-
Hydrodynamische Kupplung Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrodynamische
Kupplung mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die zusammen eine ringwulstartige
Arbeitskammer für die Arbeitsflüssigkeit bilden, die bei der Betätigung der Kupplung
im Bereich des äußeren Umfanges aus dem Pumpenrad in das Turbinenrad und im Bereich
des inneren Umfanges aus dem Turbinenrad in das Pumpenrad strömt.
-
Hydrodynamische Kupplungen mit ringwulstart'igen Arbeitskammern, die
durch das Pumpenrad und das Turbinenrad gebildet sind und zur Aufnahme des im Betrieb
im wesentlichen auf kreisförmigen Bahnen umgewälzten Strömungsmittels dienen, sind
bereits bekannt. Bei derartigen hydraulischen Kupplungen wird das Arbeitsmedium
durch das Pumpenrad einer Fliehkraftwvirkung unterworfen, wodurch das Strömungsmittel
in den äußeren Umfangsbereich des Pumpenrades gelangt und infolge der Pumpenradgestaltung
in Richtung auf das Turbinenrad umgelenkt wird. So erfolgt der Strömungsmitteleintritt
in das Turbinenrad immer im Bereich des äußeren Umfanges. Da das Turbinenrad mit
einer etwas geringeren Geschwindigkeit umläuft als das Pumpenrad, also infolge Schlupf
zurückbleibt, unterliegt die im äußeren Umfangsbereich eingetretene Arbeitsflüssigkeit
im Turbinenrad einer geringeren Fliehkraftaufprägung, so daß sie in Bereiche geringeren
Umfanges von der Rotationsachse verdrängt wird und dadurch schließlich auf dem inneren
Umfang wieder in das Pumpenrad zurückströmt. Das Zurückbleiben oder der Schlupf
des Turbinenrades gegenüber dem Pumpenrad ist abhängig vom Belastungsmoment des
Turbinenrades. Es ist ohne weiteres einleuchtend, daß mit zunehmendem Schlupf das
im Kreislauf ständig zwischen dem Pumpen- und Turbinenrad ausgetauschte Strömungsmittel
erhöhte Reibungs- und Wirbelverluste erleidet. Derartige Reibungs- und Wirbelverluste
führen zu einer Wirkungsgradverschlechterung solcher Strömungskupplungen.
-
Zur Beseitigung derartiger Reibungs- und Wirbelverluste sind bereits
vielfältige Anstrengungen unternommen worden. So sind bei einer bekannten Strömungskupplung
im Pumpen- und Turbinenrad einander entsprechende Leitschaufeln angeordnet, welche
die Arbeitskammern in mehrere benachbarte elliptische oder kreisförmige Bahnen aufteilen.
Abgesehen von der nur unbefriedigenden Wirbelreduzierung im Bereich des Spaltes
zwischen dem Pumpen-und Turbinenrad wird durch derartige Leitschaufeln das Strömungsmittel
an einer wirkungsvollen Radialströmung infolge der Fliehkraftaufprägung im Pumpenrad
gehindert. Dadurch wird im äußeren Umfangsbereich der Laufräder eine Druckreduzierung
hervorgerufen, welche zu einer Leistungsminderung der Anlage führt. Zudem ist das
Strömungsmittel geneigt, im Spalt zwischen dem Pumpen- und Turbinenrad von einem
Schaufelkanal in einen benachbarten Schaufelkanal überzuströmen.
-
Bei einer anderen bekannten Einrichtung ist am inneren Umfang des
Turbinenrades ein Leitkranz zur Strömungsmittelführung bei der Rückströmung vom
Turbinenrad zum Pumpenrad angeordnet. Dieser Leitkranz besteht aus zwei konzentrisch
im Abstand zueinander angeordneten Ringen und ragt in den Spalt zwischen den Laufrädern
hinein. Hierdurch wird zwar eine Radialströmung im innersten überströmbereich zwischen
dem Pumpen- und Turbinenrad vermieden, aber es wird keine Strömungsmittelführung
in bezug auf die Umfangsrichtung der Laufräder geschaffen. Mithin tritt nach wie
vor in Abhängigkeit vom Schlupf des Turbinenrades gegenüber dem Pumpenrad auch innerhalb
des Leitkranzes eine starke Wirbelbildung auf.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in einer wirksamen Reduzierung
der Reibungs- und Wirbelverluste beim überströmen des Strömungsmittels vom Pumpenrad
zum Turbinenrad bzw. umgekehrt.
-
Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale gelöst, daß
a) die Eintrittskanten der Schaufeln des Pumpenrades bzw. des Turbinenrades an ihrem
radialen bzw. äußeren Teil zurückgeschnitten sind, um Platz für einen an den Austrittskanten
des
jeweils anderen Rades angebrachten Leitschaufelring zu schaffen,
b) der Leitschaufelring zwei konzentrische Wände aufweist, die einen ringförmigen
Ausschnitt begrenzen und im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei zwischen diesen
beiden Wänden sich radial erstreckende Leitschaufeln vorgesehen sind, c) die Leitschaufeln
in einem solchen Winkel zur Kupplungsachse angeordnet sind, daß die Turbulenz des
Strömungsmittels während seiner Strömung zwischen der Austrittskante und der zurückgeschnittenen
Eintrittskante der Schaufeln verringert wird.
-
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung steht eine der
konzentrischen Wände des Leitschaufelringes unmittelbar im Bereich der Austrittskante
stufenförmig gegenüber der Innenwand des Pumpen- bzw. Turbinenrades vor, wodurch
eine Flüssigkeitsstauwand gebildet wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist der Leitschaufelring an der Austrittskante des Turbinenrades oder an der Austrittskante
des Pumpenrades oder auch an beiden angeordnet. Der Leitschaufelring kann auch mit
drei konzentrisch zueinander angeordneten Ringen versehen und austauschbar sein.
-
Die ausgestaltenden Merkmale sind dem allgemeinen Erfindungsgedanken
untergeordnet. Ein selbständiger Schutz wird hierfür nicht beansprucht.
-
Im folgenden soll die Erfindung an Hand der in den Zeichnungen dargestellten
bevorzugten Ausführungsformen näher beschrieben werden. In den Zeichnungen sind
in allen Ansichten gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt F
i g. 1 einen Längsschnitt der hydrodynamischen Kupplung nach der Erfindung, F i
g. 2 eine Stirnansicht eines flüssigkeitsumlenkenden Leitschaufelringes, F i g.
3 einen Teilschnitt einer hydrodynamischen Kupplung, bei der das Pumpenrad mit flüssigkeitsumlenkenden
Leitschaufeln am äußeren Durchmesser versehen ist, F i g. 4 eine ähnliche Ansicht
wie F i g. 3 einer Ausführungsform, bei der das Pumpenrad einen umlenkenden Leitschaufelring
am äußeren Durchmesser und das Turbinenrad einen umlenkenden Leitschaufelring an
seinem inneren Durchmesser aufweist, F i g. 5 eine Teilansicht des Flüssigkeitskreislaufes,
bei dem das Turbinenrad mit einem Leitschaufelring versehen ist, der eine Mehrzahl
von in radialem Abstand angeordneten flüssigkeitsumlenkenden Kanalabschnitten aufweist.
-
Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß eine Antriebswelle 10 mit
einem Flansch 12 versehen ist, der durch Schrauben 14 mit einem Flansch 16
und einer Nabe 18 eines Pumpenrades 20 verbunden ist.
-
Der Flansch 16 ist durch Schrauben 22 mit einer von dem Pumpenrad
getragenen Rippe 24 verbunden. Ein Turbinenrad 26 ist mit dem Pumpenrad 20
zusammenwirkend angeordnet und weist eine Nabe 28
auf, die durch Schrauben
30 mit einem von der getriebenen Welle 34 getragenen Flansch 32 verbunden
ist. Die getriebene Welle 34 ist durch Lager 36 in der Nabe 18 des Pumpenrades
20 axial angeordnet.
-
Das Pumpenrad 20 kann z. B. einen äußeren peripheralen Flansch
38 aufweisen, der mit einem axialen Gehäuseteil 40 des Flansches 16 und mit einem
inneren Gehäuse 42 sowie einem äußeren Gehäuse 44, zwischen denen eine Kammer
46 für die Aufnahme eines Schöpfrohres 48 gebildet ist, verbunden
ist. Die Flüssigkeitsmenge innerhalb des Arbeits* kreislaufs, der durch das Pumpen-
und das Turbinenrad 20 bzw. 26 gebildet ist, wird durch die Stellung des Schöpfrohres
48 geregelt, da im inneren Gehäuse 42 Öffnungen 50 vorgesehen sind, die den Raum
innerhalb der Gehäuseabschnitte 40 und 42 mit der Kammer 46 verbinden.
Unter den meisten Betriebsbedingungen ist der Flüssigkeitsspiegel im Gehäuseraum
46 der gleiche wie im Arbeitskreislauf.
-
Das Pumpen- und das Turbinenrad 20 bzw. 26
weisen Schalen
52 bzw. 54 auf, die so geformt sind, daß sie einander zugekehrte konkave Kammern
bilden, die sich von ihren inneren Profildurchmessern 56 bzw. 58 zu ihren äußeren
Profildurchmessern 60
bzw. 62 erstrecken.
-
Das Pumpenrad 20 und das Turbinenrad 26 weisen je eine Mehrzahl von
in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten, sich radial erstreckenden Schaufeln
64 bzw. 66 auf. Die Schaufeln 64 und 66 des Pumpenrades bzw. des Turbinenrades haben
im wesentlichen flache, vorzugsweise sich radial erstreckende Kanten 68 bzw. 70.
-
Das Pumpenrad 20 ist mit einem Flüssigkeitseinlaß nahe seinem
inneren Profil 56 und einem Auslaß versehen, der einen radialen Abstand nach außen
vom Einlaß hat und nahe dem äußeren Profil 60 angeordnet ist. Das Turbinenrad
26 hat einen Flüssigkeitseinlaß nahe seinem äußeren Profil 62 und einen Auslaß,
der in radialem Abstand nach innen von seinem Eimaß versetzt nahe dem inneren Profil
58 angeordnet ist.
-
Wenn sich das Pumpenrad 20 dreht, zwingen die Schaufeln 64
die Flüssigkeit, sich mit der Schaufelschale 52 zu drehen, wobei in der Flüssigkeit
eine Zentrifugalkraft erzeugt wird, wenn sie, wie durch den Pfeil 72 angedeutet,
zwischen den Pumpenschaufeln 64 nach außen fließt. Die Schale 52 zwingt
die Flüssigkeit, sich radial und axial in einer kreisförmigen Bahn zu bewegen, wie
es durch den Pfeil 72 in F i g. 1 gezeigt ist, wenn sie sich im Flüssigkeitskreislauf
nach außen bewegt. Die Flüssigkeit wird bei ihrer radialen Auswärtsbewegung beschleunigt
und durch die Krümmung der Pumpenschale abgelenkt, so daß sie in axialer Richtung
in das Turbinenrad 26
strömt. Die von dem Pumpenrad 20 in axialer Richtung
ausgestoßene Flüssigkeit fließt in das Turbinenrad und beaufschlagt die Schaufeln
66 und wird durch die Turbinenschale 54 abgelenkt, um in radialer Richtung
zum inneren Profil 58 des Turbinenrades 26 zu strömen. Wenn die zirkulierende Flüssigkeit
nach einwärts in das Turbinenrad 26 gedrückt wird, wird der Flüssigkeit ein
Drehmoment entzogen und durch das Turbinenrad 26 und Flansch 32 auf
die getriebene Welle 34 übertragen.
-
Ein kontinuierlicher Kreislauf der Flüssigkeit von dem Pumpen- zum
Turbinenrad und zurück zum Pumpenrad resultiert aus der Tatsache, daß die Flüssigkeit
gezwungen ist, nach einwärts in das Turbinenrad 26 zu fließen, und zwar durch die
nachdrängende, aus dem Pumpenrad in das Turbinenrad ausgestoßene Flüssigkeit.
-
Ein Leitschaufelring 80 weist einen sich radial nach innen
erstreckenden Flansch 82 auf, der durch Schrauben 84 mit der Nabe 28 des Turbinenrades
26 verbunden ist, um sich mit dem Turbinenrad zu drehen. Der Leitschaufelring
80 weist in radialem
Abstand angeordnete Ringe 86 und 88
auf, die durch sich radial erstreckende Schaufeln 90 verbunden sind, so daß zwischen
ihnen sich in Umfangsrichtung erstreckende Kanäle 92, wie in F i g. 1 gezeigt, begrenzt
sind. Die Schaufeln 90 des Leitschaufelringes 80 sind vorzugsweise mit den Schaufeln
66 des Turbinenrades ausgerichtet, um die zirkulierende Flüssigkeit von dem Turbinenrad
mit einem Minimum von Turbulenz zu übernehmen und sie in den Flüssigkeitskreislauf
des Pumpenrades 20 zurückzulenken. Falls -erwünscht, können die radialen
Schaufeln 90 mit jeder zweiten Turbinenschaufel 66 oder in irgendeiner anderen gewünschten
Abstandsfolge fluchten. Die im radialen Abstand angeordneten Ringe 86 und
88 und die Schaufeln 90 sind so geformt, daß die Kanäle 92 die zirkulierende
Flüssigkeit aus dem Turbinenrad 26 aufnehmen und sie dabei winklig ablenken, wobei
sie eine Fortsetzung der Turbinenschale 54 bilden und die zirkulierende Flüssigkeit
in das Pumpenrad so ausstrahlen, daß ein Minimum an Turbulenz erzeugt wird, wenn
die Flüssigkeit in das Pumpenrad eintritt. Die radialen Schaufeln 90 sind
in einem axialen Winkel zum Flüssigkeitskreislauf angeordnet, wie dies durch den
in Umfangsrichtung versetzten Einlaß und Auslaß 94 bzw. 96 des Leitschaufelringes
80, bestimmt durch den Winkel, gezeigt ist, um die Flüssigkeit in Umfangsrichtung
umzulenken und die Turbulenz auf ein Minimum zu reduzieren, wenn die Flüssigkeit
in das Pumpenrad strömt.
-
Beim Betrieb der hydrodynamischen Kupplung empfängt der Leitschaufelring
80 die Flüssigkeit, während sie nach einwärts in das Turbinenrad 26 fließt. Da die
Flüssigkeit durch die Kanäle 92 strömt, wird sie durch in in radialem Abstand angeordnete
Ringe 86 und 88 und die Schaufeln 90, die sich radial erstrecken
und in einem Winkel zum Umfang - wie bei 98 dargestellt - angeordnet sind,
abgelenkt, um die Flüssigkeit in den Flüssigkeitskreislauf des Pumpenrades
20 so zu richten, daß die Turbulenz der Flüssigkeit auf ein Minimum reduziert
wird. Flüssigkeitskreislaufverluste werden dadurch reduziert und die Stoßbeanspruchungen,
die durch die Kraftübertragung der strömenden Flüssigkeit von dem Turbinenrad in
das Pumpenrad erzeugt werden, vermindert. Die Lebensdauer der hydrodynamischen Kupplung
wird erhöht und ihre Wirtschaftlichkeit verbessert.
-
Es ist ersichtlich, daß der radiale Flansch 82 des Leitschaufelringes
80 so dargestellt ist, daß er sich ein kurzes Stück radial über das innere Profil
58 der Turbinenschale 54 hinaus erstreckt, wie dies bei 100
gezeigt
ist. Die Stirnfläche des Leitschaufelringes bewirkt eine Verzögerung auf die Flüssigkeit
und erzeugt eine Stauwirkung, um die Drehmomentenübertragung und damit die Arbeitsweise
der Kupplung zu verbessern.
-
Es ist ersichtlich, daß die Pumpenschaufeln 64, wie bei
102 gezeigt, ausgeschnitten sind, um den Leitschaufelring 80 aufzunehmen.
-
Aus F i g. 3 ist zu ersehen, daß ein Leitschaufelring an dem Pumpenrad
20 nahe seinem Auslaß angeordnet ist, der mit dem Einlaß des Turbinenrades in Verbindung
steht. Der Leitschaufelring des Pumpenrades ist im allgemeinen ähnlich der Ausbildung
und Arbeitsweise des Leitschaufelringes des Turbinenrades. Entsprechende Teile sind
daher mit entsprechenden Bezugsziffern zuzüglich von 100 versehen. Bei der Arbeitsweise
dieser Ausführungsform verbessert der Leitschaufelring 180 des Pumpenrades die Führung
der Flüssigkeit. Die Ringe 186 und 188
lenken die Flüssigkeit radial
einwärts, wenn sie von dem Pumpenrad ausgestoßen wird, und richten sie so, daß sie
in den Strömungskreislauf des Turbinenrades 26 mit reduzierter Turbulenz einströmt.
Der Leitschaufelring 180 des Pumpenrades weist radiale Schaufeln 190 auf,
die in einem geeigneten Winkel angeordnet sind und Kanäle 192 begrenzen, um die
von dem Pumpenrad ausgestoßene Flüssigkeit in Umfangsrichtung abzulenken und ihre
Strömung wieder in das Turbinenrad 26 zu richten, so daß ein Minimum an Turbulenz
erzeugt wird.
-
Die auf den Umfang bezogene Winkelanordnung der Schaufeln 190, wie
sie bei 198 dargestellt ist, lenkt die von dem Pumpenrad 20 ausgestoßene Flüssigkeit
ab und richtet sie in die Flüssigkeitskanäle des Turbinenrades 26, um damit in einem
geeigneten Winkel zu strömen, Stoßverluste zu vermeiden und die Turbulenz zu reduzieren.
-
Bei dem in F i g. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ersichtlich,
daß der Leitschaufelring 80 dem Auslaß des Turbinenrades zugeordnet und daß
ein ähnlicher Leitschaufelring 180 am Auslaß des Pumpenrades angeordnet ist.
Wenn beide Leitschaufelringe verwendet werden, wird die Flüssigkeit mit einem maximalen
Führungsgrad in Umlauf gesetzt, wobei Stoßverluste und Turbulenz reduziert und der
Wirkungsgrad des Pumpenrades erhöht werden.
-
Es wird auf die Tatsache hingewiesen, daß es bei Verwendung eines
ausgewählten Leitschaufelringes möglich ist, die Flüssigkeitsströmung im kraftübertragenden
Flüssigkeitskreislauf zu begrenzen, um die Kraftübertragungseigenschaften der Kupplung
zu variieren. Es ist auf diese Weise möglich, nur eine einzige Kupplungsgröße zu
verwenden, die in Verbindung mit einem Leitschaufelring, der aus einer Mehrzahl
von Leitschaufelringen mit den gewünschten Eigenschaften ausgewählt ist, geeignet
ist, Drehmomente wirtschaftlich über einen großen Arbeitsbereich zu übertragen.
Im Betrieb der Kupplung wird somit eine größere Anpassungsfähigkeit erzielt.
-
F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Turbinenrad
26 nahe dem inneren Durchmesser des Flüssigkeitskreislaufs mit einem zusammengesetzten
Leitschaufelring 110 versehen ist, der durch Schrauben 112 mit der Turbinenradnabe
114 verbunden ist. Der zusammengesetzte Leitschaufelring 110 weist eine Mehrzahl
von konzentrisch angeordneten flüssigkeitsumlenkenden Kanälen 116 und
118 auf, von denen jeder mit in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten,
im wesentlichen sich radial erstreckenden flüssigkeitsumlenkenden Schaufeln, entsprechend
den Schaufeln 90 der F i g. 2, versehen ist.
-
Beim Betrieb dieser Ausführungsform ist ersichtlich, daß die zirkulierende
Flüssigkeit, die radial einwärts in den Kanal des Turbinenrades 26 strömt, bei niedrigen
Geschwindigkeiten in beide der in radialem Abstand angeordneten flüssigkeitsumlenkenden
Kanäle 116 und 118 strömt. In vielen Fällen wird die zirkulierende Flüssigkeit praktisch
insgesamt durch den inneren Kanal 116, wie durch die Pfeile 120 angezeigt, strömen.
Die Flüssigkeit wird von den Schaufeln darin so geführt, daß sie in den Kanal des
Pumpenrades 20 in einem solchen Winkel eintritt, daß die Turbulenz und die
Flüssigkeitsverluste im Kreislauf
auf ein Minimum reduziert werden.
Bei hohen Geschwindigkeiten bewirkt die auf die zirkulierende Flüssigkeit ausgeübte
Zentrifugalkraft, daß die Flüssigkeit radial auswärts im Flüssigkeitskreislauf gehalten
wird, so daß die Flüssigkeit, die in dem Strömungskanal des Turbinenrades 26 fließt,
im wesentlichen darauf beschränkt wird, entsprechend den Pfeilen 122 durch den Kanal
118 zu fließen, der in radialem Abstand nach außen vom Kanal 116 liegt.
-
Es ist somit ersichtlich, daß die Wirbelströmung der Flüssigkeit bei
hohen Geschwindigkeiten von dem Turbinenrad zurück zum Pumpenrad in einem größeren
radialen Abstand von der Mitte der hydrodynamischen Kupplung erfolgt als bei niedrigeren
Geschwindigkeiten. Durch Führung und Richtung der von dem Turbinenrad ausströmenden
Flüssigkeit ist es möglich, eine weichere Kupplung zu schaffen, die für einen größeren
Bereich von Kraftübertragungscharakteristiken wirtschaftlich betätigbar ist. Es
ist daher durch Auswechseln des Leitschaufelringes einer hydrodynamischen Kupplung
möglich, die kraftübertragenden Charakteristiken der Vorrichtung zu verändern. Ein
Grundelement, bestehend aus zusammenpassenden Pumpen- und Turbinenelementen, kann
dann geändert werden, um wirtschaftlich für einen großen Bereich von kraftübertragenden
Charakteristiken zu arbeiten, indem die Leitschaufelelemente durch die der gewünschten
Charakteristiken ersetzt werden.
-
Es ist ersichtlich, daß das Pumpenrad und das Turbinenrad in irgendeiner
gewünschten Weise, z. B. durch Gießen, Fräsen od. dgl., hergestellt sein können.