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Anordnung eines unter Arbeitsmitteldruck verschiebbaren Laufrades
für Turbomaschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung eines unter Arheitsmitteldruck
verschiebbaren Laufrades für Turbomaschinen, das mit einem unter Arbeitsmitteldruck
verschiebbaren Tragteil verbunden ist, insbesondere eines aus dem Kreislauf der
Arbeitsflüssigkeit eines: hydraulischen Strömungsgetriebes aus- und einschiebbaren
Laufrades, vorzugsweise Pumpenlaufrades. Bei den bekannten, aus dem Kreislauf der
Arbeitsflüssigkeit eines hydraulischen Strömungsgetriebes aus- und einschiebbaren
Laufrädern dieser Art ist der mit dem Laufrad verbundene Tragteil als unter Arbeitsmitteldruck
verschiebbarer Kolben ausgebildet, wobei der Kolben oder der Zylinder, in dem der
Kolben geführt ist, rotiert. Die Zuführung des unter Druck stehenden Arbeitsmittels
erfolgt durch Bohrungen in der das Laufrad tragenden Welle. Hierbei müssen in der
Welle Bohrungen für die Zuführung dies Arbeitsmittels vorgesehen werden. Weiterhin
sind an den Stellen, an denen das Arbeitsmittel in die Bohrungen der sich drehenden
Welle eingeführt wird, Abdichtungen notwendig.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe bestellt, ein unter Arbeitsmitteldruck
verschiebbares Laufrad für Turbomaschinen zu schaffen, bei dem weder der mit dem
Laufrad verbundene Tragteil noch der diesen Tragteil führende Teil sich dreht und
weiterhin Bohrungen in der Laufradwelle sowie eine Zuführung von unter Druck stehendem
Arbeitsmittel ztz diesen Bohrungen vermieden sind. Dies wird in
erster
Linie dadurch erreicht, daß das Laufrad samt zugehöriger Welle und Wellenlagerung
in einer in Richtung der Wellenachse verschiebbaren uridrehbaren Tragbuchse angeordnet
ist. In Weiterbildung der Erfindung ist die Tragbuchse als ein in einem nicht drehbaren
Führungsgehäuse verschiebbarer Kolben ausgebildet. Auf der Laufradwelle ist ein
festsitzendes Zahnrad angeordnet, das mit einem nicht in der Tragbuchse gelagerten,
axial nicht verschiebbaren Gegenzahnrad im Eingriff steht. Ein solches mit einem
Gegenzahnrad im Eingriff stehendes Zahnrad' ist in vielen Fällen erforderlich. Ist
beispielsweise das unter Arbeitsmitteldruck verschiebbare Laufrad ein aus dem Kreislauf
der Arbeitsflüssigkeit eines Strömungsgetriebes aus-und einschaltbares Pumpenrad,
so ist mittels dieses Zahnradpaares die Drehzahl der Antriebsmaschine ,des Strömungsgetriebes
auf die für das, Pumpenrad notwendige höhere Drehzahl zu bringen. Ist das verschiebbare
Laufrad ein Turbinenrad, so ist mittels dieser Zahnraduntersetzung die Turbinendrehzahl
mit Rücksicht auf das der Turbine nachgeschaltete Getriebe zu bemessen. In weiterer
Ausgestaltung der Erfindung ist bei einem Laufrad für ein hydraulisches Strömungsgetriebe
die Tragbuchse auf der einen. Stirnseite durch ein unter Druck stehendes Arbeitsmittel
beaufschlagbar und auf der anderen Stirnseite teilweise durch ein unter Druck stehendes
Arbeitsmittel beaufschlagbär und teilweise dem im Kreislauf der Arbeitsflüssigkeit
:des Strömungsgetriebes vorhandenen Druck ausgesetzt. Vorteilhaft kann auch bei
einem Laufrad für ein hydraulisches Strömungsgetriebe die Tragbuchse auf der einen
Stirnseite dem im Kreislauf der Arbeitsfliissigkeit des Strömungsgetriebes vorhandenen
Druck ausgesetzt und auf der anderen Stirnseite durch ein unter Druck stehendes
Arbeitsmittel beaufschlagbar sein. Damit wird für die Verschiebung des Laufrades
in der einen Richtung der im Kreislauf vorhandene Druck Herangezogen. Zweckmäßig
ist die Stirnfläche der Tragbuchse; die ,dem im Kreislauf der Arbeitsflüssigkeit
dies Strömungsgetriebes vorhandenen Druck ausgesetzt ist, so bemessen, daß die von
diesem Drück ausgeübte Kraft etwa halb so groß ist wie die auf die andere Stirnfläche
der Tragbuchse von dem unter Druck stehenden Arbeitsmittel ausgeübte Kraft. Damit
wird das Laufrad in der Lage, in der es in den Kreislauf eingeschoben ist, also
in seiner Arbeitsstellung, gesichert. Wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
das auf der Laufradwelle festsitzende Stirnrad mit Schrägverzahnung ausgebildet
und die Stirnfläche der Tragbuchse, die dem im Kreislauf der Arbeitsflüssigkeit
vorhandenen Druck ausgesetzt ist, so bemessen, däß die von diesem Druck ausgeübte
Kraft zusammen mit dem Axialschüb der Schrägverzahnung etwa halb so groß wie die
auf die andere Stirnfläche der Tragbuchse von dem unter Druck stehenden Arbeitsmittel
ausgeübte Kraft, so kann der Axialschub der Verzahnung als eine Teilkraft für die
eine Verschieberichtung des Laufrades verwendet werden. Schließlich faßt bei einem
Laufrad finit einer mit der Lauf radwelle fluchtenden An-oder Abtriebswelle in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung die einseitig gelagerte An- oder Abtriebswelle mit einem
Keilprofil und einem Stützzapfen in die Lauf radwelle. Damit ergibt sich eine vorteilhafte
Laufradanordnung für den Fall; daß auf der Pumpenwelle oder der Turbinenwelle des
Strömungsgetriebes kein Zahnrad vorgesehen ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i schematisch einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes, Fig. 2 schematisch einen Querschnitt nach Linie II-II
der Fig. i, Fig. 3 und 4 schematisch je einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes.
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Mit i ist das Gehäuse eines hydraulischen Strömungsgetriebes bezeichnet.
Innerhalb des Gehäuses i ist das Laufrad 2, das im betrachteten Beispiel das Pumpenrad
des hydraulischen Strömungsgetriebes darstellt, angeordnet. Das Pumpenrad 2 ist
mit dem kegeligen Teil 4 der Pumpenwelle 3 fest, d: h. gegen -die Pumpenwelle 3
uridrehbar und uriverschiebbar verbünden. Auf der Pumpenwelle 3 sitzt, gegenüber
dieser Welle urdrehbar und unverschiebbar, das Zahnrad 5, das mit dem auf der Antriebswelle
7 festsitzenden Zahnrad 6 im Eingriff steht. Die Antriebswelle 7 wird von einer
in der Zeichnung nicht dargestellten Antriebsmaschine, z. B. Brennkraftmaschine,
angetrieben. Die Pumpenwelle 3 ist in den beiderseits des Zahnrades 5 vorgesehenen
Lagern 8, und 9 gelagert, so daß das Pumpenrad 2 fliegend angeordnet ist. Die beiden
Lager 8 und g ruhen gemeinsam in der feststehenden Tragbuchse io. Zwischen dem Gehäuse
r des Strömungsgetriebes und der Tragbuchse io-ist die mit dem Gehäuse i verschraubte
Zwischenwand i i angeordnet, die so ausgebildet ist, daß sie einen Raum 12 freigibt,
in den das Pumpenrad 2 eingeschoben werden kann. Die Tragbuchse io ist von dem feststehenden
Führungsgehäuse 13 umschlossen. An der Lagerstelle 8 ist die Tragbuchse io zu einem
Kragen eingezogen, gegen den die Zwischenwand i i mittels der Dichtung 17 abgedichtet
ist. Zwischen der Zwischenwand i i und der Stirnseite 64 der Tragbuchse io liegt
ein Ringraum 14, der gegen die Tragbuchse io und das Führungsgehäuse 13 durch eine
Dichtung 16 abgedichtet ist. Auf der Stirnseite 65 der Tragbüchse io verbleibt zwischen
der Tragbüchse und der Stirnwand des Führungsgehäuses 13 ein: Raum 15, der durch
eine Dichtung i8 gegen das Führungsgehäuse 13 abgedichtet ist. Der Raum 14 erhält
unter Druck stehendes Arbeitsmittel durch den Anschluß i9. Der Raum 15 erhält unter
Druck stehendes Arbeitsmittel durch den Anschluß 2o. Die Arbeitsmittelzu- und -abführung
wird durch den Schieber 21 gesteuert, dem durch. den Anschluß 22 unter Druck stehendzs
Arbeitsmittel zugeführt wird, während der Anschluß 2@5 mit dem Anschluß 2o, der
Anschluß 26 mit dem Anschluß ig verbunden ist und die Anschlüsse 24 und 23 zum Arbeitsmittelabfluß
führen. Als unter Druck stehendes Arbeitsmittel kann
_lrlwitsmittel,
z. B. Drucköl, das von einer in Fig. i nicht dargestellten Pumpe gefördert wird,
oder auch Arbeitsflüssigkeit aus dem Kreislauf des Ströinungsgetriehes verwendet
werden. Zu diesem Zweck führt vom Anschluß 22 eine Leitung 79 zu dem Gehäuse i des
Strömungsgetriebes. An das Führungsgehäuse 13 ist das Gehäuse 27 angeschraubt, das
die Lagerung der Welle 7 aufnimmt. Für den. Eingriff der Zahnräder 5 und 6 ist die
Tragbuchse io, wie in Fig. i durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, entsprechend
ausgespart. Zur Sicherung gegen eine Verdrehung der Tragbuchse io ist auf beiden,
Seiten der Welle 3 in der Tragbuchse io je eine Längsnut 28 vorgesehen, in die je
ein durch das Führungsgehäuse 13-hindurchgeführter Zapfen 78 eingreift. An der Lagerstelle
8 ist das Gehäuse i dies Strömungsgetriebes mittels einer Dichtung 3o, die als Labyrinthdichtung
ausgebildet ist, gegen die Tragbuchse io abgedichtet.
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Die Wirkungsweise ist folgende: In der in Fig. i dargestellten Lage
ist das Pumpenrad 2 in der Arbeitsstellung, d. h. es ist in den Kreislauf der Arbeitsflüssigkeit
des Strömungsgetriebes einbezogen. Dabei wirkt der Druck der Arbeitsflüssigkeit
des Strömungsgetriebes auf den Kragen mit dem Durchmesser a der Tragbuchse ro. Auf
die Stirnseite 65 der Tragbuchse io wirkt in entgegenge::etzter Richtung unter Druck
stehendes Arbeitsmittel, das dem Raum 15 vom Schieber 2i durch den AnSChluß 20 zugeführt
wird. Gleichzeitig ist d.°r Raum 14 mittels der Anschlüsse i9, 26, 23 mit dem Arbeitsmittelab.fluß
in Verbindung, also drucklos. Die Stirnfläche der Tragbuchse io, die dem im Kreislauf
des Strömungsgetriebes vorhandenen Druck ausgesetzt ist, ist so bemessen, daß die
von diesem Druck ausgeübte Kraft etwa halb so groß ist wie die auf die Stirnseite
65 der Tragbuchse io von dem unter Druck stehenden Arbeitsmittel ausgeübte Kraft.
Die von dem im Raum 15 vorhandenen, unter Druck stehenden Arbeitsmittel auf die
Stirnseite 65 der Tragbuchse io ausgeübte Kraft überwiegt daher die von dein Druck
der Arbeitsflüssigkeit des Strömungsgetriebes auf den Kragen der Tragbuchse io ausgeübte
Kraft, so daß das Pumpenrad 2 sicher in der Arbeitsstellung gehalten ist. Bei einer
Verschiebung des Schiebers 21 nach links; so, daß die Anschlüsse i9, 26; 22 einerseits
und die Anschlüsse 2o, 25, 2d. andererseits miteinander verbunden sind, erhält der
Raum 14 unter Druck stehendes Arbeitsmittel, während der Raum 15 mit dem Arbeitsmittelabfluß
in Verbindung steht, also drucklos ist. Nunmehr wirkt unter Druck stehendes Arbeitsmittel
auf die Stirnseite 64 der Tragbuchse io und in der gleichem Richtung der Druck der
Arbeitsflüssigkeit des Strömungsgetriebes auf .den Kragen mit dem Durchmesser a
der Tragbuchse io. Die Tragbuchse io und mit ihr das Pumpenrad, 2, die Welle 3,
das Lager 8, das Lager 9, das Zahnrad 5 und das Labyrinth 30 verschieben
sich, bis das Pumpenrad 2 in den Raum 12 eingeführt und: somit aus dem Kreislauf
der Arheitsflüssigl.:eit des Strömungsgetriebes ausgeschoben ist. In Fig. 3 ist
eine andere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Die mit der
Ausführungsform nach Fig. i und 2 ühereinstinimenden Teile sind mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Die Tragbuchse io ist als, Differentialkolben ausgebildet
und nicht mehr wie in Fig. i und 2 auf zwei Stirnis-eiten 64 und 65, sondern nur
noch auf einer Stirnseite, nämlich der Stirnseite 65 mit unter Druck stehendem Arbeitsmittel
heaufschlagbar. Dabei ist nur noch die auch in Fig. i vorhandene Dichtung 18 notwendig,
die in Fig. i weiterhin vorhandene Dichtung 16 jedoch fortgefallen. Die Stirnräder
5 und 6 haben Schrägverzahnung. Zur Verschiebung des Pumpenrades 2 in die in Fig.
3 dargestellte Arbeitsstellung wirkt das im Raum 15 vorhandene, unter Druck stehende
Arbeitsmittel auf die Stirnseite 65 dhr Tragbuchse io entgegen dem Druck der Arbeitsflüssigkeit
des Strömungsgetriebes auf den Kragen mit dem Durchmesser a der Tragbuchse io und
entgegen dein Axialschub der Schrägverzgh.nung des Zahnradpaares 5, 6. Hierbei ist,
die Stirnfläche der Tragbuchse, die dem im Kreislauf des Strömungsgetriebes vorhandenen
Druck ausgesetzt ist, so bemessen, daß die von diesem Druck ausgeübte Kraft zusammen
mit dem Axialschub der Schrägverzahnung etwa halb so groß ist wie die auf die Stirnseite
65 der Tragbuchse io von dem unter Druck stehenden Arbeitsmittel. im Raum 15 ausgeübte
Kraft. Zum Aussc'hieben des Pumpenrades 2 aus dem Kreislauf des Strömungsgetriebes
in den Raum 12 wird der Raum 15 drucklos gemacht. Das die Stirnseite 65 heaufschlagende,
unter Druck stehende Arbeitsmittel wird von einer Hilfspumpe 31 gefördert, die zugleich
mittels der Leitung 32 dem Strömungsgetriebe Arbeitsflüssigkeit zuführt und damit
das Strömungsgetriebe unter Druck hält. Die Hilfspumpe 31 entnimmt Arbeitsmittel
aus dem Behälter 35, dem die bei 33 aus dem Kreislauf des Strömungsgetriebes austretende
Arbeitsflüssigkeit nach dem Durchströmen des Kühlers 34 zufließt. Die Steuerung
der Arbeitsmittelzu- und -abführung zum Raum 15 erfolgt über den Dreiwegehahn 38,
dem mittels der Leitung 36 und, des Anschlusses 37 unter Druck stehendes Arbeitsmittel
von der Hilfspumpe 31 zugeführt wird, während der Anschluß 39 den Dreiwegehahn mit
der zum Behälter 35 führenden- Leitung 66 und der Anschluß d.o den Dreiwege-.hahn
mit der zum Anschluß 2o des Raumes 15 fullrenden Leitung 67 verbindet. Der
Dreiwegehahn 38 weist zwei Steuerstellungen auf: Eine erste, in, der der Anschluß
37 mit dem, Anschluß 40 verbunden ist und unter Druck stehendes- Arbeitsmittel durch
die Leitung 36, den Anschluß 37, den Anschluß .Io, die Leitung 67 und- den Anschluß
2o dem Raum 15 zugeleitet wird, und eine zweite, in. der der Anschluß 39 mit dem
Anschluß 40 verbunden ist und Arbeitsmittel aus dem Raum 15 durch den: Anschluß
2o, die Leitung 67, den Anschluß qo, den Anschluß 39 und, die Leitung 66 zum Behälter
35 zurückfließt. Soll das Pumpenrad 2 in die Arbeitsstellung gebracht werden, dann
nimmt der Dreiwegehahn 38 die erste Steuerstellung ein, soll das Pumpenrad 2
aus
dem-Kreislauf der Arbeitsflüssigkeit des Strömüngsgetriebes in den Räum 12 ausgeschoben
werden, dann, nimmt der Dreiwegehahn.38 die zweite Steuerstellung ein.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der auf der Pumpen-
oder Turbinenwelle kein Zahnrad angeordnet ist, sondern der Antrieb der Pumpenwelle
und der Abtrieb von der Turbinenwelle fluchtend erfolgt. Die mit den Ausführungsform-en,
gemäß Fig. i bis 3 übereinstimmenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Pumpenwelle 3 wird von, der mit der Pumpenwelle fluchtenden. Welle 41 angetrieben,
die mittels des Lagers 42 im Gehäuse 13 gelagert ist und' deren Zapfen 43 sich in
der Buchse 44, die als Verschleißstück in die Ausnehmung 68 der Pumpenwelle 3 eingepreßt
ist, abstützt. Die Welle 41 weist eine Keilverzahnung 45 auf, die in ein entsprechendes
Gegenprofil' 63 der Pumpenwelle 3 eingreift, Die Welle 41 ist im Lager 42 axial
festgelegt. Die Tragbuchse io hat I-Ouerschnitt. Die Abdichtung 46 zwischen der
Tragbuchse io und dem Führungsgehäuse 13' ist neu hinzugekommen. Alle Dichtungen
16, 17, i8 und 46 sind als Manschettendichtungen ausgebildet, wobei je ein Kolbenring
zugefügt ist,-' der, falls eine Manschette reißen sollte, noch eine beschränkte
Abdichtung ergibt. Die Tragbuchse io ist beiderseits des Steges 69 durch die Rippen
47 und- 48 verstärkt. Die Kante-49. der Rippen 48 und die Kante 5o der Rippen 47
dienen zugleich als Begrenzung für den Hub der Tragbuchse. Vor dem Lager 8 ist zusätzlich
zu der Labyrinthdichteng 30- -eine Stopfbüchse 51 vorgesehen. Das Lager 8 ist als
Zylinderrollenlager ausgebildet. Durch den Anschlüßstutz-en 52 mit der Bohrung 70
erfolgt der Abfluß dies Arbeitsmittels aus dem Raum 61. Der Hohlraum -61a, -der
innerhalb des Führungsgehäuses 13 zwischen den Dichtungen 16 und 18 verbleibt, hat
seinen Abfluß durch die Bohrung 54, -die in den im Führungsgehäuse 13 eingeschlossenen
Arbeitsmittelbehälter 53 mündet, der das Arbeitsmittel 8o, z. B: Ö1; aufnimmt. Mittels
einer in der Zeichnung gestrichelt dargestellten Leitung ist der Anschlußstutzen
52 mit dem Ansehlußstutzen 55 verbunden; dessen Bohrung 71 91.-ichfalls in den Arbeitsmittelbehälter
53 müntdet. Das auf dem kegefigen Teil 4 der Pumpenwelle 3 festsitz-ende Pumpenrad
z ist durch die Mutter 72, die auf den Gewindezapfen 73 aufgeschraubt ist; in seiner
Lage gesichert. Zur Vervollständigung des Strömungsgetriebes ist in Fig. 4 das.
Turbinenlaufrad 56 eingetragen,. das auf dem kegeligen Teil 57 der Turbinenwelle
58 festsitzt und durch die Mutter 74, die auf den Gewindezapfen 75 aufgeschraubt
ist, in seiner Lage .gehalten wird. Vom Lager 42, das. durch den, Gewindering 76
in seiner Lage gesichert ist; kann Öl durch die Nut 59 zum Raum 61 abfließen. Das
Lager 42 ist nach außen durch einen Deckel 6o abgedeckt, der an das Führ rungsgehäüse
13 angeschraubt ist. Der Deckel 6o ist durch einen-Ring 77 aus Filz oder einem ähnlichen
Stoff abgedichtet, um das Eindringen von Schmutz zu verhüten. Die Pumpenwelle 3
ist mit einer an den Hohlraum 6& anschließenden Bohrung 62 versehen,
um. Öl aus dem Kreislauf des Strömungsgetriebes an die aufeinandergleitenden Teile
des Zapfens q:3 und -der Buchse 44 bzw. der Keilverzahnung 45 und des Gegenprofils
63 zu bringen und weiterhin bei einem Verschieben der Tragbuchse samt Pumpenwelle
und Pumpenrad eine Ölstauung zu vermeiden. Zum Einschieben,des Pumpenrades :2 im
die Arbeitsstellung erhält der Anschluß 2o unter Durck stehendes Arbeitsmittel,
während der Anschluß i9 mit dem Arbeitsmittelabfluß in Verbindung gebracht wird.
Zum Ausschieben des Pumpenrades 2 aus dem Kreislauf des Strömungsgetriebes und Einschieben
in den Raure 12 erhält der Arnschluß i9 unter Druck stehendes Arbeitsmittel, während
der Anschluß 2o mit demArbeitsmittelabfluß inVerbindung gebracht wird.