DE19707558B4

DE19707558B4 - Schaufelrad für eine hydrodynamische Maschine

Info

Publication number: DE19707558B4
Application number: DE1997107558
Authority: DE
Inventors: Jürgen Friedrich; Peter Heilinger; Peter Rose; Klaus Vogelsang; Hark Twisselmann
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: DE19707558A1

Abstract

Schaufelrad für eine hydrodynamische Maschine, insbesondere für einen hydrodynamischen Retarder oder für eine hydrodynamische Kupplung
1.1 mit einem torusförmigen Grundkörper (2.2) sowie mit mehreren Schaufeln (2.1);
1.2 die Schaufeln sind in gegenseitigen Abständen in den Hohlraum des torusförmigen Grundkörpers (2.2) eingesetzt;
1.3 die Kontur einer jeden Schaufel (2.1) weist eine Vorderkante (2.1.1) auf, die dem anderen Schaufelrad zugewandt ist, sowie eine konvexe Kante (2.1.2);
1.4 jeweils zwischen zwei einander benachbarten Schaufeln (2.1) ist wenigstens ein Abstandshalter vorgesehen;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.5 der Abstandshalter ist in Form eines Schenkels (2.1.3) ausgebildet, welcher in Umfangsrichtung des Schaufelrads verläuft und mit einem Ende an einer von zwei einander benachbarten Schaufeln (2.1) befestigt oder ein Teil dieser Schaufel ist und sich mit seinem freien Ende an der benachbarten Schaufel ausschließlich abstützt; und
1.6 ein weiterer Abstandshalter oder Versteifungselement ist in Form eines umlaufenden Reifs...

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaufelrad für eine hydrodynamische Maschine. Dabei kommen ein hydrodynamischer Retarder oder eine hydrodynamische Kupplung in Betracht. Das Schaufelrad kann entweder ein Rotorschaufelrad oder ein Statorschaufelrad sein.
Hydrodynamische Maschinen sind seit langem bekannt. Derartige Maschinen umfassen als wesentliche Komponenten ein Rotorschaufelrad, ein Statorschaufelrad sowie ein Gehäuse. Die beiden Schaufelräder sind aus einem Grundkörper aufgebaut sowie aus einer Mehrzahl von Schaufeln. Die beiden Schaufelräder bilden miteinander einen ringförmigen Arbeitsraum, der häufig einen annähernd kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Schaufeln sind über den Umfang eines jeden Schaufelrades verteilt angeordnet. Dabei sind sie meist gegen eine achssenkrechte Ebene geneigt. Der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise mit Öl, füllbar. Handelt es sich um eine hydrodynamische Bremse und ist der Arbeitsraum mit Arbeitsmedium gefüllt, so befindet sich die Bremse in einem Zustand, in dem sie ihre Bremsfunktion ausüben kann.
Der große Vorteil solcher hydrodynamischer Maschinen besteht darin, dass sie verschleißfrei arbeiten. Hydrodynamische Bremsen haben außerdem den besonderen Vorteil gegenüber mechanischen Bremsen, dass sie auch bei Dauerbetrieb nicht ermüden. Wegen der gestiegenen Sicherheitsanforderungen im Straßenverkehr werden daher hydrodynamische Bremsen immer häufiger eingesetzt. Da somit Retarder in großen Stückzahlen hergestellt werden, besteht das Bedürfnis nach einer besonders rationellen Fertigung. Die bisher bekannten Retarder sind derart aufgebaut, dass die Fertigung verhältnismäßig aufwendig und teuer ist. Die Schaufelräder von hydrodynamischen Maschinen wurden bisher meist im Gussverfahren hergestellt. Dies ist deshalb aufwendig, weil zum Erzeugen der Schaufeln für die Zwischenräume zwischen einander benachbarten, schräg angeordneten, geraden Schaufeln Gießkerne vorgesehen werden müssen. Außerdem kann eine Nachbearbeitung notwendig werden, da der Wirkungsgrad nur dann gut ist, wenn die Oberfläche des Arbeitsraumes glatt ist.
Es ist auch bekannt, Schaufelräder als Blechkonstruktion auszuführen. Dabei wird der Grundkörper aus einer Blechplatte ausgestanzt und anschließend in eine Vorrichtung gedrückt, so dass er seine Arbeitsgestalt annimmt; die Schaufeln werden ebenfalls ausgestanzt, in den Grundkörper eingesetzt und festgelötet. Dieses Verfahren ist ebenfalls aufwendig, weil mit Handarbeit verbunden.

Auf DE 43 11 356 A1 wird verwiesen.

Zum Stand der Technik wird zusätzlich auf die folgenden Dokumente verwiesen:

US-PS 3 166 161
US-PS 2 115 895
US-PS 3 873 237
EP 0 732 519 A1
DE 33 43 752 C2
DE-AS 1 164 752

Die Dokumente US-PS 3 166 161 und US-PS 2 115 895 beschreiben hydrodynamische Maschinen, deren Schaufeln einzeln aus Blech hergestellt werden und eine nach der anderen anschließend in eine Tragstruktur aus Platten und Ringen eingeschweißt wird.

Das Dokument EP 0 732 519 A1 beschreibt eine Flüssigkeitsturbine mit einem Rotor, der ein ringförmiges Gehäuse und eine halbkreisförmige Gestalt aufweist. Der Rotor umfasst eine Vielzahl von Schaufeln, wobei jede Schaufel in einem gleichmäßigen Abstand bezüglich den benachbarten Schaufeln an einer Innenfläche des ringförmigen Gehäuses angeordnet ist, und das ringförmige Gehäuse und die Schaufeln aus einem blechartigen Material gebildet sind. Jede Schaufel umfasst eine Rippe, wobei sich die Breite jeder Rippe nach und nach vom ersten Ende zum zweiten Ende derselben derart verringert, dass zwischen benachbarten Schaufeln die gleichmäßigen Abstände zwischen benachbarten ersten Enden und benachbarten zweiten Enden im wesentlichen konstant sind.

Die Erfindung geht aus von einem Schaufelrad, bei welchem der Grundkörper einerseits und die Schaufeln andererseits zunächst getrennt voneinander hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Schaufelrad derart zu gestalten, dass es im Aufbau noch einfacher als bisher ist, dass die Montage der Schaufeln im Grundkörper noch schneller und noch einfacher als seither erfolgt, dass die Befestigung der Schaufeln am Grundkörper aber zuverlässig und dauerhaft ist, und dass die strömungsführenden Elemente dennoch hydrodynamisch optimal gestaltet sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Erfinder haben damit eine verblüffend einfache Art der Schaufelgestaltung und -fixierung am Grundkörper erkannt. Die Schaufeln stützen sich nämlich durch die Abstandshalter gegenseitig ab. Dadurch lassen sich Befestigungsoperationen zum Löten oder Schweißen reduzieren.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Retarder. Dabei ist auf einer Retarderwelle 1 ein Rotorschaufelrad 2 befestigt. Koaxial zum Rotorschaufelrad ist ein Statorschaufelrad 3 angeordnet. Ein Gehäuse 4 ist einteilig mit dem Statorschaufelrad 3 gebildet.
2 ist eine perspektivische Teilansicht des Rotorschaufelrades 2 gemäß 1. Wie man sieht, umfaßt das Rotorschaufelrad 2 eine Vielzahl von Schaufeln 2.1. Diese sind in den Grundkörper 2.2 des Rotorschaufelrades eingesetzt. Der Grundkörper 2.2 bildet zu diesem Zwecke einen Hohlraum, der in einem achsparallelen Schnitt wenigstens annähernd halbkreisförmig ist. Jede Schaufel 2.1 weist eine Vorderkante 2.1.1 auf, ferner eine konvexe Hinterkante 2.1.2, die der Kontur des Hohlraumes des Grundkörpers 2.2 folgt.
Gemäß der Erfindung ist jede Schaufel 2.1 mit einem Schenkel 2.1.3 versehen. Dieser Schenkel ist einteilig mit der Schaufel 2.1. Der Schenkel 2.1.3 erstreckt sich von der betreffenden Schaufel, deren Bestandteil er bildet, bis zur benachbarten Schaufel.
Ist die Schaufel aus Blech hergestellt, beispielsweise durch Ausstanzen, so wird der Schenkel beispielsweise durch Abkröpfen erzeugt.
Im vorliegenden Falle ist die gesamte Innenfläche des Grundkörpers 2.2 von den genannten Schenkeln 2.1.3 der Schaufeln 2.1 ausgekleidet, so daß die Innenfläche des Grundkörpers 2.2 von der Arbeitsflüssigkeit nicht berührt wird, sondern die Innenflächen der Schenkel 2.1.3.
3a ist ein Zylinderschnitt gemäß der Schnittlinie III-III in 2. Man erkennt hierbei wiederum den Grundkörper 2.2 des Rotorschaufelrades 2, ferner eine Anzahl von Schaufeln 2.1 sowie die einer jeden Schaufel zugeordneten Schenkel 2.1.3. Wie man sieht, erstreckt sich ein jeder Schenkel bis zur benachbarten Schaufel, und liegt an dieser an. Hierdurch wird eine positive Abstützung erzielt. Sämtliche Schaufeln 2.1 bilden somit einen Schaufelverband, der durch die Schenkel 2.1.3 versteift wird. Die Fixierung dieser mit Schenkeln versehenen Schaufeln am Grundkörper 2.2 kann hierdurch auf einfachere Weise als beim Stande der Technik erfolgen. In der Regel wird es genügen, wenn an einer Stelle, beispielsweise an der Fügekante 2.4 einer jeden Schaufel, eine Schweißverbindung (2a) oder eine Lötverbindung (2b) und dem Grundkörper 3.2 hergestellt wird -siehe 2.
3b zeigt eine Ausführungsform sehr ähnlich jener gemäß 3a. Jedoch sind hierbei die Schaufeln 2.1 in dieser Ansicht jeweils im wesentlichen U-förmig. Dabei ist der Steg des U jeweils der Abstandshalter 2.1.3, während jede einzelne Schaufel 2.1 aus den Schenkeln zweier einander benachbarter U bestehen, die aneinander anliegen. Hierbei können die Schenkel der Schaufeln dünner bemessen werden, z. B. nur halb so stark wie seither. Die Stege der U-förmigen Körper sind dünnwandig, was eine Gewichtsersparnis bedeutet.
4 ist eine Ansicht gleich jener gemäß 3a. Hierbei haben die Schenkel jedoch eine andere Gestalt als bei 3. Sie sind nämlich lediglich stabförmig ausgebildet. Diese stabförmigen Stäbe 2.1.3 verlaufen am Grund des Hohlraumes des torusförmigen Rotor-Grundkörpers 2.2.
5 ist eine Ansicht gleich jener gemäß der 3a und 4. Dabei sind die Schenkel 2.1.3 ebenfalls stabförmig ausgebildet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß 4 verlaufen sie jedoch am Außenradius des Grundkörpers 2.2
Die Ausführungsform gemäß 6 ist eine Ansicht eines Rotorschaufelrades 2 ganz ähnlich jener gemäß 2. Jedoch ist hierbei ein weiteres Element vorgesehen, nämlich ein Reif 2.5, der auf die Vorderkanten 2.1.1 der Schaufeln 2.1 aufgelegt und an den Stellen 2.6 festgelötet ist. Dabei wird man im allgemeinen eine randoffene Aussparung an den Vorderkanten 2.1.1 der Schaufeln 2.1 vorsehen; der Reif 2.5 wird dann in diese Aussparungen eingelegt. Siehe 7.
Bei der Ausführungsform gemäß 8 ist der Reif 2.5 durch Bohrungen in den Schaufeln 2.1 hindurchgeführt, und zwar z.B. in einem mittleren Bereich der Schaufel.
Bei der Ausführungsform gemäß 9 befindet sich der Reif 2.5 in einem unteren Bereich.
Sowohl die Schenkel 2.1.3 als auch der Reif 2.5 haben die Funktion von Abstandshaltern oder Versteifungselementen. Sie dienen dazu, die Schaufeln 2.1 zuverlässig zu positionieren, und zwar relativ zueinander, so daß der gegenseitige Abstand zwischen einander benachbarten Schaufeln positiv erhalten bleibt. Die Abstandshalter dienen aber auch gleichzeitig dazu, die Montage zu vereinfachen. Sie machen nämlich die Gesamtheit der Schaufeln zu einem durchgängigen einheitlichen Tragwerk, das in sich selbst steif ist.
Es besteht noch ein gewisser Unterschied zwischen den Schenkeln 2.1.3 einerseits und dem Reif 2.5. Die Schenkel 2.1.3 sind nämlich nur mit ihrem einen Ende an der betreffenden Schaufel 2.1 befestigt oder sind ein Teil dieser Schaufel; mit ihrem freien Ende hingegen stützen sie sich lediglich an der benachbarten Schaufel ab.
Der Reif 2.5 hingegen ist mit jeder einzelnen Schaufel 2.1 fest verbunden. Der Grundgedanke ist jedoch bei beiden – Schenkel oder Reif – derselbe.
Im übrigen können auch die Schenkel 2.1.3 mit den beiden Schaufeln, zwischen denen sie liegen, fest verbunden sein.
Ganz allgemein ergibt sich aus der Erfindung noch ein weiterer Vorteil: Sind die einzelnen Abstandshalter derart gestaltet, daß sie die Zwischenräume zwischen einander benachbarten Schaufeln völlig abdecken, so kann die Wandung des Grundkörpers entsprechend schwächer bemessen werden. Daraus ergibt sich eine Materialersparnis und natürlich auch eine Gewichtsersparnis.
Die Erfindung hat einen weiteren Vorteil. Durch die Versteifung mittels der Abstandshalter – Schenkel oder Reif – ergibt sich eine Verbesserung des Schwingungsverhaltens. Die Eigenfrequenz des Bauteiles kann hierdurch verändert werden.
Im Extremfall ist es denkbar, daß die Wandung des Grundkörpers 2.2 nur zu einer ganz dünnen Hülle wird. Im Extremfall könnte sie sogar völlig verschwinden, weil sie nämlich dann von der Gesamtheit der Schenkel 2.1.3 gebildet wird.
Der Reif 2.5 kann wohlgemerkt für sich alleine als auch in Kombination mit den Schenkeln 2.1.3 verwendet werden.

Claims

Schaufelrad für eine hydrodynamische Maschine, insbesondere für einen hydrodynamischen Retarder oder für eine hydrodynamische Kupplung 1.1 mit einem torusförmigen Grundkörper (2.2) sowie mit mehreren Schaufeln (2.1); 1.2 die Schaufeln sind in gegenseitigen Abständen in den Hohlraum des torusförmigen Grundkörpers (2.2) eingesetzt; 1.3 die Kontur einer jeden Schaufel (2.1) weist eine Vorderkante (2.1.1) auf, die dem anderen Schaufelrad zugewandt ist, sowie eine konvexe Kante (2.1.2); 1.4 jeweils zwischen zwei einander benachbarten Schaufeln (2.1) ist wenigstens ein Abstandshalter vorgesehen; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.5 der Abstandshalter ist in Form eines Schenkels (2.1.3) ausgebildet, welcher in Umfangsrichtung des Schaufelrads verläuft und mit einem Ende an einer von zwei einander benachbarten Schaufeln (2.1) befestigt oder ein Teil dieser Schaufel ist und sich mit seinem freien Ende an der benachbarten Schaufel ausschließlich abstützt; und 1.6 ein weiterer Abstandshalter oder Versteifungselement ist in Form eines umlaufenden Reifs (2.5) ausgebildet, welcher die Schaufeln (2.1) miteinander verbindet und an der Vorderkante (2.1.1) der Schaufeln (2.1) anliegt oder durch die Schaufeln (2.1) hindurchgeführt ist, und der an jeder Schaufel (2.1) befestigt ist.
Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter wenigstens an einer (2.1) von zwei einander benachbarten Schaufeln befestigt ist.
Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter jeweils mit einer von zwei einander benachbarten Schaufeln (2.1) einteilig ist.
Schaufelrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter aus einem Schenkel (2.1.3) gebildet ist, der mit der Schaufel (2.1) einteilig ist, und der gegenüber der Schaufel (2.1) unter einem Winkel abgekröpft ist.
Schaufelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstandshalter entlang der Wandung des torusförmigen Grundkörpers (2.2) erstreckt.