DE2047008C - Einstufiger hydrodynamischer Drehmomentwandler, insbesondere für Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

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durch diese Maßnahme die Strömung im Turbinen- Um nämlich die Stromungslänge um den Kernrmg

fail in wesentlich stärkerem Maße zum Anliegen an herum nicht zu lang werden zu lassen und u-n mit

die Schaufelwände gezwungen wird, als dies bei Rücksicht auf die einfachere und genauere Herskli-

gröiierer Austrittsflädie der Fall ist. barkeit eindimensional gekrümmter Schaufeln «.iic^·

Hie Gründung ist an Hand eines in den Figuren 5 ausschließlich im rein radialen Bereich des Tonis

dargestellten Ausführungsbeispicles im folgenden querschniltes anordnen zu können, ist angesia·'; <

näher erläutert. Es zeigt mit einer möglichst geringen radialen Ersirecktiiu.

Fi g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungs- des Turhinenschaufelgilters auszukommen. Die n<

gemäß ausgebildeten Wandler, sten Ergebnisse lassen sich in Verbindung mit de·

Fig. 2 und 3 je einen achssenkrechten Schnitt io übrigen Wandlerkennzeichen mit einem Turbine:-

durch die Pumpen-unii Turbinenbeschaufelung bzw. schaufclkranz erzielen, der außen 1.15- bis 1.4m:>

die Leitradbeschaufelung und so »ruß isi wie der Pumpenaustritt.

F i u. 4 die Kennlinien des Strömungswandlers. Die Pumpe ist durch Gießen hergestellt unii ·■·■ ·.·!-■

Der in Fig. 1 dargestellte Föttingerwandler weist demgemäß die mit diesem Verfahren herstellba;.

ein mit einer hohlen Primärwelle I verbundenes Pum- 15 räumlich verwundenen Schaufeln 3 auf. Da zwl-c!

penrad 2 mit räumlich gekrümmten Schaufeln 3 auf, Auslttiuni» des Wandlers und Anpassung der Ken.

deren EimriUskanten nncU in den Saugmund des linien an bestimmte Kennwerte lediglich die TmK

Pumpenrades vorgezogen sind. Der AulJendurchmes- nen- und/oder die Leitradschaufeln verändert oi.ii-·.

scr/),, des Zentrifugalpumpenrades ist die für den anders eingebaut werden und ots das gleiche Pun.

Wandler charakteristische Bezugsgröße. Konzentrisch ao penrad für die verschiedenen Wandler verwend;-:

um die Pumpe 2 herum angeordnet ist der Turbinen- wird — und somit für eine ganze Schar verschied·.·

schaufel kranz 4 mit den eindimensional gekrümmten ner Wandler das gleiche Pumpenrad verwendet vu.·;

Schaufeln 7, der über den Radkörper 5 mit der zen- den kann — ist ein gegossenes Pumpenrad mit d

tral angeordneten Sekundärwelle 6 verbunden ist. räumlich gekrümmten Schaufeln gerechtfertigt. Di.·

Nach der zentrifugal durchströmten Turbine 4 ist ein 25 Pumpe wird auf Grund einer entsprechenden Aus-

schaufeiloser, durch Wände des stillstehenden Wand- bildung des Leitschaufelaustrittes mit einem in Pum-

lergehäuses 8 und den Kernring 12 begrenzter pendrehrichtung gerichteten Vordrall angeströmt

Raum 9 angeordnet, der die aus der Turbine austre- Durch die Länge des Leitrades ist die Zustromun:;

tende Strömung von der zentrifugalen in eine achs- ■ zur Pumpe nahezu in allen Betriebspunkten gleu h

parallele Richtung und sodann in die zentripetale 30 und demgemäß deren Leistungsaufnahme im gesam-

Richtung umlenkt. Nach dieser zweiten ¹JO -Umlen- ten Drehzahlbereich nahezu konstant. Dank der

kung tritt die Strömung in den zentripetal zu durch- gleichmäßigen Pumpenanströmung brauchen ihre

strömenden stillstehende Leitschaufelkranz 10 ein, Schaufeln am Eintritt nicht so stark profiliert zu sein

dessen Schaufeln 11 ebenfalls nur eindimensional ge- wie z. B. die der recht unterschiedlich ange^römten

krümmt sind. Gegen Ende der Lekradschaufeln wird ₃₅ Turbinen- und Leitradschaufeln,

die Strömung — durch die Wände des Wand'.erge- Das Betriebsverhalten des Wandkrs ist in

häuses 8 und des Kernringes 12 und durch die Nabe Fig. 4 in Diagrammform dargestellt. Die mit /,. be-

des Pumpenrades 2 geführt — von der zentripetalen zeichnete Wirkungsgradkurve des Wandlers erreicht

wieder in die achsparallele Richtung in den Pumpen- an der Stelle des Drehzahlverhältnisses (.n_Tjn,,) ' -■ 0.5

saugmund hinein umgelenkt. 40 einen Spitzenwert von 87°o, der rechts und links da-

Die Strömung wird also in der Meridianebene to- von nur sehr langsam abfällt. Die Kuppe der Wir-

roidal im Kreislauf geführt. Der mittlere Stromfaden kungsgradkurve ist sehr breit oder »völlig«. Diese

13 ist strichpunktiert eingezeichnet. Der Impuls des Tatsache wird durch Angabe des Verhältnisses der

Arbeitsmediums wird im Pumpenrad unter Leistungs- beiden Drehzahlverhältniswerte, an denen der Wir-

auf nähme erhöht, im Turbinenrad kommt es unter 45 kungsgrad 80^u/u ist, ausgedrückt (Maßpfeil K_M)). Die-

Leistungsabgabe zu eirer Impulsverringerung und im ser Verhältniswert soll möglichst groß sein (Maßpieil

Leitrad wird der impuls auf die ursprüngliche Größe V_M möglichst lang). Ein weiterer Erfolg ist im Ver-

des Pumpeneintrittsimpulses zurückgeführt. lauf der mit K bezeichneten Leistungsaufnahmekurve

Um die Strömungsverluste im Kreislauf möglichst zu sehen. Und zwar ist diese Kurve in einen Werteklein zu halten, ist der Querschnitt des Wandlerar- 50 bereich hoher spezifischer Leistungsaufnahme ang-beitsraumes derart ausgebildet, daß der mittlere hoben (der Spitzenwert ist sehr hoch), und der Un-Stromfaden 13 des meridionalen Kreislaufes mög- terschied zwischen dem Spitzenwert und dem K-Wert liehst kurz ist. im Anfahrpunkt ist sehr gering (große K-Wert-Kon-

Die Turbinenbeschaufelung ist unter Einhaltung stanz). Gerade die hohe spezifische Leistungsauf-

eines möglichst schmalen Schaufelspaltes dem Pum- 55 nähme des Vandlers im Anfahrpunkt ist im Zusam-

penrad nachgeordnet. Zwar ist an sich ein sich ra- menhang mit der Wandlungskennlinie (M₇IM₁.) zu

dial möglichst lang erstreckender Turbinenschaufel- sehen. Man möchte ja bei gegebener Leistung eine

kranz wünschenswert, jedoch ist es mit Rücksicht möglichst hohe Zugkraft erreichen; diese ist aber pro-

auf die Erzielung eines möglichst kurzen mittleren portional dem Produkt aus K-Wert und Drehmornent-

Stromfadens ein vernünftiger Kompromiß, wenn die 60 Wandlung, und es ist wichtig, daß dieses Produkt.

■ Strömungsumlenkung in einem in Strömungsrich- wie beim vorliegenden Wandler, insbesondere im An-

tung möglichst kurze.; Turbinenschaufelkranz erfolgt. fahrpunkt hoch ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einstufiger hydrodynamischer Drehmomentwandler, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einem im wesentlichen zenirifugal durchströmten Pumpenrad, dessen Schaufln in den Punipensaugmund vorgezogen und räumlich gekrümmt sind, und mit einem zentrifugal durchströmten, einfach gekrümmte Schaufeln aufweisenden und dem Pumpenrad unmittelbar nachgeordneien Turbinenrad, dessen Austrittsdurchmesser um 15 bis 40",υ großer als der Pumpenrad-Austrittsdiirchmessei ist, und mit einem zemripetal durchströmten, ebenfalls einfach gekrümmte Schaufeln aufweisenden Leitrad, wobei das Wirkungsgradopumum des Drehmomentwandlers bei einem Verhältnis /visehen Turbinenrad- und Pumpenraddrelr/ahl H₁Ii₁, von etwa 0,4 bis 0,55 liegt (Anfahrwandler), dadurch u e k e η η ze i c h η e t. daß

   a) die größte Dicke der Turbinenradschaufeln (7) etwa im ernten Drittelpunkt der Skelettlinie liegt und etwa halb so groß ist wie die radiale Erstreckung der Turbinenradschaufein (7), wobei der Kopfrundungsradius etwa ein Viertel der größten Dicke beträgt, und daß

   b) im Turbinenrad (4) die S mme der sich vertikal zur relativen Schaufclströmung erstrekkeiulen lichten Austnitsllä· ien aller Schaufelkanäle nur etwa 25 bis 50 ⁰Zo des meridionalen ÖtTntingsquerschnittes des Pumpenrades (2) an dessen Austrittsdurchmesser (/)„) beträgt.

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   Die Erfindung betrifft einen einstufigen hydrodynamischen Drehmomentwandler, insbesondere fürSchienenfahrzeuge, mit einem im wesentlichen zentrifugal durchströmten Pumpenrad, dessen Schaufeln in den Pumpensaugmund vorgezogen und räumlich gekrümmt sind, und mit einem zentrifugal durchströmten, einfacli gekrümmte Schaufeln ausweisenden und dem Pumpenrad unmittelbar nachgeordneten Turbinenrad, dessen Austrittsdurchmesser um 15 bis 4O°/o größer als der Pumpenrad-Austrittsdurchmesser ist, und mit einem zentripetal durchströmten, ebenfalls einfach gekrümmte Schaufeln aufweisenden Leitrad, wobei das Wirkungsgradoptimum des Drehmomentwandler bei einem Verhältris zwischen Turbinenrad- und Pumpenraddrehzahl n_T/ni> von etwa 0,4 bis 0.55 liegt.

   Diese Merkmale sind typisch für die in Schienenfahrzeuggetrieben angewandten Föttinger-Wandler, und zwar insbesondere für Anfahnvandler. Bei bekannten Wandlern dieser Art (Voith, Forschung und Konstruktion, Heft 6, 1959, S. 2.1 bis 2.7) steigt, zwar — bei Auslegung des Wandlers auf kleinere Drehzahlverhältnissc n_Tln,, — das Verhältnis zwischen Sekundär- und Primär-Drehmoment (»Dreh momentwandlung«) an; dafür fallen aber die spezifisehe Leistungsautnahrne im Anfahrbereich und der Wirkungsgrad im ganzen Bereich ab. Der angegebtiie Bereich des Auslegungsdrehzahlverhältnisses HjIn₁, von 0,4 bis 0,55 ist besonders gegen die untere Grenze hin für Wandler mit drei Schaufelkranzen recht niedrig: bekannte Anfahrwandler mit solcher. Ausleuuntjen arbeiten daher mit unbefriedigende!; Wirkungsgraden.

   Die der LrInIdLiIg zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, "den Wandlerwirkungsgrad trot/. Verwendung der fertigungsgünstigen, einfach gekrümmten Turbinenrad- und Leitradschaufeln derart zu verbe:,M-ni. daß nicht nur die Höhe des Scheitelpunktes der Wirkungsgradkurve heraufgesetzt wird, sondern auch die Wirkungsgradkuppe einen möglichst 'lachen Verlauf erhält; gleichzeitig sol! die spezifische Leistungsaufnahme (K-Wert) unabhängig vom Drehzahlverhiiltnis/ι,·¹»,, möglichst konstant bleiben, wobei ein möglichst großes Produkt aus Drehmoment· wandlun» und K-Wert im Anfahrbereich angestrebt wird.

   Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß

   a) die größte Dicke der Turbinenradschaufeln etwa im ersten Drittelpunkt der Skelettlinie liegt und etwa halb so groß ist wie die radiale Erstreckung der Turbinenradschaufeln. wobei der Kopfrundunasradius etwa ein Viertel der größter Dicke beträgt, und daß

   b) im Turbinenrad die Summe der sich vertikal zur relativen Schaufelströmung erstreckenden lichten Austrittsfläcnen aller Schaufelkanäle nur etwa 25 bis 50⁰Zo des meridionalen öffnungsquerschnittes des Pumpenrades an dessen Austrittsdurchmesser beträgt.

   Die unter a) aufgeführten Merkmale sind zwar bei einem Wandler mit zentrifugal c'irchströmtem Pumpen- und Turbinenrad sowie einen zentrifugal durchströmten Leitrad schon bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 083 614). Bei diesem Wandler ist aber die radiale Erstreckung der Turbinenschaufeln extrem klein.

   Die Erfinder haben erkannt, daß die bei Anfahrwandierii erforderliche starke Strömungsumlenkung im Turbinenrad auf einer nicht zu k_t rzen Strecke vorgenommen werden muß, damit die hydraulische Schaufelbelastung nicht zu hoch wird, und daß gleichzettig die Turbinenschaufeln eine kraftige Profilierung mit stark gerundetem Schaufelkopf aufweisen müssen, damit die innerhalb eine? weiter Anströmwinkelbereiches erfolgende Zuströmung zu den Turbinenschaufel möglichst verlustfrei in die Schaufelkanäle überführt werden kann.

   Die Erfinder haben ferner erkannt, daß dem oben unter b) genannten Merkmal entscheidende Bedeutung zukommt. Dieses Merkmal besagt (mit anderen Worten), daß die lichte Austrittsfläche der Turbine (als Produkt aus der Anzahl der Turbinenschaufelkanäle, dem lichten Schaufelabstand am Austritt senkrecht zu den Schaufelskelettlinien und der Ka nalbreite) etwa einem Viertel bis der Hälfte der Austrittsfläche der Wandlerpumpe, dargestellt durch das Produkt aus Pumpenaustrittsumfang und Kanalbreite am Austritt, entsprechen muß. Diesem Größenverhältnis hat man bisher im Wandlerbau keinerlei Beachtung geschenkt; insbesondere wurde es nicht hinsichtlich der Auslegung der Anfahreigenschaften eines Wandlers beachtet. Daß gerade die sehr kleine Bemessung der lichten Austrittsfläche der Turbine zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe in entscheidendem Maße beiträgt, beruht wohl darauf, daß