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Beschaufelung für hydraulische Drehmomentwandler Die Erfindung bezieht
sich auf eine Beschaufelung für hydraulische Drehmomentwandler, die aus einem Kranz
von relativ geraden Hauptschaufeln und einem Kranz von gekrümmten Hilfsschaufeln
besteht, welche nahe den Eintrittsabschnitten der Hauntschaufeln derart angeordnet
sind, daß sie sich in Abhängigkeit vorn Strömungszustand des Betriebsmittels den
Hauptschaufeln anschmiegen oder von diesen entfernen und durchströmbare Kanäle freigeben.
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Bei einer bekannten Beschaufelung dieser Art sind als Hilfsschaufeln
starre Schaufelkörper auf einem Ring angeordnet, welcher gegen den Hauptschaufelkranz
verdreht werden kann. Diese starren Hilfsschaufeln vermögen sich jedoch den wechselnden
Anströmverhältnissen - die sich keineswegs sprunghaft ändern - nicht kontinuierlich
anzupassen; zwar können die Kanäle zwischen den Haupt- und Hilfsschaufeln unterschiedlich
weit geöffnet werden, jedoch ist die Hilfsschaufel selbst immer nur einem bestimmten
Strömungszustand angepaßt. Ferner erfolgt bei der älteren Anordnung mit dem Öffnen
der Kanäle keine Freigabe zusätzlichen Strömungsquerschnittes, vielmehr erfolgt
lediglich eine andere Verteilung der freien Einlaßquerschnitte vor den Hauptschaufeln.
Schließlich ist eine Ringanordnung der bekannten Art störanfällig, da Verkantungen
und Reibungseinflüsse zwischen Hauptschaufelring und Hilfsschaufelring nie gänzlich
auszuschalten sind.
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Die gestellte Aufgabe besteht darin, die erwähnten Störanfälligkeiten
wie Verkantungen und Reibungseinflüsse weitgehendst auszuschalten.
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Diese Nachteile werden dadurch vermieden, daß die Hilfsschaufeln in
an sich bekannter Weise von festen Schaufelkörpern und daran befestigten Laschen
gebildet sind und daß deren freie, sich in Strömungsrichtung erstreckende Enden
durch Federkraft an die Druckseite der Hauptschaufeln gedrückt werden, sich aber
unter dem Druck der Strömung nachgiebig abheben und die Kanäle mehr oder weniger
freigeben können. Auf diese Weise wird eine erhebliche Verringerung der Stoß- und
Turbulenzverluste an den Eintrittsabschnitten der Schaufeln erzielt, so daß der
Betriebsbereich hohen Wirkungsgrades entsprechend verbreitert wird. überdies ist
die neue Anordnung einfach und billig herstellbar.
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Es ist grundsätzlich bekannt, Schaufeln für einen hydraulischen Drehmomentwandler
aus einem raumfesten Schaufelkörper und einer daran befestigten, flexiblen Lasche
herzustellen, jedoch dienten die bekannten Schaufeln nur als unabhängig im Strömungskreislauf
angeordnete Leitglieder oder als Hauptschaufeln, deren Austrittsabschnitte demgemäß
flexibel ausgebildet waren. Sie dienten nicht im erfindungsgemäßen Sinne als Hilfsschaufeln
am Eintrittsabschnitt der Hauptschaufeln derart, daß ihre flexiblen Laschen nach
Art eines Ventils strömungsführende Kanäle zwischen den Hilfs- und Hauptschaufeln
freigeben bzw. schließen.
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Vorzugsweise ist jeder Hilfsschaufelkörper und die zugehörige Hauptschaufel
Primär- bzw. Sekundärabschnitt einer Schaufel mit gekrümmtem Eintrittsabschnitt
und relativ geradem Eintrittsabschnitt, wobei zwischen Primär- und Sekundärabschnitt
im gekrümmten Abschnitt der Kanal vorgesehen ist. Jedem Hauptschaufelabschnitt können
ferner mehrere in Strömungsrichtung hintereinanderliegende Hilfsschaufelabschnitte
zugeordnet sein, und die dazwischenliegenden Kanäle werden von einer gemeinsamen
oder mehreren einzelnen Laschen abgedeckt.
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Von Vorteil für die Strömungsführung ist ferner eine derartige Befestigung
der aus blattförmigem Material bestehenden Laschen, daß diese die Hilfsschaufeln
bzw. Primärabschnitte umfassen und sich druckseitig von diesen abheben, wenn sie
die Kanäle freigeben.
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Zur Veranschaulichung der Erfindung werden Ausführungsbeispiele an
Hand der Zeichnungen im folgenden näher beschrieben, und zwar zeigt F i g. 1 einen
Axialabschnitt eines erfindungsgemäßen hydraulischen Drehmomentwandlers, der im
Interesse eines größeren Maßstabes nur mit seiner oberen Hälfte dargestellt ist,
F
i g. 2 und 2 a Schnitte nach der Linie 2-2 der F i g. 1 mit der Darstellung der
Primär- und Sekundärschaufeln, wobei die an der Primärschaufel angebrachte flexibel-elastische
Blattfederlasche an der Sekundärschaufel anliegt, um auf der Druckseite der beiden
Schaufeln eine kontinuierliche Stromlinie bei niedriger Geschwindigkeit vorzusehen,
F i g. 3 und 3 a ähnliche Ansichten mit der Darstellung der Lasche in Abstand von
der Sekundärschaufel bei einem geänderten Eintrittswinkel B, wie beispielsweise
bei Betrieb mit höherer Geschwindigkeit, wodurch die Primär- und Sekundärschaufeln
im wesentlichen völlig unabhängig werden, F i g. 4 einen weiteren Schnitt nach Art
der F i g. 1 mit der Darstellung von Primär- und Sekundärschaufeln mit flexiblen,
elastischen Blattfederlaschen an der Pumpe, der Turbine und dem Reaktionsglied,
F i g. 5 eine mehr oder weniger schematische Schnittansicht der drei Schaufelsätze
mit der Darstellung von deren Form entlang der mittleren, in F i g. 4 strichpunktiert
angedeuteten Stromlinie, wobei die Schaufeln alle einen durch Guß hergestellten
stromlinienförmigen Querschnitt haben und wobei die an der Eintrittsseite jedes
der drei Elemente vorgesehenen Laschen bei niedriger Geschwindigkeit die durch ausgezogene
Linien angegebene Stellung und bei höherer Geschwindigkeit die gestrichelt angegebene
Stellung einnehmen, F i g. 6 eine der F i g. 5 ähnliche Ansicht, bei der die Schaufeln
jedoch aus Metallblech und nicht aus Gußmaterial hergestellt sind, F i g. 5 a und
6 a zwei den F i g. 5 und 6 jeweils entsprechende, jedoch eine Pumpenbeschaufelung
mit geänderten Einlaß- und Auslaßwinkeln zeigende Darstellungen, F i g. 7 einen
Schnitt einer anderen, geformten Metallblechschaufel mit einer größeren Öffnung
am Eintrittsabschnitt der Schaufel, um eine größere Winkeländerung der Strömung
an der Eintrittsseite zu gestatten, wobei die Öffnung der Schaufel geteilt und für
jeden Abschnitt der Öffnung eine getrennte Lasche vorgesehen ist, F i g. 8 eine
in die Zeichenebene gelegte Draufsicht auf die Schaufel in F i g. 7 ohne Laschen,
F i g. 9 eine der F i g. 7 ähnliche Ansicht der Darstellung einer anderen Schaufel,
in die am Eintrittsabschnitt eine Mehrzahl von fensterförmigen öffnungen gestanzt
ist, zwischen denen sehr schmale Rippen verbleiben, die als Auflage oder Anschlag
für die als Abdeckung dieser Öffnungen angeordnete Lasche dienen, und F i g. 10
ist eine in die Zeichenebene gelegte Draufsicht auf die Schaufel in F i g. 9 ohne
Lasche.
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In den Zeichnungen ist ein hydraulischer Drehmomentwandler 7 der Föttinger-Bauart
dargestellt. Das Pumpenrad 8 des Wandlers ist der übersichtlichkeit wegen mit P
bezeichnet. Es ist bei 10 mit dem fliegend gelagerten Rad 9 verbunden,
das sich mit der Antriebswelle 11 dreht.' Das Reaktionselement oder Leitrad 12 ist
mit R bezeichnet, das Turbinenrad 13 mit T. Bei 14 ist eine Freilauf-
oder Öberholkupplung angedeutet, über die das Leitrad 12 mit einer Hülse 15 verbunden
ist, die von der ortsfesten Rückwand 16 eines nicht dargestellten Gehäuses
getragen wird. Das Gehäuse umschließt den Drehmomentwandler 7. Die Abtriebswelle
17 wirkt in der Hülse 15 als Lager und ist mit dem Turbinenrad 13 bei
18 durch eine Paßfeder verbunden. Die Strömungsrichtung der vom Pumpenrad
P durch das Turbinenrad T und dann durch das Leitrad R strömenden Flüssigkeit ist
durch Pfeile angegeben. Mindestens das Reaktionselement oder Leitrad R ist in einer
verbesserten, neuartigen Konstruktion hergestellt, die den Betriebsbereich hohen
Wirkungsgrades durch Verringerung der Stoß- und Turbulenzverluste an den Eintrittsseiten
der Schaufeln dieses Leitrades erhöht. Diese neue Konstruktion ist in den F i g.
2 bis 3 a dargestellt. Jeder Schaufelkörper des Leitrades ist in Form eines Primärflügels
oder Primärschaufelabschnittes 19 (im folgenden kurz als Primärschaufel bezeichnet)
und eines Sekundärflügels oder Sekundärschaufelabschnittes 20 (ebenfalls kurz als
Sekundärschaufel bezeichnet) gegossen, die beide stromlinienförmigen Querschnitt
aufweisen. Das dünne, verjüngte Schwanzende der Primärschaufel weist einen Abstand
von der breiten, gerundeten Eintrittsseite der Sekundärschaufel auf, so daß zwischen
ihnen ein relativ beschränkter Kanal oder Durchlaß 21 gebildet ist. Die Primärschaufel
trägt eine relativ dünne, flexible, elastische Blattfederlasche 23, die als automatisches
Ventil wirkt, welches durch Anliegen an der Vorder- oder Druckseite der Sekundärschaufel
bei niedrigen Turbinengeschwindigkeiten geschlossen (vgl. F i g. 2 und 2 a), aber
derart angeordnet ist, daß es bei höheren Turbinengeschwindigkeiten mehr oder weniger
von der durch den Durchlaß 21 strömenden Flüssigkeit aufgedrückt wird (vgl.
F i g. 3 und 3 a). Auf diese Weise sind für niedrigere Drehzahlverhältnisse und
höhere Drehzahlverhältnisse unterschiedliche Eintrittswinkel der Schaufeln gebildet,
und der Eintrittswinkel ändert sich automatisch, um mit dem Strömungswinkel der
Flüssigkeit während der Drehmomentübersetzung übereinzustimmen. In der geschlossenen
Stellung wirkt die Lasche 23 mit den Primär- und Sekundärschaufeln zusammen und
bildet auf der Vorder- oder Druckseite der beiden Schaufeln eine durchgehende Stromlinie,
wie deutlich aus den F i g. 2 und 2 a hervorgeht. Falls man es wünscht, kann der
hintere Randabschnitt der Lasche 23 verjüngt sein, um die geringe, von diesem Rand
gebildete Stufe auszuschalten, aber die geringe Stärke des verwendeten Metalls macht
diese Vorsichtsmaßnahme in den meisten Anwendungsfällen überflüssig. Der Ansatzabschnitt
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der Lasche 23 ist in geeigneter Weise um die Primärschaufel geschlungen,
an dieser befestigt und bildet deren stromlinienförmige Außenhaut. Der zusammengesetzte,
aus drei Abschnitten bestehende Schaufelaufbau hat daher sowohl in der offenen als
auch in der geschlossenen Stellung der Lasche 23 Stromlinienform, so daß sich für
alle Betriebsbedingungen kleinste Stoßverluste ergeben.
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Durch die verbesserte Schaufelkonstruktion des Reaktionselementes
oder Leitrades R, wie es in den F i g. 2 bis 3 a dargestellt ist, ist der Betriebswirkungsgrad
infolge der Verringerung von Stoß- und Turbulenzverlusten an den Eintrittsseiten
der Schaufeln des Leitrades R stark erhöht, wobei durch die Laschen 23 der Schaufeln
für verschiedene Drehzahlverhältnisse verschiedene Eintrittswinkel erzielt werden.
Die flexiblen und elastischen Blattfederlaschen 23 bilden auf der Druckseite der
Primär- und Sekundärschaufeln 19 und 20 eine kontinuierliche Stromlinie,
wenn sich die Laschen in der für geringe Drehzahl vorgesehenen Stellung befinden.
Während dieses Betriebes ist der in den F i g. 2 und 2 a mit A bezeichnete
Eintrittswinkel
von höchstem Wirkungsgrad für geringere Drehzahlverhältnisse. Die Laschen lösen
sich bei höheren Drehzahlverhältnissen von der Schaufel 20, öffnen den Durchlaß
21 und bewirken damit automatisch einen Wechsel des Schaufeleintrittswinkels zum
Strömungswinkel hin, der mit B in den F i g. 3 und 3 a bezeichnet ist, was zu geringeren
Stoßverlusten bei Betriebsbedingungen mit höherer Drehzahl führt.
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In -den F i g. 4 und 5 sind die Laschen 23 am Hauptabschnitt der Schaufeln
des Reaktionselementes oder Leitrades R1 die gleichen wie in den F i g. 1 bis 3
a, und entsprechend sind die Primär- und Sekundärschaufelabschnitte mit
19 bzw. 20 bezeichnet, desgleichen der dazwischenliegende Durchlaß
mit 21.
Ähnliche Laschen 23 a und 23 b sind an den Eintrittsseiten der Schaufelkörper
des Pumpenrades 1 bzw. des Turbinenrades T1 vorgesehen. Jeder Schaufelkörper des
Pumpenrades P1 enthält eine Primärschaufel 19 a und eine Sekundärschaufel 20 a,
zwischen denen sich ein Durchlaß 21a befindet. Ebenfalls enthält jeder Schaufelkörper
des Turbinenrades T1 eine Primärschaufel 19b und eine Sekundärschaufel
20 b mit einem dazwischenliegenden Durchlaß 21 b. In F i g. 5 sind die Laschen
23, 23 a und 23 b in ihrer geschlossenen Stellung bei Betrieb mit niedriger Drehzahl
in vollen Linien ausgezogen, während ihre offene Stellung beim Betrieb mit höherer
Drehzahl gestrichelt dargestellt ist. Das Ausmaß der Öffnung hängt natürlich von
der Zunahme der Drehzahl beim Betrieb ab, und der Strömungseintrittswinkel ist bei
geringerer Drehzahl durch die Pfeile A und bei höherer Drehzahl durch die Pfeile
B dargestellt. Falls alle drei Elemente R1, P1 und T, des Drehmomentwandlers mit
Schaufeln nach der in F i g. 5 dargestellten Konstruktion ausgestattet, d. h. mit
Primär- und Sekundärschaufelabschnitten stromlinienförmigen Querschnittes mit dazwischenliegenden
Durchlässen und auf der Druckseite der Schaufeln angeordneten Laschen versehen sind,
welch letztere die Durchlässe unter dem Strömungsdruck schließen, um damit praktisch
in jedem Fall einstückige Schaufeln stromlinienförmigen Querschnittes zu bilden,
dann ist infolge der Verringerung der Stoß- und Turbulenzverluste ein Betrieb mit
höchstem Wirkungsgrad erzielbar. Dies insbesondere, da die Laschen nach ihrem Öffnen
in übereinstimmung mit der Änderung der Strömungswinkel bei Änderungen der Betriebsdrehzahlen
eine Strömung zwischen den Primär- und Sekundärschaufeln jeden Elementes gestatten,
die ebenfalls mit der Änderung des Strömungswinkels bei Änderungen der Betriebsdrehzahl
in übereinstimmung steht.
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Obgleich in den F i g. 1 bis 5 gegossene Schaufelkonstruktionen dargestellt
sind, ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich nicht auf die Anwendung bei
solchen Konstruktionen beschränkt. Demgemäß sind in F i g. 6 die Laschen 23 c, 23
d und 23 e, die in ihrer geschlossenen Stellung bei Betrieb mit geringer Geschwindigkeit
A mit ausgezogenen Linien und in ihrer offenen Stellung beim Betrieb mit höherer
Drehzahl B gestrichelt dargestellt sind, an Schaufeln 8", 12" und 13" befestigt,
deren Schaufelkörper aus entsprechend geformtem Metallblech besteht. Selbstverständlich
bedeutet die Abweichung von stromlinienförmigem Querschnitt ein Zugeständnis hinsichtlich
des Betriebswirkungsgrades im Vergleich mit den vorbeschriebenen und in den anderen
Zeichnungen dargestellten Ausführungen, aber ein so aufgebauter Drehmomentwandler
stellt trotzdem immer noch eine beträchtliche Verbesserung gegenüber früheren Ausführungen
dar, und zwar infolge der Laschen 23 c, 23 b und 23 e, durch die veränderliche Schaufeleintrittswinkel
vorgesehen sind. Die Laschen bilden dabei in ihrer geschlossenen Stellung auf der
Druckseite der Primärschaufeln a und Sekundärschaufeln b der Schaufeln 8", 12" und
13" eine kontinuierliche Stromlinie während des Betriebes mit niedriger Drehzahl
- wie dies mit ausgezogenen Linien in F i g. 6 gezeigt ist -, aber wechseln ihre
Stellungen bei höheren Drehzahlverhältnissen entsprechend der Änderung der Strömungswinkel,
um eine Strömung durch die Durchlässe 21" zwischen den Primär- und Sekundärschaufeln
a und b zu ge-
statten, was ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen
Ausführungen zu verringerten Stoßverlusten bei höheren Drehzahlverhältnissen führt.
Ansatzabschnitte der Laschen 23 c, 23 d und 23 e sind jeweils um die Primärschaufelabschnitte
der Schaufeln 8", 12" und 13" geschlungenen und beispielsweise durch Vernieten,
Schweißen oder Umbiegen befestigt.
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Die F i g. 5 a und 6 a zeigen Schnitte durch Schaufeln 8 a
und 8 b von Pumpenelementen P3 bzw. P4, deren Schaufelkörper im Verhältnis
zu den Schaufeln 8" der F i g. 5 und 6 jeweils gegenläufige Krümmung haben,
so daß die Laschen 23 f und 23 e im Verhältnis zu den zwischen den Primär- und Sekundärschaufeln
a bzw. b auf der Druckseite der Schaufeln bei Hochtourenbetrieb gebildeten
Durchlässen 21 c geschlossen sind. Die Laschen 23 f und 23g sind jedoch
so angeordnet, daß sie bei Betriebsbedingungen geringerer Drehzahl sich gemäß den
unterschiedlichen Strömungswinkeln (z. B. gemäß Pfeil A in den F i g. 5 a und 6
a) mehr oder weniger öffnen, was zu verringerten Stoßverlusten bei den niedrigeren
Drehzahlverhältnissen führt. Mit anderen Worten: Die vorliegende Erfindung ist gleich
gut anwendbar auf solche Drehmomentwandler, die für einen höchsten Wirkungsgrad
bei niedrigeren Drehzahlverhältnissen ausgelegt ist.
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In den F i g. 7 und 8 ist eine Schaufel 12 a für ein Reaktionselement
oder Leitrad R3 dargestellt, dessen Schaufelkörper in einem einzigen Stück aus Metallblech
mit zwei parallelen Öffnungen 21 d und 21 e hergestellt ist. Die Öffnungen bzw.
Durchlässe sind in den Eintrittsabschnitt des Schaufelkörpers derart parallel gestanzt,
daß enge, parallele Stege 25 und 26 verbleiben, auf denen Laschen 23 h und
23 i bei 27
in F i g. 7 befestigt und normalerweise durch Federkraft
in ihre geschlossene Stellung, nämlich in Anschlag auf der Druckseite der Schaufel,
gepreßt sind. Dadurch werden die Durchlässe 21 d und 21 e während des Betriebes
mit niedriger Geschwindigkeit, wenn die Strömung unter dem Winkel A eintritt, geschlossen.
Bei höheren Drehzahlen, wenn die Strömung unter dem Winkel B1 eintritt, öffnet die
Lasche 23 a, während die Lasche 231 geschlossen bleibt. Bei einer noch höheren
Drehzahl, wenn die Strömung unter dem Winkel B., eintritt, öffnet auch die andere
Lasche 23 i. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen den Schaufelabschnitten einen
großen Spalt vorzusehen und eine größere Winkeländerung an der Eintrittsseite zu
gestatten, ohne zu große Biegungen der Lasche 23 h und 23 i hervorzurufen, die schließlich
in bleibender Verformung der Laschen resultieren könnten. In F i g. 8 deuten die
strichpunktierten
Linien 28 die inneren und äußeren Kreisringe (Toren)
des Drehmomentwandlerrades an, wobei die Randabschnitte 29 der Schaufeln
durch Vergießen, Verschweißen oder Vernieten mit den entsprechenden Abschnitten
der Räder verbunden sind, um die Räder mit ihren Beschaufelungen zu versehen.
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Die in den F i g. 9 und 10 dargestellte Schaufel 12d des Reaktionselementes
oder Leitrades R4 ist der Schaufel 12a ähnlich, hat aber drei Reihen fensterähnlicher
Öffnungen 21f, 21 e und 21 h, die derart in den Eintrittsabschnitt
des Schaufelkörpers gestanzt sind, daß schmale Rippen 30 zwischen ihnen verbleiben,
die Stützanschläge für die Lasche 23j
bilden, welche normalerweise durch Federdruck
in Anlage auf der Druckseite der Schaufel gepreßt ist. Die Lasche verschließt damit
die fensterartigen Öffnungen und verbleibt in dieser Stellung während eines Betriebes
mit niedriger Drehzahl, wenn also der Eintrittswinkel dem Pfeil A entspricht. Bei
höherer Drehzahl, wenn der Eintrittswinkel der Strömung B entspricht, öffnet sich
die Lasche 23 j mehr oder weniger je nach der Betriebsdrehzahl und dem Winkel der
eintretenden Strömung. Der größere Spalt, den diese fensterartigen Öffnungen zwischen
den Schaufelabschnitten bilden, erlaubt eine größere Variation des Eintrittswinkels
ohne Deformation der Lasche. Die strichpunktierten Linien 28 und die Randabschnitte
29 haben die gleiche Bedeutung wie in F i g. B.