DE102005050736A1

DE102005050736A1 - Hydrodynamische Kupplung

Info

Publication number: DE102005050736A1
Application number: DE200510050736
Authority: DE
Inventors: Kurt Adleff; Markus Dr. Kley; Reinhold Dr. Pittius
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2005-10-22
Filing date: 2005-10-22
Publication date: 2007-04-26
Also published as: WO2007045330A2; WO2007045330A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung DOLLAR A - mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die beide miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden; DOLLAR A - mit einer Schale, die wenigstens einen Teil des Pumpenrades umgibt; DOLLAR A - die Turbinenseite, umfassend das Turbinenrad sowie die Schale und andere, zusammen mit dem Turbinenrad drehfest verbundene Teile, weisen ein Massenträgheitsmoment auf, das größer ist als jenes Massenträgheitsmoment, das für die Funktion der Turbinenseite notwendig wäre.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung, insbesondere eine solche hydrodynamische Kupplung, die zum Antreiben eines Kompressors bestimmt ist.

Eine solche hydrodynamische Kupplung umfasst ein Pumpenrad sowie ein mit diesem zusammenarbeitendes Turbinenrad. Pumpenrad und Turbinenrad bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum. Dieser ist mit Arbeitsmedium füllbar. In manchen Fällen ist er mit Arbeitsmedium ständig angefüllt. In anderen Fällen ist er mit Arbeitsmedium in regelbarer oder steuerbarer Weise füllbar und wieder entleerbar. Als Arbeitsmedium kommen beispielsweise ein Hydrauliköl, Wasser oder ein anderes fließfähiges Medium in Betracht.

Ein wichtiger Anwendungsfall liegt bei einem Maschinensatz vor, umfassend einen Elektromotor, zum Beispiel einen Dieselmotor umfassend, eine hydrodynamische Kupplung der genannten Art sowie ein Kompressor zum Verdichten von Gas. Als Gas können Luft, Erdgas oder ein anderes Gas in Betracht kommen. Bei dem Kompressor handelt es sich um einen Kolbenkompressor, der nach dem bekannten Prinzip aufgebaut ist, umfassend ein Gehäuse, in darin hin- und hergehender Kolben, einer Pleuelstange und einer Kurbelwelle. Das Gehäuse weist einen Einlass und einen Auslass auf. Der Auslass kann einen Druckkessel angeschlossen sein. Ein Ventil ist zwischengeschaltet.

Während eines Arbeitszyklus wirken auf den Kompressor in bekannter Weise sich ändernde Drehmomente bzw. Kräfte ein. Beim Arbeitshub wird auf die Kurbelwelle kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes ein maximales Drehmoment aufgebracht. Das Auslassventil öffnet, und es strömt Gas in den Kessel. Am oberen Totpunkt wirkt auf die Arbeitsfläche (Stirnfläche) des Kolbens Kesseldruck. Jedoch übertragt die Kurbelwelle kein Drehmoment, da die Pleuelstange mit der Kolben-Längsachse fluchtet. Nach Überschreiten des oberen Totpunktes steht für eine kurze Zeitspanne weiterhin Kesseldruck auf den Kolben. Sodann schließt das Auslassventil. Es folgt eine Phase eines negativen Momentes, das an der Kurbelwelle angreift. Die genannten Drehmomentänderungen führen zu einem unruhigen Lauf. Im schlimmsten Falle kommt es zu einem Rückdrehen der Kurbelwelle des Kompressors. Zylinderkompressoren sind am anfälligsten. Es ist bekannt, die Laufruhe bei Kurbeltrieben durch eine Schwungmasse zu verbessern, die in den Kraftfluss geschaltet wird.

Anlagen der in Rede stehenden Art steht häufig nur ein sehr beschränkter Raum zur Verfügung. Auch führt der Einbau von Schwungmassen zu einer Kostensteigerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Art derart zu gestalten, dass die Laufruhe verbessert wird, der Bauraum nicht oder nur geringfügig vergrößert wird, insbesondere in Richtung des Kraftflusses, d. h. in Richtung der Wellen der Antriebsaggregate wie Motor oder Kupplung, und dass die Kosten auf einem Minimum gehalten werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Der fragmentarisch gezeigte Maschinensatz umfasst einen Motor, eine hydrodynamische Kupplung sowie einen Kompressor. Der Motor ist nicht dargestellt, vom Kompressor sieht man nur die Anschlussteile, während von der hydrodynamischen Kupplung die entscheidenden Bauteile dargestellt sind.
Die Kupplung weist ein Pumpenrad 1 sowie ein Turbinenrad 2 auf. Diese beiden bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 3. Das Pumpenrad 1 ist mit einer Antriebswelle 4 drehfest verbunden. In die Antriebswelle 4 wird Drehmoment über ein Ritzel 5 eingeleitet. Dieses ist auf der Antriebswelle 4 aufgekeilt und kämmt mit einem Zahnrad 6, das mit dem nicht dargestellten Motor in Triebverbindung steht.
Das Turbinenrad 2 ist mit einem topfartigen Bauteil 7 drehfest verbunden, im folgenden „Topf" genannt.
Der Topf 7 weist einen radial inneren achssenkrechten Nabenteil 7.1 auf, ferner einen achsparallelen Teil 7.2. An den achsparallelen Teil des Topfes 7 ist eine Schale 8 angeschlossen. Diese umschließt einen wesentlichen Teil des Pumpenrades 1.
Turbinenrad 2, Topf 7 und Schale 8 sind fest miteinander verbunden, und laufen somit gemeinsam um. Die feste Verbindung zwischen Turbinenrad 2 und Topf 7 ist mittels einer Spannschraube 9 hergestellt, die ihrerseits in einen Distanzbolzen 13 eingeschraubt ist. Die feste Verbindung zwischen Topf 7 und Schale 8 ist mittels einer Verschraubung 10 hergestellt. Das radial innere Ende der Schale 8 ist durch eine Dichtung 11 gegen den Umfang der Antriebswelle 4 abgedichtet.
Turbinenrad 4 ist zweckmäßigerweise aus einem Material hergestellt, das ein besonders hohes spezifisches Gewicht aufweist, am besten ein höheres spezifisches Gewicht, als das Material, aus welchem das Pumpenrad 1 hergestellt ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist das Turbinenrad 2 besonders stark dimensioniert. Dies gilt vor allem für den radial außenliegenden, achssenkrechten Teil von Topf 7. Dies hat zur Folge, dass das Massenträgheitsmoment der gesamten, zusammen mit dem Turbinenrad umlaufenden Baugruppe besonders hoch ist, was erwünscht ist. Dabei kann der verfügbare Bauraum – vor allem der radial verfügbare – weitgehend ausgenutzt werden.
Turbinenrad 2 könnte auch einteilig mit dem Topf 7 gestaltet sein, so dass der vom Turbinenrad 2 zu bildende Teil des Arbeitsraumes 3 dadurch erzeugt wird, dass der Topf 7 eine entsprechende torusförmige Aussparung aufweist.
Distanzbolzen 7.1 des Topfes weist an seiner Stirnseite den einen Teil einer Hirthverzahnung 7.3 auf. Der andere Teil der Hirthverzahnung 7.3 ist Bestandteil des Kompressors 12. Die beiden Teile der Hirthverzahnung arbeiten formschlüssig miteinander zusammen.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht somit darin, bei einer hydrodynamischen Kupplung die „Turbinenseite" mit besonders viel Masse zuzuordnen, so dass ein hohes Massenträgheitsmoment entsteht. Dabei wird unter „Turbinenseite" das Turbinenrad selbst verstanden, sowie gegebenenfalls auch alle jene Teile, die mit dem Turbinenrad drehfest verbunden sind. Die Turbinenseite hat somit eine Masse, die höher ist als jene Masse, die die Turbinenseite bei einer für die eigentliche Turbinenfunktion notwendigen Gestaltung hätte. Als Folge dieser Maßnahme ist das Massenträgheitsmoment der Turbinenseite hoch. In der Praxis hat die Turbinenseite gemäß der Erfindung ein Massenträgheitsmoment, das ein Mehrfaches des Massenträgheitsmomentes des Pumpenrades aufweist. So kann die Turbinenseite ein Massenträgheitsmoment von 20.000 kg/mm² aufweisen, die Pumpenseite aber nur 1.000 kg/mm². Es ist aber auch denkbar, dass die Turbinenseite eine nur um wenige Prozent höhere Massenträgheit hat als die Pumpenseite, beispielsweise nur 5 % oder darüber.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung der Turbinenseite wird auf besonders geschickte Weise Schwungmasse bereitgestellt, die einen ruhigeren Ablauf von Kurbelwelle und Kolben bewirkt sowie ein leichteres Durchziehen des Kolbens über den oberen Totpunkt hinaus. Es wird extrem wenig Raum benötigt, und die Kosten sind relativ niedrig.

Claims

Hydrodynamische Kupplung 1.1 mit einem Pumpenrad (1) und einem Turbinenrad (2), die beide miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum (3) bilden; 1.2 mit einer Schale (8), die wenigstens einen Teil des Pumpenrades (1) umgibt; 1.3 die Turbinenseite, umfassend das Turbinenrad (2) sowie die Schale und andere, zusammen mit dem Turbinenrad (2) drehfest verbundenen Teile weisen eine Masse auf, die größer ist als jene Masse, die für die Funktion der Turbinenseite notwendig wäre.
Hydrodynamische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenseite ein Massenträgheitsmoment aufweist, das wenigstens das 1,05fache des Massenträgheitsmomentes des Pumpenrades (1) beträgt.
Hydrodynamische Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenseite ein Massenträgheitsmoment aufweist, die das 1,1 fache bis 10fache oder bis 50fache oder einen dazwischen liegenden Wert des Massenträgheitsmomentes des Pumpenrades (1) beträgt.
Hydrodynamische Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Turbinenrad (2) und Schale (8) drehfest miteinander verbunden sind.
Hydrodynamische Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (1) von einem topfförmigen Teil (Topf) (7) auf seiner vom Arbeitsraum (3) abgewandten Seite umschlossen und mit diesem drehfest ist.
Hydrodynamische Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Turbinenrad (1) und Topf (7) einteilig miteinander sind.
Hydrodynamische Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Teil der Schale (8) an den radial äußeren Teil des Topfes (7) angeschlossen ist.
Hydrodynamische Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der drehfest miteinander verbundenen Bauteile Turbinenrad (1), Topf (7) und Schale (8) aus einem spezifisch schwereren Material als das Pumpenrad besteht.
Maschinensatz, umfassend einen Elektromotor oder einen Dieselmotor, eine diesem nachgeschaltete hydrodynamische Kupplung sowie einen Kolbenkompressor oder eine andere Arbeitsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 gestaltet ist.