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Die
Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine, insbesondere einen
hydrodynamischen Retarder.
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Hydrodynamische
Maschinen wie hydrodynamische Kupplungen, hydrodynamische Retarder oder
hydrodynamische Wandler sind in verschiedensten Ausführungen
aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise
DE 102 51 969 A1 eine
hydrodynamische Kupplung mit einem radial von außen nach innen durchströmten Arbeitsraum.
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DE 2 104 026 A beschreibt
eine weitere Bauart einer hydrodynamischen Kupplung.
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Die
Druckschriften
DE 23
04 343 B2 und
DE 1
956 103 A beschreiben hydrodynamische Maschinen in Form
von hydrodynamischen Retardern mit jeweils auf der Rückseite
eines Schaufelrades angeordneten Beschaufelungen.
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Insbesondere
bei hydrodynamischen Retardern ist man bestrebt, die Verlustleistung
im Nichtbremsbetrieb, das heißt
im Leerlaufbetrieb, so weit wie möglich zu mindern. Eine Verlustleistung
entsteht dadurch, dass, obwohl der Arbeitstraum weitgehend entleert
ist, sich ein Strömungskreislauf
im Arbeitsraum einstellt, welcher Leistung beziehungsweise Drehmoment
vom Primärrad
(dem Rotor) auf das Sekundärrad
(dem Stator) überträgt und somit
das Primärrad
abbremst. Man hat festgestellt, dass eine solche Verlustleistung
sogar dann auftritt, wenn der Arbeitsraum von dem Arbeitsmedium
vollständig
entleert ist und somit nur eine Luftströmung im Arbeitsraum zirkuliert.
Besonders wesentlich ist, dass die Verlustleistung sogar bei einem
vollständig
von Arbeitsmedium entleerten Arbeitsraum im Vergleich mit einem
mit einer Restarbeitsmediummenge befüllten Arbeitsraum vergrößert ist,
so dass man gezielt vermeiden möchte,
dass sämtliches
Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum entleert wird, und vielmehr eine vorbestimmte
Restmenge von Arbeitsmedium im Nichtbremsbetrieb im Arbeitsraum
verbleibt.
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In
der Regel wird die Menge von Arbeitsmedium, welches im Nichtbremsbetrieb
im Arbeitsraum verbleibt, durch eine Einlassregelung und/oder eine Auslassregelung
eingestellt. Bei der Auslassregelung wird beispielsweise ein vorbestimmter
Druck am Strömungsmediumauslass
beziehungsweise hinter dem Strömungsmediumauslass
des Retarders und somit in Strömungsrichtung
des Arbeitsmediums hinter dem Arbeitsraum eingestellt, wobei dieser
Druck den Druck im Arbeitsraum und hierüber die Menge von Arbeitsmedium
im Arbeitsraum bestimmt.
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Bei
der Einlassregelung wird die Restmenge von Arbeitsmedium im Arbeitsraum
dadurch eingestellt, dass, gegebenenfalls in Kombination mit einer Auslassregelung,
ein vorbestimmter Arbeitsmediumstrom mittels eines Ventils am Einlass
des Retarders oder vor dem Einlass des Retarders im Nichtbremsbetrieb
durch den Arbeitsraum geleitet wird.
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Eine
weitere Maßnahme
zur Reduzierung der Verlustleistung im Nichtbremsbetrieb bei Retardern
besteht darin, dass Rotor und Stator axial auseinander gefahren
werden, entweder durch axiales Entfernen des Rotors vom Stator,
wie beispielsweise in den Druckschriften
DE 102 19 753 A1 oder
DE 198 07 280 A1 beschrieben
und/oder durch axiales Entfernen des Stators vom Rotor. Auch wenn
diese Maßnahme
zur Verlustleistungsreduzierung vorgesehen wird, ist man bestrebt,
eine vorbestimmte minimale Arbeitsmediummenge im Nichtbremsbetrieb
im Arbeitsraum einzustellen, eher als dass man den Arbeitsraum vollständig von
Arbeitsmedium entleert.
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Insbesondere
durch die oben beschriebenen Maßnahmen
können
heutzutage die Verlustleistungen von hydrodynamischen Maschinen,
insbesondere von Retardern, im Nichtbremsbetrieb auf ein akzeptables
niedriges Ausmaß beschränkt werden. Verständlicherweise
ist man jedoch fortwährend
bestrebt, die Verlustleistungen im Leerlauf von hydrodynamischen
Maschinen, insbesondere im Nichtbremsbetrieb von hydrodynamischen
Retardern, weiter zu reduzieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, im allgemeinen eine
hydrodynamische Maschine und speziell einen hydrodynamischen Retarder
anzugeben, bei welcher/welchem die Verlustleistung im Leerlauf gegenüber bekannten
Ausführungen
weiter reduziert werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch eine hydrodynamische Maschine 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 Maschine
ist insbesondere als Retarder ausgebildet und kann einzelne oder
sämtliche
der oben beschriebenen Maßnahmen,
wie beispielsweise das axiale Auseinanderfahren von Primärrad und
Sekundärrad beziehungsweise
von Rotor und Stator im Leerlauf beziehungsweise im Nichtbremsbetrieb
umfassen. Auch die oben beschriebenen Regelungen zum Einstellen
einer vorbestimmten Arbeitsmediummenge im Leerlauf sind möglich. Prinzipiell
kommen auch andere Regelungen in Betracht, oder weitere Maßnahmen
zur Verlustleistungsreduzierung können neben der erfindungsgemäßen Maßnahme zum
Einsatz kommen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Aufbringen eines
gezielten Arbeitsmediumstroms im Leerlaufbetrieb (bei Retardern
im Nichtbremsbetrieb) der Aufbau einer Meridianströmung zwischen
dem Primärrad
und dem Sekundärrad
derart gestört
werden kann, dass die ohne diese „Störströmung" vorhandene Verlustleistung vermindert wird.
Insbesondere ermöglicht
die vorliegende Erfindung, dass beispielsweise bei hohen Drehzahlen verhindert
wird, dass unzulässig
viel Arbeitsmedium aus dem Kreislauf gefördert wird, was einen erheblichen
Anstieg der Verlustleistung sowie der Betriebstemperatur zur Folge
hat.
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Vorteilhaft
werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
gleichzeitig zwei Wirkungen nebeneinander erzielt: Zum einen wird
der Aufbau einer Meridianströmung
zwischen Primärrad
und Sekundärrad
verhindert oder gestört
und damit die Übertragung
von Drehmoment vom Primärrad
auf das Sekundärrad.
Zum anderen wird das Arbeitsmedium daran gehindert, in die Auslassbohrungen,
die in der Regel im Sekundärrad
ausgeführt
sind, einzutreten, oder ein solcher Eintritt wird zumindest gestört. Eine unerwünscht starke
Kreislaufentleerung wird damit verhindert.
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Die
erfindungsgemäße hydrodynamische Maschine
weist im einzelnen ein beschaufeltes Primärrad und ein beschaufeltes
Sekundärrad
auf, welche miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden,
der mit Arbeitsmedium, beispielsweise Öl, Wasser oder einem Gemisch
mit einem oder beiden von diesen Stoffen, befüllbar ist. Im Betriebszustand der
hydrodynamischen Maschine wird der Arbeitsraum mit dem Arbeitsmedium
befüllt,
wohingegen der Arbeitsraum im Leerlauf bis auf eine vorgegebene
Restarbeitsmediummenge entleert wird.
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Insbesondere
bei der Ausführung
der hydrodynamischen Maschine als Retarder ermöglicht die vorteilhaft vorgesehene
Restarbeitsmediummenge einerseits die Abfuhr von im Arbeitsraum
erzeugter Wärme
und andererseits die Minimierung der Verlustleistung im Nichtbremsbetrieb.
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Wenigstens
eines der beiden beschaufelten Räder – Primärrad oder
Sekundärrad – wird in
Umfangsrichtung von einem Gehäuse
umschlossen. Bei der Ausführung
als hydrodynamischer Retarder wird insbesondere der Rotor von dem
Gehäuse
umschlossen, welches beispielsweise am Stator angeschlossen sein
kann, derart, dass der Stator und das Gehäuse den Rotor zwischen sich
einschließen.
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Das
von dem Gehäuse
in Umfangsrichtung umschlossene beschaufelte Rad, insbesondere der Rotor
des Retarders, weist erfindungsgemäß auf seiner dem Arbeitsraum
abgewandten Seite eine Rückbeschaufelung
zum Beschleunigen von Arbeitsmedium auf der dem Arbeitsraum abgewandten
Seite radial nach außen
auf. Ferner ist in dem Gehäuse,
insbesondere am inneren Umfang desselben, ein Kanal eingebracht,
welcher das durch die Rückbeschaufelung
radial nach außen
beschleunigte Arbeitsmedium insgesamt oder zumindest einen Teil
desselben aufnimmt und radial von außen in den Arbeitsraum leitet. Hierzu
steht der in dem Gehäuse
eingebrachte Kanal mit dem Arbeitsraum in einer strömungsleitenden Verbindung,
insbesondere mündet
der Kanal radial außen
in dem Zwischenraum zwischen dem Primärrad und dem Sekundärrad, insbesondere
dem Stator und dem Rotor des Retarders.
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Somit
wird durch das Zusammenwirken der Rückbeschaufelung und des Kanals,
wobei ein einziger Kanal oder eine Vielzahl von Kanälen in dem
Gehäuse
vorgesehen sein kann, eine Arbeitsmediumströmung radial von außen in den
Arbeitsraum hinein erzeugt, welche die Meridianströmung im
Arbeitsraum stört.
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Unter
Rückbeschaufelung
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede geometrische Form auf der
Rückseite
des entsprechenden Schaufelrades insbesondere des Rotors des Retarders
zu verstehen, wie beispielsweise Nuten, Vorsprünge oder Stege beziehungsweise
Kombinationen hieraus, welche geeignet ist, Arbeitsmedium radial
nach außen
zu beschleunigen.
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Beispielsweise
können
in Radialrichtung des Schaufelrades verlaufende Nuten, insbesondere ausschließlich im
Bereich des äußeren Umfangs desselben,
vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft sind die Nuten jedoch in
Umfangsrichtung des Schaufelrades gegenüber der Radialrichtung geneigt,
beispielsweise mit einem Winkel zwischen 5 und 85 °, insbesondere
mit einem Winkel im Bereich von 15 bis 75 ° oder 30 bis 50 °, beispielsweise
mit einem Winkel mit 45 °.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren
näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführung
eines erfindungsgemäß ausgebildeten
hydrodynamischen Retarders mit einem axial verschiebbaren Rotor;
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Retarders, dessen Rotor und Stator axial nicht gegeneinander
verschiebbar sind.
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In
der 1 erkennt man eine erste Ausführungsform der Erfindung bei
einer als hydrodynamischer Retarder ausgebildeten hydrodynamischen Maschine.
Links in der 1 ist der Leerlaufbetrieb (Nichtbremsbetrieb)
dargestellt, und rechts in der 1 der Lastbetrieb
(Bremsbetrieb).
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Der
Retarder umfasst ein beschaufeltes Primärrad 1 (Rotor) und
ein beschaufeltes Sekundärrad 2 (Stator),
welche miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 3 ausbilden.
Dadurch, dass der Rotor 1 über eine nicht dargestellte
Antriebswelle in Umlauf versetzt wird, beschleunigt er das Arbeitsmedium
im Arbeitsraum 3 radial nach außen, welches über den Axialspalt 7 in
den feststehenden Stator eintritt und dort radial nach innen wieder
verzögert
wird. Die so ausgebildete Kreisströmung 9 im Arbeitsraum 3 kann zumindest
im Bremsbetrieb (rechts in der 1) ein solches
Drehmoment beziehungsweise eine solche Drehleistung vom Rotor auf
den Stator übertragen, dass
der Rotor abgebremst wird.
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Im
Nichtbremsbetrieb wird bei der in der 1 gezeigten
Ausführung
der Rotor axial vom Stator abgefahren, wie dies in der linken Darstellung
in der 1 gezeigt ist. Hierdurch wird der Axialspalt 7 zwischen
dem Rotor und dem Stator vergrößert. Diese
Vergrößerung des
Axialspaltes soll verhindern, dass sich eine drehmomentübertragende
Kreislaufströmung 9 zwischen
Rotor und Stator ausbildet. Allein durch das Abfahren des Stators
kann eine solche Kreislaufströmung
jedoch nicht bei allen Drehzahlen des Rotors stets zuverlässig vermieden
werden.
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Daher
ist in dem Gehäuse 4,
welches den Rotor in Umfangsrichtung und zusammen mit dem Stator
beidseitig umschließt,
ein Kanal 6 ausgebildet, der in einer arbeitsmediumleitenden
Verbindung mit dem Arbeitsraum 3 steht. Wie man sieht,
ist bei der gezeigten Ausführung
der Kanal 6 am inneren Umfang des Gehäuses 4 in jenem Bereich
ausgebildet, der vollständig
radial außerhalb
des beschaufelten Rotors liegt, und zwar insbesondere – in Axialrichtung
gesehen – nur
in einem solchen Bereich, der im abgefahrenen Zustand des Rotors
vom Stator durch den äußeren Umfang
des Rotors abgedeckt wird, zusätzlich
mit einem kleinen Überstand
des Kanals 6 über
den Rotor hinaus in Richtung des Stators, um die Mündung in
den Axialspalt 7 zu erreichen.
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Ferner
ist im Bereich des Kanals 6 auf der Rückseite des Rotors, das heißt auf der
dem Arbeitsraum 3 abgewandten Seite der Rotorschale, eine Rückbeschaufelung 5 ausgebildet,
die insbesondere im abgefahrenen Zustand des Rotors in den Kanal 6 hineinragt.
Dieses Hineinragen ist natürlich
nur dann möglich,
wenn der Kanal 6 als Aussparung über dem gesamten inneren Umfang
des Gehäuses 4 ausgebildet
ist, um einen Kontakt zwischen der Rückbeschaufelung 5 und
dem Gehäuse 4 zu
vermeiden.
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Die
Rückbeschaufelung 5 wirkt
im Nichtbremsbetrieb, das heißt
im abgefahrenen Zustand des Rotors vom Stator, derart mit dem Kanal
im Gehäuse 4 zusammen,
dass Arbeitsmedium von der Rückseite
des Stators durch die Rückbeschaufelung erfasst
und durch den Kanal 6 hindurch radial von außen nach
innen in den Arbeitsraum 3 gefördert wird. Hierdurch wird,
wie durch den gestrichelten Pfeil angedeutet ist, die Kreislaufströmung 9 (Meridianströmung) im
Arbeitsraum 3 gestört,
das heißt
radial nach innen abgelenkt, was zu einer Verminderung der Verlustleistung
führt.
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Die
Störung
der Kreislaufströmung 9 (Meridianströmung) durch
den radial von außen
eingebrachten Arbeitsmediumstrom aus dem Kanal 6 führt zudem
dazu, dass Arbeitsmedium nicht durch die Kreislaufströmung 9 unmittelbar
in die Auslassbohrungen 10 hineingeleitet wird. Diese Gefahr
besteht insbesondere dann, wenn, wie in den Figuren dargestellt, die
Auslassbohrungen im Sekundärrad 2 (dem
Stator) derart eingebracht sind, dass sie tangential im Bereich
des größten Durchmessers
des Arbeitsraumes 3 in diesem münden. Bei solchen demnach waagerecht
nahezu oder genau auf dem größten Durchmesser
des Arbeitsraumes 3 angeordneten Auslassbohrungen 10 bewirkt
die Meridianströmung
ohne das Vorsehen der erfindungsgemäßen Störströmung ein direktes Einleiten
von Arbeitsmedium aus der Kreislaufströmung 9 in die Auslassbohrungen 10.
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Erfindungsgemäß kann jedoch
gemäß der vorzuziehenden
Ausführungsform
erreicht werden, dass die Kreislaufströmung 9 im Arbeitsraum 3 derart verhindert,
abgelenkt oder gestört
wird, dass ein übermäßiger Eintritt
von Arbeitsmedium in die Auslassbohrungen 10 zuverlässig verhindert
wird.
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Im
Lastbetrieb (Bremsbetrieb) hingegen ist der Rotor, ausgehend von
seiner axialen Position im Nichtbremsbetrieb gesehen, über den
Kanal 6 hinweg gefahren worden, so dass der Kanal 6 außer Funktion
gesetzt wird. Die Rückbeschaufelung 5 kann
nicht mehr mit dem Kanal 6 derart zusammenarbeiten, dass
Arbeitsmedium radial von außen
in den Arbeitsraum 3 gefördert wird. Der Strömungskreislauf 9 im
Arbeitsraum 3 ist ungestört, so dass ein gewünschtes
hohes Bremsmoment übertragen
werden kann.
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In
der 2 sind dieselben Bauteile mit denselben Bezugszeichen
wie in der 1 bezeichnet. Im Unterschied
zu der 1 ist das in der 2 gezeigte
Primärrad 1 (Rotor)
nicht gegenüber
dem Sekundärrad 2 (Stator)
axial verschiebbar, sondern beide Schaufelräder 1, 2 sind
axial feststehend angeordnet. Die Rückbeschaufelung 5 und
der Kanal 6 arbeiten daher sowohl im Nichtbremsbetrieb
als auch im Bremsbetrieb derart zusammen, dass Arbeitsmedium tendenziell über den
Kanal 6 im Gehäuse 4 radial von
außen
nach innen in den Arbeitsraum 3 eingeleitet wird. Aufgrund
der sehr dominant ausgeprägten Kreislaufströmung 9 (Meridianströmung) im
Lastbetrieb (rechts in der 2) im Arbeitsraum 3 des
Retarders kann jedoch von einer zu vernachlässigenden Veränderung
der Strömungsparameter
durch die Strömung
aus dem Kanal 6 ausgegangen werden.
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Im
Leerlauf (Nichtbremsbetrieb) hingegen überwiegt der Anteil der Strömung aus
dem Kanal 6, oder dieser Anteil ist zumindest so relevant,
dass die Verlustleistung im Nichtbremsbetrieb vermindert wird.
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Abweichend
von den gezeigten Ausführungsbeispielen
kann die Erfindung auch bei anderen hydrodynamischen Maschinen angewendet
werden, wie beispielsweise hydrodynamischen Kupplungen und hydrodynamischen
Wandlern.
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Auch
ist es möglich,
eine andere Anzahl oder eine andere Form des Kanals 6 im
Gehäuse 4 vorzusehen.
Beispielsweise kann ein einziger diskreter Kanal oder eine Vielzahl
von diskreten Kanälen,
das heißt
einzelne Kanäle,
die mit ihrem Querschnitt nicht miteinander in Verbindung stehen, über dem
inneren Umfang des Gehäuses
vorgesehen sein. Der oder die Kanäle können beispielsweise einen halbkreisförmigen Querschnitt
aufweisen und gegenüber
dem Innenraum des Gehäuses
geöffnet
sein. Selbstverständlich
ist es auch möglich, über ihrem
Querschnitt geschlossene Kanäle
im Gehäuse
vorzusehen, welche mit einem axialen Ende im Arbeitsraum und mit ihrem
anderen entgegengesetzten axialen Ende im Bereich der Rückbeschaufelung
münden,
beziehungsweise an einer Stelle im Gehäuse, die der Rückbeschaufelung
derart gegenüberstehend
angeordnet ist, dass Arbeitsmedium durch die Rückbeschaufelung in diese Mündung gefördert wird.