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Hydrodynamischer Drehmomentwandler Die Erfindung bezieht sich auf
einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit mindestens. einer Baugruppe mit einer
Axials.trömungspumpe und einer Axialströmungsturbine, die durch das umströmende
Arbeitsmittel angetrieben sind.
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Es sind bereits derartige Drehmomentwandler bekannt, die jedoch alle
den Nachteil aufweisen, daß das übersetzungs- bzw. Untersetzungsverhältnis zumindest
bei großen zu übertragenden Leistungen beschränkt ist, da die Staudrücke des Arbeitsmittels
proportional mit dem Drehzahluntersetzungsverhältnis zunehmen, so daß die Verluste
dementsprechend ansteigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrodynamischen Drehmomentwandler
zu schaffen, der insbesondere für große Leistungen verwendbar ist und eine große
Übersetzung der Drehzahlen zwischen einer Antriebsmaschine und einer getriebenen
Welle ins Langsame ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist im wesentlichen darin zu sehen, daß
jede Baugruppe eine Anzahl Pumpen aufweist und daß jede Pumpe zum Umwälzen des Arbeitsmittels
mit einer Turbine verbunden ist, um diese anzutreiben, wobei die Strömung jeder
Pumpe im wesentlichen unabhängig und als Parallelströmung hinsichtlich der Strömung
der anderen Pumpen stattfindet, so daß eine Verringerung der Drehzahl der Abtriebswelle
zur Antriebswelle eintritt.
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Der Anwendungsbereich der Erfindung liegt ins, besondere bei Schiffsantrieben.
Er umfaßt jedoch auch die mechanische Leistungsübertragung auf anderen Gebieten,
beispielsweise im Eisenbahnbetrieb, bei stationären Kraftmaschinenanlagen und vielleicht
auch zur Fortbewegung von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen.
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Bei allen diesen Anwendungsgebieten ist die Erfindung besonders vorteilhaft
anwendbar für die übertragung sehr hoher Leistungen von einer mit einer sehr hohen
Drehzahl laufenden Welle mit einer hohen Drehzahluntersetzung auf eine andere Welle.
Diese Verhältnisse liegen insbesondere bei Schiffen vor. Beispielsweise kann eine
moderne Dampfturbine zur Verwendung als. Hauptantriebsmaschine in einem Schiff zehntausende
PS-Wellenleistung bei einer Drehzahl von 4000 bis 6000 U/min entwickeln, und diese
hohe Leistung muß wirksam auf eine Schraubenwelle übertragen werden, die sich mit
etwa 125 bis 200 U/min drehen soll.
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Der Drehmomentwandler gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß er
geräuschlos arbeitet, Betriebsstöße aufnehmen kann und wirtschaftlich im Einbau
und in der Wartung ist. Durch die günstigen hydrodynamischen Verhältnisse ist eine
Verringerung der Gesamtbaugröße der Anlage erleichtert, und die Anordnung des hydraulischen
Motors kann in einem beträchtlichen Abstand von der Pumpe erfolgen.
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Die Erfindung ist an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
ergänzend beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine Ausführungsform eines Drehmomentwandlers
zur Verwendung in einer Drehzahlübersetzungsanlage eines Schiffes, F i g. 2 eine
schematische Darstellung eines Drehmomentwandlers nach der Erfindung, welche dessen
Hauptteile und ihre Anordnung zeigt, F i g. 3 eine schematische Darstellung, welche
eine andere Form der Anordnung der Hauptteile zeigt, F i g. 4 eine der F i g. 2
ähnliche schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Anordnung,
F i g. 5 eine der F i g. 2 ähnliche schematische Darstellung wieder einer weiteren
Ausführungsform der Anordnung der Hauptteile, F i g. 6 eine schematische Darstellung
einer weiteren Anordnung der Hauptteile und F i g. 7 eine schematische Darstellung
ebenfalls einer weiteren Anordnung gemäß der Erfindung. Wie sich aus F i g. 1 bis
5 ergibt, weist der Drehmomentwandler 20 eine oder mehrere Pumpen 21 a
bis
211a mit hoher Fördermenge auf, von denen jede mit einem auf einer Laufradwelle
23 angeordneten Laufrad 22 versehen ist. Die Laufradwellen 23 sind mit einem Abtriebselement
verbunden, um dieses anzutreiben. Die Pumpen sollen vergleichsweise eine große Flüssigkeitsmenge
zu den Turbinen 24a bis 24d fördern, um diese in Drehung zu versetzen und damit
auch die getriebene Welle 25 des Wandlers, auf der die Turbinen 24 angeordnet
sind.
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Obwohl die gestellte Aufgabe auch durch eine andere Pumpe mit großer
Fördermenge gelöst werden könnte, die mit einer schnellaufenden Antriebsmaschine
entweder an sich bekannter Art oder von einer hierfür besonders geschaffenen Bauform
gekuppelt werden kann, hat sich erwiesen, daß eine Axialpumpe mit einem konstanten
Innenquerschnitt für den beabsichtigten Zweck besonders gut geeignet ist. Daher
besteht bei allen gezeigten Ausführungsformen das Pumpenlaufrad 22 aus einer Anzahl
von sich drehenden Schaufeln, welche ebenfalls mit 22 bezeichnet sind. Ferner hat
jede Pumpe 21 nur eine einzige Stufe, welche das Laufrad 22 mit oder ohne
eine oder mehrere Reihen von stationären Schaufeln 26 umfaßt. Die Schaufeln 26 können
so gerichtet sein, daß sie einen Vorwirbel in der Arbeitsflüssigkeit erzeugen, um
die in die Pumpe eintretende Arbeitsflüssigkeit in der gleichen Richtung, in welcher
sich das Pumpenlaufrad dreht, in Umlauf zu versetzen, um übermäßig hohe relative
und absolute Geschwindigkeiten in der Anlage herabzusetzen, die infolge der baulichen
Gegebenheiten übermäßig hoch werden können. In jedem Falle ist, wenn im nachfolgenden
von einer Pumpe 21 des Wandlers oder der Anlage die Rede ist, eine einstufige
Pumpe zu verstehen, welche Stufe gegebenenfalls die stationäre Beschaufe-Jung umfaßt.
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In ähnlicher Weise enthält die Turbine 24 eine oder mehrere Stufen,
die wie nachstehend beschrieben, bestimmt werden. Gewöhnlich wird die Arbeitsflüssigkeit
in die Turbine 24, die vorzugsweise eine , Axialturbine ist, dadurch eingeleitet,
daß man sie durch eine Reihe stationärer Leitschaufeln 27 strömen läßt, welche auf
der Eintrittsseite der Turbine angeordnet sind und gewöhnlich als Düse bezeichnet
werden, von wo sie durch eine Reihe sich drehender Schaufeln 28 strömt, die
im Turbinenrad 29 angeordnet sind, um dieser eine Drehbewegung mitzuteilen,
und dann durch eine weitere Reihe von stationären Schaufeln 30 an der Austrittsseite
der Reihe der sich bewegenden Schaufeln. In jedem Falle ist, wenn nachfolgend von
einer einzigen Turbinen->"Stufe,« die Rede ist, eine einzige Reihe von sich bewegenden
Schaufeln zu verstehen, unabhängig davon, ob dieser eine Reihe von stationären Schaufeln
zugeordnet ist oder nicht.
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Jede Pumpe weist eine Arbeitsmitteleintrittsöffnung 31 und eine Arbeitsmittelaustrittsöffnung
32 auf, die gewöhnlich durch das umgebende Gehäuse gebildet werden, das durch die
Ebenen der Außenkanten der äußersten Pumpenbeschaufelung an denjenigen Seiten oder
Enden der Pumpe begrenzt wird, welche zum Verlauf der Arbeitsmittelströmung senkrecht
sind. In ähnlicher Weise ist auch die Turbine 24 mit einer Arbeitsmitteleintrittsöffnung
33 und mit einer Arbeitsmittelaustrittsöffnung 34 versehen, welche durch die umgebende
Anordnung und die Ebene begrenzt werden, die zum Verlauf der Arbeitsmittelströmung
an der Außenkante der äußersten Beschaufelung der Turbine an ihrer Eintrittsseite
bzw. an ihrer Austrittsseite begrenzt werden. Vorzugsweise hat der Arbeitsmittelkanal
zwischen der Eintrittsöffnung 33 und der Austrittsöffnung 34 der Turbine 24 einen
konstanten Ouerschnitt.
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Ein eingeschlossener Kanal 35 bildet einen Kanal für die Strömung
des Arbeitsmittels aus der Austrittsöffnung 32 der Pumpe 21 zur Eintrittsöffnung
33 der Turbine 24. Die erwähnten Kanalöffnungen der Pumpe und der Turbine
befinden sich daher voneinander in Abstand im Gegensatz zu den üblichen Drehmomentwandlern,
bei welchen diese Öffnungen einander so nahe wie möglich angeordnet sein sollen,
um Leitungsverluste auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Durch die Erfindung wird daher
ein Raum zwischen den Hauptelementen geschaffen, in welchem eine Strömung des Arbeitsmittels
hergestellt werden kann, die die Drehung der beiden Hauptelemente des Wandlers bewirkt.
Durch eine sorgfältige Gestaltung des Kanals 35 werden für die Arbeitsmittelströmung
am Pumpenaustritt und am Turbineneintritt günstige Strömungsbedingungen geschaffen,
wodurch die Verluste in den beiden Einheiten auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.
Die Leitungsverluste innerhalb des Kanals 35 selbst können durch eine sorgfältige
Gestaltung desselben auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, zu der die Anordnung
von stationären Leitschaufeln 36 innerhalb des Kanals an den Krümmungen des Leitungsweges
und an anderen Stellen in der Strömung beitragen können. An den Krümmungen des Kanalsystems
begünstigen stationäre Leitschaufeln 36 eine Kaskadenströmung des Arbeitsmittels
um diese herum. Diese Leitschaufeln können jedoch vollständig weggelassen werden.
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Die Arbeitsflüssigkeit wird durch Öffnungen dem Wandler zugeführt.
Als Arbeitsmedium kann eine beliebige Arbeitsflüssigkeit verwendet werden, es besteht
jedoch ein Merkmal des Drehzahluntersetzungssystems darin, daß Wasser für den beabsichtigten
Zweck verwendet werden kann. In den Fällen, in welchen die Anordnung an Bord von
Schiffen verwendet wird, kann dieses Merkmal in Notfällen von beträchtlicher Bedeutung
werden, da Wasser zur Nachfüllung ohne weiteres zur Verfügung steht. Die Arbeitsflüssigkeit
verbindet die Pumpen 21 mit der Turbine 24 des Wandlers, so daß, wenn
die Pumpen durch das Antriebselement angetrieben werden, die Arbeitsflüssigkeit
mit Hilfe der Pumpen durch die Turbine gefördert wird, um diese anzutreiben. Da
das sich drehende Turbinenrad 29 auf der getriebenen Welle 25 des
Wandlers befestigt ist, dreht sich diese ebenfalls, so daß die der Laufradwelle
23 durch ein in F i g. 2 und 3 nicht gezeigte Antriebselement zugeführte Leistung
auf die getriebene Welle 25 übertragen wird. Bei den dargestellten Ausführungsformen
ist eine Drehzahluntersetzung statt einer Drehzahlerhöhung beabsichtigt, jedoch
kann auch das entgegengesetzte Ziel dadurch erreicht werden, daß die relativen Größen
der Bauelemente geändert werden.
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In seiner elementaren Form könnte der Wandler mit nur einer einzigen
Pumpe 21 gebaut werden, die mit einer einzigen Turbine 24 zusammenarbeitet,
wobei die Turbine nur eine einzige Stufe haben kann. Es kann jedoch auch mehr als
eine Pumpe verwendet werden, um eine größere Arbeitsmittelmenge an die Turbine zu
liefern, die übertragene Leistung zu erhöhen und das Drehzahluntersetzungsverhältnis
zu vergrößern. Wie in F i g. 1 bis 3 und 5 gezeigt, in
welchen mehrere
Pumpen zur Beaufschlagung einer einzigen Turbine verwendet werden, ist der Arbeitsmittelaustritt
32 jeder. Pumpe parallel zu der jeder weiteren Pumpe angeordnet, um eine Parallelschaltung
zwischen den Arbeitsmittelaustritten aus allen Pumpen zu erhalten. Hierdurch wird
eine wesentliche Erhöhung der Fördermenge des gesamten Arbeitsmittels aus den die
gleiche Turbine beliefernden Pumpen erzielt, während der Strömungsstaudruck des
Arbeitsmittels nur mäßig erhöht wird. Daher wird statt der zusätzlichen Anordnung
mehrfacher Pumpenstufen, was praktisch auf die Verwendung zusätzlicher Pumpen in
Reihenschaltung in der Anlage hinausläuft, die Fördermenge der Anlage dadurch erhöht,
daß zusätzliche einstufige Pumpen in Parallelschaltung mit Bezug auf die Strömung
aus allen derselben vorgesehen werden. Beispielsweise ist, wie in F i g. 1 gezeigt,
der Arbeitsmittelaustritt aus der Pumpe 21 a parallel zu dem aus jeder der weiteren
Pumpen: In F i g. 2 und 3 ist die Strömung aus der Pumpe 21a zur Turbine 24 bei
jeder Anordnung parallel zur Strömung aus der Pumpe 21 b. In F i g. 5 trifft dieses
Verhältnis ebenfalls hinsichtlich der Strömungen aus den Pumpen 21 c und 21 d zur
Turbine 24 b und aus den Pumpen 21 e und 21 f zur Turbine 24 c zu. Hieraus :ergibt
sich, daß der Abstand aller Pumpenaustrittsöffnungen 32 von der Turbineneintrittsöffnung
33 einen Raum zur wirksamen Anordnung mehrerer Pumpen 21 und zur Anordnung von Leitungswegen
35 ergibt, um eine parallele Arbeitsmittelströmung zu erhalten. In diesem Zusammenhang
ist zu erwähnen, daß die Laufräder 22 selbst oder die Pumpen 21 selbst in Reihenschaltung
sein können, wie in F i g. 1 und 5 gezeigt, in welchen mehrere Pumpenlaufräder 22
auf einer gemeinsamen Welle 23 angeordnet sind, während der Arbeitsmittelaustritt
aus allen parallel zueinander sein kann. Bestimmte Pumpen, beispielsweise die Pumpen
21 a und 21 b in F i g. 2 und 3, sind selbst wieder zueinander parallel.
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Die F i g. 1 zeigt mehrere Pumpen 21, von denen jede durch eine gesonderte
Antriebseinheit angetrieben wird.
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F i g. 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung mit einer
»Aufbau«-Anordnung, welche einen Leitungsweg 38 zwischen der Austrittsöffnung 34
der Turbine 24 und den Eintrittsöffnungen 31 der Pumpen 21 aufweist, welcher zusammen
mit dem Kanal 35 einen eingeschlossenen Umlaufkanal für die Arbeitsflüssigkeit bildet.
Die Turbine 24 ist in ihrem eigenen Gehäuse 39 eingeschlossen, während die Pumpen
21 von ihren jeweiligen Gehäusen 40 umgeben sind. Die gesamte Anlage ist in einem
Getriebegehäuse 41 eingeschlossen. Bei der dargestellten Ausführungsform beliefern
zwei einstufige Axialpumpen eine zweistufige Turbine 24, an deren Eintrittsseite
ein Düsenblock 27 vorgesehen ist.
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Wie in F i g. 2 gezeigt, sind auf der getriebenen Welle 25 und auf
den Antriebs- oder Pumpenlaufradwellen 23 Axiallager 42 und 43 vorgesehen. Bei dieser
Anordnung wird, wie gezeigt, die Leistung von zwei nicht gezeigten Kraftmaschinen
auf eine einzige getriebene Welle 25 dadurch übertragen, daß jede Kraftmaschine
mit einer der Laufradwellen 23 gekuppelt ist. Gegebenenfalls kann eine einzige Kraftmaschine
mit beiden Laufradwellen 23 zur übertragung .ihrer Leistung auf die Welle 25 verzahnt
oder in anderer Weise gekuppelt sein. F i g. 2 zeigt ferner Mittel, durch welche
der Wandler Bedingungen in einem Drehzahluntersetzungssys.tem angepaßt werden kann,
bei welchem außerordentlich hohe Schaufelraddrehzahlen bestehen und die übertragung
einer hohen Leistung erforderlich ist. Das Arbeitsmittel, beispielsweise Wasser,
wird durch die öffnungen 37 im Leitungskanal 38 mittels einer Preßlufttankanordnung
an sich bekannter Art zugeführt. Der Preßlufttank 46 ist mit einer Arbeitsmittelzufuhrleitung
47, in der sich ein Ventil 48 befindet, sowie mit einer Arbeitsmittelaustrittsleitung
49, in der sich ebenfalls ein Ventil 50 befindet, versehen, welch letzteres
mit den öffnungen 37 verbundn ist. Die Arbeitsmittelumlaufkanäle sind vollständig
gefüllt. Mit 51 ist ein Druckminderventil 51 bezeichnet. In den Fällen, in welchen
hohe Schaufelraddrehzahlen auftreten, kann die Schaufelkavitation groß sein. Daher
ist es zur Verhinderung von Wirkungsgradverlusten vorzuziehen, Mittel vorzusehen,
durch welche das Arbeitsmittel während des Betriebs der Anlage unter einen beträchtlichen
statischen Druck gesetzt und gehalten werden kann. Solche Mittel können beispielsweise
Arbsitsmitttglförder- und Arbeitsmittelnachfüllpumpen 52 sein, die einen statischen
Druck von beispielsweise 14 bis 21 Atmosphären während des Betriebs: ständig auf
das Arbeitsmittel der Anlage ausüben. Dieser Druck wird über Druckleitungen 53 zugeführt,
die zu den -Öffnungen 54 in den Leitungswegen 35 führen. In den Druckleitungen
53 sind Ventilen 55 vorgesehen. Durch diesen statischen Druck wird die Schaufelkavitation
verringert oder ausgeschaltet und dadurch der Wirkungsgrad der Pumpen und der Ges.arntanlage.
erhöht.
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F i g. 4 zeigt, wie mehrere Pumpen 21 auf der gleichen Laufrad-welle
-innerhalb des Turbinenrades bzw. der Trommel 29 angeordnet werden können.
Die Pumpenlaufradwelle wird natürlich durch ein Antriebselement oder eine nicht
gezeigte Kraftmaschine angetrieben, und die Turbine ist mit der getriebenen Welle
25 verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist die Arbeitsmittelströmung von beiden
Pumpen 21, wie durch die Pfeile angegeben, so gerichtet, daß die eine Turbine
24a mit dem Arbeitsmittel beaufschlagt wird, das aus beiden Pumpen 21 durch den
Kanal 35 a ausströmt und dann an der Turbinenaustrittsöffnung 34 a geteilt
wird, so, daß die Hälfte des Arbeitsmittels zum Eintrittsende der einen Pumpe über
den inneren Kanal 38a zurückkehrt, während die andere Hälfte des Arbeitsmittels.
zum Eintrittsende der anderen Pumpe über den Kanal 38 b zurückkehrt, der sich außerhalb
des Wandlergehäuses befindet. Diese Ausführungsform ist mit Mitteln zur Umkehrung
der Drehrichtung der Abtriebswelle 25 ohne Umkehrung der Drehrichtung der Pumpen
21 ausgerüstet. Diese Mittel bestehen aus Ringventilen 57, welche in die
strichpunktiert gezeichneten Stellungen gleiten können, um die Arbeitsmittelströmung
aus. beiden Pumpen so umzulenken, daß die Turbine 24 b in gleicher Weise beaufschlagt
wird, wie durch die gestrichelten Pfeile angegeben. Die beweglichen Schaufeln der
Turbine 24 b sind so gerichtet, daß die Strömungsrichtung der Abtriebswelle umgekehrt
wird, wenn das Arbeitsmittel durch sie hindurch in der durch die gestrichelten Pfeile
angegebenen Richtung strömt.
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F i g. 5 zeigt, wie mehrere Pumpen-Turbinen Kombinationen. »gestapelt«
oder »nach Art von Patronen« angeordnet werden können,@@um eine einzige getriebene
Welle
25 anzutreiben, wobei jedoch jedes parallele Paar von Pumpen zusammen mit der zugeordneten
Turbine seinen eigenen gesonderten Teil des gesamten Arbeitsmittels der Anlage in
Umlauf versetzen kann. Dies kann durch eine Anordnung von Arbeitsmitteltrennwänden
44 zwischen den Kanälen 35 erreicht werden, wie in F i g. 5 gezeigt. Es wird in
diesem Zusammenhang auf einen Vergleich mit der F i g. 1 hinsichtlich der Strömung
beispielsweise aus den Pumpen 21a und 21d verwiesen. Gegebenenfalls
können für den angegebenen Zweck nicht gezeigte Arbeitsmittelablauföffnungen in
jeder der Pumpen-Turbinen-Einhciten vorgesehen werden. Durch eine solche Anordnung
lassen sich mehrere Vorteile erzielen. Beispielsweise ermöglicht die Ableitung einer
Einheit während des Betriebs mit einer entsprechenden Verringerung der Leistung
der Kraftmaschine, daß die übrigen Einheiten in normaler Weise arbeiten. Gegebenenfalls
können bei mindestens einer der Einheiten, beispielsweise bei der Turbine 24c zusammen
mit den zugehörigen Pumpen 21e und 21f, die Beschaufelung und die Arbeitsmittelkanäle
so angeordnet werden, daß sie als Umkehrturbine dient, die abgeleitet gehalten wird,
während die vorderen Einheiten arbeiten. Wenn der umgekehrte Betrieb gewünscht wird,
kann das Arbeitsmittel rasch aus den vorderen Einheiten abgeleitet und die Umkehreinheit
rasch gefüllt werden, um eine Drehung in umgekehrter Richtung der getriebenen Welle
25 zu erhalten, ohne daß die Drehrichtung der Pumpenlaufradwelle 23 oder diejenige
der Antriebs, elemente 59 geändert wird. Diese Antriebselemente 49 können aus zwei
Dampfturbinen der Zweiwellenanordnung bestehen. Die beiden Antriebselemente brauchen
nicht identisch zu sein, können jedoch trotzdem mit Pumpen verbunden werden, so
daß jede Antriebselement-Pumpen-Gruppe den gleichen statischen Druck und die gleiche
Strömungsgeschwindigkeit an der Eintrittsseite der Sahraubenpropeilerantriebsturbine
liefert, um übereinstimmende Ströme , an dieser Stelle sicherzustellen. Es seien
beispielsweise 40 000-PS-Niederdruck- und -Hochdruckantriebsmaschinen in Zweiwellenanordnung
argenommen, von denen die eine für eine Drehzahl von 3000 Ulmin und die andere für
eine Drehzahl von 1000 U/min gebaut und jede zur Aufnahme von 20 000 PS bestimmt
ist. Die zusammenpassende Turbineneintrittsströmung kann durch die Wahl von zwei
Pumpen und Pumpennahen von verschiedener Größe sichergestellt werden.
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Natürlich können die Bauelemente des Wandlers bei allen Anordnungen
von einem Gußgahäuse, das mit Leitungskanälen ausgebildet ist, eingeschlossen werden.
Ferner ist zu erwähnen, daß bei allen Anordnungen ein voller, sich über 360° erstreckender
Arbeitsmitteleintritt und -austritt für die Turbine 24 vorgesehen ist, wodurch deren
Arbeitswirkungsgrad erhöht wird. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels von den
Pumpen zur Turbine kann derart sein, daß der axiale Schub während des Betriebs der
Abtriebswelle ausgeglichen wird oder der axiale Pumpenschub bei Verwendung mehrerer
Pumpen ausgeglichen wird oder beides. Wenn der axiale Schub der Bauelemente ausgeglichen
wird, kann natürlich die Größe der Drucklager des Wandlers wesentlich verringert
werden.
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Eine Veränderung im Drehzahluntersetzungsverhältnis des Wandlers kann
ein einfacher Weise dadurch herbeigeführt werden, daß die Zahl der Stufen in der
Turbine 24 verändert wird, wobei alle anderen konstruktiven Merkmale im wesentlichen
die gleichen bleiben. Dies ist durch die allgemeine Form der Gleichung für Drehzahluntersetzungsverhältnisse
in. hydraulischen Drehmomentwandlern für den Fall gezeigt, bei welchem die Pumpen
des Systems mit Bezug auf die Richtung der Arbeitsmittelaustrittsströme aus jeder
derselben parallel geschaltet sind. Diese allgemeine Form der Gleichung ist:
wobei ND = Pumpendrehzahl in Umdrehungen je Sekunde, N, = Turbinendrehzahl in Umdrehungen
je Sekunde, Dt = Durchmesser der Turbine, Dp = Durchmesser der Pumpe, n, = Zahl
der Stufen in der Turbine, n, = Zahl der Stufen in der Pumpe und I (x) =
eine Funktion der Strömungsgeometrieveränderlichen x, hier nicht erheblich, bedeutet.
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Die ähnliche allgemeine Form der Drehzahluntersetzungsverhältnisgle.ichung
für den Fall, bei welchem die Pumpen in Reihenanordnung mit Bezug auf die Richtung
der Austrittsströmung aus jeder derselben (d. h. im Stufenverhältnis) sind, ist:
Dies zeigt, daß für die gleichen Größen in den Gleichungen (1) und (2) das Drehzahluntersetzungsverhältnis
der Parallelanordnung um die Quadratwurzel der Zahl der Pumpen größer ist als das
der Reihenanordnung. Aus der Gleichung(1) ergibt sich, daß die Zahl der Pumpen oder
Pumpenstufen kein direkt auftretender Faktor ist, während die Zahl der Pumpen oder
Pumpenstufen in der ähnlichen allgemeinen Form der Gleichung (2) für den Fall ein
Faktor ist, bei welchem sich die Pumpen in Reihenanordnung mit Bezug auf die Richtung
der Austrittsströmung aus jeder von ihnen (d. h. im Stufenverhältnis) befinden.
Die Gleichung (3) zeigt, daß durch eine zunehmende Zahl von in Reihenanordnung befindlichen
Pumpen das erzielbare Drehzahiuntersetzungsverhä.ltnis, wenn alle anderen Größen
in dieser Gleichung konstant bleiben, verringert wird.
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Daher wird, nach der Gleichung (1), wenn die Zahl der Turbinenstufen
zunimmt, das Drehzahluntersetzungsverhältnis des Systems ebenfalls in einem größeren
Maße erhöht als bei der Reihenanordnung nach der Gleichung (2). Es kann gezeigt
werden, daß das Parallelsystem bei den Pumpen eine größere Freiheit in der Wahl
der Turbinenproportionen ermöglicht als das Reihensystem, und in vielen Fällen führt
das Parallelsystem zu einer brauchbaren Konstruktion, während es beim Reihensystem
nicht der Fall sein kann. Wenn das Parallelsystem in ein Schiff eingebaut wird,
so bedeutet dies, daß zusätzliche Turbinenstufen
eine langsamere
Schraubenpropellerdrehzahl unabhängig von der Drehzahl der Pump (Np) und von den
jeweiligen Durchmessern der Pumpe oder der Turbine (D" oder D,) liefern.
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Die Parallelanordnung der Turbinen oder Turbinenstufen vervielfacht
mit Bezug auf die Richtung der Arbeitsmittelströmung zu jeder derselben das Leistungsübertragungsvermögen
eines gegebenen Systems. Daher kann die »gestapelte« oder »Patronen«-Anordnung der
Pumpen-Turbinen-Kombinationen, wie in F i g. 5 gezeigt, bei welcher jede Kombinationseinheit
ihre eigene Arbeitsmittelzufuhr in Umlauf setzt, Vorteile durch Vervielfachung des
Leistungsvermögens des Systems im Vergleich zu der gleichen allgemeinen Anordnung
haben, bei welcher jedoch die Arbeitsmittelströmung zu allen Turbinen oder Turbinenstufen
in Reihenanordnung ist.
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Eine beispielsweise Ausführungsform für den Einbau in ein primäres
Drehzahluntersetzungssystem für Wasserfahrzeuge ist in F i g. 1 gezeigt. Bei dieser
Anordnung werden zwei zweistufige Turbinen 24 a und 24 b, von denen jede durch vier
Pumpen 21 a bis 21 d bzw. 21e bis 21h gespeist wird, zur Leistungsübertragung mit
gleichzeitiger Dre:hzahluntersetzung von zwei Antriebs- oder Pumpenlaufradwellen
23 zur getriebenen Welle 25 verwendet. Die weiteren wesentlichen Bauteile des Systems
und deren allgemeine Anordnung ergibt sich mit Hilfe der Bezugsziffern durch Vergleich
mit der vorangehenden Beschreibung und den anderen Figuren der Zeichnung. Es sind
jedoch zwei zusätzliche Turbinen 24c und 24d mit den Abgabewelle-Umkehrturbinen
verbunden gezeigt. Diese Turbinen 24 c und 24 d sind nicht in Betrieb, d. h. durch
Arbeitsflüssigkeit mit den Pumpen 21 a bis 21d bzw. 21e bis 21h verbunden, während
die Turbinen 24 a und 24 b in Betrieb sind, um die getriebene Welle
25 in Vorwärtsrichtung zu drehen. An der Turbinentrommel 29 sind fünf Ringumkehrventile:
56 vorgesehen, von denen jedes zur Gleitbewegung in der Richtung der Drehachse der
Turbinentrommel angeordnet ist, wie gezeigt. Die Ventile 56 sind durch nicht gezeigte
Mittel zur gleichzeitigen Bewegung miteinander in ihre jeweils erforderlichen Stellungen
gekuppelt, um die Umkehrung der Drehung der getriebenen Welle 25 zu bewirken, wie
nachstehend beschrieben wird. Diese Mittel erstrecken sich zur Außenseite des Gehäuses
41 und sind von dieser aus betätigbar. Jedes Ventil 56 kann längs Hülsenflächen,
die auf der Turbinentrommel 29 angebracht sind, bewegt werden. Jedes Ventil
kann so bewegt werden, daß es gegen die benachbarten Turbineneintritts-oder -austrittsöffnungen,
je nach Lage des Falles, gebracht wird, um einen Nebenschluß der Arbeitsmittelströmung
von der Eintrittsöffnung oder der Austrittsöffnung einer vorderen Turbine weg zu
den einen oder den anderen Öffnungen einer Umkehrturbine zu bewirken und umgekehrt,
wie sich ohne weiteres aus F i g. 1 ergibt. Wenn die Drehrichtung der getriebenen
Welle 25 umgekehrt werden soll, so kann dies unabhängig von und daher ohne Berücksichtigung
der Drehrichtung der Pumpen 21 a bis 21 h und damit der nicht gezeigten Kraftmaschinenantriebswellen
geschehen, mit denen die Pumpenlaufradwellen 23 verbunden sind.
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Eine weitere Getriebeanordnung für Wasserfahr- i zeuge mit der Einrichtung
nach der Erfindung ist schematisch in F i g. 6 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform
sind die Zwillingsdampfturbinen 59 mit ihren Antriebswellen 60 mit den Laufradwellen
23 der Pumpensätze 40 verbunden. Verhältnismäßig lange Arbeitsmittelaustrittsleitungen
35 von den Pumpensätzen 40 bilden einen oder mehrere Arbeitsmittelkanäle, die ebenfalls
mit 35 bezeichnet sind und zum Turbinengehäuse 41 führen, in welchem sich die Turbinen
24 an einer von den Pumpensätzen abgekehrten Stelle in der Nähe des Schraubenpropellers
63 befinden. Es ist nur eine einzige Leitung 35 von jedem Pumpensatz 40 zum Turbinengehäuse
41 dargestellt, obwohl mehr als eine auf jeder Seite vorgesehen werden kann. Die
Arbeitsflüssigkeit, deren Strömungsrichtung durch Pfeile angedeutet ist, wird zu
den Pumpen 40 aus den nicht gezeigten Arbeitsmittelaustrittsöffnungen der Turbine
24 durch Leitungen 38 geleitet. Ferner ist die Anordnung der Drucklager 42 für die
Schraubenpropellerwelle angedeutet. Daher können die Vorteile der Anordnung eines
hydraulischen Motors in großer Nähe des Schraubenpropellers 63 durch die Verwendung
des vorgesehenen Drehmomentwandlers erzielt werden, wobei lange Leitungen 35 und
38 zwischen dem erw4hnten Motor und den Pumpen ohne wesentliche Verringerung des
Wirkungsgrades des Systems verwendet werden können.
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In F i g. 6 ist die Umrißform des Schiffsrumpfes mit 64 bezeichnet.
Auch bei dieser Anordnung ist ein Merkmal der Erfindung gezeigt, welches allen ihren
Anordnungen und Ausführungsformen gemeinsam ist, obwohl es in den Zeichnungen nicht
dargestellt ist. Dieses Merkmal besteht in der. Fähigkeit des Systems, einen »Heimfahrt«-Arbeitsmittelstrahlvortrieb
des Schiffes bei einem Bruch. des Schraubenpropellers 63 oder dessen Welle 62 zu
ermöglichen. Dies kann infolge des relativ hohen Volumens des Arbeitsmittelaustritts
aus den Axialpumpen erreicht werden, die sich mit Bezug auf die Arbeitsmittelströmung
aus jeder derselben in Parallelanordnung befinden. An jede der -Pumpenaustrittsleitungen
35 ist eine Turbinenumgehungsleitung 65 angeschlossen, die in der Nähe des Schraubenpropellers
63 durch die Schiffsrumpfwand 64 in das Wasser mündet. In den Leitungen 65 und 35
sind Ventile 66 und 67 vorgesehen, durch deren Öffnen und Schließen das große Volumen
der durch die Pumpensätze 40 geförderten Arbeitsflüssigkeit in das Wasser
unter Umgehung der Turbineneinheit abgeführt werden kann. Auf diese Weise wird ein
Arbeitsmittelstrahl-Vortriebssystem für das Schiff erhalten, so daß es mit verminderter
Geschwindigkeit auf Fahrt gehalten werden kann, damit es eine Fahrt zum Hafen zur
Instandsetzung unternehmen kann. Der Eintritt des Arbeitsmittels in die Pumpensätze
40 geschieht entweder durch die Pumpensaugwirkung aus der Abdichtung durch eine
Flüssigkeitseintrittsleitung (nicht gezeigt) in der Nähe des Schraubenpropellers
oder durch eine weitere Zufuhrleitung 70, die zum Pumpeneintrittskanal 38 führt.
Letztere sind mit Absperrventilen 69 versehen, wie in der Zeichnung gezeigt, Wenn
die letztgenannte Anordnung verwendet wird, wird derjenige Teil der Leitung 38,
der vor der Turbine 41 zu den Pumpensätzen 40 führt, durch die Ventile 69
abgeschaltet.
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F i g. 7 zeigt eine Anordnung, bei welcher die Leistung von zwei Dampfturbinen
eines Schiffes auf zwei konzentrisch angeordnete Schraubenpropellerwellen 62 a und
fit b -, übertragen wird, um zwei gegenläufige Propellerschrauben
63 a und 63 b anzutreiben.
Die Antriebswellen 60 der
Turbinen 59 sind bei 61 mit den Laufradwellen 23 von zwei Pumpensätzen 40a und 40b
gekuppelt, von denen jeder schematisch als eine einzige Pumpe dargestellt ist, jedoch
aus mehreren Pumpen bestehen kann. Die beiden Pumpensätze 40 a und 40 b fördern
das Arbeitsmittel durch die Turbine 41 von deren entgegengesetzten Seiten. Das.
Arbeitsmittel treibt die Turbinenlaufradschaufeln 42a, welche mit der äußeren Schraubenpropellerwelle
62a mit Hilfe eines Kernes 43 a verbunden ist, der speichenartige Teile aufweist,
welche die Turbinentrommel mit der äußeren Welle 62a verbinden, in der einen Richtung
und die Schaufeln 42 b, welche mit der inneren Schraubenpropellerwelle 62 b mittels
eines Kernes 43 b verbunden ist, in der entgegengesetzten Richtung an. Die Turbinenbeschaufelung
jeder Turbineneinheit 41 a und 41 b ist natürlich entgegengesetzt zur anderen angeordnet,
so daß sich die Schraubenpropeller 63a und 63b während der Bewegung
des Schiffes in entgegengesetzten Richtungen drehen.
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Bei allen Anordnungen des Systems und Wandlers bei Verwendung als
primäre Drehzahluntersetzungsgetriebe eines Schiffes sind die Bauelemente in ihrer
Größe, in ihrem Gewicht und Raumbedarf im Vergleich zu anderen Antriebssystemen
klein. Die verschiedenen Anordnungen, die zur Verfügung stehen, ergeben eine außerordentlich
gedrängte Bauform des Drehzahluntersetzungstriebes des Schiffes im Vergleich zu
den gegenwärtig bekannten Systemen. Beispielsweise ist es entsprechend einer ausgeführten
Konstruktion möglich, zwei Pumpen zu verwenden, welche je 7500 PS Wellenleistung
bei 6000 U/min aufnehmen und an eine einzige Turbine 15 000 PS Wellenleistung mit
200 U/min bei einer Gesamtlänge des Wandlers von etwa 2,44 m mit Bug- und Heckeinheiten
und einem seitlichen ..Bereich des Wandlers innerhalb einer Breite von etwa 1,52
m liefern. Dieser Wandler hatte einen Wirkungsgrad, der höher als 82% lag. Durch
eine-,sorgfältige Konstruktion unter besonderer Berücksichtigung der jeweiligen
Durchmesser der Pumpen- und Turbitrenbauelemente, der Zahl der Pumpen und der Zahl
der Turbinenstufen, die durch eine oder mehrere Pumpen beliefert werden sollen,
der Leitungen und der Anordnung der Teile des Systems, die alle einer Veränderung
unterworfen sind, können Drehzahluntersetzungsverhältnisse über 80: 1 mit .einem
verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad erreicht werden.
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Durch die Erfindung wurde daher ein hydraulisches Drehzahluntersetzungssystem
geschaffen, das zur Übertragung mechanischer Leistung von einem Antriebselement
mit einer verhältnismäßig hohen Drehzahl auf ein Abtriebselement brauchbar ist,
das sich mit einer anderen Drehzahl als das Antriebselement drehen soll.