WO2009015807A2 - Hydrodynamischer wandler - Google Patents

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WO2009015807A2
WO2009015807A2 PCT/EP2008/006019 EP2008006019W WO2009015807A2 WO 2009015807 A2 WO2009015807 A2 WO 2009015807A2 EP 2008006019 W EP2008006019 W EP 2008006019W WO 2009015807 A2 WO2009015807 A2 WO 2009015807A2
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guide vanes
working space
circulation flow
vane ring
guide
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PCT/EP2008/006019
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Steffen KÄMMERER
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Voith Patent Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a hydrodynamic converter.
  • Such hydrodynamic converter are particularly suitable for transmitting a variable power in a drive train, for example, a wind turbine.
  • Hydrodynamic transducers have an impeller and a turbine wheel, which are arranged rotatably in a toroidal working space about a rotation axis.
  • a circulation flow of a working medium can be formed by rotating the impeller.
  • the working space is often formed by the impeller and the turbine wheel itself, but may also be at least partially formed by a non-co-rotating, that is stationary, housing.
  • the working space is, via a Hämediumzu- and a working medium, with the working fluid, usually oil, but also conceivable water, a water mixture or other liquids, filled or filled.
  • the working medium In the impeller, the working medium is accelerated radially outward, enters the turbine wheel, there is delayed radially inward and re-enters the impeller.
  • this working medium circuit By means of this working medium circuit (circulation flow), torque or drive power is transmitted wear-free from the impeller to the turbine wheel.
  • the impeller is thus driven by a drive, for example, a rotor of a wind turbine.
  • the recirculation flow of the working fluid in turn drives the turbine wheel, thereby transferring power from the impeller to the turbine wheel to drive an output, such as an electric generator.
  • hydrodynamic converter is often at least one vane ring with vanes mounted, for example, stationary on the housing, which serves to influence the circulation flow in the working space and / or to facilitate their training.
  • Such guide vanes can be flowed through in the working space by the circulation flow in the direction of rotation axis arranged axial guide vanes or as in the working space of the circulation flow in the radial direction to the axis of rotation can be arranged through arranged radial guide vanes.
  • the radial guide vanes in this case have an adjusting mechanism by means of which the position of the radial guide vanes in the working space can be adjusted such that a
  • Angle of flow of the circulation flow to the radial guide vane or the clear width between the guide vanes (vane opening) is adjustable. In this way, the operating behavior, in particular the efficiency and the conversion of the hydrodynamic converter depending on other operating parameters can be varied or improved.
  • Radial vanes are therefore often referred to as adjusting vanes.
  • the axial guide vanes are fixed substantially axially parallel and aligned in the radial direction, that is, the angle of attack of the circulation flow to the axial guide vanes is adjusted so that with complete formation of the circulation flow as low as possible flow resistance. Since the guide vanes are only flowed through axially, their position has no influence on the power consumption ⁇ of the converter when the circulation flow is formed.
  • the turbine wheel In wind turbines are often hydrodynamic converter, which are designed as Geographickränzige converter used.
  • the turbine wheel for example, has a first blade ring arranged in a radially outward flow direction of the circulation flow in the working space and a second blade ring arranged in a radially inward flow direction of the circulation flow.
  • the circulation flow passes through the Axialleitschaufeln immediately after flowing through the first blade ring and immediately after flowing through the second blade ring, the radial guide vanes.
  • Examples of drive trains of wind turbines with hydrodynamic converters are disclosed in WO 2004/088132 A1 or WO 2005/121550 A1.
  • the electric generator must be driven at a substantially constant speed in order to facilitate the feeding of the electrical energy generated by the generator in a network with a rigid grid frequency.
  • the speed of the rotor is usually translated via a transmission which is interposed between the rotor and the hydrodynamic converter or between the hydrodynamic converter and the electric generator.
  • Such used hydrodynamic converter must be suitable for a good torque transmission of fluctuating speeds of the wind-driven rotor of the wind power plant on the constant-speed driven electric generator.
  • Hydrodynamic transducers are therefore optimized with respect to their construction for a range of speed ratios v of the rotational speed of the turbine wheel to the rotational speed of the pump impeller.
  • the said optimized speed range is in a range of an average speed ratio of about 0.3 to 0.5. At low speed ratios, so for example at high wind speeds, therefore, only a relatively low efficiency is achieved. Even in the starting range of the wind turbine, so at low wind speeds or when restarting the system, only a low efficiency is achieved.
  • the former range is particularly interesting for optimizing the efficiency, since at high wind speeds much electrical energy can be obtained.
  • the invention has for its object to provide a hydrodynamic converter, which avoids the disadvantages of the prior art, in particular wherein an optimization of the efficiency of the hydrodynamic converter at speed ratio v of the rotational speed of the turbine wheel to the speed of the impeller outside the optimized speed range, that is achieved off the optimum characteristic of the converter.
  • This object is achieved by the hydrodynamic converter according to the independent claim.
  • the dependent claims represent preferred embodiments of the invention.
  • a hydrodynamic converter according to the invention has an impeller and a turbine wheel, which are arranged rotatable in a substantially toroidal working space about a rotation axis.
  • a circulation flow of a working medium can be formed in the working space by rotating the impeller.
  • at least a first and a second vane ring are arranged in the work space and can be flowed through by the cycle flow.
  • an adjustment mechanism for the first vane ring which is adapted to adjust the position of at least one, preferably all of the vanes of the first vane ring in the working space such that an angle of attack of the circulation flow is adjustable to the vanes of the first vane ring.
  • an adjustment mechanism is provided for the guide vanes of the second vane ring, which is adapted to adjust the position of at least one, preferably all of the vanes of the second vane ring in the working space such that an angle of attack of the cycle flow is adjustable to the vanes.
  • the adjustable vane rings, or their vanes can be moved from a first position to at least a second position with respect to the first position changed inflow angle and in particular with changed clearances between the vanes, as described above, be adjusted.
  • the efficiency of a hydrodynamic converter can be significantly improved.
  • the improvement in efficiency occurs in particular when, in a closed Leitrad ein one of the guide wheels, that is, if by adjusting the angle of attack to a position in which the guide wheels are obliquely into the circulation flow, so relative to an open position form a large flow resistance, the each other stator is also increasingly adjusted, that is adjusted from the open position to a closed position. In the open position, the vanes are substantially axially parallel and radially aligned.
  • the first vane ring is designed as a radial vane ring, wherein the vanes of the first vane ring are formed as in the working space from the circulation flow in the radial direction to the axis of rotation arranged radial vanes and the second vane ring is formed as a second Radialleitschaufelkranz, said Guide vanes of the second vane ring are designed as in the working space of the circulation flow in the radial direction to the axis of rotation arranged through radial vanes are formed.
  • the radial vane rings may be arranged so that one of the radial vane rings in the radially outward direction of the
  • Circulation flow is arranged and the other Radialleitschaufelkranz is arranged in a radially inwardly directed direction of the circulation flow, or both Radialleitschaufelkränze are flowed through in the same direction and are arranged in particular in the circulation flow immediately behind one another.
  • the first vane ring is designed as a radial vane ring, wherein the guide vanes of the first vane ring than in Working space of the circulation flow in the radial direction to the axis of rotation can be flowed through arranged radial guide vanes are formed, and the second guide vane ring is formed as a Axialleitschaufelkranz, wherein the guide vanes of the second Leitschaufelkranzes arranged in the working space of the circulation flow in the direction of rotation axis arranged
  • Axial guide vanes are formed.
  • the circulation flow in an axially extending flow region can be influenced by adjusting the axial guide vanes and can also be influenced in a radially extending flow region by adjusting the radial guide vanes.
  • the adjustment of the Axialleitschaufeln means of the invention provided adjusting mechanism leads with increasing adjustment of the radial vanes towards a closed position to a greater influence on the efficiency of the hydrodynamic converter, that is to an increasing improvement in its efficiency.
  • the hydrodynamic converter according to the invention is particularly advantageously designed as an at least five-axis converter.
  • the turbine wheel has at least two blade rings, the turbine wheel having in particular a first blade ring arranged in a radially outward flow direction of the circulation flow and a second blade ring arranged in a radially inward flow direction of the circulation flow.
  • the first blade ring is preferably arranged directly in front of the Axialleitschaufeln and immediately after the impeller in the circulation flow.
  • the second blade ring is preferably immediately in front of the
  • the impeller and the turbine wheel together with a stationary housing can form the working space.
  • torque conversion by the converter according to the invention is safe and easy to achieve.
  • a Hämediumzu- and working medium flow is provided on the housing of the hydrodynamic converter according to the invention, via which the working space during operation of the hydrodynamic converter with working fluid can be filled and emptied, the startup and shutdown of the converter and thus the hydrodynamic branch of a wind turbine with such a converter by filling the working space with working fluid or emptying of the working space done in a simple manner.
  • An inventive hydrodynamic converter in particular in the embodiment with at least one adjustable axial guide vane ring, is preferably used in the drive train of a wind power plant.
  • the hydrodynamic converter according to the invention is advantageously adjusted at a speed ratio v of the rotational speed of the turbine wheel to the speed of the impeller of less than 0.3 and in particular over 0.5, the position of at least one, preferably all of the Axialleitschaufeln in the working space by means of the adjustment of the Axialleitschaufeln so in that the angle of attack of an axial component of the circulation flow onto the axial guide vane is at least 6 degrees, preferably up to 20 degrees.
  • the requirement profile for a hydrodynamic converter in a drive train of a wind turbine is composed of several aspects. On the one hand results from the transmission design of the wind turbine depending on given wind profiles a requirement for the power transmission of the hydrodynamic converter over the speed operating range of the converter. On the other hand results the Demand to maximize the energy transfer through the converter, in high demands on the efficiency curve, that is the course of the efficiency as a function of the speed ratio v. In this case, two regions of the efficiency curve can be optimized according to the invention, namely the starting range and the range of low speed ratios.
  • the average speed range for hydrodynamic transducers, to which they are optimized, is usually in an area with an upper barrier between 0.3 and 0.5.
  • Power transmission control by adjusting the adjusting blades, so the radial blades, achieved at substantially constant speed ratio.
  • the range of high speed ratios, v is greater than 0.3, is traversed with low power consumption of the converter, the power consumption of the converter falls with increasing speed of the turbine wheel. The latter is also achieved by adjusting the adjusting blades.
  • An increase in the total energy yield can be achieved by increasing the efficiency in the speed ratio ranges of the starting range and by good efficiencies with simultaneously decreasing power consumption of the converter in conjunction with high turbine speeds.
  • the adjustment of the angle of attack of the circulation flow to the Axialleitschaufel therefore takes place in the preferred use below said mean speed range in which the adjusting blades, that is, the radial vanes are already in a partially or fully closed position.
  • the power consumption of the converter remains largely independent of the additional adjustment of the Axialleitschaufeln next to the adjustment of the radial vanes.
  • An adjustment of the Axialleitschaufeln towards smaller flow cross sections and higher deflection, that is larger angle of attack this causes a shift of the optimum of the efficiency curve of the converter towards larger speed ratios.
  • Map area of reduced power consumption ie away from the optimal characteristic, results in such significant increases in the efficiency over the entire characteristic curve.
  • the adjustment of the cross section and the deflection of the circulation flow to the Axialleitschaufeln thus results in a significant increase in the efficiency of the drive train in the range of high turbine speeds.
  • an optimal efficiency increase is achieved. It must therefore be adjustable to optimize the efficiency of the converter according to the invention at least two possible positions of the axial vanes: first, an open Axialleitschaufelnite corresponding to the position of the fixed Axialleitschaufeln known converter for characteristic ranges near the optimal characteristic and second, a closed Axialleitschaufelnite, with a flow angle from about up to 20 degrees, for areas of low power consumption of the converter, ie in particular at high speed ratios v.
  • FIG. 1 shows a schematic axial section through a hydrodynamic converter 1 according to the invention. In this case, only one side of the hydrodynamic converter 1, which is essentially mirror-symmetrical to a rotation axis 2, is shown.
  • the impeller 3 and the turbine 4 are arranged rotatably about the rotation axis 2.
  • the impeller 3 is rotatably connected to a shaft 7.
  • This drive shaft is driven by a drive, for example, a rotor of a wind turbine, whereby the impeller 3 is rotatable to form a circulation flow of a working fluid in the working space 6. That is, the blades 8 of the impeller 3 rotate in the working space 6 about the axis of rotation. 2
  • the circulation flow of the working medium is symbolized in the figure as a curved arrow 9.
  • the turbine wheel 4 is rotatable in the working space 6 about the rotation axis 2, whereby a torque transmission and thus a power transmission to an output shaft 14 takes place, for example, an electric generator, possibly via an intermediate gear, drives.
  • the drive shaft 7 is mounted on a roller bearing 15, for example, in the non-rotating housing 5.
  • the working space 6 can be filled and emptied via a working medium supply and working medium drain 17 during operation of the hydrodynamic converter 1 with working medium.
  • a start of power generation can be carried out, since the power transmission is made possible by the hydrodynamic converter 1 only by the filling.
  • the shown hydrodynamic converter 1 is designed as a five-turn converter. This is in the working space 6 as the first vane ring Radial vane with radial flow from the circulation flow in the radial direction to the axis of rotation 2 arranged arranged radial guide vanes 21 available. Further, in the working space 6 as the second vane ring Axialleitschaufelkranz mounted by the circulation flow in the direction of rotation axis arranged axial guide vanes 20 mounted. The vanes 20,21 of the
  • Axialleitschaufelkranzes and the radial blade ring are not rotatable over the axis of rotation of the transducer, that is stationary, attached to the housing 5.
  • the turbine wheel 4 has two blade rings, so that a total of five blade rings in the working space of the hydrodynamic converter are present.
  • the turbine blades 11 of the first blade ring of the turbine wheel 4 are arranged in radially outwardly directed flow direction of the circulation flow in the working space 6.
  • the turbine blades 12 of the second blade ring of the turbine wheel 4 are arranged in a radially inwardly directed flow direction of the circulation flow in the working space 6.
  • the circulation flow again hits the blades 8 of the blade ring of the impeller 3.
  • the circulation flow passes immediately after flowing through the first blade ring, the Axialleitschaufeln 20 and immediately after flowing through the second blade ring.
  • the blade rings may have a different number of blades.
  • the axial guide vanes 20 and radial guide vanes 21 each have one
  • Adjusting mechanism 30,31 which are each adapted to adjust the position of the respective blades 20,21 in the working space 6.
  • the latter can take place, for example, via a controller 34 as a function of the speed ratio of the rotational speed of the pump impeller 3 to the rotational speed of the turbine wheel 4.
  • the axial guide vanes 20 are thus adjustable in the working space 6 by means of the associated adjusting mechanism 30 in such a way that a flow angle of the circulation flow onto the axial guide vane 20 can be adjusted and the Radial guide vanes 21 are adjustable by means of the associated adjusting mechanism 31 in the working space 6 such that a flow angle of the circulation flow to the radial guide vane 21 is adjustable.
  • the adjustability of the axial guide vanes 20 and the radial guide vanes 21 is independent of each other.
  • the invention is not limited to the embodiments given above. Rather, a number of variants are conceivable, which make use of the features of the invention even with fundamentally different type of execution.
  • a hydrodynamic converter according to the invention can also be used in application areas outside wind power plants, for example in transmissions, in particular motor vehicle transmissions. Other applications are conceivable.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hydrodynamischer Wandler mit - einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die in einem im Wesentlichen torusförmigen Arbeitsraum um eine Rotationsachse rotierbar angeordnet sind, wobei in dem Arbeitsraum durch Rotieren des Pumpenrades eine Kreislaufströmung eines Arbeitsmediums ausbildbar ist; - einem im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung durchströmbar angeordneten ersten Leitschaufelkranz; und einem im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung durchströmbar angeordneten zweiten Leitschaufelkranz; wobei - ein Verstellmechanismus für den ersten Leitschaufelkranz vorgesehen ist, eingerichtet, die Stellung zumindest einer der Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes im Arbeitsraum derart zu verstellen, dass ein Anströmwinkel der Kreislaufströmung auf die Leitschaufeln und/oder die lichte Weite zwischen den Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes einstellbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass - ein Verstellmechanismus für den zweiten Leitschaufelkranz vorgesehen ist, eingerichtet, die Stellung zumindest einer der Leitschaufeln des zweiten Leitschaufelkranzes im Arbeitsraum derart zu verstellen, dass ein Anströmwinkel der Kreislaufströmung auf die Leitschaufeln des zweiten Leitschaufelkranzes einstellbar ist; - der erste Leitschaufelkranz als Radialleitschaufelkranz ausgebildet ist, wobei die Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes als im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung in Radialrichtung zur Rotationsachse durchströmbar angeordnete Radialleitschaufeln ausgebildet sind, und der zweite Leitschaufelkranz entweder als ein zweiter Radialleitschaufelkranz ausgebildet ist, wobei die Leitschaufeln des Leitschaufelkranzes als im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung in Radialrichtung zur Rotationsachse durchströmbar angeordnete Radialleitschaufeln ausgebildet sind, oder als ein Axialleitschaufelkranz ausgebildet ist, wobei die Leitschaufeln des zweiten Leitschaufelkranzes als im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung in

Description

Hydrodynamischer Wandler
Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Wandler. Derartige hydrodynamische Wandler eignen sich insbesondere zur Übertragung einer variablen Leistung in einem Antriebsstrang zum Beispiel einer Windkraftanlage.
Hydrodynamische Wandler sind bekannt. Sie weisen ein Pumpenrad und ein Turbinenrad auf, die in einem torusförmigen Arbeitsraum um eine Rotationsachse rotierbar angeordnet sind. In dem Arbeitsraum ist durch Rotieren des Pumpenrades eine Kreislaufströmung eines Arbeitsmediums ausbildbar. Der Arbeitsraum wird häufig vom Pumpenrad und dem Turbinenrad selbst ausgebildet, kann aber auch zumindest teilweise durch ein nicht mitrotierendes, das heißt ortsfestes, Gehäuse ausgebildet sein. Der Arbeitsraum ist, über einen Arbeitsmediumzu- und einen Arbeitsmediumablauf, mit dem Arbeitsmedium, in der Regel Öl, vorstellbar sind jedoch auch Wasser, ein Wassergemisch oder andere Flüssigkeiten, befüllt oder befüllbar. Im Pumpenrad wird das Arbeitsmedium radial nach außen beschleunigt, tritt in das Turbinenrad ein, wird dort radial nach innen verzögert und tritt wieder in das Pumpenrad ein.
Mittels dieses Arbeitsmediumkreislaufs (Kreislaufströmung) wird Drehmoment beziehungsweise Antriebsleistung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad verschleißfrei übertragen. Das Pumpenrad wird also von einem Antrieb, zum Beispiel einem Rotor einer Windkraftanlage, angetrieben. Die Kreislaufströmung des Arbeitsmediums treibt wiederum das Turbinenrad an, wodurch eine Leistung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad übertragen wird, um einen Abtrieb, zum Beispiel einen elektrischen Generator, anzutreiben.
Im Arbeitsraum hydrodynamischer Wandler ist häufig zumindest ein Leitschaufelkranz mit Leitschaufeln zum Beispiel ortsfest am Gehäuse montiert, der dazu dient, die Kreislaufströmung im Arbeitsraum zu beeinflussen und/oder deren Ausbildung zu erleichtern. Derartige Leitschaufeln können als im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung in Rotationsachsenrichtung durchströmbar angeordneten Axialleitschaufeln oder als im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung in Radialrichtung zur Rotationsachse durchströmbar angeordneten Radialleitschaufeln ausgebildet sein. Die Radialleitschaufeln weisen dabei einen Verstellmechanismus auf, mittels dessen die Stellung der Radialleitschaufeln im Arbeitsraum derart verstellt werden kann, dass ein
Anströmwinkel der Kreislaufströmung auf die Radialleitschaufel beziehungsweise die lichte Weite zwischen den Leitschaufeln (Leitschaufelöffnung) einstellbar ist. Auf diese Weise kann das Betriebsverhalten, insbesondere der Wirkungsgrad und die Wandlung des hydrodynamischen Wandlers in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern variiert oder verbessert werden. Verstellbare
Radialleitschaufeln werden deshalb häufig als Stellschaufeln bezeichnet.
Die Axialleitschaufeln sind dagegen fest im Wesentlichen achsparallel und in Radialrichtung ausgerichtet, das heißt der Anströmwinkel der Kreislaufströmung auf die Axialleitschaufeln ist so eingestellt, dass bei vollständiger Ausbildung der Kreislaufströmung ein möglichst geringer Strömungswiderstand besteht. Da die Leitschaufeln nur axial durchströmt werden, hat deren Stellung keinen Einfluss auf die Leistungsaufnahme λ des Wandlers bei ausgebildeter Kreislaufströmung.
In Windkraftanlagen werden häufig hydrodynamische Wandler, die als fünfkränzige Wandler ausgebildet sind, verwendet. Dabei weist das Turbinenrad beispielsweise einen in radial nach außen gerichteter Strömungsrichtung der Kreislaufströmung im Arbeitsraum angeordneten ersten Schaufelkranz auf und einen in radial nach innen gerichteter Strömungsrichtung der Kreislaufströmung angeordneten zweiten Schaufelkranz auf. Die Kreislaufströmung durchläuft dabei unmittelbar nach Durchströmen des ersten Schaufelkranzes die Axialleitschaufeln und unmittelbar nach Durchströmen des zweiten Schaufelkranzes die Radialleitschaufeln. Bei dieser Anordnung ergibt sich bei einem fünfkränzigen Wandler eine für die Anwendung in Windkraftanlagen besonders günstige Wirkungsgradcharakteristik. Beispiele von Antriebssträngen von Windkraftanlagen mit hydrodynamischen Wandlern sind in der WO 2004/088132 A1 oder der WO 2005/121550 A1 offenbart. Dabei muss der elektrische Generator mit einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl angetrieben werden um das Einspeisen der vom Generator erzeugten elektrischen Energie in ein Verbundnetz mit starrer Netzfrequenz zu erleichtern. Die Drehzahl des Rotors wird dabei üblicherweise über ein Getriebe, das zwischen Rotor und hydrodynamischem Wandler oder zwischen hydrodynamischem Wandler und elektrischem Generator zwischengeschaltet ist, übersetzt. Derart verwendete hydrodynamische Wandler müssen für eine gute Drehmomentübertragung von schwankenden Drehzahlen des vom Wind angetriebenen Rotors der Wind kraftan läge auf den mit konstanter Drehzahl angetriebenen elektrischen Generator geeignet sein. Hydrodynamische Wandler sind daher hinsichtlich ihres Aufbaus für einen Bereich von Drehzahlverhältnissen v der Drehzahl des Turbinenrades zur Drehzahl des Pumpenrades optimiert.
Der genannte optimierte Drehzahlbereich liegt dabei in einem Bereich eines mittleren Drehzahlverhältnisses von ca. 0,3 bis 0,5. Bei niedrigen Drehzahlverhältnissen, also zum Beispiel bei großen Windgeschwindigkeiten, wird daher nur ein relativ schlechter Wirkungsgrad erreicht. Auch im Anfahrbereich der Windkraftanlage, also bei kleinen Windgeschwindigkeiten oder beim Neustart der Anlage, wird nur ein geringer Wirkungsgrad erreicht. Der erstgenannte Bereich ist für eine Optimierung des Wirkungsgrades besonders interessant, da bei hohen Windgeschwindigkeiten viel elektrische Energie gewinnbar ist.
Zum weiteren druckschriftlichen Stand der Technik wird auf die Dokumente DE 100 39 811 A1 und US 3,333,486 verwiesen, wobei die aus dem zweitgenannten Dokument bekannten Merkmale im Oberbegriff von Anspruch 1 zusammengefasst sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrodynamischen Wandler bereitzustellen, welcher die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere wobei eine Optimierung des Wirkungsgrades des hydrodynamischen Wandlers bei Drehzahlverhältnis v der Drehzahl des Turbinenrades zur Drehzahl des Pumpenrades außerhalb des optimierten Drehzahlbereiches, also abseits der Optimalkennlinie des Wandlers erreicht wird. Diese Aufgabe wird durch den hydrodynamischen Wandler nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Ein erfindungsgemäßer hydrodynamischer Wandler weist ein Pumpenrad und ein Turbinenrad auf, die in einem im Wesentlichen torusförmigen Arbeitsraum um eine Rotationsachse rotierbar angeordnet sind. Dabei ist in dem Arbeitsraum durch Rotieren des Pumpenrades eine Kreislaufströmung eines Arbeitsmediums ausbildbar. Weiter sind im Arbeitsraum zumindest ein erster und ein zweiter Leitschaufelkranz von der Kreislaufströmung durchströmbar angeordnet. Es ist ein Verstellmechanismus für den ersten Leitschaufelkranz vorgesehen, der eingerichtet ist, die Stellung zumindest einer, bevorzugt aller der Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes im Arbeitsraum derart zu verstellen, dass ein Anströmwinkel der Kreislaufströmung auf die Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes einstellbar ist. Durch die Verstellung der Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes kann bevorzugt auch die lichte Weite zwischen den Schaufeln und somit die Querschnittsfläche für die Arbeitsmediumströmung variiert werden, um eine mehr oder minder starke Drosselwirkung auf die Strömung auszuüben.
Erfindungsgemäß ist auch für die Leitschaufeln des zweiten Leitschaufelkranzes ein Verstellmechanismus vorgesehen, der eingerichtet ist, die Stellung zumindest einer, bevorzugt aller der Leitschaufeln des zweiten Leitschaufelkranzes im Arbeitsraum derart zu verstellen, dass ein Anströmwinkel der Kreislaufströmung auf die Leitschaufeln einstellbar ist. Es sind also mindestens zwei verstellbare Leitschaufelkränze vorhanden. Die verstellbaren Leitschaufelkränze, beziehungsweise deren Leitschaufeln, können von einer ersten Position mindestens in eine zweite Position mit einem gegenüber der ersten Position geänderten Anströmwinkel und insbesondere mit veränderter lichter Weite zwischen den Leitschaufeln, wie zuvor beschrieben, verstellt werden.
Durch eine derartige doppelte Leitschaufelverstellbarkeit kann der Wirkungsgrad eines hydrodynamischen Wandlers wesentlich verbessert werden. Die Wirkungsgradverbesserung tritt insbesondere dann ein, wenn bei einer geschlossenen Leitradstellung eines der Leiträder, das heißt wenn durch Einstellen des Anströmwinkels auf eine Position, bei dem die Leiträder schräg in die Kreislaufströmung hinein stehen, also relativ zu einer offenen Position einen großen Strömungswiderstand bilden, das jeweils andere Leitrad auch zunehmend verstellt wird, das heißt von der offenen Position in eine geschlossene Position verstellt wird. In der offenen Position sind die Leitschaufeln im Wesentlichen achsparallel und in Radialrichtung ausgerichtet.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines hydrodynamischen Wandlers ist der erste Leitschaufelkranz als Radialleitschaufelkranz ausgebildet, wobei die Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes als im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung in Radialrichtung zur Rotationsachse durchströmbar angeordnete Radialleitschaufeln ausgebildet sind und der zweite Leitschaufelkranz ist als ein zweiter Radialleitschaufelkranz ausgebildet, wobei die Leitschaufeln des zweiten Leitschaufelkranzes als im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung in Radialrichtung zur Rotationsachse durchströmbar angeordnete Radialleitschaufeln ausgebildet sind. Dabei können die Radialleitschaufelkränze zum Beispiel so angeordnet sein, dass einer der Radialleitschaufelkränze in radial nach außen gerichteter Richtung der
Kreislaufströmung angeordnet ist und der andere Radialleitschaufelkranz in radial nach innen gerichteter Richtung der Kreislaufströmung angeordnet ist, oder beide Radialleitschaufelkränze werden in derselben Richtungdurchströmt und sind insbesondere in der Kreislaufströmung unmittelbar hintereinander angeordnet.
Besonders bevorzugt ist der erste Leitschaufelkranz als Radialleitschaufelkranz ausgebildet, wobei die Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes als im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung in Radialrichtung zur Rotationsachse durchströmbar angeordnete Radialleitschaufeln ausgebildet sind, und der zweite Leitschaufelkranz ist als ein Axialleitschaufelkranz ausgebildet, wobei die Leitschaufeln des zweiten Leitschaufelkranzes als im Arbeitsraum von der Kreislaufströmung in Rotationsachsenrichtung durchströmbar angeordnete
Axialleitschaufeln ausgebildet sind. Derart kann die Kreislaufströmung in einem axial verlaufenden Strömungsbereich durch Verstellen der Axialleitschaufeln beeinflusst werden und auch in einem radial verlaufenden Strömungsbereich durch Verstellen der Radialleitschaufeln beeinflusst werden.
Durch die Verstellbarkeit des Anströmwinkels der Axialleitschaufeln kann in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebsbereich eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades des hydrodynamischen Wandlers erreicht werden. Die Verstellung der Axialleitschaufeln, das heißt des Axialleitschaufelkranzes zum Beispiel eines Axialleitschaufelrades, hat im Wesentlichen keine Auswirkung auf die Leistungsaufnahme des Wandlers. Somit kann eine Regelung der Leistungsaufnahme mittels der Radialleitschaufeln (Stellschaufeln) durch eine Regelung der Anströmwinkel auf die Axialleitschaufeln zur Erzielung jeweils optimaler Wirkungsgrade ergänzt werden.
Das Verstellen der Axialleitschaufeln mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen Verstellmechanismus führt dabei bei zunehmender Verstellung der Radialleitschaufeln hin zu einer geschlossenen Stellung zu einem größeren Einfluss auf den Wirkungsgrad des hydrodynamischen Wandlers, das heißt zu einer zunehmenden Verbesserung seines Wirkungsgrades.
Durch die Regelung der Anströmwinkel auf die Axialleitschaufeln können vorteilhaft ferner folgende Vorteile erreicht werden:
- Es wird ein weitgehend konstantes Drehmoment am Pumpenrad erreicht;
Es wird eine Verringerung der Effizienzverluste an den Axialleitschaufeln bei hohen Drehzahlverhältnissen erreicht. Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße hydrodynamischer Wandler als zumindest fünfkränziger Wandler ausgebildet. Dabei weist das Turbinenrad zumindest zwei Schaufelkränze auf, wobei das Turbinenrad insbesondere einen in radial nach außen gerichteter Strömungsrichtung der Kreislaufströmung angeordneten ersten Schaufelkranz und einen in radial nach innen gerichteter Strömungsrichtung der Kreislaufströmung angeordneten zweiten Schaufelkranz aufweist. Der erste Schaufelkranz ist dabei bevorzugt unmittelbar vor den Axialleitschaufeln und unmittelbar nach dem Pumpenrad in der Kreislaufströmung angeordnet. Der zweite Schaufelkranz ist bevorzugt unmittelbar vor den
Radialleitschaufeln und unmittelbar vor dem Pumpenrad in der Kreislaufströmung angeordnet. Bei dieser Anordnung ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des Drehmomentes auf die beiden Schaufelkränze, wobei durch die erfindungsgemäße Verstellbarkeit der Axialleitschaufeln eine Verringerung des Drehmomentes des ersten Schaufelkranzes des Turbinenrades zugunsten einer Erhöhung des Drehmomentes des zweiten Schaufelkranzes des Turbinenrades erreicht wird.
Um einen einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen hydrodynamischen Wandlers zu erreichen, können das Pumpenrad und das Turbinenrad zusammen mit einem ortsfesten Gehäuse den Arbeitsraum ausbilden.
Wenn die Axialleitschaufeln und/oder die Radialleitschaufeln am Gehäuse ortsfest montiert sind, ist eine Drehmomentwandlung durch den erfindungsgemäßen Wandler sicher und einfach erreichbar.
Wenn am Gehäuse des erfindungsgemäßen hydrodynamischen Wandlers ein Arbeitsmediumzu- und Arbeitsmediumablauf vorgesehen ist, über den der Arbeitsraum während des Betriebs des hydrodynamischen Wandlers mit Arbeitsmedium befüllbar und entleerbar ist, kann das Anfahren und Stilllegen des Wandlers und damit des hydrodynamischen Zweigs einer Windkraftanlage mit einem derartigen Wandler durch Befüllen des Arbeitsraumes mit Arbeitsmedium beziehungsweise Entleeren des Arbeitsraumes auf einfache Weise erfolgen.
Ein erfindungsgemäßer hydrodynamische Wandler, insbesondere in der Ausführungsform mit zumindest einem verstellbaren Axialleitschaufelkranz, wird bevorzugt im Antriebsstrang einer Windkraftanlage eingesetzt. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen hydrodynamischen Wandlers wird vorteilhaft bei einem Drehzahlverhältnis v der Drehzahl des Turbinenrades zur Drehzahl des Pumpenrades von unter 0,3 und insbesondere über 0,5, die Stellung zumindest einer, bevorzugt aller der Axialleitschaufeln im Arbeitsraum mittels des Verstellmechanismus der Axialleitschaufeln derart verstellt, dass der Anströmwinkel einer Axialkomponente der Kreislaufströmung auf die Axialleitschaufel mindestens 6 Grad, bevorzugt bis 20 Grad beträgt. Üblicherweise wird also die Stellung der Axialleitschaufeln gegenüber einer offenen Position in der die Axialleitschaufeln im Wesentlichen achsparallel und in Radialrichtung ausgerichtet sind in eine geschlossene Position mit einem Anstellwinkel von mindestens 6 Grad, bevorzugt bis 20 Grad zur Radialrichtung verstellt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Grenzen des Drehzahlverhältnisses v für die Verstellung der Axialleitschaufeln heranzuziehen. In der Regel wird eine Verstellung immer dann stattfinden, wenn dadurch eine Wirkungsgraderhöhung erreicht werden kann, wobei herkömmlich das Wirkungsgradoptimum zum Beispiel in einem Bereich des Drehzahlverhältnisses zwischen 0,3 und 0,5 liegt, so dass in diesem Bereich eine Verstellung der Axialleitschaufeln nur eine geringe Wirkungsgradsteigerung erreichen kann.
Das Anforderungsprofil an einen hydrodynamischen Wandler in einem Antriebsstrang einer Windkraftanlage setzt sich aus mehreren Aspekten zusammen. Zum einen ergibt sich aus der Getriebeauslegung der Windkraftanlage in Abhängigkeit von gegebenen Windprofilen eine Anforderung für die Leistungsübertragung des hydrodynamischen Wandlers über den drehzahlmäßigen Betriebsbereich des Wandlers. Zum anderen resultiert die Forderung, den Energieübertrag durch den Wandler zu maximieren, in hohen Anforderungen an die Wirkungsgradkennlinie, das heißt den Verlauf des Wirkungsgrades in Abhängigkeit vom Drehzahlverhältnis v. Dabei können erfindungsgemäß zwei Bereiche der Wirkungsgradkennlinie optimiert werden, nämlich der Anfahrbereich und der Bereich niedriger Drehzahlverhältnisse. Der mittlere Drehzahlbereich bei hydrodynamischen Wandlern, auf den diese optimiert sind, liegt üblicherweise in einem Bereich mit einer Oberschranke zwischen 0,3 und 0,5.
Im Anfahrbereich, bei v zwischen 0,05 und 0,1, wird eine
Leistungsübertragungsregelung mittels Verstellen der Stellschaufeln, also der Radialschaufeln, bei im Wesentlichen konstantem Drehzahlverhältnis erreicht. Der Bereich hoher Drehzahlverhältnisse, das heißt v größer 0,3, wird mit geringer Leistungsaufnahme des Wandlers durchfahren, wobei die Leistungsaufnahme des Wandlers mit zunehmender Drehzahl des Turbinenrades fällt. Letzteres wird auch über das Verstellen der Stellschaufeln erreicht.
Eine Steigerung des Gesamtenergieertrages kann durch Steigerung des Wirkungsgrades in den Drehzahlverhältnisbereichen des Anfahrbereichs und durch gute Wirkungsgrade bei gleichzeitig fallender Leistungsaufnahme des Wandlers in Verbindung mit hohen Turbinenraddrehzahlen erzielt werden.
Das Verstellen des Anströmwinkels der Kreislaufströmung auf die Axialleitschaufel erfolgt daher bei der bevorzugten Verwendung unterhalb des genannten mittleren Drehzahlbereiches, in dem die Stellschaufeln, das heißt die Radialleitschaufeln, bereits in einer teilweise oder vollständig geschlossenen Position sind. Die Leistungsaufnahme des Wandlers bleibt dabei vom zusätzlichen Verstellen der Axialleitschaufeln neben dem Verstellen der Radialleitschaufeln weitestgehend unabhängig. Ein Verstellen der Axialleitschaufeln hin zu kleineren Strömungsquerschnitten und höherer Umlenkung, das heißt größerem Anströmwinkel, bewirkt hierbei eine Verlagerung des Optimums der Wirkungsgradkennlinie des Wandlers hin zu größeren Drehzahlverhältnissen. Im Kennfeldbereich reduzierter Leistungsaufnahme, also abseits der Optimalkennlinie, ergeben sich so deutliche Steigerungen des Wirkungsgrades über den gesamten Kennlinienverlauf. Das Verstellen des Querschnittes und die Umlenkung der Kreislaufströmung an den Axialleitschaufeln ergibt so eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades des Antriebstranges im Bereich hoher Turbinenraddrehzahlen.
Bei einem Einstellen des Anströmwinkels der Kreislaufströmung auf die Axialleitschaufel zwischen mindestens 6 Grad, bevorzugt bis 20 Grad je nach Drehzahlverhältnis und/oder Turbinenraddrehzahl, wird dabei eine optimale Wirkungsgradsteigerung erreicht. Es müssen daher zur erfindungsgemäßen Optimierung des Wirkungsgrades des Wandlers mindestens zwei mögliche Positionen der Axialleitschaufeln einstellbar sein: erstens, eine offene Axialleitschaufelstellung, die der Stellung der fixen Axialleitschaufeln bekannter Wandler entspricht, für Kennlinienbereiche nahe der Optimalkennlinie und zweitens, eine geschlossene Axialleitschaufelstellung, mit einem Anströmwinkel von ca. bis zu 20 Grad, für Bereiche geringer Leistungsaufnahme des Wandlers, also insbesondere bei hohen Drehzahlverhältnissen v.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figur exemplarisch erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Wandlers mit einem verstellbaren Axialleitschaufelkranz und einem verstellbaren Radialleitschaufelkranz;
Die Figuren der Zeichnung zeigen den erfindungsgemäßen Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich zu verstehen. Die einzelnen Bestandteile des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind so dargestellt, dass ihr Aufbau gut gezeigt werden kann. In der Figur 1 ist ein schematischer Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen hydrodynamischen Wandler 1 dargestellt. Dabei ist lediglich eine Seite des im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu einer Rotationsachse 2 aufgebauten hydrodynamischen Wandlers 1 gezeigt. Ein Pumpenrad 3 und ein Turbinenrad 4 bilden zusammen mit einem ortsfesten Gehäuse 5 einen im Wesentlichen torusförmigen Arbeitsraum 6 aus. Das Pumpenrad 3 und das Turbinenrad 4 sind um die Rotationsachse 2 rotierbar angeordnet. Das Pumpenrad 3 ist mit einer Welle 7 drehfest verbunden. Diese Antriebswelle wird von einem Antrieb, zum Beispiel einem Rotor einer Windkraftanlage angetrieben, wodurch das Pumpenrad 3 unter Ausbildung einer Kreislaufströmung eines Arbeitsmediums im Arbeitsraum 6 rotierbar ist. Das heißt die Schaufeln 8 des Pumpenrades 3 rotieren im Arbeitsraum 6 um die Rotationsachse 2.
Die Kreislaufströmung des Arbeitsmediums ist in der Figur als gebogener Pfeil 9 symbolisiert. Angetrieben durch die von der Kreislaufströmung auf die Turbinenschaufeln 11 ,12 des Turbinenrades 4 ausgeübte Kraft ist das Turbinenrad 4 im Arbeitsraum 6 um die Rotationsachse 2 rotierbar, wodurch eine Drehmomentübertragung und damit eine Leistungsübertragung auf eine Abtriebswelle 14 erfolgt, die zum Beispiel einen elektrischen Generator, evtl. über ein zwischengeschaltetes Getriebe, antreibt. Die Antriebswelle 7 ist über ein zum Beispiel Walzenlager 15 im nicht rotierenden Gehäuse 5 gelagert.
Der Arbeitsraum 6 ist über einen Arbeitsmediumzu- und Arbeitsmediumablauf 17 während des Betriebs des hydrodynamischen Wandlers 1 mit Arbeitsmedium befüllbar und entleerbar. Durch Befüllen des Arbeitsraums 6 kann zum Beispiel ein Anfahren einer Stromerzeugung durchgeführt werden, da die Leistungsübertragung durch den hydrodynamischen Wandler 1 erst durch das Befüllen ermöglicht wird.
Der gezeigte erfindungsgemäße hydrodynamische Wandler 1 ist als fünfkränziger Wandler ausgebildet. Dazu ist im Arbeitsraum 6 als erster Leitschaufelkranz ein Radialschaufelkranz mit von der Kreislaufströmung in Radialrichtung zur Rotationsachse 2 durchströmbar angeordneten Radialleitschaufeln 21 vorhanden. Weiter ist im Arbeitsraum 6 als zweiter Leitschaufelkranz ein Axialleitschaufelkranz mit von der Kreislaufströmung in Rotationsachsenrichtung durchströmbar angeordneten Axialleitschaufeln 20 montiert. Die Leitschaufeln 20,21 des
Axialleitschaufelkranzes und des Radialschaufelkranzes sind über der Drehachse des Wandlers nicht rotierbar, das heißt ortsfest, am Gehäuse 5 befestigt.
Das Turbinenrad 4 weist zwei Schaufelkränze auf, so dass insgesamt fünf Schaufelkränze im Arbeitsraum des hydrodynamischen Wandlers vorhanden sind. Die Turbinenschaufeln 11 des ersten Schaufelkranzes des Turbinenrades 4 sind in radial nach außen gerichteter Strömungsrichtung der Kreislaufströmung im Arbeitsraum 6 angeordnet. Die Turbinenschaufeln 12 des zweiten Schaufelkranzes des Turbinenrades 4 sind in radial nach innen gerichteter Strömungsrichtung der Kreislaufströmung im Arbeitsraum 6 angeordnet. Die Kreislaufströmung durchläuft dabei unmittelbar nach Durchströmen des ersten Schaufelkranzes die Axialleitschaufeln 20 und unmittelbar nach Durchströmen des zweiten Schaufelkranzes die Radialleitschaufeln 21. Unmittelbar nach Durchströmen der Radialleitschaufeln 21 trifft die Kreislaufströmung wieder auf die Schaufeln 8 des Schaufelkranzes des Pumpenrades 3.
Die Schaufelkränze können eine unterschiedliche Anzahl von Schaufeln aufweisen.
Die Axialleitschaufeln 20 und Radialleitschaufeln 21 weisen jeweils einen
Verstellmechanismus 30,31 auf, die jeweils eingerichtet sind, die Stellung der jeweiligen Schaufeln 20,21 im Arbeitsraum 6 zu verstellen. Letzteres kann zum Beispiel über eine Steuerung 34 in Abhängigkeit von dem Drehzahlverhältnis der Drehzahl des Pumpenrades 3 zur Drehzahl des Turbinenrades 4 erfolgen. Die Axialleitschaufeln 20 sind also im Arbeitsraum 6 derart mittels dem zugehörigen Verstellmechanismus 30 verstellbar, dass ein Anströmwinkel der Kreislaufströmung auf die Axialleitschaufel 20 einstellbar ist und die Radialleitschaufeln 21 sind mittels dem zugehörigen Verstellmechanismus 31 im Arbeitsraum 6 derart verstellbar, dass ein Anströmwinkel der Kreislaufströmung auf die Radialleitschaufel 21 einstellbar ist. Die Verstellbarkeit der Axialleitschaufeln 20 und der Radialleitschaufeln 21 ist voneinander unabhängig.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.
Insbesondere kann ein erfindungsgemäßer hydrodynamischer Wandler auch in Anwendungsbereichen außerhalb von Windkraftanlagen verwendet werden, beispielsweise in Getrieben, insbesondere Kraftfahrzeuggetrieben. Andere Anwendungen sind denkbar.

Claims

Patentansprüche
1. Hydrodynamischer Wandler (1 ) mit
1.1 einem Pumpenrad (3) und einem Turbinenrad (4), die in einem im Wesentlichen torusförmigen Arbeitsraum (6) um eine Rotationsachse (2) rotierbar angeordnet sind, wobei in dem Arbeitsraum (6) durch Rotieren des Pumpenrades (3) eine Kreislaufströmung eines Arbeitsmediums ausbildbar ist;
1.2 einem im Arbeitsraum (6) von der Kreislaufströmung durchströmbar angeordneten ersten Leitschaufelkranz;
1.3 und einem im Arbeitsraum (6) von der Kreislaufströmung durchströmbar angeordneten zweiten Leitschaufelkranz; wobei
1.4 ein Verstellmechanismus (31 ) für den ersten Leitschaufelkranz vorgesehen ist, eingerichtet, die Stellung zumindest einer der Leitschaufeln (21) des ersten Leitschaufelkranzes im Arbeitsraum (6) derart zu verstellen, dass ein Anströmwinkel der Kreislaufströmung auf die Leitschaufeln (21) und/oder die lichte Weite zwischen den Leitschaufeln (21) des ersten Leitschaufelkranzes einstellbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass
1.5 ein Verstellmechanismus (30) für den zweiten Leitschaufelkranz vorgesehen ist, eingerichtet, die Stellung zumindest einer der Leitschaufeln (20) des zweiten Leitschaufelkranzes im Arbeitsraum (6) derart zu verstellen, dass ein Anströmwinkel der Kreislaufströmung auf die Leitschaufeln (20) des zweiten Leitschaufelkranzes einstellbar ist;
1.6 der erste Leitschaufelkranz als Radialleitschaufelkranz ausgebildet ist, wobei die Leitschaufeln (21) des ersten Leitschaufelkranzes als im Arbeitsraum (6) von der Kreislaufströmung in Radialrichtung zur Rotationsachse durchströmbar angeordnete Radialleitschaufeln (21) ausgebildet sind, und der zweite Leitschaufelkranz entweder als ein zweiter
Radialleitschaufelkranz ausgebildet ist, wobei die Leitschaufeln (20) des Leitschaufelkranzes als im Arbeitsraum (6) von der Kreislaufströmung in Radialrichtung zur Rotationsachse durchströmbar angeordnete Radialleitschaufeln ausgebildet sind, oder als ein Axialleitschaufelkranz ausgebildet ist, wobei die Leitschaufeln (20) des zweiten Leitschaufelkranzes als im Arbeitsraum (6) von der Kreislaufströmung in Rotationsachsenrichtung durchströmbar angeordnete Axialleitschaufeln ausgebildet sind.
2. Hydrodynamischer Wandler gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der hydrodynamische Wandler (1) als zumindest fünfkränziger Wandler ausgebildet ist, wobei das Turbinenrad (4) insbesondere einen in radial nach außen gerichteter Strömungsrichtung der Kreislaufströmung angeordneten ersten Schaufelkranz (11) und einen in radial nach innen gerichteter Strömungsrichtung der Kreislaufströmung angeordneten zweiten Schaufelkranz (12) aufweist.
3. Hydrodynamischer Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (3) und das Turbinenrad (4) zusammen mit einem ortsfesten Gehäuse (5) den Arbeitsraum (6) ausbilden.
4. Hydrodynamischer Wandler gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (21) des ersten Leitschaufelkranzes und/oder die Leitschaufeln (20) des zweiten Leitschaufelkranzes am Gehäuse (5) ortsfest montiert sind.
5. Hydrodynamischer Wandler gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (5) ein Arbeitsmediumzu- und Arbeitsmediumablauf (17) vorgesehen ist, über den der Arbeitsraum (6) während des Betriebs des hydrodynamischen Wandlers (1) mit Arbeitsmedium befüllbar und entleerbar ist.
6. Verwendung eines hydrodynamischen Wandlers gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 5, bevorzugt im Antriebsstrang einer Windkraftanlage, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Drehzahlverhältnis der Drehzahl des Turbinenrades (4) zur Drehzahl des Pumpenrades (3) von unter maximal 0,5, bevorzugt unter maximal 0,3, die Stellung zumindest einer der
Axialleitschaufeln (20) im Arbeitsraum (6) mittels des Verstellmechanismus (30) der Axialleitschaufeln (20) derart verstellt wird, dass der Anströmwinkel einer Axialkomponente der Kreislaufströmung auf die Axialleitschaufel (20) mindestens 6 Grad, bevorzugt bis 20 Grad beträgt.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2957370A (en) * 1957-07-11 1960-10-25 Gen Motors Corp Multi-phase torque converter
US2995955A (en) * 1958-07-23 1961-08-15 Gen Motors Corp Transmissions
US3090252A (en) * 1959-02-04 1963-05-21 Borg Warner Floating member infinitely variable transmission
US3120763A (en) * 1961-03-29 1964-02-11 Shuster Jacob Transmission control systems
US3242677A (en) * 1955-09-29 1966-03-29 Gen Motors Corp Transmission
US3333486A (en) * 1964-12-01 1967-08-01 Ford Motor Co Transmission

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10039811A1 (de) * 2000-08-16 2002-03-07 Voith Turbo Kg Hydrodynamischer Wandler
DE10314757B3 (de) * 2003-03-31 2004-11-11 Voith Turbo Gmbh & Co. Kg Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung
DE102004028619A1 (de) * 2004-06-12 2006-01-05 Voith Turbo Gmbh & Co. Kg Drehzahlgeregeltes Getriebe für eine Energieerzeugungsanlage

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3242677A (en) * 1955-09-29 1966-03-29 Gen Motors Corp Transmission
US2957370A (en) * 1957-07-11 1960-10-25 Gen Motors Corp Multi-phase torque converter
US2995955A (en) * 1958-07-23 1961-08-15 Gen Motors Corp Transmissions
US3090252A (en) * 1959-02-04 1963-05-21 Borg Warner Floating member infinitely variable transmission
US3120763A (en) * 1961-03-29 1964-02-11 Shuster Jacob Transmission control systems
US3333486A (en) * 1964-12-01 1967-08-01 Ford Motor Co Transmission

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