DE102010013551A1

DE102010013551A1 - Axialturbine für einen Rotationszerstäuber

Info

Publication number: DE102010013551A1
Application number: DE102010013551A
Authority: DE
Inventors: Michael Baumann; Marcus Frey; Frank Herre; Bernhard Seiz; Harry Krumma; Timo Beyl
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-04-01
Also published as: EP2552595A1; JP6282701B2; JP2013527793A; JP2017018956A; US20130017068A1; CN102834183A; US9604232B2; WO2011120619A1; CN102834183B; ES2612904T3; JP6097683B2; DE102010013551B4; EP2552595B1; DE102010013551A8

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbinenrotor (17) für eine Antriebsturbine (10) eines Rotationszerstäubers, mit einer drehbar gelagerten Turbinenwelle (17) mit einer Montagemöglichkeit für einen Glockenteller, und mit mindestens einem Antriebsturbinenrad mit mehreren Turbinenschaufeln, wobei die Turbinenschaufeln des Antriebsturbinenrades im Betrieb von einem Antriebsfluid angeströmt werden, um den Turbinenrotor anzutreiben. Es wird vorgeschlagen, dass das Antriebsturbinenrad für eine axiale Beströmung der Turbinenschaufeln mit dem Antriebsfluid ausgelegt ist. Weiterhin umfasst die Erfindung eine komplette Antriebsturbine (10) mit einem solchen Turbinenrotor und einen kompletten Rotationszerstäuber sowie einzelne Bauteile der erfindungsgemäßen Antriebsturbine.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbinenrotor zum Antrieb einer Rotationszerstäuberturbine sowie eine Antriebsturbine mit einem derartigen Turbinenrotor und weitere Bauteile eines Rotationszerstäubers, wie beispielsweise eine Lagereinheit, eine Zwischenhülse, einen Umlenkring und einen Statorring.
In modernen Lackieranlagen zur Lackierung von Kraftfahrzeugkarosseriebauteilen werden als Applikationsgerät üblicherweise Rotationszerstäuber eingesetzt, die als Applikationselement einen Glockenteller aufweisen, was an sich aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist. Der Antrieb der herkömmlichen Rotationszerstäuber erfolgt meist pneumatisch durch eine Antriebsturbine, die mit Druckluft angeblasen wird, wobei die Antriebsturbine als Radialturbine ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die als Antriebsfluid dienende Druckluft in einer radial zur Drehachse des Glockentellers ausgerichteten Ebene auf die Turbinenschaufeln der Antriebsturbine strömt. Die Verwendung einer Radialturbine zum Antrieb eines Rotationszerstäubers bietet den Vorteil, dass sich das erforderliche Antriebsmoment erreichen lässt, indem ein Antriebsturbinenrad mit einem entsprechend großen Durchmesser verwendet wird.
Nachteilig an der Verwendung einer Radialturbine zum Antrieb eines Rotationszerstäubers ist jedoch die begrenzte Antriebsleistung, die sich bei einer ausreichend feinen Zerstäubung im Drehzahlbereich von 8000–80.000 U/min. kaum über 650 W steigern lässt, wodurch auch die Lackausflussrate auf Werte von ungefähr 1000 ml/min. beschränkt ist. Dieser grundsätzliche Nachteil einer Radialturbine lässt sich auch nicht durch eine Vergrößerung der Radialturbine beheben, da dies aus Platz- und Gewichtsgründen nicht möglich ist. Auch eine Erhöhung der maximal möglichen Antriebsleistung durch eine Anhebung von Druckniveau oder Luftdurchsatz der Antriebsluft ist praktisch nicht möglich, da dies zu höheren Investitions- bzw. Betriebskosten führen würde.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer Rotationszerstäuberturbine die maximal mögliche Antriebsleistung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Turbinenrotor gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch eine komplette Antriebsturbine mit einem derartigen erfindungsgemäßen Turbinenrotor. Ferner umfasst die Erfindung auch weitere erfindungsgemäß angepasste Bauteile eines Rotationszerstäubers, wie beispielsweise eine Zwischenhülse, eine Lagereinheit, ein Antriebsturbinenrad, einen Umlenkring und einen Statorring.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, zum Antrieb eines Rotationszerstäubers eine Axialturbine einzusetzen, bei der das Antriebsfluid (z. B. Druckluft) die Turbinenschaufeln des Antriebsturbinenrades axial beströmt, d. h. parallel zur Drehachse des Glockentellers.
Die Erfindung umfasst deshalb einen Turbinenrotor mit einer drehbar gelagerten Turbinenwelle mit einer Montagemöglichkeit für einen Glockenteller. Eine Möglichkeit zur Montage des Glockentellers an der Turbinenwelle besteht darin, dass der Glockenteller auf die als Glockentellerwelle dienende Turbinenwelle aufgeschraubt wird, was aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist. Eine andere Möglichkeit zur Montage des Glockentellers auf der als Glockentellerwelle dienenden Turbinenwelle besteht darin, dass der Glockenteller durch eine Klemm- oder Rastverbindung an der Turbinenwelle befestigt wird, wie es beispielsweise in DE 10 2009 034 645 beschrieben ist, so dass der Inhalt dieser Patentanmeldung der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich der Montage des Glockentellers an der Turbinenwelle in vollem Umfang zuzurechnen ist. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Montage des Glockentellers an der Turbinenwelle nicht auf die vorstehend genannten Beispiele beschränkt, sondern erlaubt grundsätzlich auch andere Montagearten.
Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Turbinenrotor mindestens ein Antriebsturbinenrad mit mehreren Turbinenschaufeln auf, wobei die Turbinenschaufeln des Antriebsturbinenrades im Betrieb von einem Antriebsfluid (z. B. Druckluft) angeströmt werden, um den Turbinenrotor anzutreiben. Wichtig ist hierbei, dass das Antriebsturbinenrad verdrehsicher mit der Turbinenwelle verbunden ist, um ein Drehmoment von dem Antriebsturbinenrad auf die Turbinenwelle übertragen zu können. Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, dass die Turbinenwelle und das Antriebsturbinenrad einstückig als ein einziges Bauteil gefertigt sind. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung alternativ auch die Möglichkeit, dass das Antriebsturbinenrad und die Turbinenwelle separate Bauteile sind, die lediglich verdrehsicher miteinander verbunden werden.
Die Erfindung sieht nun vor, dass das Antriebsturbinenrad für eine axiale Beströmung der Turbinenschaufeln mit dem Antriebsfluid ausgelegt ist. Im Gegensatz dazu sind die Antriebsturbinenräder bei den herkömmlichen Radialturbinen für eine radiale Beströmung der Turbinenschaufeln ausgelegt.
Diese Abkehr von dem herkömmlichen Prinzip einer Radialturbine hin zu dem erfindungsgemäßen Prinzip einer Axialturbine ermöglicht vorteilhaft eine Steigerung der maximal möglichen Antriebsleistung, da die erfindungsgemäße Axialturbine mehrere hintereinander angeordnete Antriebsturbinenräder (Stufen) aufweisen kann.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Turbinenrotor deshalb mehrere (z. B. 2, 3, 4 oder 5) axial hintereinander angeordnete Antriebsturbinenräder auf, wobei die einzelnen Antriebsturbinenräder jeweils mehrere Turbinenschaufeln aufweisen, die für eine axiale Beströmung mit dem Antriebsfluid (z. B. Druckluft) ausgelegt sind.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstrecken sich die Antriebsturbinenräder in axialer Richtung gemeinsam über eine bestimmte Antriebslänge und sind in einem Turbinengehäuse mit einem bestimmten Außendurchmesser angeordnet, wobei das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des Turbinengehäuses einerseits und der Antriebslänge andererseits vorzugsweise größer ist als 0,4–0,6 und/oder kleiner als 0,78–1. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dimensionierung des Turbinengehäuses und der Antriebsturbine nicht auf die vorstehend genannten exemplarischen Werte beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Dimensionen realisierbar.
Ferner ist zu erwähnen, dass die Antriebsturbinenräder vorzugsweise von Statorringen mit einem bestimmten maximalen Außendurchmesser umgeben sind, wobei das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser der Statorringe einerseits und der Antriebslänge andererseits vorzugsweise im Bereich von 0,4–0,5 liegt. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dimensionierung der Statorringe und der Antriebslänge nicht auf die vorstehend genannten exemplarischen Werte beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Dimensionen realisierbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Turbinenrotor weisen die einzelnen Turbinenschaufeln des Antriebsturbinenrades eine bestimmte Schaufelhöhe in radialer Richtung auf, wobei die Schaufelhöhe in diesem Sinne zwischen dem radial innen liegenden Schaufelansatz einerseits und dem radial außen liegenden Schaufelende gemessen wird. Die Schaufelhöhe liegt hierbei vorzugsweise im Bereich von 0,5–50 mm, jedoch ist die Erfindung grundsätzlich auch mit anderen Werten der Schaufelhöhe realisierbar.
Bei dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel mit mehreren axial hintereinander angeordneten Antriebsturbinenrädern können die einzelnen Antriebsturbinenräder eine unterschiedliche Schaufelhöhe aufweisen, wobei die Schaufelhöhe in Strömungsrichtung und/oder entgegen der Absprührichtung des Rotationszerstäubers zunehmen kann.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Turbinenschaufeln des Antriebsturbinenrades in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung so ausgelegt sind, dass das Antriebsfluid (z. B. Druckluft) die Turbinenschaufeln entgegen der Absprührichtung des Rotationszerstäubers beströmt. Das Antriebsfluid wird hierbei also zunächst von der Roboterseite der Antriebsturbine zur Glockentellerseite der Antriebsturbine geführt und dann um 180° umgelenkt, so dass das Antriebsfluid dann entgegen der Absprührichtung durch die Axialturbine strömt.
Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung grundsätzlich auch die Möglichkeit, dass das Antriebsfluid die Axialturbine in der Absprührichtung des Rotationszerstäubers durchströmt, wobei dann keine Umlenkung des Antriebsfluids erforderlich ist.
Die bereits vorstehend definierte Schaufelhöhe der einzelnen Turbinenschaufeln des Antriebsturbinenrades steht vorzugsweise in einem bestimmten Verhältnis zu dem Durchmesser der Turbinenwelle, wobei sich ein Verhältnis von 0,01–2,5 oder 0,015–0,5 als vorteilhaft erwiesen hat. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dimensionierung der Schaufelhöhe nicht auf die vorstehend genannten Wertebereiche beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Werten der Schaufelhöhe realisierbar.
Darüber hinaus weisen die einzelnen Turbinenschaufeln bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorzugsweise einen konstanten Schaufelgrunddurchmesser auf, wobei es sich um den Abstand zwischen den Schaufelansätzen und der Drehachse handelt. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass der Schaufelgrunddurchmesser bei den benachbarten Antriebsturbinenrädern unterschiedlich ist. Beispielsweise kann der Schaufelgrunddurchmesser von einem Antriebsrad zum nächsten Antriebsrad in Strömungsrichtung abnehmen, damit dann auch der Durchströmungsquerschnitt in Strömungsrichtung zunimmt, was strömungstechnisch wünschenswert ist.
Ferner ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine bestimmte Beschaufelungsdichte des Antriebsturbinenrades vorgesehen, wobei die Beschaufelungsdichte beispielsweise im Bereich von 20–60 Turbinenschaufeln pro Antriebsturbinenrad liegen kann. Die Beschaufelungsdichte der einzelnen Antriebsturbinenräder kann hierbei unterschiedlich sein, wobei die Beschaufelungsdichte der Antriebsturbinenräder von einem Antriebsturbinenrad zum nächsten Antriebsturbinenrad in Strömungsrichtung zunehmen kann. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die Beschaufelungsdichte der Antriebsturbinenräder von einem Antriebsturbinenrad zum nächsten Antriebsturbinenrad entgegen der Strömungsrichtung zunimmt. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, dass die verschiedenen Antriebsturbinenräder der Axialturbine dieselbe Beschaufelungsdichte aufweisen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Antriebsturbinenrad als einteiliger oder mehrteiliger Ring ausgebildet, der lösbar auf der Turbinenwelle angeordnet ist. Beispielsweise kann das als Ring ausgebildete Antriebsturbinenrad auf der Turbinenwelle festgeklemmt werden, insbesondere durch einen Presssitz oder durch thermisches Aufschrumpfen.
Ferner ist zu erwähnen, dass die Turbinenschaufeln des Antriebsturbinenrades durch ein generatives Herstellungsverfahren hergestellt werden können, wobei derartige generative Herstellungsverfahren auch unter dem Schlagwort ”Rapid Prototyping” bekannt sind.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Axialturbine vorzugsweise auch ein Bremsturbinenrad auf, um den Rotationszerstäuber möglichst schnell abbremsen zu können, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das erfindungsgemäße Bremsturbinenrad weist hierzu mehrere Turbinenschaufeln auf, die im Betrieb von einem Bremsfluid (z. B. Druckluft) angeströmt werden können, um den Turbinenrotor abzubremsen. Die einzelnen Turbinenschaufeln des Bremsturbinenrades sind vorzugsweise für eine radiale Beströmung mit dem Bremsfluid (z. B. Druckluft) ausgelegt, wie es auch bei den herkömmlichen Bremsturbinenrädern der Fall ist. Beispielsweise kann das Bremsturbinenrad deshalb als Pelton-Turbinenrad ausgebildet sein.
Das Bremsturbinenrad kann hierbei in axialer Richtung zwischen zwei Lagerstellen der Turbinenwelle angeordnet sein. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass das Bremsturbinenrad in axialer Richtung außerhalb der beiden Lagerstellen der Turbinenwelle angeordnet ist.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass das Bremsturbinenrad vorzugsweise einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist als das Antriebsturbinenrad. Dies ist wünschenswert, damit ein ausreichend großes Bremsmoment erzeugt werden kann.
Hinsichtlich des Schaufelprofils der einzelnen Turbinenschaufeln des Antriebsturbinenrades bzw. des Bremsturbinenrades bestehen im Rahmen der Erfindung vielfältige Möglichkeiten. Beispielsweise können die Turbinenschaufeln ein symmetrisches oder halbsymmetrisches Profil, ein S-Schlag-Profil oder ein Keulenprofil aufweisen, um nur einige Beispiele zu nennen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Turbinenschaufeln jedoch eine bestimmte bevorzugte Geometrie auf. So weisen die einzelnen Turbinenschaufeln vorzugsweise einen Einlaufwinkel im Bereich von 65–75° auf, wohingegen im Stand der Technik ein Einlaufwinkel von ungefähr 60° üblich ist. Der Auslaufwinkel der Turbinenschaufeln entspricht dagegen vorzugsweise dem Einlaufwinkel mit einem Toleranzbereich von ±10° oder sogar ±5°. Der Auslaufwinkel der Turbinenschaufeln liegt dagegen vorzugsweise im Bereich von 55°–75°. Dies hat in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Folge, dass die Summe aus dem Einlaufwinkel und dem Auslaufwinkel vorzugsweise im Bereich von 110°–145° liegt.
Ferner ist zu erwähnen, dass der erfindungsgemäße Turbinenrotor eine bestimmte spezifische Drehzahl n_s aufweist, die sich nach folgender Formel berechnet:
mit:

v:: Volumetrischer Durchfluss am Eintritt [m³/s]
e:: Spezifische Arbeit [J/kg]
ω:: Rotationsgeschwindigkeit [rad/s].

Hierbei ist zu erwähnen, dass die spezifische Drehzahl n_s vorzugsweise im Bereich von 0,1–0,3 liegt, wohingegen die spezifische Drehzahl bei herkömmlichen Axialturbinen üblicherweise im Bereich von 0,5–1 liegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Turbinenrotor weist die Turbinenwelle mehrere Lagerstellen auf, um die Turbinenwelle drehbar zu lagern, wobei die Lagerstellen beispielsweise besonders gehärtet sein können. Das Antriebsturbinenrad befindet sich hierbei vorzugsweise in axialer Richtung zwischen den beiden Lagerstellen. Dies ermöglicht vorteilhaft einen großen axialen Abstand zwischen den Lagerstellen, was wiederum vorteilhaft zu einer stark erhöhten Kippsteifigkeit führt. Dies ermöglicht bei der Handhabung des Rotationszerstäubers durch einen Lackierroboter deutlich höhere Roboterbeschleunigungswerte und somit auch höhere Lackiergeschwindigkeiten bei nicht geradlinigen Lackierbahnen.
Die Lagerstellen der Turbinenwelle weisen hierbei eine bestimmte Lagerlänge in axialer Richtung auf, während die Turbinenwelle einen bestimmten Wellendurchmesser hat. Bei dem erfindungsgemäßen Turbinenrotor steht die Lagerlänge vorzugsweise in einem bestimmten Verhältnis zu dem Wellendurchmesser, wobei dieses Verhältnis vorzugsweise im Bereich von 0,8–1,2 liegt, wobei sich ein Wert von 1 als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich auch mit anderen Werten realisierbar.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Turbinenwelle vorzugsweise hohl ist, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Vorzugsweise ist der Welleninnendurchmesser der hohlen Turbinenwelle jedoch so groß, dass die Turbinenwelle ein Farbrohr mit mindestens zwei Hauptnadeln und mindestens zwei Rückführungen aufnehmen kann, wohingegen herkömmliche Rotationszerstäuber meist nur eine einzige Hauptnadel und ein einziges Hauptnadelventil aufweisen. Der erfindungsgemäße Rotationszerstäuber mit mindestens zwei Hauptnadelventilen ermöglicht dagegen sehr geringe Farbwechselzeiten und -verluste, da über das eine Hauptnadelventil lackiert werden kann, während an dem zweiten Hauptnadelventil bereits die nächste Farbe angedrückt wird. Bei einem Farbwechsel muss dann nur noch der Leitungsbereich gespült werden, der stromabwärts hinter dem zuvor benutzten Hauptnadelventil liegt. Für eine einfache Anwendung kann man sich aber auch ein Farbrohr mit geringerem Durchmesser vorstellen, d. h. der vorhandene Raum wird nicht genutzt.
Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, dass der Welleninnendurchmesser der hohlen Turbinenwelle so groß ist, dass die hohle Turbinenwelle zwei Mischelemente für Zweikomponentenmaterial (z. B. Stammlack und Härter) aufnehmen kann.
Der Welleninnendurchmesser der Turbinenwelle liegt deshalb vorzugsweise im Bereich von 20–40 mm.
Ferner ist zu erwähnen, dass die Turbinenwelle in axialer Richtung vorzugsweise kürzer ist als 15 cm, 14 cm oder 13 cm, wobei die Lagerstellen vorzugsweise einen axialen Abstand von mehr als 3 cm, 6 cm oder 10 cm aufweisen.
Die Erfindung beansprucht also Schutz für den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Turbinenrotor als einzelnes Bauteil. Darüber hinaus beansprucht die Erfindung jedoch auch Schutz für eine komplette Antriebsturbine für einen Rotationszerstäuber mit einem solchen Turbinenrotor. Weiterhin wird auch Schutz beansprucht für einen Rotationszerstäuber mit einer erfindungsgemäßen Axialturbine und für einen Lackierroboter mit einem Rotationszerstäuber, der im Gegensatz zum Stand der Technik eine Axialturbine enthält.
Die erfindungsgemäße Antriebsturbine zeichnet sich vorzugsweise durch eine bestimmte spezifische mechanische Antriebsleistung aus, wobei die spezifische Antriebsleistung vorzugsweise ist als 0,6 Wmin/Nl, 0,7 Wmin/Nl, 0,8 Wmin/Nl oder sogar 0,9 Wmin/Nl. Die spezifische mechanische Antriebsleistung in diesem Sinne ist das Verhältnis zwischen der mechanischen Antriebsleistung der Antriebsturbine einerseits und dem Volumenstrom des zugeführten Antriebsfluids (z. B. Druckluft) andererseits.
Darüber hinaus kann sich die erfindungsgemäße Antriebsturbine durch eine spezifische mechanische Antriebsleistung auszeichnen, die vorzugsweise im Bereich von 0,7 W/g–1,5 W/g liegt. Die spezifische mechanische Antriebsleistung in diesem Sinne ist das Verhältnis zwischen der mechanischen Antriebsleistung der Antriebsturbine einerseits und der Masse der Antriebsturbine andererseits.
Ferner liegt die spezifische mechanische Antriebsleistung vorzugsweise im Bereich von 1,5 W/cm³–10 W/cm³, wobei die spezifische mechanische Antriebsleistung in diesem Sinne das Verhältnis zwischen der mechanischen Antriebsleistung einerseits und dem Bauraum der Antriebsturbine andererseits ist. Die erfindungsgemäße Verwendung einer Axialturbine ermöglicht also vorteilhaft eine größere Leistungsdichte als bei herkömmlichen Radialturbinen.
Das erfindungsgemäße Prinzip einer Axialturbine zum Antrieb eines Rotationszerstäubers ermöglicht eine Antriebsleistung von mehr als 1000 W oder sogar mehr als 1400 W.
Darüber hinaus lässt sich ein thermischer Wirkungsgrad von mehr als 50%, 60% oder sogar mehr als 70% realisieren, insbesondere bei einer Drehzahl zwischen 40000 U/min und 60000 U/min und bei einem Volumenstrom des Antriebsfluids (z. B. Druckluft) zwischen 800 Nl/min und 1200 Nl/min.
Ferner ist zu erwähnen, dass die spezifische mechanische Antriebsleistung größer als 0,1 W/mbar, 0,2 W/mbar, 0,3 W/mbar oder sogar größer als 0,4 W/mbar liegen kann, wobei die spezifische Antriebsleistung in diesem Sinne das Verhältnis zwischen der mechanischen Antriebsleistung einerseits und der Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass andererseits ist.
Es wurde bereits vorstehend erwähnt, dass das Antriebsfluid (z. B. Druckluft) die Axialturbine vorzugsweise entgegen der Absprührichtung durchströmt, wobei das Antriebsfluid jedoch von der Roboterseite zugeführt wird. Diese Führung des Antriebsfluids macht eine Umlenkung des Antriebsfluids erforderlich, wozu vorzugsweise ein Umlenkring vorgesehen ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Umlenkung des Antriebsfluids jedoch nur teilweise in dem Umlenkring. So tritt das Antriebsfluid vorzugsweise rechtwinklig zur Drehachse des Rotationszerstäubers in den Umlenkring ein und tritt dann aus dem Umlenkring entgegen der Absprührichtung des Rotationszerstäubers aus, um das Antriebsturbinenrad anzuströmen. Der Umlenkring bewirkt hierbei also nur eine Umlenkung um einen Umlenkwinkel von ungefähr 90°. Die verbleibenden 90° des insgesamt erforderlichen Umlenkwinkels von 180° können dann außerhalb der Antriebsturbine realisiert werden. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass der Umlenkring den gesamten erforderlichen Umlenkwinkel von 180° realisiert.
Darüber hinaus hat der Umlenkring in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung auch eine weitere Funktion, indem der Umlenkring das Antriebsfluid gleichmäßig über den gesamten ringförmigen Durchströmungsquerschnitt der Axialturbine verteilt und dadurch eine gleichmäßige Anströmung erreicht.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass in den Umlenkring ein Stator integriert ist, der beispielsweise einstückig an den Umlenkring angeformt sein kann.
Ferner kann der Umlenkring auch eine Abdichtung bilden oder eine separate Dichtung enthalten, um einen Ringspalt zwischen dem Umlenkring und der Turbinenwelle zu dem Glockenteller hin abzudichten.
Die erfindungsgemäße Antriebsturbine weist zusätzlich zu dem vorstehend ausführlich beschriebenen erfindungsgemäßen Turbinenrotor vorzugsweise ein Turbinengehäuse und mindestens eine Lenkluftleitung zur Versorgung eines Lenkluftrings auf, wobei die Lenkluftleitung vorzugsweise mindestens teilweise durch das Turbinengehäuse hindurchgeführt ist.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Antriebsturbine vorzugsweise auch eine Lagereinheit auf, in welcher der Turbinenrotor drehbar gelagert ist. Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Antriebsturbine besteht in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel darin, dass ein Farbrohr zur Zuführung des zu applizierenden Beschichtungsmittels durch die hohle Turbinenwelle hindurch ragt und an der Lagereinheit befestigt ist, insbesondere durch eine Verschraubung. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Rotationszerstäubern kann die Lagereinheit also direkt mit dem Farbrohr zu einer Einheit verschraubt werden. Dies ermöglicht es, bei entsprechenden Toleranzen und einem stirnseitig bei der Montage zwischen Farbrohr und Turbinenwelle eingebrachten Zentrierwerkzeug, dass Konzentrizität und Planauflage wesentlich besser gewährleistet werden, so dass keine Relativbewegung zwischen der Lagereinheit und dem Farbrohr stattfindet.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Antriebsturbine vorzugsweise eine Zwischenhülse, die ein Radiallager, den Umlenkring und/oder Teile des Turbinenrotors ummantelt. Die Zwischenhülse besteht vorzugsweise aus einem mechanisch belastbaren Material, wie beispielsweise Aluminium, Stahl oder einer Legierung, wohingegen das umgebende Gehäuse aus einem mechanisch wenig belastbaren Material bestehen kann, wie beispielsweise Kunststoff. Die Zwischenhülse hat hierbei vorzugsweise auch die Aufgabe, den bereits vorstehend ausführlich erläuterten Umlenkring mit dem Antriebsfluid zu speisen, wobei innerhalb der Zwischenhülse auch ein Teil der erforderlichen Umlenkung des Antriebsfluids stattfinden kann.
Ferner weist die erfindungsgemäße Antriebsturbine in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorzugsweise mindestens einen Statorring mit mehreren Leitschaufeln auf, wobei der Statorring die Turbinenwelle ringförmig umgibt und ortsfest angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Antriebsturbine weist vorzugsweise einen neuartigen Lagerflansch auf, um die Antriebsturbine mechanisch und fluidisch mit einem Rotationszerstäuber zu verbinden, in den die Antriebsturbine eingebaut wird und der im montierten Zustand von der Antriebsturbine angetrieben wird. Der neuartige erfindungsgemäße Lagerflansch unterscheidet sich von herkömmlichen Lagerflanschen bekannter Antriebsturbinen dadurch, dass die verschiedenen Anschlüsse auf zwei Anschlussebenen verteilt sind, wobei die beiden Anschlussebenen axial zueinander beabstandet sind. Die erste Anschlussebene ist hierbei vorzugsweise proximal angeordnet, d. h. auf der Roboter- bzw. Maschinenseite. Die zweite Anschlussebene ist dagegen vorzugsweise distal angeordnet, d. h. glockentellerseitig. Die erste Anschlussebene enthält hierbei vorzugsweise alle Zuluft-Anschlüsse für Luftzuführungen; insbesondere für Lenkluft, Antriebsluft, Lagerluft und Bremsluft. Die zweite Anschlussebene des Lagerflanschs enthält dagegen alle Abluft-Anschlüsse für Luftrückführungen.
Vorzugsweise ist die erste Anschlussebene hierbei im Wesentlichen in Form eines Rings ausgebildet, wobei die Zuluft-Anschlüsse in der Stirnfläche des Rings über den Ring verteilt angeordnet sind. Die Abluft-Anschlüsse in der zweiten Anschlussebene sind dann vorzugsweise im Wesentlichen mittig innerhalb des Rings der ersten Anschlussebene angeordnet.
Darüber hinaus weist die zweite Anschlussebene des Lagerflanschs zur Aufnahme einer farbrohrseitig montierten Passfeder zur Verdrehsicherung und Zentrierung eines Farbrohrs vorzugsweise eine Passfedernut auf.
Ferner kann die zweite Anschlussebene des Lagerflanschs mindestens einen Gewindesatz aufweisen zum Befestigen eines Farbrohrs.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass die zweite Anschlussebene des Lagerflanschs an ihrer distalen Seite eine im Wesentlichen plane Auflagefläche aufweist.
Weiterhin enthält der Lagerflansch vorzugsweise mindestens eine Durchführbohrung zur Durchführung eines Lichtwellenleiters zur Drehzahlerfassung der Antriebsturbine, wobei die Durchführbohrung für den Lichtwellenleiter vorzugsweise in der zweiten Anschlussebene angeordnet ist.
Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass der Abluft-Anschluss für Bremsluft und/oder Lagerluft vorzugsweise gegenüber den anderen Abluft-Anschlüssen (z. B. für Motorantriebsluft und Lenkluft) radial nach außen versetzt ist.
Ferner ist noch zu erwähnen, dass der Abluft-Anschluss für die Antriebsluft vorzugsweise einen wesentlich größeren Querschnitt aufweist als die anderen Abluft-Anschlüsse.
Darüber hinaus kann die erste Anschlussebene des Lagerflanschs einen axial ausgerichteten Passstift und/oder eine axial ausgerichtete Aufnahmebohrung für einen derartigen Passstift aufweisen, um die Antriebsturbine zu positionieren.
Weiterhin unterscheidet sich der erfindungsgemäße neuartige Lagerflansch vorzugsweise auch durch die Dichtung der Anschlüsse. So werden in dem erfindungsgemäßen Lagerflansch vorzugsweise Axialdichtungen (z. B. O-Ringe) anstelle der herkömmlicherweise verwendeten radial abdichtenden O-Ringe verwendet. Hierdurch können größere Kanalquerschnitte realisiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei den herkömmlicherweise verwendeten radial abdichtenden O-Ringen eingepresste Nippel erforderlich sind, deren Wegfall somit bei dem erfindungsgemäßen Lagerflansch den Montagekomfort steigert.
Darüber hinaus ist noch zu erwähnen, dass der erfindungsgemäße Rotationszerstäuber vorzugsweise einen Glockenteller mit einem bestimmten Durchmesser im Bereich von 30–80 mm trägt, wobei der Außendurchmesser der Turbinen- bzw. Glockentellerwelle im Bereich von 24–28 mm liegt. Im Rahmen der Erfindung wird also ein besonders vorteilhaftes Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Glockentellers einerseits und dem Wellendurchmesser andererseits angestrebt, wobei dieses Verhältnis vorzugsweise im Bereich von 1,07–3,33 liegt.
Schließlich ist zu erwähnen, dass die Erfindung auch Schutz beansprucht für die vorstehend genannten einzelnen Bauteile (z. B. Zwischenhülse, Lagereinheit, Statorring, Umlenkring, Lagerflansch etc.), unabhängig von den sonstigen technischen Merkmalen und Bauteilen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Axialturbine zum Antrieb eines Rotationszerstäubers,
2 eine schematische perspektivische Darstellung zur Verdeutlichung der Montage mehrerer Rotorringe der Axialturbine auf der Turbinenwelle,
3 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Axialturbine zum Antrieb eines Rotationszerstäubers,
4 eine Schnittansicht des vorderen Bereichs der Antriebsturbine gemäß 3,
5 eine aufgeschnittene Perspektivansicht des Turbinengehäuses der Antriebsturbine aus den 3 und 4,
6 eine aufgeschnittene Perspektivansicht der Zwischenhülse der Antriebsturbine gemäß den 4 und 5, wobei in der Zwischenhülse ein Radiallager und ein Umlenkring bereits montiert sind,
7 eine aufgeschnittene Perspektivansicht der Antriebsturbine selbst, wobei die Antriebsturbine mehrere Statorringe und mehrere Rotorringe umfasst,
8 eine aufgeschnittene Perspektivansicht eines Radial-Axial-Lagers der Antriebsturbine aus den 3 bis 7,
9 eine aufgeschnittene Perspektivansicht der Turbinenwelle der Antriebsturbine mit einer Bremse aus den 3 bis 8,
10 eine schematische Darstellung der Schaufelgeometrie der Turbinenschaufeln,
11 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Rotationszerstäubers mit der Antriebsturbine gemäß den 3 bis 9,
12A eine Stirnansicht des Lagerflanschs der Antriebsturbine mit zahlreichen Anschlüssen, sowie
12B eine leicht perspektivische Darstellung des Lagerflanschs der Antriebsturbine.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebsturbine 1 zum Antrieb einer Turbinenwelle 2, die im Betrieb an ihrem distalen Ende 2 einen herkömmlichen Glockenteller 3 trägt.
Die Antriebsturbine 1 ist hierbei im Gegensatz zu herkömmlichen Radialturbinen als Axialturbine ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Antriebsluft die Axialturbine in axialer Richtung durchströmt.
Hierzu weist die Antriebsturbine 1 mehrere Rotorringe 4, 5, 6 auf, die auf die äußere Mantelfläche der Turbinenwelle 2 aufgeschrumpft sein können, wie noch detailliert unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird.
Darüber hinaus weist die Antriebsturbine 1 mehrere Statorringe 7, 8 auf, die jeweils zwischen zwei der benachbarten Rotorringe 4–6 angeordnet sind.
Die Antriebsluft wird hierbei roboterseitig zugeführt und strömt in axialer Richtung zunächst außerhalb der Antriebsturbine 1 bis zu einem Umlenkring 9, der die Antriebsluft um 180° umlenkt und in den ersten Rotorring 4 einleitet.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass der ringförmige Durchströmungsquerschnitt der Antriebsturbine 1 in Strömungsrichtung (d. h. in der Zeichnung von links nach rechts) zunimmt. Weiterhin ist ersichtlich, dass der Schaufelgrunddurchmesser der Rotorringe 4, 5, 6 konstant ist, wohingegen die Schaufelhöhe der Rotorringe 4, 5, 6 unterschiedlich ist, um den in Strömungsrichtung zunehmenden Durchströmungsquerschnitt zu realisieren.
Aus der ebenfalls schematischen Darstellung in 2 ist ersichtlich, dass die Rotorringe 5, 6 einfach in axialer Richtung auf die Turbinenwelle 2 aufgeschoben werden können, um die Rotorringe 5, 6 auf der Turbinenwelle 2 zu montieren. Die montierten Rotorringe 5, 6 können dann auf der Turbinenwelle 2 fixiert werden, beispielsweise durch einen Presssitz oder durch thermisches Schrumpfen.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die 3 bis 9 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsturbine 10 beschrieben, wobei die Antriebsturbine 10 ein Turbinengehäuse 11, eine Zwischenhülse 12 mit einem Radiallager 13 und einem Umlenkring 14, eine Turbineneinheit 15 mit Stator- und Rotorringen, ein Radial-Axial-Lager 16, eine Turbinenwelle 17 mit einem angeformten Bremsturbinenrad 18, einen Distanzring 19 und einen Lagerflansch 20 aufweist.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die perspektivischen Darstellungen in den 4 und 5 zunächst der Aufbau und die Funktion des Turbinengehäuses 11 beschrieben.
Zunächst ist zu erwähnen, dass das Turbinengehäuse 11 an seiner Stirnseite einen Lenkluftring mit mehreren Lenkluftdüsen aufweist, wobei über die Lenkluftdüsen 21 ein Lenkluftstrahl abgegeben werden kann, um den von dem Glockenteller abgegebenen Sprühstrahl des Beschichtungsmittels formen zu können, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Das Turbinengehäuse 11 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem mechanisch tragfähigen Material (z. B. eine Aluminiumlegierung) und ist teilweise von einer Abdeckung 11' umgeben, die aus Kunststoff besteht.
In dem Turbinengehäuse 11 befindet sich im vorderen Bereich eine elektrische Durchkontaktierung 22, die mit einer entsprechend angepassten Durchkontaktierung 23 in der Zwischenhülse 12 (vgl. 6) zusammenwirkt und eine elektrische Kontaktierung ermöglicht.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die perspektivischen Darstellungen in den 4 und 6 die Funktion und die Konstruktion der Zwischenhülse 12 beschrieben.
Im vorderen Bereich trägt die Zwischenhülse 12 das Radiallager 13 zur Lagerung der Turbinenwelle 17.
In axialer Richtung dahinter befindet sich der Umlenkring 14, der die Aufgabe hat, die radial in den Umlenkring 14 eintretende Antriebsluft rechtwinklig nach hinten abzulenken, damit die Antriebsluft in die axial hinter dem Umlenkring 14 befindliche Turbineneinheit 15 eintritt, wobei die Turbineneinheit 15 in 6 nicht dargestellt ist.
Aus den 4 und 6 ist jedoch ersichtlich, dass die Zwischenhülse 12 über den Umfang verteilt mehrere Radialbohrungen 24 aufweist, in die entsprechend angepasste Madenschrauben eingeschraubt werden können, um die Turbineneinheit 15 in axialer Richtung zu fixieren, wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die 4 und 7 der Aufbau und die Funktionsweise der Turbineneinheit 15 beschrieben. So besteht die Turbineneinheit 15 in diesem Ausführungsbeispiel aus mehreren Rotorringen 25, 26, 27, die auf der Turbinenwelle 17 angeordnet und verdrehsicher mit der Turbinenwelle 17 verbunden sind.
Die Rotorringe 25, 27 sind von mehreren Statorringen 28, 29 umgeben, wobei die Statorringe 28, 29 fest montiert sind und sich im Betrieb nicht drehen.
Aus 7 ist weiterhin ersichtlich, dass die Turbineneinheit 15 einen ringförmigen Durchströmungsquerschnitt aufweist, der sich in Strömungsrichtung mit einem Aufweitungswinkel α erweitert, so dass der Durchströmungsquerschnitt des stromabwärts gelegenen Rotorrings 27 größer ist als der Durchströmungsquerschnitt des stromaufwärts gelegenen Rotorrings 25. Dies ist strömungstechnisch sinnvoll, weil sich die Antriebsluft beim Durchströmen der Turbineneinheit von einer Stufe zur nächsten Stufe entspannt. Der Aufweitungswinkel α kann beispielsweise im Bereich von 5°–10° liegen und wird durch strömungstechnische Überlegungen bestimmt.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die 4 und 9 die Funktionsweise und die Konstruktion der Turbinenwelle 17 beschrieben.
An ihrem distalen Ende weist die Turbinenwelle 17 sowohl innen als auch außen jeweils eine Ringnut 30, 31 auf, die zur Montage eines Glockentellers dient. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Turbinenwelle 17 an ihrem distalen Ende ein Innengewinde trägt, auf das der Glockenteller aufgeschraubt werden kann.
Darüber hinaus weist die Turbinenwelle 17 zwei Lagerstellen 32, 33 auf, an denen die Turbinenwelle in dem Radiallager 13 bzw. in dem Radial-Axial-Lager 16 gelagert ist.
Schließlich weist die Turbinenwelle 17 noch das angeformte Bremsturbinenrad 18 auf, um die Turbinenwelle 17 mit dem daran montierten Glockenteller möglichst schnell abbremsen zu können. Das Bremsturbinenrad 18 ist hierbei als Pelton-Turbinenrad ausgebildet und weist deshalb zahlreiche Turbinenschaufeln auf, die für eine radiale Beströmung mit Antriebsluft ausgebildet sind, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Hierbei ist zu erwähnen, dass das Bremsturbinenrad 18 in axialer Richtung außerhalb der beiden Lagerstellen 32, 33 angeordnet ist. Im Gegensatz dazu befindet sich die Turbineneinheit 15 der Antriebsturbine 10 im montierten Zustand axial zwischen den beiden Lagerstellen 32, 33.
Weiterhin zeigt 10 eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel 34 mit einer Vorderkante 35 und einer Hinterkante 36. Die Vorderkante 35 der Turbinenschaufel 34 ist hierbei gegenüber einer schematisch dargestellten Axialrichtung 37 um einen Einlaufwinkel α_IN ungefähr gleich 70° angewinkelt. Darüber hinaus ist auch die Hinterkante 36 der Turbinenschaufel 34 um einen Auslaufwinkel α_OUT gegenüber der Axialrichtung 37 angewinkelt, wobei der Einlaufwinkel α_IN ungefähr gleich dem Auslaufwinkel α_OUT ist.
Schließlich zeigt 11 einen erfindungsgemäßen Rotationszerstäuber 38 mit der schematisch dargestellten Antriebsturbine 10, die einen Glockenteller 39 antreibt.
Darüber hinaus ist in dieser Zeichnung eine Ventileinheit 40 schematisch dargestellt.
Schließlich zeigt die Zeichnung noch einen Elektrodenring 41 für eine Außenaufladung des von dem Glockenteller 39 abgesprühten Beschichtungsmittels.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die 12A und 12B der Aufbau und die Funktionsweise des Lagerflanschs 20 beschrieben, der bereits in 3 perspektivisch dargestellt ist.
Bemerkenswert ist hierbei, dass der Lagerflansch 20 zwei Anschlussebenen E1, E2 aufweist, die axial beabstandet sind, wie aus 3 ersichtlich ist.
Die erste Anschlussebene E1 enthält hierbei sämtliche Zuluft-Anschlüsse LL1–LL3, ML1–ML2, BR1 und MLL1, nämlich für Lenkluft, Motorluft bzw. Antriebsluft, Motorlagerluft und Bremsluft.
Die zweite Anschlussebene E2 enthält dagegen sämtliche Abluft-Anschlüsse AL_MLL1, AL_ML, AL_BR1.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die erste Anschlussebene E1 proximal in Form eines Rings ausgebildet ist, wobei die verschiedenen Zuluft-Anschlüsse LL1–LL3, ML1–ML2, BR1 und MLL1 in der Stirnfläche des Rings angeordnet sind.
In der distal angeordneten zweiten Anschlussebene E2 sind die Abluft-Anschlüsse AL_MLL1, AL_ML, AL_BR1 dagegen im Wesentlichen mittig innerhalb des Rings der ersten Anschlussebene E1 angeordnet.
Weiterhin umfasst der Lagerflansch 20 noch Gewindeeinsätze GWE_T für die Turbine, Gewindeeinsätze GWE_FR für ein Farbrohr, eine Bohrung LWL für einen Lichtwellenleiter zur Drehzahlerfassung sowie eine Passfeder PF und einen Zentrierstift ZS.
Von Bedeutung ist ferner, dass die verschiedenen Zuluft-Anschlüsse LL1–LL3, ML1–ML2, BR1 und MLL1 und die Abluft-Anschlüsse AL_MLL1, AL_ML, AL_BR1 im Gegensatz zu herkömmlichen Lagerflanschen von Antriebsturbinen nicht durch radial abdichtende O-Ringe abgedichtet sind, sondern durch axial (flach) abdichtende O-Ringe. Dies bietet den Vorteil, dass größere Kanalquerschnitte realisiert werden können. Darüber hinaus wird durch den Wegfall der ansonsten bei radial abdichtenden O-Ringen erforderlichen Nippel der Montagekomfort gesteigert.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand der Unteransprüche unabhängig von dem Gegenstand der in Bezug genommenen und vorgeordneten Ansprüche.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsturbine
2: Turbinenwelle
3: Glockenteller
4: Rotorring
5: Rotorring
6: Rotorring
7: Statorring
8: Statorring
9: Umlenkring
10: Antriebsturbine
11: Turbinengehäuse
11': Abdeckung
12: Zwischenhülse
13: Radiallager
14: Umlenkring
15: Turbineneinheit
16: Radial-Axial-Lager
17: Turbinenwelle
18: Bremsturbinenrad
19: Distanzring
20: Lagerflansch
21: Lenkluftdüsen
22: Durchkontaktierung
23: Durchkontaktierung
24: Radialbohrung
25: Rotorring
26: Rotorring
27: Rotorring
28: Statorring
29: Statorring
30: Ringnut
31: Ringnut
32: Lagerstelle
33: Lagerstelle
34: Turbinenschaufel
35: Vorderkante der Turbinenschaufel
36: Hinterkante der Turbinenschaufel
37: Axialrichtung
38: Rotationszerstäuber
39: Glockenteller
40: Ventileinheit
41: Elektrodenring
α: Aufweitungswinkel des Durchströmungsquerschnitts
α_IN: Einlaufwinkel der Turbinenschaufeln
α_OUT: Auslaufwinkel der Turbinenschaufeln
LL1: Zuluft-Anschluss für Lenkluft 1
LL2: Zuluft-Anschluss für Lenkluft 2
LL3: Zuluft-Anschluss für Lenkluft 3
ML1: Zuluft-Anschluss für Motorluft 1
ML2: Zuluft-Anschluss für Motorluft 2
GWE_T: Gewindeeinsatz für Turbine
GWE_FR: Gewindeeinsatz für Farbrohr
E1: Erste Anschlussebene
E2: Zweite Anschlussebene
AL_MLL1: Abluft-Anschluss für Motorlagerluft 1
AL_ML: Abluft-Anschluss für Motorluft
AL_BR1: Abluft-Anschluss für Bremsluft 1
BR1: Zuluft-Anschluss für Bremsluft 1
MLL1: Zuluft-Anschluss für Motorlagerluft 1
LWL: Bohrung für Lichtwellenleiter
PF: Passfeder
ZS: Zentrierstift

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009034645 [0007]

Claims

Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) für eine Antriebsturbine (1; 10) eines Rotationszerstäubers (38), mit a) einer drehbar gelagerten Turbinenwelle (2; 17) mit einer Montagemöglichkeit für einen Glockenteller (3; 39), und b) mindestens einem Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) mit mehreren Turbinenschaufeln (34), wobei die Turbinenschaufeln (34) des Antriebsturbinenrades (4–6; 25–27) im Betrieb von einem Antriebsfluid angeströmt werden, um den Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, c) dass das Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) für eine axiale Beströmung der Turbinenschaufeln (34) mit dem Antriebsfluid ausgelegt ist.
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass axial hintereinander mehrere Antriebsturbinenräder (4–6; 25–27) angeordnet sind, wobei die einzelnen Antriebsturbinenräder (4–6; 25–27) jeweils mehrere Turbinenschaufeln (34) aufweisen, die für eine axiale Beströmung mit dem Antriebsfluid ausgelegt sind, und/oder b) dass sich die Antriebsturbinenräder (4–6; 25–27) in axialer Richtung gemeinsam über eine bestimmte Antriebslänge erstrecken und in einem Turbinengehäuse (11) mit einem bestimmten Außendurchmesser angeordnet sind, wobei das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des Turbinengehäuses (11) und der Antriebslänge größer ist als 0,4, 0,5 0,6 oder 0,625 und/oder kleiner als 1, 0,9, 0,8 oder 0,780, und/oder c) dass sich die Antriebsturbinenräder (4–6; 25–27) in axialer Richtung gemeinsam über eine bestimmte Antriebslänge erstrecken und von Statorringen (7, 8; 28, 29) mit einem bestimmten maximalen Außendurchmesser umgeben sind, wobei das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser der Statorringe (7, 8; 28, 29) und der Antriebslänge größer ist als 0,4 und/oder kleiner als 0,5.
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet a) dass die Turbinenschaufeln (34) des Antriebsturbinenrades (4–6; 25–27) zwischen einem radial innen liegenden Schaufelansatz und einem radial außen liegenden Schaufelende eine bestimmte Schaufelhöhe in radialer Richtung aufweisen, b) dass die Schaufelhöhe größer ist als 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 5 mm und/oder kleiner als 60 mm, 50 mm, 25 mm, 20 mm, 15 mm, 10 mm, und/oder c) dass die Antriebsturbinenräder (4–6; 25–27) unterschiedliche Schaufelhöhen aufweisen, wobei die Schaufelhöhe in Strömungsrichtung und/oder entgegen der Absprührichtung des Rotationszerstäubers (38) zunimmt, und/oder d) dass die Turbinenschaufeln (34) des Antriebsturbinenrades (4–6; 25–27) dazu ausgelegt sind, dass das Antriebsfluid die Turbinenschaufeln (34) entgegen der Absprührichtung des Rotationszerstäubers (38) beströmt, oder e) dass die Turbinenschaufeln (34) des Antriebsturbinenrades (4–6; 25–27) dazu ausgelegt sind, dass das Antriebsfluid die Turbinenschaufeln (34) in der Absprührichtung des Rotationszerstäubers (38) beströmt.
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch a) ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Schaufelhöhe des Antriebsturbinenrades (4–6; 25–27) einerseits und dem Durchmesser der Turbinenwelle (2; 17) andererseits, wobei das Verhältnis größer ist 0,01, 0,012 oder 0,015 und/oder kleiner als 3, 2,5, 2, 1,5, 1 oder 0,5, und/oder b) einen bestimmten Schaufelgrunddurchmesser, wobei der Schaufelgrunddurchmesser konstant ist, und/oder c) eine bestimmte Beschaufelungsdichte des Antriebsturbinenrades (4–6; 25–27), wobei die Beschaufelungsdichte größer ist als 15, 17 oder 19 Turbinenschaufeln (34) pro Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) und/oder kleiner als 80, 70 oder 60 Turbinenschaufeln (34) pro Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27), und/oder d) dass die Antriebsturbinenräder (4–6; 25–27) unterschiedliche Beschaufelungsdichten aufweisen, und/oder e) dass die Beschaufelungsdichte der Antriebsturbinenräder (4–6; 25–27) von einem Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) zum nächsten Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) in Strömungsrichtung zunimmt, oder f) dass die Beschaufelungsdichte der Antriebsturbinenräder (4–6; 25–27) von einem Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) zum nächsten Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) entgegen der Strömungsrichtung zunimmt.
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) als einteiliger oder mehrteiliger Ring ausgebildet ist, der lösbar auf der Turbinenwelle (2; 17) angeordnet ist, und/oder b) dass der Ring auf der Turbinenwelle (2; 17) festgeklemmt ist, insbesondere durch eine Presssitz oder durch aufschrumpfen, und/oder c) dass die Turbinenschaufeln (34) des Antriebsturbinenrades (4–6; 25–27) durch ein generatives Herstellungsverfahren hergestellt sind, und/oder d) dass das Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) und die Turbinenwelle (2; 17) einstückig ausgebildet sind, insbesondere durch spanabhebendes Umformen eines Rohlings der Turbinenwelle (2; 17).
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass ein Bremsturbinenrad (18) mit mehreren Turbinenschaufeln (34) vorgesehen ist, wobei die Turbinenschaufeln (34) des Bremsturbinenrades (18) im Betrieb von einem Bremsfluid angeströmt werden können, um den Turbinenrotor abzubremsen, und/oder b) dass das Bremsturbinenrad (18) für eine radiale Beströmung mit dem Bremsfluid ausgelegt ist, und/oder c) dass das Bremsturbinenrad (18) ein Pelton-Turbinenrad ist, und/oder d) dass das Bremsturbinenrad (18) in axialer Richtung zwischen zwei Lagerstellen (32, 33) oder außerhalb der Lagerstellen (32, 33) angeordnet ist, und/oder e) dass das Bremsturbinenrad (18) einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist als das Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27).
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufeln (34) des Antriebsturbinenrads und/oder des Bremsturbinenrades (18) jeweils a) ein symmetrisches Profil, b) ein halbsymmetrisches Profil, c) ein S-Schlag-Profil oder d) ein Keulenprofil aufweisen.
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Turbinenschaufeln (34) des Antriebsturbinenrads und/oder des Bremsturbinenrades (18) jeweils eine Vorderkante (35) aufweisen, die mit einem bestimmten Einlaufwinkel (α_IN) gegenüber der Rotationsachse (37) des Turbinenrotors ausgerichtet sind, und/oder b) dass die Turbinenschaufeln (34) des Antriebsturbinenrads und/oder des Bremsturbinenrades (18) jeweils eine Hinterkante (36) aufweisen, die mit einem bestimmten Auslaufwinkel (α_OUT) gegenüber der Rotationsachse (37) des Turbinenrotors ausgerichtet ist, und/oder c) dass die Summe aus dem Einlaufwinkel (α_IN) und dem Auslaufwinkel (α_OUT) größer ist als 90°, 100° oder 110° und/oder kleiner 160°, 150° oder 145°, und/oder d) dass der Auslaufwinkel (α_OUT) mit einem Toleranzbereich von ±10° oder ±5° dem Einlaufwinkel (α_IN) entspricht, und/oder e) dass der Auslaufwinkel (α_OUT) größer ist als 55°, 60° oder 65° und/oder kleiner als 85°, 80° oder 75°.
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Turbinenrotor eine bestimmte spezifische Drehzahl n_s aufweist, die sich nach folgender Formel berechnet:
mit: v: Volumetrischer Durchfluss am Eintritt [m³/s] e: Spezifische Arbeit [J/kg] ω: Rotationsgeschwindigkeit [rad/s], und b) dass die spezifische Drehzahl n_s kleiner ist als 0,4 oder 0,3 und/oder größer als 0,07 oder 0,1.
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Turbinenwelle (2; 17) mehrere Lagerstellen (32, 33) aufweist zur drehbaren Lagerung der Turbinenwelle (2; 17) in jeweils einem Lager, und b) dass das Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) in axialer Richtung zwischen den beiden Lagerstellen (32, 33) angeordnet ist.
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Lagerstellen (32, 33) der Turbinenwelle (2; 17) jeweils eine bestimmte Lagerlänge in axialer Richtung aufweisen, und b) dass die Turbinenwelle (2; 17) einen bestimmten Wellendurchmesser aufweist, und c) dass die Lagerlänge ein bestimmtes Verhältnis zu dem Wellendurchmesser aufweist, und d) dass das Verhältnis größer ist als 0,6, 0,7 oder 0,8 und/oder kleiner als 1,4, 1,3 oder 1,2.
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Turbinenwelle (2; 17) hohl ist und einen Welleninnendurchmesser aufweist, der ausreichend ist, um ein Farbrohr mit zwei Hauptnadeln und zwei Rückführungen aufzunehmen, und/oder b) dass die Turbinenwelle (2; 17) hohl ist und einen Welleninnendurchmesser aufweist, der ausreichend ist, um zwei Mischelemente für Zweikomponentenmaterial aufzunehmen, und/oder c) dass die Turbinenwelle (2; 17) hohl ist und einen Welleninnendurchmesser von mehr als 18 mm, 19 mm oder 20 mm und/oder weniger als 22 mm, 21 mm oder 20 mm aufweist.
Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Lagerstellen (32, 33) einen axialen Abstand von mehr als 3 cm, 6 cm oder 10 cm aufweisen, und/oder b) dass die Turbinenwelle (2; 17) in axialer Richtung kürzer ist als 15 cm, 14 cm oder 13 cm.
Antriebsturbine (1; 10) für einen Rotationszerstäuber (38) mit einem Turbinenrotor (17, 25, 26, 27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Antriebsturbine (1; 10) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch a) eine bestimmte spezifische mechanische Antriebsleistung als Verhältnis zwischen der mechanischen Antriebsleistung einerseits und dem Volumenstrom des zugeführten Antriebsfluids andererseits, wobei die spezifische Antriebsleistung größer ist als 0,6 Wmin/Nl, 0,7 Wmin/Nl, 0,8 Wmin/Nl oder 0,9 Wmin/Nl, und/oder b) eine bestimmte spezifische mechanische Antriebsleistung als Verhältnis zwischen der mechanischen Antriebsleistung einerseits und der Masse der Antriebsturbine (1; 10) andererseits, wobei das Verhältnis größer ist als 0,7 W/g, 0,8 W/g, 0,9 W/g oder 1 W/g und/oder kleiner als 2 W/g, 1,7 W/g, 1,6 W/g, oder 1,5 W/g, und/oder c) eine bestimmte spezifische mechanische Antriebsleistung als Verhältnis zwischen der mechanischen Antriebsleistung einerseits und dem Bauraum der Antriebsturbine (1; 10) andererseits, wobei das Verhältnis größer ist 1,5 W/cm³, 2 W/cm³ oder 1,5 W/cm³ und/oder kleiner als 10 W/cm³, 6 W/cm³, 4,5 W/cm³, und/oder d) eine mechanische Antriebsleistung von mehr als 1000 W, 1200 W, 1300 W oder 1400 W, und/oder weniger als 100 kW, 50 kW, 25 kW, 10 kW, 5 kW oder 2 kW, und/oder e) einen thermischen Wirkungsgrad von mehr als 50%, 60% oder 70%, insbesondere bei einer Drehzahl zwischen 40000 min^–1 und 60000 min^–1 und einem Volumenstrom des Antriebsfluids zwischen 800 Nl/min und 1200 Nl/min, und/oder f) eine spezifische mechanische Antriebsleistung von mehr als 0,1, 0,2 0,3 oder 0,4 W/mbar als Verhältnis zwischen der mechanischen Antriebsleistung einerseits und der Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass andererseits.
Antriebsturbine (1; 10) nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Antriebsturbine (1; 10) einen Umlenkring (9; 14) aufweist, um das Antriebsfluid umzulenken, wobei das Antriebsfluid quer, insbesondere rechtwinklig, zur Absprührichtung des Rotationszerstäubers (38) in den Umlenkring (9; 14) eintritt und entgegen der Absprührichtung des Rotationszerstäubers (38) aus dem Umlenkring (9; 14) austritt, um das Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) anzuströmen, und/oder b) dass das Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27) einen ringförmigen Durchströmungsquerschnitt aufweist und der Umlenkring (9; 14) das Antriebsfluid gleichmäßig über den gesamten Durchströmungsquerschnitt verteilt, und/oder c) dass der Umlenkring (9; 14) einen integrierten und/oder einstückig angeformten Stator aufweist, und/oder d) dass der Umlenkring (9; 14) eine Abdichtung bildet oder eine separate Dichtung enthält, um einen Ringspalt zwischen dem Umlenkring (9; 14) und der Turbinenwelle (2; 17) zu dem Glockenteller (3; 39) hin abzudichten.
Antriebsturbine (1; 10) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet durch a) ein Turbinengehäuse (11) und b) mindestens eine Lenkluftleitung zur Versorgung eines Lenkluftrings mit Lenkluft zur Formung des von dem Rotationszerstäuber (38) abgegebenen Sprühstrahls, wobei die Lenkluftleitung mindestens teilweise durch das Turbinengehäuse (11) hindurch geführt ist.
Antriebsturbine (1; 10) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch a) eine Lagereinheit zur drehbaren Lagerung des Turbinenrotors und b) ein Farbrohr zur Zuführung des zu applizierenden Beschichtungsmittels, wobei das Farbrohr durch die hohle Turbinenwelle (2; 17) hindurchragt und an der Lagereinheit befestigt ist, insbesondere durch eine Verschraubung, und/oder c) eine justierbare Zentriereinrichtung zur Zentrierung des Farbrohrs in der hohlen Turbinenwelle (2; 17).
Antriebsturbine (1; 10) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, gekennzeichnet durch eine Zwischenhülse (12) zur Aufnahme eines Radiallagers (13) und/oder des Umlenkrings (9; 14) und/oder eine Teils des Turbinenrotors.
Antriebsturbine (1; 10) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, a) dass ein Turbinengehäuse (11) vorgesehen ist, wobei das Turbinengehäuse (11) aus Kunststoff besteht, während die Zwischenhülse (12) aus Metall, insbesondere Aluminium, besteht, und/oder b) dass die Zwischenhülse (12) den Umlenkring (9; 14) mit dem Antriebsfluid speist, und/oder c) dass die Zwischenhülse (12) das Antriebsfluid umlenkt, wobei das Antriebsfluid in der Absprührichtung in die Zwischenhülse (12) eintritt und quer, insbesondere rechtwinklig, zur Absprührichtung nach innen aus der Zwischenhülse (12) austritt und in den Umlenkring (9; 14) übertritt.
Antriebsturbine (1; 10) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, gekennzeichnet durch mindestens einen Statorring (7, 8; 28, 29) mit mehreren Leitschaufeln, wobei der Statorring (7, 8; 28, 29) die Turbinenwelle (2; 17) ringförmig umgibt und ortsfest angeordnet ist.
Antriebsturbine (1; 10) nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Antriebsturbine (1; 10) einen Lagerflansch (20) aufweist, um die Antriebsturbine (1; 10) mechanisch und fluidisch mit einem Rotationszerstäuber (38) zu verbinden, in den die Antriebsturbine (1; 10) eingebaut wird, und/oder b) dass der Lagerflansch (20) anschlussseitig eine erste Anschlussebene (E1) und eine zweite Anschlussebene (E2) aufweist, und/oder c) dass die erste Anschlussebene (E1) des Lagerflanschs (20) axial von der zweiten Anschlussebene (E2) beabstandet ist, und/oder d) dass die erste Anschlussebene (E1) des Lagerflanschs (20) proximal und die zweite Anschlussebene (E2) distal angeordnet ist, und/oder e) dass die erste Anschlussebene (E1) des Lagerflanschs (20) alle Zuluft-Anschlüsse (LL1–LL3, ML1–ML2, BR1, MLL1) für Luftzuführungen enthält, insbesondere für Lenkluft, Antriebsluft, Lagerluft und Bremsluft, und/oder f) dass die zweite Anschlussebene (E2) des Lagerflanschs (20) alle Abluft-Anschlüsse (AL_MLL1, AL_ML, AL_BR1) für Luftrückführungen enthält, und/oder g) dass die erste Anschlussebene (E1) des Lagerflanschs (20) im Wesentlichen in Form eines Rings ausgebildet ist, wobei die Zuluft-Anschlüsse (LL1–LL3, ML1–ML2, BR1, MLL1) in der Stirnfläche des Rings über den Ring verteilt angeordnet sind, und/oder h) dass die Abluft-Anschlüsse (AL_MLL1, AL_ML, AL_BR1) in der zweiten Anschlussebene (E2) im Wesentlichen mittig innerhalb des Rings der ersten Anschlussebene (E1) angeordnet sind, und/oder i) dass die zweite Anschlussebene (E2) des Lagerflanschs (20) eine Passfedernut aufweist zur Aufnahme einer farbrohrseitig montierten Passfeder (PF) zur Verdrehsicherung und Zentrierung eines Farbrohrs, und/oder j) dass die zweite Anschlussebene (E2) des Lagerflanschs (20) mindestens einen Gewindeeinsatz (GWE_T, GWE_FR) aufweist zum Befestigen eines Farbrohrs, und/oder k) dass die zweite Anschlussebene (E2) des Lagerflanschs (20) an ihrer distalen Seite eine im Wesentlichen plane Auflagefläche aufweist, und/oder 1) dass der Lagerflansch (20) mindestens eine Durchführbohrung (LWL) aufweist, insbesondere in der zweiten Anschlussebene, zur Durchführung eines Lichtwellenleiters zur Drehzahlerfassung der Antriebsturbine, und/oder m) dass der Abluft-Anschluss (AL_MLL1, AL_BR1) für Bremsluft und/oder Lagerluft gegenüber den anderen Abluft-Anschlüssen (AL_ML) radial nach außen versetzt sind, und/oder n) dass der Abluft-Anschluss (AL_ML) für Antriebsluft einen wesentlich größeren Querschnitt aufweist als die anderen Abluft-Anschlüsse (AL_MLL1, AL_BR1), und/oder o) dass die erste Anschlussebene (E1) des Lagerflanschs (20) einen axial ausgerichteten Passstift und/oder eine axial ausgerichtete Aufnahmebohrung für einen Passstift aufweist, um die Antriebsturbine zu positionieren, und/oder p) dass die Zuluft-Anschlüsse (LL1–LL3, ML1–ML2, BR1, MLL1) und/oder die Abluft-Anschlüsse (AL_MLL1, AL_ML, AL_BR1) durch eine Axialdichtung abgedichtet sind.
Zwischenhülse (12), Lagereinheit, Antriebsturbinenrad (4–6; 25–27), Umlenkring (9; 14), Statorring (7, 8; 28, 29) oder Lagerflansch (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 oder 20 als einzelnes Bauteil.
Rotationszerstäuber (38) mit einer Antriebsturbine (1; 10) nach einem der Ansprüche 14 bis 21.
Verwendung einer Axialturbine zum Antrieb eines Rotationszerstäubers (38).