Arteka-Shop - Strahltechnik, Filtertechnik, Drucklufttechnik, Schlauchtechnik
Strahltechnik-Filtertechnik-Drucklufttechnik-Schlauchtechnik
Ihr Warenkorb

Die Beschleunigung des Strahlmittels mittels Schleuderrad

Die Beschleunigung des Strahlmittels
mittels Schleuderrad



Grundlagen und Neuentwicklungen


Zwei verschiedene Arbeitssysteme

Die Strahltechnik unterscheidet zwei grundsätzlich verschie­dene Arbeitssysteme:
  1. Mit Schleuderrädern ausgerüstete Maschinen, bei denen das Strahlmedium auf rein mechanischem Wege auf Abwurfgeschwindigkeit beschleunigt wird.
     
  2. Mit Druckluft arbeitende Systeme, bei denen somit die Beschleunigung des Strahlmittels auf pneumatischem Wege erfolgt.

Die Oberflächenbehandlung mittels Strahlmitteln hat ihren heutigen hohen Stand und die weite Verbreitung in der Industrie vor allem auch der Erfindung und konstruktiven Weiterentwicklung des Schleuderrades bis zu seiner heuti­gen Reife zu verdanken, andererseits aber auch der Vielfalt der jetzt zur Verfügung stehenden modernen Strahlmittel­-Sorten.

Diese Feststellung trifft ganz besonders für die zahlreichen großtechnischen Anwendungsgebiete zu. Dies ist beispiels­weise in der Strahlindustrie, im Schiffbau usw. der Fall. Aber ganz abgesehen von diesen Groß- und Hochleistungs-­Anlagen hat die Entwicklung leistungsfähiger Schleuder­räder in den letzten 20 bis 30 Jahren wesentlich mit zur Einführung und Bewährung der Strahltechnik in den ver­schiedensten Industriezweigen beigetragen, wo diese Ver­fahren seither unentbehrlich geworden sind. Eine Vielzahl neuer Einsatzmöglichkeiten sind hierbei entwickelt worden und haben zu vorher ungeahnten Anwendungen und zu außerordentlich leistungsfähigen Anlagen geführt, gerade durch die Verwendung von Schleuderrädern.


Die Beschleunigung des Strahlmediums mittels Schleu­derrad

Bereits vor etwa 100 Jahren, zur Zeit der Anfänge der Strahltechnik, wurden zahlreiche Versuche unternommen, um die Beschleunigung des Strahlmittels durch Zentrifugal­kraft und somit auf rein mechanischem Wege ohne Ver­wendung von Druckluft oder Dampf durchzuführen. Da­mals stand nur Quarzsand als einziges Strahlmedium zur Verfügung, das einen außerordentlich hohen und rapiden Verschleiß aller Schleuderradteile verursacht. Während langer Jahre waren deshalb alle diese Versuche zum Schei­tern verurteilt. Gusseisen-Schrot und Gusseisen-Kies sind erst in den dreißiger Jahren auf dem Markt erschienen. Zur gleichen Zeit wurden auch Werkstoffe verfügbar, die besser dem starken Verschleiß widerstanden. Auf dieser Grundlage gelang es dann zu jenem Zeitpunkt die ersten mit Schleuderrädern ausgerüsteten und trotzdem wirt­schaftlich arbeitenden Strahlmaschinen zu bauen. Seither sind, was die Verschleißfestigkeit der Bauelemente anbe­langt, weitere große Fortschritte erreicht worden. Heute werden für Wurfschaufeln und Schleuderrad-Körper Stand­zeiten erreicht, an die früher überhaupt nicht gedacht werden konnte. Was die Strahlmittel anbelangt, so werden die besten Ergebnisse bei Verwendung von sphärischen Media, wie zum Beispiel Stahlschrot erreicht, währenddem sich mit kantigem Eisen- oder Stahlkies ein wesentlich stärkerer Verschleiß ergibt. Schon aus gesundheitlichen Gründen werden heute an Stelle von Quarzsand moderne nicht silikosegefährdende Media verwendet, wie zum Beispiel Elektrokorund oder Siliziumkarbid, die noch wesentlich abrasiver sind. Diese können deshalb in Anlagen mit Schleuderrädern der klassischen Bauarten gar nicht eingesetzt werden. Die Abnutzung z.B. der Wurfschaufeln würde so rasch vor sich gehen, daß man eher von einer Zerstörung als von einer Abnutzung der Räder sprechen könnte. Für diese mineralischen und synthetischen Strahl­mittel-Sorten ist hingegen vor Kurzem eine neuartige Schleuderrad-Konstruktion von der englischen Firma Vacu-Blast Ltd. entwickelt worden, über die weiter unten ausführlich berichtet werden soll.


Schleu­derrad Bauarten

An dieser Stelle kann auf Konstruktionen aus der Frühzeit der Strahltechnik nicht näher eingegangen werden. Die grundlegenden Patente von Verne E. Minich wurden bereits in den Jahren 1934/ 1935 veröffentlicht. Etwa Mitte der fünfziger Jahre schien, was die Schleuderräder anbelangt, die Entwicklung einen vorläufigen Abschluss erreicht zu haben. Von der Sachlage zu diesem Zeitpunkt ausgehend soll hier über die seitherigen Weiterentwicklungen berichtet werden.

Wohl das wichtigste Merkmal einer Schleuderrad-Konstruk­tion ist die Art und Weise wie das Strahlmittel einerseits ins Zentrum des Rades und von da zu den Wurfschaufeln eingeführt wird. In seinem im Juli 1956 veröffentlichten Bericht unterscheidet demzufolge H. Winter deshalb folgen­de drei grundsätzlich voneinander verschiedene Schleuder­rad-Bauarten:
  1. Direkte Zuführung des Strahlmittels zu den Wurfschau­feln nach dem Gravitations-System (sogenannte „Schlag­schaufel-Bauart"). Siehe Bild 1: Die Durchsatzleistung dieser Bauart wird von H. Winter mit 35 bis 100 kg/min und bei Sonderausführungen bis zu 200 kg/min angege­ben.
     
  2. Schleuderräder mit pneumatischer Vorbeschleunigung des Strahlmediums und direkter Zuführung zu den Wurf­schaufeln (siehe Bild 2).
     
  3. Schleuderräder mit indirekter Einführung des Strahlmittels durch mechanische Vorbeschleunigung mittels Einlaufstück und Verteiler.
Bild 2: Arbeitsprinzip der pneumatischen Vorbeschleunigung des Strahlmittels mit Einführung unmittelbar ins Zentrum des rotierenden Schleuderrades.
1 = Einscheiben Rad
2 = Drehrichtung des Schleuderrades
3 = aus der Düse 8 austretendes Strahlmittel unmittelbar vor dem Aufprall auf die Schleuderrad-Schaufel
4 = Zuführungsleitung für das Strahlmittel
5 = Einlauftrichter für das Strahlmedium
6 = Druckluft vom Hochdruck-Ventilator für die Vorbeschleunigung des Strahlmittels
7 = Injektor für die pneumatische Vorbeschleunigung des Strahlmediums
8 = Austrittsdüse mit Umlenkung des Strahlmittels um 90° und radialem Austritt unmittelbar vor die rotierenden Radschaufeln.

Bei der Schlagschaufelbauart ist jedes Rad zwar mit zwei Wurfschaufeln bestückt. Von diesen dient jedoch nur eine als eigentliches Beschleunigungselement, währenddem die andere als Gegengewicht benötigt wird. Bei jeder Radum­drehung prallen die Wurfschaufeln gegen das unter Ein­fluss der Schwerkraft frei herabrieselnde Strahlmittel und beschleunigen jeweils schlagartig jede ein Paket des Strahl­mediums auf Abwurfgeschwindigkeit. Das System hat den Vorzug der Einfachheit. Durch die schlagartige Beschleu­nigung werden jedoch sowohl die Schaufeln als auch das Strahlmittel stark beansprucht. Wie auch aus den Angaben von H. Winter hervorgeht, ist die Leistung pro Rad demge­mäß verhältnismäßig klein. Dort wo höhere Durchsätze benötigt werden, ordnet man deshalb mehrere Räder neben­einander auf einer gemeinsamen Welle an, wie dies als Bei­spiel in Bild 3 zu sehen ist.

Bei der Konstruktion eines Schleuderrades müssen nach­folgende schwer zu lösende Anforderungen erfüllt werden:
  • Einführung des Strahlmedium ins Zentrum des rotieren­den Rades,
     
  • weitgehende Verstellmöglichkeiten um den austretenden Schleuderstrahl genau auf die zu behandelnden Ober­flächen ausrichten zu können,
     
  • möglichst gleichmäßige Verteilung der aufprallenden Körner auf die ganze Länge und Breite des austretenden Schleuderstrahls (Strahlbild).


Bild 3: Schlagschaufel-Bauart mit direkter Zuführung des Strahlmittels zu den Wurfschaufeln nach dem Gravitationssystem, wobei mehrere Schleuderräder nebeneinander auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Arbeitsprinzip siehe Bild 1.
1 = Düsen für die Zuführung des Strahlmittels zu den Schlagschaufeln
2 = Scheibe des Schleuderrades mit auf jeder Seite montierten Arbeitssschaufeln A und den als Gegengewichte dienenden Schaufeln G
3 = zweites auf der gleichen Welle montiertes Schleuderrad, ebenfalls mit je zwei Arbeits- und zwei Gegenschaufeln bestückt.


Bei der pneumatischen Vorbeschleunigung des Strahlmit­tels wird das Medium unmittelbar ins Zentrum des rotieren­den Schleuderrades eingeführt. Das Arbeitsprinzip dieses Systems wird durch Bild 2 veranschaulicht. Das aus einem Zwischensilo frei nach unten strömende Strahlme­dium wird in den Saugstutzen einer Injektordüse einge­führt und dort gemäß dem Prinzip einer pneumatischen Förderung durch den von einem Hochdruck-Ventilator kommenden Luftstrom mitgenommen. Nach einer Um­lenkung um 90° tritt sodann der das Strahlmittel mitführen­de Luftstrom radial unmittelbar vor den rotierenden Wurf­schaufeln des Schleuderrades aus der Düsenöffnung aus. Die Austrittsöffnung der Injektordüse kann nach Bedarf allseitig verstellt werden. Es ist deshalb bei dieser Bauart möglich, den austretenden Schleu­derstrahl in jede gewünschte Richtung austreten zu lassen. Schleuderräder mit pneumatischer Vorbeschleunigung des Strahlmittels werden zumeist als sogenannte „Einscheiben­räder" ausgeführt und mit je 8 Wurfschaufeln bestückt. Wie aus der schematischen Darstellung Bild 2 hervorgeht, tritt auch bei der pneumatischen Vorbeschleunigung das Strahlmittel in einem kontinuierlichen Strom aus der Um­lenkdüsenöffnung aus, von dem beim Durchgang jede der Wurfschaufeln eine Portion abreißt und mit sich mitnimmt. Trotzdem ist hier die Beanspruchung sowohl der Wurf­schaufeln als auch der Strahlmittelkörner wesentlich ge­ringer als bei der nach dem Gravitations-System arbeiten­den Schlagschaufel-Bauart, denn bei der pneumatischen Vorbeschleunigung tritt das Strahlmittel radial zum Schleu­derrad aus der Düsenöffnung aus.

Im Schleuderrad erfolgt die eigentliche Beschleunigung des Strahlmediums durch Zentrifugalkraft und somit auf rein mechanischem Wege. Das Problem der Einführung des Strahlmittels ins Zentrum des rotierenden Schleuderrades ist ganz besonders wichtig, denn dieser Faktor beeinflusst in ausschlaggebender Weise die Möglichkeit, den Schleuder­strahl zu positionieren und somit genau auf die zu behan­delnden Flächen auszurichten, im weiteren aber auch die Gleichmäßigkeit und Stabilität des Strahlbildes. Ander­seits müssen aber auch alle Einstellungen leicht und trotz­dem präzise reproduziert werden können. Eine außerordent­lich elegante und trotzdem einfache Lösung der soeben aufgezählten, schwierigen technischen Probleme wurde durch die indirekte Einfüh­rung des Strahlmittels durch mechanische Vorbeschleuni­gung mit Hilfe eines Verteilers und eines Einlaufstückes er­reicht. Das hier zur Anwendung gelangende Arbeitsprinzip wird durch Bild 4 veranschaulicht.


Bild 4: Phantombild eines Schleuderrades mit indirekter Einführung des Strahlmittels durch mechanische Vorbeschleunigung mit Hilfe von Einlaufstück und Verteiler. Das Bild zeigt ein aus Plexiglas hergestelltes Modell, das die Arbeitsweise und die Beschleunigung der Strahlmittelportionen durch die Wurfschaufeln veranschaulicht. Man beachte die starke Auffächerung des Schleuderstrahles beim Austritt aus dem Schleuderrad.


Wie daraus hervor­geht tritt beim Austritt auch bei diesem System eine Auf­fächerung des Strahles auf. Das Problem besteht immer darin dieses Strahlenbündel genau auf die zu behandeln­den Flächen einstellen zu können. Analog wie beim Venti­lator wird die Stelle, an der am Umfang der Schleuderstrahl das Rad verlässt, durch den Ort bestimmt, an dem im Zen­trum das Strahlmittel dem Rade zugeführt wird. Diese Ge­gebenheiten der Theorie werden bei der Schleuderrad-Bau­art mit mechanischer Vorbeschleunigung in der Weise be­nutzt, daß in der Radmitte ein käfigartiges Element, der so­genannte „ Verteiler" (Position B in Bild 5) das zuströ­mende Strahlmedium aufnimmt. Es handelt sich hierbei um einen zwar auswechselbaren, jedoch fest mit dem Radkör­per verbundenen und somit mit ihm mitrotierenden Be­standteil. Zwischen Verteiler und Schleuderrad ist sodann ein mit einem Fenster versehener, zylindrischer Körper angeordnet. Es handelt sich hierbei um das sogenannte Einlaufstück" (Position C in Bild 5), das am Schleu­derradgehäuse befestigt, jedoch verstellbar ist und im Be­trieb nicht mitrotiert. Beim Eintritt in das Schleuderrad gelangt das Strahlmittel zunächst in den Verteiler und füllt dort die Hohlräume zwischen den Querstäben auf, so daß sich Portionen gleicher Größe bilden. Durch die Drehbewegung des Schleuderrades werden diese Portio­nen durch die Zentrifugalkraft festgehalten und nach oben mitgeführt bis sie an vorgewählter Stelle durch das Fenster im Einlaufstück hindurchtreten können, um sodann von den Wurfschaufeln mitgenommen zu werden. Bild 6 veranschaulicht wie bei dieser Schleuderrad-Bauart durch Ver­stellen des Einlaufstückes das Strahlbündel genau auf die zu behandelnden Flächen ausgerichtet werden kann. Hierzu kommt noch ein weiterer, im praktischen Betrieb beson­ders wichtiger Faktor. Beim System der indirekten Ein­führung des Strahlmittels durch mechanische Vorbeschleu­nigung werden dem Schleuderrad die Strahlmittelpakete in immer gleichbleibender Größe und auch in gleichem Rhythmus zugeführt. Man erhält deshalb auch ein ent­sprechend stabiles Strahlbild.


Bild 5: Die hauptsächlichsten Bauelemente des von Minich 1934/1935 in den USA patentierten Schleuderrades mit indirekter Einführung des Strahlmittels durch mechanische Vorbeschleunigung mit Hilfe von Einlaufstück und Verteiler (siehe auch Bild 4).
A = Einlauftrichter für das Strahlmittel
B = Verteiler
C = Einlaufstück mit neuartiger dreieckiger Durchtrittsöffnung für das Strahlmittel, die eine wesentlich gleichmäßigere, gestreckte Verteilung des Strahlbildes ermöglicht.
D = eigentliches Schleuderrad, Ausführung mit zwei Seitenscheiben und acht Wurfschaufeln.


Bild 6: Einstellen des Schleuderstrahls durch Verdrehen des Einlaufstückes beim Schleuderrad mit indirekter Einführung des Strahlmittels und mechanischer Vorbeschleuni¬gung mit Hilfe von Einlaufstück und Verteiler (vgl. auch Bilder 4 und 5).
A = Wird das Einlaufstück nach links verstellt, verschiebt sich das Strahlbild nach rechts
B = Einlaufstück in Normalstellung. Der Schleuderstrahl befindet sich in der Mitte.
C = Wird das Einlaufstück aus der Mitte nach rechts verdreht, verschiebt sich das Strahlbild nach links.


Quelle: Dipl.-Ing. ETH I. Horowitz: Oberflächenbehandlung mittels Strahlmitteln