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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelstrahlturbine zum Schleudern
von Strahlmitteln mit hoher Geschwindigkeit, wobei diese Turbine
eine Anzahl von Schaufeln umfasst, die in Rotation um eine Achse
angetrieben werden und von denen eine Aufnahmefläche sich zwischen einem ersten
an die Achse angrenzenden Ende zur initialen Aufnahme des zu schleudernden
Strahlmittels und einem zweiten von der Achse entfernten Ende zum
Ausstoßen
des Strahlmittels erstreckt, wobei jede Aufnahmefläche zwischen
ihrem besagten ersten und zweiten Ende ein konkaves Profil mit einer
kreisförmigen
Kurve aufweist 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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
der
DE 12 59 21 B ist
ferner eine Wurfschaufel an einem Schleuderrad zum Putzen von Werkstücken bekannt,
bei der durch Bündelung
des Schleuderstrahls der Verschleiß der Schaufel gesenkt wird.
Aus der
GB 743 381 ist
es auch bekannt, den Verschleiß an
rotierenden Schaufelrädern
zu senken, indem die Befestigungsmittel so angeordnet werden, dass
sie nicht den Abrasionspartikeln ausgesetzt sind. Die
US 716 268 offenbart Möglichkeiten,
auf einfache und billige Weise Steine oder Geröll auf eine ausreichende Distanz
und Höhe
zu befördern,
wobei die Vorrichtung zwei durch Schaufeln verbundene Scheiben aufweist
und wobei die Schaufeln zwei Krümmungen
zeigen, die entlang der Längsachse
der Schaufeln gegensinnig gerichtet sind. Gemäß der
US 22 05 414 wird auf die Verwendung
eines Schaufelrades verzichtet und es werden statt dessen propellerartige
Rotoren mit Schaufeln bereitgestellt, auf denen die Bewegung der
aufgenommenen Partikel verzögert
wird, indem die Schaufeloberfläche
eine gewisse Neigung aufweist. Ähnliche
Vorrichtungen sind schließlich
auch aus der
PL 141 554 und
der
DE 39 35 801 A1 bekannt.
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Ausgehend
von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik ist es daher die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Kugelstrahlturbine zum Hochleistungsschleudern
zu schaffen, welche geeignet ist, die Metallteilchen so auf die
abzubeizenden oder aufzurauenden Flächen zu schleudern, dass diese
nicht beschädigt
werden.
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Die
zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Tangente des Profils in der Nähe des ersten Endes mit der
Tangente am Ende zu einem um die Achse rotierenden Zylinder, dessen
Radius dem Abstand zwischen dem ersten Ende der betrachteten Aufnahmefläche und
der besagten Achse entspricht, einen Winkel α kleiner als 45° bildet,
während
die Tangente des 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 zweiten
Ende.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kugelstrahlturbine sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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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 alpha kleiner als 90 DEG 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 gamma kleiner als 60 DEG bildet in Bezug
auf eine Radiale zwischen der besagten Achse und dem besagten zweiten
Ende.
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Weitere
Besonderheiten und Einzelheiten der Erfindung sind aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung ersichtlich, in welcher auf die als Anhang
beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird.
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In
diesen lediglich als Beispiel angeführten Zeichnungen:
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stellt
die 1 eine schematische Ansicht im Teilquerschnitt
einer Turbine mit sonst üblichen
geraden Radschaufeln dar, die eine Aufnahme mit Ausgangsstoss durchführt;
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zeigt
die 2 ein Profil einer aktiven Fläche der Schaufel einer Turbine
gemäss
der Erfindung, wobei die besagte Fläche konkav ist, und zwar mit korrekter
Aufnahme;
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stellt
die 3 eine schematische Ansicht in grösserem Massstab
der aktiven Fläche
auf der Stufe der initialen Aufnahme dar;
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stellt
die 4 einen Querschnitt eines Profils einer anderen
Ausführungsart
der Schaufel einer Turbine gemäss
der Erfindung mit grosser Auswurfgeschwindigkeit dar;
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stellen
die 5 und 6 jeweils eine Frontansicht
einer Turbine gemäss
der Erfindung mit vier Radschaufeln und im Querschnitt entlang der
Linien VI-VI der 5 dar, wobei die Radschaufeln
auf den Mitnehmerflansch aufgesetzt sind;
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stellen
die 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
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stellen
die 9 und 11 jeweils eine Querschnitt-Teilansicht einer
Turbine, einen Querschnitt entlang der Linien X-X der 9 und
eine perspektivische Teilansicht dar.
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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.
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Wie
aus 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 2 übernommen, mindern stark den
Stosseffekt und vermeiden so die Beschädigung des Strahlmittels bei
seiner Aufnahme.
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Wie
aus 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 VR verlässt, die
aus der Tangentialgeschwindigkeit Vt und der Radialgeschwindigkeit
Vr resultiert.
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Beim
Austritt aus dem Verteiler besitzt das Strahlmittel eine geringe
Geschwindigkeit, deren Richtung durch den Vektor B in 2 angezeigt
wird. Der senkrecht zum Radius r befindliche Vektor A zeigt die
Geschwindigkeit des materiellen Punktes des Radschaufelfusses an.
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3 zeigt
in Vergrösserung
die Geschwindigkeitsvektoren A und B am Radius r1.
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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.
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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.
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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 (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.
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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.
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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.
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Wie
aus 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.
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Die
Aufnahmefläche
weist zwischen ihren Kanten 23, 24 ein konkaves
kreisförmiges
Profil auf (Radius R).
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Die
Tangente t23 bildet einen Winkel alpha 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 DEG, wodurch eine hervorragende Aufnahme (behutsame
Aufnahme) gewährleistet
wird. Die Aufnahme ist um so besser, je mehr sich der Winkel alpha
dem Grad 0 (beispielsweise kleiner als 15 DEG) nähert.
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Die
Tangente t24 des besagten Profils in der Nähe der Kante 24 bildet
einen Winkel gamma in Bezug auf eine Radiale T zwischen der Achse 21 und der
besagten Kante 24. Dieser Winkel liegt zwischen 0 und 60
DEG.
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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.
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Mit
anderen Worten, damit eine maximale resultierende Geschwindigkeit
Vr (4) bei einer definierten Tangential- Geschwindigkeit
Vt erreicht wird (also w definiert, da Vt = w.r2, mit w in rad/sec),
liegt der Winkel gamma (Winkel gamma, den die Ausstosskante 24 in
Bezug auf eine Radiale T bildet, die durch den Scheitelpunkt dieser
Kante geht) zwischen 0 DEG und 60 DEG, je nach Art des verwendeten Strahlmittels.
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Der
Winkel gamma 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 gamma einen viel zu hohen Verschleiss hervorrufen
und den Einsatz von Radschaufeln mit sehr grosser Härte erfordern.
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Die
relative Geschwindigkeit Vr in Kombination mit der Geschwindigkeit
Vt ergibt die resultierende Geschwindigkeit VR. Bei zunehmendem
Winkel gamma vermindert sich die relative Geschwindigkeit Vr, das
Zusammenwirken der beiden Geschwindigkeiten kann jedoch eine höhere resultierende
Geschwindigkeit VR ergeben, bei gleicher Drehgeschwindigkeit (N
Umdrehungen/Minute). Je nach Art des geschleuderten Strahlmittels
variiert dieser optimale Winkel zwischen 0 DEG und 60 DEG. Unterhalb oder
oberhalb dieses Wertes ergibt das Zusammenwirken der beiden Geschwindigkeiten
Vt und Vr eine geringere resultierende Geschwindigkeit bei gleicher Drehgeschwindigkeit
N.
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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 gamma zu erzielen. Ein kreisförmiges Profil zu wählen, das
auf eine besseres Verhältnis
Vr/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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung ermöglicht
also die Behebung dieser Nachteile, da sie grosse Geschwindigkeiten VR
bei geringeren Drehgeschwindigkeiten zulässt.
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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 peeving" eingesetzt werden, wo oft hohe Schleudergeschwindigkeiten
benötigt
werden.
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Die 5 und 6 zeigen
eine Ausführungsart
dieser Turbine mit vier Radschaufeln 1 unter Beachtung
der empfohlenen Leistungsanforderungen, wobei ein Strahlmittel winkelförmiger Art
gewählt
wurde.
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Die
Radschaufeln 1 dieser Ausführung sind ein kompletter Bestandteil
des Mitnehmerflansches (5, 6). Dieser
Flansch 3 besitzt Öffnungen zur
Aufnahme von Schrauben 25 zu seiner Befestigung auf einer
Getriebewelle 26.
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Eine
andere Ausführung
der Radschaufel 1 gemäss
der Erfindung ist in den 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 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.
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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.
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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.
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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.
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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.