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Flügelzellen-Strömungsmaschine
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(Pumpe, Verdichter, Motor) Die Erfindung betrifft eine Flügelzellen-Strömungsmaschine
(Pumpe, Verdichter, Motor), mit in einer Höhlung des Stators exzentrisch angeordnetem
Rotor, an dem unter gleicher Umfangsteilung eine Mehrzahl Flügelblätter mit ihren
inneren Enden schwenkbar gelagert und mit ihrer Außenseite an der Wandung der Statorhöhlung
derart geführt sind, daß sich das Volumen einer jeden im Ringraum zwischen Stator
und Rotor durch zwei Flügelblätter abgeteilten Zelle bei einem Umlauf des Rotors
zwischen Maximum und Minimum ändert.
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Bei bekannten Strömungsmaschinen sind in der Regel die als ebene Blattelemente
ausgebildeten Flügelblätter in Radialnuten dc Rotors verschiebbar geführt. Sie legen
sich mit ihrcn seitlichen Enden an im Stator drehbar gelagerte Stüt@-ringe an und
nehmen diese bei der Rotation mit. Dadurch kann ohne mechanische Reibung im Statorgehäuse
eine brauchbare Abdichtung zwischen den einzelnen Flügelzellen gebildet werden.
Derartige Strömungsmaschinen sind jedoch schon in der TTerstellung verhältnismäßig
teuer, und die erzielbaren Drücke sind entsprechend klein.
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Bekannt sind auch s.g. Impellerpumpen, bei welchen Flügelblätter aus
flexiblem Werkstoff am Rotor festgelegt sind und beim Umlauf sich unter Fliehkraftwirkung
wenigstens
mit ihren Enden an den Stator legen. Dabei sind jedoch
Verschleiß- und Störanfälligkeit verhältnismäßig groß, und die erzielbaren Drücke
liegen in der Größenordnung der mit Schleuderpumpen erreichten Werte.
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Schließlich sind auch Pumpen bekannt, deren ebene Flügelblätter schwenkbar
am Rotor angelenkt und durch Federkräfte nach außen geschwenkt sind, aber auch diese
Maschirlen welden in der gleichen Weise betrieben wie Impellerpumpen, d.h. die Flügelblätter
werden geschleppt. Sie haben zudem einen sehr begrenzten Einstellwinkel und können
nur geringe Volumenänderung ermöglichen. Auch derartige Pumpen sind noch verhältnismäßig
kompliziert und störanfällig.
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Die Erfindung geht aus von der eingangs geschilderten Flügelzellen-Strömungsmaschine
und verfolgt die Aufgabe, eine solche Maschine auf möglichst einfache Weise so zu
gestalten, daß verhältnismäßig große Drücke bei geringer Störanfälligkeit erzielt
werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die Flügelblätter
als formsteife Schaufeln mit teilzylindrischer, in der Anschwenkstellung zur Rotorachse
zentrischer Außenfläche ausgebildet.
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Auf diese Weise schließen sich die Außenflächen der einzelnen Schaufeln
in der Anschwenkstellung wenigstens mittelbar zu einer weitgehend geschlossenen
Außenfläche dcu Rotors zusammen. Dadurch kann einmal ein außerordentlich geringes
Restvolumen und damit ein ungewöhnlich großes Verdichtungsverhältnis erzielt werden.
Zwischen Rotor und Stator wird an der engsten Stelle auch ohne zusätzliche Maßnahmen
hi»-reichende Abdichtung erreicht. Dabei ist maßgeblich, daß bei der Abdichtung
des engsten Spaltes die Außenflächen der Rotorschaufeln vorübergehend in eine zentrische
Lage zur Rotorachse gelangen und dann erst langsam entlang der Sta-
torhöhlung
aufgeschwenkt werden. Dabei bilden sich stets er spitze Sichelräume, d.h. der für
die Abdichtung maßgebliche Abstand zwischen den Schaufelrücken und der Innenfläche
der Statorhöhlung erstreckt sich über verhältnismäßig große Winkelbereiche. Diese
Winkelbereiche sind auch um so größer und die Abdichtung ist um so besser, je kleiner
das Verhältnis von Statordurchmesser und Rotordurchmesser ist.
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Brauchbare Ergebnisse werden beispielsweise im Bereich des Durchmesserverhältnisses
von 1,5 erzielt. Zudem lassen sich die Schaufeln in allen Betriebsstellungen exakt
zwischen Rotor und Stator führen. Sie unterliegen nur geringer mechanischer Beanspruchung
und Abnutzung und lassen sich mit geringem Gewicht ausführen und damit auch leichter
am Rotor halten.
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Die Schwenklagerung hat gegenüber der Schiebeführung den Vorteil geringerer
Verstellwiderstände, geringerer Reibungsverluste und damit eines verbesserten Wirkungsgrades.
Durch die bessere Abdichtung ist es zudem möglich, rnit weniger Schaufeln und weniger
Zellen größere Drücke zu erreichen.
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Da die Reibungsverluste rnit der Anzahl der Schaufeln steigen, wird
der Wirkungsgrad weiterhin gesteigert. Mit vereinfachtem Gesamtaufbau wird ein vermindertes
Leistungsvolumen erreicht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Schaufeln
als satt an die Außenfläche des Rotors anschwenkbare Zylindersegmente mit insbesondere
kreisschnittförmigem Querschnitt ausgebildet. Auf diese Weise wird zunächst die
Formsteifheit der Schalen verbessert, zumal der wirksame Druck von der Innenseite
her wirkt. Es wird auch das erreichbare Druckverhältnis gesteigert, da sich die
Schaufeln besser an den Rotor anlegen.
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Selbst wenn im Kompressions-Endzustand noch ein begrenzte Restvolumen
der Zellen vorhanden ist, können noch hinrei-
chende Druckverhältnisse
erreicht werden, wenn die Schaueln in der Anschwenkstellung am Rotor in Umfangsrichtung
wenigstens mittelbar gegeneinander abgedichtet sind. Diese Abdichtung kann antürlich
auch durch ein mit den Schaufeln verbundenes oder wenigstens diesen gegenüber abgedichtetes
Bauelement wie eine Lagerachse, eine achsparallele Rippe des Rotors o.dgl. bewirkt
werden.
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Die Leistungsverluste sind ferner abhängig von der Masse der Schaufelgewichte.
Die Schaufeln sollen daher möglichst leLcht 3ein. Sie können massiv aus starrem
Leichtwerkstoff in Form von Schalen oder Hohlkörpern bestehen. Aber man kann auch
einen leichten Kern, etwa einen Schaumkern,mit einer Hülle aus festem und hartem
Werkstoff überziehen. Bei der Ausbildung der Schwenklager ist einmal auf geringe
Reibungskräfte und zum anderen auf zuverlässige Druckabstützung der Schaufel am
Rotor zu achten. Auch der erfindungsgemäße Rotor kann grundsätzlich quer zu seiner
Drehachse versteAlbar am Stator bzw. im Maschinengehäuse gelagert sein. Jcde Strömungsmaschine
läßt sich grundsätzlich als Motor oder Pumpe verwenden und mit einer entsprechenden
anderen Maschine zu einem Strömungsgetriebe verbinden, das sich stufenlos regeln
läßt, wenn nur eine der beiden Maschineneinheiten für eine Verstellung des Rotors
eingerichtet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben und werden im folgenden anhand der beispielsweisen Zeichnung erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine teilweise nach der Linie I/I in Fig.2 geschnittene Ansicht
eines erfindungsgemäßen Verdichters, Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Verdichtergehäuse
nach der Linie II/II in Fig.1 mit einer Ansicht des Rotors von oben in Fig.1 gesehen,
Fig.
3 eine vergrößerte Darstellung der Stelle III in Fig. 1, Fig. 4 eine Ansicht der
Teildarstellung Fig. 3 in Richtung des Pfeiles IV gesehen, Fig. 5 eine der Fig.1
entsprechende Darstellung einer angewandelten Ausführungsform der Erfindung, Fig.
6 einen Schnitt durch diese Ausführung nach der nie VI/VI in Fig.5, Fig. 7 eine
der Fig.3 entsprechende Teildarstellung der Stelle VII in Fig.5 und Fig. 8 eine
vergrösserte Darstellung der Stelle VIII in Fig.6.
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In der Zeichnung bildet der Stator bzw. das Maschinengehäuse 1 eine
obere zylindrische Steuerkammer 2 für ein nicht dargestelltes Steuerorgan und eine
untere zylindrische Rotorkammer 3 für einen prismenförmigen Rotor 4. Das Maschinengehäuse
1 ist seitlich durch angeschraubte Endkappen 5, 6 verschlossen, die mittels Wälzlagern
7 den Rotor 4 drehbar um eine Rotorachse 12 mit der Exzentrizität e unterhalb der
Statorachse 32 der Rotorkammer halten.
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Zwischen der äußeren Gehäusewandung 8 und einer inneren Gehäusewandung
9 sind zwei Strömungskanäle 10, 11 eingeformt.
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Bei der als Verdichter bzw. Pumpe betriebenen Maschine ist 10 ein
Ansaugkanal, der eine Auslaßöffnung 13 der Steuerkammer 2 mit einer Einlaßöffnung
111 der Rotorkammer 3 verbindet'. Der Druckkanal 11 verbindet die Auslaßöffnung
15 der Rotorkammcr 3 mit der Einlaßöffnung 16 der Steuerkammer 2.
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Der in dieser Steuerkammer 2 angebrachte Drehschieber oder dergleichen
Steuerorgane können unter Umständen eine Strömungsumkehr, eine Drosselung oder dergleichen
der Strömung bewirken, im Pumpenbetrieb verläuft die Strömung jedenfalls
entsprechend
den Pfeilen 17,18, wobei der Rotor 11 durch seine Welle 19 gemäß Pfeil 20 im Uhrzeigersinn
in Fig.1 angetrieben wird.
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Dieser Rotor 4 ist im wesentlichen als Prismen-Höhlkörper mit fünf
ebenen Teilmantelflächen 21 ausgebildet, die unter dem Teilungswinkel von 720 jeweils
in Prismenkanten 22 enden.
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Mit radialem Abstand von jeder Prismenkante 22 ist eine durchgehende
Längsbohrung 23 vorgesehen, die vor allem der Vergleichmäßigung der Schmierung an
beiden Stirnseiten des Rotors dient. Jeder Teilmantelfläche 21 ist zudem eine Schaufel
24 zugeordnet, die jeweils im Bereich einer Prismenkante 22 durch ein Schwenklager
25 radial aufschwenkbar gelagert ist.
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Jedes Schwenklager ist, wie am besten aus den Figuren 3 und Çl u ersehen,
im wesentlichen durch zwei identische Lagerplattell 26 gebildet, die sich über die
ganze Länge. des Rotors erstrecken und mit ihren halbkreisförmigen Endteilen 27
ineinandergreifen. Beide Platten sind mit zwei Reihen Senkbohrungen 28 versehen.
Dadurch ist eine erste Lagerplatte mittels bis in eine Bohrung 23 vorgetriebene
Blindniete 29 am Rotor 4 befestigt. Die andere Lagerplatte ist durch Senkschrauben
29 und durch versenkt und gegebenenfalls gesichert bzw. verspannt angebrachte Muttern
30 an der Unterseite 31 der zugehörigen Schaufel 24 befestigt. Das so gebildete
Schwenklager hat zwar ein begrenztes Radialspiel, ermöglicht aber eine recht exakte
Einstellung der Schaufeln 24 zwischen Stator und Rotor. Blindniete und Senkschrauben
können ebenso durch andere geeignete Befestigungsmittel ersetzt werden, wie sich
auch die Lagerung 25 der jeweiligen Maschinenausführung anpassen läßt.
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Da auf das Schwenklager 25 einmal eine Fliehkraftkomponente und zum
anderen eine etwa in der Ebene der Schaufel 24 wirkende Druckkraftkomponente wirkt,
ist es wesentlich, die Lagerplatte 26 möglichst dicht an der Prismenkante 22 zu
halten. Ferner kann es von Vorteil sein, eine zusätzliche Abstützung etwa in der
Ebene der Schaufel und radial zur Schwenkachse vorzusehen. Dem letzteren Zweck dient
hier eine eingeschobene Stützleiste 35 aus gleitgünstigem Lagerwerkstoff, etwa Lagermetall
oder Lagerkunststoff, deren konkave Stützfläche 36 teilzylindrisch und identisch
geformt ist mit der Außenfläche der hakenförmigen Plattenenden 27. Auf diese Weise
können trotz des geringen Schwenkwiderstandes noch größere Stützkräfte übertragen
werden.
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Zudem passen sich die ebenen 1 chen der Stützleiste 35 mit der Lagerplatte
26 und der jeweiligen Prismenfläche 21 verlöten oder verkleben, was die Abstützung
noch weiter nach außen verlagert und die Führung der Schaufeln verbessert.
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Die Stützleiste 35 bewirkt auch eine Abdichtung zwischen den beiden
Lagerplatten 26 und damit zwischen der Schaufel 24 und dem Rotor Lt, da im Betrieb
die Lagerreaktionskraft stets als Anlagekraft und damit als Dichtkraft wirksam ist.
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Dem gleichen Zweck dient die am unteren Ende jeder Schaufel 24 angeformte
Hohlkehle 37, die gleichen Wölbungsradius wie die Stützfläche 36 bzw. die Außenfläche
der Entteile 27 hat und damit ebenfalls Abstütz- und Abdichtfunktion übernehmen
kann. Im Bereich einer Prismenkante 22 ist stets das innere Ende einer Schaufel
24 abdichtend an den Rotor angeschlossen. Daher ist es unwesentlich, ob die Schaufeln
im Schließvorgang mittelbar oder unmittelbar aneinander schließen. Auch der unmittelbare
Schluß ist hier ohne weiteres möglich, da sich die freien Schaufelenden beii Aufschwenken
weitgehend radial vom Rotor abheben.
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Wie vor allem anhand der unteren Schaufel 24 in Fig.1 zu erkennen,
bildet sich im Schließzustand an einer Teilmantelfläche 21 zwischen zwei Lagerplatten
26 ein Abstands spalt 39, in dem gegebenenfalls eine leichte Feder angebracht sein
kann, um bei geringen Drehzahlen das Ausschwenken der Schaufeln und Anlegen an die
zylindrische Lauffläche 40 der Rotorkammer zu erleichtern. Diese Lauffläche ist
wenigstens zu den stirnseitigen Gehäuseöffnungen hin voll zylindrisch ausgebildet.
Die Strömungskanäle 10 und 11 erstrecken sich nur über den mittleren Teil des Maschinengehäuses,
wie dies am besten aus Fig.2 zu ersehen ist.
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Die Schaufeln 24 sind hier als Zylinderabschnitte ausgebildet. Sie
bestehen vornehmllch aus faserverstärktem Kunststops, wobei die Fasern etwa Glas-oder
Kohlenstoffasern, möglichst die Form eines Raum-Strukturgewebes haben, dessen Gitterräume
von Kunststoff gefüllt sind. Sie können allerdings auch etwa aus Leichtmetall oder
Massivkunststoff schalenförmig oder als Hohlkörper ausgebildet sein. Ebenso kann
es zweckmäßig sein, den Kern der Schaufel durch einenSchaumstoffkörper zu bilden
und mit einer massiven Haut aus gasundurchlässigem, festem und gleitfähigem Werkstoff
zu überziehen.
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Während die Außenfläche 41 der Schaufeln weitgehend exakt der Zylinderfläche
110 entspricht, ist sie zu den freien Schaufelenden bzw. an der Schaufelnase 42
etwas stärker gewölbt, um dort Anlage und Abdichtung bei unterschiedlicher Neigungsstellung
an der Zylinderfläche 110 zu verbessern.
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An der Schaufelnase tritt auch die höchste örtliche Reibungsbelastung
auf. Dort kann daher gegebenenfalls eine Deckschicht, bzw. eine querliegende Leiste
aus hochfestem und reibungsarmem Werkstoff, etwa aus Lagermetall, PTFE o.
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dgl., angebracht sein.
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Beim Stillstarld der Maschine liegen die Schaufeln je ihier Anordnung
entsprechend an der Lauffläche 40 des Maschinengehäuses 1 oder einer Teilmanteifläche
21 des Rotors 4 an.
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Wird der Rotor nun gemäß Pfeil 20 in Drehung versetzt, so werden die
Schaufeln insgesamt einer Fliehkraft unterworfen, welche die Anlage wenigstens ihrer
Nasen 42 an der zylindrischen Lauffläche 40 bewirkt. Die Schaufeln schwenken also
nach außen und bilden entsprechend dem Fünfeckquerschnitt des Rotors fünf Zellen
Z1 bis Z5. Dabei haben die Zellen Z1 und ZO das Volumen 0, ihre Schaufeln liegen
ganz am Umfang an. Während jedoch die Zelle Z1 bei der weiteren Drehung im Uhrzeigersinn
gemäß Pfeil 20 sich zu öffnen beginnt, hat die Zelle Z5 soeben geschlossen, sie
steht nur noch an ihrer Außenseite mit dem Druckkanal 11 in Verbindung.
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Auf ihrer ganzen Außenfläche ist auch die Zelle Z2 an den Ansaugkanal
10 angeschlossen, während die Zelle Z3 gerade ihr größtes Volumen erreicht hat und
unmittelbar anschliessend völlig abgeschlossen wird. Dann beginnt der Kompressionsvorgang,
der nach etwa 950 Drehwinkel abgeschlossen ist, wobei das Zellenvolumen etwa 20
% des maximalen Volumens beträgt. Die Zelle bleibt mit der Auslaßöffnung 15 verbunden,
bis sie in der Betriebsstellung Z5 ganz abgeschlossen ist. Diese Schließstellung
bleibt auch über 720 Drehwinkel voll erhalten, was eine zuverlässige Abdichtung
zwischen Saug- und Druckseite gewährleistet. Zudem sind gleichzeitig nur drei bis
vier Schaufeln in Schwenkbewegmg, was die Reibungsverluste weiter mindert.
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Ausgehend von der vorgeschilderten Ausführungsform ist nach den Figuren
5 bis 7 jeweils eine als Zylinderstab ausgebildete Schwenkachse 115 vorgesehen.
Sie greift mit Endzapfen 46 in Bohrungen zweier scheibenförmiger Lagerringe 47,
die jeweil in einer Winkelnut 48 einer der Lagerscheiben 5 oder6 gelagert ist.
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Auf jeder Drehachse 45 sitzt eine Rohrhülse 49, die in zuvor geschilderter
Weise durch eine Anschlußplatte 50 mit einer Schaufel 24 verbunden ist. Die Rohrhülse
49 kann sich auf der Achse 115 drehen, sie kann aber ebenso wie diese Achse selbst
auch mit der Schaufel 24 fest verbunden sein, so daß die Drehung ausschließlich
an den Zapfen 46 erfolgt. Es rnuß dann nur der durch die Schwenkachsen 45 und die
Lagerringe Ill gebildete Käfig in Umfangsrichtung ani Rotor 4 abgestützt werden.
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Dies kann durch gesonderte Stützteile entsprechend der Stützleiste
35 aus Fig.3 erfolgen, besser erscheint es jedoch, Stütznasen 51 mit teilzylindrischen
Stützflächen unmittelbar am Rotor 4 anzuformen. Im Prinzip kann auch die Rohrhülse
119 aus dem Rand der Anschlußplatte 50 herausgerollt werden, wie dies mit den Endteilen
27 der Lagerplatten 26 gemäß der ersten Ausführung geschehen ist.
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Vor allem dann, wenn die Schaufeln 24 massiv sind, etwa aus Metall
bestehen, können die Lagerzapfen 46 unmittelbar an den seitlichen Schaufelteilen
angebracht oder gar angeformt werden, wie dort überhaupt jede geeignete Lagerform
zum Einsatz gebracht werden kann.
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Mit einer durchgehenden Lagerachse erübrigt sich dann auch die Anschlußplatte
50. Dies ist ohne weiteres auch möglich bei der' Ausbildung der Schaufeln aus Hartkunststoff
oder Sinterwerkstoff. Als zweckmäßig hat sich beispielsweise ein forrnsteifer Duroplast
erwiesen.
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Wenn auch in der Regel der Stator mit fester Exzentrizität und vorgegebener
Drehrichtung im Maschinengehäuse gelagert ist, so kann doch seine Lagerung zur Anderung
der Exzentrizität und gegebenenfalls auch der Drehrichtung verstellbar vorgesehen
sein, was wiederum eine Umkehr der Förderrichtung ermöglicht.
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Anstatt Luft oder Gase zu verdichten, kann man mit der gleichen Maschine
auch Flüssigkeiten fördern, wobei nur unter Bei'ücks ichtigung der Inkompressibilität
des Mediums die Saug- urld Druckanschlüsse verändert werden müssen. Es kann aber
auch die etwa gleiche Maschine als Motor in entgegengesetztem Urchsinne betrieben
werden, also im Linksdrehsinne in Fig.1. Man kann ohne weiteres zwei Strömungsmaschinen
zusammenkuppeln und als Strömungsgetriebe einsetzen. Mit festen, unterschiedlichen
Kapazitäten der beiden Aggregate entsprechenden Unter- oder Ubersetzungen läßt sich
eine stufenlose Regelung erzielen, wenn die Exzentrizität e wenigstens einer der
beiden Maschinen regelbar vorgesehen ist.