DE19807280B4

DE19807280B4 - Hydrodynamische Maschine mit einem Spaltring

Info

Publication number: DE19807280B4
Application number: DE1998107280
Authority: DE
Inventors: Werner Adams
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1998-02-23
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: DE19807280A1

Abstract

Hydrodynamische Maschine mit
1.1 einem ersten Schaufelrad;
1.2 einem zweiten Schaufelrad, wobei
1.3 zwischen erstem und zweitem Schaufelrad ein Spalt (10.0, 10.1) ausgebildet wird
1.4 Mitteln zum axialen Verschieben des zweiten Schaufelrades gegen das erste Schaufelrad aus einer ersten in eine zweite Position, wobei die erste Position die Arbeitsposition und die zweite Position die Leerlaufposition der hydrodynamischen Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass
1.5 in radialer Richtung im Bereich des Außenumfanges des ersten Schaufelrades der hydrodynamischen Maschine mindestens ein Vorsprung (20) vorgesehen ist, der sich in axialer Richtung in dem Bereich des Spaltes (10.0, 10.1) zwischen die Schaufelräder hinein erstreckt, wobei der Vorsprung (20) derart ausgebildet ist, dass er in der Leerlaufposition als Störstellenbildner für das umlaufende Arbeitsmedium wirkt; und dass die hydrodynamische Maschine einen im Bereich des Spaltes zwischen erstem und zweitem Schaufelrad angeordneten Aufnahmeraum (30) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine, beispielsweise einen Retarder oder eine hydrodynamische Kupplung, ohne hierauf beschränkt zu sein, mit mindestens einem ersten Schaufelrad und einem zweiten Schaufelrad, wobei zwischen erstem und zweitem Schaufelrad ein Spalt ausgebildet wird gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Hydrodynamische Maschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 haben eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten. Unter anderem finden derartige hydrodynamische Maschinen als hydrodynamische Getriebe, hydrodynamische Kupplungen und hydrodynamische Bremsen Verwendung.

Betreffend die Vielzahl von hydrodynamischen Maschinen wird auf "Voith, Hydrodynamische Getriebe, Kupplungen, Bremsen, Otto Krausskopf Verlag GmbH, Mainz, 1970" verwiesen.

Als bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung, ohne hierauf beschränkt zu sein, werden hydrodynamische Bremsen, die auch als hydrodynamische Retarder bezeichnet werden, angesehen.

Hydrodynamische Retarder sind beispielsweise aus VDI Handbuch Getriebetechnik II, VDI-Richtlinien VDI 2153, Hydrodynamische Leistungsübertragung Begriffe – Bauformen – Wirkungsweisen, Kapitel 7, Bremsen oder Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 18. Auflage, Seiten R49 bis R53 gezeigt. Derartige Retarder werden, insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen oder in Anlagen mit stark wechselndem Betrieb, durch Füllen und Entleeren des beschaufelten Arbeitskreislaufs mit einem Betriebsfluid ein- oder ausgeschaltet. Auch bei ausgeschaltetem Retarder ist noch ein Restmoment vorhanden, beispielsweise aufgrund einer umlaufenden Restölmenge. Das durch das Restmoment bedingte Bremsmoment ist zwar sehr gering, kann sich jedoch bei hohen Drehzahlen sehr störend auswirken und zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Retarders führen. Zur Vermeidung der Ventilationsverluste sind eine Reihe von Lösungen bekannt. Dazu gehören u.a. die Verwendung von Statorbolzen sowie die Möglichkeit einer Kreislaufevakuierung. Diese Lösungen sind jedoch sehr aufwendig in ihrer Umsetzung und bedingen einen erhöhten Platzbedarf und damit größere Retarderabmessungen. Wesentliche Nachteile bei der Verwendung von Statorbolzen sind darin zu sehen, daß diese aufgrund ihrer Anordnung im Profilgrund des Stators auch im Bremsbetrieb in den Arbeitskreislauf hineinreichen und diesen damit stören. Die Möglichkeit der Verwendung getrennter äußerer Kühl-Kreisläufe, bei der beim Leerlaufbetrieb eine genau bestimmte Ölmenge in einem separaten Kreislauf eingeschlossen wird, ist sehr aufwendig in ihrer Umsetzung, da zusätzliche Bauteile benötigt werden. Des weiteren muß ständig eine sichere Trennung zwischen den einzelnen Zirkulationswegen gewährleistet sein.

Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Leerlaufverluste besteht im Verschwenken des Statorschaufelrades gegenüber dem Rotorschaufelrad oder umgekehrt. Möglichkeiten zur Lageänderung des Stator- bzw.

Rotorschaufelrades gegenüber dem jeweils anderen Schaufelrad bzw. eine Verschiebung derselben sind bereits aus den folgenden Druckschriften bekannt:

Die DE 31 13 408 C1 offenbart die Möglichkeiten einer Statorschaufelradverstellung eines Retarders für den Einsatz in stationären Anlagen, beispielsweise in Windkraftanlagen zur Umsetzung der Windenergie in Wärme. Die Verstellung erfolgt manuell oder mittels entsprechender Hilfsmittel. Die Feststellung des Statorschaufelrades in der ausgeschwenkten Lage erfolgt mittels mechanischer Hilfsmittel, beispielsweise in Form von Schrauben. Die Verstellung erfolgt zum Zweck der Anpassung der Strömungsbremse an die Windkraftanlage. Der Zeitaufwand für die Realisierung einer Verstellung ist entsprechend hoch, und die Ausführung ist demzufolge nicht für den Einsatz im Fahrzeug geeignet.

Der in der Druckschrift DE 40 10 970 A1 offenbarte Retarder weist analog zu der erstgenannten Druckschrift ein Statorschaufelrad auf, das in seiner Lage veränderbar ist. Jedoch erfolgt hier eine Lageveränderung durch eine zusätzlich zum Bremsmoment erzeugte Reaktionskraft, die dem Bremsmoment proportional ist. Diese Reaktionskraft wird durch eine entsprechende Gestaltung und Lagerung des Schaufelrades erzeugt. Der Reaktionskraft wird eine Verstellkraft, die von einer Verstelleinrichtung aufgebracht wird, entgegengesetzt. Die Größe der Verstellkraft beeinflußt dabei entscheidend die Wirkung der Reaktionskraft und damit das Bremsmoment aufgrund der Bedingung, daß die Summe aller auf ein abgeschlossenes System wirkenden äußeren Momente gleich Null ist. Beide Möglichkeiten dienen zur Einstellung bzw. Steuerung des Bremsmomentes. Sie zeichnen sich durch einen enormen konstruktiven Aufwand sowie eine hohe Bauteilanzahl aus.

Aus der DE 44 20 204 A1 ist ein Retarder mit einem selbsttätigen Schwenkstator bekannt geworden, der aufgrund seiner exzentrischen Lagerung im Leerlaufbetrieb selbsttätig in eine Lage gebracht wird, in der keine oder nur ein geringer Teil an Luftmassen zwischen dem Rotorschaufelrad und dem Statorschaufelrad bewegt wird.

Aus der DE 30 42 017 A1 ist bekannt geworden, zur Verminderung von Leerlaufverlusten einen Ringschieber vorzusehen, der im Leerlauf eine Austrittsöffnung freigibt, so dass die im Arbeitskreislauf im Leerlauf des Retarders zirkulierende Luft sowie Flüssigkeiten zumindest teilweise aus dem Arbeitsraum zwischen Stator und Rotor herausgeführt werden, was die Leerlaufverluste spürbar verringert. Das Verbringen des Ringschiebers in die Arbeitsposition erfordert jedoch das Aufbringen einer zusätzlichen Steuerdruckkraft.

Die DE 16 00 187 A zeigt einen Retarder mit verschiebbarem Statorschaufelrad zur Einstellung eines vorbestimmten Bremsmomentes. Nachteilig an dieser Konstruktion ist, dass zum Verbringen des Schaufelrades in eine vorbestimmte Position zusätzliche Verschiebemittel notwendig sind.

Eine andere Möglichkeit der Minimierung von Leerlaufverlusten besteht gemäß der DE 15 25 396 A und der DE 16 00 148 A darin, mit Hilfe eines Kupplungssystems die Rotoren im Leerlauf von der Bremswelle zu lösen und im Bremsbetrieb mit der Bremswelle zu kuppeln, um so die Leerlaufleistung möglichst gering zu halten. Nachteilig an diesen Retardern war deren aufwendige Konstruktion. Zum weiteren Stand der Technik wird auf die folgenden Schriften verwiesen:

DE 25 01 019 A1
DE-PS 582 886
DE-OS 21 34 534 A1
US 3 247 936
DE 197 04 407 A1 (ältere Anmeldung gem. § 3,2 PatG)
DE 31 43 280 A1
DE 16 75 263 B2

Neben der Vermeidung von Leerlaufverlusten ist ein weiterer Nachteil von Retardern gemäß dem Stand der Technik, dass im Bremsbetrieb bei gefülltem Retarder an den Spalträndern Kavitation auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile gemäß dem Stand der Technik zu vermeiden und eine hydrodynamische Maschine, insbesondere einen ' hydrodynamischen Retarder, zur Verfügung zu stellen, der sowohl im Betrieb keine Kavitation wie auch im Leerlauf geringe Verluste aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine hydrodynamische Maschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Durch eine derartige Anordnung kann insbesondere die Kavitation im befüllten Zustand verringert werden und bei entsprechender Ausgestaltung des Vorsprunges auch die Leerlaufverluste des Retarders im ungefüllten Zustand.

In einer konstruktiv besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Vorsprung Teil des ersten Schaufelrades ist, das bedeutet zusammen mit dem ersten Schaufelrad ein einziges Bauteil ausbildet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Vorsprung sich über den gesamten Umfang des Schaufelrades erstreckt und als umlaufender Ring ausgebildet ist.

Eine besonders effiziente Art Leerlaufverluste bei einer hydrodynamischen Maschine zu verringern besteht erfindungsgemäß darin, mindestens eines der beiden Schaufelräder, in vorliegender Ausführungsform das zweite Schaufelrad gegen das erste Schaufelrad, axial aus einer ersten Position in eine zweite Position zu verschieben, wobei die erste Position in der Regel eine Arbeitsposition der hydrodynamischen Maschine und die zweite Position die Leerlaufposition derselben darstellt. In der Arbeitsposition ist der Spalt zwischen erstem Schaufelrad und zweitem Schaufelrad sehr schmal und der Vorsprung bevorzugt so, dass er sich über den gesamten Spaltabstand erstreckt, wodurch verhindert wird, dass im Betrieb hydrodynamische Flüssigkeit seitlich zu Kavitation im Gehäuseteil führt.

In der Leerlaufposition ist der Spaltabstand maximal, so dass der Vorsprung den Spalt nicht vollständig überdecken kann. In einer derartigen Konfiguration kann das Medium, das sich im Leerlaufbetrieb im Retarder befindet an den Spaltenden eine Verwirbelung erfahren, was dazu führt, dass die Leerlaufverluste minimiert werden.

Die hydrodynamische Maschine umfasst einen im Spaltbereich zwischen erstem und zweiten Schaufelrad angeordneten Aufnahmeraum, in dem Medium im Leerlauf aus dem Spalt herausströmen kann.

Vorteilhafterweise ist der Aufnahmeraum als umlaufender Ringraum ausgebildet und weist eine Auslassbohrung auf, die es ermöglicht Medium, das im Leerlaufbetrieb am Vorsprung vorbei in den Aufnahmeraum gefördert wird, von dort abzuführen und beispielsweise einer zusätzlichen Kühleinrichtung zuzuführen.

Wenn es sich bei der hydrodynamischen Maschine um eine hydrodynamische Bremse, vorzugsweise einen Retarder handelt, ist mit Vorteil vorgesehen, das erste Schaufelrad feststehend als Stator auszubilden und das zweite Schaufelrad als Rotor.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
Es zeigen:
1: einen erfindungsgemäßen Retarder in der Betriebsposition;
2: einen erfindungsgemäßen Retarder in der Leerlaufposition.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist ein hydrodynamischer Retarder als Beispiel für eine hydrodynamische Maschine, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt wäre, umfassend ein erstes Schaufelrad, das vorliegend als Rotor 1 ausgebildet ist sowie ein zweites Schaufelrad, das vorliegend als Stator 3 ausgebildet ist. Der Rotor 1 wird in vorliegendem Ausführungsbeispiel verschiebbar auf einer Welle 5 geführt. Die Welle 5 wiederum wird beispielsweise über nicht dargestellte Zahnräder zum Beispiel mit der Kurbelwelle des Motors im Falle eines Primärretarders oder aber mit einer getriebeabtriebsseitig angeordneten Getriebeabtriebswelle im Falle eines Sekundärretarders verbunden. Zwischen dem Rotor und dem Stator befindet sich ein Spalt 10.0. der eingezeichnete Spalt 10.0 ergibt sich im Bremsbetrieb, d. h. in der Arbeitsposition des Rotors 1. Wie deutlich zu erkennen, ist die Spaltbreite gering, um die Verluste im Bremsbetrieb gering zu halten.
Erfindungsgemäß umfaßt die hydrodynamische Maschine, in vorliegendem Falle der hydrodynamische Retarder einen Vorsprung 20, der sich im Bereich des Spaltes 10.0 zwischen Stator 3 und Rotor 1 am Außenumfang des Stators 3 in axialer Richtung erstreckt. Der Vorsprung 20 kann beispielsweise mehrteilig durchbrochen ausgeführt sein, besonders vorteilhaft ist es aber, wenn der Vorsprung 20 ringförmig umläuft, so daß der gesamte Spaltbereich 10.0 in der dargestellten Arbeitsposition nach außen hin abgeschlossen ist. Die im hydrodynamischen Retarder befindliche Arbeitsflüssigkeit, deren Bewegungsrichtung mit den Pfeilen 22 angedeutet ist, kann dann nur schwer aus dem Arbeitsraum austreten, und es kann zu keiner Kavitation in den Gehäuseteilen kommen.
In 2 ist der erfindungsgemäße hydrodynamische Retarder umfassend einen Vorsprung 20 in der Leerlaufposition dargestellt. Gleiche Bauteile wie in
1 sind mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Der Spaltabstand des Spaltes im Leerlauf 10.1 ist wie eingezeichnet durch eine axiale Verschiebung entlang der Führung 24 auf der Welle 5 eingestellt worden. Der Rotor 1 befindet sich in der Leerlaufposition. Erfindungsgemäß ist der Spaltabstand 10.1 in der Leerlaufposition derart groß, daß der Vorsprung 20 in seiner axialen Ausdehnung diesen nicht mehr vollständig überdecken kann. Das in der Leerlaufposition im Retarder noch zirkulierende Medium, dies kann beispielsweise Arbeitsmedium sein, oder aber bei vollständig entleertem Retarder, beispielsweise Luft, verhält sich im Bereich des Vorsprunges 20 wie durch die Strömungspfeile 22 eingezeichnet. Deutlich zu erkennen ist, daß ein großer Teil des Mediums, das im Leerlaufbetrieb des Retarders umgewälzt wird, am Vorsprung 20 vorbei nicht in den Bereich des Statorschaufelrades 3 sondern in einen Aufnahmeraum 30 gefördert wird. Der Aufnahmeraum 30 ist bevorzugt als umlaufender Ringraum ausgebildet und kann wie dargestellt eine Öffnung 32, die als Auslaßöffnung ausgebildet sein kann, aufweisen.
Das in den Aufnahmeraum 30 geförderte Medium kann über die Auslaßöffnung 32 aus dem Retarder herausgeführt werden, beispielsweise über einen Wärmetauscher, so daß das Medium weiter gekühlt wird. Insbesondere ist mit der dargestellten Ausführungsform ein externer Umlauf des im Retarder noch verbliebenen Mediums im Leerlauf mit niedrigen Kräften möglich, was zu einer Minimierung der Leerlaufverluste führt. Bislang waren zur Aufrechterhaltung des Umlaufes von im Retarder verbliebenen Medium im Leerlauf stets hohe Kräfte notwendig, um die hohen Leitungswiderstände zu überwinden. Des weiteren wirkt der Vorsprung 20 bei zurückgezogenem Rotor als eine Art Störung des umlaufenden Arbeitsmediums. Es kommt, wie mit den Flußpfeilen 34 angedeutet, im Bereich des Vorsprunges 20 zu Verwirbelungen des im Retarder verbliebenen Mediums, also zur Ausbildung von Störstellen. Hierdurch wird die interne Drehmoment erzeugende Strömungsgeschwindigkeit deutlich verlangsamt und damit der Momentenübertrag vom Stator auf den Rotor und umgekehrt reduziert, was gleichfalls zu einer Verringerung der Verluste beiträgt.
Die vorliegende Erfindung offenbart somit erstmals Maßnahmen zur Verringerung der Leerlaufverluste bei einer hydrodynamischen Maschine, wodurch deren Effizienz wesentlich gesteigert werden kann.

Claims

Hydrodynamische Maschine mit 1.1 einem ersten Schaufelrad; 1.2 einem zweiten Schaufelrad, wobei 1.3 zwischen erstem und zweitem Schaufelrad ein Spalt (10.0, 10.1) ausgebildet wird 1.4 Mitteln zum axialen Verschieben des zweiten Schaufelrades gegen das erste Schaufelrad aus einer ersten in eine zweite Position, wobei die erste Position die Arbeitsposition und die zweite Position die Leerlaufposition der hydrodynamischen Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass 1.5 in radialer Richtung im Bereich des Außenumfanges des ersten Schaufelrades der hydrodynamischen Maschine mindestens ein Vorsprung (20) vorgesehen ist, der sich in axialer Richtung in dem Bereich des Spaltes (10.0, 10.1) zwischen die Schaufelräder hinein erstreckt, wobei der Vorsprung (20) derart ausgebildet ist, dass er in der Leerlaufposition als Störstellenbildner für das umlaufende Arbeitsmedium wirkt; und dass die hydrodynamische Maschine einen im Bereich des Spaltes zwischen erstem und zweitem Schaufelrad angeordneten Aufnahmeraum (30) umfasst.
Hydrodynamische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (20) Teil des ersten Schaufelrades ist.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung als umlaufender Ring ausgebildet ist.
Hydrodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (30) als umlaufender Ringraum ausgebildet ist.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (30) mindestens eine Auslassöffnung (32) aufweist.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (30) und der Vorsprung (20) des weiteren derart ausgestaltet sind, dass in der Arbeitsposition der Vorsprung (20) einen Kavitationsschutz darstellt und in der Leerlaufposition in der hydrodynamischen Maschine befindliches Medium aus dem Spaltraum der hydrodynamischen Maschine heraus in den Aufnahmeraum gefördert wird.
Hydrodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Maschine ein Retarder ist, bei dem das erste Schaufelrad als Stator (3) und das zweite Schaufelrad als Rotor (1) ausgebildet ist.