DE102007051913A1

DE102007051913A1 - Strömungsmaschine, insbesondere Retarder

Info

Publication number: DE102007051913A1
Application number: DE200710051913
Authority: DE
Inventors: Klaus Vogelsang; Peter Edelmann; Werner Adams
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2009-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine; - mit einem beschaufelten, drehbar gelagerten Primärrad und einem beschaufelten Sekundärrad, die einen torusförmigen Arbeitsraum zum Aufnehmen eines Arbeitsmediums miteinander bilden; - als Arbeitsmedium wird ein Gas verwendet, insbesondere Luft; - das Gas wird während der Arbeitsphasen unter Überdruck in den Arbeitsraum eingeleitet, oder der Arbeitsraum steht unter Überdruck; - in den bremsfreien Phasen steht der Arbeitsraum unter Überdruck oder unter Atmosphärendruck oder unter Unterdruck.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem beschaufelten, drehbar gelagerten Primärrad und einem beschaufelten Sekundärrad, die beide einen torusförmigen Arbeitsraum miteinander bilden. Die Erfindung betrifft sowohl die Maschine selbst, als auch ein Verfahren zu deren Betreiben. Als Stömungsmaschinen kommen Retarder und Kupplungen in Betracht. Bei der Erfindung geht es vor allem um Retarder.
Ein hydrodynamischer Retarder gleicht im Aufbau einer hydrodynamischen Kupplung. Der Unterschied besteht in folgendem: Beim Retarder läuft nur das Primärrad um, während das Sekundärrad – der Stator – feststeht, wodurch die kinetische Energie verringert beziehungsweise auf Null reduziert wird. Bei der hydrodynamischen Kupplung hingegen laufen beide Schaufelräder, nämlich Primärrad und Sekundärrad, im Betrieb um.
Es ist eine große Anzahl von Maschinen der beiden Bauarten bekannt geworden. Siehe beispielsweise DE 196 46 597 B4 , die einen Retarder betrifft.
Als Arbeitsmedium wird im allgemeinen Öl verwendet. Gelegentlich wird auch Wasser verwendet, das gleichzeitig als Kühlmedium des Kühlkreislaufes des Kraftfahrzeuges verwendet wird.
Insbesondere beim Retarder ist die Kühlung des Arbeitsmediums ein aufwendiger Punkt. In der Bremsphase des Retarders wird Wärme erzeugt. Der Retarder erhitzt sich hierbei. Er darf aber einen maximalen Temperaturwert nicht überschreiten, da er sonst Schaden nimmt. Des Weiteren soll er einen stationären Bremsbetrieb erlauben, zum Beispiel bei langer Gefällstrecke. Deshalb muss in jedem Falle für eine zuverlässige Kühlung des flüssigen Arbeitsmediums gesorgt werden. Die Kühlkapazität ist aber begrenzt, und damit auch die Bremsleistung, die mit einem hydrodynamischen Retarder erzielbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmaschine, vor allem einen Strömungsretarder, derart zu gestalten beziehungsweise zu betreiben, dass das Problem der Kühlung des Retarders reduziert oder eliminiert wird, und dass damit auch eine noch bessere Einsatzmöglichkeit der Maschine gegeben ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht somit darin, die Strömungsmaschine mit einem Gas, insbesondere mit Luft, als Arbeitsmedium zu betreiben, somit als aerodynamische Maschine.
Das Arbeitsgas, insbesondere die Arbeitsluft, wird – beispielsweise dem Retarder – im richtigen Zeitpunkt vor Einsetzen der Bremsphase zugeführt, und zum gegebenen Zeitpunkt auch wieder abgeführt. Die Abfuhr erfolgt ins Freie. Die Frage der Kühlung dieses Arbeitsmediums stellt sich somit nicht.
Das spezifische Gewicht des Arbeitsmediums ist eine wichtige Größe für die erzielbare Bremsleistung. Da das spezifische Gewicht von Luft im Verhältnis zum spezifischen Gewicht von Flüssigkeiten gering ist, wird man noch besondere Maßnahmen treffen. So wird die eingesetzte Menge der Arbeitsluft vergleichsweise groß sein. Es wird Luft sowohl unter atmosphärischem als auch unter überatmosphärischem Druck verwendet. Die relative Drehgeschwindigkeit zwischen den beiden Schaufelrädern wird groß zu bemessen sein.
Es ist bekannt, den Arbeitsraum von Retardern während der bremsfreien Phase zu evakuieren, das heißt Luft zu entfernen. Bei der Anwendung von Druckluft als Arbeitsmedium wird man dies auf jeden Fall ebenfalls vornehmen. Man wendet somit eine Maßnahme an, die auch bei Retardern mit flüssigem Arbeitsmedium häufig vorgesehen wird, und bei Verwendung von Luft keinen zusätzlichen Aufwand darstellt.
Es ist auch denkbar, den oder die Retarder in den bremsfreien Phasen vom Antrieb total abzukoppeln.
Zweckmäßiger Weise wird der Retarder als Gegenlaufretarder mit Rotor und Gegenrotor ausgeführt, bei welchem die beiden Schaufelräder in entgegengesetztem Drehsinne umlaufen. Hierdurch wird die spezifische Leistungsziffer erhöht. Der Arbeitsraum wird während der Bremsphasen ständig von Luft durchströmt – im Gegensatz zu Retardern, die mit flüssigen Arbeitsmedien betrieben werden.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Arbeitsluft auf einen überatmosphärischen Druck zu bringen. Hierzu kann beispielsweise das Druckluftsystem des Fahrzeugs herangezogen werden. Auch kann ein eigener Verdichter dem Retarder vorgeschaltet werden. Schließlich kann es zweckmäßig sein, zwei oder mehrere Retarder in Reihe zu schalten, wobei die aus den Retardern austretende Arbeitsluft nach Art einer Kaskadenschaltung auf einen höheren Druck gebracht wird.
Die Schaufeln der Schaufelräder sollten extrem dünn bemessen sein. Sie könnten in der Größenordnung von 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 mm liegen. Dies hat den folgenden Grund: Zum einen sind die Anforderungen an deren Festigkeit gering. Zum anderen bedeutet eine Minimierung der Schaufeldicke eine Vergrößerung des verfügbaren Strömungsraumes, was im Sinne einer hohen Bremsleistung erwünscht ist.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt einen Retarder gemäß einer ersten Ausführungsform in schematischer Darstellung in einem Axialschnitt.
2 zeigt einen Retarder gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Darstellung analog zu 1.
3 zeigt einen Ausschnitt aus einem Schaufelrad in einem Zylinderschnitt.
Der in 1 gezeigte Retarder weist eine Antriebswelle 1, mit dem ein Primärrad 2 drehfest verbunden ist. Ein Sekundärrad 3 ist Bestandteil eines Gehäuses 4. Es steht im vorliegenden Falle fest. Es kann aber auch drehbar gelagert sein. Dabei kann es in entgegengesetztem Drehsinn umlaufen, wie das Primärrad 2. Beide Räder sind mit Schaufeln versehen. Sie bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 4. Laufen die beiden Räder im Gegensinn um, so ist es zweckmäßig, die Räder mit unterschiedlichen Drehzahlen umlaufen zu lassen.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 wird unter Druck stehende Luft durch einen Einlass 5.1 des Gehäuses 5 eingeleitet. Die Luft tritt durch Schlitze 2.1 im Primärrad 2 in den Arbeitsraum 4. Sie tritt sodann durch Schlitze 3.1 im Sekundärrad 3 hindurch und gelangt durch einen Auslass 5.2 im Gehäuse 5 ins Freie.
Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich durch die Art der Luftführung. Hier tritt die Luft wiederum durch einen Einlass 5.1 im Gehäuse 5 ein, strömt durch erste Schlitze 2.1 im Primärrad 2 in den Arbeitsraum 4, strömt durch zweite Schlitze 2.2 im Primärrad hindurch und gelangt durch einen Auslass 5.3 im Gehäuse 4 ins Freie.
Aus dem Zylinderschnitt gemäß 2 erkennt man die Schaufeln 10 eines der beiden Räder. Die Schaufeln sind geneigt. Sie weisen eine sogenannte spießende Anordnung auf. Siehe beispielsweise DE 102 55 038 A1 . Sie sind außerdem an ihren freien Enden angespitzt.

1: Antriebswelle
2: Primärrad
2.1: Schlitze des Primärrades
2.2: Schlitze des Primärrades
3: Sekundärrad
3.1: Schlitze des Sekundärrades
4: Arbeitsraum
5: Gehäuse
5.1: Einlass
5.2: Auslass
5.3: Auslass
10: Schaufeln

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19646597 B4 [0003]
- DE 10255038 A1 [0023]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine; 1.1 mit einem beschaufelten, drehbar gelagerten Primärrad und einem beschaufelten Sekundärrad, die einen torusförmigen Arbeitsraum zum Aufnehmen eines Arbeitsmediums miteinander bilden; 1.2 als Arbeitsmedium wird ein Gas verwendet, insbesondere Luft; 1.3 das Gas wird während der Arbeitsphasen unter Überdruck in den Arbeitsraum eingeleitet, oder der Arbeitsraum steht unter Überdruck; 1.4 in den bremsfreien Phasen steht der Arbeitsraum unter Überdruck oder unter Atmosphärendruck oder unter Unterdruck.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungsmaschine ein Retarder mit einem Rotor und einem Stator verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungsmaschine ein Retarder mit einem Rotor und einem Gegenlaufrotor verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor und Gegenlaufrotor unterschiedlich gestaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor und Gegenlaufrotor während der Bremsphasen in entgegengesetztem Drehsinn umlaufen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor und Gegenlaufrotor mit unterschiedlichen Drehzahlen umlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während der Bremsphasen eines der beiden Räder mit einer Drehzahl von wenigstens 20.000 U/min angetrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor und/oder Gegenrotor im Nichtbremsbetrieb abgekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum in den bremsfreien Phasen durch eine Pumpe evakuiert wird oder sich selbständig evakuiert.
Strömungsretarder oder Strömungskupplung 10.1 mit einem beschaufelten, drehbar gelagerten Primärrad (Pumpe/Rotor); 10.2 mit einem beschaufelten, drehbar gelagerten Sekundärrad (Turbine/Gegenrotor); 10.3 Primärrad und Sekundärrad bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum zum Aufnehmen eines Arbeitsmediums; 10.4 der Arbeitsraum ist an eine Druckgasquelle, insbesondere an eine Druckluftquelle anschließbar.
Retarder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftquelle das Druckluftsystem eines Kraftfahrzeuges ist.
Retarder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftquelle ein Luftverdichter ist.
Retarder nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Evakuieren des Arbeitsraumes in den bremsfreien Phasen vorgesehen ist.
Retarder nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor und Gegenrotor in entgegengesetztem Drehsinn antreibbar sind.
Retarder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor und Gegenrotor mit einem Drehzahlverhältnis von –0,8 bis –1,2 antreibbar sind.
Bremsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei oder mehrere Retarder gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15 umfasst, die in Reihe geschaltet sind.