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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit axialer Durchströmung und gegenläufigen Schaufelrädern zum Erzeugen einer Fluidströmung für einen effizienten Betrieb in vorgegebenen Betriebspunkten, wie Teil- und Volllastbetrieb. Die Strömungsmaschine kann zur Verwendung als Antriebseinheit eines Fahrzeugs oder als Propeller, Ventilator oder als Verdichter zum Fördern eines Fluids vorgesehen sein.
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Strömungsmaschinen mit gegenläufigen Schaufelrädern sind bekannt aus den verschiedensten Bereichen der Technik, z. B. Propellern für Schiffsantriebe oder Rotoren für Hubschrauberantriebe, ebenso wie Ventilatoren für die stationäre Förderung von Fluiden. Diese sind typischerweise aus mindestens einem Schaufelrad und mindestens einem Gegenlauf-Schaufelrad aufgebaut. Neben einem durch diese Bauweise angestrebten Ausgleich des Drehmomentes bieten die Strömungsmaschinen mit gegenläufigen Schaufelrädern strömungstechnische Vorteile und damit bessere Wirkungsgrade als Strömungsmaschinen mit einsinnig drehenden Schaufelrädern.
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Dies ist vor allem dadurch bedingt, dass die, durch drallbehaftete Abströmung verursachte, Verlustleistung bei Strömungsmaschinen mit gegenläufigen Schaufelrädern reduziert ist. Eine vollständig bzw. nahezu drallfreie Abströmung aus der Strömungsmaschine ist jedoch nur durch eine separate Steuerung der jeweiligen Drehzahl des Schaufelrades und des Gegenlauf-Schaufelrades erreichbar. Dies gilt insbesondere für Betriebspunkte der Strömungsmaschine, die vom Auslegungspunkt abweichen. Die Strömungsmaschine ist hierbei ohne eine separate Drehzahlsteuerung des Gegenlauf-Schaufelrades nicht im strömungstechnischen Optimum betreibbar.
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Neben dem Drall der Abströmung der Strömungsmaschine ist die Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades von wesentlichem Einfluss auf den Wirkungsgrad. Die Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades erfolgt im Idealfall stoßfrei, d. h., der Eintrittswinkel des Profils des Gegenlauf-Schaufelrades stimmt mit der Anströmrichtung auf dessen Eintrittskante überein. Die Einstellung der stoßfreien Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades ist ebenso wie das Erreichen einer drallfreien Abströmung ohne unabhängige Steuerung der Drehzahl des Gegenlauf-Schaufelrades für verschiedene Betriebspunkte nicht erreichbar.
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In
DE 1 932 929 C3 ist ein Antrieb für Schiffe offenbart, wobei das Schaufelrad und das Gegenlauf-Schaufelrad durch getrennte Motoren angetrieben und somit unabhängig voneinander gesteuert werden können. Der wesentliche Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass zur separaten Steuerung der Drehzahl des Schaufelrades und des Gegenlauf-Schaufelrades jeweils getrennte Antriebe erforderlich sind, wobei diese Antriebe zudem eine einfache Drehzahlregelung ermöglichen müssen.
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Ein gegenläufiger Schiffspropeller mit einem Antrieb und einem drehrichtungsändernden Planetengetriebe ist in
JP S59 96092 beschrieben, wobei durch einen mit dem Planetenrad gekoppelten hydraulischen Motor die Drehzahl des Gegenlauf-Schaufelrades für vorgegebene Betriebspunkte gesteuert ist. Das Drehzahlverhältnis von Schaufelrad und Gegenlauf-Schaufelrad ist für einen bestimmten, vorgegebenen Betriebspunkt jedoch festgelegt und nicht mehr veränderbar. Es ist folglich nicht möglich, eine Anpassung bei Änderungen im Betriebszeitraum, die z. B. durch Verschleiß oder sich ändernde Anlagenkennlinien infolge Verschmutzung oder Umbau verursacht werden, vorzunehmen.
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In
DE 10 002 092 A1 ist ein Schiffsantrieb mit einem Elektromotor beschrieben, wobei sich die Drehzahl des Gegenlauf-Schaufelrades durch Drehmomentausgleich in jedem Betriebspunkt selbsttätig einstellt. Eine ähnliche Lösung ist in
DE 19 828 562 B4 mittels Anwendung eines Planetendifferentialgetriebes für den Verdichter eines Flugtriebwerkes offenbart. Beide Lösungen weisen den Nachteil auf, dass zwar eine automatische Regelung der Drehzahl des Gegenlauf-Schaufelrades erfolgt, diese jedoch auf dem Drehmomentausgleich beruht und folglich nicht zwingend das strömungstechnische Optimum eingestellt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine mit gegenläufigen Schaufelrädern zum Erzeugen einer Fluidströmung bereitzustellen, die unabhängig von der Antriebsart eine stets drallfreie Abströmung des Fluids oder eine stoßfreie Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades für eine Vielzahl vorgegebener Betriebspunkte aufweist, der Drall des abströmenden Fluids der Strömungsmaschine oder die Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades über den gesamten Betriebszeitraum steuerbar ist und die Strömungsmaschine durch nur einen Antrieb angetrieben ist.
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Die Aufgabe wird durch die Strömungsmaschine mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 beschrieben, vorteilhafte Verwendungen ergeben sich aus den Ansprüchen 9 und 10.
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Gemäß der Erfindung wird eine Strömungsmaschine mit gegenläufigen Schaufelrädern zum Erzeugen einer Fluidströmung bereitgestellt, die in der Art und Weise steuerbar ist, dass stets eine drallfreie Abströmung des Fluids aus der Strömungsmaschine oder eine stoßfreie Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades für jeden der vorgegebenen Betriebspunkte erzielbar ist.
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Die Strömungsmaschine umfasst in grundsätzlich bekannter Weise eine Antriebswelle, eine drehmomentübertragende Kopplung, eine Ausgleichswelle, ein drehrichtungsänderndes Getriebe, eine Gegenlauf-Welle, mindestens ein Schaufelrad und mindestens ein Gegenlauf-Schaufelrad, die bezüglich ihrer Drehrichtung koaxial auf einer Drehachse angeordnet sind. Im Folgenden wird der Singular für das Schaufelrad und das Gegenlauf-Schaufelrad verwendet. Es können jedoch mehr als ein Schaufelrad und mehr als ein Gegenlauf-Schaufelrad vorgesehen sein.
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Die Antriebswelle ist mit einer Antriebsvorrichtung zum Erzeugen einer Rotationsbewegung um die Drehachse verbunden. Die Ausgleichswelle ist axial zu der Drehachse in Strömungsrichtung des Fluids hinter der Antriebswelle angeordnet. Die Antriebswelle und die Ausgleichswelle sind mittels der drehmomentübertragenden Kopplung miteinander verbunden. Die Gegenlauf-Welle ist als Hohlwelle ausgebildet, wobei sie um die Ausgleichswelle angeordnet ist. Die Gegenlauf-Welle und die Ausgleichswelle sind durch das drehrichtungsändernde Getriebe gekoppelt. Das Schaufelrad ist mit der Antriebswelle fest verbunden und das Gegenlauf-Schaufelrad ist mit der Gegenlauf-Welle fest verbunden, wobei diese Verbindung z. B. durch Aufschrumpfen oder Verschweißen herstellbar ist. Durch die Rotation des Schaufelrades und des Gegenlauf-Schaufelrades ist die Fluidströmung erzeugbar. Das Schaufelrad und das Gegenlauf-Schaufelrad sind derart ausgebildet, dass der zur Drehachse parallele Anteil der von ihnen jeweils hervorgerufenen Fluidströmung dieselbe Richtung aufweist. Typische, grundsätzlich bekannte Bauformen sind z. B. gegenläufige Axialventilatoren oder Axialverdichter.
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Erfindungsgemäß ist die drehmomentübertragende Kopplung zwischen Antriebs- und Ausgleichswelle eine Hysteresekupplung. Die Hysteresekupplung ist eine spezifische Bauform einer Magnetkupplung und umfasst eine antriebsseitige Kupplungshälfte und eine abtriebsseitige Kupplungshälfte, auf die ferromagnetisches Material aufgebracht ist oder die aus ferromagnetischen Werkstoffen hergestellt sind. Die Übertragung des Drehmomentes von der antriebsseitigen Kupplungshälfte auf die abtriebsseitige Kupplungshälfte erfolgt durch magnetische Wechselwirkungskräfte. Eine Berührung der beiden Kupplungshälften ist für die Übertragung eines Drehmomentes folglich nicht erforderlich. Damit ist ermöglicht, dass die Kupplung auch asynchron, d. h., bei unterschiedlicher Drehzahl der beiden Kupplungshälften betreibbar ist, ohne dass es zu Verschleiß an den Kupplungshälften kommt.
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Die Hysteresekupplung ist weiterhin so ausgebildet, dass die Position der abtriebsseitigen Kupplungshälfte entlang der Drehachse verschiebbar und somit der Abstand der beiden Kupplungshälften zueinander veränderbar ist. Die Position der antriebsseitigen Kupplungshälfte ist durch eine feste Verbindung mit der Antriebswelle in ihrer Position entlang der Drehachse unveränderlich. Die abtriebsseitige Kupplungshälfte ist mit der Ausgleichswelle zumindest drehfest verbunden, um die Drehmomentübertragung sicherzustellen. Die Verschiebung der abtriebsseitigen Kupplungshälfte kann auf der Ausgleichswelle oder, bei fester Verbindung mit der Ausgleichswelle, mit dieser gemeinsam erfolgen.
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Die Veränderung des Abstandes der beiden Kupplungshälften der Hysteresekupplung bewirkt eine Veränderung der magnetischen Wechselwirkungskräfte und folglich des Drehmomentes, das von der Antriebswelle auf die Ausgleichswelle übertragen wird. Das über die Gegenlauf-Welle und das drehrichtungsändernde Getriebe mit der Ausgleichswelle verbundene Gegenlauf-Schaufelrad ändert infolge der Wechselwirkung mit dem Fluid die Drehzahl und damit den durch dieses der Strömung aufgeprägten Drall. Der Drall des abströmenden Fluids aus der Strömungsmaschine ist durch die Überlagerung des der Strömung aufgeprägten Dralls von Schaufelrad und Gegenlauf-Schaufelrad gebildet und somit durch die Drehzahlen des Schaufelrades und des Gegenlauf-Schaufelrades bestimmt. Der Abstand der Kupplungshälften der Hysteresekupplung ist erfindungsgemäß so gesteuert, dass die Drehzahl des Gegenlauf-Schaufelrades den Drall der Strömung des Laufrades vollständig kompensiert und die Abströmung aus der Strömungsmaschine drallfrei erfolgt.
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Alternativ zur Einstellung einer vollständig drallfreien Abströmung der Strömungsmaschine ist die Drehzahl des Gegenlaufrades durch Veränderung des Abstands der beiden Kupplungshälften so gesteuert, dass die Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades stoßfrei erfolgt.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Strömungsmaschine in einer Vielzahl vorgegebener Betriebspunkte ohne den verlustbehafteten Drall des abströmenden Fluids oder mit stoßfreier Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades betreibbar ist. Bei Änderung des vorgegebenen Betriebspunktes ist durch die Verstellung der Hysteresekupplung die Drehzahl des Gegenlauf-Schaufelrades veränderbar. Damit ist ein Erreichen einer drallfreien Abströmung oder die stoßfreie Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades für den veränderten Betriebspunkt ermöglicht.
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Ob die drallfreie Abströmung oder die stoßfreie Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades gesteuert ist, ist abhängig davon, welcher der beiden Faktoren den stärksten Einfluss auf den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine aufweist.
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Es ist zudem vorteilhaft, dass Veränderungen im Betriebszeitraum, z. B. durch Verschleiß an dem Schaufelrad und/oder dem Gegenlauf-Schaufelrad oder durch eine Veränderung der Anlagenkennlinie infolge Verschmutzung oder Umbau, durch die jederzeit mögliche Verstellbarkeit der Hysteresekupplung ausgleichbar sind.
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Der besondere Vorteil der Hysteresekupplung ist der berührungs- und verschleißfreie Betrieb, da es sich um eine Bauform einer Magnetkupplung handelt. Ebenfalls ermöglicht die Anwendung der Hysteresekupplung, dass die Kupplung mit Schlupf betreibbar ist, und folglich unterschiedliche Drehzahlen der Antriebs- und Ausgleichswelle möglich sind.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das drehrichtungsändernde Getriebe derart ausgebildet sein, dass die Drehzahl von der Gegenlauf-Welle zu der Ausgleichswelle reduzierbar ist. Dies ist vorteilhaft, da bei einer strömungsoptimierten Auslegung der Strömungsmaschine die Drehzahl des Gegenlauf-Schaufelrades im Allgemeinen signifikant niedriger als die Drehzahl des Schaufelrades ist.
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Die Verbindung der abtriebsseitigen Kupplungshälfte mit der Ausgleichswelle kann derart ausgebildet sein, dass diese nicht nur drehfest, sondern zusätzlich axial fest ausgeführt ist. Der Vorteil dieser Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass durch die axiale Verschiebung der Ausgleichswelle gemeinsam mit der abtriebsseitigen Kupplungshälfte, die Veränderung des Abstandes der beiden Kupplungshälften erreichbar ist und keine zusätzliche Vorrichtung zur Verschiebung der abtriebsseitigen Kupplungshälfte entlang der Ausgleichswelle erforderlich ist.
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Des Weiteren kann die Strömungsmaschine eine Steuerungsvorrichtung aufweisen, die mit der abtriebsseitigen Kupplungshälfte gekoppelt ist und die Verstellung dieser steuert. Die Steuerungsvorrichtung gibt dabei die axiale Position der abtriebsseitigen Kupplungshälfte derart vor, dass der von dem Schaufelrad hervorgerufene Austrittsdrall und der von dem Gegenlauf-Schaufelrad hervorgerufene, gegenläufige Austrittsdrall sich gegenseitig aufheben. Die Steuerungsvorrichtung kann dabei z. B. so ausgebildet sein, dass die Position der axialen Verstellung der abtriebsseitigen Kupplungshälfte in Abhängigkeit der Drehzahl des Schaufelrades vorgegeben ist, oder dass diese mit einer Drallmessvorrichtung im abströmenden Fluid über einen Regelungsmechanismus gekoppelt ist. Der Vorteil dieser Steuerungsvorrichtung ist, dass für jeden Betriebspunkt der Strömungsmaschine die drallfreie Abströmung gemäß der Vorgabe der Steuerung einstellbar ist.
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Eine Steuerungsvorrichtung, die wiederum mit der abtriebsseitigen Kupplungshälfte gekoppelt ist, kann ferner so ausgebildet sein, dass die Verstellung der abtriebsseitigen Kupplungshälfte derart stattfindet, dass die Anströmung des Gegenlauf-Schaufelrades stoßfrei erfolgt. Dazu ist z. B. die Position der axialen Verstellung der abtriebsseitigen Kupplungshälfte in Abhängigkeit der Drehzahl des Schaufelrades vorgegeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Hysteresekupplung als Stirndrehkupplung oder als Zentraldrehkupplung ausgeführt ist.
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Bei einer Stirndrehkupplung ist das ferromagnetische Material auf den Stirnflächen der als kreisförmige Scheiben ausgebildeten Kupplungshälften angeordnet und die magnetische Wechselwirkung erfolgt über den axialen Spalt zwischen den Stirnflächen der beiden Kupplungshälften. Die Vergrößerung des axialen Abstandes der beiden Kupplungshälften bewirkt eine Verringerung der magnetischen Wechselwirkung und damit des übertragbaren Drehmomentes. Vorteilhaft ist die Stirndrehkupplung bei Übertragung hoher Drehmomente und wenig vorhandenem Bauraum anwendbar, weist jedoch bei Vergrößerung des Abstandes der beiden Kupplungshälften zueinander vergleichsweise hohe Rückstellkräfte auf.
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Bei einer Zentraldrehkupplung sind dagegen die beiden Kupplungshälften als ineinander geschobene Ringe ausgebildet und die magnetische Wechselwirkung erfolgt über die Mantelflächen der Ringe. Die Verschiebung der Kupplungshälften zueinander bewirkt bei Verringerung der Überdeckung der beiden Mantelflächen eine Verringerung der magnetischen Wechselwirkung. Die Hysteresekupplung in der Bauart als Zentraldrehkupplung ist dann vorteilhaft, wenn eine schnellere Verschiebung der beiden Kupplungshälften zueinander ermöglicht sein soll, da die Rückstellkräfte gegenüber der Ausführung als Stirndrehkupplung niedriger sind.
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Ferner kann die Strömungsmaschine mit einer Mehrzahl von Schaufelrädern und Gegenlauf-Schaufelrädern ausgeführt sein, wobei in Strömungsrichtung direkt hinter jedem Schaufelrad ein Gegenlauf-Schaufelrad angeordnet ist. Die Anwendung einer Mehrzahl von Schaufelrädern und Gegenlauf-Schaufelrädern kann dann von Vorteil sein, wenn die erstrebte Strömungsleistung oder die Verdichtung des Fluids nicht durch den Einsatz eines einzelnen Schaufelrades und eines einzelnen Gegenlauf-Schaufelrades erreichbar sind.
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Die Strömungsmaschine kann zum Antreiben eines Fahrzeugs oder Fahrzeugmodells, sowie als Propeller, Ventilator oder Verdichter zum Fördern eines Fluids, wie z. B. Luft oder Wasser, verwendet werden.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Dazu zeigt die Figur die Strömungsmaschine mit gegenläufigen Schaufelrädern im Längsschnitt.
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Die Strömungsmaschine weist ein Paar gegenläufiger Schaufelräder mit dem Schaufelrad 2.1 und dem Gegenlauf-Schaufelrad 2.2 auf. Das Schaufelrad 2.1 ist mit der Antriebswelle 1.1 und das Gegenlauf-Schaufelrad 2.2 ist mit der Gegenlauf-Welle 1.2 fest verbunden. Die Antriebswelle 1.1 ist durch die Antriebsvorrichtung, die in der Figur nicht dargestellt ist, in rotierende Bewegung um die Drehachse 9 versetzbar. Die rotierende Bewegung ist in der Figur schematisch durch den Pfeil um die Drehachse 9 dargestellt. Die Antriebswelle 1.1 ist mit der Ausgleichswelle 1.3 durch die drehmomentübertragende Kopplung 3 in Form einer Hysteresekupplung verbunden.
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Die Hysteresekupplung umfasst die antriebsseitige Kupplungshälfte 3.1 und die abtriebsseitige Kupplungshälfte 3.2, die berührungsfrei voneinander gelagert sind. Die antriebsseitige Kupplungshälfte 3.1 ist mit der Antriebswelle 1.1 und die abtriebsseitige Kupplungshälfte 3.2 ist mit der Ausgleichswelle 1.3 fest verbunden. Die abtriebsseitige Kupplungshälfte 3.2 ist translatorisch axial zur Drehachse 9 verschiebbar. Die veränderte axiale Position der abtriebsseitigen Kupplungshälfte 3.2 bewirkt eine entsprechende Änderung des übertragenen Drehmomentes von der Antriebswelle 1.1 auf die Ausgleichswelle 1.3. Die Ausgleichswelle 1.3 ist über das drehrichtungsändernde Getriebe 4 mit der Gegenlauf-Welle 1.2 gekoppelt.
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Ist die Antriebswelle 1.1 in Drehbewegung versetzt, rotiert das Schaufelrad 2.1 mit der Antriebswelle 1.1 und das Gegenlaufrad 2.2 mit der Gegenlauf-Welle 1.2, in der Figur schematisch durch die Drehrichtungsangaben auf den Schaufeln dargestellt. Die Erzeugung der Fluidströmung 7 erfolgt durch die Rotation von dem Schaufelrad 2.1 und dem Gegenlauf-Schaufelrad 2.2. Die Fluidströmung 7.1 im Eintritt der Strömungsmaschine ist drallfrei dargestellt. Die Fluidströmung 7.2 in Strömungsrichtung hinter dem Schaufelrad 2.1 weist einen Drall mit identischer Drehrichtung wie das Schaufelrad 2.1 auf. Der Vordrall der Fluidströmung 7.3 in das Gegenlauf-Schaufelrad 2.2 ist durch dessen entgegengesetzte Drehrichtung abgebaut, sodass das abströmende Fluid 7.4 die Strömungsmaschine drallfrei verlässt.
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Die drallfreie Fluidströmung 7.4 ist durch die Steuerung der Drehzahl des Gegenlauf-Schaufelrades 2.2 erreichbar. Die Drehzahl des Gegenlauf-Schaufelrades 2.2 ist durch das übertragene Drehmoment der Hysteresekupplung bestimmt, d. h. durch die axiale Position der abtriebsseitigen Kupplungshälfte 3.2.
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Die Steuerungsvorrichtung 8 ist über die Ausgleichswelle 1.3 mit der abtriebsseitigen Kupplungshälfte 3.2 gekoppelt und axial zur Drehachse 9 verstellbar, in der Figur schematisch durch den Doppelpfeil dargestellt. Die Steuerungsvorrichtung 8 ist so ausgeführt, dass bei vorgegebener Drehzahl des Schaufelrades 2.1 die axiale Position der Steuerungsvorrichtung 8 und folglich der abtriebsseitigen Kupplungshälfe 3.2, so eingestellt ist, dass die Fluidströmung 7.4 aus der Strömungsmaschine heraus drallfrei ist.
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Die Strömungsmaschine gemäß der Figur ist als Ventilator mit gegenläufigen Schaufelrädern dargestellt, der zusätzlich zu den bereits beschriebenen Bauteilen das Gehäuse 5 und die Streben 6 aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- Antriebswelle
- 1.2
- Gegenlauf-Welle
- 1.3
- Ausgleichswelle
- 2.1
- Schaufelrad
- 2.2
- Gegenlauf-Schaufelrad
- 3
- drehmomentübertragende Kopplung
- 3.1
- antriebsseitige Kupplungshälfte
- 3.2
- abtriebsseitige Kupplungshälfte
- 4
- drehrichtungsänderndes Getriebe
- 5
- Gehäuse
- 6
- Strebe
- 7
- Fluidströmung
- 7.1
- Fluidströmung, in die Strömungsmaschine
- 7.2
- Fluidströmung bei Dralländerung durch das Schaufelrad
- 7.3
- Fluidströmung bei Dralländerung durch das Gegenlauf-Schaufelrad
- 7.4
- Fluidströmung, aus der Strömungsmaschine
- 8
- Steuerungsvorrichtung
- 9
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1932929 C3 [0005]
- JP 5996092 [0006]
- DE 10002092 A1 [0007]
- DE 19828562 B4 [0007]
