DE102004001047B4

DE102004001047B4 - Hydrodynamic machine

Info

Publication number: DE102004001047B4
Application number: DE200410001047
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr. Hoppe; Reinhard Dr. Kernchen
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG; Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG; Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2004-01-03
Filing date: 2004-01-03
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-01-04
Also published as: DE102004001047A1

Abstract

Hydrodynamische Maschine;
mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden;
das Pumpenrad und das Turbinenrad weisen jeweils mehrere Schaufeln auf, deren jede eine in den Arbeitsraum hineinragende freie Kante hat;
der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsmedium füllbar;
die freie Kante wenigstens einer Schaufel weist wenigstens auf einem Teil ihrer Länge einen nicht-stetigen Verlauf, indem sie gezackt oder gewellt oder gezahnt oder mäanderförmig ausgeführt ist.Hydrodynamic machine;
with a impeller and a turbine wheel, which together form a toroidal working space;
the impeller and the turbine wheel each have a plurality of blades, each of which has a projecting into the working space free edge;
the working space can be filled with a working fluid;
the free edge of at least one blade has a non-steady course over at least part of its length, being jagged or wavy or serrated or meandering.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine, insbesondere eine Turbokupplung. Sie betrifft Turbokupplungen mit gerader und schräger Beschaufelung. Die hydrodynamischen Turbokupplungen arbeiten nach dem sogenannten Föttingerprinzip, wobei mechanische Energie im beschaufelten Pumpenrad in Strömungsenergie umgesetzt wird. Diese Strömungsenergie wird im gegenüberliegenden Turbinenrad wieder in mechanische Energie umgewandelt. Bei diesem hydrodynamischen Leistungsübertrager sind Antriebs- und Abtriebsseite nur über das das strömende Betriebsmedium (Öl oder Wasser) miteinander verbunden, es gibt keine drehfeste mechanische Verbindung.The The invention relates to a hydrodynamic machine, in particular a Turbo coupling. It relates to turbo couplings with straight and oblique blading. The hydrodynamic turbo clutches work according to the so-called Föttingerprinzip, with mechanical energy in the bladed impeller in flow energy is implemented. This flow energy will be in the opposite Turbine wheel converted back into mechanical energy. In this hydrodynamic power transformer Drive and output side are only via the flowing operating medium (Oil or water) connected together, there is no non-rotatable mechanical connection.

Die Turbokupplungen umfassen zwei Schaufelräder, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden. Die Schaufeln sind am Schaufelgrund mit der Tragschale verbunden und bilden mit der jeweiligen benachbarten Schaufel einen Strömungskanal. Zum Laufspalt, gebildet aus den sich gegenüberliegenden, sich nicht berührenden Schaufelrädern hin bilden die Schaufeln freie Kanten aus, die denen des anderen Rades in gleicher oder unterschiedlicher radialer Ausprägung gegenüberstehen.The Turbo couplings comprise two paddle wheels, which one with each other toroidal Make working space. The blades are at the bottom of the blade with the Carrying tray connected and form with the respective adjacent Shovel a flow channel. To the running gap, formed from the opposite, not touching Paddle wheels out The blades form free edges, those of the other wheel facing in the same or different radial expression.

Eine hydrodynamische Kupplung dient dem Übertragen eines Drehmomentes, beispielsweise von einer Kraftmaschine (Motor) auf eine Antriebsmaschine. Die Übertragung erfolgt dabei ohne drehfeste mechanische Verbindung zwischen beiden beschaufelten Rädern, dem Pumpenrad und dem Turbinenrad (auch Primärrad und Sekundärrad oder auch Außenrad und Innenrad genannt). Die Drehmomentübertragung erfolgt stattdessen über das Arbeitsmedium. Aufgrund dieses Prinzips erfolgt diese sanft und elastisch. Das Drehmoment kann nur übertragen werden, wenn eine Drehzahldifferenz zwischen den beiden Schaufelrädern vorhanden ist und eine Meridiaströmung erzeugt wird. Die Auslegung erfolgt so, dass im Nennbetriebspunkt die Turbokupplung bei 2 bis 3 % Schlupf arbeitet.A Hydrodynamic coupling is used to transmit a torque, for example, from an engine (engine) to a prime mover. The transfer takes place without a rotationally fixed mechanical connection between the two bladed wheels, the impeller and the turbine wheel (also primary and secondary or also outer wheel and inner wheel called). The torque transmission takes place via the Working medium. Because of this principle, this is done gently and elastic. The torque can only be transmitted if one Speed difference between the two paddle wheels is present and a Meridiaströmung is produced. The design is such that at the rated operating point the turbo coupling works at 2 to 3% slip.

Während des Anfahrvorganges einer Arbeitsmaschine durchfährt die Turbine einen Drehzahlbereich von 100 % Schlupf bis hin zum Nennschlupf.During the Starting process of a working machine, the turbine passes through a speed range from 100% slip to nominal slip.

Mit zunehmender Drehzahldifferenz zwischen dem Pumpen- und Turbinenrad steigt das durch die Turbokupplung übertragbare Drehmoment an.With increasing speed difference between the pump and turbine wheel increases the transmissible through the turbo coupling torque.

Im teilgefüllten Zustand der Turbokupplung kann es aufgrund von Strömungsveränderungen im Torus beim Durchfahren des gesamten Drehzahlverhältnisbereiches zwischen Pumpen- und Turbinenrad zu sprunghaften Veränderungen des übertragbaren Drehmomentes kommen.in the partly filled Condition of the turbo coupling may be due to flow changes in the torus when driving through the entire speed ratio range between pump and turbine wheel to sudden changes the transmittable torque come.

Es sind zahlreiche Ausführungsformen von hydrodynamischen Maschinen bekannt geworden, bei welchen die freien Kanten von Schaufeln einen nicht stetigen Verlauf aufweisen. Siehe beispielsweise US 2 255 515 , US 2 389 441 und DE 201 10 334 U1 .Numerous embodiments of hydrodynamic machines have become known in which the free edges of blades have a non-continuous course. See for example US 2 255 515 . US 2,389,441 and DE 201 10 334 U1 ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Maschine oder Strömungsmaschine, insbesondere eine hydrodynamische Kupplung, derart zu gestalten, dass die genannte sprunghafte Veränderung des übertragenen Drehmomentes nicht mehr oder in sehr abgeschwächter Form auftritt und die Drehmomentveränderung über dem Drehzahlverhältnis zwischen Pumpen- und Turbinenrad weitgehend kontinuierlich erfolgt.Of the Invention is based on the object, a hydrodynamic machine or turbomachine, In particular, a hydrodynamic coupling, in such a way that said abrupt change of the transferred Torque no longer occurs or in a very attenuated form and the Torque change over the Speed ratio takes place between the pump and turbine largely continuously.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.These The object is solved by the features of the independent claims.

Die Erfinder haben damit eine äußerst einfache und kostengünstige Lösung erkannt. Der Grundgedanke besteht darin, die freie Kante wenigstens einer Schaufel auf wenigstens einem Teil ihrer Länge nicht-stetig verlaufen zu lassen, indem sie gezackt oder gewellt oder gezahnt oder mäanderförmig ausgeführt wird. Alternativ hierzu kann auch im Bereich wenigstens einer Schaufelkante Material partiell abgetragen werden, und zwar in Gestalt von Durchgangsbohrungen oder Sackbohrungen, oder von in das Schaufelmaterial eingearbeiteten Rillen oder Nuten, durch welche sich die Schaufeldicke gegen das Ende der Schaufelkante hin verringert.The Inventors have an extremely simple one and cost-effective solution recognized. The basic idea is, at least, the free edge a blade on at least part of their length non-continuous by jagged or wavy or serrated or meandering. Alternatively, in the region of at least one blade edge Material are partially removed, in the form of through holes or blind holes, or from incorporated into the blade material Grooves or grooves through which the blade thickness against the end the blade edge decreases.

Die Maßnahmen sind insbesondere erfolgreich, wenn sie im Eintrittsbereich der Strömung an den Schaufeln des Pumpenrades oder Primärrades vorgenommen werden, im radial inneren Bereich des Meriadianprofiles. The activities are particularly successful when they are in the entry area of the flow be made on the blades of the impeller or primary wheel, in the radially inner region of the Meriadianprofile.

Auch eine speziell zur Drehrichtung ausgerichtete und vorgenommene Schaufelvorderkantengestaltung, durch einseitige Anspitzung oder enge Verrundung, in einem oder beiden Schaufelrädern führt zu einem sanfteren Drehmoment Schlupf Verlauf.Also a blade leading edge design, specially designed and adapted for the direction of rotation, by one-sided sharpening or narrow rounding, in one or two paddle wheels leads to a Gentle torque slip course.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:The The invention is explained in more detail with reference to the drawing. This is in detail The following is shown:

1 zeigt eine hydrodynamische Kupplung in einem Axialschnitt. 1 shows a hydrodynamic coupling in an axial section.

2 zeigt wiederum in einem Axialschnitt, jedoch stark schematisch, eine weitere hydrodynamische Kupplung. 2 again shows in an axial section, but very schematically, another hydrodynamic coupling.

3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung in Draufsicht auf die Schaufelfläche den Schaufelkantenbereich einer weiteren hydrodynamischen Kupplung. 3 shows in an enlarged view in plan view of the blade surface, the blade edge region of another hydrodynamic coupling.

4 zeigt den Gegenstand von 3 in einer Ansicht auf die Schaufelkante von vorn. 4 shows the item of 3 in a view of the blade edge from the front.

5 zeigt einseitig angespitzte Schaufelvorderkanten in Bezug auf die Drehrichtung. 5 shows one-sided sharpened blade leading edges with respect to the direction of rotation.

Die in 1 gezeigte hydrodynamische Kupplung ist eine Kupplung mit konstanter Füllung. Sie kann beispielsweise im Bergbau eingesetzt werden, oder zum Antrieb in Förderanlagen, Rührwerken und sonstigen schwer anlaufenden Maschinen.In the 1 shown hydrodynamic coupling is a coupling with constant filling. It can be used, for example, in mining, or for driving in conveyors, agitators and other hard-starting machinery.

Die Kupplung umfasst ein Pumpenrad 1 (Primärschaufelrad) mit Schaufeln 1.1, ferner ein Turbinenrad 2 (Sekundärschaufelrad) mit Schaufeln 2.1. Die beiden Schaufelräder 1 und 2 bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 3. Am Pumpenrad 1 ist eine Schale 4 befestigt. Diese umhüllt das Turbinenrad 2. Das Turbinenrad 2 ist auf der Nabe 5 befestigt. Die Nabe ist drehfest mit einer Abtriebswelle 6 verbunden. Pumpenrad 1 und Schale 4 sind mittels Wälzlagern 7 und 8 auf der Nabe 5 gelagert.The coupling comprises an impeller 1 (Primary impeller) with blades 1.1 , furthermore a turbine wheel 2 (Secondary impeller) with blades 2.1 , The two paddle wheels 1 and 2 together form a toroidal working space 3 , At the impeller 1 is a shell 4 attached. This envelops the turbine wheel 2 , The turbine wheel 2 is on the hub 5 attached. The hub is non-rotatable with an output shaft 6 connected. impeller 1 and shell 4 are by rolling bearings 7 and 8th on the hub 5 stored.

Im radial inneren Bereich des Turbinenrades 1 befindet sich ein schaufelfreier Stauraum 1.2. An das Pumpenrad 1 ist eine Verzögerungskammer 9 angeschlossen. Diese ist über eine radial äußere und eine radial innere Öffnung mit dem Arbeitsraum 3 leitend verbunden. Die radial äußere Öffnung 10 (Füllungsöffnung) dient zum Überleiten von Arbeitsmedium aus der Verzögerungskammer 9 in den Arbeitsraum 3. Die radial innere Öffnung 11 (Rückführöffnung) lässt eine Strömung von Arbeitsmedium je nach Betriebszustand in beiden Richtung zu, d. h. aus der Verzögerungskammer 9 in den Arbeitsraum 3 und umgekehrt.In the radially inner region of the turbine wheel 1 There is a shovel-free storage space 1.2 , To the impeller 1 is a delay chamber 9 connected. This is via a radially outer and a radially inner opening with the working space 3 conductively connected. The radially outer opening 10 (Filling opening) serves to transfer working fluid from the delay chamber 9 in the workroom 3 , The radially inner opening 11 (Return opening) allows a flow of working fluid depending on the operating state in both directions, ie from the delay chamber 9 in the workroom 3 and vice versa.

Die Verzögerungskammer 9 weist eine radial innere Wandung 9.1 auf (Boden). Wie man sieht, befindet sich die Rückführöffnung 11 etwa auf demselben Radius wie der Boden 9.1. Durch dieses bauliche Merkmal findet beim Anfahren der Kupplung nach Erreichen einer bestimmten Abtriebsdrehzahl (füllungsabhängig) ein gleichmäßiges Füllen des Arbeitsraumes 3 aus der Verzögerungskammer 9 statt.The delay chamber 9 has a radially inner wall 9.1 on (ground). As you can see, there is the return opening 11 about the same radius as the ground 9.1 , By this structural feature finds when starting the clutch after reaching a certain output speed (depending on the filling), a uniform filling of the working space 3 from the delay chamber 9 instead of.

Wie man sieht, sind die freien Kanten der Schaufeln des Pumpenrades wellenförmig ausgebildet – siehe die Wellenlinie 1.1.1. Die Wellenlinie erstreckt sich dabei über die gesamte Länge der Schaufelkante.As you can see, the free edges of the blades of the impeller are wavy - see the wavy line 1.1.1. The wavy line extends over the entire length of the blade edge.

Das gleiche könnte auch bei den Schaufeln 2.1 des Turbinenrades 2 vorgesehen sein.The same could be done with the shovels 2.1 of the turbine wheel 2 be provided.

Bei der Ausführungsform gemäß 2 sind die freien Kanten der Schaufeln 1.1 des Pumpenrades 1 wiederum in besonderer Weise gestaltet. Man beachte die Sägezahnlinie 1.1.2. In the embodiment according to 2 are the free edges of the blades 1.1 the pump wheel 1 in turn designed in a special way. Note the sawtooth line 1.1.2.

Wie man erkennt, erstreckt sich die Sägezahnlinie jedoch nur über einen Teil der Schaufelkante, nämlich von deren radial inneren Ende bis zum Zentrum des Arbeitsraumes 3.However, as can be seen, the sawtooth line extends only over a part of the blade edge, namely from its radially inner end to the center of the working space 3 ,

Die 3 und 4 veranschaulichen eine weitere Art der Gestaltung der freien Kante einer Schaufel. Die Schaufel ist nämlich mit Ausfräsungen 1.1.3 versehen, die man als Nuten bezeichnen könnte.The 3 and 4 illustrate another way of designing the free edge of a blade. The blade is in fact with cutouts 1.1.3 provided, which could be called grooves.

In 5 sind einseitig angespitzte Schaufeln zu sehen, wobei diese Anspitzung in bestimmter Ausrichtung zur Drehrichtung der Räder vorgenommen wurde.In 5 are unilaterally sharpened blades to see, this sharpening was made in a certain orientation to the direction of rotation of the wheels.

Die Schaufeln stehen im allgemeinen senkrecht auf dem Radgrundkörper (Tragschale) oder unter einem Winkel von unter 90°. Sie sind radial angeordnet (Fluchtung durch die Rotationsachse oder radial versetzt zur Rotationsachse).The Shovels are generally perpendicular to the Radgrundkörper (tray) or at an angle of less than 90 °. They are arranged radially (Alignment by the axis of rotation or offset radially to the axis of rotation).

Claims

Hydrodynamic machine; with a pump wheel and a turbine wheel, which together form a toroidal working space form; the impeller and the turbine wheel each have several Shovels on, each of which projecting into the work space has free edge; the working space is with a working medium fillable; the free edge of at least one blade has at least one Part of their length a non-steady course, by being jagged or wavy or serrated or meandering.

Hydrodynamic machine according to claim 1, characterized in that only blade edges of the impeller have a non-steady state Have history.

Hydrodynamic machine according to claim 1 or 2, characterized in that the non-steady course only over one Part of the blade edge extends, starting from the radially inner end the blade edge.

Hydrodynamic machine; with a impeller and a turbine wheel, the together form a toroidal working space; the impeller and the turbine wheel each have a plurality of blades, each of which has a projecting into the working space free edge; the working space can be filled with a working fluid; The area at least in the region of a blade edge is partially removed material, namely in the form of through holes or blind holes or incorporated into the blade material grooves or grooves through which reduces the blade thickness towards the end of the blade edge.