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Die Erfindung bezieht sich auf einen hydrokinetischen Drehmomentwandler,
insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei dem im toroidalen Strömungskreislauf einer
Pumpe mehrere Turbinen und Leiträder folgen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Drehmomentwandler
so auszugestalten, daß über einen größeren Drehzahlbereich eine erhöhte Drehmomentvervielfachung
vorhanden ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeweils zwischen zwei Turbinen
eine weitere Pumpe angeordnet ist, die die Strömung aus einem der Turbinen folgenden
Leitrad übernimmt, Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine
Hauptpumpe und eine erste Turbine vorgesehen, die am Pumpenaustritt liegt. Am Austritt
der ersten Turbine liegt ein Leitrad, und diesem folgt eine Hilfspumpe, die mit
der Hauptpumpe verbunden ist. Der Hilfspumpe folgt eine zweite Turbine, auf die
dann ein zweites Leitrad folgt. In dem Strömungskreis liegt außerdem eine dritte
Turbine, und zwar vor dem Eintritt der Hauptpumpe. Es sind also zwei hydrokinetische
Drehmomentwandler in einem gemeinsamen Strömungskreis in Reihe geschaltet, von denen
ein jeder eine Pumpe, ein Leitrad und mindestens eine Turbine aufweist.
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Bei einem derartigen hydrokinetischen Wandler steigert jede Pumpe
den Impuls (Bewegungsgröße) der Flüssigkeit im Strömungskreislauf. Wenn die Flüssigkeit
eine Turbine durchquert, sinkt der Impuls der Flüssigkeit, wobei an der Turbine
ein Drehmoment entwickelt wird. Aus diesem Grunde wird die Strömung nach Verlassen
der Turbine -über ein Leitrad geleitet, das im Strömungsaustrittsbereich angeordnet
ist.
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Weiterhin ist eine zweite Pumpe vorgesehen, die zwischen dem Strömungsaustritt
des ersten Leitrades und dem Eintritt der zweiten Turbine liegt. Hierdurch entsteht
eine Impulssteigerung der Flüssigkeit, bevor sie in die zweite Turbine eintritt.
Dadurch ergibt sich ein höherer Betriebswirkungsgrad und ein höheres Drehmomentverhältnis
sowie eine bessere Charakteristik des K-Faktors (Kennwert) des Drehmomentwandlers.
Der K-Faktor ist definiert durch die Pumpengeschwindigkeit, geteilt durch die Quadratwurzel
des Pumpendrehmomentes. Dabei steigt die Motordrehzahl beim Beschleunigen verhältnismäßig
rasch an.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist eine dritte Turbine
vorgesehen, die im Flüssigkeitseintrittsbereich der Hauptpumpe liegt. Der Schaufelwinkel
dieser dritten Turbine ist einstellbar, so daß er immer dem Anströmwinkel der Flüssigkeit
entspricht.
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Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfinding werden die Winkelstellungen
der zweiten Pumpe einstellbar gemacht, so daß die Schaufelwinkel sich besser an
die Geschwindigkeitsvektorenwinkel der absoluten Flüssigkeitsströmung bei verschiedenen
Geschwindigkeitsverhältnissen anpassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Querschnitt durch einen
Drehmomentwandler mit den Merkmalen der Erfindung, F i g. 2 eine schematische
Schaufel- und Vektorendarstellung der Strömungsvektoren innerhalb des Strömungskreislaufes,
F i g. 3 und 3 A schematisch einen Drehmomentwandler mit den Merkmalen
der Erfindung, bei dem die Winkelstellung des zweiten Pumpenteiles einstellbar ist.
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In F i g. 1 bezeichnet 10 den Flansch einer Kurbelwelle
einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeuges. Dieser Flansch ist durch Bolzen
12 mit der Nabe einer Platte 14 verbunden. Die Platte ihrerseits ist durch Bolzen
16 mit dem äußeren Umfang 18
eines Gehäuseteiles 20 des Pumpenteiles
verbunden. Ein zweiter Gehäuseteil 22 des Pumpenteiles ist am Umfang 24 mit dem
Umfang 18 und dem Umfang der Platte, 14 verbunden. Der Gehäuseteil 22 kann
ein Ringzahnrad 24 für den Anlasser der Maschine tragen.
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Der Gehäuseteil 22 weist die Form eines Strömungskreislaufes auf und
ist mit einer Nabe 26 versehen, die in üblicher Weise in einer Öffnung des
Getriebegehäuses gelagert sein kann. Die Nabe des Gehäuseteiles 20 ist mit einer
Führungsnabe 28 verschweißt, die ihrerseits in eine Öffnung 30 in
dem Flansch 10 der Kurbelwelle eingreift.
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Am Innendurchmesser des Gehäuseteiles 22 ist der Innenring
32 eines Pumpenmantels 34 befestigt. Der Außenring des Mantels 34 ist durch
Punktschweißung am äußeren Teil der Innenfläche des Gehäuseteiles 22 bei
36 befestigt.
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Die Pumpenschaufeln 40 werden nach innen von einem inneren Pumpenmantel
38 begrenzt und weisen radiale Ausflußkanäle auf. Ein erster Turbinenteil
ist mit 42 bezeichnet. Er besitzt Schaufeln 44, die am Austritt der Schaufeln 40
angeordnet sind. Die Schaufeln 44 liegen zwischen einem inneren Mantel 46
und einem äußeren Mantel 48. Der innere Mantel 46 ist durch Schrauben
50 mit einer einen Drehmoment übertragenden Scheibe 52 verbunden.
Diese Scheibe 52 ihrerseits ist mit einem ersten Mantel 54 für eine dritte
Turbine 56 verbunden. Diese Turbine besitzt Schaufeki 58, die schwenkbar
mit Wellen 60 verbunden sind.
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Ein zweiter Mantel 62 der dritten Turbine, besteht aus einem
Zylinder 64 und einem Teil 66. Der Ringzylinder und der Teil 66 sind
durch Schrauben 68
miteinander verbunden. Die Wellen 60 sind in Bohrungen
70 zwischen den Trennflächen des Zylinders und des Teiles 66 gelagert.
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Der Teil 66 besitzt eine Nabe 72, die über eine Büchse
74 auf einer feststehenden Leitradachse 76
gelagert ist. Diese Achse kann
in der üblichen Weise mit dem Getriebegehäuse, welches nicht dargestellt ist, verbunden
sein.
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Die Teile 64 und 66 bilden zusammen einen Ringzylinder
78, in dem ein Ringkolben 80 verschiebbar ist. Dieser Kolben
80 und der Zylinder 78 bilden zusammen die Druckkammer 82,
Die Druckkammer 82 ist über eine Öffnung 84 mit einem radial angeordneten
Kanal 86 in der Leitradachse 76 verbunden. Der Kanal 86 steht
mit einem Ringkanal 88 im Inneren der Leitradachse 76 in Verbindung.
Dem Kanal 88 kann Flüssigkeitsdruck aus irgendeinem geeigneten Steuersystem,
welches nicht dargestellt ist, zur Steuerung des Druckes in der Kammer
82 zugeführt werden.
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Mittels eines Sicherungsringes 92 ist ein Verschlußteil
90 am offenen Ende des Zylinders 78 befestigt. Der Verschlußteil besitzt,
wie bei 94 gezeigt, eine Öffnung, so daß der Druck aus dem Strömungskreislauf auf
den Kolben 80 drücken kann, und zwar nach links in der F i g. 1. Durch
Steuerung des Druckes am
Kolben 80 kann die Stellung des
Kolbens 80 je nach Wunsch geändert werden.
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Die inneren Enden der Wellen 60 sind abgekröpft und greifen
in eine Ringnut 96 des Kolbens 80 ein. Wird der Kolben 80 axial
verschoben, so schwenken die Wellen 60 um ihre radialen Achsen und verstellen
die Schaufeln 58, Zwischen dem Verschlußteil 90 und dem Nabenteil des Gehäuseteiles
22 des Pumpenteiles ist eine Lagerscheibe 98 angeordnet.
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Der Mantel 48 des ersten Turbinenteiles 44 ist mit einem das Drehmoment
übertragenden Teil 100 verbunden. Dieser Teil ist mit Stegteilen 102 verbunden,
die den Strömungskreislauf durchqueren. Die inneren Enden der Teile 102 sind mit
einem Vorsprung 104 durch Stützteile 106 verbunden. Der Stützteil ist an
dem Vorsprung 104 durch Bolzen 108 befestigt.
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Die Stegteile 102 besitzen einen aerodynamisch günstigen Querschnitt,
um den Widerstand in dem Strömungskreislauf auf ein Minimum zu reduzieren.
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Der Vorsprung 104 wird von dem inneren Mantel einer zweiten Turbine
112 getragen. Seine Schaufeln 114 sind mit ihren inneren Kanten an dem Mantelteil
110 und mit den äußeren Kanten an einem äußeren Mantel 116 befestigt,
Die Mäntel 110 und 116
bilden zusammen mit den Schaufeln 114 radiale
Einströmkanäle. Die Innenscheibe 118 des Mantels 116
ist durch Bolzen
120 mit einer Nabe 122 und einer zweiten Nabe 124 verbunden. Die Nabe
124 ist über eine Keilverzahnung mit dem Teil 126 einer Turbinenwelle
128 verbunden. Eine Scheibe 130 ist mittels einer Schraube
132 auf dem Ende der Welle 128 befestigt. Die Welle 128 ist
in der feststehenden Leitradachse 76 durch Büchsen gelagert, von denen eine
mit 134 bezeichnet ist.
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Ein erstes Leitrad 136 sitzt am Austritt der ersten Turbine
44. Seine Schaufeln 138, die innerhalb des das Drehmoment übertragenden Teiles
100 angeordnet sind, sind mit einem inneren ringförmigen Mantel 140 verbunden.
Der Mantel 140 sitzt an einem Steg 142, der am Ring 144 befestigt ist. Dieser Ring
144 seinerseits ist an den äußeren Enden von Stegen 146 befestigt.
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Die Stege 146 besitzen einen Mantel in der Form eines Ringes
150, der durch Niete 152 mit der äußeren Spur 154 einer Freilaufkupplung
156 verbunden ist. Ein Außenring der Kupplung 156 bildet die Außenfläche
der Leitradachse 76. Die Kupplung hat Rollen oder Klemmtelle 158.
Der Außenring kann mit Nocken versehen sein, sofern die Teile 158 Rollen
sind.
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Am Ausgang der zweiten Turbine 112 liegt ein zweites Leitrad
160, das Schaufeln 162 besitzt. Diese sind zwischen einem ersten Mantel
164 und einem Mantel 166 angeordnet. Die Schaufeln 162 sitzen auf
Stellwellen 168, die in Öffnungen der Mantelteile 164 und 166 gelagert
sind. Der Mantel 166 besteht aus einem ersten Teil in Form eines Ringes
170 und einem zweiten Teil 172, die durch Bolzen 174 zusammengehalten
sind. Die Stellwellen 168 sitzen in Öffnungen, die von den aneinander anstoßenden
Flächen der Teile 172 und 170 frei gelassen sind.
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Der Teil 1.72 bildet einen Außenring für eine zweite Freilaufkupplung
176. Diese Kupplung 176 kann Klemmteile oder Rollen 178 besitzen,
die zwischen der Außenfläche der Hülse 76 und der Innenfläche des Außenringes
angeordnet sind.
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Die Freilaufkupplungen 156 und 176 verhindern eine Drehung
der Leiträder in der einen Richtung und ermöglichen eine freie Drehung in der anderen
Richtung, die der Richtung der Drehrichtung der Pumpe entspricht.
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Die Pumpe besteht aus zwei Teilen 180 und 182.
Der Teil
182 ist bei 184 mit der Innenwand des Pumpengebäuses 22 durch Bolzen
187 oder in anderer Weise verbunden.
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Die Pumpenschaufeln 186 werden von dem Mantel 184 getragen
und tragen ihrerseits einen inneren Mantel 188. Sie liegen direkt am Eintritt
der Turbine 122.
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Die F i g. 2 zeigt schematisch die Schaufeln eines Drehmomentwandlers
nach F i g. 1. Sie sind in der Form eines Schaufelgitters durch Abwicklung
des Strömungskreislaufes dargestellt. Der Flüssigkeitsstrom ist durch Vektoren dargestellt,
die im Sinne der F i g. 2 nach rechts verlaufen, während die Drehrichtung
der Pumpenteile und der Turbinenteile durch Vektoren dargestellt ist, die im Sinne
der F i g. 2 abwärts verlaufen.
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Die Richtung des Geschwindigkeitsvektors der absoluten Flüssigkeitsströmung
am Eintritt des zweiten Pumpenteiles verändert sich abhängig von dem relativen Geschwindigkeitsverhältnis
Pumpe zu Turbine. Bei Stillstand oder einem Geschwindigkeitsverhältnis Null wird
dieser Vektor durch das Symbol A gemäß F i g. 2 dargestellt.
Bei relativ hohem Geschwindigkeitsverhältnis dagegen ändert sich die Richtung des
Vektors, wie es durch das Symbol B in F i g. 2 angegeben ist. Die optimalen
Schaufelwinkel für minimale Stoßverluste liegen zwischen dem Winkel der Vektoren
bei Stillstand und dem Winkel der Vektoren unter Fahrtbedingungen. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel beträgt der Schaufelwinkel etwa 900.
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Der Impuls der Flüssigkeit ändert sich, wenn diese die zweite Turbine
durchquert, und er ist seinerseits eine Funktion des Drehmomentes, das auf die zweite
Pumpe einwirkt. Die Änderung des Impulses ist gleich der Differenz zwischen dem
Impuls der Flüssigkeit, die die zweite Pumpe verläßt, und dem Impuls der Flüssigkeit
am Austritt des vorhergehenden ersten Leitrades.
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Die F i g. 2 zeigt weiterhin ein Vektordiagramm für die Geschwindigkeit
eines Flüssigkeitsteilchens am Austritt des ersten Leitrades sowie am Austritt des
zweiten Pumpenrades. Das Symbol F zeigt den Vektor für die Meridiangeschwindigkeit
am Leitradaustritt. Der Vektor der relativen Flüssigkeitsgeschwindigkeit, bezogen
auf die Leitradschaufel, wird durch den Vektor W dargestellt. Dieser ist außerdem
gleich dem Vektor V' der absoluten Strömungsgeschwindigkeit, weil das Leitrad während
des Betriebes als Drehmomentwandler bei niedrigen Geschwindigkeitsverhältnissen
feststeht. Die senkrechte Komponente der Vektorsumme ist gleich dem bei
S'
dargestellten Vektor. Dieser Vektor stellt den Vektor der tangentialen
Strömungsgeschwindigkeit (Umfangsgeschwindigkeit) am Leitradausgang dar.
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Die entsprechenden Vektoren für den Austritt aus der zweiten Pumpe
sind in F i g. 2 ebenfalls dargestellt. Der Vektor der Meridianströmung ist
mit f bezeichnet. Da der Schaufelwinkel selbst etwa 900
beträgt, stellt dieser
Vektor außerdem den Vektor für die relative Flüssigkeitsgeschwindigkeit w längs
der Schaufel dar.
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Der Vektor für die Umfangsgeschwindigkeit ist mit u bezeichnet. Die
Vektorensumme ist mit v bezeichnet,
der Austrittssehaufelwinkel
ist mit 7 angegeben.
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Die Umfangskomponente des Vektors der absoluten Strömungsgeschwindigkeit
ist mit s dargestellt. Aus einem Vergleich der beiden Vektorendiagramme ergibt
sich, daß die Umfangskomponente des Vektors der absoluten Strömungsgeschwindigkeit
gesteigert wird, was für die zweite Turbine eine Drehmomentsteigerung ergibt. Hieraus
folgt, daß der Eintrittsimpuls der Flüssigkeit, der am zweiten Turbinenteil größer
ist, als es der Fall wäre, wenn der zweite Turbinenteil nicht in dieser Weise innerhalb
des Strömungskreislaufs angeordnet wäre. Das Turbinendrehmoment wird also gesteigert,
da die Impulsänderung der Flüssigkeit beira Durchqueren der zweiten Turbine infolge
des gesteigerten Eingangsimpulses verstärkt wird.
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Entsprechende Vektoren für das zweite Leitrad und die dritte Turbine
sind in der F i g. 2 zusätzlich angegeben.
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Am Austritt des zweiten Leitrades ist die Meridianströmung durch den
Vektor F" dargestellt. Die Strömung in der Schaufelrichtung ist durch den Vektor
W veranschaulicht. Die Vektorsumme ist gleich P",.
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Die Umfangskomponente der absoluten Strömungsgeschwindigkeit ist mit
S" bezeichnet.
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Der Schaufelwinkel am Austritt des zweiten Leitrades ist mit
7' bezeichnet. Der entsprechende Winkel für das erste Leitrad ist mit
7' bezeichnet.
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Wenn die Schaufeln des dritten Turbinenteiles die in der F i
g. 2 gestrichelt dargestellte Stellung einnehmen, so kann die Umfangskomponente
des Vektors der absoluten Strömungsgeschwindigkeit mit S
dargestellt
werden. Bei Stillstand und sehr niedrigen Geschwindigkeitsverhältnissen ist der
Vektor S kleiner als der Vektor S". Hieraus folgt, daß auf die dritte Turbine
ein positives Drehmoment abgegeben wird. Dieses Drehmoment ergänzt das Drehmoment
der ersten Turbine, und das kombinierte Drehmoment der Turbine gelangt auf die Turbinenwelle
128.
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Sobald das Geschwindigkeitsverhältnis steigt, verschiebt sich der
Strömungseintrittsvektor am Einlaß der dritten Turbine zwischen zwei Extremwerten,
die durch die Buchstaben C und D gekennzeichnet sind. Daraus erklärt
sich, daß bei steigendem Geschwindigkeitsverhältnis der Impuls der Flüssigkeit,
die die dritte Turbine durchquert, abnimmt. Wenn die Schaufeln festgehalten werden,
würde ein negatives Drehmoment erzeugt, welches vom Turbinendrehmoment an der Welle
128 abgezogen werden müßte. Um das zu vermeiden, sind die Schaufeln der dritten
Turbine einstellbar. Bei höheren Geschwindigkeitsverhältnissen können die Schaufeln
in die in der F i g. 2 voll ausgezogene Winkeleinstellung verstellt werden.
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Es können Vorkehrungen getroffen sein, um eine stufenlos veränderliche
Verstellung der Schaufeln 58
der dritten Turbine zu erreichen. Auf diese Weise
können optimale Verhältnisse über den gesamten Betriebsbereich erreicht werden,
und die Notwendigkeit, konstruktive Kompromisse zu machen, wird vermieden. Die stufenlose
Veränderung der Winkelstellung kann dadurch erreicht werden, daß ein gesteuerter
Druck auf die Kammer 82 der die Schaufeln verstellenden Servovorrichtung
gegeben wird. Dieser Druck kann durch ein Ventilsystem erzeugt werden, das auf die
Dröhmomentanforderung der Maschine sowie auf die Geschwindigkeit des angetriebenen
Teiles anspricht.
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Durch Verwendung einer dritten Turbine, die am Eintritt der Pumpe
liegt, wird die Pumpendrehzahl bei stehender Turbine (Bremspunkt des Drehmomentwandlers)
auf irgendeinen gewünschten Wert verringert, der abhängig von der gewählten Geometrie
der Schaufeln ist. Die Geschwindigkeit des Pumpenteiles steigt dagegen rasch, wenn
das Geschwindigkeitsverhältnis ansteigt, und es ergibt sich ein verhältnismäßig
rascher Anstieg der Charakteristik des K-Faktors (Kennwert).
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Jede Drehmomenterhöhung, die durch den dritten Turbinenteil erzeugt
wird, ergibt eine Senkung des Impulses der Flüssigkeit, die die dritte Turbine durchquert.
Dies bedeutet, daß die Umfangskomponente des Vektors der absoluten Strömungsgeschwindigkeit
in Richtung der Pumpendrehrichtung kleiner wird. Aus diesem Grunde wird die Geschwindigkeit
der Pumpe in Richtung Null reduziert. Der Drehmomentzusatz der dritten Turbine schwindet
indessen, wenn das Geschwindigkeitsverhältnis steigt. Der Einfluß des dritten Turbinenteiles
auf die Größe des Vektors der absoluten Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt des
ersten Pumpenteiles vermindert sich progressiv. Der K-Faktor steigt bei gesteigerten
Geschwindigkeitsverhältnissen rasch und bleibt nicht relativ gleichmäßig, wie bei
üblichen Anordnungen, bevor der Kupplungspunkt erreicht ist. So kann das Spitzendrehmoment
der Maschine während der Beschleunigung rasch erreicht werden.
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In F i g. 2 stellt U den Umfangsvektor der Drehgeschwindigkeit
des dritten Turbinenteiles dar. Der Schaufelwinkel ist mit dem Buchstaben T und
die Vektorensumme des Drehvektors und der Strömung W in Schaufelrichtung ist mit
Y bezeichnet. Der Meridianstrom hat das Symbol F.
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In F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Diese Ausführungsform ist derjenigen der F i g. 1 ähnlich, indessen kann
die Winkelstellung der Schaufeln der zweiten Pumpe verändert werden. Die Einzelteile
der Ausbildung nach F i g. 3 haben die gleichen Konstruktionselemente wie
die F i g. 1 und sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, obgleich Zusätze
verwendet wurden.
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Die Schaufeln 182' der zweiten Pumpe sitzen auf einzelnen Wellen
200, die von dem Gebäuseteil 22' der Pumpe getragen werden. Der Gehäuseteil 22'
trägt außerdem einen Servozylinder 202, der mit der inneren Fläche des Gehäuseteiles
22' zusammenwirkt sowie mit dem Ringkolben 204, um einen Druckraum 206 zu
bilden. Der Kolben 204 ist mit einer gekröpften Kurbel 208 verbunden, die
mit der Welle 200 verbunden ist. Es kann für jede Welle 200 eine besondere Kurbel
208 vorgesehen sein, die jeweils mit dem Kolben 204 verbunden ist. Diese
Verbindung ist schematisch in der F i g. 3 mit 210 bezeichnet.
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Die Kammer 206 kann in irgendeiner geeigneten Weise unter Flüssigkeitsdruck
gesetzt werden.
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F i g. 3 A zeigt zwei Stellungen der Schaufeln 186'.
Diese
Schaufeln können in die gestrichelt dargestellte Lage nach F i g. 3 A bei
niedrigem Geschwindigkeitsverhältnis gestellt werden sowie bei Beschleunigungen,
um ein maximales Startdrehmoment zu erzeugen. Wenn die Schaufeln 186' in
die gestrichelte Lage nach F i g. 3 A eingestellt sind, werden die Vektoren
relativ zu dem entsprechenden Vektor der Umfangsgeschwindigkeit am Eintritt der
zweiten Pumpe vergrößert.
Dies ergibt sich infolge der Steigerung
des Impulses der Flüssigkeit beim Durchqueren der Pumpe.
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Um den Kupplungswirkungsgrad aufrechtzuerhalten und um den Wirkungsgrad
während des Betriebes bei höheren Geschwindigkeitsverhältnissen zu verbessern, müssen
die Schaufeln 182' durch Veränderung des Druckes in der Kammer
206 in die voll ausgezeichnete Lage nach F i g. 3 A gestellt werden.