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Strömungsgetriebe Bei Drehmomentwandlern nach dem Strömungsprinzip,
insbesondere bei sogenannten Vollwandlern, also solchen, die unabhängig vom Drehzahlverhältnis,
d. h. unabhängig vom Grad der jeweiligen Momentwandlung von der Antriebsmaschine
her stets die gleiche Leistung aufzunehmen haben, wird der Leitapparat in Strömungsrichtung
hinter dem Turbinenrad, also vor dem Pumpenrad, angeordnet. Er hat dabei die Aufgabe,
die Flüssigkeitsströmung stets mit gleichem Drall der Pumpe zuzuführen. Der Leitapparat
hat also den mit veränderlichem Drehzahlverhältnis zwischen Primär- und Sekundärdrehzahl
stark veränderlichen Drall des Turbinenrades derart zu verändern, daß der Eintrittsdrall
für die Pumpe einen möglichst für alle Drehzahlverhältnisse konstanten Wert erhält.
Dies gilt außer für einfache Wandler mit nur einem Pumpen-, einem Turbinen-und einem
Leitrad auch für mehrstufige Wandler, also solche mit mehreren Turbinen- und entsprechend
mehreren Leitapparatstufen, und zwar hierbei für den hinter der letzten Turbinenstufe
und vor dem Pumpenrad angeordneten Leitschaufelkranz.
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Die genannte, dem Leitapparat zugedachte Aufgabe kann von diesem aber
bekanntlich nicht immer in der Weise gelöst werden, wie es wünschenswert wäre, da
bei einem Schaufelgitter mit endlicher Schaufelteilung und demnach endlicher Schaufelzahl
ganz allgemein gilt, daß die Abströmrichtung und
damit -der Flüssigkeitsdrall
nur in erster Annäherung durch den Austrittswinkel der Schaufeln bestimmt ist. Die
tatsächliche Abströmung weicht nämlich vorn ausgeführten Schaufelaustrittswinkel
mehr oder weniger, und zwar in positiver oder negativer Richtung ab. Diese :sogenannte
Winkelabweichung ist von verschiedenen Größen abhängig, so von der Schaufelform
(Länge, Dicke, Krümmung), außerdem von der Schaufellage bzw. von der Größe des Austrittswinkels,
von der Schaufelteilung und von der Zuströmrichtung zum Schaufelgitter.
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Man hat versucht, dieser Winkelabweichung; und zwar der positiven
Winkelabweichung, die sich, kurz gesagt, dadurch erklärt, daß die Strömung bestrebt
ist, mit einer möglichst geringen Richtungs- und Dralländerung durch ein Schaufelgitter
hindurchzukommen, dadurch schon bei der Konstruktion eines Wandlers Rechnung zu
tragen, daß man die Schaufelaustrittswinkel kleiner als an sich erforderlich macht,
daß man also die Winkeländerung in der Schaufel vergrößert. Die Schaufelung wird
also mit einer sogenannten Winkelübertreibung ausgeführt.
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Diejenigen aber von den oben angegebenen Größen, die sich im Betrieb
ständig ändern, können auf diese Weise nicht berücksichtigt werden. So erfährt insbesondere
-die Zuströmrichtung zum Schaufelgitter des Leitapparates infolge der sehr großen
Unterschiede in der Umfangsgeschwindigkeit bei den verschiedenen Betriebszuständen
eine Änderung in weiten Grenzen. Vor allem beim Festbremsen der Sekundärseite sowie
bei hohen Sekundärdrehzahlen, insbesondere in der Nähe der Durchgangsdrehzahl des
Turbinenrades, tritt eine sehr schlechte Anströmung der Leitschaufeln ein. Die Folge
einer solchen falschen Anströmung ist bekanntlich die Ausbildung eines Wirbelpolsters
am Schaufelrücken beim Festbremsen und bei niedrigen Sekundärdrehzahlen bzw: an
der Schaufelhohlseite beim Durchgehen des Turbinenrades oder bei sehr hohen Sekundärdrehzahlen,
was außer der bekannten Wirkungsgradverschlechterung noch eine unerwünschte Strömungsablenkung
zur Folge hat. Es zeigt sich nämlich, daß die' Wirbelbildung die Abströmung am Schaufelende
so stark beeinflußt, daß diese mit einer abhängig von der Drehzahl des Turbinenrades
veränderlichen negativen Winkelabweichung der Schaufelung des Pumpenrades zuströmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil der durch das Wirbelpolster
bei schlechter Anströmung der Leitschaufeln bedingten Ablenkung der Strömung, die
sogenannte negative Winkeläbweichung, die sich in einer falschen Anströmung der
dem Leitapparat in Strömungsrichtung folgenden Pumpenschaufeln auswirkt, zu beseitigen.
Die .Erfindung besteht darin, daß der Leitapparat zwischen Turbinen- und Pumpenrad
bzw. zwischen letzter Turbinenstufe und Pumpenrad mit zwei in Strömungsrichtung
hintereinander angeordneten, entweder durch einen unbeschaufelten Zwischenraum voneinander
-getrennten oder in Umfangsrichtung gegeneinander versetzten Schaufelkränzen mit
wenigstens im @ Betrieb feststehenden Schaufeln ausgebildet ist, von denen der erste
die zur Umlenkung der Flüssigkeitsströmung erforderlichen gekrümmten Schaufelprofile
aufweist, während die Schaufeln des zweiten Leit-Schaufelkranzes ohne wesentliche
Krümmung ausgebildet und derart angeordnet sind, daß ihre Richtung mit der Austrittsrichtung
der Strömung aus dem ersten Leitschaufelkranz bei normalem Betriebszustand übereinstimmt.
Gemäß der Erfindung ist also einem in üblicher Weise ausgebildeten Leitschaufellranz
in gewissem Abstand oder mit einer Versetzung in Umfangsrichtung ein zweiter Leitschaufelkranz
nachgeordnet, dessen Schaufeln in der Austrittsrichtung der Strömung aus den Schaufeln
des ersten Leitschaufelkranzes liegen und keine wesentliche Krümmung haben, so daß
bei normalen Betriebszuständen die Strömung im zweiten Leitapparat keine Dralländerung
erfährt.
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Es ist bereits versucht worden; die obenerwähnte Erscheinung der Bildung
eines Wirbelpolsters auf der einen oder anderen Schaufelseite dadurch zu verhindern,
daß die Strömung etwa durch Zwischenschaufeln zwischen den einzelnen Hauptschaufeln
straffer geführt wurde. Die erhoffte Wirkung ist hierbei jedoch nicht in genügendem
Maße eingetreten. Andererseits hat man auch schon versucht, die schädliche Wirkung
eines Wirbelpolsters dadurch zu vermeiden, daß die Schaufeln beträchtlich verlängert,
also das Verhältnis Schaufellänge zu Schaufelteilung vergrößert wurde. Doch auch
diesem Versuch ist der Erfolg versagt geblieben. Der Grund hierfür wird nach den
Erkenntnissen, die zu vorliegender Erfindung geführt haben, darin gesehen, daß ein
bei ungünstiger Zuströmung sich ausbildendes Wirbelpolster durch eine Verlängerung
der Schaufel zwar vielleicht etwas gestreckt, also abgeflacht wird, aber trotzdem
bis zum Ende einer noch so langen Schaufel mitgeschleppt wird und nicht verschwinden
kann. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß selbst Schaufelgitter mit einem Verhältnis
von Schaufellänge zu Schaufelteilung von 5 bis 7 und noch größer eine negative Winkelabweichung
zeigen.
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Im Gegensatz zu diesem bekannten Versuch wirkt sich der Vorschlag
gemäß der Erfindung in der Weise aus, daß sich, wenn die Strömung das erste Schaufelgitter
verläßt, die Wirbel von den Schaufeln dieses Gitters ablösen und infolge des dazwischengeschalteten
unbeschaufelten Raumes oder durch die versetzte Anordnung des zweiten Leitschaufelkranzes
ihre Einwirkung auf das nachfolgende Schaufelgitter verlieren. Unabhängig von der
Zuströmung zum ersten und eigentlichen Leitschaufelkranz wird durch die ausrichtende
Wirkung des dahintergeschalteten, in Abstand von ihm oder versetzt gegen ihn angeordneten
zweiten Leitschaufelkranzes die Zuströmung zum Pumpenrad, also der Eintrittsdrall
des Pumpenrades, konstant gehalten. Dies hat eine Konstanthaltung der Förderhöhe
und der Fördermenge der Pumpe und somit die bei Vollwandlern gewünschte konstante
Leistungsaufnahme des Pumpenrades zur Folge.
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Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung soll der unbeschaufelte
Zwischenraum der beiden Leitschaufelkränze in seiner Länge etwa der Schaufelteilung
des Leitapparates entsprechen. Es versteht sich aber von selbst, daß es nicht der
genauen Einhaltung dieser Vorschrift bedarf, daß vielmehr auch
schon
ein schaufelloser Raum, dessen Länge kleiner als die Schaufelteilung ist, eine Verbesserung
der Verhältnisse bringt, und daß andererseits durch vorliegende Erfindung auch eine
Ausführung gedeckt sein soll, bei welcher der Zwischenraum erheblich größer als
eine Schaufelteilung (etwa ein Vielfaches hiervon) ist.
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Eine weitere Verbesserung läßt sich dadurch erzielen, daß man die
Schaufeln des zweiten Leitschaufelkranzes in Strömungsrichtung durch einen unbeschaufelten
Raum von den Schaufeln des ersten Leitschaufelkranzes trennt und sie außerdem in
Umfangsrichtung dagegen versetzt anordnet, etwa in der Weise, daß sie in der Mitte
zwischen den Schaufeln des Hauptleitapparates zu liegen kommen. Die beiden Maßnahmen
unterstützen sich dabei in ihrer Wirkung. Die gleichzeitige Anwendung beider Maßnahmen
empfiehlt sich vor allem dann, wenn der unbeschaufelte Zwischenraum zwischen den
beiden Schaufelkränzen nicht beliebig groß gemacht werden kann, vor allem aber,
wenn er wesentlich kürzer als die Schaufelteilung ist. Wesentlich ist dabei, daß
die Führung, welche die Flüssigkeit an den Schaufeln des Hauptleitapparates hat,
und damit auch die Führung für das Wirbelpolster unterbrochen wird, so daß letzteres
in sich zusammenbricht, und daß die durch das Wirbelpolster bedingte Ablenkung des
Flüssigkeitsstromes in den im wesentlichen ungekrümmten und in Richtung der Ausströmung
des Hauptleitschaufelkranzes bei normalem Betrieb liegenden Schaufeln des nachfolgenden
zweiten Schaufelkranzes wieder rückgängig gemacht wird.
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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich grundsätzlich von allen
bisher bekanntgewordenen Vorschlägen, bei denen es sich zumeist um die Anordnung
von verstellbaren Vorschaufelm handelt, die entsprechend der veränderlichen Zuströmung
verstellt, z. B. verschoben oder verschwenkt werden. Bei den bekannten Lösungen
wird also entweder eine Anpassung der Schaufeleintrittskanten an die veränderliche
Zuströmung oder eine Veränderung der Strömung am Schaufeleintritt durch eine Art
Spaltwirkung bezweckt. Es wird dabei meist danach getrachtet, schon die Bildung
eines Wirbelpolsters am Schaufelrücken zu verhindern, im Gegensatz zu dem Vorschlag
der Erfindung, bei dem die Bildung eines Wirbelpolsters bei falscher Anströmung
in, Kauf genommen, aber nachträglich dessen schädliche Einwirkung auf die Abströmrichtung,
also die negative Winkelabweichung, durch die Wirkung der Nachleitschaufeln wieder
ausgeglichen wird. Außerdem werden gemäß der Erfindung nur feststehende Leitschaufeln
verwendet, was die Gesamtausführung im Vergleich zu den Lösungen mit verstellbaren
Vor- oder auch Nachschaufeln wesentlich vereinfacht, da hierbei unzuverlässige Verstelleinrichtungen
entbehrlich sind und die Schaufeln auch in festigkeitstechnischer Hinsicht besser
ausgeführt werden können. Für die durch die Erfindung bezweckte Wirkung kommt es
aber offensichtlich nicht darauf an, daß die Schaufeln der Leitschaufelkränze grundsätzlich
unverstellbar sind, sondern nur darauf, daß sie wenigstens während des Betriebes
feststehen und sich nicht selbst verstellen können. Es ist auch schon vorgeschlagen
worden, bei Strömungsgetrieben den Leitapparat mit in Abstand voneinander angeordneten
Teilschaufelkränzen auszubilden; aber auch hierbei ist für einen oder für beide
Teilschaufelkränze Verstellbarkeit vorgesehen. Außerdem geben die älteren Vorschläge
nicht die Lehre, daß der von der Strömung zuerst durchflossene Leitschaufelkranz
die zur Ablenkung der Flüssigkeitsströmung in üblicher Weise gekrümmten Schaufelprofile
haben muß, daß dieser Schaufelkranz also derart auszubilden ist, daß er voll selbständig
als Leitapparat arbeiten kann, und daß dem zweiten Schaufelkranz keine wesentliche
Krümmung eigen sein darf. Natürlich enthalten diese Vorschläge auch nicht das Kennzeichen,
daß die Schaufeln des zweiten Schaufelkranzes in ihrer Ein- und Austrittsrichtung
der Austrittsrichtung der Strömung aus dem ersten Schaufelkranz entsprechen sollen,
weil dort die Schaufeln infolge ihrer Verstellbarkeit jede beliebige Lage einnehmen
können.
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Bei einem weiteren älteren Vorschlag ist der Leitapparat mit mehreren
Reihen verstellbarer Vorleitschaufeln und mit zwei feststehenden, in Abstand voneinander
angeordneten Leitschaufelkränzen ausgerüstet; aber hierbei ist gerade der unmittelbar
vor dem Pumpenrad liegende Schaufelkranz mit den zur üblichen Ablenkung der Flüssigkeit
dienenden gekrümmten Schaufelprofilen versehen, so daß hierbei gerade von der Wirkung,
die durch die Erfindung beabsichtigt ist, nicht die Rede sein kann.
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Auch für die Pumpen- und Turbinenschaufelung ist die Ausbildung zweier
durch einen unbeschaufelten Raum voneinander getrennter Schaufelkränze schon vorgeschlagen
worden. Dort hat diese Ausbildung eine ganz andere Aufgabe als hier beim Leitapparat
und kann daher mit dem Erfindungsgegenstand nicht verglichen werden.
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Mit mehreren gemäß der Erfindung ausgebildeten Wandlern durchgeführte
Versuche haben gezeigt, daß sich mit den Mitteln der Erfindung eine erheblich günstigere,
und zwar eine wesentlich völligere Wirkungsgradkurve des Wandlers erreichen läßt.
Dies bedeutet, daß der Wandler innerhalb eines wesentlich größeren Fahrbereichs
mit gutem Wirkungsgrad arbeitet. Der Wandler stellt somit in der durch die Erfindung
gekennzeichneten Form einen bedeutenden Schritt auf dem Weg zu dem angestrebten
Einwandlergetriebe dar.
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An Hand der Zeichnung wird der Erfindungsgegenstand im folgenden noch
eingehend erläutert.
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Abb. r zeigt eine Abwicklung der Schaufelung eines nach der Erfindung
ausgeführten einstufigen Strömungswandlers mit normaler Anströmung, also bei einem
Betriebszustand, für den der Wandler konstruiert ist; Abb. 2 zeigt den Verlauf der
Strömung in derselben Schaufelung bei stark geänderten Betriebsbedingungen, und
zwar bei festgebremstem Turbinenrad; Abb.3 zeigt einen Vergleich der Wirkungsweise
von kurzen und langen Leitschaufeln im Festbremszustand und Abb. 4 den Verlauf des
vom Pumpenrad aufgenommenen Momentes für einen Wandler üblicher
Ausführung
und einen solchen gemäß der Erfindung.
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In Abb. i ist reit P die Pumpenschaufelung, mit T die Turbinenschäufelung
und mit L die Leitapparatschaufelung bezeichnet. Bei den eingezeichneten Geschwindigkeitsdreiecken
bedeutet u die Umfangsgeschwindigkeit, w die Relativgeschwindigkeit und c die absolute
Geschwindigkeit, wobei sich der Index i auf den Pumpeneintritt, der Index 2 auf
den Pumpenaustritt bzw. den Turbineneintritt, der Index 3 auf den Turbinenaustritt
bzw. auf den Leitradeintritt und der Index q. auf den Leitradaustritt bezieht. Mit
l ist die Schaufellänge des HauptleitschaufeI-kranzes L1 und mit t dessen Schaufelteilung
bezeichnet.
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Mit der Absolutgeschwindigkeit cl strömt die Flüssigkeit aus dem Leitapparat
L der Schaufelung P zu. Zusammen mit der Umfangsgeschwindigkeit ul.ergibt sich die
Relativgeschwindigkeit w1, in deren Richtung die Eintrittskanten der Pumpenschaufeln
liegen. Aus dem Pumpenrad strömt die Flüssigkeit mit der absoluten Geschwindigkeit
c2, die zusammen mit der Umfangsgeschwindigkeit u2 des Turbinenrades die relative
Anatrömrichtung w2 zur Turbinenschaufelung ergibt. Aus dem Turbinenrad tritt die
Strömung mit der Absolutgeschwindigkeit c2 aus und strömt in dieser Richtung dem
Hauptleitschaufelkranz L1 zu, der die Strömung in Richtung c4 ablenkt, mit der die
Flüssigkeit dann dem Pumpenrad wieder zuströmen soll. Da die Strömung im Nachleitapparat
L2 bei dem dargestellten normalen Betriebszustand nicht abgelenkt wird, ist c4 =
cl. Der zweite Leitschaufelkranz L2 ist dabei derart gegen die Schaufel des Leitschaufelkranzes
L1 versetzt, daß seine Schaufeln gerade in, der Mitte zwischen diesen Schaufeln
liegen. Der schaufellose Raum zwischen den beiden Kränzen ist etwas kleiner als
die Schaufelteilung. In der Abbildung ist auch die bekannte Maßnahme der Winkelübertreibung
bei den Leitradschaufeln L1 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die tatsächliche
Ausströmungsrichtung c4 von der strichpunktiert eingezeichneten Schaufelaustrittsrichtung
etwas abweicht.
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In Abb. 2 ist der Strömungsverlauf für den Fall eingezeichnet; daß
die Turbinendrehzahl gleich Null ist. Für diesen Fall ist die Relativgeschwindigkeit
w3 nach Größe und Richtung gleich der Absolutgeschwindigkeit c3. Es zeigt sich,
daß dabei die Leitschaufeln L, sehr schlecht angeströmt werden, was zur Bildung
eines Wirbelpolsters am Schaufelrücken führt. Dieses lenkt die Strömung in erheblichem
Maß ab. In dem schaufellosen Raum aber zwischen den beiden Schaufelkränzen L1 und
L2 verlaufen sich die Wirbel, und die Strömung wird durch die Schaufeln L2 wieder
so ausgerichtet, daß sie den Pumpenschaufeln in der gewünschten Richtung cl zuströmt.
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In gestrichelten Linien ist an einer Leitschaufel auch noch die Strömung
für den Fall sehr hoher Sekundärdrehzahlen eingezeichnet. Auch hierfür ist die ausrichtende
Wirkung der Nachleitschaufeln zu erkennen.
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Abb. 3 zeigt kurze und lange Leitschaufeln nebeneinander bei gleicher
Schaufelteilung, also verschiedenem Verhältnis von Schaufellänge zu Schaufelteilung.
Der Abbildung ist zu entnehmen, daß auch bei den langen Schaufeln das Wirbelpolster
am Schaufelrücken bis an das Ende der Schaufel reicht und daß daher auch bei diesen
langen Leitschaufeln die Flüssigkeit noch mit einer negativen Winkel-Abweichung
abströmt.
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Abb. q: zeigt über dem Drehzahlverhältnis n2 : n1 als Abszisse aufgetragen
das vom Strömungswandler, also von der Pumpe bei konstanter Pumpendrehzahl n1 aufgenommene
Moment Ml, und zwar die gestrichelte Kurve i für einen üblichen Wandler und die
ausgezogene Linie 2 für einen Wandler, der nach den Lehren dieser Erfindung ausgebildet
ist. Während nach der Kurve i das aufgenommene Moment sowohl bei niedrigen als auch
bei hohen Drehzahlen stark vom Sollwert abweicht, ist das Moment nach Kurve :z und
damit die Leistungsaufnahme des Wandlers bei konstanter Primärdrehzahl nahezu konstant.