DE613838C - Fluessigkeitsgetriebe nach Art der Foettinger-Leitradtransformatoren, bei dem jede Turbindenschaufel oder jede Leitradschaufel oder jede Schaufel beider Raeder in eine Grndschaufel und eine oder mehrere Vorschaufeln eingeteilt ist - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
l.JUNI 1935

13 JlJN. 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVi 613838 KLASSE 47h GRUPPE

2)ipk-3rtg. Franz Kruckenberg in Hannover und 3)tpl.-3ng. Curt Stedefeld in Köln-Deutz

Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. Oktober 1932 al)

Alle umlaufenden Kraft- und Arbeitsmaschinen, die mit strömenden Gasen oder Flüssigkeiten arbeiten, haben einen bestimmten günstigsten Betriebszustand, der dadurch bedingt ist, daß die in der Maschine befindlichen Schaufeln von der Arbeitsflüssigkeit in der günstigsten Richtung angeströmt werden (s. Fig. 1). Schon geringe Abweichungen von der diesem Betriebszustande entsprechenden Drehzahl verursachen, wie Fig. 2 und 3 zeigen, ein falsches Anströmen der Schaufeln, so daß infolge der dadurch auftretenden Stöße und Wirbel der Wirkungsgrad merkbar absinkt. Diese Tatsache hat wenig Bedeutung für solche Maschinen, die. praktisch ständig bei der gleichen Drehzahl arbeiten, wie z. B. Dampfturbinen. Sie beeinträchtigt aber sehr die Anwendung derartiger umlaufender Kraft- und Arbeitsmaschinen in allen solchen Füllen, wo es gilt, stark wechselnden Betriebszuständen gerecht zu werden.

Dieser Fall liegt in besonders hohem Maße vor bei Fahrzeugen, deren Antriebsübertragung durch die bekannten Föttinger-Leitradtransformatoren geschieht. Fig. 4 (Mittelschnitt) zeigt ein derartiges Flüssigkeitsgetriebe in einfachster Form, bei dem eine mit dem Antriebsmotor verbundene Schleuderpumpe 2i mit einer Turbine 22 in einem Gehäuse 23 vereinigt ist. Das Gehäuse 23, das ganz mit der Arbeitsflüssigkeit ausgefüllt ist, trägt außerdem noch den feststehenden Leitapparat 24. . Die Welle 25 des Turbinenrades 22 steht mit der Fahrzeugwelle in Verbindung und kann daher im Betriebe Drehzahlen von ο bis zu einem Höchstwert annehmen, je nach der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges. Das Pumpenrad 21 läuft dagegen mit der fast unveränderlichen Drehzahl des Antriebsmotors, und der günstigste Wirkungsgrad des Flüssigkeitsgetriebes wird nur bei einem ganz bestimmten Verhältnis der Pumpendrehzahl zur Turbinendrehzahl erreicht. Die Eignung des Getriebes zur Antriebsübertragung bei Fahrzeugen hängt nun davon ab, wie weit es gelingt, den Wirkungsgrad auch außerhalb des günstigsten Betriebszustandes erträglich zu gestalten, d. h. die Stoß- und Wirbelverluste in einem möglichst großen Bereich vonAnströmwinkeln der Turbinen- und der Leitradschaufeln niedrig zu halten.
. Zur Erreichung dieses Zieles sind bereits verschiedene Mittel vorgeschlagen und angewendet worden, wie z. B. die möglichst starke Abrundung der Eintrittskanten der Türbinen- und Leitradschaufeln. Bei einer an-

deren Ausführung besteht jede einzelne Leitradschaufel aus mehreren drehbaren Schaufelteilen, die sich beim Anströmen in die Hohlseite der Schaufelung unter Einwirkung des Flüssigkeitsdruckes zu einer geschlossenen Schaufel aiieinanderlegen, während sich bei Anströmung auf den gewölbten Schaufelungsrücken ein Teil von ihnen selbsttätig in die Strömungsrichtung stellen kann, wodurch die D Entstehung stärkerer Wirbel verhindert werden soll. Eine weitere Bauart mit mehrfach unterteilten Schaufeln weist mehrere konzentrisch ineinanderliegende Leitschaufelkränze auf, die entweder festgestellt oder freigelassen werden, in welchem Falle sie eine solche Drehzahl annehmen, daß die Flüssigkeit die in den Teilkränzen befindlichen Schaufeln mit dem geringsten Widerstand umströmt. Ferner sind Ausführungen bekanntgeworden, bei denen die in oben beschriebener Weise angeordneten Teilschaufelkränze alle oder teilweise durch axiale Verschiebung aus dem Flüssigkeitskreislauf entfernt werden können.

Wird der Zweck bei dem erstgenannten Mittel nur in beschränktem Maße erreicht, so sind die weiteren Ausführungen sehr teuer und vielteilig und trotzdem z. T. strömungstechnisch nicht besonders günstig.

Die vorliegende Erfindung sieht zur Erreichung des angegebenen Zieles ebenfalls eine zwei- oder mehrfache Unterteilung entweder der Leitradschaufeln oder der Turbinenschaufeln oder beider Schaufelsysteme vor, wobei durch Anwendung zweier Schaufelteile 26 und 27 nach Fig. 5 bereits eine wesentliche Verbesserung der Strömung erzielt wird. Die dargestellten Ausführungsbeispiele behandeln deshalb lediglich diesen einfachsten Fall. Die von der Strömung zuerst getroffene Vorschaufel 26 wird so geformt, daß sie bei allen Abweichungen des Flüssigkeitsstromes von der durch Pfeil 28 (Fig.i und 5) dargestellten normalen Richtung möglichst geringe Wirbelbildung verursacht. Der Schaufelteil 27 ist möglichst schlank und schwach gekrümmt, und die der meistgebrauchten Fahrgeschwindigkeit entsprechende Normalstellung beider Schaufelteile 26 und 27 zeigt Fig. 5. Die Strömung geht dann in fast gleicher Weise wie bei der ungeteilten Schaufel nach Fig. 1 vor sich, wobei deren Widerstand allerdings stwas geringer ist als derjenige der geteilten Schaufel. Beim Anfahren oder bei geringer Fahrgeschwindigkeit möge die Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles 29 (Fig. 2 und 6), bei ;ehr hoher Fahrgeschwindigkeit in Richtung (,Fig. 3 und 7) strömen. Fig. 6 und 7 zeilen die entsprechenden Schaufelstellungen, He dadurch gekennzeichnet sind, daß zwischen len Schaufeln 26 und 27 jedesmal kleine Spalte 31 (Fig.. 6) und 32 (Fig. 7) freigegeben werden. Ein Vergleich der in Fig. 6 und 7 erhaltenen Strömungsbilder mit denjenigen der Fig. 2 und 3 zeigt sofort die wesentliche Verminderung der Wirbelbildung bei der erfindungsgemäß veränderten Schaufelanordnung. Wie bereits anfangs ausgeführt wurde, bedeutet das eine Erhöhung des Getriebewirkungsgrades bei den betreffenden Arbeitslagen, da die Pumpe 21 (Fig. 4) nunmehr bei gleicher Antriebsleistung eine größere sekundliche Wassermenge durch den Kreislauf hindurchzufördern vermag als bei der durch starke Wirbel gestörten Strömung. Man kann diese Schaufelform auch mit den bekannten Spaltflügeln der Flugzeuge vergleichen. Ähnlich wie bei diesen wird hier der bei großen Anströmwinkeln (Fig. 6) von der Flüssigkeit auf die geteilten Schaufeln ausgeübte Ouertrieb und somit als Rückwirkung das auf das Turbinenrad wirkende Drehmoment erheftlich verstärkt, so daß man ein besseres Anfahren erzielt. Die durch den Spalt 31 erhaltene bessere Umlenkung des Stromes (Fig. 6) wird im· allgemeinen auch eine gegenüber der ungeteilten Schaufel geringere Krümmung der« geteilten zulassen, .so daß letztere sich bei negativer Anströmung besser anpaßt. Die großen negativen Anströmungen (Fig. 7) entsprechen übrigens stets hohen Strömgeschwindigkeiten, weshalb eine Verbesserung der Flüssigkeitsführung hier ebenfalls äußerst wertvoll ist.

Ausgehend von der in Fig. 5 gezeigten Normalstellung der Schaufeln 26 und 27, lassen sich nach Fig. 8-und 9 die Spalte 31 und 32 auch durch Drehung jeder einzelnen ■ Vorschaufel 26 um eine Achse 33 erhalten. Die hierdurch entstehende Stellung der Vorschaufeln 26 ist noch günstiger als die der verschobenen Vorschaufeln Fig. 6 und 7,- da sie sich noch besser der Anströmrichtung anpassen und somit ein noch besseres Strömungsbild ergeben.

Die Fig. 10 bis 18 zeigen Ausführungsbeispiele von Föttingergetrieben mit erfindungsgemäß ausgebildeten Schaufeln. Die Anordnung der Pumpe 21 und der Turbine mit Welle 25 stimmt bei allen Darstellungen bis auf Fig. 17 und 18 völlig mit der Fig. 4 überein.

Bei Fig. 10 (Mittelschnitt) besteht der Leitapparat aus zwei Schaufelkränzen 26 und 27. Ihre Verdrehung gegeneinander soll willkürlich von außen her erfolgen, weshalb zweckmäßig.der Vorschaufeikranz 26 fest im Gehäuse 23 sitzt, während der Kranz z~ an einer im Gehäuse 23 drehbaren Hülse 34 befestigt ist. Die Hülse 34 trägt einen Hebel 35, durch den die Verdrehung des Schaufelkranzes erfolgt, wobei unter Umständen

Claims (7)

1. 61S

   XV-XV) wird dann der Vorschaufeikranz 26 durch eine hier beispielsweise aus zwei vorgespannten, mit Anschlägen 52 und 53 versehenen Druckfedern 54 und 55 bestehende Federung in der der Fig. 5 entsprechenden \^Tormalstellung gehalten. Beim Anfahren wird dann der Vorschaufeikranz 26 gegen die Kraft der Feder 54 bis an den Anschlag 51 (Schaufelstellung Fig. 6) gedruckt. Nehmen rlie Anströmwinkel mit zunehmender Fahr- - geschwindigkeit ab, so drückt die Feder 54 den Vorschaufeikranz entsprechend zurück, bis er bei Xormalfahrt die Ausgangsstellung erreicht hat. In gleicher Weise wird der Kranz bei negativer Anströmung der Schaufeln unter Spannung der Feder 55 auf den Anschlag 49 zu bewegt. Um bei dieser An- - Ordnung die richtige Verstellung der Schaufeln zu erreichen, werden die Vorspannung und der Kraftverlauf der Federn 54 und 55 im allgemeinen voneinander verschieden zu wählen sein.

   Treten in dem Flüssigkeitsgetriebe bei irgendwelchen Betriebszuständen Ungleichmäßigkeiten der Strömung auf, so besteht die Gefahr, daß die frei einstellbaren Schaufelkränze in Schwingungen geraten, wenn die in dem System auftretenden Reibungen nicht groß genug sind, um dieses zu verhindern. Es wird deshalb oft zweckmäßig sein, den beweglichen Kranz mit einer Schwingungsdämpfung zu versehen, wie sie in Fig. 16 beispielsweise in Gestalt einer Flüssigkeitsdämpfung dargestellt ist. An dem Arm 42 des Schaufelkranzes 26 greift eine Kolbenstange 5O mit Dämpfungskolben $γ an. Der ganz mit Bremsflüssigkeit gefüllte Zylinder5S ist durch ein Gelenk 59 an dem feststehenden Teil 36 befestigt. Beide Zylinderseiten sind durch eine Umlauf leitung 60 miteinander verbunden, die einen verstellbaren Hahn 6r trägt. Durch Verstellen des Durchlasses der Bremsflüssigkeit mittels des Hahnes 6r kann dann in an sich bekannter Weise die Stärke der Abdämpfung beliebig eingestellt werden. Auch bei den nach Fig. 11 und 12 drehbar angeordneten Vorschaufeln kann sinngemäß eine selbsttätige Einstellvorrichtung der beschriebenen Art angewendet werden. DieVerdrehung erfolgt dabei unter der Einwirkung des von der Strömung auf die einzelneu Schaufeln ausgeübten Drehmomentes um die Achse 33 (Fig. S und 9), wobei die Charakteristik der entgegenwirkenden Federung der jeweiligen Veränderlichkeit dieses Drehmomentes anzupassen ist. Ebenso kann auch hier gegebenenfalls der Einbau einer Schwingungsdämpfung erfolgen.

   Bei den bisherigen Ausführungen ist nur von einer Unterteilung der I.eitradschautVIn (.lie Rede gewesen. Die Erhöhung des Getriebewirkungsgrades wird unter Anwendung des vorliegenden Erfindungsgedankens nocl vollkommener erreicht, wenn man auch die Schaufeln der Turbine in der angegebenen Weise unterteilt und die Teile entsprechend gegeneinander verdrehbar bzw. verschiebbar macht. Aus Fig. iy (Alittclschnitt) ist ersichtlich, wie einfach sich sogar bei den Turbincnschaufeln eine Teilung gemäß vorliegender Erfindung baulich durchführen läßt. Das dargestellte Getriebe gleicht völlig dem der Fig. 4. nur die Turbinenschaufeln sind in einen Grumlschaufelkranz 27' und einen Vorschaufelkranz 26' aufgeteilt, wobei letzterer durch Arme 62 mit der auf der Turbinenwelle lose drehbaren Xabul 63 verbunden ist. Da eine Verstellung an dem umlaufenden Turbinenrade von außen her umständlich ist. wird hier im allgemeinen eine selbsttätige Einstellung der Schaufeln vorzusehen sein, wobei alle hierfür nötigen Federungen 72 und Dämpfungsvorrichtungen sinngemäß zwischen den Teilen 62 und 64 anzubringen sind.

   Ist ein Föttingergetriebe mehrstufig gebaut, d. h. besitzt die Turbine mehrere getrennte Schaufelkränze, zwischen denen ic ein Leitschaufelkranz angeordnet ist. so ist der Erfindungsgedanke ebenfalls für die Schaufeln aller oder einzelner Stufen zu verwirklichen. Fig. iN zeigt eine Hälfte eine.·* zweistufigen Kreislaufes, bei dom brispiel>weise die Leitradschaufcln beider Stuten in je zwei Schaufelkränze 65 und On sowie 67 und 6S aufgeteilt sind. Das Turbinenrad 6o trägt zwei getrennte Schaufelkränze 70 und 7Γ. Für die bauliche Einfachheit ist es in diesem Falle sehr vorteilhaft, stets diejenigen beweglichen Schaufelkränze, die in der gleichen Richtung verschoben werden müssen, untereinander zu verbinden, wodurch sie eine gemeinsame Betätigungsvorrichtung erhalten können. In \-orliegendem Beispiel sind deshalb die Vorschaufeikränze 65 und 6y beider Leitradschaufeln untereinander verbunden. Die sonstige Betätigungsvorrichtung kann ebenso ausgebildet werden wie bei einstufigen Getrieben. Auch können in diesem Falle drehbare Vorschaufeln angewendet werden, no wie auch. eine Unterteilung der Schaufelsystcme der Turbinenstufen ausführbar ist.

   Ρλ τ ε χ τ λ χ s ρ r ü c 11 ε .·

   r. Flüssigkeitsgetriebe nach Art der Föttinger - Leitradtransformatoren, bei dem jede Turbinenschaufel oder jede Leitradschaufel oder jode Schaufel beider Räder in eine Gruiuischaufel und eine oder mehrere Vorschaufeln aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bewegung der Schaufeln aus ihrer Xormal-

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   außer den in Fig". 5 bis 7 gezeigten Schaufelstellungen noch beliebig viele Zwischenlagen eingestellt werden können.

   Baulich weniger einfach gestaltet sich die der Fig. 8 und 9 entsprechende Verdrehung der Einzelschaufeln. Hierbei muß nach Fig. 11 (Schnitt XI-XI) und Fig. 12 (Schnitt XII-XII) stets der Schaufelkranz 27 im Gehäuse 23 befestigt sein, was hier beispielsweise durch Verbindungsstücke 36 geschehen ist, während jede einzelne Schaufel des Kranzes 26 mit Zapfen 37 und 3S im feststehenden Teil 27 des Leitapparates in an sich bekannter Weise drehbar gelagert ist. Die Zapfen 2,7 tragen je einen Hebel 39, und alle Hebel 39 sind durch Laschen 40 mit einem Ring 41 verbunden. Dieser wird durch Arme 42 gehalten, die an der im Gehäuse drehbar gelagerten Hülse 34 befestigt sind. Wie in Fig. 10 trägt die Hülse 34 außen wieder den Hebel 35, durch den die Verdrehung der A'orschaufeln 26 geschieht, wobei außer den in Fig. 5, S und 9 gezeigten Lagen beliebige Zwischenstellungen möglich sind.

   Die Betätigung des Hebels 35 (Fig. 10 und it) kann durch ein Gestänge entweder von Hand oder durch Druckluft, Druckwasser o. dgl. bekannte Steuerungen geschchen.

   Da die Anströmwinkel der Turbinen- und der Leitradschaufeln unmittelbar von der Drehzahl des Turbinenrades abhängen, so kann man eine den betreffenden Anströmungen entsprechende Schaufelstellung dadurch erreichen, daß man die Betätigung des Hebels 35 (Fig. 10 und 11) beispielsweise durch einen mit der Turbinenwelle 25 verbundenen Fliehkraftregler erfolgen läßt. Ein anderes Beispiel einer derartigen selbsttätigen Verstellung zeigt Fig. 13 (Tcilansicht von Fig. 10 und 11 in Pfeilrichtung XIII). An dem Hebel 35 greift dabei die Kolbenstange 43 eines Steuerkolbens 44 an. der sich in einem Zylinder 45 bewegt. Der Kolben 44 wird durch eine auf seine Vorderseite drückende vorgespannte Feder 46 bei stillstehendem Turbinenrade in seiner Ruhelage gehalten, der in diesem Falle eine Schaufelstcllung nach Fig. 6 entsprechen würde. Der Zylinderraum 47 steht durch eine Leitung 4S mit einer solchen Stelle des Flüssigkeitskreis-, lauf es in Verbindung, bei tier der Druck der Arbeitsflüssigkeit besonders stark mit der Drehzahl des Turbinenrades veränderlich ist. Steigt dieser Druck mit zunehmender Turbinendrehzahl, so wird der Steuorkolben 44 durch die in dem Raum 47 befindliche Arbeitsflüssigkeit gegen die Kraft der Feder 46 nach außen gedrückt. Diese auf den Hebel 35 übertragene Bewegung des Kolbons 44 bewirkt dann in der oben beschriebenen Weise die Verstellung der Schaufeln.

   Soll die Verstellung der Schaufeln bei der Bauart nach Fig. 10 selbsttätig unmittelbar durch den Strömungsdruck erfolgen, so muß auch hier nach Fig. Γ4 (Schnitt XIV-XIV) und Fig. 15 (Schnitt XV-XV) stets der Vorscliaufelkranz 2(5 beweglich, der Schaufelkranz 27 aber im Gehäuse 23 befestigt sein. was in der gleichen Weise wie bei Fig. Ii und 12 durch Verbindungsstücke 36 erfolgt. Der Vorschaufeikranz 26 ist durch Arme 42 mit der drehbar im Gehäuse 23 gelagerten Hülse 34 verbunden. Befindet sich das Getriebe im Ruhezustande, so wifd der Vorschaufelkranz 26 durch Anlage des Armes 42 an einem Anschlag 49 so gehalten, daß die Schaufeln die in Fig. 7 dargestellte Lage einnehmen. Die Anlage des Armes 42 wird dabei durch eine hier beispielsweise als leicht vorgespannte Zugfeder 50 ausgebildete Federung bewirkt. Der beim Anfahren in Richtung 29 (Fig. 7) auf die Vorschaufeln auftreffende Strahl verursacht dann gegen den Zug der Feder 50 eine Verschiebung der Vorschaufeln bis in die Stellung nach Fig. 6, wobei die äußerste erreichbare Verschiebung durch einen Anschlag 51 (Fig. 15) zu begrenzen ist. Mit abnehmendem Anströmwinkel, also abnehmendem Ouerfrieb der Vorschaufcln 26, dreht sich der Vorschaufelkranz unter der Einwirkung der Feder 50 wieder zurück. Die Feder ist derart eingestellt, daß im normalen Betriebszustand die in Fig. 5 dargestellte Schaufellage erreicht wird. Tritt bei höherer Fahrgeschwindigkeit eine weitere Abnahme des Anströmwinkels ein, so wandert der Schaufelkranz schließlich in seine Ausgangsstellung (Fig. 7) zurück. Die richtige Einstellung der Feder 50 gewährt also stets eine durch die Einwirkung des Flüssigkeitsstrahles hervorgerufene selbsttätige Einstellung der Vorschaufeln. Die Federcharakteristik ist dabei wegen der Art der auftretenden Ouertriebe im allgemeinen so zu wählen, daß der Betrag der leichten Vorspannung bei Drehung des Schaufelkranzes 26 nach dem Anschlage 51 zu anfangs wenig überschritten wird, kurz vor Erreichung des Anschlages 51 jedoch stärker ansteigt. Die Federkraft muß natürlich in jedem Falle mindestens so groß sein, daß die beim Zurückdrehen des Systems in die Ausgangsstellung auftretenden Roibungen mit Sicherheit noch überwunden werden.

   im Gegensatz zu der eben beschriebenen Anordnung kanu mau bei der durch den Strömungsdruck erfolgenden Einstellung der Vorschaut'cln auch von der in !'"ig. 5 /,'ozei.trlon Xormalstellung dor Scliaiifoln als Riiiiostollung ausgehen! Xach Hg. ιό (Schnitt

   lage (Fig. 5) während des Betriebes zwischen der Grundschaufel und der Vorschaufel Spalte einstellbar sind, die je nach dem herrschenden Betriebszustande S vor oder hinter der Anströmkante der betreffenden Grundschaufel liegen.
2. 2. Flüssigkeitsgetriebe nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Schaufeln durch einen von der Drehzahl der Turbinenwelle beeinflußten Fliehkraftregler geschieht, wobei die Schaufeln in der Ruhelage die der Anfahrt entsprechende Stellung (Fig. 6 und 8) einnehmen.
3. 3. Flüssigkeitsgetriebe nach Anspruch ι und 2, bei dem die Verstellung der Schaufeln durch den Druck der Arbeitsflüssigkeit erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln unter Einwirkung einer vorgespannten Federung die der Anfahrt entsprechende Grenzstellung (Fig. 6 und 8) haben.
4. 4. Flüssigkeitsgetriebe nach Anspruch i, bei dem die Verstellung der Schaufeln durch den auf sie wirkenden Strömungsdruck erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln unter Einwirkung einer vorgespannten Federung im Ruhezustande die der Anfahrt entgegengesetzte Grenzstellung einnehmen.
5. 5. Flüssigkeitsgetriebe nach Anspruch ι und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln unter Einwirkung einer vorgespannten, mit Anschlägen versehenen doppelseitigen Federung (Fig. 16) im Ruhezustande die Normalstellung (Fig. 5) zueinander einnehmen.
6. . 6. Flüssigkeitsgetriebe nach Anspruch ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Schaufelkränze mit einer Flüssigkeitsdämpfung versehen sind.
7. 7. Flüssigkeitsgetriebe nach Anspruch ι bis 6 in mehrstufiger Bauart, dadurch gekennzeichnet, daß die in gleichem Sinne zu verschiebenden Schaufelkränze bzw. zu verdrehenden Schaufeln der verschiedenen Stufen miteinander verbunden sind (Fig. iS).

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   KRUN. GEDRUCKT 1N^T DKU