DE102022105999A1

DE102022105999A1 - Turbinenantrieb für einen Rotationszerstäuber und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102022105999A1
Application number: DE102022105999.5A
Authority: DE
Inventors: Arved Hess; Tobias Kleinhans; Josip Kutnjak; Bernhard Seiz; Harry Krumma
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2022-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2023-09-21
Also published as: WO2023174697A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbinenantrieb für einen Rotationszerstäuber, mit einem drehbaren Turbinenrad mit mehreren Turbinenschaufeln, einer ersten Antriebsdüse (3) zur Abgabe eines Antriebsgases, insbesondere von Druckluft, auf die Turbinenschaufeln des Turbinenrads, um das Turbinenrad anzutreiben, einer ersten Antriebsgaszuführung (5) zur Zuführung des Antriebsgases zu der ersten Antriebsdüse (3), und mit einer zweiten Antriebsdüse (4) zur Abgabe des Antriebsgases auf die Turbinenschaufeln des Turbinenrads, um das Turbinenrad anzutreiben. Die Erfindung sieht zusätzlich eine zweite Antriebsgaszuführung (6) vor zur Zuführung des Antriebsgases zu der zweiten Antriebsdüse (4), wobei die zweite Antriebsgaszuführung (6) von der ersten Antriebsgaszuführung (5) getrennt ist, so dass die zweite Antriebsdüse (4) unabhängig von der ersten Antriebsdüse (3) mit dem Antriebsgas versorgt werden kann. Weiterhin umfasst die Erfindung ein entsprechendes Betriebsverfahren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Turbinenantrieb für einen Rotationszerstäuber und ein entsprechendes Betriebsverfahren.
Hintergrund der Erfindung
In modernen Lackieranlagen zur Lackierung von Kraftfahrzeugkarosseriebauteilen werden als Applikationsgeräte üblicherweise Rotationszerstäuber eingesetzt, die von druckluftbetriebenen Turbinen angetrieben werden. Eine derartige Turbine ist beispielsweise aus EP 1 388 372 A1 bekannt. So weist diese bekannte Turbine ein drehbar gelagertes Turbinenrad mit zahlreichen Turbinenschaufeln auf, die über den Umfang des Turbinenrades verteilt angeordnet sind. Die Turbinenschaufeln werden zum Antrieb des Rotationszerstäubers mit Druckluft angeströmt, die aus mehreren Antriebsdüsen austritt, die über den Umfang des Turbinenrades verteilt angeordnet sind. Darüber hinaus kann das Turbinenrad auch abgebremst werden. Hierzu wird Bremsluft in entgegengesetzter Richtung aus einer Bremsdüse auf die Turbinenschaufeln abgegeben. Diese bekannte Turbine arbeitet bereits befriedigend, jedoch besteht trotzdem ein Interesse an einer Erhöhung der Effizienz der Turbine.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen entsprechend verbesserten Turbinenantrieb für einen Rotationszerstäuber zu schaffen. Darüber hinaus liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Betriebsverfahren für einen solchen Turbinenantrieb anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Turbinenantrieb bzw. durch ein entsprechendes Betriebsverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Die Erfindung beruht auf der technisch-physikalischen Erkenntnis, dass die Turbine bei einem Rotationszerstäuber im Betrieb oftmals nicht in einem optimalen Lastpunkt betrieben wird, wobei der Lastpunkt durch die Drehzahl und das Drehmoment bestimmt wird.
So wird beispielsweise bei einer Innenlackierung von Innenflächen von Kraftfahrzeugkarosseriebauteilen nur ein relativ geringer Lackstrom abgegeben, so dass auch eine entsprechend geringe mechanische Antriebsleistung der Turbine erforderlich ist.
Bei der Außenlackierung von Kraftfahrzeugkarosseriebauteilen werden dagegen relativ große Flächen lackiert, weshalb ein entsprechend großer Lackstrom appliziert wird, der wiederum eine relativ große mechanische Antriebsleistung der Turbine des Rotationszerstäubers erfordert.
Die Erfindung beruht darauf, dass die Turbinendüsen hinsichtlich Form und Düsenquerschnitt nur für einen bestimmten Lastpunkt optimiert sein können, so dass die im Betrieb eines Rotationszerstäubers auftretenden verschiedenen Lastpunkte dazu führen, dass die Turbine nicht immer in ihrem optimalen Lastpunkt betrieben wird. Der Betrieb der Turbine in einem nicht optimalen Lastpunkt führt jedoch zu einer Verringerung der Effizienz der Turbine. So führt eine Optimierung der Turbine für die Außenlackierung zu einer relativ schlechten Effizienz bei der Innenlackierung. Umgekehrt führt eine Optimierung der Turbine für die Innenlackierung zu einer relativ schlechten Effizienz bei der Außenlackierung.
Die Erfindung sieht deshalb vor, dass die Turbine verschiedene Antriebsdüsen aufweist, die aus getrennten Antriebsgaszuführungen mit dem jeweiligen Antriebsgas (z.B. Druckluft) versorgt werden können, so dass die verschiedenen Antriebsdüsen unabhängig voneinander aktiviert bzw. deaktiviert werden können. In Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastpunkt können dann die einen oder die anderen Antriebsdüsen aktiviert werden. Dies ermöglicht es, die Turbine auch bei wechselnden Lastpunkten jeweils in einem optimalen Betriebszustand zu betreiben, wodurch die Effizienz der Turbine bei wechselnden Lastpunkten erhöht wird.
Beispielsweise können bestimmte Antriebsdüsen für die Außenlackierung optimiert sein, während andere Antriebsdüsen für die Innenlackierung optimiert sind. Bei einer Außenlackierung werden dann diejenigen Antriebsdüsen ausgewählt, die für die Außenlackierung optimiert sind. Bei der Innenlackierung werden dagegen gezielt diejenigen Antriebsdüsen ausgewählt, die für die Innenlackierung optimiert sind.
Der erfindungsgemäße Turbinenantrieb ist für einen Rotationszerstäuber ausgelegt, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und beispielsweise in EP 1 388 372 A1 beschrieben wird.
So weist der erfindungsgemäße Turbinenantrieb in Übereinstimmung mit dem bekannten Turbinenantrieb ein drehbares Turbinenrad mit mehreren Turbinenschaufeln auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Turbine als Radialturbine ausgelegt, jedoch besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit einer Auslegung als Axialturbine.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Turbine in Übereinstimmung mit der eingangs beschriebenen bekannten Turbine mindestens zwei Antriebsdüsen auf, um die Turbinenschaufeln des drehbaren Turbinenrads mit einem Antriebsgas (z.B. Druckluft) anzuströmen, um das Turbinenrad anzutreiben.
Die Erfindung sieht nun vor, dass die verschiedenen Antriebsdüsen aus verschiedenen Antriebsgaszuführungen mit dem Antriebsgas versorgt werden, wobei die Antriebsgaszuführungen voneinander getrennt sind, so dass die Antriebsdüsen unabhängig voneinander mit dem Antriebsgas versorgt werden können. Dies ermöglicht es, in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastpunkt des Turbinenantriebs die jeweils am besten geeignete Antriebsdüse auszuwählen und mit dem Antriebsgas zu versorgen, während die anderen Antriebsdüsen deaktiviert sind und nicht mit dem Antriebsgas versorgt werden. Die Erfindung ermöglicht also eine gezielte Auswahl und Aktivierung bzw. Deaktivierung der einzelnen Antriebsluftdüsen in Abhängigkeit von dem Lastpunkt, um die Effizienz der Turbine entsprechend dem Lastpunkt zu optimieren.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind drei verschiedene Antriebsdüsen und drei Antriebsgaszuführungen vorgesehen, die voneinander getrennt sind und unabhängig voneinander betrieben werden können. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Anzahl der Antriebsdüsen und der separaten Antriebsgaszuführungen nicht auf eine bestimmte Anzahl beschränkt. So können auch mehr als drei Antriebsdüsen und entsprechend mehr als drei Antriebsgaszuführungen vorgesehen sein.
Beispielsweise können auch mehrere Gruppen von Antriebsdüsen vorgesehen sein, wobei die Antriebsdüsen der einzelnen Gruppen jeweils durch eine gemeinsame Antriebsgaszuführung mit dem Antriebsgas (z.B. Druckluft) versorgt werden. Beispielsweise kann eine erste Gruppe von Antriebsdüsen für die Außenlackierung optimiert sein, während eine zweite Gruppe von Antriebsdüsen für die Innenlackierung optimiert. Je nach Art der Lackierung (Außenlackierung/Innenlackierung) werden dann die Antriebsdüsen einer der beiden Gruppen ausgewählt und mit dem Antriebsgas versorgt, während die Antriebsdüsen der jeweils anderen Gruppe dann inaktiv sind.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die verschiedenen Antriebsdüsen vorzugsweise unterschiedlich sind und zwar beispielsweise hinsichtlich ihrer Düsenform und/oder hinsichtlich ihres Düsenquerschnitts. Dies ist sinnvoll, damit in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastpunkt jeweils die am besten geeignete Antriebsdüse für die Anströmung der Turbinenschaufeln des Turbinenrads ausgewählt werden kann. Hierbei ist auch zu erwähnen, dass in der Regel nicht nur eine einzige Antriebsdüse ausgewählt wird. Beispielsweise können gleichzeitig mehrere Antriebsdüsen entsprechend dem jeweiligen Lastpunkt ausgewählt werden.
Ferner ist zu erwähnen, dass die einzelnen Antriebsdüsen vorzugsweise einen konvergenten-divergenten Düsenquerschnitt aufweisen können. Dies bedeutet, dass sich der Düsenquerschnitt in Strömungsrichtung zunächst konvergent verengt und dann wieder divergent erweitert, wie es beispielsweise bei einer Laval-Düse der Fall ist.
Es wurde bereits eingangs erwähnt, dass das Turbinenrad auch abgebremst werden kann, indem aus einer Bremsdüse ein Bremsgas (z.B. Druckluft) auf die Turbinenschaufeln des Turbinenrads abgegeben wird, wobei die Bremsdüse entgegensetzt zu der mindestens einen Antriebsdüse ausgerichtet ist. Auch bei dem erfindungsgemäßen Turbinenantrieb ist vorzugsweise eine solche Bremsdüse vorgesehen, die vorzugsweise über ein Bremsgas-Steuerventil aus einer Bremsgaszuführung mit dem jeweiligen Bremsgas (z.B. Druckluft) versorgt wird.
Ferner wurde vorstehend bereits erwähnt, dass die Antriebsdüsen einzeln oder gruppenweise über getrennte Antriebsgaszuführungen mit dem jeweiligen Antriebsgas (z.B. Druckluft) versorgt werden. In den einzelnen Antriebsgaszuführungen ist vorzugsweise jeweils ein Antriebsgas-Steuerventil angeordnet, das beispielsweise als Proportionalventil ausgebildet sein kann und vorzugsweise pneumatisch angesteuert wird. Anstelle einer pneumatischen Ansteuerung der Antriebsgas-Steuerventile ist jedoch alternativ auch eine elektrische oder eine sonstige Ansteuerung möglich.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass in mindestens einer der Antriebsgaszuführungen ein bistabiles Federelement angeordnet ist, das die jeweilige Antriebsgaszuführung in Abhängigkeit von seinem Zustand entweder freigibt oder sperrt. Das bistabile Federelement ist also ein bistabiles Ventil, wobei das bistabile Federelement vorzugsweise mit der Bremsgaszuführung verbunden ist und bei einem Druckimpuls in der Bremsgaszuführung seinen Zustand wechselt.
Das Konzept des bistabilen Federelements ist auch mit mehreren Antriebsdüsen umsetzbar, d.h. in den einzelnen Antriebsgaszuführungen kann jeweils ein bistabiles Federelement angeordnet sein. Allerdings erfolgt dann keine effiziente Anströmung über die jeweilige Antriebsgaszuführung, da es nur eine einzige Bremsgaszuführung gibt.
Weiterhin kann der erfindungsgemäße Turbinenantrieb einen Gaserhitzer aufweisen, um das Antriebsgas und/oder das Bremsgas (z.B. Druckluft) stromaufwärts vor den Antriebsdüsen bzw. stromaufwärts vor der Bremsdüse zu erhitzen, wobei der Gaserhitzer vorzugsweise außerhalb des Rotationszerstäubers angeordnet ist.
In einer Variante der Erfindung erhitzt der Gaserhitzer nur das Antriebsgas in einer der Antriebsgaszuführungen, während das Antriebsgas in der oder den anderen Antriebsgaszuführungen von dem Gaserhitzer nicht erhitzt wird.
In einer anderen Erfindungsvariante erhitzt der Gaserhitzer dagegen das Antriebsgas in mehreren und vorzugsweise in allen Antriebsgaszuführungen.
Der Gaserhitzer kann beispielsweise stromaufwärts vor dem mindestens einen Antriebsgas-Steuerventil angeordnet sein. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass der Gaserhitzer stromabwärts hinter dem mindestens einen Antriebsgas-Steuerventil angeordnet ist.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass der erfindungsgemäße Turbinenantrieb vorzugsweise auch eine Turbinensteuerung aufweist, die eingangsseitig einen Lastpunkt aufnimmt, wobei der Lastpunkt die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Turbinenantriebs bestimmt. Ausgangsseitig steuert die Turbinensteuerung dann die Antriebsgas-Steuerventile in Abhängigkeit von dem Lastpunkt an. Hierbei wählt die Turbinensteuerung gezielt die Antriebsdüsen aus, die bei dem jeweiligen Lastpunkt eine optimale Effizienz der Turbine versprechen.
Beispielsweise kann die Turbinensteuerung in Abhängigkeit von dem Lastpunkt eine unterschiedliche Zahl der Antriebsgas-Steuerventile öffnen und die restlichen Antriebsgas-Steuerventile schließen. Die Turbinensteuerung kann also in Abhängigkeit von dem Lastpunkt nicht nur die jeweils am besten geeignete Antriebsdüse auswählen, sondern auch die Anzahl der ausgewählten Antriebsdüsen entsprechend dem Lastpunkt variieren, um die Effizienz der Turbine zu erhöhen.
Beispielsweise kann die Turbinensteuerung bei drei Antriebsdüsen in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastpunkt einen der folgenden Betriebszustände einstellt:

• Nur das erste Antriebsgas-Steuerventil ist geöffnet, während die anderen Antriebsgas-Steuerventile geschlossen sind, so dass nur die erste Antriebsdüse das Antriebsgas abgibt.
• Nur das zweite Antriebsgas-Steuerventil ist geöffnet, während die anderen Antriebsgas-Steuerventile geschlossen sind, so dass nur die zweite Antriebsdüse das Antriebsgas abgibt.
• Nur das dritte Antriebsgas-Steuerventil ist geöffnet, während die anderen Antriebsgas-Steuerventile geschlossen sind, so dass nur die dritte Antriebsdüse das Antriebsgas abgibt.
• Nur das erste Antriebsgas-Steuerventil und das zweite Antriebsgas-Steuerventil sind geöffnet, während das dritte Antriebsgas-Steuerventil geschlossen ist, so dass nur die erste Antriebsdüse und die zweite Antriebsdüse das Antriebsgas abgeben.
• Nur das erste Antriebsgas-Steuerventil und das dritte Antriebsgas-Steuerventil sind geöffnet, während das zweite Antriebsgas-Steuerventil geschlossen ist, so dass nur die erste Antriebsdüse und die dritte Antriebsdüse das Antriebsgas abgeben.
• Nur das zweite Antriebsgas-Steuerventil und das dritte Antriebsgas-Steuerventil sind geöffnet, während das erste Antriebsgas-Steuerventil geschlossen ist, so dass nur die zweite Antriebsdüse und die dritte Antriebsdüse das Antriebsgas abgeben.
• Alle Antriebsgas-Steuerventile sind geöffnet, so dass alle Antriebsdüsen das Antriebsgas abgeben.

Weiterhin kann der erfindungsgemäße Turbinenantrieb mehrere Antriebsgas-Absperrventile aufweisen, um die Antriebsgasströme getrennt und unabhängig voneinander freizugeben oder zu sperren. In diesem Fall ist vorzugsweise ein gemeinsames Antriebsgas-Proportionalventil vorgesehen, dass zur Einstellung der Summe der einzelnen Antriebsgasströme dient, wobei das Antriebsgas-Proportionalventil dann stromaufwärts vor den Antriebsgas-Absperrventilen angeordnet ist.
Die Erfindung beansprucht zum einen Schutz für den vorstehend beschriebenen Turbinenantrieb, wobei sich der Schutz sowohl auf die einzelne Turbine, den Rotationszerstäuber mit einer solchen Turbine und den Turbinenantrieb als Ganzes erstreckt, der auch die Turbinensteuerung, den Lufterhitzer und weitere Bauteile umfassen kann. Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines Turbinenantriebs kann also die einzelne Turbine, den Rotationszerstäuber mit einer solchen Turbine oder den kompletten Turbinenantrieb bezeichnen.
Darüber hinaus beansprucht die Erfindung jedoch auch Schutz für ein entsprechendes Betriebsverfahren für einen solchen Turbinenantrieb, wobei sich die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens bereits aus der vorstehenden Beschreibung ergeben, so dass auf eine separate Beschreibung verzichtet werden kann und hierzu auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turbinenantriebs für einen Rotationszerstäuber.
2 zeigt eine Abwandlung von 1.
3 zeigt eine weitere Abwandlung der 1 und 2.
Die 4A-4C zeigen verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Turbine für einen Rotationszerstäuber.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turbinenantriebs, der die Turbine in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastpunkt in einem optimalen Betriebsbereich betreibt.
6 zeigt ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.
7 zeigt eine Abwandlung eines erfindungsgemäßen Turbinenantriebs.
8 zeigt eine weitere Abwandlung eines erfindungsgemäßen Turbinenantriebs.
9 zeigt schließlich eine Abwandlung eines erfindungsgemäßen Turbinenantriebs mit einem bistabilen Federelement.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird zunächst das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turbinenantriebs gemäß 1 beschrieben.
So dient der Turbinenantrieb zum Antrieb eines Rotationszerstäubers 1, der zur Lackierung von Kraftfahrzeugkarosseriebauteilen in einer Lackieranlage verwendet wird. Hierzu enthält der Rotationszerstäuber 1 eine Turbine 2, die weitgehend herkömmlich ausgebildet ist, wie es beispielsweise in EP 1 388 372 A1 beschrieben ist, so dass ergänzend auf diese Veröffentlichung verwiesen wird.
So weist die Turbine 2 ein drehbar gelagertes Turbinenrad mit zahlreichen Turbinenschaufeln auf, die über den Umfang des Turbinenrades verteilt angeordnet sind. Die Turbinenschaufeln des Turbinenrades können aus zwei Antriebsdüsen 3, 4 mit Druckluft angeströmt werden, um das Turbinenrad und damit den Rotationszerstäuber 1 anzutreiben.
Die beiden Antriebsdüsen 3, 4 werden über getrennte Antriebsgaszuführungen 5, 6 und einen Lufterhitzer 7 mit Druckluft aus einer Druckluftzuführung 8 versorgt, welche als Druckluftreservoir, Druckluftkompressor oder Druckkessel bezeichnet werden kann.
In den beiden Antriebsgaszuführungen 5, 6 ist jeweils ein Antriebsgas-Steuerventil 9, 10 angeordnet, das den Antriebsgasstrom zu den einzelnen Antriebsdüsen 3, 4 unabhängig voneinander steuern kann. Die Antriebsgas-Steuerventile 9, 10 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Proportionalventile ausgebildet, die beispielsweise pneumatisch oder elektrisch angesteuert werden können.
In Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastpunkt können die beiden Antriebsgas-Steuerventile 9, 10 dann unabhängig voneinander angesteuert werden, um die beiden Antriebsdüsen 3, 4 entsprechend anzusteuern. Die Ansteuerung erfolgt hierbei so, dass in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastpunkt eine optimale Effizienz der Turbine 2 erreicht wird.
Darüber hinaus weist die Turbine 2 eine Bremsdüse 11 auf, die es ermöglicht, das Turbinenrad abzubremsen, indem die Turbinenschaufeln des Turbinenrades mit Druckluft angeblasen werden. Die Bremsdüse 11 ist deshalb entgegengesetzt zu den beiden Antriebsdüsen 3, 4 ausgerichtet.
Die Bremsdüse 11 wird über eine Bremsgaszuführung 12 und ein Bremsgas-Steuerventil 13 mit Druckluft versorgt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die beiden Antriebsgas-Steuerventile 9, 10 hierbei stromaufwärts vor dem Lufterhitzer 7 angeordnet sind, wohingegen sich die beiden Antriebsgas-Steuerventile 9, 10 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 stromabwärts hinter dem Lufterhitzer 7 befinden.
Eine weitere Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass der Lufterhitzer 7 hierbei nur die Druckluft in der Antriebsgaszuführung 5 erwärmt, wohingegen die andere Antriebsgaszuführung 6 um den Lufterhitzer 7 herumgeführt wird.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 stimmt weitgehend mit den vorstehend beschriebenen und in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass der Lufterhitzer 7 eine getrennte und unabhängige Erhitzung der Druckluft in den beiden Antriebsgaszuführungen 5, 6 ermöglicht. Beispielsweise kann die Druckluft in der Antriebsgaszuführung 5 stärker erwärmt werden als die Druckluft in der anderen Antriebsgaszuführung 6.
Die 4A-4C zeigen verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Turbine 14, wie sie in ähnlicher Form aus EP 1 388 372 A1 bekannt ist, so dass ergänzend diese Veröffentlichung verwiesen wird.
So weist die Turbine 14 mehrere Gehäuseteile 15-18 auf, die im montierten Zustand ein Turbinenrad 19 mit einer Turbinenwelle 20 und zahlreichen Turbinenschaufeln 21 beherbergen, wobei die Turbinenschaufeln 21 über den Umfang des Turbinenrades 19 verteilt angeordnet sind.
Aus 4C ist ersichtlich, dass die einzelnen Turbinenschaufeln 21 des Turbinenrads 19 aus drei Antriebsdüsen 22-24 mit Druckluft angeströmt werden können, um das Turbinenrad 19 anzutreiben, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Antriebsdüsen 22-24 sind hierbei in dem Gehäuseteil 16 angeordnet und hinsichtlich Anzahl, Düsenquerschnitt und Form unterschiedlich ausgebildet, um durch eine Auswahl der geeigneten Antriebsdüse 22-24 eine Anpassung an den jeweiligen Lastpunkt der Turbine 14 zu ermöglichen.
Darüber hinaus befinden sich in dem Gehäuseteil 16 drei separate und voneinander getrennte Antriebsgaszuführungen 25-27, um die drei Antriebsdüsen 22-24 unabhängig voneinander mit Druckluft versorgen zu können. Dies ermöglicht die gezielte Auswahl einer oder mehrerer der Antriebsdüsen 22-24 in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastpunkt der Turbine 14, um eine größtmögliche Effizienz der Turbine 14 zu erreichen.
Darüber hinaus ist aus 4C auch ersichtlich, dass in dem Gehäuseteil 16 der Turbine 14 auch eine Bremsdüse 28 ausgebildet ist, die aus einer Bremsgaszuführung 29 mit Druckluft gespeist wird. Die Bremsdüse 28 einerseits und die Antriebsdüsen 22-24 andererseits sind hierbei entsprechend ihrer Funktion (Antrieb oder Bremsen) entgegengesetzt ausgerichtet.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turbinenantriebs mit drei Proportionalventilen 30-32 zur Ansteuerung von drei Antriebsdüsen, die hier zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.
Darüber hinaus ist ein Bremsventil 33 dargestellt, um eine Bremsdüse mit Druckluft zu versorgen, wobei die Bremsdüse hierbei zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.
Die Proportionalventile 30-32 und das Bremsventil 33 werden hierbei von einer Turbinensteuerung 34 in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastpunkt angesteuert und zwar in der Weise, dass die Turbine eine größtmögliche Effizienz aufweist.
6 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.
In einem ersten Schritt S1 wird zunächst der jeweilige Lastpunkt der Turbine ermittelt, der durch Drehmoment und Drehzahl definiert ist.
Im nächsten Schritt S2 wird dann die optimale Kombination der Antriebsdüsen und der Antriebsluftmenge für den Lastpunkt ermittelt.
Im nächsten Schritt S3 werden dann die Proportionalventile für die einzelnen Antriebsdüsen entsprechend der optimalen Kombination angesteuert.
Auf diese Weise kann die Turbine auch bei verschiedenen Lastpunkten jeweils sehr effizient betrieben werden.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turbinenantriebs mit drei Antriebsdüsen 35-37, die über drei getrennte Antriebsgaszuführungen 38-40 mit Druckluft versorgt werden.
In den einzelnen Antriebsgaszuführungen 38-40 ist jeweils ein Antriebsgas-Steuerventil 41-43 angeordnet, so dass die Antriebsdüsen 35-37 unabhängig voneinander angesteuert werden. Dabei kann der Gaserhitzer davor oder danach in getrennten Kammern geschaltet sein.
Die Antriebsgaszuführungen 38-40 sind eingangsseitig über ein Proportionalventil 44 zusammengeführt und werden aus einer gemeinsamen Druckluftversorgung 45 mit Druckluft versorgt.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turbinenantriebs, der weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass es sich bei den Antriebsgas-Steuerventilen 41-43 um Proportionalventile handelt, die pneumatisch angesteuert werden.
Schließlich zeigt 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turbinenantriebs, der ebenfalls weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass in der einen Antriebsgaszuführung 6 ein bistabiles Federelement 46 angeordnet ist, das mit der Bremsgaszuführung 12 verbunden ist und bei einem Druckimpuls in der Bremsgaszuführung 12 zwischen zwei stabilen Zuständen umschaltet, nämlich zwischen einem ersten Zustand, in dem das bistabile Federelement 46 die Antriebsgaszuführung 6 sperrt und einem zweiten Zustand, in dem das bistabile Federelement 46 die Antriebsgaszuführung 6 freigibt.
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 und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den jeweils in Bezug genommenen Ansprüchen und insbesondere auch ohne die Merkmale des Hauptanspruchs. Die Erfindung umfasst also verschiedene Erfindungsaspekte, die unabhängig voneinander Schutz genießen.
Bezugszeichenliste:

1: Rotationszerstäuber
2: Turbine
3, 4: Antriebsdüsen
5,6: Antriebsgaszuführungen
7: Lufterhitzer
8: Druckluftzuführung
9, 10: Antriebsgas-Steuerventile
11: Bremsdüse
12: Bremsgaszuführung
13: Bremsgas-Steuerventil
14: Turbine
15-18: Gehäuseteile der Turbine
19: Turbinenrad
20: Turbinenwelle
21: Turbinenschaufeln
22-24: Antriebsdüsen
25-27: Antriebsgaszuführungen
28: Bremsdüse
29: Bremsgaszuführung
30-32: Proportionalventile
33: Bremsventil
34: Turbinensteuerung
35-37: Antriebsdüsen
38-40: Antriebsgaszuführungen
41-43: Antriebsgas-Steuerventile
44: Proportionalventil
45: Druckluftzuführung
46: Bistabiles Federelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1388372 A1 [0002, 0011, 0035, 0047]

Claims

Turbinenantrieb für einen Rotationszerstäuber, mit a) einem drehbaren Turbinenrad (19) mit mehreren Turbinenschaufeln (21), b) einer ersten Antriebsdüse (3; 22) zur Abgabe eines Antriebsgases, insbesondere von Druckluft, auf die Turbinenschaufeln (21) des Turbinenrads (19), um das Turbinenrad (19) anzutreiben, wobei das Antriebsgas optional aus einem Druckluftreservoir, von einem Druckluftkompressor oder aus einem Druckkessel stammt, c) einer ersten Antriebsgaszuführung (5; 25) zur Zuführung des Antriebsgases zu der ersten Antriebsdüse (3; 22), und d) einer zweiten Antriebsdüse (4; 23) zur Abgabe des Antriebsgases auf die Turbinenschaufeln (21) des Turbinenrads (19), um das Turbinenrad (19) anzutreiben, gekennzeichnet durch e) eine zweite Antriebsgaszuführung (6; 26) zur Zuführung des Antriebsgases zu der zweiten Antriebsdüse (4; 23), wobei die zweite Antriebsgaszuführung (6; 26) von der ersten Antriebsgaszuführung (5; 25) getrennt ist, so dass die zweite Antriebsdüse (4; 23) unabhängig von der ersten Antriebsdüse (3; 22) mit dem Antriebsgas versorgt werden kann.
Turbinenantrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch a) eine dritte Antriebsdüse (24) zur Abgabe des Antriebsgases auf die Turbinenschaufeln (21) des Turbinenrads (19), um das Turbinenrad (19) anzutreiben, und b) eine dritte Antriebsgaszuführung (27) zur Zuführung des Antriebsgases zu der dritten Antriebsdüse (24), wobei die dritte Antriebsgaszuführung (27) von der ersten Antriebsgaszuführung (25) und von der zweiten Antriebsgaszuführung (26) getrennt ist, so dass die dritte Antriebsdüse (24) unabhängig von der ersten Antriebsdüse (22) und unabhängig von der zweiten Antriebsdüse (23) mit dem Antriebsgas versorgt werden kann.
Turbinenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die erste Antriebsdüse (3; 22), die zweite Antriebsdüse (4; 23) und/oder die dritte Antriebsdüse (24) unterschiedlich sind und zwar vorzugsweise hinsichtlich ihrer Düsenform und/oder hinsichtlich ihres Düsenquerschnitts, und/oder b) dass die erste Antriebsdüse (3; 22) und/oder die zweite Antriebsdüse (4; 23) und/oder die dritte Antriebsdüse (24) einen konvergent-divergenten Düsenquerschnitt aufweist, insbesondere in Form einer Laval-Düse.
Turbinenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch a) mindestens eine Bremsdüse (11; 28) zur Abgabe eines Bremsgases, insbesondere von Druckluft, auf die Turbinenschaufeln (21) des Turbinenrads (19), um das Turbinenrad (19) abzubremsen, wobei die Bremsdüse (11; 28) entgegensetzt zu der mindestens einen Antriebsdüse (3, 4; 22-24) ausgerichtet ist, und b) vorzugsweise ein Bremsgas-Steuerventil (13) zur Steuerung des Bremsgasstroms zu der Bremsdüse (11; 28), wobei das Bremsgas-Steuerventil (13) vorzugsweise außerhalb des Rotationszerstäubers (1) angeordnet ist, c) vorzugsweise eine Bremsgaszuführung (12) zur Zuführung des Bremsgases.
Turbinenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch a) ein erstes Antriebsgas-Steuerventil (30; 41), insbesondere als vorzugsweise pneumatisch gesteuertes Proportionalventil, zur Steuerung des Antriebsgasstroms durch die erste Antriebsgaszuführung (25) zu der ersten Antriebsdüse (22), wobei das erste Antriebsgas-Steuerventil (30; 41) vorzugsweise außerhalb des Rotationszerstäubers (1) angeordnet ist, und/oder b) ein zweites Antriebsgas-Steuerventil (31; 42), insbesondere als vorzugsweise pneumatisch gesteuertes Proportionalventil, zur Steuerung des Antriebsgasstroms durch die zweite Antriebsgaszuführung (26) zu der zweiten Antriebsdüse (23), wobei das zweite Antriebsgas-Steuerventil (31; 42) vorzugsweise außerhalb des Rotationszerstäubers (1) angeordnet ist, und/oder c) ein drittes Antriebsgas-Steuerventil (32; 43), insbesondere als vorzugsweise pneumatisch gesteuertes Proportionalventil, zur Steuerung des Antriebsgasstroms durch die dritte Antriebsgaszuführung (32; 43) zu der dritten Antriebsdüse (24), wobei das dritte Antriebsgas-Steuerventil (32; 43) vorzugsweise außerhalb des Rotationszerstäubers (1) angeordnet ist.
Turbinenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet a) dass in mindestens einer der Antriebsgaszuführungen ein bistabiles Federelement (46) angeordnet ist, das die jeweilige Antriebsgaszuführung in Abhängigkeit von seinem Zustand entweder freigibt oder sperrt, b) dass das bistabile Federelement (46) vorzugsweise mit der Bremsgaszuführung (12) verbunden und bei einem Druckimpuls in der Bremsgaszuführung seinen Zustand wechselt.
Turbinenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gaserhitzer (7) zur Erhitzung des Antriebsgases und/oder des Bremsgases stromaufwärts vor den Antriebsdüsen und/oder stromaufwärts vor der Bremsdüse, wobei der Gaserhitzer (7) vorzugsweise außerhalb des Rotationszerstäubers (1) angeordnet ist.
Turbinenantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Gaserhitzer (7) nur das Antriebsgas in einer der Antriebsgaszuführungen (5, 6) erhitzt, während das Antriebsgas in der oder den anderen Antriebsgaszuführungen (5, 6) von dem Gaserhitzer (7) nicht erhitzt wird, oder b) dass der Gaserhitzer (7) das Antriebsgas in mehreren und vorzugsweise allen Antriebsgaszuführungen (5, 6) erhitzen.
Turbinenantrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Gaserhitzer (7) stromaufwärts vor dem mindestens einen Antriebsgas-Steuerventil (9, 10) angeordnet ist oder b) dass der Gaserhitzer (7) stromabwärts hinter dem mindestens einen Antriebsgas-Steuerventil (9, 10) angeordnet ist, insbesondere in getrennten Luftkammern.
Turbinenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Turbinenantrieb eine Turbinensteuerung (34) aufweist, b) dass die Turbinensteuerung (34) eingangsseitig einen Lastpunkt aufnimmt, wobei der Lastpunkt die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Turbinenantriebs bestimmt, und c) dass die Turbinensteuerung (34) ausgangsseitig die Antriebsgas-Steuerventile (30-32) in Abhängigkeit von dem Lastpunkt ansteuert.
Turbinenantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinensteuerung (34) in Abhängigkeit von dem Lastpunkt eine unterschiedliche Zahl der Antriebsgas-Steuerventile (30-32) öffnet und die restlichen Antriebsgas-Steuerventile (30-32) schließt.
Turbinenantrieb nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinensteuerung in Abhängigkeit von dem Lastpunkt einen der folgenden Betriebszustände einstellt: a) nur das erstes Antriebsgas-Steuerventil (30) ist geöffnet, so dass nur die erste Antriebsdüse das Antriebsgas abgibt, b) nur das zweite Antriebsgas-Steuerventil (31) ist geöffnet, so dass nur die zweite Antriebsdüse das Antriebsgas abgibt, c) nur das dritte Antriebsgas-Steuerventil (32) ist geöffnet, so dass nur die dritte Antriebsdüse das Antriebsgas abgibt, d) nur das erste Antriebsgas-Steuerventil (30) und das zweite Antriebsgas-Steuerventil (31) sind geöffnet, so dass nur die erste Antriebsdüse und die zweite Antriebsdüse das Antriebsgas abgeben, e) nur das erste Antriebsgas-Steuerventil (30) und das dritte Antriebsgas-Steuerventil (32) sind geöffnet, so dass nur die erste Antriebsdüse und die dritte Antriebsdüse das Antriebsgas abgeben, f) nur das zweite Antriebsgas-Steuerventil (31) und das dritte Antriebsgas-Steuerventil (32) sind geöffnet, so dass nur die zweite Antriebsdüse und die dritte Antriebsdüse das Antriebsgas abgeben, g) alle Antriebsgas-Steuerventile (30-32) sind geöffnet, so dass alle Antriebsdüsen das Antriebsgas abgeben.
Turbinenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch a) mehrere Antriebsgas-Absperrventile (41-43) zur getrennten Freigabe oder Sperrung der einzelnen Antriebsgasströme unabhängig voneinander, und b) ein gemeinsames Antriebsgas-Proportionalventil (44) zur Einstellung der Summe der einzelnen Antriebgasströme, wobei das Antriebsgas-Proportionalventil (44) stromaufwärts vor den Antriebsgas-Absperrventilen (41-43) angeordnet ist.
Rotationszerstäuber (1) mit einem Turbinenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Betriebsverfahren für einen Turbinenantrieb eines Rotationszerstäubers (1), insbesondere für einen Turbinenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten: a) Abgabe eines ersten Antriebsgasstroms eines Antriebsgases aus einer ersten Antriebsdüse (3; 22) auf Turbinenschaufeln (21) eines Turbinenrads (19) einer Zerstäuberturbine (14), und b) Abgabe eines zweiten Antriebsgasstroms des Antriebsgases aus einer zweiten Antriebsdüse (4; 23) auf die Turbinenschaufeln (21) des Turbinenrads (19) der Zerstäuberturbine (14), gekennzeichnet durch folgenden Schritt: c) Getrennte Steuerung des ersten Antriebsgasstroms unabhängig von dem zweiten Antriebsgasstrom.
Betriebsverfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Abgabe eines dritten Antriebsgasstroms des Antriebsgases aus einer dritten Antriebsdüse (24) auf die Turbinenschaufeln (21) des Turbinenrads (19) der Zerstäuberturbine, und b) getrennte Steuerung des dritten Antriebsgasstroms unabhängig von dem ersten Antriebsgasstrom und unabhängig von dem zweiten Antriebsgasstrom.
Betriebsverfahren nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ermittlung eines Lastpunkts des Turbinenantriebs, wobei der Lastpunkt die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Turbinenantriebs bestimmt, und b) Einstellung des ersten Antriebsgasstroms und des zweiten Antriebsgasstroms und optional auch des dritten Antriebsgasstroms in Abhängigkeit von dem Lastpunkt.
Betriebsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Lastpunkt eine unterschiedliche Zahl der Antriebsgasströme eingeschaltet wird.