用於驅動快速旋轉工具的渦輪的製作方法

2023-05-03 13:22:21

專利名稱：用於驅動快速旋轉工具的渦輪的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於驅動快速旋轉工具的渦輪，尤其涉及用於噴漆裝置的旋轉圓盤和/或圓頂的渦輪，該渦輪具有一個圓盤或圓環形的承載板，該承載板被安裝成可圍繞一軸線旋轉，並且其上設置一圈渦輪葉片，這些渦輪葉片具有軸向平行的正面和背面，並且這些葉片沿徑向方向彎曲，即，沿垂直於渦輪的軸線方向彎曲，正面的至少一些部分的曲率半徑比背面的小。
在上下文中，「正面」應理解為在渦輪旋轉方向中位於前面的渦輪葉片表面，相應地，「背面」是指在渦輪旋轉方向中位於背面的葉片表面。
背景技術：
相應的用於噴漆設備的渦輪是已知的，在這些噴漆設備中用於容納彩色油漆的噴漆圓頂由這種渦輪快速旋轉，這樣，由於圓頂的快速旋轉，適用於圓頂的油漆或相應的噴漆被霧化成極小的小滴，並且附著在需被噴塗的一個表面上。為使霧化儘可能細，所要求的旋轉油漆圓頂的旋轉速度可達70,000r.p.m，並且由此，相應的渦輪機是空氣懸浮的。這種渦輪噴漆裝置主要被用於車身噴漆中。
在上下文中，可達到的渦輪旋轉速度顯然還取決於由噴射圓頂或相應的噴射圓盤容納的油漆或噴漆的量。在任何情況下，被導至噴射圓頂的漆都必須通過噴射圓頂加速，因此，顯然這會產生制動效應。渦輪的旋轉速度的過度減小會對形成小滴的均勻和細微程度造成負面影響，因此，為使渦輪旋轉速度不過度減小，單位時間施加到圓頂的油漆或噴漆的量會受到限制，一般地，約為400-450毫升/分。

發明內容
因此，本申請的發明人提出這樣一種形成渦輪機或渦輪的目的，這種渦輪不要較大的從頭開始設計，最多只是稍加改動便可配合到普通的渦輪殼體中，並且與現有的渦輪相比，這種渦輪在所需的高轉速之下具有穩定的高轉矩，這樣，大量的油漆可以施加到噴漆圓頂或噴漆圓盤上而不產生有害的制動效應，這樣，可以在極短的時間內為需噴漆的指定表面塗上一層均勻的油漆覆層。
上述目的是這樣實現的使渦輪葉片的正面和背面上的徑向外部具有比正面和背面的徑向內部更大的曲率或更小的曲率半徑。然而，與此同時，保持渦輪葉片的正面和背面的軸向平行。
換言之，單個的渦輪葉片在軸向長度上具有一恆定的輪廓，特別是在與單個渦輪葉片的軸向長度的倍數相對應的較長長度中形成相應的輪廓，並且每一次通過從該輪廓上切下一相應的部分而形成單個葉輪。這實現了特別有效的生產。對於這種生產，在渦輪葉片的正面側和背面側這兩側上，如果渦輪葉片的徑向外部，即在完成的渦輪的情況下，遠離渦輪中心的那些部分，在任何情況下均具有比渦輪葉片的徑向內部更小的曲率半徑或更大的曲率，也不會有很大問題。
已發現，這樣的渦輪葉片外形顯然會產生更少的幹擾渦流，並且渦輪能以穩定的轉矩實現更圓、更平滑的運行。
與此同時，這種渦輪葉片的設計顯然還會使葉片的軸向長度增加。在生產並用於具有高轉速(70,000r.p.m)空氣懸浮渦輪機的此種類型的傳統渦輪葉片中，渦輪葉片的軸向長度僅約為渦輪葉片的徑向深度(即葉片環的外半徑與內半徑之差)的50％。
相反，根據本發明的設定，因此渦輪葉片的軸向長度至少為各個渦輪葉片的徑向深度的60％，較佳地大於65％。大約為葉片的徑向深度的70％的軸向葉片長度被證實有利於且易於控制。如果可能，葉片的軸向長度相對於其徑向深度不超過80％，至多不超過100％。
葉片或葉片環的徑向深度，即，指葉片環的外徑與內徑之間的差，相對於葉輪的半徑(該半徑與葉片環的外徑相等)的比例約為20％。
原則上，在渦輪葉片中，至少沿相同部分，正面具有的曲率半徑比背面相應相對的部分的曲率半徑小。然而，與此同時，每個渦輪葉片的外面與內面上的徑向外部的曲率半徑比這些面的內部的曲率半徑小。
例如，即使正面外部的曲率半徑比背面外部的小，正面的徑向內部無論如何將具有比背面的徑向外部更大的曲率半徑。
在本發明的較佳情況中，正面和背面的內部的曲率半徑相對接近，即，背面內部的曲率半徑較佳地比正面內部的曲率半徑大0到10％，但如果需要，背面內部的曲率半徑也可比正面徑向內部的曲率半徑小5％，或者相反，也比其大15％。
正面和背面的徑向外部一般差別更明顯些，通常，相對於正面外部的較小半徑的值在10％到50％之間，也就是說，背面內部的曲率半徑大10％到50％。對於這種背面的曲率半徑，大致比背面外部的曲率半徑大30％的曲率半徑被認為是有利的。
在任何情況下，相對於渦輪的軸線，正面的內部和外部中心的曲率中心離渦輪軸線的距離設置得比分別相應的背面部分的曲率中心離渦輪軸線更遠，此外，正面和背面的徑向內部的曲率中心離渦輪軸線的距離均比正面和背面的相應的徑向外部的兩中心離渦輪軸線的距離更遠。
正面以及背面的相應的不同曲率部分分別地相互平滑地匯合，即，沒有任何不連續或間斷地匯合(即以連續的一階導數匯合)。最容易實現的是過渡點精確地位於通過相應的內部和外部的諸曲率中心的連線相交的點上。
渦輪葉片可有利地被構造成，相對於渦輪葉片的徑向深度，正面和背面的徑向內部均分別包括軸向深度的至少30％，相反，曲率半徑設定得比內部小的正面和背面的徑向外部分別包括葉片軸向深度的至少30％。在實踐中，有利的是，如果正面和背面的徑向內部和外部均分別大致包括渦輪葉片的徑向深度的50％。然而，在這方面，相應的內外部分延伸的角度範圍顯然是不同的，實際上，由於某彎曲部分延伸的角度範圍分別與其的曲率半徑相關，因此，這也涉及不同的曲率半徑。在這種關係中，被證明有利的是，背面的徑向內部延伸的角度範圍可在28°和40°之間，較佳地在30°和35°之間，特別可約為33°。背面的徑向外部的彎曲角度在60°到90°的範圍內，較佳地為70°±5°。在正面，相應的角度範圍更大些，這是由於那裡的曲率半徑小，與此同時，由於更大的曲率，在渦輪葉片的正面上從內邊緣到外邊緣的距離比背面上的長。這樣，正面的徑向內部延伸的角度在30°到45°之間，較佳地為40°±2°，正面的徑向外部延伸的角度範圍在100°到130°之間，較佳地為115°±5°。在任何情況下，這都與所涉及的彎曲部分的曲率中心相關。
此外，被證明特別有利和有益於渦輪性能的是，渦輪葉片傾斜超前於葉片的內外邊緣的連線的確切的徑向定向，這樣，渦輪葉片的徑向外邊緣將在旋轉方向超前於內邊緣。在這方面被證明有利的是，渦輪葉片的外邊緣和內邊緣的連線相對於指向渦輪葉片的內邊緣的渦輪半徑矢量之間的角度在5°到12°之間傾斜，較佳地約為8°到-1°。
此外，在本發明的較佳實例中，角距，即沿圓周方向連續的渦輪葉片之間的角距為10°到15°，特別地約為12°，在任何情況下，該角距是在相鄰的渦輪葉片的相應點之間測得的距離。這就意味著，在渦輪的外圍上設置成環形的渦輪葉片的總數在24和36之間，或者為30。
渦輪葉片的內邊緣和外邊緣均通過一個較小的半徑弄圓，內邊緣比外邊緣更銳角形狀，例如，曲率半徑小於0.1毫米，較佳地小於0.05毫米，例如為0.025毫米，而外邊緣的曲率半徑小於0.3毫米但大於0.1毫米，較佳地小於0.2毫米。
此外，本發明的優點、特徵和可能的應用將通過下例較佳實施例的描述和相關附圖來闡述。


圖1沿軸線示出了渦輪的俯視圖，其中沿渦輪的外圓周設置了一圈渦輪葉片。
圖2為圖1所示渦輪的截面圖，其中示出了沿圖1中的線II-II的一個截面。
圖3示出了圖1的細節，示出了單個渦輪葉片。
具體實施例方式
圖1示出了一個帶有一圓盤形承載板1的渦輪，承載板1的外徑為D。在承載板1的外邊緣上是一圈渦輪葉片2，如圖2所示，渦輪葉片2的外邊緣大致位於直徑D的位置上，而葉片輪環的內邊緣直徑為d。具體地說，d的值在40到44毫米之間，D的值在50到60毫米之間，D-d的差值大約為D的20％。相應半徑為對應值的一半。
同樣如圖1所示，單個葉片相對徑向向前傾斜角度α，也就是說，這樣，渦輪葉片的外邊緣沿旋轉方向R稍前於內邊緣。具體地說，角度α，即葉片的外部邊緣和內部邊緣的連線相對於至葉片內部邊緣的半徑矢量的角度大約為8°±1°。
葉片之間的角距為12°，即，圓周內總共分布了30個渦輪葉片2。除圓盤之外，渦輪1顯然也可包括沿環形設置的一圈輪幅和渦輪葉片2。
圖3示出了渦輪的承載板1的細節，其中示出了單個渦輪葉片2的截面。渦輪葉片2具有一個彎曲的正面3和一個同樣也是彎曲的背面4，正面這部分由一徑向外部3a和一徑向內部3b構成，而背面由一徑向外部4a和一徑向內部4b構成。在軸向方向中，渦輪葉片2的輪廓是連續的，也就是說，正面3和反面4是軸向平行的。
在渦輪葉片2的內邊緣和外邊緣從正面向背面的過渡在外側是通過大致0.15毫米或稍小的曲率半徑R5實現的，而在內部邊緣的區域中，過渡是通過明顯小於0.1毫米，例如大約0.025毫米的曲率半徑R6實現的。
正面的徑向內部和外部3a、3b以及背面4的相應的徑向內部和外部4a、4b均具有不同的曲率半徑，並且設置在不同的曲率中心上。背面4的徑向內部4b具有曲率半徑R1和曲率中心11。當渦輪葉片2安裝在渦輪上的情況下，與曲率半徑為R3的正面3的徑向內部3b的曲率中心13相比，曲率中心11設置得更靠近渦輪的軸線5。在本實例中，與曲率半徑為R2的背面的徑向外部4a的曲率中心12相比，曲率中心11被設置成(相對於渦輪軸線5)在徑向外側。
與正面3的徑向內部的曲率中心13相比，正面3的徑向外部3a的曲率中心14設置得更靠近渦輪軸線，但與背面4的徑向外部4a的曲率中心12相比，曲率中心14距離渦輪軸線5稍遠。
總之，在本發明的較佳實施例中，正面和背面的曲率半徑的關係是R4＜R2＜R3＜R1，R2與R4之間的倍數大約為1.3，R3和R2之間的倍數約為2，而R1和R3之間的倍數大約為1.1。然而，這些倍數也可在上下變動10％。
在正面3上的部分3a和部分3b之間的過渡點恰好位於正面3與連接曲率中心13和14的直線的相交線上。背面4的部分4a和4b之間的過渡點位於通過這兩個部分的彎曲中心11和12的直線與背面4的交點上。由此可以確保，能夠平滑地實現不同半徑之間的過渡，不會出現任何不連續的現象，這是由於各個不同曲率部分的切線恰好重合在由此確定的過渡點上。
從圖1和圖2(這兩幅附圖是以相同比例表示的)中還可以推論出，渦輪葉片2的長度l相對其徑向深度(即相對於葉片環的外半徑與內半徑之差)的比例大約為68％(在65％和70％之間)。除了在渦輪上的渦輪葉片的特定輪廓和特定設置之外，相對於葉片的徑向深度的較大的軸向長度也實現了改進和穩定的渦輪性能，並且實現了高旋轉速度下的大轉矩。
與具有相同外部尺寸的傳統渦輪相比，在噴漆裝置中，以相同的質量，根據本發明的渦輪可以達到大於約100％的噴射性能。
同時，這種新穎的渦輪葉片的設計和配置實質上不會增加或僅極小地增加生產渦輪的困難性。由於渦輪葉片是從相對較長輪廓上簡單地切下所需長度的部分(這與渦輪的軸向長度l相應)而生產出的，該新型葉片輪廓的生產不要求更多的生產投入，這是由於在相應的預製輪廓的零件的較長長度上該輪廓是連續的。稍稍傾斜設置葉片也無須增加任何組件或生產投入。增加葉片的軸向長度也同樣如此。
由於渦輪的性能大幅提高，稍稍增加的各個渦輪的生產投入被完全抵消了還是很有利的。
權利要求
1.一種用於驅動快速旋轉工具的渦輪，所述渦輪尤其適用於驅動噴漆裝置的轉盤和/或圓頂，所述渦輪具有一個圓盤形或環形的承載板(1)，所述承載板被安裝成可圍繞一軸線(5)旋轉，多個渦輪葉片(2)環形地設置在承載板上，所述渦輪葉片(2)具有軸向平行的正面(3)和背面(4)，並且所述葉片徑向彎曲，即沿垂直於軸線(5)的方向彎曲，渦輪葉片(2)的正面(3)至少在一些部分具有比背面(4)小的曲率半徑(R3，R4)，其特徵在於，渦輪葉片(2)的正面(3)以及背面(4)的徑向外部(3a、4a)具有比徑向內部(3b、4b)更小的曲率半徑(R4，R2)。
2.如權利要求1所述的渦輪，其特徵在於，渦輪葉片(2)的正面(3)的徑向內部(3b)具有比背面(4)的徑向外部(4a)大的曲率半徑(R3)。
3.如權利要求1或2所述的渦輪，其特徵在於，正面(3)和背面(4)的徑向內部(3b，4b)分別包括渦輪葉片(2)徑向深度的至少30％，同樣地，而正面(3)和背面(4)的徑向外部(3a，4a)分別包括渦輪葉片(2)徑向深度的至少30％，徑向內部(3b，4b)的曲率半徑(R3，R1)分別比正面(3)和背面(4)的相應的徑向外部(3a，4a)的曲率半徑(R4，R2)大至少50％，最好為100％。
4.如權利要求1至3中任何一項所述的渦輪，其特徵在於，徑向內部(3b，4b)的曲率半徑(R3，R1)最大為相應的徑向外部(3a，4a)的曲率半徑(R4，R2)的四倍。
5.如權利要求1至4中任何一項所述的渦輪，其特徵在於，背面(4)的徑向外部的曲率半徑(R2)比正面(3)的徑向外部(3a)的曲率半徑(R4)大5％到50％。
6.如權利要求1至5中任何一項所述的渦輪，其特徵在於，背面(4)的徑向內部(4b)的曲率半徑(R1)與正面(3)的徑向內部(3b)的曲率半徑(R3)相差-5％至15％，較佳地為0到10％。
7.如權利要求1至6中任何一項所述的渦輪，其特徵在於，正面(3)和背面(4)分別基本具有兩種不同的曲率半徑，不同曲率部分(3a，3b和4a，4b)相互平滑地匯合，即，以連續的一階導數匯合。
8.如權利要求1至7中任何一項所述的渦輪，其特徵在於，渦輪葉片(2)的軸向長度至少為渦輪葉片(2)的徑向深度的60％，較佳地至少為65％。
9.如權利要求1至8中任何一項所述的渦輪，其特徵在於，渦輪葉片(2)的軸向長度至多為葉片(2)徑向深度的100％，較佳地至多為80％。
10.如權利要求8或9所述的渦輪，其特徵在於，渦輪葉片(2)的軸向長度大約為渦輪葉片(2)的徑向深度的70％±5％。
11.如權利要求1至10中任何一項所述的渦輪，其特徵在於，在與渦輪軸線垂直的截面中，渦輪葉片的徑向內部邊緣和徑向外部邊緣的連線相對於渦輪葉片的內部邊緣的半徑矢量傾斜，這樣，渦輪葉片的外部邊緣沿旋轉方向位於其內部邊緣之前，所述連線傾斜2°到10°，較佳地傾斜5°到12°，較佳地，相對於指向渦輪(2)的內部邊緣的半徑矢量傾斜約8°±1°。
12.如權利要求1至11中任何一項所述的渦輪，其特徵在於，渦輪葉片的內部和外部邊緣分別以一個小半徑弄圓，內部邊緣的圓半徑(R6)小於0.1毫米，較佳地小於0.05毫米，但大於0.01毫米，外部邊緣的圓半徑(R5)小於0.3毫米，較佳地小於0.2毫米，但大於0.1毫米。
13.如權利要求1至12中任何一項所述的渦輪，其特徵在於，渦輪葉片(2)的周向角距在10°到15°之間，較佳地為12°。
14.如權利要求1至13中的任何一項所述的渦輪，其特徵在於，葉片環的內徑在20毫米至24毫米之間，較佳地大約為22毫米。
15.如權利要求1至14中的任何一項所述的渦輪，其特徵在於，葉片環的外徑在25毫米到60毫米之間，特別地約為27.5毫米。
16.如權利要求1至15中的任何一項所述的渦輪，其特徵在於，在相對於各個部分的曲率中心(11，12)的情況下，葉片的背面(4)的徑向內部(4b)延伸的角度範圍在28°到40°之間，特別地在30°到35°之間，渦輪葉片(2)的背面(4)的徑向外部(4a)延伸的角度範圍在60°到90°之間，特別地為70°±5°。
17.如權利要求1至16中的任何一項所述的渦輪，其特徵在於，在相對於各個部分的曲率中心(13，14)的情況下，渦輪葉片(2)的正面(3)的徑向內部(3b)延伸的角度範圍在35°到45°之間，特別地為40°±2°，渦輪葉片(2)的正面(3)的徑向外部(3a)延伸的角度範圍在100°到130°之間，特別地為115°±5°。
18.如權利要求1至17中的任何一項所述的渦輪，其特徵在於，在所有情況下，從徑向內部到徑向外部的曲率半徑的過渡點位於相應的徑向內部和徑向外部的曲率中心(11，12和13，14)的連線上。
全文摘要
本發明涉及一種用於驅動快速旋轉工具的渦輪，所述渦輪尤其適用於驅動噴漆裝置的轉盤和/或圓蓋，所述渦輪具有一個圓盤形或環形的承載板(1)，所述承載板被安裝成可圍繞一軸線(5)旋轉，多個渦輪葉片(2)環形地設置在承載板上，所述渦輪葉片(2)具有軸向平行的正面(3)和背面(4)，並且所述葉片徑向彎曲，即沿垂直於軸線(5)的方向彎曲，至少在一些部分，渦輪葉片(2)的正面(3)具有比背面(4)小的曲率半徑(R
文檔編號F03B13/04GK1519055SQ20041000350
公開日2004年8月11日 申請日期2004年1月30日 優先權日2003年1月30日
發明者B·施米特, B 施米特 申請人:Gat傳動技術有限公司