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Die
Erfindung betrifft eine hydrodynamische Strömungsmaschine, welche zwei
Schaufelräder, nämlich ein
Primärrad
und ein Sekundärrad
aufweist, von denen wenigstens eines axial gegenüber dem anderen verlagerbar
ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Retarder.
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Die
Verlagerbarkeit von wenigstens einem der beiden Schaufelräder dient
dazu, die Verlustleistungen im Leerlauf der hydrodynamischen Strömungsmaschine
zu vermindern.
DE
102 19 753 A1 beschreibt zum Beispiel einen Retarder, bei
welchem der Rotor mittels eines Schraubgewindes auf einer Hohlwelle
gelagert ist und beim Übergang
vom Bremsbetrieb in den Nichtbremsbetrieb, das heißt in den
Leerlauf, vom Stator abgefahren wird. Um wieder in den Bremsbetrieb überzugehen,
wird der Rotor wieder an den Stator angefahren, so dass sich im
Arbeitsraum zwischen dem Rotor und dem Stator ein Strömungskreislauf
ausbilden kann, mittels welchem Drehmoment vom Rotor auf den Stator übertragen wird,
so dass der Rotor abgebremst wird.
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Der Übergang
vom Leerlauf in den Arbeitsbetrieb, das heißt bei einem Retarder vom Nichtbremsbetrieb
in den Bremsbetrieb, soll, wie leicht einsichtig ist, möglichst
rasch erfolgen, nachdem ein Bremsbefehl beispielsweise vom Führer eines
Fahrzeugs, in welchem der Retarder zum Abbremsen installiert ist,
gegeben wurde. Somit ist es notwendig, die beiden Schaufelräder möglichst
schnell in eine solche Konfiguration zu bringen, dass sie sich unmittelbar
axial gegenüberstehen,
so dass der gewünschte
Arbeitsmediumkreislauf zwischen den beiden Schaufelrädern im
Arbeitsraum ausgebildet wird und die Drehmomentübertragung mittels des Arbeitsmediums
einsetzt. Hinsichtlich der tatsächlichen
Geschwindigkeit beziehungsweise notwendigen Zeitdauer beim Übergang
vom Leerlaufbetrieb in den Arbeitsbetrieb gibt es aufgrund von Trägheiten
im System einen Raum für
Verbesserungen.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
1 600 154 A beschreibt eine hydrodynamische Bremse, bei
welcher ein Axialspalt zwischen dem Pumpenrad und dem Stator durch
An- und Abfahren des Stators vom Rotor verringert und vergrößert wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Strömungsmaschine
mit einem axial verlagerbaren Schaufelrad, insbesondere einen Retarder,
darzustellen, bei welcher beziehungsweise bei welchem der Übergang
vom Leerlauf in den Arbeitsbetrieb gegenüber bekannten Ausführungen
rascher erfolgt, wobei gleichzeitig bauliche Änderungen von bekannten Maschinen
gering gehalten werden sollen und kein zusätzlicher Energieaufwand beim
Umschalten notwendig sein soll.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch eine hydrodynamische Strömungsmaschine mit den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben
vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße hydrodynamische Strömungsmaschine
weist ein beschaufeltes Primärrad
und ein beschaufeltes Sekundärrad
auf, welche miteinander einen mit Arbeitsmedium befüllbaren
Arbeitsraum ausbilden. Dabei ist wenigstens eines der beiden Räder gegenüber dem
anderen axial verschiebbar. Diese axiale Verschiebbarkeit bezieht
sich im Sinne der Erfindung auf wenigstens den beschaufelten Teilbereich
des axial verschiebbaren Rades, so dass in einer ersten nahen Position
sich die beiden beschaufelten Teilbereiche der beiden Räder axial unmittelbar
gegenüberstehen.
Wenn dann eines der beiden Räder,
beispielsweise das Primärrad,
drehend angetrieben wird, wird Arbeitsmedium in dem Arbeitsraum,
welcher durch die beiden beschaufelten Teilbereiche ausgebildet
wird, durch die Schaufeln des angetriebenen Rades radial nach außen beschleunigt,
strömt
in den beschaufelten Teilbereich des gegenüberstehenden Rades und wird
dort radial nach innen verzögert,
so dass sich ein Kreislauf von Arbeitsmedium im Arbeitsraum einstellt.
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In
der zweiten fernen Position, das heißt in der Position, in welcher
der beschaufelte Teilbereich des axial verlagerbaren Schaufelrades
gegenüber dem
beschaufelten Teilbereich des anderen Rades abgerückt wurde,
kann sich aufgrund der Entfernung zwischen den beiden beschaufelten
Bereichen kein Strömungskreislauf
im Arbeitsraum einstellen, so dass kein Drehmoment oder im wesentlichen
kein Drehmoment zwischen den Schaufelrädern übertragen wird. Hierdurch werden
Verluste im Leerlaufbetrieb, welche unerwünscht sind, weitgehend oder vollständig vermieden.
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Um
den Vorgang des Anfahrens von einem der beiden Räder beziehungsweise eines gegenseitigen
Anfahrens beider Räder
zu beschleunigen, weist die erfindungsgemäße Strömungsmaschine eine strömungsleitende
Druckausgleichsverbindung zwischen dem Arbeitsraum und einem Ausgleichsraum
auf. Diese strömungsleitende
Druckausgleichsverbindung mündet
einerseits im Arbeitsraum, welcher auf der axialen Vorderseite des
verlagerbaren Rades angeordnet ist, und andererseits im Ausgleichsraum,
welcher auf einer der Vorderseite axial entgegengesetzten Rückseite
des verlagerbaren Rades angeordnet ist. Somit kann beim Anfahren
des verlagerbaren Rades, beispielsweise das Primärrad beziehungsweise der Rotor
eines Retarders, gegen das gegenüberstehende
Rad, beispielsweise das Sekundärrad
beziehungsweise der Stator des Retarders, das zuvor im vergrößerten Arbeitsraum
befindliche Medium, insbesondere Luft, aus dem beim Anfahren kleiner
werdenden Arbeitsraum durch die Druckausgleichsverbindung in den
Ausgleichsraum strömen,
so dass kein zu überwindender
Gegendruck, welcher einer Verlagerung des Rades entgegenwirkt, beim
Anfahrvorgang ausgebildet wird.
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Um
zu verhindern, dass im Arbeitszustand, beispielsweise im Bremsbetrieb,
Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum durch die Druckausgleichsverbindung
ausströmt,
ist die Druckausgleichsverbindung erfindungsgemäß derart im Arbeitsraum und
dem Ausgleichsraum mündend
angeordnet, dass sie wenigstens mittelbar durch das verlagerbare
Rad vollständig
oder im wesentlichen vollständig
abgesperrt wird, wenn sich das verlagerbare Rad in der ersten nahen
Position befindet. Um den oben beschriebenen Strömungsausgleich beim Anfahren
des Rades zu ermöglichen,
wird erfindungsgemäß die Druckausgleichsverbindung
gleichzeitig dann freigegeben, wenn sich das verlagerbare Rad beziehungsweise der
verlagerbare Teilbereich des Rades in der zweiten fernen Position
oder allgemein außerhalb
der ersten nahen Position befindet.
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Die
Druckausgleichsverbindung wird durch Anstoßen des verlagerbaren Rades
oder des verlagerbaren Teilbereichs des entsprechenden Rades an einem
weiteren Teil der hydrodynamischen Strömungsmaschine abgesperrt, wenn
das verlagerbare Rad beziehungsweise der Teilbereich des verlagerbaren
Rades die beschriebene erste nahe Position einnimmt.
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Insbesondere
ist die Druckausgleichsverbindung in Form von einer oder von mehreren
Axialbohrungen durch das verlagerbare Rad und/oder den verlagerbaren
Teilbereich hindurch geführt.
Alternativ oder zusätzlich
kann die Druckausgleichsverbindung entlang des Außenumfangs
des verlagerbaren Rades beziehungsweise des verlagerbaren Teilbereichs ausgeführt sein.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele, welche schematisch
in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Retarders mit dem Rotor in seiner zweiten fernen Position;
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2 den
Retarder aus der 1 mit dem Rotor in der ersten
nahen Position;
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3 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Retarders mit dem Rotor in seiner zweiten fernen Position;
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4 den
Retarder aus der 3 mit dem Rotor in der ersten
nahen Position.
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In
der 1 erkennt man einen Retarder mit einem Primärrad 1 und
einem Sekundärrad 2.
Das Primärrad 1 ist
der Rotor und das Sekundärrad 2 der Stator
des Retarders. Beide Räder 1, 2 weisen
einen beschaufelten Teilbereich auf, nämlich der Rotor den Teilbereich 1.1 und
der Stator den Teilbereich 2.1.
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Der
Stator, das heißt
das Sekundärrad 2, wird
ortsfest im Gehäuse 7 getragen.
Das Gehäuse 7 umschließt zusammen
mit dem Stator das Primärrad 1 und
bildet einen inneren Raum aus, der durch den beschaufelten Teilbereich 1.1 des
Primärrades 1 in zwei
voneinander im wesentlichen getrennte Räume aufgeteilt wird, nämlich in
den Arbeitsraum 3 und den Ausgleichsraum 5.
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Der
Teilbereich 1.1 des Primärrades 1, welcher
die Beschaufelung 1.4 trägt, ist in der Axialrichtung
verlagerbar, wie durch den Doppelpfeil 12 angedeutet wird.
Diese axiale Verschiebbarkeit wird durch eine verzahnte oder gewindeförmige Lagerung
des verlagerbaren Teilbereichs 1.1 auf einem axial feststehenden
Bereich 1.3 des Primärrades
erreicht. Diese Lagerung ist in der 1 mit der
Bezugsziffer 9 bezeichnet. Natürlich sind sowohl der axial
verschiebbare Teilbereich 1.1 als auch der axial feststehende
Teilbereich 1.3 des Primärrades in Umfangsrichtung drehbar
angeordnet, damit das Primärrad 1 seine
gewünschte
Funktion ausüben
kann.
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Alternativ
zu der gezeigten Darstellung könnte
auch das gesamte Primärrad 1 axial
verschiebbar angeordnet sein.
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In
dem axial verschiebbaren Teilbereich 1.1 des Primärrades 1 sind
eine Vielzahl von Axialbohrungen 6 eingebracht, welche
die erfindungsgemäße Druckausgleichsverbindung 4 darstellen.
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In
der 1 ist die Position des verschiebbaren Teilbereichs 1.1 innerhalb
des Raumes, der durch das Gehäuse 7 und
das Sekundärrad 2 umschlossen wird,
gezeigt, in welcher der verschiebbare Teilbereich 1.1 axial
entfernt gegenüber
dem beschaufelten Teilbereich 2.1 des Sekundärrades 2 angeordnet
ist. Somit ist der Raum, welcher durch die beiden beschaufelten
Bereiche 1.1 und 2.1 von jeweils dem Primärrad 1 und
dem Sekundärrad 2 ausgebildet wird,
in seiner Axialrichtung durch einen deutlichen Spalt unterbrochen,
und es findet keine Leistungsübertragung
vom Primärrad 1 auf
das Sekundärrad 2 statt.
Dieser Zustand wird als Leerlauf bezeichnet, da das Primärrad 1 umläuft, ohne
abgebremst zu werden. Der Raum zwischen dem Primärrad 1 und dem Sekundärrad 2 beziehungsweise
der durch den beschaufelten Teilbereich 1.1 des Primärrades und 2.1 des
Sekundärrades
zusammen mit dem dazwischenliegenden Axialspalt ausgebildet wird,
auch in diesem Zustand gleichwohl Arbeitsraum 3 genannt,
ist vorteilhaft vollständig
oder bis auf eine vorgegebene Restmenge von Arbeitsmedium entleert
und entsprechend mit Luft gefüllt.
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Um
nun möglichst
rasch in den Bremsbetrieb umzuschalten, muss der Teilbereich 1.1 des
Primärrades 1 schnell
in die in der 2 gezeigte Position geschaltet
werden, damit ein torusförmiger
Arbeitsraum 3 durch den beschaufelten Teilbereich 1.1 des Primärrades und
den beschaufelten Teilbereich 2.1 des Sekundärrades ausgebildet
wird. Der Arbeitsraum 3 wird mit Arbeitsmedium befüllt, welches
durch die Schaufeln 1.4 im Primärrad 1 radial nach
außen beschleunigt
wird und durch die Schaufeln 2.4 im Sekundärrad 2 radial
nach innen verzögert
wird, so dass sich eine drehmomentübertragende Kreislaufströmung einstellt,
siehe den Pfeil 11.
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Während des
Anfahrens des Teilbereichs 1.1 des Primärrads 1 gegen den
beschaufelten Teilbereich 2.1 des Sekundärrads kann
jegliches Medium, welches sich auf der Vorderseite des Primärrads 1, das
heißt
im Raum zwischen dem Schaufelboden des Primärrades 1 und dem Schaufelboden
des Sekundärrads 2 befindet,
durch die Axialbohrungen 6 in den Ausgleichsraum 5 ausströmen, siehe
den Pfeil 10, und kann damit keinen das Anfahren des Teilbereichs 1.1 hindernden
Druck im Arbeitsraum 3 ausbilden. Erst in dem in der 2 gezeigten
Zustand, das heißt
wenn sich der Teilbereich 1.1 in seiner ersten nahen Position
gegenüber
dem Teilbereich 2.1 befindet, das heißt in der Position, in welcher
sich die Schaufeln 1.4 des Primärrades 1 und die Schaufeln 2.4 des
Sekundärrades 2 axial
unmittelbar gegenüberstehen,
wird die Druckausgleichsverbindung 4 dadurch abgesperrt,
dass der axial verlagerbare Teilbereich 1.1 mit dem radialen
Abschnitt, in welchem die Axialbohrungen 6 ausgeführt sind,
am axial feststehenden Teilbereich 1.3 anstößt. Wie
man in den 1 und 2 erkennen
kann, ist hierzu der axial feststehende Teilbereich 1.3,
welcher in dem Bereich, in dem er den axial verlagerbaren Teilbereich 1.1 trägt, mit
einem im wesentlichen oder vollständig zylindrischen Außenumfang
ausgebildet ist, axial angrenzend zu diesem Teilbereich mit einem
radialen Vorsprung ausgeführt,
welcher in eine radial innere Aussparung 13 im axial verlagerbaren
Teilbereich 1.1 dann angreift, wenn der axial verlagerbare
Teilbereich 1.1 in seine erste nahe Position angefahren wurde.
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Der
radiale Vorsprung des feststehenden Teilbereichs 1.3 kann
integral mit dem zylindrischen Bereich des axial feststehenden Teils 1.3 ausgeführt sein,
oder auf diesem zylindrischen Teil montiert sein. Insbesondere ist
der radiale Vorsprung, wie in den 1 und 2 angedeutet,
in Form einer Scheibe ausgeführt,
die auf dem zylindrischen Bereich in einem gestuften Umfangsbereich
aufgesetzt ist. Der radiale Vorsprung kann insbesondere aus einem Werkstoff
ausgeführt
sein, welcher günstig
für die von
ihm herzustellende Abdichtung ist.
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In
den 3 und 4 ist eine zweite Ausführung eines
Retarders gezeigt. Dieser Retarder entspricht weitgehend der Ausführung, welche
in den 1 und 2 gezeigt ist, mit der Ausnahme,
dass die Druckausgleichsverbindung 4 entlang des radial äußeren Umfangs 1.2 des
axial verlagerbaren Teilbereichs 1.1 ausgebildet ist. Hierzu
ist das Gehäuse 7 in
seinem inneren Umfang mit einer Stufe versehen, so dass sich der
innere Umfang des Gehäuses 7 beginnend
radial außerhalb
des Sekundärrades 2 in Richtung
des Primärrades 1 stufenförmig aufweitet. Somit
wird zwischen dem äußeren Umfang
des Teilbereichs 1.1 und dem inneren Umfang des Gehäuses 7 ein
vergleichsweise großer
Radialspalt ausgebildet, wenn sich der Teilbereich 1.1 in
seiner gegenüber
dem Sekundärrad 2 entfernt
gelegenen Position befindet, siehe die 3, wohingegen
dieser Ringspalt deutlich eingeschnürt wird, wenn sich der Teilbereich 1.1 in
seiner nahen Position befindet, siehe die 4.
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Beim
Anfahren des Teilbereichs 1.1 gegenüber dem Sekundärrad 2 kann
somit das Medium, welches sich in dem Arbeitsraum 3 befindet,
durch den noch vergleichsweise großen Ringspalt, welcher die Druckausgleichsverbindung 4 darstellt,
in den Ausgleichsraum 5 strömen, während diese Strömung dann
vollständig
oderweitgehend unterbunden wird, wenn der Teilbereich 1.1 in
den Axialbereich radial innerhalb des Bereiches des Gehäuses 7 eingefahren ist,
welcher mit einem kleineren inneren Umfang ausgeführt ist,
nämlich
in seine gegenüber
dem Sekundärrad 2 nahe
Position, wie in der 4 dargestellt ist.
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In
der gezeigten Ausführung
ist im Bereich der Stufe des inneren Umfangs des Gehäuses 7 zusätzlich ein
Dichtelement 8 eingesetzt, welches die Druckausgleichsverbindung 4 durch
Anstoßen
am äußeren Umfang 1.2 des
Teilbereichs 1.1 abdichtet. Selbstverständlich ist es auch möglich, die
gezeigte Stufe im Bereich des inneren Umfangs des Gehäuses 7 einzusparen,
somit den inneren Umfang des Gehäuses 7 zylindrisch
auszuführen,
und zur gewünschten
Abdichtung beziehungsweise Einschnürung der Druckausgleichsverbindung 4 ausschließlich ein
oder mehrere Dichtelemente vorzusehen. In der 3a sind
weitere Ausführungsbeispiele
für die Anordnung
möglicher
Dichtelemente gezeigt. Von oben nach unten gesehen umfasst die erste
Ausführung
eine Vielzahl von hintereinander angeordneten gleich langen Dichtspitzen
auf dem äußeren Umfang 1.2 des
Primärrades,
die am inneren Umfang des Gehäuses 7,
der in diesem Bereich zylindrisch ausgeführt ist, angreifen; die zweite
Ausführung
eine Vielzahl von gleich langen Dichtspitzen auf dem inneren Umfang
des Gehäuses 7,
die in axialer hintereinander angeordnet sind und an einem zylindrischen
Bereich des äußeren Umfangs 1.2 des
Primärrades 1 angreifen;
die dritte Ausführung
eine Spitze-Spitze-Dichtung; die vierte Ausführung Spitzen auf dem äußeren Umfang 1.2 des
Primärrades 1 oder
dem inneren Umfang des Gehäuses 7,
welche an einer gegenüberliegenden
zylindrischen Oberfläche
mit eingebrachten Nuten eingreifen. Weitere Dichtungsausführungen
sind denkbar.
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Die
in den 1 und 2 gezeigte Druckausgleichsverbindung
und die in den 3 und 4 gezeigte
Druckausgleichsverbindung können in
einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung auch gleichzeitig vorgesehen sein.