EP0781896A1 - Turbinenrad für Impulsturbinen - Google Patents

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EP0781896A1
EP0781896A1 EP96120835A EP96120835A EP0781896A1 EP 0781896 A1 EP0781896 A1 EP 0781896A1 EP 96120835 A EP96120835 A EP 96120835A EP 96120835 A EP96120835 A EP 96120835A EP 0781896 A1 EP0781896 A1 EP 0781896A1
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EP
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turbine wheel
disk
wheel according
drive
opening
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EP96120835A
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Werner Trojahn
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Joisten and Kettenbaum GmbH and Co JOKE KG
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Joisten and Kettenbaum GmbH and Co JOKE KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/06—Adaptations for driving, or combinations with, hand-held tools or the like control thereof
    • F01D15/067—Adaptations for driving, or combinations with, hand-held tools or the like control thereof characterised by non-bladed rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/34—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes

Definitions

  • the present invention relates to a turbine wheel for drive turbines, in particular of metalworking machines, consisting of a disk-shaped wheel body with a central bearing opening and concentrically to this circumferentially in an disk side face arranged inlet openings of drive air channels running in the disk body, each opening into an outlet opening.
  • Such turbine wheels are known.
  • the outlet openings of the drive air channels lie in the disk side surface of the wheel body opposite the inlet openings.
  • these known turbine wheels have pocket-shaped recesses on their circumferential surfaces, which form the brake air flowing against the turbine wheel.
  • the efficiency of these known turbine wheels deteriorates from 70 to 75% of the final speed of the turbine wheels.
  • the object of the present invention is to improve a turbine wheel described at the outset in such a way that the efficiency, in particular even at high speeds, is improved in the area of the final speed.
  • this is achieved in that the outlet openings are arranged in the disk peripheral surface, the drive air channels having an approximately axially extending inflow section and an outflow section running in the disk body in the direction of the disk peripheral surface.
  • an essentially axially flowing inflow and an approximately radially flowing outflow of the drive compressed air is achieved.
  • the radial outflow enables a large effective normal component that is available over a large angle of rotation.
  • the guidance of the drive compressed air according to the invention brings about better ventilation, since the radial force components which occur when the drive compressed air impacts are amplified by the centrifugal force and thus the ventilation is improved.
  • the effective ventilation of the drive air ducts is important, however, because if compressed air is blocked in them, no new drive compressed air can flow into the drive air ducts.
  • a turbine wheel according to the invention consists of a disk-shaped wheel body 1.
  • a turbine wheel has, for example, a diameter of approximately 25-100 mm and a thickness of approximately 6-10 mm, for example.
  • the wheel body 1 has a central bearing opening 2 with which it is mounted, for example, on a shaft, which is not shown.
  • inlet openings 4 of drive air channels 5 are arranged on a disk side surface 3 on its outer circumference.
  • the inlet openings 4 are arranged with a pitch of approximately 9 ° on the circumference of the disk side surface 3.
  • the drive air ducts 5 have an approximately axially extending inflow section 6 and an outflow section 8 running in the disk body in the direction of the disk circumferential surface 7 extends into the wheel body 1.
  • the inlet openings 4 have the shape of an ellipse.
  • the Longitudinal axis XX of the respective inflow section 6 of the drive channel 5 at an acute angle to the radial center plane YY through the center of the elliptical inlet opening 4, specifically with respect to a transverse plane perpendicular to the center plane, in the drive direction Z of the turbine wheel.
  • the longitudinal axis XX of the inflow section 6 runs through the focal point of the elliptical inlet opening 4, as seen in the drive direction.
  • This embodiment in conjunction with the elliptical inlet opening 4 means that the inflow of the drive air is effective over a larger angle of rotation, with the invention also providing that a side arranged on the wheel body 1 exhaust nozzle 11 for the drive air and its nozzle opening is designed such that its exhaust opening 12 is coaxial with the inlet opening 4 in the maximum blowing position, see Fig. 4, when these two openings coincide, the outlet opening 12 of the blowing nozzle 11 is less than or equal to the inlet opening 4.
  • the inlet openings 4 extends obliquely to the side surface 3 of the pane, and preferably at an acute angle of less than 45 °.
  • the inlet openings 4 are designed such that their large semiaxis runs in each case in the transverse plane perpendicular to the radial central plane and their small semiaxis in the radial central plane.
  • the outflow sections 8 of the drive air ducts 5 have outlet openings 14, each of which lies in the circumferential surface 7, preferably in the brake pockets 15 formed there.
  • the longitudinal axis BB of the respective outflow section 8 of the drive air ducts 5 runs at an acute angle obliquely to the radial central plane YY to the drive direction of rotation Z.
  • the brake pockets 15 have a bottom surface 16 running perpendicular to the longitudinal axis BB of the outflow section, in each of which the outlet opening 14 is located, and an impact surface 17 extending at an angle greater than 90 ° and less than 180 ° to the bottom surface 16.
  • These brake pockets 15 act together with a brake air nozzle 18, which is arranged on the circumference of the wheel body 1 such that the outlet opening 19 of the brake air nozzle 18 is adapted to the circumferential contour of the wheel body 1.
  • the brake air nozzle 18 is aligned with respect to the wheel body 1 in such a way that its longitudinal axis DD in the position in which its outlet opening 19 coincides with the opening of the brake pockets 15 forms an obtuse angle with the baffle surface 17.
  • the design of the baffle surface 17 can be carried out in size, shape and angle of attack due to the configuration according to the invention such that an optimal braking efficiency can be achieved.
  • FIG. 5 shows a so-called duplex version of a turbine wheel according to the invention.
  • This turbine wheel is pressurized on both sides by means of the blow-out nozzles 11 which are arranged on both sides and blow into the inlet openings 4 of separate drive air channels 5.
  • two brake air nozzles 18 are arranged on the circumference of the wheel body 1 and can blow into the brake pockets 15. Due to the two-sided pressurization of the The turbine wheel achieves a performance increase of around a factor of 2, but the total installation space required in the direction of the longitudinal axis only increases by approximately 60%. Due to the two separate drive and brake air paths, the performance variation options are significantly improved compared to an individual drive and brake air path.
  • the present invention is not limited to the exemplary embodiment shown, but also encompasses all embodiments having the same effect in the sense of the invention. Another division of the inlet openings on the circumference of the turbine wheel can also be provided.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinenrad für Antriebsturbinen, insbesondere von Metallbearbeitungsmaschinen, bestehend aus einem scheibenförmigen Radkörper (1) mit einer mittigen Lageröffnung (2) und konzentrisch zu dieser am Umfang in einer Scheibenseitenfläche (3) angeordneten Einlaßöffnungen (4) von im Scheibenkörper verlaufenden Antriebsluftkanälen (5), die jeweils in einer Auslaßöffnung (14) münden. Die Auslaßöffnungen (14) sind in der Scheibenumfangsfläche (7) angeordnet, wobei die Antriebsluftkanäle (5) einen etwa axial verlaufenden Anströmabschnitt (6) und einen im Scheibenkörper (1) in Richtung zur Scheibenumfangsfläche (7) verlaufenden Ausströmabschnitt (8) aufweisen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinenrad für Antriebsturbinen, insbesondere von Metallbearbeitungsmaschinen, bestehend aus einem scheibenförmigen Radkörper mit einer mittigen Lageröffnung und konzentrisch zu dieser am Umfang in einer Scheibenseitenfläche angeordneten Einlaßöffnungen von im Scheibenkörper verlaufenden Antriebsluftkanälen, die jeweils in einer Auslaßöffnung münden.
  • Derartige Turbinenräder sind bekannt. Die Auslaßöffnungen der Antriebsluftkanäle liegen bei diesen in der den Einlaßöffnungen gegenüberliegenden Scheibenseitenfläche des Radkörpers. Weiterhin besitzen diese bekannten Turbinenräder an ihren Umfangsflächen taschenförmige Ausnehmungen, die die Angriffsfläche für das Turbinenrad anströmende Bremsluft bilden. Der Wirkungsgrad dieser bekannten Turbinenräder verschlechtert sich ab 70 bis 75 % der Enddrehzahl der Turbinenräder.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs beschriebenes Turbinenrad dahingehend zu verbessern, daß der Wirkungsgrad, insbesondere auch bei hohen Drehzahlen, im Bereich der Enddrehzahl verbessert wird.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Auslaßöffnungen in der Scheibenumfangsfläche angeordnet sind, wobei die Antriebsluftkanäle einen etwa axial verlaufenden Anströmabschnitt und einen im Scheibenkörper in Richtung zur Scheibenumfangsfläche verlaufenden Ausströmabschnitt aufweisen. Somit wird erfindungsgemäß eine im wesentlichen axial strömende Anströmung und eine etwa radial strömende Ausströmung der Antriebsdruckluft erreicht. Die radiale Ausströmung ermöglicht hierbei eine große wirksame Normalkomponente, die über einen großen Drehwinkel zur Verfügung steht. Zudem bewirkt die erfindungsgemäße Führung der Antriebsdruckluft eine bessere Entlüftung, da die beim Aufprall der Antriebsdruckluft auftretenden Radialkraftkomponenten durch die Zentrifugalkraft verstärkt werden und somit die Entlüftung verbessert wird. Die wirksame Entlüftung der Antriebsluftkanäle ist aber wichtig, da bei einem Druckluftstau in diesen keine neue Antriebsdruckluft in die Antriebsluftkanäle einströmen kann. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Antriebsluftkanäle kann die Umlenkung derselben innerhalb des Radkörpers von der etwa axial gerichteten Anströmung in die in Richtung auf den Radkörperumfang gerichtete Ausströmung derart optimiert werden, daß eine große Normalkraftkomponente erreicht wird und zudem eine schnelle Entlüftung.
  • Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Turbinenrades, zum Teil geschnitten,
    Fig. 2
    eine Aufsicht auf das Turbinenrad gemäß Fig. 1,
    Fig. 3
    eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Turbinenrades, zum Teil geschnitten, zusammen mit Anblasdüse und Bremsdüse und
    Fig. 4
    eine Ansicht gemäß dem Pfeil IV in Fig. 3.
    Fig. 5
    eine Ansicht gemäß Fig. 4 auf eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Turbinenrades.
  • Wie sich aus Fig. 1 ergibt, besteht ein erfindungsgemäßes Turbinenrad aus einem scheibenförmigen Radkörper 1. Ein derartiges Turbinenrad hat beispielsweise einen Durchmesser von ca. 25 - 100 mm und eine Dicke von z.B. etwa 6 - 10 mm. Der Radkörper 1 besitzt eine mittige Lageröffnung 2, mit der er beispielsweise auf einer Welle, die nicht dargestellt ist, gelagert ist. Konzentrisch zur Lageröffnung 2 sind auf einer Scheibenseitenfläche 3 an deren äußeren Umfang Einlaßöffnungen 4 von Antriebsluftkanälen 5 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Einlaßöffnungen 4 mit einer Teilung von etwa 9° am Umfang der Scheibenseitenfläche 3 angeordnet. Die Antriebsluftkanäle 5 besitzen einen etwa axial verlaufenden Anströmabschnitt 6 und einen im Scheibenkörper in Richtung zur Scheibenumfangsfläche 7 verlaufenden Ausströmabschnitt 8. Die Einlaßöffnungen 4 gehen in eine kalottenförmige Vertiefung 9 in der Scheibenseitenfläche 3 über, von deren Vertiefungsgrund aus der Anströmabschnitt 6 des jeweiligen Antriebsluftkanals 5 aus sich in den Radkörper 1 hineinerstreckt. Im dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiel besitzen die Einlaßöffnungen 4 die Form einer Ellipse. Wie insbesondere aus Fig. 4 zu erkennen ist, verläuft die Längsachse X-X des jeweiligen Anströmabschnittes 6 des Antriebskanals 5 unter einem spitzen Winkel zur Radial-Mittelebene Y-Y durch den Mittelpunkt der elliptischen Einlaßöffnung 4, und zwar bezogen auf eine senkrecht zu der Mittelebene stehenden Querebene, und zwar in Antriebsrichtung Z des Turbinenrades gesehen. Die Längsachse X-X des Anströmabschnittes 6 verläuft hierbei durch den in Antriebsrichtung gesehen vorderen Brennpunkt der elliptischen Einlaßöffnung 4. Durch diese Ausführung in Verbindung mit der elliptischen Einlaßöffnung 4 ist die Anströmung der Antriebsluft über einen größeren Drehwinkel wirksam, wobei zusätzlich erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß eine seitlich am Radkörper 1 angeordnete Ausblasdüse 11 für die Antriebsluft derart angeordnet und deren Düsenöffnung derart ausgebildet ist, daß deren Ausblasöffnung 12 in der maximalen Einblasstellung koaxial mit der Einlaßöffnung 4 verläuft, siehe Fig. 4, wenn diese beiden Öffnungen zusammenfallen, wobei die Auslaßöffnung 12 der Einblasdüse 11 kleiner/gleich der Einlaßöffnung 4 ist. Die Längsachse A-A der Ausblasdüse 11, siehe Fig. 4, verläuft schräg zur Scheibenseitenfläche 3, und zwar vorzugsweise unter einem spitzen Winkel kleiner 45°. Die Einlaßöffnungen 4 sind so ausgebildet, daß ihre große Halbachse jeweils in der zur radialen Mittelebene senkrechten Querebene verläuft und ihre kleine Halbachse in der radialen Mittelebene.
  • Wie insbesondere Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, weisen die Ausströmabschnitte 8 der Antriebsluftkanäle 5 Auslaßöffnungen 14 auf, die jeweils in der Umfangsfläche 7 liegen, und zwar vorzugsweise in den dort ausgebildeten Bremstaschen 15. Die Längsachse B-B des jeweiligen Ausströmabschnittes 8 der Antriebsluftkanäle 5 verläuft unter einem spitzen Winkel schräg zur radialen Mittelebene Y-Y entgegengesetzt zur Antriebs-Drehrichtung Z. Somit ergibt sich erfindungsgemäß ein Austritt der Antriebsluft nacheilend in bezug auf die Drehbewegung des Radkörpers 1, wodurch die Entlüftung der Antriebsluftkanäle 5 verbessert wird und gleichzeitig bei der Ausströmung der Antriebsluft eine Antriebskomponente wirksam ist. Die Bremstaschen 15 besitzen eine senkrecht zur Längsachse B-B des Ausströmabschnittes verlaufende Bodenfläche 16, in der jeweilig die Austrittsöffnung 14 liegt, und eine unter einem Winkel größer 90° und kleiner 180° zur Bodenfläche 16 verlaufende Prallfläche 17. Diese Bremstaschen 15 wirken zusammen mit einer Bremsluftdüse 18, die am Umfang des Radkörpers 1 derart angeordnet ist, daß die Austrittsöffnung 19 der Bremsluftdüse 18 der Umfangskontur des Radkörpers 1 angepaßt ist. Die Bremsluftdüse 18 ist hierbei derart in bezug auf den Radkörper 1 ausgerichtet, daß ihre Längsachse D-D in derjenigen Stellung, in der ihre Auslaßöffnung 19 mit der Öffnung der Bremstaschen 15 zusammenfällt, einen stumpfen Winkel mit der Prallfläche 17 bildet. Die Ausbildung der Prallfläche 17 kann aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in Größe, Form und Anstellwinkel derart ausgeführt sein, daß ein optimaler Brems-Wirkungsgrad erreicht werden kann.
  • In Fig. 5 ist eine sogenannte Duplex-Ausführung eines erfindungsgemäßen Turbinenrades dargestellt. Hierbei sind gleiche Teile wie in den Figuren 1 bis 4 mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Bei diesem Turbinenrad ist eine zweiseitige Druckluftbeaufschlagung mittels der beidseitig angeordneten Ausblasdüsen 11, die in die Einlaßöffnungen 4 getrennter Antriebsluftkanäle 5 einblasen. Weiterhin sind zwei Bremsluftdüsen 18 am Umfang des Radkörpers 1 angeordnet, die in die Bremstaschen 15 einblasen können. Durch die zweiseitige Druckbeaufschlagung des Turbinenrades wird eine Leistungssteigerung etwa um den Faktor 2 erreicht, jedoch nimmt der benötigte Gesamteinbauraum in Richtung der Längsachse nur ca. um 60 % zu. Aufgrund der beiden getrennten Antriebs- und Bremsluftwege sind die Möglichkeiten der Leistungsvariation gegenüber einem eizelnen Antriebs- und Bremsluftweg wesentlich verbessert.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkende Ausführungen. So kann auch eine andere Teilung der Einlaßöffnungen am Umfang des Turbinenrades vorgesehen sein.

Claims (11)

  1. Turbinenrad für Antriebsturbinen, insbesondere von Metallbearbeitungsmaschinen, bestehend aus einem scheibenförmigen Radkörper (1) mit einer mittigen Lageröffnung (2) und konzentrisch zu dieser am Umfang in einer Scheibenseitenfläche (3) angeordneten Einlaßöffnungen (4) von im Scheibenkörper verlaufenden Antriebsluftkanälen (5), die jeweils in einer Auslaßöffnung (14) münden,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnungen (14) in der Scheibenumfangsfläche (7) angeordnet sind, wobei die Antriebsluftkanäle (5) einen etwa axial verlaufenden Anströmabschnitt (6) und einen im Scheibenkörper (1) in Richtung zur Scheibenumfangsfläche (7) verlaufenden Ausströmabschnitt (8) aufweisen.
  2. Turbinenrad nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (X-X) des Anströmabschnittes (6) unter einem spitzen Winkel zur Radial-Mittelebene (Y-Y) durch den Mittelpunkt der Einlaßöffnung (4) in einer zu dieser senkrecht stehenden Querebene in Antriebsdrehrichtung (Z) des Turbinenrades verläuft.
  3. Turbinenrad nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (B-B) des Ausströmabschnittes (8) unter einem spitzen Winkel schräg zur radialen Mittelebene (Y-Y) entgegengesetzt zur Antriebs-Drehrichtung (Z) verläuft.
  4. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (4) die Form einer Ellipse besitzt, deren kleine Halbachse in der Radial-Mittelebene (Y-Y) und deren große Halbachse in der jeweiligen hierzu senkrechten Querebene liegt.
  5. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnungen (14) jeweils in einer in der Scheibenumfangsfläche (7) ausgebildeten Bremstasche (15) liegen.
  6. Turbinenrad nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Bremstaschen (15) eine senkrecht zur Längsachse (B-B) des Ausströmabschnittes (8) verlaufende Bodenfläche (16) aufweisen, in der die Austrittsöffnung (14) liegt, und eine unter einem Winkel größer 90° und kleiner 180° hierzu verlaufende Prallfläche (17).
  7. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß an der Seite der Einlaßöffnungen (4) eine Ausblasdüse (11) für die Antriebsluft angeordnet ist, wobei deren Düsenöffnung (12) derart ausgebildet ist, daß die Düsenöffnung (12) mit den einzelnen Einlaßöffnungen (4) in der maximalen Einblasstellung koaxial aufeinanderfällt und ihre Form derjenigen der Einlaßöffnung (4) angepaßt ist.
  8. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß am Umfangsbereich des Radkörpers (1) eine Bremsluftdüse (18) für das Anblasen mit Bremsluft angeordnet ist, wobei deren Düsenöffnung (19) eine Gestalt besitzt, die der Umfangskontur des Radkörpers (1) und der Größe der Bremstaschen (15) angepaßt ist.
  9. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (X-X) des Anströmabschnittes (6) der Antriebsluftkanäle (5) durch den in Antriebsdrehrichtung (Z) des Radkörpers (1) gesehen vorderen Brennpunkt der elliptischen Einlaßöffnungen (4) verläuft.
  10. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenkörper an seinen beiden Scheibenseitenflächen (3) Einlaßöffnungen (4) mit diesen zugeordneten Antriebsluftkanälen (5) aufweist, die jeweils in Auslaßöffnungen (14) in der Scheibenumfangsfläche (7) münden.
  11. Turbinenrad nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Scheibenseitenfläche jeweils eine Ausblasdüse (11) und am Umfangsbereich zwei Bremsluftdüsen (18) angeordnet sind.
EP96120835A 1995-12-28 1996-12-23 Turbinenrad für Impulsturbinen Expired - Lifetime EP0781896B1 (de)

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AT (1) ATE202184T1 (de)
DE (2) DE29520650U1 (de)
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