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Die
Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine, insbesondere eine
hydrodynamische Kupplung oder einen hydrodynamischen Retarder, mit
einem Primär-
und einem Sekundärschaufelrad, welche
gemeinsam einen mit Arbeitsmedium befüll- und entleerbaren, torusförmigen Arbeitsraum
bilden. Auf den Oberbegriff von Anspruch 1 wird verwiesen.
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Hydrodynamische
Kupplungen, wie sie die vorliegende Erfindung gemäß einer
Ausführungsform betrifft,
finden in der Industrie weite Einsatzgebiete, so beispielsweise
in der Förder-
und Aufbereitungstechnik, oder in der chemischen Industrie, überall wo eine
sanfte Beschleunigung schwerster Massen, eine Drehmomentbegrenzung
beim Anfahren, oder eine wirksame Dämpfung von Stößen und
Schwingungen eine zentrale Rolle spielt.
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Das
Funktionsprinzip ist hierbei, dass beispielsweise ein von einem
Antriebsmotor abgegebenes Antriebsmoment im Primärschaufelrad (Pumpenschaufelrad)
in Strömungsenergie
des Arbeitsmediums (Öl,
Wasser, Gemisch aus beiden Medien) umgesetzt wird. Im Sekundärschaufelrad
(Turbinenschaufelrad) wird diese Strömungsenergie wieder in mechanische
Energie zurückverwandelt.
Aufgrund einer geringen Drehzahldifferenz zwischen Pumpen- und Turbinenrad
(Nennschlupf) stellt sich im Arbeitsraum ein stationärer Strömungszustand
ein.
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Es
gibt hydrodynamische Kupplungen, die im Betriebszustand eine konstante
Füllung
des Arbeitsraumes mit Arbeitsmedium aufweisen, sogenannte Konstantfüllungskupplungen,
und es gibt solche, bei denen der Füllungsgrad variiert werden kann,
sogenannte Regelkupplungen. Die vorliegende Erfindung kann auf beide
Kupplungsarten angewendet werden.
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Bei
hydrodynamischen Maschinen, wie sie die vorliegende Erfindung betrifft,
beispielsweise hydrodynamischen Kupplungen, hydrodynamischen Retardern
oder hydrodynamischen Wandlern, ist man allgemeinhin bestrebt, im Leerlaufbetrieb
eine Verlustleistung auf ein Minimum zu reduzieren oder vollständig zu
vermeiden. Diese Leerlaufverlustleistung entsteht grundsätzlich dadurch,
dass sich trotz weitgehender Entleerung des Arbeitsraumes von Arbeitsmedium
dennoch ein unerwünschter
Strömungskreislauf
eines Restarbeitsmediums im Arbeitsraum einstellt, welcher Leistung,
beziehungsweise Drehmoment, vom Primärrad auf das Sekundärrad überträgt und somit
wiederum das Primärrad verzögert. Die
Verlustleistung tritt sogar dann auf, wenn der gesamte Arbeitsraum
vollständig
von Arbeitsmedium evakuiert ist und lediglich die darin noch eingeschlossene
Luft eine Zirkulationsströmung
im Arbeitsraum ausbildet. Man geht davon aus, dass die Verlustleistung
im Leerlaufbetrieb durch das im Arbeitsraum verbleibende Restarbeitsmedium
sogar geringer ist, als die bei vollständiger Entleerung des Arbeitsraumes
hervorgerufene Verlustleistung durch die Luftzirkulationsströmung.
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Aus
dem Stand der Technik sind hinsichtlich dieser Problematik bereits
zahlreiche, unterschiedliche Lösungsmaßnahmen
bekannt. So werden unterschiedlichste Ventilationsblenden als Strömungshindernisse
eingesetzt, beispielsweise in der Gestalt von steifen, drehbar gelagerten
Klappen, oder elastischen Zungen, beziehungsweise in Form von Blattfedern
aus dünnem
Federblech, sowie schwenkbaren, bogenförmigen Blendensegmenten (Multisegment-Schwenkblenden),
welche in Umfangsrichtung selbsttätig oder von einem Druckmittel-Stellzylinder gesteuert,
konzentrisch in den Arbeitsraum einbeziehungsweise ausrücken, siehe
beispielsweise
DE-OS-2 209 446 .
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Gemäß
WO 98/35171 A1 kann
die Leerlaufleistungsminderung durch eine selbsttätige oder
gesteuerte Trennspaltänderung
erfolgen, beispielsweise durch eine axiale Verschiebung des Primärschaufelrades
gegenüber
dem Sekundärschaufelrad und/oder
des Sekundärschaufelrades
gegenüber dem
Primärschaufelrad.
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Diese
rein mechanischen Lösungskonzepte, welche
zwar einerseits relativ effektiv die Verlustleistung von hydrodynamischen
Maschinen im Leerlaufbetrieb auf ein akzeptables Maß beschränken können, sind
andererseits nicht ausreichend zufriedenstellend, da sie in ihrem
konstruktiven Aufbau meist zu kompliziertrespektive aufwendig und
damit verhältnismäßig störanfällig, sowie
zu wartungsbedürftig sind.
So findet bislang beispielsweise immer wieder ein unbeabsichtigtes
Einrücken
der mechanischen Drosselelemente durch mitunter extrem hohe Strömungsgeschwindigkeiten
des Arbeitsmediums im äußeren Bereich
des Arbeitsraumes statt, oder es treten mit der Zeit Materialermüdungen auf,
die beispielsweise zu einem Bruch im Bereich der Einspannstellen
führen,
was fatale Konsequenzen im Betrieb zur Folge hat. Des Weiteren weisen
die bisherigen Lösungsmaßnahmen
einen hohen Platz- wie auch Gewichtsbedarf, sowie lange Ansprechzeiten der
Antiventilationsmittel auf. Schließlich sind die bekannten Maßnahmen
zur Leerlaufleistungsminderung vergleichsweise kostenträchtig.
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Zum
weiteren Stand der Technik wird auf die folgenden Druckschriften
verwiesen:
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Maschine,
insbesondere eine hydrodynamische Kupplung oder einen Retarder, derart
zu konzipieren, dass die durch Fluidventilation im Arbeitsraum hervorgerufene
Leerlaufverlustleistung gegenüber
bereits bekannten Ausführungen,
allerdings ohne deren existierenden Nachteile, weiter reduziert,
oder deren Entstehung sogar vollständig verhindert werden kann.
Ferner soll eine kompakte Bauform und eine hohe Zuverlässigkeit
erreicht werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die
Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung an.
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Demnach
weist die erfindungsgemäße hydrodynamische
Maschine, insbesondere eine hydrodynamische Kupplung, ein Primärschaufelrad
(Pumpenschaufelrad) und ein Sekundärschaufelrad (Turbinenschaufelrad)
auf, zwischen denen ein Trennspalt ausgebildet ist. Beide Schaufelräder bilden
gemeinsam einen torusförmigen
Arbeitsraum aus, der über
einen Füllkanal
mit einem Arbeitsmedium befüll- und
entleerbar ist.
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Die
hydrodynamische Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzvorrichtung
vorgesehen ist, welche wenigstens einen definierten Fluidstrahl
in den Trennspalt injiziert, um eine gezielte Störung oder Unterbrechung der
Meridianströmung
von Luft und/oder Restarbeitsmedium im Arbeitsraum zu bewirken und
dadurch die Verlustleistung zu minimieren.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung ist
insbesondere radial innerhalb oder radial außerhalb des Arbeitsraumes angeordnet.
Alternativ kann sie auch innerhalb des Arbeitsraumes, beispielsweise
im Trennspalt, insbesondere im Meridianströmungszentrum angeordnet sein.
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Die
Einspritzvorrichtung wird vorteilhaft aus einem in Umfangsrichtung
beziehungsweise Drehrichtung der hydrodynamischen Maschine geschlossenen
Einspritzring oder mindestens einem Einspritzringsegment gebildet.
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Gemäß der Erfindung
weist die Einspritzvorrichtung mindestens ein Düsenelement auf, welches in
einem Düsenkanal
angeordnet ist, der entweder vom Füllkanal getrennt und insbesondere
parallel zu diesem vorgesehen oder mit diesem identisch ist. Das
einzelne Düsenelement
ist vorteilhaft in unmittelbarer Nähe des Trennspaltes positioniert
und erstreckt sich im Umfangsrichtung des Trennspalts, vorzugsweise
stationär
zwischen dem Primärrad
einerseits und dem Sekundärrad
andererseits.
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Sofern
der Füll-
und Düsenkanal
der erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Maschine identisch sind, das heißt Arbeitsmedium im Betriebszustand
und Einspritzmedium im Leerlaufbetrieb, wobei für letzteres ebenfalls Arbeitsmedium
jedoch in einer entsprechend reduzierten Strömungsmenge verwendet werden
kann, durch denselben Kanal in den Arbeitsraum beziehungsweise Trennspalt
geleitet werden, sind Maßnahmen
vorgesehen, um am Ende des Kanals Füllöffnungen für das Arbeitsmedium im Betriebszustand
und insbesondere die Düsenelemente für das Einspritzmedium
im Leerlaufbetrieb wahlweise zu verschließen. Erfindungsgemäß weist
die Einspritzvorrichtung auf ihrer inneren oder äußeren Umfangsfläche einen
Düsenblendenring
oder mindestens ein Düsenblendenringsegment
auf, welcher/welches relativ zu der Umfangsfläche verschieb- oder verdrehbar
ist, um die jeweiligen Füllöffnungen und/oder
die Düsenelemente
im Füllkanal
wahlweise zu öffnen
oder zu verschließen.
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Der
Düsenblendenring
kann beispielsweise aus einem drehbar gelagerten, in Umfangsrichtung geschlossenen,
Ringelement oder aus mindestens einem Ringsegmentelement gebildet
sein, auf dessen Umfangsfläche
sich jeweils in Radialrichtung mündende
Durchgangsbohrungen mit abwechselnden Füll- und Düsendurchmessern angeordnet
sind, über
welche je nach Betriebszustand ein relativ großer Volumenstrom des Arbeitsmediums
(im Betriebszustand) einerseits oder ein stark gebündelter
Fluidstrahl (Leerlauf) andererseits geleitet wird. Die Fülldurchmesser
sind deutlich größer als
die Düsendurchmesser.
Auf diese Weise erfolgt betriebssituationsabhängig die Befüllung des
Arbeitsraumes oder die Injektion eines definierten Fluidstrahles,
welcher als Meridianströmungsblende
im Arbeitsraum fungiert, in den Arbeitsraum beziehungsweise den Trennspalt.
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Denkbar
ist es aber auch, dass die Düsenelemente,
welche sich ebenfalls in unmittelbarer Trennspaltnähe befinden,
drehfest mit einem der beiden Schaufelräder, vorzugsweise dem Primärschaufelrad,
verbunden sind, wobei dann durch jeweils über den gesamten Trennspaltumfang
rotierende Düsenstrahlen
eine deutliche Verringerung der Düsenanzahl bei einem identischen
Minimierungseffekt der Leerlaufverlustleistung möglich ist.
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In
Leerlaufphasen injiziert die Einspritzvorrichtung über das
oder die einzelne(n) Düsenelement(e)
jeweils mindestens einen definierten Fluidstrahl, insbesondere in
der Gestalt eines stark gebündelten
Strahls, unter Druck in den Trennspalt zwischen Primär- und Sekundärschaufelrad,
um damit gezielt und effektiv den Aufbau einer Meridianströmung zwischen
den beiden Schaufelrädern,
welche für
das Auftreten der Verlustleistung in solchen Phasen verantwortlich
ist, derart zu stören,
dass infolge dessen zumindest ein deutliches Abschwächen dieser Kreislaufströmung auf
ein akzeptables Minimum erfolgt, oder diese sogar an ihrer Entstehung
vollständig
gehindert wird.
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Die
Injektion kann hierbei, beispielsweise in Abhängigkeit des Drehmomentes,
als Dauerstrahl oder in Form eines zeitlich getakteten Fluidstrahles erfolgen,
welcher beispielsweise aus Luft, Wasser, Öl, oder einem Kombinationsgemisch
aus diesen Medien gebildet ist. Zusätzlich zur Injektion des Fluidstrahles
kann synchron hierzu ein axiales Verschieben von Primärschaufelrad
gegenüber
Sekundärschaufelrad
und/oder Sekundärschaufelrad
gegenüber
Primärschaufelrad
in Leerlaufphasen vorgesehen werden, wodurch die daraus resultierende Trennspaltvergrößerung in
Kombination mit dem in diesen Trennspalt unter Druck injizierten
Fluidstrahl die Meridianströmung
der im Arbeitsraum eingeschlossenen Luft noch sicherer reduziert,
oder deren Aufbau weitestgehend beziehungsweise vollständig verhindert.
Ferner kann in solchen Phasen eine definierte, geringe Restarbeitsmedienmenge
im Arbeitsraum verbleiben, entweder indem nicht das gesamte Arbeitmedium
beim Übergang
vom Betrieb in den Leerlauf der hydrodynamischen Maschine ausgetragen
wird, oder durch das Einspritzen ein Kreislauf durch den Arbeitraum
gebildet wird, der eine geringe konstante Befüllung des Arbeitraums bedingt.
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Der
Stand der Technik und die Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin
ist im einzelnen folgendes dargestellt:
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1 zeigt
in einem Axialschnitt eine konventionelle hydrodynamische Maschine,
hier eine hydrodynamische Kupplung;
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2 zeigt
entsprechend der Darstellung in 1 in einer
modifizierten hydrodynamischen Kupplung, eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäß vorgesehenen
Einspritzvorrichtung und diese in einer dreidimensionalen Darstellung.
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3 zeigt
jeweils ein Düsenelement
und einen Düsenblendenring
gemeinsam in einem Ausschnitt X1 und X2 als Teil der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung
in einer Detailansicht in schematischer Axialschnittdarstellung
und entsprechender Draufsicht.
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4 zeigt
in einem Detailausschnitt in der Draufsicht einen Düsenblendenring
der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
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Die
in 1 in einem Axialschnitt gezeigte hydrodynamischen
Kupplung gemäß dem Stand
der Technik weist als wesentliche Elemente ein über eine Antriebswelle 11 angetriebenes
Pumpenschaufelrad 1, ein Turbinenschaufelrad 2,
sowie eine mit dem Turbinenschaufelrad 2 in drehfester
Verbindung stehende Kupplungsschale 3 auf. Zwischen den
beiden Schaufelrädern 1 und 2,
welche gemeinsam einen torusförmigen
Arbeitsraum 5 bilden, befindet sich ein Trennspalt 4,
wobei der Arbeitsraum 5 im Betriebszustand (Kupplung aktiv) über mehrere
Füllkanäle 12 mit
einem Arbeitsmedium 6, beispielsweise einem Mineralöl, Wasser,
oder einem Gemisch aus beiden Medien befüllt worden ist oder befüllt wird.
In Leerlaufzuständen
(Kupplung inaktiv) hingegen ist der Arbeitsraum 5 entweder
partiell, das heißt
bis auf eine vorgegebene, geringe Restarbeitsmediummenge, oder sogar
vollständig
von Arbeitsmedium entleert. Die Entleerung erfolgt vorliegend über tangential
gerichtete Austragsdüsen
(nicht dargestellt).
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In
Leerlaufphasen kann sich eine Meridianströmung 10 von Restarbeitsmedium
oder Luft zwischen dem Pumpenschaufelrad 1 und dem Turbinenschaufelrad 2 im
Arbeitsraum 5 aufbauen, welche zu einer unerwünschten
Drehmomentübertragung
zwischen den beiden Schaufelrädern 1 und 2,
und somit zu einer Verlustleistung führt.
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Die 2 zeigt
auf der linken Seite in einem Axialschnitt eine erfindungsgemäße hydrodynamischen
Kupplung in der Leerlaufphase, sowie auf der rechten Seite eine
dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäß integrierten Einspritzvorrichtung 7.
Letztere ist hier in der Gestalt eines in Umfangsrichtung der Kupplung
geschlossenen Einspritzringes 7.1 ausgeführt, welcher
eine Vielzahl von Düsenelementen 8 aufweist.
Die einzelnen Düsenelemente 8 sind
außerhalb
des Arbeitsraumes 5 stationär zwischen dem Pumpenschaufelrad 1 und
dem Turbinenschaufelrad 2 in einem Düsenkanal 13 angeordnet,
welcher in einem radial innerhalb und neben der Kupplungsschale 3 vorgesehenen
feststehenden Teilbereich positioniert ist. In der gezeigten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung 7 ist
der Düsenkanal 13 identisch
mit dem Füllkanal 12 des
Arbeitsmediums 6.
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Die
Düsenelemente 8 sind
in unmittelbarer Nähe
des Trennspaltes 4 zwischen der Beschaufelung der beiden
Schaufelräder,
in Trennspaltumfangsrichtung vorlaufend, konzentrisch zum Arbeitsraum 5 und
radial innerhalb desselben angeordnet und stören so durch das Injizieren
eines definierten Fluidstrahles 9, vorzugsweise in Form
eines stark gebündelten
Druckluft- oder Ölstrahles,
in Gestalt eines Dauerstrahles sehr wirkungsvoll den Aufbau einer Meridianströmung 10 im
Arbeitsraum 5, wobei ein getakteter Strahl oder eine Kombination
aus beidem ebenso denkbar sind. Der stark gebündelte Fluidstrahl 9 hat
die Funktion einer Ventilationsblende im Arbeitsraum 5,
welche das Eintreten von Arbeitsmedium und/oder Luft aus dem Pumpenschaufelrad 1 in das
Turbinenschaufelrad 2 vollständig oder weitgehend verhindert,
siehe die Ablenkung 14 der Strömung 10 im radial
inneren Bereich des Trennspalts 4, in welchem der injizierte
Fluidstrahl 9 auf die Strömung 10 trifft.
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Ein
entscheidender Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführung ist im Vergleich zu bisherigen Ausführungen
von Antiventilationsmitteln hydrodynamischer Maschinen, dass vorteilhaft
keine mechanischen Bauteile als Strömungshindernisse zum Einsatz
kommen, welche mit den eingangs beschriebenen Nachteilen behaftet
sind. Ferner können
sowohl äußerst geringe
Ansprechzeiten, eine kompakte Bauform, als auch eine hohe Zuverlässigkeit
erreicht werden.
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3 zeigt
in Ausschnitten ein Düsenelement 8 und
einen verstellbaren Düsenblendenring 8.1,
welcher Teil der Einspritzvorrichtung 7 ist, jeweils in
einer Detailansicht X1 und X2 in schematischer Axialschnittdarstellung
und der entsprechenden Draufsicht. Der drehbar gelagerte und in
Umfangsrichtung gezielt verstellbare Düsenblendenring 8.1 weist
in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete, radiale, sich regelmäßig abwechselnde,
Durchgangsbohrungen 8.1.1 mit variierenden Durchmessern
D1 und D2 für
unterschiedliche Medienvolumenströme auf. D1 und D2 definieren
vorteilhaft jeweils einen identischen Mittelpunktabstand zueinander und
sind in gleicher Anzahl wie die jeweils eingesetzten und dementsprechend
angepassten, im Füllkanal 12 (2)
vorgesehenen Düsenelemente 8 gewählt.
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Der
Düsenblendenring 8.1 stellt,
beispielsweise drehmomentabhängig,
in Betriebsphasen einen Fülldurchmesser
(D1), der insbesondere genau demjenigen des Arbeitsmedium-Füllkanals 12 (2)
entspricht, und in Leerlaufphasen einen kleinstmöglichen Düsendurchmesser (D2) für einen stark
gebündelten
Fluidstrahl der Einspritzvorrichtung 7 zur Verfügung. Somit
kann in dieser konstruktiven Ausgestaltung der Einspritzvorrichtung 7,
je nach Betriebszustand der hydrodynamischen Kupplung, äußerst vorteilhaft,
adaptiv die Injektion des definierten Fluidstrahles 9 (verlustleistungsreduzierende
Meridianströmungsblende)
in Leerlaufphasen, oder die Befüllung
des Arbeitsraumes 5 mit Arbeitsmedium 6 (Befüllungseinrichtung)
in Betriebsphasen erfolgen.
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Der
in 4 in einem Detailausschnitt in der Draufsicht
dargestellte Düsenblendenring 8.1 bewegt sich
getaktet in einer Gleitbewegung (Doppelpfeildarstellung) auf der
Umfangsfläche
des Düsenelementes
(oder allgemein eines den Füllkanal
ausbildenden Bauteils, insbesondere Rings) zwischen 2 Positionen A
und B, die jeweils betriebszustandsabhängig die Befüllung (A)
des Arbeitsraumes mit Arbeitsmedium oder die Injektion (B) des Fluidstrahles
in den Trennspalt bewirken. Bei dieser Konstruktion ergibt sich gleichzeitig
noch ein weiterer Vorteil dahingehend, dass über kurze Drehbewegungen (Doppelpfeildarstellung)
des Düsenblendenringes 8.1 zwischen
der Position B und einer weiteren Position C, bei welcher D2 außerhalb
des Füllkanaldurchmessers
liegt, der mit D1 identisch ist, in Leerlaufphasen neben einem jeweiligen
Dauerstrahl wahlweise auch ein getakteter Fluidstrahl erzeugt werden
kann.
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Abweichend
von der hier gezeigten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung
in einer hydrodynamischen Kupplung kann der Erfindungsgedanke grundsätzlich auch
bei allen anderen hydrodynamischen Maschinen, wie beispielsweise
hydrodynamischen Retardern und hydrodynamischen Wandlern angewendet
werden und betrifft insbesondere im Falle einer hydrodynamischen Kupplung
sowohl Regelkupplungen als auch Konstantfüllungskupplungen.