DE10233199A1

DE10233199A1 - Turbinenmotor eines Rotationszerstäubers

Info

Publication number: DE10233199A1
Application number: DE10233199A
Authority: DE
Inventors: Michael Baumann; Frank Herre; Hans-Jürgen Dr. Nolte; Harry Krumma; Stefano Giuliano; Björn Lind
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-05
Also published as: ES2376196T3; EP1384516A3; EP2407247A1; ATE533563T1; US20040164190A1; US7322793B2; EP1384516A2; ES2603059T3; EP1384516B1; PT1384516E; EP2407247B1

Abstract

Als Antriebsmotor eines Rotationszerstäubers dient eine Turbine mit einer z. B. radial durchströmten Schaufelanordnung auf einer Trägerfläche des Turbinenrades. Der die Turbinenschaufeln enthaltende, von der Trägerfläche begrenzte Antriebskanal ist zur Leistungssteigerung auch auf seiner anderen Seite durch ein an dem Turbinenrad befestigtes und mit ihm rotierendes Abdeckelement geschlossen. Zur weiteren Leistungssteigerung ist der Einlass für die Antriebsluft der Turbine als Überschalldüse mit sich stetig bis zur Mündungsöffnung erweiterndem Querschnitt ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen als Antrieb für den Glockenteller eines Rotationszerstäubers verwendbaren Turbinenmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Insbesondere handelt es sich um Hochrotationszerstäuber für die elektrostatische Serienbeschichtung von Werkstücken wie beispielsweise Fahrzeugkarossen. Zum Antrieb des Glockentellers derartiger Zerstäuber ( DE 43 06 80 , EP 0 796 663 B1 ) dienen bekanntlich mit Druckluft betriebene Radialturbinen, deren den Glockenteller tragende Hohlwelle in einem Luftlager rotiert. Die Radialturbine kann entweder tangential angeströmt oder radial durchströmt werden. Im letztgenannten Fall besteht das Turbinenrad aus einer in einem weitgehend geschlossenen zylindrischen Innenraum der Lagereinheit der Antriebwelle rotierenden Scheibe, der auf ihrer einen Stirnfläche in der Nähe des Umfangs Turbinenblätter angeformt sind. Die Antriebsluft durchströmt die Turbinenblätter radial in einem Kanal, der auf seiner einen Seite von dem Turbinenrad und im bekannten Fall auf seiner entgegengesetzten Seite durch einen feststehenden Teil der Lagereinheit begrenzt ist. Die Antriebsluft gelangt in diesen Antriebskanal durch einen oder mehrere Zuleitungskanäle, die in einer Düse münden, deren im Querschnitt z.B. viereckige Öffnung im bekannten Fall den kleinsten Querschnitt der jeweiligen Antriebsluftversorgung darstellt. Zwischen den axialen Enden der Turbinenschaufeln und dem feststehenden Gehäuseteil der Lagereinheit besteht ein Luftspalt, durch den ein Teil der Antriebsluft für den Antrieb verloren geht. Nachteilig ist auch eine turbulente Grenzschicht, die sich bei der betrachteten bekannten Radialturbine zwischen der strömenden Antriebsluft und dem feststehenden Gehäuseteil bildet und hohe Reibungsverluste verursacht. Infolgedessen ist die Leistungsfähigkeit der bekannten Radialturbine begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenmotor für einen Rotationszerstäuber anzugeben, der höhere Antriebsleistungen als bei vergleichbaren bekannten Radialturbinen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den in den Patentansprüchen gekennzeichneten Turbinenmotor gelöst.
Durch die Erfindung wird die Turbine strömungstechnisch wesentlich verbessert. Insbesondere dadurch, dass der Antriebskanal nicht wie bisher nur einseitig begrenzt, sondern auch auf der anderen Seite durch ein mitrotierendes Element geschlossen wird, kann die Antriebsluft den geschlossenen Kanal verlustfrei und reibungsarm durchströmen. Eine zweckmäßige Realisierungsmöglichkeit besteht darin, den Antriebskanal durch eine an dem Turbinenrad und/oder an der Antriebswelle befestigte und mit ihm rotierende Scheibe zu begrenzen, die mindestens eine radial innen liegende Auslassöffnung für die Antriebsluft bilden oder enthalten kann.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung soll die Querschnittsfläche der Einlassöffnung, durch die die Antriebsluft aus einem Zuleitungskanal der Lagereinheit in den Antriebskanal der Turbine strömt, größer sein als die Querschnittsfläche des Zuleitungskanals an seiner Stelle kleinsten Querschnitts. Insbesondere kann der Einlass als sogenannte Laval- oder Überschalldüse ausgebildet sein, deren Querschnitt sich zunächst verengt und dann zur Erzeugung von Geschwindigkeiten der Gasströmung erweitert, die zumindest theoretisch im Überschallbereich liegen können. Überraschend wurde festgestellt, dass die sich hieraus im Vergleich mit den bisher üblichen Düsen ergebenden Änderungen der Geschwindigkeit und des Drucks der ein strömenden Antriebsluft zu einer wesentlichen Verbesserung der Antriebsleistung der Turbine führen.
Durch die Erfindung kann die Turbine strömungstechnisch optimiert werden, wodurch vor allem höhere Drehzahlen als bisher ermöglicht werden. Bei einem Rotationszerstäuber wird mit der höheren Drehzahl eine höhere Ausflussrate des Beschichtungsmaterials an dem von der Turbine angetriebenen Glockenteller erreicht.
Vorzugsweise beträgt die Masse der gesamten, bekanntlich als modulartige Baueinheit auswechselbaren Motoreinheit (ohne Glockenteller) weniger als 0,8 kg, was bisher nur bei wesentlich leistungsschwächeren Turbinenmotoren der betrachteten Gattung möglich war.
An dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch die Lagereinheit eines Rotationszerstäubers längs der Achse der Antriebswelle.
Die den hier beschriebenen Turbinenmotor bildende Lagereinheit hat ein feststehendes Gehäuse 1, in dem die Antriebswelle 2 in einem zwischen dem Gehäuse und der Welle gebildeten Luftlager rotiert. An dem einen Ende der Antriebswelle 2 ist das scheibenförmige Turbinenrad 3 angeordnet, dem auf einem in der Nähe des Scheibenumfangs liegenden Ringbereich seiner der Welle zugewandten axialen Stirnfläche 4 der radial zu durchströmende Kranz von Turbinenschaufeln 5 angeformt sind. Das Turbinenrad 3 rotiert in einem entsprechend dem Turbinenrad bemessenen zylindrischen Innenraum 6 des Gehäuses 1 mit nahe an die rückseitige ebene Stirnfläche 7 und die zylindrische Umfangsfläche 8 des Turbinenrades angrenzenden Wänden. Auf der entgegengesetzten, in der Zeichnung linken Seite wird der Innenraum 6 von ei ner weiteren radial verlaufenden Wandfläche des feststehenden Gehäuses 1 begrenzt, die in der Mitte die Öffnung für die Welle 2 bildet und radial außerhalb dieser Öffnung der axialen Stirnfläche 4 des Turbinenrades 3 mit dem dargestellten axialen Abstand von den Enden der Turbinenschaufeln 5 gegenübersteht. Radial außerhalb des Umfangs des Turbinenrades 3 und in axialer Richtung mit den Turbinenschaufeln 5 ausgerichtet mündet in den Innenraum 6 ein Einlass 10 für die Antriebsluft der Turbine, die aus einem durch das Gehäuse 1 verlaufenden Zuleitungskanal kommt. Bei 10' kann ein weiterer Lufteinlass vorgesehen sein. Üblicherweise enthält das Gehäuse 1 getrennte Einlässe für Antriebsluft und Bremsluft (EP-Anmeldung Nr. 02006826.8). Die Antriebswelle kann als Hohlwelle ausgebildet sein, in deren anderes Ende der (nicht dargestellte) Glockenteller des Rotationszerstäubers geschraubt wird.
Soweit sie bisher beschrieben wurde, kann die dargestellte Lagereinheit an sich dem Stand der Technik üblicher Rotationszerstäuber entsprechen. Erfindungsgemäß ist jedoch an dem Turbinenrad 3 auf der Seite der Stirnfläche 4 eine kreisringförmige Abdeckscheibe 12 befestigt, die unmittelbar an den axial von der Stirnfläche 4 abstehenden Enden der Turbinenschaufeln 5 anliegt und mit ihnen rotiert. Zur Verdeutlichung des Unterschiedes zum Stand der Technik ist nur ihre obere Hälfte dargestellt. Die Abdeckscheibe 12 kann beispielsweise an die axial vorspringenden Enden der Turbinenschaufeln 5 angeklebt, angeschweißt oder auf andere Weise an ihnen befestigt sein. Zwischen der Stirnfläche 4 und dieser Abdeckscheibe 12 ist somit ein auf beiden Seiten der Turbinenschaufeln 5 axial geschlossener Antriebskanal 13 gebildet, in dem die aus dem Lufteinlass 10 wenigstens annähernd tangential und ggf. mit einer radial nach innen gerichteten Komponente zugeführte Druckluft verlustfrei und reibungsarm zwischen den Turbinenschaufeln hindurchfließt. Radial innerhalb des die Turbinenschaufeln enthaltenden Ringflächenbereiches fließt die nach Abgabe der Antriebsenergie an die Welle entspannte Luft in eine oder mehrere als Luftauslass dienende Ausnehmungen 15 und Kanäle 16 des Gehäuses 1 ab.
Es ist denkbar, Turbinenschaufeln in dem beschriebenen geschlossenen Antriebskanal nicht nur auf einer, sondern auf beiden Seiten des Turbinenrades vorzusehen. Ebenso ist es möglich, mehr als nur eine Turbine auf einer ihnen gemeinsamen Welle anzuordnen.
Die Querschnittsfläche der Mündungsöffnung am Lufteinlass 10, also am Austrittspunkt der Antriebsluft, ist vorzugsweise größer als der kleinste Querschnitt der davor liegenden Kanäle der Lagereinheit, in der die Antriebsluft in an sich bekannter Weise durch mindestens eine Bohrung in einen ringsegmentförmigen Zuleitungskanal und aus diesem in eine oder mehr Düsen gelangt. Im Gegensatz zu den bisher üblichen Düsen mit sich stetig bis zur Mündungsöffnung verkleinerndem Querschnitt, in denen das strömende Medium nur bis weniger als Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden kann, ist der Lufteinlass 10 z.B. als Laval-Düse ausgebildet, deren Querschnitt sich zunächst verengt und sich dann bis zur Mündungsöffnung erweitert, um im erweiterten Düsenteil Überschallgeschwindigkeiten zu erzeugen. Derartige Überschalldüsen können nicht nur für die hier beschriebene Ra= dialturbine, sondern auch für andersartige Turbinenmotoren zur Leistungssteigerung vorteilhaft sein.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann im Rahmen der Erfindung in verschiedener Hinsicht abgewandelt werden. Wenn das Turbinenrad aus zwei axial voneinander beabstandeten Scheibenelementen besteht, können diese beispielsweise am Umfang durch axiale Stege verbunden sein, zwischen denen Durchlassöffnungen für die Luftströmung freigelassen sind, so dass der zwischen den Scheibenelementen gebildete Antriebskanal auch am Umfang des Turbinenrades teilweise geschlossen ist. Ferner kann sich der Auslass für die Antriebsluft statt radial innerhalb des ei nen Scheibenelementes an einer beliebigen anderen Stelle und ggf. auch radial außerhalb des Turbinenrades befinden.
Die Erfindung ist darüber hinaus weder auf die beschriebene tangentiale oder radiale Anströmrichtung noch auf zwei beabstandete Scheiben noch auf eine bestimmte Form der Schaufelelemente beschränkt. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, die Schaufelelemente zwischen einer geschlossenen zylindrischen Fläche am Umfang des Turbinenrades und einer von ihr radial beabstandeten inneren, ebenfalls geschlossenen zylindrischen Fläche anzuordnen, so dass ein beidseitig radial begrenzter Antriebskanal gebildet ist, wobei die Schaufelelemente axial angeströmt werden und sich Luftauslässe am axial entgegengesetzten Ende des ringförmigen Antriebskanals befinden können.

Claims

Turbinenmotor, der als Antrieb für den Glockenteller eines Rotationszerstäubers verwendbar ist, mit einer Lagereinheit für die Antriebswelle (2) des Motors, mit einem an der Antriebswelle (2) angeordneten Turbinenrad (3), das in einem Innenraum (6) eines Gehäuses (1) der Lagereinheit rotiert und an einer Trägerfläche (4) Schaufelelemente (5) aufweist, mit einem aus dem Gehäuse (1) in dessen Innenraum (6) führenden Einlass (10) für ein Antriebsgas wie insbesondere Druckluft, das durch einen die Schaufelelemente (5) enthaltenden Antriebskanal (13) strömt, und mit einem Auslass für das aus dem Innenraum (6) abfließende Antriebsgas, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskanal (13) auf seiner der Trägerfläche (4) des Turbinenrades (3) gegenüberliegenden Seite von einem an die Schaufelelemente (5) angrenzenden Element (12) begrenzt ist.
Turbinenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad durch zwei einander axial gegenüberliegende, fest miteinander verbundene Scheibenelemente (3, 12) gebildet ist, die zwischen sich den die Turbinenschaufeln (5) enthaltenden Antriebskanal (13) begrenzen.
Turbinenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement eine an dem Turbinenrad (3) und/oder an der Antriebswelle (2) befestigte und mit ihnen rotierende Scheibe (12) ist.
Turbinenmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (12) an die Turbinenschaufeln (5) angeklebt ist.
Turbinenmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (12) an die Turbinenschaufeln (5) angeschweißt ist.
Turbinenmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement (12) mindestens eine Auslassöffnung für das Antriebsgas bildet oder enthält.
Turbinenmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auslassöffnung für das Antriebsgas in dem Gehäuse (1) der Lagereinheit an einer von der Antriebswelle (2) radial entfernten Stelle vorgesehen ist.
Turbinenmotor mit einer Lagereinheit für die Antriebswelle (2) des Motors, mit einem an der Antriebswelle (2) angeordneten Turbinenrad (3), das in einem Innenraum (6) eines Gehäuses (1) der Lagereinheit rotiert und Schaufelelemente (5) aufweist, mit einem aus dem Gehäuse (1) in den Innenraum (6) führenden Einlass (10) für ein Antriebsgas wie insbesondere Druckluft, und mit einem Auslass für das aus dem Innenraum (6) abfließende Antriebsgas, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Mündungsöffnung (10), durch die das Antriebsgas aus einem innerhalb der Lagereinheit befindlichen Zuleitungskanal in den die Schaufelelemente (5) enthaltenden Antriebskanal (13) strömt, größer ist als die Querschnittsfläche des Zuleitungskanals an seiner Stelle kleinsten Querschnitts.
Turbinenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (10) als Laval-Düse ausgebildet ist, deren Querschnitt sich nach einer Verengung bis zu der in den Antriebskanal (13) führenden Öffnung erweitert.
Rotationszerstäuber einer Anlage für die Serienbeschichtung von Werkstücken mit einem Turbinenmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche.