DE102013226580B4

DE102013226580B4 - Hydrodynamische Maschine mit Verschleißschutz

Info

Publication number: DE102013226580B4
Application number: DE102013226580.8A
Authority: DE
Inventors: Walter Eberlein; Alexander Schreiber; Manfred Schiffmann; Werner Adams; Thomas Ohr
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: DE102013226580A1

Abstract

Hydrodynamischer Wasserretarder, umfassend ein erstes Schaufelrad (4), insbesondere Rotor, und ein zweites Schaufelrad (3), insbesondere Stator, die in einem zweiteiligen Gehäuse (1, 2) einem Rotorgehäuseteil (1) und einem Statorgehäuseteil (2) angeordnet sind, wobei das erste und zweite Schaufelrad einen torusförmigen Arbeitsraum (5) ausbilden, der über einen Einlasskanal (12) mit einem Arbeitsfluid befüllbar und über eine Auslassöffnung (9, 16) entleerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Auslassöffnung (16) eine durch das Rotorgehäuse (1) verlaufende Radialauslassöffnung (16) ist, wobei die Radialauslassöffnung (16) abschnittsweise durch ein Schutzelement (14) und/oder einen ringförmigen Vorsprung (19) des Stators (3) verläuft, sodass zumindest der Flächenbereich (21) um die Radialauslassöffnung (16), der dem Rotor (4) zugewandt ist, verschleißfest ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine mit verbessertem Verschleißschutz, insbesondere einen hydrodynamischen Retarder, zur Erzeugung eines Bremsmomentes mittels eines Arbeitsfluides, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Wie allgemein bekannt, weist ein Retarder in der Regel ein erstes Schaufelrad bzw. Rotor und ein zweites Schaufelrad bzw. Stator auf, die in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei Rotor und Stator einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden. Der Arbeitsraum ist über einen Einlasskanal mit einem Arbeitsfluid befüllbar und zumindest über eine Auslassöffnung entleerbar.
Die Anforderungen an die Verschleißfestigkeit, insbesondere an die Kavitationsbeständigkeit von hydrodynamischen Maschinen, insbesondere von Wasserretardern, werden durch die vergrößerten Leistungsdichten derartiger Maschinen immer wichtiger. So musste festgestellt werden, dass in zwei Bereichen des Retarders immer häufiger Schäden durch Kavitation auftreten. Das ist einmal der Bereich zwischen Rotor und Gehäuse und dort insbesondere im Bereich um die Radialauslassöffnung und zum anderen im Bereich hinter der Auslassöffnung im Stator, insbesondere an der Aufprallfläche, auf die das durch die Auslassöffnung aus dem Arbeitsraum austretende Arbeitsfluid während des Bremsbetriebs geleitet wird.
Um Kavitationsschäden zu vermeiden, wird meist das ganze betreffende Bauteil entsprechend kavitationsfest ausgeführt bzw. behandelt. So wird beispielsweise das Rotorgehäuse eines Wasserretarders mit einer verschleißfesten Oberfläche beschichtet oder dieses wird ganz aus einem entsprechend widerstandsfähigen, meist relativ schwerem Material, wie Eisenguss, ausgeführt.
Um die Kavitation im Betrieb zu verringern, wird in der DE 298 07 986 U1 ein Retarder offenbart, der am Umfang des Stators einen Vorsprung aufweist, der dazu geeignet ist, insbesondere die Kavitation im Betrieb bzw. im befüllten Zustand zu verringern.
Aus der DE10 2009 005 504 A1 ist ein Kühlwasserkreislauf bekannt, in dem ein Wasserretarder angeordnet ist. Gerade bei einem derartig aufgebauten Wasserretarder ist insbesondere der Bereich der Auslassöffnung einem erhöhten Verschleiß aufgrund von Kavitation ausgesetzt.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, den Verschleißschutz einer hydrodynamischen Maschine zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer hydrodynamischen Maschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Lösungsvarianten sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine hydrodynamische Maschine, insbesondere einen hydrodynamischen Retarder der eingangs genannten Art, mit zumindest einer Auslassöffnung derart zu gestalten, dass zumindest eine Auslassöffnung eine dem Rotorgehäuse zugeordnete Radialauslassöffnung ist, wobei zumindest der Flächenbereich um die Radialauslassöffnung, der dem Rotor zugewandt ist, verschleißfest ausgeführt ist.
Der Rotor kann in allen Ausführungen auch axial verschiebbar ausgeführt sein, wobei dann die Radialauslassöffnung im Schiebebereich des Rotors angeordnet ist. Insbesondere kann die Radialauslassöffnung mittig zum geöffneten Spalt zwischen Rotor und Stator angeordnet sein.
Weiterhin kann in die Radialauslassöffnung ein Umlenkelement eingesetzt sein, welches in den Radialspalt zwischen Rotor und Rotorgehäuse hineinragt. Dadurch wird erreicht, dass Entleerung des Arbeitsraums beschleunigt wird, sodass der Retarder schneller in den Nicht-Bremsbetrieb übergeht.
In einer bevorzugten Ausführung kann der Flächenbereich ein Flächenbereich auf einem Prallelement sein, wobei das Prallelement dann dem Gehäuse zugeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist dann zum Beispiel, das Gehäuse im Bereich des Rotors ringförmig auszukleiden.
Die Verbindung des Prallelementes mit dem Gehäuse kann dabei kraft- und/oder formschlüssig ausgeführt sein, damit diese sich nicht gegenüber dem Gehäuse verdrehen kann. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das Prallelement zwischen Stator und Gehäuse geklemmt wird.
In einer weiteren Ausführung kann der Flächenbereich, in dem die Radialauslassöffnung positioniert ist auch eine Fläche sein, die dem Stator zugeordnet ist, insbesondere kann das eine Fläche an einem ringförmigen Vorsprung des Stators sein. Da der Stator in der Regel aus einem verschleißfesteren Material gefertigt ist, entfällt der zusätzliche Aufwand für die Anbringung eines Verschleißschutzes.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Arbeitsraum zumindest über eine weitere Auslassöffnung entleerbar ist, wobei die Auslassöffnung im zweiten Schaufelrad angeordnet ist und das austretende Arbeitsfluid durch die Auslassöffnung gegen eine Aufprallfläche geleitet wird, wobei die Aufprallfläche verschleißfest ausgeführt ist.
Eine weitere Ausführungsvariante kann aber auch derart gestaltet sein, dass die Auslassöffnung nur eine dem zweiten Schaufelrad zugeordnete Auslassöffnung ist, wobei die Auslassöffnung im zweiten Schaufelrad derart angeordnet ist, dass das austretende Arbeitsfluid durch die Auslassöffnung gegen eine Aufprallfläche geleitet wird, wobei die Aufprallfläche verschleißfest ausgeführt ist. In dieser Ausführung wird auf die Radialauslassöffnung verzichtet, was den Aufbau des Retarders vereinfacht.
In einer Ausführungsvariante kann die Aufprallfläche ein Flächenbereich am zweiten Schaufelrad bzw. am Stator angeordnet sein.
Alternativ dazu kann die Aufprallfläche ein Flächenbereich auf einem Prallelement sein, wobei das Prallelement am Stator oder alternativ auch am Retardergehäuse angeordnet bzw. befestigt sein kann.
Das Prallelement wie auch das Schutzelement können als Blechteil, Gussteil, Schmiedeteil oder Sinterteil ausgeführt sein. Bei der Verwendung eines Prallelements oder auch Schutzelementes kann die Verschleißfestigkeit partiell und somit gezielt entsprechend der Anforderungen angepasst werden.
Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Maschine und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.
In diesen zeigen:
1 zeigt einen Retarder im Schnitt mit Verschleißschutz
2 und 3 zeigen die radiale Auslassöffnung mit Verschleißschutz
4–7 zeigen verschiedene Verschleißschutzausführungen
1 zeigt einen Retarder im Schnitt, der verschleißfeste Flächen 20, 21 aufweist. Üblicherweise tritt beim Betrieb des Retarders, im Bremsbetrieb, an zwei Stellen erhöhter Verschleiß bzw. Kavitation auf. Das ist einmal die Fläche 21 an der vermehrt Kavitation auftritt, weil die Differenzgeschwindigkeit zwischen stehendem Gehäuse bzw. stehender Fläche 21 und rotierenden Rotor 4 hier sehr groß ist. Am stärksten ist die Kavitation jedoch im Bereich der Radialauslassöffnung 16, da es hier zu zusätzlichen Verwirbelungen kommt. Weiterhin ist die Aufprallfläche 20, auf die das Arbeitsfluid durch die Auslassöffnung 9 aus dem Arbeitsraum 5 im Bremsbetrieb geleitet wird, besonders von Verschleiß bzw. Kavitation betroffen.
In der gezeigten Ausführung ist der Stator 3 derart ausgeführt, dass dieser im Bereich des Rotors 4 und im Bereich hinter dem Stator 3 jeweils einen umlaufenden Ring 18, 19 aufweist. Der Stator 3 ist also so ausgeführt, dass die verschleißgefährdeten Flächen 20, 21 Teil des Stators sind. Die verschleißgefährdeten Flächen bestehen somit aus dem gleichen, verschleißfesten Material wie der Stator selbst. Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Stator in dieser Ausführung relativ einfach auszutauschen, ohne das gesamte Gehäuse 1, 2 austauschen zu müssen.
Die Aufprallfläche 20 kann aber auch von einem Prallelement gebildet werden, welches im Statorgehäuse 2 eingesetzt und befestigt ist.
Die 2 und 3 zeigen verschiedene Ausführungen der Radialauslassöffnung 16 im Detail. An die Radialauslassöffnung 16 kann bei einem Wasserretarder eine Pumpe angeschlossen sein, sodass der Arbeitsraum 5 des Retarders schnell vollständig entleert werden kann.
So ist in 2 eine Radialauslassöffnung 16 mit einem eingesetzten Umlenkelement 15 dargestellt. Das Umlenkelement 15 ragt durch das Schutzelement 14a, hier ein separates Blechelement, in den Ringspalt 22. Gehalten wird das Schutzelement 14a durch das Schutzelement 14b, welches als Ringelement in das Rotorgehäuse eingesetzt ist. Durch das Umlenkelement 15 wird eine Schöpfwirkung erreicht, die eine schnelle Entleerung des Retarders unterstützt.
3 zeigt eine weitere Ausführung des Schutzelementes 14. In dieser Ausführung weist das Schutzelement 14 an der Stelle der Radialauslassöffnung 16 eine Umlenkkante 17 auf, die in das Schutzelement 14 eingearbeitet ist. Die Umlenkkante 17 ragt genauso wie das Umlenkelement 15 in den Ringspalt 22 und hat somit die gleiche Wirkung.
In den 4 bis 7 werden verschiedene Möglichkeiten dargestellt, wie der Verschleißschutz im Bereich des Rotors ausgeführt werden kann. Der hier dargestellte Retarder hat einen axial verschiebbaren Rotor 4, der im Bremsbetrieb in eine vordere Stellung und im Nicht-Bremsbetrieb in eine hintere Stellung, wie dargestellt, bewegt werden kann. In allen gezeigten Ausführungen weist der Stator 3 einen ringförmigen Vorsprung 19 auf. Der folgende Schiebebereich bzw. Radialbereich ist durch ein Schutzelement 14 geschützt. Dieses Schutzelement 14 kann ein Blech sein, dass in das Rotorgehäuse 1 eingesetzt und zwischen Rotorgehäuse 1 und Stator 3 klemmt ist. Die Klemmung muss dabei das Schutzelement 14 derart fixieren, dass eine Verdrehung des Schutzelementes des 14 immer Rotorgehäuse 1 unmöglich wird.
In den 4 bis 7 sind dazu verschiedene Fixiermöglichkeiten dargestellt. Neben der einfachen Klemmung kann beispielsweise auch ein Stehfalz 13 zur besseren Klemmung vorgesehen sein, wie in 5 dargestellt.
Weiterhin kann, wie in 6 dargestellt, das Schutzelement 14a, b mehrteilig oder als geteilter Ring ausgeführt sein, wobei dann die einzelnen Schutzelement 14a, b jeweils in entsprechende Nuten im Rotorgehäuse 1 eingesetzt sind.
Bezugszeichenliste

1: Rotorgehäuse
2: Statorgehäuse
3: Stator
4: Rotor
5: Arbeitsraum
6: Schaufel
7: Drehachse
8: Dichtung
9: Auslassbohrung Stator, Auslassöffnung
10: Auslassraum
11: Einlassraum
12: Einlasskanal
13: Stehfalz
14a, b: Schutzelement
15: Umlenkelement
16: Radialauslassöffnung
17: Umlenkkante
18: Schutzbereich Statorrückseite, Ring
19: Vorsprung, Ring
20: Aufprallfläche
21: Flächenbereich
22: Ringspalt, Radialspalt
23: Spalt

Claims

Hydrodynamischer Wasserretarder, umfassend ein erstes Schaufelrad (4), insbesondere Rotor, und ein zweites Schaufelrad (3), insbesondere Stator, die in einem zweiteiligen Gehäuse (1, 2) einem Rotorgehäuseteil (1) und einem Statorgehäuseteil (2) angeordnet sind, wobei das erste und zweite Schaufelrad einen torusförmigen Arbeitsraum (5) ausbilden, der über einen Einlasskanal (12) mit einem Arbeitsfluid befüllbar und über eine Auslassöffnung (9, 16) entleerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Auslassöffnung (16) eine durch das Rotorgehäuse (1) verlaufende Radialauslassöffnung (16) ist, wobei die Radialauslassöffnung (16) abschnittsweise durch ein Schutzelement (14) und/oder einen ringförmigen Vorsprung (19) des Stators (3) verläuft, sodass zumindest der Flächenbereich (21) um die Radialauslassöffnung (16), der dem Rotor (4) zugewandt ist, verschleißfest ausgeführt ist.
Hydrodynamischer Wasserretarder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor axial verschiebbar ausgeführt ist, wobei die Radialauslassöffnung (16) im Schiebebereich des Rotors (4) radial zu diesem angeordnet ist.
Hydrodynamischer Wasserretarder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Radialauslassöffnung (16) ein Umlenkelement (15) eingesetzt ist, welches in den Radialspalt (22) zwischen Rotor (4) und Rotorgehäuse (1) hineinragt.
Hydrodynamischer Wasserretarder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenbereich (21) ein Flächenbereich auf einem Schutzelement (14) ist.
Hydrodynamischer Wasserretarder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (14a, b) dem Rotorgehäuse (1) zugeordnet ist, insbesondere das Rotorgehäuse (1) im Bereich des Rotors (4) ringförmig auskleidet.
Hydrodynamischer Wasserretarder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (14a, b) kraft- und/oder formschlüssig mit dem Rotorgehäuse (1) verbunden ist.
Hydrodynamischer Wasserretarder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (14a, b) zwischen Stator (3) und Rotorgehäuse (1) geklemmt ist.
Hydrodynamische Wasserretarder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (5) zumindest über eine weitere Auslassöffnung (9) entleerbar ist, wobei die Auslassöffnung (9) im zweiten Schaufelrad (3) angeordnet ist und das austretende Arbeitsfluid durch die Auslassöffnung (9) gegen eine Aufprallfläche (20) geleitet wird, wobei die Aufprallfläche (20) verschleißfest ausgeführt ist.
Hydrodynamischer Wasserretarder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufprallfläche (20) ein Flächenbereich am Stator (3) ist.
Hydrodynamischer Wasserretarder nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufprallfläche (20) ein Flächenbereich auf einem Prallelement ist.
Hydrodynamischer Wasserretarder nach Anspruch 1 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallelement und/oder das Schutzelement (14) ein Blechteil, ein Gussteil, Schmiedeteil oder ein Sinterteil ist.