DE7035355U

DE7035355U - HYDRODYNAMIC STARTING CONVERTER FOR RAIL VEHICLES.

Info

Publication number: DE7035355U
Application number: DE19707035355
Authority: DE
Original assignee: Voith Getriebe KG
Current assignee: Voith Getriebe KG
Priority date: 1970-09-24
Filing date: 1970-09-24
Publication date: 1972-02-17

Description

ap/A 3044 ^¥oi ;h C-etrie&a K^;l/ap / A 3044 ^¥ oi; h C-etrie & a K ^; l /

Kennwrvt : "Anfaiirwa^dler II" Heideciisim/Bxe^ii ^l"' Kennwrvt: "Anfaiirwa ^ dler II" Heideciisim / Bxe ^ ii ^l "'

Hydrodynamischer Anfahrwandler für SchienenfahrzeugeHydrodynamic starting converter for rail vehicles

Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit einem Drehzablverhältnie n«/np im Punkt besten Wirkungsgrades von etwa 0.40 bia 0.55» Insbesondere al« Aofahrwandler für SciiieneafahreeugG a»it einem centrifugal dur«faßtroat*»- mit möglichst weit in den Pumpenrad-Saugmund vorgesogenen und räumlich gekrümmten Schaufeln ausgestattet en Pumpenrad, mit eines ebenfalls zentrifugal durchströmten und mit einfach gekrümmten Schaufeln versehenen dem Pumpenrad unmittelbar nachgeordneten Turbinenrad und mit einem zentripetal durchströmten, mit ebenfalle einfach gekrümmten Schaufeln versehenen Leitrad.The invention relates to a hydrodynamic torque converter with a speed ratio n «/ np in the point of best efficiency from about 0.40 to 0.55 "especially al" Aofahrwandler for SciiieneafahreeugG a "with a centrifugal dur" fasstroat * "- with As far as possible into the pump impeller suction mouth and spatially curved blades equipped with an impeller, with one also flowed through centrifugally and with simply curved The impeller is provided with blades immediately downstream of it Turbine wheel and with a centripetal flow through, with also diffuser with single curved blades.

Diese Merkmale sind typisch für die in Schienenfahrseuggetrieben angewandten Föttingerwandler. Aue der Yoith-Druoksehrift 1288 (Bild 13) und z.T. auch aus der DI-PS 1 083 6H (Pig. 4) erkennt man, daß bei Auslegung eines Wandlers auf kleinere Drehzahl Verhältnisse die Wandlung «war ansteigt, aber dafür die spezifische Leistungsaufnahme im Anfahrbereich und tier Wirkungsgrad im ganzen Bereich abfällt. Das angegebene Auslegungedrehzahlverhältnis 0.4 bis 0.55 iet schon recht niedrig, und tokmnnte Anfahrwandler mit dieser Auflegung arbeiten aufgrund dieser Tatsache mit recht bescheidenem Wirkuogegraden.These features are typical of those found in rail travel gears applied Föttinger converter. Floodplain of the Yoith Druoksehrift 1288 (Fig. 13) and partly also from DI-PS 1 083 6H (Pig. 4) it can be seen that when a converter is designed for a lower speed The conversion ratio «was increasing, but the specific power consumption in the start-up area and the efficiency drops in the whole area. The specified design speed ratio 0.4 to 0.55 is already quite low, and it might sound Start-up converters with this design work with a very modest degree of efficiency due to this fact.

Die Erfindung dient der Aufgabe, den Wirkungsgrad des Wandlers unter weitgehender Verwendung und Berücksichtigung von ferti« gungegünstigen Konstruktionsmerkaalen su verbessern. Und svar soll möglichst nicht nur die Höhe des Scheitelpunktes der Wirkungsgradkurve heraufgesetst werden, sondern der Wandler soll so verbessert werden, daß die Wirkungsgradkuppe einen möglichst flachen Verlauf hat. Ferner iet es erwünscht, daß durch die Si*-The purpose of the invention is to improve the efficiency of the converter while largely using and taking into account ferti « Improve unfavorable construction features. And svar should not only be the height of the apex of the efficiency curve be raised, but the converter should be improved so that the efficiency peak has as flat a course as possible. Furthermore, it is desirable that the Si * -

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fladung die Leistungsaufnahme (der sog. K-Wert) in Abhängigkeit vom Drehzahlvsrnsltnis möglichst konstant bleibt, und zwar insbesondere im Anfahrbereich. Bekannte Wandler der angegebenen Art zeigen einen unerwünscht niedrigen K-Wert im Anfahrpunkt und einen Anstieg des K-Wertee bei großer werdendem DrehzahlVerhältnis Iu Aufahrbereioh (geringe Leiatungeaufnanme im Anfahrpunkt). Vor allem möchte man, daß durch eine geeignete hydrodynamische Auslegung dee Wandlers ein möglichst großes Produkt aus Wandlungsverhältnis (Drehmomentverhältnie von Primär zu Sekundär) und K-Wert im Anfahrbereich erreicht wird.load depends on the power consumption (the so-called K-value) of the speed ratio remains as constant as possible, in particular in the approach area. Known converters of the specified type show an undesirably low K value at the start-up point and an increase in the K value as the speed ratio increases Iu Aufahrbereioh (low performance in the approach point). Above all, one would like the conversion ratio to be as large as possible by means of a suitable hydrodynamic design of the converter (Torque ratio from primary to secondary) and K value is reached in the approach area.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Turbine des Wandlers einen um 15 bis 40 1» gegenüber dem Pumpenaustrittsdurchmesser größeren Auetrittedurchmesser aufweist und mit eindimensional gekrümmten Schaufeln ausgerüstet wird, die eine betont kräftige Kopfform mit stark gerundet*a Kopfrundungsradius aufweisen (größte Sohaufelstärke etwa im vorderen Drittelpunkt der Skelettlisis, und svar etva die Hälfte der radialen Schaufelsrstrsckuag, Kopfrunduagsradius etwa 1/5 bis 1/3 der größten Schaufelstärke) und die eine für die Relativströmung maßgebende lichte Austrittsflache von nur etwa 25 bis 50 £ des meridionalen öffnungaquerachnittea des Pumpenrades an deren Auetrittsradius aufweist.This object is achieved in that the turbine of the converter has an exit diameter that is 15 to 40 1 » larger than the pump outlet diameter and is equipped with one-dimensionally curved blades that have a pronouncedly strong head shape with a strongly rounded * a head radius (largest blade thickness approximately in the front Third point of the skeletal lisis, and about half of the radial blade back, tip radius about 1/5 to 1/3 of the greatest blade thickness) and the clear exit area, which is decisive for the relative flow, of only about 25 to 50 pounds of the meridional opening aquerachnitta of the pump impeller at its exit radius having.

Die kräftige Profilierung der Türbinensehäufein trägt zu einer günstigen Umlenkung der innerhalb eines weiten Anetrömwinkelbereiches erfolgenden Zuströmung au den Turbinenschaufeln und zu einer Verminderung des Austrittsflächenverhältnisses bei. Die radiale Erstreckung der Turbine auf etwa 15 bis 40 *> sorgt dafür, daß die bei Anfahrwandlern erforderliche starke Strcmungeumlenkung in der Turbine auf einer genügend langen Strecke vorgenommen werden kann und daß die hydraulische Schaufelbelastung nicht zu hoch wird.The strong profiling of the piles of door bins contributes to one favorable redirection of the within a wide approach angle range occurring inflow on the turbine blades and a reduction in the outlet area ratio. the radial extension of the turbine to about 15 to 40 *> ensures that the strong current deflection required for starting converters can be carried out in the turbine over a sufficiently long distance and that the hydraulic blade loading is not becomes too high.

Die Erfinder haben erkannt, daß de» Austrittsflächenverhältnis der Turbine entscheidende Bedeutung zukommt, einer Größe, der man im Wandlerbau bisher keinerlei Beachtung geschenkt hat; insbesondere wurde diese Größe nicht hineichtlieh der Auflegung der Anfahreigenschaften beachtet.The inventors have recognized that the »exit area ratio the turbine is of crucial importance, a size that has so far been neglected in converter construction; in particular this size was not enough for the imposition of the Start-up characteristics observed.

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Die Erfindung ist anhand einea in den Figuren dargestellten Auaführungsbeispieles la folgenden naher erläutert. Ea zeigen:The invention is illustrated in the figures on the basis of an aa Auaführungsbeispieles la explained in more detail below. Ea show:

Fig. 1 einen Langeschnitt durch einen erfindungegemäß ausgebildeten Wandler,Fig. 1 is a long section through a according to the invention trained converter,

Fig. 2 und 3 je einen achssenkrechten Schnitt durch die Pumpen- und Turbinenbeschaufelung b«w. die Leitradbeschaufelung und Fig. 2 and 3 each have an axially perpendicular section through the Pump and turbine blading b «w. the stator blades and

4 shows the characteristics of the flow converter.

Der in Fig. 1 dargestellte Föttingerwandler weist ein Bit einer hohlen Primärwelle 1 verbundenes Pumpenrad 2 mit räumlioh gekrümmten Schaufeln 3 auf, deren Eintrittskanten weit in den Saugmund des Pumpenrades vorgezogen sind. Der Auöendurchmeeser L des Zentrifugalpumpenrades ist die für den Wandler charakteristische Bezugsgröße. Konzentrisch um die Pumpe 2 herum angeordnet iat der Turbinenschaufelkrana 4 mit den eindimensional gtkrüasten Schaufeln ?, der über den Radkörper 5 ait der seatral angeordneten Sekundärwelle 6 verbunden ist. lach der zentrifugal durchströmten Turbine 4 ist ein schaufelloser, durch Wandt de· stillstehenden Wandlergehäuses 8 und den Kernring 12 begrenzter Raum 9 angeordnet, der die aus der Turbine austretende Strömung ron der zentrifugalen in eine achaparallele Richtung und sodann in die zentripetale Richtung umlenkt. lach dieser zweiten 90°- Umlenkung tritt die Strömung in den zentripetal su durchströmenden stillstehenden Leitschaufelkranz 10 ein, dessen Schaufeln ebenfalls nur eindimensional gekrümmt sind. Gegen Ende der Ieitradschaufeln wird die Strömung - durch die Wände dta Wandlergehäuse β 8 und des Kernringes 12 und durch die labe des Pumpenrades 2 geführt - von der zentripetalen wieder in die aoheparalle-Ie Richtung in den Pumpensaugmund hinein umgelenkt.The Föttinger converter shown in Fig. 1 has a bit hollow primary shaft 1 connected impeller 2 with spatially curved Shovels 3, the leading edges of which are far into the The suction mouth of the pump wheel are preferred. The Outer Sea L of the centrifugal pump wheel is that characteristic of the converter Reference value. The turbine-blade crane 4 is arranged concentrically around the pump 2 with the one-dimensional gtkrüasten blades?, which via the wheel center 5 ait the seatral arranged secondary shaft 6 is connected. laugh the centrifugal The turbine 4 through which there is a flow is a vane-less, through Wandt de stationary converter housing 8 and the core ring 12 more limited Space 9 is arranged, the flow emerging from the turbine ron the centrifugal in an achaparallel direction and then redirects in the centripetal direction. After this second 90 ° deflection, the flow enters the centripetal su-flow stationary guide vane ring 10, its blades are also only curved one-dimensionally. Towards the end of the guide vanes becomes the flow - through the walls dta converter housing β 8 and the core ring 12 and through the labe of the pump wheel 2 - from the centripetal back to the aoheparalle-Ie Direction deflected into the pump suction mouth.

Sie Strömung wird also in der Meridianebene toroidal im Kreislauf geführt. Der mittlere Stromfaden 13 iat strichpunktiert eingezeichnet. Der Impuls des Arbeitemediums wird im Pumpenrad unter Leistungsaufnahme erhöht, im Turbinenrad kommt es unterThe flow becomes toroidal in the circuit in the meridian plane guided. The middle stream filament 13 is drawn in dash-dotted lines. The impulse of the working medium is in the pump wheel increased under power consumption, it comes under in the turbine wheel

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Leistungsabgabe zu einer Impulsverringerung und im Leitrad wird der Impuls auf die uisprungliche Große d«e Pumpeneintrittaimpul3ee zurückgeführt.Power output leads to a reduction in momentum and in the stator the momentum changes to the initial size of the pump inlet momentum returned.

Die am Wandler vorgenommenen Maßnahmen zielen darauf ab, die·· mehrfache Impulaänderuiut und StruBuiuzaumlenkung möglichst veilustarm, und zwar über einen möglichet breiten Betriebebereich verlustarm zu gestalten, ferner die Leistungsaufnahme des Pumpenrades möglichst rückwirkungsfrei zu halten, d.h. die Leistung sauf nähme der Pumpe oder der K-Wert dea Wandlers aollen möglichst konstant Über einen weiten Drehzahlbereich des Wandlers verlaufen.The measures taken on the converter are aimed at minimizing the loss of multiple impulse changes and deflection of the structure. namely to make it low-loss over a possible wide operating range, as well as the power consumption of the pump wheel to keep the service as free of retroactive effects as possible The value of the pump or the K value of the converter would be recorded as constant as possible over a wide speed range of the converter get lost.

Die Verluste werden u.a. dadurch vermieden, daß der mittlere Stromfaden 13 des meridionalen Kreislaufes möglichst kurz gehalt engird.The losses are avoided, among other things, by keeping the central stream filament 13 of the meridional circuit as short as possible engird.

Es ist swecksäßig, wenn die Turbinenbesehaufelung unter Siηhai» tung eine· möglichst schmalen Schaufelspaltes dem Pumpenrad nachgeordnet ist. Zwar ist an sich ein sich radial möglichst lang erstreckender Turbinenschaufelkranz wünschenswert,, jedoch 1st es mit Rücksicht auf die Erzielung eine abglichst kurzen mittleren Stromfadens 3in vernünftiger Kompromiß, wenn die Strömungsumlenkung in einem in Strömungsrichtung möglichet kurzen Turbinenechaufelkranz erfolgt. Um nämlich die Strömungslänge um den Kernring herum nicht zu lang werden zu lassen, und um mit Rücksicht auf die einfachere und genauere Herstellbarkeit eindimensional gekrümmter Schaufeln diese ausschließlich im rein radialen Bereich des Torusquerschnittes anordnen zu kö-unen, ist augestrebt, mit einer möglichst geringen radialen Sretreckung des Turbinenschaufelgitters auszukommen. Die besten Ergebnisse lassen sich in Verbindung mit den übrigen Wandlerkennzeichen mit einem Turbinenschaufelkranz erzielen, der außen 1,15- bis 1,4h so groß ist wie der Pumpenaustritt.It's sweeping when the turbine blading under Siηhai » the narrowest possible blade gap to the impeller is subordinate. A turbine blade ring that extends radially as long as possible is desirable, however Is it as short as possible with a view to achieving this middle flow filament 3 a reasonable compromise if the flow deflection takes place in a turbine blade ring which is as short as possible in the direction of flow. Namely by the flow length by Not to let the core ring get too long around it, and to be one-dimensional with a view to simpler and more precise manufacturability curved blades, these can only be arranged in the purely radial area of the toroidal cross-section striving, with the smallest possible radial stretching of the turbine blade grille. The best results can be achieved in conjunction with the other converter characteristics with a turbine blade ring that is 1.15 to 1.4h on the outside is as large as the pump outlet.

Die Pumpe ist durch Gießen hergestellt und weist demgemäß die mit diaβem Verfahren herstellbaren räumlich verwundenen Schaufeln 3 auf. Da zwecks Auslegung des Wandlers und Anpassung derThe pump is manufactured by casting and accordingly has spatially twisted blades that can be manufactured using this method 3 on. Since for the purpose of designing the converter and adapting the

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Kennlinien an bestimmte Kennwerte lediglich die Turbinen- und/oder die Leitradschaufeln verändert oder andere eingebaut werden und stete das gleiche Pumpenrad für die verschiedenen Wan ('"er vervendet wird - und somit für eine ganze Schar verschiedener Wandler das gleiche Pumpenrad verwendet werden kann ist ein gegossenes Pumpenrad mit den räumlich gekrümmten Schaufeln gerechtfertigt. Die Pumpe wird gemäB der Erfindung aufgrund einer entsprechenden Ausbildung dee Leitechaufelauetrittee alt einem in Pumpendrehrichtung gerichteten Vordrall angeetröat. Durch die Länge des Leitrades iet die Zuströmung zur Pump· nahe· zu in allen Betriebspunkten gleich und demgemäß deren Leietungaaufnahme im gesamten Drehzahlbereich nahezu konstant. Dank der gleichmäßigen Pumpenanströmung brauchen ihre Schaufeln am Kintritt nicht so stark profiliert zu eein wie z.B. die der recht unterschiedlich angeströmten Turbinen- und Leitradechaufeln.Characteristic curves to certain characteristic values only the turbine and / or the stator blades are changed or others are installed and the same impeller is always used for the different ones Wan ('"it is used - and thus for a whole host of different Converter the same impeller can be used is a cast impeller with spatially curved blades justified. The pump is based on the invention a corresponding training dee Leitechaufelauetrittee old a pre-swirl directed in the direction of rotation of the pump. Due to the length of the diffuser, the inflow to the pump is close to to the same in all operating points and accordingly their power consumption almost constant over the entire speed range. Thanks to the even flow of the pump, your blades need to be at the Kintritt not as strongly profiled as, for example, those of the turbine and stator blades, which have a very different flow.

Pur die Erzielung der im Anfahrbereich wünschenswerten Schnell- bzw. Langsaaläufigkeit der Turbine aufgrund der der £rfladung zugrunde liegenden Erkenntnis ist es im Zusammenhang all den Übrigen Merkmalen notwendig, daß die lichte Auetritt«fläche der Turbine als Produkt aus der Anzahl der TurbinenechaofelluuaiLle, dem lichten Schaufelabstand am Austritt senkrecht zu den Schau·» felekelettlinien und der Kanalbreite etwa einem Viertel bie d«r Hälfte der Auetrittefläche der Wandlerpumpe, dargestellt duraa dae Produkt aus Pumpenauetrittsumfang und Kanalbreite an Auetritt, entspricht. Zur Veraeiducg von Stofiverlusten und unter Berücksichtigung einer gewissen Fertigungs- und Mcntagetolerans oind die Turbinenechaufelkanäle «tw s breiter al· die der Pumpe ausgebildet.Purely to achieve the desired high speed in the start-up area. or slow speed of the turbine due to the load underlying knowledge it is related to all of the Other features necessary that the clear exit area of the Turbine as the product of the number of turbine echoes, the clear blade spacing at the outlet perpendicular to the show · » felecular lines and the width of the canal about a quarter to the length Half of the stepping area of the converter pump, shown duraa the product of the circumference of the pump outlet and the channel width at the outlet, is equivalent to. For the elimination of material losses and under Consideration of a certain manufacturing and day tolerance The turbine vane ducts are wider than those of the pump educated.

Dae Ergebnis der eriindungsgemäßen Bemühungen iet in If* 4 In Diagramnfor». dargestellt. Die mit ^ bezeichnete Wirkungsgradkurve des Wandlers erreicht an der Stelle dee DrehzahlVerhältnisses (nj/np) «0,5 einen Spitzenwert von 87 £, der rechte und links davon nur sehr langsam abfällt. Die Kuppe der Wirkungsgradkurve ist sehr breit oder "völlig*. Diese Tatsache vlrd durch Angabe des Verhältnisses der beiden Drehsahlverhältniswerte, an denen der Wirkungsgrad 80 % ist» ausgedrückt (MaB-The result of the efforts according to the invention can be found in If * 4 In Diagramnfor ». shown. The efficiency curve of the converter marked with ^ reaches a peak value of 87 £ at the point of the speed ratio (nj / np) «0.5, the right and left drops only very slowly. The summit of the efficiency curve is very broad or "completely". This fact is expressed by specifying the ratio of the two speed ratio values at which the efficiency is 80 % (MaB-

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ρ oil V_0n)* Dieeer Vurhältniawert soll möglichst i;roj sein i,-feGui'eil Vqq möglichst lang)* Ein weiterer Erfolg ist im YeriF.ui äor mit K boscichnsten IiSristunsaaV.!naiinakurva su sehen = Und sv/ar ist diece Kurv^re ir, ^ine^ Wertebereich hoher spezifimelier Leistmigsaufjiahms engeboV ■■■ (der Spitzenwert ist sehr hoch),und der Unterscniad zwischen dem Spitzenwert und des K-Wert in, Anfahrpunkt ist sehr gering (große K-Wc-rt-Konataaz}. Gerade die hohe apozifische Leistungsaufnahme de3 Wandler· im Anfahrpunkt ist im Zusammenhang mit dar Wandlung3kennlinie (M^/Bip) zu sehen. Man möchte ja bei gegebener Leistung ein« JBöglichet hohe Zugkraft erreichen; diese ist aber proportional dem Produkt aus K—Wert «ηά Brehsosentwandlung, und se ist wichtig, dafldieses Produkt, wie beim vorliegenden Wandler, insbesondere im Anfahxpunkt hoch ist.ρ oil V _0n) * Dieeer Vurhältniawert should i possible; i roj be -feGui'eil Vqq as long as possible) * Another success is äor in YeriF.ui with K boscichnsten IiSristunsaaV see naiinakurva su = And sv / ar diece.! Curv ^r e ir, ^ ine ^ value range high specifimelier Leistmigsaufjiahms engeboV ■■■ (the peak value is very high), and the subscniad between the peak value and the K value in, approach point is very low (large K-Wc-rt-Konataaz }. It is precisely the high apocical power consumption of the converter at the approach point to be seen in connection with the conversion characteristic (M ^ / Bip). For a given power, one would like to achieve a possibly high tensile force, but this is proportional to the product of the K value It is important that this product, as with the present converter, is particularly high at the start point.

Heidenheim, den 22.9.1970Heidenheim, September 22nd, 1970

Pö/Srö ./·Pö / Srö ./·

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Claims

ap / A 3GA4 Voith Getriebe KG

Kc-i »:,. - .-» rt: "Anfaiirwandler II" Heideiiheim / Bren ?.

aaEspruci;

Hydrodynamic torque converter with a »speed ratio Bj / np in the point of best efficiency of about 0.40 to _{0.55 s} especially as an Aiifahrvanuler for rail vehicles, with a centrifugally through, with as far as possible advanced into the Puapenradsaugmund and spatially curved blades built-in puspsnrad , sit sines also centrifugal αύΓΰΙΐβΐΓυβ-th and old simply curved blades, the ruapenrad directly downstream turbine wheel and sit a centripetal flow through stator with likewise simply curved blades, characterized in that the turbine is about 15 to 40 % larger compared to the pump outlet diameter Auatrittedurchmeeaer has and is equipped with blades, the greatest strength of which is placed approximately in the third point of the skeleton line and is approximately half as large as the radial first stretching of the turbine and whose head rounding aradiua etnra 1/4 of the greatest blade strength, and that the Tu It also has a "clear exit area, which is decisive for the relative flow, of only about 25 to 30 %" of the meridional opening cross-section of the pump wheel at its exit radius.

Heidenheim, 9/22/1970

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