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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinenrad zum Antrieb schnell
rotierender Werkzeuge, insbesondere für die rotierenden Teller und/oder
Glocken von Farbsprüheinrichtungen,
mit einer um eine Achse drehbar gelagerten Kreisscheiben- oder ringförmigen Trägerplatte
und darauf in Form eines Kranzes angeordneten Turbinenschaufeln,
die achsparallele Vorderflächen
und Rückflächen aufweisen
und die in radialer Richtung, das heißt senkrecht zur Achse des
Turbinenrades, gekrümmt
verlaufen, wobei die Vorderflächen
mindestens abschnittsweise einen kleineren Krümmungsradius haben als die
Rückflächen.
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Unter
Vorderflächen
werden dabei die in Rotationsrichtung des Turbinenrades vorderen
Flächen der
Turbinenschaufeln verstanden und die Rückflächen sind dementsprechend die
Flächen
der Schaufeln, die in Rotationsrichtung des Turbinenrades hinten
liegen.
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Entsprechende
Turbinenräder
sind bereits für
Lackierungsanlagen bekannt, bei welchen Farbsprühglocken, die mit einem Farblack
beaufschlagt werden, durch derartige Turbinen in schnelle Rotation
versetzt werden, so daß die
auf die Glocke aufgebrachte Farbe bzw. der betreffende Lack aufgrund der
schnelleren Rotation der Glocke in kleinste Tröpfchen zerstäubt wird
und sich auf einer zu lackierenden bzw. mit Farbe zu versehenden
Oberfläche
niederschlägt.
Die für
eine möglichst
feine Zerstäubung erforderlichen
Rotationsgeschwindigkeiten der rotierenden Farbglocken betragen
bis zu 70.000 U.p.M. und die entsprechenden Turbinen sind aus diesem Grund
luftgelagert. Derartige Turbinen-Lacksprühanlagen finden vor allem Verwenden
bei der Lackierung von Fahrzeugkarosserien.
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Dabei
hängt die
erreichbare Turbinendrehzahl selbstverständlich auch von der Farb- bzw. Lackmenge
ab, mit welcher die Sprühglocke
oder ein entsprechender Sprühteller
beaufschlagt werden. Der auf die Sprühglocke nachgeführte Lack
muß jeweils
durch die Sprühglocke
beschleunigt werden und hat deshalb selbstverständlich einen bremsenden Effekt.
Um daher die Drehzahl der Turbine nicht übermäßig zu reduzieren, was wiederum
einen nachteiligen Effekt auf die Gleichmäßigkeit und Feinheit der Tröpfchenbildung
hätte,
ist demzufolge die auf die Glocke pro Zeiteinheit aufzubringende
Farb- bzw. Lackmenge begrenzt, und zwar herkömmlich auf etwa 400–450 ml
pro Minute.
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Der
Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat sich daher die Aufgabe gestellt,
eine Turbine bzw. ein Turbinenrad zu schaffen, welches ohne größere Neukonstruktionen
und mit höchstens
geringfügigen Änderungen
in die herkömmlichen
Turbinengehäuse passt,
bei den erforderlichen hohen Drehzahlen ein noch höheres Drehmoment
hat als die bekannten Turbinenräder,
so daß ohne
nachteiligen bremsenden Effekt eine größere Lackmenge auf die Sprühglocke
bzw. einen Sprühteller
aufgebracht werden kann, so daß gegebene,
zu lackierende Flächen
in noch kürzerer
Zeit mit einer gleichmäßigen Lackschicht
versehen werden können.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß die radial äußeren Abschnitte
sowohl an der Vorderfläche
als auch an der Rückfläche der
Turbinenschaufeln eine stärkere
Krümmung
bzw. einen kleineren Krümmungsradius
aufweisen als die radial weiter innen liegenden Abschnitte der Vorder-
und der Rückfläche. Gleichzeitig
wird jedoch die Achsparallelität der
Vorderflächen
und der Rückflächen der
Turbinenschaufeln beibehalten.
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Mit
anderen Worten, die einzelnen Turbinenschaufeln haben über ihre
axiale Länge
hinweg ein konstantes Profil, was es insbesondere möglich macht,
entsprechende Profile in großen
Längen
herzustellen, die einem Vielfachen der axialen Länge einer einzelnen Turbinenschaufel
entsprechen und die einzelnen Turbinenschaufeln jeweils durch Abschneiden
bzw. Abtrennen eines entsprechenden Abschnittes von diesem Profil
herzustellen. Dies ermöglicht eine
außerordentlich
rationelle Fertigung. Bei einer solchen Fertigung stellt es auch
kein nennenswertes Problem dar, wenn die radial äußeren Abschnitte der Turbinenschaufeln,
das heißt
die Abschnitte, die bei dem fertig hergestellten Turbinenrad vom
Zentrum des Turbinenrades entfernt liegen, jeweils einen kleineren
Krümmungsra dius
und damit eine stärkere Krümmung aufweisen
als die radial inneren Abschnitte der Turbinenschaufeln, und zwar
sowohl auf der Vorderseite wie auf der Rückseite der Turbinenschaufeln.
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Es
hat sich herausgestellt, daß ein
solches Profil der Turbinenschaufeln offenbar weniger störende Wirbel
erzeugt und zu einem runderen und gleichmäßigeren Lauf eines Turbinenrades
mit einem stabilen Drehmoment führt.
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Gleichzeitig
ermöglicht
es die Turbinenschaufelgestaltung offenbar, auch die axiale Länge der
Schaufeln zu vergrößern. Bei
herkömmlichen Turbinenschaufeln
dieser Art, die für
luftgelagerte Turbinen hoher Drehzahl (70.000 U.p.M.) hergestellt und
verwendet werden, liegt die axiale Länge der Turbinenschaufeln nur
bei etwa 50% der radialen Erstreckung der Turbinenschaufeln, das
heißt
der Differenz zwischen Außenradius
und Innenradius des Schaufelkranzes.
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Erfindungsgemäß ist dagegen
vorgesehen, daß die
axiale Länge
einer Turbinenschaufel mindestens 60% und vorzugsweise mehr als
65% der radialen Erstreckung der entsprechenden Turbinenschaufel
beträgt.
Als zweckmäßig und
gut beherrschbar hat sich eine axiale Länge der Schaufeln bewährt, die
bei etwa 70% der radialen Erstreckung der Schaufel liegt. Nach Möglichkeit
sollte ein Wert von 80%, höchstens
aber etwa 100%, für
die axiale Länge
der Schaufeln im Vergleich zu ihrer radialen Erstreckung nicht überschritten
werden.
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Das
Verhältnis
der radialen Erstreckung der Schaufeln bzw. des Schaufelkranzes,
das heißt
konkret die Differenz zwischen Außenradius und Innenradius des
Schaufelkranzes, im Verhältnis
zu dem Radius des Turbinenrades (der mit dem Außenradius des Schaufelkranzes
gleichzusetzen ist) beträgt
etwa 20%.
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Grundsätzlich gilt,
daß bei
den Turbinenschaufeln die Vorderfläche mindestens entlang eines Abschnittes
derselben einen kleineren Krümmungsradius
hat als der entsprechende, gegenüberliegende
Abschnitt der Rückfläche. Gleichzeitig
hat aber auch der radial äußere Abschnitt
jeder Turbinenschaufel sowohl auf der Außenfläche wie auf der Innenfläche einen
kleineren Krümmungsradius
als der entsprechende innere Abschnitt dieser Flächen.
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Auch
wenn beispielsweise der äußere Abschnitt
auf der Vorderfläche
einen kleineren Krümmungsradius
hat als der äußere Abschnitt
der Fläche,
so hat aber dennoch der radial innere Abschnitt der Vorderfläche einen
größeren Krümmungsradius als
der radial äußere Abschnitt
der Rückfläche.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung liegen die Krümmungsradien
der inneren Abschnitte der Vorderfläche und der Rückfläche relativ dicht
beieinander, das heißt
der Krümmungsradius der
Rückfläche ist
in dem radial inneren Abschnitt vorzugsweise zwischen 0 und 10%
größer als
der Krümmungsradius
des inneren Abschnittes der Vorderfläche, eventuell kann jedoch
der Krümmungsradius
des inneren Abschnittes der Rückfläche auch um
bis zu 5% kleiner sein als der Krümmungsradius des radial inneren
Abschnittes der Vorderfläche
oder er kann umgekehrt auch um bis zu 15% größer sein.
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Die
radial äußeren Abschnitte
der Vorderfläche
und der Rückfläche unterscheiden
sich im allgemeinen etwas deutlicher, und zwar typischerweise um
einen Wert zwischen 10% und 50%, bezogen auf den kleineren Radius
des äußeren Abschnittes
der Vorderfläche,
das heißt
der Krümmungsradius
des inneren Abschnittes der Rückfläche ist
um 10 bis 50% größer. Als
zweckmäßig hat
sich für
diesen Krümmungsradius
der Rückflächen ein
etwa 30% größerer Krümmungsradius
gegenüber
dem Krümmungsradius
des äußeren Abschnittes
der Rückfläche erwiesen.
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Die
Krümmungsmittelpunkte
des inneren und äußeren Abschnittes
der Vorderfläche
liegen, bezogen auf die Turbinenradachse, jeweils in einem etwas
größeren Abstand
zur Turbinenradachse als die Krümmungsmittelpunkte
der jeweils entsprechenden Abschnitte der Rücklächen, wobei außerdem die Krümmungsmittelpunkte
der radial inneren Abschnitte von der Turbinenachse beide weiter
entfernt liegen als die beiden Krümmungsmittelpunkte der jeweiligen
radial äußeren Abschnitte
der Vorder- und der Rückfläche.
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Die
jeweils unterschiedlich gekrümmten
Abschnitte der Vorderfläche
und auch der Rückfläche gehen
vorzugsweise glatt, das heißt
ohne Sprung oder Knick (d. h. mit einer stetigen ersten Ableitung) ineinander über. Dies
erreicht man am einfachsten dadurch, daß der Übergangspunkt genau an die
Position gelegt wird, die von der Verbindungslinie durch die Krümmungsmittelpunkte
des jeweiligen äußeren und
inneren Abschnittes geschnitten wird.
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Zweckmäßigerweise
ist die Turbinenschaufel so gestaltet, daß, bezogen auf die radiale
Erstreckung der Turbinenschaufel, der radial innere Abschnitt sowohl
der Vorderfläche
als auch der Rückfläche jeweils
mindestens 30% dieser axialen Erstreckung erfaßt und daß umgekehrt auch der radial äußere Abschnitt
der Vorderfläche
und der Rückfläche, der
mit jeweils gegenüber
dem inneren Abschnitt kleinerem Krümmungsradius definiert ist,
jeweils mindestens 30% der axialen Erstreckung der Schaufel umfaßt. In der
Praxis stellt sich heraus, daß es zweckmäßig ist,
wenn jeder der radial inneren bzw. äußeren Abschnitte sowohl der
Vorderfläche
als auch der Rückfläche jeweils
in etwa 50% der radialen Erstreckung der Turbinenschaufel umfaßt. Dabei sind
allerdings die Winkelbereiche, über
welche die jeweiligen inneren und äußeren Abschnitte sich erstrecken,
deutlich voneinander verschieden, was unter anderem auch mit den
unterschiedlichen Krümmungsradien
zusammenhängt,
da der Winkelbereich, über
welchen ein gegebener, gekrümmter
Abschnitt sich erstreckt, jeweils auf seinen Krümmungsmittelpunkt bezogen wird.
Als vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn der Winkelbereich, über welchen
der radial innere Abschnitt der Rückfläche sich erstreckt, zwischen
28 und 40°,
vorzugsweise zwischen 30 und 35° und
insbesondere bei etwa 33° liegt,
und der Krümmungswinkel
des radial äußeren Abschnittes
der Rückfläche im Bereich
zwischen 60 und 90°,
vorzugsweise bei 70° ± 5°, liegt.
Auf der Vorderfläche
sind die entsprechenden Winkelbereiche etwas größer, da die Krümmungsradien
dort kleiner sind und wegen der stärkeren Krümmung gleichzeitig der Weg
von der Innenkante zur Außenkante
auf der Vorderfläche
der Turbinenschaufeln länger
ist als auf der Rückseite.
Demzufolge beträgt
der Winkel, über welchen
der radial innere Abschnitt der Vorderfläche sich erstreckt, zwischen
30 und 45°,
vorzugsweise etwa 40° ± 2°, und der
Winkelbereich, über
welchen sich der radial äußere Abschnitt
der Vorderfläche
erstreckt, beträgt
zwischen 100 und 130°,
vorzugsweise 115° ± 5°. Dies ist
jeweils auf den Krümmungsmittelpunkt
des betreffenden gekrümmten
Abschnittes zu beziehen.
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Weiterhin
hat es sich als besonders zweckmäßig und
für die
Turbinenleistung günstig
erwiesen, wenn die Turbinenschaufeln aus einer exakt radialen Ausrichtung
ihrer Verbindungslinie von Innen- und Außenkante
nach vorn verkippt sind, und zwar in der Weise, daß die radial äußere Kante
der Turbinenschaufel der inneren Kante in Rotationsrichtung etwas
voranläuft.
Als zweckmäßig hat
es sich dabei erwiesen, wenn der Winkel zwischen der Verbindungslinie
von äußerer und
innerer Kante einer Turbinenschaufel um einen Winkel zwischen 5
und 12°,
vorzugsweise um etwa 8° bis –1° gegenüber dem
auf die Innenkante der Turbinenschaufel weisenden Radiusvektor des
Turbinenrades geneigt ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung beträgt
außerdem
die Teilung, das heißt der
Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Turbinenschaufeln in Umfangsrichtung,
10° bis
15°, insbesondere
etwa 12°,
wobei dieser Abstand jeweils zwischen entsprechenden Punkten der
benachbarten Turbinenschaufeln zu messen ist. Dies bedeutet, daß die Gesamtzahl
der in Form eines Kranzes am Außenumfang
des Turbinenrades angeordneten Turbinenschaufel zwischen 24 und
36 bzw. bei 30 liegt.
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Die
Innenkante und die Außenkante
einer Turbinenschaufel sind jeweils durch einen kleinen Radius abgerundet,
wobei die Innenkante etwas scharfkantiger ist als die Außenkante
und z.B. einen Krümmungsradius
von weniger als 0,1, vorzugsweise von weniger als 0,05 mm, z. B.
0,025 mm, aufweist, wohingegen die äußere Kante einen Krümmungsradius
von weniger als 0,3, vorzugsweise von weniger als 0,2 mm, jedoch
größer als
0,1 mm, hat.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
und der dazugehörigen
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf ein Turbinenrad entlang der Achse mit einem entlang
des Außenumfanges
des Rades angeordneten Kranz von Turbinenschaufeln,
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2 eine
Schnittansicht des in 1 dargestellten Turbinenrades,
und zwar mit einem Schnitt entlang der Linie II-II in 1,
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3 einen
Ausschnitt aus 1 mit einer einzelnen Turbinenschaufel.
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Man
erkennt in 1 ein Turbinenrad mit einer
kreisscheibenförmigen
Trägerplatte 1,
welche einen Außendurchmesser
D aufweist. Am äußeren Rand
der Trägerplatte 1 befindet
sich ein Kranz aus Turbinenschaufeln 2, wobei die äußeren Kanten
der Turbinenschaufeln 2 in etwa auf dem Durchmesser D liegen,
während
die inneren Kanten des Schaufelradkranzes einen Durchmesser d definieren,
wie man ebenfalls in 2 erkennt. Konkret liegen die
Werte für
d zwischen 40 und 44 mm und die Werte für D zwischen etwa 50 und 60
mm, wobei die Differenz D-d etwa 20% von D ausmacht. Für die entsprechenden Radien
gelten jeweils die halben Werte.
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Wie
man außerdem
in 1 erkennt, sind die einzelnen Schaufeln gegenüber der
Radialrichtung um einen Winkel α nach
vorn verkippt, das heißt in
der Weise, daß die äußere Kante
einer Turbinenschaufel der inneren Kante in Rotationsrichtung R
etwas voranläuft.
Konkret beträgt
der Winkel α,
das heißt
der Winkel einer Verbindungslinie von Außenkante und Innenkante einer
Schaufel zu dem Radiusvektor auf die Innenkante der Schaufel etwa
8° ± 1°.
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Der
Teilungswinkel zwischen den Schaufeln beträgt 12°, das heißt über den Umfang sind insgesamt
30 Turbinenschaufeln 2 verteilt. Anstelle einer Kreisscheibe
könnte
das Turbinenrad 1 selbstverständlich auch aus einem Ring
mit Speichen und entlang des Ringes angeordneten Turbinenschaufeln 2 bestehen.
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In 3 erkennt
man einen Ausschnitt aus der Trägerplatte 1 eines
Turbinenrades mit einer einzelnen Turbinenschaufel 2, die
im Querschnitt dargestellt ist. Die Turbinenschaufel 2 hat
eine gekrümmte Vorderfläche 3 und
eine ebenfalls gekrümmte
Rückfläche 4,
wobei die Vorderfläche
ihrerseits aus einem radial äußeren Abschnitt 3a und
einem radial inneren Abschnitt 3b besteht, während die
Rückfläche 4 aus einem
radial äußeren Abschnitt 4a und
einem radial inneren Abschnitt 4b besteht. In axialer Richtung
ist das Profil der Turbinenschaufel 2 konstant, das Heißt, die
Vorderfläche 3 und
die Rückfläche 4 verlaufen
achsparallel.
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Der Übergang
von der Vorderfläche
zur Rückfläche an der
inneren Kante und der äußeren Kante
der Turbinenschaufel 2 erfolgt außen über einen Krümmungsradius
R5 von etwa 0,15 mm oder auch etwas kleiner
und im Bereich der inneren Kante über einen Krümmungsradius
R6, der deutlich unter 0,1 mm liegt, beispielsweise
bei etwa 0,025 mm.
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Die
radial inneren und äußeren Abschnitte 3a, 3b der
Vorderfläche
und auch die entsprechenden radial inneren und äußeren Abschnitte 4a, 4b der rückwärtigen Fläche 4 haben
jeweils unterschiedliche Krümmungsradien
und auch unterschiedlich angeordnete Krümmungszentren. Der radial innere
Abschnitt 4b der rückwärtigen Fläche 4 hat
einen Krümmungsradius
R1 und ein Krümmungszentrum 11.
Dieses Krümmungszentrum 11 liegt
bei der auf dem Turbinenrad montierten Turbinenschaufel 2 etwas
mehr an der Achse 5 des Turbinenrades als das Krümmungszentrum 13 des
radial inneren Abschnittes 3b der Vorderfläche 3,
der einen Krümmungsradius
R3 hat. Das Krümmungszentrum 11 liegt
dabei radial weiter außerhalb
(bezogen auf die Turbinenachse 5) als das Krümmungszentrum 12 des
radial äußeren Abschnittes 4a der
Rückfläche, die
einen Krümmungsradius
R2 aufweist.
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Der
Krümmungsmittelpunkt 14 des
radial äußeren Abschnittes 3a der
Vorderfläche 3 liegt
wiederum näher
an der Turbinenachse als das Krümmungszentrum 13 des
radial inneren Abschnittes der Vorderfläche 3, aber geringfügig weiter
von der Achse 5 der Turbine entfernt als das Krümmungszentrum 12 des
radial äußeren Abschnittes 4a der
Rückfläche 4.
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Insgesamt
gilt für
die 4 Krümmungsradien der
Vorder- und Rückflächen in
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Beziehung: R4 < R2 < R3 < R1,
wobei der Faktor zwischen R2 und R4 etwa 1,3 beträgt, der Faktor zwischen R3 und R2 etwa 2 beträgt und der
Faktor zwischen R1 und R3 etwa
1,1 beträgt.
Diese Faktoren können
jedoch auch ohne weiteres um 10% in beide Richtungen variieren.
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Der Übergang
zwischen dem Abschnitt 3a und dem Abschnitt 3b auf
der Vorderfläche 3 liegt
genau auf der Schnittlinie dieser Vorderfläche 3 mit einer die
Krümmungszentren 13 und 14 verbindenden Geraden.
Der Übergang
zwischen den Abschnitten 4a und 4b der rückwärtigen Fläche 4 liegt
auf dem Schnittpunkt dieser rückwärtigen Fläche 4 mit
einer Geraden durch die Krümmungszentren 11, 12 dieser beiden
Abschnitte. Hierdurch wird sichergestellt, daß der Übergang zwischen den verschiedenen
Radien glatt und ohne jeden Knick erfolgt, da die Tangenten der
jeweils verschieden gekrümmten
Abschnitte in den so definierten Übergangspunkten exakt zusammenfallen.
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Wie
man im übrigen
aus den 1 und 2 ableiten
kann, die exakt im selben Maßstab dargestellt
sind, beträgt
die Länge
l der Turbinenschaufel 2 im Verhältnis zu ihrer radialen Erstreckung,
das heißt
im Verhältnis
zu der Differenz zwischen Außenradius
und Innenradius des Schaufelkranzes, etwa 68% (zwischen 65 und 70%).
Neben dem speziellen Profil und der speziellen Anordnung der Turbinenschaufeln
auf dem Turbinenrad trägt auch
diese größere axiale
Länge im
Verhältnis
zur radialen Erstreckung der Schaufeln zu einer verbesserten und
stabilen Turbinenleistung und zu einem höheren Drehmoment bei hohen
Drehzahlen bei.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Turbinenrad gelingt
es, im Vergleich zu einem herkömmlichen Turbinenrad
mit den gleichen äußeren Abmessungen,
in einer Lacksprüheinrichtung
eine um ca. 100% höhere
Sprühleistung
bei gleicher Qualität
zu erzielen.
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Gleichzeitig
ist die Herstellung des Turbinenrades durch die neue Gestaltung
und Anordnung der Turbinenschaufeln praktisch nicht oder nur unwesentlich
erschwert worden. Da die Turbinenschaufeln aus entsprechend längeren Profilen
einfach durch Abtrennen von Abschnitten gewünschter Länge (die der axialen Länge l der
Turbinenschaufeln entspricht) hergestellt werden, erfordert die
Herstellung des neuen Schaufelprofils keinen wesentlich höheren Aufwand,
da das Profil über
die große
Länge entsprechender
vorgefertigter Profilelemente konstant ist. Auch das leicht verkippte
Anordnen der Schaufeln verlangt keinen erhöhten Montage- bzw. Fertigungsaufwand.
Dies gilt weiterhin auch für
die vergrößerte axiale
Länge der
Schaufeln.
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Durch
die drastisch erhöhte
Leistung des Turbinenrades wird der nur geringfügig erhöhte Aufwand beim Herstellen
eines entsprechenden Turbinenrades bei weitem überkompensiert.