EP0781896B1 - Turbinenrad für Impulsturbinen - Google Patents

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EP0781896B1
EP0781896B1 EP96120835A EP96120835A EP0781896B1 EP 0781896 B1 EP0781896 B1 EP 0781896B1 EP 96120835 A EP96120835 A EP 96120835A EP 96120835 A EP96120835 A EP 96120835A EP 0781896 B1 EP0781896 B1 EP 0781896B1
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disc
turbine wheel
drive
opening
braking
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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 disc-shaped wheel body with a central bearing opening and concentric to it Inlet openings arranged on the circumference in a disk side surface of drive air ducts running in the disc body, each in one in the disk peripheral surface lying outlet opening and one in the disc body extending in the direction of the disk peripheral surface Outflow section has.
  • Such a turbine wheel is from DE-12 16 616 C. known.
  • the drive air channels are slit on the sides and end at the Baffle so that there are no discrete inlet openings have.
  • Turbine wheels are also known, their outlet openings of the drive air ducts in the opposite of the inlet openings Disc side surface of the wheel body lie. These known turbine wheels have on their peripheral surfaces pocket-shaped recesses that the attack surface form incoming brake air for the turbine wheel. The The efficiency of these known turbine wheels deteriorates from 70 to 75% of the final speed of the turbine wheels.
  • the present invention is based on the object to improve the turbine wheel described at the outset, that the efficiency especially at high Speeds, in the area of the final speed is improved. According to the invention this is achieved in that the drive air channels an approximately axially extending inflow section have, the inlet opening in the form of a Ellipse has its small semiaxis in the radial median plane and their large semi-axis perpendicular to this runs.
  • a essentially axial flow and an approximately radially flowing outflow of the drive compressed air is reached. The radial outflow enables one large effective normal component over a large Angle of rotation is available.
  • the drive compressed air has better ventilation, since the Impact of the radial force components occurring in the drive compressed air are amplified by the centrifugal force and thus the ventilation is improved.
  • the effective ventilation the drive air ducts is important, because with one Compressed air jam no new drive compressed air in the drive air ducts can flow in.
  • Training the drive air ducts can redirect the Driving air inside the wheel body from the approximately axial directed flow in the direction of the wheel body circumference directed outflow can be optimized in such a way that a large normal force component is reached and also quick ventilation.
  • Turbine wheel from a disc-shaped wheel body 1.
  • Ein such a turbine wheel has a diameter, for example 25 - 100 mm and a thickness of e.g. about 6 - 10 mm.
  • the wheel body 1 has a central bearing opening 2, with which he, for example, on a wave that is not shown is stored.
  • Concentric to the opening 2 are on a disc side surface 3 on the outer Scope inlet openings 4 of drive air channels 5 are arranged.
  • the inlet openings are 4 with a division of about 9 ° on the circumference of the Disc side surface 3 arranged.
  • the drive air ducts 5 have an approximately axially extending inflow section 6 and one in the disk body towards the disk peripheral surface 7 extending outflow section 8.
  • the Inlet openings 4 go into a dome-shaped depression 9 in the disc side surface 3, from the bottom of the recess from the inflow section 6 of the respective Drive air duct 5 extends into the wheel body 1 from itself.
  • the inlet openings 4 have the shape of an ellipse. How 4, the course runs Longitudinal axis X-X of the respective inflow section 6 of the Drive channel 5 at an acute angle to the radial center plane Y-Y through the center of the elliptical Inlet opening 4 in the drive direction Z of the turbine wheel seen.
  • the longitudinal axis runs in one transverse plane perpendicular to the central plane Y-Y.
  • the longitudinal axis X-X of the inflow section 6 runs here through the front focal point seen in the drive direction the elliptical inlet opening 4.
  • a blow-out nozzle 11 arranged on the side of the wheel body 1 arranged for the drive air and its nozzle opening is designed such that its blow-out opening 12 in the maximum blowing position coaxial with the inlet opening 4 runs, see Fig. 4 when these two openings coincide, the outlet opening 12 of the injection nozzle 11 is less than or equal to the inlet opening 4.
  • inlet openings 4 extends obliquely to Disc side surface 3, preferably under one acute angle less than 45 °.
  • the inlet openings 4 are like this trained that their large semiaxis in each case for Radial central axis Y-Y perpendicular transverse plane through the The center of the elliptical inlet opening 4 runs and their small semi-axis in the radial central plane.
  • the longitudinal axis B-b of the respective outflow section 8 of the drive air channels 5 runs under one acute angle obliquely opposite to the radial central plane Y-Y to drive direction of rotation Z.
  • the brake bags 15 have one perpendicular to the longitudinal axis B-B of the outflow section running floor surface 16, in each case the outlet opening 14, and one at an angle greater than 90 ° and less than 180 ° to the bottom surface 16 extending baffle 17.
  • These brake pockets 15 work together with a brake air nozzle 18 arranged on the circumference of the wheel body 1 in this way is that the outlet opening 19 of the brake air nozzle 18th the circumferential contour of the wheel body 1 is adapted.
  • the brake air nozzle 18 is here in relation to the wheel body 1 aligned that its longitudinal axis D-D in that Position in which its outlet opening 19 with the opening of the Brake bags 15 coincides with an obtuse angle the baffle 17 forms.
  • the formation of the baffle 17 can in Size, shape and angle of attack should be such that optimal braking efficiency can be achieved.
  • FIG. 5 is a so-called duplex version of a Turbine wheel according to the invention shown.
  • this turbine wheel is a two-sided compressed air supply by means of the two-sided arranged blow-out nozzles 11, which in the inlet openings Blow in 4 separate drive air ducts 5.
  • the present invention is not based on the embodiment shown limited, but also includes all in For the purposes of the invention, equivalent designs. So can another division of the inlet openings on the circumference of the Turbine wheel can be provided.

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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 in der Scheibenumfangsfläche liegenden Auslaßöffnung münden, und einen im Scheibenkörper in Richtung zur Scheibenumfangsfläche verlaufenden Ausströmabschnitt aufweist.
Ein derartiges Turbinenrad ist aus der DE-12 16 616 C bekannt. Bei diesem bekannten Turbinenrad sind die Antriebsluftkanäle seitlich geschlitzt und enden an der Prallfläche, so daß sie keine diskreten Einlaßöffnungen besitzen.
Weiterhin sind Turbinenräder bekannt, deren Auslaßöffnungen der Antriebsluftkanäle in der den Einlaßöffnungen gegenüberliegenden Scheibenseitenfläche des Radkörpers liegen. Diese bekannten Turbinenräder besitzen 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 Antriebsluftkanäle einen etwa axial verlaufenden Anströmabschnitt aufweisen, dessen Einlaßöffnung die Form einer Ellipse besitzt, deren kleine Halbachse in der Radial-Mittelebene und deren große Halbachse hierzu senkrecht verläuft. Bei dem Turbinenrad gemäß der Erfindung wird 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 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 keine neue Antriebsdruckluft in die Antriebsluftkanäle einströmen kann. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Antriebsluftkanäle kann die Umlenkung der Antriebsluft 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 in Antriebsrichtung Z des Turbinenrades gesehen. Die Längsachse verläuft hierbei in einer senkrecht zur Mittelebene Y-Y stehenden Querebene. 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 Radial-Mittelachse Y-Y senkrechten Querebene durch den Mittelpunkt der elliptischen Einlaßöffnung 4 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 (10)

  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 in der Scheibenumfangsfläche (7) liegenden Auslaßöffnung (14) münden, und einen im Scheibenkörper (1) in Richtung zur Scheibenumfangsfläche (7) verlaufenden Ausströmabschnitt (8) aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Antriebsluftkanäle (5) einen etwa axial verlaufenden Anströmabschnitt (6) aufweisen, dessen Einlaßöffnung (4) die Form einer Ellipse besitzt, deren kleine Halbachse in der Radial-Mittelebene (Y-Y) und deren große Halbachse hierzu senkrecht verläuft.
  2. Turbinenrad nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Längsachse (X-X) des Anströmabschnittes (6) unter einem spitzen Winkel zur Radial-Mittelebene (Y-Y) in einer senkrecht zu der Mittelebene (Y-Y) stehenden Querebene durch den Mittelpunkt der Einlaßöffnung (4), in Antriebsdrehrichtung (Z) des Turbinenrades gesehen, 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 Auslaßöffnungen (14) jeweils in einer in der Scheibenumfangsfläche (7) ausgebildeten Bremstasche (15) liegen.
  5. Turbinenrad nach Anspruch 4,
    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).
  6. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Längsachse (X-X) des Anströmabschnittes (6) der Antriebsluftkanäle (5) durch den in Antriebs-drehrichtung (Z) des Radkörpers (1) gesehen vorderen Brennpunkt der elliptischen Einlaßöffnungen (4) verläuft.
  7. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ,
    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.
  8. Turbine mit einem 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. Turbine nach Anspruch 8,
    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.
  10. Turbine nach Anspruch 9,
    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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DE29520650U 1995-12-28

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