DE2501708A1 - Hydrodynamische stellkupplung - Google Patents

Description

ap/G 335^ Voith Turbo KG '

Kennwort: "Springbrunnenkupplung" Crailsheiin

Hydrodynamische Stellkupplung

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Stellkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine bekannte Kupplung dieser Bauart (Voith-Druck G 596, Bild 5) weist einen tiefliegenden Vorratsbehälter für Arbeitsflüssigkeit auf. Als Ablaufeinrichtung für Arbeitsflüssigkeit vom Arbeitsraum in den Vorratsbehälter ist unterhalb des Arbeitsraur.es ein feststehendes Schöpfrohr angeordnet. Die zum Zurückführen von Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitsraum dienende ZuIaufeinrichtung umfaßt eine von der Welle des Primärschaufelrades angetriebene Füllpumpe, deren Druckleitung über das Steuerventil rr.it dem Arbeitsraum verbunden ist. Der Füllungsgrad im Arbeitsraum und damit die Drehzahl des Sekundär-Schaufelrades kann durch Verstellen des Steuerventils eingestellt werden. Das Verstellen des Steuerventils kann seinerseits durch eine Regeleinrichtung erfolgen, und zwar in Abhängigkeit von irgendeiner zu regelnden Größe, z.B. einer Temperatur (wenn durch die Kupplung ein Ventilator angetrieben wird) oder eines Druckes (wenn durch die Kupplung eine Pumpe angetrieben wird).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Stellkupplüng anzugeben, die gegenüber der bekannten Kupplung im Aufbau einfacher ist und dennoch wie bisher als Stellglied in · einem Regelkreis einsetzbar ist. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß speziell bei einer vertikalachsigen Kupplung der zum Einstellen des Füllungsgrades und zum Kühlen der Arbeitsflüssigkeit erforderliche Flüssigkeitskreislauf vom Arbeitsraum in den Vorratsbehälter und wieder zurück durch die folgenden Maßnahmen viel einfacher als bisher bewerk-

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stelligt werden kann: Man ordnet zunächst den Vorratsbehälter und eine am Arbeitsraum vorgesehene Ablauföffnung derart an, daß die Arbeitsflüssigkeit - wenn die Kupplung im gefüllten oder teilgefüllten Zustand rotiert - im freien Strahl aus dem Arbeitsraum in den sich ringförmig um die Schaufelräder erstreckenden Vorratsbehälter übertreten kann,- Es kann eine Ablauföffnung oder es können mehrere Ablauföffnungen vorgesehen werden. Die einzelne Ablauföffnung kann sich radial in bezug auf die Kupplungsdrehachse erstrecken; vorzugsweise wird man sie jedoch in einer Richtung schräg nach oben anordnen, damit der Vorratsbehälter nicht zu tief, sondern möglichst etwa gleich hoch wie der Arbeitsraum zu liegen kommt. Es kommt nämlich darauf an, daß die Arbeitsflüssigkeiu beim Zulauf zurück in den Arbeitsraum, wie im Anspruch 1 angegeben, allein aufgrund der Höhendifferenz vom Vorratsbehälter über das Steuerventil in den direkt unterhalb der Schaufelräder liegenden. Bereich zuströmen kann. Von dort wird die Arbeitsflüssigkeit; unter Umständen ohne besondere Maßnahmen, d.h. lediglich durch eine geeignete öffnung in den Arbeitsraum eintreten.

Vielfach wird es jedoch zweckmäßig sein, gemäß Anspruch 2 ein mit dem Primärschaufelrad umlaufendes Bauteil zum Weiterfördern der .Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitsraum hinein vorzusehen. Dieses Bauteil kann in sehr unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Da die Arbeitsflüssigkeit beim Anstieg von dem genannten Bereich bis zum Arbeitsraum nur eine sehr kleine Höhendifferenz von höchefcene einigen Zentimetern überwinden muß, ist hierzu keine Pumpe erforderlich. Es genügt vielmehr, ein geeignetes Teil, das mit dem Primärrad umläuft, z.B. als Schleuderscheibe auszubilden. Hierfür kann z.B. die ohnehin stets erforderliche Schale, die mit einem der Schaufelräder umläuft und das andere Schaufelrad umhüllt, benutzt werden, sofern diese Schale mit dem Primärrad umläuft und sofern das Primärrad oberhalb und die Schale unterhalb des Sekundärrades liegt (Anspruch 3). Man wird in diesem Falle die vom Vorratsbehälter ausgehende und durch das Steuerventil führende Zulaufleitung vorzugsweise in die Schale einmünden lassen, die sodann die Arbeitsflüssigkeit durch den zwischen der Schale und dem Sekundärrad befindlichen Spalt in den Arbeitsraum hinein befördert (Anspruch 6). Diese Ausführung hat sich im Versuch besonders gut gewährt.

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Falls Jedoch das Primärrad unterhalb, des Sekundärrades liegt, wird man zweckmäßig auf der Unterseite des Primärrades radial innerhalb des Arbeitsraumes am Primärrad eine Schleuderscheibe befestigen, von der aus die Arbeitsflüssigkeit durch Bohrungen in den Arbeitsraum gelangt (Anspruch ¹J-). Man kann aber auch, ähnlich wie bei, der Ausführung gemäß Anspruch 3, die Arbeitsflüssigkeit einer mit dem Sekundärrad umlaufenden Schale zuführen. -Nur muß dann der Transport der Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitsraum hinein durch die Unterseite des Primärrades bewirkt werden, das zu.diesem Zweck mit der Schale einen verhältnismäßig engen Spalt bildet (Anspruch 5). Zwecks Erhöhung der Förderwirkung kann das Primärrad auf der Unterseite Rippen aufweisen.

In all den genannten Fällen erhält man eine äußerst einfache und robuste Bauart einer Stellkupplung, da weder eine Füllpumpe noch ein Schöpfrohr für das Aufrechterhalten des Flüssigkeitsumlaufes erforderlich ist. Der Füllungsgrad kann wie bei der bekannten Kupplung durch Verstellen des in der Fülleitung angeordneten Steuerventils eingestellt werden. Die Abmessungen des die Kupplung umfassenden und den Vorratsbehälter bildenden Gehäuses können aufgrund der Erfindung insbesondere in vertikaler Richtung sehr klein gehalten werden. -

Die erfindungsgemäße Stellkupplung kann für beide Kraftflußrichtungen, nämlich von oben nach unten und von unten nach oben, ausgestaltet werden. Auch hat man grundsätzlich für beide Kraftflußrichtungen freie Wahl, ob das obere Schaufelrad das Primär- und dasuntere das Sekundärrad sein soll oder umgekehrt. Dabei kann die schon genannte und mit einer der beiden Schaufelräder umlaufende Schale unter Umständen auch mit der betreffenden Antriebswelle verbunden' sein, z.B. wenn, bei Kraftflußrichtung von unten nach oben, das obere Schaufelrad das Primärrad und das untere Schaufelrad das Sekundärrad ist. Man wird hierbei lediglieh solche Ausführungen möglichst vermeiden, bei denen eine zur Zuführungseinrichtung gehörende Rohrleitung durch eine der Wellen hindurchgeführt werden müßte, weil hierzu aufwendige Dichtungseinrichtungen erforderlich wären.

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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung (Anspruch 7) wird vorzugsweise ein zusätzlicher, radial innerhalb des ■Vorratsbehälters und unterhalb der Schaufelräder angeordneter Behälter vorgesehen, der in erster Linie zur Aufnahme von Leckflüssigkeit dient. Das Rückfördern der Leckflüssigkeit aus diesem zusätzlichen Behälter in den Vorratsbehälter kann ebenfalls in einfacher Weise mit Hilfe eines mit einem der Schaufelräder umlaufenden Bauteiles erfolgen. Bevorzugt wird man hierzu wiederum die mit dem Primärrad umlaufende Schale oder die Unterseite des Primärrades selbst benutzen. Grundsätzlich kommen hierzu aber auch solche Bauteile in Betracht, die mit dem Sekundärrad umlaufen, sofern es als zulässig erachtet werden kann, daß das Rückfördern der Leckflüssigkeit nur oberhalb einer bestimmten Sekundärdrehzahl stattfindet.

Wenn die Kupplung zum Stillstand kommt, wird ein Teil der Arbeits-

flüssigkeit stets vom Arbeitsraum in den direkt unterhalb der Schaufelräder liegenden Bereich zurückströmen, mindestens soweit die Arbeitsflüssigkeit "nicht in dem jeweils untenliegenden Schaufelrad verbleibt. Sofern die mit dem einen Schaufelrad verbundene Schale unterhalb der Schaufelräder liegt, ist es zwar grundsätzlich denkbar, daß der vorgenannte Teil der Arbeitsflüssigkeit in dieser Schale aufgefangen und beim Wiederanlaufen der Kupplung direkt in den Arbeitsraum zurückgefördert werden kann. In der Regel wird jedoch das Volumen dieser Schale zur Aufnahme dieses Teiles der Arbeitsflüssigkeit nicht ausreichen; dieser wird daher in den vor-.genannten zusätzlichen Behälter übertreten und beim Wiederanlaufen der Kupplung auf dem gleichen Wege wie die Leckflüssigkeit zurück in den Vorratsbehälter gelangen.

Die'erfindungsgemäße hydrodynamische Stellkupplung ist besonders geeignet für den Antrieb einer Kreiselpumpe mit verhältnismäßig geringer Leistungsaufnahme, nämlich bis etwa 10 kW.

Solche Pumpen dienen zur Drucksteigerung z.B. in Wasserversorgungsnetzen. Hier besteht die Forderung nach konstantem Austrittsdruck, · ' wobei Zulaufdruck und Volumenstrom häufig starken Schwankungen

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unterworfen sind. Als Antriebsmaschine wird bevorzugt ein einfacher Kurzschlußläufer-Elektromotor verwendet. Die Regelung des Druckes erfolgt mit Hilfe einer an sich bekannten Regeleinrichtung und durch die erfindungsgemäße hydrodynamische Stellkupplung als Stellglied, wobei die Regeleinrichtung das Steuerventil derart verstellt, daß die daraus resultierende Veränderung der Sekundärdrehzahl (= Drehzahl der Kreiselpumpe) eine Angleichung des Austrittsdruckes an den Sollwert bewirkt. Bei solchen Kreiselpumpenantrieben wird die vertikalachsige Pumpe bevorzugt unterhalb des Antriebes (mit; ihrem Saugstutzen nach unten gerichtet) angeordnet; direkt auf der Pumpe liegen dann die Kupplung und der Elektromotor. Man erhält hierdurch eine besonders platzsparende Pumpenanlage. Der entscheidende Vorzug liegt aber in der Einfachheit der schon oben beschriebenen Druckregelung. Bisher mußten nämlich derartige Pumpenanlagen - von den Ausführungen mit Windkessel ganz abgesehen entweder mit polumschaltbaren Elektromotoren oder mit elektrisch drehzahlregelbaren Motoren ausgerüstet werden. Die allgemeine Verwendung der bekannten hydrodynamischen Stellkupplung zu dem genannten Zweck wurde bisher durch deren hohe Herstellungskosten behindert. Erst durch die Erfindung wurde eine hydrodynamische Stellkupplung von außergewöhnlicher Einfachheit geschaffen, die gerade zum Antrieb von Arbeitsmaschinen kleiner Leistung besonders geeignet ist. Dazu gehören außer den genannten Kreiselpumpen auch Ventilatoren oder andere mit wechselnden Drehzahlen anzutreibende Maschinen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt;

Fig. 1 eine hydrodynamische Stellkupplung im Längsschnitt mit Kraftflußrichtung von oben nach unten;

Fig. 2 eine ähnliche Kupplung, jedoch mit Kraftflußrichtung von unten nach oben;

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Kupplung; Fig. 4 eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Kupplung.

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In Pig. 1 sind strichpunktiert die zu einer vertikalachsigen Kreiselpumpenanlage gehörende Pumpe 10 und deren Antriebsmotor dargestellt. Zwischen diesen befindet sich.eine gemäß der Erfindung ausgebildete hydrodynamische Stellkupplung, die insgesamt mit

20 bezeichnet ist und die folgende Teile umfaßt: '

21 Primär- (oder Pumpen-)Schaufelrad, drehfest mit dem Abtriebszapfen 12 des Motors 11 verbunden;

22 Sekundär- (oder Turbinen-)Schaufelrad, drehfest mit dem Antriebszapfen I3 der Kreiselpumpe 10 verbunden;

23 von den Schaufelrädern 21 und 22 gebildeter torusförmiger Arbeitsraum, der teilweise, mit Arbeitsflüssigkeit gefüllt ist;

24 am Primärrad 21 befestigte und das Sekundärrad 22 umhüllende Schale;

25 als Ablaufeinrichtung für Arbeitsflüssigkeit dienende und im Primärrad 21 angeordnete Entleeröffnung;

2o,27 feststehendes Kupplungsgehäuse mit Deckel, dienen zugleich zur Abstützung des Motors 11 auf der Pumpe 10;

28 vom Gehäuse 26 gebildeter, ringförmiger, im Querschnitt U-förmiger Vorratsbehälter, der die Schaufelräder 21,22 unmittelbar umhüllt und die aus den Entleeröffnungenmerausspritzende Arbeitsflüssigkeit auffängt;

29 Kühlrippen am Vorratsbehälter 28;

JO Zulaufleitung vom Vorratsbehälter 28 zu dem zwischen Schale 24 und Sekundärrad 22 befindlichen Spalt;

31 in die Zulaufleitung eingebautes Steuerventil, das durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte, den Austrittsdruck der Pumpe 10 konstant .haltende Regeleinrichtung verstellbar ist; .

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32 zusätzlicher und ebenfalls ringförmiger Behälter zum Auffangen von Leckflüssigkeit und von einem Teil der Arbeits-.flüssigkeit beim Stillsetzen der Pumpenanlage;

33 an der Unterseite der Schale 24 angebrachte Rippen, die das Rückfördern von Flüssigkeit vom Behälter 32 in den Vorratsbehälter 28 begünstigen (solche Rippen können gegebenenfalls auch auf der Oberseite der Schale 24 angeordnet sein).

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dient eine hydrodynamische Stellkupplung 40 zum¹Antrieb eines vertikalachsigen und oberhalb der.Kupplung angeordneten Ventilators I5. Die Antriebsmaschine "ist ih der Zeichnung nicht dargestellt. Die Kupplung umfaßt die folgenden Teile:

41 Primärschaufelrad;

42 Sekundärschaufelrad;

4j von den Schaufelrädern gebildeter Arbeitsraum;

44 am Sekundrärrad 42 befestigte und das Primärrad 41 .umhüllende Schale;

45 im Sekundärrad 42 angeordnete Entleeröffnung;

46 feststehendes Kupplungsgehäuse mit Kühlrippen 49;

47 Gehäusedeckel, zugleich Lagergehäuse zur gemeinsamen Lagerung des Sekundärrades und des Ventilatorschaufelrades 15;

45 Vorratsbehälter;

50 Zulaufleitung mit Steuerventil 5I; ·

52 zusätzlicher Behälter; .

53 Rippen zur Erhöhung der Pumpwirkung der Schale 44 im Spalt zwischen Schale 44 und Behälter 52;

54 Rippen zur Erhöhung der Pumpwirkung des Primärrades 41 im Spalt zwischen Primärrad 41 und Schale 44;

55 Spritzblech. '

Ein Unterschied gegenüber Fig. 1 (abgesehen von der geänderten Kraftflußrichtung) besteht darin, daß sich die Innenwand 48a des Vorratsbehälters 48 weiter nach oben erstreckt, wodurch die Höhen-. differenz zwischen dem Flüssigkeitsspiegel im Vorratsbehälter 48 und der Mündung der Zulaufleitung 50 im Spalt zwischen Primärrad und Schale 44 vergrößert werden kann. Dies wirkt sich günstig

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auf den Stellbereich des Steuerventils 5I aus.

Die in Pig. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 2 im wesentlichen nur dadurch, daß die Schale 64 nicht mit dem obenliegenden Sekundärrad 62, son- · dem mit dem untenliegenden Primärrad 6l umläuft und oberhalb des Sekundärrades angeordnet ist. Somit steht der von der Schale 64 mit dem Sekundärrad 62 gebildete Spalt nicht zum Zuführen von Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitsraum 63 zur Verfügung; jedoch ist die Entleeröffnung 65 nunmehr in der Schale 64 angeordnet. Zum Zwecke der Flüssigkeitszufuhr ist an die Unterseite des Primärrades 61 ein Flansch 75 angeformt, der als Schleuderscheibe wirkt und •mit dem Primärrad einen Hingraum J6 bildet. In diesen Ringraum, von dem Bohrungen 77 in den Arbeitsraum 63 hineinführen, mündet die Zulaufleitung 70.

Die gleiche Anordnung wie in Fig. 3 ist bei der Kupplung gemäß Fig. 4 gewählt. Nur ist hier das untenliegende Primärrad 81 über die Schale 84 mit der obenliegenden Primärwelle 12 verbunden und das obenliegende Sekundärrad 82 direkt mit der untenliegenden Sekundärwelle 13. Dadurch ist gegenüber Fig. 3 lediglich die Kraftfiußrichtung umgekehrt.

Die im Anspruch 1 enthaltene Angabe, wonach der Vorratsbehälter 28, 48 ringförmig ausgebildet ist, soll nicht derart.verstanden werden, daß der Ringquerschnitt (das Profil) des Vorratsbehälters an allen Stellen gleich ist. So kann z.B. die Außenwand des Vorratsbehälters, die zugleich das Kupplungsgehäuse 26,46 bildet, in Achsrichtung gesehen kreisrund oder rechteckig oder ggf. ganz ungleichmäßig geformt sein. Die Innenwand, in Fig. 2 mit 48a bezeichnet, wird man vorzugsweise kreisrund ausbilden und derart anordnen, daß sie die Schaufelräder 21, 24; 41, 42; 61, 62; 81, 82 unmittelbar umhüllt (unter Bildung eines möglichst engen Spaltes). Jedoch sind auch hiervon abweichende Ausführungen denkbar. So kann z.3. zwischen den Schaufelrädern und der Innenwand 48a bei Bedarf auch ein verhältnismäßig breiter Zwischenraum vorgesehen werden, der wie injFig. 2 'durch., ein mitrotierendes Spritzblech 55 überdeckt wird.

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Claims (7)

ap/G 3!352J- * Voith Turbo KG Kennwort:"Springbrunnenkupplung" Crailsheim Patentansprüche

1. Hydrodynamische Stellkupplung mit vertikaler Achse mit einem Primärschaufelrad (21, 41, 61,81) und einem Sekundärschaufelrad (22, 42, 62, 82), die miteinander einen.torusförmigen Arbeitsraum (23, 43, 63) bilden, dessen Füllung veränderbar ist, und mit einer Schale (24, 44, 64, 54), die mit einem der Schaufelräder umläuft und das andere Schaufelrad umhüllt, ferner mit einer Ablaufeinrichtung (25, 45).für Arbeitsflüssig ¹keit vom Arbeitsraum in einen feststehenden 'Vorratsbehälter (28, 48) sowie mit einer vom Vorratsbehälter über ein Steuerventil (31* 51) führenden und im Bereich unmittelbar unterhalb des■untenliegenden Schaufelrades mündenden Zulaufleitung ■ (30, 50, 70), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) Die Ablaufeinrichtung umfaßt wenigstens eine im oberen Bereich der drehbaren Kupplungsteile angeordnete und mit dem Arbeitsraum in Leitungsverbindung stehende Ablauföffnung (25, 45);

b) der Vorratsbehälter (28, 48) ist ringförmig ausgebildet . und umhüllt die Schaufelräder (21, 22; 41, 42; 61, 62; 81, 82) an ihrem Umfang und ist hinsichtlich der Höhenlage derart angeordnet, daß in ihm die aus den Ablauföffnungen (25, 45) austretende Arbeitsflüssigkeit aufgefangen wird und daß der sich im Vorratsbehälter einstellende Flüssigkeitsspiegel oberhalb der Mündung der Zulaufleitung (30, 50, 70) liegt, so daß der Zulauf aus dem Vorratsbehälter durch das Steuerventil (3I* 51) bis zur Mündung der Zulaufleitung allein aufgrund der Höhendifferenz erfolgt. 609 831/002 8 ./.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Primärschaufelrad (21, 4l, 6l, 8l) umlaufendes Bauteil, z.B. eine Schleuderscheibe (24, 44, 75) vorgesehen ist,, zum Fördern von Arbeitsflüssigkeit aus dem genannten unterhalb der untenliegenden Schaufelräder (22, 4l, 6l, 8l) liegenden Bereich in den Arbeitsraum (23, 43, 63) hinein.

3. Kupplung nach Anspruch 2, deren Schale (24)mit dem obenliegenden PrimärSchaufelrad (2l) verbunden ist und unterhalb des. Sekundärschaufelrades (22) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (24) als das zum Fördern von Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitsraum (23) dienende Bauteil ausgebildet ist (Fig. 1).

4. Kupplung nach Anspruch 2, dessen Primärschaufelrad (6l) unterhalb des Se'kundärs chauf elrades (62) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß radial innerhalb des Arbeitsraurnes (63) von der Unterseite des Primärschaufelrades (6l) und einer Schleuderscheibe (75) ein Ringraum (76) gebildet ist, der mit dem Arbeitsraum (63) in Leitungsverbindung steht und in den die Zulauf ei nri chtung (70) einmündet (Fig. 3)·

5. Kupplung nach Anspruch 1, deren Schale (44) mit dem obenlie-■ genden Sekundär schaufelrad (42) verbunden ist und unterhalb des Primärschaufelrades (4l) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärschaufelrad (4l) mit der Schale (44) einen engen' Spalt bildet und als das zum Fördern von Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitsraum (43) dienende 3auteil.,ausgebildet ist.

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6» Kupplung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,_ dadurch gekennzeichnet, daß die vom Vorratsbehälter (28, 48) über das Steuerventil (31, 5I) führende Zulaufleitung (30, 50, 70) in das Innere der Schale (24, 44) bzw. in den Ringraum (76) einmündet.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich unterhalb der Schaufelräder (21, 22; 41, 42; 61, 62; 81, 82) ein zusätzlicher feststehender Behälter (32, 52) vorgesehen ist.

2. Januar 1975
Sh/HKn

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