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Aus Pumpen-, Turbinen- und Leiträdern bestehendes Flüssigkeitswechselgetriebe
für selbsttätige Momentsteigerung beim Anfahren, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Bei den bekannten Turbotransformatoren, bestehend aus Pumpen-, Turbinen- und Leiträdern,
kann sich die Sekundär- oder die Turbinendrehzahl yz je nach dem zu überwindenden
Widerstand in weiten Grenzen ändern, wie in Abb. r der Zeichnung veranschaulicht
ist.
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Hält man die Pumpendrehzahl konstant, so wird bei einem gewissen Turbinendrehmomentll,T",
dem sogenannten Normalmoment, bei normaler Drehzahl der günstigste Wirkungsgrad
17" erreicht. Verringert man die Turbinendrehzahl bis zum Anfahren oder Festbremsen
(n=o), so steigt das Turbinendrehmoment M selbsttätig um einen Betrag, der von der
Anzahl, den Radien und den Beschaufelungen der Turbinenräder und Leitapparate sowie
von der Art der Pumpe abhängt (linke Äste der M-Kurven). Einer steigenden Turbinendrehzahl
entspricht umgekehrt ein Abfall der Drehmomente gemäß den rechten Ästen der M-Kurven.
Bei der sogenannten Leerlaufdrehzahl IU sinkt das Moment auf Null.
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Hat das Getriebe, z. B. beim Kraftwagen, der Reihe nach verschiedene
Zugkräfte, d. h. auch verschiedene Drehmomente M zu überwinden, so stellt sich die
Turbinendrehzahl
und damit die Fahrgeschwindigkeit vollkommen selbsttätig
und stufenlos auf den erreichbaren Betrag ein. Man erhält also eine selbsttätige
Momentsteigerung, ähnlich wie hei dem elektrischen Reihenschlußmotor.
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Die ersten bekannten Turbinengetriebe waren für Schifte und nur auf
-Maximalwirkungsgrad rin gebaut, da ein -Momentanstieg beim Anfahren dort unnötig
und zwecklos war. So ergab sich eine ungefähr geradlinige Momentcharakteristik I
(Abb. i), deren Anfahrmoment (n = a) ungefähr den doppelten Betrag des Normalmomentes
@LI" und deren Leerlaufdrehzahl rrL ungefähr den doppelten Betrag der Normaldrehzahl
der Turbine erreichte. Der zugehörige Wirkungsgrad verlief etwa nach der Parabel
rj.
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Später entstand bei den Anwendungen für Landfahrzeuge, Hebezeuge usw.
der Wunsch, die Zugkraft beim Anfahren schon durch geeignete Rücksichtnahme bei
der hydraulischen Gestaltung möglichst weitgehend zu steigern. Zur Beurteilung der
bei irgendeinem verlustlosen Getriebe erreichbaren Idealdrehmomente 1I bzw. -zugkräfte
ist in Abb. i die sogenannte ideale Zugkrafthyperbel gestrichelt eingetragen, welche
die erwähnte Momentlinie I der Schiffsgetriebe bei Normaldrehzahl berührt. Diese
Hyperbel würde die gleichfalls gestrichelte horizontale il-Linie konstanten Wirkungsgrades
entsprechen. Beim Anfahren würde eine unendlich große Zugkraft erreicht werden,
woraus zu schließen ist, daß jedes -technische Getriebe beim Anfahren den Wirkungsgrad
rj = o haben muß.
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Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, für Landfahrzeuge, Hebezeuge
u. dgl. eine möglichst günstige, zwischen der Geraden I und der idealen Hyperbel
liegende -Moment- oder Zugkraftlinie mit erheblich einfacheren Mitteln als bisher
zu verwirklichen. Alsdann ergibt sich von selbst ein möglichst völliger, zwischen
der parabolischen und der gestrichelten rj-Linie liegender Verlauf des Wirkungsgrades.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe sind bereits die verschiedensten
Vorschläge gemacht worden.
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Die Urausführung des Getriebes mit zwei Turbinenstufen erreichte.
wie schon erwähnt wurde, den geradlinigen -Momentverlauf I. In früheren Patenten
ist unter anderem die Anwendung nur von außen nach innen beaufschlagter Turbinen
(Francis-Typ) und die von drei bis fünf Turbinenstufen empfohlen, in späteren Patenten
die Vereinigung von zwei oder drei vollen Turbinenkreisläufen gleichen Drehsinns.
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Das Rieseler-Getriebe hat im hydraulischen Gang mit zweistufiger Turbine
und abwechselnd festbrenisbarem oder frei laufendem i Leitapparat nur die unter
der geraden Linie ' liegende, nach unten gekrümmte Moment Linie III erreicht.
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Ljtingströin hat für die Erzielung eine nach oben gekrümmten Momentlinie
1I di( I Anwendung unendlich vieler Turbinenstufen mindestens jedoch die von drei
Stufen be radialer Beschaufelung (davon zwei Francis. Turbinen), sowie die Anwendung
besonder< steiler Austrittswinkel vorgeschlagen. Be diesem Getriebe ist dafür
gesorgt, daß eine volleEiitziehungderTangentialkomponentenc, der absoluten Strömungsgeschwindigkeit
vor @, dem Rücktritt des Wassers in die Pumpe erfolgt (sogenannter senkrechter Eintritt).
Schließlich wird bei einem weiteren Flüssig-, keitsgetriebe die Anwendung einer
Leitvorrichtung für nötig erachtet, welche aus einem festen und fünf beweglichen
Leit-E schaufelkränzen besteht, die entweder einzeln frei umlaufen können oder deren
Schaufeln frei drehbar sind. Die Turbine ist dabei nach I F r a n c i s mit großem
Eintritts- und kleinem Austrittsradius durchgebildet.
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` -Nach dem bisherigen Stand der Technik konnte sonach eine zwischen
der Geraden I und der Idealhyperbel liegende Zugkraftsteigerung i nur mit ungewöhnlich
verwickelten Bauarten erzielt werden.
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Demgegenüber ist nun durch theoretische l Berechnungen und dann durch
-Versuche festgestellt, daß ähnliche Zugkraftsteigerungen, wie bei Linie II der
Abb. i, die bisher erst mit drei Turbinenstufen (sechs Rädern) oder mit einem festen
Leitkranz und fünf drehbaren Leitkränzen (sechs Rädern) erreicht wurden, schon mit
einer einzigen Turbinenstufe in einem Kreislauf aus drei festen Rädern erzielt werden
können, also mit einem Bruchteil der bisher nötigen -Mittel.
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Diese nach dem bisherigen Stand der Technik völlig unerwartete, ja
den Anschauungen anderer Fachleute völlig entgegengerichtete Wirkung wird nun erfindungsgemäß
hauptsächlich durch die Kombination von drei bestimmten Merkmalen erreicht: a) die
Anordnung einer einzigen Turbinenstufe, deren Eintrittsradius kleiner als der Austrittsradius
ist (also keine Francis-Turbine) im Kreislauf; b) die Umfangsgeschwindigkeit rc
am Austritt der Turbine muß von der Größenordnung der dortigen relativen Austrittsgeschwindigkeit
ze sein, wobei sieh Austrittswinkel kleiner als 35' ergehen (Abb. 2). c) die Schaufeln
der Turbine müssen am Eintritt stark verdickt sein.
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Jedes dieser -Merkmale ist für sich bekannt, aber in anderen Kombinationen,
und demzufolge mit minderwertiger 1Monientsteigerung, während erst die Gesamtheit
derselben den hier enthüllten überraschenden Fortschritt ergibt.
Die
bisher übliche Hinzufügung von Zentripetalturbinen des Francis-Typs (Eintrittsradius
größer als Austrittsradius) zu der hier mit stark veränderlicher Förderhöhe (und
Wassermenge) arbeitenden Pumpe verschlechtert z. B. merklich die Momentsteigerung
etwaiger Turbinen nach Merkmal a) oder b) und c).
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Die vielfach dargestellten und noch neuerdings besonders empfohlenen
steilen Schaufelwinkel lassen die hier beabsichtigte Wirkung, insbesondere bei Kraftwagen,
ebensowenig erreichen wie die Verwendung dünner Blechschaufeln oder ungenügend verdickter
Schaufeln.
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Die sowohl schon bei Wasserturbinen als auch bei Flüssigkeitsgetrieben
für Kraftfahrzeuge an sich bekannten stark verdickten Schaufelköpfe dienen hier
noch zu dem besonderen Zweck, um das hochgesteigerte, bei den älteren Bauarten auf
zwei oder drei Turbinenkränze verteilte Drehmoment (insbesondere beim Anfahren)
in hydraulisch und vom Festigkeitsstandpunkt günstiger Weise durch einen einzigen
Turbinenkranz genügend betriebssicher zu schaffen.
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Die Erfindung beruht noch auf der folgenden wichtigen Erkenntnis:
Man hat gelegentlich schon bei den alten Fourneyron-Turbinen (Austrittsradius größer
als Eintrittsradius) beobachtet, dgß die Momentcharakteristik gegen den Festbremspunkt
hin etwas nach oben gekrümmt ausfiel. Diese in Flüsse eingebauten Turbinen arbeiten
aber unter anderen hydraulischen Bedingungen als die vorliegenden Wechselgetriebe
(Momentwandler). Bei einer Drehzahlverstellung zwischen Normal und Null bleibt nämlich
das Gefälle des Flusses konstant. Bei dem in sich geschlossenen Turbogetriebe dagegen
ändert sich nicht nur das Gefälle für die Turbine erheblich, sondern auch die Wassermenge,
weil nämlich in dem kurzgeschlossenen Kreislauf sofort eine Rückwirkung auf die
Pumpe eintritt, die keine konstante Förderhöhe, sondern eine mit der Wassermenge
sehr stark veränderliche (vgl. Q-H-Charakteristik) Förderhöhe liefert. Die Wassermenge
stellt sich aber so ein, daß die Gesamtwiderstände in Pumpe, Turbine und Leitvorrichtung
(Reibungen, Stöße und nützlich heruntergearbeitete Gefälle) bestritten werden.
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Die Erkenntnis, daß die besondere Anwendung kleinerer Eintritts-,
größerer oder mindestens gleicher Turbinenaustrittsradien unter den eigenartig verschlungenen
Strömungsbedingungen der vorliegenden Wechselgetriebe überraschend hohe Momentsteigerungen
entscheidend mitbedingt, stellt einen wesentlichen Fortschritt der Getriebetechnik
dar, insbesondere weil dadurch mit Vorurteil aufgeräumt wird, daß die an sich für
den Scheitelwirkungsgrad günstige Francis-Turbine, mit größerem Eintritts-, kleinerem
Austrittsradius, auch für die selbsttätige Zugkraftsteigerung beim Anfahren überlegen
sei.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der oder die
Leitapparate in Gebiete möglichst großer Radien gelegt und der verbleibende Rücklaufkanal
zur Pumpe als schaufelloser Raum mit Innenkern ausgeführt wird. Der Leitapparat
hat dem Wasser einen bestimmten Drall cu . r (Umfangskomponente mal Radius)
zu erteilen. Wird insbesondere die Austrittskante des Leitapparates auf großes
r gelegt, so kann c" und damit die ganze Strömungsgeschwindigkeit c und der
dem c2 proportionale Reibungsverlust erheblich verringert werden, da die glatten
Seitenwände des folgenden schaufellosen Raumes poliert werden können und -daher
geringste Reibungsverluste für das nach innen anwachsende c" bedingen.
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Abb. a der Zeichnung stellt das eine der üblichen Turbinendreiecke
dar, in welchem die Umfangsgeschwindigkeit u und die Strömungsgeschwindigkeit (hier
Relativgeschwindigkeit am Kanalaustritt) erfindungsgemäß von ungefähr gleicher Größenordnung
sind. Bei Festbremsung erhöht sich w beträchtlich. Als Schaufelwinkel ß2 ergeben
sich dann Winkel von kleiner als 3ä°, während bei größeren Winkeln sich ungünstige
Verhältnisse u : w (nämlich zu kleine u im -Vergleich zu w) ergeben würden. Die
Schaufel kann beispielsweise die dargestellte abgerundete, bei Dampfturbinen, Propellern,
Pumpen und Wasserturbinen an sich bekannte Form besitzen, sie kann aber auch in
geeigneter Weise zugespitzt sein, jedenfalls aber muß sie stark verdickte Eintrittsenden
besitzen.
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Abb.3 der Zeichnung zeigt ein Flüssigkeitsgetriebe, das gemäß der
Erfindung ausgebildet ist. Auf der Primärwelle i sitzt das Pumpenradz, welches das
Wasser unmittelbar in das gleichachsige Turbinenrad 3 ausgießt, das durch die Scheibe
8 mit der Sekundärwelle 9 gekuppelt ist. Darauf strömt das Wasser durch den auf
größtem Radius angeordneten Leitkranz q. des feststehenden Gehäuses 7 und dann zurück
zur Pumpe durch den schaufellosen Raum 6. Mit dieser einfachen Anordnung sind besonders
gute Momentcharakteristiken ähnlich Linie II in Abb. i erzielt worden.
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In besonderen Fällen, z. B. zwecks Erzielung zylindrischer Schaufelkanäle
oder zwecks Anordnung axial verschiebbarer Leitkanäle, können dieselben statt an
der Stelle q. auch an der Stelle q.' angeordnet sein.
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Zur weiteren Steigerung der Anfahrzugkräfte und zugleich der Wirkungsgrade
können
die Leitapparate auch doppelt oder mehrfach ausgeführt und für sich in dem gleichen.
sonst urgeänderten Kreislauf je nach der gewünschten Gangart axial eingeschoben
werden. Von früheren Vorschlägen unterscheidet sich diese Nahnahme dadurch, daß
früher mit dem Verschieben des Leitapparates (bei gleichem Drelisinn) zugleich ein
Übergang auf einen neuen, vorher untätig ge-,vesenen Z@@.-eig de: Irreislaufes verbunden
war, während jetzt derselbe urverzweigte Kreislauf in Benutzung bleibt.
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Diese Maßnahme kann nun ertindungsgemäß noch weiter dahin verbessert
werden, daß nicht mir ein neuer Leitapparat. sondern zugleich ein neues Turbinenrad
in geeigneter Weise. z. B. gleichfalls durch Axialverschiebung, eingeschaltet wird.
Es entspricht dann jedem einzelnen Leitapparat ein der betreffenden Gangart angepaßtes
Turbinenrad.
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In manchen Fällen entsteht dabei jedoch der Nachteil. daß der mechanische
Zusammenhang zwischen Gehäuse und Kern des Kreislaufes oder anderen entsprechenden
Teilen verloren wird, so daß besondere Stützschaufeln, welche den Drall im wesentlichen
unverändert lassen. angewendet werden müssen, um diesen Zusammenhang wieder herzustellen.
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Dieser an sich nicht erhebliche Nachteil kann null durch eine weitere
Erfindungsmaßnahme überwunden werden, indem nämlich die betreifenden Leitschaufeln.
des Leitapparates und die oder die Laufschaufeln der Turbine in einen Einlauf- und
einen Auslaufteil zerlegt werden. von denen der letztere ständig benutzt wird und
gleichzeitig zur Verbindung voll Außenwand und Innenkern des Kreislaufen dient,
während der Einlaufteil so gestaltet wird, daß er den nur für -höhere und mittlere
Geschwindigkeiten geeigneten Auslaufteil zu einer Art Hakenschaufel ergänzt. welche
wiederum für kleinere Geschwindigkeiten und insbesondere für die Erzeugung höchster
Anfahrztigkräfte bestgeeignet ist. Hierdurch werden gewissermaßen die nach früheren
Vorschlägen zwei- oder mehrfach verzweigten Kreisläufe für Wechselgetriebe in einen
einzigen Kreislauf zusammengelegt und dadurch eine wesentliche Vereinfachung und
Verbesserung erzielt, zumal sich gezeigt hat. daß die in jedem Fall gemeinsame Pumpe
schon in sich hydraulisch für beide Gangarten günstige Eigenschaften verkörpern
kann.
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Abb. d. stellt derartige aus einem Einlaufteil 30 und einem
Auslaufteil 3z bestehende Sonderschaufelli dar, welche sowohl für die Veränderung
der Leitapparate als auch für eile der Turbinenläufer verwendet werden können. 3l
hat z. B. die besondere Form der L`berdruckschaufeln entsprechend höherer und mittlerer
Geschwindigkeit der Turbine, während die Vereinigung voll 30 und 31 eine
günstige Gleichdruckturbinenschaufelung ergibt.
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In weiterer Ausbildung dieser Anordnung können all Stelle der Einlaufschaufeln
30 oder zusätzlich zu diesen Vorschaufeln 37 vorgesehen werden, die beispielsweise
durch Schlitze der Radwandungen axial in den Kreislauf eingeschoben «-erden. Diese
Vorschaufeh 37 greifen dann hinter die verdickten Tröpfe der ständig wirksamen Hauptschaufeln
31 und bilden mit diesen all sich bekannte spaltflügelartige Hilfskanäle.
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31s «-eitaus bestes Mittel zur Herstellung einer solchen L niversalschaufelung
eignet sich hierbei wiederum das Mittel der Axialverschiebung des Ergänzungskranzes
30.
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Eine solche Einrichtung ist in 3bb. 5 dargestellt. 31 bezeichnet
den dauernd benutzten Kranz des Leitapparates, während 3o der Ergänzungsring ist.
der in die mit der festen Leitvorrichtung verbundene Kammer 32 verschoben
werden kann. Die Bewegung erfolgt z. D. in bekannter Weise mit Hilfe des livdraulischen
Druckes im Getriebe selbst. Der Ergänzungskranz 30 liegt selbstverständlich im Strömungssinn
vor dem dauernd benutzten Auslaufkranz 31. also hier z. B. auf größerem Radius als
31. > In entsprechender Weise kann zur Erzeugung der höchsten Anfahrzugkräfte und
Wirkungsgrade auch ein Turbinenauslaufkrallz 3l' mit dem Gehäuse 3 und dem Kern
33 fest verbunden sein, während der Zusatzkranz 30' in die Kammer 3.1 des Sekundärläufers
bei mittleren und 'höheren Fahrtstufen verschwinden kann. Die Verstellung kann hierbei
wiederum selbsttätig erfolgen. Die Aufnahmekammern 32 und 34 können je nach
Wunsch im Innern des Kerns oder auf der Außenseite des Gehäuses liegen.
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In Abli. ; ist ferner noch die als Reibungs-oder Zahnkupplung ausgebildete
Feststellvorricht1111933 angedeutet. mittelsderderPrimärteil i und der Sekundärteil
9 fest miteinander verbunden werden können. Die Abbildung zeigt schließlich,
daß auch bei geteilten Leitradkränzen 30. 31 außer der Axialbewegung des Ergänzungskranzes
30 noch ein Freilaufenlassen beider Leitkränze zusammen 111 einfachster
Weise möglich ist. sobald gewünscht wird, dala der genannte Leitapparat beim L'bergang
von Wandler- auf Kupplungsbetrieb im Sinne der Dralländerung unwirksam gemacht werden
soll.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung können die nur bei kleinereil
Turbinendrehzahlen in Tätigkeit gesetzten Vorschaufeln auch all einer von den Hauptschaufeln
vollkommen getrennten Stelle liegen. S0 kiillllte
z. B. in Abb.
3 der Turbinenkranz 3 beweglich eingerichtet werden und als Vorschaufel Verwendung
finden, während bei sinngemäßer Verlängerung des Turbinenrades an Stelle des Leitkranzes
q. am äußeren Scheitel ein weiterer Turbinenkranz als Hauptschaufel ständig benutzt
wird. In ähnlicher Weise kann auch der Vorkranz eines Leitapparates von seinem Hauptkranz
räumlich erheblich getrennt sein. Diese Trennung kann auch hydraulische Vorteile
bieten, um ungeordnete Strömungen, wie sie bei Stoßgang vielfach auftreten, möglichst
frühzeitig stromauf oder stromab zu ordnen und dadurch Zugkraft und Wirkungsgrad
zu steigern. Auch läßt sich vielfach eine erheblich bessere Raumausnutzung des Kreislaufes
erzielen und die Reynoldssche Kennziffer der Schaufelkanäle erheblich vermehren,
was auf die Reibungsv erluste günstig wirkt.
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In besonderen Fällen können die Vorschaufeh gegebenenfalls mit doppelter
oder dreifacher Schaufelzahl des Hauptkranzes ausgeführt sein, um die Stoßverluste
bei besonders langsamer Gangart, d. h. bei kleinem n,, weitgehend zu verringern
und dadurch die Anfahrzugkräfte besonders stark zu steigern.
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Zwecks weiterer Verbesserung der Momentsteigerung wird gemäß der Erfindung
amEintritt der. Pumpe ein Vordrall c" - r1 von 25 bis 5o °/o des Austrittsdralls
c,2 - r2 durch geeignete Gestaltung der Schaufelung des vorhergehenden Rades (Leitkranzes
oder Turbinenkranzes) hergestellt. DieseMaßnahme hat sich als besonders günstig
erwiesen, um eine möglichst einfache Schaufelung für die Pumpe zu erzielen. Ja man
kann sogar so weit gehen, daß der relative Eintrittsdrall w,1 # r1 zu Null wird,
so daß auch wul (Umfangskomponente der relativen Eintrittsgeschwindigkeit) zu Null
wird, d. h. die Pumpenschaufel unter ungefähr rechtem Winkel gegen den Umfang des
Pumpenrades steht (Abb. 6, rechter Winkel R). Da nun' nach den hydrodynamischen
Gesetzen in einem richtig konstruierten Transformatorkreislauf im schaufelfreien
Raume vor der Pumpe überall derselbe Drall c"1 - y1 herrschen muß, unabhängig von
der Radialkomponente c,. der Strömungsgeschwindigkeit c, so ergibt sich die grundlegend
wichtige Tatsache, daß man bei Innehaltung der genannten Vorschrift zylindrische
Schaufeln für die Pumpe verwenden kann, ohne befürchten zu müssen, däß erhebliche
Stoßverluste infolge der sehr ungleichartigen Meridiangeschwindigkeiten c., bestehend
aus c, und c., erzeugt werden.
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Die genannte Maßnahme zeigt also einen Weg, eine genau richtige Potentialströmung
in den scharf gekrümmten Kreisläufen schon mit Hilfe -zylindrischer Schaufeln herstellen
zu können. Dies bedeutet einen wichtigen Fortschritt in bezug auf Verbilligung derartiger
Getriebe, weil zylindrische Schaufeln nicht nur im Guß oder in der sonstigen Herstellung
billiger sind, sondern vor allem auch viel leichter zu bearbeiten und zu polieren
sind.
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Selbstverständlich braucht die genannte Vorschrift relativ senkrechten
Eintritts nicht mathematisch streng durchgeführt zu werden, es genügt schon, wenn
durch hinreichend großen Vordrall ein entsprechend steiler Eintrittswinkel erzielt
wird.
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Ein weiterer Vorteil der genannten Maßnahme besteht darin, daß die
sonst meistens bei den Pumpen unumgängliche Verzögerung der relativen Eintrittsgeschwindigkeit
w1 auf einen wesentlich kleineren Betrag w2 < w1 vermindert, ja in die wesentlich
günstigere Relativbeschleunigung w2 > ze@l verwandelt werden kann. Verzögerung
in Turbinenkanälen ist bekanntlich in jedem Falle ungünstig, in besonderem Maße
jedoch Relativverzögerung in Pumpen- oder Turbinenlaufrädern. Bemerkenswert ist
dabei, daß der einzige Konstrukteur, der bisher mit lauter festen, d. h. nicht irgendwie
regelbaren Turbinenschaufelungen, die stark nach oben gekrümmte Momentlinie 1I der
Abb. z erzielt hat, empfiehlt, vor der Pumpe keinen Vordrall zuzulassen, sondern
die Umfangskomponente der Strömung durch die vorhergehenden Laufräder möglichst
vollständig bis auf Null zu entziehen, damit nämlich der angebliche Austrittsverlust
aus der letzten Turbine, der in Wahrheit beim Transformator überhaupt nicht besteht,
möglichst gering werde. Die Erfindung stellt daher auch diesen grundlegenden Irrtum
durch eine neue Vorschrift richtig.