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Die
Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine, insbesondere eine
hydrodynamische Kupplung oder einen hydrodynamischen Retarder, mit
einem Primär-
und einem Sekundärrad,
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 Primärrad (Pumpenrad) in Strömungsenergie
des Arbeitsmediums (Öl,
Wasser, Gemisch aus beiden Medien) umgesetzt wird. Im Sekundärrad (Turbinenrad)
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, um im entleerten Zustand der hydrodynamischen
Kupplung Ventilationsverluste zu minimieren.
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Bei
hydrodynamischen Retardern unterscheidet man zwischen solchen mit
einem angetriebenen Primärrad
und einem als Stator ausgeführten, nicht
umlaufenden Sekundärrad,
und solchen mit zwei sich gegenüberstehenden
und entgegengesetzt zueinander umlaufenden Schaufelrädern (Gegenlaufretarder).
Im letzteren Fall werden beide Schaufelräder, das heißt das Primärrad und
das Sekundärrad,
aktiv angetrieben.
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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 ein- beziehungsweise ausrücken, siehe
beispielsweise
DE 2
209 446 A . Weiterhin wird auf
WO 98/35171 A1 verwiesen.
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Die
erwähnten
Dokumente zeigen 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 kompliziert respektive aufwendig und
damit verhältnismäßig störanfällig sowie
zu wartungsbedürftig
sind.
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In
letzter Zeit sind jedoch auch Lösungen vorgeschlagen
worden, um die Zirkulationsströmung der
Luft bei entleertem oder teilentleertem Arbeitsraum mittels eines
Sperrmediums zu stören.
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Gemäß
DE 35 45 660 C1 erfolgt
die Unterbrechung der Luftventilation zwischen den Primär- und Sekundärrädern einer
hydrodynamischen Maschine dadurch, dass im Vergleich zum Rauminhalt des
Arbeitsraumes eine geringe Menge eines strömungsfähigen Sperrmediums in einen
Nebenkreislauf durch den Arbeitsraum hindurchgeführt wird. Dabei wird zum Beispiel
als Sperrmedium Luft verwendet. Weiterhin wird vorgeschlagen, die
Mündung
des Zufuhrkanals für
das Sperrmedium beispielsweise im radial inneren Bereich des Arbeitsraumes
anzuordnen und die Mündung
nach Art von Düsen
auszuführen.
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Das
Dokument
DE 601 19
530 T2 beschreibt eine hydrodynamische Bremse mit Einspritzelementen,
die ein Medium, wie beispielsweise das Arbeitsmedium der hydrodynamischen
Maschine in den Arbeitsraum zur Störung der Luftströmung einspritzen. Die
Einspritzelemente sind auch hier nach Art von Düsen ausgeführt, welche insbesondere in
den beiden Primär-
und Sekundärrädern der
hydrodynamischen Bremse integriert sind. Insbesondere ist der Einspritzstrahl
zur Radialrichtung der hydrodynamischen Maschine hin geneigt, dass
heißt,
dass dieser zur Hauptströmungsrichtung
der zirkulierenden Luft gerichtet ist.
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Zum
weiteren Stand der Technik wird auf die folgenden Dokumente verwiesen,
wobei das letztgenannte Dokument nicht vorveröffentlicht ist:
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Obwohl
die bekannten hydrodynamischen Maschinen mit Vorrichtungen zur Leerlaufleistungsminderung
mittels eines Sperrmediums bereits geringe Leerlaufverluste ermöglichen,
gibt es Raum für weitere
Verbesserungen. Auch hat sich herausgestellt, dass die beschriebenen
Maschinen mitunter einen schlechteren Wirkungsgrad im Betrieb (Nennbetrieb
oder Teillastbetrieb) aufweisen. Die Ursache hierfür war bisher
unklar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Maschine,
insbesondere eine hydrodynamische Kupplung oder einen hydrodynamischen
Retarder anzugeben, so 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.
Dabei wird eine konstruktiv und fertigungstechnisch einfache Lösung gesucht,
welche einen zuverlässigen
und dauerhaften Einsatz der hydrodynamische Maschine ermöglicht.
Weiterhin soll insbesondere die Anzahl der bewegten Teile minimiert
werden, um einen störungsunanfälligen Betrieb
der hydrodynamischen Maschine zu gewährleisten.
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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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Besonders
vorteilhaft ist, wenn ein definierter, das heißt konstanter und scharf gebündelter
Fluidsperrstrahl, in Radialrichtung weit in den Trennspalt in den
Bereich zwischen den Schaufeln des Primärrades und den Schaufeln des
Sekundärrades
oder radial über
diesen hinaus reicht. Die scharfe Bündelung des Fluidsperrstrahls
sorgt zum einen dafür, dass
die sich meist im radial äußeren Bereich
des Arbeitsraumes ausbildende Kreislaufströmung in Leerlaufphasen effektiv
gestört
wird, und zum anderen, dass besonders im radial äußeren Bereich des Trennspalts,
wo sich der Fluidsperrstrahl üblicherweise
aufweitet, verhältnismäßig wenig
beziehungsweise kein Sperrstrahlfluid aus dem Trennspalt in den Arbeitsraum
gelangt, welches die Leistungsverluste vergrößern würde.
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Gemäß einer
Ausführungsform
können
die Leistungsverluste ferner dadurch minimiert werden, dass der
Fluidsperrstrahl geradlinig in den Trennspalt und somit nicht winklig
zum Trennspalt eingespritzt wird.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass durch Vorsehen von fest installierten,
in den Trennspalt oder Arbeitsraum reichenden Düsen die Kreislaufströmung im
Arbeitsraum und somit die Leistungsübertragung der hydrodynamischen
Maschine nachteilig beeinflusst werden kann. Diese Beeinflussung
kann zum einen dadurch entstehen, dass durch Vorsehen der Düsen im Arbeitsmediumzulauf
oder Arbeitsmediumablauf des Arbeitsraumes der Öffnungsquerschnitt für Arbeitsmedium,
das in den Arbeitsraum oder aus diesem herausströmt, durch die Düsen verringert
wird und sich somit ein Druckabfall einstellt, welcher die Leistungsübertragung
behindert. Ferner können
im Bereich der die Arbeitsmediumströmung führenden Oberflächen der
Schaufelräder
angeordneten Düsen
die Kreislaufströmung
beeinträchtigen.
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Im
Einzelnen weist eine erfindungsgemäße hydrodynamische Maschine
ein Primärrad
und ein Sekundärrad,
die miteinander einen torusförmigen, mit
Arbeitsmedium befüll-
und entleerbaren Arbeitsraum ausbilden, auf. Zwischen dem Primärrad und dem
Sekundärrad,
die jeweils eine Beschaufelung tragen, um den Arbeitsraum auszubilden,
ist ein Trennspalt ausgebildet. Das Arbeitsmedium gelangt über einen
Füllkanal
in den Arbeitsraum. Weiterhin umfasst die hydrodynamische Maschine
eine Einspritzvorrichtung zur Injektion wenigstens eines Fluidsperrstrahles
in den Trennspalt, wobei die Einspritzvorrichtung einen verschiebbaren
Kolben umfasst, welcher zwischen einer aktiven Position, in welcher
er einen Fluidsperrstrahl in den Trennspalt einspritzt, und einer
inaktiven Position, in der die Sperrstrahleinspritzung unterbrochen
ist, in Axialrichtung der hydrodynamischen Maschine verschiebbar
ist. Wenn die Sperrstrahleinspritzung unterbrochen ist, wird in
der Regel der Befüllungsvorgang,
um den Arbeitsraum mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise Öl, Wasser
oder ein Wassergemisch, zu befüllen, freigegeben,
so dass die hydrodynamische Maschine in den Betriebszustand versetzt
wird, in welchem sie Drehmoment vom Primärrad auf das Sekundärrad mittels
einer Kreislaufströmung
des Arbeitsmediums im Arbeitsraum überträgt.
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Besonders
bevorzugt wird der Kolben von einem verschiebbaren Einspritzring
ausgebildet. Ferner kann der Kolben, insbesondere der Einspritzring zu
seiner Verschiebung mit Arbeitsmedium oder einem sonstigen Sperrstrahlmedium
aus einem Düsenkanal
beaufschlagbar sein, um ihn zwischen der aktiven und inaktiven Position
zu verschieben. Insbesondere erfolgt die Schaltung zwischen der
aktiven und der inaktiven Position ausschließlich durch Beaufschlagen oder
Nichtbeaufschlagen des Kolbens, insbesondere einer Stirnfläche des
Kolbens, mit dem Sperrstrahlmedium, insbesondere mit Arbeitsmedium.
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Mit
Vorteil bildet der Einspritzring und/oder der Kolben einen verschiebbaren
Ventilkörper
aus oder ist/sind betätigbar
an einem solchen angeschlossen, welcher den Strömungsquerschnitt für Arbeitsmedium
im Füllkanal
abhängig
oder unabhängig von
der Stellung des Einspritzringes und/oder des Ventilkörpers mehr
oder minder variiert, derart, dass ein maximaler Strömungsquerschnitt
eingestellt wird, wenn der Einspritzring in seine inaktive Position
verbracht wird, wohingegen ein minimaler Strömungsquerschnitt eingestellt
wird, der Einspritzring in seine aktive Position verbracht wird.
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Vorteilhaft
weist der Kolben und/oder der Einspritzring und/oder der Ventilkörper eine
Vielzahl von Mündungen
für das
Medium des Sperrstrahls, welches insbesondere identisch mit dem
Arbeitsmedium, beispielsweise Öl,
Wasser oder ein Wassergemisch ist, auf, welche in der aktiven Position
des Kolbens und/oder des Einspritzrings in einem Bereich des Trennspaltes
hineinragen und in einer inaktiven Position des Kolbens und/oder
des Einspritzringes außerhalb
des Trennspaltes liegen und insbesondere vom Primärrad und/oder
Sekundärrad
verdeckt werden.
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Die
beschriebene Lösung
ermöglicht
somit zum einen eine gezielte Störung
oder Unterbrechung der Meridianströmung (Kreislaufströmung) von
Luft und/oder Restarbeitsmedium im Arbeitsraum zu bewirken und dadurch
die Verlustleistung zu minimieren, indem der Kolben in eine aktive
Position verschoben wird. Gleichzeitig wird der Strömungsquerschnitt
des Füllkanals
minimiert oder gesperrt, so dass kein Arbeitsmedium oder Restarbeitsmedium
in den Arbeitsraum gelangt. Zum anderen wird der Strömungsquerschnitt
des Füllkanals
für Arbeitsmedium, das
in den oder aus dem Arbeitsraum herausströmt, wieder freigegeben – insbesondere
vollständig
freigegeben, wenn eine Leistungsübertragung
der hydrodynamischen Maschine erwünscht ist, indem der Kolben
in eine inaktive Position verschoben wird. Hierdurch wird eine Beeinflussung
der Kreislaufströmung
im Arbeitsraum verhindert.
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Vorteilhaft
ist der Einspritzring in Umfangsrichtung der hydrodynamischen Maschine
geschlossen ausgebildet.
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Mit
Vorteil ist die Einspritzvorrichtung insbesondere radial innerhalb
oder radial außerhalb
des Arbeitsraumes und insbesondere im Bereich des Trennspalts angeordnet.
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Vorteilhaft
ist der Fluidsperrstrahl derart ausgebildet, dass dieser innerhalb
der radialen Erstreckung des Arbeitsraumes und/oder des Trennspalts verläuft oder über diesen
hinausreicht. Bevorzugt erfolgt die Abgabe und/oder die Ausbreitung
des Fluidsperrstrahles in Radialrichtung der hydrodynamischen Maschine,
insbesondere von innen nach außen.
Dabei kann der Fluidsperrstrahl bei Ausbildung lediglich einer Mündung im
Kolben der Einspritzvorrichtung entlang einer Geraden und bei Ausbildung einer
Vielzahl von Mündungen
entlang einer Ebene, die parallel zum Trennspalt beziehungsweise
entlang des Trennspaltes und/oder im Wesentlichen senkrecht zur
Kreislaufströmungsrichtung
oder zur Längsachse
der hydrodynamischen Maschine ist, verlaufen.
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Die
Injektion kann hierbei, beispielsweise in Abhängigkeit des Drehmomentes,
als Dauerstrahl oder in Form eines zeitlich getakteten Fluidsperrstrahles
erfolgen, welcher beispielsweise aus Luft, Wasser, Öl oder einem
Kombinationsgemisch aus diesen Medien gebildet ist.
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Zusätzlich zur
Injektion des Fluidstrahles kann gleichzeitig hierzu ein axiales
Verschieben des Primärrades
gegenüber
dem Sekundärrad
und/oder des Sekundärrades
gegenüber
dem Primärrad
insbesondere in Leerlaufphasen vorgesehen sein. Durch die daraus
resultierende Trennspaltvergrößerung in
Kombination mit dem in diesem Trennspalt unter Druck injizierten
Fluidstrahl wird die Meridianströmung
des im Arbeitsraum eingeschlossenen Arbeitsmediums und/oder der
Luft noch sicherer reduziert. Auch kann in solchen Phasen eine definierte, geringe
Restarbeitsmediummenge im Arbeitsraum verbleiben, entweder dadurch,
dass nicht das gesamte Arbeitsmedium beim Übergang vom Betrieb in den
Leerlauf der hydrodynamischen Maschine ausgetragen wird oder dadurch
das durch das Einspritzen eine Kreislaufströmung im Arbeitsraum gebildet wird.
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Mit
Vorteil ist die hydrodynamische Maschine eine hydrodynamische Kupplung
oder ein hydrodynamischer Retarder.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch
erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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1a eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Maschine mit einer Einspritzvorrichtung in einer aktiven Position;
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1b eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Maschine mit einer Einspritzvorrichtung in einer inaktiven Position;
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2 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Maschine mit einer Einspritzvorrichtung in einer inaktiven Position;
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3a, 3b weitere
mögliche
Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Maschine.
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Die 1a, 1b und 2 zeigen
eine als hydrodynamische Kupplung ausgebildete hydrodynamische Maschine.
Dabei sind ein Primärrad 1 und
ein Sekundärrad 2 dargestellt,
die einen torusförmigen
Arbeitsraum 3 ausbilden. Die beiden Primär- und Sekundärräder 1, 2 sind
als beschaufelte Räder ausgeführt, welche
derart angeordnet sind, dass sie miteinander einen axialen Zwischenraum
(Trennspalt) 4 ausbilden. Der Arbeitsraum 3 ist über einen Füllkanal 5 mit
Arbeitsmedium befüllbar.
Im vorliegenden Falle ist die Mündung
des Füllkanals 5 in
den Arbeitsraum 3 radial innerhalb des Arbeitsraumes 3 im
Bereich des Trennspaltes 4 angeordnet. Das Arbeitsmedium,
welches im Arbeitsraum 3 eine Kreislaufströmung 20 ausbildet,
kann über
einen Arbeitsmediumablauf 17, welcher vorliegend radial
außerhalb
des Arbeitsraumes 3, hier im Bereich des Trennspalts 4 angeordnet
ist, aus dem Arbeitsraum 3 hinausströmen.
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Vorliegend
wird der Arbeitsraum 3 von einem Gehäuse 15 umschlossen,
welches hier drehfest mit dem Sekundärrad 2 ausgeführt ist. Über eine
Antriebswelle 14 wird Antriebsleistung über das Primärrad 1 hydrodynamisch
auf das Sekundärrad 2 übertragen.
Selbstverständlich
wäre es
auch möglich,
eines der beiden Räder
als Stator auszuführen,
um einen hydrodynamischen Retarder darzustellen, oder die Funktion
von Primärrad 1 und
Sekundärrad 2 zu vertauschen,
als eine Kupplung mit Außenradantrieb zu
erreichen. Auch bei sogenannten Gegenlaufretardern ist die Erfindung
anwendbar.
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Ist
die hydrodynamische Maschine als hydrodynamische Kupplung oder hydrodynamischer Wandler
ausgeführt,
so wird in Abhängigkeit
des Füllungsgrades
der hydrodynamischen Kupplung/des hydrodynamischen Wandlers Drehmoment
von der Antriebswelle 14 über das Primärrad 1 und
das Sekundärrad 2 auf
eine beispielsweise drehfest mit dem Sekundärrad 2 ausgeführte Abtriebswelle
(rechts in der Figur gezeigt) hydrodynamisch übertragen.
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Weiterhin
ist in den 1a, 1b und 2 eine
Einspritzvorrichtung 6 dargestellt. Diese umfasst vorzugsweise
einen Kolben 7, der in einem Kolbenraum 16 angeordnet
ist. Letzterer ist mit einem Düsenkanal 9 strömungsleitend
verbunden. Der Kolben 7 ist über einen Steuerdruck eines
Mediums – zum
Beispiel des Arbeitsmediums der hydrodynamischen Maschine oder eines
sonstigen Mediums zur Ausbildung des Sperrstrahls – zu seiner
Verschiebung in Axialrichtung beaufschlagbar. Als Medium wäre beispielsweise
auch Druckluft denkbar. Auch wäre
es möglich,
den Kolben 7 mittels einer entsprechenden mechanischen,
elektrischen oder elektromagnetischen Betätigungseinrichtung wie beispielsweise
einem Elektromotor axial zu verschieben.
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Vorliegend
stützt
sich die dem Düsenkanal 9 abgewandte
Kolbenfläche
des Kolbens 7 an einem elastischen Element 10 ab.
Das elastische Element kann beispielsweise eine Zug- und/oder Druck- und/oder
eine Tellerfeder sein, wobei das elastische Element 10 gegen
das Primärrad 1 und/oder
das Sekundärrad 2 oder – wie hier
gezeigt – gegenüber einem
nicht umlaufenden Bauteil, wie einem Aufnahmekörper 19 vorgespannt
sein kann. Vorliegend ist das elastische Element 10 als
Druckfeder ausgeführt,
so dass der Kolben 7 infolge einer als Rückstellkraft
wirkenden Federkraft des elastischen Elements 10 in eine
inaktive Position (1b, 2) gebracht
wird, wenn der Arbeitsmediumdruck oder Sperrstrahlmediumdruck im
Düsenkanal 9 unterhalb eines
Grenzwertes eingestellt wird. Dabei entspricht die Höhe des Drucks
des Grenzwertes der Rückstellkraft
des elastischen Elements. Übersteigt
der Düsenkanal 9 den
Grenzwert, so wird der Kolben 7 entgegen der Rückstellkraft
in Richtung auf eine aktive Position hin verschoben.
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Wie
weiterhin aus den 1a, 1b und 2 zu
entnehmen ist, weist der Kolben 7 die Form eines verschiebbaren
Einspritzrings 8 auf. Ferner bildet der Kolben 7 einen
Ventilkörper 11 aus.
Der Ventilkörper 11 ist
derart ausgestaltet, dass er in der aktiven Position des Kolbens 7 innerhalb
des Bereichs des Trennspalts 4 angeordnet ist oder in diesen
hineinreicht und in der inaktiven Position des Kolbens 7 vorzugsweise
in Axialrichtung der hydrodynamischen Maschine außerhalb
des Trennspalts liegt. Der Ventilkörper 11 variiert hier
den Strömungsquerschnitt
für Arbeitsmedium
im Füllkanal 5 abhängig von
seiner Stellung mehr oder minder, wobei der Strömungsquerschnitt in der inaktiven
Position maximal ist und insbesondere vollständig freigegeben wird, während er
in der aktiven Position minimiert ist und insbesondere die Zufuhr
von Arbeitsmedium aus dem Füllkanal 5 in
den Arbeitsraum 3 nahezu oder gänzlich unterbunden wird.
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Vorliegend
ist der Kolben 7 einteilig ausgebildet. In einem Schnitt
durch die Längsachse
der hydrodynamischen Maschine kann dieser dabei beispielsweise eine
Z-Form (1a, 1b) oder
eine C-Form (2) aufweisen.
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Weiterhin
ist eine Mündung 13 einer
strömungsleitenden
Verbindung 12 im Kolben 7 erkennbar. Die Mündung 13,
welche vorliegend radial nach außen gerichtet ist, ist vorteilhaft
in einer aktiven Position des Kolbens 7 zur Abgabe eines
Fluidsperrstrahls 18 in den Trennspalt 4 deckungsgleich
mit dem Trennspalt 4 angeordnet (1a), wohingegen diese
in der inaktiven Position des Kolbens 7 (Einspritzung des
Fluidsperrstrahles 18 in den Trennspalt 4 ist
unterbrochen) außerhalb
des Trennspalts 4 liegt und insbesondere vom Primärrad 1 und/oder
Sekundärrad 2 oder
vom Aufnahmekörper 19 verdeckt
wird (1b, 2). Hierdurch
ist zum einen der Zulauf von Arbeitsmedium aus dem Düsenkanal 9 in
den Arbeitsraum 3 unterbunden, zum anderen wird die Kreislaufströmung 20 im
Arbeitsraum 3 durch Verschieben des Kolbens 7 in
seine inaktive Position nicht negativ beeinflusst, da kein Arbeitsmedium
in der Mündung 13 verwirbeln
kann.
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Das
Medium (hier das Arbeitsmedium der hydrodynamischen Maschine) im
Düsenkanal 9 dient entsprechend
der vorliegenden Ausführungsform
somit zugleich zum Verschieben des Kolbens 7 als auch zum
Erzeugen eines stark gebündelten
Fluidsperrstrahls 18.
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Bevorzugt
ist der Durchmesser der Mündung 13 relativ
kleiner als der Durchmesser der strömungsleitenden Verbindung 12 und
dieser ist insbesondere wiederum kleiner als der Durchmesser des Düsenkanals 9.
Somit bildet die Mündung 13 eine Düse aus.
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Im
Gegensatz zur 2, wo das elastische Element
radial außerhalb
des axialen Abschnittes der strömungsleitenden
Verbindung 12 im Kolben 7 angeordnet ist, ist
in den 1a und 1b das elastische
Element 10 radial innerhalb des axialen Abschnittes der
strömungsleitenden
Verbindung 12 angeordnet. Entsprechend der Anordnung in 2 ergibt
sich einerseits der Vorteil, dass die strömungsleitende Verbindung 12 in
einer inaktiven Position von dem Düsenkanal 9 getrennt
ist, was dadurch erreicht wird, dass der Kolben 7 mit der
dem Düsenkanal 9 zugewandten
Kolbenfläche
an einer Schulter der Begrenzung des Kolbenraums 16, hier
des Aufnahmekörpers 19,
aufliegt und die strömungsleitende
Verbindung 12 verschließt. Somit gelangt kein Arbeitsmedium
aus dem Düsenkanal 9 über die
strömungsleitende
Verbindung 12 und die Mündungen 13 in
den Arbeitsraum 3, solange der Druck im Düsenkanal 9 kleiner
oder gleich dem Grenzwert ist, der zur Verschiebung des Kolbens 7 nötig ist.
In anderen Worten ist die Verbindung zwischen der strömungsleitenden Verbindung 12 und
dem Düsenkanal 9 beziehungsweise
dem Arbeitsraum 3 gemäß der 2 abhängig von
der Position des Kolbens 7, wohingegen diese gemäß der Ausführung der 1a und 1b unabhängig von
der Stellung des Kolbens 7 stets freigegeben ist. Zum anderen
ermöglicht
die radial innere Anordnung des axialen Abschnittes der strömungsleitenden
Verbindung 12 gemäß der 2 in
Bezug auf das elastische Element 10 eine längere Ausgestaltung
des radialen Abschnittes der strömungsleitenden
Verbindung 12 bis zu den Mündungen 13, was zu einer
verbesserten Konstanz und zu einem stärker gebündelten Fluidsperrstrahl führt. Insbesondere
ist dann der Fluidsperrstrahl 18 in der Lage, in Radialrichtung
bis zum Außenumfang
des Arbeitsraums 3 oder des Trennspalts 4 oder über diese
hinauszureichen. Vorzugsweise wird angestrebt, dass der Fluidsperrstrahl 18 bis
in den Arbeitsmediumablauf 17 reicht, so dass im Wesentlichen
das gesamte Medium des Fluidsperrstrahls am Arbeitsraum 3 vorbei
in den Arbeitsmediumablauf 17 abgeführt werden kann.
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Die
beiden 3a und 3b zeigen
weitere Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Maschine. Im Wesentlichen sind dieselben Elemente wie in den vorausgegangenen Figuren
erkennbar. Bei der hydrodynamischen Maschine gemäß den beiden Figuren kann es
sich hierbei beispielsweise um einen Retarder oder eine hydrodynamische
Kupplung handeln. Dabei ist ein Aufnahmekörper 19, welcher wie
in den 1a, 1b und 2 gezeigt,
radial zwischen dem Arbeitsraum 3 und einer Antriebswelle
(hier nicht gezeigt) angeordnet sein kann, vorgesehen. Auch kann
der Aufnahmekörper 19,
wie in den vorhergehenden Figuren gezeigt, einen Düsenkanal 9 und
einen Füllkanal 5 sowie
einen Kolbenraum 16 ausbilden. Vorliegend ist ein Kolben 7,
welcher insbesondere ringförmig
ausgebildet ist, im Kolbenraum 16 zu dessen axialer Verschiebung
druckbeaufschlagbar angeordnet. Der Kolben 7 umfasst wenigstens
eine erste strömungsleitende
Verbindung 12, beispielsweise in Form wenigstens einer
Radialdurchgangsbohrung sowie wenigstens eine zweite strömungsleitende
Verbindung 21, beispielsweise ebenfalls in Form einer Radialdurchgangsbohrung.
Im vorliegenden Falle sind die erste strömungsleitende Verbindung 12 und
die zweite strömungsleitende
Verbindung 21 frei von einer arbeitsmediumleitenden Verbindung
untereinander und sind somit auch unabhängig von der Stellung des Kolbens 7 nicht
miteinander verbindbar. Hierdurch wird erreicht, dass je nach Stellung
des Kolbens 7 entweder die erste strömungsleitende Verbindung 12 zum
Befüllen
des Arbeitsraums 3 der hydrodynamischen Maschine freigegeben
wird (inaktive Position) oder die zweite strömungsleitende Verbindung 21, insbesondere
eine Vielzahl von zweiten strömungsleitenden
Verbindungen 21 zur Erzeugung eines Fluidsperrstrahls freigegeben
wird/werden (aktive Position).
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Es
kann vorgesehen sein, dass je nach Stellung des Kolbens 7 der
Strömungsquerschnitt
für Arbeitsmedium,
das in den Arbeitsraum 3 strömt, variiert wird, indem die
erste strömungsleitende
Verbindung 12 mehr oder minder freigegeben wird, somit der
Kolben 7 eine Steuerkante ausbildet.
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Somit
erfolgt im Gegensatz zu den 1a, 1b und 2 die
Erzeugung des Fluidsperrstrahls und die Befüllung des Arbeitsraums 3 zur Leistungsübertragung
ausschließlich
durch Arbeitsmedium aus dem Füllkanal 5.
Der Düsenkanal 9 wird somit
in diesem Fall lediglich zur Verschiebung des Kolbens 7 durch
Druckbeaufschlagung genutzt. Dies hat den Vorteil, dass zur Verschiebung
des Kolbens 7 niedrigerere Drücke erforderlich sind, als
zur Erzeugung eines Fluidsperrstrahls, so dass zum einen in Radialrichtung
Bauraum eingespart werden kann und zum anderen aufgrund des verhältnismäßig niedrigeren
Druckes eine aufwendige Abdichtung des Kolbenraums 16 gegenüber dem
Arbeitsraum 3 und dem Füllkanal 5 entfällt. Auch
hat dies den Vorteil, dass lediglich an einer Leitung, nämlich dem
Füllkanal 5,
ein hoher Druck angelegt werden muss, so dass insbesondere Druckverluste
aufgrund der Beaufschlagung nur einer Leitung weitestgehend minimiert
werden.
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In
der Regel weist jede zweite strömungsleitende
Verbindung 21 einen kleineren Strömungsquerschnitt auf als die
eine oder jede erste strömungsleitende
Verbindung 12, um mit den zweiten strömungsleitenden Verbindungen 21 sicher
einen scharfen Fluidstrahl zu erzeugen.
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Vorteilhaft
ist auch hier ein elastisches Element 10 vorgesehen, welches
den Kolben 7 gegen das Primärrad 1 und/oder das
Sekundärrad 2 oder ein
anderes, insbesondere stationäres
Bauteil, wie den Aufnahmekörper 19,
vorspannt. Auch kann das elastische Element 10 eine oben
beschriebene Feder sein.
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In 3a ist
das elastische Element 10 radial innerhalb des Kolbens 7 angeordnet
und wird hier vom Sekundärrad 2 umschlossen.
Das elastische Element 10 stützt sich mit seinem einen Ende
an einer Stirnseite einer Auskragung des Aufnahmekörpers 19 und
mit seinem anderen Ende an einer Stirnseite eines Absatzes des Kolbens 7 ab.
Vorliegend fällt
die Längsmittelachse des
elastischen Elements 10 mit der Längsmittelachse der hydrodynamischen Maschine
zusammen. In 3b ist das elastische Element 10 zwischen
einer Stirnfläche
der Begrenzung des Kolbenraums 16, welche im Primärrad 1 eingearbeitet
ist, und einer dem Primärrad 1 zugewandten
Stirnfläche
des Kolbens 7 angeordnet. Dabei ist die Stirnfläche jene
Stirnfläche,
welche der vom Druckmedium im Düsenkanal 9 beaufschlagten Kolbenfläche entgegengesetzt
ist. Anstelle der gezeigten Position des elastischen Elements 10 könnte dieses
auch im Bereich der Einmündung
des Düsenkanals 9 im
Kolbenraum 16 angeordnet sein, und sich mit seinem einen
Ende an einer Begrenzung des Kolbenraums 16 und mit seinem
anderen Ende an der Kolbenfläche
des Kolbens 7 abstützt.
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Da
hier die Längsmittelachse
des elastischen Elements 10 nicht mit der der hydrodynamischen
Maschine zusammenfällt,
ist der Durchmesser des elastischen Elements 10 gemäß 3b kleiner als
der des elastischen Elements 10 der 3b. Vorteilhaft
ist eine Vielzahl von elastischen Elementen 10 in Umfangsrichtung
des Kolbens 7 angeordnet.
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Beispielsweise
kann auch der Kolben 7 in einem Schnitt durch die Längsachse
der hydrodynamischen Maschine von der dargestellten L-Form abweichen,
so sind beispielsweise ebenso eine Rechteckform, Z- oder C-Form
denkbar.
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Anstelle
der Beaufschlagung des Kolbens 7 mit Arbeitsmedium kann
eine axiale Verschiebung auch durch Druckluft, welche in den Düsenkanal 9 eingeleitet
wird, erfolgen. Anstelle der hydraulischen oder pneumatischen Betätigung des
Kolbens 7 sind auch elektrische, elektromagnetische oder
mechanische Betätigungseinrichtungen
wie beispielsweise ein Elektromotor denkbar.
-
- 1
- Primärrad
- 2
- Sekundärrad
- 3
- Arbeitsraum
- 4
- Trennspalt
- 5
- Füllkanal
- 6
- Einspritzvorrichtung
- 7
- Kolben
- 8
- Einspritzring
- 9
- Düsenkanal
- 10
- elastisches
Element
- 11
- Ventilkörper
- 12
- strömungsleitende
Verbindung
- 13
- Mündung
- 14
- Antriebswelle
- 15
- Gehäuse
- 16
- Kolbenraum
- 17
- Arbeitsmediumablauf
- 18
- Fluidsperrstrahl
- 19
- Aufnahmekörper
- 20
- Kreislauftrömung
- 21
- zweite
strömungsleitende
Verbindung