DE10303414B4

DE10303414B4 - Hydrodynamische Maschine

Info

Publication number: DE10303414B4
Application number: DE2003103414
Authority: DE
Inventors: Werner Adams
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: DE10303414A1

Abstract

Hydrodynamische Maschine;
1.1 mit einem Primärrad (2) und einem Sekundärrad (3), die Schaufeln (2.1) aufweisen, einen toroidalen Arbeitsraum (10, 10) miteinander bilden und die unter Belassen eines Spaltes axial nebeneinander angeordnet sind;
1.2 im Spalt zwischen den beiden Rädern (2, 3) befindet sich ein Schieber (11, 12);
1.3 der Schieber (11, 12) ist aus einer nicht-operativen Position radial innerhalb des Arbeitsraumes (10, 10) in eine strömungsbehindernde operative Position im Arbeitsraum (10, 10) einschiebbar;
1.4 es ist eine Halteeinrichtung (13) vorgesehen, die den Schieber (11, 12) bei Nenndrehzahl des Sekundärrades (3) in seiner nicht-operativen Position hält, und deren Kraft mit abnehmender Drehzahl das Sekundärrad aufgrund der abnehmenden Fliehkraft überwunden wird, so dass der Schieber (11, 12) eine operative, strömungsbehindernde Position einnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine, die nach dem Föttinger-Prinzip aufgebaut ist. Eine solche Maschine weist ein Primärteil und ein Sekundärteil auf. Die beiden Teile sind mit Schaufeln versehen. Sie bilden miteinander einen toroidalen Arbeitsraum, der während des Betriebes mit einem fließfähigen Medium gefüllt ist, beispielsweise mit einem Öl. Wird das Primärteil angetrieben und ist der Arbeitsraum mehr oder minder gefüllt, so wird mittels des Arbeitsmediums ein Drehmoment auf das Sekundärteil übertragen.
Bei hydrodynamischen Maschinen bestehen die beiden Teile aus Laufrädern, dem Primärrad oder Pumpenrad und dem Sekundärrad oder Turbinenrad. Es bekommen z. B. hydrodynamische Kupplungen oder hydrodynamische Bremsen (Retarder) in Betracht.

Beispiele einer hydrodynamischen Kupplung sind in DE 101 15 561 A1 dargestellt. Dabei ist dem Primärrad eine sogenannte Schale zugeordnet, die drehfest mit diesem verbunden ist und die das Sekundärrad in axialer und teilweise auch in radialer Richtung umschließt. Die Schale weist im Bereich ihres Außenumfanges Durchtrittsöffnungen auf, welche einen Übertritt von Betriebsmittel aus der Schale heraus in eine Auffangwanne ermöglichen. In einem geschlossenen Kreislauf wird das Betriebsmittel während des Betriebes der Kupplung aus der Wanne herausgeführt und dem Arbeitsraum der Kupplung wieder zugeführt.

Eine solche hydrodynamische Kupplung soll möglichst hohe Momente übertragen können. Hierzu werden besondere Maßnahmen getroffen. So sind die Schaufeln beispielsweise gegen Axialebenen geneigt angeordnet und außerdem an ihren Eintrittskanten angeschrägt.

Zwischen dem Primärrad und dem Sekundärrad kommt es während des Betriebes normalerweise zu einem mehr oder minder großen Schlupf. Dies bedeutet, dass die Drehzahl des Sekundärrades geringer ist, als diejenige des Primärrades. Der Schlupf kann sehr groß werden, beispielsweise dann, wenn die Kupplung zwischen einen Antriebsmotor (zum Beispiel einen Elektromotor) und eine Arbeitsmaschine (zum Beispiel ein Mahlwerkzeug) geschaltet ist. Wird dem Mahlwerkzeug eine hohe Arbeitsleistung abverlangt, so führt dies zu einer Absenkung der Drehzahl des Sekundärrades gegenüber der Drehzahl des Primärrades. Die Differenzdrehzahl ist somit sehr groß. Dies kann dazu führen, dass der Motor sehr stark „gedrückt" wird, so dass er Schaden nimmt.

Schiebervorrichtungen im Zusammenhang mit einer hydrodynamischen Maschine, um die Strömungsführung zu beeinträchtigen, werden in den folgenden Dokumenten offenbart:
US 2 464 215
DE 669 040 C
DE 1 264 172 B
DE 44 46 287 A1
US 2 556 666
DE 129 249 C

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Maschine, vor allem eine Kupplung, derart zu gestalten, dass eine unzulässig hohe Differenzdrehzahl zwischen der Drehzahl des Primärrades und der Drehzahl des Sekundärrades nicht auftritt. Es soll somit verhindert werden, dass bei starker Last auf der Sekundärseite ein allzu starker Abfall der Drehzahl des Sekundärrades eintritt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Gemäß dem Kerngedanken der Erfindung wird eine Schiebereinrichtung vorgesehen, die zunächst radial innerhalb des Arbeitsraumes angeordnet ist und die in den Arbeitsraum einschiebbar ist. Die Schiebereinrichtung wird im allgemeinen in einer achssenkrechten Ebene angeordnet sein.

Beim Normalbetrieb, das heißt bei gefülltem Arbeitsraum und bei nicht zu hoher Belastung auf der Sekundärseite wird die Schiebereinrichtung in der genannten Position, das heißt radial innerhalb des Arbeitsraumes, durch eine Halteeinrichtung, insbesondere eine Federeinrichtung gehalten. Im Folgenden wird diese Position die „nicht-operative" Position genannt. Die Haltekraft, z. B. die Kraft der Feder ist derart bemessen, dass sie mit abnehmender Drehzahl des Sekundärrades aufgrund der abnehmenden Fliehkraft überwunden wird, so dass die Schiebereinrichtung eine „operative" Position einnimmt. Dies bedeutet, dass sie aufgrund der abnehmenden Fliehkraft mehr oder minder weit in den Arbeitsraum in radialer Richtung nach außen verschoben wird, so dass sie die Strömung im Arbeitsraum der Kupplung entsprechend behindert. Wenn die Strömung behindert wird, so vermag die hydrodynamische Kupplung nicht mehr so viel oder gar kein Drehmoment mehr zu übertragen. Es wird somit auch dem Motor entsprechend weniger Leistung abverlangt, so dass der Motor keinen Schaden nimmt.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen Folgendes dargestellt:
1 zeigt in schematischer Darstellung in einem Halbaxialschnitt eine hydrodynamische Kupplung, bei welcher die Erfindung verwirklichbar ist.
2 zeigt in perspektivischer Darstellung das Rotor-Schaufelrad der Kupplung gemäß 1.
3 zeigt in einer Draufsicht eine zweiteilige Schiebereinrichtung in nicht-operativer Position.
4 zeigt die zu der Schiebereinrichtung gehörende Federeinrichtung.
5 zeigt den Gegenstand von 3 in operativer Position.
6 zeigt wiederum die zugehörende Federeinrichtung.
Die in 1 gezeigte Kupplung weist eine Antriebswelle 1 auf, auf die ein Rotor-Schaufelrad 2 aufgekeilt ist, ferner ein Stator-Schaufelrad 3, das auf einer Abtriebswelle 4 aufgekeilt ist.
Man sieht ferner einen Zulaufkanal 5, über welchen der hydrodynamischen Kupplung ein Arbeitsmedium zugeführt wird. Dieses gelangt zunächst in einen Verteilerraum 6 und tritt aus einem Austrittskanal 7 wieder aus. Am Rotor-Schaufelrad 2 befinden sich im radial inneren Bereich Füllschlitze 8, und im radial äußeren Bereich Entleerschlitze 9. Diese sind jedoch für die Erfindung ohne Bedeutung.
Das Rotor-Schaufelrad und das Stator-Schaufelrad 3 bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 10, der über die Füll- und Entleerschlitze 8 beziehungsweise 9 gefüllt beziehungsweise entleert wird.
Das in 2 gezeigte Rotor-Schaufelrad 2 weist eine Vielzahl von Schaufeln 2.1 auf. Jede Schaufel 2.1 weist eine Schaufelkante 2.2.1 auf.
Die in den 3 und 5 dargestellte Schiebereinrichtung umfasst zwei plattenförmige Einzelschieber 11, 12, ferner eine Feder 13.
Die beiden Einzelschieber 11, 12 sind flache Blechscheiben. Sie sind ineinander steckbar, so dass sie aneinander vorbeigleiten können, und zwar in radialer Richtung.
Bei der in 3 gezeigten Konfiguration sind die Schieber zusammengefahren. In dieser Position sind die beiden Teilschieber 11, 12 vom toroidalen Arbeitsraum 10, 10 völlig umschlossen. Sie befinden sich somit radial innerhalb der Innenkante des Arbeitsraumes 10, 10. Für diese Position der Teilschieber 11, 12 sorgt die Feder 13, die eine Zugfeder ist. Die Zugfeder hat in diesem Falle eine entsprechende Konfiguration, bei welcher die einzelnen Windungen weit auseinanderliegen. Siehe auch 4.
Diese Konfiguration kommt wie folgt zustande:
Zwar wirkt auf die beiden Teilscheiber 11, 12 die Fliehkraft, die die beiden Teilschieber 11, 12 auseinanderfahren will. Jedoch ist die Zugfeder 13 stärker. Sie wirkt im Sinne eines Zusammenfahrens der beiden Teilschieber.
Bei der in den 5 und 6 dargestellten Konfiguration sind die beiden Teilschieber 11, 12 entgegen der Kraft der Zugfeder 13 auseinandergefahren. Die Windungen der Zugfeder 13 liegen relativ eng beieinander – siehe 6.
Diese Konfiguration kommt dann zustande, wenn die Fliehkraft gering ist. Dies ist dann der Fall, wenn die Drehzahl klein ist. In diesem Falle überwindet die Kraft der Zugfeder 13 die Fliehkraft. Die beiden Teilschieber 11, 12 sind bei der Konfiguration gemäß der 5 und 6 weitgehend in den Arbeitsraum 10, 10 eingefahren.
Die geschilderte Verschiebung der Teilschieber 11, 12 relativ zueinander findet dann statt, wenn die gesamte Schiebereinrichtung 11, 12, 13 mit dem Sekundärrad oder Stator-Schaufelrad 3 drehfest verbunden ist. Nur dann wirkt nämlich eine Fliehkraft entsprechender Größe auf die Teilschieber 11, 12 ein.
Zusammenfassend soll nochmals erläutert werden, wie die hydrodynamische Kupplung gemäß der Erfindung arbeitet:
Die Antriebswelle 1 ist in der Regel mit einem Antriebsmotor verbunden, beispielsweise mit einem Elektromotor. Die Abtriebswelle 4 ist in der Regel mit einer Arbeitsmaschine verbunden, beispielsweise mit einem Mahlwerk. Bei gefülltem Arbeitsraum 10, 10 und laufendem Antriebsmotor liegt zwischen den beiden Schaufelrädern 2, 3 dann nur ein geringer Schlupf vor, wenn das an der Abtriebswelle 4 angreifende Lastmoment nicht allzu groß ist. Bei einem solchen Zustand nehmen die beiden Teilschieber 11, 12 die in 3 dargestellten Positionen ein. Die Teilschieber 11, 12 befinden sich somit innerhalb des Arbeitsraumes 10, 10, oder anders gesagt von diesem umschlossen.
Steigt jedoch das Lastmoment, das an der Abtriebswelle 4 angreift, stark an, so wird das Stator-Schaufelrad 3 mehr oder minder abgebremst. Damit nimmt auch die Fliehkraft ab, die auf die beiden Teilschieber 11, 12 einwirkt. Die beiden Teilschieber 11, 12, nehmen deshalb die in 5 gezeigte Position ein. Der Arbeitsraum wird teilweise oder ganz abgesperrt von den Teilschiebern 11, 12. Es wird weniger oder gar kein Drehmoment mehr von der hydrodynamischen Kupplung übertragen. Demgemäss wird auch dem Motor ein verringertes oder gar kein Drehmoment mehr abverlangt. Der Motor wird somit gegen Überlastung geschützt.
Der Schieber beziehungsweise die beiden Schieberplatten 11, 12 müssen nicht unbedingt in den Spalt zwischen den beiden Rädern einschiebbar sein. Es ist auch denkbar, dass der Schieber beziehungsweise seine Teilschieber Bestandteil des Sekundärrades 3 sind.

Claims

Hydrodynamische Maschine; 1.1 mit einem Primärrad (2) und einem Sekundärrad (3), die Schaufeln (2.1) aufweisen, einen toroidalen Arbeitsraum (10, 10) miteinander bilden und die unter Belassen eines Spaltes axial nebeneinander angeordnet sind; 1.2 im Spalt zwischen den beiden Rädern (2, 3) befindet sich ein Schieber (11, 12); 1.3 der Schieber (11, 12) ist aus einer nicht-operativen Position radial innerhalb des Arbeitsraumes (10, 10) in eine strömungsbehindernde operative Position im Arbeitsraum (10, 10) einschiebbar; 1.4 es ist eine Halteeinrichtung (13) vorgesehen, die den Schieber (11, 12) bei Nenndrehzahl des Sekundärrades (3) in seiner nicht-operativen Position hält, und deren Kraft mit abnehmender Drehzahl das Sekundärrad aufgrund der abnehmenden Fliehkraft überwunden wird, so dass der Schieber (11, 12) eine operative, strömungsbehindernde Position einnimmt.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung eine Federeinrichtung ist.
Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (11, 12) mit dem Sekundärrad (3) drehschlüssig verbunden ist.
Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (13) eine Zugfeder ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 5.1 der Schieber umfasst zwei Schieberplatten (11, 12), die einander diametral gegenüber liegen; 5.2 die beiden Schieberplatten (11, 12) sind durch die Federeinrichtung (13) kraftschlüssig miteinander verbunden.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Schiebers (11, 12) beziehungsweise der beiden Schieberplatten (11, 12) der Innenkontur des Arbeitsraumes (10, 10) angepasst ist.