DE4409690A1 - Kugelstrahlturbine - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kugelstrahlturbine zum Schleudern von Strahlmitteln mit hoher Geschwindigkeit, wobei diese Turbine eine Anzahl von Schaufeln oder Radschaufeln umfaßt, die in Rotation um eine Achse angetrieben werden und von denen eine Aufnahmefläche sich zwischen einem ersten an die besagte Achse angrenzenden Ende zur initialen Aufnahme des zu schleudernden Strahlmittels und einem zweiten von der besagten Achse entfernten Ende zum Ausstoßen des Strahlmittels erstreckt, und wobei sich die besagten ersten Enden von der besagten Achse in einem Abstand befinden, der kleiner ist als derjenige, welcher das zweite Ende von der Achse trennt. Jede Aufnahmefläche weist ein konkaves Profil mit einer kreisförmigen Kurve auf, wobei die Tangente des besagten Profils in der Nähe des ersten Endes mit der Tangente am besagten Ende zu einem um die Achse rotierenden Zylinder einen Winkel bildet, der kleiner ist als 90°, während die Tangente des besagten Profils in der Nähe des zweiten Endes einen Winkel bildet, der kleiner ist als 60°, in Bezug auf eine Radiale zwischen der besagten Achse und dem besagten zweiten Ende.

Kugelstrahlturbinen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreiben beispielsweise die Dokumente US 3 034 264, US 3 977 128, 4 377 924 und 4 020 596 Maschinen zum Kugelstrahlen, welche eine Kugelstrahlturbine umfassen, sowie ihre Anwendungsbereiche. Diese Dokumente wurden in die vorliegende Spezifikation als Referenz zur Beschreibung von Maschinen mit Kugelstrahlturbinen sowie von Anwendungsmöglichkeiten von Kugelstrahlturbinen aufgenommen.

Bei den derzeit existierenden Zentrifugal- Schleuderturbinen besteht der Hauptvorteil der die Kügelchen mittels Zentrifugalkraft schleudernden Kugelstrahlturbinen in dem geringen Energieverbrauch im Vergleich zum entlasteten Druckluftsystem mit Einblasen des Strahlmittels, gleiche Schleuderleistung selbstverständlich vorausgesetzt.

Eine druckluftentlastete Blasdüse mit 10 mm Durchmesser erfordert einem Kompressor von 60 PS, während eine Spritzturbine die gleiche Arbeit mit lediglich 4 PS auf einer Spindel installiert erledigt.

Turbinen mit geraden Radschaufeln nehmen das Strahlmittel auf, das mit einem ziemlich heftigen Stoß aus dem Verteiler austritt, wobei sogar der Stahlsand beschädigt werden kann, der sich bei großen Härtegraden als sehr empfindlich erweist.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diesen Nachteil zu beheben und hat eine Kugelstrahlturbine zum Hochleistungsschleudern zum Gegenstand, welche insbesondere für Kugelstrahl-Schleuderanlagen geeignet ist, bei denen sie Metallteilchen auf die abzubeizenden oder aufzurauhenden Flächen schleudert.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kugelstrahlturbine, deren Schaufeln oder Radschaufeln ein bestimmtes Profil besitzen, das den Kügelchen die größtmögliche Geschwindigkeit verleiht und dabei einen deutlich geringeren Durchmesser und eine deutlich geringere Drehgeschwindigkeit beibehält als bei geraden Schaufeln. Die Innovation dieser Schaufel oder Radschaufel bezieht sich auf zwei Bereiche:

• 1. den Bereich der initialen Aufnahme der Kügelchen.
• 2. den Bereich der resultierenden Schleudergeschwindigkeit.

Die Kugelstrahlturbine zum Schleudern von Strahlmitteln mit hoher Geschwindigkeit umfaßt eine Reihe von Schaufeln oder Radschaufeln, welche in Rotation um eine Achse angetrieben werden und von denen eine Aufnahmefläche sich zwischen einem ersten die besagte Achse angrenzenden Ende zur initialen Aufnahme des zu schleudernden Strahlmittels und einem zweiten von der besagten Achse entfernten Ende zum Ausstoßen des Strahlmittels erstreckt, und sich die besagten ersten Enden von der besagten Achse in einem Abstand befinden, der kleiner ist als derjenige, welcher das zweite Ende von der Achse trennt, jede Aufnahmefläche weist zwischen ihrem besagten ersten und zweiten Ende ein konkaves Profil mit kreisförmiger Kurve auf, wobei die Tangente des besagten Profils in der Nähe des ersten Endes einen Winkel α kleiner als 90° mit der Tangente in der Nähe des besagten ersten Endes zu einem um die Achse rotierenden Zylinder bildet, dessen Radius dem Abstand zwischen dem ersten Ende der betrachteten Aufnahmefläche und der besagten Achse entspricht, während die Tangente des besagten Profils in der Nähe des zweiten Endes einen Winkel γ kleiner als 60° bildet in Bezug auf eine Radiale zwischen der besagten Achse und dem besagten zweiten Ende.

Jede Aufnahmefläche weist vorzugsweise zwischen ihrem besagten ersten und zweiten Ende ein konkaves Profil mit kreisförmiger Kurve auf, wobei die Tangente des besagten Profils in der Nähe des ersten Endes einen Winkel α kleiner als 45° mit der Tangente in der Nähe des besagten ersten Endes bildet, zu einem um die Achse rotierenden Zylinder, dessen Radius dem Abstand zwischen dem ersten Ende der betrachteten Aufnahmefläche und der besagten Achse entspricht, während die Tangente des besagten Profils in der Nähe des zweiten Endes einen Winkel γ kleiner als 60° bildet in Bezug auf eine Radiale zwischen der besagten Achse und dem besagten zweiten Ende.

Je nach Ausführungsart besitzt jede Schaufel oder Radschaufel zwei Befestigungsnasen, die in den beiden Turbinenflanschen untergebracht sind, oder auf der Rückseite ihrer aktiven Fläche eine zu ihrer Befestigung dienende Rippe mit Lochung und Ausstanzung.

Gemäß einer anderen Ausführungsart sind die Schaufeln oder Radschaufeln Bestandteil eines Mitnehmerflansches.

Weitere Besonderheiten und Einzelheiten der Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, in welcher auf die als Anhang beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.

In diesen lediglich als Beispiel angeführten Zeichnungen:

• - stellt die Fig. 1 eine schematische Ansicht im Teilquerschnitt einer Turbine mit sonst üblichen geraden Radschaufeln dar, die eine Aufnahme mit Ausgangsstoß durchführt;
• - zeigt die Fig. 2 ein Profil einer aktiven Fläche der Schaufel einer Turbine gemäß der Erfindung, wobei die besagte Fläche konkav ist, und zwar mit korrekter Aufnahme;
• - stellt die Fig. 3 eine schematische Ansicht in größerem Maßstab der aktiven Fläche auf der Stufe der initialen Aufnahme dar;
• - stellt die Fig. 4 einen Querschnitt eines Profils einer anderen Ausführungsart der Schaufel einer Turbine gemäß der Erfindung mit großer Auswurfgeschwindigkeit dar;
• - stellen die Fig. 5 und 6 jeweils eine Frontansicht einer Turbine gemäß der Erfindung mit vier Radschaufeln und im Querschnitt entlang der Linien VI-VI der Fig. 5 dar, wobei die Radschaufeln auf den Mitnehmerflansch aufgesetzt sind;
• - stellen die Fig. 7 und 8 jeweils eine Frontansicht und eine Rückansicht einer Ausführungsvariante einer Radschaufel gemäß der Erfindung dar, wobei die Radschaufeln abnehmbar sind und zwischen zwei Flanschen gehalten werden, von denen einer der Mitnehmerflansch ist und
• - stellen die Fig. 9 und 11 jeweils eine Querschnitt- Teilansicht einer Turbine, einen Querschnitt entlang der Linien X-X der Fig. 9 und eine perspektivische Teilansicht dar.

Bei empfindlichen Strahlmitteln, welche beim Kugelstrahlen von schwierigen Oberflächen, wie beispielsweise Walzzylindern, zum Einsatz kommen, muß die Aufnahme des Strahlmittels so behutsam wie möglich erfolgen, und zwar ohne Stoß, um es zu schützen und sein Zerbrechen zu vermeiden.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, neigen die derzeit gebräuchlichen geraden oder gar konvexen Schaufeln 100 dazu, das Strahlmittel bei der Aufnahme zu beschädigen. Die konkaven Oberflächen 22 der Schaufel 1 jedoch, wie in der Skizze von Fig. 2 übernommen, mindern stark den Stoßeffekt und vermeiden so die Beschädigung des Strahlmittels bei seiner Aufnahme.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, werden die Schaufeln 100 in Rotation (Geschwindigkeit w) angetrieben und zwar dergestalt, daß das aus dem Verteiler austretende Strahlmittel 101 nach und nach durch die Wirkung der Zentrifugalkraft in die Nähe der freien Kante 102 einer Schaufel 100 gebracht wird, wo das Strahlmittel die Turbine mit einer Geschwindigkeit V_R verläßt, die aus der Tangentialgeschwindigkeit V_t und der Radialgeschwindigkeit V_r resultiert.

Beim Austritt aus dem Verteiler besitzt das Strahlmittel eine geringe Geschwindigkeit, deren Richtung durch den Vektor B in Fig. 2 angezeigt wird. Der senkrecht zum Radius r befindliche Vektor A zeigt die Geschwindigkeit des materiellen Punktes des Radschaufelfußes an.

Fig. 3 zeigt in Vergrößerung die Geschwindigkeitsvektoren A und B am Radius r₁.

Eine behutsame Aufnahme des Strahlmittels ist bei kleinen Turbinen unerläßlich, da diese sich sehr schnell drehen müssen, um eine ausreichend hohe resultierende Geschwindigkeit zu erreichen.

Im Gegensatz zum bereits Vorhandenen geht es hier nicht darum, eine initiale Ausstoßfläche parallel zum Geschwindigkeitsvektor B des Strahlmittels beim Austritt aus dem Verteiler zu schaffen, sondern vielmehr eine Aufnahmefläche, welche sich der dem Geschwindigkeitsvektor entgegengesetzten Richtung bei dieser Stufe des Durchmessers möglichst stark annähert.

Manche Konstrukteure haben die Angriffskante der Radschaufel tangierend an den Vektor B angesetzt, was im Hinblick auf eine korrekte Aufnahme des Strahlmittels ein grundlegender Irrtum ist. Man erhält so das gestrichelt dargestellte Profil 1000 (Fig. 2 und 3), bei welchem die initiale Aufnahme des Strahlmittels sehr schlecht ist. Dieses Profil reduziert die Aufnahme stark, was eine Verringerung der bei dieser Turbine zulässigen Schleuderleistung mit sich bringt. In der Tat wird bei diesem Profil ein Teil des .Strahlmittels in die Mitte zurückgeschleudert und somit seine Aufnahme verhindert.

Es ist daher erforderlich, daß die Tangente der Fläche der initialen Aufnahmekante sich im Winkel der Richtung des Vektors B möglichst stark annähert, welcher den Geschwindigkeitsvektor des Strahlmittels beim Austritt aus dem Verteiler darstellt.

Es ist selbstverständlich nicht möglich, die Angriffskante der Radschaufel in der Verlängerung des Vektors B (bzw. A) zu plazieren, da die Angriffskante eine Stärke aufweist, welche die Übereinstimmung dieser Richtungen verhindert. So gesehen ist es vorteilhaft, wenn sich die Angriffskante, unter Berücksichtigung der Stärke, dieser Richtung möglichst stark annähert.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Turbine gemäß der Erfindung in einem Gehäuse 20 untergebracht, welches das Ausstoßen des Strahlmittels durch das Rohr 200 ermöglicht. Diese Turbine umfaßt eine Anzahl von in Rotation (Pfeil w) um eine Achse 21 angetriebenen Schaufeln 11 (von denen zwei abgebildet sind). Die Schaufeln weisen eine Aufnahmefläche 22 zur Aufnahme des zu schleudernden Strahlmittels 101 auf, und zwar erstreckt sich die Fläche 22 zwischen einem Ende der an die Achse 21 angrenzenden Kante 23 (Kante 23 bzw. Ende für die initiale Aufnahme des zu schleudernden Strahlmittels) und einem von der besagten Achse 21 entfernten Rand bzw. einer Kante 24 (Kante zum Ausstoßen des Strahlmittels). Die Kante 23 befindet sich in einem Abstand r₁ von der Achse 21, wobei der Abstand r₁ kleiner ist als der Abstand r₂, welcher die Kante 24 von der Achse 21 trennt.

Die Aufnahmefläche weist zwischen ihren Kanten 23, 24 ein konkaves kreisförmiges Profil auf (Radius R).

Die Tangente t₂₃ bildet einen Winkel α mit der Tangente t eines um die Achse 21 rotierenden Zylinders mit einem Radius r₁, Tangente t an der Kante 23. Dieser Winkel Q ist vorzugsweise kleiner als 45°, wodurch eine hervorragende Aufnahme (behutsame Aufnahme) gewährleistet wird. Die Aufnahme ist um so besser, je mehr sich der Winkel α dem Grad 0 (beispielsweise kleiner als 15°) nähert.

Die Tangente t₂₄ des besagten Profils in der Nähe der Kante 24 bildet einen Winkel γ in Bezug auf eine Radiale T zwischen der Achse 21 und der besagten Kante 24. Dieser Winkel liegt zwischen 0 und 60°.

Das Profil der Schaufel oder Radschaufel ist gemäß der Erfindung so konzipiert, daß das Strahlmittel mit einer möglichst hohen resultierenden Geschwindigkeit ausgestoßen wird und zwar bei einer bestimmten, vorzugsweise möglichst niedrigen Drehgeschwindigkeit.

Mit anderen Worten, damit eine maximale resultierende Geschwindigkeit V_r (Fig. 4) bei einer definierten Tangential- Geschwindigkeit V_t erreicht wird (also w definiert, da V_t= w.r₂, mit w in rad/sec), liegt der Winkel γ (Winkel γ, den die Ausstoßkante 24 in Bezug auf eine Radiale T bildet, die durch den Scheitelpunkt dieser Kante geht) zwischen 0° und 60°, je nach Art des verwendeten Strahlmittels.

Der Winkel γ ist definiert durch die zu erreichende Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Radschaufeln 1 (N Umdrehungen/Minute), jedoch auch in Abhängigkeit des zulässigen Verschleißgrades der Radschaufeln. Es versteht sich von selbst, daß große Winkel γ einen viel zu hohen Verschleiß hervorrufen und den Einsatz von Radschaufeln mit sehr großer Härte erfordern.

Die relative Geschwindigkeit V_r in Kombination mit der Geschwindigkeit V_t ergibt die resultierende Geschwindigkeit V_R. Bei zunehmendem Winkel γ vermindert sich die relative Geschwindigkeit V_r, das Zusammenwirken der beiden Geschwindigkeiten kann jedoch eine höhere resultierende Geschwindigkeit V_R ergeben, bei gleicher Drehgeschwindigkeit (N Umdrehungen/Minute). Je nach Art des geschleuderten Strahlmittels variiert dieser optimale Winkel zwischen 0° und 60°. Unterhalb oder oberhalb dieses Wertes ergibt das Zusammenwirken der beiden Geschwindigkeiten V_t und V_r eine geringere resultierende Geschwindigkeit bei gleicher Drehgeschwindigkeit N.

Das Profil dieser Radschaufel weist eine kreisförmige Kurve auf, deren Radius in Abhängigkeit der Dimensionen r₁ und r₂ der Turbine gewählt wird, um den gewünschten Winkel γ zu erzielen. Ein kreisförmiges Profil zu wählen, das auf eine besseres Verhältnis V_r/N abzielt, ist für Spezialanwendungen mit Kugelstrahlen unerläßlich. Tatsächlich ist der Gewinn an Geschwindigkeit VR bei gegebener Drehgeschwindigkeit groß. In der Tat benötigt man bei herkömmlichen Turbinen sehr hohe Geschwindigkeiten (+ 20%), um das gleiche Ergebnis zu erzielen.

Darüber hinaus neigt man beim Kugelstrahlen von Walzzylindern dazu, die Härte der Walzenballen zu erhöhen, um dem Verschleiß besser entgegenzuwirken. Folglich wird das Kugelstrahlen der Walzen immer schwieriger, wenn nicht unmöglich.

Es ist anzumerken, daß die Lösung der höheren Drehzahl zum Erreichen einer höheren Geschwindigkeit das Risiko der Beschädigung der Kügelchen gleich zu Beginn bei der initialen Aufnahme mit sich bringt. Außerdem hat die Erhöhung der Geschwindigkeit eine Verstärkung der Unwuchtkräfte proportional zum Quadrat der Drehgeschwindigkeit zur Folge.

Die Erfindung ermöglicht also die Behebung dieser Nachteile, da sie große Geschwindigkeiten V_R bei geringeren Drehgeschwindigkeiten zuläßt.

Die Konzeption der Turbine gemäß der Erfindung hat die Konstruktion von kleinformatigen Kugelstrahlmaschinen ermöglicht, die manuell zu bedienen sind. Die Leistung dieser Art von Turbine ermöglicht also die Konstruktion von Kugelstrahlmaschinen mit tragbarer Turbine, aber auch von Kugelstrahlturbinen, die sehr hohe Schleudergeschwindigkeiten erfordern, wie beispielsweise bei Kugelstrahlanlagen für Walzzylinder. Diese Turbinen können ebenfalls beim Belastungskugelstrahlen oder "shot peening" eingesetzt werden, wo oft hohe Schleudergeschwindigkeiten benötigt werden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsart dieser Turbine mit vier Radschaufeln 1 unter Beachtung der empfohlenen Leistungsanforderungen, wobei ein Strahlmittel winkelförmiger Art gewählt wurde.

Die Radschaufeln 1 dieser Ausführung sind ein kompletter Bestandteil des Mitnehmerflansches (Fig. 5, 6). Dieser Flansch 3 besitzt Öffnungen zur Aufnahme von Schrauben 25 zu seiner Befestigung auf einer Getriebewelle 26.

Eine andere Ausführung der Radschaufel 1 gemäß der Erfindung ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt, wo die Lochung 4 und die Ausstanzung 5 in der Rippe 6 zur Befestigung der Radschaufel dienen. Auf der aktiven Fläche 22 ist die initiale Aufnahme 23 sichtbar. Eine andere Anordnung der Radschaufel ist in den Fig. 9 und 11 dargestellt. Die aktive Fläche 22 ist hier angegeben. Diese Radschaufel ist nicht mit einer Rückenrippe ausgestattet. Die beiden Nasen 9 dienen zur Befestigung der Radschaufel in den beiden teilweise abgebildeten Flanschen 3A, 3B.

Zar Erhöhung der Schleuderaggressivität kann es nützlich sein, einen Kanal 27 zu schaffen, dessen Breite in Abhängigkeit vom Zunehmen des Radius r abnimmt. Eine andere Lösung besteht darin, einen Kanal zu schaffen, dessen Profil im Querschnitt leicht gekrümmt ist. Diese Art der Konstruktion der Radschaufel konzentriert das Strahlmittel in der Mitte, genau im Augenblick des Ausstoßens.

Die Radschaufeln oder Schaufeln gemäß der Erfindung bestehen vorzugsweise aus sehr hartem, verschleißarmem Material, wie beispielsweise Wolframkarbid oder irgendeinem anderen mehr oder weniger leistungsfähigen verschleißarmen Material.

Die Turbine kann aus einem Stück gegossen werden mit eingearbeiteten formschlüssigen Radschaufeln. Sie kann außerdem eine unterschiedliche gerade oder ungerade Anzahl von Radschaufeln aufweisen, beispielsweise von 2 bis 20, insbesondere von 4 bis 7.

Man wird selbstverständlich nicht das Gebiet der Erfindung verlassen, in dem man Radschaufeln realisiert, die eine aktive Form wie die hier beanspruchte besitzen, deren Befestigungsart und/oder äußere Form jedoch unterschiedlich sein würden. Lediglich die aktive Fläche 22 bei der Turbine gemäß der Erfindung ist wichtig.

Claims (5)

1. Kugelstrahlturbine zum Schleudern von Strahlmitteln (101) mit hoher Geschwindigkeit, wobei diese Turbine eine Anzahl von Schaufeln (11) oder Radschaufeln umfaßt, die in Rotation um eine Achse (21) angetrieben werden und von denen eine Aufnahmefläche (22) sich zwischen einem ersten an die besagte Achse (21) angrenzenden Ende zur initialen Aufnahme des zu schleudernden Strahlmittels und einem zweiten von der besagten Achse entfernten Ende zum Ausstoßen des Strahlmittels erstreckt, und wobei sich die besagten ersten Enden von der besagten Achse (21) in einem Abstand befinden, der kleiner ist als derjenige, welcher das zweite Ende von der Achse (21) trennt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Aufnahmefläche (22) zwischen ihrem besagten ersten und zweiten Ende ein konkaves Profil mit einer kreisförmigen Kurve aufweist, wobei die Tangente (t23) des besagten Profils in der Nähe des ersten Endes mit der Tangente (t) am besagten Ende zu einem um die Achse (21) rotierenden Zylinder, dessen Radius (r₁) dem Abstand zwischen dem ersten Ende der betrachteten Aufnahmefläche (22) und der besagten Achse (21) entspricht, einen Winkel α kleiner als 90° bildet, während die Tangente (t24) des besagten Profils in der Nähe des zweiten Endes einen Winkel γ kleiner als 60° bildet, in Bezug auf-eine Radiale (T) zwischen der besagten Achse (21) und dem besagten zweiten Ende.

2. Turbine gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Aufnahmefläche (22) zwischen ihrem besagten ersten und zweiten Ende ein konkaves kreisförmiges Profil aufweist, wobei die Tangente (t23) des besagten Profils in der Nähe des ersten Endes einen Winkel α kleiner als 45° mit der Tangente (t) bildet, in der Nähe des besagten ersten Endes, zu einem um die Achse rotierenden Zylinder, dessen Radius (r₁) dem Abstand zwischen der betrachteten Aufnahmefläche (22) und der besagten Achse (21) entspricht.

3. Turbine gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Radschaufel (11) mit zwei Befestigungsnasen (9) ausgestattet ist, die in den beiden Turbinenflanschen (3) untergebracht sind.

4. Turbine gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Radschaufel (11) auf der Rückseite ihrer aktiven Fläche (22) eine zu ihrer Befestigung dienende Rippe mit Lochung (4) und Ausstanzung (5) besitzt.

5. Turbine gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Radschaufeln (11) Bestandteil eines Mitnehmerflansches sind.