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Hydrodynamische Kupplung
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Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung, die zum Ein-
und Ausschalten mit einer Betriebsflüssigkeit gefüllt bzw. entleert wird, mit einem
Pumpenrad und mit einem Turbinenrad, die jeweils zur Hälfte den torusförmigen Arbeitsraum
der Kupplung bilden und aus mit dem An- bzw. Abtrieb der Kupplung verbundenen Kupplungsschalen
mit darin angeordneten Schaufeln bestehen und mit einem Kupplungsgehäuse, das mit
dem Turbinenrad verbunden ist und das Pumpenrad mit Abstand umschließt.
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Solche Kupplungen werden oftmals in Schiffsantrieben zum Übertragen
großer Leistungen eingesetzt. Sind die Kupplungen ausgeschaltet und wird dabei z.
B. zur Durchführung von Überholungs- oder Einstellarbeiten der Antriebsmotor in
Betrieb genommen, so wird durch die anstelle der Betriebsflüssigkeit in der Kupplung
enthaltene und zirkulierende Luft eine beträchtliche Leistung aufgenommen, die wegen
dem stillstehenden Turbinenrad in Wärme umgewandelt wird. Dadurch erreichen die
Kupplungsteile nach kurzer Zeit unzulässig hohe Temperaturen.
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Aus der DE-PS 677 160 ist das Absaugen der Luft aus entleerten Strömungskreisläufen
mit Hilfe einer Saugpumpe zum Unterbinden eines Luftumlaufes und Verhindern der
Erwärmung bekannt. Das Anordnen einer Saugpumpe ist aufwendig, ihr Antrieb erfordert
zusätzliche Antriebsleistung.
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Aus der gleichen Patentschrift ist auch das Absaugen der Luft durch
die Strahlwirkung einer dem umlaufenden Teil zugeführten und durch die Fliehkraft
ausgeschleuderten geringen Flüssigkeitsmenge bekannt. Diese Strahlbildung war jedoch
nach den Angaben in derselben Patentschrift erfahrungsgemäß nicht ausreichend.
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Bekannt ist außerdem aus der DE-PS 631 177 die Zuführung einer Flüssigkeitsmenge
zur Bildung eines Kühlflüssigkeitsnebels in der Kupplung. Diese Maßnahme ist zur
Kupplungskühlung bei Zuführen einer kleinen Flüssigkeitsmenge nicht ausreichend.
Steigert man jedoch die zugeführte Flüssigkeitsmenge, so stellt sich ein Teilfüllungszustand
mit erhöhter Leistungsaufnahme und dementsprechend erhöhten Temperaturen ein, weil
die zugeführte Flüssigkeitsmenge nicht ungehindert wieder abfließen kann.
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Aus der DE-OS 22 07 089 ist das Zuführen einer Kühlflüssigkeit bei
stillstehendem Pumpenrad und bei sich drehendem Turbinenrad bekannt, wobei die Kühlflüssigkeit
durch schaufelartige Schöpfeinrichtungen wieder aus dem Kreislauf entfernt wird.
Mit einer solchen Einrichtung kann jedoch die entstehende Wärme bei stillstehender
Turbine und drehendem Pumpenrad nicht abgeführt werden. Die vorgesehenen Schöpfeinrichtungen
behindern zudem den Flüssigkeitsumlauf im normalen Kupplungsbetrieb, so daß hierbei
ein erhöhter Schlupf und ein verminderter Wirkungsgrad in Kauf genommen werden muß.
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Aus der DE-PS 687 919 ist es bekannt, das Pumpenrad am größten Durchmesser
ohne Radboden auszuführen. Diese Maßnahme ist, zusammen mit der Verlängerung der
Pumpenschaufeln, zum raschen Entleeren des Strömungskreislaufes und zum Auspumpen
von Leckflüssigkeit vorgesehen. Eine Verringerung der Luftumwälzung und Absenkung
der Temperatur der Kupplungsteile bei entleerter Kupplung kann dadurch nicht erreicht
werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer ausgeschalteten Kupplung,
bei der das Turbinenrad stillsteht und das Pumpenrad angetrieben wird, ohne wesentlichen
Mehraufwand eine Überhitzung der Kupplungsteile durch die im Kreislauf umlaufende
Luft zu verhindern. Dabei soll der normale Betrieb
mit eingeschalteter
Kupplung möglichst wenig beeinträchtigt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die folgende Merkmals-Kombination:
a) der Kupplung wird in ausgeschaltetem Zustand und bei angetriebenem Pumpenrad
eine geringe Flüssigkeitsmenge zugeführt; b) in der Kupplungsschale des Primärrades
sind vor der Austrittskante der Schaufeln Öffnungen angebracht, so daß die von den
Schaufeln gebildeten Schaufelkanäle an diesen Stellen radial nach außen offen sind;
c) die Ausflußöffnungen für die in ausgeschaltetem Zustand zugeführte Kühlflüssigkeit
sind radial außerhalb der Öffnungen der Kupplungsschale des Primärrades in dem Kupplungsgehäuse
angeordnet.
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Durch die Kombination dieser an sich bekannten Maßnahmen wird ein
Teil der in der Kupplung befindlichen Luft durch den Kühlmittel strom aufgenommen
und mit diesem aus der Kupplung entfernt. Dadurch entsteht in der Kupplung ein Teil-Vakuum,
wodurch die Antriebsleistung und damit die erzeugte Wärmemenge spürbar reduziert
werden. Die Restwärmemenge wird von dem Kühlmittelstrom aufgenommen, der auf Grund
der Ausbildung des Pumpenrades und der Anordnung der Ausflußöffnungen vor Eintritt
in das Sekundärrad aus der Kupplung entfernt wird und damit keine Erhöhung der Leistungsaufnahme
bewirken kann.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Kupplung erfordert nur einen geringen
Mehraufwand gegenüber einer normalen Kupplung. Wie Versuche gezeigt haben, ist im
normalen Kupplungsbetrieb eine nachteilige Wirkung der getroffenen Maßnahmen auf
die Kupplungskennlinien nicht festzustellen. In dem Betrieb mit entleerter Kupplung
und feststehendem Turbinenrad
werden dagegen die Temperaturen der
Kupplungsbauteile wesentlich verringert und bewegen sich innerhalb der zulässigen
Grenzen.
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Eine einfache, gießtechnisch durchführbare Maßnahme um die notwendigen
Veränderungen am Pumpenrad zu erreichen, besteht darin, daß die Kupplungsschale
des Primärrades vor der Austrittskante der Schaufeln endet und daß die Ausflußöffnungen
für die Kühlflüssigkeit radial außerhalb der Endkante der Kupplungsschale im Kupplungsgehäuse
angeordnet sind.
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Die Ausflußöffnungen für die Kühl flüssigkeit können durch Ventile
gesteuert werden, die in bekannter Weise zum Einschalten und füllen der Kupplung
durch einen Steuerdruck geschlossen, zum Ausschalten und Entleeren der Kupplung
durch die Fliehkraft geöffnet und bei stehendem Turbinenrad durch den Druck der
Kühlflüssigkeit offen gehalten werden. Dadurch brauchen neben den ohnehin notwendigen
Schnellentleerventilen keine zusätzlichen steuerbaren Ausflußöffnungen vorgesehen
werden. Außerdem erübrigt sich hierfür eine zusätzliche Steuerung.
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Wenn die Kühlflüssigkeit durch die Kupplungsschale und Schaufelkanäle
des stillstehenden Turbinenrades in die Kupplung eingeleitet wird, tritt beim Erfassen
und Verwirbeln der Kühlflüssigkeit durch das sich drehende Pumpenrad eine besonders
intensive Vermischung mit der in der Kupplung enthaltenen Luft ein. Dadurch wird
mehr Luft mit der Kühlflüssigkeit aus der Kupplung entfernt, dementsprechend entsteht
ein besseres Vakuum und die Leistungsaufnahme wird weiter verringert.
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In der Zeichnung ist ein Teil-Längsschnitt einer hydrodynamischen
Kupplung für eine Schiffsantriebsanlage gezeigt, die zum Ein- und Ausschalten mit
einer Betriebsflüssigkeit
gefüllt bzw. entleert wird. Ein mit dem
nicht dargestellten Antriebsmotor verbundenes Pumpenrad 11 und ein mit der nicht
dargestellten Schiffsschraube verbundenes Turbinenrad 12 besteht jeweils aus einer
Kupplungsschale 13 bzw. 14 und den Schaufeln 15 bzw. 16. Ein Kupplungsgehäuse 17
ist fest mit dem Turbinenrad 12 verbunden und umschließt das Pumpenrad li mit Abstand.
In der Schale 14 des Turbinenrades 12 ist ein Zulauf 18 für die Betriebsflüssigkeit
der Kupplung angeordnet. Durch diesen Zulauf erfolgt auch das Zuführen der Kühlflüssigkeitsmenge
bei ausgeschalteter Kupplung. Sowohl Betriebsflüssigkeit als auch Kühlflüssigkeit
bewegen sich im Pumpenrad 11 entsprechend der Richtung der Pfeile 19. Die Kupplungsschale
13 des Pumpenrades 11 endet vor der Austrittskante 20 der Schaufeln und bildet eine
Endkante 23. Für Betriebsflüssigkeit und Kühlflüssigkeit sind in dem Kupplungsgehäuse
17 mehrere Ausflußöffnungen angeordnet, die durch Ventile 21 gesteuert werden. Diese
Ventile werden durch einen Steuerdruck in zu den Ventilen führenden Leitungen 22
zum Füllen der Kupplung geschlossen und öffnen sich zum Entleeren bei ausbleibendem
Steuerdruck wegen der auf ihren Verschlußteil einwirkenden Fliehkraft. Die Ventile
und damit auch die Ausflußöffnungen für die Kühlflüssigkeit sind radial außerhalb
der Endkante 23 der Schale 13 des Pumpenrades 11 angeordnet.
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Bei ausgeschalteter Kupplung und eingeschaltetem Antriebsmotor steht
das Turbinenrad 12 der Kupplung still. Das Pumpenrad 11 dreht sich entsprechend
der Motordrehzahl. Über den Zulauf 18 wird der Kupplung eine geringe Flüssigkeitsmenge
zugeführt. Diese Flüssigkeit wird von dem drehenden Pumpenrad erfaßt und gründlich
mit der im Kreislauf befindlichen Luft verwirbelt. Das entstehende Schaumgemisch
strömt durch die Fliehkraft in den Schaufelkanälen nach außen und nimmt
dabei
aus dem Pumpenrad Wärme auf. An der Endkante 23 der Schale 13 des Primärrades 11
wird das Schaumgemisch abgeschleudert und verläßt durch die geöffneten Ventile 21
die Kupplung. Durch diesen Vorgang wird der Kupplung Luft und Wärme entzogen und
damit die Temperatur der Kupplungsteile wie beschrieben in zulässigen Grenzen gehalten.
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Bei Einschalten der Kupplung werden die Ventile 21 durch den Steuerdruck
in der Leitung 22 geschlossen und die Kupplung kann sich füllen. Die vor der Austrittskante
20 des Primärrades 11 endende Kupplungsschale 13 übt keinen spürbaren Einfluß auf
das Betriebsverhalten der Kupplung aus.