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Die
Erfindung betrifft eine Rotordüse,
insbesondere für
Hochdruckreinigungsgeräte,
mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1, 2 und 3.
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Derartige
Rotordüsen
sind grundsätzlich
bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Rotordüse der eingangs genannten Art
derart weiterzubilden, dass die Drehzahl des Rotors auf einfache
und zuverlässige
Weise möglichst
genau geregelt werden kann.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2 und 3.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist eine Mehrzahl von jeweils eine Düse aufweisenden
Rotoren vorgesehen, die sich hinsichtlich der Düsengröße voneinander unterscheiden,
ist eine Mehrzahl von Verstellorganen vorgesehen, die sich hinsichtlich
der Größe der zum
Ringkanal führenden
Regelbohrung voneinander unterscheiden, und existiert eine Zuordnung
zwischen Düsengrößen und
Bohrungsgrößen derart,
dass dem Ringkanal über
die Regelbohrung des jeweiligen Verstellorgans eine auf die Größe der Düse des jeweiligen Rotors
abgestimmte Fluidregelmenge zugeführt wird, auf deren Basis die
Drehzahlregelung mittels des veränderbaren
Ringdurchlasses erfolgt.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die Durchführung der Regelung mittels
des Ringdurchlasses auf der Basis einer auf die jeweilige Düsengröße ab gestimmten
Fluidregelmenge, die durch die Größe der im Verstellorgan ausgebildeten
Regelbohrung bestimmt ist, zur Folge hat, dass ein gegenüber bisherigen
Lösungen
deutlich verbessertes Regelverhalten erzielt werden kann.
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Dabei
ist nicht zwingend erforderlich, dass ein Rotordüsensystem mit einem Satz von
Rotoren oder Düsen
sowie einem Satz von Verstellorganen vorgesehen ist. Der Gedanke
einer Abstimmung der Größe der Regelbohrung
auf die Düsengröße des Rotors
ist auch für
eine Rotordüse
realisierbar – und
wird hiermit unabhängig
beansprucht –,
für die
nur ein Verstellorgan und ein Rotor vorgesehen sind.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verstellorgan
und die Innenwand des Düsengehäuses zusammenwirkende
Steuerprofile aufweisen, die durch Verstellen des Verstellorgans
relativ zueinander bewegbar sind, um den Ringdurchlass entweder
zu vergrößern oder
zu verkleinern, wobei zumindest ein Steuerprofil eine Mehrzahl von
in axialer Richtung hintereinander liegenden Regelbereichen definiert,
die sich hinsichtlich ihres Verlaufes, insbesondere ihrer Neigung,
bezüglich
der Längsachse voneinander
unterscheiden.
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Diese
Vorgehensweise bildet eine Abkehr von bisherigen Lösungen,
bei denen eine Steuerkante lediglich mit einer einzigen Schräge oder
Dichtfläche
zusammenwirkt. Durch das Vorsehen mehrerer hintereinander liegender
Regelbereiche bzw. durch die Ausgestaltung des wenigstens einen
Steuerprofils kann die Veränderung
der Größe des Ringdurchlasses
während
einer Verstellbewegung des Verstellorgans beliebig vorgegeben werden.
Hierdurch kann das Regelverhalten der Düse gezielt eingestellt werden.
Insbesondere lässt sich
ein flaches oder lineares Regelverhalten erzielen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verstellorgan
zum Antreiben des Rotors wenigstens eine Treibbohrung aufweist,
die den Einströmraum
des Verstellorgans direkt mit der Wirbelkammer verbindet und in
der Wirbelkammer ein Fluiddrehfeld erzeugt, und dass die zum Ringkanal
führende
Regelbohrung des Verstellorgans ebenfalls als eine Treibbohrung
ausgebildet ist und in dem Ringkanal ein weiteres Fluiddrehfeld
erzeugt.
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Auf
diese Weise kann das mittels der direkt in die Wirbelkammer mündenden
Treibbohrungen erzeugte Fluiddrehfeld durch das im Ringkanal erzeugte
Drehfeld in einer von der Stellung des Verstellorgans abhängigen Weise
beeinflusst und insbesondere unterstützt werden. Die Erzeugung eines
derartigen zusätzlichen Fluiddrehfeldes
stellt eine vorteilhafte Möglichkeit
dar, das Regelverhalten der Düse
zu beeinflussen.
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Die
vorstehend genannten Aspekte der Erfindung können untereinander kombiniert
werden. Besonders vorteilhaft ist die Kombination aus Abstimmung
der Größe der Regelbohrung
auf die Düsengröße gemäß Anspruch
1 und speziellem Steuerprofil bzw. Hintereinanderanordnung mehrerer
Regelbereiche gemäß Anspruch
2. Wenn auf diese Weise die Drehzahlregelung auf der Basis einer
optimal auf die Düsengröße abgestimmten
Fluidregelmenge erfolgen kann, dann können die speziellen Steuerprofile
bzw. die dadurch definierten Regelbereiche besonders wirksam eingesetzt
werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung sowie der Zeichnung zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die
Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 bis 3 eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Rotordüse in drei
unterschiedlichen Betriebsstellungen.
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Hinsichtlich
des grundsätzlichen
Aufbaus entspricht die nachstehend beschriebene Rotordüse herkömmlichen
Rotordüsen,
so dass diesbezüglich
auf eine Detailbeschreibung verzichtet werden kann.
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In
einem Düsengehäuse 11 mit
einer Längsachse 19 ist
ein zylindrischer oder stiftförmiger
Rotor 21 angeordnet, der sich mit seinem vorderen Ende,
das von einer Düse 51,
insbesondere einem separaten Düseneinsatz,
gebildet wird, in einem Napflager 23 abstützt. In
das hintere Ende des Düsengehäuses 11 ist
ein Stopfen 25 eingeschraubt. Der Stopfen 25 bildet
eine erfindungsgemäße Verstelleinrichtung,
worauf nachstehend näher
eingegangen wird.
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Das
Grundprinzip einer derartigen Rotordüse besteht darin, den zur Längsachse 19 geneigten
Rotor 21 in der Wirbelkammer 17 zu einer Rotationsbewegung
um die Längsachse 19 anzutreiben,
um auf diese Weise einen kegelförmigen
Fluidstrahl über
die Austrittsöffnung 15 auszustoßen. Hierzu
wird in der Wirbelkammer 17 eine Wirbelströmung oder
ein Fluiddrehfeld erzeugt, das für
eine entsprechende Mitnahme des Rotors 21 sorgt. Das in
der Wirbelkammer 17 befindliche Fluid tritt beispielsweise
am rückwärtigen Ende
des Rotors 21 in diesen ein und strömt durch den Rotor 21 hindurch
zur Austrittsöffnung 15,
um dort unter hohem Druck als Kegelstrahl ausgestoßen zu werden.
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Für den Drehantrieb
des Rotors 21 sind in diesem Ausführungsbeispiel am Stopfen 25 mehrere
radial oder tangential in die Wirbelkammer 17 mündende Treibbohrungen 49 vorgesehen, über welche
das Fluid derart in die Wirbelkammer 17 einströmt, dass
in der Wirbelkammer 17 die erwähnte Wirbelströmung entsteht.
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In
die Treibbohrungen 49 gelangt das Fluid über einen
Einströmraum 35 des
Stopfens 25. Der Einströmraum 35 steht
außerdem über eine
Regelbohrung 37 mit einem Ringkanal 33 in Verbindung.
Der Ringkanal 33 wird von einer im Stopfen 25 ausgebildeten
Ringnut und der Innenwand des Düsengehäuses 11 begrenzt.
Die Düsengehäuseinnenwand
und der Stopfen 25 weisen dabei in diesen Bereich ein spezielles
Steuerprofil 39, 41 auf, auf das nachstehend näher eingegangen
wird.
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Anstelle
einer einzigen Regelbohrung 37 kann auch eine Mehrzahl
derartiger Regelbohrungen vorgesehen sein. Die Regelbohrungen können derart
in den Ringkanal 33 münden,
dass im Ringkanal 33 ein Fluiddrehfeld erzeugt wird. Eine
solche Ausgestaltung der Regelbohrung 37 als Treibbohrung
ist aber nicht zwingend. Es ist somit nicht zwingend erforderlich,
dass im Ringkanal 33 ein Fluiddrehfeld erzeugt wird.
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Die
Einschraubtiefe des Stopfens 25 in das hintere Ende des
Düsengehäuses 11 ist
durch Hineinschrauben oder Herausschrauben des Stopfens 25 stufenlos
einstellbar. Als hinterer Anschlag für den Stopfen 25 dient
ein ringförmiges
Einschraubteil 43, dessen Axialstellung relativ zum Düsengehäuse 11 während des Betriebs
nicht verändert
wird. Auf diese Weise ist für
den Stopfen 25 ein definierter axialer Verstellweg vorgesehen.
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Das
bereits erwähnte
Steuerprofil 39 an der Innenwand des Düsengehäuses 11 im Bereich
des Ringkanals 33 des Stopfens 25 wirkt mit einem Steuerprofil 41 des
Stopfens 25 zusammen. Dabei ist das Steuerprofil 41 des
Stopfens 25 in diesem Ausführungsbeispiel von einer vorderen
Steuerkante gebildet.
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Das
Steuerprofil 39 der Innenwand des Düsengehäuses 11 umfasst vier
in axialer Richtung aufeinander folgende Abschnitte 53, 55, 57, 59.
Hierdurch sind entsprechend vier verschiedene Regelbereiche definiert.
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1 zeigt
den geschlossenen Zustand, in welchem der Stopfen 25 maximal
weit in das Düsengehäuse 11 eingeschraubt
ist. Die Steuerkante 41 liegt an einem Dichtbereich 53 der
Gehäuseinnenwand
an. Der Dichtbereich 53 umfasst eine vergleichsweise stark
gegenüber
der Längsachse 19 des
Düsengehäuses 11 geneigte
Schräge.
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An
den Dichtbereich 53 schließt sich ein Regelbereich 55 an,
der nur geringfügig
gegenüber
der Längsachse 19 geneigt
ist. Es schließt
sich ein Bereich 57 mit größerer Neigung an, der wiederum
in einen Bereich 59 mit noch größerer Neigung übergeht.
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In
der Stellung der 2 ist der nunmehr geöffnete Ringspalt 27 zwischen
der Steuerkante 41 des Stopfens 25 und dem Steuerprofil 39 der
Düsengehäuseinnenwand
zu erkennen. In der noch weiter herausgeschraubten Stellung des
Stopfens 25 gemäß 3 ist
der Ringspalt 27 weiter vergrößert.
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In
der Stellung gemäß 1 mit
geschlossenem Ringspalt 27 gelangt das Fluid ausschließlich über die
Treibbohrungen 49 in die Wirbelkammer 17. In dieser
Stellung wird die Düse
mit maximaler Drehzahl des Rotors 21 betrieben. Eine hohe
Drehzahl bedeutet eine relativ geringe Belastung der jeweils zu
bearbeitenden Fläche,
da die Verweilzeit des von der Rotordüse ausgestoßenen Kegelstrahls auf einer
bestimmten Stelle der zu bearbeitenden Fläche vergleichsweise kurz ist.
Möchte
der Benutzer die Bearbeitungsintensität erhöhen, wird der Stopfen 25 durch
Relativverdrehung zwischen Stopfen 25 und Düsengehäuse 11 bzw. äußerer Gehäuseummantelung
aus dem Düsengehäuse 11 herausgeschraubt.
Hierdurch wird der Ringspalt 27 geöffnet. Das Fluid kann nunmehr
auch über
den Ringkanal 33 und den geöffneten Ringspalt 27 in
die Wirbelkammer 17 strömen.
Aufgrund dieser Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in der Wirbelkammer 17 nimmt
die Drehzahl des Rotors 21 ab, wodurch die Bearbeitungsintensität auf der
zu bearbeitenden Fläche
zunimmt.
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Durch
das erläuterte
Steuerprofil 39 der Düsengehäuseinnenwand,
das mit der Steuerkante 41 des Stopfens 25 zusammenwirkt,
wird insbesondere ein so genanntes flaches Regelverhalten erzielt.
Dies bedeutet, dass die Drehzahl des Rotors 21 über einen
großen
Drehzahlbereich genau variiert werden kann, d. h. es ist eine feine
Drehzahlregelung möglich.
Gleichzeitig wird durch das beschriebene Steuerprofil 39 erzielt,
dass der Stopfen 25 in der geschlossenen Stellung bzw.
beim Verschließen
des Ringspaltes 27 durch Hineinschrauben in das Düsengehäuse 11 nicht
verklemmt.
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Die
Größe der Regelbohrung 37 ist
auf die Düsengröße 51 derart
abgestimmt, dass ein optimaler Betrieb des diese Düse 51 aufweisenden
Rotors 21 sichergestellt ist. Bei geöffnetem Ringspalt 27 führt sowohl eine
zu kleine als auch zu große
Fluidmenge, die über
den Ringkanal 33 in die Wirbelkammer 17 strömt, zu einem
unbefriedigenden Laufverhalten des Rotors 21. Wenn dagegen,
wie erfindungsgemäß vorgesehen,
eine auf die Düsengröße abgestimmte
maximale Fluidregelmenge in den Ringkanal 33 gelangt, dann
ergibt sich ein optimales Laufverhalten des Rotors 21.
Insbesondere wird hierdurch erreicht, dass die Drehzahlregelung durch
Vari ieren der Größe des Ringspaltes 27 auf
der Basis einer hinsichtlich der jeweiligen Düsengröße optimierten Fluidmenge erfolgt,
was ein deutlich verbessertes Regelungsverhalten zur Folge hat.
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Es
wurde festgestellt, dass sich gute Ergebnisse erzielen lassen, wenn
der Durchmesser Dd der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden
Fluidaustrittsbohrung der Düse 51 und
der Durchmesser Dr der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden
einzigen Regelbohrung 37 bestimmte Gesetzmäßigkeiten
erfüllen. So
sollte Dr einen Wert von etwa 0,25·Dd nicht unterschreiten und
einen Wert von etwa Dd·Dd
nicht überschreiten,
d. h. es sollte die Bedingung 0,25 × Dd ≤ Dr ≤ Dd·Dd erfüllt sein. Insbesondere wurde
gefunden, dass ein gutes Regelverhalten erzielt werden kann, wenn
Dr jeweils im Bereich des vorstehend angegebenen Maximalwertes liegt,
wenn also zumindest näherungsweise
gilt: Dr = Dd·Dd.
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Konkrete
Beispiele für
bestimmte Düsengrößen Dd und
darauf abgestimmte Minimalwerte (Drmin) und Maximalwerte (Drmax)
für die
Größe der Regelbohrung
37 gibt
die nachfolgende Tabelle an:
| Dd
[mm] | Drmin
[mm] | Drmax
[mm] |
| 0,90 | 0,20 | 0,81 |
| 1,00 | 0,25 | 1,00 |
| 1,06 | 0,26 | 1,12 |
| 1,15 | 0,28 | 1,30 |
| 1,20 | 0,30 | 1,40 |
| 1,28 | 0,32 | 1,60 |
| 1,35 | 0,33 | 1,80 |
| 1,43 | 0,35 | 2,00 |
| 1,47 | 0,36 | 2,16 |
| 1,60 | 0,40 | 2,56 |
| 1,70 | 0,42 | 2,89 |
| 1,80 | 0,45 | 3,29 |
| 1,90 | 0,47 | 3,66 |
| 2,00 | 0,50 | 4,00 |
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Des
Weiteren wurde festgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn der Strömungsquerschnitt
der einzigen Regelbohrung 37 bzw. die Summe der Strömungsquerschnitte
aller in den Ringkanal 33 mündenden Regelbohrungen nicht
größer ist
als der von dem Ringdurchlass 27 maximal – also bei
maximal weit aus dem Düsengehäuse 11 heraus
geschraubtem Stopfen 25 – für das vom Ringkanal 33 in
die Wirbelkammer 17 strömende
Fluid bereitgestellte Strömungsquerschnitt.
Das die Größe dieses
Strömungsquerschnitts
bestimmende Spaltmaß,
also die radiale Spaltbreite, beträgt beispielsweise maximal 0,097
mm bei einem Durchmesser des Stopfens 25 im Bereich von
etwa 20 bis 35 mm. Das minimale Spaltmaß, das sich einstellen lässt, beträgt hierbei
etwa 0,012 mm.
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Ein
erfindungsgemäßes Rotordüsensystem
kann somit eine Mehrzahl von Rotoren 21 umfassen, die sich
hinsichtlich der Größe ihrer
Düsen 51 voneinander
unterscheiden. Diesem Rotor-Satz entspricht ein Satz unterschiedlicher
Stopfen 25, die sich hinsichtlich der Größe ihrer
Regelbohrungen 37 voneinander unterscheiden. Hierbei kann
entweder eine 1:1-Zuordnung
zwischen Rotoren 21 und Stopfen 25 vorgesehen
sein, oder es kann zwecks Reduzierung der Anzahl unterschiedlicher
Komponenten beispielsweise ein Stopfen 25 jeweils mehrere
Düsengrößen abdecken.
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- 11
- Düsengehäuse
- 13
- Einströmöffnung
- 15
- Austrittsöffnung
- 17
- Wirbelkammer
- 19
- Langsachse
- 21
- Rotor
- 23
- Lager
- 25
- Verstelleinrichtung,
Stopfen
- 27
- Ringspalt
- 33
- Ringkanal
- 35
- Einströmraum
- 37
- Regelbohrung
- 39
- Steuerprofil
der Düsengehäuseinnenwand
- 41
- Steuerprofil
der Verstelleinrichtung, Steuerkante
- 43
- Einschraubanschlag
- 49
- Treibbohrung
- 51
- Düse
- 53
- Regelbereich
- 55
- Regelbereich
- 57
- Regelbereich
- 59
- Regelbereich