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Die
Erfindung betrifft eine befüllbare
hydrodynamische Kupplung, deren Befüllungsgrad mit einem Arbeitsmedium
geregelt oder gesteuert wird.
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Die
hydrodynamische Kupplung umfasst wenigstens ein Primärrad und
wenigstens ein Sekundärrad,
die so angeordnet sind, dass ein torusförmiger Arbeitsraum ausgebildet
wird, in dem ein Arbeitsmedium, etwa Wasser oder Öl, während des
Betriebs in Form einer Meridianströmung zirkuliert. Das Primärrad ist
jener Teil der hydrodynamischen Kupplung, welcher durch eine wenigstens
mittelbare Verbindung zu einer Antriebswelle angetrieben wird und welcher
die Meridianströmung
antreibt, die dann wiederum im Sekundärrad verlangsamt wird, wodurch ein
Momentenübertrag
resultiert.
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Eine
hydrodynamische Kupplung ist frei von einem Leitrad und dient ausschließlich der
Momentübertragung.
Konstruktionsbedingt ist hierfür
ein bestimmter Schlupf, d.h. ein Drehzahlunterschied zwischen dem
Primärrad
und dem Sekundärrad
notwendig. Zusätzlich
kann das durch die hydrodynamische Kupplung übertragene Moment durch die
Einstellung eines bestimmten Befüllungsgrads
des Arbeitsraums mit Arbeitsmedium festgelegt werden. Hierzu werden Kennfelder
herangezogen, welche den Zusammenhang zwischen dem sich einstellenden
Schlupf und dem übertragenden
Moment durch die Angabe von Kurvenverläufen für die Leistungszahl λ darstellen.
In die Leistungszahl λ gehen
zusätzlich
konstruktionsbedingte Größen der
hydrodynamischen Kupplung, etwa deren Durchmesser, Drehzahl und
die Dichte des verwendeten Arbeitsmediums ein.
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Die
wesentliche Eingriffsmöglichkeit
zur Steuerung und Regelung besteht in der Abhängigkeit der Leistungszahl λ vom Füllungsgrad
im Arbeitsraum, so dass die Menge des umgewälzten Arbeitsmediums in der
Meridianströmung
möglichst
genau kontrolliert werden muss. Dies gelingt jedoch insbesondere
im Bereich des Anfahrpunkts, bei dem ein hoher Drehzahlunterschied
zwischen dem Primärrad und
dem Sekundärrad
vorliegt sowie zusätzlich
das Sekundärrad
eine geringe Umlaufgeschwindigkeit annimmt, nur unzureichend, da
ein Teil des Arbeitsmediums im Bereich des Innendurchmessers des
torusförmigen
Arbeitsraums in den wellennahen Bereichen, insbesondere dem inneren
Kreislaufspalt, ausgeworfen wird. Diese teilweise Entleerung führt zu einer
Verringerung des übertragbaren
Moments oder anders ausgedrückt,
die Leistungszahl λ fällt ab.
Gewünscht
wird stattdessen eine mit zunehmendem Schlupf konstante oder ansteigende
Leistungszahl λ.
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Um
diesem Vorgang entgegenzuwirken, kann der Zwischenraum zwischen
dem Primärrad und
dem Sekundärrad
im Grunde des Arbeitsraums, d.h. im Bereich dessen Innendurchmessers,
abgedichtet werden. Aufgrund der sich schnell gegeneinander bewegenden
Teile gelingt eine berührungslose Abdichtung
jedoch nur unzureichend. Darüber
hinaus entsteht durch diese Maßnahme
ein verringerter Austausch des Arbeitsmediums und als Folge insbesondere
bei großem
Schlupf und einer damit verbundenen hohen Verlustleistung eine schnelle
Erhitzung des Arbeitsmediums, welche unerwünscht ist.
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Zum
Austausch des Arbeitsmediums für Kühlzwecke
werden üblicherweise
Auslassbohrungen in der Schale vorgesehen, die Teil des Sekundärrads ist.
Durch den Zustrom von kühlem
Arbeitsmedium in den Arbeitsraum aus einer Fangrinne und dem Abstrom
erhitzten Arbeitsmediums über
die Auslassbohrungen soll ein ständiges
Durchströmen
und damit eine Kühlung
sichergestellt sein. Dies gelingt jedoch bei sehr hohem Schlupf
und insbesondere beim Anfahren, bei welchem die Schale im Wesentlichen noch
still steht, nur unzureichend, d.h. bei einem Schlupf von nahezu
100 % wird auch die Durchströmung
des Arbeitsraums für
hydrodynamische Kupplungen nach dem Stand der Technik zu gering
sein, um die auftretende Verlustleistung sicher abführen zu können.
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Die
folgenden Druckschriften zeigen verschiedene Ausführungsformen
von hydrodynamischen Kupplungen, die mit Fangrinnen, Auslässen sowie
teilweise mit zwischen Primär-
und Sekundärrad
angeordneten Dichtungen ausgestattet sind:
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Die
hieraus bekannten Vorrichtungen haben zahlreiche Mängel. Dabei
ist insbesondere eine präzise
Kontrolle des Füllungsstandes
mit Arbeitsmedium im Arbeitsraum zu jedem Zeitpunkt, besonders beim
Anfahren, nicht sichergestellt. Auch besteht die Gefahr einer Überhitzung
des Arbeitsmediums bei mangelndem Füllungsgrad.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung
so weiterzugestalten, dass die voranstehend genannten Nachteile überwunden werden
und insbesondere eine präzise Kontrolle
des Füllungsstands
mit Arbeitsmedium im Arbeitsraum zu jedem Zeitpunkt und insbesondere beim
Anfahren sichergestellt ist und gleichzeitig eine gegen eine Überhitzung
des Arbeitsmediums wirkende ständige
Durchströmung,
d.h. ein den Füllungsgrad
konstant lassender Austausch des Arbeitsmediums, des Arbeitsraums,
auch beim Anfahren, d.h. einer im Wesentlichen stehenden Schale,
beibehalten wird.
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Zur
Lösung
der Aufgabe haben die Erfinder erkannt, dass der Arbeitsraum der
hydrodynamischen Kupplung im Bereich des Innendurchmessers abgedichtet
und das durch diese Dichtung hindurchtretende Arbeitsmedium zum
Arbeitsraum zurückgeführt werden
muss. Dies gelingt durch die Verwendung einer Dichtung zwischen
dem Primärrad
und dem Sekundärrad
im Bereich des Innendurchmessers. Jener Teil des Arbeitsmediums,
der durch diese Dichtung hindurchtritt und sich in dem zu den koaxial angeordneten
Wellen des Primärrades
und des Sekundärrades
erstreckenden inneren Kreislaufspalt ansammelt, wird zusätzlich in
der erfindungsgemäß ausgebildeten
hydrodynamischen Kupplung in den Betriebsmittelkreislauf eingespeist.
Hierfür
ist eine Verbindungsbohrung zwischen dem inneren Kreislaufspalt
und einer inneren Fangrinne vorgesehen, wobei die innere Fangrinne
im Zwischenbereich einer das Primärrad umhüllenden Schale und dem Primärrad selbst
ausgebildet ist und mit dem Arbeitsraum in hydraulischer Verbindung
steht. Demnach ist ein innerer Kreislauf für das durch die Dichtung zwischen
dem Primärrad
und dem Sekundärrad
am Innenradius hindurch sickernden Arbeitsmedium vorhanden, wodurch
eine unmittelbare Rückführung des Arbeitsmediums
ermöglicht
wird, um das insbesondere beim Anfahren vorliegende Volumen an Arbeitsmedium
im Arbeitsraum im Wesentlichen konstant zu halten.
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Zusätzlich zur
genannten Fangrinne zwischen dem Primärrad und der das Primärrad umgebenden
Schale ist eine weitere äußere Fangrinne vorgesehen,
welche im Außenbereich
der Schale ausgebildet ist. Daher wird im Folgenden zwischen einer
inneren Fangrinne zwischen der Schale und dem Primärrad und
einer äußeren Fangrinne
außerhalb
der Schale unterschieden. Erfindungsgemäß steht die innere Fangrinne über eine
oder mehrere Verbindungsbohrungen mit dem inneren Kreislaufspalt
in hydraulischer Verbindung, um das sich in diesem Bereich ansammelnde
Arbeitsmedium zunächst in
die innere Fangrinne und von dort zurück zum Arbeitsraum zu bringen.
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Zusätzlich zum
genannten inneren Kreislauf besteht ein äußerer Kreislauf für das Arbeitsmedium, welcher
der Durchströmung
des Arbeitsraums und damit dem Austausch des Arbeitsmediums zu Kühlzwecken
dient. Zusätzlich
kann über
eine Steuerung und Regelung dieses Austausches der Füllungsgrad
der hydrodynamischen Kupplung angepasst werden. Der äußere Kreislauf
ermöglicht
das Ausströmen
des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum durch eine Auslassbohrung,
welche typischerweise im Bereich des Außenradiuses des Sekundärrads angeordnet
ist. Von dort wird das Arbeitsmedium in den Sumpf und von dort mittels
einer Pumpe über
einen Kühler
in die äußere Fangrinne
zurückgeführt und
kehrt über
eine oder mehrere erste Einlassbohrungen in die innere Fangrinne
und sodann über eine
oder mehrere zweite Einlassbohrungen in den Arbeitsraum zurück. Dem äußeren Kreislauf
ist bevorzugt eine Steuerungs- und/oder
Regelungseinrichtung für
die Zirkulation des Arbeitsmediums zugeordnet. In einer vorteilhaften
Ausgestaltung umfasst diese ein Steuerventil, um den Zustrom in
die äußere Fangrinne
einzustellen.
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Durch
die erfindungsgemäße Maßnahme,
einen inneren Kreislauf mit einer inneren Fangrinne mit einer hiervon
ausgehenden Verbindungsbohrung zum inneren Kreislaufspalt zu verwenden,
ist es möglich,
den Verlust von Arbeitsmedium in den wellennahen Bereich der hydraulischen
Kupplung zu verhindern.
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Gleichwohl
besteht auch bei dieser Konstruktion die Notwendigkeit, die Durchströmung des Arbeitsraums über den äußeren Kreislauf,
d.h. einen Austausch des Arbeitsmediums bei einem gleichzeitig vorbestimmten
Füllungsgrad,
sicherzustellen, um ein Überhitzen
des Arbeitsmediums im Arbeitsraum zu vermeiden. Dies wird dadurch
bewirkt, dass in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Auslassbohrungen
so gestaltet sind, dass bei zunehmender Umlaufgeschwindigkeit der
Toroidalströmung,
d.h. bei einem zunehmenden Drehzahlunterschied zwischen dem Primärrad und
dem Sekundärrad,
der Auswurf an Arbeitsmedium verstärkt wird. Dies gelingt durch
eine vorteilhaft gewählte
Orientierung der Auslassbohrung sowie deren Positionierung und Dimensionierung.
Bevorzugt wird eine Auslassbohrung, welche sich im Bereich des Außenradius
des Sekundärrads befindet
und eine Orientierung aufweist, die der Tangente an die Innenwandung
des Arbeitsraums angenähert
ist. Durch diese Maßnahme
wird bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten des Arbeitsmediums die dem
Arbeitsraum entnommene Menge an Arbeitsmedium erhöht, um damit
gleichzeitig die Kühlleistung der
bei hohem Schlupf ebenfalls erhöhten
Verlustleistung anzupassen.
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Um
die dem Arbeitsraum entnommene Menge an Arbeitsmedium zu ersetzen
und damit den gewählten
Füllungsgrad
beizubehalten, wird über
die äußere Fangrinne
mittels einer ersten Einlassbohrung eine entsprechende Quantität an Arbeitsmedium
der inneren Fangrinne zugeführt,
die dann über eine
zweite Einlassöffnung
wiederum in den Arbeitsraum gelangt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer Figur genauer beschrieben. Im Einzelnen
ist in
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1 eine
erfindungsgemäße hydrodynamische
Kupplung mit einem inneren Kreislauf und einem äußeren Kreislauf gezeigt.
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Die
in 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße hydrodynamische
Kupplung weist ein Primärrad
und ein Sekundärrad
auf. Unter einem Primärrad
wird jener Teil der hydrodynamischen Kupplung verstanden, welcher
wenigstens mittelbar über eine
Antriebswelle angetrieben wird, um ein Moment auf die Sekundärwelle zu übertragen.
Diese Verbindung zum Antrieb und der Antrieb selbst ist in 1 im
Einzelnen nicht dargestellt, stattdessen ist in der Schemazeichnung
lediglich die Wellenachse 30 strichpunktiert gezeigt.
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Vorteilhafterweise
sind hierbei die Wellen für das
Primärrad
und jene des Sekundärrads
koaxial zueinander angeordnet.
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Durch
das Primärrad 1 und
das Sekundärrad 2 wird
ein torusförmiger
Arbeitsraum gebildet, in welchem sich die primärseitige und sekundärseitige
Beschaufelung befindet. Durch den Antrieb des Primärrads wird
das sich im Arbeitsraum befindliche Arbeitsmedium in Zirkulation
versetzt, wobei durch die sich ausbildende Toroidströmung ein
Momentenübertrag
auf das Sekundärrad
erfolgt.
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Wie
in 1 skizziert, wird das Primärrad 1 von einer Schale 3 umschlossen,
wobei die Schale 3 drehfest mit dem Sekundärrad 2 verbunden
ist. In der gezeigten Darstellung ist demnach das Primärrad 1 als
Innenrad und das Sekundärrad 2 als
Außenrad ausgebildet.
Außerhalb
der Schale 3 befindet sich eine äußere Fangrinne 5,
welche in der in 1 gezeigten schematischen Darstellung
nicht weiter eingegrenzt ist. In dieser äußeren Fangrinne 5 sammelt sich
das Arbeitsmedium, das zuvor über
die Auslassbohrung 6 dem Arbeitsraum 10 entnommen
wurde. Von dort wird es mittels wenigstens einer ersten Einlassbohrung
in eine innere Fangrinne 4 geführt. Diese ist zwischen der
Schale 3 und dem Primärrad 1 ausgebildet
und befindet sich bevorzugterweise im Bereich des Innenradius, d.h.
ihre Erstreckung in radialer Richtung ist begrenzt. Hierunter wird
verstanden, dass nur ein Teilbereich des Zwischenraums zwischen
dem Primärrad 1 und
der Schale 3, welcher im Bereich des Grundes des Arbeitsraums 10 ausgebildet
ist, als innere Fangrinne 4 verwendet wird. Bevorzugt wird
eine Ausbildung der inneren Fangrinne 4 derart, dass deren
radiale Erstreckung, d.h. deren Außenradius einen solchen maximalen Überstand über den
inneren Torusdurchmessers des Arbeitsraums. aufweist, welcher bevorzugt
20 % der Distanz des Außendurchmessers
zum Innendurchmessers des Arbeitsraums 10 ist.
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Von
der inneren Fangrinne 4 führt wenigstens eine zweite
Verbindungsbohrung 12 in das Innere des Arbeitsraums 10.
Vervollständigt
wird ein äußerer Kreislauf
für das
Arbeitsmedium durch wenigstens eine Auslassbohrung 6, die
sich im Bereich des Außenradius
des Sekundärrads
befindet. Wie in 1 dargestellt, wird die Auslassbohrung 6 bevorzugt
eine solche Orientierung aufweisen, dass ein flacher Winkel zur
Innenwandung des Arbeitsraums entsteht. Bevorzugt wird ein Winkel
von weniger als 45°,
wobei durch diese Maßnahme
der Auswurf des Arbeitsmediums dann besonders hoch ist, wenn die Umlaufgeschwindigkeit
des Arbeitsmediums in der Toroidströmung ansteigt. Dieser Fall
tritt bei einem hohem Schlupf auf, bei dem zugleich hohe Verlustleistungen
vorliegen.
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Durch
eine vorteilhaft gewählte
Orientierung der Auslassbohrung 6 wird dann eine besonders
starke Zirkulation des Arbeitsmediums im äußeren Kreislauf bewirkt, wenn
etwa beim Anfahren ein großer Schlupf
vorliegt. Unterstützt
wird der schlupfabhängige
Arbeitsmediumauswurf aus dem Arbeitsraum durch eine entsprechende
Dimensionierung der Auslassbohrung 6 betreffend deren Durchmesser
sowie durch die weitere Gestaltung des Öffnungsbereichs 6.1 der
Auslassbohrung 6 zum Arbeitsraum 10 hin. Die genauen
Details der Orientierung der Auslassbohrung 6, ihre Dimensionierung
sowie deren Öffnungsgestaltung
hängen
wiederum von der Beschaufelung des Primärrads 1 und des Sekundarrads 2 ab
und können
im Rahmen des fachmännischen Könnens so
gewählt
werden, dass mit zunehmender Umlaufgeschwindigkeit der Toroidströmung auch
ein verstärkter
Auswurf des Arbeitsmediums vorliegt. Bei niedrigem Schlupf wirkt
hauptsächlich
die Fliehkraft des drehenden Sekundärrades 2, um das Betriebsmedium
aus der Kupplung zu führen.
Bei hohem Schlupf entsteht durch die hohe Umlaufgeschwindigkeit
der Meridianströmung
ein höherer
dynamischer Druck in der Kupplung. Dieser höhere Druck wird ausgenutzt,
um ein vergrößertes Volumen
an Arbeitsmedium durch die Auslassbohrungen 6 aus der Kupplung
führen
zu können.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Auslassbohrungen 6 so
ausgeführt,
dass sie parallel zur Beschaufelung des Sekundärrads 2 liegen, um
eine optimale Anströmung
der Auslassbohrungen 6 zu erreichen. Des Weiteren sollten
die Auslassbohrungen 6 möglichst nahe an der Druckseite
der Beschaufelung des Sekundärrads 2 angeordnet
sein, so dass sichergestellt ist, dass bei allen Betriebszuständen das
Arbeitsmedium durch die Auslassbohrungen 6 nach Außen abgeführt werden
kann. Um eine Unwucht zu vermeiden, sollten die Auslassbohrungen 6 gleichmäßig am Umfang
des Sekundärrads 2 verteilt
werden. Die Größe und Anzahl
hängen
davon ab, wie hoch die Drehzahl und wie groß die benötigte Umwälzmenge ist. Die Auslassbohrungen 6 können auch
so ausgeführt
werden, dass zunächst mit Übermaß vorgebohrt
wird und dann der Volumenstrom mittels einer aufgebohrten Madenschraube
abgedrosselt wird. Die Madenschraube hat denn die Funktion einer
Blende.
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Dem
Abströmen
des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum 10 wird vorteilhafterweise
eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zugeordnet. Als Stelleinrichtung
kann hierbei eine steuerbare Ventilanordnung in der Auslassbohrung 6 vorgesehen
sein. Dies ist im Einzelnen nicht in 1 dargestellt.
Durch eine solche Vorrichtung kann das dem Arbeitsraum 10 entnommene
Volumen des Arbeitsmediums und damit der Befüllungsgrad der hydrodynamischen
Kupplung angepasst werden.
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Erfindungsgemäß weist
die in 1 skizzierte hydrodynamische Kupplung eine Dichtung 8 zwischen
dem Primärrad 1 und
dem Sekundärrad 2 im Bereich
des Innendurchmessers des Arbeitsraums 10 auf. Diese erschwert
den Eintritt des Arbeitsmediums in den inneren Kreislaufspalt 20,
der sich vom Innendurchmesser des Arbeitsraums 10 zur Welle
hin erstreckt. Wie in 1 dargestellt, wird der innere Kreislaufspalt 20 durch
den Zwischenraum der Flansche für
das Primärrad 1 und
das Sekundärrad 2 gebildet,
die sich vom Arbeitsraum 10 ausgehend radial nach innen
zu der Antriebs- und der Abtriebswelle erstrecken. Arbeitsmedium,
welches trotz der Dichtung 8 in diesen inneren Kreislaufspalt 20 eintritt,
führt im Wesentlichen
zu keinem Momentenübertrag
zwischen dem Primärrad 1 und
dem Sekundärrad 2.
Erfindungsgemäß ist daher
wenigstens eine Verbindungsbohrung 7 im Primärrad vorgesehen,
welche eine Verbindung zwischen dem inneren Kreislaufspalt 20 und
der inneren Fangrinne 4 herstellt, um einen Übertritt
des in den inneren Kreislaufspalt 20 eingetretenen Arbeitsmediums
zur inneren Fangrinne 4 und damit über die zweite Einlassöffnung 12 in
den Arbeitsraum 10 zu ermöglichen und so insbesondere beim
Anfahren einen konstanten Füllungsgrad
sicherzustellen.
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Die
Anzahl und die Ausgestaltung der Verbindungsbohrungen 7 können im
Rahmen des fachmännischen
Könnens
gewählt
werden. Hierbei ist lediglich sicherzustellen, dass diese als Durchbrüche im Primärrad realisiert
werden, welche den Flansch des Primärrads 1 so durchbrechen,
dass eine hydraulische Verbindung zwischen dem inneren Kreislaufspalt 20 und
der inneren Fangrinne 4 besteht, um durch diese Maßnahme einen
inneren Kreislauf auszubilden, welcher vom Arbeitsraum 10 über den
Bereich der Dichtung 8 und den inneren Kreislaufspalt 20 mittels
der Verbindungsbohrung 7 zur inneren Fangrinne 4 sowie über die
zweite Einlassbohrung 12 zurück in den Arbeitsraum 10 führt.
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Ebenfalls
im Rahmen des fachmännischen Könnens kann
die Dichtung 8 ausgebildet sein, welche den Durchtritt
des Arbeitsmediums im Bereich des Innenradius zwischen dem Primärrad 1 und
dem Sekundärrad 2 zum
inneren Kreislaufspalt 20 bremst. Hierbei ist es möglich, die
Dichtung 8 aus einander berührenden Komponenten aufzubauen.
Alternativ kann ein schmaler Dichtungsspalt vorgesehen werden, welcher
mäandrierend
verläuft.
In 1 ist eine labyrinthförmige Ausgestaltung der Dichtung 8 gezeigt.
Hierbei greifen die innenradiennahen Bereiche des Primärrads 1 und
des Sekundärrads 2 fingergleich
ineinander, wobei für
dieses Ineinandergreifen eine kammförmige Struktur gewählt wird,
welche eine weitere kammförmige
Struktur kleinerer Größe trägt. Das
durch einen solchermaßen
labyrinthförmig ausgebildeten
Dichtungsspalt dennoch hindurch tretende Arbeitsmedium wird durch
erfindungsgemäß vorgesehene
Verbindungsbohrungen 7 in die innere Fangrinne 4 zurückgeführt, wobei
es von dort wiederum der Meridianströmung im Arbeitsraum 10 zugeführt wird.