DE102004001047B4 - Hydrodynamische Maschine - Google Patents

Abstract

Hydrodynamische Maschine;
mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden;
das Pumpenrad und das Turbinenrad weisen jeweils mehrere Schaufeln auf, deren jede eine in den Arbeitsraum hineinragende freie Kante hat;
der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsmedium füllbar;
die freie Kante wenigstens einer Schaufel weist wenigstens auf einem Teil ihrer Länge einen nicht-stetigen Verlauf, indem sie gezackt oder gewellt oder gezahnt oder mäanderförmig ausgeführt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine, insbesondere eine Turbokupplung. Sie betrifft Turbokupplungen mit gerader und schräger Beschaufelung. Die hydrodynamischen Turbokupplungen arbeiten nach dem sogenannten Föttingerprinzip, wobei mechanische Energie im beschaufelten Pumpenrad in Strömungsenergie umgesetzt wird. Diese Strömungsenergie wird im gegenüberliegenden Turbinenrad wieder in mechanische Energie umgewandelt. Bei diesem hydrodynamischen Leistungsübertrager sind Antriebs- und Abtriebsseite nur über das das strömende Betriebsmedium (Öl oder Wasser) miteinander verbunden, es gibt keine drehfeste mechanische Verbindung.
• Die Turbokupplungen umfassen zwei Schaufelräder, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden. Die Schaufeln sind am Schaufelgrund mit der Tragschale verbunden und bilden mit der jeweiligen benachbarten Schaufel einen Strömungskanal. Zum Laufspalt, gebildet aus den sich gegenüberliegenden, sich nicht berührenden Schaufelrädern hin bilden die Schaufeln freie Kanten aus, die denen des anderen Rades in gleicher oder unterschiedlicher radialer Ausprägung gegenüberstehen.
• Eine hydrodynamische Kupplung dient dem Übertragen eines Drehmomentes, beispielsweise von einer Kraftmaschine (Motor) auf eine Antriebsmaschine. Die Übertragung erfolgt dabei ohne drehfeste mechanische Verbindung zwischen beiden beschaufelten Rädern, dem Pumpenrad und dem Turbinenrad (auch Primärrad und Sekundärrad oder auch Außenrad und Innenrad genannt). Die Drehmomentübertragung erfolgt stattdessen über das Arbeitsmedium. Aufgrund dieses Prinzips erfolgt diese sanft und elastisch. Das Drehmoment kann nur übertragen werden, wenn eine Drehzahldifferenz zwischen den beiden Schaufelrädern vorhanden ist und eine Meridiaströmung erzeugt wird. Die Auslegung erfolgt so, dass im Nennbetriebspunkt die Turbokupplung bei 2 bis 3 % Schlupf arbeitet.
• Während des Anfahrvorganges einer Arbeitsmaschine durchfährt die Turbine einen Drehzahlbereich von 100 % Schlupf bis hin zum Nennschlupf.
• Mit zunehmender Drehzahldifferenz zwischen dem Pumpen- und Turbinenrad steigt das durch die Turbokupplung übertragbare Drehmoment an.
• Im teilgefüllten Zustand der Turbokupplung kann es aufgrund von Strömungsveränderungen im Torus beim Durchfahren des gesamten Drehzahlverhältnisbereiches zwischen Pumpen- und Turbinenrad zu sprunghaften Veränderungen des übertragbaren Drehmomentes kommen.
• Es sind zahlreiche Ausführungsformen von hydrodynamischen Maschinen bekannt geworden, bei welchen die freien Kanten von Schaufeln einen nicht stetigen Verlauf aufweisen. Siehe beispielsweise US 2 255 515 , US 2 389 441 und DE 201 10 334 U1 .
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Maschine oder Strömungsmaschine, insbesondere eine hydrodynamische Kupplung, derart zu gestalten, dass die genannte sprunghafte Veränderung des übertragenen Drehmomentes nicht mehr oder in sehr abgeschwächter Form auftritt und die Drehmomentveränderung über dem Drehzahlverhältnis zwischen Pumpen- und Turbinenrad weitgehend kontinuierlich erfolgt.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Die Erfinder haben damit eine äußerst einfache und kostengünstige Lösung erkannt. Der Grundgedanke besteht darin, die freie Kante wenigstens einer Schaufel auf wenigstens einem Teil ihrer Länge nicht-stetig verlaufen zu lassen, indem sie gezackt oder gewellt oder gezahnt oder mäanderförmig ausgeführt wird. Alternativ hierzu kann auch im Bereich wenigstens einer Schaufelkante Material partiell abgetragen werden, und zwar in Gestalt von Durchgangsbohrungen oder Sackbohrungen, oder von in das Schaufelmaterial eingearbeiteten Rillen oder Nuten, durch welche sich die Schaufeldicke gegen das Ende der Schaufelkante hin verringert.
• Die Maßnahmen sind insbesondere erfolgreich, wenn sie im Eintrittsbereich der Strömung an den Schaufeln des Pumpenrades oder Primärrades vorgenommen werden, im radial inneren Bereich des Meriadianprofiles.
• Auch eine speziell zur Drehrichtung ausgerichtete und vorgenommene Schaufelvorderkantengestaltung, durch einseitige Anspitzung oder enge Verrundung, in einem oder beiden Schaufelrädern führt zu einem sanfteren Drehmoment Schlupf Verlauf.
• Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
• 1 zeigt eine hydrodynamische Kupplung in einem Axialschnitt.
• 2 zeigt wiederum in einem Axialschnitt, jedoch stark schematisch, eine weitere hydrodynamische Kupplung.
• 3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung in Draufsicht auf die Schaufelfläche den Schaufelkantenbereich einer weiteren hydrodynamischen Kupplung.
• 4 zeigt den Gegenstand von 3 in einer Ansicht auf die Schaufelkante von vorn.
• 5 zeigt einseitig angespitzte Schaufelvorderkanten in Bezug auf die Drehrichtung.
• Die in 1 gezeigte hydrodynamische Kupplung ist eine Kupplung mit konstanter Füllung. Sie kann beispielsweise im Bergbau eingesetzt werden, oder zum Antrieb in Förderanlagen, Rührwerken und sonstigen schwer anlaufenden Maschinen.
• Die Kupplung umfasst ein Pumpenrad 1 (Primärschaufelrad) mit Schaufeln 1.1, ferner ein Turbinenrad 2 (Sekundärschaufelrad) mit Schaufeln 2.1. Die beiden Schaufelräder 1 und 2 bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 3. Am Pumpenrad 1 ist eine Schale 4 befestigt. Diese umhüllt das Turbinenrad 2. Das Turbinenrad 2 ist auf der Nabe 5 befestigt. Die Nabe ist drehfest mit einer Abtriebswelle 6 verbunden. Pumpenrad 1 und Schale 4 sind mittels Wälzlagern 7 und 8 auf der Nabe 5 gelagert.
• Im radial inneren Bereich des Turbinenrades 1 befindet sich ein schaufelfreier Stauraum 1.2. An das Pumpenrad 1 ist eine Verzögerungskammer 9 angeschlossen. Diese ist über eine radial äußere und eine radial innere Öffnung mit dem Arbeitsraum 3 leitend verbunden. Die radial äußere Öffnung 10 (Füllungsöffnung) dient zum Überleiten von Arbeitsmedium aus der Verzögerungskammer 9 in den Arbeitsraum 3. Die radial innere Öffnung 11 (Rückführöffnung) lässt eine Strömung von Arbeitsmedium je nach Betriebszustand in beiden Richtung zu, d. h. aus der Verzögerungskammer 9 in den Arbeitsraum 3 und umgekehrt.
• Die Verzögerungskammer 9 weist eine radial innere Wandung 9.1 auf (Boden). Wie man sieht, befindet sich die Rückführöffnung 11 etwa auf demselben Radius wie der Boden 9.1. Durch dieses bauliche Merkmal findet beim Anfahren der Kupplung nach Erreichen einer bestimmten Abtriebsdrehzahl (füllungsabhängig) ein gleichmäßiges Füllen des Arbeitsraumes 3 aus der Verzögerungskammer 9 statt.
• Wie man sieht, sind die freien Kanten der Schaufeln des Pumpenrades wellenförmig ausgebildet – siehe die Wellenlinie 1.1.1. Die Wellenlinie erstreckt sich dabei über die gesamte Länge der Schaufelkante.
• Das gleiche könnte auch bei den Schaufeln 2.1 des Turbinenrades 2 vorgesehen sein.
• Bei der Ausführungsform gemäß 2 sind die freien Kanten der Schaufeln 1.1 des Pumpenrades 1 wiederum in besonderer Weise gestaltet. Man beachte die Sägezahnlinie 1.1.2.
• Wie man erkennt, erstreckt sich die Sägezahnlinie jedoch nur über einen Teil der Schaufelkante, nämlich von deren radial inneren Ende bis zum Zentrum des Arbeitsraumes 3.
• Die 3 und 4 veranschaulichen eine weitere Art der Gestaltung der freien Kante einer Schaufel. Die Schaufel ist nämlich mit Ausfräsungen 1.1.3 versehen, die man als Nuten bezeichnen könnte.
• In 5 sind einseitig angespitzte Schaufeln zu sehen, wobei diese Anspitzung in bestimmter Ausrichtung zur Drehrichtung der Räder vorgenommen wurde.
• Die Schaufeln stehen im allgemeinen senkrecht auf dem Radgrundkörper (Tragschale) oder unter einem Winkel von unter 90°. Sie sind radial angeordnet (Fluchtung durch die Rotationsachse oder radial versetzt zur Rotationsachse).

Claims (4)

1. Hydrodynamische Maschine; mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden; das Pumpenrad und das Turbinenrad weisen jeweils mehrere Schaufeln auf, deren jede eine in den Arbeitsraum hineinragende freie Kante hat; der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsmedium füllbar; die freie Kante wenigstens einer Schaufel weist wenigstens auf einem Teil ihrer Länge einen nicht-stetigen Verlauf, indem sie gezackt oder gewellt oder gezahnt oder mäanderförmig ausgeführt ist.
2. Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur Schaufelkanten des Pumpenrades einen nicht-stetigen Verlauf aufweisen.
3. Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der nicht-stetige Verlauf nur über einen Teil der Schaufelkante erstreckt, ausgehend von dem radial inneren Ende der Schaufelkante.
4. Hydrodynamische Maschine; mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden; das Pumpenrad und das Turbinenrad weisen jeweils mehrere Schaufeln auf, deren jede eine in den Arbeitsraum hineinragende freie Kante hat; der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsmedium füllbar; der Bereich wenigstens im Bereich einer Schaufelkante ist Material partiell abgetragen, und zwar in Gestalt von Durchgangsbohrungen oder Sackbohrungen oder in das Schaufelmaterial eingearbeitete Rillen oder Nuten, durch welche sich die Schaufeldicke gegen das Ende der Schaufelkante hin verringert.