DE19835119C1

DE19835119C1 - Hydrodynamische Maschine mit Brems- und Pumpfunktion

Info

Publication number: DE19835119C1
Application number: DE1998135119
Authority: DE
Inventors: Werner Adams
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2018-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine mit einem Gehäuse; DOLLAR A wenigstens zwei im Gehäuse angeordneten Schaufelrädern, die wenigstens axial gegeneinander in eine erste und eine zweite Position verschiebbar sind; DOLLAR A wenigstens einem im Gehäuse angeordneten Pumpenkanal. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß DOLLAR A die Schaufelräder im Gehäuse derart angeordnet sind, daß in der ersten Position ein Arbeitsraum eines Retarders ausgebildet wird; und DOLLAR A in der zweiten Position wenigstens eines der Schaufelräder Arbeitsmedium in den Pumpkanal fördert.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit wenigstens zwei im Gehäuse angeordneten Schaufelrädern, die wenigstens axial gegeneinander aus eine erste Position in eine zweite Position verschiebbar sind.

Hydrodynamische Maschinen, insbesondere hydrodynamische Retarder, sind beispielsweise aus VDI Handbuch Getriebetechnik II, VDI-Richtlinien VDI 2153, Hydrodynamische Leistungsübertragung Begriffe - Bauformen - Wirkungsweisen, Kapitel 7, Bremsen oder Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 18. Auflage, Seiten R49 bis R53 bekannt, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die Anmeldung mit einbezogen wird.

Hydrodynamische Retarder werden, insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen oder in Anlagen mit stark wechselndem Betrieb, durch Füllen und Entleeren des beschaufelten Arbeitskreislaufs mit einem Betriebsfluid ein- oder ausgeschaltet. Auch bei ausgeschaltetem Retarder ist noch ein Restmoment vorhanden, beispielsweise aufgrund einer umlaufenden Restölmenge. Das durch das Restmoment bedingte Bremsmoment ist zwar sehr gering, kann sich jedoch bei hohen Drehzahlen sehr störend auswirken und zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Retarders führen. Zur Vermeidung der Ventilationsverluste sind bereits eine Reihe von Lösungen bekannt. Dazu gehören u. a. die Verwendung von Statorbolzen sowie die Möglichkeit einer Kreislaufevakuierung. Diese Lösungen sind jedoch sehr aufwendig in ihrer Umsetzung und bedingen einen erhöhten Platzbedarf und damit größere Retarderabmessungen. Wesentliche Nachteile bei der Verwendung von Statorbolzen sind darin zu sehen, daß diese aufgrund ihrer Anordnung im Profilgrund des Stators auch im Bremsbetrieb in den Arbeitskreislauf hineinreichen und diesen damit stören. Die Möglichkeit der Verwendung getrennter äußerer Kühl-Kreisläufe, bei der beim Leerlaufbetrieb eine genau bestimmte Ölmenge in einem separaten Kreislauf eingeschlossen wird, ist sehr aufwendig in ihrer Umsetzung, da zusätzliche Bauteile benötigt werden. Des weiteren muß ständig eine sichere Trennung zwischen den einzelnen Zirkulationswegen gewährleistet sein.

Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Leerlaufverluste besteht im Verschwenken der Statorschaufelrades gegenüber dem Rotorschaufelrad. Möglichkeiten zur Lageänderung des Statorschaufelrades gegenüber dem Rotorschaufelrad sind bereits aus den folgenden Druckschriften bekannt:

1. DE 31 13 408 C1
2. DE 40 10 970 A1
3. DE 44 20 204 A1
4. DE-AS 15 25 396
5. DE-AS 16 00 148
6. DE 298 07 986 U1

Die diesen Ausführungen zugrundeliegende Aufgabe besteht in einer aktiven Anpassung an verschiedene Betriebszustände.

Die DE 31 13 408 C1 offenbart Möglichkeiten einer Statorschaufelradverstellung eines Retarders für den Einsatz in stationären Anlagen, beispielsweise in Windkraftanlagen zur Umsetzung der Windenergie in Wärme. Die Verstellung erfolgt manuell oder mittels entsprechender Hilfsmittel. Die Feststellung des Statorschaufelrades in der ausgeschwenkten Lage erfolgt mittels mechanischer Hilfsmittel, beispielsweise in Form von Schrauben. Die Verstellung erfolgt zum Zweck der Anpassung der Strömungsbremse an die Windkraftanlage. Der Zeitaufwand für die Realisierung einer Verstellung ist entsprechend hoch, und die Ausführung ist demzufolge in keiner Weise für den Einsatz im Fahrzeug geeignet.

Der in der Druckschrift DE 40 10 970 A1 offenbarte Retarder weist analog zu der erstgenannten Druckschrift ein Statorschaufelrad auf, das in seiner Lage veränderbar ist. Jedoch erfolgt hier eine Lageveränderung durch eine zusätzlich zum Bremsmoment erzeugte Reaktionskraft, die dem Bremsmoment proportional ist. Diese Reaktionskraft wird durch eine entsprechende Gestaltung und Lagerung des Schaufelrades erzeugt. Der Reaktionskraft wird eine Verstellkraft, die von einer Verstelleinrichtung aufgebracht wird, entgegengesetzt. Die Größe der Verstellkraft beeinflußt dabei entscheidend die Wirkung der Reaktionskraft und damit das Bremsmoment aufgrund der Bedingung, daß die Summe aller auf ein abgeschlossenes System wirkenden äußeren Momente gleich Null ist. Beide Möglichkeiten dienen zur Einstellung bzw. Steuerung des Bremsmomentes. Sie zeichnen sich durch einen enormen konstruktiven Aufwand sowie eine hohe Bauteilanzahl aus.

Aus der DE 44 20 204 A1 ist ein Retarder mit einem selbsttätigen Schwenkstator bekannt geworden, der aufgrund seiner exzentrischen Lagerung im Leerlaufbetrieb selbsttätig in eine Lage gebracht wird, in der keine oder nur ein geringer Teil an Luftmassen zwischen dem Rotorschaufelrad und dem Statorschaufelrad bewegt wird.

Eine andere Möglichkeit der Minimierung von Leerlaufverlusten besteht gemäß der DE 15 25 396 A1 und der DE 16 00 148 A1 darin, mit Hilfe eines Kupplungssystems die Rotoren im Leerlauf von der Bremswelle zu lösen und im Bremsbetrieb mit der Bremswelle zu kuppeln, um so die Leerlaufleistung möglichst gering zu halten. Nachteilig an diesen Retardern war deren aufwendige Konstruktion.

Eine axiale Verschiebung von Stator- und Rotorschaufelrad zur Verringerung von Leerlaufverlusten zeigt die DE 298 07 986 U1.

Hydrodynamische Maschinen, die mehrere Funktionen, beispielsweise eine Bremsfunktion und eine Pumpenfunktion umfassen, sind aus nachfolgenden Druckschriften bekannt geworden:

DE 32 41 835 C1
DE 44 15 031 C1
EP 07 07 140 A1

Die DE 32 41 835 zeigt eine hydrodynamische Einrichtung mit einem Rotor- Schaufelrad sowie einem Stator-Schaufelrad und einer elektromagnetischen Kupplung. Zur Erzielung einer weiteren Nutzbarkeit einer solchen hydrodynamischen Einrichtung wird diese derart ausgebildet, daß sie in einer Schaltstellung als hydrodynamische Kupplung zum Antrieb der Wasserpumpe wirksam ist.

Die DE 44 15 031 zeigt eine hydrodynamische Einrichtung, wobei das Gehäuse der hydrodynamischen Einrichtung in einem Pumpengehäuseteil einer Wasserpumpe des Kühlwasserkreislaufes integriert ist.

Aus der EP 07 07 140 A1 ist ein Retarder bekannt geworden, der im Traktionsbetrieb, d. h. bei nicht betätigtem Retarder, als Umwälzpumpe für das Kühlmittel im Kühlkreislauf arbeitet. Die Umschaltung zwischen Pumpen- und Retarderbetrieb wird gemäß der EP 07 07 140 mittels eines Zwei-Wege- Ventiles vorgenommen. In der einen Stellung wird Kühlmittel nur durch den Pumpenteil des Rotors hindurchgeführt, im Bremsbetrieb nur durch den Retarder selbst.

Aufgabe der Erfindung ist es, in einer möglichst kompakten Bauform unter Vermeidung von großen Leitungslängen und störanfälligen Umschalteinrichtungen eine hydrodynamische Maschine anzugeben, in der verschiedene Funktionen verwirklicht werden können, insbesondere eine Bremsfunktion sowie eine Pumpfunktion.

Hierzu schlägt die Erfindung vor, daß die Schaufelräder der hydrodynamischen Maschine im Gehäuse derselben derart angeordnet sind, daß in einer ersten Position ein Arbeitsraum eines Retarders ausgebildet wird und in einer zweiten Position wenigstens eines der Schaufelräder als Pumpenrad fungiert und in hydraulischer Verbindung mit dem Abführ- bzw. Pumpkanal steht, so daß Arbeitsmedium in den Pumpkanal gefördert wird, wobei die Funktion als hydrodynamische Bremse aufgegeben wird.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die hydrodynamische Maschine genau zwei Schaufelräder umfaßt, nämlich ein erstes und ein zweites Schaufelrad, wobei das erste Schaufelrad als Stator drehfest und das zweite Schaufelrad als Rotor mit einer Welle drehend ausgestaltet ist.

In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Stator axial feststehend ist und der Rotor gegenüber diesem verschoben wird.

Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, daß der Rotor in axialer Richtung feststehend ausgestaltet ist und der Stator verschiebbar.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Gehäuse der hydrodynamischen Maschine wenigstens zwei Räume umfaßt, einen Arbeitsraum eines Retarders und einen weiteren Raum, den sogenannten Pumpraum, umfassend den Pumpkanal.

Zum Verbringen der Schaufelräder in die jeweilige Position schlägt die Erfindung in einer Fortbildung vor, Verschiebemittel vorzusehen.

In einer besonders kompakten Ausführungsform, können diese Verschiebemittel Mittel zum Umsetzen des Rotordrehmomentes in einer Axialbewegung umfassen. In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Umsetzmittel ein Gewinde mit gleichmäßiger Gewindesteigung aufweisen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1.1: Eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem einzigen Raum in Pumpstellung.

Fig. 1.2: Die Ausführungsform gemäß Fig. 1.1 in Bremsstellung.

Fig. 2.1: Eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Gehäuse umfassend zwei Räume in Pumpstellung.

Fig. 2.2: Eine Ausführungsform gemäß Fig. 2.1 in Bremsstellung.

Fig. 3.1: Eine alternative Ausführungsform eines Gehäuses in Pumpstellung.

Fig. 3.2: Eine Ausführungsform gemäß Fig. 3.1 in Bremsstellung.

Fig. 4.1: Eine Ausführungsform gemäß Fig. 3.1, wobei die Schaufelräder eine kegelstumpfförmige Wirkfläche aufweisen.

Fig. 4.2: Eine Ausführungsform gemäß Fig. 4.1 in Bremsstellung.

In Fig. 1.1 sowie Fig. 1.2 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hierbei zeigt Fig. 1.1 die Stellung der hydrodynamischen Maschine im sogenannten Pumpzustand und Fig. 1.2 die hydrodynamische Maschine im Bremszustand.

Die hydrodynamische Maschine umfaßt ein Gehäuse 1 sowie ein erstes als Rotor ausgebildetes Schaufelrad 3 und ein zweites als Stator ausgebildetes Schaufelrad 5. Der Rotor ist auf einer nicht dargestellten Welle 7 drehend gelagert. In der dargestellten Stellung wird zu pumpendes Medium über den Eintrittskanal 9 und die Eintrittsöffnung 11 in den Raum 13 geführt, um vom sich drehenden Rotor 3 in den Kanal 15 gefördert zu werden. Sowohl am Stator 5 wie auch am Rotor 3 sind Deckscheiben 20, 22 angeordnet. Der beschaufelte Raum des Stators 5 wurde mit Bezugsziffer 26, der beschaufelte Raum des Rotors 3 mit 28 bezeichnet.

In Fig. 1.2 ist die Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1.1 in der Bremsstellung dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit den selben Bezugsziffern wie in Fig. 1.1 belegt. Durch axiale Verschiebung des Rotors vorzugsweise entlang der Welle 7 in Richtung des Stators wird der Arbeitsraum 13 auf einen Spalt verringert. Das über dem Eintrittskanal 9 eintretende Öl wird durch den sich drehenden Rotor 3 beschleunigt und im feststehenden Stator 5 abgebremst, so daß die für hydrodynamische Retarder bekannte Bremswirkung einsetzt. Für die Entleerung des Retarders ist Kanal 24 vorgesehen. Diese Ausgestaltung ist nicht zwingend, beispielsweise wäre auch eine Entleerung über Kanal 15 möglich.

Die axiale Verschiebung des Rotors kann bevorzugt mit Hilfe einer Vorrichtung durchgeführt werden, bei der das Rotordrehmoment in ein Moment zur axialen Verschiebung umgesetzt wird, beispielsweise mittels eines Steilgewindes, die vorliegend nicht dargestellt ist.

In Fig. 2.1 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Wiederum sind gleiche Bauteile wie in Fig. 1.1 und Fig. 1.2 mit den selben Bezugsziffern belegt.

Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß den Fig. 1.1 und 1.2, bei denen das Gehäuse nur einen Raum 13 umfaßte, weist die vorliegende Ausführungsform wie in Fig. 2.1 und 2.2 dargestellt zwei Räume 13.1, 13.2 auf.

Das Arbeitsmedium bzw. zu pumpende Medium wird über den Eintrittskanal 9 zugeführt und durch das am Rotor zusätzlich ausgebildete Schaufelrad 30, das auf der Rückseite des Rotor-Schaufelrades 32 des Retarders ausgebildet wird, in den Kanal 15 gefördert. Der Pumpenraum 13.2 ist vom Arbeitsraum 13.1 des Retarders durch eine Dichtung 34 getrennt.

In Fig. 2.2 ist die hydrodynamische Maschine gemäß Fig. 2.1 in der Bremsstellung dargestellt.

Der Raum 13.1 ist nunmehr lediglich ein Spalt, so daß das Arbeitsmedium vom Rotor in das gegenüberliegende feststehende Stator-Schaufelrad gefördert und dort abgebremst wird, so daß die Bremswirkung des hydrodynamischen Retarders einsetzt.

Das Arbeitsmedium wird über den Förderkanal 15 vom Retarder abgeführt.

Wie schon bereits bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1.1 und 1.2 wird der Rotor axial aus der Pumpposition in die Retarder, d. h. die Bremsposition, verbracht.

In Fig. 3.1 ist eine analoge Ausführungsform zu den Fig. 1.1 und 1.2 mit Räumen 13.1 und 13.2 dargestellt. Gleiche Bauteile wie in den vorgegangenen Figuren sind wiederum mit den selben Bezugsziffern belegt.

Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1.1 und Fig. 1.2 ist das Rotor-Schaufelrad für den Retarder wie für die Pumpe ein und dasselbe Bauteil. In der in Fig. 3.1 gezeigten Stellung sind Rotor 3 und Stator 5 wiederum weit voneinander entfernt, so daß durch den Eintrittskanal 9 in den Raum 13.1 eintretendes Öl aufgrund der Pumpwirkung des Rotor- Schaufelrades 3 in den Kanal 15 gefördert wird.

Im in Fig. 3.2 dargestellten Bremsbetrieb ist der Rotor 3 in Richtung des Stators 5 axial verschoben, so daß lediglich ein Spalt 13.1 zwischen Rotor und Stator ausgebildet wird. In die Strömungsmaschine eintretendes Arbeitsmedium wird wiederum durch den sich drehenden Rotor 3 beschleunigt und im feststehenden Stator 5 abgebremst, wodurch ein Bremsmoment wie bei Retardern üblich aufgebaut wird.

In Fig. 4.1 ist eine Ausführungsform der Erfindung gemäß den Fig. 3.1 und 3.2 dargestellt, bei der die Wirkfläche zwischen den beiden den Retarder bildenden Schaufelräumen kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Gleiche Bauteile wie in den vorangegangenen Figuren werden wiederum mit denselben Bezugsziffern belegt.

Durch die kegelstumpfförmige Form der Wirkflächen, wird erreicht, daß bereits kleinere axiale Verschiebungen der beiden Schaufelräder gegeneinander dazu führen, daß das zwischen den Wirkflächen der Schaufelräder befindliche Medium sehr wirksame Störströmungen aufweist. Diese Störströmungen bewirken eine Verlustleistungsreduzierung aufgrund des Wirkversatzes der Schaufelräder zueinander, wobei zwischen den Schaufelrädern dann der in Fig. 4.1 dargestellte große Spaltabstand 13.1 besteht, bei denen die erfindungsgemäße hydrodynamische Maschine als Pumpe wirkt.

In Fig. 4.2 befindet sich der Retarder in Bremsbetriebsstellung, d. h. der Abstand von Rotor 3 und Stator 5 ist wie eingezeichnet sehr gering.

In der vorliegenden Erfindung wird erstmals eine hydrodynamische Maschine angegeben, bei der sowohl die Pump- wie auch die Bremsfunktion auf engem Raum vereint sind und zum Umschalten von der einen in die andere Funktion Rohrleitungen sowie Umschaltventile überflüssig werden. Ein Umschalten von einem auf den anderen Betrieb erfolgt durch einfaches axiales Verschieben der Schaufelräder zueinander.

Während in den dargestellten Ausführungsbeispielen stets das sich drehende Schaufelrad, der sogenannte Rotor, axial gegenüber dem feststehenden Stator verschoben wurde, ist es auch denkbar, daß der Rotor axial in seiner Position gehalten wird und der Stator mitsamt dem Gehäuse axial verschoben wird.

Claims

1. Hydrodynamische Maschine mit

1. 1.1 einem Zuführkanal für ein Arbeitsmedium;
2. 1.2 einem Gehäuse (1);
3. 1.3 wenigstens zwei im Gehäuse angeordneten Schaufelrädern (3, 5), die wenigstens axial gegeneinander in eine erste und eine zweite Position verschiebbar sind;
4. 1.4 wenigstens einem im Gehäuse (1) angeordneten Abführkanal (15),

dadurch gekennzeichnet, daß

1. 1.5 die Schaufelräder (3, 5) im Gehäuse (1) derart angeordnet sind, daß in der ersten Position ein Arbeitsraum eines Retarders ausgebildet wird; und
2. 1.6 in der zweiten Position eines der Schaufelräder als Pumpenrad fungiert und in hydraulischer Verbindung mit dem Abführkanal (15) steht, so daß Arbeitsmedium in den Abführkanal gefördert wird, wobei die Funktion als hydrodynamische Bremse aufgehoben wird.

2. Hydrodynamische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaufelrad als Stator und das zweite Schaufelrad als Rotor mit einer Welle (7) drehend ausgestaltet ist.

3. Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator gegenüber dem Rotor oder der Rotor gegenüber dem Stator axial verschiebbar ausgebildet ist.

4. Hydrodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wenigstens zwei Räume umfaßt, einen Arbeitsraum eines Retarders und einen Pumpraum, umfassend den Abführkanal (15).

5. Hydrodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrodynamische Maschine Mittel zum axialen Verschieben der Schaufelräder gegeneinander in die erste und die zweite Position umfaßt.

6. Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum axialen Verschieben Mittel zum Umsetzen des Rotordrehmomentes in eine Axialbewegung umfassen.

7. Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Umsetzen ein Gewinde mit gleichmäßiger Gewindesteigung umfassen.