DE2437521A1

DE2437521A1 - Hydrodynamische kupplung

Info

Publication number: DE2437521A1
Application number: DE2437521A
Authority: DE
Inventors: Herbert Arthur Clements; Harold Sinclair
Original assignee: SSS Patents Ltd
Current assignee: SSS Patents Ltd
Priority date: 1973-08-06
Filing date: 1974-08-03
Publication date: 1975-03-13
Also published as: NL7410023A; AU7208474A; CH575556A5; DK416374A; BE818497A; FR2240378A1; SE7410052L; AU468362B2

Description

IL

Dipl. ing. R. HO[LZEE

AUOSBURO

14

R. 889

Augsburg, den 2, August 1974

S_eS,S„ Patents Limited, 51-55 Stirling Road, Acton Town,

London W_#3, England

Hydrodynamische Kupplung

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung mit mindestens zwei in einem Arbeitskreislauf angeordneten, beschaufelten Rotoren, in welcher bei Normalbetrieb die Arbeitsflüssigkeit in Form eines Wirbelringes Antriebsleistung von einem Rotor auf den anderen Rotor überträgt, mit mindestens

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einem Entleerungskanal, der in einem nahe dem inneren Profilradius des Arbeitskreislaufes gelegenen Bereich in diesen einmündet.

Bei einer bekannten, in der GB-PS 1 l6l 762 beschriebenen Kupplung dieser Art dient der Entleerungskanal gleichzeitig als Füllkanal und.es sind Ventilmittel vorgesehen, durch deren Betätigung der genannte Füll- und Entleerungskanal jeweils wahlweise mit einer die Arbeitsflüssigkeit liefernden Quelle oder mit einem Abflußkanal verbindbar ist, so daß entweder über den genannten gemeinsamen Füll- und Entleerungskanal Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitskreislauf eingespeist wird oder derselbe entleert wird, indem die Strömung durch diesen Kanal sich umkehrt, wenn die hydrodynamische Kupplung unter Drehzahl- und Drehmomentbedingungen arbeitet, bei welchen in dem genannten Mündungsbereich des genannten Kanals ein genügend hoher Druck erzeugt wird, der die erwähnte Strömungsumkehr in dem genannten Kanal bewirkt.

Es hat sich gezeigt, daß trotz des Vorteils, unter den erwähnten Betriebsbedingungen eine Entleerung des Arbeitskreislaufes über den genannten, im Bereich nahe des inneren Profilradius in den Arbeitskreislauf einmündenden

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Kanal entleeren zu können, unter bestimmten Umständen es wünschenswert ist, einen gesonderten Füllkanal zu haben, anstatt ein und denselben Kanal zum Füllen und zum Entleeren des Arbeitskreislaufes zu verwenden.

Das Vorhandensein eines gesonderten Füllkanals ist beispielsweise dann wünschenswert, wenn eine große Menge von Arbeitsflüssigkeit mit hoher Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich durch die hydrodynamische Kupplung hindurch umlaufen soll. Eine derartige hydrodynamische Kupplung kann beispielsweise in einer Maschinenanlage angeordnet sein, welche eine .erste Maschine, beispielsweise einen elektrischen Generator, und eine zweite Maschine, beispielsweise eine Gasturbine aufweist, in welcher die genannte erste Maschine wenigstens zeitweise als treibende Maschine arbeitet und die genannte zweite Maschine während dieser Zeitspannen jeweils als getriebene Maschine arbeiten soll, wobei die hydrodynamische Kupplung während dieser Zeitspannen dazu benutzt wird, Antriebsenergie von der treibenden Maschine auf die getriebene Maschine zu übertragen.

Es ist bei hydrodynamischen Kupplungen der eingangs erwähnten Bauart bereits bekannt, einen kontinuierlichen Umlauf von Arbeitsflüssigkeit durch den Arbeitskreislauf

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hindurch vorzusehen. So ist beispielsweise eine Kupplung bekannt, bei welcher mit dem Pumpenrad ein Gehäuse drehfest verbunden ist, welches sich bis über die Rückseite des Turbinenrades hin erstreckt und in welchem am oder in der Nähe des Gehäuse-Außenumfanges verengte Abströmdüsen angeordnet sind, welche bewirken, daß im Normalbetrieb der hydrodynamischen Kupplung Arbeitsflüssigkeit kontinuierlich

aus dem Arbeitskreislauf der Kupplung über diese Abströmdüsen abströmt, welche einem Sumpf zugeführt wird, aus welchem die Arbeitsflüssigkeit mittels einer Pumpe normalerweise über einen Kühler dem Arbeitskreislauf der Kupplung wieder zugeführt wird.

Bei bestimmten Maschinenanlagen, bei welchen eine hydrodynamische Kupplung zur übertragung der Antriebsleistung von einer treibenden Maschine auf eine getriebene Maschine dient, muß die hydrodynamische Kupplung zeitenweise mit großem Schlupf arbeiten, was beispielsweise dann der Fall sein kann, wenn die treibende Maschine mit voller Drehzahl läuft, während die getriebene Maschine mit Drehzahlen zwischen Null und beispielsweise halber Nenndrehzahl läuft. So kann beispielsweise in Kraftwerken, in welchen eine Gasturbine einen Generator antreibt, während der Erzeugung elektrischer Energie die Gasturbine den Generator über

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eine mechanische Kupplung antreiben, die bei Stromerzeugung eingerückt ist, wobei dann die hydrodynamische Kupplung mit' entleertem Arbeitskreislauf unwirksam ist.. Während derjenigen Zeiträume, während welcher jedoch der Generator als Motor arbeiten muß, um die Gasturbine aus dem Stillstand auf Eigendrehzahl zu bringen, die beispielsweise etwa dem halben Wert der Nenndrehzahl entsprechen kann, ist die mechanische Kupplung ausgerückt und der Generator treibt dann die Gasturbine über die hydrodynamische Kupplung, deren Arbeitskreislauf dann natürlich gefüllt ist. Hat die Gasturbine ihre Eigendrehzahl erreicht, so wird der Arbeitskreislauf der hydrodynamischen Kupplung entleert und die Gasturbine wird dann durch ihre Eigenleistung auf Nenndrehzahl gebracht, worauf die mechanische Kupplung einrückt und nunmehr die Gasturbine den Generator über die mechanische Kupplung antreibt«, .

Während der Beschleunigung der Gasturbine aus dem Stillstand auf ihre Eigendrehzahl ist der Schlupf im Arbeitskreislauf der hydrodynamischen Kupplung zunächst gleich 100 % was einer Nenndrehzahl des von dem Generator angetriebenen Pumpenrades und dem Stillstand des mit der ebenfalls stillstehenden Gasturbine gekuppelten Turbinenrades der hydrodynamischen Kupplung entspricht» Der Schlupf fällt dann

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auf etwa 50 % ab, wenn die Gasturbine auf etwa ihre halbe Nenndrehzahl beschleunigt worden ist. Während der Zeitspanne, während welcher die hydrodynamische Kupplung Antriebsenergie von dem Generator auf die Gasturbine überträgt, ist also der Schlupf in der hydrodynamiscnen Kupplung sehr hoch, was einer hohen Wirbelgeschwindigkeit und der Erzeugung großer Wärmemengen im Arbeitskreislauf der hydrodynamischen Kupplung entspricht. Um diese Wärme einigermaßen zufriedenstellend abführen zu können, ist eine große Umlaufgeschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit innerhalb des Arbeitskreislaufes der hydrodynamischen Kupplung notwendig und die bisher üblichen Mittel, beispielsweise verengte Abströmdüsen, mittels welcher ein kontinuierlicher Umlauf der Arbeitsflüssigkeit durch den Arbeitskreislauf der Kupplung hindurch bewirkt wurde, ermöglichen nicht die gewünschte hohe Umlaufgeschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit. Außerdem würde ein radialer Flüssigkeitsausstoß durch ähnlich den Abströmdüsen angeordnete Abströmöffnungen in ein umgebendes Gehäuse hinein eine sehr starke Durchsetzung der Arbeitsflüssigkeit mit Luft bewirken, was eine umständliche Entgasung der ausgestoßenen Arbeitsflüssigkeit vor dem Zurückpumpen derselben in den Arbeitskreislauf der hydrodynamischen Kupplung erforderlich machen würde.

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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine hydrodynamische Kupplung der eingangs erwähnten allgemeinen Bauart so auszugestalten, daß bei derselben eine so große Arbeitsflüssigkeits-Umlaufgeschwindigkeit durch den Arbeitskreislauf hindurch erzielt wird, daß sich eine hinreichende Kühlung erzielen läßt. ·

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Entleerungskanal der hydrodynamischen Kupplung ein von dem Füllkanal getrennter Entleerungskanal ist.

In Weiterbildung der Erfindung kann eine derartige hydrodynamische Kupplung mit Ventilmitteln zur Steuerung der Arbeitsflüssigkeits-Durchflußmenge durch den Füllkanal und/oder durch den nntleerungskanal versehen sein. Hydrodynamische Kupplungen solcher Art können vorteilhaft in Schiffsumsteuergetrieben Anwendung finden. Die Erfindung ist auch auf hydrodynamische Kupplungen mit doppeltem Arbeitskreislauf anwendbar, wie sie beispielsweise ebenfalls in Schiffsumsteuergetrieben Anwendung finden.

Falls Gewünscht, kann die erfindungsgemäße hydrodynamische kupplung auch mit verengten Abströmdüsen bekannter Art versehen sein, wobei die Anordnung derart getroffen sein

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kann, daß ein Teil der Arbeitsflüssigkeit durch die
hydrodynamische Kupplung hindurch über die genannten
Abströmdüsen umläuft und daß, wenn die Arbeitsflüssigkeitszufuhr zur hydrodynamischen Kupplung unterbrochen wird,
deren Arbeitskreislauf sich zuerst hauptsächlich über den Entleerungskanal und nur in geringerem Maße über die
verengten Abströmdüsen und schließlich nur noch über diese Abströmdüsen entleert.

Eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung wird nunmehr anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen

Pig, I ein Schema einer Kraftwerksanlage

zeigt und

Fig. 2 einen schematischen Axial-Halb-

schnitt durch eine Baueinheit
zeigt, welche eine hydrodynamische Kupplung nach der Erfindung und eine selbst schaltende synchrone Zahnkupplung in sich vereinigt.

Die in Pig« I schematisch gezeigte Kraftwerksanlage

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weist eine Gasturbine 1 und einen elektrischen Generator auf. Zwischen der Gasturbine 1 und dem Generator 2 befindet sich eine Baueinheit 3, welche eine hydrodynamische Kupplung und eine selbst schaltende synchrone Zahnkupplung in sich vereinigt. Die einen Teil der in Fig. 2 gezeigten Baueinheit 3 bildende hydrodynamische Kupplung enthält einen beschaufelten Rotor 4, der zwischen einem mit einem Flansch versehenen, ein gemeinsames Teil mit einer, auf einer kegeligen Generatorwelle befestigbaren Nabe 9 bildenden Gehäuse 5 und einem weiteren Gehäuse befestigt.ist, welch letzteres einen sich über die Rückseite eines weiteren beschaufelten Rotors 7 erstreckenden Teil 6 und eine im wesentlichen zylindrische Verlängerung 8 aufweist. Die Nabe 9 ist, wie bereits erwähnt, treibend mit der Generatorwelle 2 verbunden und der weitere beschaufelte Rotor 7 ist treibend mit einer Hohlwelle 25 verbunden, die ihrerseits treibend mit der Welle der Gasturbine 1 verbunden ist.

Am radial inneren Umfang des beschaufelten Rotors H ist ein Prallring 11 befestigt, welch letzterer einen Lochkranz aufweist, von dessen Löchern eines bei 12 angedeutet ist. Jedes dieser Löcher 12 hat Verbindung mit jeweils einem in axialer Richtung verlaufenden Entleerungskanal 13 eines Kranzes solcher Entleerungskanäle, die

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ihrerseits wiederum Verbindung mit Axialkanälen 14 haben, welche zu einem stationären Sammelgehäuse 15 führen, welch letzteres über einen in Fig. 1 gezeigten Kühler 21 mit einem Sumpf 16 verbunden ist. Wie ersichtlich, münden die Entleerungskanäle 13 über die Löcher 12 in einem Bereich nahe des inneren Profilradius des Arbeitskreislaufes in diesen ein. Das Gehäuse 5 weist ebenfalls einen Kranz von sich in axialer Richtung erstreckenden Zuführungskanälen auf, von welchen einer bei 17 angedeutet ist und die sämtliche jeweils mit einem Füllkanal eines in der Schale des beschaufelten Rotors 4 angeordneten Füllkanalkranzes Verbindung haben, wobei einer dieser Füllkanäle bei 18 ' angedeutet ist. Die sich axialer Richtung erstreckenden Füllkanäle 17 haben Verbindung mit einem ortsfesten Sammlergehäuse 19, welchem Arbeitsflüssigkeit durch eine Pumpe zugeführt wird, die in Fig. 1 angedeutet ist und aus einem Sumpf 16 Arbeitsflüssigkeit in das Sammlergehäuse 19 fördert.

Die Verlängerung 8 des Gehäuses der hydrodynamischen Kupplung stellt ein umlaufendes Teil einer selbst schaltenden synchronen Zahnkupplung dar. Dieses umlaufende Teil 8 weist einen Klinkeninnenzahnkranz 22 und einen Kupplungsinnenzahnkranz 24 auf. Eine Hohlwelle 25 stellt ein weiteres umlaufendes Kupplungsteil dieser selbst schaltenden synchronen

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Zahnkupplung dar. Dieses weitere Kupplungsteil 25 weist ein Außensteilgewinde 26 auf, in welches ein Innensteilgewinde 27 einer Kupplungsmuffe 28 eingreift, so daß letztere sich nur schraubend relativ zu dem Kupplungsteil axial verschieben kann, wobei diese axial-schraubende Verschiebung der Kupplungsmuffe 28 durch Axialanschläge und 30 begrenzt ist. Die Kupplungsmuffe 28 weist einen Klinkenkranz auf, von welchem eine Klinke bei 33 angedeutet ist. Außerdem weist die Kupplungsmuffe 28 einen äußeren Kupplungszahnkranz 3^ auf.

Befindet sich die Maschinenanlage im Stillstand, so befindet sich die selbst schaltende synchrone Zahnkupplung in ihrem in Fig. 2 gezeigten ausgerückten Zustand, in welchem die Kupplungsmuffe 28 an dem Axialanschlag 29 anliegt und die Zähne des KupplungsZahnkranzes 3^.sich in Pig, 2 rechts des KupplungsZahnkranzes 24 befinden. Um die Maschinenanlage in Tätigkeit zu setzen, d.h, um die Gasturbine 1 zu starten, wird der Generator 2 beispielsweise mittels eines Anlaßmotors auf Synchrondrehzahl gebracht und sodann an das Netz angeschlossen, so daß er als Motor läuft. Außerdem wird die Pumpe 20 in Tätigkeit gesetzt, so daß sie Arbeitsflüssigkeit aus dem Sumpf 16 in das Sammlergehäuse 19 fördert, von welchem die Arbeitsflüssigkeit über die axialen Zuführungskanäle 17 und die Füllkanäle

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in den Arbeitskreislauf der hydrodynamischen Kupplung gelangt. Die dem Arbeitskreislauf zugeführte Arbeitsflüssigkeit bildet einen Wirbelring, der in bekannter Weise innerhalb des beschaufelten Rotors 4 radial nach außen umläuft, wobei dieser beschaufelte Rotor 4 als Pumpenrad wirkt, da er treibend mit dem als Antriebsmaschine arbeitenden Generator verbunden ist. Innerhalb des beschaufelten Rotors 7 läuft die Arbeitsflüssigkeit radial nach innen um, so daß also dieser beschaufelte Rotor 7 als Turbinenrad wirkt, welches mit der Gasturbine 1 gekuppelt ist, welch letztere in diesem Betriebszustand die getriebene Maschine darstellt. Es wird infolgedessen nunmehr innerhalb der hydrodynamischen Kupplung Antriebsenergie von dem Pumpenrad 4 auf das Turbinenrad 7 übertragen und infolgedessen überträgt sich die Antriebsenergie des als Motor laufenden Generators 2 auf die Gasturbine 1, Die selbst schaltende synchrone Zahnkupplung bleibt während dieses Anlaßvorganges selbstverständlich ausgerückt.

Innerhalb des Arbeitskreislaufes der hydrodynamischen Kupplung strömt, wie bereits erwähnt, innerhalb des Turbinenrades 7 die Arbeitsflüssigkeit radial nach innen und sie gelangt sodann zu dem zwischen dem Turbinenrad 7 und dem Pumpenrad 4 befindlichen Spalt, Ein nicht unwesentlicher

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Teil der Arbeitsflüssigkeit überquert den Spalt und tritt in die Kammern zwischen den Schaufeln des Pumpenrades ein, wo sie wieder radial nach außen strömt. Ein großer Teil der Arbeitsflüssigkeit tritt aber auch in die Löcher ein und gelangt von da in die Entleerungskanäle 13 und strömt durch die Axialkanäle l4, so daß sie also unter einem durch die Geschwindigkeit des Wirbelumlaufes beeinflußten Druck aus dem Arbeitskreislauf abströmt und über das Sammlergehäuse 15 und den Kühler 21 zum Sumpf 16 gelangt.

Während dieses Anlaßvorganges wird Arbeitsflüssigkeit kontinuierlich aus dem Arbeitskreislauf zum Sumpf gefördert, wobei der Arbeitskreislauf außerdem kontinuierlich mittels der Pumpe 20 aus dem Sumpf 16 aufgefüllt wird, indem diese Pumpe 20 Arbeitsflüssigkeit in das Sammlergehäuse 19 und die Zuführungskanäle 17 und 18 fördert.

Dadurch, daß nunmehr die gekühlte Arbeitsflüssigkeit mit ausreichend großer Strömungsgeschwindigkeit durch den Arbeitskreislauf der hydrodynamischen Kupplung gefördert wird, kann die in dem Arbeitskreislauf durch den hohen Schlupf der hydrodynamischen Kupp-lung erzeugte Wärme in Grenzen gehalten werden und die Arbeitsflüssigkeit auf

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einer annehmbaren Temperatur gehalten werden.

Erreicht die Gasturbine 1 ihre Eigendrehzahl, die beispielsweise etwa 50 % der Nenndrehzahl entsprechen kann, was einem Schlupfwert der hydrodynamischen Kupplung von ebenfalls etwa 50 % entspricht, so wird die Pumpe 20 abgeschaltet, so daß die Zufuhr von Arbeitsflüssigkeit zur hydrodynamischen Kupplung unterbrochen wird. Der Arbeitskreislauf der hydrodynamischen Kupplung entleert sich also nunmehr über die Kanäle 13 und 14 und das Sammlergehäuse zum Sumpf 16, Andererseits kann nunmehr die Gasturbine 1 so lange weiter beschleunigt werden, bis sie die Synchrondrehzahl des immer noch am Netz hängenden Generators 2 erreicht. Versucht die Gasturbine 1 den Generator 2 zu überholen, so greifen die Klinken 33 die Zähne des Klinkenzahnkranzes 22 und bewirken eine axial-schraubende Verschiebung der Kupplungsmuffe 28 in Fig, 2 nach links relativ zum umlaufenden Kupplungsteil 25, wodurch der Kupplungs zahnkranz 3¹J in genauen vorläufigen Eingriff mit dem Kupplungszahnkranz 24 kommt. Danach bewirkt die Zusammenwirkung der KupplungsZahnkränze 24 und 34 und die Wirkung der Steilgewinde 26 und 27 eine weitere Verschiebung der Kupplungsmuffe 28 längs des umlaufenden Kupplungsteils 25, wodurch der Kupplungszahnkranz 34 voll in den Kupplungs-

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zahnkranz 24 einrückt. Dadurch wird über die selbst schaltende synchrone Zahnkupplung eine treibende Verbindung von der Gasturbine 1 zum Generator 2 hergestellt.

Falls gewünscht, können mit den Sammlerkammerη 15 und 19 in der Zeichnung nicht dargestellte Vehtilmittel verbunden sein, mit deren Hilfe die Strömung der Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitskreislauf der hydrodynamischen Kupplung hinein bzw. aus diesem heraus steuerbar ist.

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Claims

Patentansprüche

1, Hydrodynamische Kupplung mit mindestens zwei in einem Arbeitskreislauf angeordneten, beschaufelten Rotoren, in welcher bei Normalbetrieb die Arbeitsflüssigkeit in Form eines Wirbelringes Antriebsleistung von einem Rotor auf den anderen Rotor überträgt, mit mindestens einem Entleerungskanal, der in einem nahe dem inneren Profilradius des Arbeitskreislaufes gelegenen Bereich in diesen einmündet, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Entleerungskanal (13) ein von dem Füllkanal (18) getrennter Entleerungskanal ist,

2, Kupplung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an dem Entleerungskanal (13) angeschlossenen Sumpf (16) und durch eine Pumpe (20), die Arbeitsflüssigkeit aus dem Sumpf entnimmt und dieselbe derart in den Füllkanal (18) fördert, daß ein kontinuierlicher Arbeitsflüssigkeitsumlauf durch die Kupplung hindurch stattfindet.

3, Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Ventilmittel zur Steuerung der Arbeitsflüssigkeits-

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Durchflußmenge durch den Füllkanal (18) und/oder durch den Entleerungskanal (13).

4, Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren einer beschaufelter Rotor treibend mit einer mindestens zeitweise als treibende Maschine arbeitenden ersten Maschine verbunden ist und deren anderer beschaufelter Rotor treibend mit einer zweiten Maschine verbunden ist, die jeweils während dieser Zeitspannen als getriebene Maschine arbeiten soll, dadurch gekennzeichnet, daß zu der hydrodynamischen Kupplung eine selbst schaltende synchrone Zahnkupplung parallelgeschaltet ist, welche jeweils dann einrückt, wenn die zweite Maschine (2) die erste Maschine (1) zu überholen versucht,

5. Kupplung nach Anspruch 4 mit einem sich über die Rückseite eines der beschaufelten Rotoren hinweg erstreckenden Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gehäuse (6), beispielsweise durch einstückige Ausführung mit einem umlaufenden Teil (8) der selbst schaltenden synchronen Zahnkupplung, treibend mit diesem Teil verbunden ist.

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