CN1519055B - 用于驱动快速旋转工具的涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动快速旋转工具的涡轮，它具有一承载板，承载板被安装成可围绕一轴线旋转，多个涡轮叶片环形地设置在承载板上，涡轮叶片具有与轴向平行的正面和背面，并述叶片径向弯曲，即沿垂直于轴线的方向弯曲，至少在一些径向对应部分，涡轮叶片的正面具有比背面小的曲率半径，涡轮叶片的正面的径向外部的曲率半径小于径向内部的曲率半径，而背面的径向外部的曲率半径小于径向内部的曲率半径。在所需的高旋转速度下，该种涡轮具有比现有的涡轮更高的转矩，从而使更多的喷漆被施加到喷射圆顶或喷射圆盘上，同时又没有有害的制动性能，从而能在更短的时间内将一层均匀的漆覆层喷涂到需被喷漆的给定表面上。

Description

用于驱动快速旋转工具的涡轮
技术领域
本发明涉及一种用于驱动快速旋转工具的涡轮，尤其涉及用于喷漆装置的旋转圆盘和/或圆顶的涡轮，该涡轮具有一个圆盘或圆环形的承载板，该承载板被安装成可围绕一轴线旋转，并且其上设置一圈涡轮叶片，这些涡轮叶片具有轴向平行的正面和背面，并且这些叶片沿径向方向弯曲，即，沿垂直于涡轮的轴线方向弯曲，正面的至少一些部分的曲率半径比背面的小。
在上下文中，“正面”应理解为在涡轮旋转方向中位于前面的涡轮叶片表面，相应地，“背面”是指在涡轮旋转方向中位于背面的叶片表面。
背景技术
相应的用于喷漆设备的涡轮是已知的，在这些喷漆设备中用于容纳彩色油漆的喷漆圆顶由这种涡轮快速旋转，这样，由于圆顶的快速旋转，适用于圆顶的油漆或相应的喷漆被雾化成极小的小滴，并且附着在需被喷涂的一个表面上。为使雾化尽可能细，所要求的旋转油漆圆顶的旋转速度可达70,000r.p.m，并且由此，相应的涡轮机是空气悬浮的。这种涡轮喷漆装置主要被用于车身喷漆中。
在上下文中，可达到的涡轮旋转速度显然还取决于由喷射圆顶或相应的喷射圆盘容纳的油漆或喷漆的量。在任何情况下，被导至喷射圆顶的漆都必须通过喷射圆顶加速，因此，显然这会产生制动效应。涡轮的旋转速度的过度减小会对形成小滴的均匀和细微程度造成负面影响，因此，为使涡轮旋转速度不过度减小，单位时间施加到圆顶的油漆或喷漆的量会受到限制，一般地，约为400-450毫升/分。
发明内容
因此，本申请的发明人提出这样一种形成涡轮机或涡轮的目的，这种涡轮不要较大的从头开始设计，最多只是稍加改动便可配合到普通的涡轮壳体中，并且与现有的涡轮相比，这种涡轮在所需的高转速之下具有稳定的高转矩，这样，大量的油漆可以施加到喷漆圆顶或喷漆圆盘上而不产生有害的制动效应，这样，可以在极短的时间内为需喷漆的指定表面涂上一层均匀的油漆覆层。
上述目的是这样实现的：一种用于驱动快速旋转工具的涡轮具有一个圆盘形或环形的承载板，承载板被安装成可围绕一轴线旋转，多个涡轮叶片环形地设置在承载板上，涡轮叶片具有正面和背面，正面和背面均平行于轴向，并且叶片径向弯曲，即沿垂直于轴线的方向弯曲，涡轮叶片的正面至少在一些径向部分具有比背面的相应部分小的曲率半径，其中，涡轮叶片的正面的径向外部的曲率半径小于径向内部的曲率半径，而背面的径向外部的曲率半径小于径向内部的曲率半径。与此同时，保持涡轮叶片的正面和背面的轴向平行。
换言之，单个的涡轮叶片在轴向长度上具有一恒定的轮廓，特别是在与单个涡轮叶片的轴向长度的倍数相对应的较长长度中形成相应的轮廓，并且每一次通过从该轮廓上切下一相应的部分而形成单个叶轮。这实现了特别有效的生产。对于这种生产，在涡轮叶片的正面侧和背面侧这两侧上，如果涡轮叶片的径向外部，即在完成的涡轮的情况下，远离涡轮中心的那些部分，在任何情况下均具有比涡轮叶片的径向内部更小的曲率半径或更大的曲率，也不会有很大问题。
较佳地，根据本发明正面和背面的径向内部分别包括涡轮叶片径向深度的至少30％，同样地，而正面和背面的径向外部分别包括涡轮叶片径向深度的至少30％，径向内部的曲率半径分别比正面和背面的相应的径向外部的曲率半径大至少50％，较佳地大100％。
较佳地，径向内部的曲率半径最大为相应的径向外部的曲率半径的四倍。
已发现，这样的涡轮叶片外形显然会产生更少的干扰涡流，并且涡轮能以稳定的转矩实现更圆、更平滑的运行。
与此同时，这种涡轮叶片的设计显然还会使叶片的轴向长度增加。在生产并用于具有高转速(70,000r.p.m)空气悬浮涡轮机的此种类型的传统涡轮叶片中，涡轮叶片的轴向长度仅约为涡轮叶片的径向深度(即叶片环的外半径与内半径之差)的50％。
相反，根据本发明的设定，因此涡轮叶片的轴向长度至少为各个涡轮叶片的径向深度的60％，较佳地大于65％。大约为叶片的径向深度的70％±5％的轴向叶片长度被证实有利于且易于控制。如果可能，叶片的轴向长度相对于其径向深度不超过80％，至多不超过100％。
叶片或叶片环的径向深度，即，指叶片环的外径与内径之间的差，相对于叶轮的半径(该半径与叶片环的外径相等)的比例约为20％。
原则上，在涡轮叶片中，至少沿相同部分，正面具有的曲率半径比背面相应相对的部分的曲率半径小。然而，与此同时，每个涡轮叶片的外面与内面上的径向外部的曲率半径比这些面的内部的曲率半径小。
例如，即使正面外部的曲率半径比背面外部的小，正面的径向内部无论如何将具有比背面的径向外部更大的曲率半径。
在本发明的较佳情况中，正面和背面的内部的曲率半径相对接近，即，背面内部的曲率半径较佳地比正面内部的曲率半径大0到10％，但如果需要，背面内部的曲率半径也可比正面径向内部的曲率半径小5％，或者相反，也比其大15％。
正面和背面的径向外部一般差别更明显些，通常，相对于正面外部的较小半径的值在5％和50％之间，较佳地在10％到50％之间，也就是说，背面内部的曲率半径大至少10％到50％。对于这种背面的曲率半径，大致比前面外部的曲率半径大30％的曲率半径被认为是有利的。
在任何情况下，相对于涡轮的轴线，正面的内部和外部中心的曲率中心离涡轮轴线的距离设置得比分别相应的背面部分的曲率中心离涡轮轴线更远，此外，正面和背面的径向内部的曲率中心离涡轮轴线的距离均比正面和背面的相应的径向外部的两中心离涡轮轴线的距离更远。
正面以及背面的相应的不同曲率部分分别地相互平滑地汇合，即，没有任何不连续或间断地汇合(即以连续的一阶导数汇合)。最容易实现的是过渡点精确地位于通过相应的内部和外部的诸曲率中心的连线相交的点上。
涡轮叶片可有利地被构造成，相对于涡轮叶片的径向深度，正面和背面的径向内部均分别包括轴向深度的至少30％，相反，曲率半径设定得比内部小的正面和背面的径向外部分别包括叶片轴向深度的至少30％。在实践中，有利的是，如果正面和背面的径向内部和外部均分别大致包括涡轮叶片的径向深度的50％。然而，在这方面，相应的内外部分延伸的角度范围显然是不同的，实际上，由于某弯曲部分延伸的角度范围分别与其的曲率半径相关，因此，这也涉及不同的曲率半径。在这种关系中，被证明有利的是，背面的径向内部延伸的角度范围可在28°和40°之间，较佳地在30°和35°之间，特别可约为33°。背面的径向外部的弯曲角度在60°到90°的范围内，较佳地为70°±5°。在正面，相应的角度范围更大些，这是由于那里的曲率半径小，与此同时，由于更大的曲率，在涡轮叶片的正面上从内边缘到外边缘的距离比背面上的长。这样，正面的径向内部延伸的角度在30°到45°之间，较佳地为40°±2°，正面的径向外部延伸的角度范围在100°到130°之间，较佳地为115°±5°。在任何情况下，这都与所涉及的弯曲部分的曲率中心相关。
此外，被证明特别有利和有益于涡轮性能的是，涡轮叶片倾斜超前于叶片的内外边缘的连线的确切的径向定向，这样，涡轮叶片的径向外边缘将在旋转方向超前于内边缘。在这方面被证明有利的是，涡轮叶片的外边缘和内边缘的连线相对于指向涡轮叶片的内边缘的涡轮半径矢量之间的角度在5°到12°之间倾斜，较佳地约为8°±1°。
此外，在本发明的较佳实例中，角距，即沿圆周方向连续的涡轮叶片之间的角距为10°到15°，特别地约为12°，在任何情况下，该角距是在相邻的涡轮叶片的相应点之间测得的距离。这就意味着，在涡轮的外围上设置成环形的涡轮叶片的总数在24和36之间，或者为30。
涡轮叶片的内边缘和外边缘均以一个较小的半径修圆，内边缘比外边缘更锐角形状，例如，曲率半径小于0.1毫米，较佳地小于0.05毫米，例如为0.025毫米，但较佳地大于0.01毫米，而外边缘的曲率半径小于0.3毫米但大于0.1毫米，较佳地小于0.2毫米。
此外，本发明的优点、特征和可能的应用将通过下例较佳实施例的描述和相关附图来阐述。
附图说明
图1沿轴线示出了涡轮的俯视图，其中沿涡轮的外圆周设置了一圈涡轮叶片。
图2为图1所示涡轮的截面图，其中示出了沿图1中的线II-II的一个截面。
图3示出了图1的细节，示出了单个涡轮叶片。
具体实施方式
图1示出了一个带有一圆盘形承载板1的涡轮，承载板1的外径为D。在承载板1的外边缘上是一圈涡轮叶片2，如图2所示，涡轮叶片2的外边缘大致位于直径D的位置上，而叶片轮环的内边缘直径为d。具体地说，d的值在40到44毫米之间，D的值在50到60毫米之间，D-d的差值大约为D的20％。相应半径为对应值的一半。
同样如图1所示，单个叶片相对径向向前倾斜角度α，也就是说，这样，涡轮叶片的外边缘沿旋转方向R稍前于内边缘。角度α，即叶片的外部边缘和内部边缘的连线相对于至叶片内部边缘的半径矢量的角度可以在2°到12°的范围内，较佳地在5°到12°的范围内。特定地，如图1实施例所示的角度α大约为8°±1°。
叶片之间的角距为12°，即，圆周内总共分布了30个涡轮叶片2。除圆盘之外，涡轮1显然也可包括沿环形设置的一圈轮幅和涡轮叶片2。
图3示出了涡轮的承载板1的细节，其中示出了单个涡轮叶片2的截面。涡轮叶片2具有一个弯曲的正面3和一个同样也是弯曲的背面4，正面这部分由一径向外部3a和一径向内部3b构成，而背面由一径向外部4a和一径向内部4b构成。在轴向方向中，涡轮叶片2的轮廓是连续的，也就是说，正面3和反面4是轴向平行的。
在涡轮叶片2的内边缘和外边缘从正面向背面的过渡在外侧是通过大致0.15毫米或稍小的曲率半径R5实现的，而在内部边缘的区域中，过渡是通过明显小于0.1毫米，例如大约0.025毫米的曲率半径R6实现的。
正面的径向内部和外部3a、3b以及背面4的相应的径向内部和外部4a、4b均具有不同的曲率半径，并且设置在不同的曲率中心上。背面4的径向内部4b具有曲率半径R1和曲率中心11。当涡轮叶片2安装在涡轮上的情况下，与曲率半径为R3的正面3的径向内部3b的曲率中心13相比，曲率中心11设置得更靠近涡轮的轴线5。在本实例中，与曲率半径为R2的背面的径向外部4a的曲率中心12相比，曲率中心11被设置成(相对于涡轮轴线5)在径向外侧。
与正面3的径向内部的曲率中心13相比，正面3的径向外部3a的曲率中心14设置得更靠近涡轮轴线，但与背面4的径向外部4a的曲率中心12相比，曲率中心14距离涡轮轴线5稍远。
总之，在本发明的较佳实施例中，正面和背面的曲率半径的关系是R4＜R2＜R3＜R1，R2与R4之间的倍数大约为1.3，R3和R2之间的倍数约为2，而R1和R3之间的倍数大约为1.1。然而，这些倍数也可在上下变动10％。
在正面3上的部分3a和部分3b之间的过渡点恰好位于正面3与连接曲率中心13和14的直线的相交线上。背面4的部分4a和4b之间的过渡点位于通过这两个部分的弯曲中心11和12的直线与背面4的交点上。由此可以确保，能够平滑地实现不同半径之间的过渡，不会出现任何不连续的现象，这是由于各个不同曲率部分的切线恰好重合在由此确定的过渡点上。
从图1和图2(这两幅附图是以相同比例表示的)中还可以推论出，涡轮叶片2的长度L相对其径向深度(即相对于叶片环的外半径与内半径之差)的比例大约为68％(在65％和70％之间)。除了在涡轮上的涡轮叶片的特定轮廓和特定设置之外，相对于叶片的径向深度的较大的轴向长度也实现了改进和稳定的涡轮性能，并且实现了高旋转速度下的大转矩。
与具有相同外部尺寸的传统涡轮相比，在喷漆装置中，以相同的质量，根据本发明的涡轮可以达到大于约100％的喷射性能。
同时，这种新颖的涡轮叶片的设计和配置实质上不会增加或仅极小地增加生产涡轮的困难性。由于涡轮叶片是从相对较长轮廓上简单地切下所需长度的部分(这与涡轮的轴向长度L相应)而生产出的，该新型叶片轮廓的生产不要求更多的生产投入，这是由于在相应的预制轮廓的零件的较长长度上该轮廓是连续的。稍稍倾斜设置叶片也无须增加任何组件或生产投入。增加叶片的轴向长度也同样如此。
由于涡轮的性能大幅提高，稍稍增加的各个涡轮的生产投入被完全抵消了还是很有利的。

Claims (34)

1.一种用于驱动快速旋转工具的涡轮，所述涡轮具有一个圆盘形或环形的承载板(1)，所述承载板被安装成可围绕一轴线(5)旋转，多个涡轮叶片(2)环形地设置在承载板上，所述涡轮叶片(2)具有正面(3)和背面(4)，所述正面和背面均平行于轴向，并且所述叶片径向弯曲，即沿垂直于轴线(5)的方向弯曲，涡轮叶片(2)的正面(3)至少在一些径向部分具有比背面(4)的相应部分小的曲率半径(R3，R4)，其特征在于，涡轮叶片(2)的正面(3)的径向外部的曲率半径(R4)小于径向内部的曲率半径(R3)，而背面的径向外部的曲率半径(R2)小于径向内部的曲率半径(R1)。
2.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶片(2)的正面(3)的径向内部(3b)具有比背面(4)的径向外部(4a)大的曲率半径(R3)。
3.如权利要求1或2所述的涡轮，其特征在于，正面(3)和背面(4)的径向内部(3b，4b)分别包括涡轮叶片(2)径向深度的至少30％，同样地，而正面(3)和背面(4)的径向外部(3a，4a)分别包括涡轮叶片(2)径向深度的至少30％，径向内部(3b，4b)的曲率半径(R3，R1)分别比正面(3)和背面(4)的相应的径向外部(3a，4a)的曲率半径(R4，R2)大至少50％。
4.如权利要求3所述的涡轮，其特征在于，径向内部(3b，4b)的曲率半径(R3，R1)分别比正面(3)和背面(4)的相应的径向外部(3a，4a)的曲率半径(R4，R2)大100％。
5.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述背面的径向内部的曲率半径最大为所述背面的径向外部的曲率半径的四倍，所述正面的径向内部的曲率半径最大为所述正面的径向外部的曲率半径的四倍。
6.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，背面(4)的径向外部的曲率半径(R2)比正面(3)的径向外部(3a)的曲率半径(R4)大5％到50％。
7.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，背面(4)的径向内部(4b)的曲率半径(R1)与正面(3)的径向内部(3b)的曲率半径(R3)相差-5％至15％。
8.如权利要求7所述的涡轮，其特征在于，背面(4)的径向内部(4b)的曲率半径(R1)与正面(3)的径向内部(3b)的曲率半径(R3)相差0到10％。
9.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，正面(3)和背面(4)分别基本具有两种不同的曲率半径，不同曲率部分(3a，3b和4a，4b)相互平滑地汇合，即，以连续的一阶导数汇合。
10.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶片(2)的轴向长度至少为涡轮叶片(2)的径向深度的60％。
11.如权利要求10所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶片(2)的轴向长度至少为涡轮叶片(2)的径向深度的65％。
12.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶片(2)的轴向长度至多为叶片(2)径向深度的100％。
13.如权利要求12所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶片(2)的轴向长度至多为叶片(2)径向深度的80％。
14.如权利要求10-13之一所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶片(2)的轴向长度为涡轮叶片(2)的径向深度的70％±5％。
15.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，在与涡轮轴线垂直的截面中，涡轮叶片的径向内部边缘和径向外部边缘的连线相对于涡轮叶片的内部边缘的半径矢量倾斜，这样，涡轮叶片的外部边缘沿旋转方向位于其内部边缘之前，所述连线倾斜2°到12°。
16.如权利要求15所述的涡轮，其特征在于，所述连线倾斜5°到12°。
17.如权利要求15所述的涡轮，其特征在于，所述连线倾斜8°±1°。
18.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，分别以一个小半径修圆涡轮叶片的内部和外部边缘，内部边缘的圆半径(R6)小于0.1毫米，但大于0.01毫米，外部边缘的圆半径(R5)小于0.3毫米，但大于0.1毫米。
19.如权利要求18所述的涡轮，其特征在于，内部边缘的圆半径(R6)小于0.05毫米。
20.如权利要求18所述的涡轮，其特征在于，外部边缘的圆半径(R5)小于0.2毫米。
21.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶片(2)的周向角距在10°到15°之间。
22.如权利要求21所述的涡轮，其特征在于，所述周向角距为12°。
23.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，叶片环的内半径在20毫米至24毫米之间。
24.如权利要求23所述的涡轮，其特征在于，所述叶片环的内半径为22毫米。
25.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，叶片环的外半径在25毫米到60毫米之间。
26.如权利要求24所述的涡轮，其特征在于，所述叶片环的外半径为27.5毫米。
27.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，在相对于各个部分的曲率中心(11，12)的情况下，叶片的背面(4)的径向内部(4b)延伸的角度范围在28°到40°之间，涡轮叶片(2)的背面(4)的径向外部(4a)延伸的角度范围在60°到90°之间。
28.如权利要求27所述的涡轮，其特征在于，叶片的背面(4)的径向内部(4b)延伸的角度范围在30°到35°之间。
29.如权利要求27所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶片(2)的背面(4)的径向外部(4a)延伸的角度范围70°±5°。
30.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，在相对于各个部分的曲率中心(13，14)的情况下，涡轮叶片(2)的正面(3)的径向内部(3b)延伸的角度范围在35°到45°之间，涡轮叶片(2)的正面(3)的径向外部(3a)延伸的角度范围在100°到130°之间。
31.如权利要求30所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶片(2)的正面(3)的径向内部(3b)延伸的角度范围为40°±2°。
32.如权利要求30所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶片(2)的正面(3)的径向外部(3a)延伸的角度范围为115°±5°。
33.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，在所有情况下，所述正面的从径向内部到所述正面的径向外部的曲率半径的过渡点位于相应的径向内部和径向外部的曲率中心的连线上，所述背面的从径向内部到所述背面的径向外部的曲率半径的过渡点位于相应的径向内部和径向外部的曲率中心的连线上。
34.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述快速旋转工具为喷漆装置的转盘和/或圆顶。
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