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (11) auf der Rückseite ihrer aktiven Fläche (22) eine zu ihrer Befestigung dienende Rippe mit Lochung (4) und Ausstanzung (5) besitzt. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (11) Bestandteil eines Mitnehmerflansches sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com