Strömungskupplung Die Erfindung betrifft eine Strömungskupplung mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die zusammen einen ringförmigen Arbeitsraum für den Kreislauf der Arbeitsflüssigkeit bilden, sowie mit einem Flüssigkeitsaufnahmebehälter, der zur Erzie lung eines Umlaufes oder Austausches wenigstens eines Teils der Arbeitsflüssigkeit zwecks Kühlung hzw. Füllungsregelung oder/und völliger Entleerung des Arbeitsraumes mit letzterem in Verbindung steht, wobei diese Verbindung eine Einrichtung zur Rück förderung von Flüssigkeit aus dem Aufnahmebehälter in den Arbeitsraum aufweist.
Die Erfindung bezweckt eine Kupplung dieser Art so zu verbessern, dass Vorkehrungen für eine schnelle teilweise Entleerung des Arbeitskreislaufes (yetroffen sind, die wirksam werden, falls die auf die Kupplung wirkende Last und demgemäss das über tragene Drehmoment und der Schlupf über einen vorgegebenen Wert ansteigen.
Dieses Erfordernis be steht für sehr viele Anwendungsfälle von Strömungs kupplungen, die von Brennkraftmaschinen oder Elektromotoren angetrieben werden; es kann zum Beispiel auch dann eintreten, wenn die Kupplung Teil eines mit einer Dieselmaschine arbeitenden Schiffsantriebes ist, um zu gewährleisten, dass die Antriebsmaschine und das übertragungsgetriebe von übermässigen Belastungen freibleiben, falls die Schiffsschraube auf ein Hindernis, z. B. auf Eis schollen, stösst.
Bei einer Strömungskupplung der eingangs ge nannten Art kennzeichnet sich die Erfindung durch eine von der Rückfördereinrichtung unabhängige, nur einen Auslass aus dem Arbeitsraum zulassende, mit dem radial innern Bereich des Arbeitsraumes in Ver bindung stehende Auslasseinrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den schematischen Zeichnungen erläutert. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Strömungskupplung und Fig. 2 einen Schnitt durch eine Flüssigkeitskupp lung mit steuerbarem Organ, welches gestattet, die der Flüssigkeitsabfuhr dienenden Einrichtungen wir kungslos zu machen.
Die Fig. 3-6 zeigen andere Ausführungsformen von Flüssigkeitskupplungen.
Die in Fig. 1 dargestellte Kupplung besitzt eine Antriebswelle 1, die über eine Scheibe 2 mit einem Ring 3 verbunden ist, der an dem Umfang eines Gehäuses angeschweisst sei, das aus einem zylin drischen Teil 4 und einem an der Rückseite des Pumpenradgehäuses 6 liegenden Teil 5 besteht und mit seinem innern Rand an einem Lagerring 7 be festigt ist, an dem auch der radial innenliegende Teil des Pumpenradgehäuses 6 angeschraubt ist; ferner besitzt das erstgenannte Gehäuse einen Teil 8, der an der Rückseite des Turbinenradgehäuses 9 angeord net und mit einem auf der Ausgangswelle 11 der Kupplung drehbaren Lagerring 10 verschweisst ist.
Der Ring 7 ist ebenfalls auf der Ausgangswelle 11 gelagert; diese besitzt einen Flansch 12, mit dem der Innenteil des Turbinenrades verschraubt ist.
Das Pumpenrad 6 besitzt eine ringförmige Lippe 13, deren radial gesehen äussere Oberfläche sanft in die Innenfläche des Pumpenrades übergeht und deren Innenseite im wesentlichen zylindrisch und gleich achsig mit der Achse der Kupplung verläuft. Pumpen- und Turbinenrad tragen Schaufeln 14 bzw. 15, welche äussere Konturen 14a,<I>14b; 15a, 15b</I> aufweisen.
Die Innenfläche der Lippe 13 begrenzt einen Ringraum 16, der innerhalb der Lippe 13 bei dem Mittelteil des Gehäuses 6 liegt und mit dem radial innern Teil des ringförmigen Arbeitsraumes für den Kreislauf der Arbeitsflüssigkeit verbunden ist.
Der Arbeitsraum der Kupplung wird von den schaufeltragenden Teilen des Pumpenrades und den damit zusammenwirkenden schaufeltragenden Teilen des Turbinenrades gebildet. Während der normalen Arbeit der Kupplung ist im Arbeitsraum radial ausser halb der Lippe 13 der Flüssigkeitswirbelring wirksam. Das obgenannte Gehäuse bildet mit seinen Teilen 4, 5 und 8 eine Gehäusekammer zur Aufnahme der Kupplungsräder.
Eine Mehrzahl von Rohren 17, die gleichmässig um die Achse der Kupplung verteilt sind; bilden die Auslässe und führen aus dem Raum 16 nach ausserhalb der genannten Gehäusekammer, wobei die ausserhalb dieser Kammer liegenden Enden der Rohre 17 einen grösseren Radialabstand von der Kupplungsachse besitzen als die in den Raum 16 mündenden Enden.
Bei normaler Arbeit der Kupplung bildet die Arbeitsflüssigkeit, wie schon bemerkt, einen Flüssig keitswirbelring, der im Arbeitskreisraum ausserhalb der Lippe 13 entsteht. Falls das übertragene Dreh moment und demzufolge der Schlupf sich vergrössert, z. B. durch Überlastung der Ausgangswelle der Kupp lung, so nimmt die Umlaufgeschwindigkeit im Flüs- sigkeitswirbelring zu und die Fliehkraft im Turbinen teil des Arbeitskreisraumes, die den Flüssigkeitsring teilweise in der radialen äussern Lage hält, sinkt ah und demgemäss wird die Arbeitsflüssigkeit, anstatt die innere Oberfläche des Turbinenradgehäuses 9 in einem Punkt zu verlassen,
dass praktisch die ganze Flüssigkeit radial ausserhalb der Lippe 13 des Pum penrades verbleibt, der innern Oberfläche des Turbi- nenradgehäuses 9 über diesen Punkt folgen, so dass sie den Arbeitskreislauf verlässt, indem sie im Turbi nenrad durch eine Region mit kleinerem Profildurch messer hindurchtritt, als der innere Profildurchmesser des Arbeitskreislaufraumes ist;
sie wird radial inner halb dieser Lippe geraten und aus der Kammer 16 durch die Rohre 17 ausgeworfen werden, deren Ge- samtdurchflussquerschnitt so bemessen sein möge, dass der Durchfluss der Flüssigkeit praktisch unbehindert erfolgt. Das Abströmen der Flüssigkeit währt so lange, als die Drehmoments- und Drehzahlverhältnisse der artige sind, dass die das Gehäuse 9 verlassende Flüs sigkeit innerhalb der Lippe 13 gerät.
Die in Fig. 1 dargestellte Kupplung besitzt ein einstellbares Schöpfrohr zur Regelung der Füllung des Arbeitskreislaufes. Das Schöpfrohr könnte auch nicht einstellbar ausgeführt sein.
Die dargestellte Kupplung besitzt einen durch das Gehäuse 18 gebildeten Sammelbehälter, der mit dem Pumpenrad drehbar ist, und ein in der Längs richtung verstellbares Schöpfrohr 19, dessen Stellung mittels eines Hebels 20 regulierbar ist. Im Teil 4. sind Ablässe, von denen einer bei 21 ersichtlich ist, vorgesehen. Sie gewähren eine beschränkte Verbin dung zwischen der Arbeitskammer der Kupplung und dem Vorratsraum.
Wie dies bekannt ist, bestimmt die Radialstellung der Schöpföffnung des Schöpfrohres 19 die Menge an Arbeitsflüssigkeit, die sich im Arbeits kreislauf der Kupplung während ihrer normalen Tätig keit befindet, wobei ein beständiger Abfluss von Arbeitsflüssigkeit aus der Arbeitskammer über die Auslässe 21 in den Vorratsraum besteht und bestän dig Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitskreislauf aus dem Vorratsraum über das Schöpfrohr 19, einen Kühler (falls gewünscht), einen Füllkanal 22 und Öffnungen 23, die im Gehäuseteil 5 vorgesehen sind, in den Raum zwischen dem Teil 5 und der Rückseite des Turbinenradgehäuses 6 gelangt.
Die Flüssigkeit wird in die Öffnungen 23 durch einen tellerförmigen Ring 24 gelenkt, der von den Rohren 17 durchsetzt ist.
Die aus der Arbeitskammer der Kupplung durch den Raum 16 und die Rohre 17 austretende Flüssig keit gerät in den Vorratsraum, wo sie gemeinsam mit der durch die Ablässe 21 ausgetretenen Flüssigkeit einen Ring bildet. Die Geschwindigkeit, mit der das Schöpfrohr 19 Flüssigkeit in den Arbeitskreislauf zurückfördern kann, wird normalerweise so einge stellt, dass sie geringer ist als die Geschwindigkeit, mit welcher Flüssigkeit durch die Rohre 17 aus der Arbeitskammer bei Überlast und vergrössertem Schlupf austreten kann.
Die Erfindung lässt sich auch auf Turbokupplun gen jener bekannten Bauweise anwenden, gemäss wel cher die aus dem Arbeitskreislauf austretende Flüs sigkeit in einem ortsfesten Sumpf gesammelt wird, aus dem die Flüssigkeit zur Kupplung zurückgepumpt wird. Während der normalen Tätigkeit ist der Arbeitskreislaufraum mit Flüssigkeit gefüllt und es wird das von der Pumpe gelieferte überschussvolumen durch Abfuhrventile und bzw. oder die vorliegende Auslasseinrichtung (16, 17) abgeführt.
Sobald über last auftritt, wird, wie gewünscht, Flüssigkeit aus dem Arbeitskreislauf schnell durch die genannte Auslass- einrichtung austreten, was eine teilweise Entleerung des Arbeitskreislaufraumes zur Folge hat. Sobald die normalen Last- und Drehzahlbedingungen wieder her gestellt sind, wird der Arbeitskreislaufraum durch die genannte Pumpe automatisch wieder gefüllt, so dass der normalerweise im Arbeitskreislaufraum vorhan dene Flüssigkeitswirbelring wieder hergestellt wird; die rasche Abfuhr von Flüssigkeit durch die Ent leerungseinrichtungen hört auf.
Gemäss einer Abänderung der oben beschriebenen Bauweise kann die Ringlippe einen vom Pumpenrad- "a ehäuse getrennten Bauteil bilden und axial verstell bar sein, damit sie mehr oder weniger gegen das Turbinenrad ragt. In diesem Falle kann man die Turbinenradschaufeln am innern Ende verkürzen, damit die genannte einstellbare Lippe hinreichenden Spielraum aufweist, wenn sie in Richtung zum Turbi nenrad maximal vorgeschoben ist. Wie nun aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird Flüssig keit aus dem Kreislauf entfernt, wann immer die Flüssigkeit die Arbeitskreislaufkammer an ihrem radial innern Bereich verlässt.
Wird die Kupplung entgegen der Wirkung einer grossen Belastung in Gang gesetzt, so wird die im Arbeitskreislauf befindliche Flüssigkeit nicht im Stande sein, einen vollen Wirbel ring zu bilden, und in den Vorratsraum 18 geraten, aus dem sie durch das Schöpfrohr 19 und die Füll- ieitung 22 in den Arbeitskreislauf zurückgebracht wird.
Demgemäss hängt das Ausmass, bis zu welchem der Arbeitskreislaufraum entleert wird, vom relativen Durchfluss durch die Auslasseinrichtung 16, 17 und vom Rückfluss durch den Kanal 22 ab.
Diese Kupplungsbauweise ist lediglich für Fälle brauchbar, in denen das Anfangsdrehmoment niedrig ist, wie dies für Schiffsantriebe zutrifft. Die Fig. 2, 3, 4 und 5 zeigen Abänderungen, die getroffen werden können, um die Kupplung zu befähigen, unter nor malen oder Hochlastdrehmomentbedingungen anzu laufen, wie dies beispielsweise beim Antrieb von Zen trifugal-Dickstoffpumpen für Baggerungszwecke der Fall ist.
Gemäss Fig. 2 ist das Pumpenradgehäuse 6 mit einem Gehäuse 25 verbunden, das über die Rückseite des Turbinenradgehäuses 9 reicht. Die Rückseite des Pumpenradgehäuses 6 weist eine ringförmige Ab setzung 26 auf, in der Auslassöffnungen ausgebildet sind, die aus dem Hohlraum 16 nach ausserhalb der von den Teilen 6 und 25 umschlossenen Kammer führen.
Die Durchtrittsöffnungen 27 sind gleichmässig um die Kupplungsachse verteilt und es ist ein Ring form besitzender Schieber 28 vorhanden, welcher axial auf der Absetzung 26 unter der Wirkung geeig neter, nicht dargestellter Steuermittel verschiebbar ist, so dass beim Anlaufen der Kupplung der Ring 28 in die gezeigte Lage verschoben werden kann, in wel cher er die Durchlässe 27 verschliesst und dadurch das Abströmen von Flüssigkeit aus der Arbeitskam mer durch diese Auslässe verhindert.
Sobald das Tur binenrad seine normale Arbeitsdrehzahl erreicht hat, wird der Ring 28 in der Fig. 2 nach links verschoben, so dass er die Durchlässe 27 freigibt und sie für den Ablass der Flüssigkeit aus der Arbeitskammer für den Fall bereitstellt, dass Drehmoment und Schlupf gefährlich ansteigen.
Die Kupplung ist mit einem ortsfesten Gehäuse versehen, das einen (nicht dargestellten) Sumpf um fassen möge, in den die Flüssigkeit mit verminderte Geschwindigkeit aus der Arbeitskammer über die Ablassöffnurigen 21 und bzw. oder durch die Auslässe 27 geleitet wird. Die Flüssigkeit wird in den Arbeits kreislauf durch Pumpvorrichtungen über einen in der Ausgangswelle 11 vorgesehenen Kanal 29 rück geführt. Ein Führungsring 30 sichert, dass die aus dem Kanal 29 austretende Flüssigkeit in den Arbeits kreislauf gerät, anstatt über den Raum 16 und die Ablässe 27 sofort wieder abzufliessen.
Gemäss Fig. 3 ist das Turbinenradgehäuse 9 mit einem Gehäuse 31 verbunden, welches über den Rücken des Pumpenradgehäuses 6 ragt, das mit einem ringförmigen Ansatz 26 versehen ist, in welchem Durchlässe 27 vorgesehen sind. Ein gleitbarer Ring 28 dient als Mittel zum Verschliessen der Durchlässe 27, wenn die Kupplung anläuft und ist zu diesem Zwecke zwischen dem Ansatz 26 und dem innern Umfang des Gehäuses 31 gleitbar. Zur Bewegung des Ringes 28 seien geeignete Steuereinrichtungen vorge- sehen, die mit den innern Enden von Hebeln 32 in Wirkungsverbindung stehen mögen, welche drehbar innerhalb des ortsfesten Gehäuses 18 montiert sind und mit ihren äussern Enden in eine Ringnut 33 des Ringes 28 eingreifen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das durch den Kanal 29 zugeführte Öl durch einen Ring 34 zu Rohren 35 geführt, die gleichmässig um die Kupp lungsachse verteilt sind und die Flüssigkeit über den Raum 6' in die zwischen den Schaufeln des Pumpen rades 14 bestehenden Zwischenräume leiten. In die sem Falle wird von der Kupplung verlangt, dass sie unter normalen Arbeitsbedingungen einen konstanten Füllungsgrad aufweise, und es sind entsprechende Ablasseinrichtungen (21, in Fig. 1 und 2) nicht vor gesehen.
Die Kupplung enthält als Ganzes mehr Flüs sigkeit als nötig ist, um den Arbeitskreislaufraum ganz zu füllen, so dass bei vollem Arbeitskreislauf raum die überschüssige Flüssigkeit, die von den Pumpeinrichtungen geliefert wurde, in den (nicht ge zeichneten) Sumpf zurückgelangt, und zwar über die Durchlässe 27, die während der normalen Arbeits weise der Kupplung offen sind, wobei bei Auftreten von Überlast der Kupplung der Arbeitskreislaufraum ebenfalls über diese Durchlässe teilweise entleert wird.
Gemäss Fig. 4 ist das Pumpenradgehäuse 6 mit einem Gehäuse 25 verbunden, das sich über die Rückseite des Turbinenradgehäuses 9 erstreckt. In diesem Falle sind die Durchlässe 36, die der Abfuhr von Flüssigkeit aus dem Arbeitskreislauf bei vergrö ssertem Drehmoment und ebensolchem Schlupf die nen, im Turbinenradgehäuse 9 ausgebildet und es ist ein Leitring 37 vorgesehen, um die aus dem Arbeits kreislauf stammende Flüssigkeit, die zufolge des ver grösserten Drehmomentes und Schlupfes austritt, zu diesen Durchlässen 36 zu lenken und auch um die Arbeitsflüssigkeit, die dem Arbeitskreislauf aus dem Einlasskanal 29 zugeführt wird, zu führen.
Das Tur- binenradgehäuse 9 besitzt einen Ringflansch 45 und ein Ring 38 ist mit dem Teil 39 verschraubt und bil det einen Ringspalt 40 aus, durch den die ausgewor fene Flüssigkeit strömt. Um der Kupplung ein An laufen bei hohem Gegendrehmoment zu ermöglichen, ist eine axial auf der Ausgangswelle 11 gleitbare Scheibe 41 vorgesehen, die mit einem Flansch 42 passend in den Ringspalt 40 eintreten kann. Der Ring 41 kann so ausgeführt sein, dass er in die Schliess stellung, entgegen der Wirkung von Rückstellfedern 44, durch eine Mehrzahl von mit Druckflüssigkeit betriebenen Servomotoren 43 geschoben wird.
In diesem Falle ist die Kupplung mit Ablassöff-- nungen 21 versehen, um die Arbeitskammer zu ent leeren, wenn die Nachlieferung an Flüssigkeit durch den Füllkanal 29 unterbrochen wird.
In der in Fig. 5 dargestellten Kupplung ist das Turbinenradgehäuse 9 mit einem Gehäuse 31 verbun den, welches über die Rückseite der Pumpenradge- häuse 6 ragt. Die Durchlässe 44, durch welche die Flüssigkeit aus dem Arbeitskreislauf ausgeworfen wird, sind im Turbinenradgehäuse 9 ausgeführt, wel- ches mit einem Ringflansch 45 versehen ist, dem ein Ring 46, der mit der Turbinenradnabe 47 verschraubt ist, im Abstand zugeordnet ist, so dass ein Ringspalt 48 für den Austritt der Flüssigkeit aus der Arbeits kammer gebildet wird.
Der Spalt 48 kann, falls ge wünscht, mittels eines auf der Ausgangswelle 11 axial gleitbaren Ringes 49 verschlossen werden, so bald dies gewünscht wird. Der Ring 49 ist so ange ordnet, dass er in eine den Spalt 48 verschliessende Lage verschoben werden kann, und zwar mittels Servomotoren oder mittels einer Gabel,. die in eine Nut 50 eingreift, wobei die Wirkung von Rückhol- federn 51 zu überwinden ist. Ein Ring 52 dient dazu, Flüssigkeit, welche den Arbeitskreislauf verlässt, zu den Öffnungen 44 zu leiten und um die durch den Einlasskanal 29 zugeführte Flüssigkeit in den Arbeits kreislauf zu lenken.
In diesem Falle finden Ablass- einrichtungen der in Fig. 1, 2 und 4 mit 24 bezeich neten Art nicht Anwendung.
Die in Fig. 6 gezeigte hydraulische Strömungs kupplung besitzt ein Pumpenrad und Turbinenrad einschliessendes Gehäuse 55, das mit dem Flansch 56 der Eingangswelle 1 verbunden ist, wobei das Pum penrad mit dem Flansch 56 der Eingangswelle 1 und das Turbinenrad mit einem Flansch 57 der Ausgangs delle 11 verschraubt ist. An das Gehäuse 55 ist ein Gehäuse 58 angeschraubt, welches einen Schöpfraum 59 ausbildet, in den ein längsgleitbares Schöpfrohr 60 ragt. Öffnungen 61 im Gehäuse 55 stellen zwischen dem Schöpfraum 59 und dem Arbeitskreislaufraum der Kupplung eine uneingeschränkte Verbindung her.
Wenn die Kupplung arbeitet, so entsteht ein Flüssig keitsring in der Schöpfrohrkammer 59, wobei die Stärke dieses Ringes durch die Einstellung des Schöpf- rohres 60 bestimmt ist, welches Flüssigkeit aus der Schöpfrohrkammer entfernt, um sie über einen Aus lass 22 und eine Leitung 63 einem (nicht gezeich neten) Sumpf zuzuführen. Eine Pumpe fördert Flüs sigkeit aus dem Sumpf in den Arbeitskreislauf der Kupplung durch eine Einlassleitung 64. Das Schöpf- rohr 60 ist in einer ortsfesten Führung 65 angeordnet und in dieser längsverschiebbar.
Die Führung ist an ein ortsfestes Gehäuse 66 angeschlossen, von dem Lecköl zum Sumpf durch eine Leitung 67 abfliesst.
Die so weit beschriebene in Fig. 6 dargestellte Kupplung ist insofern bekannter Art, als das Zurück ziehen des Schöpfrohres von der Peripherie der Schöpfrohrkammer weg zu einer Vergrösserung der Füllung des Arbeitskreislaufraumes führt, wogegen ein Eintauchen des Schöpfrohres gegen den äussern Umfang der Schöpfrohrkammer zu einer Verminde rung der Füllung führt.
Das Pumpenrad ist mit einer ringförmigen Lippe 13 versehen, wodurch ein Hohl raum 16 ausgebildet wird, der in freier Verbindung mit dem ausserhalb des Gehäuses 55 befindlichen Raum steht, wozu Ablassrohre 68 vorgesehen sind, die das Pumpenrad und das Gehäuse 55 durchsetzen, so dass die Flüssigkeit, die den Arbeitskreislauf bei Bedingungen vergrösserter Last und vergrösserten Schlupfes an seinem radial innern Teil verlässt, über die Teile 16 und 68 in das ortsfeste Gehäuse 66 austritt und durch die Leitung 67 in den Sumpf gelangt.
Ausser den eingangs genannten Vorteilen der er läuterten Beispiele ist noch auf folgendes hinzuweisen: Der Aufnahmebehälter erfüllt einen doppelten Zweck, indem er nicht nur die bei grossem Schlupf durch die Auslasseinrichtung völlig selbsttätig aus dem Arbeitsraum gedrängte Flüssigkeit aufnimmt, sondern auch die infolge des dauernden Kühlumlaufes und/oder auf Grund der Füllungsregelung aus dem Arbeitsraum abgeführte Flüssigkeit. Dabei braucht der Aufnahmebehälter keineswegs grösser bemessen zu sein wie ein sonst üblicher Aufnahmebehälter an füllungsgeregelten oder entleerbaren Strömungskupp lungen.
Der Raum- und Bauaufwand für einen be sonderen Behälter zur Aufnahme der bei grossem Schlupf aus dem Arbeitsraum abgeführten Flüssigkeit wird somit vollständig eingespart. Desgleichen erfüllt auch die beschriebene Fülleinrichtung mehrere Zwecke, indem sie einerseits die bei grossem Kupp lungsschlupf in den Aufnahmeraum abgedrängte Flüs sigkeit wieder in den Arbeitsraum zurückfördert und anderseits auch noch zum Füllen des Arbeitsraumes, zur Füllungsregelung und/oder zum Erzeugen des dauernden Kühlumlaufes dient.
Die besondere Ausbildung der vorliegenden Kupplung ermöglicht es, den Flüssigkeitsstrom durch eine besondere Kühleinrichtung zu leiten und dadurch jede gewünschte Kühlwirkung zu erzielen. Bei der Weiterbildung mit steuerbarer Auslasseinrichtung sowie auch durch eine steuerbare Fülleinrichtung (beispielsweise in Gestalt eines verstellbaren Schöpf- rohres 19 gemäss Fig. 1) können die Füll- und Ent- leervorgänge beliebig gesteuert werden.
Die vorlie gende Erfindung ermöglicht bei geringstem Bauauf wand und Bauraum eine äusserst günstige Dreh momentcharakteristik bei selbsttätiger Verminde rung des übertragbaren Momentes bei grossem Schlupf und zugleich guter Regel- und Kühlmög lichkeit. Sie erweitert die Anwendungsmöglichkeit zum Beispiel von Strömungskupplungen mit Füllungs regelung oder dauerndem Kühlumlauf in vorteilhafter Weise auf solche Fälle, in denen eine selbsttätige Drehmomentverminderung in Abhängigkeit vom Kupplungsschlupf erforderlich ist.