Hydraulische Turbokupplung mit konstanter Füllung Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydrau lische Turbokupplung mit konstanter Füllung, mit einem beschaufelten Pumpen- und einem beschau- felten Turbinenrad, welche Elemente einen Arbeits kreislauf miteinander bilden, und mit einem mit einem der beiden Elemente zusammen umlaufenden Gehäuse, welches das Kupplungsinnere gegen aussen abdichtet, und ausserdem mit einer Stauraurnkam- mer,
welche mindestens teilweise innerhalb der radial inneren Begrenzung des beschaufelten Teils des Pumpenrades angeordnet und in Richtung zu den Schaufelzwischenräumen des Turbinenrades hin offen ist, also mit diesen in Verbindung steht, und ferner mit einer mit dem Pumpenrad umlaufenden Speicherkammer.
Turbokupplungen dieser Art sind bereits bekannt (britische Patentschriften Nrn. 692286 und 719544). In diesen weist der beschaufelte Teil des Turbinen rades einen geringeren innern Profildurchmesser auf als der beschaufelte Teil des Pumpenrades, wobei eine an einem Ende offene Kammer (sogenannte Stau raumkammer) mindestens teilweise innerhalb der radial innern Begrenzung des beschaufelten Teils des Pumpenrades liegt und in Verbindung mit den Schau- felzwischenräumen des Turbinenrades steht.
Wenn der Schlupf der Kupplung gering ist und die Dreh zahl des Turbinenrades hoch, so befindet sich die Arbeitsflüssigkeit nahezu vollständig in einem dre henden Wirbelring, welcher zwischen den beschau- felten Teilen des Pumpen- und Turbinenrades fliesst. Wenn der Schlupf steigt und die Drehzahl der Tur bine abnimmt, wie dies beispielsweise eintritt, wenn das Turbinenrad bei Überlast abgebremst wird, so wird die Arbeitsflüssigkeit aus dem durch das Pum penrad und das Turbinenrad gebildeten Arbeitskreis lauf in die offene Kammer gedrängt, wodurch der Arbeitsraum teilweise entleert wird.
Wenn die Tur- binenraddrehzahl dann wieder steigt, so fliesst die Arbeitsflüssigkeit unter dem Einfluss der Zentri fugalkraft entweder direkt oder über zentrifugal ge steuerte Ventile aus der Stauraumkammer in den Arbeitskreislauf zurück.
Es ist auch bekannt, die auf einer Seite offene Kammer unmittelbar neben einer Speicherkammer anzuordnen, wobei sich diese mit dem Pumpenrad dreht und derart beschaffen ist, dass sie Flüssigkeit aufnehmen kann, wenn die Kupplung stillsteht, oder bei geringer Pumpendrehzahl.
In diesen bekannten Kupplungen sind Mittel angeordnet, um automatisch Flüssigkeit aus der Speicherkammer in den Arbeits kreislauf zu bringen, wenn die Pumpenraddrehzahl zunimmt, wobei der Flüs:sigkeitsfluss zurück in den Arbeitskreislauf derart bemessen ist, dass das. Füllen verzögert erfolgt, um zu erreichen, dass die Pumpen drehzahl rasch hoch geht und die Normaldrehzahl erreicht wird, bevor der Arbeitskreislauf auf den Wert angefüllt ist, der dem höchsten Füllungsgrad der Kupplung als solcher entspricht.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Turbokupplung zu schaffen, welche eine verbesserte Drehmoment-Schlupfcharakteristik auf weist und eine gedrängtere Bauart besitzt als bisher bekanntgewordene Konstruktionen. Die erfindungs gemässe Kupplung ist dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung des durch die Stauraumkam- mer und durch die Speicherkammer beanspruchten Raumes nicht oder nicht wesentlich über die Ebenen hinausgeht, die senkrecht zur Kupplungsachse stehen und die axial äusseren Stellen des vom Pumpenrad und vom Turbinenrad gebildeten Arbeitsraumes ent halten.
Die Stauraumkammer umschliesst vorteilhafter weise die Speicherkammer teilweise. Sie kann auch konzentrisch in dieser angeordnet sein. In einer an- deren Ausführungsform kann die Stauraumkammer radial innerhalb der Speicherkammer liegen.
In einer weiteren Ausführungsform können die Stauraumkammer und die Speicherkammer unmittel bar nebeneinander liegen, wobei deren totale axiale Ausdehnung innerhalb derjenigen des rotierenden Gehäuses eventuell samt damit drehendem Rad liegt, welches bzw. welche die Arbeitsflüssigkeit enthalten.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Turbokupplung werden anschliessend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Turbokupplung im Aufriss, teilweise geschnitten, Fig.2 und 3 Teile von weiteren Ausführungen von Turbokupplungen im Schnitt.
In Fig. 1 ist eine Turbokupplung dargestellt mit einem Schaufeln aufweisenden Pumpenrad 1 mit Rückwand 11, welches mit einem einen Rückhalte- raum für die Arbeitsflüssigkeit bildenden Gehäuse 2,2 rotiert, das sich über den Rückenteil eines Tur binenrades 3 erstreckt. Das Pumpenrad hat einen Schaufelraum, der radial innen von einem Ring 4 begrenzt ist, der axial gegen das Turbinenrad 3 ge richtet ist und kurz vor den axial innern Kanten der Turbinenbeschaufelung endigt, wobei der Ring 4 die radial äussere Wand einer einseitig offenen Kammer 5 (Stauraumkammer) bildet.
Das Turbinenrad 3 ist mittels Bolzen an einem Flansch 6 eines hülsen artigen Wellenteils 7 befestigt, welcher in Lagerteilen des Pumpenrades 1 und des einen Gehäuseteils 2 lagert und in seiner Innenfläche Keilnuten aufweist zum Zwecke, ihn mit der Ausgangswelle 8 der Kupplung zu verbinden.
Im Mittelteil, innerhalb des Ringes 4 des Pumpenrades 1, befindet sich ein an dem Lagerteil des Pumpenrades 1 mit Bolzen be festigter Gehäuseteil, welcher einen schalenförmigen Teil mit zwei Wänden aufweist, von welchen die eine Wand 9 senkrecht zu der Kupplungsachse angeord net ist, während die andere Wand 10 bzw. 10' sich vom radi'a'l äussersten Rand der Wand 9 gegen den Lagerteil des Pumpenrades 1 erstreckt, wobei die Wand 10 sich parallel zur Kupplungsachse erstreckt oder mit dieser einen geringen Winkel bildet (10').
Der äusserste Teil der Wand 9 weist radial einen kleinen Abstand vom Ring 4 des Pumpenrades 1 auf, und die Ebene der Wand 9 befindet sich zwischen zwei Normalebenen zur Kupplungsachse, von welcher die eine die axial innern Kanten der Turbinenschau feln enthält und die andere den axial äussersten Teil des Gehäuseteils 2, welcher das Pumpenrad um fasst.
Die radial innere Kante der Wand 9 ist vom Wellenteil 7 nur durch das sogenannte Laufspiel getrennt, wodurch zwei voneinander getrennte Kam mern zur Aufnahme von Flüssigkeit gebildet werden, nämlich erstens die Stauraumkammer 5, welche auf der einen Seite offen ist und sich ausserhalb der Trennwände 9 und 10 bzw. 10' befindet, und zwei tens die andere als Speicherkammer 12 benannte Kammer, welche durch die Wände 9 und 10 bzw.
10' abgetrennt wird. Die Stauraumkammer 5 ist mit dem torusförmigen, durch das Pumpenrad 1 und das Turbinenrad 3 gebildeten Arbeitsraum über den Ring spalt zwischen den radial innen gelegenen Teilen des Pumpenrades 1 und des Turbinenrades 3 frei ver bunden. Bei normalen Betriebsbedingungen mit gerin gem Schlupf befindet sich die Arbeitsflüssigkeit voll ständig im Arbeitsraum und bildet einen kreisenden Wirbelring, indem die Flüssigkeit unaufhörlich von der Turbinenschaufelung in die Pumpenschaufelung fliesst.
Wenn der Schlupf wächst, was eintreten kann, wenn beispielsweise das Turbinenrad 3 gegenüber der Drehzahl des Pumpenrades 1 zurückbleibt oder festgebremst wird, dann wird aus dem Arbeitsraum durch den erwähnten Spalt Flüssigkeit in die Stau raumkammer 5 gedrängt, wodurch das übertragbare Drehmoment der Kupplung verringert wird. Wenn die Turbinendrehzahl gegenüber der Pumpendrehzahl wiederum steigt, so kehrt die Flüssigkeit aus der Kammer 5 unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft in den Arbeitsraum zurück, wodurch das übertragbare Drehmoment steigt und der Schlupf in der Kupp lung verringert wird.
Die innere Kammer 12, welche die Speicherkam mer darstellt, mündet durch Öffnungen 13 im Lager teil des Rades 1 in den Raum 2', der mit dem Arbeitsraum beim Rohr 16 durch eine Ausnehmung der Rückwand 11 des Pumpenrades verbunden ist, sowie ebenfalls durch den Ringspalt zwischen den äusseren Begrenzungskanten des Pumpen- und Tur binenrades. Wenn das Pumpenrad 1 stationär ist, so fliesst ein Teil der Arbeitsflüssigkeit unter dem Ein fluss der Schwere durch die Öffnungen 13 in den Speicherraum 12, so dass die Inbetriebsetzung der Kupplung mit reduzierter Füllung des Arbeitsraumes erfolgt und dem Pumpenrad 1 dadurch ermöglicht wird, unter etwas reduzierter Last seine volle Dreh zahl schneller zu erreichen.
Wenn das Pumpenrad 1 sich beschleunigt, fliesst unter der Wirkung der Zentrifugalkraft Flüssigkeit aus der Speicherkammer 12 durch die Öffnungen 13 in den Arbeitsraum, so dass dieser so weit angefüllt wird, wie dies überhaupt für die Kupplung als solche angängig ist, wobei die Anfüllverzögerungszeit unter anderem durch die Grösse der Öffnungen 13 bestimmt wird.
Um Turbokupplungen der vorerwähnten Bau art in guten Arbeitsbedingungen zu erhalten, wie vorstehend anhand der Fig. 1 erläutert wurde, ist es wichtig, den unerwünschten Effekt der Ausdehnung der Arbeitsflüssigkeit durch Erhitzung zu begrenzen. Dieser Effekt kann beispielsweise nach einer An zahl von kurz sich folgenden Inbetriebsetzungen einer schwerbelasteten Maschine erfolgen, beispielsweise eines Grubenförderbandes. Es tritt dies vor allem dann auf, wenn der Antrieb durch einen oder mehrere Käfigankermotoren erfolgt, welche an einen Nie derspannungskreis angeschlossen sind, und vor allem dann, wenn eine Gruppe derartiger Motoren sich folgend oder zu gleicher Zeit eingeschaltet werden.
Bei der vorbeschriebenen Ausführung sind die Vo lumen der Stauraumkammer 5 und der Speicher- kammer 12 auf das noch angängige Minimum be grenzt, da die Ausdehnung eines überflüssigen Flüs sigkeitsvolumens (was durch Anordnung einer grö sseren Stauraumkammer und einer grösseren Spei cherkammer berücksichtigt werden könnte) wiederum die nicht verhinderbare Expansion der unbedingt nötigen Menge Flüssigkeit, welche im Arbeitskreislauf vorhanden sein muss, um, ohne grossen überschuss, die verlangte Drehmomentkapazität der Kupplung sicherzustellen, zusätzlich erhöhen würde.
Der unvorteilhafte Effekt dieser Ausdehnung von solch zusätzlicher Flüssigkeit besteht darin, die über tragungsfähigkeit der Kupplung bei der Inbetrieb setzung auf :einen unerwünschten Grad zu erhöhen, wodurch die Beschleunigungszeit der treibenden Mo toren verlängert wird, was mit hoher Stromaufnahme und entsprechend reduzierter Spannung verbunden ist. Dies setzt anderseits das Anzugsmoment der Motoren herab, was dazu führen kann, dass ein schwer beladenes Förderband nicht auf Betriebsdreh zahl kommen kann.
Ein weiterer Nachteil von solch zusätzlicher Flüssigkeit ist der, dass die maximale Drehmoment übertragungsfähigkeit der Kupplung (im Gebiete von etwa 10-15% Schlupf) unerwünschterweise wächst. In einer Turbokupplung, welche eine S'tauraumkam- mer und eine Speicherkammer aufweist, die die vor beschriebenen Grenzabmessungen aufweisen, sind die unangenehmen Effekte der Ausdehnung der Arbeits flüssigkeit auf einen annehmbaren Grad reduziert.
Um einen befriedigenden Betrieb mit der S'tau- raumkammer 5 und der Speicherkammer 12 zu er halten, darf die totale Menge der Kupplungsflüssig keit nicht übermässig sein, da durch Überfüllen die gewünschte Drehmomentcharakteristik, welche durch diese beiden Kammern erzeugt werden soll, nicht er reicht würde. Es ist daher weiterhin vorgesehen, durch besondere Mittel das übermässige Füllen der Kupp lung durch die Füllöffnung zu verhüten, wenn die Kupplung sich in normaler Arbeitsstellung befindet, in welcher die Wellenachse horizontal oder gegen die Horizontale geneigt ist, wie dies beispielsweise bei Grubenförderbändern vorkommt.
Zu diesem Zweck ist die Fülleitung derart ausge führt, dass sie mittels eines Füllpfropfens abgeschlos sen werden kann. Sie erstreckt sich von aussen in radialer Richtung durch die Arbeitskammer (Kreis laufkammer) und endigt im Bereiche der Aussen umfangsfläche der Stauraumkammer 5.
In Fig. 1 weist das Füllrohr eine Fassung 14 und ein Rohr 16 auf, welche in eine Öffnung des Ge häuseteils 2 montiert ist, welcher Teil den Rücken teil des Pumpenrades 1 umfasst und mit Innen gewinde versehen ist. Ein Füllpfropfen 15 ist am aussenliegenden Ende der Fassung 14 eingeschraubt. Das eine Ende des radial sich erstreckenden Rohres 16 ist in das innenliegende Ende der Fassung 14 eingeschraubt, derart, dass das Rohr 16 an zwei Stellen die Rückwand 11 des Pumpenrades 1 durch stösst und an der radial innen gelegenen Seite des Ringes 4 endigt.
Wenn die Kupplung das erste Mal gefüllt wird, beispielsweise bei horizontaler Achse, wird der Füllpfropfen 15 abgeschraubt und die Kupp lung derart gedreht, dass das Rohr 16 mit der Ver tikalen den Winkel gemäss den Betriebsinstruktionen bildet, welcher z. B. zwischen 45 und 75 liegt.
Die maximale Flüssigkeitsmenge, welche durch das Füllrohr 16 eingefüllt werden kann, ist begrenzt durch die über dem Flüssigkeitsstand eingeschlossene Luft sowie durch den Winkel des Rohres 16 mit der Vertikalen. Nach dem Füllen wird der Füllpfrop fen 15 in das äussere Ende des Rohres 16 einge schraubt.
Eine bevorzugte Ausführung derartiger Turbo kupplungen sieht eine Schmelzsicherung vor, welche bei vorgeschriebener Temperatur, z. B. 140 oder 175 C, anspricht, wobei diese Sicherung zwei be kannte Schmelzmetalle aufweist, um die Arbeitsflüs sigkeit im Falle von überhitzung ausfliessen zu lassen. Dies kann beispielsweise bei ausserordentlich hohem Schlupf oder bei teilweisem oder vollständigem Ab bremsen des Turbinenlaufrades dann eintreten, wenn dieser Zustand so lange dauert, bis die Temperatur der Arbeitsflüssigkeit einen unerwünschten Wert er reicht.
Es ist fernerhin wünschenswert, dass die Öff nung, in die der Sicherungspfropfen eingeschraubt isst, nicht in unberufener Weise dazu benützt werden kann, um die Kupplung mit Flüssigkeit, z. B. über den Stand, welcher in Betriebsvorschriften vermerkt ist, anzufüllen.
Der Schmelzpfropfen kann in bzw. an einem Rohr, welches im Bereiche der radial äussern Be grenzung der einseitig offenen Stauraumkammer endet, also z. B. dem beschriebenen Füllrohr ähn lich ist, angeordnet werden. Vorteilhafterweise wird der Sicherungspfropfen 17, wie in Fig. 1 dargestellt, in den Füllpfropfen 15 eingeschraubt.
Wenn der Sicherungspfropfen 17 anspricht und Arbeitsflüssigkeit durch das Rohr ausströmt, hält dieses Ausströmen der Flüssigkeit auch während des Betriebes der Kupplung an, wenn diese unter schwerer Last läuft und dementsprechend einen grossen Schlupf aufweist; denn die einseitig offene Kammer 5 wird mehr oder weniger mit Flüssigkeit, welche aus dem Arbeitskreislauf ausströmt, angefüllt, was so lange andauert, bis die Kapazität der Drehmomentüber- tragung der Kupplung so stark abgenommen hat, d'ass die Kupplung nicht mehr betriebstüchtig ist.
Es muss dann der Grund für die überlast oder den Betrieb mit hohem Schlupf beseitigt sowie der Siche rungspfropfen ersetzt und die Kupplung wieder bis zum vorgesehenen Niveau aufgefüllt werden.
In den Fig. 2 und 3 erstreckt sich das Gehäuse 2 über die Rückfläche des Turbinenrades 3 und arbeitet mit dem Pumpenrad 1 zusammen, mit dem es sich mitdreht, wobei es mit diesem Rad zusammen eine Rückhaltekammer bildet, in der die Arbeitsflüssigkeit zurückgehalten wird. In diesem Falle besitzt das Ge häuse 2 keinen Teil, welcher sich über den Rücken, teil 11 des Pumpenrades 1 erstreckt.
Die Öffnungen 13 führen direkt aus der Speicherkammer 12 in den vom Pumpenrad 1 und vom Turbinenrad 3 gebildeten torusförmigen Arbeitsraum.
In Fig.2 ist die Trennwand 9 so angeordnet, dass die Stauraumkammer 5 und die Speicherkammer 12 sich nebeneinander befinden. Das Füllrohr 16 ist bezüglich der Kupplungsachse geneigt und erstreckt sich nach innen bis in die Stauraumkammer 5.
In Fig. 3 ist die einseitig offene Stauraumkammer 5 zu der Speicherkammer 12 im wesentlichen radial verschoben angeordnet. Das Füllrohr 16 erstreckt sich nach innen bis zur Aussenfläche der einseitig offenen Kammer in denjenigen Teil der Trennwand 9, wel cher parallel zur Kupplungsachse angeordnet ist.
In den Fig. 2 und 3 ist in das Rohr 16 ein Füll- stutzen 15 eingeschraubt, in welchen eine zeich nerisch nicht dargestellte Schmelzsicherung in ent sprechender Weise wie bei der Anordnung gemäss Fig. 1 eingesetzt ist.
In allen drei Fällen ist die axiale Ausdehnung des von den Kammern 5 und 12 zusammen beanspruch ten Raumes kleiner als die grösste axiale äussere Breite des Gehäuses 2,2 (Fig. 1) bzw. des Gehäuses 2 samt Rad 1 (Fig. 2 und 3), und dieser Raum erstreckt sich axial nicht (bzw. höchstens unwesentlich) über die Ebenen hinaus, die senkrecht zur Kupplungsachse stehen und die axial äusseren Stellen des Arbeits- kreislaufraumes enthalten.